Ng−ỡng Brillouin
Có thể coi tán xạ kích thích Brillouin là t−ơng tác phi tuyến giữa đầu vào và sóng Stoke thông qua một sóng âm. Công suất đầu vào sẽ tạo ra sóng âm bằng quá trình electronstriction. Sóng âm sẽ điều chế chiết suất của thiết bị truyền dẫn. Cách tử chiết suất do công suất tạo ra sẽ ảnh h−ởng đến ánh sáng tới qua phản xạ Bragg. Do đó sóng tới sẽ dịch tần giảm do dịch chuyển Doppler kết hợp với cách tử dịch chuyển với vận tốc sóng âm. Nguyên lý của hiện t−ợng SBS đ−ợc minh hoạ trên hình 4.7.
Hình 4.7: Nguyên tắc SBS
Hiệu ứng SBS xảy ra trong một băng tần rất hẹp 20MHz tại b−ớc sóng 1.55àm. Sự t−ơng tác trong hiệu ứng này tạo ra sóng Stoke truyền theo h−ớng ng−ợc với sóng bơm.
C−ờng độ sóng Stoke tăng theo luật số mũ ở h−ớng ng−ợc. Ng−ỡng Brillouin đ−ợc xác định khi sóng Stoke bằng với công suất bơm ở đầu ra sợi quang theo công thức sau:
21 eff B CR eff L g P A ≈
+ gB: hệ số khuếch đại Brillouin
+ Leff: chiều dài hiệu dụng + Aeff: độ rộng vùng hiệu dụng
Giá trị đỉnh của gR gần nh− không phụ thuộc vào b−ớc sóng bơm và giá trị điển hình với silica là gR ≈ 5.10-11 m/W tại dịch tần khoảng 11.25GHz và PCR khoảng 1mW với tín hiệu CW trong vùng b−ớc sóng gần 1,55àm. Giá trị này gấp khoảng 3 lần hệ số khuếch đại Raman. Do đó SBS sẽ gây ảnh h−ởng đáng kể tr−ớc SRS khi công suất tăng.
Ng−ỡng SBS sẽ tăng khi luồng CW có độ rộng phổ ∆νp rộng hơn độ rộng đ−ờng khuếch đại Brillouin (∆νB ~ 20MHz). Ng−ỡng Brillouin cũng tăng khi các xung quang ngắn truyền trong sợi quang do phổ của nó rộng. L−ợng tăng công suất ng−ỡng còn phụ thuộc vào dạng điều chế dùng truyền dẫn dữ liệu.
Việc tính toán ng−ỡng Brillouin phải dựa trên phân tích miền thời gian. Xét tr−ờng hợp đơn giản khi tốc độ bit B lớn hơn rất nhiều độ rộng đ−ờng khuếch đại Brillouin (∆νB). Tuy nhiên việc phân tích vẫn phức tạp do các mẫu tín hiệu 1 và 0 không cố định trong các hệ thống viễn thông thực tế. Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể đ−a công suất 6mW vào sợi quang mà không làm giảm hiệu suất hệ thống do SBS.
Trong các hệ thống WDM hiện đại, các bộ khuếch đại quang sẽ bù suy hao sợi quang. Vấn đề quan trọng là các bộ khuếch đại quang này ảnh h−ởng thế nào đến quá trình SBS. Nếu sóng Stoke đ−ợc khuếch đại bằng các bộ khuếch đại này thì nó sẽ đ−ợc tích luỹ trên đ−ờng truyền và tăng rất lớn. Nh−ng các bộ khuếch đại trong hệ thống quang th−ờng có bộ cách ly quang nên sẽ ngăn đ−ợc sự truyền sóng Stokes. Tuy nhiên, SBS xuất hiện giữa 2 bộ khuếch đại vẫn cần xét đến bởi 2 lý do. Thứ nhất là do nó sẽ làm cho công suất của tín hiệu giảm khi tín hiệu v−ợt quá công suất ng−ỡng. Thứ hai, nó tạo sự thăng giáng trong tín hiệu còn lại là giảm cả SNR và BER. Do đó, công suất của các kênh đơn cần giữ d−ới ng−ỡng SBS và giá trị giới hạn trong thực tế là d−ới 10mW.
