Bộ khuếch đại edfa và một số vấn đề khi sử dụng edfa trong mạng wdm

(THz) Bước sóng trung tâm danh định (nm) 1 195,40 195,40 1534,25 2 195,35 - 1534,64 3 195,30 195,30 1535,04 4 195,25 - 1535,43 5 195,20 195,20 1535,82 6 195,15 - 1536,22 7 195,10 195,10 1536,61 8 195,05 - 1537,00 9 195,00 195,00 1537,40 10 194,95 - 1537,79 11 194,90 194,90 1538,19 12 194,85 - 1538,58 13 194,80 194,80 1538,98 14 194,75 - 1539,37 15 194,70 194,70 1539,77 16 194,65 - 1540,16 17 194,60 194,60 1540,56 18 194,55 - 1540,95 19 194,50 194,50 1541,35 20 194,45 - 1541,75 21 194,40 194,40 1542,14 22 194,35 - 1542,54 23 194,30 194,30 1542,94 24 194,25 - 1543,33 25 194,20 194,20 1543,73 26 194,15 - 1543,93 27 194,10 194,10 1544,53 28 194,05 - 1544,92 29 194,00 194,00 1545,32 30 193,95 - 1545,72 31 193,90 193,90 1546,12 32 193,85 - 1546,52 33 193,80 193,80 1546,92 34 193,75 - 1547,32 35 193,70 193,70 1547,72 36 193,65 - 1548,11 37 193,60 193,60 1548,51 38 193,55 - 1548,91 39 193,50 193,50 1549,32 40 193,45 - 1549,72 41 193,40 193,40 1550,12 42 193,35 - 1550,52 43 193,30 193,30 1550,92 44 193,25 - 1551,32 45 193,20 193,20 1551,72 46 193,15 - 1552,12 47 193,10 193,10 1552,52 48 193,05 - 1552,93 49 193,00 193,00 1553,33 50 192,95 - 1553,73 51 192,90 192,90 1554,13 52 192,85 - 1554,54 53 192,80 192,80 1554,94 54 192,75 - 1555,34 55 192,70 192,70 1555,75 56 192,65 - 1556,15 57 192,60 192,60 1556,55 58 192,55 - 1556,96 59 192,50 192,50 1557,36 60 192,45 - 1557,77 61 192,40 192,40 1558,17 62 192,35 - 1558,58 63 192,30 192,30 1558,98 64 192,25 - 1559,39 65 192,20 192,20 1559,79 Trong một hệ thống WDM số lượng bước sóng không thể quá nhiều, bởi vì điều khiển và giám sát đối với các bước sóng này là một vấn đề phức tạp, có thể quy định trị số lớn nhất đối với số lượng bước sóng của hệ thống từ góc độ kinh tế và công nghệ. Tất cả các bước sóng đều phải nằm ở phần tương đối bằng phẳng trên đường cong tăng ích của bộ khuếch đại quang, để cho hệ số tăng ích của các kênh khi đi qua bộ khuếch đại quang là gần như nhau, điều này tiện lợi cho thiết kế hệ thống. Đối với bộ khuếch đại sợi quang pha trộn erbium, phần tương đối bằng phẳng của đường cong tăng ích là từ 1540 nm đến 1560 nm. Một hệ thống WDM 16 kênh và 8 kênh trên thực tế có bảng phân phối kênh như dưới đây: Bảng 3.2. Tần số trung tâm của hệ thống WDM có 16 kênh và 8 kênh Thứ tự Tần số trung tâm (THz) Bước sóng (nm) 1 192 1560,61 * 2 192 1559,79 3 192 1558,98 * 4 192 1558,17 5 192 1557,36 * 6 192 1556,55 7 192 1555,75 * 8 192 1554,94 9 192 1554,13 * 10 193 1553,33 11 193 1552,52 * 12 193 1551,72 13 193 1550,92 * 14 193 1550,12 15 193 1549,32 * 16 193 1548,51 (Bước sóng trung tâm của 8 kênh trong hệ thống 8 kênh chọn các giá trị bước sóng có dấu *) II. Vấn đề ổn đinh bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát a) ổn định bước sóng của nguồn quang: Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chính xác bước sóng của nguồn quang, nếu không, sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống không ổn định hay kém tin cậy. Hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp điều khiển nguồn quang: thứ nhất là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua nhiệt độ chip của bộ kích quang để điều khiển giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điều khiển bước sóng và ổn định bước sóng; thứ hai là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua việc giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự trênh lệnh trị số giữa điện áp đầu ra và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ kích quang, hình thành kết cấu khép kín chốt vào bước sóng trung tâm. Yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát: Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh hoạt động một cách độc lập với nhau hay nó cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thu giữa các kênh lân cận. Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh ghép được rất lớn (ở cả hai cửa sổ truyền dẫn). Tuy nhiên, trong thực tế các hệ thống WDM thường đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi, làm việc chỉ ở vùng cửa sổ 1550 nm, nên băng tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại (từ 1530 nm đến 1565 nm cho băng C; từ 1570 đến 1603 nm cho băng L). Như vậy một vấn đề đặt ra khi ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thoả mãn được yêu cầu tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phía thu, khoảng cách này phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát, phụ thuộc vào các ảnh hưởng như: tán sắc sợi, các hiệu ứng phi tuyến... Có thể xem hệ thống WDM như là sự xếp chồng của các hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh đủ lớn và công suất phát hợp lý. Mối quan hệ giữa phổ của tín hiệu phía thu với phổ của tín hiệu phía phát được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho sự giãn phổ, ký kiệu là D; độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn ký hiệu là B; độ tán sắc tương ứng với khoảng cách truyền ký hiệu là D. Gọi x là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát và sợi quang, ta có: x = B.D.D. Từ công thức trên có thể tính được độ giãn rộng phổ nguồn phát: D = x/B.D. Với độ giãn rộng phổ này và khoảng cách kênh bước sóng chọ theo bảng tần số trung tâm (bảng 3.1) ta tìm được độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát. III. xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang: Xuyên nhiễu giữa các kênh trong sợi quang ảnh hưởng tới độ nhạy của máy thu, chính vì vậy có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ thống WDM. Có thể chia ra làm hai loại xuyên nhiễu chính sau đây: - Xuyên nhiễu tuyến tính: do đặc tính không lý tưởng của các thiết bị tách kênh, mức xuyên nhiễu này chủ yếu phụ thuộc vào kiểu thiết bị tách kênh được sử dụng cũng như khoảng cách giữa các kênh. - Xuyên nhiễu phi tuyến: chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang gây nên (sẽ đề cập cụ thể ở phần sau). IV. suy hao - quỹ công suất của hệ thống WDM: Trong bất kỳ hệ thống số nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với một mức BER cho phép. Giả sử máy phát phát tín hiệu đi tới phía thu với một mức công suất Pph nhất định, công suất của tín hiệu sẽ bị suy giảm dần trên đường truyền dẫn do rất nhiều nguyên nhân như: suy hao do bản thân sợi quang gây ra, suy hao do các thành phần quang thụ động...cự ly truyền dẫn càng dài thì công suất tín hiệu bị suy hao càng nhiều, nếu suy hao quá lớn làm cho công suất tín hiệu đến được máy thu nhỏ hơn công suất ngưỡng thu nhỏ nhất (Pthu min) cho phép thì thông tin truyền đi sẽ bị mất. Để máy thu thu được thông tin thì công suất tín hiệu đến máy thu phải nằm trong dải công suất của máy thu. Pmáy phát = Pphát + Pdự trữ Pthu min < P phát - Ptổng suy hao < Pthu max Như vậy để đảm bảo được thông tin thì công suất phát phải càng lớn khi cự ly truyền dẫn càng lớn. Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ lặp tín hiệu trên đường truyền. Trước đây khi chưa có bộ khuếch đại quang, suy hao tín hiệu trên đường truyền sẽ được bù lại thông qua việc sử dụng các trạm lặp điện 3R, quá trình này được thực hiện tương đối phức tạp. Đầu tiên, phải tách tất cả các kênh (nhờ thiết bị DEMUX), biến đổi các kênh tín hiệu quang này thành các kênh tín hiệu điện, thực hiện khuếch đại từng kênh, biến đổi từng kênh trở lại tín hiệu quang, sau đó mới thực hiện ghép các kênh tín hiệu quang này lại với nhau (nhờ thiết bị MUX), điều này làm cho việc tính toán, thiết kế tuyến thông tin quang gặp nhiều khó khăn. Việc sử dụng các trạm lặp điện 3R không những làm cho số lượng thiết bị trên tuyến tăng lên mà còn làm giảm quỹ công suất của hệ thống (do suy hao xen của các thiết bị tách/ ghép bước sóng là tương đối lớn). Tuy nhiên, khi bộ khuếch đại quang sợi EDFA ra đời, việc đảm bảo quỹ công suất quang cho hệ thống không còn khó khăn nữa, nó làm giảm bớt số trạm lặp trên tuyến rất nhiều, với khả năng khuếch đại đồng thời nhiều bước sóng, EDFA đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM (cấu tạo và nguyên lý làm việc của EDFA sẽ được đề cập đến ở chương sau). V. tán sắc - bù tán sắc: Sau khi sử dụng EDFA trên tuyến thì vấn đề suy hao đã được giải quyết, cự ly truyền dẫn được nâng lên rõ rệt, nhưng tổng tán sắc cũng tăng lên. Do đó, lại yêu cầu phải giải quyết vấn đề tán sắc, nếu không, không thể thực hiện được việc truyền thông tin tốc độ cao và truyền dẫn cự ly dài. Bây giờ ảnh hưởng của hiệu ứng tán sắc sợi quang lại là một yếu tố hạn chế chủ yếu, nhất là đối với hệ thống tốc độ cao lại lại càng thể hiện rõ rệt. Ví dụ sợi quang G. 652 tán sắc ở tốc độ 2,5 Gbit/s cự ly bị hạn chế ở khoảng 928 km, nếu tốc dộ tăng lên 10 Gbit/s thì cự ly truyền dẫn bị hạn chế chỉ còn 58 km. Bảng 3.3. Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết) Tốc độ 1550 nm (G.652) 1550 nm (G.655) 1310 nm (G.652) 2,5 Gbit/s 928 km 4528 km 6400 km 10 Gbit/s 58 km 283 km 400 km 20 Gbit/s 14,5 km 70 km 100 km 40 Gbit/s 3,6 km 18 km 25 km Bản chất của tán sắc là sự giãn rộng xung tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi quang. Tán sắc tổng cộng bao gồm: tán sắc mode, tán sắc vật liệu, và tán sắc dẫn sóng: - Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi của sợi, tán sắc mode tồn tại ở các sợi đa mode vì các mode trong sợi này lan truyền theo các đường đi khác nhau, có cự ly đường truyền khác nhau và do đó thời gian lan truyền giữa các mode khác nhau. - Tán sắc vật liệu: chỉ số chiết suất trong sợi quang thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán sắc vật liệu, vận tốc nhóm Vnhóm của mode là một hàm số của chỉ số chiết suất, cho nên các thành phần phổ khác nhau của mode đã cho sẽ lan truyền đi ở các tốc độ khác nhau, phụ thuộc vào bước sóng, vì thế tán sắc vật liêu là một hiệu ứng tán sắc bên trong mode, và là yếu tố quan trọng đối với các sợi đơn mode và các hệ thống sử dụng nguồn phát quang là diode phát quang LED. - Tán sắc dẫn sóng: do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng ở trong lõi, còn 20% năng lượng ánh sáng truyền trong vở sợi nhanh hơn năng lượng truyền trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào hằng số lan truyền b (b là hàm của a/l, với a là bán kĩnh lõi sợi). Tán sẵc dẫn sóng thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần được quan tâm ở sợi đơn mode. Các phương pháp chính có thể sử dụng để giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc là làm hẹp độ rộng phổ nguồn phát hoặc sử dụng một số phương pháp bù tán sắc như: Sử dụng sợi G.653 ( sợi có mức tán sắc nhỏ tại cửa sổ truyền dẫn 1550nm) Bù tán sắc bằng phương pháp điều chế tự dịch pha SPM Sử dụng các phần tử bù tán sắc thụ động. Bù tán sắc bằng sợi DCF (Dispersion Compensated Fiber) Việc sử dụng kỹ thuật WDM là một phương pháp không làm tăng mức độ tán sắc của hệ thống vì kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của hệ thống mà không phải tăng tốc độ truyền dẫn của kênh tín hiệu. Có một loại tán sắc mà thường được bỏ qua đối với các hệ thống tốc độ thấp, nhưng đối với các hệ thống tốc độ cao thì cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của nó, đó là tán sắc mode phân cực. Khái niệm tán sắc mode phân cực như sau: Tán sắc mode phân cực PMD (Polarization Mode Dispersion) là một thuộc tính cơ bản của sợi quang đơn mode và các thành phần hợp thành, trong đó năng lượng tín hiệu của bất kỳ bước sóng nào cũng được phân tích thành hai mode phân cực trực giao có vận tốc truyền khác nhau. Do vận tốc của hai mode chênh lệch nhau nên thời gian truyền qua cùng một khoảng cách là khác nhau và được gọi là sự trễ nhóm DGD (Differential Group Delay). Tán sắc mode phân cự sẽ làm dãn rộng xung tín hiệu, gây nên suy giảm dung lượng truyền dẫn. Về phương diện này ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực cũng giống như ảnh hưởng của các tán sắc khác. Tuy nhiên, có một điểm khác biệt lớn đó là: các tán sắc khác là một hiện tượng tương đối ổn định trong khi đó, tán sắc mode phân cực trong sợi đơn mode ở bất cứ bước sóng nào cũng là không ổn định. Nguyên nhân là do cấu trúc không hoàn hảo của sợi quang cũng như các thành phần quang hợp thành, nên có sự khác biệt về chiết suất đối với cặp trạng thái phân cực trực giao, sự khác biệt này được gọi là sự lưỡng chiết. Sự khác biệt chiết suất sẽ sinh ra lệch thời gian truyền sóng giữa hai mode phân cực. Trong sợi đơn mode, hiện tượng này bắt nguồn từ sự không tròn của lõi sợi quang. Sự lưỡng chiết còn sinh ra do sự uốn cong của sợi, sự uốn cong làm thay đổi mật độ phân tử cảu cấu trúc sợi, làm cho hệ số khúc xạ mất đối xứng. Tuy nhiên lưỡng chiết uốn cong không phải là nguyên nhân chủ yếu sinh ra tán sắc mode phân cực. VI. ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: 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. Hiệu ứng phi tuyến của sợi quang chủ yếu do ảnh hưởng của hiệu ứng tán xạ bao gồm: Tán xạ bị kích Brillouin (SBS) Tán xạ bị kích Raman (SRS) Do ảnh hưởng của hiệu suất khúc xạ bao gồm: Tự điều chế pha (SPM) Điều chế pha chéo (XPM) Trộn tần bốn sóng (FWM) Những hiệu ứng này phần lớn đều liên quan đến công suất đưa vào sợi quang. VI.1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering): 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 ddược 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 tín hiệu truyền 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 cho một phần năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng Stocke. Nếu gọi Ps(L) là công suất của bước sóng Stocke trong sợi quang thì: Ps(L) = P0exp(grP0L/(K.Seff)) (3.2) Trong đó: P0 là công suất của ánh sáng tín hiệu đưa vào gr là hệ số tán xạ Raman Seff là diện tích hiệu dụng vùng lõi K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng Stocke và phân cực của sợi, thông thường K 2. L là chiều dài tuyến. Công thức trên dùng để tính toán mức công suất P0 mà tại đó hiệu ứng SRS ảnh hưởng lớn tới hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman P0th (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 (3.3) 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 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 bị giảm đi (do đã chuyển một phần năng lượng cho các bước sóng lớn) làm suy giảm hệ 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 thoả mãn: (3.4) Với: N là tổng số kênh quang DƯ 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. VI.2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering): 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 DfB/DfLaser (DfB là băng tần khuếch đại Brillouin, DfLaser 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: Pth = 21 (3.5) Trong đó: g là hệ số khuếch đại Brillouin Aeff là vùng lõi hiệu dụng DfP 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. VI.3. Hiệu ứng 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 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 + DnNL = n0 + n2 (3.6) Trong đó: n0 là chiết suát 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 FNL 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: (3.7) 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 FNL 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 dvNL, với: dvNL = (-1/2p)(dvNL/dt) (3.8) Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung dịch đến tần số ff0. 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 Df0) 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. VI.4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation): 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: (3.9) 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. VI.5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing): 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 wi, wj, wk tương tác với nhau thì tần số mới tạo ra có bước sóng là wijk. 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 wijk trong sợi quang, thì: (3.10) Trong đó: h là hiệu suất của quá trình FWM c là tốc độ ánh sáng Seff là diện tịch hiệu dụng vùng lõi Pi, Pj, Pk là công suất tương ứng với các bước sóng li, lj, lk c(3) là độ cảm phi tuyến bậc 3. Hiệu suất h 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. VI.6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các 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 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. VII. Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM. EDFA (Ebrium Doped Fiber Amplifier) là bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang có pha trộn nguyên tố đất hiếm Ebrium với nồng độ ít hơn 0,1%; nguồn bơm laser để kích thích các ion Er3+; ngoài ra còn có các bộ phối ghép, bộ cách ly... EDFA thường được gọi là bộ khuếch đại quang sợi (nguyên lý hoạt động và cấu tạo cụ thể sẽ được đề cập ở chương 4). Việc nghiên cứu chế tạo thành công bộ khuếch đại EDFA và ứng dụng chúng vào trong mạng WDM đã làm cho công nghệ WDM phát triển nhanh tróng. Cho đến nay, hầu như tất cả các hệ thống WDM dù là hệ thống thử nghiệm hay hệ thống thương mại đều sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA. EDFA được sử dụng tại đầu phát (gọi là bộ khuếch đại công suất) để bù vào tổn hao của bộ ghép kênh bước sóng, nâng cao công suất đưa vào sợi quang (vì bộ ghép kênh bước sóng có tổn hao cố hữu không thể khắc phục được, mà tổn hao này sẽ tăng nhanh tróng theo số kênh tín hiệu được ghép). ở đầu thu, để bù vào tổn hao, nâng cao độ nhạy máy thu cũng cần bố trí bộ khuếch đại quang sợi (gọi là bộ tiền khuếch đại). Khi dùng bộ khuếch đại sợi quang làm bộ khuếch đại đường dây, cự ly truyền dẫn được nâng lên. Tuy nhiên khi sử dụng EDFA trong mạng WDM cần lưu ý một số vấn đề sau: VII.1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA: Hiện nay băng tần khuếch đại của EDFA đạt 35 ~ 40 nm, độ bằng phẳng của tăng ích trong băng tần không hoàn toàn lý tưởng, do công suất truyền dẫn của các kênh tín hiệu có thể b