Hệ thống thông tin quang soliton

Tr-ờng đại học vinh Khoa vật lý === === hƯ thèng th«ng tin quang soliton khãa ln tèt nghiƯp đại học chuyên Ngành: quang học - quang phổ Cán h-ớng dẫn: TS đoàn hoài sơn Sinh viên thực hiện: ngô thị chi Lớp: 49B - Vật lý nghệ an - 2012 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khãa luËn này, ngồi nỗ lực thân, tơi nhận c nhiu s giỳp t thầy giáo TS Đoàn Hoài Sơn, thầy cô giáo khoa Vật lý Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS Đoàn Hoài Sơn, thy ó tn tỡnh hng dn ch bảo cho tơi q trình thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, người ln bên ng viờn tụi để hoàn thành khóa luËn nµy Dù cố gắng hết sức, kinh nghiệm cịn hạn chế, khãa ln khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý q báu từ thầy bạn Sinh viên Ngô Thị Chi Sinh viờn: Ngụ Th Chi Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Sự đời loại hệ thống thông tin quang 1.2 Quá trình phát triển hệ thống thông tin quang 1.3 Các thành phần hệ thống thơng tin quang CHƯƠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SOLITON 10 2.1 Khái niệm soliton 10 2.2 Soliton sợi 10 2.2.1 Phương trình Schrodinger phi tuyến 10 2.2.2 Các soliton soliton bậc cao 12 2.2.3 Các soliton tối 16 2.2 Hệ thống thông tin quang soliton 18 2.2.1 Soliton quang 18 2.2.2 Truyền dẫn thông tin soliton 20 2.2.3 Tương tác soliton 22 2.2.4 Các phát soliton 24 CHƯƠNG ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN VỌNG CỦA SOLITON 32 3.1 Tính ưu việt thơng tin soliton quang 32 3.2 Triển vọng thông tin soliton quang 33 3.3 Các hệ thống soliton dung lượng cao 34 3.3.1 Thiết kế hệ thống soliton 35 3.3.2 Các hệ thông soliton dung lượng cao 41 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 Sinh viên: Ngô Thị Chi Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT WDM Hệ thống nhân chia theo bước sóng SNR Tín hiệu nhiễu PMD Tán sắc phân cực mode GVD Tán sắc vận tốc nhóm SPM Sự tự điều chế pha RBD Laser ruby diode DFB Laser bán dẫn EDFA Bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium Sinh viên: Ngơ Thị Chi Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, cơng nghệ truyền thơng tin quang có bước tiến vững chắc, minh họa nhu cầu ngày tăng dịch vụ Các nhà nghiên cứu thiết kế hệ thống quang mạng nhận thấy thân chúng nhu cầu trường tồn để làm tăng thêm dung lượng truyền thông đường dài Kĩ thuật thông tin quang đưa vào khai thác mạng viễn thông đáp ứng nhu cầu gia tăng dịch vụ viễn thông ngày phong phú đa dạng nhân loại Truyền thông tin soliton quang qua trình nghiên cứu lâu dài thừa nhận kĩ thuật tiên tiến giúp tăng dung lượng tính mềm dẻo cử đặc tính truyền thông tồn tại, đáp ứng nhu cầu truyền dẫn cao đường dài Từ năm 80 kỉ XX hệ thống thông tin quang ứng dụng rộng rãi mạng truyền dẫn Trong tương lai, hệ thống thông tin quang hệ thống thơng tin chủ đạo, chúng cịn tiềm tàng khả lớn việc đại hóa mạng lưới viễn thông giới Nhận thức vai trò tầm quan trọng hệ thống thơng tin quang nói tơi chọn hướng nghiên cứu cho khóa luận “Hệ thống thơng tin quang soliton” với nội dung sau: Chương Tổng quan hệ thống thông tin quang Giới thiệu tổng quan hệ thống thông tin quang Chương Hệ thống thơng tin soliton Trình bày số vấn đề soliton sợi hệ thống soliton Chương Ứng dụng triển vọng soliton Giới thiệu số ứng dụng đưa tính ưu việt thông tin soliton Sinh viên: Ngô Thị Chi Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Hệ thống thông tin hiểu cách đơn giản hệ thống thông tin từ nơi đến nơi khác, thông tin quang thực hệ thống sử dụng tần số sóng mang cao vùng nhìn thấy hồng ngoại phổ sóng điện từ Hệ thống thơng tin quang sợi hệ thống thơng tin sóng ánh sáng sử dụng tốt sợi quang