Nghiên cứu dùng kết hợp pha quang bù ảnh hưởng của tán sắc và hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống quang tốc độ cao

Đây là giải pháp xử lý tín hiệuhoàn toàn trong miền quang với nhiều ưu điểm nổi trội như tốc độ đáp ứng nhanh, ítphụ thuộc vào dạng tín hiệu, có thể xử lý được đồng thời nhiều kênh bước

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC VÀ PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 2

1.1 Tổng quan về tán sắc trong hệ thống thông tin quang 2

1.1.1 Tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc 2

1.1.2 Các nguyên nhân gây tán sắc trong hệ thông quang tốc độ cao 3

1.2 Tổng quan về phi tuyến trong hệ thống thông tin quang 10

1.2.1 Giới thiệu chung về phi tuyến 10

1.2.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến 15

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG KẾT HỢP PHA QUANG ĐỂ BÙ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC VÀ HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 17

2.1 Các giải pháp bù ảnh hưởng của tán sắc và phi tuyến 17

2.1.1 Bù ảnh hưởng của tán sắc sợi quang trong truyền dẫn 17

2.1.2 Bù ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong truyền dẫn quang 20

Để thuận tiện cho việc phân tích, ta sử dụng mô hình tuyến thông tin quang sử dụng WDM và EDFA đã có sự bù tán sắc như sau: 21

2.2 Bù tán sắc và phi tuyến bằng liên hợp pha quang OPC 23

2.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp 24

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 25

2.2.3 Các loại vật liệu dùng trong OPC 28

CHƯƠNG III: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 35

I Sơ đồ hệ thống 35

1.1 Sơ đồ hệ thống quang không sử dụng OPC 35

1.2 Sơ đồ hệ thống quang sử dụng OPC 35

II Tham số hệ thống 36

2.1 Tham số hệ thống quang không sử dụng OPC 36

2.2 Tham số hệ thống quang sử dụng OPC 36

III Kết quả mô phỏng và nhận xét 38

KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Ảnh hưởng của tán sắc lên sợi quang 3

Hình 1 2: Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm thay đổi theo bước sóng ở sợi thủy tinh 5

Hình 1 3: Tán sắc ống dẫn sóng 6

Hình 1 4: Tham số b và các vi phân của nó và thay đổi theo tham số V 7

Hình 1 5: Tán sắc tổng D và các tán sắc vật liệu , cho sợi đơn mode thông dụng 8

Hình 1 6: Bước sóng phụ thuộc vào tham số D đối với các sợi tiêu chuẩn, sợi dịch tán sắc, và sợi tán sắc phẳng 9

Hình 1 7: Đồ thị miêu tả sự phụ thuộc của độ phân cực P theo điện trường E 11

Hình 1 8: Ảnh hưởng của hiệu ứng tự điều chế pha SPM 12

Hình 1 9: Ảnh hưởng của hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM 13

Hình 1 10: Hiệu ứng FWM 14

Hình 2 1: Sự dãn xung do ảnh hưởng của SPM 17

Hình 2 2: Chuẩn hóa khoảng cách truyền dẫn với OPC 21

Hình 2 3: Khái niệm OPC của tín hiệu dữ liệu 22

Hình 2 4: Nguyên lý của quá trình (a) SFG (b) DFG 23

Hình 2 5: Nguyên tắc của quá trình từng đợt SHG và DFG 24

Hình 2 6: OSNR của liên hợp pha là một hàm của OSNR tín hiệu đầu vào 26

Hình 2 7: Nguyên tắc hợp pha 27

Hình 2 8: Quang phổ đầu ra của ống dẫn sóng PPLN của băng C và băng L 29

DANH MỤC BẢNG BIỂU

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

CATV Community Antenna Television Truyền hình cáp

Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theotần số trực giao quang

coherent

Tế

không

quang

OPC Optical Phase Conjugation Kết hợp pha quang

quang

cực theo chu kỳ

dẫn

bước sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Trong vài năm trở lại đây, sự bùng nổ về nhu cầu trao đổi thông tin làm chodung lượng của mạng quang tăng lên một cách nhanh chóng Với tốc độ cao như vậy,chất lượng hệ thống sẽ dễ bị tác động bởi méo truyền dẫn do các yếu tố như tán sắc vàphi tuyến trong sợi quang gây ra Để bù méo truyền dẫn ở tốc độ cao, giải pháp sửdụng kết hợp pha quang hiện đang được quan tâm Đây là giải pháp xử lý tín hiệuhoàn toàn trong miền quang với nhiều ưu điểm nổi trội như tốc độ đáp ứng nhanh, ítphụ thuộc vào dạng tín hiệu, có thể xử lý được đồng thời nhiều kênh bước sóngquang…

