Ảnh hưởng của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton

Ảnh hưởng của Chirp tần số trong hệ thống
thông tin Soliton

Tạ Quang Hậu

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn Thạc sĩ ngành: Quang học; Mã số: 60 44 11
Người hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Đình Chiến
Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Giới thiệu chung về thông tin quang: trình bày sự phát triển chung của hệ
thông tin quang, các loại sợi quang, một số hệ thông tin quang. Tìm hiểu hệ thống
truyền dẫn Soliton: trình bày ảnh hưởng của một số hiệu ứng phi tuyến cơ bản, tìm
hiểu về hệ thống truyền dẫn Soliton, xem xét các dạng xung gauss, xung super gauss.
Nghiên cứu ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton của xung quang học:
khảo sát sự tương tác Soliton, khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất
Soliton của xung quang học.

Keywords: Quang học; Chirp tần số; Sợi quang; Hệ thống truyền dẫn soliton

Content
LỜI NÓI ĐẦU
Từ những năm 90 trở lại đây, xã hội loài người tiến vào thời kì bùng nổ thông tin
trong đó có ba sự kiện ảnh hương lớn nhất là sự phát triển chóng mặt của mạng internet do
phổ cập máy tính cá nhân, cuộc cách mạng thôn tin từ dịch vụ thông tin di động số đến thông
tin cá nhân và sự xuất hiện của dịch vụ thông tin đa phương tiện.
Sự bùng nổ thông tin kích thích sự phát triển như vũ bão của dịch vụ thông tin
toàn cầu do đó các hệ thống thông tin luôn được nghiên cứu để có thể truyền thông tin
tốt nhất. Trong thông tin người ta đòi hỏi tín hiêu truyền có suy hao thấp, khả năng
truyền thông tin xa, nhưng trong các hệ thống thông tin thì xảy ra sự tán sắc ánh sáng, sự
tán sắc ánh sáng làm suy hao năng lượng truyền thậm chí còn mở rộng xung truyền dẫn

đến méo dạng tín hiệu khi truyền. Để góp pần giải quyết vấn đề giảm ảnh hưởng của tán
sắc, người ta sử dụng một phương pháp bù trừ tán sắc, đặc biệt là phương pháp vào xung
dạng Gauss có chirp, hơn nữa trong thực tế người ta đã phát triển hệ thống thông tin
Soliton là hệ thống thông tin ít tán sắc. Tuy nhiên trong quá trình truyền thì các Soliton
gần nhau vẫn ảnh hưởng đến nhau do đó luận văn của em sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của
chirp tần số lên hệ thông tin Soliton.

2
Khi xung sáng truyền trong môi trường phi tuyến sẽ bị tác động bởi hiện tượng
tán sắc vận tốc nhóm (GVD) và tự biến điệu pha (SPM) làm mở rộng dải phổ đồng thời
còn làm xung bị méo dạng tín hiệu khi lan truyền. Để hiểu rõ về các quá trình biến đổi
xung sáng trên đường truyền thì việc khảo sát ảnh hưởng của tán sắc, các hiệu ứng phi
tuyến đặc biệt là ảnh hưởng của chirp tần số đối với xung là rất quan trong. Vì vậy luận
văn của tôi tập trung nghiên cứu “Ảnh hưởng của chirp tần số trong hệ thống thông tin
soliton”. Trên cơ sở đó luận văn được chia làm ba phần:
Chương 1: Giới thiệu chung về thông tin quang, trong phần này sẽ trình bày sự phát triển
chung của hệ thông tin quang, các loại sợi quang, một số hệ thông tin quang.
Chương 2: Tìm hiểu hệ thống truyền dẫn Soliton. Trong phần này sẽ trình bày ảnh
hưởng của một số hiệu ứng phi tuyến cơ bản, tìm hiểu về hệ thống truyền dẫn Soliton, xem
xét các dạng xung gauss, xung super gauss
Chương 3: Ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton của xung quang học.
trong phần này tôi khảo sát sự tương tác Soliton, khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số lên tính
chất Soliton của xung quang học.

3
CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG

Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều này có nghĩa
là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang . Tại

nơi nhận nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu
1.1 Sự phát triển của thông tin quang:
Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động
hình dáng và màu sắc thông qua đôi mắt. Tiếp đó một hệ thống thông tin, điều chế đơn giản
xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn tín hiệu. Kế tiếp là sự ra đời của một
máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn và do
đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết để giải quyết vấn đề này người ta đã chế tạo ra
máy điện báo vô tuyến dùng để liên lạc giữa hai người ở cách xa nhau.
1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966 đã chế tạo ra
sợi quang có độ tổn thất thấp ( 1000dB/Km). Bốn năm sau Karpon đã chế tạo ra cáp sợi quang
trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/Km. Từ thành công rực rỡ này các nhà
nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu, phát triển và kết quả là công
nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng dải thông về các laze bán dẫn đã được phát
triển thành công vào những năm 70. Sau đó giảm độ tổn hao xuống còn 0,18 db/Km còn laze
bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo, tuổi
thọ kéo dài hơn 100 năm.
Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khối lượng
lớn các tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa hàng trăm Km bằng một sợi quang
có độ dày như một sợi tóc, không cần các bộ tái tạo. Sự ra đời của laser và sợi quang đã góp
phần to lớn vào sự phát triển của hệ thống thông tin hiện đại, tiêu biểu là các hệ thống thông
tin quang.
Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm ba bộ phận cơ bản sau
(như hình 1.1)




Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang

Thiết bị phát
tín hiệu

Môi trường
truyền dẫn

Thiết bị thu
tín hiệu

4
Bộ biến đổi điện – quang ( E/O): Dùng để biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để
truyền trong môi trường cáp quang ( biến đổi xung điện thành xung quang).
Cáp quang: Là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được chế tạo
bằng chất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng .
Bộ biến đổi quang - điện ( O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và méo dạng
trên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành các tín hiệu điện
và trở thành nguồn tin ban đầu.
Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn. Trạm lặp biến đổi tín hiệu
quang thu được thành tín hiệu điện để khuyếch đại.
1.1.1. Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang:
Ƣu điểm :
Sợi quang không bị nhiễu bởi các tia điện từ trong không gian và ngược lại nó cũng
không phát ra các tia điện từ gây ảnh hưởng tới các thiết bị xung quanh. Như vậy các tín hiệu
truyền qua sợi quang không thể bị nghe lén được. Tin tức được đảm bảo bí mật
Giá thành của hệ thống dẫn tín hiệu bằng cáp kim loại đắt hơn so với cáp sợi quang.
Độ cách điện cao đến hàng nghàn volt giữa trạm phát và trạm nhận tín hiệu.
Trong kênh thông tin trọng lượng và kích thước của các bộ phận đều nhỏ nhẹ.
Tín hiệu và hệ thống truyền tin bằng sợi quang thích hợp với các linh kiện, IC lozic
TTC và CMOS.
Truyền tín hiệu qua cáp quang không bị nhiễu và không có hiệu ứng thời gian trễ như

ở thông tin vệ tinh.
Độ rộng băng tần đến 3000GHz. Đến nay với cách truyền tin AM hay Time-
Multiplex độ rộng băng tần bị hạn chế còn khoảng 10GHz.
Nhƣợc điểm.
Hàn, nối sợi khó khăn hơn cáp kim loại.
Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên trong sợi
quang.
Khi có nước, hơi ấm lọt vào cáp thì cáp sẽ nhanh chống bị hỏng và các mối hàn mau
lão hoá làm tăng tổn hao.
Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp.
Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền analog.
Không thể truyền mã lưỡng cực.
1.1.2. Ứng dụng.

5
Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới điện thoại,
số liệu, máy tính và phát thanh, truyền hình ( dịch vụ băng rộng) và sẽ được sử dụng trong
ISDN ( là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuật chuyển mạch gói),
trong điện lực các ứng dụng y tế quận sự và cũng như trong các thiết bị đo.
Với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền dẫn là sợi quang.
1.2. Sợi quang.
Sợi quang là một trong những thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang. Trong
hệ thống thông tin quang sợi, sợi quang đóng vai trò là môi trường truyền dẫn và thực hiện
truyền ánh sáng từ phía phát tới phía thu. Sợi quang có bán kính từ 5 20µm hay được sử
dụng và tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà sợi quang có bán kính khác nhau.
1.2.1. Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.
Sợi quang được cấu tạo sao cho ánh sáng được truyền dẫn chỉ trong lõi sợi bằng
phương pháp sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần ánh sáng. Ánh sáng từ nguồn phát quang
bị khuếch tán do nhiễu xạ và ánh sáng được tập trung lại để đưa vào sợi quang mà chỉ một
phần có góc tới nằm trong một giới hạn nhất định nào đó mới có thể được đưa vào lõi sợi

quang.
Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang được trình bày (như hình 1. 2)






Hình 1.2. Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang
Tại điểm A nơi ánh sáng đưa vào sợi quang được chia làm ba môi trường liền nhau có
chiết suất khúc xạ khác nhau đó là môi trường không khí, môi trường lõi, vỏ sợi quang. Góc
max

là góc nhận lớn nhất và có góc là góc tới hạn.
Áp dụng định luật khúc xạ và phản xạ tại các mặt biên tiếp giáp giữa không khí và lõi,
giữa lõi và vỏ thì ta có phương trình:
 
cm
n

sinsin
1

(1.1)









1
2
0
cos)90sin(
n
n
cc

(1.2)


