Nghiên cứu chuyển đổi bước sóng dựa vào hiệu ứng trộn bốn bước sóng trên sợi quang phi tuyến cao

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG TRỘN BỐN SÓNG TRÊN SỢI QUANG CÓ HỆ SỐ PHI TUYẾN CAO Học viên: Từ Thanh Tùng Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: Khóa: K35 -

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TỪ THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG DỰA VÀO HIỆU ỨNG TRỘN BỐN BƯỚC SÓNG

TRÊN SỢI QUANG PHI TUYẾN CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng – Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TỪ THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG

DỰA VÀO HIỆU ỨNG TRỘN BỐN BƯỚC SÓNG

TRÊN SỢI QUANG PHI TUYẾN CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 852.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quang Như Quỳnh

Đà Nẵng – Năm 2019

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG TRỘN BỐN SÓNG TRÊN SỢI QUANG CÓ HỆ SỐ PHI TUYẾN CAO

Học viên: Từ Thanh Tùng Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: Khóa: K35 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Kỹ thuật chuyển đổi bước sóng để chuyển đổi từ một bước sóng thành một bước sóng khác

cùng mang thông tin giống nhau là rất cần thiết để tăng sự linh hoạt và hiệu quả của mạng ghép kênh quang theo bước sóng WDM, đặc biệt là trong mạng quang định tuyến bước sóng, nơi mà các tín hiệu được định tuyến và chuyển mạch dựa trên bước sóng Để thực hiện chuyển đổi bước sóng, các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang có tính phi tuyến cao, trong đó hiện ứng trộn bốn bước sóng four wave mixing (FWM) được xem là một trong những hiệu ứng được ứng dụng rộng rãi để thực hiện chuyển đổi bước sóng Luận văn trình bày tổng quan về hệ thống thông tin quang, hiệu ứng phi tuyến trộn bốn bước sóng, các kỹ thuật chuyển đổi bước sóng và thực hiện mô phỏng trên phần mềm Optisystem Kết quả mô phỏng gồm phổ các tín hiệu trong quá trình thực hiện kỹ thuật chuyển đổi bước sóng, tỉ lệ lỗi bit BER của các tín hiệu cho thấy quá trình mô phỏng đạt kết quả tốt Các phân tích về sự đạt được kết quả này được giới thiệu và tác giả đã đưa ra các hướng phát triển tiếp theo

Từ khóa – Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM, kỹ thuật chuyển đổi bước sóng, sợi quang có hệ số phi

tuyến cao HNLF, hệ thống thông tin quang, phần mềm mô phỏng Optisystem

A RESEARCH ON WAVELENGTH CONVERSION TECHNIQUE BASED ON FOUR-WAVE

MIXING USING HIGHLY NONLINEAR FIBER Abstract – The wavelength conversion technique for converting from one wavelength into different

wavelength carrying the same information is essential to increase the flexibility and efficiency of WDM networks, especially in wavelength routing networks where signals are routed and switched based on their wavelengths In order to implement wavelength conversion, nonlinear effects in highly nonlinear fibers (HNLF), four wave mixing (FWM) is one of the widely used effects for wavelength conversion The thesis presents an overview of optical fiber systems, wavelength conversion techniques based on four-wave mixing nonlinear effects, and simulation on Optisystem software Simulation results include the spectra of signals during the wavelength conversion processing, bit error rate (BER) Free-error operation is achieved with power penalty which is less than 2 dB at BER of 10-9Analysis of the achievement of this result was explained and the further development was discussed

Key words – Four-wave mixing (FWM), wavelength conversion, highly nonlinear fiber (HNLF),

optical fiber communication system, Optisystem simulation software

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 2

6 Kết cấu luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Tầm quan trọng của hệ thống thông tin sợi quang trong mạng viễn thông 3

1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang: 4

1.3.1 Sợi quang 5

1.3.2 Bộ phát quang 5

1.3.3 Bộ thu quang 6

1.4 Các tín hiệu điều chế RZ-OOK, NRZ-OOK 7

1.4.1 Các tín hiệu điều chế NRZ-OOK 7

1.4.2 Các tín hiệu điều chế RZ-OOK 11

1.4.3 Một sô các thông số đánh giá chất lượng tín hiệu thu 13

1.5 Các hệ thống thông tin sợi quang cơ bản 17

1.5.1 Tuyến điểm – điểm 17

1.5.2 Hệ thống thông tin sợi quang tương tự 19

1.5.3 Hệ thống thông tin sợi quang số 20

1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin sợi quang 20

1.6 Kết luận 21

CHƯƠNG 2 CÁC HIỆU ỨNG QUANG PHI TUYẾN 22

2.1 Giới thiệu 22

2.2 Các hiệu ứng quang phi tuyến 22

2.3 Hiệu ứng tán xạ kích thích 23

2.3.1 Tán xạ Brillouin kích thích 23

2.3.2 Tán xạ Raman kích thích 25

2.4 Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến 26

2.4.1 Quá trình tự điều chế pha 26

2.4.2 Quá trình điều chế pha chéo 27

2.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng Four-Wave Mixing 28

2.6 Kết luận 28

CHƯƠNG 3 HIỆU ỨNG TRỘN BỐN BƯỚC SÓNG FWM VÀ CÁC ỨNG DỤNG 30

3.1 Giới thiệu chương 30

3.2 Lý thuyết của hiệu ứng Trộn bốn bước sóng 30

3.2.1 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM sử dụng một tín hiệu bơm (Single Pump) 30

3.2.2 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng sử dụng nhiều tín hiệu bơm (multi-pump) 32

3.3 Kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng FWM 33

3.4 Vật liệu và thiết bị phi tuyến 34

3.5 Các ứng dụng của hiệu ứng trộn bốn bước sóng 35

3.6 Kết luận 36

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG QUANG DÙNG KỸ THUẬT CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG 37

4.1 Giới thiệu 37

4.2 Xây dựng cấu hình mô phỏng 37

4.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng OPTISYSTEM 7.0 38

4.4 Thiết lập mô phỏng trên phần mềm Optisystem 7.0 40

4.4.1 Mô tả và đặt các giá trị thiết bị mô phỏng: 42

4.4.2 Mô tả hoạt động của sơ đồ mô phỏng 44

4.5 Kết quả mô phỏng và đánh giá 45

4.6 Kết luận 57

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

A

AM Amplitude Modulation: Điều chế biên độ

APD Avalanche Photodiode

B BER Bit Error Ratio: Tỉ lệ lỗi bit

BL Bit Length: Tích tốc độ bit và chiều dài

C CNR Carrier to noise ratio : Tỉ số sóng mang trên nhiễu

XGM Cross-Gain Modulation

D DCF Dispersion – Compensating Fiber

DSF Dispersion – Shifted Fiber

E EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

EAM An electro-absorption modulator

F

FM Frequency Modulation: Điều chế tần số

FSK Frequency Shift Keying: Khóa dịch tần

FTTX Fiber-to-the-X : Internet cáp quang

FWM Four-Wave Mixing: Trộn bốn bước sóng

FWHM Full width at half maximum

G Gbps Gigabits per second: Gigabit/giây

GVD Group – Velocity Dispersion

H HDTV High Definition Television: Truyền hình độ nét cao

HNLF Highly Nonliner Fiber: Sợi quang có tính phi tuyến cao (hay có hệ số

phi tuyến cao)

I

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers: Tổ chức IEEE

IM Intensity Modulation: Điều chế cường độ

IP TV Internet Protocol TV

ISI Inter-symbol Interference

L LED Light Emitting Diode: Điốt phát quang

LD Lazer Diode: Điốt Lazer

Lazer CW Lazer Continuous Wave: Lazer tạo sóng liên tục

M MZM Mach – Zehnder Modulator

N NRZ Non Return to Zero: Không trở về 0

O

OTDM Optical Time Domain Multiplexing : Ghép kênh theo thời gian trong

miền quang OOK On-Off Keying: Điều chế khóa bật tắt

P PCF Photonic Crystal Fiber

PIN Passive Intrinsic Negative

PM Phase Modulation: Điều chế pha

PMD Polarization Mode Dispersion: Tán sắc mode phân cực

PSK Phase Shift Keying: Khóa dịch pha

PRBS A Pseudorandom Binary Sequence

Q QAM Quadrature amplitude modulation: Điều chế biên độ trực giao

QPSK Quadrature Phase Shift Keying: Khoá dịch pha trực giao

S SBS Stimulated Brillouin Scattering

SRS Stimulated Raman Scattering

SNR Signal-to-Noise Ratio: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SPM Self-Phase Modulation: Tự điều chế pha