Hiện tượng tán sắc và phi tuyến ảnh hưởng rất lớn đến truyền dẫn thông tinquang, nhất là các hệ thống quang tốc độ cao Việc khắc phục các ảnh hưởng này là rấtquan trọng, giúp cải thiện chất lượng đường truyền và khả năng truyền dẫn của sợiquang

Nhận thức được vấn đề này, và nhờ sự hướng dẫn của ThS Trần Thị Thủy Bình

em đã chọn đề tài “Nghiên cứu dùng kết hợp pha quang bù ảnh hưởng của tán sắc

và hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống quang tốc độ cao” làm đồ án tốt nghiệp đại

học

Nội dung nghiên cứu gồm ba chương:

• Chương 1: Khái quát về ảnh hưởng của tán sắc và phi tuyến trong hệ thống

thông tin quang

• Chương 2: Nghiên cứu sử dụng kết hợp pha quang để bù ảnh hưởng của tán

sắc và hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang

• Chương 3: Một số kết quả mô phỏng

Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng do hạn chế về mặt thời gian nên nội dung của

đồ án khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các Thày,

Cô giáo, các bạn sinh viên để đồ án này được hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn Cô giáo, ThS Trần Thị Thủy Bình đãnhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này

Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2016

Sinh viên Đặng Mạnh Sỹ

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC VÀ PHI

TUYẾN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Tìm hiểu tổng quan về tán sắc, hiệu ứng phi tuyến cũng như nguyên nhân và ảnh hưởng của chúng tới hệ thống thông tin quang tốc độ cao.

1.1 Tổng quan về tán sắc trong hệ thống thông tin quang

1.1.1 Tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc

Ta đã biết khi tín hiệu truyền dọc theo sợi quang sẽ bị méo Méo này là do tánsắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra Các hiệu ứng tán sắc ở đâyđược giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn(vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lượng ở trong nhóm riêng biệt lan truyền dọctheo sợi) Tán sắc bên trong mode chính là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra trongmột mode Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh hưởngcủa nó đến méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát (Độ rộngphổ chính là dải bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó) Nó làmcho các xung lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng gây ra méo tín hiệu và làm xuốngcấp đặc tính hệ thống Xung tín hiệu mà dãn quá rộng sẽ gây ra hiện tượng phủ chờmkhiến các xung kề nhau, và khi sự phủ chờm vượt quá mức nào đó thì thiết bị thuquang sẽ không phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu làmgiới hạn khả năng truyền dẫn

Tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm hai thành phần chính là tán sắc giữacác mode (tán sắc mode) và tán sắc bên trong mode Tán sắc bên trong mode bao gồmtán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sáng

Tán sắc mode tồn tại trong các sợi quang đa mode (MM) khi mà các tia sóngtruyền lan trong sợi theo các đường khác nhau do đó dẫn đến thời gian lan truyền cácmode là khác nhau Trong thông tin quang chỉ sử dụng sợi quang đơn mode (SM) thìkhông tồn tại tán sắc mode

Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng do sự thay đổi chiết suất của vật làmnên lõi sợi, nên nó tạo ra sự phụ thuộc vận tốc nhóm vào bước sóng ánh sáng

Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng ởtrong lõi vì vậy còn lại 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn ở trong lõi Tán sắcdẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode là một hàm của (α là bán kính lõi), nó thường được bỏ qua trong sợi đã mode nhưng lại rất cần quantâm ở sợi đơn mode

Tán sắc tỉ lệ thuận với chiều dài sợi quang và độ rộng phổ của nguồn quang.Xung quang ở cuối sợi quang sẽ bị dãn rộng một lượng là:

(km.nm)

