Hieu ung FWM trong he thong WDM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --- --- Trần Quang Hinh ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG FWM TRONG HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

- -

Trần Quang Hinh

ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG FWM TRONG HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

Hà Nội - 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

- -

Trần Quang Hinh

ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG FWM TRONG HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hội

Hà Nội - 2005

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản luận văn này, trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS PHẠM VĂN HỘI người đã tận tình giảng dậy,

hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình làm khoá luận tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia HN đã giảng dậy hướng dẫn em trong suốt những năm vừa qua

Xin cảm ơn các cán bộ của Viện Khoa Học Vật Liệu đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em thực hiện bản khoá luận tốt nghiệp

Tôi cũng xin được cảm ơn gia đình, bạn bè và những người thân đã động viên giúp tôi hoàn thành bản khoá luận này

Hà Nội: tháng 5 năm 2005 Sinh Viên

Trần Quang Hinh

TÓM TẮT NỘI DUNG

Với đề tài “ Ảnh hưởng của các hiệu ứng FWM trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM”, đã nói lên nội dung chính được trình bày trong bản khoá luận này chính là việc tìm hiểu những ảnh hưởng mang tính tiêu cực của hiệu ứng FWM trong

hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM, từ đó đưa ra những giải pháp để có thể hạn chế chúng Để làm được điều đó trước hết phải tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bước sóng, từ đó ta có thể nhận thấy để nâng cao dung lượng và tốc độ truyền dẫn trong hệ thống thì phải tìm cách hạn chế được ảnh hưởng của các hiệ ứng phi tuyến mà tiêu biểu cho các hiệu ứng này là hiệu ứng trộn bốn sóng FWM Đây

là một hiệu ứng phi tuyến gây nhiễu mạnh nhất trong hệ thống WDM, để có thể đưa ra các giải pháp giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của hiệu ứng này, bản khoá luận đã tập chung tìm hiểu cơ sở lý thuyết và đánh giá độ tổn thất công suất do FWM gây ra trên

cơ sở đó đưa ra các giải pháp tương thích với hệ thống WDM trong thực tế

PHỤ LỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DEMUX: Demutiplexer

Giải hợp kênh

DWDM: Dense Wavelength Division Mutiplexer

Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao

EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifer

Khuyếch đại quang sợi pha Erbium

FWM: Four Wave Mixing

Trộn bốn sóng

MUX: Mutiplexer

Hợp kênh

WDM: Wavelength Division Mutiplexer

Ghép kênh theo bước sóng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG 3

1.1.WDM là gì ? 3

1.2.Nguyên lý của hệ thống WDM 4

1.3 Đặc điểm chính của công nghệ WDM 6

1.3.1 Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang 6

1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu 7

1.3.3 Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang 7

1.3.4.Nhiều ứngdụng 7

1.3.5 Tiết kiệm đầu tư cho đường dây 7

1.3.6 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện 7

1.3.7 Kênh truyền dẫn IP 8

1.3.8 Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng 8

1.4 Khuyếch đại quang sợi pha Erbium (EDFA) 8

CHƯƠNG 2: CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WDM 10

2.1.Giới thiệu chung 10

2.2 Độ dài hiệu dụng của tuyến 11

2.3 Tiết diện hiệu dụng của sợi cáp 12

2.4 Hiệu ứng tán xạ kích thích Raman 13

2.5 Hiệu ứng tán xạ kích thích Brillouin 16

2.6 Hiệu ứng SPM 17

2.7 Hiệu ứng XPM 20

2.8.Hiệu ứng trộn 4 sóng FWM 21

2.9.Các giải pháp hạn chế các hiệu ứng phi tuyến 22

CHƯƠNG3 :CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HIỆU ỨNG FWM 24

3.1 Giới thiệu chung 24

3.2 Sợi quang 25

3.2.1 Sợi SMF (theo ITU G.652) 25

3.2.2 Sợi DSF (theo ITU G.653) 26

3.2.3 Sợi NZ-DSF (theo ITU G.655) 27

3.3 Phổ của tín hiệu FWM 29

3.4.Số lượng tín hiệu FWM 34

3.5 Công suất của tín hiệu FWM 39

3.6 Tổn thất công suất (Power penalty) do hiệu ứng FWM 41

3.6.1 Tham số Q và hệ số BER 41

3.6.2 Khái niệm về tổn thất công suất 42

3.7 Tổn thất công suất do FWM trên một chặng WDM 43

3.8 Tổn thất công suât do FWM trên M chặng 44

3.9 Tổn thất công suất do FWM đối với kênh xấu nhất 44

3.10 Kết luận 45

3.11 Thuật toán đánh giá tổn thất công suất do FWM 46

3.12 Các kết quả tính toán tổn thất công suất cho hệ thống WDM bằng đồ thị 47

3.13 Các giải pháp hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng FWM trong hệ thống WDM 54

3.13.1 Giải pháp sử dụng giãn cách kênh không đều 55

3.13.2 Giải pháp tăng khoảng cách giữa các kênh 55

3.13.3.Giải pháp sử dụng các bộ trễ ngẫu nhiên đối với mỗi kênh 56

3.13.4 Giải pháp sử dụng sợi quang dịch chuyển tán sắc 56

3.14 Thực nghiệm về ảnh hưởng của FWM và tính thực tiễn của một số giải

Pháp 57

ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP 62

KẾT LUẬN 63

CHƯƠNG TRÌNH NGUỒN LẬP TRÌNH BẰNG MATLAP……… …65

MỞ ĐẦU

Từ khi hệ thống thông tin quang được chính thức đưa vào khai thác trong mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn này đã thể hiện được khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại Nhất là vào những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ phi thoại mà đặc biệt là Internet cũng như một số dịch vụ băng rộng khác đã tạo ra sự bùng nổ về nhu cầu dung lượng Điều này đã đặt ra trước mắt các nhà cung cấp dịch vụ những thách thức và khó khăn mới Việc sử dụng kỹ thuật TDM để nâng cao dung lượng của hệ thống có khả năng đáp ứng được phần nào song đã gặp phải những hạn chế về mặt tốc độ của các linh kiện điện tử Vì vậy ghép kênh theo bước sóng ra đời là sự tất yếu của một quá trình phát triển trong thông tin quang sợi Công nghệ này đã đáp ứng được nhu cầu về băng thông cũng như đảm bảo được những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn Kỹ thuật này cho phép ghép nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau để truyền đi trên một đường truyền duy nhất do vậy đã tăng được dung lượng truyền dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng Nhưng bên cạnh đó, về mặt kỹ thuật, việc thiết kế một tuyến truyền dẫn với những yêu cầu cự ly truyền dẫn

xa, dung lượng lớn, mật độ ghép cao (DWDM) cũng nảy sinh ra nhiều vấn đề cần phải quan tâm Đặc biệt là xuyên nhiễu giữa các kênh do các hiệu ứng phi tuyến mà đại diện cho nó là hiệu ứng trộn bốn sóng FWM gây ra trên đường truyền Nghiên cứu bản chất tính toán mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng FWM và tìm ra các giải pháp để hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng này đang là vấn đề cấp bách mang tính thời

sự trong lĩnh vực phát triển hệ thống thông tin quang DWDM dung lượng lớn, cự ly siêu dài Nó đang thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu khoa học các nhà cung cấp dịch vụ… trên thế giới trong đó có cả Việt Nam

bước sóng WDM là một lĩnh vực khá mới mẻ với đất nước ta Trên cơ sở tìm hiểu lý thuyết phân tích, đánh giá độ tổn thất công suất do hiệu ứng gây ra kết hợp với những thực nghiệm tại viện khoa học vật liệu, bản khoá luận này đã nêu lên được những lý thuyết cơ bản của hiệu ứng FWM và những giải pháp để hạn chế tối đa ảnh hưởng của chúng Trong đó có nhiều giải pháp đã và đang được ứng dụng trong thực tế đã minh chứng cho tính đúng đắn của nó

Do thời gian nghiên cứu có hạn nên phần trình bày chắc hẳn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của quý thầy cô, bạn

bè để luận văn được bổ xung, hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP

KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

1.1.WDM LÀ GÌ ?

