Biện pháp khắc phục các ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống

CHƯƠNG 3 BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC CÁC ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG Nói đến hệ thống thông tin quang thì các vấn đề liên quan cần phải đề cập đến đó là suy hao, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến. Tùy từng hệ thống truyền dẫn mà những yếu tố đó sẽ ảnh hưởng với mức độ khác nhau. Ví dụ như, hệ thống quang điều biến cường độ và tách sóng trực tiếp IM-DD (Intensity Modulation- Direct Detector) thông thường thì hiệu ứng phi tuyến có thể bỏ qua vì chỉ truyền dẫn một bước sóng trên một sợi quang. Nhưng với hệ thống đa kênh, cụ thể là hệ thống WDM thì hiệu ứng phi tuyến cần được xem xét kỹ lưỡng (nhất là hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM), vì lúc này hiệu ứng phi tuyến sẽ tạo ra các bước sóng hài và ảnh hưởng đến các kênh khác trong hệ thống WDM. Một trong ba vấn đề trên thì vấn đề tán sắc cũng rất quan trọng. Vấn đề suy hao thì đã được giải quyết bằng cách sử dụng bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA nên trong Chương này sẽ trình bày ảnh hưởng, cách khắc phục tán sắc và hiệu ứng phi tuyến cho hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM. Việc khắc phục ảnh hưởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn Sợi quang đơn mode có giá trị suy hao nhỏ nhất tại vùng bước sóng 1550 nm, nhưng cũng tại đó lại tồn tại giá trị tán sắc rất lớn, khoảng từ 16-20 ps/nm.km. Hơn nữa, trong hệ thống WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA (mà bộ này lại chỉ hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm), chỉ khắc phục được ảnh hưởng của suy hao thì vấn đề tán sắc trở thành mối quan tâm hàng đầu. Nó làm tăng tỷ lệ lỗi bit, giới hạn tốc độ và khoảng cách truyền của mạng. Để xây dựng hoặc nâng cấp những mạng thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa (vài nghìn km), tốc độ cao (vài chục Gb/s) thì vấn đề quan trọng cần giải quyết đó là giảm tối thiểu độ tán sắc trong sợi quang. Kỹ thuật bù tán sắc bằng điều chế tự dịch pha SPM (Self Phase Modulation) Tán sắc là hiện tượng các bước sóng khác nhau lan truyền trong sợi quang với vận tốc khác nhau gây ra hiện tượng giãn xung tín hiệu. SPM sử dụng hiệu ứng Kerr phi tuyến để nén xung (hiệu ứng Kerr là một hiệu ứng quang từ mà ở đó các ánh sáng phản xạ trên bề mặt vật liệu bị từ hóa bị thay đổi cả về tính chất phân cực cũng như độ phản xạ: khi ánh sáng phản xạ trên một bề mặt vật liệu bị từ hóa, tương tác giữa mômen từ và ánh sáng có thể dẫn đến việc ánh sáng phản xạ bị thay đổi tính chất phân cực cũng như độ phản xạ tuỳ theo chiều của từ độ). Kỹ thuật này đòi hỏi mức công suất của tín hiệu phải nằm trong vùng phi tuyến của sợi quang. Do đó, bù tán sắc bằng SPM xảy ra gần phía phát (trong vùng công suất quang còn đủ lớn để gây nên hiệu ứng phi tuyến). Tán sắc sẽ gây ra hiện tượng dịch tần tuyến tính trong xung. Mặt khác, khi một xung tín hiệu có công suất nằm trong ngưỡng phi tuyến của sợi (đối với trường hợp đơn kênh thì P<18 dB, trường hợp đa kênh thì nhỏ hơn và giảm khi số kênh truyền dẫn tăng), sườn lên của xung bị dịch về phía bước sóng dài có hiệu ứng SPM và hiện tượng này được gọi là dịch tần phi tuyến (hay còn gọi là chirp, được định nghĩa là sự biến đổi của tần số theo thời gian, có đơn vị là rad/s hoặc Hz ). Đối với các sợi quang theo tiêu chuẩn G652, G653 sử dụng trên tuyến thì dịch tần phi tuyến này ngược với dịch tần tuyến tính. Xung sẽ bị dịch tần một lượng bằng tổng hai dịch tần trên. Như vậy, trong trường hợp này thì xung phải chịu một lượng chirp bằng dịch tần tuyến tính trừ đi dịch tần phi tuyến đã được hiệu ứng SPM bù dịch tần do tán sắc gây ra. Hình 3.1 biểu diễn sự dãn xung do ảnh hưởng của hiệu ứng SPM. Nguồn Hình 3.1-Hệ thống WDM-Nguyễn Thành Chung Hình 3.1: Sự dãn xung do ảnh hưởng của hiệu ứng SPM. Hình 3.1 có ba đường biểu diễn độ rộng xung theo thời gian truyền trong trong ba trường hợp tán sắc khác nhau: trường hợp sợi có tán sắc âm (đường nét đứt) thì đầu tiên xung co lại sau đó bị dãn rộng ra rất nhanh, nhanh hơn cả trường hợp tán sắc dương. Với sợi có hệ số tán sắc D=-1 ps/nm.km, tại khoảng cách tầm 10km thì độ rộng xung đạt cực tiểu (cỡ 15ps), nhưng ở khoảng cách 60km thì độ rộng xung đạt 40ps. Đối với tán sắc dương (đường nét liền với loại sợi G652, G653 ), độ rộng xung đạt cực tiểu tại khoảng cách 60km, nếu tiếp tục truyền thì xung sẽ bị dãn rộng ra do các hiệu ứng tán sắc thông thường. Như vậy, nếu xung tín hiệu truyền ở ngưỡng phi tuyến ở một công suất nào đó có thể loại bỏ được tán sắc. Để có thể ứng dụng hiệu ứng SPM để bù tán sắc thì phải sử dụng kết hợp cả sợi tán sắc dương và sợi tán sắc âm trên tuyến. Phương pháp bù tán sắc bằng điều chế tự dịch pha SPM làm tăng đáng kể khoảng cách trạm lặp, nên giảm số trạm lặp trên tuyến, cho phép tận dụng số sợi theo chuẩn G652 có sẵn trên tuyến, làm giảm giá thành thiết bị trên tuyến. Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp SPM thì có thể xảy ra hiện tượng nén xung không mong muốn do dễ bị “bù quá”, mặt khác, nó còn yêu cầu độ rộng phổ laser phải tốt. Kỹ thuật bù tán sắc thụ động PDC (Passive Dispersion Compensator) Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là sử dụng bộ bù tán sắc thụ động PDC để khắc phục giới hạn về cự ly truyền dẫn do tán sắc gây nên. Khi đặt PDC trên đường truyền, suy hao xen của thiết bị (khoảng vài dB) sẽ làm giảm dải suy hao của hệ thống. Do vậy, PDC được đặt trước bộ khuếch đại công suất quang ở phía phát và đặt sau bộ tiền khuếch đại ở phía thu. Hệ số khuếch đại của các bộ khuếch đại này sẽ bù lại suy hao do PDC gây ra mà không làm giảm quỹ công suất của hệ thống. Tuy nhiên, việc sử dụng PDC ở phía phát thì bắt buộc phải sử dụng khuếch đại công suất ở phía thu. Nhưng bộ bù PDC là bù tán sắc tuyến tính nên công suất do bộ khuếch đại này đưa ra phải được kiểm soát ở mức sao cho không xảy ra các hiệu ứng phi tuyến (vì méo phi tuyến tín hiệu ở phía phát sẽ ảnh hưởng đến việc bù tán sắc của PDC). Vì vậy, nên hạn chế việc sử dụng PDC ở phía phát. Sau đây là phương pháp bù tán sắc bằng phần tử thụ động, là bộ kết hợp pha quang (OPC). Bộ OPC này sẽ bù cho cả tán sắc dương và tán sắc âm. Quá trình bù tán sắc không phụ thuộc vào quá trình điều biến quang. Để bù được tán sắc thì phải thoả mãn Phương trình (3.1). (3.1) Trong đó: γ1, γ2 là hệ số phi tuyến; P1 là công suất phát trong đoạn sợi L1, P2 là công suất phát trong đoạn sợi L2; D1, L1, L2, D2 được xác định như trong Hình 3.2. Hình 3.2 đã minh họa tán sắc được bù. Tín hiệu Es có công suất phát quang là P1 được phát vào đoạn sợi có độ dài L1, hệ số tán sắc D1 và hệ số phi tuyến γ1. Bộ bù pha sẽ thực hiện biển đổi hệ thành sóng kết hợp pha Ec(α). Ec có công suất quang P2 được phát dọc theo đoạn sợi có độ dài L2, hệ số tán sắc D2 và hệ số phi tuyến γ2. Tán sắc sẽ được bù khi tỷ số giữa tán sắc và cường độ hiệu ứng Kerr quang tại các vị trí L1 và L2 bằng nhau. Bộ OPC L1 L2 F1(D1,γ1) F2(D2,γ2) Es Nguồn Hình 3.3-Hệ thống WDM-Nguyễn Thành Chung Hình 3.2: Phương pháp bù tán sắc OPC. Phương pháp bù tán sắc thụ động PDC sử dụng thiết bị bù tán sắc hoàn toàn thụ động, nhưng lại bù được khoảng tán sắc lớn. Tuy nhiên, suy hao của bộ bù tán sắc lớn và phụ thuộc vào khoảng tán sắc phải bù, mặt khác còn phải giám sát công suất tín hiệu truyền để tránh các hiệu ứng phi tuyến. Phương pháp bù tán sắc bằng dịch tần trước PCH (Pre-chirp) Nguyên lý của phương pháp này thực hiện dịch phổ trong khoảng thời gian của xung quang, hay nói cách khác, Pre-chirp là sự sắp đặt lại bước sóng sao cho ánh sáng có bước sóng dài hơn bước sóng trung bình tập trung ở sườn xuống của xung tín hiệu phát. Khi tín hiệu truyền trong sợi quang có bước sóng dài hơn sẽ bị dịch chuyển nhiều hơn. Do vậy, nếu chọn được khoảng cách truyền hợp lý thì xung sẽ không bị dãn ở đầu thu, tức là tránh được ảnh hưởng của tán sắc. Kỹ thuật bù dịch tần được ứng dụng rộng rãi vì dịch tần số được áp dụng tại thiết bị phát trước khi phát tín hiệu xung vào tuyến truyền dẫn. Biên độ tín hiệu đầu vào được tính bằng Công thức (3.2). (3.2) Trong đó: A0: là biên độ đỉnh. T0: một nửa độ rộng tại điểm cường độ 1/e. C: tham số dịch tần. Xung được gọi là dịch tần nếu tần số mang của nó thay đổi theo thời gian. Khi C có giá trị β2C<0 thì xung đầu vào được nén trong sợi có tán sắc. Nếu xung được dịch tần một cách phù hợp thì nó có thể lan truyền trên một cự ly trước khi bị dãn ra ngoài vị trí khe bit của nó. Mà tại vùng bước sóng 1550 nm thì β2 lại lớn hơn 0, nên phải tìm cách sao cho C có giá trị nhỏ hơn 0. Sơ đồ điều chế ngoài của kỹ thuật dịch tần trước để bù tán sắc được trình bày trong Hình 3.3. Trường quang điện t Điều chế cường độ t Trường quang điện t D S.G. ATT Điều chế Bộ thu quang Điều khiển điều chế Sợi quang Cách ly Phát tín hiệu Phát Clock DC Laser DBF dịch λ/4 Bộ điều chế ngoài (a) (b) (c) Nguồn Hình 9.2-Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 3.3: Sơ đồ điều chế ngoài của kỹ thuật chirp để bù tán sắc. Tần số của Laser DBF được điều chế tần số FM (Frequency Modulation) trước khi đầu ra Laser được cho qua bộ điều chế ngoài để điều chế biên độ AM (Amplitude Modulation). Như vậy, tín hiệu quang được điều chế đồng thời cả AM và FM, FM của sóng mang quang có thể được thực hiện bằng cách điều chế dòng phun của laser bởi một lượng nhỏ (≈1 mA). Điều chế trực tiếp Laser DBF và điều chế dạng hình sin đối với công suất quang nhưng có biên độ đủ nhỏ để không gây nhiễu đối với quá trình tách sóng quang. Như vậy, FM của sóng mang quang theo AM điều chế ngoài sẽ phát ra tín hiệu có chứa các xung bị dịch tần. Lượng dịch tần được xác định như sau: giả sử dạng xung dịch tần là Gaussian, khi đó tín hiệu quang được biểu diễn thông qua Công thức (3.3). (3.3) ω0 của xung được điều chế dạng sin tại tần số ωm với độ sâu điều chế là δ. Gần tâm xung thì sin(ωt) ≈ ωmt, nên Công thức (3.3) có thể được viết: (3.4) Trong đó C được tính bằng Công thức (3.5). (3.5) Dấu và biên độ của tham số dịch tần C được