.∆λ là độ rộng phổ nguồn quang

L là chiều dài sợi quang

Hình 1 1: Ảnh hưởng của tán sắc lên sợi quang

1.1.2 Các nguyên nhân gây tán sắc trong hệ thông quang tốc độ cao

Trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao không sử dụng sợi đa mode nên

không bị ảnh hưởng của tán sắc mode Một số tán sắc ảnh hưởng tực tiếp đến hệ thốngthông tin quang tốc độ cao như tán sắc sắc thể (tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng),tán sắc bậc cao

a Tán sắc vật liệu

Nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu: do sự chênh lệch vận tốc nhóm của cácthành phần phổ khác nhau trong sợi Nó xảy ra khi vận tốc pha của một sóng phẳnglan truyền trong môi trường điện môi biến đổi không tuyến tính với bước sóng, và mộtvật liệu được gọi là tán sắc chất liệu khi đạo hàm bậc hai của chiết suất theo bước sóngkhác không ( ≠ 0) Độ trải rộng xung do tán sắc vật liệu có thể thu được bằng cáchkhảo sát thời gian trễ nhóm trong sợi quang

Tán sắc vật liệu suất hiện là do chỉ số chiết suất của sợi thủy tinh, loại vậtliệu dùng để chế tạo ra sợi quang, và những thay đổi của chúng theo tần số quang ω.

tán sắc vật liệu có thể liên quan đến đặc tính tần số cộng hưởng mà tại đó vật liệu sẽhấp thụ sự phát xạ điện tử Chỉ số chiết suất n( ) được làm xấp xỉ bằng phương trìnhSellmeier:

Với là tần số cộng hưởng và là cường độ giao động N là viết thay cho cả

và tùy thuộc vào đặc tính phân tán của lõi hay vỏ sợi có được xem xét hay không Đối với thủy tinh trong suốt ta có chỉ số nhóm:

Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán sắc

Với giá trị = 1,276 chỉ đối với sợi thủy tinh thuần khiết Giá trị này có thể

đổi chỉ số chiết suất Bước sóng có tán sắc bằng không của sợi quang cũng phụ thuộcvào bán kính lõi a và bậc chỉ số thông qua phần dẫn sóng cho tán sắc thể

Hình 1 2: Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm thay đổi theo bước sóng ở sợi thủy tinh

b Tán sắc ống dẫn sóng

Đối với sợi đơn mode, khi nói đến tắn sắc sắc thể, ngoài tán sắc vật liệu ta cònphải xét đến tán sắc óng dẫn sóng Khi ánh sáng được ghép vào sợi quang để truyền đi,một phần chính truyền trong phần lõi sợi, phần nhỏ truyền trong phần lớp vỏ vớinhững vận tốc khác nhau do triết suất trong phần lõi và vỏ của sợi quang khác nhau

Sự khác biệt vận tốc truyền ánh sáng gây nên tán sắc ống dẫn sóng

(a) Phần lõi xung; (b) Phần lớp bọc xung; (c) Xung tổng cộng

b là hằng số lan truyền chuẩn

(1.7)Với là chỉ số mode, có giá trị nằm trong dải > >

là hằng số lan truyền dọc theo trục sợi

là hằng số lan truyền trong không gian tự do

là giá trị chênh lệch chiết suất Được giả thiết là tham số không phụ thuộc

V là tần số chuẩn hóa hay tham số V hay số V.

(1.8)

Ảnh hưởng của tán ống dẫn sóng lên độ giãn xung có thể được khảo sát trong giảthiết rằng: chỉ số chiết suất của vật liệu không phụ thuộc vào bước sóng

Hình 1 4: Tham số b và các vi phân của nó và thay đổi theo

tham số V

Trong sợi đơn mode, hệ số tán sắc tổng:

30 40 nm nhằm thu được tán sắc tổng D bằng không tại gần 1310 nm Nó cũng làm

lõi a và sự khác nhau về chỉ số chiết suất nên cho phép có thể thiết kế sợi sao cho

chuyển.

Hình 1 5: Tán sắc tổng D và các tán sắc vật liệu , cho sợi đơn mode thông dụng

c Tán sắc bậc cao

Như phân tích ở trên thì ta thấy rằng, tích tốc độ và cự ly BL của sợi quang đơn

mode có thể tăng vô hạn khi hệ thống hoạt động tại bước sóng có tán sắc bằng không nơi mà D = 0 Tuy nhiên, các hiệu ứng phân tán không hoàn toàn mất đi tại

Các xung quang vẫn phải chịu sự co dãn do các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn Đặctrưng này có thể hiểu rằng tán sắc D không thể đạt được giá trị bằng không tại tất cả

của tán sắc D vào bước sóng sẽ tham gia vào quá trình dãn xung Các hiệu ứng phântán bậc cao hơn được đặc trưng bởi độ dốc tán sắc S = dD/d hoặc cũng được viết nhưsau:

