Đối với các hệ thống truyền dẫn với khoảng cách dài (long haul), tín hiệu quang sẽ bị suy yếu trong quá trình truyền dẫn, do đĩ cần phải tái tạo lại tín hiệu sau một khoảng cách nhất định nào đĩ, khi đĩ các bộ khuếch đại quang đƣợc sử dụng. Vào những ngày đầu tiên, bộ khuếch đại đƣợc thực hiện trong miền điện, tức là tín hiệu quang sẽ đƣợc chuyển thành tín hiệu điện sau đĩ tín hiệu điện đĩ đƣợc khuếch đại, cuối cùng tín hiệu điện lại đƣợc chuyển về lại tín hiệu quang và tiếp tục truyền trên sợi quang. Rõ ràng, việc chuyển đổi này là phức tạp và tốn kém, chƣa kể nhiễu tích lũy sau mỗi lần chuyển đổi [4] tr.227. Ngày nay, trong các hệ thống truyền dẫn quang, các bộ khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang đƣợc sử dụng đã phần nào khắc phục đƣợc những vấn đề tồn tại trên.
Nguyên lý của bộ khuếch đại quang dựa trên hiện tƣợng phát xạ kích thích nhƣng khơng xảy ra cộng hƣởng trong quá trình khuếch đại (khác Lazer). Trong mơi trƣờng tích cực của bộ khuếch đại thì cả 3 quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích xảy ra đồng thời (Hình 3.3). Tuy nhiên chỉ cĩ quá trình phát xạ kích thích là tạo ra độ lợi khuếch đại, phát xạ tự phát đƣợc coi là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 34 khuếch đại quang. Nhiễu này đƣợc gọi là nhiễu phát xạ tự phát đƣợc khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise).
Cĩ nhiều loại khuếch đại quang, cĩ thể tạm chia làm hai loại chính đĩ là khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier) và khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier) [4] tr 226. Hiện nay, trong các hệ thống thơng tin quang, ngƣời ta thƣờng sử dụng bộ khuếch đại sợi cĩ pha tạp Erbium EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) thuộc loại khuếch đại quang sợi OFA. Sở dĩ bộ khuếch đại EDFA đƣợc sử dụng là do cĩ nhiều ƣu điểm về các đặc tính kỹ thuật so với các bộ khuếch đại khác nhƣ băng thơng rộng (20-70nm), độ lợi lớn (20-40dB), cơng suất ngõ ra lớn (cĩ thể hơn 200 mW), và nhiễu thấp. Ngồi ra bộ khuếch đại EDFA cĩ vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bƣớc sĩng mật độ cao DWDM. Đề tài đi sâu vào phân tích bộ khuếch đại này. Cấu tạo chung của bộ khuếch đại quang đƣợc trình bày nhƣ trên Hình 3.12 (a).
Hình 3. 12 (a) Cấu trúc chung bộ khuếch đại, (b) cấu trúc bộ EDFA
Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA đƣợc minh họa trên Hình 3.12 (b) trong đĩ gồm các bộ cách ly quang (Isolator) ngăn khơng cho tín hiệu quang sau khi khuếch đại dội ngƣợc về nguồn phát, bộ ghép tín hiệu quang Coupler để đƣa ánh sáng từ nguồn Lazer bơm và tín hiệu quang cần khuếch đại vào trong sợi quang pha tạp Erbium, Lazer bơm cung cấp năng lƣợng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực. Laser bơm phát ra ánh sáng cĩ bƣớc sĩng 980nm hoặc 1480nm và cuối cùng là sợi quang pha ion Erbium là nơi xảy ra quá trình khuếch đại của EDFA [4] [5] tr.78.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 35
Độ lợi: là một thơng số quan trọng của bộ khuếch đại. Nĩ đặc trƣng cho khả năng khuếch đại cơng suất ánh sáng của bộ khuếch đại [4] tr.227:
(3. 8)
Hay: ( ) 0 1
, : cơng suất tín hiệu ánh sáng ở ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại (mW).
