1 2.2 Suyhao do tán xạ
4.3.2. Các hiệu ứng liên quan ựến tán xạ
Trong các hiệu ứng tân xạ, năng lượng của tắn hiệu bị hấp thụ (do các dao ựộng phân tử hay các phonon trong môi trường) làm cho tắn hiệu chuyển thành tắn hiệu mới có bước sóng dài hơn (gọi là sóng Stoke). Hiệu ứng ựó là SRS gay SBS là tuỳ vào bản chất của phonon. Khi tắn hiệu ban ựầu quá lớn quá trình này trở thành quá trình kắch thắch (còn gọi là sóng bơm) làm cho phần lớn năng lượng chuyển tới bước sóng Stoke. Như vậy trong quá trình truyền dẫn sóng bơm bị suy hao ựồng thời làm sóng Stoke (tắn hiệu không mong muốn) ựược khuếch ựại. Nói chung thì các hiệu ứng tán xạ ựược ựặc trưng bởi hệ số khuếch ựại g và bề rộng phổ f∆ của g.
Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến do tán xạ phụ thuộc vào PLe do ựó nó tỷ lệ thuận với công suất tắn hiệu vào và cự ly truyền dẫn. Nếu PLe quá lớn, tắn hiệu ở ựầu ra chỉ còn sóng Stoke (không còn sóng bơm). Vì vậy với cự ly truyền có ựộ dài ựã biết, công suất bơm không ựược vượt quá một giá trị nào ựó và ựược gọi là công suất ngưỡng. Công suất ngưỡng này ựược ựịnh nghĩa là công suất quang tới mỗi kênh (trong hệ thống nhiều kênh) ở ựầu vào sợi sao cho ở ựầu ra công suất bơm và công suất Stoke bằng nhau.
4.3.2.1. Hiệu ứng Raman (SRS)
Như ựã nói Ở trên, năng lượng của tắn hiệu bị hấp thụ do các dao ựộng phân tử hay các phonon trong môi trường (mà cụ thể ở ựây là các phonon quang) làm cho tắn hiệu chuyển thành tắn hiệu mới có bước sóng dài hơn. Bên cạnh ựó các phonon quang cũng tương tác trở lại các photon tạo thành pho ton mới có bước sóng ngắn hơn (hình 4.5). Vì vậy nên nếu có một tắn hiệu ở ựầu vào sợi quang ựược truyền ựi ở nhiều bước sóng khác nhau, một phần công suất của các kênh có bước sóng thấp sẽ chuyển sang kênh có bước sóng cao hơn và ựược gọi là "Raman nghiêng" (hình 4.6).
Hình 4. 6. Hiện tượng Raman nghiêng
để tìm ngưỡng Raman ta xem xét tới sự tác ựộng qua lại giữa sóng bơm và sóng Stoke. Sự tác ựộng này bị chi phối bởi 2 cặp phương trình sau:
s R s p s s z p p R s p p p s dI g I I I d dI g I I I dz = − α ω = − − α ω
Trong ựó Is, Ip là cường ựộ sóng Stoke và cường ựộ sóng bơm.
s, p
ω ω là tần số sóng Stoke và cường ựộ sóng bơm
gR là hệ số khuếch ựại Raman.
Cặp phương trình trên ựược xây dựng dựa trên phát biểu (nếu bỏ qua suy hao) trong môi trường truyền dẫn các photon của sóng bơm và sóng Stoke có thể sinh ra hay mất ựi trong suốt quá trình nhưng tổng số các photon là không ựổi do ựó ta có:
s s p p d I I 0 dz ω = ω (4.3.23a)
Và sự gia tăng của sóng Stoke phụ thuộc vào Ip, IS theo phương trình sau (khi bỏ qua suy hao):
s
R s p
dI
g I I
dz = (4.3.23b)
Nói chung gR Phụ thuộc vào thành phần lõi sợi quang và có thể thay ựổi ựáng kể nếu sử dụng các chất xúc tác ựể chế tạo sợi. Bằng thực nghiệm có thể ựo ựược gR hình 4.7 biểu diễn gR của silic theo tần số ở bước sóng bơm là λ = ộp 1 m
1
Hình 4 .7. Phổ khuếch ựại Ra man của silic ở bước sóng bơm λ = ộp 1 m
Trên hình ta thấy ựiểm nổi bật nhất của gì trong sợi silic là nó kéo dài trong phạm vi tần số lớn (cỡ 40THZ) với bề rộng ựỉnh gần 13THZ. Nhờ ựặc ựiểm này mà sợi quang có thể hoạt ựộng như một bộ khuếch ựại dải rộng.
