Các tác động truyền dẫn chính trong các hệ thống quang đường trục dung lượng quang là tạp âm quang, tán sắc màu và hiệu ứng phi tuyến khác nhau. Mục đích thiết kế hệ thống là làm giảm các tác động trên và bù lại những suy hao chất lượng hệ thống. Do tính chất phức tạp nên việc đạt được phẩm chất hệ thống tốt nhất chỉ có thể thực hiện được bằng cách dung hòa các tác động này.
Mặc dù để giảm các hiệu ứng phi tuyến ta có thể giảm công suất phát nhưng điều này sẽ làm giảm SNR, dẫn đến hạn chế chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên, khi công suất tín hiệu cao làm tăng SNR nhưng lúc này sẽ dẫn đến xuất hiện các hiệu ứng phi tuyến làm giảm chất lượng hệ thống. Để khắc phục điều này thường sử dụng một số công nghệ sau:
Dùng tín hiệu bơm 980 nm trong bộ EDFA để nâng cao SNR;
Sử dụng khoảng cách khuếch đại nhỏ hơn để giảm tạp âm khuếch đại;
Sử dụng bộ sửa lỗi trước(FEC: Forward Error Correction) để nâng cao hệ số SNR của hệ thống.
Các phương thức điều biến và kiểm soát tán sắc mới được sử dụng để làm giảm hiệu ứng phi tuyến và nâng mức ngưỡng phi tuyến lên cao hơn, qua đó có thể nâng cao cửa sổ làm việc của hệ thống.
Dưới đây sẽ phân tích và xem xét một số vấn đề tạp âm, công nghệ mới để triển khai các hệ thống đường dài dung lượng cao.
1.4.2.1 Tạp âm
Lợi ích của việc giảm khoảng cách lặp trong tuyến cáp nói chung và đặc biệt cáp biển nói riêng: Trong các tuyến đường trục khoảng cách dài (cáp biển) các bộ khuếch đại quang được sử dụng trong những khoảng cách định kỳ (bộ lặp). Đây là một thông số thiết kế chủ yếu. Đối với khoảng cách lặp ngắn, tăng ích của bộ khuếch đại để bù lại suy hao sợi quang yêu cầu thấp hơn nên cho tạp âm khuếch đại thấp hơn (xem (1.17)). Điều này cải thiện được SNR, trong khi phẩm chất lý tưởng của hệ thống chỉ phụ thuộc vào sự suy giảm tạp âm tích lũy được xác định:
2 0 20 log 1 1 4 e SNR B B Q dB SNR (1.22)
Trong đó SNR0 là tỷ số tín hiệu trên tạp âm quang và Be là băng thông điện. Tuy nhiên, với cùng công suất ra của bộ khuếch đại, thì công suất tín hiệu bình quân Pav lớn hơn khi khoảng cách khuếch đại ngắn hơn, dẫn đến hiệu ứng SPM cao hơn như đã chỉ ra ở trên. Hiệu ứng phi tuyến này làm giảm độ hiệu dụng đạt được khi rút ngắn khoảng cách khuếch đại. Các hiệu ứng phi tuyến WDM cũng tùy thuộc vào công suất tín hiệu, mặc dù phụ thuộc phức tạp hơn vào số kênh và khoảng cách kênh. Vì thế, Pav được xem là thước đo phù hợp để so sánh mức độ phi tuyến.
Việc nâng cao phẩm chất hệ thống bằng cách giảm khoảng cách trạm lặp cũng được đánh giá bằng thông số Pav. Hãy xem xét cụ thể một hệ thống đường dài 10 Gbit/s có khoảng cách 7500 km. khi thay đổi khoảng cách của bộ khuếch đại, giá trị Q lý tưởng với công suất ra của trạm lặp như nhau đều tính theo (1.22). Việc nâng cao phẩm chất được tính bởi tỷ số SNR quang được cải thiện không đáng kể đến tác động phi tuyến. Khi điều chỉnh công suất ra của trạm lặp tương ứng với khoảng cách trạm lặp, phẩm chất hệ thống sẽ được tính toán đối với cùng công suất bình quân. Kết quả so sánh cho ở hình 1.9
Hình 1.9 Phẩm chất hệ thống đổi với khoảng cách trạm lặp khác nhau
Khi khoảng cách trạm lặp thay đổi từ 50 km xuống 40 km, tỷ số SNR được cải thiện thêm 1,5 dB. Tuy nhiên, nếu tính thêm hiệu ứng phi tuyến, thì độ lợi quỹ công suất chỉ là 0,8 dB. Với khoảng cách 60 km, việc cải thiện chất lượng hệ thống đạt được bằng cách chia đôi khoảng cách trạm lặp là vào khoảng 2.4 dB. Do đó, so sánh hệ số Q đối với cùng công suất tín hiệu bình quân cho ta đánh giá chính xác hơn lợi ích của việc giảm khoảng cách trạm lặp, và như thế cho ta cách thiết kế khoảng cách trạm lặp tối ưu.
