Đồ án Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM

và qua một số thí nghiệm được trích dẫn từ một số bài báo nghiên cứu về XPM. Ngoài ra chương 2 này cũng trình bày về hai tham số có ảnh hưởng tương đối lớn đến XPM là khoảng cách kênh và tán sắc sợi quang. Tiếp theo, trong chương 3 của đề tài trình bày về một số ảnh hưởng mà XPM gây ra trong hệ thống truyền dẫn WDM và một số biện pháp cải thiện những ảnh hưởng này. CHƯƠNG III. ẢNH HƯỞNG CỦA XPM LÊN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WDM 3.1 Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM tổng quát Trong chương 2 đã giới thiệu về XPM và một số hiện tượng có liên quan đến XPM. Những hiện tượng do XPM gây ra như các hiệu ứng ghép nối tần số, thay đổi dạng xung, không ổn định phân cực, giãn rộng phổ bất đối xứng, thay đổi về thời gian bất đối xứng… đều ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống WDM. Các hiệu ứng này tác động đến hệ thống qua việc hạn chế một số tham số như khoảng cách truyền dẫn, số lượng kênh, khoảng cách kênh… Chương 3 sẽ trình bày một số hạn chế đã được nghiên cứu và kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm của một số nhà nghiên cứu trên thế giới. 3.1.1 Giới hạn khoảng cách truyền dẫn Hạn chế lớn nhất mà XPM gây ra cho hệ thống truyền dẫn WDM là giới hạn khoảng cách truyền dẫn. Vấn đề này đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và công bố trên thế giới. Cùng với những đánh giá cả về lý thuyết và thực nghiệm, các nghiên cứu cũng mở ra nhiều biện pháp có thể áp dụng trong thực tế để khắc phục hạn chế này. Như đã trình bày trong chương 2, XPM là kết quả sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ trong sợi quang silic (hiệu ứng Kerr). Một tín hiệu tại bước sóng λk trải qua dịch pha phi tuyến phụ thuộc công suất quang tại các bước sóng khác. Với các hệ thống WDM gồm M kênh, dịch pha phi tuyến tổng cộng của kênh thứ k là (3.1) Số hạng đầu tiên trong biểu thức này là do SPM phụ thuộc vào công suất của riêng kênh được tách sóng. Tổng dùng để tính XPM tăng từ công suất quang trong các kênh lân cận tại đó công suất tích phân trong sợi quang có liên quan đến dịch pha tổng cộng. Điều chế tần số của các kênh bơm dẫn đến điều chế pha của kênh dò do XPM. Trong thí nghiệm [5], hình 3.1 biểu diễn xuyên kênh XPM biến đổi thành méo xung. Méo do XPM được xác định định lượng bằng chỉ số mx. Hình 3.1 Méo xung do XPM Cấu hình pump - probe trong hình 3.2 được sử dụng để tách XPM từ các hiệu ứng khác. Laser bơm khả chỉnh phát bước sóng λpump được điều chế ngoài bằng một bộ điều chế hấp thụ điện EAM do bộ tạo chuỗi Anritsu điều khiển (chuỗi xung NRZ, 1-10 Gb/s), trong khi tia dò phát từ laser DFB tại λpr có bộ điều chế Mach-Zehnder tích hợp. Các kênh được kết hợp và được khuếch đại với các bộ khuếch đại EDFA công suất cao. Trong thí nghiệm méo do XPM gây ra tại λpr được nghiên cứu cho các sợi quang đo kiểm khác nhau (L=45 km) theo một chặng cố định biến đổi sợi quang để có biến đổi PM-AM. Một bộ tách kênh dùng cách tử không gian tự do được dùng để chọn λpr (xuyên kênh tốt hơn 30dB với Δλ >0,5 nm). Tín hiệu được tách sóng ra bằng một diode tách sóng tốc độ cao và dạng sóng được hiển thị trên máy hiện sóng. XPM được nghiên cứu trong các giới hạn tán sắc cao và thấp. Với chế độ tán sắc thấp, sợi quang dùng để đo kiểm là sợi DSF, (<1 ps/nm/km) trong khi đó đối với kết nối truyền dẫn có tán sắc cao dùng sợi SSMF. Các kết quả thí nghiệm được so sánh với kết nối được bù tán sắc bao gồm sợi SSMF và sợi DCF áp dụng cả sơ đồ bù trước (DCF+SSMF) và bù sau (SSMF+DCF). Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu XPM trong [5] Hình 3.3 biểu diễn méo xung do XPM , đạt được trong kết nối tán sắc thấp với khoảng cách kênh Δλ ~0,4 nm và phân cực ngẫu nhiên. Các kênh đều được điều chế, kênh bơm tại 2,5 Gb/s (chuỗi bit 1010…) và kênh dò với chuỗi bit dài hơn. Walk-off w≈D.Δλ.L nhỏ hơn 1-bit trong phần sợi DSF. Do đó, chirp gây ra do XPM Δv(t) tích luỹ nội qua dạng sóng của xung. Hình 3.3 XPM và SPM với các kênh được điều chế tại 2,5 Gb/s, sợi DSF, có độ trễ ban đầu khác nhau Hình 3.4 Méo XPM cho kênh dò (a)sợi DSF, (b) sợi SSMF Biến đổi PM-AM trong sợi quang SSMF cho kết quả là chuỗi méo, dễ nhận thấy dạng sóng này chồng lên dạng sóng tín hiệu ban đầu, và tiêu biểu cho trường hợp walk-off. Tại sườn xung kênh dò, các hiệu ứng SPM và XPM có thể quan sát được, trong khi đó, méo chỉ do XPM gây nên. Bằng cách chỉnh độ trễ kênh bơm ban đầu, méo tại các sườn xung do SPM cũng có thể tăng hoặc giảm do XPM. Các kết quả của mô hình thí nghiệm này được cho trong hình 3.4, cho kết quả thống nhất với các kết quả mô phỏng. Trong hình 3.4a và hình 3.4b, méo XPM của một tín hiệu CW được so sánh giữa sợi DSF và sợi SSMF với cùng tốc độ bit và khoảng cách kênh. mức độ lệch của méo là do walk-off cao trong trường hợp sợi SSMF, làm giảm tích luỹ XPM. chỉ số mx được đo như một hàm của Δλ =λpump-λpr bằng cách thay đổi bước sóng bơm. Với sợi DSF, méo nghiêm trọng xảy ra khi Δλ=±20 nm và giá trị mxlớn nhất tại Δλ nhỏ nhất. Giá trị cực đại thứ hai đạt được khi bước sóng có tán sắc bằng không của sợi DSF (λ0≈1554 nm) được đặt giữa bước sóng bơm và bước sóng dò làm giảm walk-off. Méo xung do XPM giảm rất nhiều khi thay thế sợi DSF bằng sợi SSMF với cùng bước sóng. Là kết quả của walk-off cao trong sợi quang tán sắc, chirp XPM không cục bộ mà phân tán qua xung và méo XPM chỉ có thể quan sát với Δλ <1,5 nm. Ảnh hưởng của tốc độ bit lên XPM được nghiên cứu trong cấu hình bơm – dò dùng sợi SSMF và có khoảng cách kênh 50 GHz. Trong thí nghiệm, độ dài bit của kênh bơm được thay đổi trong khi thời gian chuyển tiếp xung là không đổi. Chính vì vậy, mức độ chirp XPM gây ra do mỗi chuyển tiếp là không đổi nhưng nhiều chuyển tiếp xảy ra trong kênh bơm trong một khoảng cách thời gian. Trong mô phỏng bằng máy tính cho cùng hệ thống thí nghiệm, thời gian lên của xung thay đổi thêm. Chuyển tiếp xung được tính xấp xỉ như các sườn của một phân phối Gausse với biến κ và T0 = 30 ps. Các giá trị κ lớn dẫn đến chuyển tiếp xung nhọn hơn, giá trị κ = 1,3 tương ứng với thời gian lên của xung trong thí nghiệm. Với một tốc độ bit cho trước, chỉ số XPM tăng theo κ vì mỗi chuyển tiếp trong kênh bơm tạo ra sự tăng chirp XPM. Với thời gian chuyển tiếp xung cho trước, các