Một ựiều cần chú ý là hiệu ứng FWM cũng tác ựộng ựến SRS trong các môi trường truyền dẫn. Như ựã nói ở trên, trong hiệu ứng SRS tắn hiệu tác ựộng vào các phonon quang làm sinh ra tắn hiệu mới có bước sóng dài hơn ựồng thời các phonon quang cũng tác ựộng trở lại tắn hiệu tạo thành tắn hiệu có bước sóng ngăn (gọi là sóng ngược Stoke). Vì vậy trong môi trường lúc này có ba bước sóng ánh sáng: sóng bơm (ω), sóng Stoke (ω − Ω) và sóng ngược Stoke(ω + Ω), 3 bước sóng này có khoảng cách ựều nhau do ựó rất dễ tạo ta thành phần tắn hiệu mới có tần số trùng với tần số sóng bơm gây ra nhiễu tắn hiệu.
4.3.2.2. Hiệu ứng Brillouin (SBS)
Hiệu ứng SBS là hiệu ứng tương tự hiệu ứng SRS, tức là có sự tạo thành của bước sóng Stoke với bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng tới. điểm khác nhau chắnh của hai hiệu ứng này là: hiệu ứng SBS liên quan ựến các phonon âm học còn hiệu ứng SRS liên quan ựến các phonon quang. Chắnh do sự khác biệt này mà hai hiệu ứng có những ảnh hưởng khác nhau ựến hệ thống WDM. Tuy nhiên trong hiệu ứng SBS chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược lại (tức là ngược chiều với chiều truyền tắn hiệu) mới có thể ựược truyền ựi trong sợi quang, vì vậy trong hệ thống WDM khi tất cả các kênh ựều cùng truyền theo 1 hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh.
Tương tự như khi tắnh toán ngưỡng Raman, dựa vào phương trình biểu diễn sự gia tăng của sóng Stoke, và sự bảo toàn năng lượng trong quá trình SBS (bỏ qua suy hao):
s
B p s
dI
g .I .I
dz = − (4.3.35)
Ta xây dựng ựược cặp phương trình liên hệ giữa sóng bơm và sóng Stoke:
s B p. s s s dI g .I I I dz = − + α (4.3.36) s B p. s s s dI g .I I I dz = − − α (4.3.37)
Giải hệ phương trình trên ta ựược:
( ) ( ) [ ]
s s B 0 eff eff
I 0 =I L .exp g P L / A − αL (4.3.38) Với P0 =I 0 .Ap( ) eff
Trong phương trình (4.3 .38) ta có thể thấy công suất ra của sóng Stoke chắnh là ựầu vào của sóng bơm (vì có chiều ngược lại với chiều của sóng bơm). Tương tự như khi tắnh toán ngưỡng Raman ta thu ựược ựiều kiện ngưỡng của Brillouin:
th
B 0 eff eff
CHƯƠNG 5
HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG 40Gb/s 5.1. Sơ lược về hệ thống
Trong phần này sẽ phân tắch 1 cách chi tiết hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ qua khoảng cách truyền dẫn lớn trong ựường truyền có thể quản ly ựược tán sắc (DM line) mà bao gồm các sợi ựơn mode tiêu chuẩn SMF và các sợi bù tán sắc DCF. Hệ thống bắt nguồn từ các xung trạng thái ổn ựịnh tuần hoàn (xung quanh DM) trong tuyến DM. Bởi ựộ rộng của xung trạng thái ổn ựịnh là quá lớn cho các hệ thống 40Gb/s cho nên công nghệ ựiều chế ựồng bộ nội tuyến thông thường không thể nâng cao ựược chất lượng của hệ thống, tuy nhiên người ta ựã tìm ra phương pháp ựiều chế ựồng bộ nội tuyến cải tiến có thể kéo dài có hiệu quả khoảng cách truyền ngay cả trên tuyên có DM mạnh. Trong phòng thắ nghiệm, người ta ựã ựưa ra cơ chế của công nghệ ựiều chế ựồng bộ cải tiến với sự lưu tâm ựặc biệt ựến sự ổn ựịnh xung trong tuyến truyền dẫn, và chỉ ra rằng 1 tắn hiệu RZ 40Gb/s có thể truyền ựược qua 1 khoảng cách lên tới 20.000km.