6
Từ (1.1) và (1.2) tính được góc mở lớn nhất là:




















 21sin
1
2
1
2
2
2
1
2
1max
nnn
n
n
n

(1.3)

Với là độ lệch chiết suất tương đối và được gọi là khẩu độ số
(NA), nó cho biết điều kiện đưa ánh sáng vào sợi quang. Nhưng loại sợi này không phù hợp
cho hệ thông tin quang vì có sự tán sắc nhiều tia hoặc tán sắc giữa các mode
Tán sắc nhiều tia là do các tia sáng truyền trong sợi quang với những quãng đường
khác nhau do đó, ở đầu cuối của các sợi các tia này không đồng thời ló ra, trong khi tốc độ
truyền của các tia trong sợi là như nhau. Các xung bị mở rộng là do các tia truyền với những
quãng đường khác nhau. Có thể đánh giá sự mở rộng xung một cách đơn giản khi tìm được
chiều dài ngắn nhất và dài nhất. Chiều dài ngắn nhất khi góc tới và bằng L và chiều
dài lớn nhất khi góc tới và bằng L/ . Thời gian trễ có thể được tính như

sau:

Đánh giá tốc độ truyền thông tin dựa vào điều kiện:
B Sự tán sắc giữa các mode có thể giảm khi sử dụng loại sợi chiết suất biến
đổi đều (graded-index fiber).
Phân bố khúc xạ nói chung có thể được xác định như công thức sau:
V
ới 0<r<a
Ở đây a, n
1
lần lượt là bán kính và chiết suất của lõi sợi
1.2.2. Một số yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang.
Đối với sợi quang có ba yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thông tin
quang là suy hao, hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang và tán sắc.
1.2.2.1. Suy hao.
Trên một tuyến truyền thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang
với sợi quang, giữa sợi quang và sợi quang, giữa sợi quang và đầu thu quang cũng có thể coi
là suy hao trên tuyến truyền dẫn và suy hao trên sợi. Đó là một trong những nguyên nhân cơ
Đặc điểm của băng

7
bản làm gới hạn khoảng cách truyền dẫn do công suất ánh sáng bị làm yếu đi khi qua một cự
ly truyền ánh sáng nào đó.
Suy hao được xác đinh bởi công thức:
(1.6)
Với α : suy hao được tính trong đơn vị (dB/Km)
L: Độ dài sợi dẫn quang
Công suất đầu vào
Công suất đầu ra
*Một số nguyên nhân gây ra suy hao trong sợi quang :

+Suy hao do hấp thụ:
+ Suy hao do tán xạ:
+ Suy hao do uốn cong sợi
1.2.2.2. Tán sắc
Khi một xung sáng ngắn truyền qua một sợi quang sẽ xuất hiện hiện tượng dãn rộng hay
mở rộng xung sáng ở đầu thu. Các xung lân cận sẽ mở rộng và chồng lên nhau không
phân biệt được các xung với nhau nữa. Nó sẽ dẫn đến hiện tượng méo tín hiệu trong sợi
dẫn quang.
Các loại tán sắc trong sợi quang là:
- Tán sắc mode (mode dispersion)
- Tán sắc vật liệu (material dispersion)
- Tán sắc dẫn sóng (wave-guide dispersion)
- Tán sắc bậc cao (Higher-order - Dispersion)
- Tán sắc phi tuyến (nonlinear dispersion)
- Tán sắc mode phân cực (Polarization - mode dispersion) (PMD)
1.2.2.3. Hiệu ứng phi tuyến

8
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.
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.
1.3. Một số hệ thông tin quang
1.3.1. Hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM).
Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền
dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang. Với một kênh đơn tốc độ bit thường bị giới hạn là 10
Gb/s hoặc nhỏ hơn. Vai trò của WDM trong hệ thống này là tăng tốc độ bit tổng cộng.
1.3.2. Hệ thống ghép kênh theo tần số OFDM
Kỹ thuật OFDM (Optical Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh
quang theo tần số
Với kỹ thuật ghép kênh quang OFDM băng tần của sóng ánh sáng được phân chia
thành một số các kênh thông tin riêng biệt, các kênh ánh sáng có các tần số quang khác nhau
sẽ được biến đổi thành các luồng song song để cùng truyền đồng thời trên một sợi quang