V VOA Variable Optical Attenuator : Bộ suy hao quang

W WDM Wavelength-division multiplexing: Ghép kênh theo bước sóng

X XPM Cross-Phase Modulation: Điều chế pha chéo

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

4.2 Tổng hợp số liệu mô phỏng các kênh chuyển đổi 51

1.5 Phát tín hiệu NRZ 10 Gbps a) Dạng xung của tín hiệu NRZ; b)

1.9 Tín hiệu quang ở các định dạng NRZ (Non Return to Zero) và

RZ (Return to Zero) và Giản đồ mắt tương ứng 14 1.10 Phán đoán chất lượng tín hiệu dựa trên đồ thị mắt 15 1.11 (a) Sự dao động của tín hiệu tại bộ thu; (b) Hàm mật độ xác suất

1.14 Các phần tử cơ bản trong hệ thống thông tin sợi quang tương tự 19 1.15 Các phần tử cơ bản trong hệ thống thông tin sợi quang số 20 2.1

Phổ khuếch đại Brillouin được đo khi sử dụng nguồn bơm

1,525µm cho ba loại sợi quang khác nhau: (a) sợi lõi thủy

tinh, (b) sợi vỏ bị ép, (c) sợi dịch tán sắc [4]

24

2.2 (a) Phổ khuếch đại Raman của thủy tinh nóng chảy tại λp =

1,5µm và (b) Giản đồ mức năng lượng trong quá trình SRS 25

2.3

Sự biến đổi theo thời gian gây ra bởi SPM: (a) độ dịch pha NL

và (b) độ chirp tần cho các xung Gauss (đường đứt nét) và siêu

Gauss (đường liền)

27

2.4 Quá trình trộn bốn sóng, (a) trường hợp suy biến và (b) trường

Số hiệu

3.1 Hiệu ứng trộn bốn sóng trong trường hợp có một tín hiệu mẫu

3.2 Mô hình sử dụng nhiều tín hiệu bơm để tạo ra nhiều bản sao tín

4.12 Phổ của các tín hiệu chuyển đổi tại đầu ra cuộn dây HNLF,

4.13 Phổ của các tín hiệu chuyển đổi tại đầu ra cuộn dây HNLF,

4.14 Phổ của các tín hiệu tại đầu vào cuộn dây HNLF 46

4.15 Phổ của các tín hiệu sau khi chuyển đổi bước sóng tại đầu ra

4.16 Phổ của tín hiệu chuyển đổi tại đầu ra bộ tách kênh WDM 48 4.17 Công suất thu tại đầu ra bộ khuếch đại EDFA2 48 4.18 Giản đồ mắt của kênh chuyển đổi 1544.43 nm 49

4.19 Đồ thị đặc tính BER của kênh bước sóng ban đầu 1560.61 nm

4.20 Hệ số phẩm chất (Q-factor) theo công suất thu của kênh bước

sóng ban đầu 1560.61 nm và kênh chuyển đổi 1544.43 nm 50

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Truyền thông quang hỗ trợ mạnh mẽ các mạng truyền thông hiện đại và rộng lớn, đặc biệt là mạng internet toàn cầu Thật vậy, sẽ không có mạng internet tốc độ cao toàn cầu nếu không có mạng quang đường trục

Theo thống kê chỉ trên Youtube, cứ mỗi 1 phút trôi qua trên 10 năm video được

theo dõi, và trên 72h các nội dung mới được cập nhật, trong số đó ¼ lưu lượng đến từ các thiết bị di động Từ năm 2005 đến 2020, giá trị số toàn cầu ước tính tăng 307 lần lên đến 40 nghìn tỷ gigabytes, từ năm 2015 đến 2020 ước tính sẽ tăng gấp đôi mỗi 2 năm [7]

Ngày nay, với cuộc cách mạng của truyền thông sợi quang, các dịch vụ có băng thông lớn như chia sẻ video, điện toán đám mây, các hệ thống tập hợp dữ liệu,…đã tạo

ra nhu cầu cao về dung lượng trong việc truyền và xử lý tín hiệu Tất cả các mạng truy nhập từ các đầu cuối users khác nhau ở khu dân cư, thương mại hay di động đều được truyền trên mạng metro Mạng lớn nhất được kết nối với nhiều mạng metro là mạng core Lý do xuất phát từ thực tế là việc kết nối kinh tế giữa nhiều thành phố khác nhau được tổng hợp bởi các tuyến vật lý khác nhau mà ở đó có rất nhiều lưu lượng được truyền trên mạng core Mạng core mục đích để kết nối các mạng metro với nhau thông qua các nodes mạng Liên quan đến tác động cấu trúc viễn thông công nghiệp, các hệ thống truyền thông quang là phương tiện truyền dẫn tiềm năng nhất về dung lượng lớn trên khoảng cách xa như mạng metro và mạng core

Từ khi bắt đầu các liên kết truyền thông quang trong những năm cuối của thập niên 1970 cho đến nay, dung lượng tăng trưởng theo cấp số nhân cho phép rất nhiều dịch vụ viễn thông được triển khai thông qua mạng internet Để đáp ứng nhu cầu liên tục về dung lượng lớn, các công nghệ quang đóng vai trò chính trong những thách thức gia tăng các kênh truyền tốc độ cao Trong tương lai, các mạng quang khả năng sẽ sử dụng các lợi thế của kỹ thuật chuyển đổi Về cơ bản, chuyển đổi tín hiệu quang sẽ được thực hiện với một bước sóng cố định bởi các bộ chia tín hiệu Có hai giải pháp phổ biến để gia tăng dung lượng của mạng quang là ghép các tín hiệu: ghép phân chia theo bước sóng (WDM) và ghép phân chia theo thời gian quang (OTDM) Tuy nhiên, hiện nay WDM đang chiếm ưu thế bởi sự đơn giản trong việc phát tín hiệu và vận hành, hoặc nâng cấp dung lượng Trong mạng quang định tuyến bước sóng sử dụng kỹ thuật WDM, các tín hiệu cần được định tuyến và chuyển mạch Vì vậy, sử dụng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng để chuyển đổi từ một bước sóng thành bước sóng khác cùng mang thông tin giống nhau là rất cần thiết để định tuyến và chuyển mạch trong mạng quang định tuyến bước sóng, tăng sự linh hoạt và hiệu quả của mạng WDM Để

thực hiện chuyển đổi bước sóng, các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang có tính phi tuyến cao, trong đó hiệu ứng trộn bốn bước sóng Four-wave Mixing (FWM) được xem

là một trong những hiệu ứng được ứng dụng rộng rãi để thực hiện chuyển đổi bước sóng Vì vậy luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng trên sợi quang có hệ số phi tuyến cao Highly Nonlinear Fiber (HNLF)

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng trên sợi quang HNLF trên phần mềm mô phỏng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn tập trung nghiên cứu mạng WDM, kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng FWM trên sợi quang HNLF

và phần mềm Optisystem

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể như sau:

- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài

- Khảo sát, phân tích các thành phần của hệ thống sử dụng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng trên sợi quang có hệ số phi tuyến cao

- Sử dụng phần mềm Optisystem để thực hiện mô phỏng hệ thống

- Đánh giá kết quả thực hiện dựa trên tính toán mô phỏng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Sử dụng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng để chuyển đổi từ một bước sóng thành các bước sóng khác nhau cùng mang thông tin giống nhau là rất cần thiết để tăng sự linh hoạt và hiệu quả của mạng WDM, đặc biệt là trong mạng quang định tuyến bước sóng

6 Kết cấu luận văn

Luận văn có bốn chương, gồm:

Chương 1 : Tổng quan hệ thống thông tin quang

Chương 2 : Các hiệu ứng quang phi tuyến

Chương 3 : Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM và các ứng dụng

Chương 4 : Mô phỏng hệ thống quang dùng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

1.2 Tầm quan trọng của hệ thống thông tin sợi quang trong mạng viễn thông

Truyền thông quang hỗ trợ mạnh mẽ các mạng truyền thông hiện đại và rộng lớn, đặc biệt là mạng internet toàn cầu Thật vậy, sẽ không có mạng internet tốc độ cao toàn cầu nếu không có mạng quang đường trục backbone Từ năm 2005 đến 2020, giá trị số toàn cầu ước tính tăng 307 lần lên đến 40 nghìn tỷ gigabytes Từ năm 2015 đến

2020 ước tính sẽ tăng gấp đôi mỗi 2 năm [7]

Hình 1.1 Gia tăng tích BL trong giai đoạn 1840-2015

Trên Hình 1.1, sự xuất hiện của các công nghệ mới được đánh dấu bằng chấm

đỏ, đường nét đứt cho thấy khuynh hướng gia tăng Sự thay đổi độ dốc vào khoảng năm 1977 khi sợi quang lần đầu được sử dụng trong truyền thông quang học

Ngày nay, với cuộc cách mạng của truyền thông sợi quang, cung cấp các dịch

vụ Fiber-to-the-X (FTTX) đã nổi lên như một phương tiện truyền dẫn chính để cung cấp các dịch vụ như truyền hình độ nét cao (HDTV) bằng truyền hình cáp hoặc truyền hình internet (IPTV)