Đối với nguồn phát có độ rộng phổ , giá trị hiệu dụng của tham số tán sắc trở

biểu thức:

Đối với một laze bán dẫn đa mode có = 2 nm và một sợi quang tán sắc dịch

cải thiện đặc tính này hơn nữa có thể sử dụng các laze bán dẫn đơn mode

Hình 1 6: Bước sóng phụ thuộc vào tham số D đối với các sợi tiêu chuẩn, sợi dịch tán sắc, và

sợi tán sắc phẳng

1.2 Tổng quan về phi tuyến trong hệ thống thông tin quang

1.2.1 Giới thiệu chung về phi tuyến

Các hệ thống thông tin quang đang được khai thác trên mạng viễn thông hiện nayđều sử dụng các sợi quang truyền dẫn trong môi trường tuyến tính mà ở đó các tham

số sợi không phụ thuộc vào công suất quang Khi công suất trong sợi quang nhỏ thì sợiquang được xem là môi trường tuyến tính, tính phi tuyến của sợi quang (chủ yếu là dochiết suất) có thể bỏ qua Hiệu ứng phi tuyến của sợi quang (hiệu ứng quang được gọi

là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng) xuất hiện khitốc độ dữ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng và công suất quang tăng lên Cáchiệu ứng phi tuyến này ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn của hệ thống vàtrở nên quan trọng hơn do sự phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA cùng với

sự phát triển của các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Tăng hiệu

quả truyền thông tin có thể làm được bằng việc tăng tốc độ bit, giảm khoảng cách giữacác kênh hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên Các ảnh hưởng của phi tuyến sợi trở nên đóng vai trò quyết định hơn vì nó sẽ gây ra một số hiện tượng như xuyên âm giữacác kênh, suy giảm mức tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số tín hiệu trênnhiễu S/N.

Mặc dù công suất riêng của mỗi kênh có thể thấp dưới mức cần thiết để xuất hiệntính phi tuyến và tổng công suất của tất cả các kênh có thể đủ lớn, nhưng sự kết hợpcủa tổng công suất quang cao và một số lượng lớn các kênh ở các bước sóng gần nhau

sẽ trở nên lý tưởng cho nhiều loại hiệu ứng phi tuyến Với tất cả lý do này cho thấytầm quan trọng của các hiệu ứng phi tuyến

Môi trường phi tuyến:

Môi trường mà độ phân cực điện môi P của nó tỷ lệ tuyến tính với cường độ điệntrường tác động lên nó gọi là môi trường tuyến tính

(1.12)

Ở đây hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào điều kiện vật lý của chất điện môi và được gọi

là độ cảm điện môi Môi trường mà độ phân cực P của nó không tỷ lệ tuyến tính vớicường độ điện trường tác động lên nó gọi là môi trường phi tuyến

Hình 1 7: Đồ thị miêu tả sự phụ thuộc của độ phân cực P theo điện trường E

Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra thành hai loại:

• Hiệu ứng Kerr : sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào công suấtquang Các hiệu ứng phi tuyến chính như hiệu ứng tự điều chế pha(SPM), hiệu ứng điều chế xuyên pha (XPM) và hiệu ứng trộn bốn bướcsóng (FWM)

• Hiệu ứng tán xạ: Phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sángvới các phonon (rung động phân tử ) trong môi trường silica Có haihiệu ứng chính là tán xạ do kích thích Raman (SRS) và tán xạ do kíchthích Brillouin (SBS)

a Hiệu ứng tự điều chế pha SPM

Đây là hiện tượng khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ củasợi quang cuãng biến đổi theo, gây sự biến đổi pha của sóng quang Sau khi kết hợpvới tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến tần phổ giãn rộng và tích lũy theo sự tăng lêncủa chiều dài Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang cũngcàng lớn, gây ảnh hưởng lớn tới hệ thống tốc độ cao

Hình 1 8: Ảnh hưởng của hiệu ứng tự điều chế pha SPM

Hiệu ứng SPM có chiết suất lõi sợi phụ thuộc vào cường độ sáng truyền trong

đó Chỉ số chiết suất biến đổi như sau:

là hệ số tuyến tính khúc xạ

là diện tích vùng lõi hiệu dụng

P là công suất nguồn quang

Hằng số truyền lan được biểu diễn theo công thức:

(1.14)

là tần số góc của ánh sáng

là chiết suất tuyến tính và là nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu

n là chiết suất của môi trường

là độ cảm điện

là hệ số lan truyền pha phi tuyến

Do được tính theo công thức trên nên sẽ có độ dịch pha bổ xung Độ dịch phanày được tính bằng:

(1.15) Dựa vào công thức 1.15 ta có: độ dịch pha phi tuyến của sóng mang quangthay đổi theo thời gian do cường độ công suất của xung ánh sáng thay đổi theo thời

theo thời gian của biên độ xung khi xung lan truyền dọc theo sợi quang Do thayđổi theo thời gian dẫn đến một sự dịch chuyển về tần số Hiện tượng phi tuyến tươngứng với sự thay đổi tần số xảy ra do sự dịch pha gây ra bởi chính xung ánh sáng đượcgọi là hiệu ứng tự điều chế pha SPM

b Hiệu ứng điều chế xuyên pha

Trong hệ thống đa kênh WDM, độ dịch pha của một kênh không nhưng phụthuộc vào công suất của chính kênh đó mà còn phụ thuộc vào công suất của nhữngkênh còn lại, dẫn đến hiện tượng dược gọi là điều chế xuyên pha XPM

Hình 1 9: Ảnh hưởng của hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM

Trong trường hợp này, độ dịch pha phi tuyến của một kênh (kênh j) là:

Với M: Tổng số kênh

Hệ số 2 chỉ ra rằng nếu công suất của các kênh là như nhau thì ảnh hưởng củahiệu ứng XPM lớn gấp 2M lần hiệu ứng SPM Độ dịch pha tổng bây giờ phụ thuộcvào tất cả các kênh tín hiệu Do đó, XPM không chỉ phụ thuộc vào công suất củakênh tín hiệu mà còn phụ thuộc vào số lượng kênh tín hiệu Số kênh tín hiệu càngnhiều, ảnh hưởng của XPM càng lớn

c Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM

Trong hệ thống WDM sử dụng các tần số sự phụ thuộc của chiết suấtvào cường độ công suất không chỉ gây ra sự dịch pha trong mỗi kênh mà còn sinh ra

sóng FWM Rtais với SPM và XPM chỉ có ảnh hưởng với các hệ thống tốc độ bit

chặt chẽ vào khoảng cách giữa các kênh và tán sắc màu của sợi Giảm khoảng cáchkênh và giảm tán sắc màu đều làm tăng ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng Do

đó, các ảnh hưởng của FWM phải được xét đến ngay cả ở các hệ thống tốc độ vừaphải khi khoảng cách các kênh gần nhau hoặc khi sử dụng sợi dịch chuyển tán sắc Giả sử có ba trường quang tương ứng với các tần số là , và truyền đồng

(1.17)

Hình 1 10: Hiệu ứng FWM

Do việc tạo ra tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng FWM

sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM Hơn nữa, nếukhoảng cách các kênh bằng nhau thì tần số mới tạo ra có thể rơi vào tần số các kênhtín hiệu, gây ra xuyên âm các kênh làm giảm chất lượng hệ thống

Ảnh hưởng của FWM càng lớn nếu khoảng cách giữa các kênh càng nhỏ cũngnhư khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn vì vậy hiệu ứngFWM sẽ hạn chế dung lượng và cự li truyền dẫn của hệ thống WDM

1.2.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến

Các hiệu ứng phi tuyến đều gây ra các ảnh hưởng rất lớn đến các đặc tính vàchất lượng của hệ thống WDM Chúng gây ra xuyên âm giữa các kênh, suy giảm

mức công suất của từng kênh dẫn đến suy giảm hệ số SNR, ảnh hưởng đến chấtlượng hệ thống.

Các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc vào mức công suất từng kênh,

số lượng kênh, khoảng cách giữa các kênh bước sóng, cự ly truyền dẫn và mặt cắtngang của sợi quang Tuyến càng dài thì sự tác động qua lại giữa ánh sáng và vật liệusợi quang càng lớn làm tăng ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Nhưng khi lantruyền trong sợi thì do bị suy hao, nên công suất của tín hiệu sẽ bị giảm đi, nên hầuhết các hiệu ứng phi tuyến chỉ xảy ra trong khoảng đầu của sợi quang và giảm đi khitín hiệu lan truyền

Như vậy, việc nắm rõ các hiệu ứng phi tuyến này là rất cần thiết để có thể hạnchế các ảnh hưởng không có lợi của nó và tối ưu hóa trong việc thiết kế hệ thốngtruyền dẫn quang