WDM là một công nghệ mà trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều

bước sóng tín hiệu quang mà không ảnh hưởng lẫn nhau Nguyên lý cơ bản là các tín

hiệu quang có bước sóng khác nhau ở đầu vào được tổ hợp lại (ghép kênh) và phối

ghép trên cùng một sợi quang để truyền dẫn Ở đầu thu tín hiệu quang có bước sóng

được tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh) để khôi phục lại các tín hiệu gốc rồi đưa

vào các thiết bị đầu cuối khác nhau Công nghệ này được gọi là ghép kênh theo bước

sóng quang ( WDM)

Nhìn bên ngoài, một hệ thống truyền dẫn WDM và một hệ thống truyền dẫn

SDH có rất nhiều điểm tương tự Cả hai hệ thống đều có:

1 Các thiết bị tách ghép đầu cuối ( MUX, DEMUX )

2 Các thiết bị khuyếch đại đường truyền hoặc lặp (Line Amplifier, Regenenerator)

3 Các thiết bị xen/rẽ kênh (ADM)

4 Các thiết bị đấu chéo (Cross-connect Equipment)

sóng quang cho một hướng phát, còn hệ thống WDM thì dùng nhiều bước sóng (từ

hai bước sóng trở lên ); đối tượng làm việc của hệ thống SDH là luồng tín hiệu số

SDH/PDH, còn của hệ thống WDM là các bước sóng và các bước sóng này không

nhất thiết chuyển tải tín hiệu số Mỗi bước sóng có chức năng như một sợi quang cung

cấp cho môi trường truyền tín hiệu ở trong các hệ thống khác vì vậy gọi là “sợi quang

ảo”

Để giảm tối thiểu sự suy hao của tín hiệu trong truyền dẫn quang người ta phải

ghép các bước sóng quang trong cùng một cửa sổ Khi số lượng bước sóng quang ghép

trong cùng một cửa sổ này nhiều hơn 8, khi đó khoảng cách các kênh tương đối nhỏ

và được gọi là ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM

Hiện nay hệ thống này chủ yếu dùng trong cửa sổ quang học thứ 3 ở bước sóng

1550 nm đồng thời dùng 8,16 hoặc nhiều bước sóng hơn tạo thành một hệ thống thông tin quang trên một sợi quang Trong đó khoảng cách giữa các bước sóng là 1,6 nm; 0,8 nm hoặc thấp hơn tuỳ thuộc vào số bước sóng đã ghép

Sự ra đời của WDM đã đáp ứng được nhu cầu tăng vọt về băng thông do sự phát triển chưa từng có của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của các ứng dụng và các dịch vụ mới trên nền tảng của Internet Nếu như các công nghệ truyền dẫn tốc độ cao như truyền dẫn SDH đã thu được những kết quả nhất định nhưng không mang tính đột phá vì công nghệ xử lí tín hiệu điện tốc độ cao đã dần đến giới hạn Khi tốc độ lên đến hàng chục Gbit/s thì mạch điện tử không thể đảm bảo được đối với các xung tín hiệu cực kì hẹp Thêm vào đó chi phí cho giải pháp trở lên tốn kém vì cơ cấu phức tạp, đòi hỏi công nghệ cao Trong khi đó với băng thông cực lớn của sợi quang mới được sử dụng một phần nhỏ Có thể nói WDM đã mở ra một thời kì mới cho việc truyền dẫn thông tin siêu cao tốc trong mạng thông tin hiện đại

DEMUX MUX

Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang ghép kênh theo bước sóng

Nguyên lý cơ bản của hệ thống ghép kênh theo bước sóng là: các tín hiệu quang

có bước sóng khác nhau được ghép vào trên cùng một sợi quang nhờ các bộ ghép kênh

ở phía phát Sau đó tín hiệu được truyền đi trên sợi quang, đến nơi thu nhờ có các bộ

giải ghép bước sóng (bộ phân kênh) mà ở đầu thu có thể nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ tương ứng với các bước sóng ở nơi phát

WDM Phương án thứ nhất là giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ , 1 λ ,….,2 λ Tín hiệu sau khi ghép được truyền dọc theo sợi để đến nơi nthu rồi được đi qua bộ giải ghép bước sóng (bộ phân kênh) Khi đó ở đầu thu sẽ nhận lại được các luồng tín hiệu với bước sóng riêng rẽ giống như ở nơi phát

1

λ …λN

Thiết bị WDM

Thiết bị WDM

Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng

Đối với phương án thứ hai thì sử dụng truyền dẫn WDM theo hai hướng như hình 1.3, trong trường hợp này thì hai đầu sợi quang không quy định đầu nào là phát

và đầu nào là thu Nghĩa là có thể phát thông tin theo một hướng tại bước sóng λ và 1đồng thời cũng có thể phát thông tin theo hướng ngược lại tại bước sóng λ Trong 2trường hợp này người ta không dùng bộ giải ghép (DEMUX) như cho phương án truyền dẫn theo một hướng mà phải dùng bộ ghép và giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX)

Nguồn λ1

Thuλ2

Thiết bị WDM

Thiết bị WDM

Thu λ1

Nguồn λ2

Kênh raKênh vào

Hình 1.3: Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng

Vấn đề đáng lưu tâm ở đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép ít bị suy hao Đối với bộ giải ghép kênh, vì các bộ tách sóng quang thường nhạy cảm trên cả vùng rộng các bước sóng cho nên nó

có thể thu được toàn bộ các bước sóng được phát đi Như vậy để ngăn chặn các tín hiệu quang không mong muốn một cách có hiệu quả thì phải có biện pháp cách li tốt các kênh quang Để thực hiện điều này cần thiết kế các bộ ghép/giải ghép thật chính xác sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có bước sóng cắt chính xác