Tất cả các mạng truy nhập từ các đầu cuối users khác nhau ở khu dân cư, thương mại hay di động đều được truyền trên mạng Metro Mạng Metro có cấu trúc bảo vệ dạng lưới hoặc ring Mạng Metro sử dụng ghép kênh phân chia thời gian

(TDM), và các công nghệ ghép quang tại các lớp thấp nhất trong topo mạng Mạng lớn nhất được kết nối với nhiều mạng Metro là mạng Core Xu hướng cấu trúc của mạng core có topo dạng lưới tại lớp thấp nhất Lý do xuất phát từ thực tế là việc kết nối kinh

tế giữa nhiều thành phố khác nhau được tổng hợp bởi các tuyến vật lý khác nhau mà ở

đó có rất nhiều lưu lượng được truyền trên mạng Core Mạng Core mục đích để kết nối các mạng Metro với nhau thông qua các nodes mạng Tuy nhiên, chú ý rằng mạng Core khác biệt đáng kể về cấu trúc do các vùng địa lý Ví dụ mạng Core của châu Âu

có các giới hạn khoảng cách nhỏ hơn, có các công nghệ khác nhau và cấu trúc mạng khi so sánh với mạng Core của Hoa Kỳ Các công nghệ tại lớp thấp nhất của mạng Core dường như giống mạng Metro Tuy nhiên, mạng Core cung cấp các dịch vụ khác nhau từ các mạng Metro về các yêu cầu cung cấp, chất lượng dịch vụ (QoS) Do đó, liên quan đến tác động cấu trúc viễn thông công nghiệp, các hệ thống truyền thông quang là phương tiện truyền dẫn tiềm năng lớn nhất về dung lượng khổng lồ trên khoảng cách xa như mạng Metro và mạng Core

1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang:

Hệ thống tổng quát bao gồm một bộ phát, kênh truyền và một bộ thu như trên Hình 1.2, đây được xem là ba phần tử cơ bản và chung nhất cho tất cả các hệ thống thông tin Các hệ thống thông tin quang có thể được phân thành hai loại: có môi trường dẫn (guided) và không dẫn (unguided) Trong trường hợp hệ thống quang có môi trường dẫn, chùm quang từ bộ phát bị giam hãm về không gian khi lan truyền và được thực hiện qua việc sử dụng sợi quang trong thực tế

Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin sợi quang

Trong trường hợp các hệ thống thông tin quang không môi trường dẫn, chùm quang từ bộ phát trải rộng trong không gian tương tự hệ thống vô tuyến Tuy nhiên, các hệ thống này ít phù hợp cho các ứng dụng quảng bá như hệ thống vô tuyến vì các chùm quang chủ yếu tập trung theo một hướng được chiếu phía trước (kết quả của bước sóng ngắn của chùm quang) Việc sử dụng các hệ thống này đòi hỏi việc căn chỉnh chính xác giữa bộ phát và bộ thu Trong trường hợp truyền dẫn khoảng cách lớn, tín hiệu trong hệ thống không dẫn có thể bị suy giảm đáng kể bởi tán xạ trong khí quyển Tuy nhiên vấn đề này biến mất trong thông tin không gian tự do ở trên bầu khí quyển trái đất (ví dụ thông tin liên lạc giữa các vệ tinh) Mặc dù hệ thống thông tin quang không gian tự do được sử dụng trong một số ứng dụng và đã được nghiên cứu

Tín

hiệu

vào

Tín hiệu ra

Bộ phát quang

Sợi quang

Bộ thu quang

mạnh mẽ, nhưng hầu hết các ứng dụng trên mạng viễn thông hiện nay đều sử dụng hệ thống thông tin quang sợi

1.3.1 Sợi quang

Vai trò của một kênh thông tin là để truyền tải tín hiệu quang từ bộ phát tới bộ thu mà tránh làm méo dạng tín hiệu Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang như là kênh thông tin vì các sợi quang thủy tinh có thể truyền dẫn ánh sáng với suy hao nhỏ chỉ cỡ 0,2 dB/km Thậm chí công suất quang giảm chỉ còn 1% sau 100

km Do vậy suy hao sợi quang có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệ thống và xác định khoảng cách bộ lặp hoặc bộ khuếch đại của một hệ thống thông tin quang khoảng cách lớn Một vấn đề thiết kế quan trọng khác là tán sắc sợi quang gây ra sự trải rộng các xung quang khi truyền dẫn Nếu các xung quang trải rộng nhiều ra ngoài khe thời gian được cấp phát cho chúng, thì chất lượng tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng và khó có thể khôi phục được tín hiệu ban đầu với độ chính xác cao Vấn đề này

là nghiêm trọng nhất trong trường hợp các sợi đa mode do mức độ dãn xung cỡ ~ 10 ns/km Do vậy hầu hết các hệ thống thông tin quang ngày nay sử dụng sợi đơn mode

có mức độ dãn xung nhỏ hơn nhiều (< 0,1 ns/km)

Sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy theo mục đích sử dụng hay tính năng của sợi Nếu dựa vào đặc tính truyền dẫn các sợi quang có thể có thêm các loại sợi dịch tán sắc (DSF) có đặc tính tán sắc thay đổi so với sợi chuẩn, sợi bù tán sắc (DCF) sử dụng để bù ảnh hưởng của tán sắc, sợi duy trì phân cực cho phép duy trì trạng thái phân cực của tín hiệu khi lan truyền, sợi phi tuyến có hệ số phi tuyến cao (HNLF) dùng trong các ứng dụng xử lý tín hiệu quang Dựa vào cấu trúc đặc biệt hiện nay có các loại sợi tinh thể photonic (PCF) hay còn gọi là sợi vi cấu trúc có lớp vỏ và

cả vùng lõi trong vài trường hợp chứa các lỗ không khí chạy dọc theo sợi Sự sắp xếp cấu trúc trong một PCF sẽ xác định đặc tính dẫn ánh sáng của sợi

Tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào cấu trúc sợi quang, bằng cách biến đổi cấu trúc sợi như kích thước lõi hay mặt cắt chiết suất (nhiều lớp lõi có chiết suất khác nhau) tán sắc ống dẫn sóng sẽ biến đổi rất lớn, kết quả là đường cong đặc tính tán sắc tổng sẽ dịch chuyển theo mong muốn Đây cũng là nguyên tắc cơ bản được sử dụng để thiết kế các sợi quang đơn mode có đặc tính tán sắc mong muốn như sợi dịch tán sắc (DSF), sợi dịch tán sắc khác không (NZ-DSF) hay sợi tán sắc phẳng Đối với sợi đơn mode chuẩn, hệ số tán sắc tổng bằng 0 ở gần bước sóng 1310 nm, còn tại vùng 1550

nm nơi có suy hao thấp nhất thì hệ số tán sắc trong khoảng 15–18 ps/(nm.km) Đối với các sợi DSF, sợi được thiết kế để dịch bước sóng tán sắc không về lân cận 1550 nm Còn sợi NZ-DSF, giá trị D thường nhỏ trong dải rộng bước sóng từ 1300 – 1600 nm

1.3.2 Bộ phát quang

Bộ phát quang có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang và

đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn Hình 1.3 cho thấy sơ đồ khối tổng quát của một bộ phát quang, trong đó bao gồm một nguồn quang, một bộ điều chế, và một bộ ghép nối với sợi quang Các nguồn laser bán dẫn (LD) hoặc diode phát quang (LED) được dùng như những nguồn quang vì khả năng tương thích của chúng với kênh sợi quang Tín hiệu quang được tạo ra bằng việc điều chế sóng mang quang Có hai phương thức điều chế: điều chế trực tiếp và điều chế ngoài Ở phương thức điều chế trực tiếp, tín hiệu điện được đưa vào để biến đổi dòng bơm trực tiếp nguồn quang thông qua mạch kích thích mà không cần sử dụng bộ điều chế ngoài Phương thức điều chế trực tiếp mặc dù hiệu quả về chi phí nhưng bị giới hạn về tính năng khi điều chế dữ liệu ở tốc độ cao

Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ phát quang điều chế ngoài

Phương thức điều chế ngoài thường hay sử dụng cho hệ thống tốc độ cao Ở đây nguồn quang thường sử dụng là laser diode phát ra ánh sáng liên tục, còn tín hiệu điện điều chế sóng mang quang thông qua bộ điều chế ngoài Nhờ sử dụng bộ điều chế ngoài, ngoài định dạng điều chế cường độ (IM) thì các định dạng điều chế tiên tiến khác như Khóa dịch pha (PSK), Khóa dịch tần số (FSK) hay Điều chế biên độ cầu phương (QAM) cũng có thể được thực hiện dễ dàng như trong các hệ thống thông tin quang Thế hệ thứ năm Trong bộ phát quang, bộ ghép nối thường là một vi thấu kính để hội tụ tín hiệu quang đầu ra vào trong sợi quang với hiệu suất ghép cao nhất

