1.3.2.2 Tán sắc mode phân cực PMD
Mô tả một sợi quang lý tưởng tương đối đơn giản: làm thế nào năng lượng truyền dọc theo sợi, các mode phân cực mà sợi quang này có tại các bước sóng cho trước. Tuy nhiên, khi các sợi quang thực tế kết hợp lại trong cáp và cáp được lắp đặt thì rất khó để có được sợi quang lý tưởng. Trong suốt quá trình sản xuất sợi quang, các tác động trong lõi và vỏ sợi được cố định lại, bao gờm cả tính lưỡng chiết khơng thể dự đoán của sợi quang. Ngoài ra, các tác động cơ học của việc quấn các sợi quang trong cáp đôi dẫn đến sức căng bất đối xứng, sức căng này tăng lên khi cáp lại được uốn quang một trục. Mỗi lần ra khỏi phạm vi ban đầu, cáp tiếp tục chịu các sức ép lớn hơn khi nó được lắp đặt cũng như khi tăng các khoảng trống, các connector…. Tất cả các tác động cơ học này đều dẫn đến kết quả là xuất hiện sự biến dạng giả ngẫu nhiên bên trong sợi quang, sự biến dạng này làm nhiễu loạn hình dạng trịn hoặc tính đờng tâm của lõi bên trong vỏ, hoặc kéo dài hay uốn nhọn phần lõi.
Tán sắc mode phân cực là cơ chế cơ bản mà qua đó các hiện tượng trên ảnh hưởng đến hiệu suất. Tại một điểm bất kỳ dọc theo sợi quang, mợt xung ánh sáng đã được phân cực có thể bị phân chia thành các thành phần được sắp xếp theo hai trục trực giao của sợi quang: một trục nhanh và một trục chậm. Cần chú ý là các trục này không nhất thiết phải tương ứng với một trạng thái phân cực tuyến tính. Trong cáp quang thực tế, tính định hướng của các trục này và sự khác nhau tương đối về tốc độ truyền tương ứng với mỗi trục (liên quan trực tiếp đến độ lớn của sự lưỡng chiết bên trong) thay đổi dọc theo đường dẫn quang. Trong mỗi đoạn của sợi quang, hướng của các trục lưỡng chiết thay đổi (có thể coi là ghép mode). Trong mỗi đoạn xuất hiện thời gian trễ giữa các phần của ánh sáng theo trục nhanh và ánh sáng theo trục chậm. Vì tính hướng tương đối của các trục này trong các phần là khác nhau nên xung tín hiệu trải rợng theo thời gian.
Với những bước sóng cụ thể, trạng thái phân cực của ánh sáng được đưa vào sợi quang có thể chỉnh sửa để xung khơng trải rợng. Trong thực tế, có hai trạng thái phân cực trực giao tờn tại. Chúng là các trạng thái phân cực cơ bản, một tương ứng với thời gian truyền xung nhanh nhất và một ứng với thời gian lan truyền xung chậm nhất. Sự khác biệt giữa hai thời gian truyền xung này được gọi là trễ nhóm vi sai (DGD) tương ứng với bước sóng đó và PMD được xác định là giá trị trung bình theo bước sóng của DGD.
