Ảnh hưởng của PMD trong hệ thống thông tin quang

Như đã chỉ ra ở trên, tán sắc PMD trong thông tin quang thay đổi ngẫu nhiên. Để hiểu được cơ chế của nó, người ta sử dụng các mô hình có tính kết hợp thấp (Low- Coherent mode) và tính kết hợp cao (High-Coherent mode) để nghiên cứu. Đối với mô hình tính kết hợp thấp thì ghép công suất mode là mô hình đặc trưng, còn mô hình tính kết hợp cao là mô hình trạng thái phân cực nguyên lý.

Trong mô hình ghép công suất mode, khi xung ở đầu vào sợi quang bị tác động của lưỡng chiết sợi sẽ bị phân cực thành hai mode và khi gặp sự thay đổi lưỡng chiết đoạn tiếp theo thì hai mode đó lại bị phân chia thành 4 mode. Trong quá trình truyền lan trong sợi các mode này bị thay đổi ngẫu nhiên do tác động của lưỡng chiết và như vậy sinh ra các nhiễu mode có tính kết hợp rất thấp. Hệ quả là ở đầu ra của sợi khi các mode ghép công suất lại sẽ làm giãn độ rộng của xung. Giá trị trung bình bình phương của độ giãn rộng xung được tính:

1 2 t Llc v    (2.1.32)

Trong đó  t là giá trị trung bình bình phương của độ giãn xung, v là vận tốc nhóm vi phân, L là độ dài sợi, và lc là độ dài ghep mode.

Dưới đây ta sẽ xem xét hai vấn đề của tán sắc phân cực mode trong hệ thống thông tin quang.

2.1.4.1 Bù công suất do ảnh hưởng của tán sắc PMD

Các ảnh hưởng của tán sắc PMD như làm giãn và méo xung có thể dẫn đến làm tổn hao (mất mát) công suất của cả hệ thống. Như đã trình bày ở trên, tán sắc PMD là một quá trình thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian do đó mất mát công suất do PMD gây ra cho hệ thống cũng mang tính thay đổi ngẫu nhiên nên việc bù công suất khá phức tạp. Như vậy, khi thiết kế hệ thống dự phòng công suất cho điều kiện hoạt động bình thường sẽ không đủ cho trường hợp mà giá trị PMD bị vượt quá giới hạn cho phép.

Điều này thực sự phức tạp bởi vì vấn đề mà giá trị tán sắc PMD tức thời vượt qua giới hạn phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường và cũng khó có thể mô phỏng được nó trong phòng thí nghiệm. Để dự báo ảnh hưởng của PMD trong hệ thống, giả thiết rằng ảnh hưởng nổi trội của nó là làm giãn xung. Đối với hệ thống thông tin quang dạng sóng không trở về không (NRZ: Non Return Zero) thì bù công suất mất mát do tán sắc PMD gây ra cũng đã được một số nhà nghiên cứu đề xuất; đại lượng này được tính theo biểu thức sau:

2 2 (1 ) (dB) A T        (2.1.33)

Trong đó, 0    1 là tỷ số phân chia công suất giữa hai mode; T là độ rộng toàn phần của xung quang ở nửa giá trị cực đại; A là hệ số phụ thuộc vào dạng tín hiệu và đặc tính kỹ thuật của bộ lọc tại bộ thu. Đối với dạng NRZ thì tốc độ bít bằng nghịch đảo của độ rộng xung. Bảng 2.1.1 cho các tham số A đối với một số dạng xung và bộ thu Bessel bậc 4:

Bảng 2.1.1 Giá trị A đối với các xung khác nhau

Dạng xung Hế số A

Gauss 25

Raised Cosin 22

Xung vuông 12

Tam giác 24

Trong hệ thống thực tế, tổn thất công suất do PMD gây ra thay đổi ngẫu nhiên theo sự phân bố ngẫu nhiên của  và . Để có thể xác định giá trị PMD giới hạn của hệ thống thì phải xem xét bù công suất do PMD gây ra, cho phép là bao nhiêu. Thông thường giá trị 1 dB mất mát công suất là chấp nhận được. Tương tự như đối với các hệ thống vô tuyến, điều kiện để xem xét mất mát công suất dựa trên “độ gián đoạn” của hệ thống. Nghĩa là xác suất gián đoạn của hệ thống cho phép nhỏ hơn 1/18000, tương ứng, với tiêu chuẩn 4 trong phân bố Gauss. Xác suất này tương ứng với thời gian gián đoạn hệ thống là 30 phút/1 năm. Tuy nhiên, xác suất này chỉ tính cho thời gian gián đoạn tích lũy chứ không tính cho gián đoạn bùng phát riêng lẻ như của PMD.

