Cơng suất giảm sau các chặng thay đổi khi thay đổ- 123docz.net

Hình 3 .4 Méo XPM cho kênh dị (a)sợi DSF, (b) sợi SSMF

Hình 3.5 Cơng suất giảm sau các chặng thay đổi khi thay đổi số lượng chặng

Khi tiến hành thí nghiệm với kênh đơn 10 Gb/s để xác định ảnh hưởng của SPM, với kết nối được bù trước, khoảng cách truyền dẫn có thể đạt đến trên 20 và 15 chặng (<1000 km) trước khi có tổn hao 3 dB với cơng suất đầu vào lần lượt là +4 và +8 dBm. Các khoảng cách này bị giảm do bốn kết nối bù sau. Trong sơ đồ bù sau, chirp SPM đạt được làm tăng thêm độ giãn xung với tán sắc âm của DCF. Ngược lại với sơ đồ bù trước, chirp SPM gây nén xung trong sợi SSMF tại cuối mỗi chặng.

Dùng sơ đờ có hai EDFA với DCF đặt giữa hai bợ khuếch đại có thể tối thiểu hoá công suất đưa vào sợi quang, mặc dù điều này làm tăng tính phức tạp khi thiết kế hệ thống. Kết quả cho thấy SPM trong DCF đặt sau EDFA có thể giảm thiệt hại. Thí nghiệm với 4 kênh cách đều nhau 50GHz, cùng công suất trên kênh và bộ khử tương quan SSMF 10,5 km được tiến hành. Thay đổi nhỏ trong thiệt hại so với trường hợp đơn kênh với bù sau do sự giãn rộng xung về thời gian gây ra bởi SPM chiếm ưu thế. Tuy nhiên, sự có mặt của các kênh lân cận trong thí nghiệm WDM bù trước cũng cho kết quả là giảm khoảng cách truyền dẫn lớn nhất có thể xuống dưới 10 chặng. Vấn đề này có hai nguyên nhân. Đầu tiên là jitter định thời do XPM là kết quả của việc giảm độ dài của xung bị nén. Trong sơ đồ đã được bù tán sắc, dịch pha do XPM phân phối dọc theo chiều dài sợi quang phi tuyến dẫn đến méo cường đợ do tán sắc cịn dư tại phần cuối chặng. Nguyên nhân thứ hai là sự tăng xuyên âm xảy ra giữa các kênh tại bộ thu do giãn rộng phổ mà XPM hoặc SPM gây ra, dẫn đến chuyển các thành phần phổ từ một kênh sang băng tần của các kênh lân cận. Để nghiên cứu mức của xuyên âm, phổ của tín hiệu WDM được đo sau 1, 4, 8 và 12 vịng tuần hoàn của vịng quang bằng máy phân tích phổ và bộ lọc FB. Sự giãn rộng phổ lớn với khoảng cách truyền dẫn được quan sát được ghi trong máy phân tích phổ trong hình 4. Điều này xảy ra trong trường hợp bù trước như là kết quả của các xung bị nén tại đầu chặng dẫn đến SPM và

XPM lớn. Ảnh hưởng của XPM đạt lớn nhất khi các xung trong các kênh lân cận được sắp xếp trong sợi quang phi tuyến. Xung rộng hơn trong cấu trúc bù sau cho thấy giãn phổ thấp hơn.

Hình 3.6 cho thấy phổ FP đo với kênh 2 tại +8 dBm/ kênh với chuỗi bit 1010… sau 12 chặng. Sự chuyển đổi cơng suất từ sóng mang sang dải biên như mợt hàm của số chặng được vẽ trong hình 3.6, cho thấy sự giãn rộng phổ do SPM (kênh đơn) và giãn rộng thêm do XPM với 4 kênh được phát.