điều chỉnh bằng cách thay đổi các tham số FM là ωm và δ. Phương pháp này có nhược điểm là chỉ bù được tán sắc trong một khoảng nhỏ. Hơn nữa, để sử dụng được phương pháp này, đòi hỏi kỹ thuật ở phía phát cao. PCH thường được kết hợp trong đầu phát để bù một phần dịch tần do nguồn phát gây ra, do đó, nó phải kết hợp với một số phương pháp bù tán sắc như PDC hay DST thì mới bù hoàn toàn tán sắc gây ra trên tuyến. Phương pháp bù tán sắc bằng việc truyền dẫn hỗ trợ tán sắc DST (Dispersion Supported Transsmision) DST là kỹ thuật bù tán sắc tích cực, nó kết hợp sử dụng điều chế tần số và điều chế cường độ để bù tán sắc. Thiết bị phát ra tín hiệu quang được điều chế tần số quang một cách thích hợp với hai mức logic là mức logic “1” và mức logic “0”. Mức logic “1”có tần số V1, tương ứng với mức công suất quang cao là P1. Mức logic “0” có tần số V0, tương ứng với mức công suất quang thấp là P0. Sau khi truyền trên sợi có chiều dài L thì các thành phần tín hiệu với các bước sóng khác nhau sẽ lan truyền trên sợi quang và đến đầu kia của sợi tại các thời điểm khác nhau. Độ lệch thời gian ∆T=∆λ.D.L (trong đó,). Như vậy, tín hiệu điều tần ở phía phát do ảnh hưởng của tán sắc trong sợi đã được chuyển thành tín hiệu điều biên ở phía thu như trong Hình 3.4. ∆τ Pt Po I V Popt V Popt VLP Vdec 1/B Thời gian Nguồn Hình C1- clnk&gl=vn Hình 3.4: Bù tán sắc bằng kỹ thuật DST. Trong đó: Popt: mức công suất quang. VI.P: điện áp đầu ra của mạch lọc thông thấp. Vdec: điện áp đầu ra của mạch quyết định. Phương pháp bù tán sắc bằng sợi tán sắc cao DCF (Dispersion Compensating Fiber) Để hiểu rõ phương pháp bù tán sắc bằng sợi tán sắc cao DCF thì cần xét đến Phương trình truyền dẫn xung (3.6). (3.6) A là biên độ đường bao xung. Ảnh hưởng của tán sắc bậc ba được thể hiện bằng số hạng β3. Khi β3=0 thì Phương trình (3,6) có nghiệm (3.7). (3.7) là dạng khai triển Fourier của A(0,t). Khi tín hiệu truyền trên tuyến thì tín hiệu quang đó được coi là truyền trên nhiều đoạn sợi ghép lại với nhau, mà các đoạn này lại có đặc tính tán sắc khác nhau. Để đơn giản, chỉ xét đến tín hiệu đi qua hai đoạn sợi, khi đó Công thức (3.7) sẽ được viết thành Công thức (3.8). (3.8) Với và β2j là tham số tán sắc vận tốc nhóm GVD của đoạn sợi có độ dài Lj, (j=1,2). Khi thì điều kiện để có thể bù tán sắc của sợi như Phương trình (3.9). (3.9) Để sử dụng được phương pháp DCF thì sợi bù tán sắc DCF phải có tán sắc vận tốc nhóm GVD (Group Velocity Dispersion) chuẩn tại vùng bước sóng 1550 nm (D20 với sợi tiêu chuẩn để thoả mãn điều kiện: . (3.10) Trong thực tế, L2 càng nhỏ càng tốt, và điều này chỉ đạt được khi D2 mang giá trị âm lớn. Dùng sợi DCF có nhược điểm là suy hao sợi DCF lớn, phải sử dụng thêm bộ khuếch đại để bù suy hao do sợi gây ra. Các sợi bù tán sắc DCF đơn mode thường gặp phải một số vấn đề như: 1 km sợi DCF sẽ bù tán sắc cho khoảng 10÷12 km sợi đơn mode tiêu chuẩn, hơn nữa, suy hao của sợi tương đối cao ở vùng bước sóng hoạt động 1550 nm (α ≈ 0,5 dB/km) do có suy hao uốn cong lớn, ngoài ra, do đường kính mode tương đối nhỏ nên cường độ quang là lớn hơn tại công suất đầu vào đã cho làm tăng ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến. Để khắc phục nhược điểm của sợi DCF đơn mode, người ta đã chế tạo ra sợi hai mode có các giá trị V (tham số sợi được xác định bằng Công thức 2.56-HTTTQ-Vũ Văn San) sao cho mode bậc cao hơn gần với bước sóng cắt (V≈2,5). Loại sợi này có suy hao bằng sợi DCF đơn mode nhưng chúng có thể có tham số tán sắc D đối với mode bậc cao hơn có các giá trị âm lớn, có thể lên tới, điều này cho phép 1 km DCF có thể bù tán sắc được cho tuyến dài 40 km. Ưu điểm của sợi DCF hai mode là nó cho phép bù tán sắc băng rộng. Sử dụng sợi bù tán sắc đã xây dựng được các tuyến thông tin quang tốc độ cao và cự ly xa. Để bù tán sắc cho tuyến truyền dẫn dài thì các sợi bù tán sắc DCF được đặt xen vào các khoảng lặp trên tuyến. Các thiết bị khuếch đại EDFA sẽ bù suy hao cho cả sợi truyền dẫn và sợi DCF. Bù tán sắc bằng bộ lọc cân bằng quang Các sợi bù tán sắc DCF có nhược điểm là có suy hao khá lớn nên người ta đã sử dụng các bộ lọc cân bằng quang để bù tán sắc trong hệ thống quang ghép kênh theo bước sóng WDM. Chức năng của các bộ lọc cân bằng quang được xem xét từ Công thức (3.7). Trong sợi quang đơn mode, tán sắc ảnh hưởng chủ yếu đến hệ thống là tán sắc vận tốc nhóm GVD. Tán sắc này ảnh hưởng tới tín hiệu quang thông qua phổ exp(iβ2zω2/2) nên bộ lọc quang có hàm chuyển đổi có thể loại bỏ được thành phần pha này sẽ lưu lại tín hiệu. Tuy nhiên, không có một bộ lọc quang nào có hàm chuyển đổi có khả năng bù chính xác GVD nhưng có một vài bộ lọc quang có thể bù GVD thành phần bằng cách tạo ra hàm chuyển đổi lý tưởng. Xét bộ lọc quang có hàm chuyển đổi H(ω). Nếu bộ lọc quang được đặt sau được đặt sau sợi có độ dài L, thì tín hiệu quang ở Phương trình (3.7) có thể được viết thành: (3.11) Bằng cách khai triển pha của H(ω) trong chuỗi Taylor và giữ ở số hạng bậc hai thì: (3.12) Trong đó , với m=0, 1… được ước lượng tại tần số sóng