1.3.3 Bộ thu quang

Bộ thu quang là sự tổ hợp của bộ tách sóng quang, bộ tiền khuếch đại điện, và các phần tử xử lý tín hiệu điện Sơ đồ khối của bộ thu quang số được minh họa ở Hình 1.4 Bộ tách sóng quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang ngõ vào thành tín hiệu điện Do tín hiệu quang ngõ vào đã bị suy yếu do truyền trên đường truyền nên tín hiệu ở ngõ ra bộ tách sóng quang cần đưa đến bộ tiền khuếch đại Yêu cầu của bộ tiền khuếch đại phải có nhiễu thấp Chúng ta thường thấy bộ tiền khuếch đại nhiễu thấp có băng thông không đủ để đáp ứng tín hiệu số tốc độ cao trong thông tin quang,

do đó cần bộ equalizer để cân bằng lại băng thông như yêu cầu Ngoài ra bộ qualizer còn được sử dụng để làm giảm bớt sự chồng lấp xung do trải rộng xung Sau đó, tín

Tín hiệu đầu vào điện

Tín hiệu đầu ra quang

Bộ ghép quang (coupler)

Mạch điều

khiển

chế

hiệu được tiếp tục qua bộ khuếch đại Bộ khuếch đại này thường sử dụng bộ AGC (Automatic Gain Control) để điều chỉnh độ lợi cho phù hợp Bộ lọc đặt sau bộ khuếch đại để loại bỏ các thành phần tần số không mong muốn sinh ra do quá trình xử lý tín hiệu Trong các bộ thu quang tốc độ thấp, người ta thường sử dụng tách sóng bất đồng

bộ, sử dụng bộ so sánh để quyết định xung đó có hiện diện hay không, tức là xác định xem bit đó là 1 hay 0 Loại dữ liệu khôi phục này được giả sử là các xung có dạng cạnh lên và xuống Đối với tuyến thông tin quang tốc độ cao, để đạt được chất lượng tối ưu, xung đồng hồ dữ liệu được mã hoá vào trong tín hiệu phát và được khôi phục ở

bộ thu thông qua mạch khôi phục xung đồng hồ Xung đồng hồ khôi phục được đưa tới mạch quyết định bit để quyết định xem mức điện áp hiện tại là mức 1 hay mức 0 Dựa vào kết quả quyết định, ngõ ra của mạch quyết định bit chính là luồng dữ liệu đã

được khôi phục, có thể chứa một số bit lỗi trong đó

Hình 1.4 Sơ đồ khối bộ thu quang

Một trong những thông số biểu thị chất lượng của một hệ thống thông tin quang

số được xác định qua tỉ số lỗi bit (BER) như là xác suất trung bình thu sai bit Hầu hết các hệ thống thông tin quang sợi xác định BER cỡ 10-9

như là yêu cầu tối thiểu khi hoạt động, một số hệ thống thậm chí còn yêu cầu BER rất nhỏ chỉ cỡ 10-14

1.4 Các tín hiệu điều chế RZ-OOK, NRZ-OOK

1.4.1 Các tín hiệu điều chế NRZ-OOK

NRZ là định dạng điều chế được ứng dụng chủ yếu trong các hệ thống truyền dẫn quang ngày nay Kỹ thuật phát xung NRZ là khá nổi tiếng từ lý thuyết thông tin cổ điển Nguồn thông tin phát ra một dãy bit ký hiệu nhị phân tại một tốc độ bit R=1/TB,

ở đây TB là khoảng thời gian của mỗi bit (chu kỳ bit) được biết như là khe bit Dãy tín hiệu của các bit có thể được biểu diễn như sau:

( ) ∑

( ) ( )

Ở đây: qi là ký hiệu thông tin được trình bày bởi một chuỗi nhị phân của các giá

trị 0 và 1 Hàm chức năng f(t) diễn giải hình dạng xung, một khoảng thời gian T0 (gần như xung vuông), nó tỷ lệ với tốc độ bit được sử dụng, khoảng thời gian của một xung NRZ là bằng chiều dài của khe thời gian (T0=Tb) Một khe thời gian xung NRZ duy trì cùng một biên độ và giữa các bit 1 kế tiếp không có xảy ra sự thay đổi biên độ tín hiệu Một dãy tín hiệu điện điều khiển bộ điều chế ngoài được tạo ra trong bộ mã NRZ Thời gian lên của tín hiệu điện được chỉnh lại cho thích hợp bằng cách sử dụng một bộ lọc điện và tổng số thời gian lên bằng 25% độ rộng xung Thời gian lên thể hiện độ dốc biên của xung NRZ và phụ thuộc vào kiểu bộ lọc sử dụng để tạo dạng xung điện Đường bao phức của tín hiệu NRZ quang có thể được biểu diễn như sau:

( ) ∑ ( ) ( )

Ở đây, Tb là chiều dài bit và h(t) là hình dạng xung ban đầu được tạo ra trong MZM bởi sự tích chập hình dạng xung với hàm chức năng chuyển đổi bộ lọc an thể hiện hệ số của dãy mã hoá với các giá trị 0 cho khoảng cách (space) và 1 cho dấu (mark) tín hiệu, phát tín hiệu quang của các xung NRZ được minh hoạ trong hình 1.5 [3]

a) Dạng xung của tín hiệu NRZ

b) Phát tín hiệu NRZ

Hình 1.5 Phát tín hiệu NRZ 10 Gbps a) Dạng xung của tín hiệu NRZ;

b) Phát tín hiệu NRZ 10Gb/s

Ánh sáng của sóng bơm liên tục (CW) được điều chế ngoài trong một MZM LiNbO3 Bộ MZM được điều khiển bằng điểm cầu phương (quadrature-point) của hàm chức năng chuyển đổi công suất bộ điều chế với một tín hiệu điện NRZ Tạo ra xung NRZ cũng có thể được thực hiện với một bộ điều chế hấp thụ điện (EAM) Điều bất tiện của EAM là tỷ lệ phân biệt ER nhỏ (10dB) và chirp điều chế nội Tuy vậy, điện áp phân cực cho EAM nhỏ và nó có thể được tích hợp trên cùng một chip với một laser, dẫn đến giảm chi phí sản xuất Một tiêu chuẩn cho độ rộng xung của một tín hiệu quang là chu kỳ làm việc (tỷ lệ làm việc)

Chu kỳ làm việc được xác định là độ rộng xung toàn phần tại tối đa ½ (FWHM) so với khe bit Trong trường hợp NRZ, chu kỳ làm việc bằng 1, các xung NRZ có độ dốc các biên tín hiệu rất lớn Độ dốc của biên ảnh hưởng đến các đặc tính phi tuyến của truyền dẫn quang trên cơ sở NRZ, làm gia tăng tác động của hiệu ứng SPM và SPM tỷ lệ trực tiếp với độ dốc của các biên tín hiệu Độ dốc của biên mạnh hơn tạo ra các thành phần phổ mới do hiệu ứng SPM, dẫn đến phổ của tín hiệu bị dãn rộng Làm tăng thêm tác động lẫn nhau giữa SPM và tán sắc vận tốc nhóm (GVD), hiệu ứng SPM làm biến đổi điều chế pha thành điều chế cường độ (PM-IM) và làm ảnh hưởng đáng kể các giới hạn hệ thống truyền dẫn quang

Các xung NRZ có thành phần phổ quang hẹp do sự chuyển biến giữa hai trạng thái on-off thấp hơn trong các dòng bit NRZ Phổ NRZ được tập trung và nén chặt xung quanh tần số sóng mang thể hiện một đặc điểm điều chế quan trọng, chúng nén các tác động hiệu ứng truyền lan khác nhau (vd: GVD và ISI) Khi độ rộng phổ được giảm, nó cải thiện dung sai tán sắc của định dạng điều chế nhưng làm tăng hiệu ứng ISI giữa các xung Vấn đề này trở nên rõ ràng hơn cho khoảng cách ly giữa các dãy của các dấu, ở đó năng lượng của các dấu lân cận bị biến đổi trong khe thời gian của khoảng cách ly dẫn đến hiệu ứng ISI và chất lượng hệ thống bị suy giảm