Sự truyền dẫn quang sử dụng ựường truyền dẫn quản lý tán sắc gồm sợi chuẩn ựơn mode SMF và sợi bù tán sắc DCF là rất quan trọng trong trường hợp phát triển các hệ thống ghép kênh phân chia thời gian và ghép kênh phân chia bước sóng TDM, WDM. Tuyến truyền dẫn WDM dung lượng cao hơn 1 Tb/s, truyền dẫn WDM qua một khoảng cách vượt biển, và truyền dẫn ựơn kênh 40Gb/s qua khoảng cách lớn hơn 1000 khi ựã ựược thực hiện trên tuyến DM gồm sợi tán sắc dịch chuyển DSF và sợi bù tán sắc DCF. Tuy nhiên, rất khó ựể truyền các tắn hiệu ựơn kênh 40Gb/s qua 1 khoảng cách lớn (khoảng cách vượt biển) như vậy với SMF và DCF vì tương tác phi tuyến giữa các xung kề nhau là lớn và sẽ giới hạn khoảng cách truyền dẫn.
Công nghệ ựiều khiển xung quang, ựặc biệt là ựiều chế ựồng bộ nội tuyến là 1 phương pháp rất hiệu quả ựể kéo dài cự ly truyền dẫn. Gần ựây, công nghệ ựiều chế ựồng bộ nội tuyến cho ựường truyền DM bao gồm DSF và DCF ựược ựưa ra. Nó ựược gọi là sự tạo lại tắn hiệu quang "bach box" (BBOR-"bach box" optical regenegation). Một công nghệ tương tự như vậy ựã ựược dùng ựể làm ổn ựịnh năng lượng xung trong truyền dẫn xung WDM với DSF. Ở ựây người ta ựã sử dụng giải pháp ựiều khiển xung quang cải tiến (BBOR) cho ựường truyền DM gồm các sợi SMF và DCF. Các xung RZ 40Gb/s có thể ựược truyền với khoảng cách 20.000 km qua ựường truyền DM
dùng phương pháp ựiều khiển xung cải tiến.
5.2. Phương pháp ựánh giá hoạt ựộng của hệ thống.
Hình 5.1. Cấu hình của hệ thống 40Gb/s RZ trên tuyến Dm gồm SMF và DCF.
Ở ựây ựưa ra hệ thống một kênh ựơn 40Gb/s bao gồm các sợi tiêu chuẩn ựơn mode (có tán sắc mode bằng O) SMF và sợi bù tán sắc DCF. Sử dụng phương pháp Fourier ựể tắnh toán phương trình phi tuyến Strodinger. Phương trình này sẽ cho ra sự lan truyền của xung trong sợi quang và bao gồm các ảnh hưởng của suy hao sợi vả tán sắc bậc ba. Hình 5.1 ựưa ra cấu hình của hệ thống trên ựường truyền DM mạnh gồm SMF và DCF. Các xung 40Gb/s ựược tạo ra ở bộ phát Tx. Các xung dạng Gaussian hay dạng Sech với toàn ựộ rộng ở nửa lớn nhất (FWHM) 5ps và chiều dài bắt tuần tự giả ngẫu nhiên (PRBS) là 27-1 các Xung ựược tạo ra sẽ bị chirp bởi sợi có ựộ tán sắc Dpre ựược oặt Sau bộ phát (prechirp). SMF có ựộ dài 50km với ựộ tán sắc là 16ps/km.tim. Suy hao sợi, tán sắc bậc 3, hệ số phi tuyến Ken vùng mode ảnh hưởng là 0.25 db/km, 0.07ps/km/nm2, 2.24*10-20 m2/w Và 78 2
m
ộ . Một sợi bù tán sắc DCF ựược ựặt sau mỗi sợi SMF. Chúng ta coi như chỉ xét ảnh hưởng tán sắc của DCF và không tắnh tới ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến, tán sắc bậc 3 và suy hao của DCF, bởi vậy sự bù tán sắc có thể sử dụng khối bù tán sắc thay cho DCF. độ tán sắc trung bình ựược tắnh như sau:
ave DCF
d =(16x50 D+ ) / 50 (1)
Trong ựó DDCF là ựộ tán sắc DCF, ựơn vị là ps/nm. Tạp âm của khuếch ựại sợi pha tạp Erbium là 6 do và có các bộ lọc quang ựược ựặt sau mỗi một bộ khuếch ựại EDFA. Chấp của xung phát ựược bù bởi một sợi có ựộ tán sắc DPOS ựược oặt ở trước bộ thu (post chirp). Tắn hiệu quang thu ựược bởi một photodiode lý tưởng (bộ tách bậc 2) và ựược lọc bởi bộ lọc Butterworth bậc hai loại bộ lọc ựiện thông thấp với băng thông 26GHZ. Chúng ta sử dụng hệ số chất lượng Q ựể ựánh giá chất lượng của dữ liệu nhận ựược. Q ựược ựịnh nghĩa như sau
( ) 1 0 0 1 0 e I I SNR B Q B 2SNR 1 1 − = ≈ σ + σ + + , Hay: 2 1 Q BER exp 2 2 Q − ≈ π
Với: SNR là tỷ Số tắn hiệu trên nhiễu, Bo: dải thông của bộ lọc quang và Be là dải thông của bộ lọc ựiện tại bộ thu.
Khoảng cách truyền dẫn của tuyến ựược xác ựịnh giá trị tại hệ số Q lớn hơn 7 và chúng ta tắnh toán khoảng cách cho những ựiều kiện thay ựổi chẳng hạn như ựầu ra công suất của EDFA và ựộ tán sắc trung bình.
5.3. Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ trên tuyến có ựộ tán sắc ựược quản lý (DM line). (DM line).
5.3.1. Giải pháp xung ổn ựịnh (DM soliton)
Một xung ổn ựịnh tuần hoàn trong ựó ảnh hưởng của tán sắc ựược cân bằng với hiệu ứng phi tuyến có thể tồn tại trên các tuyến truyền dẫn quản lý tán sắc, và ựược gọi là xung quang DM (xung ựược quản lý tán sắc). Giải pháp xung quang DM có thể thu ựược bằng phương pháp Fourier tách từng bước và phương pháp biến ựổi. Ớ phần này, chúng ta tắnh giải pháp xung ổn ựịnh của hệ thống ựược ựưa ra trên hình 5.1.
Một xung DM dạng Gaussian với ựộ nghiêng ở ựuôi xung ựược xác ựịnh rõ ràng bằng cách thiết lập hàm trực giao Hermite-Gaussian. Ở ựây, coi 1 xung DM tương ứng như một hàm Gaussian bị chirp. để ựơn giản sự phân tắch của chúng ta. Hàm Gaussian bị chirp ựược xác ựịnh bởi:
( ) 1 ( ) 22 t u t A exp 1 iC 2T = − + (2)
Theo [8], có thể thay công thức (2) bởi:
( ) 2 chirp 2 1 2 2 2 chirp 1 iD w t u t A exp 2 1 / w D w + = − + 3,4 w 2 1n2w ∆ =
ớ ựây, w∆ là ựộ rộng phổ FWHM và Dchirp là ựộ tán sắc gây ra chirp. Khi một xung ánh sáng truyền qua sợi quang với ựộ tán sắc -Dchirp, giới hạn thay ựổi ựộ rộng xung với FWHM của ∆T ựược xác ựịnh như sau:
( ) 2 2 2 1 t u t A exp 1 / w 2 = − (5) 1 0.441 T 2 1n2 w w ∆ = ≅ ∆ (6)
Hình 5. 2. Sự phát triển của ựộ rộng xung quang phổ và Dchirp ựược ựo tại EDFA (a) độ rộng phổ; (b) Dchirp
O: τ(ựộ rộng rung ban ựàu)= 5ps, Dpre (Prechirp dispersion) = 0ps/nm, ∆λf (dải thông bộ lọc quang) = 3nm pre f :τ =5ps, D = −250ps / nm,∆λ =3nm; ■:τ =5ps, Dpre = −100ps / nm,∆λ =f 7.5nm; pre f : 17.5ps, D 240ps / nm, 3nm ∆ τ = = − ∆λ = ;