Sơi quang






f2
fn
fn
f2
Tách

quang

9
Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống ghép kênh quang OFDM

10

1.3.3. Ghép kênh quang theo thời gian OTDM
Với hai phương pháp ghép kênh quang WDM và OFDM để đạt được tốc độ truyền
dẫn cao (tới 100Gbit/s) thì đều yêu cầu các thành phần điện tử có tốc độ cao hơn ở luồng
nhánh được ghép, với các thành phần thiết bị điện tử ở tốc độ cao hơn là rất khó vì vẫn phải
dựa vào nền tảng công nghệ hỗn hợp InP vì vậy, kỹ thuật ghép kênh quang đã khắc phục được
hạn chế trên
1.3.4. Hệ truyền dẫn Soliton
Các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác trên mạng lưới viến thông
đều sử dụng các sợi dẫn quang thông thường, và các sợi này coi như là môi trường
truyền dẫn tuyến tính. Khi công suất quang được phát triển trên đường truyền tăng đáng
kể tới một mức độ nào đó thì xuất hiện hiệu ứng phi tuyến. Hiệu ứng phi tuyến ảnh
hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn của hệ. Ảnh hưởng rõ ràng nhất của hiệu ứng
phi tuyến trên sợi dẫn quang là hiện tượng tự điều chế pha (SPM), hiệu ứng này được
coi 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 là do đặc tính nội tại của nguồn phát mà còn do
tương tác với môi trường truyền dẫn của sợi. Như vậy tính phi tuyến làm cho các sườn
xung lên bị dịch chuyển về phía sóng dài hơn và sườn xung xuống bị dịch về phía sóng
ngắn hơn. Điều này ngược với hiện tượng “chirp” tuyến tính thông thường trong các
nguồn laser bán dẫn. Quá trình truyền dẫn Soliton được coi là sự phát triển của tuyến
truyền dẫn ít tán sắc.


11

CHƢƠNG 2
HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON

2.2. 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 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. Sự tồn tại của
soliton trong sợi quang và sử dụng chúng cho truyền thông quang đã được đề nghị từ những
năm 1973 và đến năm 1980 soliton đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Tiềm năng của
soliton cho truyền dẫn quang đường dài được khẳnh định vào năm 1988 trong một thí nghiệm
mà suy hao sợi được bù định bằng kỹ thuật khuyếch đại Raman. 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.
2.2.1. Mô hình hệ thống chung.
2.2.2. Truyền thông tin với các soliton
Thông thường người ta sử dụng kỹ thuật định dạng NRZ (non return to zero) để phát
kỹ thuật số, bởi vì độ rộng dải tín hiệu của nó nhỏ hơn 50% so với định dạng RZ (return to
zero). Tuy nhiên, khi các bit thông tin được sử dụng là soliton thì định dạng NRZ sẽ không
được sử dụng. Vì lý do thật đơn giản là độ rộng soliton phải chiếm một phần rất nhỏ trong
rãnh bit, để chắc chắn rằng các soliton lân cận phải tách rời nhau. Yêu cầu này, có thể được
môt tả về mặt toán học liên hệ độ rộng soliton T
0
với tốc độ bít B như sau:
(2.12)
T
B
là khoảng thời gian của rãnh khe bít

2q
0
= T
B
/T
0
là khoảng cách giữa các soliton lân cận trong đơn vị chuẩn hóa
Biên độ của xung là:
A(0,t) = (2.13)
Công suất đỉnh P
0
liên hệ với độ rộng xung T
0
và tham số sợi như sau: Khi đặt N=1 là:

2
2
o
T
P



(2.14)
Trong đóT
0
được sử dụng làm tham số chuẩn hóa liên hệ với độ rộng ở nửa cực đại
(FWHM-full width at half maximum) của soliton:

12

T
S
= 2T
0
ln (2.15)
Năng lượng của xung soliton cơ bản là:
E
S
= dt = 2P
0
T
0
 (2.16)
Công suất trung bình của tín hiệu RZ là P
S
= E
S
. Ví dụ: T
0

= 10ps trong hệ
thống soliton 10 Gb/s nếu ta chọn q
0
= 5. Khi T
0
= 10ps thì FWHM của soliton là khoảng
17,6ps. Công suất đỉnh của xung vào là 5mW khi β
2
= -1ps
2

/km và γ=2W
-1
/km là giá trị điển
hình đối với sợi dịch chuyển tán sắc. Giá trị này của công suất đỉnh tương đương năng lượng
xung khoảng 0,1pJ và mức công suất trung bình chỉ vào khoảng 0,5mW. Những hệ thông tin
soliton đồi hỏi nguồn quang học là những laser có thể phát những xung vùng (ps) hay (fs)
dạng soliton không có chirp với tốc độ lặp lại cao và ở vùng bước sóng gần 1,55µm của thông
tin quang.
2.2.3. Mở rộng xung soliton do hao phí
Soliton dùng ảnh hưởng phi tuyến của sợi để duy trì độ rộng xung ngay cả khi có mặt
tán sắc của sợi quang. Tuy nhiên, tính chất này giữ được chỉ khi hao phí của sợi là không
đáng kể. Bởi hao phí sợi sẽ làm giảm năng lượng soliton khi đó công suất đỉnh sẽ giảm, vì thế
ảnh hưởng phi tuyến sẽ yếu đi và không bù trừ được tán sắc tốc độ nhóm GVD nên sẽ gây ra
sự mở rộng xung.