méo xếp chồng của kênh dò CW theo XPM từ các chuyển tiếp xung bơm lân cận dẫn đến tăng méo tại các chu kỳ bit thấp hơn. Trong [12] trình bày những hạn chế về khoảng cách truyền dẫn do sự giãn rộng phổ mà XPM gây ra trong hệ thống dùng sợi quang tiêu chuẩn được bù tán sắc. Thí nghiệm được tiến hành trên một cấu hình vòng tuần hoàn gồm sợi SSMF dài 40 km (α = 0,23 dB/km) được bù trước hoặc bù sau chính xác bằng hai cuộn sợi quang bù tán sắc (DCF) Corning dài 3,95 km (D = -87,3 ps/nm.km, α = 0,49 dB/km, suy hao ghép nối DCF/SSMF là 0,7 dB), một bộ điều chế quang âm (AOM) và một coupler 3 dBvới suy hao vòng tổng cộng khoảng 21 dB. Suy hao này được bù bởi một bộ khuếch đại EDFA có khuếch đại phẳng với công suất đầu ra bão hoà +16 dBm và hệ số tạp âm 4,5 dB. Bốn tia laser DFB, phát cách đều nhau 50GHz (0,4 nm) trong dải 1556,4 nm đến 1557,6 nm, được ghép kênh bằng coupler 4x4, được điều chế bằng bộ điều chế hấp thụ điện (EAM) với các chuỗi giả ngẫu nhiên. Tiến hành truyền dẫn đơn kênh và 4 kênh với hai trường hợp bù trước và bù sau với một dải công suất kênh, kết quả được thể hiện trên hình 3.5. Hình 3.5. Công suất giảm sau các chặng thay đổi khi thay đổi số lượng chặng Khi tiến hành thí nghiệm với kênh đơn 10 Gb/s để xác định ảnh hưởng của SPM, với kết nối được bù trước, khoảng cách truyền dẫn có thể đạt đến trên 20 và 15 chặng (<1000 km) trước khi có tổn hao 3 dB với công suất đầu vào lần lượt là +4 và +8 dBm. Các khoảng cách này bị giảm do bốn kết nối bù sau. Trong sơ đồ bù sau, chirp SPM đạt được làm tăng thêm độ giãn xung với tán sắc âm của DCF. Ngược lại với sơ đồ bù trước, chirp SPM gây nén xung trong sợi SSMF tại cuối mỗi chặng. Dùng sơ đồ có hai EDFA với DCF đặt giữa hai bộ khuếch đại có thể tối thiểu hoá công suất đưa vào sợi quang, mặc dù điều này làm tăng tính phức tạp khi thiết kế hệ thống. Kết quả cho thấy SPM trong DCF đặt sau EDFA có thể giảm thiệt hại. Thí nghiệm với 4 kênh cách đều nhau 50GHz, cùng công suất trên kênh và bộ khử tương quan SSMF 10,5 km được tiến hành. Thay đổi nhỏ trong thiệt hại so với trường hợp đơn kênh với bù sau do sự giãn rộng xung về thời gian gây ra bởi SPM chiếm ưu thế. Tuy nhiên, sự có mặt của các kênh lân cận trong thí nghiệm WDM bù trước cũng cho kết quả là giảm khoảng cách truyền dẫn lớn nhất có thể xuống dưới 10 chặng. Vấn đề này có hai nguyên nhân. Đầu tiên là jitter định thời do XPM là kết quả của việc giảm độ dài của xung bị nén. Trong sơ đồ đã được bù tán sắc, dịch pha do XPM phân phối dọc theo chiều dài sợi quang phi tuyến dẫn đến méo cường độ do tán sắc còn dư tại phần cuối chặng. Nguyên nhân thứ hai là sự tăng xuyên âm xảy ra giữa các kênh tại bộ thu do giãn rộng phổ mà XPM hoặc SPM gây ra, dẫn đến chuyển các thành phần phổ từ một kênh sang băng tần của các kênh lân cận. Để nghiên cứu mức của xuyên âm, phổ của tín hiệu WDM được đo sau 1, 4, 8 và 12 vòng tuần hoàn của vòng quang bằng máy phân tích phổ và bộ lọc FB. Sự giãn rộng phổ lớn với khoảng cách truyền dẫn được quan sát được ghi trong máy phân tích phổ trong hình 4. Điều này xảy ra trong trường hợp bù trước như là kết quả của các xung bị nén tại đầu chặng dẫn đến SPM và XPM lớn. Ảnh hưởng của XPM đạt lớn nhất khi các xung trong các kênh lân cận được sắp xếp trong sợi quang phi tuyến. Xung rộng hơn trong cấu trúc bù sau cho thấy giãn phổ thấp hơn. Hình 3.6 cho thấy phổ FP đo với kênh 2 tại +8 dBm/ kênh với chuỗi bit 1010… sau 12 chặng. Sự chuyển đổi công suất từ sóng mang sang dải biên như một hàm của số chặng được vẽ trong hình 3.6, cho thấy sự giãn rộng phổ do SPM (kênh đơn) và giãn rộng thêm do XPM với 4 kênh được phát. Bước sóng dịch chuyển (b) Hình 3.6 Phổ của kênh 2 sau 12 chặng bù trước trong thí nghiệm (a) và mô phỏng (b) Qua các kết quả mà thí nghiệm [12] đã đạt được ta thấy rằng nguyên nhân chủ yếu làm giảm khoảng cách truyền dẫn của hệ thống WDM là do sự giãn rộng xung (hoặc nén xung tuỳ thuộc vào sơ đồ bù tán sắc được dùng) và jitter định thời xuất phát từ XPM. 3.1.2 Méo cường độ do XPM Những thiệt hại do XPM gây ra trong các hệ thống DWDM tốc độ cao ảnh hưởng đến chất lượng các hệ thống này rất lớn. Để đánh giá chất lượng hệ thống quang dưới ảnh hưởng của XPM, cần có một mô hình giải tích được thực hiện với đặc điểm nhanh hơn, đơn giản và càng chính xác càng tốt. Các nghiệm của mô hình này là đạo hàm của hàm jitter theo thời gian giải tích. Những nghiên cứu trước đây chỉ đòi hỏi phân tích điều chế cường độ phát sinh tại cuối sợi quang. Các hiệu ứng cũng chỉ được phân tích cho dạng điều chế NRZ. Công cụ VPI trong [7] cung cấp cách làm đơn giản và hiệu quả để mô phỏng XPM bao gồm cả méo cường độ và jitter thời gian trong hệ thống WDM. Để tính toán méo trường do XPM trong các hệ thống WDM đa chặng không đòi hỏi biến đổi Fourier. Điều chế pha quang do XPM gây ra và kết quả của hiện tượng này là tính toán dao động công suất tín hiệu và độ chính xác của mô hình đã được kiểm nghiệm. Xem xét một hệ thống 5 chặng với độ dài chặng tính đến 100km được xem xét. Mô hình sử dụng tán sắc 17 ps/nm.km và bù tán sắc -102 ps/nm.km. Mức công suất 3 dBm với dạng sóng được điều chế NRZ 10 Gb/s, ngoài ra, kết quả không được so sánh với độ trễ giữa các chuỗi bit kênh bơm và kênh dò. Mặc dù độ trễ chỉ gây ra những vấn đề nhỏ nhưng ảnh hưởng của dịch bit phải được xem xét để mô phỏng một hệ thống quang để cải thiện độ chính xác của kết quả. Mô hình ở đây xem xét các độ trễ giữa các chuỗi dữ liệu được mô phỏng đầy đủ các hiệu ứng của dịch bit trong hệ thống thực tế. Mô hình này áp dụng biến đổi Fourier để xác định ảnh hưởng của SPM và tán sắc được tiến hành bởi công cụ mô phỏng VPI để thực hiện mô hình hoá đầy đủ một hệ thống quang. Công cụ VPI xem xét cả xuyên nhiễu cường độ và méo jitter thời gian cho các dạng điều chế. Phổ của XPM trong hệ thống IMDD đa chặng đã được nghiên cứu về cả lý thuyết và thực nghiệm. Mô hình giải tích được sử dụng để xác định ảnh hưởng của XPM về mặt lý thuyết. Chỉ có các hệ thống được điều chế cường độ được xem xét và các thí nghiệm thay đổi những dao động cường độ trong hệ thống IMDD. Công suất đưa vào cao hơn khoảng 11,5 dBm được sử dụng. Dạng sóng dùng cho điều chế là NRZ. Thí nghiệm này xem xét các hệ thống IMDD và cơ chế PM-AM. Điều chế pha do XPM được chuyển đổi thành điều chế cường độ do tán sắc sắc thể và