Các hệ số tạo ra PMD không thể đo riêng rẽ nên hiện tượng này phải được xem xét như một sự thay đổi cố định, không ổn định và chỉ mang tính phỏng đoán. Quá trình phỏng đoán này cho kết quả là sự nới rợng các xung mang tin, có thể làm giảm khả năng giải mã chính xác tại bợ thu. Do đó PMD là mợt tham số giới hạn tốc độ truyền dẫn. Tham số này được đo bằng đơn vị ps. Bởi vì mỗi yếu tố mới dọc theo sợi quang đều góp thêm vào ảnh hưởng của yếu tố trước đó nhưng kết quả cuối cùng là làm tăng PMD nên đơn vị thích hợp cho các hệ số đặc trưng cho PMD là ps/km1/2. Phải sử dụng mợt cách tính trung bình để xác định PMD của mợt kết nối chia làm nhiều phần. PMD tổng cộng bởi công thức sau:
PMDtot =(∑N(PMDN) )2 1/ 2 (1.2) Ảnh hưởng của PMD trong một hệ thống rất nhạy với sự tăng tốc độ bit của kênh, tăng số lượng chặng, tăng số kênh. PMD không chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của sự giảm khoảng cách kênh. Tuy nhiên hiệu ứng này giảm khi được điều khiển hình dạng sợi quang tốt hơn hoặc tăng sự ghép mode. Ảnh hưởng của kỹ thuật bù tán sắc sắc thể đến PMD không rõ ràng nhưng người ta vẫn đang tiếp tục nghiên cứu. PMD là một vấn đề quan trọng hơn đối với các lắp đặt WDM sử dụng sợi quang cũ G.652 so với các hệ thống sử dụng các sợi G.652 mới, G.653, G.655.
1.3.2.3 Tán sắc mode phân cực bậc hai
Tán sắc mode phân cực bậc hai là tham số có liên quan đến sự biến thiên của tán sắc mode phân cực theo bước sóng. Cho đến những năm gần đây thì tham số này vẫn ảnh hưởng khơng đáng kể đến hiệu suất của mạng. Tuy nhiên, khi tốc độ bit đạt đến 10 Gb/s và cao hơn nữa thì tham số này có thể trở nên quan trọng làm giảm chất lượng hệ thống. PMD bậc hai ln có mặt trong những sợi quang đơn mode dài nếu có PMD bậc mợt. (Trong thực tế có mợt mối liên quan đơn giản về mặt toán học giữa hai loại PMD đối với các trường hợp sợi quang được ghép). Mặc dù vậy, PMD bậc hai thông thường chỉ làm giảm chất lượng hệ thống khi kết nối có tán sắc sắc thể hoặc hiện tượng chirp tại ng̀n phát. Mức đợ suy giảm này có thể cùng bậc với tán sắc sắc thể và tỉ lệ với độ dài kết nối, không giống như PMD bậc mợt. Do đó cần xem xét cụ thể với những kết nối đường dài. Tuy nhiên, trái với tán sắc sắc thể, PMD bậc hai ảnh hưởng có tính chất xác suất.(behave stochasticlly).
PMD bậc hai ảnh hưởng đến các số liệu phân phối xác suất DGD, tăng lên khi có yêu cầu tỉ số lỗi bit nhỏ. Tham số này phụ thuộc vào tốc đợ thay đổi của DGD theo hàm của bước sóng. Tuy nhiên tham số này cịn phụ tḥc nhiều hơn vào sự thay đổi hướng của trạng thái phân cực đầu ra (véc tơ tán sắc phân cực) như là một hàm của tần số quang.
1.3.2.4 Các hiệu ứng phi tuyến
Tính phi tuyến trong sợi quang có những hiệu ứng tương tự như các hệ thống vật lý khác, là cơ học hoặc điện tử. Tính phi tuyến làm phát sinh các hài và các tần số khác nhau. Các tín hiệu phát sinh này lại gây ra các suy hao không mong muốn trong các mạng trùn thơng quang.
Tính phi tuyến của sợi quang khơng phải do quá trình sản xuất hay thiết kế, nó là mợt đặc điểm sẵn có của năng lượng điện từ khi qua một phương tiện vật lý. Các nhà thiết kế và người sử dụng các hệ thống truyền thông quang sợi cần đặc biệt quan tâm đến tham số này, vì tính nhất quán cao của năng lượng laser mà các hệ thống này sử dụng. Độ lớn của trường điện cần thiết đối với một mức công suất phát cho trước tăng lên cùng với mức độ nhất quán trong bước sóng. Chính vì vậy, ngay cả các mức cơng suất vừa phải trong các hệ thống WDM nhất quán cao cũng dẫn đến các mức trường điện đủ lớn để gây ra các hiệu ứng phi tuyến.
