Hệ thống truyền dẫn Soliton

Trong những năm gần đây, kĩ thuật thông tin quang đã đƣợc đƣa vào khai thác trên mạng viễn thông đáp ứng nhu cầu gia tăng của các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại. Truyền thông Soliton quang qua quá trình nghiên cứu lâu dài đã đƣợc thừa nhận là một kĩ thuật tiên tiến giúp tăng dung lƣợng và tính linh hoạt của các đặc tính truyền thông đang tồn tại, đáp ứng nhu cầu truyền dẫn cao và đƣờng dài.

3.2.1 Mô hình hệ thống chung

Cũng nhƣ hệ thống quang thông thƣờng, hệ thống Soliton cũng bao gồm phần phát, kênh truyền dẫn và phần thu đƣợc mô tả nhƣ sau :

Hình 3.3 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 mà sự lệch tần ở đầu ra là không đáng kể. Tín hiệu đầu vào là các bit 0 hoặc 1, mỗi bít 1 là một Soliton cơ bản.

Kênh truyền dẫn là các đoạn sợi quang đơn mode, mỗi đoạn theo sau là một bộ khuếch đại quang sợi EDFA dùng để bù suy hao sợi, tuy nhiên lại sinh ra nhiễu phát xạ tự phát đƣợc khuếch đại ASE ( Amplified Spontaneous Emission ) làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng truyền dẫn.

Bộ thu quang bao gồm một photodiode, một bộ lọc điện, và một bộ lọc quang. Tín hiệu quang thu đƣợc thƣờng đƣợc chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu

44 điện. Các bộ lọc quang đặt trƣớc photodiode để làm giảm nhiễu ASE do các bộ khuếch đại đƣa ra.

3.2.2 Truyền thông tin giữa các Soliton

Trong hệ thống thông tin quang, mã NRZ thƣờng đƣợc 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 đƣợc sử dụng vì độ rộng Soliton phải là một phần nhỏ của khe bít để chắc chắn rằng các Soliton lân cận nhau đƣợc tách riêng. Vì vậy ngƣời ta sử dụng mã RZ để mã hóa thông tin trong truyền dẫn Soliton. Yêu cầu này đƣợc dùng để biểu diễn mối quan hệ giữa độ rộng Soliton (T0) và tốc độ bít (B): 0 0 1 1 2 B B T q T   (3.13)

Trong đó 2q0 là khoảng cách giữa 2 Soliton lân cận. Hình vẽ sau đây sẽ mô tả dãy bít Soliton ở dạng mã RZ :

Hình 3.4 Dãy bít Soliton mã RZ. Mỗi Soliton chiếm một phần nhỏ của khe bit sao cho các Soliton lân cận được đặt xa nhau

Với biên độ xung là :

0 0 (0, ) sec ( t ) A t P h T  (3.14) 0

45 2 0 2 0 P T    (3.15)

Độ rộng đầy đủ ở nửa giá trị max ( FWHM) của Soliton là :

0 0

2 ln(1 2) 1.763

s

T  T   T (3.16) Năng lƣợng xung của Soliton cơ bản sẽ là : Năng lƣợng xung của Soliton cơ bản sẽ là :

2 0 0 0 0 (0, ) 2 S E A t dt P T      (3.17) 3.2.3 Tương tác Soliton

Khoảng cách TBgiữa các xung lân cận xác định tốc độ bít B của hệ thống truyền thông ( B = 1/TB). Vấn đề đặt ra là các Soliton đặt gần nhau nhƣ thế nào để không gây sự tƣơng tác lẫn nhau giữa chúng. Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ rằng tƣơng tác Soliton không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các Soliton lân cận mà còn phụ thuộc vào pha và biên độ tƣơng đối của 2 Soliton. Nếu các giá trị này không đƣợc lựa chọn đúng, một sự va chạm tuần hoàn giữa các Soliton sẽ xảy ra.

Ta có thể giải hàm NSE bao hàm cả sự tƣơng tác Soliton với điều kiện xung đầu vào gồm một cặp Soliton :

0 0

( , ) sec ( ) sec [ ( )]exp( )

u o t  h q r h r q i (3.18) Với r là biên độ tƣơng đối của 2 Soliton,  là pha tƣơng đối giữa 2 Soliton lân cận. 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 : Các Soliton hút nhau rồi lại tách khỏi nhau

  = /2 : Các Soliton đẩy nhau ngày càng mạnh khi khoảng cách lan truyền tăng.