vì vậy chỉ xem xét đến ảnh hưởng của xuyên nhiễu cường độ, không xét đến ảnh hưởng của jitter định thời. Mô hình này xem xét điều chế RZ . Cả hai mô hình đều xét đến độ trễ giữa kênh bơm và kênh dò. Mô hình giải tích này xét đến cả cường độ và jitter định thời trong cả hai dạng sóng điều chế do XPM. Do đó có thể dùng mô hình này để tính toán các hiệu ứng của XPM. Trong mô hình này xem xét một hệ thống WDM với SMF. Kênh dò tại đầu vào sợi quang là một sóng CW và phân tích điều chế cường độ và pha tạo bởi công suất được mang trong kênh bơm trên bước sóng khác. Sự biến đổi về pha của kênh dò i do tương tác Kerr với kênh bơm k dọc theo khoảng cách rất nhỏ từ z đến z+dz được cho như sau: (3.2) Trong đó γi là hệ số phi tuyến.Công suất kênh bơm Pk(z,ω) và được tính theo công thức với giả thiết tín hiệu nhỏ trong [10]. Tại đây qk= - β2,kω2/2 với β2,k tính đến tán sắc, α là hệ số suy hao và vg,k là vận tốc nhóm. Dao động về pha rất nhỏ do phần sợi quang dz tạo ra sẽ lan truyền đến cuối sợi quang có chiều dài L. Do tán sắc sắc thể của sợi quang mà điều chế pha rất nhỏ này sẽ tiến triển thành dao động cường độ qua chuyển đổi PM-IM và cũng xảy ra trễ pha qua chuyển đổi PM-PM. (3.3) (3.4) (3.3) biểu thị dao động về công suất và (3.4) biểu thị dao động về pha tại cuối sợi quang do tương tác bơm-dò tại z. Ở đây suy hao và trễ truyền lan của kênh i được cho bởi biểu thức và Pi(z) là công suất trung bình của kênh i tại khoảng cách z từ điểm bắt đầu sợi quang. Trọng tâm của mô hình này là tính toán jitter định thời do XPM nên chỉ xét phương trình dao động pha (3.3). Khái niệm độ dài walk-off Giải phương trình Schrodinger đưa ra một kết quả chính xác bằng phương pháp số. Điều này bao gồm cả các hiệu ứng tán sắc và phi tuyến của sợi quang. Tương tác phi tuyến chỉ có tại độ dài walk-off đầu tiên trong phần bắt đầu của chặng. Chỉ có tán sắc ảnh hưởng đến sự chuyển đổi từ pha sang méo cường độ và các hiệu ứng phi tuyến có thể bỏ qua sau chiều dài walk-off đầu tiên. Chiều dài walk-off dẫn đến sự thay đổi cường độ do sự thay đổi các liên kết tương đối của các kênh tương tác. Sự thay đổi tương đối này giải thích sự khác nhau về thời gian nhỏ giữa các xung, Δt mô tả các thay đổi cường độ này. Điều này được cho bởi (3.5) Với D là tán sắc sắc thể và Δλ là khoảng cách kênh tính theo nm. Với tín hiệu RZ và NRZ, Δt là độ rộng xung với RZ và là độ rộng tính từ các sườn lên và xuống. Do đó chiều dài walk-off tỉ lệ trực tiếp với những thay đổi cường độ và tỉ lệ nghịch với tích tán sắc và khoảng cách kênh. Khi khoảng cách kênh rất rộng thì chiều dài walk-off rất nhỏ so với chiều dài hiệu dụng của sợi quang và không đáng kể. Tuy nhiên, khi các bước sóng cách nhau một khoảng nhỏ thì chiều dài walk-off đủ lớn so với chiều dài hiệu dụng của sợi quang. Khi đó, các méo XPM bị chi phối bởi suy hao sợi quang và chiều dài walk-off phụ thuộc vào khoảng cách kênh. Trong trường hợp này các méo XPM có liên quan đến cả chiều dài walk-off và suy hao sợi quang. Vì vậy khi khoảng cách kênh nhỏ hơn 0,4 nm với hệ số tán sắc 17 ps/nm.km, chiều dài walk-off đủ lớn để không thể bỏ qua. Khi khoảng cách kênh lớn hơn, các tín hiệu tách rời nhau trong miền tần số nên ảnh hưởng của chiều dài walk-off không quan trọng nữa. Trong trường hợp sợi quang có tán sắc tương đối thấp, trong dải từ 2-5 ps/nm.km, sự phụ thuộc ngược lại vào khoảng cách kênh chỉ đạt được tại các giá trị Δλ cao vì tán sắc là rất nhỏ. XPM phụ thuộc rất nhiều vào tán sắc sắc thể. Việc này đóng vai trò quan trọng đối với sự biến đổi từ méo pha sang méo cường độ và jitter định thời. Điều này cũng ảnh hưởng đến các chiều dài walk-off hệ thống. Tại mỗi chặng sự bù tán sắc có thể được đưa vào để loại bỏ các hiệu ứng XPM do tán sắc trong sợi quang nhưng sẽ làm giảm ưu điểm của sợi quang trong trường hợp truyền dẫn thẳng. Ngoài ra sự phụ thuộc của XPM vào cường độ quang biểu thị quan hệ tuyến tính có khả năng phân tích những suy yếu gây ra do các kênh công suất cao. Biến đổi nhiễu pha sang nhiễu cường độ Trong một hệ thống WDM hoạt động tại tần số 1550 nm, sợi SSMF đi qua tán sắc khá lớn làm hạn chế chất lượng các hệ thống quang. Tán sắc biến đổi điều chế pha thành điều chế cường độ tại đầu ra sợi quang. Chính vì vậy cần phải nghiên cứu các yếu tố gây ra sự biến đổi này. Trong một nghiên cứu khác đã đưa ra một ma trận biến đổi mô tả mối quan hệ đầu vào và đầu ra của điều chế pha và cường độ tương ứng. Đặt Sin(t) là công suất quang đầu vào và là pha tín hiệu đầu vào. Khi đó ma trận chuyển đổi được xác định qua (3.6) trong đó ΔSout(jω ) và ΔSin(jω) là cường độ đầu vào và đầu ra. và là pha tín hiệu đầu vào và đầu ra. F thể hiện tham số tán sắc. ma trận biến đổi này cung cấp các quan hệ cho cả biến đổi PM-IM và PM-PM. Hàm truyền đạt có thể có được từ ma trận trên. Để tính toán điều chế cường độ và pha tại điểm cuối sợi quang, cần có mối tương quan giữa chúng (có thể suy luận từ kiến thức về bộ phát dùng trong hệ thống). Dùng ma trận biến đổi này có thể phân tích sự suy yếu tín hiệu do các kênh lan truyền dọc theo sợi quang tán sắc. Sự biến đổi điều chế tần số thành điều chế pha xảy ra mạnh mẽ nếu tham số suy hao α lớn hơn 1. Ma trận này cũng xem xét sự tương quan giữa điều chế pha và điều chế cường độ. Méo cường độ do XPM Trước khi tiến hành mô hình suy yếu do XPM do jitter thời gian và méo biên độ trong hệ thống, luận văn [7] mô tả mô hình chỉ bao gồm méo cường độ. Trong các hệ thống IMDD,các mức xuyên nhiễu XPM phụ thuộc rất lớn vào tán sắc sợi quang và khoảng cách kênh. Do công suất cao trong kênh bơm, kênh dò trải qua một số điều chế pha. Điều chế pha không giải thích cho sự suy giảm của hệ thống. Tuy nhiên, do tán sắc sắc thể, điều chế pha biến đổi thành điều chế cường độ và làm giảm nghiêm trọng chất lượng hệ thống. Trong trường hợp hệ thống IMDD, hiệu ứng Kerr phi tuyến kèm theo tán sắc sắc thể làm tăng sự suy yếu chất lượng này. Luận văn [7] đưa ra giả thiết xem xét SPM và XPM như những hiệu ứng tách biệt. Trong sợi quang tán sắc, tán sắc và tính phi tuyến cùng tác động. trong trường hợp chiều dài sợi quang nhỏ thì các hiệu ứng này có thể được giả sử là tác động độc lập. Sau khi xem xét các hiệu ứng do XPM, méo cường độ do XPM có thể biểu diễn như sau (3.6) (3.7) Trong đó là dao động biên độ tại điểm cuối của N chặng đã được khuếch