1.4.2.2 Kiểm soát tán sắc
Tán sắc màu gây ra méo tín hiệu và làm giảm chất lượng hệ thống. Vì thế bù tán sắc là thống số quyết định đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, kiểm soát tán sắc có vai trò quan trọng trong việc khắc phục hiệu ứng phi tuyến của hệ thống.
Sợi quang đơn mode tiêu chuẩn có tán sắc cao khoảng 17 ps/nm.km ở cửa sổ 1550 nm. Để khắc phục ảnh hưởng của tán sắc phải dùng sợi dịch chuyển tán sắc về 0 ở cửa sổ 1550 nm. Hiệu ứng tán sắc vì thế có thể giảm đáng kể và hiệu ứng SPM cũng giảm. Tuy nhiên, đối với công nghệ WDM, việc tán sắc về 0 ở bước sóng tín hiệu lại gây ra sự pha trộn giữa các bước sóng tín hiệu và làm tăng hiệu ứng FWM và XPM. Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng loại sợi dịch chuyển tán sắc không về 0 (NZ-DSF), có mức tán sắc ở cửa sổ tín hiệu rất thấp, -2 ps/nm.km.
Trong các hệ thống WDM, cần phải quan tâm đến tán sắc bậc 3 hay độ dốc tán sắc. Độ dốc tán sắc gây ra các kênh ngoài tích lũy tán sắc dư dọc theo tuyến. Đối với các tuyến cáp biển vượt đại dương tán sắc tích lũy trở nên rất lớn ở các kênh rìa (biên). Băng thông tín hiệu WDM càng lớn thì tán sắc dư càng nhiều. Đối với việc kiểm soát tán sắc này, độ dốc tán sắc hạn chế cửa sổ tín hiệu WDM. Để bù lượng tán sắc dư, người ta áp dụng bù tán sắc trước và sau trong các thiết bị đầu cuối trong mỗi kênh bước sóng. Vì thế, để kiểm soát tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến, cần phải có bản đồ tán sắc với tán sắc toàn trình thấp và tán sắc nội bộ cao; hơn nữa, còn phải bù độ dốc tán sắc trong các hệ thống truyền dẫn cực dài.
1.4.2.3 Chọn phương thức điều biến
Phương thức điều biến tín hiệu là một yếu tố thiết kế quan trọng cần xem xét trong việc làm giảm độ phi tuyến. Trong các hệ thống thông tin sợi quang, phương án điều biến sâu và tách sóng trực tiếp thường được sử dụng, tức là cường độ tín hiệu được điều biến để mang tín hiệu “1” và “0”. Ở đầu thu, tín hiệu được tách ra là các số “1” hoặc “0” dựa vào cường độ tín hiệu lớn hay thấp hơn ngưỡng quyết định. Phương thức tín hiệu không trở về 0 (NRZ) thường được sử dụng khi một xung quang chiếm toàn bộ chu kỳ bít được gửi đi với số “1” và không phát quang được gửi tín hiệu RZ đi đối với số “0”. Đối với phương thức tín hiệu trở về 0 (RZ), xung tín hiệu quang cho “1” không chiếm toàn bộ chu kỳ bít, và vì thế tín hiệu RZ có thể có độ rộng xung khác nhau. RZ dịch tần là một mẫu điều biến phức tạp hơn mà cường độ tín hiệu được điều biến theo cùng cách như tín hiệu RZ, nhưng pha của tín hiệu quang được điều biến hình sin với cùng tần số của tốc độ bít. Hình 1.10 so sánh phổ quang của các mẫu tín hiệu khác nhau đối với tốc độ bít 10 Gbit/s.
Hình 1.10 Phổ quang của các phương thức điều chế khác nhau
NRZ có phổ hẹp, trong khi phổ tín hiệu RZ rộng hơn với băng bên. Điều biến pha lên tín hiệu RZ dịch tần tạo ra nhiều băng bên trong phổ tín hiệu, số các băng bên và biên độ của chúng phụ thuộc vào độ sâu điều biến.
Như đã chỉ ra, độ dốc tán sắc tạo ra tán sắc dư ở các kênh ngoài trong hệ thống WDM, nó tác động với hiệu ứng SPM làm giảm phẩm chất hệ thống. Phương thức RZ dịch tần có thể sử dụng để cải thiện phẩm chất hệ thống. Có thể thấy rằng, tín hiệu ở bước sóng trung tâm ít bị ảnh hưởng của chỉ số điều biến và có thể đạt được phẩm chất hệ thống tốt với các độ sâu điều biến khác nhau. Tuy nhiên, đối với các kênh ngoài, cần phải có chỉ số điều biến lớn để đạt được phẩm chất hệ thống tốt hơn. Vì thế, chỉ số điều biến cần phải được tối ưu đối với từng kênh. RZ dịch tần là một công nghệ quan trọng để đạt được hệ thống truyền dẫn cực dài.