Hình 3.6 Phổ của kênh 2 sau 12 chặng bù trước trong thí nghiệm (a) và mô phỏng (b) Qua các kết quả mà thí nghiệm [12] đã đạt được ta thấy rằng nguyên nhân chủ yếu làm giảm khoảng cách truyền dẫn của hệ thống WDM là do sự giãn rộng xung (hoặc nén xung tuỳ thuộc vào sơ đồ bù tán sắc được dùng) và jitter định thời xuất phát từ XPM.

3.1.2 Méo cường độ do XPM

Những thiệt hại do XPM gây ra trong các hệ thống DWDM tốc độ cao ảnh hưởng đến chất lượng các hệ thống này rất lớn. Để đánh giá chất lượng hệ thống quang dưới ảnh hưởng của XPM, cần có mợt mơ hình giải tích được thực hiện với đặc điểm nhanh hơn, đơn giản và càng chính xác càng tốt. Các nghiệm của mơ hình này là đạo hàm của hàm jitter theo thời gian giải tích. Những nghiên cứu trước đây chỉ địi hỏi phân tích điều chế cường đợ phát sinh tại cuối sợi quang. Các hiệu ứng cũng chỉ được phân tích cho dạng điều chế NRZ. Cơng cụ VPI trong [7] cung cấp cách làm đơn giản và hiệu quả để mô phỏng XPM bao gồm cả méo cường đợ và jitter thời gian trong hệ thống WDM.

Để tính toán méo trường do XPM trong các hệ thống WDM đa chặng khơng địi hỏi biến đổi Fourier. Điều chế pha quang do XPM gây ra và kết quả của hiện tượng này là tính toán dao đợng cơng suất tín hiệu và đợ chính xác của mơ hình đã được kiểm nghiệm. Xem xét một hệ thống 5 chặng với độ dài chặng tính đến 100km được xem xét. Mơ hình sử dụng tán sắc 17 ps/nm.km và bù tán sắc -102 ps/nm.km. Mức

Bước sóng dịch chuyển (b)

cơng suất 3 dBm với dạng sóng được điều chế NRZ 10 Gb/s, ngoài ra, kết quả không được so sánh với độ trễ giữa các chuỗi bit kênh bơm và kênh dị. Mặc dù đợ trễ chỉ gây ra những vấn đề nhỏ nhưng ảnh hưởng của dịch bit phải được xem xét để mô phỏng một hệ thống quang để cải thiện đợ chính xác của kết quả. Mơ hình ở đây xem xét các đợ trễ giữa các chuỗi dữ liệu được mô phỏng đầy đủ các hiệu ứng của dịch bit trong hệ thống thực tế. Mơ hình này áp dụng biến đổi Fourier để xác định ảnh hưởng của SPM và tán sắc được tiến hành bởi công cụ mơ phỏng VPI để thực hiện mơ hình hoá đầy đủ một hệ thống quang. Công cụ VPI xem xét cả xuyên nhiễu cường độ và méo jitter thời gian cho các dạng điều chế.

Phổ của XPM trong hệ thống IMDD đa chặng đã được nghiên cứu về cả lý thuyết và thực nghiệm. Mơ hình giải tích được sử dụng để xác định ảnh hưởng của XPM về mặt lý thuyết. Chỉ có các hệ thống được điều chế cường đợ được xem xét và các thí nghiệm thay đổi những dao đợng cường độ trong hệ thống IMDD. Công suất đưa vào cao hơn khoảng 11,5 dBm được sử dụng. Dạng sóng dùng cho điều chế là NRZ. Thí nghiệm này xem xét các hệ thống IMDD và cơ chế PM-AM. Điều chế pha do XPM được chuyển đổi thành điều chế cường độ do tán sắc sắc thể và vì vậy chỉ xem xét đến ảnh hưởng của xuyên nhiễu cường độ, không xét đến ảnh hưởng của jitter định thời. Mơ hình này xem xét điều chế RZ . Cả hai mơ hình đều xét đến đợ trễ giữa kênh bơm và kênh dị.

Mơ hình giải tích này xét đến cả cường độ và jitter định thời trong cả hai dạng sóng điều chế do XPM. Do đó có thể dùng mơ hình này để tính toán các hiệu ứng của XPM.

Trong mơ hình này xem xét mợt hệ thống WDM với SMF. Kênh dò tại đầu vào sợi quang là mợt sóng CW và phân tích điều chế cường đợ và pha tạo bởi công suất được mang trong kênh bơm trên bước sóng khác. Sự biến đổi về pha của kênh dò i do tương tác Kerr với kênh bơm k dọc theo khoảng cách rất nhỏ từ z đến z+dz được cho như sau: dz z P z dθi( ,ω)=−2γi k( ,ω) (3.2)

Trong đó γi là hệ số phi tuyến.Cơng suất kênh bơm Pk(z,ω) và được tính theo cơng thức Pk(z,ω)= Pk(0,ω).cos(qzz).exp(−αz−iωz/vg,k)với giả thiết tín hiệu nhỏ trong [10].

Tại đây qk= - β2,kω2/2 với β2,k tính đến tán sắc, α là hệ số suy hao và vg,k là vận tốc nhóm. Dao đợng về pha rất nhỏ do phần sợi quang dz tạo ra sẽ lan truyền đến cuối sợi quang có chiều dài L. Do tán sắc sắc thể của sợi quang mà điều chế pha rất nhỏ này sẽ tiến triển thành dao động cường độ qua chuyển đổi PM-IM và cũng xảy ra trễ pha qua chuyển đổi PM-PM. dPXPM,i(z,ω)=−2Pi(z)exp[(−α −iω/vg,i)(L−z)].sin[qi(L−z)]dθi(z,ω) (3.3) [( / )( )].cos[ ( )] ( , ) exp ) , ( , , ω α ω θ ω θ z i v L z q L z d z d XPMi = − − gk − i − i (3.4)

(3.3) biểu thị dao động về công suất và (3.4) biểu thị dao động về pha tại cuối sợi quang do tương tác bơm-dò tại z.

Ở đây suy hao và trễ truyền lan của kênh i được cho bởi biểu thức [( / )( )] ( )

exp −α −iω vg,i L−z Pi z và Pi(z) là cơng suất trung bình của kênh i tại khoảng

cách z từ điểm bắt đầu sợi quang. Trọng tâm của mơ hình này là tính toán jitter định thời do XPM nên chỉ xét phương trình dao đợng pha (3.3).

Khái niệm đợ dài walk-off

Giải phương trình Schrodinger đưa ra mợt kết quả chính xác bằng phương pháp số. Điều này bao gồm cả các hiệu ứng tán sắc và phi tuyến của sợi quang. Tương tác phi tuyến chỉ có tại đợ dài walk-off đầu tiên trong phần bắt đầu của chặng. Chỉ có tán sắc ảnh hưởng đến sự chuyển đổi từ pha sang méo cường đợ và các hiệu ứng phi tuyến có thể bỏ qua sau chiều dài walk-off đầu tiên. Chiều dài walk-off dẫn đến sự thay đổi cường độ do sự thay đổi các liên kết tương đối của các kênh tương tác. Sự thay đổi tương đối này giải thích sự khác nhau về thời gian nhỏ giữa các xung, Δt mô tả các thay đổi cường độ này. Điều này được cho bởi

) /( ∆λ ∆

≈ t D

LW (3.5)

Với D là tán sắc sắc thể và Δλ là khoảng cách kênh tính theo nm. Với tín hiệu RZ và NRZ, Δt là đợ rợng xung với RZ và là đợ rợng tính từ các sườn lên và xuống. Do đó chiều dài walk-off tỉ lệ trực tiếp với những thay đổi cường đợ và tỉ lệ nghịch với tích tán sắc và khoảng cách kênh.

Khi khoảng cách kênh rất rợng thì chiều dài walk-off rất nhỏ so với chiều dài hiệu dụng của sợi quang và không đáng kể. Tuy nhiên, khi các bước sóng cách nhau mợt khoảng nhỏ thì chiều dài walk-off đủ lớn so với chiều dài hiệu dụng của sợi quang. Khi đó, các méo XPM bị chi phối bởi suy hao sợi quang và chiều dài walk-off phụ thuộc vào khoảng cách kênh. Trong trường hợp này các méo XPM có liên quan đến cả chiều dài walk-off và suy hao sợi quang. Vì vậy khi khoảng cách kênh nhỏ hơn 0,4 nm với hệ số tán sắc 17 ps/nm.km, chiều dài walk-off đủ lớn để không thể bỏ qua. Khi khoảng cách kênh lớn hơn, các tín hiệu tách rời nhau trong miền tần số nên ảnh hưởng của chiều dài walk-off không quan trọng nữa. Trong trường hợp sợi quang có tán sắc tương đối thấp, trong dải từ 2-5 ps/nm.km, sự phụ thuộc ngược lại vào khoảng cách kênh chỉ đạt được tại các giá trị Δλ cao vì tán sắc là rất nhỏ.

XPM phụ thuộc rất nhiều vào tán sắc sắc thể. Việc này đóng vai trị quan trọng đối với sự biến đổi từ méo pha sang méo cường độ và jitter định thời. Điều này cũng ảnh hưởng đến các chiều dài walk-off hệ thống. Tại mỗi chặng sự bù tán sắc có thể được đưa vào để loại bỏ các hiệu ứng XPM do tán sắc trong sợi quang nhưng sẽ làm giảm ưu điểm của sợi quang trong trường hợp truyền dẫn thẳng. Ngoài ra sự phụ thuộc của

XPM vào cường đợ quang biểu thị quan hệ tuyến tính có khả năng phân tích những suy yếu gây ra do các kênh công suất cao.

Biến đổi nhiễu pha sang nhiễu cường độ

Trong một hệ thống WDM hoạt động tại tần số 1550 nm, sợi SSMF đi qua tán sắc khá lớn làm hạn chế chất lượng các hệ thống quang. Tán sắc biến đổi điều chế pha thành điều chế cường độ tại đầu ra sợi quang. Chính vì vậy cần phải nghiên cứu các yếu tố gây ra sự biến đổi này. Trong một nghiên cứu khác đã đưa ra một ma trận biến đổi mô tả mối quan hệ đầu vào và đầu ra của điều chế pha và cường độ tương ứng.

Đặt Sin(t) là công suất quang đầu vào và φin(t)là pha tín hiệu đầu vào. Khi đó ma

trận chuyển đổi được xác định qua (3.6)

trong đó ΔSout(jω ) và ΔSin(jω) là cường độ đầu vào và đầu ra. φout(jω)và φin(jω)là pha tín hiệu đầu vào và đầu ra. F thể hiện tham số tán sắc. ma trận biến đổi này cung cấp các quan hệ cho cả biến đổi PM-IM và PM-PM.

Hàm truyền đạt có thể có được từ ma trận trên. Để tính toán điều chế cường đợ và pha tại điểm cuối sợi quang, cần có mối tương quan giữa chúng (có thể suy luận từ kiến thức về bợ phát dùng trong hệ thống).

Dùng ma trận biến đổi này có thể phân tích sự suy yếu tín hiệu do các kênh lan truyền dọc theo sợi quang tán sắc. Sự biến đổi điều chế tần số thành điều chế pha xảy ra mạnh mẽ nếu tham số suy hao α lớn hơn 1. Ma trận này cũng xem xét sự tương quan giữa điều chế pha và điều chế cường độ.

Méo cường đợ do XPM

Trước khi tiến hành mơ hình suy yếu do XPM do jitter thời gian và méo biên đợ trong hệ thống, luận văn [7] mơ tả mơ hình chỉ bao gờm méo cường độ. Trong các hệ thống IMDD,các mức xuyên nhiễu XPM phụ thuộc rất lớn vào tán sắc sợi quang và khoảng cách kênh. Do công suất cao trong kênh bơm, kênh dị trải qua mợt số điều chế pha. Điều chế pha khơng giải thích cho sự suy giảm của hệ thống. Tuy nhiên, do tán sắc sắc thể, điều chế pha biến đổi thành điều chế cường độ và làm giảm nghiêm trọng chất lượng hệ thống. Trong trường hợp hệ thống IMDD, hiệu ứng Kerr phi tuyến kèm theo tán sắc sắc thể làm tăng sự suy yếu chất lượng này.

Luận văn [7] đưa ra giả thiết xem xét SPM và XPM như những hiệu ứng tách biệt. Trong sợi quang tán sắc, tán sắc và tính phi tuyến cùng tác đợng. trong trường hợp chiều dài sợi quang nhỏ thì các hiệu ứng này có thể được giả sử là tác động độc lập. Sau khi xem xét các hiệu ứng do XPM, méo cường đợ do XPM có thể biểu diễn như sau (3.6) ( N j) jk n n m n n n jk m k N j i N m jk j L v d j L L d j p L p L s exp / 2 / sin . exp ) 0 , ( 4 ) , ( (1) ) ( ) ( 2 2 1 1 ) ( ) ( ) ( Ω Ω −       Ω     Ω Ω = Ω ∆ ∑ ∑− = α β γ (3.7) Trong đó m( , N) jk L s Ω

∆ là dao động biên độ tại điểm cuối của N chặng đã được

khuếch đại tạo ra bởi điều chế pha do XPM tại chặng thứ m. LN là chiều dài tổng của

sợi quang. Pkm(Ω,0) là công suất bơm đầu vào chặng thứ m, djk là chiều dài walk-off giữa hai kênh trong chặng thứ m. Pt (3.6) được dùng để tính toán xuyên nhiễu cường đợ do tán sắc và tính phi tuyến.

Tác đợng của méo cường đợ

Trong mợt hệ thống sử dụng dạng sóng NRZ, tín hiệu dị tại đầu ra sợi quang bị méo do XPM, có quan hệ trực tiếp với tín hiệu quang khơng bị méo của kênh dò tại đầu ra. Xuyên kênh do XPM từ kênh bơm sang kênh dò được cho bởi (3.6) trong đó

mj(t) là dạng sóng dị đã chuẩn hoá tại đầu ra và mk(t) là dạng sóng bơm đã chuẩn hoá

tại đầu vào. F -1 và F chỉ các biến đổi Fourier và biến đổi ngược. Hj(Ω) là hàm truyền đạt bộ lọc băng gốc của hệ thống.

XPM bao gồm méo định thời và méo cường đợ

Tính chất tán sắc tự nhiên của sợi quang gây ra sự suy giảm trong các mạng quang. Jitter định thời được hình thành do các méo pha trong phát sinh trong sợi quang tán sắc. Các méo pha này xảy ra do chiết suất phi tuyến của sợi quang. Do công suất của một kênh ảnh hưởng trực tiếp đến chiết suất của sợi quang nên khi có những thay đổi về cơng suất dọc theo sợi thì làm thay đổi chiết suất của sợi. Chiết suất lại có ảnh hưởng trực tiếp đến pha của tín hiệu. Chính vì vậy khi có các biến thiên phụ tḥc thời gian trong sợi quang, sẽ có sự biến đổi pha trong tín hiệu quang. Những biến đổi về pha quang sau đó chuyển thành dao đợng cường đợ và jitter định thời tại đầu ra sợi quang qua tán sắc sắc thể. Điều này có ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống. Các méo cường độ và jitter định thời là các hiệu ứng tách biệt và khi kết hợp lại tạo ra các hiệu ứng có hại hơn nhiều đối với trùn dẫn tín hiệu. Các méo cường đợ do

Cơng suất giảm sau các chặng thay đổi khi thay đổi số lượng chặng

.9 Xuyên kênh theo băng tần điện thu