Hệ số nhiễu (Noise Figure): tại ngõ ra của bộ khuếch đại cơng suất quang thu đƣợc Pout bao gồm cả cơng suất tín hiệu đƣợc khuếch đại và cơng suất nhiễu phát xạ tự phát đƣợc khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) [4]:
(3. 9)
Ảnh hƣởng của nhiễu đối với bộ khuếch quang đƣợc biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF (Noise Figure), mơ tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR [4] tr.230:
(3. 10)
Trong đĩ: , là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại.
Hệ số nhiễu của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Đối với EDFA hệ số nhiễu đƣợc cho bởi [4] tr. 231:
( ) (3. 11)
Trong đĩ: = N2/(N2-N1) đƣợc gọi là hệ số phát xạ tự phát, N1, N2 là nồng độ ion Erbium ở mức năng lƣợng nền và mức năng lƣợng kích thích
Hiện nay, hệ số nhiễu đạt đƣợc đối với bộ khuếch đại EDFA là khá nhỏ (3dB). Đây chính là lý do chính khiến nĩ đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền dẫn quang.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 36 3.3 CÁC HIỆU ỨNG TRUYỀN DẪN
Nhƣ đã đề cập, tín hiệu truyền trên sợi quang bị tác động bởi các hiệu ứng truyền dẫn dẫn đến chất lƣợng của tín hiệu bị giảm, khoảng cách truyền vì thế cũng giảm theo. Cĩ thể chia các hiệu ứng này làm hai loại lớn đĩ là hiệu ứng tuyến tính (bao gồm các hiệu ứng nhƣ suy hao, tán sắc..) và phi tuyến (bao gồm các hiệu ứng nhƣ tự điều pha SPM, điều chế pha chéo XPM, trộn bốn bƣớc sĩng FWM và các hiện tƣợng tán xạ phi tuyến nhƣ tán xạ Raman SRS, tán xạ kích thích Brillouin SBS). Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hƣởng của các hiệu ứng này cũng khác nhau [1]. Cụ thể là đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lƣợng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao. Đối với các hệ thống cự ly tƣơng đối dài, tốc độ cao thì yếu tố chính cần quan tâm là suy hao và tán sắc. Cịn đối với các hệ thống cự ly dài, tốc độ rất lớn thì ta cần quan tâm tất cả các yếu tố suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến [9] tr.17.
3.3.1 Các hiệu ứng tuyến tính
Suy hao
Khi tín hiệu lan truyền trong sợi quang, cơng suất ngõ ra Pout ở cuối sợi quang bị suy hao ( Hình 3.13) cĩ liên hệ với cơng suất ngõ vào Pin theo quy luật hàm mũ sau [4] tr.55:
(3. 12)
Với là hệ số suy hao sợi quang cĩ đơn vị là Nepers/km. Thơng thƣờng sẽ đƣợc tính theo đơn vị là dB/km [4] tr.55: 0 1 0
1 ( ) , - (3. 13)
Cĩ nhiều nguyên nhân gây suy hao sợi quang, trong đĩ một số nguyên nhân chính nhƣ là do hấp thụ (bao gồm hấp thụ của bản thân vật liệu chế tạo sợi hay cịn gọi là tự hấp thụ, và hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi khơng tinh khiết nhƣ lẫn các tạp chất kim loại hoặc ion OH-), tán xạ tuyến tính (do tính khơng đồng đều rất nhỏ của lõi sợi cĩ thể là những thay đổi nhỏ trong vật liệu, tính khơng đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi) bao gồm tán xạ Reyleigh và tán xạ Mie…
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 37 Hình 3. 13 Tín hiệu bị suy hao sau khi qua sợi quang
Hình 3. 14 Sự phụ thuộc của suy hao vào bƣớc sĩng quang
Suy hao sợi quang phụ thuộc vào bƣớc sĩng ánh sáng truyền qua sợi quang đĩ. Hình 3.14 cho ta thấy mối quan hệ giữa bƣớc sĩng và suy hao sợi quang.