46 Một cách để tránh tƣơng tác Soliton là tăng khoảng cách Soliton đủ lớn để độ lệch về vị trí đủ nhỏ sao cho các Soliton vẫn ở vị trí gốc trong khe bít khi truyền dẫn qua khoảng cách lớn.

3.2.4 Máy phát Soliton

Hệ thống truyền thông Soliton quang yêu cầu một nguồn quang có khả năng tạo ra xung pico giây không chirp ở tốc độ lặp cao với hình dạng gần giống nhất với hàm “sech”. Nguồn phát có thể vận hành ở bƣớc sóng gần 1,55 µm, tại đó suy hao sợi là nhỏ nhất và các bộ khuếch đại quang sợi EDFA có thể hoạt động một cách hiệu quả để bù suy hao sợi. Laser bán dẫn đƣợc sử dụng chung cho cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến.

Có nhiều máy phát Soliton khác nhau. Trong thời kì đầu, truyền dẫn Soliton sử dụng kĩ thuật chuyển mạch khuếch đại để phát xung pico giây trong khoảng 20 đến 40 ps. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là các xung phát bị chirp do sự thay đổi chiết suất cảm ứng sóng mang theo hệ số tăng cƣờng độ rộng phổ c. Tuy nhiên xung có thể đƣợc tạo ra gần nhƣ không chirp bằng việc cho nó qua một sợi quang với tán sắc GVD bình thƣờng mà nén xung ở cùng thời gian.

Trong thí nghiệm chứng minh kĩ thuật này, xung quang 14ps ở tốc độ lặp 3Ghz đã đƣợc tạo ra bằng việc cho xung chuyển mạch khuếch đại qua một sợi dịch tán sắc, duy trì phân cực dài 3,7km với 2 23ps2/km ở bƣớc sóng 1,55µm. Một bộ khuếch đại quang sợi EDFA đã đƣợc sử dụng để khuếch đại xung quang tới mức công suất yêu cầu cho Soliton cơ bản. Trong một thí nghiệm khác, các xung chuyển mạch khuếch đại đƣợc khuếch đại và nén đồng thời trong một bộ EDFA sau khi đã qua một bộ lọc quang băng hẹp. Xung quang rộng 17ps ở tốc độ lặp 6-24Ghz đã đƣợc tạo ra.

Laser khóa mode cũng thích hợp cho truyền thông Soliton và thƣờng đƣợc dùng hơn vì dãy xung khóa mode phát từ laser nhƣ vậy ít bị chirp hơn. Sự khóa mode tích cực thƣờng đƣợc sử dụng bởi điều chế dòng laser ở tần số bằng hiệu tần số giữa hai mode dọc lân cận.

47

3.2.5 Ảnh hưởng của suy hao sợi

Nhƣ đã biết, các Soliton sử dụng tính phi tuyến sợi để duy trì độ rộng của chúng ngay cả khi có tán sắc sợi. Tuy nhiên thuộc tính này chỉ đúng khi suy hao là không đáng kể, còn khi suy hao lớn, công suất đỉnh giảm đáng kể và sẽ làm suy yếu các hiệu ứng phi tuyến cần thiết để chống lại ảnh hƣởng của GVD, dẫn đến sự mở rộng xung Soliton.

Ở phần trƣớc trong khi mô phỏng định dạng Soliton, ta đã xét phƣơng trình lan truyền sóng với giả thiết là không có suy hao sợi. Tuy nhiên trong thực tế thì suy hao sợi đóng vai trò quan trọng trong khi thiết kế hệ thống, và là một tham số không thể bỏ qua. Phƣơng trình NSE khi tính đến cả suy hao sợi sẽ có dạng :

2 2 2 2 1 2 2 u u i i u u u            (3.19) Với = 2 0 / 2 T

  là suy hao sợi qua chiều dài tán sắc. Khi << 1 ta có thể coi nhƣ có một sự dao động nhỏ và nghiệm của phƣơng trình (3.19) đƣợc xấp xỉ :

( , ) sec [exp( ) ]exp ( )[1 exp( 2 )] 4

i

u    h       



  (3.20)

Trong ứng dụng đƣờng dài, các Soliton đƣợc truyền qua khoảng cách lớn ( hàng chục nghìn km ) mà không sử dụng các bộ lọc điện. Vì vậy để chống lại ảnh

hƣởng do suy hao sợi gây ra, các Soliton cần đƣợc khuếch đại định kỳ để khôi phục độ rộng xung ban đầu, công suất đỉnh và năng lƣợng của chúng.

3.2.6 Các Soliton được quản lý tán sắc

Một kĩ thuật hấp dẫn đƣợc đề ra năm 1987 đã đáp ứng hoàn toàn điều kiện khắt khe LA LD đƣợc áp dụng với sợi quản lý suy hao bằng cách giảm GVD dọc theo tuyến sợi. Các sợi đó đƣợc gọi là sợi giảm tán sắc (DDF) và đƣợc thiết kế sao cho giảm GVD.

Vì quản lý tán sắc đƣợc sử dụng kết hợp với quản lý suy hao, tiến trình Soliton trong một DDF đƣợc mô tả bởi phƣơng trình với hệ số đạo hàm bậc hai có

48 một tham số mới d là hàm của do các biến đổi của GVD dọc theo chiều dài sợi. Phƣơng trình NLS có dạng nhƣ sau : 2 2 2 1 ( ) ( ) 0 2 v v i d  p  v v          (3.21)

Với vu/ p d, ( )   2( ) / 2(0). Vì  phụ thuộc vào các hệ số thứ hai và thứ 3 nên phƣơng trình (3.21) không phải là phƣơng trình NLS chuẩn, tuy nhiên nó có thể đƣợc giảm đến chỉ phụ thuộc vào hệ số thứ nhất nếu chúng ta có:

0 ' d( )d      (3.22) Khi đó phƣơng trình (3.21) trở thành : 2 2 2 1 ( ) 0 ' 2 ( ) v v p i v v d            (3.23) Các kĩ thuật quản lý tán sắc đã đƣợc sử dụng cho các Soliton từ đầu năm 1992. Trong dạng đơn giản nhất của quản lý tán sắc, một phần tƣơng đối ngắn của sợi bù tán sắc đƣợc thêm vào định kỳ đối với sợi truyền dẫn tạo ra đƣờng tán sắc tƣơng tự nhƣ đã đƣợc sử dụng cho các hệ thống không phải Soliton.

Từ năm 1996 nhiều thì nghiệm đã cho thấy các lợi ích của các Soliton quản lý tán sắc đối với hệ thống sóng ánh sáng. Trong một thí nghiệm việc sử dụng biểu đồ tán sắc theo định kỳ đã cho phép truyền dẫn luồng bít Soliton 20Gb/s trên tuyến sợi quang 5520km gồm các bộ khuếch đại đƣợc đặt ở các khoảng cách 40km. Trong một thí nghiệm khác các Soliton 20Gb/s có thể truyền trên khoảng cách 9000km mà không sử dụng các bộ lọc quang.

49

3.3 Kết Luận

Sự ra đời của hệ thống Soliton là chìa khóa để giải quyết bài toán truyền dẫn tốc độ cao trên đƣờng dài, khẳng định sẽ là một trong những công nghệ của tƣơng lai với những ƣu điểm nổi trội là :

 Các Soliton hình thành từ sự cân bằng giữa GVD và SPM có khả năng duy trì độ rộng xung qua khoảng cách lan truyền lớn.

 Soliton cơ bản có xung đầu vào bị dịch pha trong quá trình lan truyền trong sợi nhƣng biên độ không đổi làm cho nó trở nên lý tƣởng với truyền thông quang.

 Có khả năng ổn định chống lại sự nhiễu loạn. Vì vậy các Soliton cơ bản tuy yêu cầu một dạng đặc biệt và công suất đỉnh riêng song nó có thể đƣợc hình thành ngay cả khi các giá trị đó lệch khỏi điều kiện lý tƣởng nhờ khả năng tự sửa các tham số của mình.

 Hệ thống Soliton không cần sử dụng các bộ lắp đặt điện, giảm chi phí lắp đặt.

 Sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi EDFA có nhiều ƣu điểm làm cho mạch đơn giản dễ lắp đặt.

50 CHƢƠNG

4