Hệ thống thông tin quang soliton

Trờng Đại học Vinh Khoa vật lý ---------------------- phạm đình diện Hệ thống thông tin quang soliton Khoá luận tốt nghiệp đại học Chuyên ngành điện tử viễn thông Cán bộ hớng dẫn: ThS. Đoàn Hoài Sơn Sinh viên thực hiện: Phạm Đình Diện Lớp: 43B - vật lí Khoá luận tốt nghiệp Vinh - 2006 Mục lục Chơng 1. Tổng quan về hệ thống thông tin quang 1.1. Khái quát về lịch sử ra đời thông tin quang .1 1.2. Qúa trình phát triển hệ thống thông tin quang 4 1.3. Các thành phần chính của hệ thống thông tin quang 7 1.4. Hiệu ứng soliton . 10 1.4.1. Cơ sở của soliton thời gian 10 1.4.2. C ơ sở soliton không gian 15 Chơng 2. Soliton sợi - Hệ thống thông tin soliton 2.1. Soliton sợi .15 2.1.1 Phơng trình schrodinger phi tuyến15 2.1.2. Các soliton cơ bản và soliton bậc cao17 2.1.3. Các soliton tối23 2.2. Hệ thống thông tin soliton .23 2.2.1. Truyền dẫn thông tin bằng soliton .23 2.2.2. Tơng tác soliton25 2.2.3. Chirp tần số . .28 2.2.4. Các bộ phát soliton 29 2.2.5. Giãn xung soliton do suy hao.32 2.2.6. Khuếch đại soliton 33 Chơng 3. Các hệ thống soliton dung lợng cao 3.1. Thiết kế hệ thống soliton .36 3.1.1. Chế độ soliton trung bình 36 3.1.2. Nhiễu khuếch đại .38 3.1.3. Jitter thời gian .43 3.1.4. Một số kết quả thực nghiệm 44 3.2. Các hệ thống soliton dung lợng cao 46 3.2.1. Chế độ đoạn nhiệt .46 3.2.2. Ghép kênh phân cực . 48 SVTH: Phạm Đình Diện - Lớp 43B - Vật lý 2 Khoá luận tốt nghiệp 3.2.3. Khuếch đại phân bổ 50 kết luận .52 tài liệu tham khảo .53 Lời nói đầu Từ thuở xa xa con ngời đã biết báo hiệu các thông tin cho nhau bằng ánh sáng. Qua thời gian dài của sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin đã đợc phong phú dần lên và ngày càng đợc phát triển thành hệ thống thông tin hiện đại nh ngày nay, tạo điều kiện thuận lợi cho khắp nơi trên thế giới có thể liên lạc đợc với nhau một cách dễ dàng và nhanh chóng. ở trình độ phát triển cao về thông tin nh hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã nổi lên và là các hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất. Nó đợc triển khai nhanh trên mạng lới viễn thông của các quốc gia trên thế giới với đủ mọi hình thức linh hoạt, tốc độ và cự li truyền dẫn phong phú bảo đảm chất lợng dịch vụ viễn thông tốt nhất. Từ những năm 80 của thế kỉ XX. Hệ thống thông tin quang đã đợc ứng dụng rộng rãi trên các mạng truyền dẫn. Trong những năm tới và tơng lai các hệ thống thông tin quang vẫn là các hệ thống thông tin chủ đạo, chúng còn tiềm tàng khả năng rất lớn trong việc hiện đại hoá các mạng lới viễn thông trên thế giới. Chúng tôi nhận thức đợc vai trò và tầm quan trọng của hệ thống thông tin quang nh đã nói ở trên. Chúng tôi chọn hớng nghiên cứu Hệ thống thông tin quang soliton với các nội dung chính sau: Chơng 1. Tổng quan về hệ thống thông tin quang Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin quang và hiệu ứng soliton. Chơng 2. Soliton sợi - Hệ thống thông tin solioton Trình bày một số vấn đề về soliton sợi và hệ thống thông tin soliton. Chơng 3. Các hệ thống soliton dung lợng cao Giới thiệu khái quát về soliton dung lợng cao. Tuy nhiên, với trình độ còn nhiều hạn chế của một sinh viên nên đề tài nghiên cứu này của tôi sẽ không tránh khỏi những hạn chế, sai sót. Bởi vậy, tôi rất mong đợc sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo cùng toàn thể các bạn sinh viên để để đề tài đợc hoàn chỉnh hơn. SVTH: Phạm Đình Diện - Lớp 43B - Vật lý 3 Khoá luận tốt nghiệp Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo cùng các bạn sinh viên đã quan tâm giúp đỡ, đóng góp ý kiến quý báu trong quá trình hoàn thành luận văn này . SVTH: Phạm Đình Diện - Lớp 43B - Vật lý 4 Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang Hệ thống thông tin đợc hiểu một cách đơn giản là hệ thống thông tin từ nơi này đến nơi khác. Khoảng cách giữa các nơi có thể từ vài trăm mét tới hàng trăm km, thậm chí hàng chục ngàn km, thông tin có thể đợc truyền qua các sóng điện với các giải lần khác nhau từ vài chục mê-ga-mét với hàng trăm tê-ra-héc. Còn thông tin quang đợc thực hiện trên hệ thống sử dụng tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc hồng ngoại của phổ sóng địên từ. Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng và sử dụng tốt các sợi quang để truyền thông tin. Các hệ thống này đợc phát triển rất nhanh và đang đợc ứng dụng rộng rãi trên các mạng truyền dẫn từ năm 1980. Trong những năm tới và tơng lai các hệ thống thông tin quang sợi vẫn là các hệ thống thông tin chủ đạo, chúng còn tiềm tàng khả năng rất lớn trong việc hiện đại hoá các mạng lới viễn thông trên thế giới. 1.1. Khái quát về lịch sử ra đời thông tin quang Ngay từ xa xa để thông tin cho nhau con ngời đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu. Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại nh ngày nay. Tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau và một cách thuận lợi và nhanh chóng. ở trình độ phát triển cao về thông tin nh hiện nay các hệ thống thông tin đã nổi lên là các hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó đã đ- ợc triển khai nhanh trên mạng lới viễn thông các nớc trên thế giới có đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các tốc độ và cự ly truyền dẫn phong phú bảo đảm chất lợng dịch vụ viễn thông tốt nhất. Thông tin quang đợc tổ chức hệ thống tơng tự nh các hệ thống thông tin khác, vì thế mà thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin luôn tuân theo một hệ thống thông tin chung. SVTH: Phạm Đình Diện - Lớp 43B - Vật lý 5 Khoá luận tốt nghiệp Nơi tín hiệu Thiết bị Môi trờng Thiết bị Nơi tín cần truyền đi phát truyền dẫn thu hiệu đến Đây là nguyên lí thông tin mà loài ngời đã sử dụng ngay từ thời kì khai sinh ra các hình thức thông tin. Trong sơ đồ này tín hiệu truyền đi sẽ đợc phát vào môi trờng tơng ứng và ở tín hiệu cần truyền thông tin, nh vậy tín hiệu đã đợc thông tin từ nơi giữ tín hiệu đi tới nơi nhận tín hiệu đến. Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trờng truyền dẫn ở đây chính là sợi dẫn quang, nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu. Để khảo sát một cách có hệ thống về thông tin quang, ta xem xét một cách khái quát bối cảnh hình thành các hệ thống thông tin nói chung, từ đó sẽ thấy đợc hệ thống thông tin ra đời nh thế nào. Cho tới nay, đã có rất nhiều các hệ thống thông tin dới các hình thức đa dạng, các hệ thống thông tin này đợc gán cho các tên gọi nhất định theo môi tr- ờng truyền dẫn và đôi khi theo cả tính chất dịch vụ của hệ thống thông thờng thì các hệ thống sau đều là sự kế thừa từ các hệ thống trớc. Các hệ thống mới đợc cải tiến và hoàn thiện hơn các hệ thống trớc nó. Sau thời kì phát minh ra máy điện báo của Samuel F.B.Morse năm 1838, dịch vụ điện báo đầu tiên đợc đa vào và khai thác năm 1844 và dần dần tăng lên với số lợng đáng kể. Năm 1878 ngời ta đã tiến hành đặt các cáp đồng để nối với tổng đài điện thoại tại New Henen bang Connecticut. Năm 1895 GuglielmoMarconi ứng dụng bức xạ điện từ bớc sóng dài do HeinrichHertz phát hiện vào năm 1887 để truyền tín hiệu vô tuyến. Những năm sau đó và trong thế kỷ 20, mạng lới điện thoại đã đợc phát triển rộng khắp trên thế giới và liên tiếp xuất hiện những công nghệ tiên tiến trong việc thiết kế các hệ thống thông tin điện. Xu hớng sử dụng phổ sóng điện từ để biến đổi tín hiệu truyền dẫn tăng lên, ở đây tín hiệu mang thông tin thờng đợc chồng lên một sóng điện từ khác có dạng hình sin mà ngời ta thờng gọi là sóng mang trớc khi đa vào đờng truyền. ở phía thu tín hiệu chứa thông tin sẽ đợc tách ra khỏi SVTH: Phạm Đình Diện - Lớp 43B - Vật lý 6 Khoá luận tốt nghiệp sóng mang và đợc xử lí lại theo yêu cầu. Lợng thông tin đợc phát đi có liên quan trực tiếp tới băng tần mà sóng mang hoạt động, nh vậy tăng tần số sóng mang tức là tăng băng tần truyền dẫn, lúc đó sẽ có đợc dung lợng thông tin lớn hơn. Xuất phát từ đây, các hệ thống thông tin điện có đợc cơ hội phát triển và sau này lần lợt ra đời các lĩnh vực truyền hình, rada, các tuyến viba. Hệ thống viba đầu tiên hoạt động với tần số sóng mang 4GHz đã đợc khai thác năm 1948, sau đó các hệ thống có băng tần cao hơn tiếp tục đợc lắp đặt trên mạng lới. Cùng với sự phát triển của các hệ thống viba, các hệ thống cáp đồng trục cũng đợc lắp đặt để hoạt động với tốc độ bít ~ 100Mbit/s. Năm 1975 hệ thống cáp đồng trục tiên tiến nhất có tốc độ là 274Mbit/s. Các hệ thống có tốc độ bít cao nh vậy có cự ly khoảng lặp rất ngắn (~1km) và giá thành rất đắt. Các hệ thống viba có tốc độ bít tơng tự có thể cho cự ly xa hơn, nhng cũng bị hạn chế bởi tần số sóng mang. Nhìn chung hình ảnh có ý nghĩa khi đề cập tới khả năng của hệ thống thông tin là tích tốc độ bít cự ly BL. Trong đó B là tốc độ bít và L là cự ly khoảng lặp. Hình 1.2. Mô tả tích BL tăng lên theo tính hiện đại của công nghệ thông tin trong một thế kỷ rỡi qua. Hình1.2 : Sự tăng của của tích tốc độ bit - cự ly SVTH: Phạm Đình Diện - Lớp 43B - Vật lý 7 Khoá luận tốt nghiệp Ta nhận thấy rằng trong nửa cuối thế kỷ 20. Tích BL tăng mạnh theo cấp thập phân nếu sử dụng sóng ánh sáng làm sóng mang. Vào năm 1960, việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kì mới có nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng. Sự kiện này gây ra sự cuốn hút đặc biệt các nhà nghiên cứu hàng đầu về thông tin trên thế giới và tạo ra các ý tởng tập trung tìm tòi giải pháp sử dụng ánh sáng laser cho thông tin quang. Đó là sự xuất phát của sự ra đời các hệ thống thông tin quang. 1.2. Quá trình phát triển hệ thống thông tin quang Theo lí thuyết thì hệ thống thông tin quang có thể cho phép con ngời thực hiện thông tin với lợng kênh rất lớn vợt gấp nhiều lần các hệ thống viba hiện có. Hàng loạt thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển đợc thực hiện ngay sau đó, một số kết quả ban đầu đã thực hiện đợc nhng tiếc rằng chi phí cho việc này quá kém, kinh phí tập trung cho việc sản xuất các thành phần thiết bị để vợt qua đợc các cản trở cho điều kiện thời tiết (ma, sơng mù, bụi ) gây ra là con số khổng lồ, chính vì vậy cha thu hút đợc sự chú ý của mạng lới. Một hớng nghiên cứu khác cùng thời gian này đã tạo đợc hệ thống truyền tin đáng tin cậy hơn là sự phát minh ra sợi dẫn quang. Các sợi dẫn quang lần đầu tiên đợc chế tạo mặc dù còn sai hao rất lớn (khoảng 1000dB/km) đã tạo ra đợc một mô hình hệ thống có xu hớng linh hoạt hơn. Vào năm 1966 Kao, Hockman và Werts đã nhận thấy rằng suy hao của sợi dẫn quang chủ yếu là do tạp chất có trong vật liệu chế tạo của sợi gây ra và cho rằng có thể làm giảm đợc đờng truyền dẫn khả thi. Điều này đã đợc thực hiện vào năm 1970 khi Kapron, Keck và Mewrel chế tạo một sợi silica có suy hao là 20dB/km tại Corning Glass. Suy hao này nhỏ hơn so với thời điểm đầu chế tạo sợi và cho phép tạo cự ly truyền dẫn t- ơng đơng với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng không ngừng của các nhà nghiên cứu, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ hơn lần lợt ra đời. Tới đầu những năm 1980 các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã đợc phổ biến khá rộng với vùng bớc sóng làm việc 130nm. Cho đến nay sợi dẫn quang đã đạt tới mức sai hao rất nhỏ, giá trị suy hao dới 0,154 dB/km tại bớc sóng SVTH: Phạm Đình Diện - Lớp 43B - Vật lý 8 Khoá luận tốt nghiệp 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong gần ba thập kỉ vừa qua. Giá trị suy hao này đã gần đạt tới tính toán