Xác suất cho sự kiện để bù mất mát công suất vượt quá 1 dB được xác định thông qua . Giả thiết rằng  có hàm phân bố xác suất Maxoen, còn  phân bố đồng nhất trong khoảng tử 0 đến 1 và là tham số độc lập. Khi đó, từ (2.1.33) tổn thất công suất của PMD sẽ có hàm mật độ xác suất là hàm mũ có dạng:

( )

p  e (2.1.34) Trong đó 2  2 

16T / A

Xác suất cho sự kiện mà tổn thất công suất vượt quá 1 dB được xác định bằng cách tích phân biểu thức (2.1.34) từ 1 đến +:   1 1 ( ) r P   ed  e (2.1.35)

Đặt vế phải của (2.1.35) bằng 1/18000 sẽ tìm được =9,8 đối với dạng xung Gauss là A=25, khi đó

0,14 Limit T    (2.1.36)

Biểu thức (2.1.36) chỉ ra rằng, đối với hệ thống thông tin quang cần đảm bảo rằng sự gián đoạn của hệ thống không vượt quá 30 phút/1 năm, thì thời gian trễ vi phân giữa các trạng thái phân cực không vượt quá 0,14 lần độ rộng bít. Từ đây, có thể tính được giới hạn tốc độ bít của hệ thống khi biết được hệ số tán sắc PMD = <>/L1/2, nghĩa là: 2 2 0, 02 B L PMD  (2.1.37)

Như đã đề cập ở trên, giới hạn PMD này đối với gián đoạn tích lũy, nên phần lớn thời gian hệ thống hoạt động bình thường, nhưng những gián đoạn riêng lẻ bùng phát đột biến có thể xảy ra sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống. Để tránh ảnh hưởng dẫn đến việc sinh ra tán sắc PMD bậc cao từ bộ điều biến trực tiếp Laser, người ta sử dụng điều biến ngoài. Khi đó, độ rộng phổ của tín hiệu điều biến không bị tăng lên và giảm được các hiệu ứng PMD bậc cao.

2.1.4.2 Ảnh hưởng của tán sắc PMD kết hợp với các nguồn nhiễu khác

Trong hệ thống thông tin quang thực tế sử dụng các phần tử quang chịu tác động của hiệu ứng PMD. Suy hao phụ thuộc phân cực có thể sinh ra từ các bộ cách ly quang, bộ chia quang hay bộ lọc quang. Tán sắc PMD không chỉ tồn tại trong sợi quang mà nó còn có trong các bộ cách ly quang và bộ khuếch đại EDFA. Tán sắc PMD kết hợp với suy hao phụ thuộc phân cực (PDL: Polarization Dependent Loss), và lỗ thủng phân cực (PHB) trong bộ EDFA sẽ làm thăng giáng tỷ số SNR trong hệ thống, nghĩa là giảm BER của hệ thống.

Sự thăng giáng SNR do PMD kết hợp với PDL có thể khắc phục bằng cách tăng độ dự phòng cho hệ thống lên khoảng 1,5 dB; PHB có thể làm tăng nhiễu phát xạ tự phát (ASE) tích lũy ở mode trực giao với trục truyền dẫn nhanh hơn so với mode song song với trục truyền dẫn. Kết quả là tín hiệu sẽ bị yếu đi nhanh chóng. Nếu xét hiệu ứng PHB cho một EDFA đơn lẻ thì ảnh hưởng của nó là rất nhỏ, song nếu tích lũy cho cả hệ thống truyền dẫn dài sử dụng nhiều EDFA thì cũng gây nên tổn thất cỡ vài dB.

Như vậy, để khắc phục ảnh hưởng của tán sắc PMD dưới góc độ dùng giải pháp bù công suất, thì khi thiết kế hệ thống, công suất dự phòng phải đạt khoảng 3-4 dB mới đảm bảo hệ thống hoạt động bình thường; thực tế các hệ thống chỉ dự phòng 1-2 dB cho ảnh hưởng PMD, do vậy phải có biện pháp hạn chế ảnh hưởng của PMD khi thiết kế hệ thống thông tin quang.