b) Các ứng dụng của bộ lọc phản xạ Bragg
3.3.1 Các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thốngWDM
Nhìn chung có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành hai loại:
- Hiệu ứng tán xạ:bao gồm các hiệu ứng tán xạ Raman(SRS)và hiệu ứng tán xạ Brillouin(SRB).
- Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang:bao gồm các hiệu ứng tự điều chế dịch pha(SPM),điều chế pha chéo(XPM)và trộn bốn b−ớc sóng(FWM).
*Hiệu ứng Raman (SRS): là quá trình tán xạ không đàn hồi, trong đó photon ánh sáng tới chuyển một phần năng l−ợng của mình cho dao động cơ học của các phân tử cấu thành môi tr−ờng truyền dẫn, phần năng l−ợng còn lại đ−ợc phát xạ thành ánh sáng có b−ớc sóng dài hơn b−ớc sóng tới. B−ớc sóng mới này đ−ợc gọi là b−ớc sóng Stoke. Khi ánh sáng truyền trong sợi có c−ờng độ lớn thì quá trình này trở thành quá trình kích thích, trong đó ánh sáng đóng vai trò sóng bơm làm cho phần năng l−ợng của tín hiệu chuyển vào b−ớc sóng Stoke. Trong ghép kênh theo b−ớc sóng, hiệu ứng SRS hạn chế số kênh ghép, khoảng cách giữa các b−ớc sóng, công suất phát mỗi kênh và cự li truyền dẫn của hệ thống. Ngoài ra, nếu b−ớc sóng Stoke trùng với các b−ớc sóng tín hiệu sẽ gây ra xuyên âm.
Hiệu ứng SRS tỉ lệ thuận với công suất ánh sáng P và tỉ lệ nghịch với hiệu dụng của lõi sợi quang. Nếu gọi σSRS là ảnh h−ởng của hiệu ứng SRS thì σSRS ~ P/Aeff
*Hiệu ứng SBS: cũng t−ơng tự nh− hiệu ứng SRS. Nghĩa là tự nó cũng hình thành các b−ớc sóng Stoke. Điểm khác nhau giữa hai hiệu ứng này là hiệu ứng SBS liên quan tới các photon âm, còn hiệu ứng SRS lại liên quan đến các photon quang. Do có sự khác nhau đó mà chúng có ảnh h−ởng khác nhau đến hệ thống ghép b−ớc sóng quang. Trong tán xạ SBS, một phần ánh sáng bị tán xạ do các photon âm và dịch tới b−ớc sóng dài hơn. Phần ánh sáng tán xạ ng−ợc truyền theo sợi quang và nếu các b−ớc sóng của tín hiệu chính trong WDM cùng truyền theo một h−ớng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh. Tất
KIL OB OO KS .CO M
nhiên, nếu truyền hai h−ớng các b−ớc sóng trên cùng một sợi quang thì ảnh h−ởng của SBS là đáng kể.
ảnh h−ởng của SBS cũng tỉ lệ thuận với công suất tín hiệu ánh sáng và tỉ lệ nghịch với Aeff của lõi sợi. Nếu gọi σSBS là ảnh h−ởng của hiệu ứng SBS thì σSBS
~ P/Aeff.
*Hiệu ứngBrillouin (SPM): Đó là hiện t−ợng khi c−ờng độ quang đ−a vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng biến đổi theo, gây sự biến đổi pha của sóng quang. Sau khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến tần phổ dãn rộng và tích luỹ theo sự tăng lên của chiều dài. Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang cũng càng lớn, gây ảnh h−ởng lớn tới hệ thống tốc độ cao.
Hiệu ứng SPM là sự phụ thuộc chiết suất của lõi sợi vào c−ờng độ ánh sáng truyền trong đó.
n = no + n2I (3.1) Với no là chiết suất tuyến tính.
n2 là hệ số chiết suất phi tuyến (n2 = 3,2.10-20 m2/W và phụ thuộc vào b−ớc sóng )
I là c−ờng độ quang.
Khi c−ờng độ quang đủ lớn thì chiết suất phụ thuộc vào c−ờng độ quang tức thời. Nếu ánh sáng truyền trong sợi dài L thì dịch pha của tín hiệu quang sẽ bổ sung thêm một l−ợng là:
φNL(t) = 2πn2LI(t)/λ (3.2) Đạo hàm ph−ơng trình đó theo thời gian ta nhận đ−ợc
∆ϖ(t) = dφ/dt = (2πn2L/λ)(dI/dt) (3.3) Biểu thức 3.2, 3 .3 cho biết dịch pha phụ thuộc vào c−ờng độ ánh sáng và hiện t−ợng này gọi là tự điều chế pha. Nó còn đ−ợc xem nh− hiện t−ợng tự điều chế tần bổ xung, hay còn gọi là chirp.
KIL OB OO KS .CO M
nhiên, đối với các tr−ờng quang có c−ờng độ thay đổi (nh− các xung trong hệ thống thông tin số) thì pha phi tuyến sẽ thay đổi theo thời gian nh− công thức 1.3. Sự thay đổi theo thời gian cũng có nghĩa là trong xung tín hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm một giá trị là
∆f = (-1/2π)(dφ/dt) (3.4) Hiện t−ợng này gọi là hiện t−ợng dịch tần phi tuyến làm cho s−ờn sau của xung dịch đến tần số nhỏ hơn tần số trung tâm và s−ờn tr−ớc dịch đến tần số lớn hơn tần số trung tâm. Điều này có nghĩa là phổ của tín hiệu bị dãn rộng ra trong quá trình truyền. Đối với hệ thống WDM, khi các kênh quang quá gần nhau thì hiện t−ợng dãn phổ do SPM gây ra sẽ dẫn tới giao thoa và nhiễu giữa các kênh. ảnh h−ởng của hiệu ứng SPM cũng tỉ lệ thuận với công suất quang và tỉ lệ nghịch với tiết diện hiệu dụng của sợi quang.
*Hiệu ứng điều chế pha chéo(XPM):Đối với hệ thống WDM thì chiết suất tại một b−ớc sóng nào đó phụ thuộc không những vào c−ờng độ quang của b−ớc sóng đó mà còn phụ thuộc vào c−ờng độ quang của các b−ớc sóng khác. Trong tr−ờng hợp này, chiết suất phi tuyến ứng với b−ớc sóng thứ i sẽ là:
∆nNL = n2(Ii+ 2N IiIj) (3.5) Trong đó N là tổng số kênh quang.
Ii là c−ờng độ của b−ớc sóng thứ i đang xét Ij là c−ờng độ quang của b−ớc sóng thứ j lân cận.
Trong ph−ơng trình 3.5 ta thấy: Số hạng thứ nhất ứng với hiệu ứng SPM, số hạng thứ hai t−ơng ứng với hiệu ứng XPM. Nếu giả sử công suất của các kênh là nh− nhau thì ảnh h−ởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp 2N lần hiệu ứng SPM. Do vậy, trong hệ thống WDM sử dụng sợi đơn mode thông th−ờng có thể giảm hiệu ứng XPM bằng cách tăng khoảng cách giữa các b−ớc sóng ghép.
*Hiệu ứng trộn bốn b−ớc sóng (FWM): Trong hệ thống WDM, chiết suất phụ thuộc c−ờng độ quang không chỉ gây ra hiện t−ợng tự điều pha mà còn gây ra hiện t−ợng trộn bốn sóng. Trong hiệu ứng này, 2 hoặc 3 sóng quang có tần số khác nhau sẽ t−ơng tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới nh− 2f1 – f2, f1 + f2 – f3, 2f2 – f3,... Đây gọi là trộn bốn b−ớc sóng, nghĩa là từ các tần
KIL OB OO KS .CO M
số ban đầu tạo ra tần số thứ t− có tổ hợp là từ các tần số trên và nằm sát các tần số đó.
Do việc tạo ra tần số mới từ các tần số cũ nên công suất các tần số cũ sẽ giảm đi đáng kể. Hơn nữa, khi khoảng cách các kênh là bằng nhau thì các tần số mới đuợc tạo ra sẽ rơi vào một trong những kênh tín hiệu và gây nhiễu, làm suy giảm chất l−ợng hệ thống.ảnh h−ởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu nh− khoảng cách giữa các kênh trong hệ thốngWDM càng nhỏ cũng nh− khi khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn. Vì vậy, hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung l−ợng và cự li truyền dẫn. Nếu gọi σFWM là ảnh h−ởng của hiệu ứng FWM thì σFWM ~ P2/(Aeff2D2). với D là hệ số tán sắc của sợi quang. Tổng số các thành phần mới đ−ợc tạo ra có thể tính nh− sau:
M = (N3 –N2)/2 (3.6)
Trong đó N là số kênh ban đầu.