1.3 Ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang
1.3.2 Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM
Như các phần trên ta thấy, hiệu ứng tán xạ Raman là một hiệu ứng dãn băng. Sự thay đổi tần số quang tương ứng với tần số dao động của nguyên tử. Tán xạ Raman nói chung và tán xạ Raman kích thích SRS nói riêng ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống thông tin quang đặc biệt là hệ thống WDM.
Trong hệ thống đơn kênh, ánh sáng truyền trong sợi quang chỉ có một bước sóng.
Tán xạ Raman làm phát sinh ánh sáng tán xạ có tần số nhỏ hơn. Công suất ngưỡng Pth được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của tán xạ Raman. Với hệ thống đơn kênh Pth được xác định theo công thức:
Pth(SRS)=
eff R
eff
L g
16 A (1.0)
Ánh sáng tán xạ Raman trong các hệ thống đơn kênh cũng dễ dàng loại bỏ bởi các bộ lọc quang do chúng có khoảng dịch tần khá lớn.
Ảnh hưởng của tán xạ Raman sẽ tăng khi có hai hay nhiều hơn tín hiệu quang truyền trong một sợi quang. Nếu như hai kênh có khoảng cách tần số bằng đúng độ dịch tần của ánh sáng tán xạ, tín hiệu tại tần số cao sẽ bị suy hao và tín hiệu tại tần số thấp sẽ được khuếch đại. Tín hiệu tại tần số cao sẽ đóng vai trò là tín hiệu bơm. Tỉ lệ chuyển đổi công suất quang giữa hai kênh phụ thuộc vào tần số Stoke. Vì độ rộng băng tán xạ Raman rất rộng nên hiệu ứng tán xạ Raman vẫn xảy ra khi hai kênh cách nhau tới 13THz.
Hình 1.11 Mẫu xung NRZ trong hệ thống WDM hai kênh.
a)Tín hiệu vào sợi quang b)Tín hiệu ra do ảnh hưởng của SRS.
Như vậy trong hệ thống WDM các kênh tại bước sóng ngắn đóng vai trò ánh sáng bơm và sẽ bị suy hao mất một phần công suất do hiệu ứng tán xạ Raman kích thích.
Giữa các kênh sẽ có xuyên âm và SRS của các kênh sẽ bị giảm. Trên hình 1.11 là mẫu xung NRZ của một hệ thống WDM hai kênh đơn giản (bỏ qua tán sắc). Kênh thứ nhất có tần số lớn hơn bị mất một phần công suất cho kênh thứ hai đặc biệt khi truyền bit “1”
tại cùng một thời điểm. Hiệu ứng SRS sẽ không xuất hiện tại thời điểm của các bit “0”.
Trong các hệ thống sử dụng khuyếch đại, ảnh hưởng của SRS lớn hơn. Trên toàn bộ đường truyền cả tín hiệu và nhiễu đều bị suy giảm. Tuy nhiên mức suy giảm của nhiễu chỉ bằng một nửa mức suy giảm của tín hiệu. Giới hạn của tổng số kênh của hệ thống WDM theo chiều dài tuyến truyền dẫn được miêu tả trên Hình 1.12, trong đó hệ thống WDM sử dụng các bộ khuyếch đại lý tưởng có hệ số tạp âm NF là 3dB, hệ số suy hao trên hệ thống 0.2 dB/km, tốc độ mỗi kênh là 2.5 Gb/s, khoảng cách giữa các kênh là 0.5nm, băng tần quang máy thu là 10GHz, tỉ số SNR trung bình là 9 (BER=10−14) tương ứng cho khoảng cách giữa các bộ lặp lần lượt là 25, 50, 100 và 150 km.
10 50 100 500 1000
100 200 500 1000 2000 5000
100 1000 5000
10000 Số lượng
kênh
Dung lượng(Gb/s)
Chiều dài (km)
LA=25 km 50 km 100 km 150 km
Hình 1.12 Sự phụ thuộc số kênh tối đa theo chiều dài tuyến truyền dẫn
Trong hệ thống WDM với rất nhiều kênh, xác suất tất cả các kênh đều truyền bit “1”
đồng thời rất thấp. Tỉ lệ công suất bị mất của các kênh bước sóng ngắn biến đổi phụ thuộc vào các bit được truyền trên tất cảc các kênh khác. Với hệ thống có nhiều hơn 10 kênh và sử dụng sợi tán sắc không, công suất suy giảm trung bình chỉ phụ thuộc vào
công suất trung bình của mỗi kênh quang. Công suất suy giảm trung bình của kênh có bước sóng ngắn nhất:
N K N
4 ) 1 (
0
= −
η (1.0) Với phương sai:
2 2
0 24
) 1 2 )(
1
(N N K
N − −
σ = (1.0) Trong đó N là số kênh và K là công suất suy giảm của kênh do các kênh lân cận:
eff e R
A L fg K P 13
10 3×
= ∆ (1.0)
P là công suất đỉnh của mỗi kênh và ∆f là khoảng cách giữa các kênh (Hz).
Nếu hệ thống có tổng công suất và băng tần không đổi, ảnh hưởng của SRS có thể được xác định trước. Phần công suất tín hiệu bị suy giảm có thể được bù chính xác bằng cách sử dụng một bộ lọc sau các bộ khuyếch đại đường dây, các bộ lọc này có hệ số suy hao ngược với hệ số suy giảm công suất tín hiệu do SRS theo bước sóng. Hệ thống này cũng khá đơn giản không cần thêm thiết bị quang nào khác nếu nó sử dụng EDFA làm bằng phẳng tăng ích quang.
Tham số độ nghiêng Raman
Hiện tượng xuyên âm do tán xạ Raman không chỉ làm giảm SNR của các kênh mà còn dẫn đến một “độ nghiêng Raman” trong phân bố công suất đầu ra của các kênh trong hệ thống WDM. Hiện tượng này được thể hiện trên Hình 1.13 với hệ thống WDM gồm 6 kênh truyền trên sợi quang đơn mode tiêu chuẩn [3].
Khoảng cách [km]
Hình 1.13 Công suất đầu ra chuẩn hoá của các kênh trong hệ thống WDM gồm 6 kênh với các thông số D=16.7ps/(nm.km), L=10km, công suất đầu vào mỗi kênh
Pt = 48 mW, khoảng cách giữa các kênh ∆λ =8nm.[3]
Đối với một hệ thống WDM gồm có N kênh ta có thể định nghĩa một tham số gọi là
“Độ nghiêng Raman” [3] được tính theo công thức:
=
1
10 10
)
( P
Log P dB
tilt N (1.0) Trong trường hợp công suất đầu vào của N kênh là như nhau và khoảng cách giữa các kênh không đổi thì tham số “độ nghiêng Raman” có thể tính theo công thức (1.64) [4] .
eff eff
A fL g N dB N
tilt 2
) 1 343 (
. 4 )
( − ′∆
= (1.0) Với N là tổng số kênh, g′ là độ dốc của phổ khuyếch đại Raman, ∆f là khoảng cách giữa các kênh,Aeff và Leff lần lượt là diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng của sợi quang.
Vì hiện tượng “Nghiêng Raman” gây ra do hiệu ứng tán xạ Raman làm giảm hiệu năng của hệ thống, nếu khắc phục được ảnh hưởng này ta có thể tăng băng tần tổng, tăng công suất của mỗi kênh và tăng khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại. Một phương pháp để khắc phục hiện tượng “nghiêng Raman” là sử dụng hai nguồn bơm thuận với
bước sóng được lựa chọn thích hợp [3]. Khi đó nguồn bơm bước sóng ngắn hơn sẽ khuyếch đại những kênh có bước sóng ngắn trong khi nguồn bơm thứ hai sẽ chuyển công suất cho những kênh bước sóng trung bình. Kết quả là các kênh có bước sóng cao hơn sẽ có độ dịch tần so với sóng bơm vượt ra ngoài phổ khuyếch đại Raman. Do đó các kênh này sẽ được khuyếch đại bởi chính những kênh có bước sóng thấp hơn thông qua hiện tượng SRS dẫn đến độ chênh lệch công suất đầu ra của các kênh sẽ giảm như chỉ ra trên Hình 1.14.
Khoảng cách [km]
0 1.0
0.9
0.8
2 4 6 8 10
Hình 1.14- Công suất đầu ra chuẩn hoá của hệ thống WDM trên khi sử dụng hai nguồn bơm với λP1 =1422nm,λP2 =1448nm,PP1 =28.8mW,PP2 =24mW.