Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Đà Nẵng,Tháng 2 năm 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA: Điện Tử Viễn Thông
Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông








BÁO CÁO
CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN QUANG
Đề Tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Giáo Viên Hướng Dẫn : GV.Ths Trương Xuân
Trung
SV nhóm 12 thực hiện : Nguyễn Quỳnh Hậu
Lê Xuân Tứ
Lớp : 11CQVT09 – N ( ĐTVT11)
Khóa : 2011- 2013


Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 2


MỤC LỤC

MỤC LỤC……………………………………………………………………………… 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SOLITON 3
1.1. Khái niệm về Soliton……………………………………………………………… 3
1.2. Soliton sợi…………………………………………………………………………….3
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON……………………………….4
2.1. Mô hình hệ thống chung…………………………………………………………….4
2.2. Truyền thông tin với các Soliton……………………………………………………4
2.3. Tương tác Soliton……………………………………………………………………6
2.4. Sự lệch tần ( Frequency chirp)…………………………………………………… 9
2.5. Máy phát Soliton………………………………………………………………… 11
2.6. Ảnh hưởng của suy hao sợi……………………………………………………… 13
2.7. Khuếch đại Soliton…………………………………………………………………15
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SOLITON………………………………… 18
3.1. Cơ chế Soliton trung bình…………………………………………………………18
3.2. Sự khuếch đại phân bố…………………………………………………………….21
3.3. Nhiễu bộ khuếch đại……………………………………………………………….22
3.4. Tiến trình thực nghiệm…………………………………………………………….24
KẾT LUẬN…………………………………………………………………………… 27
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SOLITON
1.1 .Khái niệm về soliton:
Soliton là thuật ngữ biễu diễn các xung lan truyền qua khoảng cách dài mà không
thay đổi hình dạng xung do nó đưa ra khả năng đặc biệt để truyền các xung không
nhạy cảm với tán sắc.
Hệ thống soliton quang mặc dù chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế song với
những tiềm năng vốn có, nó trở thành một dự tuyển đặc biệt cho hệ thống truyền dẫn

quang.
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 ( Self Phase Modulation),
cả hai đều hạn chế hiệu năng truyền thông quang sợi khi hoạt động độc lập trên xung
quang đang lan truyền bên trong sợi ngoại trừ khi xung bị dịch ban đầu theo đúng
hướng. Đặc biệt hơn một xung bị dịch có thể được nén trong suốt giai đoạn đầu của
sự lan truyền bất cứ khi nào tham số GVD
2

và hệ số chirp C trái dấu nhau
(
2

.C<0). SPM, kết quả từ sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ quang, đưa ra
một sự dịch trên xung quang sao cho C > 0. Vì
2

<0 ở vùng bước sóng 1,55
m

nên
điều kiện
2

.C<0 được thõa mãn. Hơn nữa sự dịch chuyển bởi SPM phụ thuộc công
suất nên không khó khăn để hiểu rằng dưới điều kiện nào đó SPM và GVD có thể kết
hợp theo một cách nào đó sao cho sự dịch bởi SPM là đúng hướng để loại bỏ sự mở
rộng xung do GVD gây ra. Như vậy xung quang có thể lan truyền không méo dưới
dạng của một Soliton.

Phân loại soliton:
- Soliton cơ bản và soliton bậc cao
- Tiến trình soliton
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 4

- Soliton tối (Dark soliton)
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON

2.1 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.
2.2 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
Đầu ra

Bộ phát
quang
Bộ thu
quang
Đầu vào
Kênh truyền dẫn
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 5

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 (2.1).
Tuy nhiên, nghiệm soliton này chỉ đúng khi nó chiếm giữ toàn bộ cửa sổ thời gian từ


. 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:
T
B
Soliton
1 1 0 1
0 1
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 6

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




(2.3)
Độ rộng đầy đủ ở nửa giá trị max (FWHM: full width at half maximum) của soliton
là:
T
S
=2T
0
ln(
21