Sơ đồ mô phỏng phát tín hiệu NRZ 10Gb/s được thể hiện trong Hình 1.6

(a) Sơ đồ mô phỏng phát tín hiệu NRZ 10Gb/s

1.4.2 Các tín hiệu điều chế RZ-OOK

Các xung RZ chỉ chiếm một phần của khe bit, dẫn đến giá trị chu kỳ làm việc nhỏ hơn 1 Các phương pháp khác nhau có thể được sử dụng phát xung RZ Hình 1.7 minh hoạ hai phương pháp khác nhau cho việc phát các xung quang RZ Phương pháp được sử dụng rộng rãi cho việc phát xung RZ sử dụng hai tầng điều chế (Hình 1.7a) Trong tầng điều chế MZM1, xung NRZ quang được được phát trong một MZM LiNbO3, chúng được điều khiển bởi một tín hiệu NRZ 10Gb/s đã được lọc điện Trong MZM2, sự chuyển đổi hình dạng từ NRZ thành RZ diễn ra, bộ MZM2 (hình 1.7a) được điều khiển bởi một tín hiệu sin-clock 10GHz tại điểm cầu phương (quadrature-point) của hàm chuyển đổi công suất điều chế Mặc dù được sử dụng rộng rãi và thực

tế khá thích hợp nhưng khó thực hiện đồng bộ giữa hai tầng điều chế và hình dạng xung bị giới hạn bởi các đặc điểm của MZM2 gây ra suy giảm tỷ lệ phân biệt (ER) của xung RZ được phát

Hình 1.7b minh hoạ sự gần đúng lý tưởng cho việc phát xung RZ, việc tạo dạng xung RZ được thực hiện bởi một bộ mã điện RZ 10GHz Để giảm tính phức tạp của việc phát, các xung RZ có thể được phát bởi sự kết hợp của bộ điều chế pha và giao thoa kế đường trễ Công nghệ này không yêu cầu đồng bộ của hai tín hiệu điều khiển điện và cho phép độ nhạy lớn (>2dB), nhưng trễ trong giao thao kế phải được điều chỉnh chính xác Băng tần bộ điều chế bị giới hạn là một vấn đề trong trường hợp RZ

do việc phổ quang dãn rộng Để tách sóng, bộ tách sóng NRZ thông thường có thể được sử dụng

a) Dạng xung của tín hiệu RZ

Hình 1.7 Phát tín hiệu RZ 10Gb/s: a) Dạng xung của tín hiệu RZ

b) Phát thực tế c) Phát lý tưởng

Biên độ tín hiệu RZ giữa hai bit “1” liền kề trở về zero Cho cùng một công suất trung bình của xung RZ và xung NRZ, công suất đỉnh của xung RZ bằng hai lần của xung NRZ và độ rộng xung bằng 1/2 độ rộng xung NRZ Đặc điểm chính của tín hiệu được điều chế RZ là phổ quang rộng

Sơ đồ mô phỏng phát tín hiệu RZ 10Gb/s được thể hiện trong Hình 1.8

(a) Sơ đồ mô phỏng phát tín hiệu RZ 10Gb/s

(b) Phổ quang

Để cho phép truyền dẫn DWDM dựa trên định dạng tín hiệu RZ, quá trình lọc băng hẹp tại phía phát và phía thu là cần thiết Điều chế RZ là tốt hơn NRZ trong hệ thống WDM 10Gb/s đường dài, bởi vì nó có dung sai phi tuyến lớn hơn Độ dài truyền dẫn tối đa trong các hệ thống RZ bị giới hạn bởi tác động PMD bậc một và bậc cao hơn [13]

1.4.3 Một sô các thông số đánh giá chất lượng tín hiệu thu

Có nhiều cách để đánh giá chất lượng một tín hiệu quang Nhưng thông thường, người ta sử dụng 3 cách phổ biến là: Giản đồ mắt (Eye Diagram), xác suất bit lỗi (Bit

Error Rate - BER) và hệ số chất lượng tín hiệu (Q factor) Ba cách này sẽ được mô tả dưới đây

a Giản đồ mắt (Eye Diagram)

Giản đồ mắt là đồ thị biểu diễn sự chồng chập của tất cả các bit của tín hiệu (Trông giống hình dạng một mắt người nên gọi là đồ thị mắt)

Hình sau đây biểu diễn một đoạn tín hiệu quang ở các định dạng NRZ (Non Return to Zero) và RZ (Return to Zero) và Giản đồ mắt tương ứng (Hình mô phỏng bởi Optiwave, Optisystem)

Hình 1.9 Tín hiệu quang ở các định dạng NRZ (Non Return to Zero) và RZ

(Return to Zero) và Giản đồ mắt tương ứng

Giản đồ mắt thông thường được biểu diễn bằng tín hiệu điện bởi một "máy hiện sóng lấy mẫu" (sampling oscilloscope), sau khi đã chuyển tín hiệu quang thành điện nhờ một photodiode Do đó độ phân giải bị giới hạn bởi băng tần của photodiode và thiết bị điện phía sau, thường là đến 40 GHz (25 ps), hiện đã có thiết bị hỗ trợ 80 GHz (12.5 ps) Ngoài ra, hiện nay đã có những thiết bị lấy mẫu toàn quang (optical sampling) cho độ phân giải đến 1 ps

Giản đồ mắt cho phép ta quan sát thấy được tín hiệu (hình dưới, cột trái NRZ, cột phải RZ) và phán đoán chất lượng tín hiệu hạn chế bởi các hiện tượng như nhiễu biên độ (amplitude noise) (Hình 1.10 a & b), dịch thời gian (timing jitter) (Hình 1.10 c& d), và giao thoa giữa các bit (intersymbol interference) (Hình 1.10 e & f)

Hình 1.10 Phán đoán chất lượng tín hiệu dựa trên đồ thị mắt

Giản đồ mắt chỉ cho phép phân tích định tính, để phân tích định lượng chúng ta cần đo hệ số phẩm chất tín hiệu (Q factor) và tỉ lệ bit lỗi hay tỷ số lỗi bit (Bit Error Rate)

b Tỷ số lỗi bit (BER):

Tỷ số lỗi bit [2] là một trong những cách hiệu quả để đánh giá tín hiệu một cách định lượng Tỷ số lỗi bit là tỉ lệ bit bị lỗi trên tổng số bit truyền đi

Hầu hết các hệ thống thông tin sợi quang đạt được yêu cầu khi BER cỡ

Tỷ lệ lỗi bit BER được xác định như sau [2]:

BER = p(0)P(1/0) + p(1)P(0/1) (1.3)

Trong đó: p(0) là xác suất thu bit “0”, p(1) là xác suất thu bit “1”, P(0/1) là xác suất quyết định là bit “0” khi thu bit “1”, P(1/0) là xác suất quyết định bit “1” khi thu bit “0”

Vì trong luồng bit đến, xác suất xuất hiện bit “0” và bit “1” là tương đương nhau nên p(0) ≈ p(1) ≈ 0,5 Khi đó ta có thể viết như sau:

BER = ( ⁄ ) ( ⁄ )

(1.4)

Để xác định được hàm mật độ xác suất p(I) của giá trị mẫu I được thể hiện trên Hình 1.11

Hình 1.11 (a) Sự dao động của tín hiệu tại bộ thu; (b) Hàm mật độ xác suất của

erfc(x) =

√ ∫ ( )dy (1.7) Bằng cách thay phương trình (1.5) và (1.6) vào phương trình (1.4) ta có:

Q1 = Q0 = Q

Q = = và ID =

, (1.9) khi thì ID = , tức là ngưỡng quyết định được thiết lập tại điểm giữa của xung

Giá trị BER đạt được tính theo công thức :

BER = (

√ ) ≈ ( ⁄ )

√ , với Q =

(1.10)

Trong đó, Q là hệ số chất lượng tín hiệu (Q-factor), là hệ số tương đương với tỉ

lệ tín hiệu trên nhiễu (signal to noise ratio) của tín hiệu điện ở bộ thu sau khi được khuếch đại

Hệ số này thường được sử dụng khi mà xác suất lỗi bit quá nhỏ, không thể đo được Ví dụ: với tốc độ truyền là 10 Gbit/s, với xác suất lỗi là 10-10 thì phải đợi 10giây

để có 10 lỗi Ngoài hệ số Q biên độ, người ta còn định nghĩa hệ số Q thời gian Mô tả trong hình vẽ sau:

Hình 1.12 Mô tả hệ số Q theo thời gian

Ngoài các phương pháp đánh giá tín hiệu (tín hiệu truyền thông được mã hóa kênh truyền với các bit 0 và 1) quang như trên Chúng ta có các phương pháp để quan sát và đánh giá xung quang, theo cả cường độ và pha (hay chirp), như [5][6]: FROG (frequency-resolved optical gating), GRENOUILLE (Grating-eliminated no-nonsense observation of ultrafast incident laser light e-fields), FREAG (frequency-resolved electro-absorption gating), SPIDER (spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction) Đặc biệt là FROG có thể quan sát xung ở thang atto-giây (10-18

giây)

1.5 Các hệ thống thông tin sợi quang cơ bản

Hệ thống thông tin quang cơ bản được cấu trúc từ ba thành phần chính là sợi quang, thiết bị phát quang và thiết bị thu quang