Trên đây đã phân tích về tầm quan trọng của kiểm soát tán sắc, hiệu quả của RZ dịch tần, các công nghệ chính được áp dụng trong các hệ thống WDM đường dài (cáp biển) hiện nay. Những công nghệ này cũng được ứng dụng trong các hệ thống đường dài trên mặt đất.
Hình 1.11 mô tả chất lượng hệ thống của hệ thống cáp biển WDm 16 kênh, 10 Gbit/s
Hình 1.11 Chất lượng hệ thống của hệ thống cáp biển WDM 16-kênh, 10 Gbit/s
Hình 1.11a mô tả kết quả mẫu của một hệ thống cáp quang biển WDM 16 kênh, 10 Gbit/s có tổng chiều dài 8550 km sử dụng tín hiệu RZ dịch tần và kiểm soát tán sắc. Qua kết quả cho thấy, trong hầu hết các kênh, bù tán sắc 100 % ở thiết bị đầu cuối cho chất lượng tốt nhất. Dung sai tán sắc là 5% (nếu >5% sẽ làm giảm chất lượng hệ thống, nhất là ở các kênh ngoài). Hình 1.11 b , mô tả kết quả của một hệ thống cáp biển WDM 16 kênh, 10 Gbit/s có tổng chiều dài 7500 km, và khoảng cách lặp là 50 km. Với tín hiệu RZ dịch tần và bù tán sắc tại thiết bị đầu cuối, chất lượng hệ thống được xem xét với những mức công suất khác nhau của tín hiệu. Có thể thấy rằng công suất tín hiệu 8,65 dBm (công suất mỗi kênh là -3,4 dBm) cho phẩm chất hệ thống tốt nhất.
1.4.2.4 Các công nghệ mới
Trên đây đã trình bày về hiệu ứng truyền dẫn và những công nghệ này chủ yếu được dùng trong hệ thống WDM đường dài hiện nay. Tuy nhiên, những tiến bộ công nghệ vẫn cho phép ứng dụng để tăng dung lượng nghĩa là tăng hiệu quả sử dụng phổ với nhiều bước sóng hơn trong băng C cũng như các băng khác,…
Bộ khuếch đại Raman là một công nghệ khuếch đại chủ yếu, nó dựa trên hiệu ứng SRS với băng thông rộng, khoảng 100 nm cách xa so với bước sóng bơm. So với EDFA, khuếch đại Raman có tạp âm thấp. Hơn nữa, băng thông Raman có thể điều chỉnh được bằng bước sóng nguồn bơm. Với tạp âm thấp, các bộ khuếch đại Raman có thể được sử dụng để tăng cự ly truyền của hệ thống, khoảng cách khuếch đại và dung lượng hệ thống WDM.
Về vấn đề kiểm soát tán sắc cũng được tiếp tục có những nghiên cứu. Ví dụ như việc sử dụng phương thức điều biến khác nhau với phương thức điều biến phân cực để cải thiện hiệu suất phổ. Sợi quang có độ dốc tán sắc thấp cho phép quan sát tán sắc tích lũy ở những kênh để nâng số kênh bước sóng đang được chế tạo. Ngoài ra, một phương pháp kiểm soát tán sắc mới cũng đang được phát triển, theo đó mỗi khoảng cách lặp gồm những sợi với tán sắc dương và tán sắc âm, tức là sợi SMF được dùng làm sợi +D và sợi DCF bù độ dốc được dùng làm sợi –D, như vậy, trong khoảng
lặp, cả tán sắc và độ dốc tán sắc đều được bù. Sử dụng phương thức kiểm soát tán sắc này sẽ làm giảm hạn chế của hiệu ứng độ dốc tán sắc đối với truyền dẫn băng rộng.
Các phương thức điều biến mới cũng được nghiên cứu: phương thức RZ chặn sóng mang (Carrier Suppressed RZ-CS-RZ) rất hiệu quả để giảm các hiệu ứng phi tuyến, lọc Vestigial Sidebank (VSB) để cải thiện hiệu suất phổ, CS-RZ có lọc. RZ- DPSK. Phương thức NRZ đơn giản và có phổ hẹp, nhưng với sự phát triển của việc kiểm soát tán sắc thì cũng không cần thiết những phương thức điều biến phức tạp nữa, vì thế NRZ cũng có thể sử dụng để nâng cao hiệu suất băng tần.