)

1.763T
0
(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)
2.3 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:

Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 7


 
)exp()(sec)(sec),0(
00

iqrhrqhtu 
(2.7)
Với r : biên độ tương đối của 2 soliton


: pha tương đối giữa 2 soliton lân cận
2q
0
: khoảng cách ban đầu của 2 soliton
Hình 3.3 miêu tả tiến trình của một cặp soliton với q
0
=3.5 với các giá trị r,

khác
nhau. Ta thấy rõ ràng sự tương tác này phụ thuộc mạnh vào cả pha và biên độ tương đối.


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.
- Với r=1 (Các soliton có biên độ bằng nhau)
0


: Các soliton hút nhau sao cho chúng va chạm định kỳ theo chiều dài sợi.
4/


: Ban đầu các soliton hut nhau rồi lại tách khỏi nhau.
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 8

2/


: Các soliton đẩy nhau ngày càng mạnh khi khoảng cách lan truyền tăng.
Khi thiết kế hệ thống điều này thì không thể chấp nhận được. Nó có thể tạo ra jitter thời
gian đến của các soliton và ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống. Một cách để tránh tương
tác soliton là tăng khoảng cách soliton đủ lớn để độ lệch về vị trí soliton đủ nhỏ sao cho
các soliton vẫn ở vị trí gốc trong khe bit khi truyền dẫn qua khoảng cách lớn.
Khi q
0
>>1 trong trường hợp đặc biệt r=1,

=0 (tức là u(0,t)=sech(
0
q

)+sech(
0
q


)),
khoảng cách 2q
s
giữa 2 soliton ở vị trí

được đưa ra bởi [3]:
2exp[2(q
s
-q
0
)] =1 + cos[4

exp(-q
0
)] (2.8)
Mối quan hệ này cho thấy q
s
(

) thay đổi tuần hoàn với chu kỳ dao động là:

)exp(
2)exp(4
2
0
0
q
q
p








(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




(2.10)
Nếu

TTDp
LLL ,


là tổng khoảng cách truyền dẫn. Tương tác soliton có thể không
tính đến vì các soliton có thể lệch một chút so với giá trị ban đầu của nó.
Vì
Dp
L

>>
TPPT
L
Bq
T
L 









2
2
0
2
2
0
2
1







2
2
02
2
0
2
0
84
1




q
e
q
BL
q
PT

(2.11)
Ví dụ chọn q
0
=6 để tránh tương tác soliton, suy ra:
634

2
0

q
p
e



Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 9

Và chọn
kmps /1
2
2


vì hầu hết các hệ thống truyền thông soliton đều sử dụng sợi
dịch tán sắc.
Ta có:

km
s
T
e
LB
b
T

.)(4,4
298
2
6
2


(2.12)

Như vậy điều kiện
km
s
T
LB
b
T
.)(4,4
22

có thể đúng với L
T
lớn hàng chục ngàn
kilômét. Tuy nhiên, khi khoảng cách lan truyền lớn thì tốc độ bit lại nhỏ, chứng tỏ điều
kiện này đã giới hạn đến khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ bit của hệ thống
soliton.
Vì vậy khi khoảng cách giữa các soliton rộng để hạn chế tương tác thì lại hạn chế tốc
độ và khoảng cách truyền dẫn của hệ thống. Một cách để giảm q
0
mà vẫn đảm bảo tương
tác soliton nhỏ nhờ sử dụng các soliton lân cận có biên độ khác nhau. Như biễu diễn ở

hình 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.
2.4 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
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 10

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(

)exp(
2
2

iC
) (2.13)
Với C là hệ số chirp.
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

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

.
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
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 11

hình thành một soliton. Thí dụ trong trường hợp N=1, soliton trong hình 3.4 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 (3.12), 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.
2.5. 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

, 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.
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

. 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

>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).
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 12


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.

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

. Một kỹ thuật khác lại sử dụng bộ điều chế
Mach-Zender đơn, được kích thích bởi một dòng dữ liệu điện mã NRZ để chuyển đổi đầu
ra CW của laser DFB thành một dòng bit quang mã RZ. Những xung quang này mặc dù
không có dạng “sech” của một soliton nhưng chúng vẫn được dùng trong hệ thống soliton
vì khả năng tiến triển thành một soliton của sợi.
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 13


2.6 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.
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 





22
1
2
2
2


(2.13)
Với
2
2
0
/

TI
D

là suy hao sợi qua chiều dài tán sắc.
Khi
1

ta có thể coi như có một sự dao động nhỏ và nghiệm phương trình (2.13)
được tính xấp xỉ [7]:

   








 )2exp(1)
4
(exp)exp(sec),(

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


(2.15)
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 14

Sự tăng độ rộng như vậy không được mong chờ và thường gây khó khăn cho truyền
dẫn đường dài. Hình 3.5 miêu tả sự phụ thuộc của hệ số mở rộng T
1
/T
0
vào

khi soliton
được đặt trong sợi có
07,0
.









(1): Sự mở rộng soliton khi
1


(2): Sự mở rộng xung trong trong trường hợp không có mặt các hiệu ứng phi tuyến.
(3): Sự mở rộng xung với
07,0

Hình 2.5: Sự mở rộng xung bởi suy hao sợi (

=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
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)
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 15

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.

2.7. Khuếch 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

, 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

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
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 16

quá 200km khi
kmps /1
2
2


ở bước sóng hoạt động. Khoảng cách bộ khuyếch đại từ
30-50km là có thể đạt được


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
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 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 (3.6b)
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
R
x

R
x

T
x

T
x

Amplifiers
Pumping
Couplers
(a)
(b)
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 17

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
.
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

. Khi vắng mặt khuyếch đại Raman, soliton bị mở rộng khoảng 50% vì suy hao
(T
1
/T
0
=
z
e

=1,51 với z=10km,
kmdB/18,0

). 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 suy hao của nó
đã được bù chính xác bằng việc tiêm vào ánh sáng bơm CW từ laser dải màu trung tâm
m


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

. 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
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 18

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.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SOLITON
Hệ thống thông tin quang sợi tốc độ cao thường bị hạn chế bởi tán sắc vận tốc nhóm
mà mở rộng xung và suy hao năng lượng. Các soliton ra đời đã giúp cho cải tiến hiệu
năng hệ thống, hạn chế tán sắc duy trì độ rộng xung nhờ việc cân bằng ảnh hưởng của
GVD và hiện tượng phi tuyến SPM. Tuy nhiên, trong thiết kế hệ thống soliton, nhiều yếu

tố giới hạn không tránh được và cần được xem xét để tối giản ảnh hưởng của nó. Các
nhân tố chính giới hạn khoảng cách truyền dẫn soliton gồm suy hao sợi, tương tác soliton
và jitter timing.
Khi xem xét vấn đề suy hao sợi, để chống lại ảnh hưởng của nó người ta sử dụng các
cơ chế khác nhau tùy thuộc vào suy hao trên chiều dài tán sắc (
D
L

) và khoảng cách bộ
khuyếch đại L
A
. Nếu
D
L

<<1 và L
A
>>L
D
, soliton có thể sửa suy hao năng lượng đoạn
nhiệt, cơ chế này được gọi là cơ chế tựa đoạn nhiệt và sẽ được thảo luận ở chương kế
tiếp. Còn nếu L
A
<<L
D
hình dạng soliton không bị méo nhiều dù có suy hao năng lượng.
Trong hệ thống đó, soliton có thể được khuyếch đại hàng trăm lần mà vẫn duy trì hình
dạng của nó. Vì tiến trình soliton thường được chi phối bởi năng lượng soliton trung bình
trên các khoảng khuyếch đại L
A

nên chế độ vận hành này được gọi là cơ chế soliton trung
bình. Trong phần này chúng ta sẽ xem xét các vấn đề cần chú ý khi thiết kế hệ thống
truyền thông soliton theo cơ chế trung bình.
3.1 Cơ chế soliton trung bình
Sự khuyếch đại định kỳ của soliton có thể được tính toán bằng việc thêm một số hạng
khuyếch đại vào phương trình (3.13) và NSE khi đó có dạng như sau :
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 19


 
 
umGiu
i
uu
uu
i
A
N
m
A









1
2
2
2
1
22
1



(3.1)
Với N
A
là số bộ khuyếch đại;
)exp(,,/
ADDAA
GLLL


là hệ số khuyếch đại
cần để bù suy hao sợi; Hàm delta tính cho bản chất tập trung của sự khuyếch đại ở vị trí
A
m


; Hệ số
1G
trình bày sự thay đổi biên độ trong suốt quá trình khuyếch đại.
Vì sự thay đổi nhanh của năng lượng soliton được đưa ra bởi sơ đồ khuyếch đại tập
trung, ta thực hiện chuyển đổi sau:

),()(),(

au 
(3.2)

),(),(

a
tương ứng là hàm biến thiên nhanh và chậm của

.
Thay vào phương trình (3.1) ta có:
 
 
 
 








































A
A
N
m

A
N
m
A
mGi
a
a
iai
amGia
i
aa
aai
1
2
2
2
2
1
2
2
2
2
)(1
2
1
)(
2
1
)(1)(
2

)()(
)(
2
1),()(
0)(
2
1
2
2
2
2












ai
(3.3)
và
 
 
 
 













AA
N
m
A
N
m
A
amGamGa
a
11
1
2
1
1
2
1



(3.4)
Để ý số hạng cuối trong phương trình (3.4) là tuần hoàn và chỉ góp phần tại
A
m


,
)(

a
là hàm tuần hoàn của

. Trong mỗi chu kỳ
)(

a
giảm theo hàm mũ và trở về giá trị
đầu ở cuối chu kỳ đó.
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 20


)(
2

a
thay đổi nhanh với một chu kỳ
1
A


. Vì các soliton tiến triển ít qua một
khoảng cách ngắn
A

, người ta có thể thay thế
)(
2

a
bằng một giá trị trung bình của nó
qua một chu kỳ. Sự xấp xỉ này có thể được chứng minh bằng việc sử dụng


với

là soliton trung bình thõa mãn hàm NSE chuẩn:
i
0)(
2
1
2
2
2
2












a
(3.5)
và

là một sự dao động của

theo

,
tương đối nhỏ khi
1
A

. Công suất đỉnh
đầu vào P
in
của soliton trung bình được lựa chọn sao cho
1)(
2


a
. Suy ra:
P

in
=
0
1
ln
P
G
GG

(3.6)
Với G=
A
e


, P
0
là công suất đỉnh trong sợi không suy hao.
Hình 3.1 miêu tả tiến trình soliton trung bình trong cơ chế soliton trung bình qua
khoảng cách 10000km, L
A
=50km. Khi L
D
=200km, độ rộng soliton được duy trì tốt thậm
chí sau 200 lần khuyếch đại vì điều kiện
DAA
LL /

<<1 được thõa mãn. Tuy nhiên nếu
chiều dài tán sắc giảm xuống 25km, soliton bị phá hủy vì nó không lan truyền lâu trong

cơ chế soliton trung bình.

Hình 3.1: Tiến trình soliton trong cơ chế soliton trung bình qua khoảng cách 10000km
với L
A
=50km, a=0,22dB/km và
kmps /5,0
2
2


và a) L
D
=200km, b)L
D
=25km
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 21

Điều kiện
1
A

hay L
A
<<L
D
được yêu cầu để cơ chế vận hành trong cơ chế soliton
trung bình. Sử dụng L

D
=
2
2
0
/

T
, điều kiện đó trở thành:
T
0
>>
A
L
2

(3.7)
Tốc độ bit B=
2
2
0
2
20
00
4
1
2
1
2
1



q
LB
Lq
Tq
A
A

(3.8)
Dựa vào phương trình (3.8) ta thấy rõ ràng sử dụng cơ chế soliton trung bình giới hạn
cả về tốc độ lẫn khoảng cách bước bộ khuyếch đại của một hệ thống soliton.
3.2 Sự khuyếch đại phân bố.
Điều kiện L
A
<<L
D
được áp đặt lên các soliton được quản lý tán sắc khi các bộ khuyếch
đại tập trung được sử dụng thực tế làm cho khó khăn tăng lên để đáp ứng được các tốc độ
truyền dẫn cỡ 10Gb/s. Điều kiện này có thể được xem xét khắc phục khi sự khuyếch đại
phân bố được sử dụng. Kỹ thuật khuyếch đại phân bố vốn là mạnh hơn khuyếch đại tập
trung do việc sử dụng nó cung cấp sợi gần như không bị suy hao nhờ sự bù tổn thất cục
bộ tại mọi điểm dọc trên tuyến sợi. Thực tế, kỹ thuật này được sử dụng vào năm 1985
nhờ sử dụng độ tăng ích phân bố được cung cấp bởi sự khuyếch đại Raman khi sợi quang
mang tín hiệu được tập trung tại bước sóng có chiều dài khoảng 1,46 micromet nhờ sử
dụng laser màu trung tâm. Thông thường, sợi quang truyền dẫn có thể được kích tạp ánh
sáng với các ion erbium và được tập trung định kỳ để tăng ích khuyếch đại. Một vài thực
nghiệm đã mô tả rằng các soliton có thể được truyền trong các sợi quang tích cực trên các
khoảng cách tương đối dài.
Ưu điểm của sự khuyếch đại phân bố có thể thấy trong phương trìnhmà có thể được

viết dưới dạng các đơn vị vật lý như sau:

pzg
dz
dp
))((


(3.9)

Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 22

Nếu g(z)=

với mọi z, công suất đỉnh hoặc năng lượng soliton duy trì không đổi dọc
theo tuyến sợi quang. Đây là một trường hợp lý tưởng mà sợi quang thực sự không bị tổn
thất. Thực tế, sự tăng ích được thực hiện bằng cách bơm tập trung công suất một cách
định kỳ vào trong tuyến sợi quang. Do công suất tập trung không duy trì hằng số vì các
tổn thất sợi và sự suy yếu tập trung, g(z) không thể duy trì không đổi dọc theo sợi. Tuy
nhiên, mặc dù các tổn thất sợi không thể được bù tại mọi nơi bên trong sợi, chúng có thể
được bù đầy đủ trên khoảng cách L
A
được cho:


A
L
Ldzzg

A


0
)(
(3.10)

Kỹ thuật khuyếch đại phân bố được thiết kế để thõa mãn phương trình (3.10). Khoảng
cách L
A
được xem như là khoảng cách bước trạm khuyếch đại.
3.3. Nhiễu bộ khuyếch đại
Các soliton là một loại xung quang đặc biệt có khả năng lan truyền qua khoảng cách
hàng chục ngàn kilômét mà không gây méo tín hiệu. Như đã biết, trong quá trình truyền
dẫn, tín hiệu trsoliton cũng bị suy hao làm giảm công suất đỉnh, xung sẽ bị mở rộng để
đảm bảo đúng đặc tính của một soliton. Để tránh tín hiệu này tín hiệu này tín hiệu phải
được khuyếch đại định kỳ để bù chính xác suy hao sợi. Tuy nhiên các bộ khuyếch đại lại
sinh nhiễu ASE (amplified spontaneous emission: sự phát xạ tự phát được khuyếch đại)
làm ảnh hưởng quan trọng đến hệ thống.
Mật độ phổ của ASE phụ thuộc vào chính hệ số khuyếch đại G. Để hiểu ASE ảnh
hương như thế nào tới tiến trình một soliton, ta xem xét dạng chung nhất của một soliton
cơ bản [6]:

 
 











iiiqhu
s
2
)(expsec),(
22
(3.11)
Trong đó

,,, q
tương ứng là biên độ, vị trí, tần số, pha của xung vào tại biên độ
0


Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 23

Ảnh hưởng của ASE làm thay đổi ngẫu nhiên các giá trị 4 tham số

,,, q
ở đầu ra
mỗi bộ khuyếch đại. Phương sai của 4 tham số soliton có thể được tính toán bằng việc
xem ASE như một sự dao động. Theo thuyết nhiễu loạn đoạn nhiệt phát triển cho soliton,
tiến trình của 4 tham số vì sự nhiễu loạn soliton
)(

s
u
là :












duu
ss
)(Im
(3.12)

 
 










duqu
s
tanh)(Re
s
(3.13)










duqu
q
ss
*
))((Im
1
(3.14)


 
 

















duqquq
ss
*
22
)(tanh)(1)(Re
1
2
(3.15)

Các hàm trên đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống vì chúng có thể được thiết
kế với dạng tùy ý của hàm dao động.
Với ASE hàm dao động có dạng:

)exp(),()(

iiinu
s


(3.16)
Trong đó n(

,
) là nhiễu ngẫu nhiên, bao gồm cả sự dao động biên độ và pha. Phương
sai của nó liên quan đến mật độ phổ tạp âm
ASE
S
như sau:
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 24

S
G
sp
N
F
n2
2



(3.17)
S
G
sp
N
F

n
3
2
2



(3.18)

S
G
spq
N
F
n
6
22


(3.19)
S
G
sp
N
F
n
3
2
6
2

2












(3.20)
Trong đó: n
sp
hệ số phát xạ tự phát.
F
G
=
 
)ln/(1
2
GGG 

N
S
là số photon được chứa trong một soliton cơ bản có năng lượng E
S
(N

S-
=E
S
/
0000
/2

 TP
)
Sự dao động biên độ làm giảm tín hiệu trên tạp (SNR) của dòng bit soliton. Sự dao
động tần gây ra một jitter timing ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống truyền thông
soliton mà giới hạn khoảng cách truyền dẫn. Vấn đề jitter timing sẽ được nói đến ngay
sau đây.
3.4. Tiến trình thực nghiệm.
Đề tài: Hệ thống truyền dẫn và thiết kế hệ thống Soliton

Nhóm 12: Quỳnh Hậu- Xuân Tứ Trang 25


Hình 3.2: Thí nghiệm thiết lập truyền dẫn soliton 2 bộ EDFA đặt sau bộ điều chế LiNO
3

hoạt động như một bộ tăng thế công suất.
Hình 3.2 biễu diễn một thí nghiệm sử dụng bộ điều chế cường độ LiNO
3
để tác động
đến tín hiệu trên dãy xung. Dãy bit soliton được truyền qua nhiều đoạn sợi với suy hao
mỗi đoạn được bù bởi một bộ EDFA. Khoảng cách bộ khuyếch đại được lựa chọn thỏa
mãn điều kiện L
A

<<L
D
và thường từ 25-40km.
Trong một thí nghiệm năm 1991, các soliton đã truyền qua 1000km ở tốc độ 100Gb/s.
Các soliton rộng 45ps cho phép khoảng cách bộ khuyếch đại là 50km trong cơ chế soliton
trung bình.
Từ năm 1991 trở đi hầu hết các thí nghiệm truyền thông soliton đều sử dụng cấu hình
vòng lặp sợi tuần hoàn để tiết kiệm chi phí. Cũng trong một thí nghiệm năm 1991, các
soliton 2,5Gb/s đã truyền qua được khoảng cách 12000km sử dụng vòng lặp sợi 75km
chứa ba bộ khuyếch đại EDFA, đặt cách nhau 25km