để truyền thông tin Các hệ thống sử dụng nhanh ứng dụng rộng rãi mạng truyền dẫn từ năm 1980 Trong năm tới tương lai hệ thống thông tin quang sợi hệ thống thông tin chủ đạo, chúng tiềm tàng khả lớn việc đại hóa mạng lưới viễn thơng giới 1.1 Sự đời loại hệ thống thông tin quang Thông tin quang tổ chức hệ thống tương tự hệ thống thông tin khác, mà thành phần hệ thống thông tin tuân theo hệ thống chung: Nơi tín hiệu cần truyền tới Thiết bị phát Mơi trường truyền dẫn Thiết bị thu Nơi tín hiệu đến Đây ngun lý thơng tin mà lồi người sử dụng từ thời kì khai sinh hình thức thơng tin Trong sơ đồ tín hiệu truyền phát vào môi trường tương ứng tín hiệu cần truyền thơng tin, tín hiệu thơng tin từ nơi giữ tín hiệu tới nơi nhận tín hiệu Đối với hệ thống thơng tin quang mơi trường truyền dẫn sợi dẫn quang, thực truyền ánh sáng mang tín hiệu thơng tin từ phía phát tới phía thu Sinh viên: Ngơ Thị Chi Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Cho tới nay, có nhiều hệ thống thơng tin hình thức đa dạng, hệ thống thơng tin gán cho tên gọi định theo mơi trường truyền dẫn đơi theo tính chất sử dụng hệ thống thơng thường hệ thống sau kế thừa từ hệ thống trước Các hệ thống cải tiến hồn thiện hệ thống trước Trong thời đại nữ hoàng (1834), kĩ sư thủy lợi Scot Russel quan sát thấy sóng từ mạn xà lan chạy theo kênh Union khơng đổi dạng Ơng định chạy theo sóng vài dặm phát khơng sóng bình thường Đáng tiếc thời kì nhà khoa học chưa thể giải thích truyền lan sóng Cho đến kỉ XX, tốn học đủ phát triển để giải tốn phương trình phi tuyến mơ tả q trình tiến triển theo thời gian sóng mà Russel phát Lời giải phương trình gọi Soliton (viết tắt Solitary-on nghĩa hạt đơn độc) Zacbusky Kruskel đặt đến năm 1972 hai nhà vậ lý Xô Viết Zacharrov Shabat tiên đoán khả tồn Soliton Sau thời kì phát minh máy điện báo Samuel F.B.Morse năm 1838 dịch vụ điện báo đưa vào khai thác năm 1844 tăng lên với số lượng đáng kể Năm 1878, người ta tiến hành đặt cáp đồng để nối với tổng đài điện thoại New Hênn bang Connecticut Năm 1859, Marconi ứng dụng xạ điện từ bước sóng dài HeinrichHertz phát vào năm 1887 để truyền tín hiệu vơ tuyến Trong kỉ XX, mạng lưới điện thoại phát triển rộng khắp giới liên tiếp xuất công nghệ tiên tiến việc thiết kế hệ thống thơng tin điện Xu hướng sử dụng phổ sóng điện từ để biến đổi tín hiệu truyền dẫn tăng lên, tín hiệu mang thơng tin thường chồng lên sóng điện từ khác có dạng hình sin mà người ta thường gọi sóng mang trước đưa vào đường truyền Ở phía thu tín hiệu chứa thông tin Sinh viên: Ngô Thị Chi Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh tách khỏi sóng mang xử lý lại theo u cầu Lượng thơng tin phát có liên quan trực tiếp tới băng tần mà sóng mang hoạt động, tăng tần số sóng mang tức tăng băng tần truyền dẫn, lúc có dung lượng thơng tin lớn Từ hệ thống thơng tin có hội phát triển sau đời lĩnh vực truyền hình, rada, tuyến viba 1.2 Quá trình phát triển hệ thống thông tin quang Theo lý thuyết hệ thống thơng tin quang cho phép người thực thông tin với lượng kênh lớn vượt nhiều lần hệ thống viba có Hàng loạt thực nghiệm thơng tin bầu khí thực sau đó, số kết thực chi phí lớn, việc sản xuất thiết bị để vượt qua cản trở cho điều kiện thời tiết lớn Một hướng nghiên cứu khác thời gian tạo hệ thống truyền tin đáng tin cậy phát minh sợi dẫn quang Một số mốc thời gian đặc biệt quan trọng: Trước năm 1962, truyền dẫn thông tin phương pháp truyền thống cáp điện, vơ tuyến điện, tín hiệu Moocxo,… Năm 1962, laser bán dẫn chế tạo Năm 1966, sợi quang thủy tinh chế tạo suy hao lớn 1000 db/km Năm 1970, sợi quang thủy tinh suy hao thấp chế tạo 20db/km, đồng thời chế tạo laser bán dẫn hoạt động nhiệt độ phòng Trong năm 