đại tạo ra bởi điều chế pha do XPM tại chặng thứ m. LN là chiều dài tổng của sợi quang. Pkm(Ω,0) là công suất bơm đầu vào chặng thứ m, djk là chiều dài walk-off giữa hai kênh trong chặng thứ m. Pt (3.6) được dùng để tính toán xuyên nhiễu cường độ do tán sắc và tính phi tuyến. Tác động của méo cường độ Trong một hệ thống sử dụng dạng sóng NRZ, tín hiệu dò tại đầu ra sợi quang bị méo do XPM, có quan hệ trực tiếp với tín hiệu quang không bị méo của kênh dò tại đầu ra. Xuyên kênh do XPM từ kênh bơm sang kênh dò được cho bởi (3.6) trong đó mj(t) là dạng sóng dò đã chuẩn hoá tại đầu ra và mk(t) là dạng sóng bơm đã chuẩn hoá tại đầu vào. F -1 và F chỉ các biến đổi Fourier và biến đổi ngược. Hj(Ω) là hàm truyền đạt bộ lọc băng gốc của hệ thống. XPM bao gồm méo định thời và méo cường độ Tính chất tán sắc tự nhiên của sợi quang gây ra sự suy giảm trong các mạng quang. Jitter định thời được hình thành do các méo pha trong phát sinh trong sợi quang tán sắc. Các méo pha này xảy ra do chiết suất phi tuyến của sợi quang. Do công suất của một kênh ảnh hưởng trực tiếp đến chiết suất của sợi quang nên khi có những thay đổi về công suất dọc theo sợi thì làm thay đổi chiết suất của sợi. Chiết suất lại có ảnh hưởng trực tiếp đến pha của tín hiệu. Chính vì vậy khi có các biến thiên phụ thuộc thời gian trong sợi quang, sẽ có sự biến đổi pha trong tín hiệu quang. Những biến đổi về pha quang sau đó chuyển thành dao động cường độ và jitter định thời tại đầu ra sợi quang qua tán sắc sắc thể. Điều này có ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống. Các méo cường độ và jitter định thời là các hiệu ứng tách biệt và khi kết hợp lại tạo ra các hiệu ứng có hại hơn nhiều đối với truyền dẫn tín hiệu. Các méo cường độ do sự giãn rộng đường phía trên tương ứng với bit “1” và jitter định thời là do giãn rộng sườn tương ứng với sự chuyển tiếp giữa bit “1” và bit “0”. Do hiệu ứng walk-off, sự mất liên kết giữa các chuỗi bit xảy ra và kết quả là dịch tần số quang do kênh bơm gây ra trên kênh dò. Vì sự dịch tần gây ra bởi các sườn mất liên kết, độ dịch tại sườn lên bị loại bỏ bởi độ dịch tại sườn xuống do đó dẫn đến dịch không. Trong trường hợp các hệ thống có các bộ khuếch đại quang đặt tại các khoảng cách đều giữa các chặng sợi quang, do sự dao động công suất mà các kênh khác nhau của các chuỗi bit bất đối xứng xung đột lẫn nhau và độ dịch tần chuẩn này phụ thuộc vào khoảng cách kênh.Tại cuối sợi quang các hiệu ứng này dẫn đến jitter định thời do độ lớn phụ thuộc vào chuỗi bit cũng như vào bước sóng của kênh. Ngay cả với các sợi quang có tán sắc cao, hiệu ứng walk-off xảy ra nhanh hơn tại sườn nhưng do bản chất giả ngẫu nhiên của các bit nên cần có một trạng thái mà tại đó các bit 1 dài được phát đi để thấy được sườn xuống sau một thời gian dài. Khi đó, kênh dò phải tính toán đến jitter thời gian đáng kể. Jitter định thời làm giảm đáng kể chất lượng hệ thống quang và kéo theo suy hao lớn trong trường hợp các hệ thống DWDM tốc độ cao. Chính vì vậy để đánh giá chất lượng hệ thống quang cần xuất phát từ mô hình giải tích bao gồm các ảnh hưởng của jitter định thời và méo biên độ. Xem xét hai kênh, kênh bơm thứ k và kênh dò thứ i. Do công suất trong kênh bơm, pha của kênh dò thay đổi dọc theo chiều dài sợi quang. Để đánh giá ảnh hưởng của công suất bơm này, xem xét một sợi SSMF có chiều dài L. Đặt dz là một phần nhỏ của sợi quang để phân tích, z’ là phần chia của sợi quang tại khoảng cách (z’-z). Là kết quả của XPM, sự biến đổi pha của kênh tín hiệu (i) do sự có mặt của kênh bơm thứ (k) trong phần sợi quang dz là: (3.8) Trong đó α là suy hao sợi quang, Pk(0,ω) là công suất kênh bơm, qk là méo đường bao và vk là vận tốc nhóm của kênh bơm. Điều chế pha này được tạo ra tại z phải thay đổi trong khi lan truyền dọc theo sợi quang. Tại điểm z’, điều chế pha trở thành (3.8) trong đó , β2 thể hiện tán sắc. (3.9) Sự thay đổi tần số tương ứng là đạo hàm của sự biến đổi pha (3.9) hoặc sự biến đổi bước sóng tương đương (3.10). Sự thay đổi tần số sẽ biến đổi thành jitter thời gian do tán sắc sắc thể trong sợi quang (các thành phần tần số khác nhau lan truyền theo tốc độ khác nhau). (3.10) (3.11) 3.1.4 Giảm hệ số phẩm chất Q Một mô hình giải tích được trình bày trong [11] đưa ra những phân tích đánh giá về hệ số phẩm chất Q khi xét đến ảnh hưởng của XPM. Mô hình này được nghiên cứu với hệ thống WDM được điều chế NRZ, tốc độ 10 Gb/s. Ta biết rằng do tán sắc trong sợi quang mà nhiễu pha do XPM sẽ biến đổi thành nhiễu cường độ. Điều này dẫn đến những thiệt hại cho hệ thống. Mô hình trên xem xét những thiệt hại này qua sự suy giảm hệ số phẩm chất Q dưới ảnh hưởng của XPM. Một hệ thống gồm các kênh bơm đã được điều chế và một kênh dò CW đã được nghiên cứu. Qua các phép tính giải tích tính phương sai nhiễu XPM, dựa vào hàm truyền của hệ thống và mật đổ phổ công suất của kênh bơm, một công thức xác định hệ số phẩm chất Q liên quan đên XPM đã được đưa ra như sau: (3.12) Trong đó i1 và i0 là dòng tương ứng với các bit “1” và bit “0”, σ1 và σ0 là các độ lệch tiêu chuẩn tương ứng với các bit “1” và “0”. Trong công thức này, ảnh hưởng của XPM lên mức “0” có thể bỏ qua, bởi vì chỉ có mức công suất rất thấp cho khoảng trống (bit “0”) và độ lệch tiêu chuẩn của hiệu ứng noise-like do XPM là rất thấp. Ảnh hưởng của XPM có thể thấy rõ qua suy giảm về tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR. Với các hệ thống truyền dẫn hiện đại có thể có OSNR đạt 15 dB và cho phép suy giảm lên đến 2 dB. Băng tần bộ lọc trong miền quang được thiết lập đến 12,5 GHz và băng tần bộ lọc trong miền điện là 14 GHz. Điều này dẫn đến giá trị hệ số Q thấp nhất có thể khi có XPM là xấp xỉ 10. Các kết quả từ các công thức giải tích được so sánh với các kết quả mô phỏng bằng chương trình mô phỏng trên máy tính dùng phương pháp biến đổi Fourier và được biểu diễn trong hình 3.7 dưới đây Hình 3.7 Hệ số Q theo tán sắc dư So sánh bằng hình ảnh giúp ta thấy rõ hơn kết quả lý thuyết cũng xấp xỉ kết quả mô phỏng. Ta cũng thấy rằng hệ số phẩm chất Q biến thiên phụ thuộc vào tán sắc. Tại tán sắc bằng không thì Q đạt đỉnh và giảm dần khi tán sắc lớn (đối với cả giá trị tán sắc âm và tán sắc dương). Một công thức đánh giá sự phụ thuộc của hệ số phẩm chất Q vào số lượng kênh WDM được tìm ra như sau: (3.13) M là số lượng