Khoá luận tốt nghiệp
Trong chế độ soliton trung bình, những thay đổi năng lợng do suy hao lớn có thể xẩy ra qua một khoảng cách khếch đại cùng với một chút méo dạng của soliton. Do độ rộng soliton sẽ đợc giảm để làm tăng tốc độ bit nên điều kiện LA << LD không còn đúng nữa, gây ra sự méo dạng và bức xạ đáng chú ý của các sóng tán xạ khi LA~ LD. Khi tiếp tục giảm hơn nữa độ rộng soliton sẽ dẫn đến một chế độ mới mà trong đó LA << LD và sự tiến hoá động đáng kể của soliton trên một khoảng cách khuếch đại. “Số phận” của một soliton trong chế độ nh vậy phụ thuộc chủ yếu vào suy hao trên độ dài tán và bị chi phối bởi tham số không thứ nguyên Γ = αLD. Nếu nh Γ >> 1 thì các soliton bị nhiễu loạn rất mạnh và không thể duy trì đợc qua các khoảng cách lớn. Ngợc lại Γ << 1 thì mỗi soliton có thể thích ứng với những suy hao đoạn nhiệt bằng cách tăng độ rộng của nó và giảm công suất đỉnh của nó trong khi vẫn giữ nguyên bản chất soliton. Chế độ này đợc gọi là chế độ đoạn nhiệt.
Điều kiện Γ << 1 có thể liên quan đến tốc độ bit nếu sử dụng Γ = αLD = αT02/|β2 và phơng trình (2.17) trở thành nh sau: 2 0 2 1 βα q B << (3.24)
Với α = 0,2dB/km, q0 = 5 và β2 = -1ps2 /km thì B >> 21Gbit/s, hoặc tốc độ bit có thể lớn hơn 40Gbit/s. Rõ ràng là, chế độ đoạn nhiệt phù hợp nhất đối với các hệ thống thông tin soliton tốc độ cao.
Đối với những soliton khuếch đại theo chu kì với khoảng cách khuếch đại LA thì độ rộng của nó sẽ tăng theo hệ số exp(αLA) trớc khi soliton tới bộ khuếch đại. Do mỗi soliton còn làm mất đi một phần năng lợng của nó dới dạng các sóng tán xạ, sự bức xạ của các sóng này nên đợc giảm tối thiểu càng nhỏ càng tốt tốc độ soliton không nên tăng theo một hệ số lớn. Ngời ta lựa chọn LA sao cho αLA < = 1, do đó độ rộng của soliton không tăng theo hệ số lớn hơn 2,7. Đối với α = 0,2dB/km khoảng cách khuếch đại khi đó bị giới hạn khoảng 22km. Tính chất
Khoá luận tốt nghiệp
soliton của xung quang vẫn đợc duy trì mặc dù vẫn có tăng độ rộng soliton chính nhờ bản chất đoạn nhiệt của sự phát triển soliton.
Hoạt động của một hệ thống thông tin soliton trong chế độ doạn nhiệt đòi hỏi phải loại bỏ các sóng tán xạ. Những phép mô phòng số đã cho thấy rằng các sóng tán xạ, đợc tích luỹ qua nhiều tầng khuếch đại, đã làm phá vỡ sự nguyên vẹn của chuỗi bit soliton do sự tơng tác của nó với các sóng tán xạ.
3.2.2. Ghép kênh phân cực
Do sợi quang đơn mode có hai trạng thái phân cực trực giao đối với mode cơ bản nên có một cách ghép kênh mới đợc gọi là ghép kênh phân cực PDM (Polarization - divisian - multiplexing), có thể đợc sử dụng để làm tăng gấp đôi dung lợng của các hệ thống thông tin quang. Trong PDM, hai kênh tại cùng một b- ớc sóng đợc phát qua sợi sao cho các chuỗi xung của nó đợc phân cực trực giao với nhau tại đầu vào của sợi. Thoạt nghĩ thì một cơ chế nh vậy có thể không làm việc trừ khi các sợi duy trì phân cực đợc sử dụng vì trạng thái phân cực thay đổi ngẫu nhiên trong sợi thông thờng do những thay đổi lỡng chiết. Tuy nhiên, cho dù các trạng thái phân cực của mỗi kênh thay đổi tại điểm cuối của tuyến theo một phơng thức không dự đoán đợc, thì tính trực giao của chúng vẫn duy trì đợc, do đó có thể cô lập tầng kênh bằng các kỹ thuật quang.
Trong khi triển khai PDM cho các chuỗi bit soliton thì có một hiện tợng phi tuyến đợc gọi là tự bẫy soliton và đợc giải quyết bằng điều chế pha chéo, có xu h- ớng phá huỷ tính trực giao của hai chuỗi bit. Vì lí do này mà PDM đợc triển khai bằng cách chèn hai chuỗi bit soliton theo thời gian (TDM) sao cho hai solitn gần nhau có các trạng thái phân cực trực giao. Do tơng tác soliton của các soliton phân cực trực giao yếu hơn rất nhiều nên lợi ích chính của PDM nằm trong việc giảm đ- ợc tơng tác soliton vấn đề này có thể đợc giảm hơn nữa nhờ các bộ lọc dịch tần. Tốc độ bit hiệu dụng tăng đơn giản chỉ vì các soliton có thể đợc đạt sát nhau hơn nữa khi sử dụng kỹ thuật PDM.
Khoá luận tốt nghiệp
thay đổi dọc theo sợi do có ứng lực và những thay đổi đờng kính lõi. Liên quan tới độ lỡng chiết sợi là tán sắc phân cực mode(Pi), tán sắc này thể hiện độ trễ tơng đối giữa hai thành phần phân cực của một tín hiệu PDM. Thực tế Pi làm hạn chế nghiệm trong việc sử dụng PDM đối với các hệ thống tuyến tính sử dụng tín hiệu NRZ. Việc giới hạn đối với các hệ thống tuyến tính này xuất hiện do có sự phụ thuộc của PDM vào tần số, dẫn đến sự khử cực xung. Tuy vậy, tình thế nay lại khác với các soliton, xu hớng tự nhiên của một soliton là duy trì tính toàn vẹn của nó dới những nhiễu loạn khác nhau. Khác với các xung tuyến tính, trạng thái phân cực đợc giữ nguyên nh soliton nguyên vẹn (không có sự khử cực xung), và ảnh h- ởng của nhiễu loạn phân cực là gây ra một thay đổi nhỏ về trạng thái phân cực của soliton đối với PMD tuy vậy lại làm giảm một lợng lớn PMD. Giới hạn giảm đợc tính nh sau:
DP < = 0,3D1/2 (3.25) Với DP là tham số PMD đợc đo bằng ps/νkm, và D là tham số tán sắc đo bằng ps/nm.km. Do thông thờng DP < 0,1ps/ km đôi với các sợi quang chất lợng cao cho nên D phải lớn hơn 0,06ps/nm.km. Trong thực tế D lớn hơn 0,1 ps/nm.km, và PMD là một vấn đề nhỏ đối với các hệ thống thông tin soliton.
Tiềm năng của PDM đối với các hệ thống thông tin dung lợng cao đã đợc kiểm chứng. Trong một thí nghiệm thực hiện theo chế độ đoạn nhiệt, sự tơng tác soliton với soliton đã đợc giảm cho phép truyền dẫn tại 160Gbit/s qua 200km. Độ rộng của soliton (FWHM) trong thí nghiệm này là 1,6ps, vì khe bit chỉ rộng bằng 6,4ps tại tốc độ bit la 160bit/s.
Điều quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống PDM là sự liên quan đến suy hao phụ thuộc phân cực hoặc độ khuếch đại phụ thuộc phân cực. Nếu một hệ thống thông tin gồm nhiều phân tử, các phần tử này khuếch đại hoặc làm suy giảm hai thành phần phân cực của soliton một cách khác nhau thì trạng thái phân cực sẽ dễ dàng bị thay đổi. Trong thực tế, đối với trạng thái xấu trong đó sự phân cực của soliton bị quay 450 từ hớng suy hao thấp (hoặc độ khuếch đại lớn), thì trạng thái
Khoá luận tốt nghiệp
phân cực sẽ quay 450 và thẳng hàng với hớng suy hao thấp chỉ sau 30ữ40 bộ khuếch đại, đối với độ khuếch đại hoặc độ không đẳng hớng suy hao < 0,2dB. Mặc dù các trục của của độ khuếch đại phụ thuộc phân cực hoặc suy hao đợc phân bố đồng đều dọc tuyến soliton, nhng những ảnh hởng nh vậy vẫn trở thành một nguồn jitter đồng bộ quan trọng.
