MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ TRONG TRUYỄN DẪN QUANG TỐC ĐỘ 40Gb/s.

Cho việc thựchiện các hệ thống truyền dẫn với tốc độ dữ liệu kênh lớn hơn 10Gb/s, điều chế ngoài Hình 1.1.1: Thiết lập bộ phát quang điều chế ngoài thể hiện một giải pháp tốt hơn bởi vì

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ TRONG

TRUYỄN DẪN QUANG TỐC ĐỘ 40Gb/s.

Sự phức tạp của thiết kế hệ thống truyền dẫn quang có thể được xem như là hệquả của số các thành phần rộng lớn với các đặc tính hoạt động và các thông số khácnhau Việc diễn giải quá trình tương tác giữa các nhiễu loạn và tín hiệu quang là mộtvấn đề nan giải Giải pháp cho vấn đề này phụ thuộc trên mối liên hệ giữa các thông số

hệ thống khác nhau Để đạt được kết quả gần đúng cho tối ưu hoá thiết lập hệ thống vàkhởi nguồn từ vai trò thiết kế cần phải đưa vào tính toán các hiệu ứng tác động qua lạidiễn ra trong mỗi thành phần Các thành phần hệ thống cần thiết thực hiện trên mộttuyến truyền dẫn quang là được trình bày trong phần này Chúng được phân chia vào

ba nhóm: Bộ phát quang, Tuyến truyền dẫn và Bộ thu quang Nguyên lý hoạt động vàcác kỹ thuật state-of-the-art là được giới thiệu như là các mô hình toán học của cácthành phần truyền dẫn thông thường sử dụng cho việc nghiên cứu triển khai bằngphương pháp số

1.1.1 BỘ PHÁT TÍN HIỆU QUANG.

Vai trò và việc thực hiện của các bộ phát quang càng trở nên quan trọng với việcgia tăng tốc độ dữ liệu kênh trong hệ thống Trong khi các bộ phát quang trong cáckênh tốc độ thấp là ít phức tạp và dễ dàng thực hiện bằng phương pháp điều chế lasertrực tiếp, việc thực hiện trở nên phức tạp hơn khi tăng tốc độ dữ liệu, vì vậy yêu cầucác thành phần quang và điện của hệ thống phải được nâng lên Các bộ phát quangtruyền thống như hình 1.1.1, Cần cấp thiết điều chế biên độ/cường độ của ánh sánglaser tốt hơn được biết như OOK, bởi vì các mức tín hiệu khác nhau cho các dấu vàkhoảng cách là được mô tả bởi sự hiện diện của công xuất quang Điều chế biên độ cóthể thực hiện trực tiếp hoặc điều chế ngoài (giám tiếp) của diode laser Cho việc thựchiện các hệ thống truyền dẫn với tốc độ dữ liệu kênh lớn hơn 10Gb/s, điều chế ngoài

Hình 1.1.1: Thiết lập bộ phát quang điều chế ngoài

thể hiện một giải pháp tốt hơn bởi vì nó làm cho tác động của chirp nội laser lên tínhiệu quang suy giảm rất hiệu quả, nhưng tăng tính phức tạp của bộ phát quang, nó làđược thực hiện bởi sự điều chế ánh sáng laser trong một bộ điều chế ngoài Điều này

và được điều khiển bởi tín hiệu điện tương ứng với tốc độ dữ liệu kênh Phụ thuộc vào

tín hiệu điều khiển điện và chế độ hoạt động của bộ điều chế ngoài, sự khác biệt cácđịnh dạng điều chế AM có thể được thực hiện (phần 1.2)

1.1.1.1 Mô hình Laser diode.

Điều chế trực tiếp laser là phương pháp đơn giản nhất để phát xung quang Trong

trường hợp điều chế cường độ (IM), dòng điện phát của nguồn laser là được điều chếvới một tín hiệu điện dẫn đến điều chế trực tiếp công suất quang của nguồn laser Bêncạnh điều chế AM thuần tuý của công suất laser, xảy ra mức độ thay đổi phụ thuộc thờigian không mong muốn tần số laser, do khả năng đáp ứng tính đột biến cao của laser

theo thời gian của độ lệch phaL từ pha không L,0:

Đáp ứng thời gian động này được gọi là chirp laser Chirp laser có thể được diễn giảibởi hiệu ứng phần tử mang điện tích: Sự biến đổi của dòng điện phun gây một sự thayđổi số mang điện tích trong phạm vi vùng laser hoạt động Số mang điện tích xác địnhchỉ số khúc xạ hiệu dụng của laser Điều chế dòng điện phun nguyên nhân bởi điều chếchỉ số khúc xạ laser đưa đến điều chế pha và tần số của ánh sáng laser Theo đó chirplaser không rõ ràng trong hình dạng của xung quang được điều chế AM Nhưng nóbiểu lộ trong sự dãn rộng phổ tín hiệu quang Việc gây ra chirp tuyến tính nguyên nhân

do sự tập hợp lại của các thành phần phổ đang tồn tại Chirp laser của laser bán dẫn có

đưa ra:

bộ điều chế hấp điện (EAM) InP Trong phương pháp phát tín hiệu này, nguồn laser

các bộ bơm CW là được thực hiện với laser DFB Đặc điểm chính của laser là tỷ lệ nénmode biên cao (>50dB) cho phép hoạt động ổn định mode đơn, độ rộng phổ nhỏ(0,8…10MHz) và công suất quang ra lớn (10…40mW) Các quá trình vật lý và cácthông số diễn giải cách hoạt động của laser có thể được làm mẫu hiệu quả sử dụng môhình laser được đề xuất Cần xem xét đến nhiễu pha của laser nhưng có thể bỏ quanhiễu cường độ Tín hiệu đầu ra của laser là được cho bởi :

Với (1.1.4)

Ở đây : P 0 -là công suất quang được phát ra, ω 0-là tần số laser,  -là pha tín hiệu quang,

∆ΦΦ -là sự thay đổi pha trong khoảng thời gian ∆Φt, ∆Φν -là độ rộng băng tần quang x

diễn giải phân bố Gaussian với <x 2 >=1 và giá trị trung bình <x>=0.

1.1.1.2 Bộ điều chế Mach-Zehnder.

Nguyên lý hoạt động của MZM là dựa cơ sở trên hiệu ứng điện-quang, chúng

số khúc xạ trong các nhánh được điều chế gây ra sự thay đổi hằng số lan truyền vật

liệu β dẫn đến các pha khác nhau trong hai nhánh điều chế Tín hiệu quang đưa vào E 0

Hình 1.1.2: Nguyên lý điều chế Mach-Zehnder ; a) Cấu trúc b) Chức năng truyền dẫn

(1.1.5)

Với: (1.1.7)Phụ thuộc vào sự khác biệt pha ∆Φ giữa các nhánh MZM có thể có hoặc không có cấu

của MZM là:

được mô tả bởi công suất phụ thuộc trên sự khác biệt pha ∆Φ Bởi vậy ∆Φ diễn giải

các đặc tính hoạt động (bias-point) của MZM MZM thông thường là được phân cực(bias) tại điểm cầu phương “quadrature” ∆Φ=π/2, trong khi phân cực tại điểm “zero”

một trường điện được đưa vào tại MZM, ∆Φ có thể được xác định như :

(1.1.9)

biên độ trong MZM xảy ra cùng bởi một sự điều chế pha Chúng đưa đến một chirpđiều chế nội được cho bởi:

(1.1.10)

Với α (α-thông số của MZM) xác định số lượng và dấu của chirp tần số Bởi một sự kết hợp của thông số α và chức năng chuyển đổi MZM, giá trị khác biệt của chirp nội

có thể được thực hiện Nếu thông số α là dương, chirp tần số là dương tại sườn chínhcủa xung, dẫn đến dịch tần số (blue-shift) thông số α là được xác định như:

trình 1.1.11 diễn giải bản chất đối xứng của chức năng điều chế và số hạng thứ hai diễngiải α phụ thuộc điểm hoạt động (hình 1.1.2) Phần thực của phương trình 1.1.11 cũng

được biết như là tham số chirp δ:

(1.1.12)Chirp nội của MZM có thể được sử dụng để giảm tán sắc nguyên nhân gây ra penaltytrong tuyến truyền dẫn, bởi vậy chirp nội điều chế phải có dấu đối xứng để chirp nộilàm suy giảm tán sắc Gía trị chirp điển hình α cho MZM là 0.7 hoặc -0.7 Điều chếngoài MZM 40Gb/s là được mô tả bởi tỷ lệ phân biệt lớn (15-25dB), tổn hao xen thấp(<6dB) và băng tần tương đối lớn (>20GHz) Trở ngại của MZM là luôn luôn phụthuộc vào sự phân cực mạnh của thiết bị, với hệ quả là sợi quang duy trì phân cực

1.1.1.3 Bộ điều chế hấp thụ điện tử EAM.

Thuận lợi quan trọng nhất của bộ điều chế EAM, được so sánh tới MZM là EAMđược chế tạo trong cùng một quá trình với laser bán dẫn và có thể là đơn khối đượctích hợp cùng với một nguồn laser trên Chip đơn Các EAM ban đầu còn được gọi làđiều chế tổn hao, bởi vì hoạt động của chúng là dựa trên cơ sở hiệu ứng hấp thụ của vậtliệu bán dẫn Các đặc điểm điều chế của EAM có thể thực hiện bởi hai cơ cấu vật lý cơ

Hình 1.1.3: Nguyên lý điều chế hấp thụ điện EAM:

a) Nguyên lý hoạt động b) Đáp ứng điều chế khác nhau giữa các khái niệm MZM.

