Xemtailieu Tải về Khảo sát và mô phỏng hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (wdm)
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- HÀ THỊ THU HƯƠNG KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện Tử-Viễn Thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội, 09-2011 MỤC LỤC MỤC LỤC .....................................................................................................................1 LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................3 BẢNG TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................................4 BẢNG KÍ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ......................................................................................4 MỞ ĐẦU ........................................................................................................................5 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN WDM .................6 1.1 Giới thiệu về kỹ thuật WDM .............................................................................6 1.2 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM ..............................................................7 1.3 WDM và DWDM ..............................................................................................8 Kết luận......................................................................................................................10 CHƯƠNG 2 : CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG SỢI QUANG ................ 11 2.1. Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang .............................................................12 2.1.1 Tán xạ kích thích Brillouin (SBS) ................................................................14 2.1.2. Tán xạ kích thích Raman (SRS) ..................................................................14 2.1.3. Điều chế tự dịch pha (SPM) ........................................................................14 2.1.4. Điều chế dịch pha chéo (XPM) ...................................................................15 2.1.5. Hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) ..................................................................15 2.2 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lên chất lượng tín hiệu ..........................16 2.2.1 Các hiệu ứng tán xạ kích thích .....................................................................16 2.2.2 Các hiệu ứng phi tuyến KERR .....................................................................32 2.3 Các phương pháp giảm ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến ................................49 2.3.1 Giảm ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến XPM ............................................51 2.3.2 Giảm ảnh hưởng hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM .................................52 2.3.3 Giảm ảnh hưởng của hiệu ứng SRS và nhiễu ASE ......................................55 Kết luận......................................................................................................................59 1 CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN LÊN CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRUYỀN DẪN QUA SỢI QUANG................ 61 3.1 Lưu đồ thuật toán mô phỏng hiệu ứng SRS ........................................................61 3.1.1 Lưu đồ thuật toán tính hàm Poeff() ..............................................................63 3.1.2 Lưu đồ thuật toán tính hàm RamanGain() ....................................................64 3.1.3 Lưu đồ thuật toán tính hàm gama() ..............................................................64 3.1.4 Lưu đồ thuật toán tính hàm beta() ................................................................65 3.2 Thông số mô phỏng .............................................................................................65 3.3 Dạng tín hiệu ban đầu ..........................................................................................66 3.3.1. Tín hiệu bơm ...............................................................................................66 3.3.2 Tín hiệu Stoke...............................................................................................67 3.4 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của SRS lên dạng tín hiệu ...................................67 KẾT LUẬN ................................................................................................................ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 75 PHỤ LỤC A ............................................................................................................... 76 PHỤ LỤC B................................................................................................................ 78 PHỤ LỤC C ............................................................................................................... 81 PHỤ LỤC D ............................................................................................................... 84 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu theo danh mục tài liệu tham khảo. Các số liệu có nguồn trích dẫn, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong các công trình nghiên cứu khác. Trong qúa trình làm luận văn, được sự hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo hướng dẫn, đồng thời qua quá trình nghiên cứu tài liệu, thiết kế em đã được tìm hiểu về các hiệu ứng phi tuyến cũng như những ảnh hưởng của nó lên chất lượng tín hiệu truyền dẫn quang. Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Việt Khôi đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn của mình. Hà Nội, ngày 27 tháng 09 năm 2011 Tác giả luận văn Hà Thị Thu Hương 3 BẢNG TỪ VIẾT TẮT BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít FPM Four-Photon Mixing Trộn bốn photon FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng ở nửa giá trị lớn nhất FWM Four-Wave Mixing Trộn bốn sóng SPM Self-Phase Modulation Điều chế tự dịch pha SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin SRS Stimulate Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman TWM Three-Wave Mixing Trộn ba sóng WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng XPM Cross-Phase Modulation Điều chế pha chéo BẢNG KÍ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ Diện tích vùng lõi hiệu dụng Aeff pm2 Tham số “Walk-off” d ps/m Hệ số chiết suất phi tuyến n2 m2/W Hệ số phi tuyến γ W-1km-1 Độ phân cực phi tuyến PNL Coulombs/m2 Hệ số khuếch đại Raman gR m/W Hệ số khuếch đại Brillouin gB m/W 4 MỞ ĐẦU Ngày nay, thông tin quang đã dần trở thành phương tiện truyền dẫn chủ đạo trên mạng viễn thông của các quốc gia và xuyên quốc gia. Theo như các số liệu thống kê, hệ thống thông tin sợi quang đã truyền tải trên 85% nhu cầu dung lượng thông tin mà con người tạo ra. Mục tiêu nâng cao năng lực của thông tin quang đã thúc đẩy việc nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều công nghệ và kỹ thuật mới. Trong các công nghệ đó thì công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) và công nghệ khuếch đại quang sợi được quan tâm nhất. Tuy nhiên khi kết hợp hai công nghệ này vào hệ thống thông tin sợi quang đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật để đáp ứng yêu cầu của hệ thống thông tin sợi quang. Lúc này, ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến được đi sâu vào nghiên cứu để từ nâng cao hiệu quả truyền dẫn trong sợi quang. Đề tài này tập trung vào việc “ Khảo sát và mô phỏng hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng”. Trong đó chủ yếu đi sâu vào việc phân tích và tính toán những ảnh hưởng của phi tuyến đến dạng của tín hiệu mà cụ thể là gây ra hiện tưởng mở rộng phổ của tín hiệu. Cụ thể, nội dung luận văn trình bày gồm 3 chương : Chương 1 : Tổng quan về hệ thống truyền dẫn WDM : Trình bày khái quát hệ thống WDM cũng như nguyên lý cơ bản về WDM. Chương 2 : Hiệu ứng phi tuyến : Trình bày khái quát về hiệu ứng phi tuyến, phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến từ đó đưa ra các phương pháp làm giảm ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin truyền dẫn. Chương 3 : Mô phỏng ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lên chất lượng tín hiệu truyền dẫn quang : Đưa ra các lưu đồ thuật toán của hiệu ứng SRS để thực hiện mô phỏng hiệu ứng SRS từ đó phân tích đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến SRS lên chất lượng tín hiệu trên cơ sở lý thuyết trình bày ở chương 2. 