Hình 2.1. Mở rộng soliton sợi hao phí (Γ = 0,07) với soliton cơ bản
Hao phí sợi nằm trong số hạng bên về phải của phương trình (2.17)


13
Trong đó:
2
2
0
/

TL
D

(2.18)

Là biểu thị hao phí sợi trên một chiều dài tán sắc.
Vì Γ nên số hạng bên vế phải coi như là nhiễu loạn, kết quả gần đúng là:
T
1
() = T
0
exp (T = T
0
exp(

z) (2.19)
Hình 2.1 chỉ ra hệ số mở rộng T
1
/T
0
là hàm số của  khi soliton cơ bản được đưa vào
sợi với
Đường nét đứt chỉ ra sự mở rộng xung khi không có ảnh hưởng phi tuyến. Điểm quan
trọng ta thấy là sự mở rộng soliton là ít hơn nhiều so với trường hợp tuyến tính. Như vậy
những hiệu ứng phi tuyến có thể là có lợi ích đối với những hệ thông tin quang ngay cả khi
solitons không có thể duy trì được một cách hoàn hảo vì sự hao phí.
Trong một nghiên cứu đã tăng được khoảng cách bộ lặp lại lên 2 lần bằng cách sử
dụng soliton bậc cao trong đó công suất đỉnh vừa phải cỡ 3mW và tốc độ bit là 8Gb/s.
Để vượt qua ảnh hưởng của hao phí sợi, trong thông tin đường dài soliton cần phải
được khuếch đại tuần hoàn để giữ nguyên độ rộng xung ban đầu, công suất đỉnh và năng
lượng của nó.
Bộ khuếch đại

Hình 2.2. Sơ đồ khuếch đại tập trung (lump) (a) bộ ghép và phân bố
(b)để bù trừ hao phí sợi trong hệ thống thông tin soliton.
2.2.4. Khuếch đại soliton.
Hình 2.2 chỉ ra sơ đồ khuếch đại soiliton rất giống với hệ thống khuếch đại phi soliton.
Các bộ khuếch đại quang được đặt tuần hoàn dọc theo đường truyền và độ khuếch đại của nó
được điều chỉnh sao cho hao phí sợi hao phí giữa hai bộ khuếch đại được bù trừ hoàn toàn

14
bằng sự khuếch đại thu được. Một tham số quan trọng trong thiết kế hệ thống khuếch đại đó là
khoảng cách giữa hai bộ khuếch đại liên tiếp L
A
. Với hệ thống sóng sáng phi soliton L
A
thường km. Còn với hệ thống soliton thì bị hạn chế nên chắc nhỏ hơn nhiều.
Các kết quả tính toán bằng số chỉ ra rằng L
A
rất nhỏ so với chiều dài tán sắc (L
A
<< L
D
) thì
phụ thuộc vào cả độ rộng xung T
0
và thông số tán sắc GVD β

2
và có thể thay đổi từ 10 đến
1000km. Thông thường L
D
nhỡ hơn 50 km cho hệ thống 10Gb/s với bước sóng 1,55µm sử
dụng sợi quang tiêu chuẩn. Khi đó yêu cầu L
A
<10km. Tuy nhiên, khi <1ps
2
/km thì L
D
có
thể hơn 200km khi đó L
A
có thể cỡ 30 ÷ 50km.
Một giải pháp khác được đề xuất là sử dụng kỹ thuật khuếch đại phân bố trong đó
soliton được khuếch đại dọc theo chiều dài sợi. Tán xạ Raman cưỡng bức (SRS) được sử
dụng rất sớm cho mục đích này. Khuếch đại phân bố cũng có thể đạt được bằng cách pha tạp
các nguyên tố đất hiếm như Er
3+
vào trong sợi quang. Hình 2.2b chỉ ra sơ đồ khuếch đại phân
bố trong đó laser bơm cho ánh sáng liên tục theo cả hai hướng bằng cách sử dụng bộ ghép sợi
quang WDM. Bước sóng bơm được chọn sao cho nó cung cấp sự khuếch đại cho bước sóng
tín hiệu.
Khoảng cách đặt các trạm bơm L
A
phụ thuộc vào hao phí sợi tại bước sóng bơm và
vào khoảng năng lượng soliton chênh lệch khỏi giá trị đầu vào. Thông thường L
A
= 40 – 50

