Jitter trong hệ thống truyền dẫn soliton
- 137 trang
- file: .doc
đang tải dữ liệu....
Tài liệu bị giới hạn, để xem hết nội dung vui lòng tải về máy tính.
Tải xuống - 137 trangNội dung text: Jitter trong hệ thống truyền dẫn soliton
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, công nghệ truyền thông quang đã có
những bước tiến vững chắc, được minh họa bởi nhu cầu ngày càng tăng của
các dịch vụ. Các nhà nghiên cứu thiết kế hệ thống quang và mạng nhận thấy
bản thân 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 trùm trên một diện rộng các ứng
dụng, bao gồm các khoảng cách truyền dẫn lên đến 10000km, và các tốc độ
lên đến 100Gb/s. Những hệ thống này hiện tại hoạt động phổ biến, nhưng
nói chung bị hạn chế đến tốc độ 2,5-5 Gb/s mỗi kênh trong các truyền dẫn
đường dài. Một số lượng lớn các sóng mang quang sau đó có thể được yêu
cầu để tạo ra tốc độ 100Gb/s. Mặt khác các hệ thống phi tuyến RZ, tức là
các hệ thống soliton được khuyếch đại đã đạt đến độ chín có thể xem xét,
chính vì thế là một sự lựa chọn đúng đắn đối với truyền thông dung lượng
cao. Trong truyền thông đường dài mỗi kênh hệ thống RZ phi tuyến có thể
hỗ trợ các tốc độ lên đến 10Gb/s.
Mặc dù đang có mặt các công nghệ hoàn hảo các hệ thống soliton được
khuyếch đại vẫn chưa được triển khai phổ biến. Lý do chính là trong đó các
soliton chịu ảnh hưởng Gordon-Haus khắt khe, kết quả từ sự trộn lẫn tín
hiệu và nhiễu sự phát xạ tự phát tự phát tạo ra bởi các bộ khuyếch đại
EDFA được sử dụng để bù suy hao sợi quang. Sự trộn lẫn tín hiệu và nhiễu
tạo ra một sự jitter trên các độ rộng xung, chính vì thế hạn chế dung lượng
các soliton được khuyếch đại.
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 1
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
Việc nghiên cứu hệ thống truyền thông quang được đề ra trên nhiều khía
1
cạnh. Trong phần trình bày của đồ án em tập trung vào các vấn đề cơ bản
nhất của hệ thống soliton, yếu tố jitter ảnh hưởng đến hệ thống soliton đơn
kênh và đa kênh.
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn trong phạm vi đồ án này
chưa thể hoàn chỉnh các vấn đề nêu ra. Em rất mong sự đóng góp ý kiến của
các thầy cô giáo, các bạn sinh viên và các bạn đọc quan tâm đến vấn đề này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] G.P. Agrawall, Fiber-Optic Communication Systems, 2nd Edition, John
Wiley & Sons, 1997
[2] G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 2nd ed, Academic Press, San
Diego, CA,1995, Chap.5.
[3] A.Hasegawa anh Y. Kodama, Soliton in Optical Communication,
Clarendo Press, Oxford, 1995
1
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 2
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
[4] M.J Ablowits and H.Segur, Solitons and the Inverse Scattering
Transform, Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia,
1981
[5] D. Marcuse, “ Simulations to demonstrate reduction of the Gordon-Haus
effect”, Opt. Lett, 171992
[6] Y.Komadama and A.Hasegawa, Progress in Optics, Vol.30, E Wolf, Ed,
North Holland, Amsterdam 1992
[7] L.F. Mollenauer, J.P. Gordon and M.N.Islam, “ Soliton propagation in
long fibers with periodically compensated loss”, IEEE J. Quantum Electron,
Vol QE -22,
[8] K. Rottwitt, J.H Povlsen and A. Bajarklev, “ Long- distance transmission
through distributed erbium- doped fibers,” J. Lightwave Technol, vol 11,
1993
[9] A. Hasegawa, Y. Kodama and A.Marula, “ Recent progress in
dispersion- managed soliton transmission technologies” Opt. FiberTechnol,
vol 3, 1997
[10] Tài liệu hội nghị khoa học lần thứ 5, Hà nội 9- 2002.
