Chương 2. Hệ thống chuyển mạch chùm quang
2.1.3. Một số hiệu ứng tương tác lớp vật lý
Khi thiết kế một mạng quang nói chung, mạng chuyển mạch chùm quang nói riêng rất nhiều vấn đề thực thi về mặt vật lý cần được quan tâm tính toán.
Dưới đây ta sẽ xét một số vấn đề tiêu biểu như suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến.
Khi ánh sáng truyền trong sợi, công suất của tín hiệu sẽ giảm do có suy hao khi lan truyền. Suy hao là một hàm của bước sóng tín hiệu và nguyên nhân của nó là do hiện tượng hấp thụ của sợi và do tán xạ Rayleigh. Hấp thụ là do sự va chạm giữa ánh sáng và các hạt silicat hoặc do tạp chất trong sợi hấp thụ. Hầu hết các loại sợi có hấp thụ tổng trong dải bước sóng thông dụng (0.8 μm đến 1.6 μm) là không đáng kể. Tán xạ Rayleigh xảy ra khi có sự thay đổi nhỏ về chiết suất trong sợi.
Trong mạng chuyển mạch chùm quang, suy hao sẽ giới hạn khoảng cách truyền các chùm dữ liệu. Trong phần lớn các trường hợp, các bộ khuếch đại quang sẽ được sử dụng để khắc phục vấn đề suy hao. Song các bộ khuếch đại quang sẽ làm tăng thêm nhiễu tín hiệu.
Nếu tín hiệu quang bao gồm nhiều thành phần bước sóng thì các thành phần bước sóng khác nhau này sẽ được truyền với tốc độ khác nhau, dẫn tới sự trải dài các xung tín hiệu trong miền thời gian. Hiện tượng này gọi là hiện tượng tán sắc. Các loại tán sắc bao gồm tán sắc mode và tán sắc màu.
Tán sắc mode xảy ra khi có nhiều mode của cùng một tín hiệu lan truyền với vận tốc khác nhau trong sợi. Tán sắc mode có thể được loại trừ bằng cách sử dụng sợi đơn mode. Sợi đơn mode có đường kính lõi rất nhỏ và chỉ cho phép truyền duy nhất mode cơ bản [9].
Tán sắc màu có nguyên nhân do tốc độ truyền khác nhau của các thành phần bước sóng khác nhau. Do đó, nếu tín hiệu truyền có nhiều hơn một thành phần bước sóng thì sẽ có thành phần lan truyền với tốc độ nhanh hơn các thành phần khác, kết quả là sẽ trải rộng xung tín hiệu trong miền thời gian. Các loại tán sắc màu gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng.
Tán sắc vật liệu do hệ số chiết suất là hàm của bước sóng. Tán sắc ống dẫn sóng xảy ra do chiết suất đối với một bước sóng phụ thuộc vào hệ số công suất truyền trong lõi và hệ số công suất truyền ở lớp vỏ sợi. Khi tín hiệu bao gồm các xung biểu diễn cho các bit, tán sắc gây ra trải dài xung khi nó truyền qua sợi. Độ kéo dài này có thể đủ rộng để ảnh hưởng tới xung bên cạnh nó và dẫn tới nhiễu xuyên ký tự (ISI). Như vậy tán sắc sẽ rút ngắn khoảng trống giữa các bít và giới hạn tốc độ truyền dẫn tối đa trên kênh
quang. Ở bước sóng 1300 nm, tán sắc vật liệu đối với sợi quang đơn mode là gần như bằng không. Và đây cũng là một cửa sổ suy hao thấp. Ngoài ra còn có một kỹ thuật có thể dịch tán sắc, tạo ra các sợi có độ tán sắc bằng không tại một bước sóng nào đó trong khoảng 1300 nm và 1700 nm. Trong sợi dịch tán sắc, lõi và vỏ sợi được thiết kế sao cho tán sắc ống dẫn và tán sắc vật liệu triệt tiêu lẫn nhau nên tán sắc tổng sẽ bằng không. Song giá trị này chỉ có tác dụng đối với một bước sóng nhất định. Ngoài vấn đề nhiễu xuyên ký tự, tán sắc còn có thể gây ra các vấn đề đồng bộ trong các mạng OBS. Trong các mạng OBS, gói tin tiêu đề và chùm dữ liệu được truyền trên các bước sóng khác nhau. Mỗi bước sóng có một mức tán sắc khác nhau, dẫn tới gói tiêu đề và chùm dữ liệu có thể có độ dịch lại gần hoặc xa hơn trong miền thời gian. Nếu biết trước khoảng cách vật lý và hệ số tán sắc của sợi ta có thể bù lại tán sắc bằng việc điều chỉnh phù hợp độ lệch tại trạm nguồn [6].
Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi gây ảnh hưởng tới một số tham số hoạt động như tốc độ truyền dẫn, số kênh truyền, khoảng cách giữa các kênh và mức công suất tín hiệu. Một số hiệu ứng phi tuyến bao gồm hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM), tự điều chế pha, điều chế chéo pha, tán xạ kích thích Raman (SRS) và tán xạ kích thích Brillouin (SBS).
- Hiệu ứng trộn bốn bước sóng xuất hiện khi truyền đồng thời hai bước sóng hoạt động tại hai tần số f1 và f2 tạo ra các tín hiệu tại tần số 2f1 – f2 và 2f2 – f1. Các tín hiệu này sẽ gây nhiễu đối với các tín hiệu khác trong cùng dải. Hiệu ứng xảy ra tương tự đối với trường hợp ba hoặc nhiều hơn ba bước sóng. Hiệu ứng FWM trong hệ thống WDM có thể hạn chế bằng cách sử dụng các kênh với các khoảng trống giữa các kênh không bằng nhau.
- Hiện tượng tự điều chế pha xảy ra khi có sự thay đổi cường độ tín hiệu kết quả làm biến đổi pha tín hiệu. Sự biến đổi tức thời về pha có thể sẽ sinh ra các thành phần tần số khác nhau trong tín hiệu. Các thành phần tần số mới này cùng với hiệu ứng tán sắc sẽ dẫn tới làm trải rộng hoặc nén các xung quang trên miền thời gian.
- Hiệu ứng điều chế chéo pha là hiện tượng pha tín hiệu bị dịch do có sự thay đổi cường độ tín hiệu ở một bước sóng khác. Tương tự như tự điều chế pha, hiệu ứng điều chế chéo pha cũng tạo ra các thành phần tần số khác làm
tăng tán sắc. Tuy nhiên hiệu ứng này có thể có các ứng dụng hữu ích. Sử dụng hiệu ứng điều chế pha, một tín hiệu tại một bước sóng cho trước có thể được sử dụng để điều chế một tín hiệu bơm ở một bước sóng khác. Kỹ thuật này có thể được sử dụng trong các thiết bị chuyển đổi bước sóng.
- Tán xạ kích thích Raman xuất hiện do sự tương tác giữa ánh sáng với các phần tử vật chất. Ánh sáng sinh ra do tán xạ sẽ có bước sóng dài hơn so với ánh sáng lối vào. Ánh sáng được tạo ra ở miền tần số thấp hơn được gọi là sóng Stokes. Dải các sóng Stokes được xác định bởi phổ khuếch đại Raman thường trên một khoảng 40 THz dưới tần số ánh sáng lối vào. Tỉ số công suất truyền cho sóng Stokes tăng nhanh khi công suất tín hiệu lối vào tăng. Khi công suất lối vào là rất lớn, tán xạ kích thích Raman sẽ truyền hầu hết công suất tín hiệu lối vào cho sóng Stokes. Trong các hệ thống sử dụng nhiều bước sóng, các kênh có bước sóng ngắn hơn sẽ mất một phần năng lượng cho các kênh có bước sóng dài hơn nằm trong phổ khuếch đại Raman. Để giảm mất mát này công suất trên các kênh cần phải được giới hạn ở một mức nhất định nào đó.
- Tán xạ kích thích Brillouin cũng giống như tán xạ SRS, sự khác nhau giữa chúng là trong hiệu ứng SBS, nguyên nhân của dịch tần là do các tương tác âm. Trong SBS, ánh sáng bị dịch tần truyền trong sợi theo chiều ngược lại so với tín hiệu lối vào. Cường độ ánh sáng tán xạ lớn hơn nhiều so với SRS, nhưng dải tần tán xạ lại nhỏ hơn nhiều cỡ 10 GHz, băng khuếch đại của SBS chỉ khoảng 100 MHz. Để hạn chế hiệu quả hiệu ứng SBS, người ta phải hạn chế công suất lối vào của tín hiệu, công suất lối vào này phải thấp hơn một ngưỡng nhất định. Trong các hệ thống nhiều bước sóng, SBS gây ra xuyên âm giữa các kênh bước sóng với nhau. Xuyên âm xuất hiện khi hai kênh ở hai tần số khác nhau một khoảng bằng độ dịch Brillouin, quanh khoảng 11 GHz đối với bước sóng 1550 nm. Tuy nhiên, dải ảnh hưởng của SBS là nhỏ nên hiện tượng xuyên âm có thể dễ dàng loại bỏ [10].