1.5.1 Tuyến điểm – điểm

Các tuyến điểm - điểm hình thành nên hệ thống thông tin quang sợi đơn giản nhất bao gồm một bộ phát quang, một bộ thu quang và đường truyền dẫn sợi quang trong Hình 1.13 Các hệ thống này thiết lập cơ sở cho các cấu trúc hệ thống phức tạp hơn

Hình 1.13 Sơ đồ tuyến kết nối điểm – điểm

Tùy thuộc vào đặc tính nguồn tin đầu vào bộ phát quang là tương tự hay số

mà hệ thống có thể được phân loại thành hệ thống thông tin quang tương tự và hệ thống thông tin quang số Mặc dù mỗi loại hệ thống có những tính chất và các yêu cầu đặc thù riêng nhưng việc thiết kế tuyến kết nối điểm – điểm cho những hệ thống này vẫn có những quy tắc chung cần xem xét Quá trình thiết kế một tuyến thông tin quang điểm – điểm nói chung liên quan đến nhiều tham số đặc tính quan hệ với nhau nên việc phân tích và thiết kế tuyến thực tế có thể đòi hỏi quá trình lặp vài lần trước khi hoàn thành đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu đặt ra Vì các ràng buộc về hiệu năng

và chi phí là những yếu tố quan trọng trong các tuyến thông tin quang sợi nên thiết kế phải lựa chọn cẩn thận các thành phần hệ thống để đảm bảo mức hiệu năng mong muốn được duy trì trong suốt tuổi thọ dự kiến của hệ thống mà không xác định quá mức các đặc tính của các thành phần

Các yêu cầu cơ bản của hệ thống nói chung cần thiết cho việc phân tích tuyến

đó là:

- Khoảng cách truyền dẫn có thể (hoặc mong muốn)

- Tốc độ dữ liệu hoặc độ rộng băng tần của kênh truyền

- Tỉ số lỗi bít (BER) hoặc tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) yêu cầu

Để đáp ứng được các yêu cầu này, cần phải lựa chọn các thành phần và xem xét các đặc tính cơ bản liên quan như sau:

- Sợi quang đa mode hoặc đơn mode: các tham số cơ bản cần xem xét bao gồm kích thước lõi, mặt cắt chiết suất, độ rộng băng tần hoặc tán sắc, hệ số suy hao, khẩu

độ số hoặc đường kính trường mode

- Bộ phát quang sử dụng nguồn quang LED hoặc laser diode: các tham số cơ bản cần xem xét bao gồm bước sóng phát, độ rộng phổ, công suất phát xạ, diện tích phát xạ hiệu dụng, mẫu phát xạ và số lượng mode phát xạ

- Bộ thu quang sử dụng PIN hoặc APD: các tham số cơ bản cần xem xét bao gồm độ đáp ứng, bước sóng hoạt động, tốc độ và độ nhạy thu

Thông thường sẽ có hai phân tích cơ bản đó là quỹ công suất và quỹ thời gian lên để đảm bảo hiệu năng yêu cầu Tùy thuộc vào hệ thống thông tin quang là số hay tương tự, các yêu cầu về hiệu năng sẽ khác nhau Đối với hệ thống thông tin quang số yêu cầu hiệu năng cần đảm bảo là tỉ số lỗi bít, còn đối với hệ thống thông tin quang tương tự yêu cầu hiệu năng cần đảm bảo là tỉ số sóng mang trên nhiễu

Nguồn thông tin được khôi phục

Sợi quang Nguồn

thông tin

Bộ phát quang

Bộ thu quang

1.5.2 Hệ thống thông tin sợi quang tương tự

Hệ thống thông tin quang tương tự được sử dụng trong các mạng truyền hình cáp (CATV) và các hệ thống truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang (RoF) Hình 1.14 cho thấy các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin quang tương tự Bộ phát quang có thể sử dụng nguồn LED hoặc LD và cần chú ý xác định điểm định thiên để đảm bảo tại điểm giữa vùng điều chế tuyến tính Tín hiệu tương tự sau đó có thể điều chế sử dụng một số kỹ thuật trong đó kỹ thuật đơn giản nhất là điều chế cường độ trực tiếp Như vậy tín hiệu bản tin được phát trực tiếp ở băng gốc Một phương pháp hiệu quả hơn nhưng cũng phức tạp hơn là chuyển dịch tín hiệu băng gốc lên một sóng mang con điện trước khi điều chế cường độ nguồn quang Quá trình này có thể được thực hiện qua một số kỹ thuật cơ bản như điều chế biên độ (AM), điều tần (FM) hoặc điều pha (PM) Đối với quá trình điều chế tín hiệu tương tự, một số vấn đề cần chú ý đó là méo phi tuyến điều chế, nhiễu điều chế tương hỗ, nhiễu cường độ tương đối (RIN) trong laser và hiệu ứng xén của laser

Hình 1.14 Các phần tử cơ bản trong hệ thống thông tin sợi quang tương tự

Đối với kênh sợi quang, do sự ảnh hưởng của tán sắc gây ra sự phụ thuộc của biên độ, pha và độ trễ nhóm vào tần số nên phải đảm bảo băng tần tín hiệu truyền qua sợi có đáp ứng trễ nhóm và biên độ phẳng để tránh méo tuyến tính

Trong phân tích hiệu năng các hệ thống tương tự, thường tính tỉ lệ công suất sóng mang hiệu dụng trên công suất nhiễu hiệu dụng tại đầu vào bộ thu RF ngay tiếp sau quá trình tách sóng quang Tham số này gọi là tỉ số sóng mang trên nhiễu (Carrier

to noise ratio - CNR)

Đối với dữ liệu số sử dụng khóa dịch tần (FSK), biên độ sóng mang duy trì không đổi nhưng pha sóng mang sẽ dịch từ một tần số này đến một tần số khác để đặc trưng cho các tín hiệu nhị phân Để đáp ứng yêu cầu BER là 10-9

và 10-15 trong trường hợp này thì cần giá trị CNR tối thiểu tương ứng là 36 (15.6 dB) và 64 (18 dB)

Đối với dữ liệu tương tự, phân tích sẽ phức tạp hơn vì phụ thuộc vào mức độ cảm nhận chất lượng tín hiệu của người sử dụng Nếu sử dụng điều chế biên độ (AM)

Đến bộ thu RF

Tín hiệu điện, tương

Kênh sợi quang

Khuếch đại quang

Bộ thu quang

thì sẽ đòi hỏi một CNR cỡ 56 dB vì nhu cầu cho hiệu quả băng thông dẫn đến một tỉ

lệ CNR cao Nhưng trong điều chế tần số (FM) chỉ yêu cầu CNR cỡ 15 – 18 dB

1.5.3 Hệ thống thông tin sợi quang số

Hình 1.15 Các phần tử cơ bản trong hệ thống thông tin sợi quang số

Hệ thống thông tin sợi quang số là hệ thống phổ biến hiện nay sử dụng trên các cấu trúc mạng thông tin Trong hệ thống thông tin quang số, định dạng điều chế có ý nghĩa quan trọng để đảm bảo bộ thu có thể tách được thông tin định thời chính xác từ tín hiệu quang thu được Kiểu điều chế sử dụng phổ biến hiện nay là điều chế cường

độ (IM) trong đó các bít nhị phân đặc trưng bởi sự thay đổi cường độ quang đầu ra

Để đảm bảo khả năng tách định thời cho quá trình đồng bộ trong hệ thống thông tin quang số, mã đường truyền sẽ được sử dụng Mục đích chính của việc định thời là để đồng bộ luồng dữ liệu số tại đầu thu và cho phép lấy mẫu tín hiệu tại thời điểm mà tỉ số tín hiệu trên nhiễu đạt cực đại Việc sử dụng mã đường truyền ngoài việc đảm bảo dễ tách tín hiệu định thời thì còn có chức năng giảm thiểu lỗi nhờ đưa thêm các bit dư vào chuỗi bít dữ liệu Tuy nhiên việc đưa thêm bít dư cũng đồng nghĩa làm tăng tốc độ truyền dẫn của dữ liệu hay độ rộng băng tần của tín hiệu Nếu

độ rộng băng tần càng lớn thì đóng góp nhiễu càng nhiều Do vậy thường có sự bù trừ giữa khả năng tách định thời và độ rộng băng tần nhiễu của một mã đường cụ thể

1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin sợi quang

Có 3 yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn trong sợi quang: Suy hao, tán sắc, các hiệu ứng quang phi tuyến Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng khác nhau:

Đối với hệ thống truyền dẫn cự ly ngắn thì chỉ quan tâm đến suy hao

Đối với hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì cần quan tâm suy hao và tán sắc

Đối với hệ thống cự ly dài, dung lượng rất lớn ngoài 2 yếu tố trên còn có thêm các hiệu ứng quang phi tuyến:

a Suy hao: được đặc trưng bởi hệ số suy hao α (dB/Km) được tính bằng công thức: Pin= Pout e-αL