Ngày nay, các hệ thống thơng tin quang thƣờng sử dụng bƣớc sĩng ở hai cửa sổ quang chính đĩ là cửa sổ 1300 nm và 1550 nm. Nhìn vào Hình 3.14 ta cũng cĩ thể thấy đƣợc rằng tại sao ngƣời ta lại sử dụng bƣớc sĩng ở hai cửa sổ này. Đặc biệt ở cửa sổ quang 1550 nm, suy hao chỉ cịn xấp xỉ 0.2 dB/km, và các ảnh hƣởng của hấp thụ, tán xạ là ít nhất tại cửa sổ quang này.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 38
Tán sắc
Trong sợi quang, những ánh sáng cĩ bƣớc sĩng khác nhau (tần số khác nhau) và những mode truyền khác nhau thì cần thời gian khác nhau để truyền qua cùng một đoạn sợi quang cĩ độ dài L [4] tr.38, hiện tƣợng này gọi là tán sắc. Nĩi chung, tán sắc gây nên sự giãn phổ của tín hiệu quang dẫn đến nhiễu ISI, tăng lỗi bit ở máy thu và làm giảm khoảng cách truyền dẫn. Hình 3.15 mơ tả tín hiệu bị tán sắc sau khi truyền qua sợi quang. Tán sắc tổng cộng của sợi quang, kí hiệu Dt (s) đƣợc tính [1]:
√( ) (3. 14)
Trong đĩ: là độ rộng xung ngõ vào và ngõ ra tƣơng ứng (s)
Để đánh giá độ tán sắc trên mỗi km chiều dài sợi quang ứng với độ rộng phổ quang là 1 nm thì Dt thƣờng cĩ đơn vị là ps/nm.km.
Hình 3. 15 Tán sắc trong truyền dẫn quang
Cĩ nhiều loại tán sắc khác nhau nhƣ tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode, tán sắc sắc thể (bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sĩng) xảy ra với tất cả các loại sợi quang, và tán sắc mode phân cực [1] [4] tr.44. Trong các loại tán sắc này thì tán sắc sắc thể là loại cĩ ảnh hƣởng lớn nhất đến chất lƣợng tín hiệu [1].
Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thƣớc sợi, đặc biệt là đƣờng kính lõi của sợi, tán sắc mode tồn tại ở các sợi đa mode vì các mode trong sợi này lan truyền theo các đƣờng đi khác nhau, cĩ cự ly đƣờng truyền khác nhau và do đĩ thời gian lan truyền giữa các mode khác nhau. Đề tài sử dụng sợi đơn mode chuẩn SMF để mơ phỏng nên tán sắc đƣợc quan tâm là tán sắc sắc thể.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 39 Nhƣ đã đề cập, tán sắc sắc thể CD bao gồm tán sắc vật liệu (Material Dispersion) và tán sắc ống dẫn sĩng (WaveguideDispersion) [4] tr.39. Sự chênh lệch giữa các vận tốc nhĩm giữa các thành phần phổ khác nhau trong sợi gây nên tán sắc vật liệu. Cịn tán sắc ống dẫn sĩng thì do sự khác biệt vận tốc truyền ánh sáng giữa nhĩm ánh sáng truyền trong lõi sợi (chiếm đa số khoảng 80% [1]) với nhĩm ánh sáng truyền trong lớp vỏ (một phần nhỏ khoảng 20 % [1]) gây ra.
Gọi thành phần phổ đặc trƣng của nguồn quang là với độ rộng phổ tƣơng ứng là , là độ rộng dải các bƣớc sĩng của nguồn quang. Khi đĩ, độ giản xung của tín hiệu quang truyền qua sợi quang cĩ độ dài L do CD đƣợc viết [4] tr.38 [5] tr.93:
(3. 15) Với
là tham số tán sắc cĩ đơn vị là ps/km.nm.
gọi là tham số tán sắc vận tốc nhĩm (GVD). Tham số này nhằm xác định xung quang cĩ thể giản ra bao nhiêu khi truyền qua sợi quang.
