hệ thống thông tin quang solition

Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
LỜI MỞ ĐẦU
o0o
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.
Việc nghiên cứu hệ thống truyền thông quang được đề ra trên nhiều khía cạnh.
Trong phần trình bày của chuyên đề chúng 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 chuyên đề này
chưa thể hoàn chỉnh các vấn đề nêu ra. Chúng 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.

Chúng Em xin chân thành cảm ơn !


Hà Nội, tháng 9 năm 2011
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
1
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VÊ SOLITON
1.1 Khái niệm về soliton
Từ soliton được đưa vào năm 1965 để miêu tả thuộc tính phân tử của đường
bao xung trong môi trường phi tuyến tán sắc. Dưới điều kiện nào đó đường bao
xung không chỉ lan truyền không méo mà còn tồn tại sự va chạm như các phần tử
làm.
Vậy soliton là 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.
1.2 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, 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
β
và hệ số chirp C trái dấu nhau (
2
β
.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
β
<0 ở vùng bước sóng 1,55
m
µ
nên điều kiện
2
β
.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.
Đồ thị sau miêu tả sự biến thiên của hệ số mở rộng theo khoảng cách lan
truyền cho một xung Gausse vào bị dịch tần.
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
2
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
Đường nét chấm biễu diễn sự mở rộng xung trong trường hợp xung Gauss
không bị dịch tần (C=0).
Dựa vào đồ thị ta thấy sự mở rộng xung tăng khi khoảng cách lan truyền tăng.

Và khi C=-2,C.
2
β
<0, xung ban đầu được nén lại (T
1
/T
0
<1) sau đó lại mở rộng do
ảnh hưởng của tán sắc. Như vậy, kết hợp cân bằng giữa GVD và SPM sẽ làm giảm
sự mở rộng xung để xung quang có thể lan truyền không méo qua khoảng cách
dài.
1.3 Phương trình Schorodinger phi tuyến
Sự miêu tả toán học cơ bản của các soliton sợi yêu cầu giải hàm sóng trong
môi trường phi tuyến tán sắc. Hàm sóng này được suy ra từ phương trình Maxell
và được thõa mãn bởi đường bao xung biến đổi chậm A(z,t) trong đó sự có mặt
của cả GVD và hiệu ứng phi tuyến sợi.
Ở đây ta quan tâm đến sợi đơn mode dẫn yếu, lúc này sự lan truyền của ánh
sáng có thể mô tả bằng hàm vô hướng đối với trường điện E như sau:
E(r,
ϕ
,z,t) = R(r,
ϕ
).A(z,t). exp(ik
0
z-
0
ω
t) (1.1)
Trong đó: R: hàm trường ngang.
A: đường bao thời gian biến đổi chậm.

(Bỏ qua các hiệu ứng phân cực)
Vì E tích lũy theo sợi dẫn quang mà tính phi tuyến có thể ảnh hưởng đáng kể
đến sự dịch chuyển theo chiều dọc, nói cách khác là ảnh hưởng của nó lên các đặc
tính dẫn có thể bỏ qua vì sự khác nhau về chỉ số chiết suất lõi-võ là lớn hơn sự
biến đổi phi tuyến trong mặt cắt chiết suất. Ảnh hưởng của tính phi tuyến lên sự
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
4
0
2
>
β
C=0
C=-2
C=2
3
2
1
0
Hệ
số
mở
rộng
T
1
/T
0
Hình 1.1. Sự thay đổi hệ số mở rộng theo khoảng

cách lan truyền
3

0 0.5 1 1.5 2
Khoảng cách, z/L
0
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
dịch chuyển theo chiều dọc có thể được ước tính bằng cách lấy trung bình tích n
2
I
trên phần cắt trong sợi.

n
( )
=
2
||, A
ω
n
0
(
ω
) + n
2
eff
A
A
2
||

(1.2)
A tỷ lệ với trường điện được chuẩn hóa theo công thức P=| A|
2

.
Vector sóng mode:
( )
.||,
2
c
A
ω
ωβ
=
n
( )
2
||, A
ω

( ) ( ) ( )
2
2
0
3
03
2
020101
||
6
1
2
1
A

A
n
c
eff
ω
ωωβωωβωωβββ
+−+−+−=−
(1.3)
Với
0
|
1
ωω
ω
β
β
−
∂
∂
=
,
0
|
2
2
2
ωω
ω
β
β

−
∂
∂
=
,
0
|
3
3
3
ωω
ω
β
β
−
∂
∂
=
Phương trình này có thể xem như dạng triển khai Fourier của phương trình
sóng sau đây đối với sự lan truyền của đường bao xung biến đổi chậm A(z,t):

AA
n
A
t
A
t
Ai
t
A

z
A
eff
2
2
3
3
3
2
2
21
||
2
6
1
2
λ
π
βββ
=
∂
∂
−
∂
∂
+
∂
∂
+
∂

∂
(1.4)

1
1
−
=
g
v
β
(v
g
là vận tốc nhóm tại tần số sóng mang
0
ω
).
Đặt
)/(2
2 eff
An
λπγ
=
là hằng số phi tuyến.

λ
là bước sóng quang.
A
eff
là diện tích hiệu dụng lõi sợi.
Tham số

2
β
và
γ
tương ứng cho ảnh hưởng của GVD và SPM.
Giả sử
0
3
=
β
và đặt
0
0
1
,,
P
A
U
L
z
T
zt
D
==
−
=
ξ
β
τ
(1.5)

Trong đó: T
0
: độ rộng xung
P
0
: công suất đỉnh xung
L
D
: chiều dài tán sắc và được định nghĩa là:
L
D
= T
2
0
/|
|
2
β
(1.6)
Thay vào phương trình (2.4) ta có:
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
4
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton

0||)sgn(
2
1
||)sgn(.
2
1

.
||
2
1
.
1
||
2
11
2
0
2
2
2
0
2
2
2
2
0
1
0
2
2
0
2
2
2
0
1

00
2
2
0
0
2
2
2
0
0
10
=+
∂
∂
−
∂
∂
⇔
=
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
⇔
=
∂

∂
+
∂
∂
+
∂
∂
⇔
=
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
UUPL
UU
i
LUPUi
U
i
T
UL
U
UPUi
T
U
i

T
UU
L
PPUUi
T
P
T
Ui
T
PU
L
P
U
D
D
D
D
D
γ
τ
β
ξ
γ
τ
β
τ
β
ξ
γ
τ

β
τ
β
ξ
γβ
τ
β
ξ


0||)sgn(
2
1
22
2
2
2
=+
∂
∂
−
∂
∂
⇔ UUN
UU
i
τ
β
ξ
(1.7)

sgn(
2
β
)=
±
1, tùy thuộc vào
0
2
<
β
(tán sắc dị thường) hay
>
2
β
0 (tán sắc
bình thường)
N
γ
=
2
L
D
P
0
γ
=
2
P
0
T

||/
2
2
0
β
(1.8)
Phương trình (1.7) được gọi là phương trình schrodinger phi tuyến (NSE) hay
là phương trình sóng của trường quang.
1.4 Phân loại Soliton
1.4.1 Soliton cơ bản và soliton bậc cao
Mặc dù NSE hỗ trợ các soliton cho cả GVD bình thường và dị thường nhưng
các soliton pulselike (sáng) chỉ được tìm thấy trong trường hợp tán sắc dị thường (
0
2
<
β
). Soliton sáng được sử dụng hầu hết trong các hệ thống truyền thông
quang.
Vì
0
2
<
β
nên hàm sóng có dạng:

0||
2
1
22
2

2
=+
∂
∂
+
∂
∂
UUN
UU
i
τ
ξ

Đặt u=N.U, ta có:


0
1
||
1
2
11
2
2
2
=+
∂
∂
+
∂

∂
N
uu
N
u
N
u
i
τ
ξ

=> i
0||
2
1
2
2
2
=+
∂
∂
+
∂
∂
uu
uu
τ
ξ
(1.9)
Phương trình này có thể được giải bằng phương pháp tán xạ ngược [4]. Kỹ

thuật này chỉ ra rằng lời gọi tiệm cận của phương trình được cho với điều kiện đầu
vào tùy ý (năng lượng xác định). Với hàm đầu vào chẳng hạn như u(0,
τ
)=N.sech
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
5
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
τ
đặt vào trong sợi, hình dạng của nó không thay đổi trong suốt quá trình lan
truyền khi N=1, còn khi N>1 dạng đầu vào được khôi phục tại
)(2/ Zmm ∈=
πξ
.
Xung quang tương ứng với N=1 được gọi là soliton cơ bản. Xung quang ứng với
N>1 được gọi là soliton bậc cao và N được gọi là bậc của soliton. Chu kỳ z
0
là
khoảng cách mà các soliton bậc cao khôi phục lại dạng gốc của chúng.
z
0
=
||22
2
2
0
β
ππ
T
L
D

=
(1.10)
Chu kỳ z
0
và bậc N của soliton đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế hệ
thống soliton quang. Hình vẽ sau biễu diễn tiến trình xung của soliton bậc 1 và
soliton bậc 3 qua một chu kỳ soliton bằng việc vẽ đồ thị hình dạng xung |u(
τξ
,
)|
2

(hàng trên) và sự dịch tần (hàng dưới) được định nghĩa như là sự dịch thời gian
của pha soliton. Chỉ soliton cơ bản vẫn không có sự dịch tần (chirp-free) trong
suốt quá trình lan truyền trong khi duy trì hình dạng xung của nó.
Hình 1.2. Tiến trình của các soliton bậc một (cột trái) và các Soliton bậc 3 (cột
phải) qua một chu kỳ soliton. Hàng trên và hàng dưới tương ứng biểu diễn hình
dạng xung và dạng chirp của nó.
Ta có thể giải trực tiếp các soliton cơ bản từ phương trình (1.9) mà không sử
dụng phương pháp tán xạ ngược. Giả thiết rằng một soliton có dạng:
u(
τξ
,
)=V(
τ
)exp[i
),(
τξφ
] (1.11)
Lớp H09VT9 – Nhóm 5

6
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
V(
τ
) không phụ thuộc vào
ξ
để phương trình (1.9) trình bày lại một soliton
cơ bản mà duy trì hình dạng của nó trong suốt quá trình lan truyền. Pha
φ
có thể
phụ thuộc vào cả
ξ
và
τ
. Thay (1.11) vào (1.9) và
),(
τξφ
=K
ξ
với K=const. Ta
có:

0
2
1
0)exp()()exp(.
)(
2
1
)exp()(

3
2
2
3
2
2
=+
∂
∂
+−⇔
=+
∂
∂
+
V
V
KV
iVi
V
iiKiV
τ
φτφ
τ
τ
φτ


)(2
2
2

2
VKV
V
−=
∂
∂
⇔
τ
(1.12)

CVKV
t
V
+−=






∂
∂
⇔
42
2
2
với C=const (1.13)
Vì ta có:
∞→
τ

LimV
=0 và
∞→
τ
Lim
0=
∂
∂
τ
V
nên C=0. Tại đỉnh soliton có
1=V
và
0=
∂
∂
τ
V
suy ra (2K-1)=0 suy ra K=1/2

( )
τ
τ
τ
ξφ
τττ
τ
h
eee
e

V
V
V
VV
V
VV
V
sec
2
1
2
11
11
ln
2
1
1
2
1
2
2
2
2
42
2
=
+
=
+
=⇒









−−
−+
=
−
∂
=⇒
−=






∂
∂
⇒=⇒
−
∫


( ) ( ) ( )
2/expsec,

ξττξ
ihu =⇒
(2.14)
Phương trình (1.14) cho thấy xung đầu vào thu được một sự dịch pha
ξ
/2 khi
nó lan truyền trong sợi nhưng biên độ không thay đổi. Đây chính là thuộc tính
quan trọng của soliton cơ bản, làm cho nó trở nên lý tưởng với các hệ thống truyền
thông quang.
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
7
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
1.4.2 Tiến trình soliton
Một thuộc tính quan trọng của soliton là chúng rất ổn định, chống lại sự nhiễu
loạn. Bởi vậy, thậm chí qua soliton cơ bản yêu cầu một hình dạng riêng và công
suất đỉnh thỏa mãn 1=
γ
P
0
L
D
, nó cũng có thể được tạo ra ngay cả khi công suất
đỉnh lệch khỏi điều kiện lý tưởng.
Hình vẽ sau mô tả tiến trình của một xung Gauss vào với các giá trị: N=1, u(0,
τ
)= exp(-
2
2
τ
)

Hình 1.3. Tiến trình của một xung Gauss với N=1 qua một khoảng
100 −=
ξ
.
Xung tiến triển dần thành một soliton cơ bản bằng việc thay đổi hình dạng, độ
rộng và công suất đỉnh của nó.
Như vậy xung sửa hình dạng và độ rộng của nó để trở thành một soliton cơ
bản và đạt được hình dạng của một hàm “sech” với
1>>
ξ
.
Soliton bậc N cũng có thể được hình thành khi n năm trong khoảng N-1/2 đến
N+1/2. Cụ thể, soliton cơ bản có thể được tạo ra với N
∈
(0.5, 1.5). HÌnh vẽ sau
biểu diễn tiến trình một xung đầu vào có N=1.2 qua
100 →=
ξ
bằng việc giải
phương trình NSE bằng số với điều kiện đầu vào u(0,
τ
)=1,2sech(
τ
). Độ rộng
xung và công suất đỉnh dao động ban đầu nhưng cuối cùng trở nên ổn định sau khi
xung đầu vào đã tự sửa để thỏa mãn điều kiện N=1 trong phương trình (1.8).
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
8

Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
Hình 1.4. Tiến trình xung của một xung “sech” với N=1,2 qua khoảng
100 −=
ξ
.Xung tiến triển thành một soliton cơ bản (N=1) bằng việc sửa độ rộng và công
suất đỉnh của nó.
Nhìn chung một sự lệch nhỏ từ điều kiện lý tưởng không gây nguy hại đến sự
lan truyền soliton vù xung đầu vào có thể sửa các tham số của nó để hình thành
siliton cơ bản. Một phần năng lượng xung bị mất trong suốt quá trình thích ứng
pha động dưới dạng sóng tán sắc. Ta có thể giảm thiểu ảnh hưởng của sóng tán sắc
đến hiệu năng hệ thống bằng việc thích ứng điều kiện đầu vào gần với điều kiện lý
tưởng nhất có thể.
1.4.3 Soliton tối (Dark soliton)
Hàm NSE có thể được giải bằng phương pháp tán xạ ngược ngay cả trong
trường hợp tán sắc bình thường. Dạn cường độ của kết quả đưa ra một độ dốc
trong nền đồng bộ và độ dốc này không thay đổi trong quá trình lan truyền trong
sợi. Những nghiệm như vậy của NSE được gọi là soliton tối. Mặc dù đã được
khám phá những năm 1970 song chỉ mới gần đây nó mới được nghiên cứu hoàn
toàn.
Hàm đầu vào u(0,
τ
)=tanh(
τ
)
Vì
0
2
>
β
nên hàm sóng có dạng:

i
0||
2
1
2
2
2
=+
∂
∂
−
∂
∂
uu
uu
τ
ξ
Giả sử:
[ ]
),(exp)(),(
τξφττξ
iVu =
(1.15)
Và
ξτξφ
K=),(

Ta có:
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
9

Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton

CKVV
V
VKV
V
V
V
KV
iVVi
V
iiKiV
+−=






∂
∂
+−=
∂
∂
⇔
=+
∂
∂
−−⇔
=+

∂
∂
−
24
2
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
)(2
0
2
1
0)exp()()()exp(
)(
2
1
)exp()(
τ
τ
τ
φττφ
τ
τ

φτ

C=const
Tại đỉnh soliton có V=0,
00 =⇒=
∂
∂
C
V
τ
.
Vì
2
0
2
0
4
00
0)2(2)2(0,2 uKKuu
V
LimuVLim =⇒=−⇒=
∂
∂
=
∞→∞→
τ
ττ

Suy ra nghiệm chung có dạng:
u

)exp()tanh(),(
2
0
ξκςητξ
iui
d
−=
(1.16)
Với
φκφηκξτης
sin,cos),(
00
uu ==−=
(1.17)

0
u
là biên độ của nền sóng liên tục (CW: continuous wave)

φ
là góc pha trong (0<
φ
<
2/
π
)

κη
,
biên độ và vận tốc của soliton tối.

Soliton tối có một điểm khác cơ bản với soliton sáng là vận tốc
κ
của soliton
tối phụ thuộc vào biên độ
η
của nó qua góc pha trong
φ
.

0)0,()exp()tanh(),(0
2
00
=⇒=⇒=•
ξξτητξφ
dd
uiuuu
tức là công suất soliton
giảm xuống bằng không ở trung tâm của độ dốc (những soliton như vậy gọi là
soliton tối).

0≠•
φ
, cường độ không giảm xuống 0 ở trung tâm của độ dốc ( những soliton
như vậy gọi là soliton xám)
Tham số đen B= cos
φ
để phân biệt các soliton.
Khác với soliton sáng có pha không đổi, pha của soliton tối thay đổi qua
độ rộng của nó.
Lớp H09VT9 – Nhóm 5

10
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton

Hình 1.5. Dạng cường độ (a) và phase (b) của các soliton tối với
các giá trị
φ
khác nhau.
Với soliton tối (
φ
=0) xẩy ra một sự dich pha
π
ở trung tâm độ dốc.
Với các giá trị
φ
khác, pha thay đổi một lượng
π
-2
φ
.
Soliton tối đã được chứng minh qua thực nghiệm bằng việc sử dụng các xung
quang rộng tương đối với một độ dốc hẹp ở giữa xung. Sự mô phỏng bằng số cho
thấy rằng trung tâm độ dốc có thể lan truyền như một soliton tối ngay cả khi nền
không đồng bộ miễn là cường độ nền đồng dạng trong khoảng của độ dốc.
Soliton tối bậc cao không cho phép một dạng tiến triển hoàn toàn sau mỗi chu
kỳ như soliton sáng bậc cao. Với N>1, xung đầu vào hình thành một soliton tối cơ
bản bằng việc thu hẹp độ rộng của nó trong quá trình phát ra nhiều cặp soliton tối.
Có thể tạo ra các cặp soliton tối bằng nhiều cách khác nhau như sử dụng giao
thoa kế Mach-Zender, chuyển đổi phi tuyến tín hiệu beat trong sợi giảm tán sắc và
chuyển đổi một tín hiệu mã NRZ thành tín hiệu RZ, sau đó thành các soliton tối.
Năm 1995 trong một thí nghiệm tín hiệu 10Gb/s đã truyền qua 1200km bằng việc

sử dụng các soliton tối.
Do tính không đối xứng của các soliton tối xuất phát từ đáp ứng thời gian của
mạch điện tạo ra chúng làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn. Vì vậy chúng ít được
sử dụng hơn các soliton sáng trong các hệ thống quang thực tế.
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
1.00
Power

0
8/
4
8
3
=
=
=
=
φ
πφ
π
φ
π
φ
0.75
0.50
0.25
0.00
-4 -2 0 2 4
Time
(a)

-4 -2 0 2 4
Time
(b)
8/
0
πφ
φ
=
=
8/3
4/
πφ
πφ
=
=
1 .
00
0
-1
-11
Phase
(rad)
11
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
CHƯƠNG II: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON
2.1 Hệ thống truyền dẫn soliton

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin quang đã được đưa vào khai thác
trên mạng viễn thông đáp ứng nhu cầu gia tăng các dịch vụ Viễn thông ngày càng
phong phú và hiện đại của nhân loại. Truyền thông soliton quang qua quá trình

nghiên cứu lâu dài đã được thừa nhận là một kỹ thuật tiên tiến giúp tăng dung
lượng và tính mềm dẻo của các đặc tính truyền thông đang tồn tại, đáp ứng nhu
cầu truyền dẫn cao và đường dài.
Tuy nhiên việc sử dụng nó yêu cầu những thay đổi cần thiết trong thiết kế hệ
thống so với hệ thống không soliton thông thường. Trong phần này chúng ta sẽ tìm
hiểu các vấn đề đó.
2.1.1 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 2.1. Mô hình chung của hệ thống truyền dẫn soliton
- Máy phát quang là một diode laser điều chế các xung quang trực tiếp, vì
vậy sự lệch tần ở đầu ra laser là không đáng kể. Tín hiệu đầu vào là các
bit 0 hoặc 1, mỗi bit 1 là một soliton cơ bản.
- Kênh truyền dẫn là các đoạn sợi quang đơn mode, mỗi đoạn theo sau là
một bộ khuyếch đại quang sợi EDFA dùng để bù suy hao sợi, tuy nhiên
lại sinh ra nhiễu phát xạ tự phát được khuyếch đại ASE (amplified
spontaneous emission) làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn.
- Bộ thu quang bao gồm một photodiode, một bộ lọc điện và một bộ lọc
quang. Tín hiệu quang thu thường được chuyển đổi trực tiếp thành tín
hiệu điện. Các bộ lọc quang đặt trước photodiode để làm giảm nhiễu
ASE do các bộ khuyếch đại đưa ra.
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
Đầu ra Bộ phát

quang
Bộ thu
quang
Đầu vào Kênh truyền dẫn
12
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton

2.1.2 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 (1.13). Tuy nhiên, nghiệm soliton này chỉ đúng khi
nó chiếm giữ toàn bộ cửa sổ thời gian từ
∞→
τ
. 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
=
(2.1)
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 2.2. Dãy bit soliton mã RZ. Mỗi soliton chiếm một phần nhỏ
của khe bit sao cho các soliton lân cận được đặt xa nhau
Trong đơn vị vật lý biên độ của xung là:
A(0,t)=
)(sec
0
0
T
t
hP
(2.2)
P
0
là công suất đỉnh thõa mãn điều kiện:

2
0
2
00
1
T
PLP

D
γ
β
γ
=⇒=
(2.3)
Độ rộng đầy đủ ở nửa giá trị max (FWHM: full width at half maximum) của
soliton là:
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
T
B
Soliton
1 1 0 1 0 1
13
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
T
S
=2T
0
ln(
21+
)
≈
1.763T
0
(2.4)
Năng lượng xung của soliton cơ bản thu được là:
E
S
=

=
∫
+∞
∞−
dttA
2
),0(
2P
0
T
0
(2.5)
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
=
(2.6)
2.1.3 Tương 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
θττ
iqrhrqhtu ++−=
(2.7)
Với r : biên độ tương đối của 2 soliton

θ

: pha tương đối giữa 2 soliton lân cận
2q
0
: khoảng cách ban đầu của 2 soliton
- Với r=1 (Các soliton có biên độ bằng nhau)
0=•
θ
: Các soliton hút nhau sao cho chúng va chạm định kỳ theo chiều
dài sợi.
4/
πθ
=•
: Ban đầu các soliton hut nhau rồi lại tách khỏi nhau.
2/
πθ
=•
: 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.
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
14
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
Hình 2.3. Tiến trình một cặp soliton qua 90 lần chiều dài tán sắc có sự tương tác
soliton với khoảng cách bước ban đầu q
0
=3.5 trong tất cả bốn trường hợp.

Khi q
0
>>1 trong trường hợp đặc biệt r=1,
θ
=0 (tức là u(0,t)=sech(
0
q−
τ
)
+sech(
0
q+
τ
)), khoảng cách 2q
s
giữa 2 soliton ở vị trí
ξ
được đưa ra bởi [3]:
2exp[2(q
s
-q
0
)] =1 + cos[4
ξ
exp(-q
0
)] (2.8)
Mối quan hệ này cho thấy q
s

(
ε
) thay đổi tuần hoàn với chu kỳ dao động là:

)exp(
2)exp(4
2
0
0
q
q
p
π
ε
π
ξ
=
−
=
(2.9)
Kết quả này đúng với q
0
>>1. Một biểu thức đúng hơn cho mọi giá trị q
0
là [3]:


)2sinh(2
)cosh()2sinh(
00

00
qq
qq
q
+
=
π
ξ
(2.10)
Nếu
−>>
TTDp
LLL ,
ξ
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
ξ
>>
TPPT
L
Bq
T
L
>>









=⇒
2
2
0
2
2
0
2
1
β
ξ
β
ξ
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
15
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton

2
2
02
2
0
2
0

84
1
β
π
ξ
β
q
e
q
BL
q
PT
=<<⇒
(2.11)
Ví dụ chọn q
0
=6 để tránh tương tác soliton, suy ra:
634
2
0
≈=
q
p
e
π
ξ
Và chọn
kmps /1
2
2

−=
β
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
=<<
π
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 3.3 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
=3,5. Lưu ý rằng công suất đỉnh chỉ lệch
khoảng 1% so với giá trị lý tưởng của nó khi N=1. Vì sự lệch nhỏ về công suất
đỉnh không gây hại đến bản chất lan truyền xung nên sơ đồ này có thể thực hiện
trong thực tế để tăng dung lượng hệ thống.
Ngoài các yếu tố trên tương tác soliton cũng có thể thay đổi bởi các nhân tố
khác như sự lệch tần ban đầu tác động mạnh lên xung đầu vào.
2.1.4 Sự lệch tần (frequency chirp)
Để lan truyền như một soliton cơ bản bên trong sơi quang, xung đầu vào
không chỉ có dạng “sech” mà còn phải không bị “chirp”. Tuy nhiên, trong thực tế,
các nguồn xung quang ngắn đều có sự lệch tần (bị “chirp”) tác động lên chúng.
Điều này có thể gây nguy hại đến sự lan truyền các soliton vì nó làm dao động cân
bằng chính xác giữa GVD và SPM. Ảnh hưởng sự lệch tần ban đầu được tính toán
bằng cách giải phương trình NSE với điều kiện đầu vào:
u(0,t)=sech(
τ
)exp(

2
2
τ
iC−
) Với C là hệ số chirp. (2.12)
Dạng bậc hai của sự thay đổi pha tương ứng với chirp tần số tuyến tính sao cho
tần số quang tăng theo thời gian với giá trị C dương.
Hình 2.4 biễu diễn qúa trình lan truyền xung với N=1 và C=0.5
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
16
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
Hình 2.4. Tiến trình xung quang bị lệch với N=1 và C=0,5. Khi C=0 hình dạng
xung không thay đổi vì xung lan truyền như một soliton cơ bản.

Dựa vào hình vẽ ta thấy hình dạng xung ban đầu được nén (do C>0). Sự nén
ban đầu này vẫn xẩy ra ngay cả khi vắng mặt các hiệu ứng phi tuyến. Sau đó xung
bị mở rộng và cuối cùng được nén lần thứ hai. Xung sẽ tiến triển thành một soliton
qua khoảng cách lan truyền
15>
ξ
.
Với giá trị C<0, tiến trình xung xảy ra tương tự như trên mặc dù sự nén ban
đầu không xảy ra trong trường hợp này.
Để xung tiến triển thành một soliton yêu cầu giá trị
C
nhỏ vì các soliton
thường ổn định dưới sự dao động yếu. Khi
C
vượt quá giá trị nguy hiểm C
crit

,
xung sẽ không thể hình thành một soliton. Thí dụ trong trường hợp N=1, soliton
trong hình 2.4 sẽ không được hình thành nếu C tăng từ 0.5 lên thành 2.
Giá trị nguy hiểm C
crit
của hệ số chirp có thể được tính theo phương pháp tán
xạ ngược [4]. Nó phụ thuộc vào N và pha trong phương trình (2.12), tìm được là
C
crit
=1,64 với N=1.
Khi thiết kế hệ thống yêu cầu sự lệch tần ban đầu là nhỏ nhất có thể vì khi đó
hình dạng xung sẽ thay đổi ít và quá trình hình thành một soliton cũng nhanh hơn.
Điều này có thể cần thiết vì sự dịch tần tuy không nguy hại với
crit
CC <
nhưng
một phần năng lượng của nó cũng bị mất dưới dạng sóng tán sắc trong suốt quá
trình hình thành soliton [3]. Ví dụ trong trường hợp C=0.5, chỉ 83% năng lượng
xung được chuyển đổi thành soliton và con số này giảm xuống chỉ còn 62% với
C=0.8.
2.1.5 Máy phát soliton
Hệ thống truyền thông soliton quang yêu cầu một nguồn quang có khả năng
tạo các xung picogiây không chirp ở tốc độ lặp cao với hình dạng gần giống nhất
với dạng hàm “sech”. Nguồn phát có thể vận hành ở bước sóng gần 1,55
m
µ
, tại
đó suy hao sợi là nhỏ nhất và các bộ khuyếch đại quang sợi EDFA có thể hoạt
động một cách hiệu quả để bù suy hao sợi. Laser bán dẫn được sử dụng chung cho
cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến.

Lớp H09VT9 – Nhóm 5
17
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
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
→
40ps. Về mặt nguyên lý nó sẽ định thiên laser dưới ngưỡng và bơm
nó cao trên ngưỡng định kỳ bởi việc cung cấp xung dòng. Tốc độ lặp lại được xác
định bằng tần số điều chế và thường xấp xỉ 1
→
10GHz. Nhược điểm của kỹ thuật
này là các xung phát bị chirp do sự thay đổi chiết suất cảm ứng sóng mang theo hệ
số tăng cường độ rộng phổ
c
β
. Tuy nhiên xung có thể được tạo ra gần như không
chirp bằng việc cho nó qua một sợi quang với tán sắc GVD bình thường (
2
β
>0)
mà nén xung ở cùng thời gian (chú ý kỹ thuật này tạo các xung với sự lệch tần sao
cho tham số C<0).
Trong thí nghiệm chứng minh kỹ thuật này, xung quang 14ps ở tốc độ lặp
3GHz đã được tạo ra bằng việc cho xung chuyển mạch khuyếch đại qua một sợi
dịch tán sắc, duy trì phân cực dài 3,7km với
kmps /23
2
2
=

β
ở bước sóng 1,55
m
µ
.
Một bộ khuyếch đại quang sợi EDFA đã được sử dụng để khuyếch đại xung quang
tới mức công suất yêu cầu cho soliton cơ bản. Trong một thí nghiệm khác một, các
xung chuyển mạch khuyếch đại được khuyếch đại và nén đồng thời trong một
EDFA sau khi đã qua một bộ lọc quang băng hẹp. Xung quang rộng 17ps ở tốc độ
lặp 6-24GHz đã được tạo ra.
Laser khóa mode cũng thích hợp cho truyền thông soliton và thường được ưa
dùng hơn vì dãy xung khóa mode phát từ laser như vậy bị chirp ít bị chirp hơn. Sự
khóa mode tích cực thường được sử dụng bởi điều chế dòng laser ở tần số bằng
hiệu tần số giữa 2 mode dọc lân cận. Tuy nhiên, một laser bán dẫn đơn có chiều
dài hốc tương đối ngắn (thường 5mm hoặc ngắn hơn) làm cho tần số điều chế lớn
hơn 50GHz. Để khắc phục nhược điểm này, một laser hốc mở rộng được đưa ra sử
dụng để tăng chiều dài hốc cũng như mở rộng tần số điều chế. Trong một cách giải
quyết thực tế, người ta sử dụng phần đuôi heo nối cố định với máy phát quang để
làn hốc mở rộng bằng việc khắc một cách tử sợi chirp.
Việc sử dụng cách tử sợi bị chirp cung cấp một bước sóng ổn định đến 0,1nm
trong khi mở ra một cơ chế tự điều hòa mà cho phép laser khóa mode có tần số
điều chế trong khoảng rộng các giá trị. Một bộ làm nóng nhiệt được sử dụng để
điểu hòa bước sóng hoạt động qua một dãy 7nm bằng việc thay đổi bước cách tử.
Nguồn laser như vậy sản xuất xung giống soliton có độ rộng 20ps ở tốc độ 10Gb/s
và đã được sử dụng trong nhiều thí nghiệm truyền dẫn quang.
Trở ngại chính của laser bán dẫn hốc mở rộng từ chính bản chất ghép của nó.
Một nguồn đơn khối của xung picôgiây được ưa dùng hơn trong thực tế và nhiều
nghiên cứu đã được thực hiện để sản xuất các nguồn xung như vậy. Các laser bán
dẫn đơn khối với chiều dài hốc khoảng 4mm có thể được khóa mode tích cực để
tạo dãy xung 10GHz. Sự khóa mode thụ động của laser phản xạ phân bố Bragg

đơn khối (DBR: distributed bragg reflected) cũng đã tạo ra các xung 3,5ps ở tốc độ
lặp 40GHz. Một lựa chọn khác mở ra khi người ta tích hợp một bộ điều chế hấp
thụ điện với một laser bán dẫn. Những máy phát như vậy được sử dụng chung cho
cả hệ thống quang không soliton. Chúng cũng được dùng sản xuất dãy xung dựa
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
18
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
trên bản chất phi tuyến của đáp ứng hấp thụ của bộ điều chế. Xung không chirp
trong khoảng 10-20ps ở tốc độ lặp 20GHz đã được tạo bằng kỹ thuật này. Và đến
năm 1996, tốc độ lặp của laser tích hợp điều chế đã tăng đến 50GHz. Hiệu ứng
giam lượng tử trong bộ điều chế giếng đa lượng tử cũng đã được sử dụng để sản
xuất dãy xung phù hợp với truyền dẫn soliton.
Các laser sợi đơn mode ra đời, đưa ra sự thay thế nguồn bán dẫn dù chúng vẫn
sử dụng các laser bán dẫn để bơm. Một bộ khuyếch đại quang sợi EDFA được đặt
bên trong một khe Fabry-Perot (FP) hoặc hốc vòng để làm laser sợi. Cả kỹ thuật
khóa mode thụ động và tích cực đều được sử dụng để sản xuất các xung quang
ngắn. Sự khóa mode tích cực yêu cầu điều chế ở hàm điều hòa bậc cao theo
khoảng cách mode dọc vì chiều dài hốc tương đối lớn(>1m) thường được sử dụng
cho laser sợi. Các laser sợi khóa mode điều hòa như vậy sử dụng một bộ điều chế
LiNbO
3
trong hốc và đã được dùng trong nhiều thí nghiệm truyền dẫn soliton.
Người ta cũng có thể sử dụng một bộ khuyếch đại laser bán dẫn cho sự khóa mode
tích cực để sản xuất các xung ngắn hơn 10ps ở tốc độ lặp 20GHz. Laser khóa
mode thụ động sử dụng một thiết bị giếng đa lượng tử mà hoạt động như một bộ
hấp thụ bão hòa nhanh hoặc sử dụng tính phi tuyến sợi để tạo ra sự dịch pha mà
đưa đến một bộ hấp thụ bão hòa hiệu quả. Tốc độ lặp của laser sợi như vậy tương
đối thấp và khó điều khiển, làm cho chúng không thích hợp với hệ thống truyền
thống soliton.
Trong một thí nghiệm khác, dạng xung phi tuyến trong sợi thay đổi tán sắc