Các nguyên nhân chính gây ra suy hao là do hấp thụ ( hấp thụ vật liệu, hấp thụ tạp chất, hấp thụ điện tử), do tán xạ tuyến tính ( tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie) và do uốn

cong khi vận hành sử dụng

b Tán sắc : trong sợi quang những tần số ánh sáng khác nhau và những mode khác nhau cần thời gian khác nhau để truyền một đoạn từ A đến B, đây chính là hiện tượng tán sắc nó dẫn đến sự co giãn xung trong truyền dẫn quang dẫn đến giảm khoảng cách truyền dẫn

Trong sợi quang đơn mode có 2 loại tán sắc chính: tán sắc sắc thể ( gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng) và tán sắc phân cực mode PMD

c Các hiệu ứng quang phi tuyến : là các hiệu ứng quang mà các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng

Hiệu ứng phi tuyến quang có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên đến 2.5Gbps Tuy nhiên ở tốc độ cao từ 10Gbps trở lên việc xét các hiệu ứng phi tuyến rất quan trọng Các hiệu ứng quang phi tuyến có thể chia làm 2 loại:

+ Loại thứ nhất sinh ra do tác động qua lại giữa sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử) trong môi trường silica Hai hiệu ứng chính trong loại này là tán

xạ do kích thích Brillouin (SBS) và tán xạ do kích thích Raman (RSR)

+ Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động Các hiệu ứng quan trọng trong loại này là hiệu ứng tự điều pha SPM (Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM (Cross-Phase Modulation) và hiệu ứng trộn 4 bước sóng FWM (Four-Wave Mixing)

1.6 Kết luận

Hệ thống thông tin sợi quang với dung lượng 10Gb/s/bước sóng chủ yếu sử dụng định dạng điều chế NRZ và RZ trong truyền dẫn, phổ hẹp của tín hiệu NRZ mang lại hiệu quả tốt hơn trong hệ thống WDM đa bước sóng, tận dụng tốt hơn băng tần hệ thống Tuy nhiên, do dung sai tán sắc cao hơn sẽ gây ảnh hưởng đến hệ thống WDM có số kênh quá lớn và tốc độ bit cao trên mỗi kênh Các hệ thống thông tin quang được xem là hoạt động tốt nếu tỷ số lỗi bit (BER) đạt 10-9

Chương 1 đã trình bày về lịch sử phát triển, tầm quan trọng của hệ thống thông tin quang trong mạng viễn thông, và đồng thời nêu lên các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi, các hệ thống thông tin quang cơ bản cũng được giới thiệu

CHƯƠNG 2 CÁC HIỆU ỨNG QUANG PHI TUYẾN

2.1 Giới thiệu

Các tương tác quang phi tuyến đã được khai thác để điều khiển và xử lý thông tin của tín hiệu dữ liệu quang Ảnh hưởng phi tuyến tính Kerr có thời gian đáp ứng femto giây và có thể trộn và tách các tín hiệu quang trên băng thông THz Do đó, chúng được coi là một công nghệ hỗ trợ để xử lý tín hiệu toàn quang Nội dung chương này giới thiệu các hiệu ứng quang phi tuyến như hiệu ứng tán xạ kích thích, hiệu ứng điều chế pha phi tuyến, và hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM

2.2 Các hiệu ứng quang phi tuyến

Đáp ứng của bất kỳ môi trường điện môi như sợi quang trở nên phi tuyến trong điều kiện cường độ trường điện từ mạnh Khi đó độ phân cực điện trường của vật liệu không còn quan hệ tuyến tính mà được khai triển như sau [1]:

( ) ( ) ( ) (2.1) Trong đó χ(n) là độ cảm ứng điện bậc n tại tần số quang Trong các sợi thủy tinh,

độ cảm ứng bậc hai bằng 0 vì tính đẳng hướng quang Do đó độ cảm ứng bậc ba χ(3)

chịu trách nhiệm cho các hiệu ứng phi tuyến xảy ra trong sợi quang Có hai loại hiệu ứng phi tuyến chính có thể xảy ra trong sợi quang:

- Tán xạ kích thích bao gồm tán xạ Brillouin kích thích và tán xạ Raman kích thích liên quan đến phần ảo của độ cảm bậc ba χ(3)

- Các hiệu ứng phi tuyến liên quan đến chiết suất phi tuyến bao gồm hiệu ứng

tự điều chế pha, điều chế pha chéo và trộn bốn sóng Chiết suất phi tuyến có thể được biểu thị theo phần thực của độ cảm bậc ba χ(3)

Trong các điều kiện hoạt động thông thường, các hiệu ứng phi tuyến là rất nhỏ

có thể bỏ qua Tuy nhiên các tham số sợi quang quan trọng có thể tăng cường các hiệu

ứng phi tuyến đó là diện tích lõi hiệu dụng A eff và chiều dài hiệu dụng L eff

Diện tích hiệu dụng được định nghĩa như là diện tích của lõi nếu cường độ

quang được phân bố đều trên đó và bằng không ngoài diện tích đó Diện tích A eff quan

hệ với cường độ tín hiệu quang như sau [1]:

{∫ | ( )| }

∫ | ( )| (2.2)

Nếu trường quang có dạng phân bố Gauss thì diện tích hiệu dụng được xác định

bởi công thức Aeff = πω 2 , trong đó ω là bán kính trường mode

Độ dài hiệu dụng Leff được định nghĩa là độ dài mà tín hiệu lan truyền với biên

độ không đổi và bằng không sau đó Độ dài L eff được xác định bởi [1]:

là các phonon quang tham gia tán xạ Raman, còn các phonon âm tham gia tán xạ Brillouin Cả hai quá trình tán xạ gây ra tổn hao công suất tại tần số tới Tuy nhiên do mặt cắt tán xạ nhỏ tại mức công suất thấp nên mức tổn hao có thể bỏ qua

Ở mức công suất cao cả hai SBS và SRS trở nên quan trọng Cường độ ánh sáng tán xạ cả hai trường hợp đều tăng theo hàm mũ khi công suất tới lớn hơn một giá trị ngưỡng Cả hai đều giống nhau về nguồn gốc nhưng có các hệ thức tán sắc khác nhau cho các phonon âm và phonon quang dẫn đến sự khác biệt hai quá trình trong sợi quang:

 SBS chỉ xảy ra theo chiều ngược, còn SRS có thể xảy ra ở cả hai chiều;

 Ánh sáng tán xạ bị dịch tần khoảng 10 GHz ở SBS nhưng tới 13 THz ở SRS;

 Phổ khuếch đại Brillouin rất hẹp (băng tần < 100 MHz) so với phổ khuếch đại Raman có thể mở rộng trên 20 – 30 THz

2.3.1 Tán xạ Brillouin kích thích

Quá trình vật lý của tán xạ Brillouin là xu hướng của vật liệu trở nên bị nén khi

có mặt của điện trường, một hiện tượng gọi là điện giảo Đối với một điện trường dao

động tại tần số bơm ωp, quá trình này sinh ra một sóng âm tại tần số Ω Tán xạ

Brillouin tự phát có thể được xem như là sự tán xạ của sóng bơm từ sóng âm này tạo ra

một sóng mới tại tần số ω s Quá trình tán xạ phải bảo toàn cả về năng lượng và xung

lượng Sự bảo toàn năng lượng đòi hỏi sự dịch Stokes Ω bằng ω p - ω s Sự bảo toàn

xung lượng đòi hỏi rằng các vectơ sóng thỏa mãn k A = k p - k s Sử dụng hệ thức tán sắc

|k A |= Ω/v A trong đó vA là vận tốc âm, điều kiện này xác định tần số âm như sau [1]:

Ω = |k A | v A ≈ 2v A |k p |sin(/2) (2.4)

trong đó |k p |= |k s | đã được sử dụng và  đặc trưng cho góc giữa sóng bơm và sóng

tán xạ Lưu ý rằng Ω triệt tiêu theo chiều thuận ( = 0) và lớn nhất ở chiều ngược (

= π) Trong các sợi đơn mode, ánh sáng có thể chỉ truyền theo chiều thuận và chiều

ngược Do vậy, SBS chủ yếu xảy ra theo chiều ngược với sự dịch tần Ω B = 2v A |k p | Sử

dụng k p = 2π ̅ ⁄ λ p với λ p là bước sóng bơm, độ dịch tần Brillouin được xác định bởi [1]:

Khi sóng tán xạ được sinh ra tự phát, nó sẽ có thể tăng cường biên độ sóng âm

và lần lượt đến sóng tán xạ theo dạng vòng lặp hồi tiếp dương khi công suất quang bơm lớn hơn một ngưỡng xác định SBS có nguồn gốc từ quá trình hồi tiếp dương này

và có thể truyền tất cả công suất từ nguồn bơm cho sóng tán xạ Hệ số khuếch đại SBS

g B phụ thuộc vào tần số vì thời gian tắt dần hữu hạn của sóng âm T B (thời gian sống

của các phonon âm) Nếu các sóng âm suy giảm theo exp(− t ⁄ TB ), hệ số khuếch đại Brillouin có mặt cắt phổ dạng Lorentz xác định bởi [1]:

( ) ( )

( ) (2.6)

Hình 2.1 cho thấy phổ khuếch đại Brillouin tại λp = 1,525µm cho ba loại sợi

quang thủy tinh đơn mode khác nhau Cả hai sự dịch tần Brillouin vB và độ rộng băng

tần khuếch đại ∆vB có thể biến đổi từ sợi này sang sợi khác vì bản chất dẫn sóng của ánh sáng và sự có mặt của các chất pha tạp trong lõi sợi Giá trị hệ số khuếch đại Brillouin đỉnh xảy ra khi Ω = ΩB và phụ thuộc vào các tham số vật liệu khác như mật

độ hạt và hệ số quang đàn hồi Mức ngưỡng công suất của SBS được xác định thỏa mãn điều kiện [1]:

2.3.2 Tán xạ Raman kích thích

Tán xạ Raman tự phát xảy ra trong sợi quang khi sóng bơm bị tán xạ bởi các phân tử SiO2, được thể hiện qua giản đồ mức năng lượng cho trong Hình 2.2 Một số các photon bơm giải phóng năng lượng để tạo ra các photon khác có năng lượng nhỏ hơn tại tần số thấp hơn, phần năng lượng còn lại bị hấp thụ bởi các phân tử thủy tinh tạo ra trạng thái dao động kích thích Sự khác biệt quan trọng với tán xạ Brillouin là các mức năng lượng dao động của thủy tinh chỉ ra giá trị dịch tần Raman ΩR = ωp −

ωs Vì không liên quan đến sóng âm nên tán xạ Raman tự phát là một quá trình đẳng hướng hay xảy ra ở mọi hướng

Giản đồ mức năng lượng trong quá trình SRS [1]

Tương tự với SBS, quá trình tán xạ Raman bị kích thích khi công suất bơm vượt quá một giá trị ngưỡng SRS có thể xảy ra ở cả chiều thuận và chiều ngược trong sợi quang Về mặt vật lý, sự phách giữa nguồn bơm và ánh sáng tán xạ theo cả hai

chiều tạo ra một thành phần tần số tại tần số phách ωp − ω s, hoạt động như một nguồn

kích thích các dao động phân tử sinh ra sự hồi tiếp dương Phổ khuếch đại Raman phụ thuộc vào thời gian tắt dần cùng với trạng thái dao động kích thích Đối với sợi quang thủy tinh, độ rộng băng tần khuếch đại có thể lớn hơn 10 THz như cho thấy trong Hình 2.2 Bản chất băng rộng và nhiều đỉnh của phổ là do bản chất vô định hình của thủy tinh Cụ thể hơn, các mức năng lượng dao động của các phân tử thủy tinh gộp lại với nhau hình thành một dải băng Kết quả là tần số Stokes ωs có thể khác với tần số bơm

ωp trên một dải rộng Hệ số khuếch đại lớn nhất xảy ra khi sự dịch Raman Ω R = ω p −

ω s khoảng 13 THz Giá trị đỉnh gR là khoảng 1x10-13 m/W tại bước sóng 1 µm Giá trị

này định cỡ tuyến tính theo ω p sinh ra g R ≈ 6x10–13 m/W tại 1,55µm Mức ngưỡng

công suất P th được xác định như là công suất tới tại đó một nửa công suất bơm được truyền cho trường Stokes tại đầu ra sợi quang có độ dài L như sau [1]:

g R P th L eff / A eff ≈ 16 (2.8)

Nếu Aeff = 50 µm2 và α = 0,2 dB/km, P th sẽ khoảng 570 mW ở gần 1,55 µm

Cả hai hiệu ứng SBS và SRS đều có thể ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang, đặc biệt trong hệ thống đa kênh gây ra xuyên nhiễu, nhưng cũng có thể được sử dụng để thiết kế các bộ khuếch đại quang sợi trong hệ thống

2.4 Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến

Các hiệu ứng điều chế pha phi tuyến sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ tín hiệu quang Nguồn gốc vật lý của hiệu ứng này nằm ở đáp ứng phi điều hòa của các điển tử đối với trường quang sinh ra cảm ứng điện phi tuyến Chiết xuất của sợi thủy tinh bao gồm cả thành phần phi tuyến được xác định như sau [1]:

n' j = n j + ̅2 (P/A eff ), j = 1, 2, (2.9) Trong đó ̅2 là hệ số chiết suất phi tuyến, P là công suất quang và A eff là diện tích hiệu dụng Giá trị của ̅2 khoảng 2,6x10-20 m2/W đối với sợi thủy tinh và có thể biến đổi theo các tạp chất được sử dụng trong lõi sợi Vì giá trị khá nhỏ của ̅2 nên phần chiết suất phi tuyến rất bé (< 10-12 ở mức công suất 1 mW) Tuy vậy nó vẫn tác động lên hệ thống thông tin quang sợi ở các tuyến khoảng cách lớn Cụ thể nó dẫn tới các hiệu ứng tự điều chế pha và điều chế pha chéo

2.4.1 Quá trình tự điều chế pha

Ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến có thể được xem xét qua sự phụ thuộc của hằng số lan truyền vào công suất quang như sau [1]:

Trong đó γ = 2π ̅ 2 ⁄ (A eff λ) là hệ số phi tuyến có giá trị thường trong dải từ 1

đến 5W-1/km phụ thuộc vào giá trị A eff và bước sóng Pha của tín hiệu quang tăng tuyến tính theo z, nhưng số hạng γ sẽ tạo ra sự dịch pha phi tuyến xác định bởi [1]:

NL = ∫ ( β' - β)dz = ∫ (z)dz = γP in L eff (2.11)

Trong đó P(z) = P in exp(-αz) giải thích cho suy hao sợi quang Trong hệ thống

thực tế, Pin thay đổi theo thời gian làm cho NL cũng biến đổi theo thời gian theo cùng dạng tín hiệu quang Vì điều chế pha phi tuyến này do chính bản thân tín hiệu gây ra nên được gọi là tự điều chế pha (SPM) SPM gây ra sự chirp tần tỉ lệ với đạo hàm

dPin⁄dt và phụ thuộc vào dạng xung Hình 2.3 cho thấy sự biến đổi dịch pha phi tuyến

và chirp tần của xung khi γP in L eff = 1 trong các trường hợp xung Gauss (m = 1) và xung siêu Gauss (m = 3) Chirp tần gây ra bởi SPM sẽ mở rộng phổ và tác động đến dạng xung thông qua tán sắc vận tốc nhóm GVD Để SPM không ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang, cần thiết giữ NL ≪ 1 (mức cho phép lớn nhất có thể bằng 0,1) Trong tán sắc màu, các bước sóng khác nhau (các tần số) lan truyền theo các vận tốc khác nhau Rõ ràng SPM gây ra giãn xung thông qua tán sắc màu Cần lưu ý một ưu điểm của SPM là: khi công suất lan truyền cao, ở khoảng đầu sợi quang, SPM có thể nén xung Tuy nhiên khi xung lan truyền xa hơn, xung sẽ bị giãn nhiều hơn, hiện tuợng nén xung này có thể sử dụng để bù tán sắc

Hình 2.3 Sự biến đổi theo thời gian gây ra bởi SPM: (a) độ dịch pha  NL và (b) độ chirp tần cho các xung Gauss (đường đứt nét) và siêu Gauss (đường liền) [1] 2.4.2 Quá trình điều chế pha chéo

Sự phụ thuộc chiết suất vào cường độ quang cũng có thể dẫn tới một hiện tượng phi tuyến khác gọi là điều chế pha chéo (XPM) Quá trình xảy ra khi hai hoặc nhiều hơn một kênh bước sóng được phát đồng thời trong sợi quang Trong các hệ thống như vậy, sự dịch pha phi tuyến của một kênh xác định không chỉ phụ thuộc vào công suất của kênh đó mà còn phụ thuộc vào công suất của các kênh khác Độ dịch pha của kênh thứ j sẽ là [1]:

 ( )( ) (2.13)

Nó rất khó để ước tính tác động của XPM lên hệ thống thông tin quang sợi vì

sự có mặt của GVD Thực tế các xung ở các kênh bước sóng khác nhau lan truyền ở tốc độ khác nhau do tán sắc Sự dịch pha do XPM chỉ xảy ra khi hai xung xếp chồng nhau về mặt thời gian Nếu các kênh cách xa nhau thì chúng xếp chồng trong thời gian rất ngắn nên XPM có thể bỏ qua Còn nếu không các xung ở các kênh lân cận sẽ có thể xếp chồng nhau đủ dài để hiệu ứng XPM tích lũy ảnh hưởng đến hệ thống