Tính phi tuyến của sợi quang trở nên đáng chú ý khi cường đợ tín hiệu laser (cơng suất trên mợt đơn vị diện tích) đạt đến giá trị ngưỡng. Đờng thời, các hiệu ứng phi tuyến cũng trở thành tất yếu sau khi các tín hiệu vượt qua mợt đợ dài nào đó của sợi quang, phụ tḥc vào đặc điểm kỹ thuật của cấu trúc và các điều kiện hoạt động của sợi quang.
Trong thực tế, trường điện (E) của tín hiệu lan truyền tỉ lệ với cơng suất tín hiệu
P lần hệ số phi tuyến n2 chia cho diện tích hiệu dụng Aeff của lõi sợi theo công thức sau:
(E z dz+ )=E z( ) exp[(−α/ 2+iβ γ+ P z t( , ) / 2) ]dz (1.3)
Trong đó α là suy hao sợi quang, β là pha của sóng lan truyền, γ là hệ số phi tuyến, γ=(2π/λ )(n2/Aeff). Giả sử chùm ánh sáng lan trùn theo dạng Gausse thì ta có
2
( )
eff
A =π MFD (1.4)
với MFD là đường kính trường mode. Đối với sợi quang dịch tán sắc G.653 và sợi quang dịch tán sắc non-zero G.655 thì Aeff xấp xỉ bằng 50 đến 60 μm2, trong khi đó sợi quang chưa dịch tán sắc G.652 có Aeff xấp xỉ bằng 80 μm2. Đợ dài sợi quang hiệu dụng
Leff cũng có tác dụng như Aeff. Với những sợi quang đơn mode điển hình thì Leff thường
Các hiệu ứng phi tuyến thường chia thành hai loại, phụ tḥc vào sự thay đổi của γ. Đó là hiện tượng tán xạ và hiện tượng chiết suất. Với hiện tượng tán xạ, tín hiệu laser bị tán xạ bởi các sóng âm (các phonon âm thanh) hoặc các dao đợng trong phân tử sợi quang (các phonon ánh sáng) và sẽ bị dịch đến các bước sóng dài hơn. Hai hiện tượng tán xạ thường thấy là tán xạ ngược Brillouin kích thích (hiện tượng phonon âm) và tán xạ Raman kích thích (hiện tượng phonon quang). Trong các hiện tượng chiết suất, cơng suất tín hiệu đủ cao để chiết suất khơng thể coi là hằng số nữa mà xấp xỉ theo công thức sau
0 2
n n= +n I (1.5)
với n0 là chiết suất tuyến tính, I là cường đợ tín hiệu, n2 là hệ số phi tuyến (khoảng 2 đến 3.10-16 cm2/W với sợi quang silic). Các hiện tượng chiết suất bao gồm tự điều chế pha SPM, điều chế pha chéo XPM và hiệu ứng trợn bốn sóng. Dưới đây là những nét cơ bản về các hiệu ứng phi tuyến nói trên
a. Tán xạ ngược Brillouin kích thích SBS
Trong hiệu ứng này, tín hiệu laser tạo ra các vùng tuần hoàn hoặc thay đổi chiết suất, có nghĩa là mợt cách tử tuần hoàn trùn đi như mợt sóng âm từ tín hiệu. Những phản xạ do cách tử ảo này gây ra xuất hiện như ánh sáng tán xạ ngược, được khuếch đại và tác động do hiệu ứng Doppler dịch tần số thấp hơn (bước sóng dài hơn). Hiệu ứng SBS dẫn đến mợt tín hiệu lan trùn theo hướng đi khơng ổn định và rất nhiễu vì rất nhiều năng lượng quang bị tán xạ ngược.
