Nhìn chung, khi thực hiện thiết kế hệ thống thông tin quang cần phải bao quát vμ nắm bắt được khá tường tận các yếu tố chính có ảnh hưởng tới đặc tính hệ thống. Các tham số chủ yếu lμm hạn chế năng lực truyền dẫn cần phải kể đến đầu tiên lμ suy hao, tán sắc, vμ tính phi tuyến của sợi quang. Vì các đặc tính của sợi quang lại phụ thuộc vμo bước sóng, cho nên việc lựa chọn bước sóng hoạt động của hệ thống cũng rất quan trọng khi thiết kế hệ thống. Tất cả các tham số nếu đ−ợc xác định rõ rμng vμ đầy đủ trong việc thiết kế tuyến sẽ tạo điều kiện cho việc xây dựng hệ thống thông tin quang có hiệu quả thiết thực hơn.
5.1.1 Hệ thống thông tin quang phụ thuộc suy hao truyền dẫn
Trong thiết kế hệ thống thông tin quang, suy hao sợi đóng một vai trò hết sức quan trọng, đặc biệt lμ khi thiết kế cho các tuyến điểm - điểm. Loại trừ các tuyến có cự ly truyền dẫn quá ngắn chẳng hạn nh− các tuyến lắp đặt trong nhμ trạm hay khi sử dụng sợi quang để đấu nối giữa các thiết bị, thì cần phải tính toán suy hao hay lμ quỹ công suất quang của tuyến một cách đầy đủ thông qua các tham số của các thμnh phần hệ thống.
Trong các tham số dùng để thiết kế, có một số tham số quan trọng nhất cần đề cập trước tiên lμ công suất quang trung bình <Pt> phát vμo sợi quang vμ công suất tín hiệu quang trung bình nhỏ nhất <Prec> tại đầu vμo bộ thu quang với tốc độ bit truyền dẫn B. Khi đó, cự ly truyền dẫn lớn nhất có thể đ−ợc viết nh− sau:
f rec
t
P L P
α log 1
10 10 ⎟⎟
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛
〉
〈
〉
= 〈 (5-1)
ở đây αf lμ hệ số suy hao thực của sợi quang tính cả suy hao mối hμn nối vμ bộ nối quang (optical connector), vμ có đơn vị tính lμ dB/km. Cự ly truyền dẫn L phụ thuộc vμo tốc độ bit lμ do công suất thu đ−ợc <Prec> phụ thuộc tuyến tính với tốc độ bit B, vì rằng <Prec> =
<Np>hνB trong đó hν lμ năng l−ợng photon vμ <Np> lμ số photon trung bình trên bit đ−ợc yêu cầu tại bộ thu quang nh− đã xem xét trong biểu thức (4-76). Nh− vậy, cự ly L giảm theo hμm logarit với sự tăng của tốc độ bit B tại bước sóng hoạt động của hệ thống thông tin quang. Hình 5.1 lμ kết quả mô phỏng mô tả sự phụ thuộc của L vμo B cho ba vùng bước sóng hoạt động tiêu biểu lμ 0,85 μm, 1,3 μm, vμ 1,55 μm khi sử dụng sợi quang có hệ số suy hao t−ơng ứng αf = 2,5 dB/km; 0,45 dB/km; 0,36 dB/km vμ 0,23 dB/km. Công suất phát có giá trị lμ <Pt> = 0 dBm tại cả ba vùng bước sóng. Trong khi đó <Np> = 300 tại b−ớc sóng 0,85 μm vμ <Np> = 500 tại b−ớc sóng 1,3 vμ 1,55 μm. Ta thấy cự ly ngắn nhất khi hệ thống hoạt động ở vùng bước sóng 0,85 μm bởi vì tại bước sóng nμy có suy hao sợi tương đối lớn. Khoảng lặp của các tuyến sử dụng các hệ thống nμy khoảng từ 10 km đến 30 km tuỳ thuộc vμo tốc độ bit. Ng−ợc lại, cự ly lớn hơn 100 km hoμn toμn có thể thực hiện được với hệ thống hoạt động tại vùng bước sóng 1,55 μm.
