Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông hệ thống Soliton
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn SolitonĐinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông1 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn SolitonCHƯƠNG IHIỆU ỨNG QUANG PHI TUYẾN1.1. Giới thiệu chung Các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác trên mạng lướiviễn thông đều sử dụng các sợi quang truyền dẫn trong môi trường tuyến tính mà ở đó các tham số sợi không phụ thuộc vào công suất quang. Hiệu ứng phi tuyến sợi xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng và công suất quang tăng lên. Các hiệu ứng phi tuyến này đã có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn của hệ thống và thậm chí trở nên quan trọng hơn vì sự phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA cùng với sự phát triển của các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM. Với việc tăng hiệu quả truyền thông tin mà có thể được làm bằng việc tăng tốc độ bit, giảm khoảng cách giữa các kênh hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên, các ảnh hưởng của phi tuyến sợi trở nên đóng vai trò quyết định hơn. Mặc dù công suất riêng của mỗi kênh có thể thấp dưới mức cần thiết để xuất hiện tính phi tuyến, tổng công suất của tất cả các kênh có thể nhanh chóng trở nên đủ lớn. Sự kết hợp của tổng công suất quang cao và một số lớn các kênh ở các bước sóng gần nhau thì lý tưởng cho nhiều loại hiệu ứng phi tuyến. Vói tất cả lý do này cho thấy tầm quan trọng của việc hiểu các hiệu ứng phi tuyến.Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông1 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Các hiệu ứng phi tuyến này bao gồm: tán xạ Raman kích thích (SRS: simulated Raman scattering), tán xạ Brillouin kích thich (SBS: simulated Brillouin scattering), hiệu ứng trộn 4 sóng (four-wave mixing), điều chế chéo pha (XPM: cross-phase modulation), tự điều chế pha (SPM: self-phase modulation). Mỗi hiệu ứng phi tuyến tùy từng trường hợp có thể có lợi hoặc có hại. Chẳng hạn XPM và FWM thì bất lợi cho hệ thống đa kênh WDM. SPM và XPM gây ra sự mở rộng phổ trong các xung quang mà sau đó tương tác với tán sắc sợi. Điều này có thể có lợi hoặc có hại cho hệ thống truyền thông quang tùy thuộc vào tán sắc thường hay dị thường. Như vậy, việc nắm rõ các hiệu ứng phi tuyến này là rất cần thiết để có thể hạn chế các ảnh hưởng không có lợi của nó và tối ưu hóa trong việc thiết kế hệ thống truyền dẫn quang.1.2. Nguyên nhân gây ra hiệu ứng phi tuyến quang Hiệu ứng phi tuyến quang xuất hiện khi công suất quang phát trên đường truyền tăng dẫn đến mức nào đó. Nguyên nhân là do hai yếu tố:- Thứ nhất là sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào công suất ánhsáng : effAPnnn .20+= (1.1) Trong đó: n0 là chỉ số chiết suất tuyến tính (chỉ số chiết suất trong môi trường tuyến tính cường độ thấp). n2 là chỉ số chiết suất phi tuyến. Giá trị điển hình của n2 trong thủy tinh silic là 3,2.1020−m2/ W và không phụ thuộc vào bước sóng.Sơ đồ dưới đây mô tả mối quan hệ giữa chỉ số chiết suất và công suất quang: Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông2 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Hình 1.1. Sự phụ thuộc của chiết suất sợi silica vào công suất quang Ta nhận thấy sự thay đổi chiết suất tương đối nhỏ song nó lại rất quan trọng vì chiều dài tương tác trong sợi quang thực tế có thể lên tới hàng trăm kilômét và sự biến đổi này gây ra các hiệu ứng XPM, SPM, FWM.- Thứ hai là do các hiện tượng tán xạ kích thích như: SRS, SBS.1.3 Tán xạ ánh sáng kích thích SRS và SBS1.3.1 Tán xạ Raman kích thích SRS SRS là một loại của tán xạ không đàn hồi (tán xạ mà tần số ánh sáng phát ra bị dịch xuống). Ta có thể hiểu đây là một loại tán xạ của một photon tới photon năng lượng thấp hơn sao cho năng lượng khác xuất hiện dưới dạng một phonon. Quá trình tán xạ gây ra suy hao công suất ở tần số tới và thiết lập một cơ chế suy hao cho sợi quang. Ở mức công suất thấp, thiết diện tán xạ phải đủ nhỏ để suy hao là không đáng kể. Ở mức công suất cao, hiện tượng phi tuyến SRS xẩy ra nên cần xem xét đến suy hao sợi. Cường độ ánh sáng sẽ tăng theo hàm mũ mỗi khi công suất quang vượt quá giới hạn nhất định. Giá trị ngưỡng này được tính toán dựa trên việc cường độ ánh sáng tăng như thế nào so với tạp âm và được định nghĩa là công suất tới tại nơi nửa công suất bị mất bởi SRS ở cuối đầu ra sợi dài L và được mô phỏng như sau [2]: gR.Pth.Leff/A≈eff16 (1.2) Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Công suất quang1.470061.470051.470041.470031.470021.470011.470003 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Trong đó: gR là giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Raman. Aefflà diện tích hiệu dụng Lefflà chiều dài tương tác hiệu dụng Leff= (1-eLα−)/α(1.3) Vói α là suy hao sợi. Trong hệ thống truyền thông quang thực tế, sợi quang đủ dài để Leffα/1≈. Nếu thay Aeff=2πω, với ωlà kích thước điểm => Pth RReffggL)(16.)(1622πωαπω=≈ (1.4) Hệ số khuyếch đại Raman gR ≈ 1.1013− m/W với sợi silica ở gần vùng bước sóng 1mµ và tỉ lệ nghịch với bước sóng. Nếu ta thay thế 2πω=502mµ và α=0,2dB/Km, Pth≈370mW ở gần vùng 1,55µm. Vì công suất đặt trong sợi quang thường nhỏ (dưới 10mW) nên tán xạ Raman kích thích (SRS) không gây hại nhiều tới suy hao sợi.đơn mốt chỉ xả1.3.2 Tán xạ Brillouin kích thích (SBS) Cũng giống với SRS,SBS là một loại của tán xạ không đàn hồi và cả hai rất giống nhau về nguồn gốc của chúng. Điểm khác nhau chính là các phonon quang tham gia trong tán xạ Raman còn tán xạ Brillouin có các phonon âm thanh tham gia. Mối quan hệ tán sắc khác nhau với các phonon quang và các phonon âm thanh dẫn đến vài điểm khác nhau cơ bản giữa chúng. Đó là hiệu ứng SBS trong sợi mốt chỉ xảy ra theo hướng ngược còn SRS chiếm ưu thế trong hướng đi. Mức công suất ngưỡng của SBS cũng được tính tương tự như sau: gB.Pth.Leff/Aeff ≈21 (1.5)Trong đó: gB là giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Brillouin Thay Leff≈1/α, Aeff2πω≈ => PthBg/)(212πωα≈ (1.6) Hệ số khuyếch đại Brillouin gB≈5.10 /11m−W với sợi silica lớn gấp hàng trăm lần hệ số khuyếch đại Raman. Suy ra Pth≈1mW, với cùng điều kiện ở gần bước sóng 1,55µm, nơi suy hao sợi nhỏ nhất. Rõ ràng, SBS thiết lập một giới hạn trên đối với công suất quang vì giá trị ngưỡng của nó thấp. Khi công suất quang vượt quá ngưỡng, một phần lớn ánh sáng đã phát sẽ truyền lại bộ phát. Do đó, SBS gây ra sự bão hòa công suất quang trong máy thu, đồng thời cũng làm xuất hiện sự phản xạ ngược Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông4 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Solitoncủa tín hiệu quang, và nhiễu làm giảm tỉ lệ BER. Như vậy việc điều khiển SBS trong hệ thống truyền dẫn tốc độ cao là không thể thiếu. Hiện tượng phản xạ ngược tương tự như hiệu ứng của cách tử Bragg và ánh sáng tán xạ ngược càng tăng khi công suất quang vượt quá giá trị ngưỡng càng tăng Hình 1.2. Sự tăng ánh sáng tán xạ ngược khi công suất quang tăng. Việc tính toán Pth ở trên không tính đến ảnh hưởng của độ rộng phổ kết hợp với ánh sáng tới. Vì phổ khuyếch đại cho sợi silica rất hẹp (<100MHz), công suất ngưỡng có thể tăng đến 10mW hoặc hơn bằng việc tăng trước băng tần khuyếch đại tới 200-400MHz qua sự điều chế pha. Bởi vậy, SBS giới hạn mức công suất đặt dưới 100mW trong hầu hết các hệ thống truyền thông quang. Tóm lại: Cả SRS và SBS có thể được sử dụng để cải tiến trong thiết kế hệ thống truyền thông quang vì chúng có thể khuyếch đại một trường quang bằng việc truyền năng lượng tới nó từ một trường bơm với bước sóng được chọn thích hợp. SRS đặc biệt có ích vì một băng tần cực lớn (~10THz) kết hợp với dạng phổ khuyếch đại Raman của silica. Cả SRS và SBS đều có thể sử dụng để làm bộ khuyếch đại Raman sợi và khuyếch đại brillouin sợi tương ứng.1.4 Tự điều chế pha SPM (self-phase modulation) và điều chế chéo pha XPM (cross-phase modulation)1.4.1. Tự điều chế pha SPM Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thôngsự giảm công suất thu đượcsự tăng tán xạCông suất quang thu đượcCông suất quang tán xạ ngượcngưỡng SBSCông suất đầu ra bộ phát quang5 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào cường độ trường của sóng ánh sáng được gọi là hiệu ứng Kerr quang, trong đó toàn bộ các trường tham gia vào tương tác phi tuyến ở cùng một tần số. Chỉ số chiết suất biến đổi như sau [2]: n,j= nj+ n2.effAP với j=1,2… (1.7) Trong đó: n,1, n,2 là chiết suất lõi và vỏ. n2 là hệ số chiết suất phi tuyến.nj là chỉ số chiết suất tuyến tính n2/10.3220m−≈W với sợi silica Hệ số truyền dẫn phi tuyến [2]: PAPnAPnnncneffeffjjj.222 2.22'''γβλπβλππλλπωβ+=+=+=== (1.8) Với /22nλπγ=Aeff là hằng số truyền dẫn phi tuyến. Pha kết hợp với mode sợi tăng tuyến tính theo z, ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến dẫn đến một sự dịch pha phi tuyến là: effinLinLzinzinLLNLLPePePdzePdzzPdz )1(1 |.1 )(.)(000'γαγαγγγββφααα=−=−===−=−−−∫∫∫ (1.9) Pin giả thiết là không đổi. Thực tế sự phụ thuộc của Pin vào thời gian làm cho NLφ thay đổi theo thời gian dẫn đến một sự dịch chuyển tần số mà từng bước ảnh hưởng tới hình dạng xung qua GVD. Để giảm ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến thì độ dịch pha phi tuyến cần thỏa mãn điều kiện NLφ<<1. Từ đó có thể suy ra điều kiện ngưỡng của công suất quang: γαγγ=<<=><<.11 .effineffininLPLPP (1.10) Với 2,046.0/2.01===−γαKmKmdBW11.−−Km , ta có: Pin << 023.02046.0=W= 23mWĐinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông6 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Rõ ràng sự phụ thuộc chiết suất vào công suất quang là một yếu tố giới hạn với hệ thống truyền thông quang. Hiện tượng phi tuyến tương ứng với giới hạn này được gọi là tự điều chế pha SPM vì độ dịch pha NLφđược cảm ứng bởi chính trường quang. SPM tương tác với tán sắc sắc thể trong sợi để thay đổi tốc độ mở rộng xung khi nó lan truyền trong sợi quang. Khi tán sắc sắc thể trong sợi quang càng tăng ảnh hưởng của SPM càng lớn. Nó dẫn đến việc thay đổi các thành phẩn trong xung quang. Hiệu ứng này có thể xem như là cơ chế chirp phi tuyến, tần số hoặc bước sóng của ánh sáng trong một xung có thể bị chirp không chỉ đơn giản do đặc tính nội tại của nguồn phát mà còn do tương tác phi tuyến với môi trường truyền dẫn của sợi. Điều này dẫn đến sự dịch các sườn xung, xung lên bị dịch về phía bước sóng dài hơn và xung xuống bị dịch về phía bước sóng ngắn hơn và dẫn tới một sự dịch tần trên mỗi sườn xung mà tương tác với tán sắc sợi để mở rộng xung. Hình 1.