Hiệu ứng Franz Kaldysh tham chiếu tới độ biến đổi của hệ số hấp thụ của môi trườngbán dẫn lớn bằng cách đưa vào một trường điện Nếu không có điện trường đưa vào,khe năng lượng giữa vùng hóa trị và vùng dẫn là lớn đó là năng lượng photon Ep.Trong trường hợp này ánh được đưa vào và toàn bộ đi qua cấu trúc EAM Nếu có mộttrường điện được đưa vào, khe năng lượng giữa các vùng co lại và xảy ra hấp thụ ánhsáng đi vào Vì vậy, điều chế biên độ của ánh sáng laser là được thực hiện bởi độ biếnđổi của trường điện qua EAM Để mà thực hiện EAM cơ sở FKE, vật liệu là được sửdụng với khe vùng năng lượng lớn hơn một năng lượng ánh sáng Từ đó hệ số hấp thụ

EAM có thể được thay đổi đáng kể bởi các trường điện được đưa vào, cơ cấu này chođiều chế ngoài khá hiệu quả và nhanh EAM ban đầu được chế tạo bởi công nghệ này.Hiệu ứng QCSE xảy ra trong Quantum-wells, chúng được thực hiện như là một sự kếthợp của hai vật liệu khác nhau (VD: InGaAs và Inp), dải năng lượng của chúng từ mộtquantum-well bằng không gian xếp chồng của các vùng hóa trị có thể được cải thiệnbằng cách sử dụng các cấu trúc nhiều quantum-well Ánh sáng đi vào trong một

vùng dẫn Electron này tương tác với một lỗ trống tạo nên vùng hóa trị trong một trạngthái kích thích Đặc tính cơ bản của trạng thái kích thích là đỉnh hấp thụ đột ngột tạibước sóng ngắn hơn Bằng cách đưa vào một trường điện tới các MQW-EAM, đỉnhkích thích là được dịch tới bước sóng dài hơn và nó bị nới rộng, dẫn đến một hệ số hấpthụ lớn trong các MQW-EAM là từ 5 tới 10 lần các FKE-EAM và kết quả là có một tỷ

lệ phân biệt tốt hơn

Sự tiện lợi của EAM 40Gb/s là có khả năng tích hợp với laser DFB, tỷ lệ phân biệt caotại điện áp đỉnh-tới-đỉnh nhỏ và một băng tần lớn (>40GHz) Băng tần điều chế có thểđược cải thiện hơn bởi một số cấu trúc EAM đặc biệt (VD: traveling-wave EAM) chophép băng tần >50GHz và một sự liên hệ nâng cấp cải thiện tốc độ Trái ngược với cácMZM, chúng có thể được chế tạo không ràng buộc chirp, chirp điều chế của các EAMnguyên nhân bởi sự biến đổi chỉ số lan truyền do bởi sự biến đổi của hệ số hấp thụ làlớn và gây ra các sự dịch bước sóng trên sườn lên và sườn xuống của các xung quang.Chirp EAM có thể được sử dụng để loại bỏ tác động tán sắc trong sợi quang Trở ngạicủa các EAM là tổn hao thiết bị lớn (>12dB) gây ra bởi hệ số suy hao lớn của vật liệuEAM (15 đến 20dB/mm)

1.1.2 SỢI QUANG.

Sự truyền lan của trường quang trong sợi quang có thể được diễn giải bởi phương các trình Maxwell sau:

(1.1.13) (1.1.14)

.D = ρ f

(1.1.15)

.B = 0(1.1.16)

Ở đây: E và H là vec-tơ điện trường và từ trường, D và B là mật độ điện trường và mật

nguyên nhân bởi sự truyền lan của E và H trong môi trường:

D = 0E + P (1.1.17)

B = 0H + M (1.1.18)

phân cực từ trường và điện trường gây ra Sử dụng phương trình Maxwell, sự truyềnlan của ánh sáng trong sợi quang có thể được diễn giải như sau:

(1.1.19)

P là phân cực của môi trường, nó phụ thuộc vào điện trường và trong môi trường phituyến yếu và nó được diễn giải bởi đa thức Taylor:

(1.1.20)

Ở đây: (i)i)) là độ nhạy cảm của môi trường, (i)1) là độ nhạy cảm tuyến tính diễn giải

tensors bậc 2 và bậc 3-(i)2,3) Chúng xác định biểu hiện phi tuyến của môi trường (i)2) cóthể được bỏ qua trong sợi quang bởi vì sự nghịch đảo đối xứng tại mức phân tử Vìvậy, (i)3) tác động phi tuyến chủ yếu trong sợi quang Phần thực của (i)3) là đáp ứng chohiệu ứng Kerr (phần 1.1.3.1) và phần ảo cho quá trình bị kích thích (phần 1.1.3.2).Xem xét đến sự truyền lan ánh sáng theo phân cực-x trong hướng z, điện trường của tínhiệu là được cho bởi:

Ở đây: F(x,y) là sự phân bố của các mode sợi quang cơ bản, A(z,t) là biên độ trường, 0 là

Từ phương trình 1.1.19, phương trình truyền lan vô hướng có thể được suy ra phương

Ở đây:  thể hiện cho sự suy giảm của sợi quang, T là được đo với hệ qui chiếu dịch

trái của của phương trình 1.1.23 diễn giải giới hạn lan truyền trong sợi quang và đượcchia vào hai nhóm: Nhóm một có tính chất tuyến tính (attenuation và GVDs) và nhómhai có tính chất phi tuyến (self-steepening, hiệu ứng Kerr, SRS) Trong các phần sau,các hiệu ứng đó sẽ được giải thích rõ ràng hơn Self-steepening là hiệu ứng phi tuyếnbậc cao hơn, nguồn gốc của chúng là phụ thuộc vào tốc độ nhóm, từ đó nó chỉ xảy racho các xung quang cực ngắn với độ rộng <1 ps Do vậy nó sẽ được bỏ qua trong các

hệ thống quang tốc độ 40Gb/s

1.1.2.1 Một số đặc điểm sợi quang.

Các đặc điểm tuyến tính sợi quang bao gồm suy hao sợi quang, tán sắc (GVD) vàtán sắc mode phân cực (PMD) Trong hệ thống thông tin quang, phần lớn cách thể hiệncủa các đặc điểm này trong vùng truyền dẫn công suất thấp và tương tác với các hiệu

ứng phi tuyến trong vùng công xuất cao-giới hạn khoảng cách truyền dẫn cực đại của

hệ thống

Hình 1.1.4: Phổ tổn hao của sợi quang đơn mode silica

Suy hao sợi quang:

Sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang là được mô tả bởi sự phản xạ tại ranh giớilớp phủ-lõi Các sự phản xạ này là nguyên nhân bởi sự khác nhau giữa các chỉ số khúc

xạ của lớp phủ và lớp lõi Sự lan truyền tín hiệu trong sợi quang là luôn luôn theo cùngvới suy giảm công xuất đầu vào Công suất tín hiệu sau khi lan truyền qua sợi quang

chiều dài z là được cho bởi:

P(z,t) = P(0,t).exp(-αz) (1.1.24)

trong sợi quang, theo thông thường sử dụng đơn vị α[dB/km]:dB/km]:

) , (

t P

t z P

sự hấp thụ ánh sáng tới bởi sự cộng hưởng giao động phân tử và electron, cộng hưởngelectron xảy ra trong vùng cực tím (<0.4m) Trong khi cộng hưởng phân tử diễn ratrong vùng hồng ngoại (>7m) Các cộng hưởng xảy ra tại bước sóng xa hơn 1.55nm

và các dải xung quang 1.55nm là thích hợp cho hệ thống thông tin quang thông thườngbởi vì tổn hao tổng thể trong vùng này là thấp Hơn nữa, do bởi cấu trúc vô định hìnhcủa sợi quang silica, các méo (hài) bậc cao hơn là nguyên nhân sự suy giảm trong vùngbước sóng ngắn Tổn hao hấp tụ ảnh hưởng từ bên ngoài là nguyên nhân bởi sự có mặtcủa vật liệu bị pha tạp gây ra trong quá trình chế tạo Sự pha tạp (vd: Fe, Cu, Co) gây

ra hấp thụ trong vùng bước sóng riêng biệt Sự có mặt của hơi nước (OH-ions) là sựpha tạp quan trọng nhất trong các sợi quang thông thường Cộng hưởng hơi nước xảy

ra gần với bước sóng 2.73m với hài bậc cao tại 1.39m,1.24m, 0.95m Cộnghưởng OH tại 1.39m có thể được nén hiệu quả bởi sự cải tiến trong quá trình sản xuất

và thường được gọi là sợi quang khô có suy hao hấp thụ khoảng 0.5dB tại 1.39m Tán

xạ Rayleigh tiêu biểu cho phần lớn tổn hao quan trọng nhất gần bước sóng 1.55m, tán

xạ Rayleigh là nguyên nhân bởi sự thăng giám mật độ phân tử trong sợi quang gây ratán xạ của các ánh sáng tới, các đặc điểm tán xạ giống như lưỡng cực Hertz Tổn hao

αR = C/λ4

(1.1.26)

sóng 1.55m cho biết tán xạ Rayleigh là nguồn tổn hao quan trọng nhất trong vùngbước sóng này, một số lượng nhỏ (<0.05dB/km) của suy hao sợi quang là nguyên nhânbởi sự không hoàn thiện của ranh giới lớp phủ-lõi của ống dẫn sóng Ngoài ra có thểxảy ra tổn hao bởi các mối hàn ghép

Tán sắc trong sợi quang đơn mode.

Một trong các đặc tính quan trọng nhất của truyền dẫn quang là phổ tín hiệu dãnrộng khác nhau khi truyền lan trong một sợi quang Các hiện tượng này được biết như

là tán sắc tham chiếu với thời gian truyền lan khác nhau trong sợi quang Điều này cóthể hiểu như là một tần số phụ thuộc chỉ số mode khúc xạ, chúng là nguyên nhân gây

ra các thành phần phổ khác nhau của xung để truyền lan các tốc độ nhóm khác nhau.Theo đó tán sắc được biết như là tán xạ tốc độ nhóm (GVD) Hệ quả của tán sắc là dãnrộng các xung đơn và giao thao giữa các xung lân cận (còn được gọi là nhiễu giữa các

GVD Phương trình 1.1.30 được chuyển đổi vào trong số hạng bước sóng theo ω=2πc/

 và trở thành:

Ở đây: D là thông số tán sắc trong [dB/km]:ps/nm.km] được cho bởi:

Tán sắc D có thể được hiểu như là tổng tán sắc vật liệu và ống dẫn sóng:

◦ Tán sắc vật liệu: Xảy ra do bởi sự thay đổi chỉ số khúc xạ của sợi quang với tần số

quang Các hiệu ứng này có thể hiểu như là sự tương tác giữa trường quang truyền lan

và các electron và phân tử của vật liệu quang dẫn đến tần số phụ thuộc thay đổi của chỉ

số khúc xạ Trong vùng bước sóng thích hợp cho truyền dẫn quang (xung quanh1.55m), chỉ số khúc xạ của lõi sợi quang có thể được tính xấp xỉ bởi Sellmeier-series:

(1.1.33)

cộng hưởng Sự giải thích đầy đủ của n có thể đạt được nếu K=3 (2 cực tím và 1 hồng ngoại cộng hưởng) Bước sóng phụ thuộc sự thay đổi của n dẫn đến thay đổi chỉ số

đối với bước sóng và theo phương trình 1.1.32 có thể được cho như sau:

DM = dng/cd (1.1.34)

1.27-1.29m DM là âm (-) khi < ZD và là dương (+) khi > ZD (hình 1.1.5a)

◦Tán sắc ống dẫn sóng:

Hình 1.1.5: Một số loại tán sắc: a) Tán sắc vật liệu-chỉ số khúc xạ n và chỉ số nhóm

n g đối với bước sóng b) Tán sắc ống dẫn sóng-hằng sô truyền lan đối với tần số góc

Là hệ quả của tần số phụ thuộc hằng số lan truyền mode tại bề mặt của lớp phủ và lớp

lõi Ta xem xét đến hằng số lan truyền của lõi β 1 =k 0 n 1 và lớp phủ β 2 =k 0 n 2, trường quangtại tần số thấp lan truyền trong lớp phủ và với tần số cao hơn trong lớp lõi Trong vùngtần số, ở đó sự quá độ giữa lớp vỏ và lớp lõi diễn ra, tần số phụ thuộc hằng số truyền

thuộc tính sợi quang và chúng được diễn giải bởi tham số sợi quang V:

Do bởi thực tế là D W phụ thuộc vào bán kính lõi và sự khác biệt chỉ số khúc xạ Δ, D W

có thể được điều chỉnh để tạo nên sợi quang với tán sắc tổng thể bằng phẳng-flattenedhoặc thay đổi-shifted (hình 1.1.6)

lớp phủ và một sự biến đổi chính xác của thuộc tính sợi quang là cần thiết

Sự làm suy yếu truyền lan được đưa thêm vào do bởi tán sắc phụ thuộc bước sóng,hiệu ứng này được biết như là tán sắc vi sai hoặc độ dốc tán sắc S:

Hình 1.1.6: Tán sắc trong sợi quang: a) Tán sắc ống dẫn sóng và vật liệu b) Tổng tán sắc sợi quang c) Các loại sợi quang Novel

Ở đây: 2,3 là đạo hàm của hằng số truyền lan (dn/d), chúng có thể được diễn giải cho

<<0 như một chuỗi taylor xung quanh tần số trung tâm 0:

Với ∆ω = ω - ω0 (1.1.41)

(1.1.42)

Tham số độ dốc S tiêu biểu cho một vấn đề quan trọng trong hệ thống truyền dẫn với

băng tần hệ thống lớn, dẫn đến tán sắc dư bị tích luỹ lớn cho các bước sóng khác nhau

từ 0

Cho việc đánh giá phân tích của tác động GVD, Theo đó công thức sau được giớithiệu:

phương trình 1.1.43 dãn rộng xung phải nhỏ hơn một phần tư độ rộng xung nguyênbản, có nghĩa:

1.1.45 và 1.1.46 tích số độ dài tốc độ bit là được cho bởi :

(1.1.47)

Bảng 1.1.1: Một số thông số điển hình của các sợi quang thông thường

Với việc gia tăng tốc độ bit kênh thì toàn bộ độ dài tuyền dẫn của một hệ thống bị suygiảm do tán sắc Hệ thống truyền dẫn sử dụng điều chế cường độ các xung quang, tích

số độ dài tốc độ bit là được cho bởi:

Hình 1.1.7: Nguyên nhân PMD do sự không hoàn hảo của lõi sợi quang

Hình 1.1.8: Nguyên nhân sự phân nhóm hai cực truyền dẫn vuông góc-birefringence

Xem xét đến sự truyền lan xung trong sợi quang, nó có thể được phân biệt hai trục

trục đó là không nhất thiết trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang Trong thực tế,

sự định hướng ngẫu nhiên của chúng phụ thuộc theo áp lực trong sợi quang Ánh sángđược phân cực dọc theo một trong hai trục và chỉ số khúc xạ của một trong hai cực này

là khác nhau Hiệu ứng này được biết như là truyền dẫn phân cực vuông góc Khi chỉ

số khúc xạ là một sự đo ánh sáng di chuyển nhanh như thế nào qua vật liệu truyền lan,ánh sáng phân cực tuyến tính là được đưa vào một trục di chuyển nhanh hơn ánh sángđưa vào một trục khác, nó cũng có ý nghĩa liên hệ với pha của ánh sáng trong hai trục

xung là được truyền dọc theo một trục chính và một phần khác là được truyền dọc theomột trục chính khác Các xung thu được trở nên dãn rộng bởi vì hai phần đến với một

xung do bởi PMD có thể ước lượng từ  Trong một sợi quang với một chiều dài L,

 là được cho bởi:

phân cực truyền dẫn vuông góc  giữa các trạng thái phân cực trong sợi quang duy

gian trung bình  giữa hai SOPs trực giao được xác định như sau:

(1.1.50)

hợp lại mode phân cực ngẫu nhiên mạnh, DGD có thể được làm mô hình như một sự

sau:

đầu vào tới PSPs Do bởi thống kê tự nhiên của PMD liên hệ giữa giá trị cực đại

không làm suy yếu hệ thống và là nguyên nhân gây ra sự suy giảm chất lượng thu cực

bình <> Phương trình tích phân sau sẽ cho ta giá trị của xác suất tổn thấtP(>=1):

có thể đạt được và PMD càng trở nên quan trọng trong việc gia tăng tốc độ dữ liệu

được khoảng cách truyền dẫn tối đa L>1000km Nêu cùng giá trị PMD trong trườnghợp 10Gb/s thì khoảng cách truyền dẫn tối đa bằng 10 lần trong 40Gb/s Trong các hệthống 160Gb/s, bắt buộc phải sử dụng các bộ bù PMD cho khoảng cách lớn hơn100km

Hình 1.1.9: Tác động của PMD trên khoảng cách truyền cực đại

1.1.2.2 Một số thông số sợi quang.

Trong phần này, các thông số đặc trưng cho việc mô tả truyền lan xung quang

L eff , chiều dài tuyến tính L D , chiều dài phi tuyến L NL là cho một sự hiểu biết sâu sắctrong các giới hạn hệ thống chủ yếu và trình bày những công cụ hiệu quả cho việc xácđịnh những giới hạn hệ thống chủ yếu trong các chế độ truyền lan xung khác nhau(tuyến tính, cận tuyến tính, phi tuyến)

Tham số phi tuyến ()

bởi chỉ số khúc xạ, bao gồm phần tuyến tính và phi tuyến Nó được xác định là:

(1.1.55)

vùng diện tích lõi hiệu dụng được cho bởi:

F(x,y) thể hiện phương thức phân bố của mode sợi quang cơ bản Phụ thuộc vào kiểu sợi

phi tuyến  và giới hạn tác động phi tuyến trong sợi quang Gía trị  điển hình trong

Chiều dài sợi quang hiệu dụng (L eff )

Chiều dài sợi quang hiệu dụng L eff diễn giải tác động phi tuyến trong sự phụ

có sự suy giảm, nguyên nhân của chúng giống tác động phi tuyến như một sợi quang

với chiều dài L và với suy hao α:

có:

(1.1.58)

đại quang Cho một hệ thống đặc trưng với α=0.22dB/km và khoảng cách khuyếch đại

span truyền dẫn

Chiều dài tuyến tính và phi tuyến

Chiều dài tuyến tính L D và chiều dài phi tuyến L NL tiêu biểu cho cách thức hữu íchcho việc mô tả đặc điểm hoạt động và sự xác định của các giới hạn hệ thống chủ yếu

L D và L NL được xác định như sau:

(1.1.59)

(1.1.60)

hoặc phân tán hoặc phi tuyến có thể chi phối độ rộng xung dọc theo sợi quang

1.1.3 CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN.

Xảy ra quá trình phi tuyến trong sợi quang là bị ảnh hưởng bởi tính nhạy cảm phi

tuyến được phân chia đi thành quá trình elastic và elastic (hình 1.1.10) Qúa trình

ngưỡng công suất đặc biệt, tán xạ Raman kích thích và Tán xạ Brillion kích thích làquá trình in-elastic Qúa trình elastic được biết như là phi tuyến Kerr và được mô tả bởi

trộn bốn bước sóng (FWM) cũng như quá trình trong xung như là trộn bốn bước sóng

trọng tại các tốc độ bit cao

Hình 1.1.10: Qúa trình phi tuyến trong truyền dẫn quang

1.1.3.1 Phi tuyến Kerr.

Phi tuyến Kerr thuộc về nhóm quá trình phi tuyến tham số đàn hồi và sợi quangtruyền dẫn hoạt động thụ động vào chúng Phi tuyến Kerr là được mô tả bởi chỉ sốkhúc xạ (, I) phụ thuộc vào công suất sợi quang Phụ thuộc trên sự dao động thấtthường chỉ số khúc xạ là nguyên nhân bởi công suất của kênh đơn hoặc kênh lân cận,các phi tuyến trong kênh và giữa các kênh có thể được phân biệt XPM và FWM thuộc

về phi tuyến giao thao kênh hoặc phi tuyến đa kênh SPM, IFWM, và IXPM là các phituyến kênh đơn