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 3
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ASE: Amplified Spontaneous Emission Sự phát xạ tự phát được khuyếch
đại
CW: continous Wave Sóng liên tục
DBR: Distributed Bragg Reflecter Phản xạ phân bố Bragg
DCF: Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc
DDF: Dispersion Decreasing Fiber Sợi giảm tán sắc
DFB: Distributed Feedback Phản hồi phân bố
EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại quang sợi
FWHM: Full Widthat HalfMaximum Độ rộng đầy đủ ở nửa giá trị max
FWM: Four-wave Mixing Trộn bốn sóng
GVD: Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm
NSE: Nonlinear Schrodinger Equation Phương trình Schrodinger phi tuyến
SBS: Stimulated Brillouin Scatting Tán xạ Brillouin kích thích
SRS: Stimulated Raman Scatting Tán xạ Raman kích thích
SPM: Self-phase Modulation Tự điều chế pha
SSFS: Soliton Self-Frequency Shift Sự dịch tần soliton
TOD: Third-Order Dispersion Tán sắc bậc ba
XPM: Cross-phase Modulation Điều chế chéo pha
CRZ: Chirped-return-to-zero Mã trở về không bị chirp
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 4
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
CHƯƠNG I....................................................................................................3
HIỆU ỨNG QUANG PHI TUYẾN.............................................................3
1.1. Giới thiệu chung..............................................................................3
1.2. Nguyên nhân gây ra hiệu ứng phi tuyến quang............................4
1.3 Tán xạ ánh sáng kích thích SRS và SBS .......5
1.3.1 Tán xạ Raman kích thích SRS....................................................5
1.3.2 Tán xạ Brillouin kích thích (SBS)...............................................6
1.4 Tự điều chế pha SPM (self-phase modulation) và điều chế chéo
pha XPM (cross-phase modulation)........................................................7
1.4.1. Tự điều chế pha SPM...............................................................7
1.4.2 Điều chế chéo pha (XPM)............................................................9
1.5 Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing).......................10
1.6 Kết luận..........................................................................................12
CHƯƠNG II................................................................................................12
MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG............12
QUÁ TRÌNH TRUYỀN DẪN XUNG QUANG SỢI ĐƠN MODE........12
2.1 Mô tả toán học quá trình truyền dẫn xung quang trong sợi đơn
mode.........................................................................................................12
2.2 Các phương pháp mô phỏng quá trình lan truyền xung quang
trong sợi....................................................................................................16
2.2.1. Phương pháp Fourier tách bước (SSFM)...............................17
Chương III...................................................................................................21
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 5
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
TỔNG QUAN VÊ SOLITON....................................................................21
3.1 Khái niệm về soliton..........................................................................21
3.2 Soliton sợi...........................................................................................21
3.3 Phương trình Schorodinger phi tuyến............................................22
3.4 Phân loại Soliton................................................................................24
3.4.1. Soliton cơ bản và soliton bậc cao.............................................24
3.4.2 Tiến trình soliton........................................................................27
3.4.3 Soliton tối (Dark soliton)...........................................................29
CHƯƠNG IV...............................................................................................32
HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON..................................................32
4.1 Hệ thống truyền dẫn soliton.............................................................32
4.1.1. Mô hình hệ thống chung...........................................................32
3.1.2 Truyền thông tin với các soliton...............................................33
4.1.3 Tương tác soliton........................................................................34
4.1.4. Sự lệch tần (frequency chirp)...................................................37
3.1.5 Máy phát soliton.........................................................................38
4.1.6. Ảnh hưởng của suy hao sợi.......................................................41
4.1.7. Khuyếch đại soliton...................................................................43
4.2 Thiết kế hệ thống soliton...................................................................45
4.2.1 Cơ chế soliton trung bình..........................................................46
4.2.2. Sự khuyếch đại phân bố...........................................................48
4.2.3.Nhiễu bộ khuyếch đại.........................................................................51
4.2.4. Tiến trình thực nghiệm.............................................................53
4.3. Các soliton được quản lý tán sắc.....................................................54
4.3.1. Các sợi giảm tán sắc..................................................................54
4.3.2. Tiến trình thực nghiệm.............................................................55