Hình 5.1. Cự ly truyền dẫn phụ thuộc vμo tốc độ bit.
Rõ rμng rằng cự ly truyền dẫn của các tuyến thông tin cáp quang lμ rất dμi. Từ −u điểm nh− vậy mμ số các trạm lặp đ−ợc lắp đặt trên tuyến cũng đ−ợc giảm đáng kể, vμ điều nμy rất có lợi cho các tuyến thông tin điểm - điểm với cự ly xa vμ tốc độ cao. Nhìn chung, các hệ thống thông tin sợi quang bắt đầu có hiệu quả về kinh tế khi tốc độ bit của chúng từ 10 Mbit/s trở lên.
5.1.2 Hệ thống thông tin quang phụ thuộc vμo tán sắc
Trong phần 2.4 của chương-2, chúng ta đã khảo sát việc phân tích về ảnh hưởng của tán sắc sợi tới hệ thống thông tin quang, mμ điển hình lμ việc tán sắc sợi quang đã lμm giới
Cù ly truyÒn dÉn (km)
Tốc độ bit (Gbit/s)
1 10 100 1000
0,01 0,1 1 10 100
1,3 &1,55μm 0,23 dB/km
0,36 dB/km
0,45 dB/km 0,85μm
hạn tích tốc độ bit-cự ly BL do hiện t−ợng dãn xung gây nên. Khi cự ly truyền dẫn bị giới hạn bởi tán sắc mμ lại ngắn hơn cự ly đ−ợc xác định bằng suy hao tính toán theo biểu thức (5-1) thì buộc ta phải tuân thủ theo cự ly đ−ợc tính theo tán sắc, tức lμ ta chỉ có đ−ợc tuyến có cự ly ngắn hơn do tán sắc gây ra, vμ khi đó hệ thống đ−ợc gọi lμ bị giới hạn tán sắc.
Các hệ thống thông tin quang vμo thời điểm đầu tiên thường hoạt động tại vùng bước sóng 0,85 μm. Sợi quang dùng cho các hệ thống nμy lμ sợi đa mode, cho nên yếu tố giới hạn chủ yếu lμ tán sắc mode. Đối với sợi đa mode chiết suất phân bậc, yếu tố hạn chế chủ yếu lμ BL = c/(2n1Δ) như đã khảo sát trong chương-2, trong đó c lμ vận tốc ánh sáng, n1 lμ chỉ số chiết suất lõi sợi vμ Δ lμ sự lệch nhau về chỉ số chiết suất lõi vμ vỏ. Do giới hạn nμy mμ ngay cả đối với tốc độ bit thấp nh− hệ thống 2 Mbit/s thì cự ly truyền dẫn với sợi đa mode cũng chỉ trong vòng 15 km. Vì thế mμ các sợi đa mode chiết suất phân bậc rất ít
đ−ợc sử dụng trong thiết kế tuyến thực tế. Sợi đa mode chỉ số chiết suất Gradien cho phép cải thiện đáng kể đặc tính hệ thống do tích tốc độ bit-cự ly đ−ợc xác định lμ BL = 2c/(n1Δ2), vμ cho phép có thể thiết kế đ−ợc các tuyến thông tin quang có tốc độ tới 100 Mbit/s víi cù ly gÇn 10 km.