Kết luận: Tán sắc hiệu ứng phi tuyến gây ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống thông

tin quang tốc độ cao Tán sắc làm cho các xung lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng gây ra méo tín hiệu và làm xuống cấp đặc tính hệ thống Trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao không sử dụng sợi đa mode nên không bị ảnh hưởng của tán sắc mode Một số tán sắc ảnh hưởng tực tiếp đến hệ thống thông tin quang tốc độ cao như tán sắc sắc thể (tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng), tán sắc bậc cao

Các hiệu ứng phi tuyến đều gây ra các ảnh hưởng rất lớn đến các đặc tính và chất lượng của hệ thống WDM Chúng gây ra xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất của từng kênh dẫn đến suy giảm hệ số SNR, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc vào mức công suất từng kênh, số lượng kênh, khoảng cách giữa các kênh bước sóng, cự ly truyền dẫn và mặt cắt ngang của sợi quang Nhưng khi lan truyền trong sợi thì do bị suy hao, nên công suất của tín hiệu sẽ bị giảm đi, nên hầu hết các hiệu ứng phi tuyến chỉ xảy ra trong khoảng đầu của sợi quang và giảm đi khi tín hiệu lan truyền.

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG KẾT HỢP PHA QUANG ĐỂ BÙ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC VÀ HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Trong chương trước chúng ta đã tìm hiểu về tán sắc và hiệu ứng phi tuyến cũng như nguyên nhân và ảnh hưởng của chúng đến hệ thống thông tin quang tốc độ cao Chương này sẽ trình bày các gải pháp để bù lại ảnh hưởng của tán sắc và hoặc phi tuyến Tìm hiểu về giải pháp kết hợp pha quang bù ảnh hưởng của tán sắc và hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang.

2.1 Các giải pháp bù ảnh hưởng của tán sắc và phi tuyến

Tùy từng hệ thống truyền dẫn mà những ảnh hưởng của tán sác, hiệu ứng phituyến sẽ khác nhau Ví dụ như trong hệ thống quang điều biến cường độ và tách sóngtrực tiếp IM-DD (Intensity Modulation – Direct Detector) thông thường thì hiệu ứngphi tuyến có thể bỏ qua và chỉ dẫn một bước sóng trên một sợi quang Nhưng với hệthống đa kênh, cụ thể là hệ thống WDM thì hiệu ứng phi tuyến cần được xem xét kỹlưỡng, vì lúc này hiệu ứng phi tuyến sẽ tạo ra các bước sóng hài ảnh hưởng đến cáckênh khác trong hệ thống WDM

2.1.1 Bù ảnh hưởng của tán sắc sợi quang trong truyền dẫn

Sợi quang đơn mode có giá trị suy hao nhỏ nhất tại vùng bước sóng 1550 nm,nhưng tại đây tồn tại giá trị tán sắc rất lớn, khoảng từ 16-20 ps/km.nm Hơn nữa trong

hệ thống WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA (chỉ hoạt động tạivùng bước sóng 1550 nm), khi đó vấn đề tán sắc trở thành vấn đề quan tâm hàng đầu.Tán sắc làm tăng tỷ lệ lỗi bit, giới hạn tốc độ và khoảng cách truyền của mạng Để xâydựng hoặc nâng cấp các mạng thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa (vài nghìn km), tốc

độ cao (vài chục Gb/s) thì vấn đề cần giải quyết làm giảm thiểu tối đa ảnh hưởng củatán sắc trong sợi quang

a Bù tán sắc bằng điều chế tự dịch pha SPM (Self Phase Modulation)

SPM sử dụng hiệu ứng Kerr phi tuyến để nén xung Kỹ thuật này đòi hỏi mứccông suất của tín hiệu phải nằm trong vùng phi tuyến của sợi quang Do đó, bù tán sắcbằng SPM xảy ra gần phía phát (trong vùng công suất quang còn đủ lớn để gây nênhiệu ứng phi tuyến)