CHƯƠNG V.................................................................................................57
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 6
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
HỆ THỐNG SOLITON WDM..................................................................57
5.1. Các xung đột xuyên kênh................................................................57
CHƯƠNG VI...............................................................................................60
JITTER TRONG HỆ THỐNG SOLITON...............................................60
6.1. Khái niệm jitter timing....................................................................60
6.2. Jitter trong các hệ thống soliton.....................................................62
6.2.1. Jitter timing trong hệ thống đơn kênh....................................62
6.2.2. Các loại jitter timing................................................................65
6.2.2.1 Jitter Gordon-Haus.............................................................65
6.2.2.2. Jitter âm thanh..................................................................66
6.2.2.3. Tán sắc mode phân cực......................................................67
6.2.2.4. jitter gây ra bởi tương tác soliton.....................................68
6.2.3. Jitter timing trong các hệ thống soliton ghép kênh phân chia
theo bước sóng.....................................................................................69
6.2.3.1.Dịch thời gây ra do xung đột..............................................72
6.2.3.2.Sự phân tích thống kê của dịch thời..................................76
6.2.3.3. Jitter timing trong các hệ thống soliton đa kênh.............81
6.2.3.4.Jitter timing trong các hệ thống được quản lý tán sắc.. . .85
6.3.Các kết luận...........................................................................................95
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 7
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
CHƯƠNG I
HIỆU ỨNG QUANG PHI TUYẾN
1.1. Giới thiệu chung
Các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác trên mạng lưới
viễn 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
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 8
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
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.
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 ánh
sáng :
(1.1)
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
Trong đó: n là chỉ số chiết suất tuyến tính (chỉ số chiết suất trong
môi trường tuyến tính cường độ thấp).
n là chỉ số chiết suất phi tuyến. Giá trị điển hình của n
trong thủy tinh silic là 3,2.10 m / 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:
1.47006
1.47005
1.47004
1.47003
1.47002
1.47001
1.47000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Công suất quang
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 SBS
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 10
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
1.3.1 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]:
g .P .L /A 16
(1.2)
Trong đó: g là giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Raman.
A là diện tích hiệu dụng
L là chiều dài tương tác hiệu dụng
L = (1-e )/ (1.3)
Vói là suy hao sợi.
Trong hệ thống truyền thông quang thực tế, sợi quang đủ dài để L
. Nếu thay Aeff= , với là kích thước điểm
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 11
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
=> Pth
(1.4)
Hệ số khuyếch đại Raman gR 1.10 m/W với sợi silica ở gần vùng
bước sóng 1 và tỉ lệ nghịch với bước sóng.
Nếu ta thay thế =50 và =0,2dB/Km, Pth 370mW ở gần vùng
1,55 m. 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 xả
1.3.2 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/ , Aeff
=> Pth (1.6)
Hệ số khuyếch đại Brillouin g B 5.10 W với sợi silica lớn gấp
hàng trăm lần hệ số khuyếch đại Raman. Suy ra P th 1mW, với cùng điều
kiện ở gần bước sóng 1,55 m, nơi suy hao sợi nhỏ nhất.
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 12
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
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
của 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
sự giảm
công suất
thu được
Công sự tăng Công
suất tán xạ suất
quang quang
thu tán xạ
được ngược
ngưỡng SBS
Công suất đầu ra bộ phát quang
Hình 1.2. Sự tăng ánh sáng tán xạ ngược khi công suất quang tăng.
Việc tính toán P th 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.
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 13
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
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
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 =n + . với j=1,2… (1.7)
Trong đó: n , n là chiết suất lõi và vỏ.
là hệ số chiết suất phi tuyến.
n là chỉ số chiết suất tuyến tính
W với sợi silica
Hệ số truyền dẫn phi tuyến [2]:
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 14
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
(1.8)
Với 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:
(1.9)
P in giả thiết là không đổi. Thực tế sự phụ thuộc của P in vào thời gian
làm cho 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
<<1. Từ đó có thể suy ra điều kiện ngưỡng của công suất quang:
(1.10)
Với W , ta có:
Pin << W= 23mW
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 được
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
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 15
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
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.