1.3 ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA CÔNG NGHỆ WDM

1.3.1 Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang

Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng rộng to lớn của sợi quang (đoạn sóng tổn hao thấp), làm cho dung lượng truyền dẫn của một sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần đến vài chục lần, từ đó tăng dung lượng truyền dẫn của sợi quang, hạ giá thành, có giá trị ứng dụng và giá trị kinh tế rất lớn Hiện nay hệ thống thông tin quang sợi chỉ truyền dẫn trong một kênh tín hiệu bước sóng, mà bản thân sợi quang trong khu vực bước sóng có khu vực tổn hao thấp rất rộng, có rất nhiều bước sóng có thể sử dụng như hiện nay, người ta mới chỉ sử dụng một bộ phận rất nhỏ trong tần phổ tổn hao thấp của sợi quang Mặc dù sử dụng toàn bộ dải tần khu vực khuyếch đại của bộ khuyếch đaị sợi quang trộn Erbium (EDFA) (1530-1565 nm), cũng chỉ chiếm độ 1/6 dải tần của nó Cho nên công nghệ WDM tận dụng độ rộng băng tần rất lớn của sợi quang đơn mode, do ở đó mức độ rất lớn đã giải quyết vấn đề giải tần truyền dẫn

1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu

Vì trong hệ thống WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau, do đó có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và chia các tín hiệu dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu

PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (như âm tần, thị tần, số liệu, văn bản, đồ hoạ…)

1.3.3 Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang

Do nhiều phương tiện đa thông tin đều dùng phương thức hoàn toàn song công (như điện thoại ), vì vậy công nghệ WDM có thể tiết kiệm được lượng đầu tư lớn cho đường dây

1.3.4.Nhiều ứng dụng

Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng, như mạng đường trục dài, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ (LAN) nhiều đường địa chỉ…, do đó rất quan trọng với ứng dụng mạng

1.3.5 Tiết kiệm đầu tư cho đường dây

Dùng công nghệ WDM có thể ghép N kênh bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode, khi truyền dẫn đường dài dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang Ngoài ra, thuận tiện cho việc mở rộng dung lượng hệ thống thông tin sợi quang đã xây dựng, chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công xuất tương đối lớn, thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần phải thay đổi nhiều với hệ thống cũ

1.3.6 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện

Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng, tốc độ tương ứng của những linh kiện quang điện tất nhiên là không đủ để có thể đáp ứng được Sử dụng công nghệ WDM

có thể giảm yêu cầu rất cao đối với tính năng của một số linh kiện, đồng thời lại có thể truyền dẫn dung lượng lớn

1.3.7 Kênh truyền dẫn IP

Ghép kênh bước sóng đối với khuôn dạng (fomat) số liệu là trong suốt, tức là không có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phương thức điều chế về điện Ghép kênh theo bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lí tưởng, là cách

thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ IP…) Thông qua việc tăng thêm một bước sóng phụ có thể đưa vào một dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn, thí dụ như việc thực hiện công nghệ IP trên WDM

1.3.8 Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng

Sử dụng công nghệ WDM trong việc chọn đường, chuyển mạch và khôi phục mạng, từ đó có một mạng trong suốt, linh hoạt, kinh tế và có sức sống cho tương lai

1.4 Khuyếch đại quang sợi pha Erbium (EDFA)

Khuyếch đại quang trong sợi pha đất hiếm (Rare-earth-doped Fiber Amplier) là một thành tựu lớn trong công nghệ thông tin quang trong những năm cuối thế kỷ XX

Có thể nói rằng chưa có một công nghệ nào được ứng dụng nhanh vào thực tiễn như khuyếch đại quang pha tạp Er (Ebium Doped Fiber Amplipe-EDFA) Vào năm 1987 người ta thành công với việc chế tạo sợi quang pha tạp Erbium và các kết quả đầu tiên

về khuyếch đại quang tại bước sóng 1550 nm khi bơm bằng lazer Argon thì năm 1992

đã được đưa vào trong hệ thống thông tin quang đường dài Đến nay các bộ khuyếch đại quang EDFA đã được sử dụng hết sức rộng rãi trong mạng truyền thông cáp quang

và đặc biệt trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM Trong những năm gần đây, công nghệ WDM đã có những bước đột phá lớn, hệ thống thương phẩm có trình

độ cao không ngừng xuất hiện Hệ thống ghép kênh theo bước sóng có thể đạt tới tốc

độ 40x10 Gbit/s Sở dĩ công nghệ WDM có thể phát triển nhanh chóng bởi vì việc nghiên cứu chế tạo bộ khuyếch đại quang trộn Erbium đã thành công và được đưa vào ứng dụng trong thực tế Khuyếch đại quang sợi EDFA có băng tần khá rộng, có thể khuyếch đại đồng thời hàng trăm bước sóng trong dải 1525-1600 nm Cho đến nay hầu hết tất cả các hệ thống WDM, dù là hệ thống thử nghiệm hay thương phẩm đều sử dụng bộ khuyếch đại quang sợi EDFA

3 +

Khi truyền dẫn tín hiệu ghép kênh theo bước sóng trong sợi quang, không thể tránh khỏi suy hao và tán sắc Sự suy hao làm giảm năng lượng còn tán sắc làm giãn xung, cho nên trên đường truyền cần bố trí các bộ chuyển tiếp để truyền dẫn tín hiệu sau khi đã khuyếch đại và tái sinh Phương pháp thông thường để giải quyết vấn đề này là dùng bộ chuyển tiếp quang - điện – quang, nguyên lý hoạt động là trước hết khuyếch đại tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện, rồi bằng công nghệ khuyếch

đại, cân bằng, đánh giá, tái sinh đối với tín hiệu điện để có được một tín hiệu điện với các tính năng tốt, và sau đó lại chuyển đổi tín hiệu điện đó thành tín hiệu quang, tiếp theo tín hiệu mới tiếp tục được truyền đi trên sợi Nhưng với sự ra đời của bộ khuyếch đại quang sợi EDFA đã góp phần thay đổi hoàn toàn cách làm truyền thống trước đây Tính ưu việt của nó được thể hiện chủ yếu ở các mặt sau:

- Thay thế bộ chuyển tiếp tái sinh trong hệ thống truyền dẫn hiện có Hiện nay

cự ly truyền dẫn của bộ chuyển tiếp tái sinh điện bị hạn chế chỉ trong vài chục km bởi tiêu hao của sợi quang Sau khi dùng bộ khuyếch đại quang sợi có thể loại bỏ các bộ chuyển tiếp điện

- Trong hệ thống truyền dẫn cáp biển, do giá thành xây dựng cao, cho nên nâng cao cự ly truyền dẫn và giảm bộ chuyển tiếp luôn là vấn đề khó mà cáp quang biển cần giải quyết Sau khi dùng bộ khuyếch đại quang, có thể kéo dài cự ly truyền dẫn, giảm thiểu chi phí xây dựng

- Do hệ thống ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang, cần nhiều chuyển tiếp tái sinh điện cho từng bước sóng, làm cho thiết bị chuyển tiếp phức tạp cự ly hạn chế

và giá thành cao Nhưng dùng bộ khuyếch đại quang sợi có thể khuyếch đại được đồng thời tất cả các tín hiệu mà không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu phân cực, không phát sinh xuyên nhiễu trong hệ thống

- Trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM, bộ ghép/tách kênh có tổn hao không thể khắc phục được, tổn hao này sẽ tăng lên nhanh chóng theo số kênh tín hiệu được ghép Do đó tại đầu thu và phát của hệ thống WDM đều phải bố trí các bộ khuyếch đại quang sợi để khuyếch đại công suất để bù vào suy hao trên sợi quang Nhưng dùng bộ khuyếch đại sợi quang EDFA có thể khuyếch đại trên đường dây để

bù lại suy hao do sợi quang gây ra, làm cho việc thực hiện WDM khả thi hơn

CHƯƠNG 2 CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WDM

2.1 Giới thiệu chung

Các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến hạn chế về cự li truyền và tốc độ của hệ thống Việc tìm kiếm giải pháp để hạn chế ảnh hưởng của các yếu tố này là một trong những mục tiêu quan trọng của các nhà nghiên cứu thiết kế hệ thống

và chế tạo các linh kiện

trường truyền dẫn có thể xem như môi trường tuyến tính, có nghĩa là hệ số suy hao và chỉ số chiết xuất không phụ thuộc vào công suất tín hiệu Nhưng nếu công suất tín hiệu lan truyền trong sợi đạt đến một ngưỡng nào đó sẽ xuất hiện các hiệu ứng phi tuyến, nghĩa là cả suy hao và chiết suất sẽ phụ thuộc vào công suất tín hiệu Đây là nguyên nhân dẫn đến hạn chế về tốc độ, dung lượng và cự ly của hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM Các hiệu ứng phi tuyến có thể phân làm hai loại: Loại thứ nhất xuất hiện khi sóng ánh sáng bị tán xạ trong môi trường truyền dẫn do quá trình tương tác của sóng ánh sáng với các photon (dao động phân tử) của silica Đặc trưng cho loại tán xạ này là hiệu ứng tán xạ Brillouin và tán xạ Raman Loại tán xạ này đôi khi còn được gọi là tán xạ không đàn hồi Loại thứ hai được đặc trưng bởi sự phụ thuộc chiết suất vào công suất của tín hiệu quang Loại này bao gồm hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM), hiệu ứng tự điều chế pha (SPM), hiệu ứng điều chế chéo pha (XPM) Hai hiệu ứng cuối còn được gọi là hiệu ứng điều chế pha sóng mang (CPM)

Ngoại trừ SPM và XPM, các hiệu ứng còn lại gây ra khuyếch đại tín hiệu một

số kênh đồng thời giảm tín hiệu của một số kênh khác Các hiệu ứng SPM, XPM có tác động thay đổi pha của tín hiệu và là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng dãn phổ và điều đó dẫn đến tăng độ thiệt thòi công suất (penalty) do tán sắc Trong chương này ta

sẽ lần lượt xem xét các hiệu ứng phi tuyến trong quang sợi khi ghép kênh đa bước sóng Vì các hiệu ứng phụ thuộc vào cự li truyền dẫn và tiết diện sợi quang Để đơn giản cho tính toán người ta đưa ra hai khái niệm đặc trưng cho hai đại lượng trên là độ dài hiệu dụng và tiết diện hiệu dụng

2.2 Độ dài hiệu dụng của tuyến

Tương tác phi tuyến phụ thuộc độ dài truyền dẫn và diện tích mặt cắt ngang của sợi Độ dài truyền dẫn càng dài, tương tác càng nhiều và ảnh hưởng của hiệu ứng

phi tuyến càng tăng Mặt khác khi tín hiệu truyền đi, công suất của nó giảm dần do suy hao của sợi, các hiệu ứng phi tuyến cũng giảm dần Để biểu diễn hiệu ứng này, người

ta đưa ra khái niệm độ dài hiệu dụng Leff Giả sử công suất phát ghép vào sợi là P(z) =

Peff z là công suất tại điểm z,

.

α

−

α là hệ số suy hao Nếu gọi L là độ dài truyền dẫn thực

tế, độ dài hiệu dụng được định nghĩa như sau:

0

)(Giảỉ phương trình với cự li L ta thu được:

L = eff α

αL

e−

−1

(2.2) Trong đó hệ số suy hao α được tính bằng công thức:

những đường truyền L >> 1/α, chúng ta có L eff ≈ 20km

Trong hệ thống sử dụng khuyếch đại quang, tín hiệu được khuyếch đại tại mỗi tầng và không loại bỏ được các hiệu ứng ở các khoảng lặp trước Do đó độ dài hiệu dụng của cả hệ thống là tổng các độ dài hiệu dụng Với khoảng truyền dẫn L và khoảng cách giữa các trạm lặp l, độ dài hiệu dụng xấp xỉ dược tính như sau:

L = eff α

αL

e−

−1

l

L

(2.4)

2.3 Tiết diện hiệu dụng của sợi cáp

Hiệu ứng phi tuyến tăng tỷ lệ mật độ năng lượng trong sợi quang Với một công suất cho trước nó tỷ lệ nghịch với diện tích của lõi sợi Do công suất phân bổ không

đều trong mặt cắt của lõi sợi, để thuận tiện người ta sử dụng diện tích mặt cắt hiệu dụng A liên quan đến diện tích mặt cắt thực tế và phân bố cường độ điện trường trong mặt cắt I(r,

I

rdrd r

I

θ

θ

θ θ

θ θ

) , (

] )

, ( [

và truyền năng lượng sang bước sóng Stoke Ở đây ta coi sóng bơm là sóng tín hiệu còn bước sóng Stoke là những sóng không mong muốn xuất hiện trong quá trình tán

xạ

Hiệu ứng tán xạ phi tuyến phụ thuộc vào tích P.L , nên giá trị này tăng lên khi công suất đầu vào và độ dài truyền dẫn tăng Đường truyền càng dài thì phần năng lượng chuyển sang bước sóng Stoke càng lớn Đối với một đường truyền cho trước, giới hạn mức công suất tương đối mà tại đó hiệu ứng phi tuyến trở lên đáng kể thì gọi

là mức công suất ngưỡng Với một độ dài cho trước công suất ngưỡng tán xạ phi tuyến được định nghĩa theo công suất quang tới trên mỗi kênh ghép vào đầu sợi và công suất quang trên bước sóng bơm và bước sóng Stoke bằng nhau

eff

Các hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc rất nhiều vào tiết diện hiệu dụng của sợi quang (A ) Tiết diện hiệu dụng càng lớn (diện tích bề mặt lõi càng lớn) mật độ ánh sáng trong sợi quang giảm, do đó giảm ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến, cho phép tăng công suất tín hiệu lan truyền trong sợi quang Điều đó cũng có nghĩa là tăng

eff

khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại quang, giảm số lượng bộ khuyếch đại trên đường truyền

2.4 Hiệu ứng tán xạ kích thích Raman

Hiệu ứng Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó phô tôn của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tới (ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stoke) Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang với cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (được gọi là SRS)

mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng (gọi là bơm Raman) làm cho phần năng lượng của tín hiệu chuyển tới bước sóng Stoke Hình 2.1 mô tả quá trình ghép nhiều hơn hai bước sóng ánh sáng, tán xạ Raman làm chuyển một phần năng lượng của bước sóng ngắn hơn sang bước sóng dài hơn

Sợi quang

Hình 2.1: Năng lượng SRS chuyển từ bước sóng ngắn sang bước sóng dài hơn

Hiệu ứng SRS xuất hiện cả hai chiều và phụ thuộc vào tán sắc Để tính toán hiệu ứng SRS trong hệ thống ghép nhiều kênh quang ta có công thức:

λ

nếu 0≤∆λ≤∆λc (2.6)