1977, 1980 hệ thống thông tin quang thương mại hóa cửa sổ quang học thứ cửa sổ quang học thứ hai Năm 1982, chế tạo sợi quang đơn mode suy hao thấp 0,16db/km Năm 1984, hệ thống thơng tin quang thương mại hóa cửa sổ quang học thứ ba Năm 1985, hệ thống WDM (nhân chia theo bước sóng) tốc độ 10 kênh với 2,5Gb/s Sinh viên: Ngơ Thị Chi Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Năm 1986, khuếch đại EDFA đưa vào thực nghiệm Năm 1988, hệ thống cáp điện vượt Đại Tây Dương đến Thái Bình Dương Năm 1990,truyền dẫn soliton 2,5Gb/s không trạm lặp dài 13000km Năm 1995, hệ thống quang vượt Đại Tây Dương không trạm lặp 5Gb/s Năm 2003, truyền dẫn với tốc độ 10Tb/s qua 10000km Cho đến nay, hệ thống thông tin truyền dẫn với tốc độ cao Cùng với công nghệ chế tạo phát thu quang, sợi dẫn quang tạo hệ thống thông tin quang có ưu điểm trội hẳn so với hệ thống thông tin cáp kim loại - Suy hao truyền dẫn nhỏ - Băng tần truyền dẫn lớn - Khơng bị ảnh hưởng nhiễu điện từ - Có tính bảo mật tín hiệu thơng tin cao - Có kích thước trọng lượng nhỏ - Sợi có tính cách điện tốt - Tin cậy linh hoạt - Sợi chế tạo từ vật liệu sẵn có Vì hệ thống thơng tin quang nhanh chóng áp dụng rộng rãi mạng lưới Chúng xây dựng làm tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài việc truy cập vào thuê bao linh hoạt đáp ứng môi trường lắp đặt từ nhà xuyên lục địa vượt đại dương, Hiện nay, hệ thống thông tin quang ứng dụng rộng rãi giới, chúng đáp ứng tín hiệu tương tự (analong) tín hiệu số (digital), cho phép truyền tất tín hiệu băng rộng tín hiệu băng hẹp Cáp quang lắp đặt giới với số lượng lớn, đủ tốc độ truyền dẫn với cự ly khác nhau, cấu trúc mạng đa dạng Thực tế, Sinh viên: Ngơ Thị Chi Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh thông tin quang giai đoạn kết thúc hệ thứ tư bắt đầu hệ thứ năm với việc giải tán sắc sợi quang với ứng dụng khuếch đại quang diện rộng Như vậy, thông tin quang đưa đến cho người nhiều điều bất ngờ phát triển công nghệ 1.3 Các thành phần hệ thống thơng tin quang Các thành phần tuyến gồm có thiết bị phát quang – gọi phát quang, cáp sợi quang thiết bị thu quang – hay thu quang Nó có cấu trúc tuyến thơng tin quang hình sau: Hình 1.1: Các thành phần tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Thiết bị phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điều khiển liên kết với Cáp sợi quang gồm sợi dẫn quang lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ mơi trường bên ngồi Thiết bị thu quang cấu tạo tách sóng quang mạch Sinh viên: Ngơ Thị Chi Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh 10Gbit/s do: Tán xạ màu sợi; Độ phi tuyến sợi tích lũy tạp âm khuếch đại Đối với dạng sóng soliton, hiệu ứng phi tuyến tán xạ màu bù vào với Các thành phần để truyền dẫn: Nguồn tạo soliton, lọc quang, điều chế, sợi quang có đường kính trường mode lớn, ghép kênh theo thời gian Năm 1973, Hasegawa Tappert đưa khả tạo soliton việc sử dụng laser màu phát dãy xung ps cửa sổ quang 1550nm Soliton quang lí tưởng truyền khơng méo cự dài, suy hao sợi thực tế tán xạ Rayley không tránh khỏi việc bù tổn hao quan trọng để giữ chất soliton Hiện nay, hầu hết vấn đề khó khăn giải cách dùng EDFA 3.2 Triển vọng thông tin soliton quang Xung soliton quang khơng thay đổi hình dạng truyền sợi quang SPM bù giãn xung Sự giãn xung tạm thời giá trị tuyệt đối GVD bù cách nén SPM với GVD âm, làm cho xung quang ổn định Trong sợi quang, GVD âm (tán sắc) tồn vùng bước sóng dài 1330nm, nên soliton quang tạo có suy hao cực tiểu vùng 1550nm Sơ đồ sau minh họa tóm tắt phương pháp thực thơng tin quang đường dài với dung lượng lớn Sinh viên: Ngơ Thị Chi 33 Khóa luận tốt nghiệp Thơng tin quang đường dài thông