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung1.4.2 Điều chế chéo pha (XPM) Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ trường của sóng ánh sáng có thể cũng dẫn đến hiện tượng phi tuyến được biết là điều chế chéo pha. Nó chỉ xuất hiện trong hệ thống đa kênh và xảy ra khi hai hay nhiều kênh được truyền đồng thời trong sợi sử dụng các tần số sóng mang khác nhau. Độ dịch pha phi tuyến cho một kênh riêng không phụ thuộc vào chỉ số chiết suất của kênh khác. Độ dịch pha cho kênh j là [2]: +=∑≠MjmmjeffNLjPPL 2.γφ (1.11) Trong đó: M là tổng số kênh Pj là công suất kênh j (j=M,1).Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn ThôngSự dịch xungXung bị mở rộng khi lan truyền trong sợiChirp tần sốXung đã phátTần số7 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Hệ số 2 chỉ ra rằng XPM ảnh hưởng bằng 2 lần SPM với cùng công suất. Độ dịch pha tổng bây giờ phụ thuộc vào tất cả các kênh và có thể thay đổi từng bit phụ thuộc vào kiểu bit của kênh lân cận. Nếu ta giả sử công suất các kênh bằng nhau, độ dịch pha trong trường hợp xấu nhất khi tất cả các kênh truyền đồng thời tất cả các bit 1 là: ( )jNLjPM 12 −=αγφ (1.12) Để <<NLjφ 1 => Pj<1 (mW) ngay cả với M=10 nếu chúng ta sử dụng giá trị γ và α ở vùng λ=1,55mµ. Rõ ràng XPM có thể là nhân tố giới hạn công suất chính. Tóm lại: Với những xung quang rộng tương đối (>100ps), ảnh hưởng của tán sắc không đáng kể. Với những xung quang ngắn hơn, ảnh hưởng của tán sắc và phi tuyến hoạt động cùng nhau trên xung dẫn đến nhiều đặc tính mới. Cụ thể sự mở rộng xung quang do tán sắc được giảm nhiều với sự có mặt của SPM và GVD dị thường. Thực tế một xung quang có thể lan truyền không méo nếu công suất đỉnh của chúng được lựa chọn tương ứng với Soliton cơ bản. Solition và truyền thông trên cơ sở Soliton sẽ được thảo luận trong chương sau.1.5 Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing) Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ có gốc của nó trong độ cảm phi tuyến bậc 3 được biểu hiện bởi)3(χ. Hiện tượng phi tuyến khác được biết từ sự trộn 4 sóng (FWM) cũng xuất phát từ giá trị hữu hạn của )3(χ trong sợi thủy tinh [2]. Nếu 3 trường quang với tần số sóng mang 321,,ωωω lan truyền đồng thời trong sợi, )3(χtạo ra trường thứ tư mà tần số 4ωcủa nó liên quan với các tần số qua công thức: 4ω= 321ωωω±±. Về nguyên lý sẽ xuất hiện nhiều tần số tương ứng với các sự kết hợp khác nhau của các dấu +, -. Tuy nhiên trong thực tế hầu hết sự kết hợp của chúng không xây dựng được yêu cầu thích ứng pha. Sự kết hợp của dạng 3214ωωωω−+= là gây rắc rối nhất cho hệ thống truyền thông quang đa kênh vì chúng có thể gần với pha được thích ứng khi bước sóng nằm ở vùng tán sắc bằng 0. Hai yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ tới hiệu năng trộn là:- Đầu tiên là khoảng cách kênh. Hiệu năng trộn sẽ tăng mạnh mẽ khi khoảng cách kênh trở nên gần hơn.Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông8 [...]... trong thiết kế hệ thống so với hệ thống không soliton thông thường Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu các vấn đề đó 4.1.1 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: Đầu vào Bộ phát quang Kênh truyền dẫn Bộ thu quang Đầu ra Hình 4.1 Mô hình chung của hệ thống truyền dẫn soliton -... Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton • θ = π / 2 : Các soliton đẩy nhau ngày càng mạnh khi khoảng cách lan truyền tăng 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... N=1 được gọi là soliton cơ bản Xung quang ứng với N>1 được gọi là soliton bậc cao và N được gọi là bậc của soliton Chu kỳ z0 là khoảng cách mà các soliton bậc cao khôi phục lại dạng gốc của chúng π π T02 LD = z0 = 2 2 | β2 | (2.10) Chu kỳ z0 và bậc N của soliton đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống soliton quang Hình vẽ sau biễu diễn tiến trình xung của soliton bậc 1 và soliton bậc 3 qua... độ rộng khe bit TB 2q0 = T là khoảng cách giữa 2 soliton lân cận 0 Hình vẽ sau mô tả dãy bit soliton ở dạng mã RZ: Soliton TB 1 1 0 1 0 1 Hình 3.2 Dãy bit soliton mã RZ Mỗi soliton chiếm một phần nhỏ Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 31 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton của khe bit sao cho các soliton lân cận được đặt xa nhau Trong đơn vị vật... Chính Viễn Thông 29 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton CHƯƠNG IV HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON 4.1 Hệ thống truyền dẫn soliton Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin quang đã được đưa vào khai thác trên mạng viễn thông đáp ứng nhu cầu gia tăng các dịch vụ Viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại Truyền thông soliton quang qua quá trình nghiên cứu lâu dài đã... nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton 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 ) = sec h(τ − q 0 ) + r sec h[ r (τ + q 0 )] exp(iθ ) (3.7) Với r : biên độ tương đối của 2 soliton θ : 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... Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 18 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Chương III TỔNG QUAN VÊ SOLITON 3.1 Khái niệm về soliton Từ soliton được đưa vào năm 1965 để miêu tả thuộc tính phân tử của đường bao xung trong môi trường phi tuyến tán sắc Dưới điều kiện nào đó đường bao xung không chỉ lan truyền không méo mà còn tồn tại sự va chạm như các phần tử làm Vậy soliton là... không méo dưới dạng của một Soliton Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 19 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton Đồ thị sau miêu tả sự biến thiên của hệ số mở rộng theo khoảng cách lan truyền cho một xung Gausse vào bị dịch tần 4 C=-2 3 C=2 Hệ số mở rộng T1/T0 2 C=0 1 β2 > 0 0 0 0.5 1 Khoảng cách, z/L0 1.5 2 Hình 3.1 Sự thay đổi hệ số mở rộng theo khoảng... phi tuyến (NSE) hay là phương trình sóng của trường quang 3.4 Phân loại Soliton 3.4.1 Soliton cơ bản và soliton bậc cao Mặc dù NSE hỗ trợ các soliton cho cả GVD bình thường và dị thường nhưng các soliton pulselike (sáng) chỉ được tìm thấy trong trường hợp tán sắc dị thường ( β 2 < 0 ) Soliton sáng được sử dụng hầu hết trong các hệ thống truyền thông quang Vì β 2 < 0 nên hàm sóng có dạng: i ∂U 1 ∂ 2U... trì động lượng Quá Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 9 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton trình FWM cũng có thể xẩy ra khi hai phonon bắt đầu suy biến ( ωω1 = ωω 2 ), vì vậy ω 4 = 2.ω1 − ω 3 FWM không ảnh hưởng đến hệ thống sóng ánh sáng đơn kênh nhưng lại trở nên quan trọng với các hệ thống đa kênh mà sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng . trong hệ thống truyền dẫn Soliton inh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông1 Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn SolitonCHƯƠNG. truyền dẫn của hệ thống và thậm chí trở nên quan trọng hơn vì sự phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA cùng với sự phát triển của các hệ thống ghép kênh