mang quang ω0. Pha hằng số Ø0 và trễ thời gian Ø1 sẽ không ảnh hưởng đến dạng xung và có thể bỏ qua. Pha phổ do sợi sinh ra được bù bằng cách chọn bộ lọc quang sao cho . Xung chỉ được phục hồi hoàn toàn khi và các số hạng bậc ba và các cấp cao hơn trong khai triển chuỗi Taylor trong Công thức (3.12) không đáng kể. Có thể đặt các bộ lọc quang ở phía sau các bộ khuếch đại quang để có thể bù được cả suy hao và tán sắc vận tốc nhóm GVD trong tuyến truyền dẫn dài như trong Hình 3.5 với SMF là sợi quang đơn mode, OA là bộ khuếch đại quang, F là bộ lọc. Phát quang SMF OA OA F F Phát quang SMF SMF Nguồn Hình 9.8-Hệ thống thông tin quang-Vũ Văn San Hình 3.5: Sơ đồ bù tán sắc cho tuyến quang bằng bộ lọc đặt sau bộ khuếch đại. Giao thoa kế Fabry-Perot Bộ lọc Fabry-Perot có cấu tạo gồm hai gương phản xạ thành phần đặt cách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt. Bộ lọc Fabry-Perot có hàm chuyển đổi như trong Phương trình (3.13). (3.13) Với H0 là hằng số có tính tới tất cả các suy hao, là độ phản xạ gương trước, T là thời gian đi trong hốc công hưởng Fabry-Perot. Do không phụ thuộc vào tần số, nên chỉ có pha phổ mới được biến đổi thông qua bộ lọc Fabry-Perot, nhưng pha Ø(ω) của HFP(ω) lại khá xa với lý tưởng, vì nó là một hàm có chu kỳ lấy đỉnh tại tần số cộng hưởng FP. Trong vùng lân cận của mỗi đỉnh, vùng phổ sẽ tồn tại sự thay đổi pha gần như ở dạng bậc hai. Trong thực tế, Ø(ω) được triển khai chuỗi Taylor như trong Phương trình (3.14). (3.14) Có thể bù tán sắc cho sợi bằng cách sử dụng bộ lọc Fabry-Perot cho các hệ thống có cự ly khác nhau bằng cách thay đổi độ dài của hốc cộng hưởng hoặc chiết suất của lớp điện môi của bộ lọc. Giao thoa kế Mach-Zehnder Bộ lọc Mach-Zehnder là một loại giao thoa kế. Sóng đi vào bộ lọc được phân thành nhiều đường khác nhau, sau đó, cho giao thoa với nhau. Bộ lọc này thường được sản xuất dựa trên các mạch tích hợp quang và thường gồm các Coupler 3 dB được nối với nhau bằng các đường có độ dài khác nhau như trong Hình 3.6. Input 2 Input 1 Output 1 Output 2 Độ lệch đường đi ∆L Nguồn Hình 1.26-Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 3.6: Bộ lọc MZ cấu tạo bằng các Coupler định hướng 3 dB. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc MZ: giả sử tín hiệu đi vào ngõ số 1 vào bộ Coupler đầu tiên, sau khi đi qua đó tín hiệu được chia đều ở hai ngõ ra nhưng lệch pha nhau π/2. Độ lệch về đường đi ∆L làm cho độ lệch pha tăng thêm β∆L ở nhánh dưới. Tại Coupler thứ hai, tín hiệu ở nhánh dưới đi vào nhánh trên và lại trễ hơn nhánh trên là π/2. Như vậy, độ lệch pha tương đối tổng cộng ở nhánh trên là . Tương tự thế, độ lệch pha tương đối tổng cộng ở nhánh dưới là π/2 +β∆L- π/2 = β∆L. Nếu β∆L=kπ với k lẻ, các tín hiệu ở ngõ ra thứ nhất được cộng đồng pha còn ở ngõ thứ hai bị triệt tiêu nhau do ngược pha. Do đó, tín hiệu vào ngõ thứ nhất thì sẽ ra ở ngõ thứ nhất. Ngược lại nếu k chẵn, tín hiệu vào ngõ thứ nhất sẽ đi ra ngõ thứ hai. Mạch lọc MZ có thể điều chỉnh được bằng cách điều chỉnh chiết suất tương đối của một nhánh. Thiết bị này có thể cân bằng được tán sắc bằng cách thay đổi độ dài nhánh và số bộ giao thoa kế MZ. Thiết bị MZ bù được tán sắc bằng cách sắp xếp các bộ MZ như trong Hình 3.7. Output Input ∆L1 ∆L1+∆L2 ∆L1+∆L2 ∆L1 Các tần số thấp Các tần số cao Nguồn Hình 9.9-Hệ thống thông tin quang-Đỗ Văn Việt Em Hình 3.7: Mạch sóng quang plana để bù tán sắc. Thiết bị được thiết kế sao cho các thành phần tần số cao hơn truyền dọc theo nhánh dài hơn của bộ giao thoa kế MZ, nên chúng sẽ bị trễ nhiều hơn các thành phần tần số thấp hơn đi theo nhánh ngắn hơn. Trễ tương đối được sinh ra từ thiết bị này vừa đủ đối với trễ được đưa ra từ bộ lọc quang trong chế độ tán sắc dị thường. Hàm chuyển đổi H(ω) được dùng để tối ưu thiết kế và đặc tính thiết bị. Năm 1994, đã chế tạo được mạch sóng quang plana có năm bộ MZ có trễ tương đối 836 ps/nm. Thiết bị này dài vài cm nhưng có khả năng điều chỉnh tán sắc vận tốc nhóm GVD và bù tán sắc cho 50 km sợi đơn mode tiêu chuẩn, nhưng nó có hạn chế là băng thông hẹp (tầm 10 Ghz) và nhạy cảm với phân cực đầu vào. Việc khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến đến truyền dẫn Khi công suất trong sợi quang nhỏ thì sợi quang được xem là môi trường tuyến tính, tính phi tuyến của sợi quang (chủ yếu là do chiết suất) có thể bỏ qua. Hiệu ứng phi tuyến sợi (hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng) xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng và công suất quang tăng lên. Các hiệu ứng phi tuyến này ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn của hệ thống và trở nên quan trọng hơn do sự phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA cùng với sự phát triển của các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM. Tăng hiệu quả truyền thông tin có thể làm được bằng việc tăng tốc độ bit, giảm khoảng cách giữa các kênh hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên. Các ảnh hưởng của phi tuyến sợi trở nên đóng vai trò quyết định hơn vì nó sẽ gây ra một