1 Báo cáo tập lớn Sợi quang phi tuyến I GIỚI THIỆU CHUNG Bộ tái tạo tín hiệu quang 2R thực nhiệm vụ khuếch đại chỉnh dạng xung nhằm đảm bảo cho việc thu nhận tín hiệu điểm đích có lỗi bit không lớn yêu cầu Thông thường, việc tái tạo tín hiệu thực miền điện, linh kiện điện tử không cho phép thực nhiệm vụ tốc độ truyển dẫn cao (khoảng 40 Gpbs trở lên), vậy, việc tái tạo tín hiệu quang cần thực tải tạo toàn quang Đã có nhiều đề xuất thử nghiệm kĩ thuật tái tạo tín hiệu toàn quang Các kỹ thuật dựa sở ứng dụng khuếch đại quang bán dẫn, hấp thụ bão hòa hiệu ứng phi tuyến sợi quang [1, 2] Trong phạm vi báo này, trước hết tóm lược hiệu ứng phi tuyến tự điều chế pha (Self Phase Modulation – SPM) để rõ giãn phổ tín hiệu gây SPM Tiếp đó, đưa mô hình mô tái tạo 2R toàn quang sử dụng sợi thông thường dựa hiệu ứng SPM dùng để đánh giá mô mô hình tái tạo 2R toàn quang sử dụng sơi phi tuyến Cuối số kết khảo sát đại mô hình mô nhận xét dựa kết đạt II GIẢN PHỔ DO HIỆU ỨNG PHI TUYẾN SPM Thông thường, tín hiệu quang biểu diễn dạng xung hình chuông (Gauss) [3, 9]: (1) A(0,τ ) = P0 U (0,τ ) , Với P0 công suất đỉnh, U(0, τ) xung chuông đơn vị: τ2 U (0,τ ) = exp - ÷ 2T0 (2) Trong đó, τ = t – (z/vg) thời gian tín hiệu, dịch chuyển tương ứng với lan truyền tín hiệu dọc sợi quang theo phương z, với vận tốc nhóm v g; T0 nửa độ rộng xung điểm (1/e) công suất đỉnh tín hiệu Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Báo cáo tập lớn Sợi quang phi tuyến Khi có hiệu ứng phi tuyến, tham số suy hao α (dB/m), hệ số phi tuyến γ (W -1 m ) hệ số tán sắc bậc hai β (s2/m) có mặt phương trình mô tả trình truyền dẫn tín hiệu quang sợi (phương trình Schrodinger rút gọn) [3, 4, 7]: dA i β ∂ A α + + A = iγ | A |2 A dz ∂τ (3) Trường hợp hệ số tán sắc β2 có ảnh hưởng không đáng kể so hệ số phi tuyến γ bỏ qua số hạng có liên quan đến β2 nghiệm (3) khoảng cách z = L [3, 4, 7]: A( L,τ ) = P0U (0,τ )exp(-α L)exp[iφNL ( L,τ )], Với φNL ( L,τ ) (4) pha tín hiệu z = L[3, 4, 7]: φNL ( L,τ ) =| U (0,τ ) |2 γ P0 Trong đó, Leff = − exp(-α L) α − exp(-α L) =| U (0,τ ) |2 γ PLeff α (5) gọi chiều dài hiệu dung sợi quang Hiện tượng pha tín hiệu đường truyền hàm số công suất tín hiệu đầu vào biết đến tượng tự điều chế pha SPM, làm xuất tần số giãn rộng băng tần phổ tín hiệu đầu Độ lệch lớn tần số so với tần số trung tâm [3, 4, 7]: δ f max = γ P0 Leff π 2e T0 (6) Trong thực tế, điều kiện để phương trình (3) có nghiệm (4) đạt công suất tín hiệu quang đưa vào sợi đủ lớn, đủ để xuất XPM làm giãn rộng phổ tín hiệu Hình kết khảo sát tượng giãn phổ tín hiệu SPM theo mô (1a) đo đạc thực tế (1b) truyền xung quang Gaus qua 19 m sợi quang có tham số α = 6,5 dB/km, β2 = -120 ps2/km γ = 26 W-1m-1 [4] Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Báo cáo tập lớn Sợi quang phi tuyến Hình 1: Giãn phổ đầu SPM truyền dãy xung quang có độ rộng nửa công suất ps, tần suất 19,3 MHz, công suất trung bình P = 126 µW, x P x P qua 19 m sợi quang theo mô (a) đo thực tế (b) III CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU Cơ sở lý luận Về nguyên lý, Mamyshev đề xuất ứng dụng SPM để cải tạo tín hiệu quang từ năm 1998 [2] Bộ tái tạo 2R toàn quang dựa hiệu ứng phi tuyến SPM (từ đặt tên tái tạo AO2R-SPM) sử dụng đoạn sợi quang lọc quang thông dải dịch lệch tần số trung tâm có sơ đồ hình Hình 2: Bộ tái tạo tín hiệu 2R oàn quang sử dụng sợi quang kết hợp với lọc thông dải dịch lệch tần số trung tâm Nguyên lý hoạt động tái tạo tóm tắt sau Khi truyền tín hiệu quang qua sợi, với công suất tín hiệu đầu vào nhỏ, phổ tín hiệu đầu không đổi, với công suất tín hiệu đầu vào đủ lớn, SPM làm giãn rộng phổ tín Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Báo cáo tập lớn Sợi quang phi tuyến hiệu đầu Tần số dải thông lọc [7, 8] xuất tín hiệu công suất tín hiệu đưa vào sợi quang đủ lớn, tức SPM làm giãn phổ đến mức δfmax ≥ ∆f Điều có nghĩa xung quang có công suất nhỏ (bit 0) truyền qua lọc (hình 3a) Chính “phân biệt đối xử” tạo tái tạo hàm truyền đạt công suất gần dạng chữ S, đồng thời, tín hiệu “sạch” (hình 3b) Hình 3: Giải thích nguyên lý hoạt động (a) đáp ứng (b) tái tạo tín hiệu toàn quang dùng sợi quang phi tuyến kết hợp với lọc thông giải lệch trung tâm Vùng khoanh tròn bên trái tương ứng với vùng đáp ứng tái tạo bit bit Bộ tái tạo tín hiệu AO2R-SPM sử dụng sợi quang thông thường Chúng xây dựng chương trình mô nhằm mục đích khảo sát hiệu lặp AO2R-SPM sử dụng sợi quang thôn thường kết hợp với lọc quang thông dải Mô hình dùng mô giống hình 2, với sợi quang có tham số chiều dài sợi L, suy hao α, tán sắc D, hệ số phi tuyến γ lọc có tham số dịch lệch tần số trung tâm ∆f, độ rộng nửa công suất ∆F Các tham số có giá trị thay đổi tùy theo mục tiêu khảo sát Để làm rõ tượng giãn phổ tín hiệu cắt phổ lọc, chương trình mô cho phép lấy dạng đường bao phổ tín hiệu điểm A, B C sơ đồ Bộ tái tạo tín hiệu AO2R-SPM sử dụng sợi quang phi tuyến Các sợi quang phi tuyến chế tạo đặc biệt có hệ số phi tuyến lớn cỡ 5000 lần sợi quang thông thường Các sợi quang thường nghiên cứu chế tạo từ vật Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Báo cáo tập lớn Sợi quang phi tuyến liệu Chacogenide [5], có diện tích lõi sợi nhỏ, khoảng 3,5 µm 2, để tập trung công suất quang [6] Sử dụng sợi quang phi tuyến cho phéo giảm nhỏ kích thước lặp quang Với mục tiêu đề suất tiến tới thiết kế lặp AO2R-SPM sử dụng tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao,chúng thiết lập chương trình mô có mô hình 2, sử dụng đoạn sợi quang phi tuyến dài L Các tham số sợi quang phi tuyến lọc thông dải lựa chọn dựa sở tham số phần tử có thực tế Để khảo sát khả sửa dạng xung, chuỗi tín hiệu đầu vào tạo công suất đỉnh bit không đồng có xung giả với mức công suất khác bit Kết đánh giá qua biểu đồ mắt IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bộ tái tạo AO2R-SPM sử dung sợi quang thông thường Với giá trị tham số bảng 1, đáp ứng lọc hình 4b (đường nét đứt dài), kết mô cho đồ thị hàm truyền đạt công suất tín hiệu hình 4a đường bao phổ điểm A, B, C hình 4b Bảng 1: Số kiệu tham số tái tạo AO2R-SPM sử dụng sợi quang thường với tín hiệu 10 Gbps, mã RZ 20%, độ rộng xung nửa công suất 20 ps P = 0,8 W L 15 km α 0,2 db/km β2 1.9 ps2/km γ W-1m-1 ∆f 22.1 GHz ∆F 52,5 GHz Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Báo cáo tập lớn Sợi quang phi tuyến Hình 4: Hàm truyền đạt công suất lặp AO2R-SPM sử dụng sợi quang thường (a) dạng đường bao phổ tín hiệu đầu vào trước, sau lọc (b) Đường cong truyền đạt công suất táo tạo (4a) gần trùng khớp với kết tác giả khác [1, 2] Điều chứng tỏ, mô hình chương trình mô đạt kết với đột tin cậy cao Bộ tái tạo AO2R-SPM sử dụng sợi quang phi tuyến Các tham số sợi quang phi tuyến lọc thông dải chọn bảng Tín hiệu quang đưa vào có dạng xung Gauss với công suất đỉnh không đều, tốc độ 40 Gbps, mã hóa RZ 25%, độ rộng TFWHM = 6,25 ps Bảng 2: Số liệu tham số bọ tái tạo tín hiệu sử dụng sợi quang phi tuyến áp dụng cho tái tạo tín hiệu 40 Gbps, mã hóa RZ 25%, độ rộng xung nửa công suất 6,25 ps L 3m α db/km β2 892 ps2/km γ 1500 W-1m-1 ∆f 70 GHz ∆F 168 GHz Kết khảo sát nhận đồ thi hàm truyền đạt hình 5a, với tín hiệu đầu vào có biểu đồ mắt hình 5b tín hiệu đầu có biểu đồ mắt hình 5c Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Báo cáo tập lớn Sợi quang phi tuyến Hình 5: Hàm truyền đạt công suất lặp sử dụng sợi quang đặc biệt (a) biểu đồ mắt tín hiệu đầu vào (b) đầu (c) Với kết thu được, có số nhận xét sau: Tín hiệu đầu tái tạo 2R có tần số trung tâm lệch so với tín hiệu đầu vào lượng độ dịch lệch tần số trung tâm ∆f lọc (4b), nghĩa bột tái tạo loại ứng dụng chức chuyển đổi bước sóng Tuy nhiên, hệ thống tuyền dẫn không cần chuyển đổi bước sóng, điều khăc phục cách đặt nối tiếp tái tạo AO2R-SPM có dịch lệch tần số bù trứ cho Độ rộng phổ tín hiệu sau tái tạo phụ thuộc độ rộng băng thông lọc (4b) Để có độ rộng nửa công suất TFWHM tín hiệu đầu giữ nguyên tín hiệu đầu vào độ rộng nửa công suất ∆F lọc thông dải cần chọn để (∆FxTFWHM)= 0,441 Hiệu suất truyền đạt công suất tái tạo tín hiệu thấp, khoảng 5% - 10%, so phổ tín hiệu bị dàn trải suy hao lọc Để có mức công suất tín hiệu cần thiết, cần sử dụng khuếch đạo quang cho rằng, có khuếch đại quang băng hẹp mong muốn không cần lọc thông dải Vùng phẳng thấp hàm truyền đạt công suất (4a, 5a), vùng tái tạo bit 0, mở rộng tăng độ dịch lệch tần số lọc Tuy nhiên, Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Báo cáo tập lớn Sợi quang phi tuyến tăng ∆f chiều dài sợi quang phải tăng thêm, hiệu suất giảm điểm làm việc vùng tái tạo bit bị đẩy lên cao Với tái tạo AO2R-SPM sử dụng sợi quang thông thường điểm làm việc tái tạo bit nằm vùng phẳng phía (4a), ứng với công suất tín hiệu vào từ 0,35 W đên 0,55 W Tuy nhiên, theo [4], điểm làm việc tối ưu lại không nằm vùng phẳng mà dịch chút phía bên phải, với công suất tín hiệu khoảng 0,55 W Vúng phẳng để tái tạo bit có có dịch lệch tần số lọc so với tần số trung tâm, để có đoạn phẳng tái tạo bit cần phải thử nghiệm, điều chỉnh nhằm đạt