Hình 2 1: Sự dãn xung do ảnh hưởng của SPM

Trên hình 2.1 có ba đường biểu diễn độ rộng xung theo thời gian truyền trong batrường hợp tán sắc khác nhau: trường hợp sợi có tán sắc âm (đường nét đứt) thì xung

co lại sau đó bị dãn rộng ra rất nhanh, nhanh hơn cả tán sắc dương Với sợi có hệ sốtán sắc D = -1 ps/km.nm, tại khoảng cách tầm 10km thì độ rộng xung đạt cực tiểu (15ps), nhưng khoảng cách 60km thì độ rộng xung đạt 40 ps Vói tán sắc dương (đườngnét liền với loại G652, G653), độ rộng xung đạt cực tiểu tại khoảng cách 60km, nếutiếp tục truyền thì xung sẽ bị dãn rộng ra do các hiệu ứng tán sắc thông thường Nhưvậy, nếu xung tín hiệu truyền ở ngưỡng phi tuyến ở một công suất nào đó có thể loại

bỏ được tán sắc

Phương pháp bù tán sắc bằng điều chế dịch pha SPM làm tăng đáng kể khoảngcách trạm lặp, nên giảm số trạm lặp trên tuyến, cho phép tận dụng số sợi theo chuẩnG652 có sẵn trên tuyến, làm giảm giá thành thiết bị trên tuyến Tuy nhiên, khi sử dụngphương pháp SPM thì có thể sảy ra hiện tượng nén xung không mong muốn do dễ bị

“bù quá”, mặt khác, nó còn yêu cầu độ rộng phổ laser phải tốt

b Bù tán sắc thụ động PDC (Passive Dispersion Compensator)

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là sử dụng bộ bù tán sắc thụ động PDC

để khắc phục giới hạn về cự ly truyền dẫn do tán sắc gây nên Khi đặt PDC trên đườngtruyền, suy hao xen của thiết bị (khoảng vài dB) sẽ làm giảm suy hao của hệ thống Dovậy, PDC được đặt trước bộ khuếch đại công suất quang ở phía phát và đặt sau bộ tiềnkhuêch đại ở phái thu Hệ số khuếch đại của các bộ khuếch đại này sẽ bù lại suy hao

do PDC gây ra mà không làm giảm quỹ công suất của hệ thống Tuy nhiên, việc sửdụng PDC ở phía phát thì bắt buộc phải sử dụng khuêch đại công suất ở phía thu.Nhưng bộ bù PDC là bù tán sắc tuyến tính nên công suất do bộ khuếch đại này đưa ra

phải được kiểm soát ở mức sao cho không sảy ra các hiệu ứng phi tuyến Do đó nên

hạn chế sử dụng PDC ở phía phát

c Bù tán sắc bằng dịch tần trước PCH (Pre-chirp)

Nguyên lý của phương pháp này thực hiện dịch phổ trong khoảng thời gian củaxung quang, hay nói cách khác, PCH là sự sắp đạt lại bước sóng sao cho ánh sáng cóbước sóng dài hơn bước sóng trung bình tập trung ở sườn xuống của xung tín hiệuphát khi tín hiệu truyền trong sợi quang có bước sóng dài hơn sẽ bị dịch chuyển nhiềuhơn Do vậy nếu chọn được khoảng cách truyền hợp lý thì xung sẽ không bị dãn ở đầuthu, tức là tránh được ảnh hưởng của tán sắc

Phương pháp này có nhược điểm là chỉ bù được tán sắc trong một khoảng nhỏ.Hơn nữa, khi sử dụng phương pháp này, đòi hỏi kỹ thuật ở phía phát cao PCH thườngđược kết hợp trong đầu phát để bù một phần dịch tần do nguồn phát gây ra, do đó, nóphải kết hợp với một số phương pháp bù tán sắc như PDC hay DST thì mới bù hoàntoàn tán sắc gây ra trên tuyến

d Bù tán sắc bằng sợi DCF (Dispersion Compensating Fiber)

Khi tín hiệu truyền trên tuyến thì tín hiệu quang đó được coi là truyền trên nhiềuđoạn sợi ghép lại với nhau, mà các đoạn sợi này có đặc tính tán sắc khác nhau Chúng

ta thay thế một số đoạn sợi trên tuyến bằng sợi DCF để bù lại tán sắc trên hệ thốngquang

Dùng sợi DCF có nhược điểm là suy hao sợi DCF lớn, phải sử dụng thêm bộkhuếch đại để bù suy hao do sợi gây ra Các sợi bù tán sắc DCF đơn mode thường gặpmột số vấn đề như: 1km sợi DCF sẽ bù tán sắc cho khoảng 10÷12 km sợi đơn modetiêu chuẩn, hơn nữa, suy hao của sợi tương đối cao ở vùng bước sóng hoạt động 1550

nm do có suy hao uốn cong lớn, ngoài ra, do đường kính mode tương đối nhỏ nêncường độ quang là lớn hơn tại công suất đầu vào đã cho làm tăng ảnh hưởng của cáchiệu ứng phi tuyến

