Đà Nẵng, 25 tháng 3 năm 2013 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA: Điện Tử Viễn Thông Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN QUANG Chuyên đề 6: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON Đề Tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Giảng viên hƣớng dẫn : Th.s Trƣơng Xuân Trung Sv nhóm 12 thực hiện : Nguyễn Quỳnh Hậu Lê Xuân Tứ Lớp : L11CQVT09 – N (ĐTVT11) Khóa : 2011- 2013 Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 2 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3 LỜI MỞ ĐẦU 4 GIỚI THIỆU VỀ SOLITON 5 CHƢƠNG 1: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON 6 1.1 Mô hình hệ thống chung. 6 1.2 Truyền thông tin với các soliton. 6 1.3 Tương tác soliton. 8 1.4 Sự lệch tần (Frequency chirp). 11 1.5. Máy phát soliton. 12 1.6 Ảnh hưởng của suy hao sợi. 14 1.7 Khuếch đại soliton. 16 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SOLITON 19 2.1 Cơ chế soliton trung bình. 19 2.2 Sự khuyếch đại phân bố. 21 2.3 Nhiễu bộ khuyếch đại. 22 2.4 Tiến trình thực nghiệm. 24 KẾT LUẬN 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 3 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ASE Amplified Spontancous Emission Sự phát xạ tự phát được khuếch đại CW Continous Wave Sóng liên tục DCF Dispersion Decreasing Fiber Sợi bù tán sắc DFB Distributed Feed Back Lade dán dẫn phản hổi phân phối EDFA Erbium Doped Fiber amplifier Bộ khuếch đại quang sợi FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng đầy đủ ở nữa giá trị max GVD Group Veocity Disperson Tán sắc vận tốc nhóm NRZ Non Return to Zero Mã không trở về 0 NSE Nonlinear Schrodinger Equation Phương trình Schrodinger phi tuyến RZ Return to Zero Mã trở về 0 SNR Signal to Noise Ratio Tín hiệu trên nhiễu SPM Self phase Modulation Tự điều chế pha Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 4 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ truyền thông đã có những bước tiến vững chắc, được minh chứng bởi nhu cầu ngày càng tăng của sự phát triển. Các nhà nghiên cứu thiết kế hệ thống quang và mạng nhận thấy chúng là nhu cầu trường tồn để làm tăng thêm dung lượng và truyền thông đường dài. Tất nhiên có một sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa hệ thống tuyến tính và phi tuyến. Lớp các hệ thống truyền dẫn tuyến tính NRZ-IM/DD kết hợp với công nghệ WDM bao quát các ứng dụng, bao gồm các khoảng cách truyền dẫn lên đến 10.000km và có tốc độ lên đến 100Gb/s. Mặt khác các hệ thống phi tuyến RZ, tức là các hệ thống Soliton được khuếch đại đã đạt đến độ chín có thể xem xét, vì thế là một sự lựa chọn đúng đắn đối cới truyền thông dung lượng cao. Mặc dù đang có mặt các công nghệ hoàn hảo các hệ thống Soliton được khuếch đại vẫn chưa được triển khai phổ biến. Lý do chính là do các Soliton chịu ảnh hưởng Gordon-Haus khắt khe, kết quả từ sự trộn lẫn tín hiệu và nhiễu sự phát xạ tự phát tạo ra bởi bộ khuếch đại EDFA được sử dụng để bù suy hao sợi quang. Sự trộn lẫn tín hiệu và nhiễu tạo ra Jitter trên các độ rộng xung, chính vì thế hạn chế dung lượng các soliton được khắc phục. Việc nghiên cứu hệ thống truyền thông quang được đề ra trên nhiều khía cạnh. Trong phần trình bày chuyên đề của chúng em tập trung vào các vấn đề cơ bản của hệ thống Soliton, các yếu tố ảnh hưởng và thiết kế một hệ thống Soliton. Trong thời gian tìm hiểu đề tài còn nhiều hạn hẹp, nhiều khái niệm còn mới và nguồn tài liệu ít ỏi nên báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót. Nhóm chúng Em rất mong nhận được sự góp ý của Thầy giáo và các bạn để bài báo cáo được hoàn chỉnh hơn! Đà Nẵng, 25 tháng 3 năm 2013 Nhóm 12 thực hiện Quỳnh Hậu – Xuân Tứ Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 5 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung GIỚI THIỆU VỀ SOLITON 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. Soliton sợi: Sự tồn tại của soliton sợi là kết quả của sự cân bằng giữa tán sắc vận tốc nhóm GVD (Group-Veocity Disperson) và tự điều chế pha SPM ( Self Phase Modulation), cả hai đều hạn chế hiệu năng truyền thông quang sợi khi hoạt động độc lập trên xung quang đang lan truyền bên trong sợi ngoại trừ khi xung bị dịch ban đầu theo đúng hướng. Đặc biệt hơn một xung bị dịch có thể được nén trong suốt giai đoạn đầu của sự lan truyền bất cứ khi nào tham số GVD 2  và hệ số chirp C trái dấu nhau( 2  .C<0). SPM, kết quả từ sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ quang, đưa ra một sự dịch trên xung quang sao cho C > 0. Vì 2  <0 ở vùng bước sóng 1,55 m  nên điều kiện 2  .C<0 được thõa mãn. Hơn nữa sự dịch chuyển bởi SPM phụ thuộc công 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) Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 6 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung CHƢƠNG 1: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON 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: Hình 1.1: 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. 1.2 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 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 (1.1). Tuy nhiên, nghiệm soliton này chỉ đúng khi nó chiếm giữ toàn bộ cửa sổ thời gian từ Đầu ra Bộ phát quang Bộ thu quang Đầu vào Kênh truyền dẫn Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 7 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung   . Giá trị này có thể được đảm bảo gần đúng cho một dãy soliton chỉ khi các soliton riêng được đặt cách ly. Vì vậy người ta sử dụng mã RZ để mã hóa thông tin trong truyền dẫn soliton. Yêu cầu này được dùng để biễu diễn mối quan hệ giữa độ rộng soliton (T 0 ) và tốc độ bít (B): B 00 2 11 TqT B  (1.1) Trong đó: T b là độ rộng khe bit 2q 0 = 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 1.2: 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: A(0,t)= )(sec 0 0 T t hP (1.2) P 0 là công suất đỉnh thõa mãn điều kiện: 2 0 2 00 1 T PLP D     (1.3) T B Soliton 1 1 0 1 0 1 Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 8 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung Độ rộng đầy đủ ở nửa giá trị max (FWHM: full width at half maximum) của soliton là: T S =2T 0 ln( 21 )  1.763T 0 (1.4) Năng lượng xung của soliton cơ bản thu được là: E S =     dttA 2 ),0( 2P 0 T 0 (1.5) Nếu giả thiết số bit 1 và 0 xảy ra bằng nhau, công suất trung bình của tín hiệu RZ là: S P =E S ( 2 B )= 0 0 00 2 2 2 q P TP B  (1.6) 1.3 Tƣơng tác soliton. Khoảng cách T B giữa các xung lân cận xác định tốc độ bit B của hệ thống truyền thông (B=1/T B ). Vấn đề đặt ra là các soliton đặt gần nhau như thế nào mà không gây ra sự tương tác lẫn nhau giữa chúng. Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ rằng tương tác soliton không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách 2q 0 giữa các soliton lân cận mà còn phụ thuộc vào 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:   )exp()(sec)(sec),0( 00  iqrhrqhtu  (1.7) Với r : biên độ tương đối của 2 soliton  : pha tương đối giữa 2 soliton lân cận 2q 0 : khoảng cách ban đầu của 2 soliton Hình 1.3 miêu tả tiến trình của một cặp soliton với q 0 =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. Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 9 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung Hình 1.3: 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  : Các soliton hút nhau sao cho chúng va chạm định kỳ theo chiều dài sợi. 4/   : Ban đầu các soliton hút nhau rồi lại tách khỏi nhau. 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 ở vị trí gốc trong khe bit khi truyền dẫn qua khoảng cách lớn. Khi q 0 >>1 trong trường hợp đặc biệt r=1,  =0 (tức là u(0,t)=sech( 0 q  )+sech( 0 q  )), khoảng cách 2q s giữa 2 soliton ở vị trí  được đưa ra bởi : 2exp[2(q s -q 0 )] =1 + cos[4  exp(-q 0 )] (1.8) Mối quan hệ này cho thấy q s (  ) thay đổi tuần hoàn với chu kỳ dao động là: Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 10 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung )exp( 2)exp(4 2 0 0 q q p        (1.9) Kết quả này đúng với q 0 >>1. Một biểu thức đúng hơn cho mọi giá trị q 0 là: )2sinh(2 )cosh()2sinh( 00 00 qq qq q     (1.10) Nếu  TTDp LLL ,  là tổng khoảng cách truyền dẫn. Tương tác soliton có thể không tính đến vì các soliton có thể lệch một chút so với giá trị ban đầu của nó. Vì Dp L  >> TPPT L Bq T L           2 2 0 2 2 0 2 1     2 2 02 2 0 2 0 84 1     q e q BL q PT  (1.11) Ví dụ chọn q 0 =6 để tránh tương tác soliton, suy ra: 634 2 0  q p e   Và chọn kmps /1 2 2   vì hầu hết các hệ thống truyền thông soliton đều sử dụng sợi dịch tán sắc. Ta có: km s T e LB b T .)(4,4 298 2 6 2   (1.12) Như vậy điều kiện km s T LB b T .)