5 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN WDM 1.1 Giới thiệu về kỹ thuật WDM WDM là từ viết tắt của Wavelength Division Multiplexing – ghép kênh phân chia theo bước sóng. Theo lý thuyết thì sợi quang có độ rộng băng tần cực lớn (khoảng 25 THz) trong dải tần suy hao thấp 1550 nm; băng tần này rộng gấp 1000 lần so với độ rộng của băng tần radio trên trái đất. Tuy nhiên tốc độ dữ liệu đạt được mới chỉ đến hàng chục Gb/s vì tốc độ truy cập mạng của một thiết bị đầu cuối còn bị giới hạn bởi tốc độ đáp ứng của mạch điện tử. Sự chênh lệch giữa băng tần điện và băng tần quang gây ra hiện tượng nút cổ chai, do đó không thể tận dụng hết băng tần khổng lồ này . Các bước đột phá mới đây (dung lượng cỡ Tb/s) là kết quả của sự kết hợp giữa WDM và EDFA. Khái niệm về WDM cũng tương tự như FDM, các tín hiệu mang tin khác nhau điều chế các tín hiệu quang tại các bước sóng khác nhau và kết hợp rồi truyền đi trên một sợi quang. Lăng kính và cách tử nhiễu xạ được dùng để kết hợp (ghép) hoặc phân chia (tách) các tín hiệu có màu (bước sóng ) khác nhau. Nguyên lý ghép WDM như sau: Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng 6 Các tín hiệu quang được phát trên các bước sóng khác nhau λ1, λ2, ..., λN sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang nhờ bộ ghép (MUX – Multiplexer). Các bộ ghép phải đảm bảo có suy hao nhỏ. Tín hiệu sau khi ghép được truyền trên sợi quang tới đầu thu. Phía thu thực hiện tách các luồng tín hiệu qua bộ giải ghép DEMUX sau đó các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tín hiệu từ các bước sóng riêng rẽ. 1.2 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM Ta xem xét hai sơ đồ truyền dẫn WDM: hệ thống truyền dẫn quang ghép bước sóng đơn hướng và hệ thống truyền dẫn quang ghép bước sóng song hướng. Sơ đồ hệ thống hai sợi thể hiện trong hình 1.2. Tại mỗi bộ phát, tín hiệu điện của từng kênh được điều biến với một sóng mang quang λi (i = 1, 2,...N ) có độ rộng phổ rất hẹp. Bộ ghép OMUX thực hiện ghép các tín hiệu này rồi truyền trên một sợi quang duy nhất đến đầu thu. Tín hiệu trên đường truyền được khuếch đại nhờ bộ khuếch đại quang. Bộ ghép phải có suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu đến đầu ra còn đủ lớn. Giữa các kênh có khoảng bảo vệ để tránh xuyên nhiễu. Tại phía thu, ODMUX thực hiện tách các tín hiệu có bước sóng λi (i = 1, 2,...N , i ≠ j ) khác nhau thành các kênh riêng rẽ rồi đưa đến một máy thu. Trên mỗi sợi quang, tín hiệu phát tại một đầu và thu tại một đầu, mang tính đơn hướng. Ngoài hệ thống truyền dẫn ghép bước sóng sử dụng hai sợi còn có sơ đồ ghép sử dụng một sợi như trong hình 1.3. Các sóng mang có bước sóng λ1…λN được điều biến bởi các tín hiệu điện từ N kênh và phát theo một hướng. Các sóng mang có bước sóng λN+1…λ2N cũng được điều biến bởi tín hiệu điện từ N kênh và phát theo hướng ngược lại. Phương pháp này đòi hỏi các bộ khuếch đại quang phải có khả năng khuếch đại trên cả hai chiều và yêu cầu nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất lượng của bộ tách kênh. 7 λ1 , λ 2 ,....λ N λ1 λ1 λN λN λ1 λ1 , λ 2 ,....λ N λ1 λN λN Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng hai sợi λ1 λ1 , λ2 ,....λ N λN λN λ N +1 λ2 N λ1 λ N +1 λ N +1 ,..........λ2 N λ2 N Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng một sợi 1.3 WDM và DWDM Các hệ thống WDM được chia thành hai loại: WDM thông thường và DWDM (Dense WDM – ghép mật độ cao). Các hệ thống có trên 8 bước sóng tích cực trên một sợi quang thường được coi là DWDM còn các hệ thống có ít hơn 8 bước sóng tích cực trên một sợi quang được coi là WDM thông thường. WDM theo chuẩn của ITU về thuật ngữ có nghĩa là hai (hoặc nhiều hơn) tín hiệu ghép trên cùng một sợi quang, trong đó một tín hiệu trong dải 1550 nm và một tín hiệu trong dải 1310 nm. Mới đây, ITU đã chuẩn hoá hệ thống có khoảng cách kênh 20 nm để sử dụng cho WDM, dùng các bước sóng giữa 1310 nm và 1610 nm. Nhiều bước 8 sóng WDM dưới 1470 nm được coi là không thể sử dụng với sợi quang theo khuyến nghị G.652 do có suy hao lớn trong dải 1310-1470 nm. Những sợi quang