km nếu độ chệch năng lượng soliton là 20%.
Một thực nghiệm sau đó đã chứng tỏ truyền soliton trên 4000km bằng việc sử dụng sơ
đồ khuếch đại Raman. Thí nghiệm này đã sử dụng 42km vòng quang sợi và hao phí của nó
được bù trừ chính xác bằng cách bơm một laser tâm màu liên tục 1,46µm. soliton được luân
chuyển nhiều lần trong vòng sợi và độ rộng xung. Soliton 55ps có thể được luân chuyển trong
sợi vòng 96 lần mà không tăng đáng kể độ rộng xung trên khoảng cách là 4000km, khoảng
cách này có thể được tăng lên tới 6000km. Thí nghiệm này được thực hiện năm 1988 đã
chứng tỏ rằng thông tin soliton vượt đại dương là có thể khả thi.
2.2.5. Những xung sáng dạng Gauss với tần số thay đổi theo thời gian.
Chúng ta khảo sát những xung đổi tần (chirped pulses) do hai nguyên nhân. Thứ nhất,
những xung được phát bởi những Laser bán dẫn mà nó được phát trực tiếp đã có sự đổi
tần đáng kể, và những Laser này được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Sự thay đổi tần này
có ảnh hưởng đáng kể đến thiết kế của hệ thông tin quang. Nguyên nhân thứ hai là một số
hiệu ứng phi tuyến có thể kết hợp với xung có được những cung không còn đổi tần. Điều

15
này là rất quan trọng khi khảo sát ảnh hưởng của sự tán sắc đến sự truyền xung sáng trong
sợi quang.
Chúng ta giả thiết hình bao xung dạng Gauss là thuận tiện về toán học. Những xung thực
tế sử dụng thường có dạng hình chữ nhật hơn là dạng Gauss.
Tuy nhiên, những kết quả tìm được cũng có giá trị đối với hầu hết các dạng bao hình
xung.
Kết quả quan trọng mà ta nhận được là: mặt xùng có độ rộng ban đầu T0 dẫn truyền được
một khoảng Tz của nó ở khoảng đó được cho bởi công thức:
2
2
0
2
2
0

2
0
1


















TT
zzC
T
T
z

(2.20)
Ở đây C được gọi là hệ số đổi tần của xung và nó tỷ lệ với tốc độ thay đổi tần số xung
theo thời gian.

* Sự truyền của những xung Gauss đổi tần:
Một xung vào dạng Gauss đổi tần truyền trong sợi quang ở z = 0 có biên độ ban đầu dạng:







2
)(
2
1
0
)(
2
cos),0(
2
o
o
t
t
T
tC
teAtA
o

(2.21)
Ở đây A0 là biên độ đỉnh của xung. Thông số T

0
biểu thị cho nửa độ rộng của xung ở
điểm cường độ

1
(cường độ của một xung là bình phương của biên độ của nó).
T
0
liên hệ với độ rộng toàn phần ở nửa của cực đại của xung (Full width at half maximum
FWHM) bằng hệ thức sau:
T
FWHM
= 2 (ln2)
1/2
T
0
= 1,665 T
0

Hệ số đổi tần C xác định mức độ đổi tần của xung, pha của xung này là:

16

T
Ct
tt
2
0
2
0

2
)( 


Tần số góc tức thời của xung là đạo hàm của pha sẽ được xác định bởi biểu thức:

TT
Cttc
t
dt
d
2
0
0
2
0
2
0
2












(2.22)
Chúng ta xác định hệ số đổi tần C của xung Gauss chính là lần đạo hàm của tần số góc
tức thời xung này gọi là đổi tần tuyến tính (linearly chiro) hay chớp tuyến tính khi tần số
góc tức thời của xung tăng lên hay giảm đi một cách tuyến tình theo thời gian t, phụ thuộc
vào dấu của hệ số chớp C. Nói cách khác, hệ số chớp C là hằng số không phụ thuộc vào thời
gian t thì xung đó có chớp tuyến tính hay đổi tần tuyến tín
Ta giả sử A(z,t) là một xung dạng gauss đổi tần như là một hàm số của thời gian và khoảng
cách ở z = 0 ta có:

2
0
)(
2
1
0
),0(
T
tic
eAtA



(2.23)
2.3. Xung Super Gauss
Độ rộng dải phổ xung fs rất rộng nên không thể bỏ qua sự thay đổi của chiết suất đối
với các thành phần phổ khác nhau vì các thành phần phổ không còn lan truyền với cùng một
vận tốc, mà chiết suất lại phụ thuộc vào tần số hay bước sóng của ánh sáng tới. Sự mở rộng
của đầu và đuôi xung do ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc và sự tự điều biến phase, xung
càng dốc thì sự mở rộng càng lớn với những lan truyền đơn giản do có phổ mở rộng cùng một
lúc. Các xung được phát ra bởi sự biến điệu trực tiếp của các laser bán dẫn thì việc minh họa

bởi xung Gauss là chưa đủ, để mô tả ảnh hưởng của độ dốc của đầu và đuôi xung lên sự mở
rộng xung do tán sắc người ta sử dụng dạng xung Super Gauss
Phương trình của xung Super Gauss có dạng:
ở
đây m chỉ độ dốc của cạnh xung. Khi m=1 ta có trường hợp xung Gauss có chirp. Với các

17
trường hợp m>1, xung có dạng vuông hơn với đỉnh nhọn hơn từ sườn trước ra sườn sau. Nếu
tăng thời gian T
r
được xác định là khoảng thời gian mà cường độ tăng từ 10 tới 90% giá trị
đỉnh của nó.