Tán sắc sắc thể CD chính là tổng của tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sĩng, đƣợc diễn tả [4] tr.40 [5] tr.93: . / (3. 16) Với là tán sắc ống dẫn sĩng là tán sắc vật liệu
Độ trải rộng xung do tán sắc ống dẫn sĩng ( ) và tán sắc vật liệu ( ) là hàm theo bƣớc sĩng nhƣ mơ tả trên Hình 3.16 [4] tr.42.
Tại bƣớc sĩng tƣơng ứng với Dchr = 0 đƣợc gọi là tán sắc zero (zero dispersion). Giá trị tán sắc zero cĩ thể thay đổi sao cho dịch tới càng gần cửa sổ quang đang sử dụng càng tốt. Ngƣời ta cĩ thể thay đổi bằng cách thay đổi bán kính của lõi
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 40 tƣơng ứng để dịch chuyển tới gần 1550 nm. Sợi DSF chế tạo theo nguyên tắc này.
Khi xem xét các loại tán sắc kể cả tán sắc mode thì tán sắc tổng cộng bao gồm tán sắc sắc thể và tán sắc mode [1]:
√ (3. 17)
Hình 3. 16 Tán sắc sắc thể là một hàm theo bƣớc sĩng 3.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến
Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang cĩ thể đƣợc chia làm hai loại. Một là các hiệu ứng do tán xạ phi tuyến (tán xạ kích thích Brillouin SBS và tán xạ kích thích Raman SRS) và loại cịn lại là các hiệu ứng Kerr (bao gồm tự điều pha SPM, điều chế pha chéo XPM, trộn bốn bƣớc sĩng FWM) [9] tr.19 do sự phụ thuộc chiết suất khúc xạ vào cơng suất phĩng vào sợi quang. Các loại tán xạ kích thích gây ảnh hƣởng đến độ lợi hay độ suy hao của tín hiệu quang, cịn các loại hiệu ứng Kerr gây ảnh hƣởng đến sự dịch pha của tín hiệu quang sau khi truyền qua sợi quang đĩ [9] tr.20. Sự khác nhau giữa hai loại này là các hiệu ứng do tán xạ kích thích gây ra thì cần một mức cơng suất ngƣỡng nhất định nào đĩ, khi cơng suất vào sợi quang lớn hơn mức cơng suất ngƣỡng này thì các hiệu ứng tán xạ kích thích mới gây ảnh hƣởng đến tín hiệu truyền. Cịn các hiệu ứng Kerr khơng cĩ ngƣỡng cơng suất nhƣ vậy [9] tr.21. Hình 3.17 là sự phân loại các hiệu ứng phi tuyến trong truyền dẫn quang [5] tr.98.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 41 Những hiệu ứng này phần lớn đều liên quan đến cơng suất phĩng vào sợi quang. Cĩ thể bỏ qua các hiệu ứng này đối với các hệ thống hoạt động với cơng suất vừa phải (vài mW) với tốc độ vừa phải (khoảng dƣới 2.5 Gb/s). Tuy nhiên, với hệ thống cĩ mức cơng suất hoạt động lớn, tốc độ bit cao thì việc xem xét các hiệu ứng phi tuyến tác động lên tín hiệu quang là quan trọng [9] tr 23.
Hình 3. 17 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến
Tán xạ kích thích SRS (Stimulated Raman Scattering) [5] tr.103 [9][4]
SRS là do quá trình tán xạ mà trong đĩ photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lƣợng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành mơi trƣờng truyền dẫn và phần năng lƣợng cịn lại đƣợc phát xạ thành ánh sáng cĩ bƣớc sĩng lớn hơn bƣớc sĩng của ánh sáng tín hiệu tới (ánh sáng với bƣớc sĩng mới này đƣợc gọi là ánh sáng Stocke). Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang (ánh sáng này cĩ cƣờng độ lớn), quá trình này trở thành quá trình kích thích mà trong đĩ ánh sáng tín hiệu đĩng vai trị sĩng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho một phần năng lƣợng của tín hiệu đƣợc chuyển tới bƣớc sĩng stocke.
Cơng suất ngƣỡng SBS cĩ thể đƣợc tính [5] tr.104:
( ) (3. 18)
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 42 với là bán kính trƣờng mode.
là chiều dài hiệu dụng, với là hệ số suy hao.
Tán xạ SBS (Stilmulated Brillouin Scattering):
Tán xạ SBS tƣơng tự nhƣ tán xạ SRS, tức là cĩ một phần ánh sáng bị tán xạ và bị dịch tới bƣớc sĩng dài hơn bớc sĩng tới, ánh sáng cĩ bƣớc sĩng dài hơn này gọi là ánh sáng Stocke.
Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngƣỡng cơng suất để xảy ra hiệu ứng SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW và băng tần khuếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10 - 100 MHz) nên hiệu ứng này cũng khĩ xảy ra [1]. Chỉ các nguồn phát cĩ độ rộng phổ rất hẹp thì mới bị ảnh hƣởng của hiệu ứng SBS. Ngƣời ta tính tốn đƣợc mức cơng suất ngƣỡng đối với hiệu ứng SBS nhƣ sau [5] tr.106:
(3. 19) Trong đĩ: là hệ số khuếch đại Brillouin
Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation):
Chiết suất của sợi quang khơng phải là hằng số mà là một hàm số thay đổi theo cơng suất quang đi vào sợi quang [9] [5] tr.100:
(3. 20)
Trong đĩ: là hệ số chiết suất tuyến tính, là hệ số chiết suất phi tuyến Hằng số truyền pha cũng là hàm của cơng suất [9] [5] tr.100:
( )
(3. 21)
Trong đĩ:
là tham số phi tuyến. Cĩ gía trị từ 0.9 đến 2.75 tại cửa sổ 1550 nm [5] tr.100.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 43
∫ ( ) ∫ ( ) (3. 22)
Từ (3.22) ta thấy: SPM là hiệu ứng cơng suất ánh sáng thay đổi theo thời gian gây ra độ dịch pha phi tuyến của sĩng mang quang theo thời gian. Theo định nghĩa, đạo hàm của độ dịch pha tức là tần số. Nhƣ vậy, độ dịch tần số (chirping) cũng là hàm thay đổi theo cơng suất ánh sáng. Sự biến đổi cơng suất quang càng nhanh thì sự biến đổi tần số quang cũng càng lớn, làm ảnh hƣởng lớn đối với xung hẹp, khĩ khăn trong việc nâng cao tốc độ trong hệ thống.
Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation) [9] [5] tr.101:
XPM là giới hạn phi tuyến chủ yếu trong hệ thống đơn kênh. Trong hệ thống đa kênh độ dịch pha của một kênh, ví dụ nhƣ kênh thứ nhất Φ1, phụ thuộc khơng những vào cƣờng độ (cơng suất) của chính kênh đĩ mà cịn phụ thuộc vào cƣờng độ của những kênh cịn lại. Hiện tƣợng này gọi là điều chế xuyên pha XPM.
Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) [9] [5][4]:
Hiện tƣợng chiết suất phi tuyến cịn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn mode, đĩ là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, nhiều tín hiệu quang cĩ cƣờng độ tƣơng đối mạnh sẽ tƣơng tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới. Đây là hiệu ứng phi tuyến cĩ ảnh hƣởng lớn nhất đến hệ thống DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Hiệu ứng này xảy ra khi 2 photon ở tần số 1 và 2bị hấp thụ để tạo ra 2 photon ở tần số