Trong đó g là hệ số khuyếch đại Raman, g ∆λ là khoảng cách bước sóng Ở

cách đều ∆λs và các kênh đều nằm trong băng khuyếch đại Raman Băng thông của hệ thống là

khoảng cách kênh nhỏ hơn 30 nm vì đây chính là dải khuyếch đại của bộ khuyếch đại EDFA Giả thiết công suất của các kênh bằng nhau và không có sự tham gia của hiệu ứng giao thoa giữa các kênh Mặt khác cũng giả thiết rằng các kênh có sự phân cực ngẫu nhiên như trong thực tế thường xảy ra Kênh có ảnh hưởng SRS xấu nhất chính là kênh có bước sóng thấp nhất (kênh số 0) Phần công suất được chuyển từ kênh thứ nhất (kênh số 0) đến kênh thứ i là:

P (i) = g0 r

eff c

eff s

A

PL i

eff s

A

PL i

Để duy trì tổn thất nhỏ hơn 0,5dB, ta phải có P0 ≤ 0,1 thay vào công thức (2.8) ta được: N(N-1)P∆λs 40.000mW (2.10) ≤

Thay độ rộng phổ của hệ thống B = (n-1)∆λ, tổng công suất của tín hiệu là Pt =

NP

vào công thức (2.10) ta được: PtB.L eff ≤ 40.000mW.nm.km

Tuy nhiên trong tính toán nay người ta đã giả thiết không xảy ra tán sắc trong hệ thống Nếu tính đến ảnh hưởng của tán sắc, giá trị trên có thể lấy gần đúng là 80.000mW.nm.km

Nếu khoảng cách kênh cố định, từ công thức (2.8) và (2.9) ta nhận thấy độ tổn thất công suất giảm theo tỉ lệ nghịch bình phương với số lượng kênh (1/N ) Qua đó

có thể nhận thấy rằng SRS không ảnh hưởng tới hệ thống ghép ít bước sóng do ngưỡng công suất SRS tương đối bé Nhưng trong hệ thống N lớn vấn đề này trở lên quan trọng

2

CÁC GIẢI PHÁP GIẢM HIỆU ỨNG SRS:

Để giảm thiểu hiệu ứng SRS, người ta sử dụng một số giải pháp sau đây:

- Giảm khoảng cách kênh càng bé càng tốt Tuy nhiên điều này sẽ làm tăng hiệu ứng trộn 4 sóng

- Đặt mức công suất thấp hơn ngưỡng SRS Tuy nhiên điều này sẽ làm

giảm cự li giữa các bộ khuyếch đại quang

Do vậy phải tuỳ theo yêu cầu thiết kế cụ thể giữa các tuyến mà người ta tìm một giải pháp dung hoà thích hợp

Điều khác biệt giữa SRS và SBS là công suất bơm bão hoà của hiệu ứng Brillouin rất

bé, khoảng vài mW, còn công suất bơm của SRS có thể lên tới 1W Điều này là một lợi thế cho khuyếch đại Raman cho các cự li tuyến dài

2.5 Hiệu ứng tán xạ kích thích Brillouin

Hiệu ứng SBS tương tự như hiệu ứng SRS, tức là có sự tạo thành của bước sóng

Stoke với bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng tới Điểm khác nhau chính của hai hiệu ứng này là: hiệu ứng SBS liên quan đến các photon âm học, còn hiệu ứng SRS liên quan đến các photon quang Chính sự khác biệt này mà hai hiệu ứng có ảnh hưởng khác nhau đến hệ thống WDM Trong hiệu ứng SBS, một phần ánh sáng bị tán xạ do các photon âm học và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ này dịch tới bước sóng dài hơn (tương đương với độ dịch tần khoảng 11 Ghz tại bước sóng 1550 nm) Tuy nhiên, chỉ

có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược lại (tức là ngược với chiều truyền tín hiệu ) mới có thể được truyền đi trong sợi quang Vì vậy trong hệ thống WDM khi tất cả các kênh đều truyền trên cùng một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh

Hiệu ứng SBS được đặc trưng bởi hệ số khuyếch đại kí hiệu là gb Giá trị này phụ thuộc vào bước sóng và có giá trị khoảng 4,4 m/W tại cửa sổ 1550 nm đối với Silica Trong trường hợp công suất Stoke quá bé so với công suất bơm, và giả thiết công suất bơm không thay đổi ta công thức:

P (L) = P (0)eP P −α.L (2.12)

Lưu ý rằng công suất ra của sóng bơm được tính tại z = L, còn công suất ra của sóng Stoke được tính tại z = 0 vì sự lan truyền ngược hướng của hai loại sóng này Mức ngưỡng của công suất Stoke có thể tính gần đúng theo công thức sau:

P th ≈

eff B

eff L g

bA

.21

(2.13)

Giá trị b nằm giữa 1 và 2 phụ thuộc vào sự phân cực tương đối giữa sóng bơm

và sóng Stoke Giả sử trường hợp xấu nhất b = 1 ta có được P = 1,3 mW Giá trị này được tham khảo để thiết kế hệ thống thông tin quang nhằm làm giảm hiệu ứng SBS Tuy nhiên phương trình trên sẽ cho kết quả chính xác hơn nếu tín hiệu bơm có độ rộng phổ nằm trong khoảng hẹp hơn độ rộng băng của SBS là 20MHz

th

CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM SBS

Có thể làm giảm hiệu ứng SBS bằng một số cách sau đây:

- Đặt mức công suất trên mỗi kênh không vượt quá ngưỡng SBS Tuy nhiên đây là một phương án dung hoà vì trong trường hợp hệ thống hoạt động trên tuyến dài người ta cần giảm cự ly của khoảng khuyếch đại và do vậy mức công suất trên kênh tăng lên

- Vì độ rộng băng của tín hiệu SBS rất hẹp, do vậy hiệu ứng này có thể giảm được đáng kể bằng cách tăng độ rộng phổ của nguồn phát (tức là tăng ngưỡng SBS) Điều này có thể thực hiện bằng cách điều chế trực tiếp Lazer để giảm phổ của đường truyền Tuy nhiên điều này cũng gây lên tổn thất do tán sắc Vì vậy người ta sử dụng một phương pháp nữa là mở rộng phổ của Lazer, chẳng hạn đến 200 MHz để tăng ngưỡng của hiệu ứng SBS

- Sử dụng mạch điều chế pha có hiệu quả hơn điều chế biên độ Điều này dẫn đến giảm thiểu công suất của sóng mang và đương nhiên sẽ giảm hiệu ứng SBS Trong trường hợp này độ rộng của nguồn có thể lấy tỷ lệ với tốc độ bít Tuy nhiên giải pháp này ít được chọn trên thực tế

2.6 Hiệu ứng SPM

SPM là hiện tượng khi cường độ đưa vào trong sợi quang thay đổi, hiệu suất

khúc xạ của sợi quang cũng thay đổi theo, gây ra sự biến đổi pha của sóng quang (đạo hàm của pha tức là tần số), sau khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến tần phổ bị dãn rộng, và tích luỹ theo sự tăng lên của chiều dài Sự biến đổi của công suất quang càng nhanh, thì biến đổi tần số quang cũng càng lớn Nó gây ảnh hưởng lớn đến những xung hẹp, tốc độ cao trong hệ thống