Hình 5.2. chỉ ra chỉ sự tiến triển của ựộ rộng quang phổ và Dchirp mỗi bộ khuếch ựại EDFA, khi có một xung ựơn truyền trên tuyến DM như trong hình 5.1. Chúng ta ựánh giá Dchlrp từ lượng tán sắc cần thiết ựể bù tối ưu cho chirp của chúng. Chẳng hạn, lượng tán sắc mà giảm ựến mức tối thiểu căn quân phương ựộ rộng xung. Dchirp ở EDFA ựầu tiên tương ứng với Dpre. Chúng ta có thể tắnh toán ựộ tăng năng lượng cho một xung là 53fJ và tán sắc trung bình là 0. Người ta lắp ựặt bộ lọc quang có dải thông là 3 âm. Khi ựộ rộng quang phổ của nguồn phát ∆W0 và Dpre là 0.7nm và 0 ps/nm, ựộ rộng quang phổ giảm nhanh với quá trình truyền (những ựiểm tròn trắng). Một ựộ rộng phổ 0.7nm tương ứng với FWHM của 5ps. Khi Dpre bị thay ựổi tới -250ps/nm thì ựộ hẹp phổ bị nén nhỏ lại (những ựiểm vuông trắng). Khi dải thông của bộ lọc quang thay ựổi tới 7.5nm và Dpre ựược ựặt ở - 100ps/nm thì ựộ rộng phổ bị làm hẹp lại một chút (những ựiểm vuông ựen). Tuy nhiên, khi ∆W0, Dpre Và băng thông của bộ lọc quang là 0 2nm, -240ps/nm, 3nm chúng ta thấy rằng không có sự biến ựổi trong ựộ rộng phổ hay Dchirp với quá trình truyền dẫn (những hình tam giác trắng). điều này có nghĩa là xung ổn ựịnh ựược truyền trong ựiều kiện này và các giá trị ∆W0 Và Dpre là giải pháp cho 1 xung DM. Một ựộ rộng phổ 0.2nm tương ứng với một FWHM 17.5 ps. Khi ựộ rộng phổ ban ựầu là 0.7nm, xung ựược làm cho giống như 1 xung ổn ựịnh với sự truyền, vì vậy ựộ rộng phổ ựược xem gần như 0.2nm.
Diều này chỉ ra rằng có sự nới rộng xung với FWHM của 5ps ựược gắn vào trong 1 tuyên có DM mạnh.
Hình 5. 3: độ rộng phổ và Dchirp xung DM ựươc ựo ở một EDFA như một hàm của năng lương xung
(a) độ rộng phổ, (b) Dchirp O: dave (average dispersion) = -0.1 ps/nm/km; □ dave (average dispersion) =-0.05 ps/nm/km, ∆:dave (average dispersion) = 0.05ps/nm/km; *: dave - average dispersion)- 0.05ps/nm/km. *. dave - (average dispersion) =0.01 ps/nm/km. Dải thông của bộ lọc quang là 3nm cho các trường hơp trử trường hợp là 7.5 nm.
Hình 5.3 chỉ ra ựộ rộng phổ và Dchirp Của xung DM ựược ựo ở EDFA như một hàm của năng lượng xung và tán sắc trung bình. Khi tán sắc trung bình là bất thường hay bằng 0, ựộ rộng phổ của xung DM là hẹp hơn O.27nm. điều này chỉ ra rằng ở ựây không có giải pháp cho một xung DM ngắn hơn một FWHM của 13ps. Khi chúng ta ựánh giá một hệ thống truyền dẫn bằng cách dùng hệ số Q, FWHM của xung dạng Gaussian phải ngắn hơn khoảng một nửa khe thời gian bắt cho các hệ số Q cao. điều này có nghĩa là chúng ta không thể thu ựược hệ số ựộ cao trong các hệ thống 40Gb/s sử dụng