SBS gây ra nhiễu xuyên kênh giữa các kênh khi sợi quang truyền dữ liệu song công và khoảng cách giữa 2 kênh truyền ng−ợc nhau phù hợp với dịch tần Brillouin khoảng 11GHz. Nhiễu xuyên kênh này tạo ra sự khuếch đại các kênh tần số thấp nhờ công suất của kênh truyền ng−ợc h−ớng với nó. Tuy nhiên, có thể dễ dàng tránh nhiễu xuyên kênh Brillouin bằng cách chọn khoảng cách kênh phù hợp. Hầu hết các hệ thống truyền dẫn quang cự ly xa đều dùng các sợi quang khác nhau cho các kênh truyền ng−ợc h−ớng do đó loại bỏ đ−ợc nhiễu xuyên kênh Brillouin.
Một số ứng dụng cần công suất vào đến hàng chục mW. Ví dụ cần thiết kế đ−ờng truyền quang từ bờ biển đến một hòn đảo để truyền dẫn thông tin cự ly hàng trăm km mà không dùng các bộ khuếch đại đ−ờng truyền hay trạm lặp. Với cự ly hơn 300km cần công suất vào lên đến 50mW. Một trong các ph−ơng pháp để tăng công suất vào là tăng ng−ỡng Brillouin. Có một số ph−ơng pháp đ đ−ợc nghiên cứu. Các ph−ơng pháp này dựa trên cơ sở tăng độ rộng đ−ờng khuếch đại Brillouin (∆νB) hoặc tăng độ rộng phổ hiệu dụng của sóng mang quang. Độ rộng đ−ờng khuếch đại Brillouin với sợi quang Silica khoảng 20MHz trong khi độ rộng phổ hiệu dụng sóng mang quang của laser DFB nhỏ hơn 10MHz trong các hệ thống hoạt động ở tốc độ lớn hơn 2Gbps. Có thể tăng độ rộng băng thông của sóng mang quang mà không làm ảnh h−ởng đến hệ thống bằng cách điều chế pha của nó với một tần số thấp hơn nhiều tốc độ bit. Tần số điều chế ∆νmnày th−ờng nhận giá trị trong khoảng từ 200 đến 400MHz. Vì độ khuếch đại hiệu dụng Brillouin giảm theo hệ số (1+∆νm/∆νB) theo công thức trên nên ng−ỡng SBS cũng tăng theo cùng hệ số. Vì ∆νB ~ 20MHz nên với công nghệ này có thể tăng công suất vào thêm hơn 10 lần.
Ch−ơng 5
Mô phỏng tính toán cho tuyến truyền dẫn quang
Nội dung của ch−ơng 5 là xây dựng một phần mềm mô phỏng các tính toán cho hệ thống truyền dẫn tốc độ cao 160Gb/s dựa trên các phân tích trong ch−ơng 3 và ch−ơng 4.
Tr−ớc tiên, lấy ví dụ tính toán cho tuyến truyền dẫn 3 chặng x 100km tốc độ 160Gb/s nh− trên hình 5.1 để minh hoạ cho ch−ơng trình mô phỏng.
Mỗi chặng dùng sợi truyền dẫn là SSMF cự ly 100km, dùng sợi bù tán xạ DCF. Hai bộ khuếch đại EDFA mỗi chặng để bù hoàn toàn suy hao. Tuyến truyền dẫn này dùng kỹ thuật bù tán xạ tr−ớc để giảm các hiệu ứng phi tuyến trình bày trong ch−ơng 4, dùng 2 bộ khuếch đại sau máy phát và tr−ớc máy thu để bù hoàn toàn suy hao cho 2 bộ bù này.
Hình 5.1. Sơ đồ tuyến truyền dẫn cự ly 3 chặng x 100km