Trong hiệu ứng SPM chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường

độ của ánh sáng truyền trong sợi theo công thức:

Với : n là chiết suất tuyến tính 0

n là hệ số chiết suất phi tuyến (n = 1,22.10 (V/m) đối với sợi Si)

22

P: Công suất tín hiệu

E là cường độ điện trường

Hiện tượng này tạo lên sự dịch pha phi tuyến ΦNL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang Giả sử bỏ qua suy hao quang thì sau khoảng cách L, pha của trường quang sẽ là:

đổi theo thời gian Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung đến dịch đến tần số V < V và sườn trước của xung dịch đến tần số

V > V Điều này cũng có nghĩa là phổ của tín hiệu bị dãn trong quá trình truyền

ΦNL

0 0

Trong hệ thống WDM, đặc biệt khi khoảng cách các kênh gần nhau, hiện tượng dãn phổ SPM có thể dẫn đến giao thao gây nhiễu giữa các kênh

Độ dịch pha phi tuyến ΦNL do hiệu ứng SPM gây ra còn được tính theo công thức sau:

ΦNL = ξ P L (2.17) in eff

Trong đó:

ξ : hệ số phi tuyến của sợi quang

P : công suất quang ghép vào sợi in

L : độ dài hiệu dụng của sợi quang eff

Qua công thức trên ta nhận thấy, độ dịch pha phi tuyến tỷ lệ với công suất tổng của ánh sáng ghép vào sợi, với độ dài hiệu dụng của sợi và hệ số phi tuyến của sợi Khi L và eff ξ không đổi, việc tăng công suất phát sẽ làm tăng độ dịch pha ΦNL

Cơ chế SPM xảy ra khi một xung ánh sáng truyền qua sợi như sau: độ dịch

cũng thay đổi theo thời gian Những thay đổi về pha tiếp theo gây ra do P (t), tương ứng khi truyền dọc theo sợi quang Do vậy

NL

in

ΦNL trở thành hàm phụ thuộc vào thời gian

ΦNL (t) Do đó tần số là sự dịch pha theo thời gian, chúng ta có dΦNL (t)/dt ≠0 Sự thay đổi tần số như thế gọi là chiping, và hiện tượng này gọi là hiện tượng tự điều chế pha (SPM)

Hiệu ứng phi tuyến này của sợi gây nên sự dịch pha cảm ứng tỷ lệ với cường độ của xung Do những thành phần khác nhau của xung chịu những dịch pha khác nhau, và làm tăng hiện tượng chirp của xung sẽ làm giãn rộng xung, tỉ lệ với công suất của tín hiệu phát đi Do đó SPM xảy ra mạnh hơn trong hệ thống sử dụng công suất phát cao Chirp cảm ứng gây ra hiệu ứng tán sắc mở rộng xung, do vậy điều này rất quan trọng trong hệ thống tốc độ cao mà đã có những giới hạn đáng kể về tán sắc Đối với những hệ thống hoạt động ở bước sóng 10Gb/s hay lớn hơn, hoặc những

hệ thống có tốc độ bit thấp hơn mà công suất phát cao thì SPM làm tăng đáng kể độ dự

trữ cho hệ thống do tán sắc gây ra Hiện tượng này chủ yếu ảnh hưởng đến hệ thống đơn kênh, trong hệ thống đa kênh nó chỉ ảnh hưởng đến bản thân kênh đó

2.7 Hiệu ứng XPM

Đối với hệ thống WDM, hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không

những phụ thuộc vào cường độ của bước sóng đó mà còn phụ thuộc vào cường độ của các bước sóng khác lan truyền trong sợi Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng điều chế chéo pha (XPM)

Giả sử có hai kênh với cường độ trường quang lần lượt là E1, E thì chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ của ánh sáng truyền trong sợi là:

2

n = n + n ( E0 2 12 + 2E1E ) (2.18)

2 Trong đó: n là chiết suất tuyến tính 0

n là chiết suất phân cực phi tuyến 2

Trong biểu thức trên, số hạng thứ nhất chính là kết quả của tự điều chế pha như

đã xét trong phần SPM Số hạng thứ hai chính là thành phần điều chế chéo pha Ta có thể nhận thấy rằng: nếu E = E , nghĩa là khi hai tín hiệu có cùng biên độ, hiệu ứng XPM có ảnh hưởng gấp hai lần hiệu ứng tự điều chế pha SPM

Hiệu ứng điều chế chéo pha (XPM) này chỉ xảy ra trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng Khi các xung được truyền đồng thời trong sợi quang, hiện tượng dịch

thuộc vào cường độ của các kênh lân cận Trong trường hợp hệ thống có ba kênh, độ

giữa các bước sóng Nói chung các hiệu ứng phi tuyến trong quang sợi là chủ yếu và tuỳ thuộc vào độ dài quang sợi và tốc độ truyền dữ liệu

Tuy nhiên, cả hiệu ứng SRS và SBS có thể ứng dụng các mặt tích cực của nó trong thiết kế hệ thống thông tin quang do đặc tính khuyếch đại của chúng thông qua

cơ chế chuyển giao năng lượng cho bước sóng mang tín hiệu Đặc biệt SRS rất hiệu quả với các bộ khuyếch đại Raman do có độ rộng băng cực lớn (10 THz hay 125 nm) SBS cũng có thể dùng làm bộ khuyếch đại công suất bé

Trên thực tế, hiệu ứng điều chế pha sóng mang CPM (bao gồm cả SPM và XPM) trong hệ thống WDM hoạt động trên sợi đơn mode tiêu chuẩn có thể giảm đáng

kể bằng cách tăng khoảng cách giữa các kênh Do tán sắc trên các kênh này khác nhau

và các xung truyền trên các kênh này đi cách xa nhau Nhìn chung tất cả các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang chủ yếu phụ thuộc vào chiều dài tương tác Có nhiều cơ chế làm giảm chiều dài tương tác nhằm giảm các hiệu ứng phi tuyến Tuy nhiên chú ý rằng trong sợi dịch tán sắc, các xung trong các kênh khác nhau chúng không truyền cách xa nhau do chúng truyền với tốc độ nhóm xấp xỉ nhau Do đó CPM có thể là vấn đề đáng

kể trong hệ thống DWDM tốc độ cao hoạt động trên sợi dịch tán sắc

2.8.Hiệu ứng trộn 4 sóng FWM

Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn mode

đó là hiệu ứng FWM Trong hiệu ứng này, khi ghép hai bước sóng quang trở lên với các tần số khác nhau chúng sẽ tương tác với nhau và tạo ra các thành phần tần số mới Tương tác này có thể xuất hiện giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống WDM, hoặc giữa bước sóng tín hiệu với tạp âm ASE của bộ khuyếch đại quang, cũng như giữa các mode chính và mode bên của một kênh tín hiệu Giả sử có ba bước sóng với các tần số ,f ,f thì tổ hợp tần số mới tạo ra sẽ là những tần số ff i j k ijk thoả mãn:

fijk = +f -f f i j k ; i # j # k

Tần số này được gọi là tần số trộn 4 sóng Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tín hiệu đầu vào nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM Hơn nữa nếu khoảng cách kênh bằng nhau thì những tần số mới tạo ra có thể rơi vào một trong các kênh tín hiệu, gây nhiễu xuyên âm giữa các kênh, làm giảm chất lượng của hệ thống