Thế hệ thứ hai của thông tin quang lμ các hệ thống sử dụng sợi quang đơn mode thông dụng tại vùng b−ớc sóng 1310 nm. Trong vùng b−ớc sóng nμy, sợi có tán sắc lμ nhỏ nhất vμ đây cũng lμ lý do vì sao loại sợi đơn mode tiêu chuẩn G. 652 vẫn rất hấp dẫn đối với các nhμ thiết kế tuyến. Trong tr−ờng hợp nμy, yếu tố giới hạn chủ yếu nhất lμ sự dãn xung do tán sắc mμ nguyên nhân chính gây nên lμ do khi độ rộng phổ nguồn phát lớn. Vấn đề nμy đã đ−ợc phân tích trong phần 2.4.3. Tích BL đ−ợc đặt trong giới hạn nh− sau:
σλ
BL D 4
≤ 1 (5-2)
ở đây σλ lμ độ rộng RMS của phổ nguồn phát. Giá trị thực của ⏐D⏐ sẽ tuỳ thuộc vμo bước sóng hoạt động gần với bước sóng có tán sắc bằng không của sợi như thế nμo, vμ giá trị tiêu biểu lμ ∼1 ps/nm.km. Hình 5.1 đã chỉ ra giới hạn do tán sắc đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng 1310 nm bằng cách chọn ⏐D⏐σλ = 2 ps/km
để sao cho BL ≤ 125(Gbit/s).km. Các hệ thống nμy thường chỉ đáp ứng có hiệu quả trong phạm vi 2,5 Gbit/s.
Thế hệ thứ ba của thông tin quang lμ các hệ thống sử dụng sợi đơn mode hoạt động ở vùng b−ớc sóng 1550 nm, nơi mμ suy hao sợi có giá trị nhỏ nhất hiện nay. Tuy nhiên, tán sắc sợi tại vùng b−ớc sóng nμy lại lớn vμ trở thμnh yếu tố chính giới hạn cự ly truyền dẫn.
Hệ số tán sắc tiêu biểu của sợi silica đơn mode tiêu chuẩn G.652 vμo khoảng ∼17 ps/nm.km tại bước sóng gần 1550 nm. Các laser bán dẫn đơn mode dọc có thể đáp ứng cho các hệ thống nμy. Giới hạn cự ly truyền dẫn trong tr−ờng hợp nμy đ−ợc cho nh− sau:
2 2
16 1
< β L
B (5-3)
Nh− đã thể hiện trong hình 5.1, các hệ thống nμy có thể có tốc độ bít cao hơn 10 Gbit/s.
Trong thực tế, hệ thống thông tin quang tại các tốc độ bit cao như vậy còn chịu ảnh hưởng từ chirp tần số khi điều chế trực tiếp nguồn phát, như đã phân tích trong chương-2, cho nên cự ly truyền dẫn của hệ thống còn bị hạn chế đi rất nhiều. Chirp tần số biểu hiện thông qua việc lμm dãn phổ tín hiệu xung. Nếu dựa vμo biểu thức (5-2) với D = 16 ps/km.nm vμ σλ = 0,1 nm thì tích BL đ−ợc giới hạn trong khoảng 150 (Gbit/s).km. Nh−
vậy chirp tần số đã giới hạn cự ly truyền dẫn chỉ đạt 75 km tại tốc độ bit B = 2 Gbit/s trong khi cự ly bị giới hạn do suy hao có thể cho phép lớn hơn 150 km.
Khi sử dụng sợi tán sắc dịch chuyển sẽ cho phép cải thiện đ−ợc cự ly truyền dẫn rất nhiều vì cả suy hao vμ tán sắc sợi đều có giá trị nhỏ nhất tại vùng bước sóng 1550 nm. Sử dụng biểu thức (5-3) với ⏐β2⏐= 2 ps2/km thì có thể thiết kế đ−ợc hệ thống có cự ly khoảng lặp 80 km tại tốc độ bit cao tới 20 Gbit/s. Về nguyên tắc thì có thể cải thiện hơn nữa cự ly truyền dẫn khi cho hệ thống lμm việc tại b−ớc sóng rất gần với b−ớc sóng có tán sắc bằng không, song điều nμy đòi hỏi yêu cầu chúng ta phải tạo ra được bước sóng của nguồn phát diode laser đạt được bước sóng có tán sắc bằng không, mμ đây lμ vấn đề không phải lúc nμo cũng thực hiện đ−ợc vì khi đó sẽ lμm thay đổi các đặc tính tán xạ của sợi dọc theo tuyến truyền dẫn.
5.1.3 Hệ thống thông tin quang cự ly xa sử dụng khuếch đại quang
Với các tuyến thông tin quang cự ly xa thì thường đòi hỏi một quỹ công suất quang lớn.
Sự ra đời của các bộ khuếch đại quang đã đáp ứng kịp thời cho các hệ thống thông tin quang cự ly xa vì suy hao sợi của tuyến đã đ−ợc bù bằng cách đặt các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn. Trong tr−ờng hợp nμy, các ảnh h−ởng của tán sắc vận tốc nhóm có thể
được giảm đi bằng cách cho hệ thống hoạt động ở bước sóng gần với bước sóng có tán sắc bằng không của sợi hoặc sử dụng các kỹ thuật bù tán sắc. Vì sự suy hao vμ tán sắc sợi đều lμm hạn chế năng lực hệ thống, cho nên một câu hỏi đặt ra lμ sẽ có bao nhiêu bộ khuếch
đại quang đ−ợc đặt nối tiếp mắc chuỗi trên tuyến, vμ điều nμy cũng có nghĩa lμ độ dμi tổng cộng của tuyến sẽ lμ bao nhiêu. Ta sẽ xem xét vấn đề nμy trong chương-8 về khuếch
đại quang sợi pha tạp Erbium. ở đây ta chỉ tập trung vμo việc giới thiệu các yếu tố có tác
động tới đặc tính của hệ thống có khuếch đại quang vμ một vμi lưu ý trong việc thiết kế tuyÕn.
Vấn đề quan trọng nhất trong việc thiết kế tuyến có sử dụng bộ khuếch đại quang
đ−ờng truyền lμ những ảnh h−ởng của hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang. Đối với các hệ thống thông tin đơn kênh quang, hiệu ứng phi tuyến nổi trội nhất vμ lμm hạn chế đặc tính hệ thống lμ hiệu ứng tự điều chế pha SPM (Self- Phase Modulation). Khi mμ hệ thống sử dụng các trạm lặp quang điện, các ảnh h−ởng của SPM chỉ tích luỹ trên một khoảng lặp không quá dμi (tiêu biểu chỉ trong khoảng 100 km) vμ chỉ có liên quan chút ít tới công suất phát vμo sợi. Ng−ợc lại khi các bộ khuếch đại quang đ−ợc mắc chuỗi đều đặn theo chu kỳ trên tuyến truyền dẫn để bù vμo suy hao sợi, ta có thể có đ−ợc cự ly tuyến rất dμi vμ lúc nμy các ảnh h−ởng SPM sẽ tích luỹ dọc theo tuyến dμi thậm trí tới ∼1000 km.
Việc xác định giới hạn của hệ thống chỉ do SPM gây ra lμ quá đơn điệu không thể chính xác đ−ợc vì nh− vậy vô tình đã lờ đi vai trò của tán sắc sợi. Trong thực tế, các ảnh hưởng của tán sắc vμ phi tuyến thường tác động đồng thời vμo tín hiệu quang; tác động t−ơng hỗ nμy có một ý nghĩa rất quan trọng. ảnh h−ởng của SPM lên các xung lan truyền bên trong sợi quang có thể cộng thêm số hạng phi tuyến vμo phía vế phải của biểu thức (2-126) trong ch−ơng-2, vμ nó đ−ợc viết nh− sau:
i A A A
t A t
A i
z A
2 6
1 2
2 3
3 2 3
2 2
γ α β
β = −
∂
− ∂
∂ + ∂
∂
∂ (5-4)
ở đây suy hao sợi lμ α nằm trong số hạng sau cùng. Biểu thức nμy cũng thể hiện dạng cơ
bản của các Soliton quang mμ ta sẽ xét cụ thể trong ch−ơng-11 của tμi liệu nμy. Do bản chất phi tuyến của biểu thức (5-4), nó th−ờng đ−ợc giải bằng ph−ơng pháp số. Ph−ơng pháp tiếp cận số thực sự đã đ−ợc chấp nhận trong những năm 1990 để định l−ợng sự tác
động của SPM vμo đặc tính của các hệ thống thông tin quang cự ly xa có sử dụng các bộ khuếch đại quang đường truyền. Người ta đã đi đến kết luận rằng công suất phát quang phải đ−ợc tối −u tới một giá trị phụ thuộc vμo các tham số thiết kế, chẳng hạn nh− lμ tốc
độ bít, tổng độ dμi tuyến, vμ khoảng khuếch đại. Ví dụ nh− giá trị 1 mW lμ công suất quang tối −u cho việc truyền tín hiệu 5 Gbit/s trên cự ly 9000 km với khoảng khuếch đại lμ 40 km.
Các ảnh h−ởng kết hợp của tán sắc vận tốc nhóm GVD vμ SPM cũng phụ thuộc vμo dấu của tham số tán sắc β2. Trong tr−ờng hợp tán sắc dị th−ờng (β2 < 0), hiện t−ợng phi tuyến của đặc tính không ổn định điều chế có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đối với đặc tính hệ thống. Vấn đề nμy có thể đ−ợc khắc phục bằng cách sử dụng kết hợp các sợi có GVD bình thường vμ dị thường để sao cho tán sắc trung bình trên toμn bộ tuyến lμ bình thường.
Tuy nhiên, một dạng mới của tính không ổn định điều chế, đ−ợc gọi lμ tính không ổn định băng bên, có thể xảy ra đối với cả GVD bình thường vμ dị thường. Nguồn gốc của nó lμ do sự thay đổi theo chu kỳ của công suất tín hiệu dọc theo tuyến khi các bộ khuếch đại quang đ−ợc đặt cách đều nhau đ−ợc dùng để bù vμo suy hao sợi.
Một yếu tố khác rất quan trọng lμ việc thêm nhiễu vμo hệ thống do sự có mặt của các bộ khuếch đại quang. Tương tự như trường hợp các bộ khuếch đại điện, nhiễu của các bộ khuếch đại quang đ−ợc xác định thông qua hình ảnh nhiễu NF (hay còn gọi lμ hệ số nhiễu) của bộ khuếch đại. Tác động tương tác phi tuyến giữa bức xạ tự phát được khuếch
đại vμ tín hiệu có thể lμm cho phổ bị dãn rộng ra thông qua các hiệu ứng phi tuyến, chẳng hạn nh− điều chế pha chéo XPM vμ trộn bốn sóng FWM. Vì nhiễu có độ rộng băng lớn hơn tín hiệu cho nên có thể sử dụng các bộ lọc quang để lμm giảm nó.
Cuối cùng phải kể đến ảnh hưởng của sự phân cực. Trong các hệ thống thông tin quang không có khuếch đại quang, ảnh hưởng của phân cực lμ không đáng kể. Tuy nhiên ảnh hưởng nμy lại trở lên đáng kể trong các hệ thống thông tin quang cự ly xa có sử dụng các bộ khuếch đại quang. Tán sắc phân cực mode PMD đã được xem xét trong chương-2.
Nh−ng khi mμ tuyến dμi có sử dụng khuếch đại quang, các bộ khuếch đại cũng sinh ra độ
khuếch đại vμ suy hao phụ thuộc vμo phân cực. Mặc dù các ảnh hưởng phân cực cần phải
đ−ợc cân nhắc, nh−ng có thể lμm giảm ảnh h−ởng của chúng tới mức chấp nhận đ−ợc bằng cách đ−a ra đ−ợc thiết kế hợp lý cho hệ thống.