Nghiên cứu hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI XUÂN LINH BÙI XUÂN LINH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN HỖN LOẠN TOÀN QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành kỹ thuật truyền thơng KHỐ 2011 Hà Nội – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI XUÂN LINH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN HỖN LOẠN TOÀN QUANG Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS TRẦN ĐỨC HÂN Hà Nội – 2013 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Đức Hân, người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em hoàn thành đồ án Xin cảm ơn bảo quý báu thầy, từ nguyên lý, phương pháp thuật ngữ luận văn Em luôn biết ơn bảo chân thành thầy học thuật sống Em xin chân thành cảm ơn TS Hoàng Mạnh Thắng tận tình giúp đỡ em hồn thành phần mơ luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em kiến thức quý báu năm học vừa qua Cảm ơn bạn khóa nhiệt tình khích lệ việc nghiên cứu lĩnh vực mẻ Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình luôn ủng hộ, tạo điều kiện để em hồn thành luận văn Mặc dù em cố gắng hoàn thành luận văn thời gian khả cho phép chắn không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo tận tình q thầy Em xin chân thành cảm ơn ! Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn tồn quang TĨM TẮT Những khái niệm lý thuyết ban đầu hỗn loạn nêu sớm, nhiên năm gần lý thuyết nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Nó coi trào lưu khoa học lĩnh vực nghiên cứu nhiều ngành khoa học sinh học, khí tượng học, vật lý học… Hỗn loạn nghiên cứu nhằm tìm hiểu khả ứng dụng lĩnh vực điện tử viễn thơng Gần đây, Ủy ban châu Âu tài trợ để thử nghiệm hệ thống truyền dẫn hỗn loạn cáp quang thương mại Athen, Hy Lạp Thực nghiệm bước khởi đầu để áp dụng hỗn loạn vào truyền dẫn quang – phương pháp truyền dẫn đường dài viễn thông Mở thời kỳ truyền dẫn bảo mật cho thông tin quang Luận văn tập trung nghiên cứu, mô hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang bao gồm laser diode hỗn loạn, vấn đề đồng bộ, kênh truyền, máy thu máy phát Luận văn gồm chương :  Chương : Laser bán dẫn  Chương : Chế độ hỗn loạn laser bán dẫn  Chương : Hệ thống truyền dẫn quang hỗn loạn  Chương : Kết mô đồng laser Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang ABSTRACT Although the concepts and theories of chaos were raised long time ago, they have been studied and developed quickly in recent years Chaos is being regarded as a new trend of science and a new field for study of such sciences as biology, meteorology, physics… Chaos is also being studied in order to find out its application in communication Recently, an experiment, financed by the European Comission, realized a demonstration of chaos transmission over a commercial fiber optic networks beneath the streets of Athens The experiment is the beginning step of using chaos in optical transmission – which is the current main medium on longhaul transminssion It is also hoped that the experiment will lead to a new period of secured optical transmission where the privacy of the users is more enhanced This thesis focuses on study and simulation of an all-optical chaotic transmission system including chaotic laser diode, synchronization, transmission channel, transmitter and receiver issues The thesis includes chapters :  Chapter 1: Semiconductor laser  Chapter : Chaotic in semiconductor laser  Chapter 3: Chaotic optical telecommunication system  Chapter 4: Simulation results for synchronization in laser Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ACM Additive chaos masking Mặt nạ hỗn hợp cộng thêm AM Amplitude Modulation Điều biên ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu phát xạ tự phát BH Buried Heterostructure Cấu trúc dị thể chôn BR Bit rate Tốc độ bit CM Chaos Modulation Điều chế hỗn loạn CW Continuous Wave Sóng liên tục DBR Distributed Bragg Reflector Phản xạ phân tán Bragg DCF Dispersion Compensation Fiber Sợi bù tán sắc Delay line Dây trễ EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Sợi pha tạp khuếch đại Erbium ELED Edge Light Emitting Diode LED phát xạ cạnh EOM Electro-optic Modulator Bộ điều chế quang điện GS General Synchronization Đồng tổng quát LPF Lowpass Filter Bộ lọc thông thấp ML Master Laser Laser chủ SL Slave Laser Laser tớ Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích Synchronization Error Lỗi đồng DL SRS SE Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC HÌNH LỜI NĨI ĐẦU .1 GIỚI THIỆU .2 NỘI DUNG CHƯƠNG - Laser bán dẫn…………………………………….………… Nguyên lý hoạt động laser 1.1 Động học trạng thái kích thích 1.2 Đặc tính vạch phổ laser 1.3 Nguyên lý hoạt động máy phát laser, máy khuếch đại lượng tử 14 Laser bán dẫn 17 2.1 Bức xạ kích thích (Stimulated Emission) 17 2.2 Đặc tính phổ laser bán dẫn 22 2.3 Phân loại laser 25 2.4 Laser bán dẫn đơn mode 27 CHƯƠNG - Chế độ hỗn loạn laser bán dẫn 29 Mơ hình laser hỗn loạn 29 1.1 Cơ sở lý thuyết hỗn loạn 29 1.1 Sự hỗn loạn Laser 34 Quá trình đồng 35 2.1 Quá trình đồng laser bán dẫn 36 2.2 Đồng mã hóa gói tin 38 2.3 Hiệu suất đồng 42 CHƯƠNG - Hệ thống truyền dẫn quang hỗn loạn 48 Mã hóa gói tin 48 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang 1.1 Phương pháp mặt nạ giấu hỗn loạn cộng vào (Additive Chaos MaskingACM) 50 1.2 Phương pháp điều chế hỗn loạn CM 53 Bảo mật thông tin 54 Khơi phục gói tin 56 Ảnh hưởng tốc độ bit khơi phục gói tin 57 Kênh truyền 58 5.1 Bù tán sắc 60 5.2 Khuếch đại 60 5.3 Bộ lọc quang 62 5.4 Chuyển đổi điện quang 62 5.5 Bộ lọc điện 63 CHƯƠNG - Kết mô đồng laser .65 Hệ thống laser phát 67 1.1 Phương trình E(t): 68 1.2 Phương trình Ф(t) 69 1.3 Phương trình N(t): 70 Hệ thống laser thu: 71 2.1 Hệ phương trình laser thu: 71 2.2 Hệ thống laser thu: 72 Hệ thống tổng quát: 75 Tín hiệu thu được: 76 4.1 E(t) bên thu: 76 4.2 Ф(t) bên thu: 77 4.3 N(t) bên thu: 77 4.4 E(t) bên phát: 78 4.5 Ф (t) bên phát: 78 4.6 N(t) bên phát: 79 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Đồ thị đồng 80 5.1 Đồ thị điện trường bên thu bên phát chưa đồng 80 5.2 Đồ thị pha bên thu bên phát chưa đồng 80 5.3 Đồng điện trường bên thu bên phát đồng 81 5.4.Đồ thị đồng pha bên thu bên phát 82 KẾT LUẬN 83 MỤC LỤC THAM KHẢO 84 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Xác định thông số laser hỗn loạn Các giá trị thể bảng sử dụng mô Các số t, r tương ứng với phát, thu 30 Bảng 3.1 : Định nghĩa thông số sợi NZDS (G.655) 59 Bảng 3.2 Định nghĩa thông số DCF 59 Bảng 3.3: Định nghĩa thông số tách sóng quang 63 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Hệ thống laser thu: 2.1 Hệ phương trình laser thu: Hình 4.5: Phương trình laser thu 71 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang 2.2 Hệ thống laser thu: Hình 4.6: Hệ thống laser thu 72 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang 2.2.1 Phương trình E(t): Hình 4.7: Phương trình E(t) thu 73 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn tồn quang 2.2.2 Phương trình Ф (t): Hình 4.8: Phương trình Ф (t) thu 74 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn tồn quang 2.2.3 Phương trình N(t): Hình 4.9: Phương trình N(t) thu Hệ thống tổng quát: Hình 4.10: Hệ thống tổng quát 75 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Tín hiệu thu được: 4.1 E(t) bên thu: Hình 4.11: Tín hiệu E(t) thu 76 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang 4.2 Ф(t) bên thu: Hình 4.12: Tín hiệu Ф (t) thu 4.3 N(t) bên thu: Hình 4.13: Tín hiệu N(t) thu 77 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang 4.4 E(t) bên phát: Hình 4.14: Tín hiệu E(t) bên phát 4.5 Ф (t) bên phát: Hình 4.15: Tín hiệu Ф (t) bên phát 78 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn tồn quang 4.6 N(t) bên phát: Hình 4.16: N(t) bên phát 79 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Đồ thị đồng 5.1 Đồ thị điện trường bên thu bên phát chưa đồng Hình 4.17: Đồ thị điện trường bên thu bên phát chưa đồng 5.2 Đồ thị pha bên thu bên phát chưa đồng Hình 4.18: Đồ thị pha bên thu bên phát chưa đồng 80 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang 5.3 Đồng điện trường bên thu bên phát đồng Hình 4.19: Đồ thị điện trường bên thu bên phát đồng 81 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang 5.4.Đồ thị đồng pha bên thu bên phát Hình 4.20: Đồ thi pha bên thu bên phát đồng 4.6 Đánh giá kết quả: Kết quả: Đã mô thành công hệ thống laser thu phát Đồng hệ thống bên thu bên phát 4.7 Hướng phát triển đề tài: Dựa kết đạt Em xin đề xuất hướng phát triển đề tài sau: • Xây dựng hệ thống laser phát với nhiều đường trễ • Thực mô mang tin tức vào hệ thống laser truyền • Thực mơ loại laser khác phương pháp để tạo tín hiệu hỗn loạn khác 82 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang KẾT LUẬN Với qui mô luận văn Luận văn đưa “Nghiên cứu hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang” giải vấn đề sau: Về mặt lý thuyết: • Tìm hiểu diode laser loại laser • Đã nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết hỗn loạn • Tìm hiểu phương pháp đồng hệ thống phương pháp đồng hệ thống laser • Tìm hiểu yếu tố ảnh hưởng đến bảo mật tín hiệu hỗn loạn đường truyền quang Về mặt mơ phỏng: • Đã mơ hệ thống phát laser hỗn loạn MatlabSimulink • Đã đồng hệ thống laser phát laser thu Hệ thống mô hoạt động tốt cho kết xác Tuy nhiên, hệ thống chưa cho phép đưa tín hiệu mang tin tức để đồng bên thu bên phát Ngoài hệ thống chưa cho nhiễu đường truyền Mặc dù cố gắng nhiều, đồ án số hạn chế mặt lý thuyết mô Trong thời gian tới với việc khắc phục hạn chế này, bổ sung thiếu xót tìm tịi cho đồ án Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Đức Hân TS Hồng Mạnh Thắng tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình thực luận văn 83 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang MỤC LỤC THAM KHẢO [1] S.H Strogatz, Non Linear Dynamics and Chaos, Addision-Wesley, New York, 1994 [2] L.M Pecora, T.L Carroll, G.A Johnson and D.J.Mar, Fundamentals of synchronization in chaotic systems, concepts and application, CODE 6343, J.of Chaos, Vol.7, No.4, pp.520-543,1997 [3] A Argyris et al., Chaos-based communications at high bit-rates using commercial fiber-optic links, Nature, Vol.438, pp.343-346, 2005 [4] J.M Liu, H.F Chen and S Tang, Optical-communication system based on chaos in semiconductor lasers, IEEE Tran Circuit and Systems, Vol.48, No.12, pp.1475-1483,2002 [5] C Mirasso, A Sanchez- Diaz, P.Colet and P Garcia-Fernandez, Synchronization of chaotic semiconductor lasers : application to encoded communication, IEEE Phot Tech.Lett., 8,299-301,1996 [6] L.M Pecora, T.L Carroll, Synchronization in chaotic systems, Phys Rev Lett.,64,pp.821-824,1990 [7] J.M Liu, H.F Chen and S.Tang, Synchronized chaotic optical communications at high bit rates, IEEE J.Quant.Electron, Vol.38,No.9,pp.11841196,2002 [8] A.Sasnchez-Diaz, C.R Mirasso, P.Colet and P Garcia-Fernández, Encoded Gbit/s digital communications with synchronized chaotic semiconductors lasers, IEEE J.Quant.Electron,Vol.35,No.3,pp.292-297,1999 [9] A Argyris, D Kanakidis, A Bogris and D Syvridis, Spectral synchronization in chaotic optical communication systems, IEEE J.Quant.Electron, Vol.41,No.6,pp.892-897,2005 [10] V.Annovazzi-Lodi, C.Antonelli, G Aromataris, M Benedetti, M Guglielmucci, A.Mecozzi, S.Merlo, M.Santagiustina, l Ursini, Chaos Encrypted 84 Luận văn thạc sỹ Optical Communication Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang System, Fiber and Integrated Optics, Vol.27,No.4,pp.308-316, July 2008 [11] C Zhou and C.H Lai, Decoding information by following parameter modulation with parameter adaptive control, Phys.Rev.E, Vol.59,No.6,pp.66296634,1999 [12] G.P.Agrawal, Fiber optics communication systems, Third Edition, J.Wiley&Sons, 2002 [13] Y.Aoki, Properties of fiber Raman amplifiers and their applicability to digital optical communication system, J.Lightw Tech, Vol.6, No.7,pp.12251239,1988 85 ... đồng hỗn loạn hệ thống laser bán dẫn thay đổi theo phóng tia hỗn loạn Theo hệ thống đơn ánh, theo hệ hồi tiếp hệ thống hồi tiếp quang Cả hệ thống đồng hỗn loạn truyền thông tin hỗn loạn cặp hệ thống. .. Laser bán dẫn  Chương : Chế độ hỗn loạn laser bán dẫn  Chương : Hệ thống truyền dẫn quang hỗn loạn  Chương : Kết mô đồng laser Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang ABSTRACT... dẫn phản hồi quang điện trễ 28 Luận văn thạc sỹ Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang Chương CHẾ ĐỘ HỖN LOẠN TRONG LASER BÁN DẪN Mơ hình laser hỗn loạn 1.1 Cơ sở lý thuyết hỗn loạn Trên sở