Do các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở cửa sổ bước sóng 1550 nm và so tán sắc của sợi quang đơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này khoảng 17 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G.653) là 0 nên hệ thống WDM làm việc trên sợi đơn mode thông thường sẽ ít bị ảnh hưởng hơn bởi hiệu ứng FWM so với hệ thống WDM làm việc trên sợi tán sắc dịch chuyển

≈

Ảnh hưởng của FWM càng lớn nếu khoảng cách giữa các kênh càng nhỏ cũng như khi khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn Vì vậy, hiệu ứng FWM sẽ làm hạn chế dung lượng và khoảng cách truyền dẫn của hệ thống WDM Do đây là một hiệu ứng có tác hại lớn nhất đối với hệ thống WDM nên ta sẽ giành riêng một chương để khảo sát và đánh giá hiệu ứng này

2.9.Các giải pháp hạn chế các hiệu ứng phi tuyến

Mức độ ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc rất nhiều vào tiết diện hiệu dụng của sợi quang (A ) Vùng lõi càng lớn, mật độ ánh sáng ở trong sợi quang càng giảm, do đó mà giảm được ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, cho phép tăng công suất tín hiệu lan truyền trong sợi quang, điều này đồng nghĩa với việc cho phép tăng khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại quang, giảm số bộ khuyếch đại trên đường truyền Để bù lại suy hao trong sợi quang, hiện tại với các hệ thống làm việc ở bước sóng 1550 nm người ta sử dụng bộ khuyếch đại quang EDFA

eff

Tán sắc gây dãn xung, méo tín hiệu, ảnh hưởng của tán sắc trong sợi quang tỷ lệ với bình phương tốc độ truyền dẫn, trong các hệ thống tốc độ càng cao ảnh hưởng của tán sắc càng lớn Để loại bỏ tán sắc phải dùng các biện pháp bù tán sắc bằng các modun bù tán sắc DCM (Dispersion Compensation Modunl) hoặc sợi quang bù tán sắc (Dispersion Compensation Fiber)

Các hiệu ứng phi tuyến cũng là một trong những nguyên nhân làm méo và suy giảm mức tín hiệu, gây xuyên âm giữa các kênh trong hệ thống WDM Tuy nhiên, các tín hiệu phi tuyến xảy ra khi công suất tín hiệu trong sợi quang đủ lớn, đạt tới một ngưỡng nào đó Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tỷ lệ nghịch với A (đối với

thống WDM thì hiệu ứng FWM quan trọng hơn cả Hiệu suất của hiệu ứng này phụ thuộc vào tán sắc của sợi quang Với tán sắc bằng 0 hiệu ứng xảy ra rất mạnh Tuy

eff eff 2

nhiên chỉ cần một lượng tán sắc nhỏ cũng có thể làm giảm bớt hiện tượng này một cách đáng kể Do vậy, sợi quang có tán sắc dịch chuyển khác không NZ-DSF đang là mục tiêu của các nhà chế tạo để giảm bớt hiệu ứng này Thông thường sợi quang được thiết kế để dịch chuyển tán sắc thường có diện tích hiệu dụng khoảng 50 – 60 µ m Các nhà nghiên cứu đang quan tâm đến giải pháp tăng tiết diện hiệu dụng bằng cách thay đổi mặt cắt của lõi sợi cáp Các hiệu ứng phi tuyến là yếu tố giới hạn tốc độ bit và khoảng cách truyền dẫn của các hệ thống cáp quang biển và hệ thống truyền dẫn đường dài sử dụng khuyếch đại quang Như đã đề cập ở trên, ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tỷ lệ nghịch với A (đối với các hiệu ứng SPM, SBS, SRS, FWM)

tuyến ta phải tăng tiết diện hiệu dụng A Khi tăng Aeff có thể làm giảm các hiệu ứng phi tuyến vì vậy có thể cho phép sợi có thể tiếp nhận được công suất tín hiệu lớn và làm tăng khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại quang, giảm thiết bị trên tuyến và đạt SRN lớn hơn Tăng diện tích hiệu dụng A là một trong những mục tiêu chủ yếu trong việc thiết kế các loại sợi mới Đây là một tham số mới chỉ vùng diện tích mà ánh sáng được truyền và cũng là một tham số quan trọng khi thiết kế các hệ thống hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm, đặc biệt là hệ thống ghép kênh bước sóng mật độ cao có sử dụng khuyếch đại quang

2

eff eff 2

eff

eff

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HIỆU ỨNG FWM

3.1 Giới thiệu chung

FWM là hiệu ứng quan trọng nhất trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến xảy ra trong hệ thống WDM Hiệu ứng này được biết đến từ lâu trong nguyên lý thuyết

truyền dẫn sóng vi ba Đôi khi người ta vẫn dùng thuật ngữ “hiệu ứng 4 photon”, hoặc

là “hiệu ứng 3 photon” để nói về FWM Có thể nói, hiệu ứng FWM là hiệu ứng quan trọng nhất trong hệ thống ghép nhiều kênh theo bước sóng Về bản chất đây là hiệu ứng phi tuyến xảy ra trong môi trường truyền dẫn (không gian truyền sóng: ống dẫn sóng hoặc sợi cáp quang), nhưng chủ yếu xảy ra trong lõi sợi cáp quang Khi có ba bước sóng cùng lan truyền trong môi trường sẽ xuất hiện bước sóng thứ 4, nó chính là

tổ hợp của ba bước sóng đầu và có quan hệ với chúng theo biểu thức: f i ± fj± f Tuy nhiên trong số đó ta chỉ xét những thành phần có ảnh hưởng lớn đến hệ thống, đó là các thành phần có quan hệ:

k

fijk = +f -f ; i,j,k = f i j k {1 , 2 , 3 N} và i # j # k

Trong đó: N là số kênh đầu vào

Những thành phần khác ta không quan tâm vì phổ của chúng nằm ngoài băng tần của hệ thống

thuật này hầu hết trong hệ thống WDM hiện nay tuân theo khuyến nghị G692 của ITU) hiệu ứng FWM xảy ra rất mạnh Và đó cũng là nguyên nhân chính dẫn đến hạn chế về cự li và tốc độ của hệ thống Nhiều công trình nghiên cứu đang được triển khai

để tìm các giải pháp hữu hiệu nhằm hạn chế hiệu ứng này Một trong những giải pháp