lí thuyết cho các sợi đơn mode là 0,14dB/km. Cùng với công nghệ chế tạo phát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang có u điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại. - Suy hao truyền dẫn nhỏ - Băng tần truyền dẫn rất lớn - Không bị ảnh hởng của nhiễu điện từ - Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao - Có kích thớc và trọng lợng nhỏ - Sợi có tính cách điện tốt - Tin cậy và linh hoạt - Sợi đợc chế tạo từ vật liệu rất sẵn có Vì vậy các hệ thống thông tin quang nhanh chóng đợc áp dụng rộng rãi trên mạng lới. Chúng có thể đợc xây dựng làm các tuyến đờng trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao có thể kéo dài cho tới cả việc truy cập vào việc thuê bao linh hoạt và đáp ứng đợc mọi môi trờng lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới xuyên lục địa, vợt đại dơng v v Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho các hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dới dạng ghép kênh nào, theo các tiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu hay Nhật Bản nh ở bảng 1.2. Phân Cấp Bắc Mỹ Tốc độ bít Số kênh Mbit/s thoại Châu Âu Tốc độ bít Số kênh Mbit/s thoại Nhật Bản Tốc độ bit Số kênh Mit/s thoại 1 2 3 4 5 1,544 24 6,312 96 44,36 672 274,176 4032 274,176 4032 2,048 30 8 448 120 34,368 480 139,264 1920 565,148 7680 1,544 24 6,312 96 32,064 480 97,728 1440 396,200 5760 Bảng 1.2. Tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật SVTH: Phạm Đình Diện - Lớp 43B - Vật lý 9 Khoá luận tốt nghiệp Trong những năm gần đây có một tiêu chuẩn mới đợc phát triển đợc gọi là SONET tốc độ truyền dẫn ở đây có hơi khác, nó xác định cấu trúc khung đồng bộ để giữ một lu lợng ghép kênh số trên sợi quang. Tốc độ truyền dẫn cơ bản và là mức đầu tiên của phân cấp tín hiệu SONET gọi là Tín hiệu truyền tải đồng bộ cấp 1 STS 1 và có tốc độ bít 51,94Mbit/s. Các tín hiệu SONET cấp cao hơn gọi là tín hiệu OC-N. Tín hiệu OC-N sẽ có đờng truyền gấp nhiều lân tín hiệu OC-1 Mức OC-1 OC-3 OC-9 OC-12 OC-18 OC-24 OC-36 OC-48 Tốc độ truyền (Mbit/s) 1,84 155,52 466,56 622,06 933,12 1244,16 1866,24 2488,32 Bảng 1.3. Các nớc phân cấp tín hiệu SONET Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã đợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới, chúng đáp ứng cả các tín hiệu tơng tự (analong) và số (digital), chúng cho phép truyền tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng đầy đủ của mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lợng cáp quang hiện nay đợc lắp đặt trên thế giới với số lợng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Thực tế, thông tin quang đang ở giai đoạn kết thúc thế hệ thứ t và bắt đầu thế hệ thứ năm với việc giải quyết tán sắc của sợi quang cùng với ứng dụng quang khuếch đại quang trên diện rộng. Các hệ thống thông tin quang đã đợc triển khai thử nghiệm thành công với những đặc tính rất hấp dẫn nh tốc độ 1,2Tbit/s hay truyền dẫn soliton cự ly 9400 km tại tốc độ 70Gbit/s nhờ ghép 7 kênh 10Gbit/s Rõ ràng là thông tin quang luôn mang lại nhiều bất ngờ trong sự phát triển công nghệ. Điều đó muốn nói rằng chúng ta phải thờng xuyên bổ túc nhiều kiến thức về thông tin quang. 1.3. Các thành phần chính của hệ thống thông tin quang Các thành phần chính của tuyến gồm có thiết bị phát quang - còn gọi là bộ phát quang, cáp sợi quang và thiết bị thu quang - hay bộ thu quang. Nó có cấu trúc tuyến thông tin quang nh hình 1.3 SVTH: Phạm Đình Diện - Lớp 43B - Vật lý 10 . Tổng quan về hệ thống thông tin quang Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin quang và hiệu ứng soliton. Chơng 2. Soliton sợi - Hệ thống thông tin solioton. của sự ra đời các hệ thống thông tin quang. 1.2. Quá trình phát triển hệ thống thông tin quang Theo lí thuyết thì hệ thống thông tin quang có thể cho phép