phối hợp hợp lý tham số sợi quang (chiều dài sợi L, suy hao α, tán sắc D, hệ số phi tuyến γ) tham số tín hiệu cần tái tạo (độ rộng TFWHM dạng xung) Biểu đồ mắt hình 5b cho thấy, mức không đồng công suất tín hiệu bit giảm, xung giả bit bị xóa; độ mở mắt tín hiệu đầu lớn nhiều so với tín hiệu đầu vào Kết chứng tỏ, tái tạo tín hiệu AO2R-SPM sử dụng sợi quang phi tuyến thực tốt nhiệm vụ tái tạo sửa dạng xung cho tín hiệu 40 Gbps V KẾT LUẬN Ngoài ảnh hưởng xấu đến tín hiệu đường truyền, SPM sử dụng chi mục tiêu có lợi ích, số ứng dụng để tạo lặp 2R toàn quang, giới thiệu Việc sử dụng sợi quang phi tuyến cho phép thu gọn kích thước, giảm giá thành, tăng độ tin cậy lặp loại Kết mô cho thấy lặp 2R ứng dụng SPM hoạt động tốt cho tốc độ truyền tín hiệu 40 Gbps Theo chúng tôi, để có lặp thật, cần thiết thực thiết kế, công trình khảo nghiệm, thực nghiệm với phần tử quang cụ thể Mặc dù vật, dự đoán, lặp toàn quang loại sớm xuất thị trường mạng viễn thông Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Báo cáo tập lớn Sợi quang phi tuyến VI CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J.C Simon, L Bramerie, F Ginovart, V Rocin, M Gay, S Fève, E Le Cren, M.L Charès – All oprical regeneration techniques, Ann Telecommun 58 (2003) 11-12 [2] P.V Mamyshev – All optical data regeneration based on self phase modulation effect, Proc ECOC 98, 1998, pp 475-476 [3] G.P Agrawal – Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, 2nd ed, 1995 [4] T.N Nguyen, M Gay, L, Bramerie, T Chartier, J.C Simon, M Joindot – Noise reduction in 2R – regeration technique utilizing self-phase modulation and filtering, Opt Express, 14 (2006) 1737 [5] J.M Harbold, F O, Uday, F.W Wise, and B.G Aitken – Highly Nonlinear Ge-As-Se and Ge-As-S-Se Glasses for all-Optical Switching, IEEE photon Technol Lett 14 (2002) 822-824 [6] F Smektala, L Brilland, T Chartier, T.N Nguyen, j Troles, Y>F> Nieu, S Danto, N.Traynor, and T Jouan – Recent advances in the development of holey optical fibers based on sulfide glasses, SPIE 6128, 2006 [7] E.Forestieri – Optical Communications: Theory and techniques, Springer Science, 1997 [8] S Bigo – Improving spectral efficeecy by ubtra-narrow optical filtering to a chieve multierbit/s, in OFC’01, California, Mar 2001, pp 362-364 [9] R.W Boyd – Nonlinear Optics, Academic Press, 1991 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung ... phép lấy dạng đường bao phổ tín hiệu điểm A, B C sơ đồ Bộ tái tạo tín hiệu AO2R-SPM sử dụng sợi quang phi tuyến Các sợi quang phi tuyến chế tạo đặc biệt có hệ số phi tuyến lớn cỡ 5000 lần sợi quang... chiều dài hiệu dung sợi quang Hiện tượng pha tín hiệu đường truyền hàm số công suất tín hiệu đầu vào biết đến tượng tự điều chế pha SPM, làm xuất tần số giãn rộng băng tần phổ tín hiệu đầu Độ... sở lý luận Về nguyên lý, Mamyshev đề xuất ứng dụng SPM để cải tạo tín hiệu quang từ năm 1998 [2] Bộ tái tạo 2R toàn quang dựa hiệu ứng phi tuyến SPM (từ đặt tên tái tạo AO2R-SPM) sử dụng đoạn