jitter trong hệ thống truyền dẫn soliton

Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ truyền thông quang đã có những bước tiến vững chắc, được minh họa bởi nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ. Các nhà nghiên cứu thiết kế hệ thống quang và mạng nhận thấy bản thân chúng là nhu cầu trường tồn để làm tăng thêm dung lượng và truyền thông đường dài. Tất nhiên có một sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa hệ thống tuyến tính và phi tuyến. Lớp các hệ thống truyền dẫn tuyến tính NRZ- IM/DD kết hợp với công nghệ WDM bao trùm trên một diện rộng các ứng dụng, bao gồm các khoảng cách truyền dẫn lên đến 10000km, và các tốc độ lên đến 100Gb/s. Những hệ thống này hiện tại hoạt động phổ biến, nhưng nói chung bị hạn chế đến tốc độ 2,5-5 Gb/s mỗi kênh trong các truyền dẫn đường dài. Một số lượng lớn các sóng mang quang sau đó có thể được yêu cầu để tạo ra tốc độ 100Gb/s. Mặt khác các hệ thống phi tuyến RZ, tức là các hệ thống soliton được khuyếch đại đã đạt đến độ chín có thể xem xét, chính vì thế là một sự lựa chọn đúng đắn đối với truyền thông dung lượng cao. Trong truyền thông đường dài mỗi kênh hệ thống RZ phi tuyến có thể hỗ trợ các tốc độ lên đến 10Gb/s. Mặc dù đang có mặt các công nghệ hoàn hảo các hệ thống soliton được khuyếch đại vẫn chưa được triển khai phổ biến. Lý do chính là trong đó các soliton chịu ảnh hưởng Gordon-Haus khắt khe, kết quả từ sự trộn lẫn tín hiệu và nhiễu sự phát xạ tự phát tự phát tạo ra bởi các bộ khuyếch đại EDFA được sử dụng để bù suy hao sợi quang. Sự trộn lẫn tín hiệu và nhiễu tạo ra một sự jitter trên các độ rộng xung, chính vì thế hạn chế dung lượng các soliton được khuyếch đại. Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 1 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Việc nghiên cứu hệ thống truyền thông quang được đề ra trên nhiều khía 1 cạnh. Trong phần trình bày của đồ án em tập trung vào các vấn đề cơ bản nhất của hệ thống soliton, yếu tố jitter ảnh hưởng đến hệ thống soliton đơn kênh và đa kênh. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn trong phạm vi đồ án này chưa thể hoàn chỉnh các vấn đề nêu ra. Em rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các bạn sinh viên và các bạn đọc quan tâm đến vấn đề này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G.P. Agrawall, Fiber-Optic Communication Systems, 2 nd Edition, John Wiley & Sons, 1997 [2] G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 2 nd ed, Academic Press, San Diego, CA,1995, Chap.5. [3] A.Hasegawa anh Y. Kodama, Soliton in Optical Communication, Clarendo Press, Oxford, 1995 1 Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 2 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton [4] M.J Ablowits and H.Segur, Solitons and the Inverse Scattering Transform, Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 1981 [5] D. Marcuse, “ Simulations to demonstrate reduction of the Gordon-Haus effect”, Opt. Lett, 171992 [6] Y.Komadama and A.Hasegawa, Progress in Optics, Vol.30, E Wolf, Ed, North Holland, Amsterdam 1992 [7] L.F. Mollenauer, J.P. Gordon and M.N.Islam, “ Soliton propagation in long fibers with periodically compensated loss”, IEEE J. Quantum Electron, Vol QE -22, [8] K. Rottwitt, J.H Povlsen and A. Bajarklev, “ Long- distance transmission through distributed erbium- doped fibers,” J. Lightwave Technol, vol 11, 1993 [9] A. Hasegawa, Y. Kodama and A.Marula, “ Recent progress in dispersion- managed soliton transmission technologies” Opt. FiberTechnol, vol 3, 1997 [10] Tài liệu hội nghị khoa học lần thứ 5, Hà nội 9- 2002. Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 3 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ASE: Amplified Spontaneous Emission Sự phát xạ tự phát được khuyếch đại CW: continous Wave Sóng liên tục DBR: Distributed Bragg Reflecter Phản xạ phân bố Bragg DCF: Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc DDF: Dispersion Decreasing Fiber Sợi giảm tán sắc DFB: Distributed Feedback Phản hồi phân bố EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại quang sợi FWHM: Full Widthat HalfMaximum Độ rộng đầy đủ ở nửa giá trị max FWM: Four-wave Mixing Trộn bốn sóng GVD: Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm NSE: Nonlinear Schrodinger Equation Phương trình Schrodinger phi tuyến SBS: Stimulated Brillouin Scatting Tán xạ Brillouin kích thích SRS: Stimulated Raman Scatting Tán xạ Raman kích thích SPM: Self-phase Modulation Tự điều chế pha SSFS: Soliton Self-Frequency Shift Sự dịch tần soliton TOD: Third-Order Dispersion Tán sắc bậc ba XPM: Cross-phase Modulation Điều chế chéo pha CRZ: Chirped-return-to-zero Mã trở về không bị chirp Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 4 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton CHƯƠNG I HIỆU ỨNG QUANG PHI TUYẾN 1.1. Giới thiệu chung Các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác trên mạng lưới Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 5 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton viễn thông đều sử dụng các sợi quang truyền dẫn trong môi trường tuyến tính mà ở đó các tham số sợi không phụ thuộc vào công suất quang. Hiệu ứng phi tuyến sợi xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng và công suất quang tăng lên. Các hiệu ứng phi tuyến này đã có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn của hệ thống và thậm chí trở nên quan trọng hơn vì sự phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA cùng với sự phát triển của các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM. Với việc tăng hiệu quả truyền thông tin mà có thể được làm bằng việc tăng tốc độ bit, giảm khoảng cách giữa các kênh hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên, các ảnh hưởng của phi tuyến sợi trở nên đóng vai trò quyết định hơn. Mặc dù công suất riêng của mỗi kênh có thể thấp dưới mức cần thiết để xuất hiện tính phi tuyến, tổng công suất của tất cả các kênh có thể nhanh chóng trở nên đủ lớn. Sự kết hợp của tổng công suất quang cao và một số lớn các kênh ở các bước sóng gần nhau thì lý tưởng cho nhiều loại hiệu ứng phi tuyến. Vói tất cả lý do này cho thấy tầm quan trọng của việc hiểu các hiệu ứng phi tuyến. Các hiệu ứng phi tuyến này bao gồm: tán xạ Raman kích thích (SRS: simulated Raman scattering), tán xạ Brillouin kích thich (SBS: simulated Brillouin scattering), hiệu ứng trộn 4 sóng (four-wave mixing), điều chế chéo pha (XPM: cross-phase modulation), tự điều chế pha (SPM: self-phase modulation). Mỗi hiệu ứng phi tuyến tùy từng trường hợp có thể có lợi hoặc có hại. Chẳng hạn XPM và FWM thì bất lợi cho hệ thống đa kênh WDM. SPM và XPM gây ra sự mở rộng phổ trong các xung quang mà sau đó tương Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 6 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton tác với tán sắc sợi. Điều này có thể có lợi hoặc có hại cho hệ thống truyền thông quang tùy thuộc vào tán sắc thường hay dị thường. Như vậy, việc nắm rõ các hiệu ứng phi tuyến này là rất cần thiết để có thể hạn chế các ảnh hưởng không có lợi của nó và tối ưu hóa trong việc thiết kế hệ thống truyền dẫn quang. 1.2. Nguyên nhân gây ra hiệu ứng phi tuyến quang Hiệu ứng phi tuyến quang xuất hiện khi công suất quang phát trên đường truyền tăng dẫn đến mức nào đó. Nguyên nhân là do hai yếu tố: - Thứ nhất là sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào công suất ánh sáng : eff A P nnn . 20 += (1.1) Trong đó: n 0 là chỉ số chiết suất tuyến tính (chỉ số chiết suất trong môi trường tuyến tính cường độ thấp). n 2 là chỉ số chiết suất phi tuyến. Giá trị điển hình của n 2 trong thủy tinh silic là 3,2.10 20− m 2 / W và không phụ thuộc vào bước sóng. Sơ đồ dưới đây mô tả mối quan hệ giữa chỉ số chiết suất và công suất quang: Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 7 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Hình 1.1. Sự phụ thuộc của chiết suất sợi silica vào công suất quang Ta nhận thấy sự thay đổi chiết suất tương đối nhỏ song nó lại rất quan trọng vì chiều dài tương tác trong sợi quang thực tế có thể lên tới hàng trăm kilômét và sự biến đổi này gây ra các hiệu ứng XPM, SPM, FWM. - Thứ hai là do các hiện tượng tán xạ kích thích như: SRS, SBS. 1.3 Tán xạ ánh sáng kích thích SRS và SBS 1.3.1 Tán xạ Raman kích thích SRS SRS là một loại của tán xạ không đàn hồi (tán xạ mà tần số ánh sáng phát ra bị dịch xuống). Ta có thể hiểu đây là một loại tán xạ của một photon tới photon năng lượng thấp hơn sao cho năng lượng khác xuất hiện dưới dạng một phonon. Quá trình tán xạ gây ra suy hao công suất ở tần số tới và thiết lập một cơ chế suy hao cho sợi quang. Ở mức công suất thấp, thiết diện tán xạ phải đủ nhỏ để suy hao là không đáng kể. Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Công suất quang 1.47006 1.47005 1.47004 1.47003 1.47002 1.47001 1.47000 8 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Ở mức công suất cao, hiện tượng phi tuyến SRS xẩy ra nên cần xem xét đến suy hao sợi. Cường độ ánh sáng sẽ tăng theo hàm mũ mỗi khi công suất quang vượt quá giới hạn nhất định. Giá trị ngưỡng này được tính toán dựa trên việc cường độ ánh sáng tăng như thế nào so với tạp âm và được định nghĩa là công suất tới tại nơi nửa công suất bị mất bởi SRS ở cuối đầu ra sợi dài L và được mô phỏng như sau [2]: g R .P th .L eff /A ≈ eff 16 (1.2) Trong đó: g R là giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Raman. A eff là diện tích hiệu dụng L eff là chiều dài tương tác hiệu dụng L eff = (1-e L α − )/ α (1.3) Vói α là suy hao sợi. Trong hệ thống truyền thông quang thực tế, sợi quang đủ dài để L eff α /1≈ . Nếu thay A eff = 2 πω , với ω là kích thước điểm => P th RReff ggL )(16 . )(16 22 πωαπω =≈ (1.4) Hệ số khuyếch đại Raman g R ≈ 1.10 13− m/W với sợi silica ở gần vùng bước sóng 1 m µ và tỉ lệ nghịch với bước sóng. Nếu ta thay thế 2 πω =50 2 m µ và α =0,2dB/Km, P th ≈ 370mW ở gần vùng 1,55 µ m. Vì công suất đặt trong sợi quang thường nhỏ (dưới 10mW) nên tán xạ Raman kích thích (SRS) không gây hại nhiều tới suy hao sợi. đơn mốt chỉ xả Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 9 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton 1.3.2 Tán xạ Brillouin kích thích (SBS) Cũng giống với SRS,SBS là một loại của tán xạ không đàn hồi và cả hai rất giống nhau về nguồn gốc của chúng. Điểm khác nhau chính là các phonon quang tham gia trong tán xạ Raman còn tán xạ Brillouin có các phonon âm thanh tham gia. Mối quan hệ tán sắc khác nhau với các phonon quang và các phonon âm thanh dẫn đến vài điểm khác nhau cơ bản giữa chúng. Đó là hiệu ứng SBS trong sợi mốt chỉ xảy ra theo hướng ngược còn SRS chiếm ưu thế trong hướng đi. Mức công suất ngưỡng của SBS cũng được tính tương tự như sau: g B .P th .L eff /A eff ≈ 21 (1.5) Trong đó: g B là giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Brillouin Thay L eff ≈ 1/ α , A eff 2 πω ≈ => P th B g/)(21 2 πωα ≈ (1.6) Hệ số khuyếch đại Brillouin g B ≈ 5.10 / 11 m − W với sợi silica lớn gấp hàng trăm lần hệ số khuyếch đại Raman. Suy ra P th ≈ 1mW, với cùng điều kiện ở gần bước sóng 1,55 µ m, nơi suy hao sợi nhỏ nhất. Rõ ràng, SBS thiết lập một giới hạn trên đối với công suất quang vì giá trị ngưỡng của nó thấp. Khi công suất quang vượt quá ngưỡng, một phần lớn ánh sáng đã phát sẽ truyền lại bộ phát. Do đó, SBS gây ra sự bão hòa công suất quang trong máy thu, đồng thời cũng làm xuất hiện sự phản xạ ngược của tín hiệu quang, và nhiễu làm giảm tỉ lệ BER. Như vậy việc điều khiển SBS trong hệ thống truyền dẫn tốc độ cao là không thể thiếu. Hiện tượng phản xạ ngược tương tự như hiệu ứng của cách tử Bragg và ánh sáng tán xạ ngược càng tăng khi công suất quang vượt quá giá trị Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 10 [...]... định bằng kỹ thuật khuyếch đại Raman Hệ thống soliton quang mặc dù chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế song với những tiềm năng vốn có, nó trở thành một dự tuyển đặc biệt cho hệ thống truyền dẫn quang Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 31 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton 3.2 Soliton sợi Sự tồn tại của soliton sợi là kết quả của sự cân bằng... Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 18 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRUYỀN DẪN XUNG QUANG SỢI ĐƠN MODE 2.1 Mô tả toán học quá trình truyền dẫn xung quang trong sợi đơn mode Quá trình lan truyền sóng quang trong các sợi đơn mode được xác định qua hệ phương trình Maxell:  ∂  ∇E ( r , t... Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 30 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Chương III TỔNG QUAN VÊ SOLITON 3.1 Khái niệm về soliton Từ soliton được đưa vào năm 1965 để miêu tả thuộc tính phân tử của đường bao xung trong môi trường phi tuyến tán sắc Dưới điều kiện nào đó đường bao xung không chỉ lan truyền không méo mà còn tồn tại sự va chạm như các phần tử làm Vậy soliton là... hưởng đến hệ thống sóng ánh sáng đơn kênh nhưng lại trở nên quan trọng với các hệ thống đa kênh mà sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (wavelength division multiplexing ) Một lượng công suất lớn của kênh có thể được truyền tới kênh lân cận qua FWM Sự Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 17 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton truyền năng... thể lan truyền không méo dưới dạng của một Soliton Đồ thị sau miêu tả sự biến thiên của hệ số mở rộng theo khoảng cách lan truyền cho một xung Gausse vào bị dịch tần Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 32 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton 4 C=-2 3 C=2 Hệ số mở rộng T1/T0 2 C=0 1 β2 > 0 0 0 0.5 1 Khoảng cách, z/L0 1.5 2 Hình 3.1 Sự thay đổi hệ số... rằng trong quá trình trường quang lan truyền trên một khoảng cách nhỏ h, Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 25 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton ảnh hưởng của tán sắc và phi tuyến coi như tác động độc lập Cụ thể hơn quá trình truyền dẫn từ z đến z+h được thực hiện theo 2 bước Ở bước thứ nhất, ˆ ảnh hưởng của phi tuyến hoạt động một mình và D =0 trong. .. cơ chế chirp phi tuyến, tần số hoặc bước sóng của ánh sáng trong một xung có thể bị chirp không chỉ đơn giản do đặc tính nội tại của nguồn phát mà còn do tương tác phi tuyến với môi trường truyền dẫn của sợi Điều Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 13 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton này dẫn đến sự dịch các sườn xung, xung lên bị dịch về phía bước... của nó trong độ cảm phi tuyến bậc 3 được biểu hiện bởi χ (3) Hiện tượng phi tuyến khác Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 15 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton được biết từ sự trộn 4 sóng (FWM) cũng xuất phát từ giá trị hữu hạn của χ (3) trong sợi thủy tinh [2] Nếu 3 trường quang với tần số sóng mang ω1 , ω 2 , ω 3 lan truyền đồng thời trong sợi,... thể hiện trên hình 3 Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 29 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Bắt đầu At=Ain,z=0 z=z+h;Tính Tính A1=exp(h)At Sử dụng FFT trong miên tần số ,i=1 Tính Sử dụng FFT trong miên tần số Tính i=i+1 Tính No i>m? Yes m - số lần lặp lại, m=2 Tính Tính Sử dụng FFT trong miên tần số No z>L? Yes Kết quả Aout=A5 Hình 3 Lưu đồ giải... n 'j λ = nj λ 2π + 2π λ n2 P = Aeff P =β +γ.P Aeff (1.8) 2π n2 / Aeff là hằng số truyền dẫn phi tuyến λ Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 12 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Pha kết hợp với mode sợi tăng tuyến tính theo z, ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến dẫn đến một sự dịch pha phi tuyến là: L L 0 0 φ NL = ∫ ( β ' − β )dz = ∫ γ P ( z )dz . nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRUYỀN DẪN XUNG QUANG SỢI ĐƠN MODE 2.1 Mô tả toán học quá trình truyền dẫn xung quang trong. Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 5 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton viễn thông đều sử dụng các sợi quang truyền dẫn trong môi trường tuyến tính mà. tuyến với môi trường truyền dẫn của sợi. Điều Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 13 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton này dẫn đến sự dịch các