Trong các tuyến truyền dẫn quang đường dài (khoảng cách lớn), tín hiệu được phát tại của sổ suy hao nhỏ khoảng 1550 nm và sử dụng bộ khuếch đại EDFA để bù lại suy hao quang. Để nâng cao dung lượng của hệ thống thường dùng công nghệ WDM. Ngày nay các tuyến cáp quang đường dài đã sử dụng WDM+ ở tốc độ 10Gbit/s. Ví dụ tuyến cáp quang biển C2CCN có dung lượng thiết kế lên tới 96 kênh với tốc độ 10Gbit/s trên mỗi đôi sợi quang.
Do sử dụng bộ EDFA nên tín hiệu truyền dẫn là tín hệu quang. Tuy nhiên khi đó sự giảm chất lượng hệ thống được tích lũy theo tuyến làm hạn chế dung lượng và độ dài của tuyến. Nhưng suy giảm chính của hệ thống là tạp âm khuếch đại quang tán sắc màu và hiệu ứng phi tuyến.
1.4.1.1 Bộ khuếch đại EDFA
Bộ khuếch đại EDFA dùng để khuếch đại tín hệu quang, nhưng đồng thời cũng tạo ra tap âm tự phát (ASE: Amplifined Spontaneous Emission Noise).
0
2 ( 1)
n sp
P h g B (1.17)
Trong đó sp là hệ số phản xạ tự phát, g là hệ số khuếch đại, Bo là băng thông quang và hv là năng lượng photon. Hệ số g càng cao thì mức tạp âm quang cang lớn.
trong cac hệ thống đường dài ASE tạo ra bởi các bộ EDFA được tích lũy dọc tuyến và là một yếu tố đáng kể hạn chế tới phẩm chất hệ thống.
1.4.1.2 Tán sắc màu
Tán sắc màu gây ra tín hiệu ở những tần số khác nhau phát trong sợi quang với tốc độ khác nhau dẫn dến méo tín hiệu ở đầu cuối tuyến truyền dẫn. Hiệu ứng tán sắc phụ thuộc vào hệ số tán sắc của sợi quang và tăng lên với tỷ lệ với bình phương tốc độ bít của tín hiệu, ví dụ, khoảng cách truyền dẫn bị hạn chế bởi tán sắc của sợi quang đến mode chuẩn SFM đối với tín hiệu 10Gbit/s vào khoảng 60 km. Vì thế đối với các hệ thống truyền dẫn đường dài cần phải có bù tán sắc.
1.4.1.3 Các hiệu ứng phi tuyến
Các hiệu ứng liên quan đến phi tuyến được chia thành 2 nhóm: + Hiệu ứng phi tuyến liên quan đến chiết suất:
Hiệu ứng phi tuyến liên quan đến chiết suất gồm: điều biến trị pha (SPM : Self – Phase Modulatron) điều biến pha chéo (XPM: Cross – Phase Modunlatron) và trộn bốn bước sóng (FWM): Four – Wave Mixing).
+ Hiệu ứng phi tuyến liên quan đến tán xạ:
Phi tuyến liên quan đến tán xạ gồm: tán xạ Brillouin kích thích (SBS) tán xạ Ramam kích thích (SRS)
Điều biến tự pha là một hiệu ứng đơn kênh gắn liền với chiết suất phi tuyến. Chiết suất phụ thuộc vào công suất tín hiệu như sau:
0 0 2 eff P n n n A (1.18)
Trong đó n2 là chiết suất phi tuyến; P0 là công suất tín hiệu; Aeff là tiết diện hiệu dụng của sợi quang. Chiết suất phi tuyến gây ra sự thay đổi pha của trường quang truyền dẫn được tính: 0 eff= Pav SPM P L L (1.19) Trong đó 2 0 av eff eff 2 1 1 ; P ; L L eff n P e e L A L
Và là hệ số phi tuyến, là bước sóng tín hiệu là hiệu, số suy hao sợi, Pav là công suất tín hiệu trung bình, L là chiều dài sợi, Leff là chiều dài hiệu dụng sợi quang. Sự thay đổi pha dẫn đến dịch tần được tính theo công thức:
0 eff dP dt f L (1.20) Hiệu ứng dịch tần này làm rộng phổ.
Tán sắc màu làm biến đổi độ rộng phổ làm méo tín hiệu. Sự kết hợp của hiệu ứng tán sắc màu và SPM là một vấn đề phải quan tâm trong thiết kế hệ thống tốc độ cao.
Cũng như SPM điều biến pha chéo (XPM) gây ra bởi sự thay đổi pha do chiết suất phi tuyến và dịch tần. Tuy nhiên không như SPM điều biến pha chéo (XPM) được gây ra bởi tín hiệu ở các bước sóng khác, vì thế XPM chỉ tồn tại ở các hệ thống WDM. FWM được tạo ra bởi chiết suất phi tuyến của sợi quang tương tự như méo điều biến tương hỗ trong hệ thống điện, sự xung đột giữa các kênh WDM tạo ra thành phần mới với tần số:
ijk i j k
f f f f (1.21)
Hình H.1.7 mô tả các thành phần FWM được tạo ra trong hệ thống 3 bước sóng. Khi các kênh WDM cách đều nhau, các thành phần FWM cách đều nhau; các thành phần FWM nằm trong kênh tín hiệu và vì thế gây ra xuyên kênh phi tuyến. Hiệu ứng FWM sẽ trở nên đáng kể khi có nhiều kênh WDM và khoảng cách là gần. FWM là một hiệu ứng truyền dẫn chính trong các hệ thống WDM. SBS là hiệu ứng đơn kênh gây ra bởi tương tác giữa ánh sáng với sóng âm thanh trong sợi quang. Hiệu ứng SBS có ngưỡng cao và tăng lên theo băng thông tín hiệu. Vì thế nếu công suất tín hiệu trong các kênh WDM không vượt quá ngưỡng thì SBS không gây ra ảnh hưởng đáng kể lên hệ thống.
Hình 1.7 các thành phần FWM3 bước sóng
SRS là tương tác các thông số phi tuyến giữa ánh sáng và các dao động phân tử. Nó cũng là cơ chế tạo ra hệ số khuếch đại Raman. Trong các hệ thống WDM do hiệu ứng SRS tín hiệu ở bước sóng ngắn hơn làm việc như một nguồn bơm cho tín hiệu có bước sóng dài hơn, vì thế tin hiệu có bước sóng dài hơn được khuếch đại. Khuếch đại SRS có băng thông rộng và đỉnh khoảng 100 nm, nên hiệu ứng SRS trở nên đáng kể hơn khi băng thông của WDM rộng.
Việc tăng dung lượng và khoảng cách của tuyến truyền dẫn quang dẫn đến tăng thách thức cho thiết kế hệ thống. Hình 1.8 chỉ ra các vấn đề cần xem xét trong thiết kế hệ thống dung lượng cao, khoảng cách xa.
Hình 1.8 Các vấn đề cần xem xét trong thiết kế hệ thống truyền dẫn dung lượng cao, khoảng cách xa.
Ngoài tạp âm, tán sắc màu và hiệu ứng phi tuyến khi tốc độ bít tăng lên (10Gbit/s) thì tán sắc phân cực mode (PMD: Polarization Mode Dispersion) có thể trở nên đáng kể. PMD làm cho tín hiệu phát đi với tốc độ khác nhau trên hai trạng thái phân cực dẫn đến méo tín hiệu. Một vấn đề thiết kế nữa là băng thông của bộ khuếch đại làm hạn chế số lượng kênh bước sóng, nghĩa là hạn chế dung lượng hệ thống. Trong hệ thống WDM đường trục có rất nhiều bộ EDFA nối tiếp nhau do đó đòi hỏi các bộ khuếch đại có độ bằng phẳng của hệ số khuếch đại trong băng thông tín hiệu để đảm bảo duy trì tỷ số SNR đồng đều trên các bước sóng của WDM,
Bộ EDFA sử dụng bộ lọc làm đồng đều hệ số khuếch đại cho phép đạt được băng thông 30 nm cho các tuyến cáp vượt đại dương ở băng C. Vì nhiễu của hiệu ứng truyền dẫn và đặc tính tương tác thống kê của chúng việc thiết kế các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, khoảng cách xa trở nên rất phức tạp. Chi tiết hơn khi thiết kế các hệ thống thông tin quang tốc độ 10Gbit/s sẽ xét sau.