Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Cũng như hệ thống thông tin quang thông thường, hệ thống soliton thông thường bao gồm phần phát, kênh truyền dẫn và phần thu được mô tả như sau: Hình 2.1: Mô hình chung của hệ thống tru

KHOA: Điện Tử Viễn Thông

Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN QUANG

Đề Tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Giáo Viên Hướng Dẫn : GV.Ths Trương Xuân

MỤC LỤC

MỤC LỤC……… 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SOLITON 3

1.1 Khái niệm về Soliton……… 3

1.2 Soliton sợi……….3

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON……….4

2.1 Mô hình hệ thống chung……….4

2.2 Truyền thông tin với các Soliton………4

2.3 Tương tác Soliton………6

2.4 Sự lệch tần ( Frequency chirp)……… 9

2.5 Máy phát Soliton……… 11

2.6 Ảnh hưởng của suy hao sợi……… 13

2.7 Khuếch đại Soliton………15

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SOLITON……… 18

3.1 Cơ chế Soliton trung bình………18

3.2 Sự khuếch đại phân bố……….21

3.3 Nhiễu bộ khuếch đại……….22

3.4 Tiến trình thực nghiệm……….24

KẾT LUẬN……… 27

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SOLITON 1.1 Khái niệm về soliton:

Soliton là thuật ngữ biễu diễn các xung lan truyền qua khoảng cách dài mà không thay đổi hình dạng xung do nó đưa ra khả năng đặc biệt để truyền các xung không nhạy cảm với tán sắc

Hệ thống soliton quang mặc dù chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế song với những tiềm năng vốn có, nó trở thành một dự tuyển đặc biệt cho hệ thống truyền dẫn quang

sự lan truyền bất cứ khi nào tham số GVD 2 và hệ số chirp C trái dấu nhau

suất nên không khó khăn để hiểu rằng dưới điều kiện nào đó SPM và GVD có thể kết hợp theo một cách nào đó sao cho sự dịch bởi SPM là đúng hướng để loại bỏ sự mở rộng xung do GVD gây ra Như vậy xung quang có thể lan truyền không méo dưới dạng của một Soliton

Phân loại soliton:

- Soliton cơ bản và soliton bậc cao

- Tiến trình soliton

- Soliton tối (Dark soliton) CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON

2.1 Mô hình hệ thống chung

Cũng như hệ thống thông tin quang thông thường, hệ thống soliton thông thường

bao gồm phần phát, kênh truyền dẫn và phần thu được mô tả như sau:

Hình 2.1: 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 sự lệch tần ở đầu ra laser là không đáng kể Tín hiệu đầu vào là các bit 0 hoặc 1, mỗi bit 1 là một soliton cơ bản

- Kênh truyền dẫn là các đoạn sợi quang đơn mode, mỗi đoạn theo sau là một bộ khuyếch đại quang sợi EDFA dùng để bù suy hao sợi, tuy nhiên lại sinh ra nhiễu phát xạ

tự phát được khuyếch đại ASE (amplified spontaneous emission) làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn

- Bộ thu quang bao gồm một photodiode, một bộ lọc điện và một bộ lọc quang Tín hiệu quang thu thường được chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu điện Các bộ lọc quang đặt trước photodiode để làm giảm nhiễu ASE do các bộ khuyếch đại đưa ra

2.2 Truyền thông tin với các soliton

Trong hệ thống thông tin quang, mã NRZ thường được 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 được sử dụng vì độ rộng soliton phải là

Đầu ra

Bộ phát quang

Bộ thu quang

một phần nhỏ của khe bit để chắc chắn rằng các soliton lân cận nhau được tách riêng Để đảm bảo khả năng lan truyền không méo, các soliton phải có dạng “sech” như hàm (2.1) Tuy nhiên, nghiệm soliton này chỉ đúng khi nó chiếm giữ toàn bộ cửa sổ thời gian từ





riêng được đặt cách ly Vì vậy người ta sử dụng mã RZ để mã hóa thông tin trong truyền

và tốc độ bít (B):

B

0 0

2

1 1

T q

T B  (2.1) Trong đó: Tb là độ rộng khe bit

2q0 =

0

T

T B

là khoảng cách giữa 2 soliton lân cận

Hình vẽ sau mô tả dãy bit soliton ở dạng mã RZ:

Hình 2.2: Dãy bit soliton mã RZ Mỗi soliton chiếm một phần nhỏ của khe bit sao cho các soliton lân cận được đặt xa nhau

Trong đơn vị vật lý biên độ của xung là:

T B

Soliton

1 1 0 1

0 1

A(0,t)= sec ( )