(4,4 22  có thể đúng với L T lớn hàng chục ngàn kilômét. Tuy nhiên, khi khoảng cách lan truyền lớn thì tốc độ bit lại nhỏ, chứng tỏ điều kiện này đã giới hạn đến khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ bit của hệ thống soliton. Vì vậy khi khoảng cách giữa các soliton rộng để hạn chế tương tác thì lại hạn chế tốc độ và khoảng cách truyền dẫn của hệ thống. Một cách để giảm q 0 mà vẫn đảm bảo tương tác soliton nhỏ nhờ sử dụng các soliton lân cận có biên độ khác nhau. Như biễu diễn ở hình 1.3 với sự lệch công suất đỉnh giữa 2 soliton lân cận là 10% (r=1.1). Lúc này khoảng cách giữa 2 soliton lân cận không thay đổi nhiều hơn 10% so với khoảng cách ban đầu q 0- [...]... Trương Xuân Trung Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SOLITON Hệ thống thông tin quang sợi tốc độ cao thường bị hạn chế bởi tán sắc vận tốc nhóm mà mở rộng xung và suy hao năng lượng Các soliton ra đời đã giúp cho cải tiến hiệu năng hệ thống, hạn chế tán sắc duy trì độ rộng xung nhờ việc cân bằng ảnh hưởng của GVD và hiện tượng phi... không đáng kể Truyền dẫn ổn định của các soliton 10Gb/s trên 28Mm vẫn được quan sát Trong tất cả các thí nghiệm các kết quả rất phù hợp với các mô phỏng số Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 26 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton KẾT LUẬN Sự ra đời của hệ thống Soliton là 1 chìa khóa để giải quyết bài toán truyền dẫn tốc độ cao và đường dài,... để bù suy hao sợi Laser bán dẫn được sử dụng chung cho cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến Có nhiều máy phát soliton khác nhau Trong thời kỳ đầu, truyền dẫn soliton sử dụng kỹ thuật chuyển mạch khuyếch đại để phát xung quang picogiây trong khoảng 20  Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 12 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton 40ps Về mặt nguyên... thành công cho kết quả gần với thực tế tạo điều kiện cho việc nghiên cứu có hiệu quả hơn - Nhiều khó khăn trong vấn đề triển khai hệ thống soliton trong thực tế Trong đó jitter đóng một vai trò quan trọng Mặc dù vậy hệ thống soliton đang hứa hẹn một tương lai tươi sáng Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 27 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton TÀI... trò quan trọng trong thiết kế hệ thống vì chúng có thể được thiết kế với dạng tùy ý của hàm dao động Với ASE hàm dao động có dạng:  (u s )  in( , ) exp( i  i ) Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N (2.16) 23 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Trong đó n(  , ) là nhiễu ngẫu nhiên, bao gồm cả sự dao động biên độ và pha Phương sai của... Trung Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Amplifiers Tx Rx (a) Pumping Tx Rx Couplers (b) (a) và khuyếch đại phân tán (b) để bù suy hao sợi trong hệ thống truyền dẫn soliton Hình 1.6: Sơ đồ khuyếch đại tập trung Một giải pháp khác là sử dụng kỹ thuật khuyếch đại phân tán mà các soliton được khuyếch đại dọc theo tuyến sợi để truyền dẫn dữ liệu Tán xạ Raman kích thích... Trương Xuân Trung Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Sự tăng độ rộng như vậy không được mong chờ và thường gây khó khăn cho truyền dẫn đường dài Hình 1.5 miêu tả sự phụ thuộc của hệ số mở rộng T1/T0 vào  khi soliton được đặt trong sợi có   0,07 70 60 (3) N=1 50 40 (2) T1/T0 30 20 10 (1) 0 0 20 40 60 80 100 Khoảng cách, z/LD (1): Sự mở rộng soliton khi  ... phát được khuyếch đại) làm ảnh hưởng quan trọng đến hệ thống Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 22 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Mật độ phổ của ASE phụ thuộc vào chính hệ số khuyếch đại G Để hiểu ASE ảnh hương như thế nào tới tiến trình một soliton, ta xem xét dạng chung nhất của một soliton cơ bản:    u s ( , )   sec h   ... Hình 2.2: Thí nghiệm thiết lập truyền dẫn soliton 2 bộ EDFA đặt sau bộ điều chế LiNO3 hoạt động như một bộ tăng thế công suất Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 24 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Hình 2.2 biễu diễn một thí nghiệm sử dụng bộ điều chế cường độ LiNO3 để tác động đến tín hiệu trên dãy xung Dãy bit soliton được truyền qua nhiều đoạn... Th.S Trương Xuân Trung Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton 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 1.6 Ảnh . Soliton. Phân loại soliton: - Soliton cơ bản và soliton bậc cao - Tiến trình soliton - Soliton tối (Dark soliton) Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton. đại. Chuyên đề Thông tin quang Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton Nhóm 12- Lớp L11CQVT09-N 19 Gvhd: Th.S Trương Xuân Trung CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SOLITON Hệ thống thông. CHƢƠNG 1: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON 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