Cơ chế khuếch đại soliton đơn giản nhất thể hiện trên hình (2.7a), cũng giống nh cơ chế khuếch đại đợc sử dụng cho các hệ thống thông tin thờng. Bộ khuếch đại quang đợc đặt theo chu kỳ dọc theo tuyến sợi và độ khuếch đại của nó đợc điều chỉnh sao cho suy hao sợi giữa hai bộ khuếch đại đợc bù bằng độ khuếch đại của bộ khuếch đại. Tham số thiết kế quan trọng là khoảng cách LA giữa các bộ khuếch đại, khoảng cách này càng lớn càng tốt để có thể giảm đợc tổng chi phí. Các hệ thống thông tin quang thông thờng, LA thờng khoảng 80 - 100km, còn đối với các hệ thống soliton LA đợc giới hạn tới các giá trị nhỏ hơn nhiều. Lý do là các bộ khuếch đại quang làm tăng năng lợng soliton tới bằng mức đầu vào khi qua một khoảng cách tơng đối ngắn mà không cần khôi phục dần dần soliton cơ bản. Soliton đợc khuếch đại sẽ điều chỉnh độ rộng của nó theo tầng đoạn sợi ngay sau bộ khuếch đại quang. Tuy vậy, nó sẽ làm mất một phần năng l- ợng của nó do các sóng tán xạ trong qúa trình điều chỉnh này. Phần năng lợng tán xạ này có thể tích luỹ thành các mức rất lớn khi đi qua nhiều tầng khuếch đại và cần phải đợc loại bỏ. Phơng pháp giảm phần năng lợng tán xạ là làm giảm khoảng cách bộ khuếch đại LA sao cho soliton không gây nhiễu loạn nhiều qua khoảng cách này. Một số thí nghiệm mô phỏng đã cho thấy rằng đây chính là trờng hợp LA bằng một phần nhỏ của chiều dài tán sắc (LA<< LD). Chiều dài tán sắc LD phụ thuộc vào cả độ rộng xung T0 và tham số vận tốc nhóm β2 và nó có thể thay đổi từ 10 đến 1000m tuỳ theo các giá trị này.
Một cơ chế khuếch đại khác là sử dụng kỹ thuật khuếch đại phân bố trong đó các soliton đợc khuếch đại ngay trên cùng một tuyến truyền dẫn khuếch đại phân bố còn có thể đạt đợc bằng cách pha thành phần đất hiếm nh ERBIUM. Hình 2.7b. là một sơ đồ khuếch đại phân bố trong đó các laser bơm theo đinh kỳ thực hiện phát ánh sáng CW theo cả hai hớng nhờ bộ ghép sợi WDM. Bớc sóng bơm đợc chọn sao cho nó có thể tạo ra độ khuếch đại tại bớc sóng tín hiệu. Do độ khuếch đại đợc phân
Khoá luận tốt nghiệp
nhiệt theo cách nh vậy để N đợc duy trì gần bằng với giá trị đầu vào N = 1 khi vẫn có suy hao sợi. Thật vậy, nếu độ khuếch đại bằng với suy hao sợi tại mỗi điểm bên trong sợi thì N vẫn bằng 1 và soliton có thể bị duy trì với khoảng cách dài tùy ý. Điều kiện này không đợc thoả mãn trong thực tế bởi vì công suất bơm không phải là hằng số trên dọc tuyến sợi (công suất bơm cũng bị mất mát trên dọc tuyến). Khoảng cách trạm bơm LA phụ thuộc vào suy hao sợi tại bớc sóng bơm và vào khoảng năng lợng soliton đợc phép chênh lệch so với giá trị đầu vào của nó. Tiêu biểu là giá trị LA= 40 ữ 50 km nếu năng lợng soliton đợc phép chênh lệch 20% so với giá trị đầu vào. Tuy vậy, LA có thể lớn hơn LD, điều này trái ngợc với cơ chế khuếch đại liên tục với LA << LD
Hình 2.6. sử dụng khuếch đại để bù suy hao sợi trong hệ thống soliton
Những thí nghiệm đầu tiên về khuếch đại soliton đã tập trung vào cơ chế khuếch đại Raman. Năm 1985 ngời ta đã tiến hành một thí nghiệm và thấy rằng suy hao sợi qua 10km có thể đợc bù bằng độ khuếch đại Raman trong khi vẫn duy trì đợc độ rộng soliton. Thí nghiệm này đã sử dụng hai laser màu trung tâm. Một laser tạo ra các xung 10ps tai 1,56àm, các xung này lan truyền nh các soliton cơ bản trên sợi dài 10km. Laser còn lại hoạt động liên tục tại 1,46m. Khi không có độ khuếch đại Raman thì soliton bị giảm 50% do có suy hao. Lợng giãn nở này tơng thích với phơng trình: [ ] [ ] − − Γ Γ Γ − ≈ )1 exp( 2 ) 4 ( exp ) exp( ) , (ξ τ Sech ξ τ i ξ u (2.34)
Khoá luận tốt nghiệp
Phơng trình này dự đoán rằng T1/T0 = 1,51 với z = 10km và α = 0,18 dB/km, các giá trị này cũng đã đợc sử dụng trong thí nghiệm. Khi công suất bơm khoảng 125mw thì độ khuếch đại Raman 1,8dB sẽ bù suy hao sợi và xung đầu ra gần nh giống với xung đầu vào.
Sau này ngời ta cũng đã tiến hành truyền dẫn soliton qua 4000km bằng cơ chế khuếch đại Raman. Thí nghiệm này sử dụng vòng sợi 42km có suy hao đợc bù bằng cách phát ánh sáng bơm cw từ một laser màu trung tâm 1,46m. Các soliton đợc phép lan tuyền nhiều lần trong vòng sợi và độ rộng của chúng đợc giám sát sau mỗi sợi vòng
Các soliton 55ps có thể lan truyền lặp lại 96 lần mà không làm tăng đáng kể độ rộng xung của chúng lên, khoảng cách trong thí nghiệm này mà các soliton lan truyền đợc là 4000km. Khoảng cách này có thể tăng tới 6000km nếu có sự tối u hơn nữa thí nghiệm này đợc thực hiện năm 1988 qua khoảng cách vợt biển là hoàn toàn có thể thực hiện đợc trong thực tế. Bất lợi lớn nhất là khuếch đại Raman đòi hỏi các laser bơm phát xạ với công suất cw lớn hơn 500mw gần bớc sóng 1,46àm.
Năm 1989 với sự ra đời của các EDFA đã làm thay đổi tình hình. Từ đó, rất nhiều thí nghiệm đã sử dụng các EDFA để khuếch đại soliton. Kết quả thí nghiệm đã cho thấy rằng dới các điều kiện nhất định, các soliton có thể đợc duy trì qua các khoảng cách lớn bất chấp bản chất bơm của cơ chế khuếch đại.
Khoá luận tốt nghiệp
Chơng 3
Các hệ thống soliton dung lợng cao
3.1. Thiết kế hệ thống soliton
Phơng thức mà soliton ảnh hởng đến suy hao năng lợng phụ thuộc nhiều vào suy hao trên chiều dài tán sắc αLD và khoảng cách giữa các bộ khuếch đại LA. Mặt khác, nếu khoảng cách khuếch đại nhỏ hơn nhiều so với chiều dài tán sắc LD thì dạng soliton không bị méo nhiều mặc dù vẫn mất năng lợng. Trong một hệ thống năng lợng nh vậy, các soliton có thể đợc khuếch đại hàng trăm lần trong khi vẫn giữ đợc nguyên dạng của chúng. Do sự phát triển soliton sau đó đã đợc chi phối bằng năng lợng soliton trung bình qua một khoảng cách khuếch đại cho nên chế độ hoạt động này đợc gọi là chế độ soliton trung bình.