3.2.3. Khuếch đại phân bổ
Cơ chế khuyếch đại phân bổ vốn đã là chế độ khuếch đại u việt là vì việc sử dụng nó đã bù đợc suy hao tại mọi điểm dọc tuyến sợi. Trong thực tế chế độ này đợc sử dụng rất sớm từ năm 1985 để thực hiện truyền soliton qua 10km sợi, và sau đó đợc cải tiến vào năm 1988 qua chiều dài sợi 4000km nhờ sử dụng một vòng sợi. Trong các thí nghiệm này, độ khuếch đại đã đợc cung cấp thông qua khuếch đại Raman nhờ bơm sợi truyền dẫn tại bớc sóng khoảng 1,46àm từ một laser màu trung tâm. Với sự ra đời của EDFA, việc khuếch đại liên tục trở thành phổ biến hơn do công suất bơm yêu cầu nhỏ, Tuy nhiên, với sự chạy theo khuếch đại liên tục đã tạo ra những hạn chế bởi chế độ soliton trung bình. Khuếch đại phân bổ tránh đợc các hạn chế này và do đó vẫn tiếp tục đợc đuổi theo. Trong cơ chế này bản thân sợi truyền dẫn đã đợc pha tạp chút ít và đợc bơm một cách định kì để cung cấp đủ độ khuếch đại nhằm bù vào suy hao sợi tại chỗ. Một vài thí nghiệm đã cho thấy rằng các soliton có thể lan truyền trên các sợi tích cực nh vậy.
Nếu nói về lí tởng thì khuếch đại phân bổ đòi hỏi độ khuếch đại không đổi GS trên một đơn vị chiều dài để phù hợp với tỉ lệ suy hao không đổi α của sợi. Tuy nhiên, do công suất bơm bị giảm do có suy hao sợi và bị hấp thụ bởi các tạp chất cho nên độ khuếch đại không đồng đều dọc chiều dài sợi và không thể bù hoàn toàn suy hao sợi ở mọi điểm. Trong thực tế ngời ta sử dụng chế độ bơm hai chiều để làm giảm tính không đồng nhất về độ khuếch đại . Những thay đổi d của năng lợng soliton ES có thể tìm đợc bằng cách giải phơng trình:
[ S ] S S E z G dz dE ) ( + − = α (3.26)
Khoá luận tốt nghiệp
Những thay đổi năng lợng soliton dọc chiều dài sợi thu đợc từ việc lấy tích phân phơng trình (3.26) và đợc tính nh sau:
( ) − + − = A A P A P A P A in S L z L Sinh L Sinh L z Sinh L E z E Ln 2 2 2 2 α α α α (3.27)
Với Ein là năng lợng soliton tại đầu vào sợi. Phạm vi thay đổi năng lợng sẽ tăng theo LA bởi vì đối với các sợi càng dài thì sợi càng có sự suy yếu nghiêm trọng của bơm. Tuy nhiên, phạm vi này có thể đợc làm nhỏ hơn so với phạm vi đối với trờng hợp khuếch đại liên tục.
ảnh hởng của sự mất năng lợng soliton phụ thuộc vào tỉ lệ ξA = LA /LD, với LA là khoảng cách giữa các trạm bơm. Khi ξA << 1, sẽ xẩy ra sự định dạng lại soliton thậm chí đối với sự mất năng lợng lớn, và có thể đạt đợc truyền dẫn ổn định qua những khoảng cách lớn. Chế độ này tơng tự nh chế độ soliton trung bình đối với các sợi thụ động. Với ξA >> 1 các soliton sẽ phát triển đoạn nhiệt cùng với sự bức xạ chút ít của các sóng tán xạ (chế độ đoạn nhiệt). Đối với các giá trị ξA trung bình thì vấn đề càng phức tạp hơn. Đặc biệt, các sóng tán xạ và các soliton đợc khuếch đại cộng hởng khi ξA≅ 4π. Việc khuếch đại định kì của soliton và các sóng phân tán và sự tơng tác qua lại giữa chúng dẫn đến sự bất ổn định và hỗn độn của chế độ này.
Mặc dù cơ chế khuếch đại liên tục và phân bổ đã đợc mô tả định lợng tơng tự nhau, nhng vẫn có 2 điểm khác nhau quan trọng cần chú ý. Điểm đầu tiên là, việc suy giảm năng lợng soliton trong sợi tích cực nhỏ hơn nhiều so với trong các sợi thụ động. Đặc tính này khiến cho có thể đẩy giới hạn soliton trung bình nh tới tới ξA = 0,7. Điểm thứ hai là, đối với một sợi tích cực đợc bơm đến độ thông suốt thì năng lợng của soliton đầu ra trên mỗi đoạn của một chuỗi các sợi tích cực sẽ đúng bằng giá trị năng lợng tại đầu vào. Do vậy, trong chế độ khuếch đại phân bổ đoạn nhiệt, độ rộng của các soliton đầu ra bằng với giá trị của nó tại đầu vào, điều
Khoá luận tốt nghiệp
kết luận
Trong xã hội ngày nay các hệ thống thông tin quang đã đợc ứng dụng rộng rãi trong khoa học kỹ thuật và đời sống xã hội. Việc tìm hiểu hệ thống thông tin quang soliton có ý nghĩa quan trọng đối với sinh viên vật lý. Trong khoảng thời gian có hạn luận văn đã đạt một số kết quả nh sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi khoảng cách truyền dẫn thông tin khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều. Khi đó cần thiết phải có trạm lặp quang làm nhiệm vụ khuếch đại và tái tạo tín hiệu để nơi thu nhận đúng tín hiệu phát.
Khi xung lan truyền trong môi trờng phi tuyến, thì bị thay đổi các thông số của xung, trong quá trình lan truyền cũng chịu ảnh hởng nhiều hiệu ứng khác nhau. Đối với hiệu ứng không gian đó là tín hiệu sự hội tụ và tín hiệu phân kỳ còn đối với hiệu ứng liên quan đến thời gian đó là hiệu ứng tán sắc và hiệu ứng biến điệu pha.
Sự có mặt của các soliton sợi là một hệ quả của sự cân bằng tán sắc, vận tốc nhóm GVD và sự tự điều chế pha SPM, cả hai yếu tố này đều giới hạn chất lợng hệ thống thông tin quang khi tác động một cách độc lập lên các xung truyền trong sợi.
Soliton có khả năng duy trì độ rộng của chúng ngay cả khi có mặt tán sắc sợi. Tuy vậy, việc sử dụng chúng đòi hỏi những thay đổi đáng kể. Khoảng cách soliton phải tơng đối lớn để tránh tơng tác soliton.
ảnh hởng mà dẫn đến suy hao năng lợng khi truyền dẫn soliton phụ thuộc nhiều vào suy hao trên chiều dài tán sắc αLD và khoảng cách i giữa các bộ khuếch đại LA.
Tiềm năng của PDM đối với các hệ thống thông tin soliton dung lợng cao là rất lớn, điều quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống PDM là sự liên quan đến suy hao phụ thuộc phân cực hoặc độ khuếch đại phụ thuộc phân cực.
Tóm lại: Nội dung luận văn đã tập trung vào các vấn đề chủ yếu mà đề tài đã đặt ra. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần đợc quan tâm và giải quyết triệt để hơn, song vì giới hạn khuôn khổ của luận văn và thời gian có hạn nên cha đợc thực hiện, rất mong sự đóng góp của các bạn.
Khoá luận tốt nghiệp
tài liệu tham khảo
1. Bùi Đình Thuận - Luận văn thạc sỹ chuyên ngành Quang học. 2. TS. Vũ Quang San - Hệ thống thông tin quang - Tập 1
3. TS. Vũ Quang San - Hệ thống thông tin quang - Tập 2
4. Phùng Văn Vận - Trần Hồng Quân - Nguyễn Cảnh Tuấn - Phạm Hồng Ký - Nguyễn Hoài Nam - Hệ thống thông tin quang sợi.