0 0

T

t h

1

T P L

A( 0 , )2 2P0T0 (2.5) Nếu giả thiết số bit 1 và 0 xảy ra bằng nhau, công suất trung bình của tín hiệu RZ là:

2

2

2 q

P T P

2.3 Tương tác soliton

Khoảng cách TB giữa các xung lân cận xác định tốc độ bit B của hệ thống truyền

sự tương tác lẫn nhau giữa chúng Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ rằng tương tác soliton

pha và biên độ tương đối của 2 soliton Nếu các giá trị này không được lựa chọn đúng, một sự va chạm tuần hoàn giữa các soliton sẽ xẩy ra

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

u( 0 ,t)  sech( q0) rsechr( q0)exp(i) (2.7)

Với r : biên độ tương đối của 2 soliton

 : pha tương đối giữa 2 soliton lân cận

2q0 : khoảng cách ban đầu của 2 soliton

Hình 3.3 miêu tả tiến trình của một cặp soliton với q0=3.5 với các giá trị r, khác nhau Ta thấy rõ ràng sự tương tác này phụ thuộc mạnh vào cả pha và biên độ tương đối

Hình 2.3: Tiến trình một cặp soliton qua 90 lần chiều dài tán sắc có sự tương tác soliton với khoảng cách bước ban đầu q 0 =3.5 trong tất cả bốn trường hợp

- Với r=1 (Các soliton có biên độ bằng nhau)

0



4/



 



 

Khi thiết kế hệ thống điều này thì không thể chấp nhận được Nó có thể tạo ra jitter thời gian đến của các soliton và ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống Một cách để tránh tương tác soliton là tăng khoảng cách soliton đủ lớn để độ lệch về vị trí soliton đủ nhỏ sao cho các soliton vẫn ở vị trí gốc trong khe bit khi truyền dẫn qua khoảng cách lớn

Khi q0>>1 trong trường hợp đặc biệt r=1, =0 (tức là u(0,t)=sech( q0)+sech( q0)), khoảng cách 2qs giữa 2 soliton ở vị trí  được đưa ra bởi [3]:

2exp[2(qs-q0)] =1 + cos[4exp(-q0)] (2.8)

2 ) exp(

4

2

0 0

q q

2

) cosh(

) 2 sinh(

0 0

0 0

q q

q q



tính đến vì các soliton có thể lệch một chút so với giá trị ban đầu của nó

2 0

8 4

B L

q P

Và chọn 2   1ps /2 km vì hầu hết các hệ thống truyền thông soliton đều sử dụng sợi dịch tán sắc

Ta có:

s

T e

L

T 4 , 4 ( ) 298

2 6

Vì vậy khi khoảng cách giữa các soliton rộng để hạn chế tương tác thì lại hạn chế tốc

tác soliton nhỏ nhờ sử dụng các soliton lân cận có biên độ khác nhau Như biễu diễn ở hình 3.3 với sự lệch công suất đỉnh giữa 2 soliton lân cận là 10% (r=1.1) Lúc này khoảng

0-=3,5 Lưu ý rằng công suất đỉnh chỉ lệch khoảng 1% so với giá trị lý tưởng của nó khi N=1 Vì sự lệch nhỏ về công suất đỉnh không gây hại đến bản chất lan truyền xung nên

sơ đồ này có thể thực hiện trong thực tế để tăng dung lượng hệ thống

Ngoài các yếu tố trên tương tác soliton cũng có thể thay đổi bởi các nhân tố khác như

sự lệch tần ban đầu tác động mạnh lên xung đầu vào

2.4 Sự lệch tần (frequency chirp)

Để lan truyền như một soliton cơ bản bên trong sơi quang, xung đầu vào không chỉ có dạng “sech” mà còn phải không bị “chirp” Tuy nhiên, trong thực tế, các nguồn xung quang ngắn đều có sự lệch tần (bị “chirp”) tác động lên chúng Điều này có thể gây nguy hại đến sự lan truyền các soliton vì nó làm dao động cân bằng chính xác giữa GVD và

SPM Ảnh hưởng sự lệch tần ban đầu được tính toán bằng cách giải phương trình NSE với điều kiện đầu vào:

Hình 2.4: Tiến trình xung quang bị lệch với N=1 và C=0,5 Khi C=0 hình dạng xung không thay đổi vì xung lan truyền như một soliton cơ bản

Dựa vào hình vẽ ta thấy hình dạng xung ban đầu được nén (do C>0) Sự nén ban đầu này vẫn xẩy ra ngay cả khi vắng mặt các hiệu ứng phi tuyến Sau đó xung bị mở rộng và cuối cùng được nén lần thứ hai Xung sẽ tiến triển thành một soliton qua khoảng cách lan truyền   15

Với giá trị C<0, tiến trình xung xảy ra tương tự như trên mặc dù sự nén ban đầu không xảy ra trong trường hợp này

Để xung tiến triển thành một soliton yêu cầu giá trị C nhỏ vì các soliton thường ổn

hình thành một soliton Thí dụ trong trường hợp N=1, soliton trong hình 3.4 sẽ không được hình thành nếu C tăng từ 0.5 lên thành 2

[4] Nó phụ thuộc vào N và pha trong phương trình (3.12), tìm được là Ccrit=1,64 với N=1

Khi thiết kế hệ thống yêu cầu sự lệch tần ban đầu là nhỏ nhất có thể vì khi đó hình dạng xung sẽ thay đổi ít và quá trình hình thành một soliton cũng nhanh hơn Điều này có thể

nó cũng bị mất dưới dạng sóng tán sắc trong suốt quá trình hình thành soliton [3] Ví dụ trong trường hợp C=0.5, chỉ 83% năng lượng xung được chuyển đổi thành soliton và con

số này giảm xuống chỉ còn 62% với C=0.8

2.5 Máy phát soliton

Hệ thống truyền thông soliton quang yêu cầu một nguồn quang có khả năng tạo các xung picogiây không chirp ở tốc độ lặp cao với hình dạng gần giống nhất với dạng hàm

nhất và các bộ khuyếch đại quang sợi EDFA có thể hoạt động một cách hiệu quả để bù suy hao sợi Laser bán dẫn được sử dụng chung cho cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến

dụng kỹ thuật chuyển mạch khuyếch đại để phát xung quang picogiây trong khoảng

2040ps Về mặt nguyên lý nó sẽ định thiên laser dưới ngưỡng và bơm nó cao trên ngưỡng định kỳ bởi việc cung cấp xung dòng Tốc độ lặp lại được xác định bằng tần số

chirp do sự thay đổi chiết suất cảm ứng sóng mang theo hệ số tăng cường độ rộng phổ

c

quang với tán sắc GVD bình thường (2>0) mà nén xung ở cùng thời gian (chú ý kỹ thuật này tạo các xung với sự lệch tần sao cho tham số C<0)

Laser khóa mode cũng thích hợp cho truyền thông soliton và thường được ưa dùng hơn vì dãy xung khóa mode phát từ laser như vậy bị chirp ít bị chirp hơn Sự khóa mode tích cực thường được sử dụng bởi điều chế dòng laser ở tần số bằng hiệu tần số giữa 2 mode dọc lân cận Tuy nhiên, một laser bán dẫn đơn có chiều dài hốc tương đối ngắn (thường 5mm hoặc ngắn hơn) làm cho tần số điều chế lớn hơn 50GHz Để khắc phục nhược điểm này, một laser hốc mở rộng được đưa ra sử dụng để tăng chiều dài hốc cũng như mở rộng tần số điều chế Trong một cách giải quyết thực tế, người ta sử dụng phần đuôi heo nối cố định với máy phát quang để làn hốc mở rộng bằng việc khắc một cách tử sợi chirp

Việc sử dụng cách tử sợi bị chirp cung cấp một bước sóng ổn định đến 0,1nm trong khi

mở ra một cơ chế tự điều hòa mà cho phép laser khóa mode có tần số điều chế trong khoảng rộng các giá trị Một bộ làm nóng nhiệt được sử dụng để điểu hòa bước sóng hoạt động qua một dãy 7nm bằng việc thay đổi bước cách tử Nguồn laser như vậy sản xuất xung giống soliton có độ rộng 20ps ở tốc độ 10Gb/s và đã được sử dụng trong nhiều thí nghiệm truyền dẫn quang

Một phương pháp đơn giản khác là tạo dãy xung điều chế pha ở đầu ra một laser bán dẫn DFB đặt sau một bộ lọc băng thông quang Sự điều chế pha tạo ra các dải biên FM trên cả hai biên của tần số sóng mang và bộ lọc quang lựa chọn các giải biên trên một phía của sóng mang Thiết bị như vậy sẽ tạo ra một dãy xung ổn định rộng 20ps ở tốc độ lặp được điều chỉnh bởi một bộ điều chế pha Nó cũng có thể sử dụng như một nguồn lưỡng bước sóng bằng việc lọc các giải biên trên cả hai biên của tần số sóng mang với

Mach-Zender đơn, được kích thích bởi một dòng dữ liệu điện mã NRZ để chuyển đổi đầu

ra CW của laser DFB thành một dòng bit quang mã RZ Những xung quang này mặc dù không có dạng “sech” của một soliton nhưng chúng vẫn được dùng trong hệ thống soliton

vì khả năng tiến triển thành một soliton của sợi

2.6 Ảnh hưởng của suy hao sợi

Như 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 hưởng của GVD, dẫn đến sự mở rộng xung soliton

Trong khi mô phỏng định dạng một soliton, chúng ta đã xét phương trình lan truyền

sóng với giả thiết không tính đến suy hao sợi Tuy nhiên, trong thực tế suy hao sợi đóng

một vai trò rất quan trọng khi thiết kế hệ thống, là một tham số xác định khoảng cách

giữa bộ thu và phát và không thể bỏ qua Phương trình NSE khi tính đến cả suy hao sợi

1 2 2

Khi   1 ta có thể coi như có một sự dao động nhỏ và nghiệm phương trình (2.13)

sec ) , (  h   i 

Từ đó ta thấy biên độ soliton giảm theo hàm mũ Vì độ rộng soliton tỉ lệ nghịch với

biên độ của nó nên độ rộng soliton tăng theo hàm mũ với khoảng cách lan truyền tăng

như sau:

T1() T0exp( ) T0exp(z) (2.15)

Sự tăng độ rộng như vậy không được mong chờ và thường gây khó khăn cho truyền

được đặt trong sợi có   0 , 07

(2): Sự mở rộng xung trong trong trường hợp không có mặt các hiệu ứng phi tuyến (3): Sự mở rộng xung với   0 , 07

Hình 2.5: Sự mở rộng xung bởi suy hao sợi (=0,07) cho soliton cơ bản

Dựa vào đồ thị ta thấy sự mở rộng xung soliton khi có mặt các hiệu ứng phi tuyến nhỏ hơn so với trường hợp tuyến tính Bởi vậy ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến rất có ích trong truyền thông quang ngay cả khi soliton không thể duy trì hình dạng của nó một cách hoàn hảo bởi suy hao sợi

Trong ứng dụng đường dài, các soliton được truyền qua khoảng cách lớn (hàng chục nghìn km hoặc hơn) mà không sử dụng các bộ lọc điện Vì vậy để chống lại ảnh hưởng

1-0 21-0 41-0 61-0 81-0

100 Khoảng cách, z/L D

N=1

(3)

(2)

(1)

do suy hao sợi gây ra, các soliton cần được khuyếch đại định kỳ để khôi phục độ rộng xung ban đầu, công suất đỉnh và năng lượng của chúng

2.7 Khuếch đại soliton

Như đã nói ở trên để chống lại ảnh hưởng của suy hao sợi, các soliton được khuyếch đại định kỳ để bù chính xác suy hao sợi, làm cho xung được duy trì hình dạng khi lan truyền trong sợi Sơ đồ đơn giản nhất cho khuyếch đại giống như trong hệ thống truyền thông không soliton (hình 3.6a) Một bộ khuyếch đại quang được đặt định kỳ dọc theo liên kết sợi và hệ số khuyếch đại của nó được chỉnh sao cho bù chính xác suy hao sợi

khuyếch đại, khoảng cách này thường được tính toán để đạt giá trị lớn nhất có thể, giúp giảm thiểu chi phí thiết bị Trong hệ thống quang thông thường, LA thường bằng 80-100km Nhưng với hệ thống truyền thông quang soliton, khoảng cách này bị giới hạn ở khoảng cách nhỏ hơn nhiều Đó là vì các bộ khuyếch đại quang chỉ giúp tăng thế năng lượng soliton đến mức đầu vào mà không khôi phục dần soliton cơ bản Các soliton đã được khuyếch đại sẽ sửa dần độ rộng của nó một cách động trong đoạn sợi sau mỗi bộ khuyếch đại Tuy nhiên, nó cũng làm mất một phần năng lượng dưới dạng sóng tán sắc trong suốt quá trình sửa pha Phần tán sắc đó có thể được tích lũy đến một mức đáng kể qua một số giai đoạn khuyếch đại và điều này cần phải được tránh Một cách để giảm

lộn nhiều qua khoảng cách đó Sự mô phỏng bằng số cho thấy rằng đây là trường hợp khi

LA là một phần nhỏ của chiều dài tán sắc (LA<<LD) Chiều dài tán sắc LD phụ thuộc cả vào độ rộng xung T0 và tham số tán sắc vận tốc nhóm 2, và có thể thay đổi từ 10-

trị nhỏ hơn giá trị mong đợi trong thực tế khi thiết kế Tuy nhiên, LD cũng có thể vượt