kênh bơm và aik= α –jωD. Δλik, α là suy hao, ω là tần số góc, D là tán sắc sợi quang, Δλik là khoảng cách kênh i và kênh k, WM là hệ số weighting cho tín hiệu đầu vào theo hàm cos bình phương tốc độ 10 Gb/s với hệ số roll-off là 0,5. Từ hình 3.8 có thể tính toán hệ số Q cho riêng kênh bị xuyên nhiễu hoặc tính hệ số Q cho một số lượng kênh bơm bất kỳ, các kênh bơm này cách đều kênh trung tâm, bằng cách chia hệ số này cho hệ số WM. Hình 3.8 Sự phụ thuộc của WM vào số lượng kênh Cũng xem xét trong hệ thống M kênh, nghiên cứu [11] đi sâu vào công thức giải tích tính Q. từ công thức (3.11), với σ1 được tính như sau: (3.14) Trong đó là phương sai nhiễu của ký hiệu “1” trong hoạt động đơn kênh và là phương sai của điều chế cường độ do XPM gây ra theo kênh thứ i. Phương sai của dòng điện cho ký hiệu “0” là với là phương sai nhiễu của ký hiệu “0” trong hoạt động đơn kênh. Trường hợp này cũng bỏ qua điều chế cường độ trong ký hiệu “0”. Giá trị trung bình của dòng điện tại bộ thu như sau: i1=k.P1 và i0=k.P0, với P1 và P0 lần lượt là công suất quang tương ứng với ký hiệu “1” và ký hiệu “0” khi không có mặt nhiễu ISI, k là hằng số phụ thuộc loại bộ thu được sử dụng. Nếu nhiễu phách phát xạ tự phát của tín hiệu lớn thì hằng số k biến thành ks phụ thuộc vào các tham số của bộ thu. Đóng góp của IM do XPM vào có thể viết thành trong đó là phương sai của IM do XPM đã được chuẩn hoá bởi căn bậc hai của công suất tại ký hiệu “1”. Với các giả thiết này, hệ số Q được tính theo biểu thức sau (3.15) với là công suất quang trung bình tại đầu vào bộ thu và là tỉ số loại trừ (extinction) giữa hai ký hiệu. Sự suy giảm công suất được tính theo tỉ số giữa công suất trung bình yêu cầu tại đầu vào bộ thu khi có và không có ảnh hưởng của XPM cho một giá trị Q được quy định từ trước. Suy giảm công suất tính theo dB là . Dùng công thức (3.15), biểu thức này được biến đổi thành (3.16) Công thức trên có thể đánh giá sự suy giảm do XPM gây ra theo hàm của Q, r và . Có thể tính được công suất giảm 1 dB khi =4,2x10-3 (-23,8 dB) giả sử và Q=7, cho tỉ lệ lỗi bit BER = 10-12. 3.1.5 Xuyên kênh giữa các kênh có tốc độ bit khác nhau do XPM Trong các mạng quang WDM, tốc độ bit của các kênh bước sóng khác nhau có thể không giống nhau. Ảnh hưởng của tốc độ bit kênh dò đến độ nhạy với xuyên kênh XPM có thể xác định được dựa vào băng tần bộ thu. Hình 3.9 biểu diễn các mức xuyên kênh công suất đã chuẩn hoá theo băng tần điện bộ thu với các kênh bơm có tốc độ bit là 2,5, 10 và 40 Gb/s. Hình này biểu diễn trường hợp một chặng gồm 100 km sợi tán sắc với D=2,9 ps/nm/km, công suất đưa vào sợi là 11,5 dBm và khoảng cách kênh 0,8 nm. Trong hệ thống cụ thể này, với tốc độ bit cao hơn 10 Gb/s, xuyên kênh do XPM ít nhạy hơn với sự tăng của tốc độ bit. Điều này là do hàm truyền đạt công suất XPM chuẩn hoá đạt đến đỉnh tại xấp xỉ 15 GHz. Khi phổ của kênh bơm rộng hơn 15 GHz, ảnh hưởng của xuyên kênh XPM giảm đi rất nhiều. Đây là lý do giải thích tại sao xuyên kênh do XPM giữa các hệ thống 40 và 10 Gb/s lại nhỏ hơn rất nhiều xuyên kênh giữa hệ thống 10 và 2,5 Gb/s. Các băng tần bộ thu điển hình cho các hệ thống 2,5, 10 và 40 Gb/s lần lượt là 1,75, 7,5 và 30 GHz. Từ hình 3.9 có thể thấy rằng khi băng tần bộ thu vượt quá băng tần của kênh bơm, mức độ xuyên kênh do XPM không tăng theo băng tần bộ thu nữa. Thực sự là xuyên kênh giữa các kênh tốc độ cao và kênh tốc độ thấp có thể so sánh với xuyên kênh giữa hai kênh tốc độ bit thấp. Một liên hệ quan trọng với điều này là các hệ thống WDM lai ghép có các tốc độ bit khác nhau xen kẽ, chẳng hạn như các kênh 1, 3, 5 có tốc độ bit cao và các kênh 2, 4, 6 có tốc độ bit thấp. Các mức xuyên kênh do XPM trong cả các kênh tốc độ cao và các kênh tốc độ thấp đều tương tự như nhau và không cao hơn mức xuyên kênh trong hệ thống có tốc độ bit thấp. Tuy nhiên, khi khoảng cách kênh là quá thấp, xuyên kênh XPM từ kênh 3 đến kênh 1 có thể lớn hơn xuyên kênh từ kênh 2 có tốc độ bit thấp. Tương tự như hình 3.9, hình 3.10 biểu diễn các mức xuyên kênh đã chuẩn hoá theo băng tần điện trong một hệ thống dùng NZDSF năm chặng, 100km trên một chặng. Tán sắc sợi quang là 2,9 ps/nm/km và công suất quang đưa vào mỗi chặng là 8,5 dBm. Tại đây có sự khác biệt nhỏ trong các mức xuyên kênh giữa hệ thống 10 Gb/s và hệ thống 40 Gb/s. Nguyên nhân là do trong hệ thống có tán sắc tích luỹ cao hơn, hàm truyền đạt công suất XPM đạt đỉnh tại tần số thấp hơn và các thành phần tần số cao bị suy hao mạnh. Hình 3.11 biểu diễn xuyên kênh đã chuẩn hoá theo tán sắc sợi quang cho cùng hệ thống trong hình 3.10. Các băng tần thu như đã biết ở trên. trường hợp xuyên kênh xấu nhất xảy ra tại tán sắc thấp với tốc độ bit cao hơn. Đáng chú ý trong hệ thống 10 Gb/s, trường hợp xuyên kênh xấu nhất xảy ra với D=2,5 ps/nm/km và do đó tán sắc tích luỹ tổng cộng của hệ thống là 1250 ps/nm, giống như giới hạn tán sắc cho hệ thống 10 Gb/s không được bù. Hình 3.9 Xuyên kênh theo băng tần điện thu Hình 3.10. Xuyên kênh theo băng tần điện thu Cần phải chỉ ra rằng, để đơn giản hoá, trong cả hình 3.9 và hình 3.10, các công suất quang của tín hiệu được chọn lựa giống nhau cho các hệ thống có tốc độ bit khác nhau.Tuy nhiên, trong thực tế thường yêu cầu mức công suất cao hơn đối với hệ thống có tốc độ bit cao. Việc tổng quát hoá các kết quả này trong trường hợp có các mức công suất quang tín hiệu khác nhau đạt được khi dùng sự phụ thuộc tuyến tính của xuyên kênh XPM vào mức công suất đưa vào . Hình 3.11 Xuyên kênh XPM phụ thuộc vào tán sắc Mặc dù xuyên kênh XPM thường được coi là chỉ nghiêm trọng trong sợi quang tán sắc thấp, hình 3.11 lại chỉ ra rõ ràng trong các hệ thống không bù tán sắc, trước giới hạn tán sắc của hệ thống thì tán sắc cao tạo ra nhiều xuyên kênh hơn. Nói cách khác, trong các hệ thống quang được bù tán sắc, tán sắc nội cao hơn giúp làm giảm điều chế pha do XPM và tán sắc hệ thống tích luỹ thấp làm giảm biến đổi nhiễu pha thành nhiễu cường độ. 3.1.5 Ảnh hưởng của XPM lên hệ thống WDM được quản lý về tán sắc Với các hệ thống được quản lý về tán sắc, XPM cũng có những ảnh hưởng nhất định. Tuy nhiên, do XPM phụ thuộc khá nhiều vào tán sắc trong sợi quang nên với các sơ đồ quản lý tán sắc khác nhau, ảnh hưởng của XPM là khác nhau. Có một mô hình nghiên cứu về mặt lý thuyết [13] ảnh hưởng của XPM đến chất lượng