CHƯƠNG III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WDM
3.8. Hiệu ứng phi tuyến trên sợi quang
Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất). Các hiện tượng phi tuyến 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 2.5 Gbps. Tuy nhiên, ở tốc độ bit cao hơn ≥10 Gbps và ở mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét các hiệu ứng phi tuyến là rất quan trọng. Trong các hệ thống WDM, các hiệu ứng phi tuyến có thể trở nên quan trọng thậm chí ở công suất và tốc độ bit vừa phải.
Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra làm 2 loại. Loại thứ nhất phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử) trong môi trường silica - một trong nhiều loại hiệu ứng tán xạ mà chúng ta đã xem xét là tán xạ Rayleigh. Hai hiệu ứng chính trong loại này là tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và tán xạ do kích thích Raman (SRS).
Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động. Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng trong loại này là hiệu ứng tự điều pha (SPM – Self Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross Phase Modulation) và hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM – Four Wave Mixing).
3.8.1. Hiệu ứng tán xạ phi tuyến.
Trong các hiệu ứng tán xạ phi tuyến, năng lượng từ một sóng ánh sáng được chuyển sang một sóng ánh sáng khác có bước sóng dài hơn (năng lượng thấp hơn).
Năng lượng mất đi bị hấp thụ bởi các dao động phân tử hoặc các phonon (loại phonon liên quan đến sự khác nhau giữa SBS và SRS). Sóng thứ hai được gọi là sóng Stokes.
SVTH : Nguyễn Hoàng Minh Luân – Đinh Công Nhân Trang 45 Sóng thứ nhất có thể gọi là sóng bơm (Pump) gây ra sự khuếch đại sóng Stokes. Khi sóng bơm truyền trong sợi quang, nó bị mất năng lượng và sóng Stokes nhận thêm năng lượng. Trong trường hợp SBS, sóng bơm là sóng tín hiệu và sóng Stokes là sóng không mong muốn được tạo ra do quá trình tán xạ. Trong trường hợp SRS, sóng bơm là sóng có năng lượng cao và sóng Stokes là sóng tín hiệu được khuếch đại từ sóng bơm.
3.8.2. Hiệu ứng tự điều pha.
SPM là hiện tượng khi cường độ quang đưa vào thay đổi, gây ra sự biến đổi về pha. Sự biến đổi của pha theo thời gian biểu diễn sự thay đổi của tần số (đạo hàm của biến đổi pha theo thời gian chính là sự thay đổi của tần số). Sau khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến phổ giãn rộng, và càng bị ảnh hưởng khi truyền trên cự ly dài. Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang càng lớn . Ảnh hưởng lớn đối với xung hẹp, tốc độ cao trong hệ thống.
3.8.3. Hiệu ứng điều chế xuyên pha.
Trong hệ thống nhiều kênh, độ dịch pha của một kênh không những phụ thuộc vào cường độ của chính kênh đó mà nó còn phụ thuộc vào cường độ của những kênh còn lại. Hiện tượng này được gọi là điều chế xuyên pha CPM. CPM gây ảnh hưởng đến sự thay đổi của tần số, làm giãn xung tín hiệu thông qua tán sắc của sợi quang.
3.8.4. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
Hiệu ứng trộn bốn bước sóng chính là quá trình hai hay nhiều bước sóng tác động với nhau để tạo ra sóng tại tần số khác là tổng (hay hiệu) của các sóng được trộn. Hiệu ứng này không phụ thuộc vào tốc độ bit mà phụ thuộc vào khoảng cách kênh và tán sắc sắc thể của sợi. Đây là nhân tố chính ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền trong hệ thống WDM. Và mức độ ảnh hưởng của FWM càng nghiêm trọng hơn khi khoảng cách giữa các kênh tín hiệu bằng nhau. Lúc này, các tần số mới ωijk được tạo ra có thể trùng với tần số tín hiệu trong hệ thống WDM và trở thành nguồn nhiễu đối với các kênh tín hiệu này. Qua đó, ta thấy rằng FWM không chỉ gây nên sự suy giảm công suất của các kênh tín hiệu, giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu mà còn dẫn đến xuyên nhiễu giữa các kênh.
Trong trường hợp khoảng cách kênh không bằng nhau thì hầu hết các thành phần FWM rơi vào giữa các kênh nên ít ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống hơn.
Tuy nhiên cả hai trường hợp đều làm suy hao công suất của tín hiệu trong quá trình truyền dẫn.
SVTH : Nguyễn Hoàng Minh Luân – Đinh Công Nhân Trang 46 Đối với các tần số mới được tạo ra, ta chỉ xét các tần số ωijk được tạo ra thoả mãn điều kiện kết hợp về pha:
ωijk = ωi + ωj - ωk , i, j ≠ k (ωi , ωj có thể giống nhau) (3.6) Giả sử hệ thống WDM có N kênh, i, j, k có thể thay đổi từ 1 đến N, và tổng số thành phần FWM được tạo ra là . Như vậy, số lượng thành phần tần số mới được tạo ra do FWM là rất lớn, điều này cũng có nghĩa là tổng công suất trong các thành phần FWM cũng rất lớn, làm suy hao công suất tín hiệu, gây nhiễu xuyên kênh, giảm chất lượng hoạt động của hệ thống.
Đặc điểm của hiệu ứng trộn bốn sóng Hiệu ứng trộn bốn sóng có các đặc điểm sau:
Không phụ thuộc tốc độ bit.
Phụ thuộc khoảng cách kênh và tán sắc của sợi.
Phụ thuộc độ lệch pha giữa các tín hiệu.
Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM trong WDM và cách khắc phục:
• Ảnh hưởng
Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Hơn nữa nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm hệ thống.
Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khoảng cách truyền dẫn và mức công suất phát mỗi kênh lớn. Do vậy FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự li truyền của hệ thống WDM.
• Khắc phục
Để giảm ảnh hưởng do hiệu ứng phi tuyến FWM gây ra, có thể dùng các giải pháp sau:
SVTH : Nguyễn Hoàng Minh Luân – Đinh Công Nhân Trang 47 - Khoảng cách các kênh không đều nhau: Vị trí các kênh có thể lựa chọn kĩ để các thành phần nhiễu không đè lên các kênh số liệu.
- Tăng khoảng cách giữa các kênh: Làm tăng vận tốc nhóm giữa các kênh, nhược điểm làm tăng độ rộng băng hệ thống và do vậy cần phải có bộ khuếch đại quang độ rộng băng bộ khuếch đại quang rộng hơn.
- Sử dụng các bước sóng cao hơn 1560 nm với sợi DSF do trong phạm vi này sợi có tán sắc giảm đáng kể.
- Giảm công suất phát và giảm khoảng cách giữa các bộ khuếch đại.