Xung đã phát
Sự dịch Xung bị mở rộng
xung khi lan truyền trong
sợi
Tần số
Chirp tần số
Hình 1.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung
1.4.2 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]:
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 16
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
(1.11)
Trong đó: M là tổng số kênh
Pj là công suất kênh j (j= ).
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:
(1.12)
Để 1 => Pj<1 (mW) ngay cả với M=10 nếu chúng ta sử dụng giá
trị và ở vùng =1,55 . 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)
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 17
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
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 . Hiện tượng phi tuyến khác
được biết từ sự trộn 4 sóng (FWM) cũng xuất phát từ giá trị hữu hạn của
trong sợi thủy tinh [2]. Nếu 3 trường quang với tần số sóng mang
lan truyền đồng thời trong sợi, tạo ra trường thứ tư mà tần số của nó
liên quan với các tần số qua công thức: = .
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
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.
- Thứ hai là tán sắc sợi. Hiệu năng trộn tỉ lệ nghịch với tán sắc sợi và
lớn nhất ở vùng tán sắc bằng không vì khi đó các sản phẩm trộn
không mong muốn sẽ di chuyển cùng tốc độ. Do vậy trong thực tế,
các sợi dịch tán sắc thường được thiết kế để có tán sắc dư ở bước
sóng vận hành nhằm loại bỏ ảnh hưởng của FWM.
Hình vẽ sau mô tả hiệu năng trộn 4 sóng trong sợi đơn mode.
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 18
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
0
Tán sắc sợi
0ps/nm/km
-10
-20
Tán sắc sợi
1ps/nm/km
Hiệu
năng -30
trộn
-40 Tán sắc sợi
17ps/nm/km
-50
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50
Khoảng cách kênh (nm)
Hình 1.5. Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác
nhau theo khoảng cách kênh
Ở mức cơ bản, một quá trình FWM có thể xem như một quá trình tán xạ
mà hai photon năng lượng và tạo ra 2 photon năng lượng và
. Điều kiện thích ứng pha bắt đầu từ yêu cầu duy trì động lượng. Quá
trình FWM cũng có thể xẩy ra khi hai phonon bắt đầu suy biến ( ),
vì vậy .
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 WDM (wavelength division multiplexing ). Một lượng
công suất lớn của kênh có thể được truyền tới kênh lân cận qua FWM. Sự
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
truyền năng lượng như vậy không chỉ làm suy hao công suất cho một kênh
riêng mà còn dẫn đến xuyên âm giữa các kênh, làm giảm hiệu năng hệ thống
quang. Tuy nhiên, hiệu ứng FWM cũng có ích với các hệ thống sóng ánh
sáng. Nó được sử dụng để giải ghép kênh khi ghép kênh phân chia theo thời
gian được sử dụng trong miền quang. Từ những năm 1933, FWM đã được
sử dụng để tạo tín hiệu ngược phổ qua quá trình phân chia pha quang
(optical phase conjugation)- một trong các kỹ thuật sử dụng cho sự bù tán
sắc và có thể cải tiến hiệu năng của hệ thống ánh sáng được hạn chế tán sắc.
1.6 Kết luận
Sự thay đổi chiết suất theo công suất quang gây ra một số ảnh hưởng
phi tuyến như SPM mà cho phép tồn tại trong một hệ thống truyền thông
quang đơn kênh; hoặc XPM và FWM trong hệ thống đa kênh WDM. SPM
và XPM gây ra sự mở rộng xung quang mà sau đó tương tác với tán sắc sợi.
Điều này có thể có lợ hoặc có hại tùy thuộc vào tán sắc bình thường hay dị
thường.
Khi 2 hoặc nhiều bước sóng lan truyền dọc theo 1 sơi quang, FWM là
nguyên nhân phát sinh tần số mới. Ảnh hưởng này đặc biệt có hại cho hệ
thống WDM mà mỗi kênh có bước sóng của nó và bất cứ tín hiệu nào được
tạo ra ở bước sóng đó sẽ xuất hiện như là nhiễu, làm giảm hiệu năng thực
hiện.
Tất cả các hiệu ứng này đều có những ưu khuyết điểm riêng, yêu cầu
người thiết kế hệ thống phải ý thức được điều này để có thể đưa ra các
phương pháp tối ưu để giảm thiểu ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến quang.
CHƯƠNG II
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 20
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, công nghệ truyền thông quang đã có
những bước tiến vững chắc, được minh họa bởi nhu cầu ngày càng tăng của
các dịch vụ. Các nhà nghiên cứu thiết kế hệ thống quang và mạng nhận thấy
bản thân 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 trùm trên một diện rộng các ứng
dụng, bao gồm các khoảng cách truyền dẫn lên đến 10000km, và các tốc độ
lên đến 100Gb/s. Những hệ thống này hiện tại hoạt động phổ biến, nhưng
nói chung bị hạn chế đến tốc độ 2,5-5 Gb/s mỗi kênh trong các truyền dẫn
đường dài. Một số lượng lớn các sóng mang quang sau đó có thể được yêu
cầu để tạo ra tốc độ 100Gb/s. Mặt khác các hệ thống phi tuyến RZ, tức là
các hệ thống soliton được khuyếch đại đã đạt đến độ chín có thể xem xét,
chính vì thế là một sự lựa chọn đúng đắn đối với truyền thông dung lượng
cao. Trong truyền thông đường dài mỗi kênh hệ thống RZ phi tuyến có thể
hỗ trợ các tốc độ lên đến 10Gb/s.
Mặc dù đang có mặt các công nghệ hoàn hảo các hệ thống soliton được
khuyếch đại vẫn chưa được triển khai phổ biến. Lý do chính là trong đó các
soliton chịu ảnh hưởng Gordon-Haus khắt khe, kết quả từ sự trộn lẫn tín
hiệu và nhiễu sự phát xạ tự phát tự phát tạo ra bởi các bộ khuyếch đại
EDFA được sử dụng để bù suy hao sợi quang. Sự trộn lẫn tín hiệu và nhiễu
tạo ra một sự jitter trên các độ rộng xung, chính vì thế hạn chế dung lượng
các soliton được khuyếch đại.
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 1
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
Việc nghiên cứu hệ thống truyền thông quang được đề ra trên nhiều khía
1
cạnh. Trong phần trình bày của đồ án em tập trung vào các vấn đề cơ bản
nhất của hệ thống soliton, yếu tố jitter ảnh hưởng đến hệ thống soliton đơn
kênh và đa kênh.
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn trong phạm vi đồ án này
chưa thể hoàn chỉnh các vấn đề nêu ra. Em rất mong sự đóng góp ý kiến của
các thầy cô giáo, các bạn sinh viên và các bạn đọc quan tâm đến vấn đề này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] G.P. Agrawall, Fiber-Optic Communication Systems, 2nd Edition, John
Wiley & Sons, 1997
[2] G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 2nd ed, Academic Press, San
Diego, CA,1995, Chap.5.
[3] A.Hasegawa anh Y. Kodama, Soliton in Optical Communication,
Clarendo Press, Oxford, 1995
1
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 2
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
[4] M.J Ablowits and H.Segur, Solitons and the Inverse Scattering
Transform, Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia,
1981
[5] D. Marcuse, “ Simulations to demonstrate reduction of the Gordon-Haus
effect”, Opt. Lett, 171992
[6] Y.Komadama and A.Hasegawa, Progress in Optics, Vol.30, E Wolf, Ed,
North Holland, Amsterdam 1992
[7] L.F. Mollenauer, J.P. Gordon and M.N.Islam, “ Soliton propagation in
long fibers with periodically compensated loss”, IEEE J. Quantum Electron,
Vol QE -22,
[8] K. Rottwitt, J.H Povlsen and A. Bajarklev, “ Long- distance transmission
through distributed erbium- doped fibers,” J. Lightwave Technol, vol 11,
1993
[9] A. Hasegawa, Y. Kodama and A.Marula, “ Recent progress in
dispersion- managed soliton transmission technologies” Opt. FiberTechnol,
vol 3, 1997
[10] Tài liệu hội nghị khoa học lần thứ 5, Hà nội 9- 2002.
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 3
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ASE: Amplified Spontaneous Emission Sự phát xạ tự phát được khuyếch
đại
CW: continous Wave Sóng liên tục
DBR: Distributed Bragg Reflecter Phản xạ phân bố Bragg
DCF: Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc
DDF: Dispersion Decreasing Fiber Sợi giảm tán sắc
DFB: Distributed Feedback Phản hồi phân bố
EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại quang sợi
FWHM: Full Widthat HalfMaximum Độ rộng đầy đủ ở nửa giá trị max
FWM: Four-wave Mixing Trộn bốn sóng
GVD: Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm
NSE: Nonlinear Schrodinger Equation Phương trình Schrodinger phi tuyến
SBS: Stimulated Brillouin Scatting Tán xạ Brillouin kích thích
SRS: Stimulated Raman Scatting Tán xạ Raman kích thích
SPM: Self-phase Modulation Tự điều chế pha
SSFS: Soliton Self-Frequency Shift Sự dịch tần soliton
TOD: Third-Order Dispersion Tán sắc bậc ba
XPM: Cross-phase Modulation Điều chế chéo pha
CRZ: Chirped-return-to-zero Mã trở về không bị chirp
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 4
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
CHƯƠNG I....................................................................................................3
HIỆU ỨNG QUANG PHI TUYẾN.............................................................3
1.1. Giới thiệu chung..............................................................................3
1.2. Nguyên nhân gây ra hiệu ứng phi tuyến quang............................4
1.3 Tán xạ ánh sáng kích thích SRS và SBS .......5
1.3.1 Tán xạ Raman kích thích SRS....................................................5
1.3.2 Tán xạ Brillouin kích thích (SBS)...............................................6
1.4 Tự điều chế pha SPM (self-phase modulation) và điều chế chéo
pha XPM (cross-phase modulation)........................................................7
1.4.1. Tự điều chế pha SPM...............................................................7
1.4.2 Điều chế chéo pha (XPM)............................................................9
1.5 Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing).......................10
1.6 Kết luận..........................................................................................12
CHƯƠNG II................................................................................................12
MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG............12
QUÁ TRÌNH TRUYỀN DẪN XUNG QUANG SỢI ĐƠN MODE........12
2.1 Mô tả toán học quá trình truyền dẫn xung quang trong sợi đơn
mode.........................................................................................................12
2.2 Các phương pháp mô phỏng quá trình lan truyền xung quang
trong sợi....................................................................................................16
2.2.1. Phương pháp Fourier tách bước (SSFM)...............................17
Chương III...................................................................................................21
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 5
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
TỔNG QUAN VÊ SOLITON....................................................................21
3.1 Khái niệm về soliton..........................................................................21
3.2 Soliton sợi...........................................................................................21
3.3 Phương trình Schorodinger phi tuyến............................................22
3.4 Phân loại Soliton................................................................................24
3.4.1. Soliton cơ bản và soliton bậc cao.............................................24
3.4.2 Tiến trình soliton........................................................................27
3.4.3 Soliton tối (Dark soliton)...........................................................29
CHƯƠNG IV...............................................................................................32
HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON..................................................32
4.1 Hệ thống truyền dẫn soliton.............................................................32
4.1.1. Mô hình hệ thống chung...........................................................32
3.1.2 Truyền thông tin với các soliton...............................................33
4.1.3 Tương tác soliton........................................................................34
4.1.4. Sự lệch tần (frequency chirp)...................................................37
3.1.5 Máy phát soliton.........................................................................38
4.1.6. Ảnh hưởng của suy hao sợi.......................................................41
4.1.7. Khuyếch đại soliton...................................................................43
4.2 Thiết kế hệ thống soliton...................................................................45
4.2.1 Cơ chế soliton trung bình..........................................................46
4.2.2. Sự khuyếch đại phân bố...........................................................48
4.2.3.Nhiễu bộ khuyếch đại.........................................................................51
4.2.4. Tiến trình thực nghiệm.............................................................53
4.3. Các soliton được quản lý tán sắc.....................................................54
4.3.1. Các sợi giảm tán sắc..................................................................54
4.3.2. Tiến trình thực nghiệm.............................................................55
CHƯƠNG V.................................................................................................57
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 6
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
HỆ THỐNG SOLITON WDM..................................................................57
5.1. Các xung đột xuyên kênh................................................................57
CHƯƠNG VI...............................................................................................60
JITTER TRONG HỆ THỐNG SOLITON...............................................60
6.1. Khái niệm jitter timing....................................................................60
6.2. Jitter trong các hệ thống soliton.....................................................62
6.2.1. Jitter timing trong hệ thống đơn kênh....................................62
6.2.2. Các loại jitter timing................................................................65
6.2.2.1 Jitter Gordon-Haus.............................................................65
6.2.2.2. Jitter âm thanh..................................................................66
6.2.2.3. Tán sắc mode phân cực......................................................67
6.2.2.4. jitter gây ra bởi tương tác soliton.....................................68
6.2.3. Jitter timing trong các hệ thống soliton ghép kênh phân chia
theo bước sóng.....................................................................................69
6.2.3.1.Dịch thời gây ra do xung đột..............................................72
6.2.3.2.Sự phân tích thống kê của dịch thời..................................76
6.2.3.3. Jitter timing trong các hệ thống soliton đa kênh.............81
6.2.3.4.Jitter timing trong các hệ thống được quản lý tán sắc.. . .85
6.3.Các kết luận...........................................................................................95
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 7
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
CHƯƠNG I
HIỆU ỨNG QUANG PHI TUYẾN
1.1. Giới thiệu chung
Các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác trên mạng lưới
viễn 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
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 8
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
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.
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 ánh
sáng :
(1.1)
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
Trong đó: n là chỉ số chiết suất tuyến tính (chỉ số chiết suất trong
môi trường tuyến tính cường độ thấp).
n là chỉ số chiết suất phi tuyến. Giá trị điển hình của n
trong thủy tinh silic là 3,2.10 m / 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:
1.47006
1.47005
1.47004
1.47003
1.47002
1.47001
1.47000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Công suất quang
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 SBS
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 10
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
1.3.1 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]:
g .P .L /A 16
(1.2)
Trong đó: g là giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Raman.
A là diện tích hiệu dụng
L là chiều dài tương tác hiệu dụng
L = (1-e )/ (1.3)
Vói là suy hao sợi.
Trong hệ thống truyền thông quang thực tế, sợi quang đủ dài để L
. Nếu thay Aeff= , với là kích thước điểm
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 11
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
=> Pth
(1.4)
Hệ số khuyếch đại Raman gR 1.10 m/W với sợi silica ở gần vùng
bước sóng 1 và tỉ lệ nghịch với bước sóng.
Nếu ta thay thế =50 và =0,2dB/Km, Pth 370mW ở gần vùng
1,55 m. 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 xả
1.3.2 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/ , Aeff
=> Pth (1.6)
Hệ số khuyếch đại Brillouin g B 5.10 W với sợi silica lớn gấp
hàng trăm lần hệ số khuyếch đại Raman. Suy ra P th 1mW, với cùng điều
kiện ở gần bước sóng 1,55 m, nơi suy hao sợi nhỏ nhất.
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 12
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
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
của 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
sự giảm
công suất
thu được
Công sự tăng Công
suất tán xạ suất
quang quang
thu tán xạ
được ngược
ngưỡng SBS
Công suất đầu ra bộ phát quang
Hình 1.2. Sự tăng ánh sáng tán xạ ngược khi công suất quang tăng.
Việc tính toán P th 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.
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 13
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
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
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 =n + . với j=1,2… (1.7)
Trong đó: n , n là chiết suất lõi và vỏ.
là hệ số chiết suất phi tuyến.
n là chỉ số chiết suất tuyến tính
W với sợi silica
Hệ số truyền dẫn phi tuyến [2]:
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 14
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
(1.8)
Với 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:
(1.9)
P in giả thiết là không đổi. Thực tế sự phụ thuộc của P in vào thời gian
làm cho 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
<<1. Từ đó có thể suy ra điều kiện ngưỡng của công suất quang:
(1.10)
Với W , ta có:
Pin << W= 23mW
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 được
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
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 15
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
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.
Xung đã phát
Sự dịch Xung bị mở rộng
xung khi lan truyền trong
sợi
Tần số
Chirp tần số
Hình 1.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung
1.4.2 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]:
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 16
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
(1.11)
Trong đó: M là tổng số kênh
Pj là công suất kênh j (j= ).