Để khắc phục nhược điểm của sợi DCF đơn mode, người ta đã chế tạo ra sợi haimode sao cho mode bậc cao hơn gần với bước sóng cắt (V 2,5) Loại sợi này có suyhao bằng sợi DCF đơn mode nhưng chúng có thể có tham số tán sắc D đối với modebậc cao hơn có giá trị âm lớn, có thể lên tới D = -770 ps/km.nm, điều này cho phép1km DCF có thể bù tán sắc cho tuyến dài 40 km Ưu điểm của sợi DCF hai mode là nócho phép bù tán sắc băng rộng Sử dụng sợi bù tán sắc đã xây dựng được các tuyếnthông tin tốc độ cao và cự ly xa Để bù tán sắc cho truyền dẫn dài thì các sợi bù tán sắc

DCF được đặt xen vào các khoảng lập trên tuyến Các thiết bị khuếch đại EDFA sẽ bù

suy hao cho cả sợi truyền dẫn và sợi DCF

e Bù tán sắc bằng sự kết hợp pha quang OPC (Optical Phase Conjugation)

Mặc dù việc ứng dụng kết hợp pha quang (OPC) cho bù tán sắc được đề xuất từ

1979 nhưng phải đến nắm 1993 thì kỹ thuật OPC mới được thực nghiệm; kể từ đó nó

đã nhanh chóng thu hút được sự chú ý của mọi người Kỹ thuật này sẽ được trình bày

cụ thể trong phần sau

2.1.2 Bù ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong truyền dẫn quang

Với các hiệu ứng phi tuyến liên quan đến hiệu ứng Kerr trong các hệ thốngWDM có N kênh, nếu các kênh có các công suất phát như nhau thì hiệu ứng XPM cóảnh hưởng lớn gấp N lần hiệu ứng SPM cho nên có thể bỏ qua việc phân tích SPM màtập trung vào phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng XPM

a Giảm ảnh hưởng của hiệu ứng XPM

Hiệu ứng XPM không chỉ gây ra các ảnh hưởng tới tán sắc của hệ thống mà còngây ra sự giãn rộng phổ của kênh quang Với sự ảnh hưởng tới tán sắc thì hiệu ứng nàytạo ra các tán sắc âm, tức là làm co hẹp độ rộng các xung, điều này không gây ảnhhưởng gì lớn đến chất lượng hệ thống Nhưng với ảnh hưởng làm giãn rộng phổ củakênh không những làm méo cường độ của kênh mà còn có thể ảnh hưởng tới các kênhlân cận nếu khoảng cách giữa các kênh không được đảm bảo

Để giải quyết vấn đề ảnh hưởng giãn rộng phổ của hiệu ứng XPM tới các kênhlân cận thì cách tốt nhất là đảm bảo khoảng các kênh an toàn Đảm bảo khoảng cáchkênh an toàn cũng có nghĩa là giảm độ rộng phổ của các nguồn phát quang trong hệthống WDM, tức là sử dụng các nguồn phát quang có độ rộng phổ hẹp hơn Hiện nay

sử dụng các chuẩn theo khuyến nghị của ITU-T với công suất nhỏ hơn 5 mW trên mộtkênh thì ảnh hưởng của của xuyên nhiễu của các kênh lân cận do XPM là không đáng

kể Tuy nhiên, nếu công suất phát càng lớn thì sự mở rộng phổ của tín hiệu do hiệuứng XPM càng lớn vì thế việc phân tích phổ ảnh hưởng của XPM gặp khó khăn Vấn

đề tính khoảng cách kênh cho các hệ thống WDM có nhiều kênh sẽ không thiết thực vìthế phải tính toán mức công suất ảnh hưởng của hiệu ứng XPM để bù cho nó

Bằng việc phân tích phổ lan truyền của tín hiệu biểu diễn dưới dạng phươngtrình Schoedinger phi tuyến và áp dụng phương pháp hàm chuyển đổi chuỗi Volterabiến đổi Bo Xu đã đưa ra kết quả như sau:

Méo cường độ của một kênh bất kỳ do hiệu ứng XPM của kênh thứ k là:

(2.1)