Với các sợi quang G.653 tại bước sóng 1552 nm chẳng hạn thì tín hiệu bị tán xạ ngược bị dịch xuống phía dưới khoảng 10,7 GHz (=0,085 nm) với băng tần khoảng 60 MHz. Với sợi quang G.652 trong cùng cửa sổ, tín hiệu bị tán xạ ngược bị dịch xuống khoảng 11 GHz (+0,088 nm) với băng tần khoảng 30 MHz. Theo kinh nghiệm thì nên xem xét SBS như mợt vấn đề về điện thế (potential) nếu ánh sáng đơn sắc trên 6 dBm được đưa vào sợi quang.
Nhiều kỹ thuật đã được phát triển để khử SBS trong các hệ thống thực tế. Kỹ thuật thơng dụng nhất là rung nhanh (~50 kHz) sóng mang qua mợt dải tần khoảng 1GHz, lớn hơn rất nhiều so với băng tần SBS 30 đến 60 MHz.
b. Tán xạ Raman kích thích SRS
Hệ số tán xạ Raman, khoảng 10-12 cm/W nhỏ hơn rất nhiều so với hệ số tán xạ ngược Brillouin. Tuy nhiên, tần số tín hiệu lại bị dịch đến những tần số thấp hơn rất nhiều (từ 10 đến 15 THz trong cửa sổ 150 nm, hoặc tại bước sóng dài hơn 100 nm) với băng tần rộng hơn nhiều (khoảng 7 THz hay 55 nm). Trong các hệ thống WDM hiệu
ứng này là sự chuyển cơng suất từ các kênh bước sóng ngắn đến các kênh bước sóng dài hơn.
c. Tự điều chế pha SPM
Khi cường đợ tín hiệu laser trở nên quá cao, tín hiệu có tự điều chế pha. Việc điều chế này nới rợng phổ của tín hiệu và tạm thời nới rợng hoặc nén tín hiệu, phụ tḥc vào dấu (âm hay dương) của tán sắc sắc thể. Mợt sự dịch chuyển các bước sóng ngắn xảy ra tại phần đi của tín hiệu và dịch chuyển các bước sóng dài tại phần đầu tín hiệu.
Trong các hệ thống WDM, sự nới rợng phổ do SPM gây ra trong mợt kênh tín hiệu có thể giao thoa với các tín hiệu liền kề. SPM tăng lên khi cơng suất kênh đưa vào tăng lên trong mợt sợi quang cố định với diện tích hiệu dụng cố định, khi tốc độ bit của kênh tăng lên và trong trường hợp tán sắc sắc thể mang dấu âm (-). SPM không bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi giảm khoảng cách kênh và tăng số lượng kênh, hiệu ứng này giảm xuống khi tán sắc sắc thể có giá trị khơng hoặc giá trị dương nhỏ, khi tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang và khi bù tán sắc.
d. Điều chế pha chéo XPM
Trong trường hợp này thì tín hiệu của mợt kênh điều chế pha của tín hiệu trong kênh liền kề. XPM cũng nhạy với các tham số giống như SPM, ngoài ra cịn nhạy với sự tăng số lượng kênh. XPM khơng bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi giảm khoảng cách kênh nhưng giảm trong các trường hợp: tăng diện tích hiệu dụng của sợi và bù tán sắc. Trong các hệ thống WDM sử dụng sợi có diện tích hiệu dụng lớn thì XPM khơng phải là một vấn đề quan trọng. Các vấn đề về XPM sẽ được nghiên cứu cụ thể trong chương 2 của đề tài.