18

CHƢƠNG 3
ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ LÊN TÍNH CHẤT SOLITON
CỦA XUNG QUANG HỌC

3.1. Tƣơng tác soliton
Như đã trình bày ở chương II, hệ thống truyền dẫn thông tin Soliton là hệ thống truyền
thông tin ít tán sắc. Tuy nhiên, hệ truyền dẫn thông tin Soliton cũng giống như các hệ truyền
thông tin khác đều muốn truyền các xung gần nhau để tăng khả năng truyền thông tin trong
sợi quang, nhưng sự chồng lấn của các Soliton ở gần nhau sẽ dẫn tới các Soliton tương tác với
nhau, do đó trong quá trình truyền dẫn thông tin tín hiệu sẽ bị nhiễu và làm giảm khả năng
truyền dẫn thông tin của hệ thống thông tin
Lý thuyết nghiên cứu sự tương tác giữa các Soliton được dựa trên phương trình

Shrodinger phi tuyến
3.1.1. Phương trình Shrodinger phi tuyến
Một xung quang học có trường bao q(z, được truyền trong một sợi quang có chiết
suất biến đổi được miêu tả như sau:
(3.1)
Với : Đặc trưng cho suy hao sợi quang
: Đặc trưng cho hiệu ứng tán sắc bậc cao
Đặc trưng cho hiệu ứng phi tuyến bậc cao
: Đặc trưng cho hiệu ứng Raman
Các số hạng phi tuyến bậc cao có thể bỏ qua nếu các xung ngắn cỡ fs không được đề
cập, khi đó phương trình (3.1) trở thành:
(3.2)
Phương trình NLS (3.2) đối với các đơn Soliton có nghiệm như sau:

Với : Biên độ của Soliton
: Vận tốc của Soliton
Để xem xét quá trình truyền của xung với dạng xung đi vào sợi quang tùy ý, năm 1972
Zakharov và Shabat đã sử dụng phương pháp tán xạ ngược để giải phương trình NLS
3.1.2. Tương tác hai Soliton

19
Trong thực tế, trong sợi quang có thể có đồng thời nhiều xung cùng lan truyền, vì
vậy chúng sẽ ảnh h-ởng lẫn nhau. Trong phần này, chúng tôi khảo sát sự t-ơng tác của hai
soliton trong sợi quang theo độ phân tách, biên độ, pha ban đầu khác nhau giữa 2 soliton lân
cận truyền trong sợi quang.
Xột mt xung quang vi trng bao q(z, lan truyn trong si quang, b qua mt
mỏt, cỏc hiu ng tỏn sc, hiu ng phi tuyn bc cao, vi iu kin Soliton ban u i vo
si quang
Cú dng:
{q(0,) = sec ( - t

o
) + e

Asec {A ( +
o
)} (3.4)
Vi A: Biờn tng i gia hai Soliton
Vi A: Biờn tng i gia hai Soliton
lch pha ban u Soliton
S dng phng phỏp tỏn x ngc ca P.L.Chu v C.Desem ó thu c phng
trỡnh mụ t s tng tỏc gia Soliton lan truyn trong si quang vi cỏc giỏ tr riờng phc l
nh sau:
(3.5)
Trong ú:



,

/2
l pha tng ng ca hai Soliton truyn trong si
l pha u ca hai Soliton
l v trớ tng ng ca hai Soliton trong si quang
l tr riờng tng ng vi vn tc v biờn ca cỏc Soliton

3.2. Chirp tn s

20
Để truyền một soliton cơ bản bên trong sợi quang, thì xung không phải chỉ có dạng
“sech” mà còn phải không có chirp (chirp-free). Nhiều nguồn xung quang học có chirp tần số

tác dụng. Chirp ban đầu có thể cản trở việc truyền soliton trong sợi vì nó làm nhiễu loạn sự cân
bằng giữa GVD và SPM. Vì vậy ta sẽ khảo sát chirp tần số ảnh hưởng lên tính chất soliton của
xung quang học như thế nào.
Sự ảnh hưởng của chirp tần số có thể được nghiên cứu bằng cách giải phương trình
(3.1) bằng phương pháp số với biên độ đầu vào:











2
exp)(sec),(
2
icr
hou


(3.11)
Trong đó C là tham số chirp. Dạng bình phương của biến pha tương ứng với chirp tần
số tuyến tính để tần số quang học tăng theo thời gian (up-chirp) với C có giá trị dương.
Trong luận văn này chúng ta sẽ tập trung vào xem xét ảnh hưởng của chirp tần số lên
tính chất soliton của xung truyền trong sợi quang. Trước hết chúng ta tìm hiểu sự tương tác
của hai soliton.
3.3. Khảo sát sự tƣơng tác hai Soliton

Trong phần này chúng Tôi khảo sát sự tương tác của hai soliton trong sợi quang với
các tham số của hệ thông tin quang được chọn:
Độ rộng xung T
0
=5ps
Hệ số tán sắc β
2
=-2ps
2
/km
Chiều dài tán sắc L
D
=12.5km
3.3.1. Khảo sát sự tương tác hai Soliton cùng biên độ, cùng pha ban đầu theo
khoảng phân cách giữa hai soliton
Lý thuyết của hai soliton cùng lan truyền trong môi trường phi tuyến cũng chính là
phương trình NSE. Phương pháp tính toán được sử dụng ở đây là phương pháp tán xạ ngược.
để tính toán và mô phỏng chúng tôi sử dụng các phần mềm Matlab và Mathematica.
Điều kiện ban đầu cho hai soliton cùng lan truyền có cùng biên độ, pha ban đầu có
dạng:

Tính toán và thu được nghiệm cho trường hợp tương tác giữa hai soliton lan truyền
trong sợi quang như sau:

Với



21

Kết quả nghiên cứu sự tương tác của hai soliton phụ thuộc vào khoảng phân cách ban
đầu như sau:
-10
-5
0
5
10
0
5
10
0
2
4
6
8
10
thoi gian
khoang cach
cuong do

Hình 3.1. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =1
-10
-5
0
5
10
0
50
100
0

1
2
3
4
thoi gian
khoang cach
cuong do

Hình 3.2. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =4
Nhận xét: Từ kết quả khảo sát trên chúng tôi thấy tương tác soliton phụ thuộc vào
khoảng phân cách ban đầu (là khoảng cách phát ban đầu khác nhau) giữa các soliton lân cận.
Từ hình vẽ cho thấy theo khoảng cách truyền hai soliton bị hút lại gàn nhau, đến một khoảng

22
cỏch no ú chỳng b nhp li vo nhau, ri li tỏch ra xa v sau ú gi nguyờn hỡnh dng ban
u. Hin tng ny din ra mt cỏch tun hon.
Khi khong phõn cỏch ban u cng tng thỡ s ln hai soliton nhp li vo nhau theo
khong truyn ngy cng gim v lc tng tỏc gia hai soliton cng gim theo tc l khong
cỏch hot ng ca h thụng tin soliton cng ln.
3.3.2. Kho sỏt tng tỏc ca hai Soliton cựng pha ban u nhng khỏc biờn
iu kin ban u cho hai soliton cựng lan truyn cú cựng pha ban u nhng khỏc
biờn vi khong phõn cỏch ban u 2,7 cú dng:

đây chúng tôi chọn
0
= 2,7 có nghĩa là khoảng thời gian khi hai xung bắt đầu
đi vào sợi quang bằng 2,7 lần thời gian xung.
Tớnh toỏn v thu c nghim cho trng hp tng tỏc gia hai soliton lan truyn
trong si quang nh sau:

Vi





23
-10
-5
0
5
10
0
10
20
30
0
2
4
thoi gian
khoang cach
cuong do

Hình 3.3. Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.025
-10
-5
0
5
10
0

10
20
30
0
2
4
thoi gian
khoang cach
cuong do

Hình 3.4. Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.1


24
-10
-5
0
5
10
0
10
20
30
0
2
4
thoi gian
khoang cach
cuong do

Hình 3.5. Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.2
Nhận xét: Từ hình vẽ cho thấy theo khoảng cách truyền hai soliton bị hút lại gàn
nhau, đến một khoảng cách nào đó chúng bị nhập lại vào nhau, rồi lại tách ra.
ở cùng một khoảng phân cách ban đầu giữa hai soliton nhất định tức là tốc độ bit
không thay đổi, hai solion cùng lan truyền với pha ban đầu không đổi nhưng khác nhau về
biên độ cho thấy biên độ càng lớn thì lực tương tác giữa các soliton càng nhỏ.
3.2.3. Khảo sát tương tác hai Soliton cùng biên độ nhưng khác pha ban đầu
Điều kiện ban đầu cho hai soliton cùng lan truyền có cùng biên độ nhưng khác pha
ban đầu


Tính toán và thu được nghiệm cho trường hợp tương tác giữa hai soliton lan truyền
trong sợi quang như sau:








25







-10

-5
0
5
10
0
10
20
30
0
10
20
30
40
50
thoi gian
khoang cach
cuong do

Hình 3.6.Tương tác hai Soliton có độ lệch pha