lượng lớn Trường Đại học Vinh Truyền dẫn xung tốc độ cao bước sóng có tán xạ không Ghép theo thời gian,cự li dài, tốc độ lớn Thông tin soliton quang sử dụng GVD âm Ghép theo tần số, cự li dài, tốc độ lớn Ứng dụng xung soliton quang Truyền dẫn quán ghép kênh theo bước sóng Truyền dẫn quán, ghép kênh theo bước sóng Truyền dẫn quán, ghép kênh theo bước sóng Truyền dẫn quán, ghép kênh theo bước sóng Hình 3.1 : Các phương pháp thơng tin đường dài, dung lượng lớn Triển vọng thông tin soliton: Các soliton tạo vùng suy hao cực tiểu; Truyền dẫn xung ngắn cự ly dài, cho phép thơng tin tốc độ cực cao; Không bị méo dạng xung sóng cự ly dài, đặc dụng thông tin đường dài; Không bị tán sắc nên khơng cần đặt xác xung vùng tán sắc không 3.3 Các hệ thống soliton dung lượng cao Chế độ soliton trung bình gần sử dụng cho thiết kế, hệ thống thông tin soliton Tuy vậy, việc sử dụng làm giới hạn tốc độ bit xuống 20Gbits/s khoảng cách khuếch đại thực tế Người Sinh viên: Ngô Thị Chi 34 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh ta thực số cải tiến nhằm làm tăng tốc độ bit hệ thống thông tin soliton lên ngưỡng 3.3.1 Thiết kế hệ thống soliton Phương thức mà soliton ảnh hưởng đến suy hao lượng phụ thuộc nhiều vào suy hao chiều dài LD khoảng cách khuếch đại LA Măt khác, khoảng cách khuếch đại nhỏ nhiều so với chiều dài tán sắc LD dạng soliton khơng bị méo nhiều lượng Trong hệ thống lượng vậy, soliton khuếch đại hàng trăm lần giữ nguyên dạng chúng Do phát triển soliton sau chi phối lượng soliton trung bình qua khoảng cách khuếch đại chế độ hoạt động gọi chế độ soliton trung bình 3.3.1.1 Chế độ soliton trung bình Khuếch đại soliton định kì giải thích thêm số hạng độ khuếch đại vào phương trình 2.28 viết sau: NA u  i i   u u  u  i ( G  1)  (   A )u   2 m 1 (3.1) với N A tổng số khuếch đại  A  LA LD ,   lD v G  exp( ) khuếch đại cần thiết để bù suy hao sợi Hàm delta thể chất khuếch đại bơm vị trí   m A Hệ số ( G  1) thể thay đổi biên độ soliton lúc khuếch đại Do chế khuếch đạo liên tục có thay đổi lượng soliton nhanh mà cần thực chuyển đổi: u( , )  a( )v( , ) (3.2) Với a( ) thể thay đổi nhanh v( , ) hàm biến đổi chậm  Thay phương trình 3.2 vào phương trình 3.1 thu v( , ) thỏa mãn: Sinh viên: Ngơ Thị Chi 35 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh i v  2v   a ( ) u u    (3.3) Trong a( ) thu cách giải phương trình sau: NA a   a  ( G  1) (  m A )  m 1 (3.4) Số hạng cuối phương trình 3.4 có tính tuần hồn có nghĩa   m A , (  ) hàm tuần hoàn  Trong chu kì, a( ) giảm theo hàm mũ nhảy đến giá trị ban đầu điểm cuối chu kì Khái niệm soliton trung bình xuất phát từ thực tế a ( ) biểu thức 3.3 thay đổi nhanh với chu kì  A  Do soliton tiến hóa chút qua khoảng cách ngắn  A thay a ( ) giá trị trung bình qua chu kì Phép lấy gần giải thích nhờ giả thiết nghiệm phương trình 3.3 có dạng v  v  v với v soliton trung bình thỏa mãn NSE chuẩn:   2 i    a (  )    0   (3.5) v nhiễu loạn 3.3.1.2 Nhiễu khuếch đại Việc sử dụng khuếch đại quang đường truyền có ảnh hưởng đáng kể đến tiến hóa soliton Nguyên nhân khuếch đại cần thiết để khôi phục lượng soliton sinh thêm nhiễu xạ tự phát khuếch đại có ảnh hưởng đến soliton nào, ta cần xem xét đến dạng soliton chung nhất:    u S ( , )  Sech     q exp  i  i     /  i  (3.6) Với tham số  , q ,   tương ứng biên độ, vị trí, tần số pha xung đầu vào   Dạng soliton cho thấy rõ quan hệ nghịch đảo Sinh viên: Ngô Thị Chi 36 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh biên độ độ rộng soliton Và cho thấy dịch chuyển tần số  trực tiếp làm thay đổi tốc độ soliton tỉ lệ với tổng dịch chuyển đơn giản vận tốc nhóm phụ thuộc vào tần số mang soliton Biểu thức 3.6 trở thành biểu thức 2.14   , q  ,     Tuy vậy, giá trị tương ứng với soliton lý tưởng thay đổi có nhiễu khuếch đại nhiễu loạn khác Ảnh hưởng ASE làm thay đổi giá trị  , q ,   biểu thức 3.6 cách ngẫu nhiên đầu khuếch đại Những biến đổi thăng giáng bốn tham số soliton tính tốn coi ASE nhiễu loạn Theo lí thuyết nhiễu loạn gián đoạn soliton có tiến hóa bốn tham số soliton nhiễu loạn  (uS ) biểu diễn sau:  d *  Im   u S u S d d  (3.7)  d *  Re   (u S ) tanh (  q)u S d d  (3.8) dq *    Im   (u S )(  q)u S d d  (3.9) d d    * q   Re   (u S )1   (  q) tanh (q)u S d (3.10) d d 2 với Re Im phần thực phần ảo Các phương trình biểu diễn tiến hóa đóng vai trị quan trọng thiết kế hệ thống soliton chúng sử dụng dạng nhiễu loạn tùy ý Trong trường hợp ASE, số hạng nhiễu loạn cho bởi:  (u S )  in( , ) exp( i  i) Sinh viên: Ngô Thị Chi (3.11) 37 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh với n( , ) nhiễu ngẫu nhiên thừa nhận phức tạp thăng giáng pha biên độ Nó triệt tiêu giá trị trung bình độ biến thiên liên quan đến mật độ nhiễu phổ S ASE công suất xạ tự phát khuếch đại quang sinh Sử dụng phương trình 3.7 đến 3.10, giá trị biến thiên độ thăng giáng là:    2  q  2 2n SP FG NS 3.12) 2nSP FG 3N S     (3.13) nSP FG 6N S   /  nSP FG 3N SP (3.14) (3.15) Trong đó, nSP hệ số xạ tự phát, N S số photon chứa soliton có lượng ES cho phương trình 2.20 FG cho sau: FG  G  1  G ln G (3.16) Những thăng giáng không ổn định biên độ dẫn đến suy giảm tỉ số tín hiệu nhiễu chùm bit soliton Mặc dù không rõ ràng thăng giáng tần số gây jitter thời gian ảnh hưởng đến chất lượng thông tin soliton làm giới hạn khoảng cách truyền dẫn tổng 3.3.1.3 Jitter thời gian Mặc dù khuếch đại quang bù suy hao sợi mà nói khoảng cách truyền dẫn khơng cịn bị giới hạn Nhưng thực tế tổng khoảng cách truyền dẫn tuyến soliton bị giới hạn, Sinh viên: Ngơ Thị Chi 38 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh jitter thời gian gây Một hệ thống thông tin soliton hoạt động cách tin cậy tất soliton thu vào khe bit ấn định chúng Có số chế vật lý làm chệch vị trí soliton so với vị trí ban đầu bit - Jitter Gordon – Haus Như thấy phần trước, khuếch đại quang làm sinh thêm nhiễu ảnh hưởng đến biên độ tần số soliton khuếch đại Những thăng giáng biên độ làm suy giảm tỉ số tín hiệu nhiễu SNR chuỗi bit soliton Sự suy giảm SNR không mong muốn yếu tố giới hạn Trong thực tế, thăng giáng biến động tần số yếu tố ảnh hưởng mạnh đến chất lượng hệ thống sinh jitter thời gian Bản chất jitter hiểu thay đổi tần số soliton ảnh hưởng đến vận tốc nhóm tốc độ mà soliton lan truyền qua sợi Vì tần số dao động có nhiễu khuếch đại thời gian lan truyền soliton qua tuyến sợi giá trị ngẫu nhiên Những biến động thời gian di chuyển đến soliton tới thu gọi jitter thời gian Gordon – Haus - Jitter âm học Cơ chế jitter thời gian giới hạn khoảng cách truyền dẫn tổng có chất nằm tượng sóng âm học đơn giản Sự giảm trường quang lõi tạo nên gradien trường theo hướng tâm sợi Gradien trường dẫn đến hình thành sóng âm học thông qua hãm điện, tượng tạo thay đổi mật độ thay đổi trường điện Do số chiết suất thủy tinh nóng chảy có liên quan đến tỉ trọng vật liên tưởng thay đổi số chiết suất với tạo sóng âm học thay đổi số chiết suất kéo dài khoảng 2ns, xấp xỉ khoảng thời gian yêu cầu để sóng âm học truyền ngang qua lõi sợi Sinh viên: Ngơ Thị Chi 39 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Vì soliton nối tiếp với khoảng thời gian ngắn nhiều nên sóng âm học soliton phát ảnh hưởng đến hàng chục chí hàng trăm soliton Nếu chuỗi bit chứa bit “1” cho soliton chiếm riêng khe bit, tất soliton dịch chuyển lúc lượng nhờ xạ sóng âm học Tuy nhiên, chuỗi bit mã hóa thơng tin chứa chuỗi ngẫu nhiên bit “0” “1” thay đổi vận tốc nhóm soliton định phụ thuộc vào có mặt soliton hàng chục khe bit trước Vì thế, soliton khác có vận tốc chênh lệch khác chút làm sinh jitter đồng Vì vậy, jitter âm học có nguồn gốc định, trái với jitter Gordon – Haus có chất ngẫu nhiên Nhờ chất định jitter âm học mà giảm ảnh hưởng thực tế cách dịch chuyển cửa sổ thu thu thông qua mạch điều chỉnh tự động sử dụng loại mã hóa thích hợp Mặc dù nói chung jitter âm học có giá trị nhỏ Gordon – Haus, jitter âm học đóng góp đáng kể vào tổng jitter thời gian hệ thống thông tin soliton, đặc biệt tán sắc sợi lớn - Tán sắc phân cực mode Trong hệ thống thông tin soliton, tất soliton phát với trạng thái phân cực đầu vào tuyến sợi quang Tuy vậy, soliton khuếch đại theo định kì trạng thái phân cực chúng trở thành ngẫu nhiên xạ tự phát khuếch đại ASE thêm vào khuếch đại phân cực ngẫu nhiên Những bất ổn định phân cực dẫn đến jitter thời gian soliton đến thông qua lưỡng chiết sợi hai thành phần cực trực giao lan truyền với vận tốc nhóm khác chút Hiện tượng tán sắc phân cực mode ảnh hưởng đánh giá tham số PDM DP Jitter thời gian sinh kết hợp ASE PDM sau: Sinh viên: Ngô Thị Chi 40 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh  Pol  nSP FG DP L2 16 N S LA (3.17) Pol tăng tuyến tính theo khoảng cách truyền dẫn L giá trị Pol thường nhỏ, gần không ảnh hưởng đến hệ thống thơng tin soliton 10Gbits/s có khe bit rộng 100ps Tuy nhiên, sợi có giá trị tham số PDM lớn jitter thời gian sinh PDM trở nên tương đối quan trọng - Tương tác soliton Khi khơng có nhiễu khuếch đại soliton dịch chuyển vị trí chúng Vì lực tương tác hai soliton phụ thuộc vào khoảng cách pha tương đối chúng, hai yếu tố khơng ổn định có nhiễu khuếch đại, tương tác soliton làm thay đổi đáng kể jitter thời gian Gordon – Haus Xét thay đổi nhiễu pha tương đối soliton cạnh ta thấy jitter thời gian soliton tương tác nhìn chung bị tăng lên nhiễu khuếch đại Tuy nhiên, mức độ chênh lệch pha đầu vào lớn gần  soliton gần tính ngẫu nhiên pha làm giảm jitter thời gian 3.3.2 Các hệ thông soliton dung lượng cao 3.3.2.1 Chế độ đoạn nhiệt Trong chế độ soliton trung bình, thay đổi lượng suy hao lớn xảy khoảng cách khuếch đại với chút méo dạng soliton Do độ rộng soliton giảm để làm tăng tốc độ bit nên điều kiện LA LD khơng cịn nữa, gây méo dạng xạ đáng ý sóng tán xạ LA  LD Khi tiếp tục giảm độ rộng soliton dẫn đến chế độ mà LA LD tiến hóa động đáng kể soliton khoảng cách khuếch đại “Số phận” soliton chế độ phụ thuộc vào suy hao độ dài tán xạ bị chi phối Sinh viên: Ngơ Thị Chi 41 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh tham số không thứ nguyên   LD Nếu 1 soliton bị nhiễu loạn mạnh trì qua khoảng cách lớn Ngược lại, soliton thích ứng với suy hao đoạn nhiệt cách tăng độ rộng giảm cơng suất đỉnh giữ nguyên chất soliton Chế độ gọi chế độ đoạn nhiệt Đối với soliton khuếch đại theo chu kì với khoảng cách khuếch đại L A độ rộng tăng theo hệ số exp(LA ) trước soliton đến khuếch đại Do soliton làm phần lượng dạng sóng tán xạ, xạ sóng nên giảm tối thiểu nhỏ tốt, tốc độ soliton không nên tăng theo hệ số lớn Tính chất soliton xung quang trì tăng độ rộng soliton nhờ chất đoạn nhiệt phát triển soliton Hoạt động hệ thống thông tin soliton chế độ đoạn nhiệt địi hỏi phải loại bỏ sóng tán xạ Những phép mô số cho thấy sóng tán xạ tích lũy qua nhiều tầng khuếch đại làm phá vỡ nguyên vẹn chuỗi bit soliton tương tác với sóng tán xạ 3.3.2.2 Ghép kênh phân cực Do sợi quang đơn mode có hai trạng thái phân cực trực giao mode nên có cách ghép kênh gọi ghép kênh phân cực PDM sử dụng để làm tăng gấp đôi dung lượng hệ thống thông tin quang Trong PDM hai kênh bước sóng phát qua sợi cho chuỗi xung phân cực trực giao với đầu vào sợi Một chế khơng làm việc trừ sợi trì phân cực sử dụng trạng thái phân cực thay đổi ngẫu nhiên sợi thông thường nhứng thay đổi lưỡng chiết Tuy nhiên, cho dù trạng thái phân cực kênh thay đổi điểm cuối tuyến theo phương thức khơng dự đốn tính trực giao chúng trì, lập tầng kênh kĩ thuật quang Sinh viên: Ngô Thị Chi 42 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Trong triển khai PDM cho chuỗi bit soliton có tượng phi tuyến gọi tự bẫy soliton giải điều chế pha chéo, có xu hướng phá hủy tính trực giao hai chuỗi bit Bởi mà PDM triển khai cách chèn hai chuỗi bit soliton theo thời gian cho soliton gần có trạng thái phân cực trực giao Do tương tác soliton soliton phân cực trực giao yếu nhiều nên lợi ích PDM nằm việc giảm tương tác soliton Tốc độ bit hiệu dụng tăng đơn giản soliton đặt sát sử dụng kĩ thuật PDM Yếu tố quan trọng giới hạn chất lượng hệ thống soliton PDM độ lưỡng chiết sợi Dù sợi quang tốt tồn lưỡng chiết dư mà thay đổi dọc theo sợi có ứng lực thay đổi đương kính lõi Liên quan tới độ lưỡng chiết sợi tán sắc phân cực mode, tán sắc thể độ trễ tương đối hai thành phần phân cực tín hiệu PDM Thực tế tán sắc phân cực làm hạn chế nghiêm trọng việc sử dụng PDM hệ thống tuyến tính sử dụng tín hiệu NRZ Việc giới hạn hệ thống tuyến tính xuất có phụ thuộc PDM vào tần số, dẫn đến khử cực xung Tiềm PDM hệ thống thông tin dung lượng cao kiểm chúng Trong thí nghiệm thực với chế độ đoạn nhiệt, tương tác soliton với soliton giảm cho phép truyền dẫn 160Gbits/s qua 200km Điều quan trọng việc thiết kế hệ thống PDM liên quan đến suy hao phụ thuộc phân cực hay độ khuếch đại phụ thuộc phân cực Nếu hệ thống thông tin gồm nhiều phần tử, phần tử khuếch đại làm suy giảm hai thành phần phân cực soliton cách khác trạng thái phân cực dễ dàng bị thay đổi Mặc dù trục độ khuếch đại phụ thuộc Sinh viên: Ngô Thị Chi 43 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh phân cực suy hao phân bố đồng dọc tuyến soliton, nhưng ảnh hưởng trở thành nguồn jitter đồng quan trọng 3.3.2.3 Khuếch đại phân bổ Cơ chế khuếch đại phân bổ vốn chế độ khuếch đại ưu việt việc sử dụng bù suy hao điểm dọc tuyến sợi Trong thực tế chế độ sử dung sớm từ năm 1985 để thực truyền soliton qua 10km sợi sau cải tiến vào năm 1988 qua chiêu dài sợi 4000km nhờ sử dụng vịng sợi Trong thí nghiệm độ khuếch đại cung cấp thông qua khuếch đại Raman nhờ bơm sợi truyền dẫn bước sóng khoảng 1,46 m đến laser màu trung tâm Với đời EDFA việc khuếch đại liên tục trở nên phổ biến công suất bơm yêu cầu nhỏ Tuy nhiên với chạy theo khuếch đại liên tục tạo hạn chế chế độ soliton trung bình, khuếch đại phân bổ tránh hạn chế Trong chế thân sợi truyền dẫn pha tạp chút bơm cách định kì để cung cấp đủ độ khuếch đại nhằm bù vào suy hao sợi chỗ Nếu nói lí tưởng khuếch đại phân bổ địi hỏi độ khuếch đại khơng đổi G s đơn vị chiều dài để phù hợp với tỉ lệ suy hao không đổi  sợi Tuy nhiên, công suất bơm bị giảm có suy hao sợi bị hấp thụ tạp chất độ khuếch đại không đồng dọc theo chiều dài sợi khơng thể bù hồn toàn suy hao sợi điểm Trong thực tế người ta sử dụng chế độ bơm hai chiều để làm giảm tính khơng đồng độ khuếch đại Những thay đổi dư lượng soliton tìm cách giải phương trình: dE s     Gs  z E s dz (3.18) Những thay đổi lượng soliton dọc chiều dài sợi thu từ việc lấy tích phân phương trình thu được: Sinh viên: Ngơ Thị Chi 44 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh    sinh  P ( z  L A 2  sinh  P L A 2     z  E s ( z )  exp L A  sinh  P L A 2     (3.19) Ảnh hưởng chênh lệch lượng soliton phụ thuộc vào tỉ số  A  LA LD 3.3.3 Các thử nghiệm truyền soliton tốc độ siêu cao Hiện nay, công nghệ truyền soliton chủ yếu sử dụng khuếch đại quang phủ Erbium Đã có thử nghiệm truyền dẫn số liệu tốc độ cao cự ly dài với tín hiệu giả ngẫu nhiên Ở giới thiệu thử nghiệm truyền dẫn số liệu soliton với tốc độ 20Gbits/s qua cự ly 2000km 40Gbits/s qua cự ly 1000km Độ rộng xung 12ps Xung điều chế 10Gbits/s với chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên 23  , người ta sử dụng kĩ thuật ghép kênh với hai ghép quang 3dB Đối với 40Gbits/s thử nghiệm dùng kĩ thuật ghép phân cực cho phép tốc độ bit gấp hai lần Sợi để truyền soliton sợi tán sắc dịch chuyển với tán sắc tốc độ nhóm trung bình 0,4 ps/km/nm bước sóng 1552nm Các xung mã EDFA khuếch đại đến mức công suất soliton trung bình +1dB Cơng suất đỉnh soliton 4mW Khoảng cách lặp lại EDFA 50km, với suy hao tổng 11,5dB Mỗi EDFA gồm bơm laser InGaAsP 1480nm, ghép kênh WDM, cách ly, sợi Erbium lọc quang 3nm Sau truyền qua 2000km soliton tín hiệu quang phân kênh thành 10Gbits/s sử dụng điều chế LiNbO mạch tán đồng hồ Tín hiệu 40Gbits/s tách rẽ chùm phân cực thành hai tín hiệu 20Gbits/s, sau 10Gbits/s diode quang PIN tách Sinh viên: Ngơ Thị Chi 45 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh KẾT LUẬN Trong xã hội ngày hệ thống thông tin quang ứng dụng rộng rãi khoa học kĩ thuật đời sống Việc tìm hiểu hệ thống thơng tin quang soliton có ý nghĩa quan trọng sinh viên Vật lý Trong khoảng thời gian có hạn khóa luận đạt số kết sau: Khi khoảng cách truyền thông tin dài, tới cự ly đó, tín hiệu quang sợi bị suy hao nhiều Khi cần thiết phải có trạm lặp quang làm nhiệm vụ khuếch đại tái tạo tín hiệu để nơi thu nhận tín hiệu phát Khi xung lan truyền mơi trường phi tuyến quang bị thay đổi thơng số, q trình truyền lan chịu ảnh hưởng nhiều hiệu ứng khác Đối với hiệu ứng khơng gian tín hiệu hội tụ tín hiệu phân kì cịn hiệu ứng liên quan đến thời gian hiệu ứng tán sắc hiệu ứng biến điệu pha Các soliton hình thành từ cân GVD SPM có khả trì độ rộng xung qua khoảng cách lan truyền lớn Soliton có xung đầu vào bị lệch pha trình lan truyền sợi quang biên độ không đổi làm cho trở nên lí tưởng với truyền thơng tin quang Ảnh hưởng mà dẫn đến suy hao lượng truyền dẫn soliton phụ thuộc nhiều vào suy hao chiều dài tán sắc LD khoảng cách i khuếch đại L A Soliton có nhiều ưu điểm nhờ đặc tính trì hình dạng khơng đổi đường truyền Song đầu thu thu sai bit tín hiệu bit đến sai vị trí mà ngun nhân jitter Vẫn cịn nhiều khó khăn việc triển khai hệ thống thông tin quang soliton thực tế, song việc khắc phục khó khăn hứa hẹn tiềm to lớn lĩnh vực thơng tin nói chung thơng tin đường dài nói riêng Sinh viên: Ngơ Thị Chi 46 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Đình Thuận – Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quang học Vũ Quang San – Hệ thống thông tin quang – Tập Vũ Quang San – Hệ thống thông tin quang – Tập Phùng Văn Vận, Trần Hồng Quân, Nguyễn Cảnh Tuấn, Phạm Hồng Ký, Nguyễn Hồi Nam – Hệ thống thơng tin quang sợi Đinh Xuân Khoa, Hồ Quang Quý – Nhập mơn thơng tin quang sợi Phạm Đình Diện – Khóa luận tốt nghiệp chun ngành điện tử viễn thơng Sinh viên: Ngô Thị Chi 47 ... VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Sự đời loại hệ thống thông tin quang 1.2 Q trình phát triển hệ thống thơng tin quang 1.3 Các thành phần hệ thống thơng tin quang CHƯƠNG HỆ THỐNG THÔNG... lai hệ thống thông tin quang sợi hệ thống thơng tin chủ đạo, chúng cịn tiềm tàng khả lớn việc đại hóa mạng lưới viễn thông giới 1.1 Sự đời loại hệ thống thông tin quang Thông tin quang tổ chức hệ. .. trọng hệ thống thông tin quang nói tơi chọn hướng nghiên cứu cho khóa luận ? ?Hệ thống thơng tin quang soliton? ?? với nội dung sau: Chương Tổng quan hệ thống thông tin quang Giới thiệu tổng quan hệ thống