hệ thống WDM qua phân tích hàm truyền đạt bộ lọc cường độ do XPM gây ra. Hàm truyền đạt này trong các sơ đồ quản lý tán sắc khác nhau là khác nhau. Từ nghiên cứu lý thuyết, một số kết quả đã được tính toán, kiểm chứng lại lý thuyết và mở ra hướng khắc phục ảnh hưởng của XPM bằng quản lý tán sắc thích hợp. Mô hình lý thuyết này xem xét tia bơm mạnh và tia dò tương đối yếu trong hệ thống gồm hai phần sợi quang có tán sắc khác nhau D1 và D2 với các chiều dài tương ứng L1 và L2. Tia dò là CW còn tia bơm là tín hiệu quang được điều chế có biên độ biến đổi chậm theo thời gian. Công suất kênh bơm thay đổi là Pp(z,t) và biến đổi Fourier Pp(z,ω). Tính đến cả suy hao của kênh bơm và walk-off giữa kênh bơm và kênh dò, có thể bỏ qua SPM của tia bơm và những dao động cường độ của kênh bơm do kênh dò gây ra. Các phép biến đổi đã dẫn đến kết quả là một công thức hàm truyền đạt bộ lọc cuờng độ phụ thuộc vào các tham số như hệ số phi tuyến, suy hao, walk-off, tán sắc sợi quang, chiều dài sợi. Công thức này cho phép đánh giá ảnh hưởng của XPM từ một kênh lên một kênh khác, mở ra thêm một cách để tính ảnh hưởng của XPM từ nhiều kênh tác động lên một kênh cụ thể bằng cách xếp chồng ảnh hưởng của từng kênh riêng lẻ. Cũng từ lý thuyết này, các kết quả tính toán được đưa ra trong nhiều trường hợp đặc biệt để nghiên cứu ảnh hưởng của quản lý tán sắc đến các hiệu ứng XPM. Các tham số được chọn để tính toán là bước sóng dò 1550 nm. khoảng cách kênh 0,4 nm, hệ số suy hao 0,2 dB/km, hệ số phi tuyến 1,31x10-3m2/W. Dải tần được hạn chế còn 0-50 GHz vì cho đến hiện tại thì các tốc độ bit trong các hệ thống vẫn là dưới 40 Gb/s. Ta tham khảo các kết quả này để thấy được trực quan ảnh hưởng của XPM đối với các hệ thống quản lý tán sắc khác nhau là khác nhau. Hình 3.12 Hàm truyền đạt của sợi SMF theo các sơ đồ bù tán sắc khác nhau Trong hình 3.12 là hàm truyền đạt của 80 km sợi SMF (D=16 ps/nm/km) không bù và có bù (trước và sau). Hàm truyền cho thấy đặc điểm bộ lọc thông cao. Hình 3.13 và hình 3.14 là các hàm truyền đạt với các tỉ lệ bù tán sắc khác nhau trong các hệ thống được bù trước và bù sau. Hình 3.15 so sánh hai cấu hình tán sắc khác nhau của các hệ thống được bù tán sắc hoàn toàn. 80 km sợi DSF có tán sắc -2 ps/nm/km được bù hoàn toàn bằng sợi SMF có tán sắc 16 ps/nm/km; 80 km sợi SMF có tán sắc 16 ps/nm/km được bù hoàn toàn bằng sợi DCF có tán sắc 96 ps/nm/km. Có thể thấy rằng do tán sắc nội của sợi SMF lớn mà ảnh hưởng của XPM bị loại bỏ, do đó SMF là lựa chọn tối ưu đối với các hệ thống WDM tốc độ cao. Trong các hệ thống đa chặng, ảnh hưởng của XPM tích luỹ tại điểm cuối của hệ thống. Hình 3.16 khẳng định điều này. Trong mỗi chặng, sợi SMF được bù hoàn toàn bởi sợi DCF và suy hao được bù bằng bộ khuếch đại quang. Như thấy trên hình, ảnh hưởng của XPM càng lớn khi số chặng tăng lên. Trong hình 3.17, các sơ đồ bù thiếu và bù thừa được nghiên cứu trong một hệ thống WDM năm chặng. Có thể thấy rằng, trái ngược với hệ thống một chặng, bù thiếu và bù thừa đều làm giảm ảnh hưởng của XPM trong hệ thống đa chặng. Hình 3.13 Méo XPM theo các tỉ lệ bù tán sắc khác nhau với sơ đồ bù trước Hình 3.14 Méo XPM với các tỉ lệ bù tán sắc khác nhau với sơ đồ bù sau Nói tóm lại, trong hệ thống WDM được quản lý tán sắc, ảnh hưởng của XPM thể hiện như một bộ lọc cường độ với đặc điểm là một bộ lọc thông cao, có nghĩa là XPM là một hiệu ứng phi tuyến có tính trội trong các hệ thống WDM tốc độ cao. Các kết quả trên đây rất hữu ích để tìm ra biện pháp hạn chế ảnh hưởng của XPM, sẽ được trình bày trong phần sau. Hình 3.15 Hai cấu hình bù tán sắc khác nhau cho kết quả khác nhau Hình 3.16 Ảnh hưởng của XPM thay đổi theo số chặng m Hình 3.17 Ảnh hưởng của tỉ lệ bù trong hệ thống năm chặng 3.2 Một số giải pháp khắc phục ảnh hưởng của XPM trong hệ thống WDM Qua các phần trên ta đã thấy ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM. Để khắc phục những ảnh hưởng này, nhiều thí nghiệm cũng đã được tiến hành bởi nhiều nhà nghiên cứu và cho những kết quả khả quan. Một số biện pháp được tìm ra thực sự hiệu quả và có thể áp dụng trong thực tế để nâng cao chất lượng hệ thống. Phần này trình bày một số biện pháp như dùng bộ triệt XPM, sử dụng các sơ đồ bù tán sắc hợp lý. 3.2.1 Dùng bộ triệt XPM Phần này giới thiệu việc dùng bộ triệt XPM trong một hệ thống cụ thể [3] để hạn chế ảnh hưởng của XPM đối với các kết nối sợi quang đa chặng. Kỹ thuật triệt XPM này gồm việc đưa ra các độ trễ thời gian thích hợp giữa các kênh kề nhau bên trong một bộ lặp, để thúc đẩy quá trình phá huỷ đóng góp tổng cộng từ các chặng khác nhau vào XPM tổng thể. Một thiết bị thụ động đơn giản, gọi là bộ triệt XPM (XS) dựa trên một loạt các cách tử Bragg băng hẹp trong sợi quang (IFBG). Khi các XS được chèn tuần hoàn vào một kết nối NZDSF 5x100 km, các kênh có khoảng cách 100 GHz tại tốc độ 10 Gb/s cho thấy chỉ bị suy giảm 1 dB, trong đó đo được tỉ lệ lỗi sàn 10-7. Ngoài ra, nhờ các bộ triệt XPM, dung sai với tán sắc dư cũng tăng lên ba lần. Để thiết kế một bộ triệt XPM, thí nghiệm [3] xem xét một hệ thống truyền dẫn được quản lý tán sắc có M kênh cách nhau Δλ và gồm có N chặng. Khi mỗi cặp kênh liên tục trải qua giá trị tối ưu giống nhau của độ trễ thời gian giữa các kênh tại điểm đầu mỗi chặng thì sự suy yếu do XPM gây ra cho các cặp kênh này là tối thiểu. Độ trễ tD có thể xác định từ mô hình đánh giá nhiễu cường độ do XPM trong bộ thu. Hình 3.18 thí nghiệm với 10 kênh có và không có XS Trong sơ đồ cho trong hình 3.18, bộ triệt XPM (XS) bao gồm một circulator và một loạt cách tử IFBG trong hệ thống M kênh WDM, mỗi kênh k (2≤k≤M) được phản xạ tại một vị trí bên trong sợi quang, bị trễ khoảng thời gian tD từ kênh k-1 tại phần bắt đầu mỗi chặng tiếp theo. Tuy nhiên, trong các hệ thống thực tế, sợi quang có tán sắc được tích luỹ DT(λ) tạo ra mộ độ trễ xuyên kênh DT(λ). Δλ mà không thể bù hoàn toàn bằng độ trễ DC(λ). Δλ tạo ra bởi modul bù có tán sắc tích luỹ DC(λ). Giữa kênh k-1 và kênh k, XS dẫn đến một độ trễ nữa là (3.17) Khoảng cách tương đối mà tại đó các gương tương ứng được mô tả là với c là vận tốc ánh sáng, n là chiết suất của sợi quang. Để đạt hiệu quả tối đa, tD cần được điều khiển bởi các XS thêm vào trong mỗi bộ lặp, dọc theo kết nối như trong hình 3.18. Cần chú ý rằng sự phụ thuộc vào bước sóng trong công thức (3.17), do sườn tán sắc, giải thích tại sao một sơ đồ tán sắc lý tưởng, đơn giản lại không thể thay thế XS để hạn chế những ảnh hưởng của XPM đối với số lượng kênh lớn. Hình 3.18 cho thấy thiết kế với thiết bị thí nghiệm cho 10 kênh, độ trễ tD đặt ra ước lượng khoảng 80ps đã đạt được trong một dải ước lượng [-20ps, +20 ps]. Sự xê dịch trong một dải như vậy cũng thích hợp với các yêu cầu về lý thuyết, do quá trình triệt tiêu XPM diễn ra mạnh mẽ. Việc đặt các cách tử IFBG mang tính tương đối phụ thuộc vào kênh là do sườn tán sắc của sợi quang.Qua một ví dụ gồm 5 XS có độ dài 8 cm, băng tần 3 dB trung bình của các bộ lọc IFBG là 0,4 nm với toàn bộ 10 kênh, dẫn đến một băng tần 0,26 nm tương đương khi bốn đơn vị được sắp xếp như được mô tả trong thí nghiệm. Các XS được đo trong truyền dẫn 10x10 Gb/s qua năm chặng, mỗi chặng 100km biểu diễn trong hình 3.17b. Bộ phát bao gồm 10 laser DFB có các bước sóng nằm trong hệ thống ITU 100 GHz từ 1552 đến 1559 nm. Các kênh chẵn và lẻ đi qua hai bọ điều chế cường độ được điều khiển bởi bộ tạo chuỗi PRBS 231-1 và 223-1, được kết hợp với phân cực song song, là trường hợp xấu nhất cho XPM, và được khuếch đại để đạt được công suât 5dBm/kênh. Kết nối gồm năm chặng, mỗi chặng 100 km sợi NZDSF có tán sắc trung bình 2,8 ps/nm/km tại bước sóng 1550 nm, sườn tán sắc 0,065 ps/nm/km và diện tích hiệu dụng 53 μm2. Suy hao của chặng được chỉnh đến giá trị thực tế 25 dB bằng bộ suy hao, được bù suy hao bằng các bộ khuếch đại hai tầng kết hợp một XS và một sợi DCF, có tán sắc tích luỹ 309 ps/nm. Các kênh trung tâm được mỗi DCF bù chính xác cho lượng tán sắc trong chặng phía trước nhưng tại bộ thu lại không có sợi DCF nào. Sau khi lan truyền, tín hiệu được đưa đến một bộ tiền khuếch đại quang, hai bộ lọc 0,4 nm và một bộ thu điện 10 Gb/s. Hình 3.19 Suy giảm độ nhạy cho kênh 6 Trong hình 3.19 biểu diễn suy giảm độ nhạy tại BER=10-10 cho kênh thứ 6. Sự suy giảm này tăng nhanh theo khoảng cách khi không có XS, dẫn đến BER sàn là 10-7 sau năm chặng. Ngược lại, khi các XS được thêm vào một cách tuần hoàn thì sự suy giảm chỉ còn 1,2 dB mặc dù có nhiễu bộ khuếch đại và các hiệu ứng lan truyền vẫn còn, và có thể nhìn thấy trực quan qua hình 3.19. Đối với 9 kênh còn lại cũng có thể kết luận tương tự. Tác dụng của các XS đối với các kênh ngoài biên ít nhạy hơn do các kênh này chịu ảnh hưởng của XPM ít hơn. Hình 3.20 So sánh suy giảm khi có và không có XS Thay đổi tán sắc dư trong kết nối đã cho thấy lợi ích rất lớn từ các XS vì tán sắc dư là một tham số để đánh giá ảnh hưởng của XPM. Để làm được điều đó, một phần thích hợp của sợi DCF hoặc sợi G.652 đã được chèn thêm vào trước bộ thu. Suy giảm cho kênh 6 sau năm chặng được biểu diễn trong hình 3.20 là một hàm của tán sắc dư khi có và không có các XS. Theo như mong đợi từ lý thuyết, khi tán sắc dư gần như bằng không thì các XS gần như không có tác dụng đến chất lượng và tỉ lệ lỗi sàn không giống như ở trên. Thực sự trong cấu hình này, XPM không biến đổi thành nhiễu cường độ có hại. Tuy nhiên, theo sườn tán sắc sợi quang, cấu hình dung sai XPM này chỉ có thể có được với các hệ thống WDM có số lượng kênh nhỏ và sự suy giảm không thể dưới 3 dB. Ngược lại, khi tán sắc dư tăng lên đến 366 ps/nm (không có DCF trong bộ thu) hoặc cao hơn thì nếu không có XS sẽ không thể có truyền dẫn không lỗi, trong khi truyền trong chế độ tán sắc dị thường có XS có thể cải thiện đáng kể sự suy giảm hệ thống, đến 2 dB. Cuối cùng, dải tán sắc dư tại suy giảm 3 dB, sau khi tách nhiễu lớn hơn gấp ba lần so với khi không có XS. Điều này có nghĩa là có thể có dung sai lớn hơn nhiều cho sợi NZDSF được bù không đầy đủ. Thí nghiệm [3] đã cho thấy một biện pháp hiệu quả để hạn chế ảnh hưởng của XPM, không chỉ làm tăng chất lượng và khoảng cách truyền dẫn của các hệ thống WDM điển hình mà còn cải thiện rất lớn dung sai của hệ thống đối với tán sắc dư, mở đường cho những khả năng lớn hơn. 3.2.2 Các sơ đồ bù tán sắc thích hợp Nhiều thí nghiệm được trích dẫn ở trên đã cho thấy bù tán sắc là biện pháp hiệu quả để khắc phục những hạn chế mà XPM gây ra. Trong tài liệu [9] đã trình bày xuyên kênh do XPM trong các hệ thống sợi quang có thể giảm bằng cách bù tán sắc. Ngoài ra, điểm đặt bộ bù tán sắc cũng rất quan trọng. Lượng bù tán sắc nhỏ nhất yêu cầu là khi bộ bù được đặt trước bộ thu. Tại điểm này, bộ bù sẽ bù xuyên kênh do XPM tạo ra trong toàn bộ các chặng. Lượng bù tán sắc tối ưu để giảm xuyên kênh do XPM là khoảng 50% tán sắc trong hệ thống. Mặc dù sơ đồ bù tổng hợp này yêu cầu lượng bù tán sắc nhỏ nhất nhưng vẫn không đạt được chất lượng hệ thống tốt nhất. Hình 3.21 Xuyên kênh thay đổi theo bù tán sắc Hình 3.21 biểu diễn các mức xuyên kênh công suất chuẩn hoá theo tỉ lệ bù tán sắc trong một hệ thống 10 Gb/s sáu chặng, mỗi chặng 100 km NZDSF. Tán sắc trong sợi quang truyền dẫn là 2,9 ps/nm/km và công suất quang đi vào mỗi chặng là 8,5 dBm. Các hiệu ứng phi tuyến trong các sợi quang dùng để bù tán sắc được bỏ qua để đơn giản hoá. Các sơ đồ bù tán sắc khác nhau được so sánh trong hình này. Đường (1) là bù tán sắc trong từng chặng, khi đó xuyên kênh do XPM tạo ra trong mỗi chặng có thể được bù chính xác nên khi bù 100% thì giảm xuyên kênh do XPM rất hiệu quả. Đường (2) là đặt bộ bù tán sắc sau mỗi hai chặng, khi đó giá trị bù tán sắc chỉ có thể được tối ưu hoá cho chặng đầu tiên hoặc chặng thứ hai nhưng không thể tối ưu cho cả hai chặng. Mức xuyên kênh do XPM dư cao hơn trong trường hợp trước. Tương tự như thế, đường (3) trong hình 3.21 là đặt bộ bù tán sắc sau mỗi ba chặng còn đường (4) là đặt một bộ bù tổng hợp tại trước bộ thu. Rõ ràng là khi giảm số lượng các bộ bù tán sắc, mức độ xuyên kênh do XPM dư cao hơn và giá trị bù tán sắc tối ưu gần hơn đến 50% giá trị tán sắc của hệ thống. Chính vì điều này, trong các hệ thống có suy yếu nghiêm trọng do xuyên kênh thì cần phải bù tán sắc trong mỗi chặng. Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng số lượng bộ bù tán sắc đồng nghĩa với việc tăng chi phí. Trong tài liệu [8], bù tán sắc thiếu (undercompensation) được chứng minh là có ảnh hưởng đáng kể đến méo do XPM. XPM phát sinh và phân bố dọc chiều dài sợi SSMF dẫn đến méo cường độ tại bộ thu, ngay cả trong trường hợp được bù tán sắc hoàn toàn. Bù thiếu có hiệu quả khá cao trong việc giảm méo cường độ do XPM tại bộ thu. Hình 3.22 biểu diễn các tích lũy méo cường độ do XPM được tính toán cho hệ thống trong [8]. Hình 3.22 Hệ số mx tích luỹ sau các chặng Một cấu hình bơm – dò cũng được dùng để đặc trưng hóa méo do XPM, với kênh bơm điều chế cường độ, làm méo một kênh dò CW, khoảng cách kênh 0,4 nm. Các xung bơm có độ rộng 400 ps và thời gian lên – xuống 10-90% là 56 ps. Hệ số đặc trưng cho XPM vẫn là mx. Có thể thấy trong hình 3.22 rằng mx tích lũy theo thời gian trong mỗi chặng, do tán sắc của sợi quang SSMF biến đổi PM-IM. Bộ bù phía sau giảm do tán sắc âm đảo ngược biến đổi PM-IM. Tuy nhiên vẫn còn tồn tại điều chế cường độ dư. Giá trị mx đạt cực tiểu tại một số khoảng cách trước điểm cuối mỗi chặng và vì thế, lượng điều chế cường độ tại bộ thu có thể tối thiểu hóa nhờ bù thiếu tại chặng cuối cùng. Dùng mô phỏng trong [13] đã có được kết quả là bù thiếu giảm mx từ 0,41 xuống còn 0,16 sau 10 chặng. Hình 3.23 Hệ số mx tăng theo khoảng cách Thí nghiệm cũng được tiến hành với cấu hình bơm-dò dùng vòng quang khép kín tuần hoàn, công suất kênh 13 dBm và điều chế với cùng dạng xung . Hình 3.23 cho thấy mx tăng theo khoảng cách truyền dẫn trong trường hợp tán sắc dương hoặc âm có ps/nm tại bộ thu. Có thể thấy rằng tán sắc dương làm giảm mx một cách hiệu quả. Dạng sóng dò tương ứng cho trong hình 3.24 sau sáu chặng. Hình 3.24 Dạng sóng sau 6 chặng 3.3 Kết luận Chương 3 là phần nội dung chính của đề tài. Trong chương này đã giới thiệu nhiều nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm đã được tiến hành trên thế giới để trình bày về những ảnh hưởng của XPM đến chất lượng hệ thống WDM. Những hiệu ứng do XPM gây ra như méo dạng xung, biến đổi PM-IM, nhiễu, jitter định thời… đã hạn chế giới hạn truyền dẫn của hệ thống truyền dẫn WDM và làm giảm hệ số phẩm chất Q, gây méo tín hiệu. Sau khi tìm hiểu những ảnh hưởng của XPM đến chất lượng hệ thống WDM, chương 3 còn đưa ra một số biện pháp khắc phục những hạn chế trên bằng cách dùng bộ triệt XPM hoặc sử dụng các sơ đồ tán sắc thích hợp. Do XPM cũng phụ thuộc vào nhiều tham số như công suất quang tín hiệu, tán sắc trong sợi quang, tốc độ bit, khoảng cách kênh… nên chắc chắn vẫn còn nhiều biện pháp cải thiện chất lượng hệ thống đang được nghiên cứu và sẽ được áp dụng trong tương lai. Kết luận Các hệ thống truyền dẫn WDM đã và đang được phát triển rộng khắp, là giải pháp tối ưu cho các mạng truyền tải tốc độ cao và đa dạng về loại hình dịch vụ. Nghiên cứu tìm hiểu về những hạn chế của các hệ thống WDM là một vấn đề cần thiết đối với các nhà thiết kế mạng viễn thông nhằm tối ưu hoá chất lượng mạng truyền dẫn. Đồ án của em nghiên cứu về ảnh hưởng của XPM – là hiệu ứng có ảnh hưởng nghiêm trọng nhất đến chất lượng hệ thống truyền dẫn WDM. Chương 1 của đồ án đã giới thiệu cơ bản về hệ thống truyền dẫn WDM, về ưu điểm và các thành phần cũng như các tham số của một hệ thống. Đồng thời, trong chương 2 của đồ án trình bày về XPM và những hiện tượng do XPM gây ra đối với sóng quang lan truyền trong sợi. Từ những kiến thức cơ bản đó, cùng với việc tham khảo nhiều nghiên cứu trên thế giới qua các bài báo và Internet, chương 3 của đồ án đã trình bày về một số ảnh hưởng quan trọng của XPM đến chất lượng hệ thống truyền dẫn WDM và một số biện pháp khắc phục khả thi. Với thời gian nghiên cứu tìm hiểu còn hạn chế, có rất nhiều vấn đề liên quan mà em chưa đưa được vào đồ án. Trong thời gian sắp tới khi có nhiều thời gian em sẽ tiếp tục tìm hiểu sâu hơn về vấn đề này và tìm hiểu thêm những vấn đề thiết kế mạng viễn thông đặc biệt là mạng đường trục của Việt Nam. Một lần nữa em xin cảm ơn cô giáo hướng dẫn – Ths. Nguyễn Thị Thu Nga cùng các thầy cô trong bộ môn Thông Tin Quang, Khoa viễn thông I đã hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đồ án này. Tài liệu tham khảo AGRAWAL, G.P,”Nonlinear Fiber Optics”, second Edition, chapter 7, page 238-315, Academic Press, New York,1995. CISCO SYSTEM, “Introduction to DWDM Technology”, 06/2004. GIOVANNI BELLOTTI, SEBASTIEN BIGO, STEPHANE GAUCHARD, PIERRE-YVES CORTES, SIOHIE LA ROCHELLE, “10x10 Gb/s cross-phase modulation suppressor using WDM narrowband fiber Bragg gratings”, OFC post-deadline paper PD32, 2000. H.J.THIELE, R.I.KILLEY, P.BAYVEL, “Influence of fiber dispersion on XPM pulse distortion in WDM systems”, ECOC98, 09/1998, Madrid, Spain. H.J.THIELE, R.I.KILLEY, P.BAYVEL, “Transmission Limitations in Optical WDM Networks due to Cross-Phase Modulation”, Optical Networks Group, Dept. of Electronics and Electrical Engineering, Torrington Palace, University College London, UK. H.J.THIELE, R.I.KILLEY, P.BAYVEL, “Investigation of XPM Distortion in Transmission Installed Fiber”, IEEE Photonics Technology Letters, vol.12, No.6, 06/2000 RAGAVENDA ANANTHA PADMANABHAN, “Analytical Modeling to Evaluate the Effect of Cross-Phase Modulation on WDM Networks”, B.E (Electronics and Communication Engineering), 2004, Madras University, India. ROBERT KILLEY, HANS-JORRG THIELE, VITALY MIKHAILOV, POLINA BAYVEL, ”Optimization of the Dispersion Map of Compensated Standard-Fiber WDM Systems to Minimize Distortion due to Fiber Nonlinearity”, Optical Networks Group, Dept. of Electronics and Electrical Engineering, Torrington Palace, University College London, UK. RONGQIG HUI, KENNETH R. DEMAREST, CHRISTOPHER T. ALLEN, senior Members, IEEE, “XPM in Multispan WDM Optical Fiber Systems”, Journal of Lighwave Technology, Vol.17, No.6, 06/1999. RUBEN S. LUIS, ADOLFO V.T. CARTAXO, “Influence of Dispersion Slope on XPM-induce Degradation in Dispersion Compensated WDM Systems”, 8/7/2004, Banff, Canada STEPHAN PACHNICKE and EDGAR VOGES, “Analytical assessment of the Q-factor due to Cross Phase Modulation(XPM)”, University of Dortmund, 44227 Dortmund, Germany V. MIKHAILOV, R.I.KILLEY, J.PRAT, P.BAYVEL, “Limitation to WDM Transmission Distance due to XPM Induced Spectral Broadening in Dispersion Compensated Standard Fiber System”, IEEE photonics technology letters, vol.11, no.8, 8/1999 Z.LI and K.QIU, “Intensity Filter Caused by Cross Phase Modulation in Dispersion-Managed WDM System”, Proceedings Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter, 2003, Enschede TS. VŨ VĂN SAN, TS. HOÀNG VĂN VÕ, “Kỹ thuật thông tin quang”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1997.