được sử dụng để tạo ra các xung soliton cực ngắn. Ý tưởng cơ bản là bơm một tia
sóng liên tục (CW: continuous wave) có sự điều chế sin yếu vào một sợi như vậy.
Sự kết hợp các hiệu ứng GVD, SPM và sự giảm tán sắc đã chuyển đổi tín hiệu
điều chế sin thành một dãy soliton cực ngắn. Tốc độ lặp của xung thì bị chi phối
bởi tần số điều chế sin ban đầu, thường được tạo ra bởi việc phách 2 tín hiệu
quang. Hai laser bán dẫn phản hồi phân bố (DFB: distributed feedback) hoặc một
laser sợi hai mode cũng có thể được sử dụng cho mục đích này. Năm 1993, kỹ
thuật này dẫn đến sự phát triển của nguồn sợi tích hợp có khả năng sản xuất dãy
xung soliton ở tốc độ lặp cao sử dụng tán sắc răng cưa bằng việc kết nối các đoạn
sợi tán sắc thấp và cao. Một laser sợi lưỡng tần được sử dụng để tạo ra tín hiệu
phách và sản xuất dãy xung soliton rộng 2,2ps ở tốc độ lặp 59GHz. Trong một thí
nghiệm khác, xung 3ps ở tốc độ lặp 40GHz đã được tạo ra sử dụng một laser DFB
đơn mà đầu ra của nó được điều chế bởi bộ điều chế Mach-Zender trước khi đặt nó
trong sợi thay đổi tán sắc với dạng tán sắc răng cưa.
Một phương pháp đơn giản khác là tạo dãy xung điều chế pha ở đầu ra một
laser bán dẫn DFB đặt sau một bộ lọc băng thông quang. Sự điều chế pha tạo ra
các dải biên FM trên cả hai biên của tần số sóng mang và bộ lọc quang lựa chọn
các giải biên trên một phía của sóng mang. Thiết bị như vậy sẽ tạo ra một dãy
xung ổn định rộng 20ps ở tốc độ lặp được điều chỉnh bởi một bộ điều chế pha. Nó
cũng có thể sử dụng như một nguồn lưỡng bước sóng bằng việc lọc các giải biên
trên cả hai biên của tần số sóng mang với khoảng cách kênh 0,8nm ở bước sóng
1,5
m
µ
. Một kỹ thuật khác lại sử dụng bộ điều chế Mach-Zender đơn, được kích
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
19
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
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 như đã thảo luận trong phần trên.
2.1.6 Ảnh hưởng của suy hao sợi
Như đã biết, các soliton sử dụng tính phi tuyến sợi để duy trì độ rộng của
chúng ngay cả khi có tán sắc sợi. Tuy nhiên thuộc tính này chỉ đúng khi suy hao là
không đáng kể. Còn khi suy hao lớn, công suất đỉnh giảm đáng kể và sẽ làm suy
yếu các hiệu ứng phi tuyến cần thiết để chống lại ảnh hưởng của GVD, dẫn đến sự
mở rộng xung soliton.
Ở chương II trong khi mô phỏng định dạng một soliton, chúng ta đã xét
phương trình lan truyền sóng với giả thiết không tính đến suy hao sợi. Tuy nhiên,
trong thực tế suy hao sợi đóng một vai trò rất quan trọng khi thiết kế hệ thống, là
một tham số xác định khoảng cách giữa bộ thu và phát và không thể bỏ qua.
Phương trình NSE khi tính đến cả suy hao sợi có dạng:

u
i
uu
uu
i Γ−=+
∂
∂
+
∂
∂
22
1
2
2
2
τ

ξ
(2.13)
Với
2
2
0
/
βαα
TI
D
==Γ
là suy hao sợi qua chiều dài tán sắc.
Khi
1<<Γ
ta có thể coi như có một sự dao động nhỏ và nghiệm phương trình
(3.13) được tính xấp xỉ [7]:

[ ] [ ]






Γ−−
Γ
Γ−≈ )2exp(1)
4
(exp)exp(sec),(
ξτξτξ

i
hu
(2.14)
Từ đó ta thấy biên độ soliton giảm theo hàm mũ. Vì độ rộng soliton tỉ lệ
nghịch với biên độ của nó nên độ rộng soliton tăng theo hàm mũ với khoảng cách
lan truyền tăng như sau:

)exp()exp()(
001
zTTT
αξξ
=Γ=
(2.15)
Sự tăng độ rộng như vậy không được mong chờ và thường gây khó khăn cho
truyền dẫn đường dài. Hình 2.5 miêu tả sự phụ thuộc của hệ số mở rộng T
1
/T
0
vào
ε
khi soliton được đặt trong sợi có
07,0=Γ
.
(1): Sự mở rộng soliton
khi
1<<Γ
ξ
(2): Sự mở rộng xung
trong trong trường hợp ko
có mặt các hiệu ứng

phi tuyến.
(3): Sự mở rộng xung
với
07,0=Γ

Lớp H09VT9 – Nhóm 5
20
70
60
50
40
30
20
10
0
T
1
/T
0
0 20 40 60 80 100
Khoảng cách, z/L
D
N=1
(3)
(2)
(1)
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
Hình 25. Sự mở rộng xung bởi suy hao sợi (
Γ
=0,07)

cho soliton cơ bản
Dựa vào đồ thị ta thấy sự mở rộng xung soliton khi có mặt các hiệu ứng
phi tuyến nhỏ hơn so với trường hợp tuyến tính. Bởi vậy ảnh hưởng của các hiệu
ứng phi tuyến rất có ích trong truyền thông quang ngay cả khi soliton không thể
duy trì hình dạng của nó một cách hoàn hảo bởi suy hao sợi.
Trong ứng dụng đường dài, các soliton được truyền qua khoảng cách lớn (hàng
chục nghìn km hoặc hơn) mà không sử dụng các bộ lọc điện. Vì vậy để chống lại
ảnh hưởng do suy hao sợi gây ra, các soliton cần được khuyếch đại định kỳ để
khôi phục độ rộng xung ban đầu, công suất đỉnh và năng lượng của chúng.
2.1.7 Khuyếch đại soliton
Như đã nói ở trên để chống lại ảnh hưởng của suy hao sợi, các soliton được
khuyếch đại định kỳ để bù chính xác suy hao sợi, làm cho xung được duy trì hình
dạng khi lan truyền trong sợi. Sơ đồ đơn giản nhất cho khuyếch đại giống như
trong hệ thống truyền thông không soliton (hình 3.6a). Một bộ khuyếch đại quang
được đặt định kỳ dọc theo liên kết sợi và hệ số khuyếch đại của nó được chỉnh sao
cho bù chính xác suy hao sợi giữa hai bộ khuyếch đại. Một tham số thiết kế quan
trọng là khoảng cách L
A
giữa các bộ khuyếch đại, khoảng cách này thường được
tính toán để đạt giá trị lớn nhất có thể, giúp giảm thiểu chi phí thiết bị. Trong hệ
thống quang thông thường, L
A
thường bằng 80-100km. Nhưng với hệ thống truyền
thông quang soliton, khoảng cách này bị giới hạn ở khoảng cách nhỏ hơn nhiều.
Đó là vì các bộ khuyếch đại quang chỉ giúp tăng thế năng lượng soliton đến mức
đầu vào mà không khôi phục dần soliton cơ bản. Các soliton đã được khuyếch đại
sẽ sửa dần độ rộng của nó một cách động trong đoạn sợi sau mỗi bộ khuyếch đại.
Tuy nhiên, nó cũng làm mất một phần năng lượng dưới dạng sóng tán sắc trong
suốt quá trình sửa pha. Phần tán sắc đó có thể được tích lũy đến một mức đáng kể
qua một số giai đoạn khuyếch đại và điều này cần phải được tránh. Một cách để

giảm phần tán sắc đó là giảm khoảng cách bộ khuyếch đại L
A
sao cho các soliton
không bị đảo lộn nhiều qua khoảng cách đó. Sự mô phỏng bằng số cho thấy rằng
đây là trường hợp khi L
A
là một phần nhỏ của chiều dài tán sắc (L
A
<<L
D
). Chiều
dài tán sắc L
D
phụ thuộc cả vào độ rộng xung T
0
và tham số tán sắc vận tốc nhóm
2
β
, và có thể thay đổi từ 10-1000km. Bình thường L
D
< 50km với hệ thống 10Gb/s
vận hành ở bước sóng 1,55
µ
m sử dụng sợi chuẩn. Việc sử dụng các bộ khuyếch
đại tập trung yêu cầu L
A
<10km - một giá trị nhỏ hơn giá trị mong đợi trong thực tế
khi thiết kế. Tuy nhiên, L
D
cũng có thể vượt quá 200km khi

kmps /1
2
2
<
β
ở bước
sóng hoạt động. Khoảng cách bộ khuyếch đại từ 30-50km là có thể đạt được
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
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
21
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
được sử dụng cho mục đích này từ những năm 1985. Sự khuyếch đại phân tán
cũng có thể đạt được bằng cách kích tạp sợi truyền dẫn ánh sáng với phần tử hiếm
erbium. Hình (2.6b) biễu diễn sơ đồ khuyếch đại phân tán mà các laser bơm tiêm
ánh sáng CW trong cả hai hướng sử dụng các coupler sợi. Bước sóng bơm được
lựa chọn sao cho nó cung cấp hệ số khuyếch đại ở bước sóng tín hiệu. Vì hệ số
khuyếch đại được phân tán qua toàn bộ chiều dài sợi, các soliton có thể được
khuyếch đại đoạn nhiệt trong một cách như vậy mà N được duy trì gần với giá trị
đầu vào N=1 dù có suy hao sợi. Thạt vậy, nếu hệ số khuyếch đại được cân bằng
chính xác với suy hao sợi ở mỗi điểm trong sợi, N vẫn là 1 và soliton vẫn duy trì
chính nó qua một khoảng cách tùy ý. Tuy nhiên, điều này không được thõa mãn
trong thực tế vì công suất bơm không ổn định dọc theo sợi. Khoảng cách trạm
bơm L
A
phụ thuộc vào suy hao sợi ở bước sóng bơm và năng lượng soliton có thể
lệch một chút từ giá trị đầu vào của nó. Thường L
A
= 40-50km nếu sự lệch lớn nhất
của năng lượng soliton có thể chịu được là 20%. Ở đây L

A
có thể vượt L
D
nhiều
lần, trái với trường hợp khuyếch đại tập trung L
A
<<L
D
.
Hình 2.6. Sơ đồ khuyếch đại tập trung (a) và khuyếch đại phân tán
(b) để bù suy hao sợi trong hệ thống truyền dẫn soliton
Các thí nghiệm trước đây về khuyếch đại soliton tập trung vào sơ đồ
khuyếch đại Raman. Một thí nghiệm năm 1985 đã chứng minh suy hao sợi qua
khoảng cách 10km có thể được bù bởi hệ số khuyếch đại Raman trong khi duy trì
độ rộng soliton. Hai laser giả màu trung tâm được sử dụng trong thí nghiệm này.
Một laser tạo xung 10ps ở bước sóng 1,56
m
µ
. Khi vắng mặt khuyếch đại Raman,
soliton bị mở rộng khoảng 50% vì suy hao (T
1
/T
0
=
z
e
α
=1,51 với z=10km,
kmdB /18,0=
α

). Khi công suất bơm khoảng 125mW, hệ số khuyếch đại Raman là
1,8dB được bù cho suy hao sợi và xung đầu ra được nhận dạng gần đúng với xung
đầu vào.
Một thí nghiệm sau đó được chứng minh sự truyền dẫn soliton qua 4000km sử
dụng sơ đồ khuyếch đại Raman. Thí nghiệm này sử dụng vòng lặp sợi 42km mà
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
R
x
R
x
T
x
T
x
Amplifiers
Pumping
Couplers
(a)
(b)
22
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
suy hao của nó đã được bù chính xác bằng việc tiêm vào ánh sáng bơm CW từ
laser dải màu trung tâm
m
µλ
46,1=
. Các soliton được cho lưu thông nhiều lần dọc
theo vòng lặp sợi đến 96 lần mà không tăng độ rộng xung là mấy, cho thấy sự khôi
phục xung qua khoảng cách 4000km. Khoảng cách này có thể tới 6000km. Thí
nghiệm này được chứng minh năm 1988 mở ra các khả năng truyền các soliton

qua đại dương. Trở ngại chính ở đây là sự khuyếch đại Raman yêu cầu các laser
bơm phát công suất CW>500mW ở bước sóng 1,46
m
µ
. Sẽ là khó khăn để có thể
đạt được một công suất cao như vậy từ các laser bán dẫn và laser dải màu trung
tâm. Cho đến năm 1989, với sự ra đời của các bộ lọc khuyếch đại quang sợi
EDFA, khó khăn này đã được giải quyết. EDFA có thể thay thế các bộ khuyếch
đại thông thường với nhiều ưu điểm:
- Mạch đơn giản, linh hoạt (không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục
hồi).
- Có cấu trúc nhỏ, dễ lắp đặt và có thể lắp nhiều EDFA trong cùng một
trạm làm cho hệ thống linh hoạt hơn.
- Công suất nguồn nuôi nhỏ nên khi áp dụng cho các tuyến thông tin
quang vượt biển, cáp có cấu trúc nhỏ nhẹ hơn.
- Giá thành rẻ, trọng lượng nhỏ, nâng cao khoảng cách lặp và dung lượng
truyền dẫn.
Các thí nghiệm sau này đều sử dụng EDFA để khuyếch đại soliton và các
soliton có thể duy trì hình dạng qua khoảng cách dài bất kể bản chất bơm của tiến
trình khuyếch đại.
2.2 Các soliton được quản lý tán sắc
2.2.1 Các sợi giảm tán sắc
Một kỹ thuật hấp dẫn được đề ra năm 1987 đáp ứng hoàn toàn điều kiện khắt
khe L
A
<<L
D
được áp đặt đối với sợi quản lý suy hao bằng cách giảm GVD dọc
theo tuyến sợi. Các sợi đó được gọi là sợi giảm tán sắc (DDF) và được thiết kế sao
cho giảm GVD làm dung hòa SPM bị giảm trải qua bởi các soliton bị làm yếu bởi

các sợi suy hao.
Vì quản lý tán sắc được sử dụng kết hợp với quản lý suy hao, tiến trình soliton
trong một DDF được mô tả bởi phương trình (9.3.6) với hệ số đạo hàm bậc hai có
một tham số mới d là hàm của
ξ
do các biến đổi của GVD dọc theo chiều dài sợi.
Phương trình NLS có dạng như sau:

0)()(
2
1
2
2
2
=+
∂
∂
+
∂
∂
vvp
v
d
v
i
ξ
τ
ξ
ξ
(9.4.1)

với
)0(/)()(,/
22
βξβξ
== dpuv
, và
)(
ξ
p
lý giải các sự biến đổi công suất đỉnh
được giới thiệu bởi quản lý suy hao. Khoảng cách
ξ
được chuẩn hóa đối với chiều
dài tán sắc,
)0(/
2
2
0
β
TL
D
=
, được xác định nhờ sử dụng GVD tại đầu vào sợi
quang.
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
23
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
Vì
ξ
phụ thuộc vào các hệ số thứ hai và ba, phương trình (9.4.1) không phải là

một phương trình NLS chuẩn. Tuy nhiên nó có thể được giảm đến chỉ phụ thuộc
vào hệ số thứ nhất nếu chúng ta giới thiệu biến truyền lan mới như sau:

∫
=
ξ
ξξξ
0
'
)( dd
(9.4.2)
giá trị này chuẩn hóa lại phạm vi khoảng cách đối với giá trị cục bộ của GVD.
Trong các hệ số của
'
ξ
phương trình (9.4.1) trở thành

0
)(
)(
2
1
2
2
2
'
=+
∂
∂
+

∂
∂
vv
d
pvv
i
ξ
ξ
τξ
(9.4.3)
Nếu dạng GVD được chọn bởi vậy d(
ξ
)=p(
ξ
)=exp(-
ξ
Γ
). Phương trình (9.4.3)
giảm phương trình NLS chuẩn đã thu được với sự có mặt của các tổn thất sợi
quang. Kết quả các tổn thất quang không ảnh hưởng trên soliton mặc dù năng
lượng bị suy giảm khi các DDF được sử dụng. Các bộ khuyếch đại tập trung có
thể được đặt tại một số khoảng cách và không bị hạn chế bởi điều kiện L
A
<<L
D
.
Sự phân tích trên cho thấy rằng các soliton cơ bản có thể được duy trì trong sợ
bị tổn thất đã cung cấp cho GVD của nó sự giảm theo hàm mũ:

)exp()0()(

22
zz
αββ
−=
(9.4.4)
kết quả có thể dễ hiểu bởi lưu ý rằng công suất đỉnh soliton P
0
giảm theo hàm mũ
trong sợi suy hao một cách chính xác như trên. Dễ dàng suy ra từ phương trình
(9.1.4) rằng yêu cầu N=1 có thể được duy trì mặc dù suy hao công suất, nếu cả
γβ
,
2
giảm theo hàm mũ ở cùng một tốc độ. Sau đó soliton cơ bản duy trì dạng và
độ rộng xung của nó thậm chí trong sợi suy hao.

2.2.2 Tiến trình thực nghiệm
Các soliton quản lý tán sắc có thể tạo ra một số lợi ích cho hệ thống truyền dẫn
soliton, chẳng hạn như cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu, giảm jitter timing.
Các kỹ thuật quản lý tán sắc đã được sử dụng cho các soliton đầu năm 1992
mặc dù liên quan đến các tên như truyền thông soliton thành phần và sự phân bố
tán sắc. Trong dạng đơn giản nhất của quản lý tán sắc, một phần tương đối ngắn
của sợi bù tán sắc (DCF) được thêm vào định kỳ đối với sợi truyền dẫn tạo ra biểu
đồ tán sắc tương tự như đã được sử dụng cho các hệ thống không phải soliton. Một
thí nghiệm năm 1995 đã nhận thấy rằng việc sử dụng các DCF đã giảm jitter
timing một cách đáng kể. Thực tế, trong thí nghiệm 20Gb/s này, jitter timing trở
nên đủ thấp khi tán sắc trung bình được giảm tới gần với giá trị -0,025
kmps /
2
mà

ở đó tín hiệu 20Gb/s có thể được truyền vượt đại dương.
Từ năm 1996, nhiều thí nghiệm đã cho thấy các lợi ích của các soliton quản lý
tán sắc đối với hệ thống sóng ánh sáng. Trong một thí nghiệm việc sử dụng biểu
đồ tán sắc theo định kỳ đã cho phép truyền dẫn luồng bít soliton 20Gb/s trên tuyến
sợi quang 5520km gồm các bộ khuyếch đại được đặt ở các khoảng cách 40km.
Trong một thí nghiệm khác các soliton 20Gb/s có thể truyền trên khoảng cách
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
24
Chuyên Đề Thông Tin Quang Đề tài: Công Nghệ Quang Soliton
9000km mà không sử dụng các bộ lọc quang trong đường vì việc sử dụng định kỳ
các DCF đã giảm jitter timing hơn 3 lần. Một thí nghiệm đã tập trung vào truyền
dẫn các soliton được quản lý tán sắc nhờ sử dụng các biểu đồ tán sắc mà các
soliton được truyền hầu hết thời gian trong cơ chế GVD bình thường. Thí nghiệm
10Gb/s này đã truyền các tín hiệu trên 28Mm nhờ sử dụng nhờ sử dụng một vòng
lặp sợi quay vòng gồm 100km sợi GVD thông thường và 8km sợi GVD dị thường
bởi vậy GVD trung bình là dị thường (khoảng
kmps /1,0
2
−
). Các biến đổi định kỳ
độ rộng xung cũng được quan sát trong một vòng lặp sợi quang. Một thí nghiệm
nữa trong đó vòng lặp đã được hiệu chỉnh để tạo ra giá trị GVD trung bình không
hoặc lớn hơn không một mức 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.
Một ứng dụng quan trọng của quản lý tán sắc gồm nâng cấp các mạng mặt đất
đang tồn tại đã thiết kế với các sợi chuẩn. Một thí nghiệm năm 1997 đã sử dụng
các cách tử cho sự bù tán sắc và đã thực hiện truyền dẫn soliton trên khoảng cách
1000km. Khoảng cách truyền dẫn dài hơn được thực hiện nhờ sử dụng vòng lặp
sợi quang quay vòng gồm 102km sợi chuẩn với GVD dị thường (

kmps /21
2
2
−≈
β
)
và 17,3 km của DCF với GVD bình thường (
kmps /160
2
2
≈
β
). Chiều dài biểu đồ
S tương đối lớn trong thí nghiệm này khi các xung 30ps(FWHM) được triển khai
trong vòng. Cho đến năm 1999, các soliton được quản lý tán sắc 10Gb/s có thể
được truyền trên 16Mm của sợi chuẩn khi các soliton được cực tiểu hóa nhờ chọn
vị trí các bộ khuyếch đại truyền lan.
Lớp H09VT9 – Nhóm 5
25