Tự điều chế pha (SPM)

SPM là một trong các giới hạn phi tuyến gây ra bởi hiệu ứng Kerr trong sợiquang SPM làm tăng điều chế pha của tín hiệu quang, dẫn đến biến đổi tức thì tần sốsang phía xung Chúng có thể được xem như là Chirp phi tuyến (SPM) Bỏ qua suygiảm sợi quang và tán sắc, phương pháp của phương trình truyền lan xung NLSE

(phương trình 1.1.23) sau khi truyền lan qua chiều dài L là được cho bởi:

1.1.63) Vì lẽ đó tạo ra thành phần phổ mới xảy ra tại sườn lên và sườn xuống của xung

sườn xung gia tăng

Hình 1.1.11: SPM gây ra thay đổi tín hiệu

Nếu SPM xảy ra mà không có tán sắc tốc độ nhóm (GVD, nó sẽ không có nguyên nhân

để có thể tìm ra sự suy giảm phẩm chất của tín hiệu, từ đó nó gây ra điều chế pha (PM)của xung Trong một tuyến truyền dẫn, SPM có thể xảy ra cùng bởi GVD, chúng gâynên sự chuyển biến PM-IM, dẫn dến méo biên độ tín hiệu Sự tác động lẫn nhau giữaSPM và GVD phụ thuộc vào vùng tán sắc nội trong sự truyền lan xung của chúng diễn

ra Một chế độ tán sắc thông thường (D<0 ps/nm.km), bậc đầu tiên của GVD cho biếtmột chirp tần số tuyến tính dương (+), chúng được chồng lên một chirp SPM dương(+) Trong trường hợp này, hiệu ứng tán sắc là mạnh hơn, dẫn đến phổ quang rộng hơn

và hiệu ứng ISI giữa các xung kế cận Trong chế độ tán sắc bất thường (D> 0ps/nm.km), bậc đầu tiên của GVD gây ra một chirp tần số âm (-), chúng có thể loại bỏSPM gây ra chirp bởi vì các dấu chirp đối xứng nhau Hệ quả là chiều dài phụ thuộcvào sự nén xung Sự tương tác SPM-GVD là được khai thác cho kiểu truyền dẫn quang

và GVD là phải được cân nhắc hết sức cẩn thận để hoàn toàn thích hợp và cho phép sựphát xung tuần hoàn Do bởi điều này là một sự quản lý tán sắc của tuyến truyền dẫn làđược yêu cầu cho một công suất quang nào đó Xa hơn nữa vấn đề làm suy yếu truyềndẫn là được xem xét kỹ (vd: xắp xếp khuyếch đại, quá trình lọc quang, PMD), để thựchiện các điều kiện soliton càng trở nên nhiều phức tạp

Điều chế chéo pha (XPM)

Trong SPM giới hạn phi tuyến là nguyên nhân bởi sự biến đổi công suất quangtrong kênh đơn Trái ngược với SPM XPM là nguyên nhân bởi sự biến đổi công suấttrong các kênh lân cận trong phạm vi một hệ thống đa kênh, dẫn đến một quá trìnhđiều chế pha Bởi bậc đầu tiên của GVD, XPM gây ra điều chế pha là được chuyển đổitới làm biến dạng cường độ tín hiệu quang Nếu hai kênh truyền lan phân cực đượcxem xét, phương trình 1.1.23 được mở rộng, bỏ qua suy hao sợi quang, sự tương táctán sắc phi tuyến giữa hai kênh là được xác định như sau:

Ở đây: T là thời gian chuyển động tại tốc độ nhóm g , d trình bày sự khác biệt giữa

”-phương trình 1.1.67:

T = t - z/g1 (1.1.66)

trình 1.1.62):

XPM = 21P2∆z (1.1.68)

luôn xảy ra cùng với hiệu ứng SPM

XPM gây ra sự dãn rộng không đối xứng của tín hiệu (hình 1.1.12) do bởi số lượngchirp khác nhau tại sườn lên và sườn xuống của biên xung Mức độ ảnh hưởng củaXPM là xác định bởi công suất kênh, liên hệ với sự phân cực (vd: phân cực đồng cựchay trực giao), giữa các kênh, chiều dài “walk-off”-phương trình 1.1.67 và hệ số phituyến  và tán sắc của sợi quang truyền dẫn Do bởi phi tuyến tự nhiên, XPM sẽ khôngxuất hiện khi mức công suất là nhỏ hơn, nhưng sự suy giảm công suất kênh dẫn đếnsuy giảm khoảng cách truyền dẫn bởi vì tác động của nhiễu ASE trong tuyến truyềndẫn Xem xét đến mối liên hệ giữa các kênh, trường hợp xấu xảy ra cho các kênh đồngcực và trường hợp tốt nhất cho sự phân cực trực giao giữa các kênh sẽ nén tác độngXPM Chiều dài “walk-off” xác định chiều dài truyền lan cần thiết cho một sự phântách hoàn toàn của hai xung tương tác lẫn nhau trong các kênh lân cận do bởi một vấn

đề không tương xứng tốc độ nhóm Đó là tương xứng với phân tách kênh  và tán sắc

sợi quang D Theo đó cho một vấn đề nén hiệu quả XPM Xa hơn nữa XPM gây méo

khác, sự chuyển đổi PM-IM là thấp trong DSFs do bởi tán sắc sợi quang thấp Tán sắc

do XPM gây ra là sự không ổn định định thời dẫn đến thời gian đến của các xungquang là khác nhau do bởi chirp tần số, và sự không ổn định biên độ gây ra một sựthăng giám thất thường mức tín hiệu theo trục đứng Do đó chúng tác động lên chấtlượng hệ thống truyền dẫn, phân tích hiệu ứng XPM có thể sử dụng hữu ích cho việcphát xung cực ngắn trong các thiết bị nén xung

Hình 1.1.12: XPM gây ra sự thay đổi trong một chuỗi bit

Hiệu ứng trộn bốn bước sóng(FWM)

FWM là một quá trình tham biến, trong đó ba tần số khác nhau tương tác vớinhau và do bởi trộn tần số tạo ra thành phần phổ mới và sẽ được tạo ra tại:

fijk = fi + fj - fk (1.1.69)FWM gây ra hai kiểu biến dạng: Điều chế giữa các phổ với nhau và dãn rộng phổ.Điều chế giữa các phổ với nhau là được mô tả bởi công suất thay đổi giữa các thànhphổ rời rạc, trong khi dãn rộng phổ diễn ra giữa đường (lines) phổ trong phổ tín hiệu.SPM và XPM tiêu biểu cho các trường hợp đặc biệt của FWM Nếu 3 tần số khác nhau

Trong các trường hợp khác, sự điều chế phổ lẫn nhau giữa tất cả ba thành phần phổdiễn ra Do bởi các tham biến tự nhiên của hiệu ứng FWM, tổng năng lượng trongmiền quang là được bảo toàn Qúa trình chuyển đổi năng lượng có thể được diễn ranhư sau:

E(ωi) + E(ωj) = E(ωk) + E(ωijk) (1.1.70)

Hình 1.1.13: FWM gây biến dạng trong các hệ thống WDM:

a) Khoảng cách kênh bằng nhau b) Khoảng cách kênh không bằng nhau.

Về mặt tích cực của hiệu ứng FWM, đó là nó có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng nhưchuyển đổi bước sóng, kết hợp pha, các ứng dụng tham biến… Về mặt tiêu cực, FWMtiêu biểu cho giới hạn truyền dẫn lớn, đặc biệt trong các hệ thống hiệu quả phổ WDM.Tác động của FWM trên hiệu xuất hệ thống phụ thuộc vào bước sóng tại đó thành phầnphổ mới được tạo ra Trong một hệ thống truyền dẫn với một khoảng cách kênh bằng

lặp với tín hiệu (hình 1.1.13a), làm suy giảm chất lượng truyền dẫn Nếu khoảng cáchkênh không bằng nhau, sự chồng lặp có thể một phần nào tránh được (hình 1.1.13b),

nó như là một phương pháp tốt cho việc nén FWM

Ở đây: L là chiều dài sợi quang, n là chỉ số khúc xạ,  là bước sóng, c là vận tốc ánh sáng trong chân không và D là hệ số suy biến có các giá trị là 1, 3, 6, phụ thuộc vào số

các tần số I, j và k giống nhau là 3, 2, 1 1111 là độ nhạy cảm phi tuyến bậc 3, A eff là

truyền lan của các kênh tương tác với nhau Sự khác biệt Δβ giữa bước sóng phụ thuộc vào  trong các kênh ảnh hưởng đến sự hợp pha Δβ có thể được xác định như:

∆β = βi jk + βk - βj - βi (1.1.72)

độ truyền lan Việc xem xét đến ΔβNL là được yêu cầu cho các khoảng cách kênh mật

độ cao (Δ<50GHz) và công suất lớn (P>10mW) trong sợi quang truyền dẫn Phần

cơ sở hạ tầng hệ thống Sử dụng η phương trình 1.1.75 ta có:

Hơn nữa, FWM cho biết sự phụ thuộc phân cực các kênh lân cận Trường hợp xấu xảy

ra nếu tất cả các kênh tương tác là được phân cực như nhau Bằng cách sử dụng phân

không đổi nếu số kênh vượt quá một giá trị nào đó (>24)

Hiệu ứng trong kênh

Hiệu ứng trong kênh hoặc hiệu ứng giữa các xung diễn ra giữa các xung trongmột kênh đơn Hiệu ứng trong kênh trở nên quan trọng trong tại một tốc độ dữ liệu

>10Gb/s Do bởi thực tế là tán sắc-nguyên nhân gây ra các xung dãn rộng mạnh hơn tạitốc độ dữ liệu kênh cao hơn- gây ra tương tác phi tuyến giữa các xung lân cận Về

chúng là được diễn giải bởi: