Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

NỘI DUNG

I.
I.1.

Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM
Nguyên lý ghép kênh

Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm (Point to Point) thông thường,
mỗi sợi quang sẽ có một nguồn phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Nguồn
phát quang sẽ mang tín hiệu và ghép vào sợi quang xác định riêng biệt; bộ tách sóng
quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Như vậy, muốn tăng dung lượng của
hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh WDM sẽ cho phép
tăng dung lượng lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bít đường truyền và cũng
không dùng thêm sợi quang. Nó thực hiện truyền các luồng quang với các bước
sóng khác nhau trên cùng một sợi quang. Điều này thực hiện được là do các nguồn
phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin thông thường chỉ sử
dụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của mỗi sợi quang. Hình 1.1 mô tả các
cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp của sợi quang nằm ở các vùng (cửa sổ) 0.85
µm, 1.3 µm, 1.55 µm.

Hình 1.1 Các vùng bước sóng (cửa sổ) có suy hao nhỏ cho phép truyền
nhiều bước sóng

1


Về lý thuyết, có thể truyền một dung lượng khổng lồ trên một sợi quang từ nhiều
nguồn phát quang làm việc ở những bước sóng cách nhau một khoảng hợp lý. Tại
đầu thu, có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các
bước sóng khác nhau này. Do có, mức suy hao thấp ở vùng bước sóng 1,5

µm

nên

vùng này được sử dụng rộng rãi trong ghép kênh WDM.
Hình 1.2 minh họa nguyên lý cơ bản của ghép và giải ghép kênh WDM. Giả sử
hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác
nhau

λ1 λ2
λn
, ,..., . Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng khác nhau này

sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ một bộ ghép kênh quang (MUX). Ở đầu
thu, các bộ tách sóng quang khác nhau sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các cướng
sóng riêng rẽ này sau khi qua bộ giải WDM (DEMUX).

Hình 1.2 Mô tả quá trình ghép và giải ghép WDM
Hình 1.3 mô tả hệ thống truyền dẫn ghép kênh bước sóng quang WDM theo hai
chiều.

2


Hình 1.3 Hệ thống ghép kênh WDM điểm – điểm
Với phương án này, cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện hệ thống thông
tin hai chiều.
I.2.

Các thông số cơ bản của thiết bị WDM

Các thông số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép – giải ghép (MUX/EMUX)
hỗn hợp là: suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh. Các ký hiệu

Ι(λ i )

và

tương ứng là các tín hiệu đã được ghép đang có mặt ở đường chung. Ký hiệu
là tín hiệu đầu vào có bước sóng
hiệu có bước sóng

λi

λk

được ghép vào cửa thứ k; ký hiệu

Oi (λ i )

Ο(λ k )
Ι k (λ k )

là tín

đã được giải ghép và đi ra ở cửa thứ i. Dưới đây, sẽ xem xét ba

thông số cơ bản của thiết bị WDM:
+ Suy hao xen:

Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao xảy ra trong tuyến truyền
dẫn quang do trong tuyến đó có thêm các thiết bị ghép WDM. Suy hao này gồm:
suy hao do điểm ghép nối với các thiết bị WDM với sợi quang và suy hao bởi bản
3


than các thiết bị ghép gây ra. Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải dự trữ
vài dB cho mỗi đầu. Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các
bộ ghép Couple chung, nhưng cần lưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng đặc
trưng:
• Đối với thiết bị MUX:
Li = −10 log

• Đối với thiết bị DEMUX:
Li = −10 log

Với

Li

là suy hao tại bước sóng

λi

O (λ i )
I i (λ i )
Oi (λ i )
I (λ i )

(1.1)

(1.2)

khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn.

Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang
của thiết bị.
+ Xuyên kênh:
Xuyên kênh mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này bị rò (chuyển) sang kênh khác
lân cận. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tùy thuộc vào trường hợp
áp dụng, nhưng nhìn chung, phải đảm bảo nhỏ hơn -30 dB trong mọi trường hợp.
Trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó và điều này làm suy giảm
chất lượng truyền dẫn của hệ thống, Khả năng để tách các kênh khác nhau được
diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB:
Di (λ k ) = −10 log

Trong đó

U i (λ k )

U i (λ k )
I (λ k )

(1.3)

là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng

tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng

λi

λk

do có rò

. Khi tạo ra các sản

phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao xuyên kênh dối với từng kênh của
thiết bị .
4


Xuyên kênh thường xuất hiện do các nguyên nhân sau: do đặc tính của bộ lọc
tạo ra thiết bị ghép kênh không hoàn thiện; do phổ của các nguồn phát chồng lấn
sang nhau; do các hiệu ứng phi tuyến, nhất là đối với trường hợp công suất các kênh
bước sóng lớn.
+ Độ rộng kênh:
Độ rộng kênh là dải sóng dành cho mỗi lênh mà nó định ra cho từng nguồn phát
quang riêng. Nếu nguồn phát quang là các nguồn phát Diode Laser thì các độ rộng
kênh yêu cầu vào khoảng vài chục nm để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do
sự không ổn định của các nguồn phát gây ra. Đối với nguồn phát quang là Diode
LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần, bởi vì độ rộng phổ của loại
nguồn này rộng hơn. Như vậy, để tránh nhiễu do phổ nguồn phát, độ rộng kênh phải
đảm bảo đủ lớn, nghĩa là nó phải được xác định tùy theo loại nguồn phát.

Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM

II.

Các thành phần thiết bị của hệ thống thông tin quang WDM gồm nhiều loại như

sau:
-

Nguồn phát quang và bộ thu quang;
Cáp sợi quang;
Thiết bị ghép và giải ghép WDM;
Thiết bị ghép xen/rẽ OADM;
Bộ định tuyến bước sóng;
Thiết bị đấu nối chéo quang;
Bộ khuếch đại quang;…
Các thành phần thiết bị này được chế tạo dựa trên những thành tựu công

nghệ thông tin quang và tùy theo đặc điểm có sự phù hợp khác nhau đối với các
hệ thống thông tin quang WDM. Ta sẽ xem xét các thiết bị chủ yếu với những
đặc điểm công nghệ mới nhất phù hợp với ựng dụng cho các hệ thống thông tin
quang WDM hiện đại.
II.1.

Sợi quang

Chức năng chính của sợi quang là dẫn sóng quang (ánh sáng) đi xa với mức suy
hao nhỏ nhất. Sóng ánh sáng được truyền đi trong sợi quang dựa trên nguyên lý
phản xạ toàn phần bên trong sợi quang. Sợi quang là một sợi thủy tinh gồm hai lớp
5


(core và cladding) có chiết suất khác nhau. Hiện nay sử dụng hai loại sợi chính: sợi
đơn mode và sợi đa mode. Sợi đơn mode có core nhỏ hơn và chỉ cho một mode ánh
sáng đi qua. Do đó, độ trung thực của tín hiệu tốt hơn trong một khoảng cách truyền
dẫn lớn vì giảm hẳn tán xạ mode. Điều này làm cho sợi đơn mode có dung lượng

băng thông lớn hơn sợi đa mode. Do có khả năng truyền tải thông tin cực lớn và suy
hao thấp, nên sợi quang đơn mode được sử dụng chủ yếu trong hệ thống thông tin
đường dài và dung lượng lớn kể cả DWDM.
Việc thiết kế sợi quang đơn mode đã được phát triển mấy chục năm gần đây.
Hiện nay ITU-T đã xây dựng chỉ tiêu cho ba loại sợi quang đơn mode sau:
+ Sợi không dịch chuyển tán sắc (NDSF: Non- Dispersion – Shifted Fiber):
Chuẩn NDSF được ITU-T đưa ra trong G.652 (hay còn gọi là sợi đơn mode
chuẩn) được thiết kế để sử dụng ở cửa sổ thứ hai gần 1310 nm, với tán sắc màu gần
như bằng 0 ở bước sóng này.
+ Sợi chuyển dịch tán sắc (DSF: Dispersion Shifted Fiber):
Chuẩn DSF được ITU-T đưa ra trong khuyến nghị G.653. Ở đây, điểm tán sắc
bằng 0 được dịch chuyển đến cửa sổ có bước sóng 1550 nm (băng C). Ở cửa sổ này,
sợi quang có suy hao thấp hơn nhiều và phù hợp với tần số làm việc của bộ khuếch
đại quang sợi EDFA. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến gần điểm
dịch chuyển 0 nên loại sợi này không phù hợp sử dụng cho DWDM.
+ Sợi dịch chuyển tán sắc khác 0 (NZ-DSF: Non-Zero Dispersion-Shifted
Fiber):
Chuẩn của sợi NZ-DSF được ITU-T khuyến nghị trong G.655, loại này có mức
tán sắc thấp ở vùng 1550 nm, nhưng không về không (NZ) nên có thể khắc phục các
9 hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM). Do đó loại sợi này
được sử dụng cho DWDM.
Bảng 1.1 giới thiệu các tham số của sợi quang đơn mode theo khuyến nghị của
ITU-T

6


Bảng 1.1 Các tham số của sợi quang đơn mode (theo khuyến nghị của ITUT
G.652, G.653, G.654)

II.2.

Thiết bị phát và thu WDM

Thiết bị phát và thu WDM được phát triển nhờ sử dụng công nghệ mạng tích
hợp quang điện (OEIC: Optic-Electronic Intergrated Circuit), trên nền InP. Đây là
các thiết bị phát và thu WDM được tích hợp nguyên khối hoạt động ở vùng bước
sóng 1550 nm với khoảng cách kênh nhỏ hơn hay bằng 1 nm. Mặt khác, người ta
tạo ra được các mạch ánh sáng Plamar chế tạo bằng công nghệ Silica-on-Silicon để
phát triển các bộ phát và thu lai ghép tích hợp. Các phần tử của mạch tích hợp
quang điện OEIC là rất quan trọng cho việc thực hiện công nghệ hệ thống WDM.
o Có nhiều phương thức để tạo ra bộ phát WDM nguyên khối: (1) – kết hợp
đầu ra của một số nguồn Laser bán dẫn DFB hoặc DBR, có khả năng điều
khiển độc lập qua các cách tử Bragg, bằng các ống dẫn sóng thụ động. Bộ
7


khuếch đại sẽ khuếch đại công suất của tín hiệu để tăng công suất phát; (2) –
sử dụng các nguồn Laser phát mặt có hốc theo chiều đứng (VCSEL: Vertical
Cavity Surface-Emitting Laser) để tạo ra bố phát WDM có giá thành thấp
trong khi việc ghép mảng Laser hai chiều làm trải rộng dải bước sóng; (3) –
tổ hợp cách tử vào trong hốc Laser để thực hiện phát tín hiệu tại một số bước
sóng. Cách tử sử dụng loại định tuyến cách tử dẫn sóng WGR.
o Các bộ thu WDM nguyên khối thực hiện ghép mảng Photodiode với bộ giải
ghép kênh, sử dụng hai phương thức: (1) – bộ giải ghép kênh dùng cách tử
lõm Plamar được ghép với mảng bộ tách sóng quang; (2) – bộ giải ghép kênh
dùng WGR tổ hợp với mảng Photodiode.
II.3. Bộ khuếch đại quang
a. Nguyên lý hoạt động:
Bộ khuếch đại quang dùng để bù lại công suất tín hiệu quang bị suy hao do

truyền dẫn qua sợi quang, nhằm để tăng khoảng cách của tuyến truyền dẫn. Các đặc
tính chủ yếu cảu bộ khuếch đại là độ khuếch đại, băng tần, công suất ra cực đại, dải
động, xuyên kênh,…
Bộ khuếch đại quang gồm hai loại chính: (1) – bộ khuếch đại quang Laser bán
dẫn; (2) – bộ khuếch đại quang sợi. Hiện nay phổ biến dùng loại sợi pha tạp
Erbium, EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplification).
Bộ khuếch đại EDFA là một đoạn sợi quang khoảng vài mét trong lõi có cấy các
ion Erbium Er+ với nồng độ dưới 0.1%. Khi có một nguồn photon bơm vào, các ion
Er+ này sẽ hấp thụ các photon đó và nhả ra điện tử chuyển mức năng lượng từ mức
cơ bản E1 lên mức kích thích E2. Do tồn tại một mức năng lượng siêu bền E 3 ở giữa,
nên các điện tử này chuyển xuống mức E3 theo cơ chế phân rã không bức xạ. Sau 10
ns, điện tử được kích thích này rơi trở về mức cơ bản E 1 và phát xạ ra photon. Hiện
tượng bức xạ bình thường có thể là bức xạ tự phát hoặc bức xạ sẽ xảy ra mạnh theo
cơ chế bức xạ kích thích, tức là sự có mặt của các photon mang năng lượng bằng
với năng lượng chuyển dịch mức của các điện tử, sẽ kích thích sự phát xạ và tạo
thêm nhiều photon của chùm sáng. Nhờ vậy, tín hiệu được khuếch đại khi đi qua sợi
pha tạp Erbium.

8


Hình 1.4 là sơ đồ khối bộ EDFA, gồm có: Coupler, sợi trộn Erbium, Laser bơm
và hai bộ ngăn cách đặt ở hai đầu của Erbium.

Hình 1.4 Sơ đồ khối của EDFA
Tín hiệu qua sợi quang được nối qua bộ ngăn cách để loại các ánh sáng phản xạ
từ sợi vào. Bộ ngăn cách ở đầu ra của EDFA ngăn chặn các phản xạ từ sợi ra.
Nguồn sáng Laser từ bộ bơm được ghép vào bộ EDFA và nó sẽ kích thích sợi
Erbium để trực tiếp khuếch đại tín hiệu quang đi qua đó, ở bước sóng 1550 nm.
b. Khuếch đại sợi quang EDFA trong hệ thống WDM:

Có ba ứng dụng chính của EDFA là:
o Khuếch đại công suất (BA: Booster Amplifier):
BA là bộ EDFA có công suất bão hòa lớn được sử dụng ngay sau nguồn phát
để tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất ra lớn nên yêu cầu về lọc tạp
âm là không nghiêm ngặt. Tuy nhiên, có thể gây nên một số hiệu ứng phi tuyến.
o Tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier):
Là bộ EDFA có mức tạp âm thấp, được đặt ngay trước đầu vào bộ thu để
tăng độ nhạy thu. Để có mức tạp âm thấp, phải sử dụng các bộ lọc quang băng
hẹp.
o Khuếch đại đường truyền LA (Line Amplifier):
Là bộ EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền quang để
tăng chiều dài khoảng lặp.
+ Các hạn chế của EDFA:
9