số hiện tượng như xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức tín hiệu của từng kênh dẫn đến dẫn đến suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N. Mặc dù công suất riêng của mỗi kênh có thể thấp dưới mức cần thiết để xuất hiện tính phi tuyến và tổng công suất của tất cả các kênh có thể đủ lớn, nhưng sự kết hợp của tổng công suất quang cao và một số lớn các kênh ở các bước sóng gần nhau sẽ trở nên lý tưởng cho nhiều loại hiệu ứng phi tuyến. Với tất cả lý do này cho thấy tầm quan trọng của các hiệu ứng phi tuyến. Các hiệu ứng phi tuyến này bao gồm: tán xạ Raman kích thích SRS (Simulated Raman Scattering), tán xạ Brillouin kích thích SBS (Simulated Brillouin Scattering), hiệu ứng trộn 4 sóng FWM (Four Wave Mixing), điều chế chéo pha XPM (Cross Phase Modulation), tự điều chế pha SPM (Self Phase Modulation). Tùy từng trường hợp mà mỗi hiệu ứng phi tuyến có thể có lợi hoặc có hại. Chẳng hạn XPM và FWM thì bất lợi cho hệ thống đa kênh WDM. SPM và XPM gây ra sự mở rộng phổ trong các xung quang mà sau đó tương tác với tán sắc sợi. Điều này có thể có lợi hoặc có hại cho hệ thống truyền thông quang tùy thuộc vào tán sắc thường hay dị thường. Như vậy, việc nắm rõ các hiệu ứng phi tuyến này là rất cần thiết để có thể hạn chế các ảnh hưởng không có lợi của nó và tối ưu hóa trong việc thiết kế hệ thống truyền dẫn quang. Các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM Các hiệu ứng tán xạ phi tuyến là hiện tượng năng lượng từ một sóng ánh sáng được chuyển sang một sóng ánh sáng khác có bước sóng dài hơn hoặc có năng lượng thấp hơn. Năng lượng mất đi bị hấp thụ bởi các dao động phân tử hoặc các phonon. Sóng thứ hai được gọi là sóng Stokes, sóng thứ nhất được gọi là sóng bơm, 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 hiệu ứng SBS thì sóng bơm là sóng tín hiệu còn sóng Stokes là sóng không mong muốn được tạo ra do quá trình tán xạ. Trong trường hợp SRS thì sóng bơm là sóng có năng lượng cao còn sóng Stokes là sóng tín hiệu được khuếch đại từ sóng bơm. Các hiệu ứng tán xạ được đặc trưng bởi hệ số độ lợi (đại lượng chỉ cường độ của hiệu ứng phi tuyến) có thứ nguyên là m/W, độ rộng phổ ∆f đối với độ lợi tương ứng và công suất ngưỡng Pth của ánh sáng tới, là mức công suất mà tại đó suy hao do tán xạ là 3 dB tức là một nửa công suất trên toàn bộ độ dài sợi quang. Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến hệ thống phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn và mặt cắt ngang của sợi quang. Tuyến càng dài thì sự tác động qua lại giữa ánh sáng và vật liệu sợi quang càng lớn làm tăng ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến. Nhưng khi lan truyền trong sợi thì do bị suy hao, nên công suất của tín hiệu sẽ bị giảm đi, nên hầu hết các hiệu ứng phi tuyến chỉ xảy ra trong khoảng đầu của sợi quang và giảm đi khi tín hiệu lan truyền. Gọi Pin là công suất truyền trên sợi quang, P(z)=Pin.e-αz là công suất tại điểm z trên tuyến, α là hệ số suy hao, L là chiều dài thực của tuyến. Chiều dài hiệu dụng của tuyến Leff được xác định bằng Công thức (3.15). (3.15) Nên (3.16) Mà L>>1/α, nên Leff≈1/α. Ảnh hưởng của phi tuyến cũng tăng theo cường độ năng lượng trong sợi. Với một công suất cho trước, thì cường độ năng lượng tỷ lệ nghịch với diện tích lõi. Diện tích lõi hiệu dụng Aeff được xác định như Công thức (3.17). (3.17) với w0 là bán kính trường mode. Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến đều được biểu diễn thông qua diện tích hiệu dụng đối với mode cơ bản truyền trong sợi quang cho trước. Hiệu ứng tự điều chế pha SPM (Self Phase Modulation) SPM là hiệu ứng xảy ra khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng thay đổi theo hay có thể nói chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền. Điều này làm cho các xung truyền đi bị hiện tượng dịch tần (tần số xung thay đổi theo thời gian). Hiện tượng dịch tần làm cho hiệu ứng giãn xung do tán sắc màu tăng lên, nên khi SPM làm xuất hiện hiện tượng dịch tần, làm tăng độ dãn xung do tán sắc màu trong hệ thống, nhất là với các hệ thống tốc độ cao. Khi đó: (3.18) Trong đó: n0 là chiết suất tuyến tính. n2 là hệ số chiết suất phi tuyến (n2=1,22.10-22 đối với sợi SI). E là cường độ trường quang. Hiệu ứng này gây ra sự dịch pha phi tuyến ØNL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang (đạo hàm của pha là tần số). Nếu bỏ qua suy hao, thì sau khoảng cách L pha của trường quang sẽ được xác định bằng Công thức (3.19). (3.19) Độ dịch pha được tính theo Công thức (2.20) (3.20) Với: γNL là hệ số phi tuyến. Pin là công suất đầu vào. Leff là độ dài hiệu dụng của tuyến. Đối với trường quang có cường độ không đổi, hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha của trường quang, nên ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Nhưng đối với trường quang có cường độ thay đổi, thì dịch pha phi tuyến ØNL sẽ thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi theo thời gian này làm cho trung tâm của xung tín hiệu tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm v0 một giá trị δvNL như trong Công thức (3.21). (3.21) Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung dịch đến tần số ff0 làm cho phổ của tín hiệu bị dãn ra trong quá trình truyền. Đặc biệt, khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau thì hiện tượng dãn phổ do SPM có thể dẫn đến giao thoa gây xuyên nhiễu giữa các kênh. Nếu xét đến ảnh hưởng của tán sắc thì sẽ thấy dạng xung bị biến đổi dọc theo sợi (tán sắc tích luỹ theo sự tăng lên của chiều dài tuyến). Gọi D là hệ số tán sắc của sợi thì: Khi Df0 sẽ lan truyền nhanh hơn thành phần tần số thấp, nên xung sẽ bị dãn ra. Khi D>0 thì thành phần tần số cao sẽ lan truyền chậm hơn thành phần tần số thấp, nên xung sẽ bị co lại. Sự dịch xung Xung bị mở rộng khi lan truyền trong sợi Chirp tần số Xung đã phát Tần số Nguồn Hình 3.8-Hiệu ứng quang phi tuyến-Đinh Sỹ Thạc Chi Hình 3.8: Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung. Khi công suất quang biến đổi càng nhanh thì tần số quang cũng biến đổi càng lớn, làm ảnh hưởng lớn đến xung hẹp, nên rất khó khăn trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn của hệ thống. Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung được minh hoạ như trong Hình 3.8. Để ảnh hưởng của hiệu ứng SPM là nhỏ nhất trên tuyến thì độ dịch pha phi tuyến của hệ thống phải rất nhỏ so với 1. Hiệu ứng điều chế chéo pha XPM (Cross Phase Modulation) Trong hệ thống WDM, có nhiều bước sóng cùng lan truyền trên một sợi quang, nên hệ số chiết suất tại một bước sóng không chỉ phụ thuộc vào cường độ của bản thân bước sóng đó, mà nó còn phụ thuộc vào cường độ của các bước sóng khác lan truyền trong sợi. Trong hệ thống này chiết suất phi tuyến ứng với bước sóng thứ i sẽ là: (3.22) Trong đó: n2 là hệ số chiết suất phi tuyến. Ei, Ej là cường độ quang tại bước sóng thứ i và thứ j. Điều này dẫn tới độ dịch pha của một kênh không chỉ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng của chính kênh đó, mà còn phụ thuộc vào cường độ của những kênh còn lại. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM. Hiệu ứng này chủ yếu xảy ra ở các hệ thống đa kênh tốc độ bit cao, khi hai hay nhiều kênh được truyền đồng thời trong sợi sử dụng các tần số sóng mang khác nhau. Độ dịch pha cho kênh thứ j được tính bằng Công thức (3.23). (3.23) Trong đó: M là tổng số kênh. Pj là công suất kênh j (j=). Leff là độ dài hiệu dụng của tuyến. γNL là hệ số phi tuyến. Hệ số 2 trong Công thức (3.23) cho thấy ảnh hưởng của hiệu ứng XPM lớn gấp hai lần ảnh hưởng của hiệu ứng SPM với cùng một công suất. Độ dịch pha tổng phụ thuộc vào tất cả các kênh và có thể thay đổi từng bit phụ thuộc vào kiểu bit của kênh lân cận. Giả sử công suất các kênh bằng nhau, độ dịch pha trong trường hợp xấu nhất khi tất cả các kênh truyền đồng thời tất các bit là các bit “1” là: (3.24) Để thì phải có Pj<1 (mW) ngay cả với M=10 nếu sử dụng γNL và α ở vùng bước sóng 1550 nm, nên có thể nói hiệu ứng XPM là nhân tố chính giới hạn công suất của kênh quang. Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM (Four Wave Mixing) Trong hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM sử dụng các tần số góc ω1,…, ωn thì sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ (công suất) ánh sáng không chỉ gây ra sự dịch pha trong mỗi kênh mà còn sinh ra tần số mới như 2ωi-ωj và ωi+ωj-ωk. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM. Trái với hai hiệu ứng SPM và XPM là chỉ ảnh hưởng đến các hệ thống có tốc độ bit cao, hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM không phụ thuộc vào tốc độ bit mà lại phụ thuộc vào khoảng cách kênh và tán sắc màu của sợi. Trong hiệu ứng này, các tín hiệu quang có cường độ mạnh sẽ tương tác với nhau và tạo ra các thành phần tần số mới. Sự tương tác này có thể xảy ra giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống WDM, hoặc giữa các bước sóng tín hiệu với bức xạ tự phát được khuếch đại của các bộ khuếch đại quang, cũng như giữa mode chính và mode bên của một kênh tín hiệu. Giả sử, có ba bước sóng với tần số ωi, ωj, ωk tương tác với nhau thì sẽ có tần số mới tạo ra có bước sóng là ωijk với . Về nguyên lý, sẽ xuất hiện nhiều tần số tương ứng với các sự kết hợp khác nhau của các dấu “+”, “-“. Tuy nhiên, trong thực tế, hầu hết sự kết hợp của chúng không xây dựng được yêu cầu thích ứng pha. Sự kết hợp của là ảnh hưởng nhiều nhất đến hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM, vì chúng có thể gần với pha được thích ứng khi bước sóng nằm ở vùng tán sắc bằng 0. Theo quan điểm của cơ lượng tử, FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự phá huỷ photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ở một số bước sóng mới, sao cho vẫn bảo toàn về động lượng. Gọi Pijk(L) là công suất của bước sóng ωijk trong sợi quang thì Pijk(L) được tính bằng Công thức (3.25). (3.25) Trong đó: η là hiệu suất của quá trình FWM. c là vận tốc ánh sáng. Seff là diện tích hiệu dụng vùng lõi. Pi, Pj, Pk là công suất tương ứng với các bước sóng λi, λj, λk. χ3 là độ cảm phi tuyến bậc ba. Hiệu suất η của quá trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp về pha. Hiệu ứng này xảy ra mạnh khi điều kiện đó được thoả mãn (tức là động lượng của photon được bảo toàn). Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc, nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra. Tuy nhiên, với môi trường là loại sợi có tán sắc rất nhỏ và các kênh có khoảng cách gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp xỉ đạt được. Việc tạo ra các tần số mới là do sự tương tác của các tần số tín hiệu, nên hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Nếu khoảng cách giữa các kênh bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, gây ra xuyên nhiễu cho kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống. Hai yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng trộn bốn bước sóng là khoảng cách kênh: khi khoảng cách kênh gần hơn thì hiệu ứng trộn sẽ tăng mạnh; và tán sắc sợi: Hiệu năng trộn tỷ lệ nghịch với tán sắc sợi và lớn nhất ở vùng tán sắc bằng 0, vì khi đó các sản phẩm trộn không mong muốn sẽ di chuyển cùng tốc độ. Do vậy, trong thực tế thì các sợi dịch tán sắc thường được thiết kế để có tán sắc dư ở bước sóng vận hành nhằm loại bỏ ảnh hưởng của FWM. Sự suy giảm công suất làm giảm tỷ số S/N, dẫn đến làm tăng tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống. Các hệ thống WDM đều làm việc ở vùng bước sóng 1550 nm, tán sắc của sợi quang đơn mode thông thường theo chuẩn G652 tại cửa sổ này khoảng 18 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển theo chuẩn G653 thì nhỏ hơn 3 ps/nm.km. Do đó, hệ thống WDM làm việc với sợi đơn mode chuẩn thông thường thì sẽ bị ảnh hưởng của hiệu ứng FWM ít hơn hệ thống WDM sử dụng sợi tán sắc dịch chuyển DSF (Dispersion Shifted Fiber). Hình vẽ 3.9 mô tả hiệu năng trộn bốn bước sóng trong sợi đơn mode. Nguồn Hình 1.5-Hiệu ứng quang phi tuyến-Đinh Sỹ Thạc Chi Hình 3.9: Hiệu năng trộn FWM với khoảng cách kênh và tán sắc sợi khác nhau. FWM không ảnh hưởng đến hệ thống sóng ánh sáng đơn kênh, nhưng lại ảnh hưởng lớn đến hệ thống đa kênh mà tiêu biểu là hệ thống WDM. Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn khi khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống càng nhỏ và mức công suất của mỗi kênh càng lớn, nó làm suy hao công suất cho không chỉ một kênh riêng, mà còn dẫn đến xuyên âm giữa các kênh, làm giảm hiệu năng của hệ thống thông tin quang. Tuy nhiên, hiệu ứng FWM cũng có ích với các hệ thống sóng ánh sáng, nó được sử dụng để giải ghép kênh khi kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDM được sử dụng trong hệ thống quang. Hiệu ứng tán xạ Raman kích thích SRS (Simulated Raman Sattering) Khi đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau thì SRS gây ra sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng cao hơn như trong Hình 3.10. λ1λ2λ3λ4 λ1λ2λ3λ4 Sợi quang Nguồn Hình 1.7-Kỹ thuật thông tin quang 2-Đỗ Văn Việt Em Hình 3.10: Ảnh hưởng của SRS. SRS là một loại của tán xạ không đàn hồi (tán xạ mà tần số ánh sáng phát ra bị dịch xuống). Có thể hiểu đây là một loại tán xạ của một photon tới photon năng lượng thấp hơn, sao cho năng lượng khác xuất hiện dưới dạng một phonon. Quá trình tán xạ gây ra suy hao công suất ở tần số tới và thiết lập một cơ chế suy hao cho sợi quang. Ở mức công suất thấp, tiết diện tán xạ phải đủ nhỏ để suy hao là không đáng kể. Ở mức công suất cao, sẽ xảy ra hiện tượng phi tuyến SRS, nên cần xem xét đến suy hao sợi. Cường độ ánh sáng sẽ tăng theo hàm mũ mỗi khi công suất quang vượt quá giới hạn nhất định. Giá trị ngưỡng này được tính toán dựa trên việc cường độ ánh sáng tăng như thế nào so với tạp âm, và được định nghĩa là công suất tới tại nơi nửa công suất bị mất bởi SRS ở cuối đầu ra sợi dài L. Công suất ngưỡng cho SRS được tính bằng Công thức (3.26). (3.26) Trong đó: g là giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Raman, gR≈10-13 m/W tại bước sóng λ=1550 nm. A là diện tích hiệu dụng. L là chiều dài tương tác hiệu dụng. L= (1-e)/, α là hệ số suy hao sợi. Trong hệ thống truyền thông quang thực tế, sợi quang đủ dài để L. Nếu thay Aeff=, với là kích thước điểm thì: Pth  (3.27) Qua tính toán cho thấy, đối với hệ thống đơn kênh thì để hiệu ứng SRS có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thì mức công suất phải lớn hơn 1W (nếu như hệ thống không sử dụng khuếch đại quang trên đường truyền). Tuy nhiên, trong hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều, vì có hiện tượng khuếch đại đối với các bước sóng lớn, trong khi đó, công suất của các kênh có bước sóng ngắn hơn lại giảm đi (do đã chuyển một phần năng lượng cho các bước sóng lớn) làm suy giảm tỷ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Như vậy trong hệ thống WDM thì hiệu ứng này làm hạn chế số kênh, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và cự ly truyền dẫn của hệ thống. Ví dụ về ảnh hưởng của hiệu ứng SRS đối với hệ thống WDM hai kênh như trong Hình 3.11. Kênh 1 Phía phát Phía thu Kênh 2 Kênh1 Kênh 2 Nguồn Hình 1.11-Tán xạ Raman kích thích-Mai Nguyên Dũng Hình 3.11: Ảnh hưởng của SRS tới hệ thống WDM hai kênh. Hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích SBS (Simulated Brillouin Sattering) Tán xạ Brillouin là sự tương tác giữa sóng âm với sóng ánh sáng trong vật chất, tương tác này xảy ra trên dải tần hẹp ∆f=20 Mhz ở bước sóng 1550 nm. Ví dụ, sóng âm trong thuỷ tinh gây ra sự thay đổi chỉ số khúc xạ tương đương dẫn đến sự biến đổi mật độ của sóng. Nhưng chỉ số quang học cách tử có thể làm nhiễu xạ ánh sáng nếu thoả mãn định luật Bragg. Trong sợi cáp đơn mode, với một trục xác định chính xác trong đường truyền thì chỉ có thể bị nhiễu xạ từ sự dịch chuyển của cách tử tương đương về phía sau. Vì vậy, cách tử là một dạng sóng di chuyển ở tốc độ âm thanh. Trên thực tế, một sóng phản xạ được tính như trong Công thức (3.28). (3.28) Trong đó, n là chỉ số khúc xạ, vs là vận tốc âm thanh trong thuỷ tinh, λ là bước sóng ánh sáng. Sự dịch chuyển tần số này đến tần số khác thấp hơn của sóng âm thanh, tương tự như ánh sáng tới được gọi là tán xạ Stokes và tới tần số cao hơn của sự lan truyền tỷ lệ của sóng âm được gọi là tán xạ anti-Stokes. Dải thông của quá trình này phụ thuộc vào độ suy giảm âm thanh của thủy tinh, được giới hạn bởi vùng không gian cách tử được định dạng bởi sóng âm. SBS xảy ra khi ánh sáng tới có cường độ cao thích hợp để năng lượng đưa vào sóng âm bởi các tán xạ Stokes làm tăng biện độ của chúng, do đó, làm tăng đáng kể khả năng tán xạ của ánh sáng tới. Quá trình truyền chỉ xảy ra tán xạ Stokes mà không xảy ra tán xạ anti-Stokes, vì năng lượng không được đưa tới sóng âm trong quá trình đó. Điều này làm tăng ánh sáng thu được ở tần số Stokes. Ngưỡng của SBS được tính bằng Công thức (3.29). (3.29) Trong đó: Alà diện tích hiệu dụng. Llà chiều dài tương tác hiệu dụng. L. gB là độ lợi của SBS, gB≈4.10-11 m/W. Có một cách khác để tính công suất ngưỡng này, đó là: W (3.30) Với: d là đường kính lõi sợi quang (μm). λ là bước sóng hoạt động (μm). α là hệ số suy hao (dB/km). ∆f là độ rộng phổ của nguồn quang (Ghz). Khi công suất quang vượt quá ngưỡng, một phần lớn ánh sáng đã phát sẽ truyền lại bộ phát. Do đó, SBS gây ra sự bão hòa công suất quang trong máy thu, đồng thời cũng làm xuất hiện sự phản xạ ngược của tín hiệu quang, và nhiễu làm giảm tỉ lệ lỗi bit BER. Nên cần phải điều khiển SBS trong hệ thống truyền dẫn tốc độ cao. SBS không gây ra bất cứ tác động qua lại nào giữa các bước sóng khác nhau khi các bước sóng đó cách nhau lớn hơn 20Mhz, mà hệ thống WDM thì khoảng cách giữa các kênh bước sóng từ 50 Ghz trở lên. Nhưng SBS cũng có thể tạo ra méo cho một kênh riêng lẻ. Do sóng bơm (sóng tín hiệu) và sóng Stokes truyền theo hai hướng ngược nhau nên SBS tạo ra độ lợi theo hướng ngược với hướng lan truyền tín hiệu, hay nói cách khác là hướng về phía nguồn. Vì vậy, nó làm suy giảm tín hiệu được truyền cũng như tạo ra một tín hiệu có cường độ mạnh về hướng phát, nên phải dùng một bộ cách ly để bảo vệ. Giải pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến của sợi quang Với xu thế phát triển công nghệ và linh kiện quang học, hệ thống WDM hiện nay đã tìm được một số phương pháp giải quyết hữu hiệu để khắc phục ảnh hưởng của những hiệu ứng trên đối với truyền dẫn, nhất là hệ thống WDM có số lượng kênh quang tương đối ít (nhỏ hơn 16 kênh), tổng công suất truy nhập sợi quang thường không lớn hơn +17 dBm, nhỏ hơn nhiều so với trị số ngưỡng gây ra hiệu ứng SRS, do đó, sẽ không có ảnh hưởng của SRS; sử dụng công nghệ điều chế ngoài của bộ kích quang và công nghệ dao động tần số thấp có thể khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng băng hẹp SBS. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) có quan hệ rất lớn đối với tán sắc của sợi quang, sử dụng sợi quang G.655 có thể khắc phục được hiệu ứng FWM, hơn nữa có thể giảm tán sắc của sợi quang, đây là lựa chọn tốt trong hệ thống WDM tốc độ cao. Điều chế chéo pha (XPM) thường phát sinh trong hệ thống WDM có nhiều hơn 32 kênh tín hiệu, có thể khắc phục bằng phương pháp tăng tiết diện hiệu dụng vùng lõi của sợi quang G.652. Tự điều chế pha (SPM) sẽ làm hẹp độ rộng xung quang truyền dẫn, ngược lại với hiệu ứng dãn xung của tán sắc, ở mức độ nhất định, có thể lợi dụng SPM để bù sự dãn xung do tán sắc. Kết luận Trong hệ thống WDM, các yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ thống WDM chính là suy hao, tán sắc, và các hiệu ứng phi tuyến. Ảnh hưởng của suy hao đã được khắc phục bằng việc sử dụng bộ khuếch đai quang sợi pha tạp EDFA, được trình bày ở Chương 2. Chương 3 đã trình bày đến các phương pháp khắc phục ảnh hưởng của tán sắc đối với truyền dẫn như phương pháp bù tán sắc SPM, PDC, PCH, DST, DCF, bù tán sắc bằng bộ lọc cần bằng quang. Tiếp đó là ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến và một số cách khắc phục chúng để có thể cải thiện được tốc độ, dung lượng và khoảng cách của hệ thống quang WDM đã được phân tích. Chương tiếp theo sẽ trình bày về một số ứng dụng của hệ thống quang WDM.