mới theo các khuyến nghị G.652. C và G.652.D đã gần như loại bỏ được một số đỉnh suy hao và cho phép hoạt động trên toàn bộ 20 kênh WDM của ITU trong các mạng nội thị. Đặc điểm chính của WDM theo chuẩn ITU là các tín hiệu chưa có khoảng cách thích hợp cho khuếch đại bằng EDFA. Nguyên nhân là do khoảng cách truyền hạn chế của WDM, chỉ khoảng 60 km với tín hiệu 2,5 Gb/s, chỉ đủ cho các ứng dụng mạng nội thị. Việc giảm các yêu cầu về mặt quang đã kéo theo việc giảm chi phí cho các linh kiện WDM, xấp xỉ chi phí cho các linh kiện không WDM. WDM cũng được sử dụng cho các mạng cáp TV, tại đó các bước sóng khác nhau được sử dụng cho các tín hiệu luồng lên và xuống. Trong các hệ thống này, các bước sóng thường được phân chia rộng, chẳng hạn tín hiệu luồng xuống tại 1310 nm trong khi tín hiệu luồng lên tại 1550 nm. DWDM – WDM mật độ cao, chỉ những tín hiệu quang được ghép trong dải 1550 nm, tận dụng được khả năng khuếch đại của EDFA (hiệu quả lớn nhất với các bước sóng từ 1530 – 1560 nm). Một hệ thống DWDM cơ bản có những thành phần chủ yếu như sau: một bộ ghép kênh đầu cuối, bộ khuếch đại EDFA có thể tích hợp vào trong bộ ghép này hoặc tách riêng, một thiết bị đầu cuối quang trung gian, còn gọi là bộ ghép quang xen/rẽ, một bộ tách kênh đầu cuối, kênh giám sát quang. Các bước sóng WDM được đặt trong hệ thống có khoảng cách kênh chính xác là 100GHz (khoảng 0,8 nm), với tần số tham khảo cố định khoảng 190,10 THz (1552,52 nm). Hệ thống chính được đặt bên trong băng tần khuếch đại sợi quang nhưng có thể mở rộng cho các băng tần rộng hơn. Các hệ thống DWDM ngày nay sử dụng khoảng cách kênh 50 GHz hoặc thậm chí là 25 GHz và có thể có đến 160 kênh. Các hệ thống DWDM đắt hơn rất nhiều so với WDM vì các bộ phát laser cần phải ổn định hơn so với WDM thông thường. Các hệ thống DWDM yêu cầu điều khiển nhiệt độ chính xác trong các laser phát để tránh sự “kéo trôi” bước sóng trung tâm rất hẹp. Thêm vào đó, DWDM có xu hướng sử dụng trong các mức cao của hệ thống truyền thông, chẳng hạn như đường trục Internet và do đó được kết hợp với các tốc độ điều chế cao, tuy nhiên thị trường cho các thiết bị DWDM cũng có mức hiệu năng cao, tương ứng với giá thành 9 cao. Nói cách khác, các thiết bị DWDM chỉ cần với số lượng nhỏ. Những đổi mới gần đây trong các hệ thống truyền tải DWDM bao gồm các module thu phát có khả năng điều chỉnh phần mềm, hoạt động với 40 hoặc 80 kênh. Kết luận Công nghệ WDM đã và đang phát triển và chiếm ưu thế trong các mạng truyền tải ngày nay. Đây là công nghệ chủ chốt để Việt Nam cũng như các nước trên thế giới phát triển mạng toàn quang cho mạng NGN. WDM không chỉ tận dụng băng thông lớn của sợi quang mà còn cho tốc độ cao, khả năng mở rộng dung lượng dễ dàng. Bên cạnh đó sử dụng hệ thống WDM cho mạng truyền tải có thể truyền nhiều loại tín hiệu có đặc tính khác nhau, đáp ứng nhiều loại hình dịch vụ đa dạng. Tuy nhiên trong hệ thống còn có những yếu tố gây suy giảm chất lượng hệ thống không thể tránh khỏi. Trong khuôn khổ có hạn, đề tài này nghiên cứu các hệ thống phi tuyến để từ đó có biện pháp làm giảm ảnh hưởng của nó đến chất lượng hệ thống WDM. 10 CHƯƠNG 2 : CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG SỢI QUANG Các thành phần cơ bản trong hệ thống truyền dẫn WDM: bộ phát quang, bộ thu quang, bộ lọc quang, các bộ tách/ghép kênh quang, bộ khuếch đại quang và sợi quang. Ở đây ta nghiên đi sâu vào nghiên cứu sợi quang : Nhiệm vụ chính của sợi quang là dẫn sóng ánh sáng với một lượng suy hao nhỏ nhất. Trong hệ thống truyền dẫn quang, sợi quang đóng vai trò là phương tiện truyền dẫn. Hiện nay, sợi quang đơn mode tuân theo khuyến nghị G.652 được sử dụng nhiều nhất. Giá trị tán sắc bằng không nằm ở bước sóng 1310 nm, tán sắc tại vùng 1550 nm rất lớn, cỡ 18 ps/nm/km. Tuy nhiên, suy hao ở vùng bước sóng 1550 nm nhỏ hơn trong vùng 1310 nm và bộ khuếch đại EDFA làm việc tại vùng này nên người ta sử dụng sợi quang tán sắc đã dịch (DSF – Dispersion Shifted Fiber). Sợi quang DSF tuân theo khuyến nghị G.653, có tán sắc bằng không tại bước sóng 1550 nm, thích hợp sử dụng trong các hệ thống WDM thông thường. Tuy nhiên do hiệu ứng trộn bốn sóng xảy ra mạnh nên nó không được sử dụng trong các hệ thống kênh mật độ dày đặc DWDM. Trong các hệ thống DWDM người ta sử dụng sợi NZ-DSF (Non-zero DSF), loại sợi này có mức tán xạ thấp tại cửa sổ thứ ba. Một loại sợi mới cũng đang được phát triển cho truyền dẫn WDM là sợi HDSF (Half-Dispersion – shifted Single-mode Fiber). Loại sợi này có bước sóng cắt nhỏ hơn 1500 nm, bước sóng có tán sắc bằng không lớn hơn 1450 nm và nhỏ hơn 1500 nm, tại bước sóng hoạt động 1560 nm thì tán sắc còn khoảng 6 đến 11 ps/nm/km. Gần đây, tập đoàn điện tử Sumitomo của Nhật đã tuyên bố vừa phát triển được loại sợi quang mới sử dụng cho các hệ thống WDM có tên gọi PureMetro[15]. Đây là sợi NZ-DSF đa chức năng, có các đặc điểm rất tốt cho cả các hệ thống WDM đô thị và các đường trung kế. Dải bước sóng sử dụng cho truyền dẫn DWDM trong các đường trung kế là băng C (1530 nm -1565 nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm) tại phía bước sóng dài. Các đặc điểm về tán sắc của sợi PureMetro tại dải bước sóng này được xác 11 định thận trọng để cho phép sử dụng PureMetro trong các mạng WDM trung kế hiện có. Các ứng dụng của sợi PureMetro đối với các thiết bị truyền dẫn hiện có cho phép truyền dẫn DWDM với khoảng cách kênh 1 nm hoặc nhỏ hơn. Trong các mạng đô thị, truyền dẫn ở khoảng cách ngắn và trung bình sử dụng WDM đã trở thành xu thế. Xuất phát từ quan điểm của dải truyền dẫn và chi phí, các bộ khuếch đại quang và các sợi quang bù tán sắc sẽ không được sử dụng nữa. Vì vậy đường truyền dẫn cần phải có suy hao nhỏ và tán sắc nhỏ trên một dải rộng. Để đạt được những yêu cầu này, PureMetro được thiết kế là sợi NZ-DSF đầu tiên có suy hao hấp thụ OH thấp và có tán sắc thấp, cân bằng trong dải bước sóng từ 1280 nm đến 1625 nm. Đây là loại sợi quang thích hợp để xây dựng các mạng WDM đô thị. Sợi quang này có khả năng ứng dụng trong các đường trung kế khoảng cách lớn cũng như các mạng đô thị. Người ta dự đoán sợi quang này sẽ được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống WDM thông thường và DWDM. Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến việc truyền dẫn tín hiệu tốc độ cao trong sợi quang là hiệu ứng phi tuyến. Trong đề tài nay, ta sẽ nghiên cứu nguyên nhân gây ra hiệu ứng phi tuyến cũng như những ảnh hưởng của nó từ đó đưa ra phương pháp để nâng cao hiệu quả truyền dẫn trong sợi quang. 2.1. Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang Tính phi tuyến của sợi quang không phải do quá trình sản xuất hay thiết kế, nó là một đặc điểm sẵn có của năng lượng điện từ khi qua một phương tiện vật lý. Các nhà thiết kế và người sử dụng các hệ thống truyền thông quang sợi cần đặc biệt quan tâm đến tham số này, vì tính nhất quán cao của năng lượng laser mà các hệ thống này sử dụng. Độ lớn của trường điện cần thiết đối với một mức công suất phát cho trước tăng lên cùng với mức độ nhất quán trong bước sóng. Chính vì vậy, ngay cả các mức công suất vừa phải trong các hệ thống WDM nhất quán cao cũng dẫn đến các mức trường điện đủ lớn để gây ra các hiệu ứng phi tuyến. Tính phi tuyến của sợi quang trở nên đáng chú ý khi cường độ tín hiệu laser (công suất trên một đơn vị diện tích) đạt đến giá trị ngưỡng. Đồng thời, các hiệu ứng phi tuyến cũng trở thành tất yếu sau khi các tín hiệu vượt qua một độ dài nào đó của 12 sợi quang, phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của cấu trúc và các điều kiện hoạt động của sợi quang. Trong thực tế, trường điện (E) của tín hiệu lan truyền tỉ lệ với công suất tín hiệu P lần hệ số phi tuyến n2 chia cho diện tích hiệu dụng Aeff của lõi sợi theo công thức sau [5]: E ( z + dz ) = E ( z ) exp[(−α / 2 + i β + γ P( z , t ) / 2)dz ] (2.1) Trong đó α là suy hao sợi quang, β là pha của sóng lan truyền, γ là hệ số phi tuyến, γ=(2π/λ )(n2/Aeff). Giả sử chùm ánh sáng lan truyền theo dạng Gausse thì ta có Aeff = π ( MFD) 2 (2.2) với MFD là đường kính trường mode. Đối với sợi quang dịch tán sắc G.653 và sợi quang dịch tán sắc non-zero G.655 thì Aeff xấp xỉ bằng 50 đến 60 µm2, trong khi đó sợi quang chưa dịch tán sắc G.652 có Aeff xấp xỉ bằng 80 µm2. Độ dài sợi quang hiệu dụng Leff cũng có tác dụng như Aeff. Với những sợi quang đơn mode điển hình thì Leff thường có giá trị 20 km. Các hiệu ứng phi tuyến thường chia thành hai loại, phụ thuộc vào sự thay đổi của γ. Đó là hiện tượng tán xạ và hiện tượng chiết suất. Với hiện tượng tán xạ, tín hiệu laser bị tán xạ bởi các sóng âm (các phonon âm thanh) hoặc các dao động trong phân tử sợi quang (các phonon ánh sáng) và sẽ bị dịch đến các bước sóng dài hơn. Hai hiện tượng tán xạ thường thấy là tán xạ ngược Brillouin kích thích (hiện tượng phonon âm) và tán xạ Raman kích thích (hiện tượng phonon quang). Trong các hiện tượng chiết suất, công suất tín hiệu đủ cao để chiết suất không thể coi là hằng số nữa mà xấp xỉ theo công thức sau n = n0 + n2 I (2.3) với n0 là chiết suất tuyến tính, I là cường độ tín hiệu, n2 là hệ số phi tuyến (khoảng 2 đến 3.10-16 cm2/W với sợi quang silic). Các hiện tượng chiết suất bao gồm tự điều chế pha SPM, điều chế pha chéo XPM và hiệu ứng trộn bốn sóng. Dưới đây là những nét cơ bản về các hiệu ứng phi tuyến nói trên. Các hiệu ứng phi tuyến gồm - Hiệu ứng tán xạ kích thích Brillouin (SBS) 13 - Hiệu ứng tán xạ kích thích Raman (SRS) - Hiệu ứng điều chế tự dịch pha (SPM) - Hiệu ứng điều chế dịch pha chéo (XPM) - Hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) 2.1.1 Tán xạ kích thích Brillouin (SBS) Trong hiệu ứng này, tín hiệu laser tạo ra các vùng tuần hoàn hoặc thay đổi chiết suất, có nghĩa là một cách tử tuần hoàn truyền đi như một sóng âm từ tín hiệu. Những phản xạ do cách tử ảo này gây ra xuất hiện như ánh sáng tán xạ ngược, được khuếch đại và tác động do hiệu ứng Doppler dịch tần số thấp hơn (bước sóng dài hơn). Hiệu ứng SBS dẫn đến một tín hiệu lan truyền theo hướng đi không ổn định và rất nhiễu vì rất nhiều năng lượng quang bị tán xạ ngược. Với các sợi quang G.653 tại bước sóng 1552 nm chẳng hạn thì tín hiệu bị tán xạ ngược bị dịch xuống phía dưới khoảng 10,7 GHz (=0,085 nm) với băng tần khoảng 60 MHz. Với sợi quang G.652 trong cùng cửa sổ, tín hiệu bị tán xạ ngược bị dịch xuống khoảng 11 GHz (+0,088 nm) với băng tần khoảng 30 MHz. Theo kinh nghiệm thì nên xem xét SBS như một vấn đề về điện thế (potential) nếu ánh sáng đơn sắc trên 6 dBm được đưa vào sợi quang. Nhiều kỹ thuật đã được phát triển để khử SBS trong các hệ thống thực tế. Kỹ thuật thông dụng nhất là rung nhanh (~50 kHz) sóng mang qua một dải tần khoảng 1GHz, lớn hơn rất nhiều so với băng tần SBS 30 đến 60 MHz. 2.1.2. Tán xạ kích thích Raman (SRS) Hệ số tán xạ Raman, khoảng 10-12 cm/W nhỏ hơn rất nhiều so với hệ số tán xạ ngược Brillouin. Tuy nhiên, tần số tín hiệu lại bị dịch đến những tần số thấp hơn rất nhiều (từ 10 đến 15 THz trong cửa sổ 1550 nm, hoặc tại bước sóng dài hơn 1600 nm) với băng tần rộng hơn nhiều (khoảng 7 THz hay 55 nm). Trong các hệ thống WDM hiệu ứng này là sự chuyển công suất từ các kênh bước sóng ngắn đến các kênh bước sóng dài hơn. 2.1.3. Điều chế tự dịch pha (SPM) Khi cường độ tín hiệu laser trở nên quá cao, tín hiệu có tự điều chế pha. Việc điều chế này nới rộng phổ của tín hiệu và tạm thời nới rộng hoặc nén tín hiệu, phụ 14 thuộc vào dấu (âm hay dương) của tán sắc sắc thể. Một sự dịch chuyển các bước sóng ngắn xảy ra tại phần đuôi của tín hiệu và dịch chuyển các bước sóng dài tại phần đầu tín hiệu. Trong các hệ thống WDM, sự nới rộng phổ do SPM gây ra trong một kênh tín hiệu có thể giao thoa với các tín hiệu liền kề. SPM tăng lên khi công suất kênh đưa vào tăng lên trong một sợi quang cố định với diện tích hiệu dụng cố định, khi tốc độ bit của kênh tăng lên và trong trường hợp tán sắc sắc thể mang dấu âm (-). SPM không bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi giảm khoảng cách kênh và tăng số lượng kênh, hiệu ứng này giảm xuống khi tán sắc sắc thể có giá trị không hoặc giá trị dương nhỏ, khi tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang và khi bù tán sắc. 2.1.4. Điều chế dịch pha chéo (XPM) Trong trường hợp này thì tín hiệu của một kênh điều chế pha của tín hiệu trong kênh liền kề. XPM cũng nhạy với các tham số giống như SPM, ngoài ra còn nhạy với sự tăng số lượng kênh. XPM không bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi giảm khoảng cách kênh nhưng giảm trong các trường hợp: tăng diện tích hiệu dụng của sợi và bù tán sắc. Trong các hệ thống WDM sử dụng sợi có diện tích hiệu dụng lớn thì XPM không phải là một vấn đề quan trọng. Các vấn đề về XPM sẽ được nghiên cứu cụ thể trong chương 2 của đề tài. 2.1.5. Hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) Đây là hiệu ứng phi tuyến có tính chất phá vỡ nhiều nhất trong các hệ thống WDM. Khi cường độ tín hiệu laser đạt đến giá trị tới hạn, các tín hiệu bóng xuất hiện và một số có thể rơi vào các kênh có thực. Số lượng kênh bóng được tính theo công thức N2(N-1)/2 với N là số kênh tín hiệu. Theo cách tính này thì trong một hệ thống 4 kênh sẽ xuất hiện 24 kênh bóng, hệ thống 8 kênh xuất hiện 224 kênh bóng, hệ thống 16 kênh xuất hiện 1920 kênh bóng. Sự giao thoa giữa các kênh này sẽ rất nghiêm trọng tại phía thu. Hiệu ứng trộn bốn sóng rất nhạy với sự tăng công suất kênh, sự giảm khoảng cách kênh, sự tăng số lượng kênh mặc dù đạt được giá trị bão hoà. Hiệu ứng này đặc biệt nghiêm trọng trong hệ thống sử dụng sợi quang dịch tán sắc G.653. Với sợi dịch tán sắc non-zero G.655 thì hiệu ứng này ít nghiêm trọng hơn, đặc biệt khi sợi có diện tích hiệu dụng rộng. FWM không bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi tăng tốc độ 15 bit của kênh. Khi tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang hoặc tăng giá trị tuyệt đối của tán sắc sắc thể thì có thể giảm FWM. Trong cửa sổ 1550 nm, ảnh hưởng của FWM không nghiêm trọng đối với sợi quang chưa dịch tán sắc G.652 so với sợi quang dịch tán sắc G.653 vì tán sắc tương đối phẳng trong khi sườn tán sắc lại dốc hơn. 2.2 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lên chất lượng tín hiệu Theo lý thuyết về nguyên tử, trong nguyên tử có các điện tử mang điện âm và hạt nhân mang điện dương. Do đó khi điện trường tác động vào vật liệu, các điện tử và các hạt nhân bị dịch chuyển về hai hướng ngược nhau. Lực điện trường làm vật liệu bị phân cực, ký hiệu là P, phụ thuộc vào điện trường tác động và bản chất của vật liệu và được tính như sau [5]: ( ) P = ε o χ (1) ⋅ E + χ ( 2 ) : EE + χ (3) M EEE + ... (2.4) Trong đó: εo là hằng số điện môi trong chân không và χ(i) (j = 1, 2, 3…) là độ điện cảm cấp j. Độ điện cảm tuyến tính χ(1) đóng vai trò rất lớn trong P, những ảnh hưởng do nó đem lại biểu hiện qua hệ số chiết suất n và hệ số suy hao α .Độ điện cảm cấp hai χ(2) là nguyên nhân gây ra hiệu ứng phi tuyến như sinh ra hoà âm cấp hai. Tuy nhiên đối với những phân tử có cấu trúc đối xứng như SiO2, χ(2) gần như bằng 0 nên có thể bỏ qua. Các độ điện cảm χ(4),χ(5)… nhỏ hơn rất nhiều so với χ(3). Vì vậy chỉ có χ(3) là nguyên nhân chủ yếu gây ra các hiệu ứng phi tuyến. Có thể chia các hiệu ứng phi tuyến thành 2 loại: - Các hiệu ứng tán xạ kích thích: SBS, SRS. - Các hiệu ứng phi tuyến Kerr: SPM, XPM, FWM. 2.2.1 Các hiệu ứng tán xạ kích thích Các hiệu ứng phi tuyến liên quan đến χ(3) trình bày ở trên là đàn hồi (nghĩa là không có sự trao đổi năng lượng giữa trường điện từ và môi trường điện môi). Loại hiệu ứng phi tuyến thứ hai là các hiệu ứng gây ra do sự tán xạ kích thích không đàn hồi (trong đó trường quang chuyển đổi một phần năng lượng của nó vào môi trường phi tuyến). Hai hiệu ứng phi tuyến quan trọng rơi vào nhóm này là tán xạ kích thích Raman (Stimulated Raman Scattering_SRS) và tán xạ kích thích Brillouin (Stimulated Brillouin Scattering_SBS), cả hai hiệu ứng này đều liên quan đến các mode dao động kích thích của silic. 16 Bản chất của hai hiệu ứng này là các photon của tín hiệu tới (thường gọi là sóng bơm) chuyển một phần năng lượng của nó cho dao động cơ học của các phân tử cấu thành môi trường truyền dẫn (phonon) và phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh sáng có tần số nhỏ hơn tần số của ánh sáng tới (gọi là tần số Stoke). Ngược lại photon nhận được năng lượng từ phonon của môi trường sẽ tạo ra photon mới có tần số cao hơn và được gọi là tần số phản Stoke. Quá trình trao đổi năng lượng này phải đảm bảo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng. Mặc dù nguyên nhân gây ra SRS và SBS là rất giống nhau nhưng chúng có điểm khác là bản chất của phonon tham gia vào quá trình chuyển đổi năng lượng. Hiệu ứng SRS liên quan đến các phonon quang còn SBS liên quan đến các phonon âm học. Cũng vì lý do này mà SBS chỉ xảy ra ở hướng ngược trở lại (tức là ngược chiều với chiều truyền của tín hiệu) trong khi đó SRS xảy ra theo cả hai hướng. Sự gia tăng ban đầu của sóng Stoke trong hiệu ứng SRS được mô tả bởi phương trình sau[5]: dI s = gRI pIs dz (2.5) Trong đó: Is là cường độ sóng Stoke, Ip là cường độ sóng bơm, và gR là hệ số khuếch đại Raman. Tương tự ta có thể thu được phương trình mô tả sự gia tăng của sóng Stoke trong hiệu ứng SBS bằng cách thay thế gR bởi gB. Cả gR và gB của sợi silic đều có thể đo lường bằng thực nghiệm. Phổ khuếch Raman rất rộng với dải tần vượt quá 30 THz, đỉnh khuếch đại gR ≈ -13 1x10 m/W ở bước sóng bơm λ = 1µm và khuếch đại lớn nhất ứng với dịch chuyển Stoke khoảng 13 THz. Ngược lại, phổ khuếch đại Brillouin hẹp hơn nhiều với dải tần ~ 10 MHz và khuếch đại lớn nhất ứng với dịch chuyển Stoke khoảng 10 GHz. Giá trị đỉnh gB ~ 6x10-11 m/W đối với xung có dải tần hẹp và giảm cỡ ∆νP/∆νB lần đối với xung có dải tần rộng. Trong đó ∆νP và ∆νB lần lượt là dải tần sóng bơm và dải tần khuếch đại Brillouin. Một tham số quan trọng của SRS và SBS là giá trị công suất ngưỡng, phần lớn công suất bơm chuyển thành công suất Stoke nếu công suất bơm vượt quá giá trị 17 ngưỡng. Với SRS trong sợi silic đơn mode có αL >> 1, cường độ công suất ngưỡng được cho bởi: I Pth ≈ 16(α / g R ) (2.6) Thông thường IPth ~ 10 MW/cm2, và có thể quan sát được SRS ở công suất bơm ~1W. Tương tự công suất ngưỡng của SBS là: I Pth ≈ 21(α / g B ) (2.7) Bởi vì gB lớn hơn rất nhiều so với gR nên giá trị ngưỡng của SBS nhỏ hơn nhiều so với SRS, giá trị ngưỡng điển hình của SBS ~ 10mW. 2.2.1.1 Hiệu ứng tán xạ kích thích Raman a. Phổ khuếch đại Raman Hình 2.3. Phổ khuếch đại Raman của sợi silic ở bước sóng bơm (λp = 1µm) Sự gia tăng của cường độ sóng Stoke được mô tả bởi công thức [5]: dI S = gRIPIS dz (2.8) Trong đó Is là cường độ sóng Stoke, Ip là cường độ sóng bơm và gR là hệ số khuếch đại Raman. Hệ số khuếch đại Raman liên quan đến mặt cắt chiết suất của tán xạ tự phát Raman và có thể đo lường được bằng thực nghiệm. Ở mức độ cơ bản hơn, gR liên quan đến phần ảo của độ điện cảm phi tuyến cấp 3 χ(3). 18 Thông thường gR phụ thuộc vào thành phần của lõi sợi quang và có thể thay đổi rất lớn nếu pha thêm tạp chất vào lõi sợi. Hình 2.3 biểu diễn gR của sợi silic theo độ dịch tần ở bước sóng bơm λp = 1µm. Nếu bước sóng bơm khác 1µm, có thể tính được gR bằng cách lấy nghịch đảo sự phụ thuộc của gR vào λp. Điểm đáng chú ý nhất trong phổ khuếch đại Raman của sợi silic là gR kéo dài trong một phạm vi tần số rất rộng (đạt tới 40THz) với đỉnh khuếch đại gần độ dịch tần 13THz. Điều này xảy ra là do tính phi tinh thể tự nhiên của thuỷ tinh silic. Trong các vật liệu vô định hình như silic tần số dao động phân tử trải rộng thành nhiều dải chồng chéo lên nhau và trở thành một dải liên tục. Kết quả là khác hẳn với các phương tiện truyền dẫn trước đây (có phổ khuếch đại Raman nằm trong một dải tần số hẹp), phổ khuếch đại Raman của sợi silic liên tục và trải dài trong một phạm vi rất rộng. Chính vì đặc điểm này mà sợi quang có thể làm việc như một bộ khuếch đại dải rộng. Để hiểu quá trình SRS xảy ra như thế nào, ta xét một chùm sóng bơm liên tục lan truyền bên trong sợi ở tần số ωp. Nếu tần số của chùm dò ở tần số ωs được đưa vào đầu vào sợi quang cùng với sóng bơm, nó sẽ được khuếch đại bởi khuếch đại Raman với điều kiện là độ lệch tần ωp- ωs nằm bên trong phổ khuếch đại Raman như trên Hình 2.3. Nếu chỉ có một mình sóng bơm được đưa vào đầu vào sợi quang, tán xạ tự phát Raman sẽ sinh ra một tín hiệu yếu hoạt động như là sóng dò và được khuếch đại trong quá trình truyền dẫn. Bởi vì các tín hiệu sinh ra do tán xạ tự phát Raman nằm trong miền phổ khuếch đại Raman nên chúng được khuếch đại. Tuy nhiên tần số nào có độ dịch tần (dịch từ tần số bơm) ứng với giá trị lớn nhất của gR sẽ được khuếch đại lên nhanh nhất. Trong trường hợp sợi silic là tinh khiết, gR đạt giá trị lớn nhất đối với độ dịch tần giảm xuống cỡ 13.2THz( 440 cm-1). Nếu như công suất bơm vượt quá một giá trị ngưỡng, thành phần tần số này được khuếch đại có dạng quy luật của hàm mũ. Chính vì vậy thành phần tần số Stoke được sinh ra do SRS phụ thuộc vào giá trị đỉnh trong phổ khuếch đại Raman. Độ dịch tần này được gọi là dịch chuyển Raman hay dịch chuyển Stoke. b. Ngưỡng Raman 19 Tải về bản full