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:
(1.12)
Để 1 => Pj<1 (mW) ngay cả với M=10 nếu chúng ta sử dụng giá
trị và ở vùng =1,55 . 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)
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 17
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
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 . Hiện tượng phi tuyến khác
được biết từ sự trộn 4 sóng (FWM) cũng xuất phát từ giá trị hữu hạn của
trong sợi thủy tinh [2]. Nếu 3 trường quang với tần số sóng mang
lan truyền đồng thời trong sợi, tạo ra trường thứ tư mà tần số của nó
liên quan với các tần số qua công thức: = .
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
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.
- Thứ hai là tán sắc sợi. Hiệu năng trộn tỉ lệ nghịch với tán sắc sợi và
lớn nhất ở vùng tán sắc bằng không vì khi đó các sản phẩm trộn
không mong muốn sẽ di chuyển cùng tốc độ. Do vậy trong thực tế,
các sợi dịch tán sắc thường được thiết kế để có tán sắc dư ở bước
sóng vận hành nhằm loại bỏ ảnh hưởng của FWM.
Hình vẽ sau mô tả hiệu năng trộn 4 sóng trong sợi đơn mode.
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 18
Đề tài tốt nghiệp: Jitter trong hệ thống truyền dẫn Soliton
0
Tán sắc sợi
0ps/nm/km
-10
-20
Tán sắc sợi
1ps/nm/km
Hiệu
năng -30
trộn
-40 Tán sắc sợi
17ps/nm/km
-50
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50
Khoảng cách kênh (nm)
Hình 1.5. Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác
nhau theo khoảng cách kênh
Ở mức cơ bản, một quá trình FWM có thể xem như một quá trình tán xạ
mà hai photon năng lượng và tạo ra 2 photon năng lượng và
. Điều kiện thích ứng pha bắt đầu từ yêu cầu duy trì động lượng. Quá
trình FWM cũng có thể xẩy ra khi hai phonon bắt đầu suy biến ( ),
vì vậy .
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 WDM (wavelength division multiplexing ). Một lượng
công suất lớn của kênh có thể được truyền tới kênh lân cận qua FWM. Sự
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
truyền năng lượng như vậy không chỉ làm suy hao công suất cho một kênh
riêng mà còn dẫn đến xuyên âm giữa các kênh, làm giảm hiệu năng hệ thống
quang. Tuy nhiên, hiệu ứng FWM cũng có ích với các hệ thống sóng ánh
sáng. Nó được sử dụng để giải ghép kênh khi ghép kênh phân chia theo thời
gian được sử dụng trong miền quang. Từ những năm 1933, FWM đã được
sử dụng để tạo tín hiệu ngược phổ qua quá trình phân chia pha quang
(optical phase conjugation)- một trong các kỹ thuật sử dụng cho sự bù tán
sắc và có thể cải tiến hiệu năng của hệ thống ánh sáng được hạn chế tán sắc.
1.6 Kết luận
Sự thay đổi chiết suất theo công suất quang gây ra một số ảnh hưởng
phi tuyến như SPM mà cho phép tồn tại trong một hệ thống truyền thông
quang đơn kênh; hoặc XPM và FWM trong hệ thống đa kênh WDM. SPM
và XPM gây ra sự mở rộng xung quang mà sau đó tương tác với tán sắc sợi.
Điều này có thể có lợ hoặc có hại tùy thuộc vào tán sắc bình thường hay dị
thường.
Khi 2 hoặc nhiều bước sóng lan truyền dọc theo 1 sơi quang, FWM là
nguyên nhân phát sinh tần số mới. Ảnh hưởng này đặc biệt có hại cho hệ
thống WDM mà mỗi kênh có bước sóng của nó và bất cứ tín hiệu nào được
tạo ra ở bước sóng đó sẽ xuất hiện như là nhiễu, làm giảm hiệu năng thực
hiện.
Tất cả các hiệu ứng này đều có những ưu khuyết điểm riêng, yêu cầu
người thiết kế hệ thống phải ý thức được điều này để có thể đưa ra các
phương pháp tối ưu để giảm thiểu ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến quang.
CHƯƠNG II
Đinh Sỹ Thạc Chí- D2001VT Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 20