e. Hiệu ứng trợn bốn sóng FWM
Đây là hiệu ứng phi tuyến có tính chất phá vỡ nhiều nhất trong các hệ thống WDM. Khi cường đợ tín hiệu laser đạt đến giá trị tới hạn, các tín hiệu bóng xuất hiện và mợt số có thể rơi vào các kênh có thực. Số lượng kênh bóng được tính theo cơng thức N2(N-1)/2 với N là số kênh tín hiệu. Theo cách tính này thì trong mợt hệ thống 4 kênh sẽ xuất hiện 24 kênh bóng, hệ thống 8 kênh xuất hiện 224 kênh bóng, hệ thống 16 kênh xuất hiện 1920 kênh bóng. Sự giao thoa giữa các kênh này sẽ rất nghiêm trọng tại phía thu. Hiệu ứng trợn bốn sóng rất nhạy với sự tăng cơng suất kênh, sự giảm khoảng cách kênh, sự tăng số lượng kênh mặc dù đạt được giá trị bão hoà. Hiệu ứng này đặc biệt nghiêm trọng trong hệ thống sử dụng sợi quang dịch tán sắc G.653. Với sợi dịch tán sắc non-zero G.655 thì hiệu ứng này ít nghiêm trọng hơn, đặc biệt khi sợi có diện tích hiệu dụng rợng. FWM khơng bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi tăng tốc độ bit của kênh. Khi tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang hoặc tăng giá trị tụt đối của tán sắc sắc thể thì có thể giảm FWM. Trong cửa sổ 1550 nm, ảnh hưởng của FWM
không nghiêm trọng đối với sợi quang chưa dịch tán sắc G.652 so với sợi quang dịch tán sắc G.653 vì tán sắc tương đối phẳng trong khi sườn tán sắc lại dốc hơn.
1.3.3 Các tham số trong bộ khuếch đại
Các bợ khuếch đại EDFA có vai trị quyết định trong các hệ thống WDM. Do đó sự phụ tḥc vào bước sóng của hệ số khuếch đại cần phải được xác định trong quá trình thiết kế mạng, đặc biệt là khi các kênh riêng lẻ phải đi qua nhiều bợ khuếch đại.
1.3.3.1 Phát xạ tự phát
Ng̀n tạp âm chính trong bợ khuếch đại quang là phát xạ tự phát được khuếch đại ASE, phát xạ này khơng giống như tiếng rè rè có thể nghe thấy từ mợt bợ khuếch đại âm thanh. ASE xuất hiện như một mức nền qua dải phổ quang, có thể nhìn thấy bằng mợt máy phân tích quang phổ. Phát xạ này dẫn đến tạp âm trong băng RF cơ sở (trong tín hiệu điện ra khỏi bộ thu) qua một số cơ chế. Ta xem xét các cơ chế này.
Là một phương tiện khuếch đại được bơm trong miền quang, silic được tiêm Erbium có cấu trúc 3 mức, trong đó mức trên cùng trong dải 1550 nm là mức rất ổn định và có thể sinh ra phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Mức siêu bền có mợt thời gian phân rã dài. Kết quả là, mợt ion Erbium có thể duy trì trạng thái này trong thời gian dài, dẫn đến sự đảo mật độ. Với sự xuất hiện trạng thái đảo mật độ này, các nguyên tử hoặc ion bị cách ly sẽ tạo ra các phát xạ tự phát. Trong các phương tiện có khuếch đại, chẳng hạn như trong EDFA, phát xạ tự phát này có xác xuất được cho trước về khả năng bị giữ lại trong mỗi phần cơ bản của sợi quang đã được kích thích, do đó được khuếch đại bởi các nguyên tố liên tiếp, tạo ra phát xạ tự phát được khuếch đại ASE. ASE phát sinh trong cả hướng đi và hướng ngược trở lại của tín hiệu.
Có thể làm giảm cơng suất ASE của tín hiệu bằng cách đo mức tạp âm tín hiệu đầu vào (Nin( λ )) và mức tạp âm tổng cợng của tín hiệu đầu ra (Nout(λ )) rồi sử dụng công thức sau:
( ) ( ( ) )
out in
N λ = N λ ×G +ASE (1.6)
với G là hệ số khuếch đại. Trong sự bão hoà hoặc nén hệ số khuếch đại, ASE