CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing)
2.3.2 So sánh các hiệu ứng phi tuyến
Các hiệu ứng phi tuyến gồm có hiệu ứng tán xạ Brillouin được kích thích (SBS - Stimulated Brillouin Scattering), tán xạ Raman được kích thích (SRS - Stimulated Raman Scattering), hiệu ứng tự điều pha (SPM - Self Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross Phase Modulation), và hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM - Four Wave Mixing).
Tán xạ kích thích chính là quá trình tán xạ của một photon tới có năng lượng cao tạo ra một photon có năng lượng thấp hơn và cho ra mức năng lượng chênh lệch dưới dạng photon để bảo toàn năng lượng. Do đó làm suy hao công suất tại tần số tới. Và ảnh hưởng này càng nghiêm trọng tại các mức công suất quang cao.
Đối với tán xạ Brillouin được kích thích, sóng thứ nhất chính là sóng bơm – đây chính là sóng tín hiệu, sóng thứ hai được tạo ra chính là sóng Stokes – sóng không mong muốn được tạo ra trong quá trình tán xạ. Sóng này được truyền theo hướng ngược lại (hướng về nguồn) nên tạo ra tín hiệu có cường độ mạnh về hướng phát. Mặc dù SBS có thể làm suy giảm tín hiệu được truyền nhưng băng thông khuếch đại Brillouin tương đối hẹp với độ rộng băng cỡ 20 MHz đối với sóng lan truyền theo hướng ngược lại. Mặt khác, ánh sáng tán xạ bị dịch tần khoảng 10 GHz (độ dịch chuyển Brillouin), và Brillouin chỉ có thể chuyển năng lượng từ kênh có tần số cao sang kênh có tần số thấp khi khoảng cách kênh bằng độ dịch chuyển Brillouin. Do đó ảnh hưởng của SBS trong hệ thống WDM là không đáng kể, không
SVTH : Nguyễn Hoàng Minh Luân – Đinh Công Nhân Trang 31 gây bất kì tác động nào giữa các bước sóng khác nhau khi mà trong hệ thống WDM, khoảng cách giữa các bước sóng lớn hơn 20 MHz. Độ dịch chuyển Brillouin nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách kênh, trong khi đó, hai kênh phải truyền ngược nhau mới xảy ra khuếch đại Brillouin, nên SBS không gây nhiễu xuyên kênh khi tất cả các kênh lan truyền theo hướng tới trong hệ thống WDM.
Tương tự như tán xạ Brillouin được kích thích, tán xạ Raman được kích thích chính là quá trình một số photon bơm rời mức năng lượng của chúng để tạo ra các photon khác có tần số thấp hơn, và phần năng lượng chênh lệch được hấp thụ bởi phân tử Silica. Đối với SRS, sóng bơm là sóng có năng lượng cao và sóng Stokes là sóng tín hiệu được khuếch đại từ sóng bơm. Tán xạ Raman tự phát là một quá trình đẳng hướng, tức là SRS có thể xảy ra trong cả hướng tới và hướng ngược lại của sợi quang. Khác với SBS, độ rộng băng của khuếch đại Raman rất lớn (lớn hơn 10 THz ) và các kênh cách nhau khoảng từ 13THz đến 15 THz (sự dịch Stokes) sẽ bị tác động bởi SRS. Điều này có nghĩa là SRS có thể ảnh hưởng đến các kênh trong hệ thống WDM, SRS gây ra sự dịch chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng cao hơn. Xem xét công suất ngưỡng cho SRS (Pth SRS), ta thấy :
Pth SRS = 5.9 x 10-2 . d2 . λ . α (Watts) (2.5) Với , d : đường kớnh lừi sợi (àm)
λ : bước súng hoạt động ( àm ) α : hệ số suy hao ( dB/km)
Công suất ngưỡng là công suất tới mà tại đó, nửa công suất bơm được chuyển sang Stokes tính trên toàn bộ sợi quang có chiều dài L. Và giá trị Pth SRS
khoảng vài trăm mW tại bước sóng gần 1550nm, nên SRS không ảnh hưởng đáng kể trong hệ thống WDM.
Xét về hiệu ứng điều pha phi tuyến, do đáp ứng của (e) không đồng đều đối với trường quang nên chiết suất của Silica thay đổi theo cường độ, và chiết suất khúc xạ của môi trường được xác định theo công thức:
n = nL(ω) + nNL( P / Aeff ) (2.6) Trong đó nL(ω) chính là chiết suất tuyến tính – nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu
SVTH : Nguyễn Hoàng Minh Luân – Đinh Công Nhân Trang 32 P: là công suất quang
Aeff : là diện tích hiệu dụng nNL : là hệ số chiết suất phi tuyến
Số hạng thứ hai trong công thức (2.7) tỷ lệ với cường độ ánh sáng nên nó thể hiện hiệu ứng phi tuyến. Do đó, hằng số lan truyền pha β = ω . c /n cũng phụ thuộc vào công suất như sau:
β = βL + γNL . P (2.7) Với , βL là thành phần tuyến tính của hằng số lan truyền pha
γNL = . nNL . Aeff là hệ số lan truyền phi tuyến tạo ra sự dịch pha phi tuyến được xác định theo công thức (2.8) :
Φ = = = γNL Pin Leff (2.8) P(z) = Pin . chính là công suất tại điểm z tính từ đầu sợi, thể hiện cho suy hao của sợi.
Do chiết suất quang đầu vào thay đổi theo thời gian (Pin (t)) nên độ dịch pha phi tuyến thay đổi theo thời gian (Φ (t)). Sự điều pha phi tuyến này là tự nó sinh ra nên hiện tượng phi tuyến này còn gọi là hiệu ứng tự điều pha (SPM - Self Phase Modulation). Từ sự phụ thuộc vào thời gian của độ dịch pha phi tuyến, dẫn đến sự thay đổi của tần số. Các tần số khác nhau sẽ lan truyền với vận tốc khác nhau, làm cho xung ánh sáng được mở rộng thêm so với xung ánh sáng đầu vào. Trong hệ thống WDM, sợi quang được sử dụng để truyền dẫn nhiều kênh quang với nhiều bước sóng khác nhau. Lúc này, độ dịch pha phi tuyến của một kênh riêng biệt không chỉ phụ thuộc vào công suất của kênh đó mà còn phụ thuộc vào công suất của kênh khác (hiện tượng điều chế xuyên pha - CPM), và được xác định như sau :
= γ . Leff . ( Pj + 2 m ) (2.9) Tương tự như SPM, CPM cũng dẫn đến sự thay đổi về tần số và mở rộng xung do tán sắc. Tuy nhiên, độ dịch pha phi tuyến của tín hiệu trong hệ thống WDM là rất nhỏ nên ảnh hưởng của hiệu ứng điều pha trong hệ thống WDM là không đáng kể.
SVTH : Nguyễn Hoàng Minh Luân – Đinh Công Nhân Trang 33 Trong các hệ thống WDM, nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền đó là hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing). Hiệu ứng này sinh ra các tín hiệu tại các tần số mới và các tín hiệu mới này có thể là nguồn nhiễu đối với các tín hiệu của hệ thống. Trong phạm vi đề tài, ta sẽ xem xét kĩ ảnh hưởng của FWM trong hệ thống WDM, ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến khác là không đáng kể nên có thể bỏ qua.