Một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch
đại không đồng đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số
khác nhau. Đặc biệt là tồn tại đỉnh khuếch đại ở bước sóng 1530 nm. Hơn nữa,
trong trường hợp trên tuyến có sử dụng bộ EDFA thì sẽ hình thành một đỉnh
khuếch đại tại bước sóng 1558 nm. Như vậy, với nhiều bộ EDFA liên tiếp được
sử dụng trên tuyến, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (từ 35 nm xuống còn 10
nm).
Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng các giải pháp sau:
• Sử dụng bộ lọc để làm suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại (xung quang
bước sóng 1553, 1558 nm).
• Điều chỉnh mức công suất của các bước sóng tại đầu vào sao cho ở đầu
thu mức công suất của các bước sóng đều nhau.
Mặc dù EDFA có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng thông tin quang
hiện nay, nhưng vẫn chưa đáp ứng được hết các yêu cầu về độ rộng và độ phẳng của

phổ tín hiệu. Nói chung, băng thông của EDFA đạt cỡ 35 nm trong băng C (từ 1530
đến 1570 nm). Với sự phát triển của công nghệ WDM nên yêu cầu về độ rộng băng
thông ngày càng lớn. Điều đó đòi hỏi phải có các bộ EDFA có phổ rộng hơn, sự ra
đời của EDFA băng L (1585-1610 nm) đã khắc phục rào cản về băng thông và mở
ra một cửa sổ WDM mới.
Hình 1.5 mô tả phổ quang tại đầu ra của một tuyến thông tin quang DWDM
chiều dài 4000 km sử dụng bộ EDFA kết hợp băng tần C (55 kênh bước sóng) và L
(45 kênh bước sóng)

10


Hình 1.5 Phổ quang tại đầu ra tuyến WDM sử dụng các bộ EDFA băng
C+L
c. Công suất phát của bộ khuếch đại EDFA:
Trong khi tăng dung lượng của đường truyền gắn liền với việc tăng băng thông
của EDFA, thì một điều khác cũng rất quan tâm là phải đảm bảo được công suất
phát của EDFA để đảm bảo tỷ số SNR của mỗi kênh và tăng cự ly truyền dẫn (điều
này đặc biệt quan trọng trong các tuyến đường trục hoặc cáp biển). Các hệ thống
DWDM hiện nay có mức công suất phát của EDFA đạt tới 14 dBm (25 mW).
II.4. Bộ tách ghép bước sóng (OMUX/ODEMUX)
- OMUX: kết hợp các bước sóng rời rạc khác nhau thành tín hiệu tổ hợp vào
-

sợi quang.
ODEMUX: tách tín hiệu tổ hợp WDM thành các kênh bước sóng riêng biệt

tới bộ thu
a. Các kỹ thuật sử dụng:
• Tách/ghép λ dựa trên các bộ lọc quang:

- Bộ lọc Fabry – Perot
- Bộ lọc màng mỏng đa lớp
- Bộ giao thoa kế Mach – Zender
- Bộ lọc quang – âm
• Tách ghép λ dựa trên cách tử
- Cách tử nhiễu xạ phẳng
- Cách tử Bragg sợi quang
• Mảng cách tử dẫn sóng (AWG)
• Bộ ghép xen, bộ ghép quang,…
b. Bộ tách ghép bước sóng: Bộ lọc quang
Yêu cầu: + Phạm vi điều chỉnh rộng
11


+ Xuyên âm thấp (thường < -20dB)
+ Tốc độ điều chỉnh nhanh
+ Suy hao xem nhỏ
+ Ít nhạy cảm phân cực
+ Ổn định với môi trường hoạt động
BỘ LỌC QUANG MACH - ZENDER

• Gồm 2 coupler 3dB kết nối với nhau trên 2 nhánh có độ dài khác nhau =>
gây ra dịch pha phụ thuộc bước sóng giữa 2 nhánh
• Sự giao thoa cộng hưởng xảy ra tại một đầu ra cho một bước sóng xác
định
• Độộ̣ truyền qua: T (v) = (πvτ)
II.5. Bộ xen/rẽ bước sóng OADM
Chức năng xen/rẽ một hoặc một vài bước sóng có chọn lọc từ tín hiệu
WDM và chuyển tiếp các bước sóng còn lại
Cấu hình OADM đơn giản:

III.

Một số vấn đề ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống WDM

12


Khi thiết kế hệ thống WDM phải giải quyết nhiều vấn đề nhưng tập trung chủ
yếu vào các vấn đề sau:
III.1. Vấn đề suy hao và quỹ công suất quang
Trong bất kỳ một hệ thống thông tin nào, thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo
được tỷ số SNR sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với mức BER cho phép.
Trước đây, khi chưa có khuếch đại quang, suy hao tín hiệu trên đường truyền dẫn
(do suy hao sợi quang, suy hao mối hàn, suy hao đầu nối,…) được bù lại thông qua
việc sử dụng các trạm lặp điện, quá trình này thực hiện quá phức tạp. Tuy nhiên, khi
khuếch đại quang ra đời, việc đảm bảo quỹ công suất cho hệ thống không còn khó
khăn nữa, mà vấn đề quan trọng là việc bố trí các bộ khuếch đại quang sao cho hợp
lý.
III.2. Vấn đề tán sắc
a. Các dạng tán sắc
Bản chất của tán sắc là sự giãn rộng phổ của xung tín hiệu khi truyền dẫn trên
sơị quang. Tán sắc gồm: tán sắc mode, tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng.
o Tán sắc mode:
Tán sắc mode chỉ tồn tại với sợi quang đa mode, do các mode sẽ lan truyền
với các đường đi khác nhau và do đó thời gian lan truyến khác nhau giữa các
mode.
o Tán sắc vật liệu:
Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết
suất của vật liệu lõi sợi, nên nó làm cho bước sóng phụ thuộc vào vận tốc nhóm.

o Tán sắc dẫn sóng:
Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chi giữ được khoảng 80% năng lượng
trong lõi, vì vậy còn 20% năng lượng xung lan truyền trong vỏ nhanh hơn lan
truyền trong lõi. Tán sắc này phụ thuộc vào hằng số lan truyền β, và β là hàm
của a/λ.
b. Các phương pháp chính để giảm sự ảnh hưởng của sự tán sắc
13


Để giảm ảnh hưởng của tán sắc gồm có phương pháp làm hẹp độ rộng phổ
nguồn tín hiệu và phương pháp bù tán sắc như:
+ Sử dụng sợi quang G.653 (sợi có mức tán sắc không tại cửa sổ 1550 nm).
+ Bù tán sắc bằng phương pháp điều biến dịch pha SPM.
+ Bù tán sắc bằng các thành phần tán sắc thụ động (bộ kết hợp quay pha bước
+
+
+
+

sóng và sợi tán sắc âm).
Bù tán sắc bằng các thiết bị dịch tần trước (pre – chirp).
Bù tán sắc bằng kỹ thuật DST( Dispersion Supported Trans-mission).
Bù tán sắc bằng sợi DCF.
Bù tán sắc băng các module DCM sử dụng cách tử Bragg.

Ta cũng có thể coi kỹ thuật WDM cũng có thể coi là một phương pháp giảm ảnh
hưởng của tán sắc. Do sử dụng kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của hệ
thống mà không phải tăng tốc độ truyền dẫn của kênh tin hiệu.
Do đó, nếu không xảy ra các hiệu ứng phi tuyến làm tăng ảnh hưởng của tán sắc,
điển hình là hiệu ứng XPM, thì giới hạn khoảng cách truyền dẫn do tán sắc gây ra

đối với hệ thống WDM có thể coi giống với hệ thống TDM đơn kênh có tốc độ
bằng tốc độ của một kênh bước sóng trong hệ thống WDM.
Tóm lại, vấn đề tán sắc ảnh hưởng nghiêm trọng trong hệ thống thông tin quang
cự ly xa. Ảnh hưởng của tán sắc càng nghiêm trọng hơn khi tín hiệu quang được
khuếch đại nhiều lần lặp sử dụng các bộ khuếch đại đường truyền LA. Trong hệ
thống nhiều kênh WDM ảnh hưởng của tán sắc không đều giữa bước sóng (độ dốc
tán sắc). Khắc phục tán sắc là vấn đề cơ bản cần giải quyết trong thiết kế hệ thống
thông tin quang WDM cự ly lớn. Ta còn quay lại vấn đề này ở lần sau.
III.3. Vấn đề xuyên kênh
Vấn đề quan trong khác trong thiết kế hệ thống WDM là giải quyết xuyên kênh.
Đặc tính của hệ thống sẽ bị suy giảm khi có hiện tượng xuyên kênh, nghĩa là hiện
tượng dẫn đến một phần công suất của kênh này chuyển sang kênh khác. Có sự
chuyển đổi đó là do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến bên trong sợi quang,
hiện tượng này được gọi là xuyên kênh phi tuyến vì nó phụ thuộc vào bản chất
truyền dẫn phi tuyến của kênh thông tin quang.
14


Tuy nhiên, xuyên kênh cũng xảy ra ngay cả khi kênh là tuyến tính hoàn toàn;
trường hợp này là do tính không hoàn hảo của các phần tử WDM khác nhau như: bộ
lọc quang, bộ giải ghép kênh và các bộ chuyển mạch. Dưới đây sẽ đi sâu phân tích
hai loại xuyên kênh trên.
a. Xuyên kênh tuyến tính:
Xuyên kênh tuyến tính có thể chia thành hai loại phụ thuộc vào nguồn gốc của
nó. Các bộ lọc quang và các bộ tách kênh thường để rò một phần công suất tín hiệu
sang các kênh lân cận, xen vào qúa trình tách sóng. Xuyên kênh này gọi là xuyên
kênh không đồng nhất bước sóng (hay còn gọi là xuyên kênh ngoài băng), và do
tính không kết hợp của nó, nên nó ít ảnh hưởng hơn so với xuyên kênh đồng kênh
(hay còn gọi là xuyên kênh trong băng), xảy ra khi định tuyến tín hiệu WDM từ
nhiều nút mạng. Ta sẽ xem xét chi tiết hơn hai loại xuyên kênh tuyến tính thường

gặp:
+ Xuyên kênh gây ra do bộ lọc:
Ta hãy xét trường hợp hệ thống trong đó sử dụng một bộ lọc quang có thể điều
chỉnh được để chọn ra một kênh trong số N kênh tới. Nếu bộ lọc quang cho qua
kênh thứ m, thì công suất quang tới được bộ tách sóng có thể được tính:
N

P = Pm + ∑ Tnm Pn
n≠ m

Với

Pm

là công suất của kênh thứ m và

(1.4)
Tnm

là hệ số truyền dẫn của bộ lọc cho

kênh n khi kênh m được chon, Pn là công suất của kênh n. Xuyên kênh này xảy ra
nếu

Tmn ≠ 0

với

m≠n

. Đây là loại xuyên kênh ngoài băng vì nó thuộc về tín hiệu

nằm ngoài dải phổ mà kênh được tách ra đã chiếm giữ.
Để đánh giá sự tác động của xuyên kênh lên chức năng hệ thống, ta xét việc đền
bù công suất được xác định khi tăng thêm công suất tại bộ thu để hạn chế sự ảnh
hưởng của xuyên kênh. Dòng photo được phát ra tương ứng với công suất quang tới
được xác định:
15


N

I = Rm Pm + ∑ RnTnm Pn = I ch + I x
n≠m

Với
và

η
m

Rm = ηm e / hvm

(1.5)

là đáp ứng bộ tách sóng quang cho kênh thứ m tại tần số v m

là hiệu suất lượng tử mà nó có thể khác nhâu đối với các kênh khác nhau.

Thành phần Ix biểu thị xuyên kênh thêm vào dòng I của bộ thu. Giá trị của nó phụ

thuộc vào dạng bít và đạt cực đại khi tất cả các kênh đều mang các bít “1” (đây là
trường hợp xấu nhất).
Phương pháp đơn giản để tính mức thiệt thòi công suất xuyên kênh là đưa vào
độ khép hình mắt. Thực tế, Ich tăng lên để duy trì chất lượng hệ thống. Hệ số tăng

δx

của Ich có thể được tính:
δ x = 10 log(1 + X )

(1.6)

N

X = ∑ RnTnm pn

Với

n≠m

Là lượng công suất xuyên kênh ngoài băng. Nói một cách khác, nó biểu thị phần
công suất bị rò vào kênh cần tách từ các kênh khác.
b. Xuyên kênh do bộ định tuyến cách tử dẫn sóng WGR: Wavelength Grating
Router)
Nguồn gốc gây ra xuyên kênh trong băng do bộ định tuyến cách tử dẫn sóng
WGR N×N, tồn tại N2 kết nối qua đó các tín hiệu WDM có N bước sóng có thể
dược chia ra. Xét tín hiệu đầu ra của một bước sóng

λm

trong N2 -1 tín hiệu giao

thoa có thể đi cùng tín hiệu mong muốn, N-1 tín hiệu đó cùng bước sóng mang
λm

, trong khi N(N- 1) tín hiệu còn lại thuộc về các bước sóng khác và sẽ loại trừ

khi chúng đi qua phần tử WDM khác. N-1 tín hiệu xuyên kênh tại các bước song
16


giống nhau (xuyên trong băng) bắt nguồn từ quá trình lọc không hoàn hảo của
WGR do sự chồng lấn giữa N đỉnh truyền dẫn của nó.
Trường quang tổng chỉ bao hàm xuyên kênh trong băng được tính:
N
 −i 2π ct 


Em (t ) =  Em + ∑ Em ÷exp 
÷

n≠m

 λm 

(1.7)

Bù công suất trong trường hợp này có thể được tính:
N

I (t ) = RPm (t ) + 2 R ∑ Pm (t ) Pn (t ) × cos[φm (t ) − φn (t )]
n≠m

Với

Pn

2

=|En| là công suất và

(1.8)
φ(t )

là pha. Thực tế, Pn <
n≠m

bởi vì

WGR được tạo ra để giảm xuyên kênh. Vì các pha gần như thay đổi ngẫu nhiên,
nên có thể viết lại (1.8) như là:
I (t ) = R ( Pm + ∆P )

Và có xuyên kênh là nhiễu cường độ và có thể sử dụng cách tiếp cận để tính
toán sự mất mát công suất, theo quan hệ sau:
Px = −10 log(1 − rx2 )

(1.9)

Trong đó:
rx2 =

Với

X = Pn / Pm

(∆P) 2
= X ( N − 1)
Pm2

(1.10)

là mức xuyên kênh được xác định nhờ phần công suất rò qua

WGR và được coi như nhau đối với tất cả N-1 nguồn xuyên kênh, trong băng ,
kết hợp với giả thiết công suất đều bằng nhau.
Việc tính toán mất mát công suất do xuyên kênh cho trường hợp định tuyến
bước sóng động thông qua kết nối chéo quang sẽ trở nên rất phức tạp do số
17


lượng rất nhiều các phần tử xuyên kênh mà qua đó tín hiệu có thể truyền qua,
chẳng hạn như các mạng WDM. Việc phân tích cho trường hợp xấu nhất có thể
dự đoán được mức độ mất mát công suất khá lớn (>3dB) khi số lượng phần tử
xuyên kênh >25, dù cho mức xuyên kênh của mỗi phần tử chỉ bằng -40dB. Rõ
ràng là xuyên kênh tuyến tính là vấn đề cơ bản trong thết kế mạng WDM phải
được thiết kế sao cho giảm được mức xuyên kênh càng nhiều càng tốt. Xuyên
kênh này có thể giảm xuống bằng giải pháp bù thực hiện tại bộ thu.

Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống

IV.

WDM
Đối với hệ thống thông tin sợi quang, công suất quang không lớn, sợi quang có
tính năng truyền dẫn tuyến tính, sau khi dùng EDFA, công suất quang tăng lên,
trong điều kiện nhất định sợi quang sẽ thể hiện đặc tính truyền dẫn phi tuyến tính,
hạn chế rất lớn tính năng của bộ khuếch đại EDFA và hạn chế cự ly truyền dẫn dài
không có trạm lặp.
Hiện tượng phi tuyến của sợi quang chủ yếu do ảnh hưởng của hiệu ứng tán xạ
bao gồm:
• Tán xạ kích thích Brillouin (SBS– Stimulated Brillouin Scatering).
• Tán xạ kích thích Raman (SRS – Stimulated Raman Scatering).
Do ảnh hửng của hiệu suất khúc xạ bao gồm:
• Hiệu ứng tự điều pha (SPM– Self-Phase Modulation).
• Hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM – Cross-Phase Modulation).
• Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM – Four-Wave Mixing)
Những hiệu ứng này phần lớn đều liên quan đến công suất đưa vào sợi
quang.
IV.1. Tán xạ kích thích Raman
Hiệu ứng Raman là do quá trình tán xạ mà trong đó photon của ánh sáng tới
chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu
thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh
sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tín hiệu tới ( ánh sáng với
bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stocke). Khi ánh sáng tính hiệu truyền
18


trong sợi quang ( ánh sáng này có cường độ lớn), quá trình này trở thành quá

trình kích thích mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm ( gọi là
bơm Raman ) làm một phần năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng
Srocke.
Nếu gọi Ps(L) là công suất của bước sóng Stocke trong sợi quang thì:

(

Ps ( L) = P0 exp g r P0 L / ( K .Seff

))

(4.1)

Trong đó:
P0

là công suất của ánh sáng tín hiệu đưa vào.

gr

là hệ số tán xạ Raman .

Seff

K

là diện tích hiệu dụng vùng lõi.
đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tns hiệu , bước

sóng Stocke và phân cự của sợi, thông thường K ≈ 2.

L

là chiều dài tuyến.

Công thức trên dùng để tính toán mức công suất P 0 mà tại đó hiệu ứng SRS
ảnh hưởng lớn tới hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman P 0th ( P0th là công suất tín
hiệu đầu vào mà ứng với nó công suất của bước sóng Stocke và công suất của
bước sóng tín hiệu tại đầu ra là bằng nhau).
P0th ≈

32 Seff
Lg r

(4.2)

Qua tính toán cho thấy, đối với hệ thống đơn kênh 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 thông WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều vì có hiện tượng
khuyeechs đại đối với các bước sóng lớn, trong khi đó công suất của các kênh có
bước sóng ngắn hơn lại bị giảm đi ( do đã chuyển một phần năng lượng cho các
19


bước sóng lớn) làm suy giảm hẹ số SNR, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống.
Để đảm bảo suy giảm không nhỏ hơn 0,5 dB thì mức công suất của từng kênh
phải thỏa mãn:
10,28 x10 2
P<
N ( N − 1) Leff ∆f

(4.3)

Với N là tổng số kênh quang, ∆ƒ là khoảng cách giữa các kênh.
Như vậy trong hệ thống WDM hiệu ứng này làm hạn chế số kênh, khoảng
cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống.
Hơn nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này
còn gây xuyên nhiễu giữa các kênh.
IV.2. Tán xạ kích thích Brillouin
Hiệu ứng SBS tương tự như hiệu ứng SRS, tức là có một phần ánh sáng bị tán
xạ và bị dịch tới bước sóng dài hơn bước sóng tới, ánh sáng có bước sóng dài hơn
này gọi là ánh sáng Stocke. Điểm khác nhau của hai hiệu ứng này là độ dich tần xảy
ra trong hiệu ứng SBS nhỏ hơn độ dịch tần xảy ra trong hiệu ứng SRS (độ dịch tần
trong hiệu ứng SBS là khoảng 11 GHz tại bước sóng 1550 nm). Trong hiệu ứng
SBS chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược lại (tức là ngược chiều với
chiều tín hiệu) mới có thể truyền đi ở trong sợi quang. Vì vậy trong hệ thống WDM
khi tất cả các kênh cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên
nhiễu giữa các kênh.
Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngưỡng công suất để xảy ra hiệu ứng
SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW. Tuy nhiên do hiệu ứng SBS giảm tỷ lệ với
∆fB/∆fLaser (∆fB là băng tần khuếch đại Brillouin, ∆fLaser là độ rộng phổ của laser) và
băng tần khuếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10 - 100 MHz) nên hiệu ứng
này cũng khó xảy ra. Chỉ các nguồn phát có độ rộng phổ rất hẹp thì mới bị ảnh
hưởng của hiệu ứng SBS. Người ta tính toán được mức công suất ngưỡng đối với
hiệu ứng SBS như sau:

20


KAeff ∆v B + ∆v P

gLeff
∆v B

Pth = 21

(4.4)

Trong đó:
g là hệ số khuếch đại Brillouin
Aeff là vùng lõi hiệu dụng
∆fP là độ rộng phổ của tín hiệu
K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực (thông thường thì K =2).
Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng đến mức công suất của từng kênh và
khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM. Hiệu ứng này không phụ thuộc
vào số kênh của hệ thống.
IV.3. Hiệu ứng tự điều pha
SPM là hiệu ứng xảy ra khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ
của sợi quang cũng biến đổi theo (nói cách khác là chiết suất của môi trường truyền
dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền trong đó), ta có:
n = n0 + ∆nNL = n0 + n2

E

2

(4.5)

Trong đó:
n0 là chiết suất tuyến tính
n2 là hệ số chiết suất phi tuyến tính (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 ΦNL của trường quang khi lan
truyền trong sợi quang (đạo hàm của pha tức là tần số). Giả sử bỏ qua suy hao thì
sau khoảng cách L, pha của trường quang sẽ là:

(

2πnL 2πL n0 + n2 E
Φ=
=
λ
λ

2

) = const + Φ

NL

(4.6)
21


Đối với trường quang có cường độ không đổi, hiệu ứng SPS chỉ làm quay
pha của trường quang, do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên
đối với trường quang có cường độ thay đổi thì dịch pha phi tuyến ΦNL sẽ thay đổi
theo thời gian. Sự thay đổi theo thời gian này cũng có nghĩa là trung xung tín hiệu
sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm v0 một giá trị là δvNL, với:
δvNL = (-1/2π)(δvNL/δt)

(4.7)

Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau
của xung dịch đến tần số f<f0 và sườn trước của xung dịch đến tần số f>f0. Điều
này cũng có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị dãn trong quá trình truyền, đặc biệt khi
khoảng cách giữa các kênh gần nhau, 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). Nếu goi D là hệ số tán sắc
của sợi, thì:
•Với D<0: thành phần tần số cao (f>f0) sẽ lan truyền nhanh hơn thành phần
tần số thấp (f< f0), do đó xung bị dãn ra.
•Với D>0: thành phần tần số cao (f>f0) sẽ lan truyền chậm hơn thành phần
tần số thấp (f< f0) làm cho xung bị co lại.
Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì sự biến đổi tần số quang cũng càng
lớn, làm ảnh hưởng lớn đối với xung hẹp, khó khăn trong việc nâng cao tốc độ trong
hệ thống.
IV.4. Hiệu ứng điều chế xuyên pha
Do trong hệ thống WDM có nhiều bước sóng cùng lan truyền trên một sợi
quang, nên hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không chỉ phụ thuộc vào
cường độ sáng của bản thân sóng ấy mà 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:

22


{

∆n NL = n2 E i + ∑ E j

2

2

}

(4.8)

Trong đó:
n2 là hệ số chiết suất phi tuyến
Ei, Ej là cường độ trường quang của bước sóng thứ i, thứ j.
Điều này dẫn tới pha của tín hiệu bị điều chế bởi cường độ ánh sáng của các
kênh khác và gây ra xuyên nhiễu giữa các kênh.
IV.5. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn
mode, đó là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, nhiều tín hiệu quang có cường độ
tương đối mạnh sẽ tương tác với nhau 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 bước sóng tín hiệu với bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplifier
Spontaneous Emission) của các bộ khuếch đại quang, cũng như giữa mode chính và
mode bên của một kênh tín hiệu. Giả sử có 3 bước sóng với tần số ωi, ωj, ωk tương
tác với nhau thì tần số mới tạo ra có bước sóng là ωijk.
Theo quan điểm cơ lượng tử thì FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự phá huỷ
photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ỏ các bước sóng mới sao cho
vẫn bảo toàn về động lượng. Nếu gọi Pijk(L) là công suất của bước sóng λijk trong sợi
quang, thì:
Pijk ( L ) = η

2
1024π 6

3 2 L
(
6
χ
)
Pi Pj Pk . exp( − αL )
n0 λ2ijk c 2
S eff2

(4.9)

Trong đó:
η là hiệu suất của quá trình FWM
c là tốc độ ánh sáng
Seff là diện tịch hiệu dụng vùng lõi
23


Pi, Pj, Pk là công suất tương ứng với các bước sóng λi, λj, λk
χ(3) là độ cảm phi tuyến bậc 3.
Hiệu suất η của quá trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp về pha.
Hiệu ứng FWM xảy ra mạnh chỉ khi điều kiện này 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 truờng 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
Do việc tạo ra các tần số mới là do sự tương tác của các tần số tín hiệu, nên
hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM.
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 nhiễu cho kênh, làm suy giảm chất lượng

của hệ thống.
Sự suy giảm công suất làm giảm tỉ số S/N dẫn đến làm tăng BER của hệ
thống. Các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở vùng cửa sổ bước sóng 1550 nm, tán
sắc của sợi quang đơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18
ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G.653) là nhỏ hơn 3
ps/nm.km. Từ đó ta thấy, hệ thống WDM làm việc với sợi đơn mode chuẩn thông
thường (SSMF) sẽ ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM sử dụng
sợi dịch tán sắc DSF (Dispersion Shifted Fiber).
ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh trong
hệ thống WDM càng nhỏ, và mức công suất của mỗi kênh càng lớn. Như vậy hiệu
ứng FWM sẽ làm hạn chế dung lượng truyền dẫn của hệ thống WDM.

IV.6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến
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
24


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 suất trộn tần bốn 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 giảm tán sắc của sợi quang, là lựa chọn tốt trong hệ thống
WDM tốc độ cao; điều chế pha chéo (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
hữu 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.

25