đó là sử dụng khoảng cách kênh không đều để phòng ngừa sự trùng phổ của kênh tín hiệu Tuy nhiên giải pháp này kéo theo hàng loạt vấn đề về kinh tế và kĩ thuật đòi hỏi băng tần của hệ thống lớn, dẫn đến hiệu suất sử dụng băng thấp Một giải pháp khác là

sử dụng các bộ trễ ngẫu nhiên kết nối với từng bước sóng riêng biệt trước khi đem vào ghép kênh để giảm sự đồng pha của các tín hiệu do đó giảm được hiệu ứng trộn 4

sóng Tuy nhiên để thực hiện giải pháp này cũng gây ra nhiều tốn kém do phải sử dụng thêm nhiều bộ tách và ghép bước sóng trên đường truyền Có một giải pháp dung hoà

do một số tác giả đưa ra đó là sử dụng giãn cách kênh không đều có chu kì Giải pháp này tăng được hiệu quả băng tần nhưng chỉ hạn chế được một phần hiệu ứng FWM, hơn nữa giải pháp này gặp phải rất nhiều khó khăn trong việc khắc phục các sự cố trong hệ thống WDM với số bước sóng đầu vào cao Ngoài ra, giải pháp sử dụng cáp quang sợi có tán sắc dịch chuyển khác không NZ-DSF là phương án hữu hiệu nhất Nhờ có tán sắc khác không tại cửa sổ làm việc của bộ khuyếch đại quang (1550nm), hiệu ứng FWM giảm đi đáng kể Đó cũng là nguyên nhân chính mà các nhà chế tạo cáp quang đang quan tâm nhằm đưa ra thị trường loại cáp NZ-DSF tốt nhất cho hệ thống WDM

Do tính phức tạp của cơ chế trộn 4 sóng và độ phức tạp tăng theo hàm mũ khi tăng số kênh đầu vào do đó các giải pháp mới chỉ dừng lại ở mức số liệu thực nghiệm hoặc giá trị tới hạn nào đó Trong chương này chủ yếu tìm hiểu cơ chế hoạt động của hiệu ứng FWM, và phân tích các giải pháp đã nêu trên dựa trên tổn thất công suất sinh

ra do hiệu ứng này

3.2 Sợi quang

Việc lựa chọn sợi quang trong hệ thống WDM là rất quan trọng, nếu ta chọn được đúng loại sợi quang thì sẽ hạn chế được rất nhiều các hiệu ứng phi tuyến đặc biệt là hiệu ứng FWM Dưới đây là các tham số kĩ thuật của một số loại sợi quang phổ biến mà ITU đã khuyến nghị:

3.2.1 Sợi SMF (theo ITU G.652)

Bảng 3.1: Tham số kỹ thuật của sợi SMF

Độ đồng tâm của trường mode tại bước

sóng 1550 nm

≤ 1 µ m

truyền

và đấu nối tín hiệu

không cần sử dụng các bộ bù tán sắc Tuy nhiên đối với tốc độ STM-64 nếu không sử dụng loại sợi này thì chỉ đạt được khoảng cách ≈ 60km nếu không sử dụng bù tán sắc

Cũng do bù tán sắc lớn tại vùng bước sóng 1550 nm nên hiệu ứng FWM không xảy ra trong sợi SMF

3.2.2 Sợi DSF (theo ITU G.653)

Bảng 3.2: Tham số kỹ thuật sợi DSF

Đường kính trường mode tại bước sóng (7,0 ÷ 8,3) µ m ± 10%

truyền tín hiệu và đấu nối sợi

Độ không tròn đều của vỏ mode phản

Loại sợi này đặc biệt phù hợp với các hệ thống đơn kênh, cự ly dài, dung lượng lớn Tuy nhiên loại sợi này được khuyến nghị là không sử dụng cho các hệ thống WDM bởi vì nó chịu ảnh hưởng rất nhiều của hiệu ứng FWM Trong trường hợp tuyến đang sử dụng loại sợi này, muốn nâng cấp tăng dung lượng bằng kĩ thuật WDM thì phải chọn vùng bước sóng có tán sắc đủ lớn để tránh hiệu ứng FWM Điều này làm hạn chế khả năng tăng dung lượng của hệ thống

3.2.3 Sợi NZ-DSF (theo ITU G.655)

Bảng 3.3: Tham số kỹ thuật sợi NZ-DSF

Đường kính trường mode tại bước sóng

tín hiệu và đấu nối sợi

Độ không tròn đều của vỏ mode phản

khoảng cách 300- 400 km mà không cần bù tán sắc nhưng cũng đủ lớn để giảm ảnh hưởng của hiệu ứng FWM trong dải băng của EDFA (từ 1530-1565 nm) Vì vậy loại sợi này đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM tốc độ cao, cự ly truyền dẫn khoảng các lớn

Sợi quang được sử dụng nhiều nhất hiện nay là sợi quang đơn mode tiêu chuẩn G.652 Giá trị tán sắc bằng không của sợi này nằm tại bước sóng 1310 Tuy nhiên suy hao tại vùng 1550 nm thấp hơn nhiều so với vùng 1310 nm, hơn nữa bộ khuyếch đại EDFA lại làm việc tại vùng này nên sợi quang có tán sắc dịch chuyển (DSF) ngày càng được ứng dụng nhiều hơn Sợi quang DSF có tán sắc bằng không tại bước sóng

1550 nm rất phù hợp với các hệ thống đơn kênh, tốc độ cao, cự ly lớn hoặc hệ thống

ghép bước sóng thưa CDWM nhưng không phù hợp với hệ thống DWDM do hiệu ứng FWM xảy ra mạnh ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu của hệ thống Sợi quang mới NZ-DSF (G.655) có mức tán sắc thấp ở cửa sổ sóng thứ 3 Loại sợi này rất phù hợp cho các hệ thống DWDM có cự ly dài Hiện nay nhiều hãng đang thiết kế chế tạo sợi cáp quang có độ tinh khiết cao, giảm được hấp thụ phân tử tại vùng 1400 nm để cung cấp cho các tuyến thông tin cự ly dài hoặc các tuyến cáp quang biển

3.3 PHỔ CỦA TÍN HIỆU FWM

tương tác với nhau tạo nên các thành phần tần số mới Giả sử có 3 bước sóngλ , i λ ,j λ kvới các tần số f i, f , f tác động lẫn nhau và tạo ra các tần số j k f i ± fj± f Trong kcác tín hiệu này thì thành phần tác hại nhất là tín hiệu tương ứng với thành phần tần số:

fijk = +f -f ; i # j # k (3.1) f i j k

Tùy thuộc vào tần số, tín hiệu gây ra này có thể nằm rất gần một trong các kênh, kết quả tạo ra xuyên âm đáng kể cho kênh này Trong hệ thống đa kênh (N kênh) hiệu ứng này tạo ra N(N-1)2 tín hiệu xuyên nhiễu tương ứng với i, j, k thay đổi từ 1 đến N

Trong trường hợp có hai bước sóng cùng vào sợi cáp tại đầu ra xuất hiện thêm hai thành phần mới nhưng hai thành phần này bằng một trong hai thành phần ban đầu cộng hoặc trừ thành phần còn lại Do đó hai thành phần mới tạo ra này sẽ không trùng với một trong hai thành phần gốc ban đầu Khi đó ở nơi thu ta có thể dễ dàng loại bỏ chúng bằng bộ lọc điện Nên trường hợp ghép hai bước sóng khá đơn giản nên ta chỉ quan tâm tới trường hợp ghép ba bước sóng trở lên

Kênh 2 Kênh 1

Hình III.1: Thành phần tần số FWM tạo ra khi ghép hai bước sóng

Theo công thức trên trong hệ thống ghép kênh ba bước sóng thì sẽ tạo ra 12 thành

phần xuyên nhiễu như hình sau: