Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Đà Nẵng,Tháng 2 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA: Điện Tử Viễn Thông Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN QUANG Đề Tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Giáo Viên Hướng Dẫn : GV.Ths Trương Xuân Trung SV nhóm 12 thực hiện : Nguyễn Quỳnh Hậu Lê Xuân Tứ Lớp : 11CQVT09 – N ( ĐTVT11) Khóa : 2011- 2013 Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 2 MỤC LỤC MỤC LỤC……………………………………………………………………………… 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SOLITON 3 1.1. Khái niệm về Soliton……………………………………………………………… 3 1.2. Soliton sợi…………………………………………………………………………….3 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON……………………………….4 2.1. Mô hình hệ thống chung…………………………………………………………….4 2.2. Truyền thông tin với các Soliton……………………………………………………4 2.3. Tương tác Soliton……………………………………………………………………6 2.4. Sự lệch tần ( Frequency chirp)…………………………………………………… 9 2.5. Máy phát Soliton………………………………………………………………… 11 2.6. Ảnh hưởng của suy hao sợi……………………………………………………… 13 2.7. Khuếch đại Soliton…………………………………………………………………15 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SOLITON………………………………… 18 3.1. Cơ chế Soliton trung bình…………………………………………………………18 3.2. Sự khuếch đại phân bố…………………………………………………………….21 3.3. Nhiễu bộ khuếch đại……………………………………………………………….22 3.4. Tiến trình thực nghiệm…………………………………………………………….24 KẾT LUẬN…………………………………………………………………………… 27 Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SOLITON 1.1 .Khái niệm về soliton: Soliton là thuật ngữ biễu diễn các xung lan truyền qua khoảng cách dài mà không thay đổi hình dạng xung do nó đưa ra khả năng đặc biệt để truyền các xung không nhạy cảm với tán sắc. 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. 1.2 .Soliton sợi: Sự tồn tại của soliton sợi là kết quả của sự cân bằng giữa tán sắc vận tốc nhóm GVD (Group-Veocity Disperson) và tự điều chế pha SPM ( Self Phase Modulation), cả hai đều hạn chế hiệu năng truyền thông quang sợi khi hoạt động độc lập trên xung quang đang lan truyền bên trong sợi ngoại trừ khi xung bị dịch ban đầu theo đúng hướng. Đặc biệt hơn một xung bị dịch có thể được nén trong suốt giai đoạn đầu của sự lan truyền bất cứ khi nào tham số GVD 2  và hệ số chirp C trái dấu nhau ( 2  .C<0). SPM, kết quả từ sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ quang, đưa ra một sự dịch trên xung quang sao cho C > 0. Vì 2  <0 ở vùng bước sóng 1,55 m  nên điều kiện 2  .C<0 được thõa mãn. Hơn nữa sự dịch chuyển bởi SPM phụ thuộc công suất nên không khó khăn để hiểu rằng dưới điều kiện nào đó SPM và GVD có thể kết hợp theo một cách nào đó sao cho sự dịch bởi SPM là đúng hướng để loại bỏ sự mở rộng xung do GVD gây ra. Như vậy xung quang có thể lan truyền không méo dưới dạng của một Soliton. Phân loại soliton: - Soliton cơ bản và soliton bậc cao - Tiến trình soliton Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 4 - Soliton tối (Dark soliton) CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON 2.1 Mô hình hệ thống chung. Cũng như hệ thống thông tin quang thông thường, hệ thống soliton thông thường bao gồm phần phát, kênh truyền dẫn và phần thu được mô tả như sau: Hình 2.1: Mô hình chung của hệ thống truyền dẫn soliton - Máy phát quang là một diode laser điều chế các xung quang trực tiếp, vì vậy sự lệch tần ở đầu ra laser là không đáng kể. Tín hiệu đầu vào là các bit 0 hoặc 1, mỗi bit 1 là một soliton cơ bản. - Kênh truyền dẫn là các đoạn sợi quang đơn mode, mỗi đoạn theo sau là một bộ khuyếch đại quang sợi EDFA dùng để bù suy hao sợi, tuy nhiên lại sinh ra nhiễu phát xạ tự phát được khuyếch đại ASE (amplified spontaneous emission) làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn. - Bộ thu quang bao gồm một photodiode, một bộ lọc điện và một bộ lọc quang. Tín hiệu quang thu thường được chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu điện. Các bộ lọc quang đặt trước photodiode để làm giảm nhiễu ASE do các bộ khuyếch đại đưa ra. 2.2 Truyền thông tin với các soliton. Trong hệ thống thông tin quang, mã NRZ thường được sử dụng để truyền dẫn thông tin vì độ rộng băng tần tín hiệu của nó nhỏ hơn khoảng 50% so với mã RZ. Tuy nhiên trong truyền dẫn soliton, mã NRZ không được sử dụng vì độ rộng soliton phải là Đầu ra Bộ phát quang Bộ thu quang Đầu vào Kênh truyền dẫn Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 5 một phần nhỏ của khe bit để chắc chắn rằng các soliton lân cận nhau được tách riêng. Để đảm bảo khả năng lan truyền không méo, các soliton phải có dạng “sech” như hàm (2.1). Tuy nhiên, nghiệm soliton này chỉ đúng khi nó chiếm giữ toàn bộ cửa sổ thời gian từ   . Giá trị này có thể được đảm bảo gần đúng cho một dãy soliton chỉ khi các soliton riêng được đặt cách ly. Vì vậy người ta sử dụng mã RZ để mã hóa thông tin trong truyền dẫn soliton. Yêu cầu này được dùng để biễu diễn mối quan hệ giữa độ rộng soliton (T 0 ) và tốc độ bít (B): B 00 2 11 TqT B  (2.1) Trong đó: T b là độ rộng khe bit 2q 0 = 0 T T B là khoảng cách giữa 2 soliton lân cận. Hình vẽ sau mô tả dãy bit soliton ở dạng mã RZ: Hình 2.2: Dãy bit soliton mã RZ. Mỗi soliton chiếm một phần nhỏ của khe bit sao cho các soliton lân cận được đặt xa nhau. Trong đơn vị vật lý biên độ của xung là: T B Soliton 1 1 0 1 0 1 Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 6 A(0,t)= )(sec 0 0 T t hP (2.2) P 0 là công suất đỉnh thõa mãn điều kiện: 2 0 2 00 1 T PLP D     (2.3) Độ rộng đầy đủ ở nửa giá trị max (FWHM: full width at half maximum) của soliton là: T S =2T 0 ln( 21 )  1.763T 0 (2.4) Năng lượng xung của soliton cơ bản thu được là: E S =     dttA 2 ),0( 2P 0 T 0 (2.5) Nếu giả thiết số bit 1 và 0 xảy ra bằng nhau, công suất trung bình của tín hiệu RZ là: S P =E S ( 2 B )= 0 0 00 2 2 2 q P TP B  (2.6) 2.3 Tương tác soliton. Khoảng cách T B giữa các xung lân cận xác định tốc độ bit B của hệ thống truyền thông (B=1/T B ). Vấn đề đặt ra là các soliton đặt gần nhau như thế nào mà không gây ra sự tương tác lẫn nhau giữa chúng. Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ rằng tương tác soliton không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách 2q 0 giữa các soliton lân cận mà còn phụ thuộc vào pha và biên độ tương đối của 2 soliton. Nếu các giá trị này không được lựa chọn đúng, một sự va chạm tuần hoàn giữa các soliton sẽ xẩy ra. Ta có thể giải hàm NSE bao hàm cả sự tương tác soliton với điều kiện xung đầu vào gồm một cặp soliton: Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 7   )exp()(sec)(sec),0( 00  iqrhrqhtu  (2.7) Với r : biên độ tương đối của 2 soliton  : pha tương đối giữa 2 soliton lân cận 2q 0 : khoảng cách ban đầu của 2 soliton Hình 3.3 miêu tả tiến trình của một cặp soliton với q 0 =3.5 với các giá trị r,  khác nhau. Ta thấy rõ ràng sự tương tác này phụ thuộc mạnh vào cả pha và biên độ tương đối. Hình 2.3: Tiến trình một cặp soliton qua 90 lần chiều dài tán sắc có sự tương tác soliton với khoảng cách bước ban đầu q 0 =3.5 trong tất cả bốn trường hợp. - Với r=1 (Các soliton có biên độ bằng nhau) 0  : Các soliton hút nhau sao cho chúng va chạm định kỳ theo chiều dài sợi. 4/   : Ban đầu các soliton hut nhau rồi lại tách khỏi nhau. Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 8 2/   : Các soliton đẩy nhau ngày càng mạnh khi khoảng cách lan truyền tăng. Khi thiết kế hệ thống điều này thì không thể chấp nhận được. Nó có thể tạo ra jitter thời gian đến của các soliton và ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống. Một cách để tránh tương tác soliton là tăng khoảng cách soliton đủ lớn để độ lệch về vị trí soliton đủ nhỏ sao cho các soliton vẫn ở vị trí gốc trong khe bit khi truyền dẫn qua khoảng cách lớn. Khi q 0 >>1 trong trường hợp đặc biệt r=1,  =0 (tức là u(0,t)=sech( 0 q  )+sech( 0 q  )), khoảng cách 2q s giữa 2 soliton ở vị trí  được đưa ra bởi [3]: 2exp[2(q s -q 0 )] =1 + cos[4  exp(-q 0 )] (2.8) Mối quan hệ này cho thấy q s (  ) thay đổi tuần hoàn với chu kỳ dao động là: )exp( 2)exp(4 2 0 0 q q p        (2.9) Kết quả này đúng với q 0 >>1. Một biểu thức đúng hơn cho mọi giá trị q 0 là [3]: )2sinh(2 )cosh()2sinh( 00 00 qq qq q     (2.10) Nếu  TTDp LLL ,  là tổng khoảng cách truyền dẫn. Tương tác soliton có thể không tính đến vì các soliton có thể lệch một chút so với giá trị ban đầu của nó. Vì Dp L  >> TPPT L Bq T L           2 2 0 2 2 0 2 1     2 2 02 2 0 2 0 84 1     q e q BL q PT  (2.11) Ví dụ chọn q 0 =6 để tránh tương tác soliton, suy ra: 634 2 0  q p e   Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 9 Và chọn kmps /1 2 2   vì hầu hết các hệ thống truyền thông soliton đều sử dụng sợi dịch tán sắc. Ta có: km s T e LB b T .)(4,4 298 2 6 2   (2.12) Như vậy điều kiện km s T LB b T .)(4,4 22  có thể đúng với L T lớn hàng chục ngàn kilômét. Tuy nhiên, khi khoảng cách lan truyền lớn thì tốc độ bit lại nhỏ, chứng tỏ điều kiện này đã giới hạn đến khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ bit của hệ thống soliton. Vì vậy khi khoảng cách giữa các soliton rộng để hạn chế tương tác thì lại hạn chế tốc độ và khoảng cách truyền dẫn của hệ thống. Một cách để giảm q 0 mà vẫn đảm bảo tương tác soliton nhỏ nhờ sử dụng các soliton lân cận có biên độ khác nhau. Như biễu diễn ở hình 3.3 với sự lệch công suất đỉnh giữa 2 soliton lân cận là 10% (r=1.1). Lúc này khoảng cách giữa 2 soliton lân cận không thay đổi nhiều hơn 10% so với khoảng cách ban đầu q 0- =3,5. Lưu ý rằng công suất đỉnh chỉ lệch khoảng 1% so với giá trị lý tưởng của nó khi N=1. Vì sự lệch nhỏ về công suất đỉnh không gây hại đến bản chất lan truyền xung nên sơ đồ này có thể thực hiện trong thực tế để tăng dung lượng hệ thống. Ngoài các yếu tố trên tương tác soliton cũng có thể thay đổi bởi các nhân tố khác như sự lệch tần ban đầu tác động mạnh lên xung đầu vào. 2.4 Sự lệch tần (frequency chirp) Để lan truyền như một soliton cơ bản bên trong sơi quang, xung đầu vào không chỉ có dạng “sech” mà còn phải không bị “chirp”. Tuy nhiên, trong thực tế, các nguồn xung quang ngắn đều có sự lệch tần (bị “chirp”) tác động lên chúng. Điều này có thể gây nguy hại đến sự lan truyền các soliton vì nó làm dao động cân bằng chính xác giữa GVD và Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 10 SPM. Ảnh hưởng sự lệch tần ban đầu được tính toán bằng cách giải phương trình NSE với điều kiện đầu vào: u(0,t)=sech(  )exp( 2 2  iC ) (2.13) Với C là hệ số chirp. Dạng bậc hai của sự thay đổi pha tương ứng với chirp tần số tuyến tính sao cho tần số quang tăng theo thời gian với giá trị C dương. Hình 2.4 biễu diễn qúa trình lan truyền xung với N=1 và C=0.5 Hình 2.4: Tiến trình xung quang bị lệch với N=1 và C=0,5. Khi C=0 hình dạng xung không thay đổi vì xung lan truyền như một soliton cơ bản. Dựa vào hình vẽ ta thấy hình dạng xung ban đầu được nén (do C>0). Sự nén ban đầu này vẫn xẩy ra ngay cả khi vắng mặt các hiệu ứng phi tuyến. Sau đó xung bị mở rộng và cuối cùng được nén lần thứ hai. Xung sẽ tiến triển thành một soliton qua khoảng cách lan truyền 15  . Với giá trị C<0, tiến trình xung xảy ra tương tự như trên mặc dù sự nén ban đầu không xảy ra trong trường hợp này. Để xung tiến triển thành một soliton yêu cầu giá trị C nhỏ vì các soliton thường ổn định dưới sự dao động yếu. Khi C vượt quá giá trị nguy hiểm C crit , xung sẽ không thể [...]...Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton hình thành một soliton Thí dụ trong trường hợp N=1, soliton trong hình 3.4 sẽ không được hình thành nếu C tăng từ 0.5 lên thành 2 Giá trị nguy hiểm Ccrit của hệ số chirp có thể được tính theo phương pháp tán xạ ngược [4] Nó phụ thuộc vào N và pha trong phương trình (3.12), tìm được là Ccrit=1,64 với N=1 Khi thiết kế hệ thống yêu cầu sự... Tứ Trang 25 Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Hình 3.3: Cấu hình vòng lặp tuần hoàn truyền dẫn qua 12000km ở tốc độ 2,5Gb/s Trong thí nghiệm này, BL=30(Tb/s)km, bị giới hạn chính bởi jitter timing cảm ứng bộ khuyếch đại Vấn đề jitter sau đó được giải quyết bằng các bộ lọc quang Các soliton quản lý tán sắc có thể tạo ra một số lợi ích cho hệ thống truyền dẫn soliton, chẳng hạn... Tứ Trang 26 Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton thí nghiệm đã tập trung vào truyền dẫn các soliton được quản lý tán sắc nhờ sử dụng các biểu đồ tán sắc mà các soliton được truyền hầu hết thời gian trong cơ chế GVD bình thường Thí nghiệm 10Gb/s này đã truyền các tín hiệu trên 28Mm nhờ sử dụng nhờ sử dụng một vòng lặp sợi quay vòng gồm 100km sợi GVD thông thường và 8km sợi GVD dị thường... của mình - Hệ thống Soliton không cần sử dụng các bộ lặp điện, giảm chi phí lắp đặt Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 27 Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton - Sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi EDFA có nhiều ưu điểm làm cho mach đơn giản dễ lắp đặt - Có khả năng kết hợp nhiều kênh có các bước sóng khác nhau trong 1 sợi đơn mốt để tăng dung lượng và tốc độ truyền dẫn Soliton có... tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton LA phụ thuộc vào suy hao sợi ở bước sóng bơm và năng lượng soliton có thể lệch một chút từ giá trị đầu vào của nó Thường LA= 40-50km nếu sự lệch lớn nhất của năng lượng soliton có thể chịu được là 20% Ở đây LA có thể vượt LD nhiều lần, trái với trường hợp khuyếch đại tập trung LA . không méo dưới dạng của một Soliton. Phân loại soliton: - Soliton cơ bản và soliton bậc cao - Tiến trình soliton Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12: Quỳnh. trong truyền dẫn soliton, mã NRZ không được sử dụng vì độ rộng soliton phải là Đầu ra Bộ phát quang Bộ thu quang Đầu vào Kênh truyền dẫn Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống. dạng “sech” của một soliton nhưng chúng vẫn được dùng trong hệ thống soliton vì khả năng tiến triển thành một soliton của sợi. Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12: