Nghiên cứu hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------BÙI XUÂN LINH

BÙI XUÂN LINH

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN HỖN LOẠN TOÀN
QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chun ngành kỹ thuật truyền thơng

KHỐ 2011

Hà Nội – 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

BÙI XUÂN LINH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN
HỖN LOẠN TỒN QUANG

Chun ngành : Kỹ thuật truyền thơng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS TRẦN ĐỨC HÂN

Hà Nội – 2013


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Đức Hân, người đã tận tình giúp đỡ,
hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Xin cảm ơn những chỉ bảo quý báu của
thầy, từ những nguyên lý, phương pháp cho đến những thuật ngữ trong luận văn.
Em luôn luôn biết ơn sự chỉ bảo chân thành của thầy cả trong học thuật và cuộc
sống.
Em xin chân thành cảm ơn TS Hồng Mạnh Thắng đã tận tình giúp đỡ em
hồn thành phần mô phỏng của luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Điện tử - Viễn thơng
đã tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu trong
những năm học vừa qua.
Cảm ơn các bạn cùng khóa đã nhiệt tình khích lệ trong việc nghiên cứu lĩnh
vực mới mẻ này. Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã ln ln ủng hộ,
tạo điều kiện để em có thể hoàn thành luận văn này.
Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong thời gian và khả năng cho
phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi được những thiếu sót. Em mong nhận
được sự chỉ bảo tận tình của q thầy cơ.
Em xin chân thành cảm ơn !

Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

TÓM TẮT
Những khái niệm và lý thuyết ban đầu của hỗn loạn đã được nêu ra khá sớm,
tuy nhiên những năm gần đây lý thuyết này mới được nghiên cứu và phát triển
mạnh mẽ. Nó được coi là trào lưu mới của khoa học và đang là lĩnh vực nghiên
cứu mới của nhiều ngành khoa học như sinh học, khí tượng học, vật lý học…..
Hỗn loạn cũng đang được nghiên cứu nhằm tìm hiểu khả năng ứng dụng của
nó trong lĩnh vực điện tử viễn thông. Gần đây, Ủy ban châu Âu đã tài trợ để thử
nghiệm hệ thống truyền dẫn hỗn loạn bằng cáp quang thương mại ở Athen, Hy
Lạp. Thực nghiệm này là bước khởi đầu để áp dụng hỗn loạn vào truyền dẫn
quang – phương pháp truyền dẫn đường dài trong viễn thông hiện nay. Mở ra
một thời kỳ truyền dẫn bảo mật mới cho thông tin quang.
Luận văn này tập trung nghiên cứu, mô phỏng hệ thống truyền dẫn hỗn loạn
toàn quang bao gồm laser diode hỗn loạn, các vấn đề về đồng bộ, kênh truyền,
máy thu và máy phát. Luận văn gồm 4 chương :


Chương 1 : Laser bán dẫn



Chương 2 : Chế độ hỗn loạn trong laser bán dẫn



Chương 3 : Hệ thống truyền dẫn quang hỗn loạn



Chương 4 : Kết quả mô phỏng đồng bộ trong laser


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

ABSTRACT
Although the concepts and theories of chaos were raised long time ago, they
have been studied and developed quickly in recent years. Chaos is being regarded
as a new trend of science and a new field for study of such sciences as biology,
meteorology, physics…
Chaos is also being studied in order to find out its application in
communication. Recently, an experiment, financed by the European Comission,
realized a demonstration of chaos transmission over a commercial fiber optic
networks beneath the streets of Athens. The experiment is the beginning step of
using chaos in optical transmission – which is the current main medium on longhaul transminssion. It is also hoped that the experiment will lead to a new period
of secured optical transmission where the privacy of the users is more enhanced.
This thesis focuses on study and simulation of an all-optical chaotic
transmission system including chaotic laser diode, synchronization, transmission
channel, transmitter and receiver issues. The thesis includes 4 chapters :


Chapter 1: Semiconductor laser



Chapter 2 : Chaotic in semiconductor laser



Chapter 3: Chaotic optical telecommunication system



Chapter 4: Simulation results for synchronization in laser


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ACM

Additive chaos masking

Mặt nạ hỗn hợp cộng thêm

AM

Amplitude Modulation

Điều biên

ASE

Amplified Spontaneous Emission

Nhiễu phát xạ tự phát

BH

Buried Heterostructure

Cấu trúc dị thể chôn

BR

Bit rate

Tốc độ bit

CM

Chaos Modulation

Điều chế hỗn loạn

CW

Continuous Wave

Sóng liên tục

DBR

Distributed Bragg Reflector

Phản xạ phân tán Bragg

DCF

Dispersion Compensation Fiber

Sợi bù tán sắc

Delay line

Dây trễ

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

Sợi pha tạp khuếch đại Erbium

ELED

Edge Light Emitting Diode

LED phát xạ cạnh

EOM

Electro-optic Modulator

Bộ điều chế quang điện

GS

General Synchronization

Đồng bộ tổng quát

LPF

Lowpass Filter

Bộ lọc thông thấp

ML

Master Laser

Laser chủ

SL

Slave Laser

Laser tớ

Stimulated Raman Scattering

Tán xạ Raman kích thích

Synchronization Error

Lỗi đồng bộ

DL

SRS
SE


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC BẢNG
DANH SÁCH CÁC HÌNH
LỜI NĨI ĐẦU ................................................................................................ ...1
GIỚI THIỆU .......................................................................................................2
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1 - Laser bán dẫn…………………………………….…………...4
1. Nguyên lý hoạt động của laser .................................................................................... 4

1.1. Động học trạng thái kích thích................................................................................. 4
1.2 Đặc tính vạch phổ của laser ....................................................................................... 9
1.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát laser, máy khuếch đại lượng tử ........... 14
2. Laser bán dẫn ................................................................................................................. 17
2.1 Bức xạ kích thích (Stimulated Emission)............................................................. 17
2.2 Đặc tính phổ của laser bán dẫn ............................................................................... 22
2.3. Phân loại laser ............................................................................................................ 25
2.4 Laser bán dẫn đơn mode .......................................................................................... 27
CHƯƠNG 2 - Chế độ hỗn loạn trong laser bán dẫn.................................... 29
1. Mơ hình laser hỗn loạn ................................................................................................ 29
1.1 Cơ sở lý thuyết về hỗn loạn ..................................................................................... 29
1.1 Sự hỗn loạn trong Laser ........................................................................................... 34
2. Quá trình đồng bộ ......................................................................................................... 35
2.1 Quá trình đồng bộ của laser bán dẫn ..................................................................... 36
2.2 Đồng bộ trong mã hóa gói tin ................................................................................. 38
2.3 Hiệu suất đồng bộ ..................................................................................................... 42
CHƯƠNG 3 - Hệ thống truyền dẫn quang hỗn loạn ................................... 48
1. Mã hóa gói tin................................................................................................................ 48


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

1.1 Phương pháp mặt nạ giấu hỗn loạn cộng vào (Additive Chaos MaskingACM) ................................................................................................................................... 50
1.2 Phương pháp điều chế hỗn loạn CM .................................................................... 53
2. Bảo mật thông tin ........................................................................................................ 54
3. Khơi phục gói tin .......................................................................................................... 56
4. Ảnh hưởng của tốc độ bit đối với khơi phục gói tin ............................................ 57
5. Kênh truyền .................................................................................................................. 58

5.1 Bù tán sắc .................................................................................................................... 60
5.2 Khuếch đại .................................................................................................................. 60
5.3 Bộ lọc quang................................................................................................................ 62
5.4 Chuyển đổi điện quang ............................................................................................ 62
5.5 Bộ lọc điện .................................................................................................................. 63
CHƯƠNG 4 - Kết quả mô phỏng đồng bộ trong laser ............................... .65
1. Hệ thống laser phát ...................................................................................................... 67
1.1. Phương trình E(t): ..................................................................................................... 68
1.2. Phương trình Ф(t) ..................................................................................................... 69
1.3 Phương trình N(t):...................................................................................................... 70
2. Hệ thống laser thu: ....................................................................................................... 71
2.1. Hệ phương trình laser thu: ...................................................................................... 71
2.2. Hệ thống laser thu:.................................................................................................... 72
3. Hệ thống tổng quát:...................................................................................................... 75
4 Tín hiệu thu được: ......................................................................................................... 76
4.1. E(t) bên thu: ................................................................................................................ 76
4.2. Ф(t) bên thu: ............................................................................................................... 77
4.3. N(t) bên thu: ............................................................................................................... 77
4.4. E(t) bên phát:.............................................................................................................. 78
4.5. Ф (t) bên phát:............................................................................................................ 78
4.6. N(t) bên phát: ............................................................................................................. 79


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

5. Đồ thị đồng bộ............................................................................................................... 80
5.1. Đồ thị điện trường bên thu và bên phát khi chưa đồng bộ ............................. 80
5.2. Đồ thị pha bên thu và bên phát khi chưa đồng bộ ............................................ 80

5.3. Đồng bộ điện trường bên thu và bên phát khi đã đồng bộ ............................. 81
5.4.Đồ thị đồng bộ pha bên thu và bên phát ............................................................... 82
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 83
MỤC LỤC THAM KHẢO .......................................................................................... 84


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Xác định các thông số của laser hỗn loạn. Các giá trị thể hiện trong bảng được sử
dụng trong mô phỏng. Các chỉ số t, r tương ứng với bộ phát, thu. ........................................ 30
Bảng 3.1 : Định nghĩa các thông số sợi NZDS (G.655). ....................................................... 59
Bảng 3.2 Định nghĩa các thông số DCF. ............................................................................... 59
Bảng 3.3: Định nghĩa các thơng số bộ tách sóng quang ........................................................ 63


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1 Sơ đồ bức xạ tái hợp ................................................................................................. 7
Hình 1.2: Sự bất định tần số bức xạ. ...................................................................................... 10
Hình 1.3: Phổ bức xạ ............................................................................................................. 10
Hình 1.4: Đường bao Lorentz. ............................................................................................... 12
Hình 1.5: Hiệu ứng Doppler .................................................................................................. 13
Hình 1.6: Nguyên lý máy phát Laser. .................................................................................... 14
Hình 1.7: Buồng cộng hưởng................................................................................................. 16

Hình 1.8: Miêu tả trạng thái bức xạ tự phát và bức xạ kích thích.......................................... 22
Hình 1.9: a) Các mode trong Laser bán dẫn; b) Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động
dưới mức ngưỡng; c) Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động trên mức ngưỡng; d) Phổ
bức xạ. .................................................................................................................................... 24
Hình 1.11: Sơ đồ của laser bán dẫn đơn mode với các phản hồi quang học. ........................ 28
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của một laser bán dẫn phả hồi quang điện trễ. ......................... 28
Hình 2.1: Biểu đồ thể hiện sự biến đổi của công suất theo thời gian của bức xạ hỗn loạn của
laser bán dẫn. ......................................................................................................................... 31
Hình 2.2: Quang phổ phát xạ hỗn loạn của laser bán dẫn. .................................................... 32
Hình 2.3 Quang phổ phát xạ hỗn loạn sau tách sóng quang. ................................................. 32
Hình 2.4: Quang phổ phát xạ hỗn loạn sau khi tách sóng quang, tương ứng với các giá trị trễ
hồi tiếp khác nhau : (a) τ=130ps, (b) τ=200ps,(c) τ=500ps, (d) τ=800ps. ............................. 33
Hình 2.5: Quang phổ phát xạ hỗn loạn sau khi tách sóng quang, ứng với các giá trị dịng
phân cực khác nhau : (a) I=20mA, (b) I=30mA,(c) I=40mA. ............................................... 34
Hình 2.6: Đồ thị thời gian phát xạ hỗn loạn, ứng với các hệ số hồi tiếp khác nhau: (a)
γ=10ps-1, (b) γ=20ps-1, (c) γ=40ps-1. ...................................................................................... 34
Hình 2.7: Sơ đồ khối quá trình đồng bộ của hai laser hỗn loạn trong cấu hình master (ML)
slave (SL). Bộ phát slave theo sau bộ phát chính. ................................................................. 36
Hình 2.8: Sự so sánh sự cân xứng giữa máy phát và máy thu trong hệ thống thơng tin hỗn
loạn trước khi mã hóa và giải mã thông tin với CSK, CMS, và hệ thống ACM, từng phần
riêng biệt. ............................................................................................................................... 38


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

Hình 2.9 : (a) Năng lượng đầu ra của laser truyền. (b) Đầu ra bộ phát sau khi mã hóa gói tin
khi khơng có hệ số suy giảm A b . (c) Đầu ra bộ thu. (d) Gói tin được mã hóa m(t). (e) Gói tin
được giải mã m’(t). ................................................................................................................ 40

Hình 2.10 : Gói tin được mã hóa (đường nét liền) và gói tin được giải mã sau khi lọc (đường
nét đứt) ................................................................................................................................... 41
Hình 2.11 Đầu ra laser slave đối lập với đầu ra laser master. (a) khơng có tín hiệu mã hóa.
(b) truyền gói tin được mã hóa. ............................................................................................. 42
Hình 2.12: Đồ thị quá trình đồng bộ. Đường chéo xám và đường viền đen xung quanhtương
ứng với sự đồng bộ hóa thực với SE=0% và SE=1,8%. ........................................................ 44
Hình 2.13: Đồ thị quá trình đồng bộ như một hàm của hệ số ghép K r . ................................. 45
Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc : SL slave laser, (IPD) PD: điốt (nghịch đảo), DL: dây trễ. ........ 45
Hình 2.15: So sánh giữa phổ của vùng được bơm vào slave (xám) và tín hiệu khác (đen),
một sóng mang tại 3GHz được cộng vào trong tín hiệu bơm. ............................................... 46
Hình 2.16: Phổ năng lượng điện của đầu ra bộ phát quang (đen), trừ tín hiệu giữa các sóng
mang hỗn loạn ở bộ phát và thu (xám) và các nhiễu hệ thống khác (đường xám). ............... 47
Hình 3.1 : Sơ đồ hệ thống bảo mật quang.............................................................................. 49
Hình 3.2: Mẫu NRZ tại tốc độ bit 1Gb/s, trong miền thời gian và trong miền tần số. .......... 50
Hình 3.3: Sơ đồ giấu hỗn loạn thêm vào. ML: master laser, LD: laser diode cho sóng mang
thơng tin, MOD: bộ điều chế quang. ..................................................................................... 51
Hình 3.4 : Thiết lập truyền với sơ đồ ACM ........................................................................... 52
Hình 3.5: Sơ đồ điều chế hỗn loạn. ML: laser master; EOM: bộ điều chế điện quang. ........ 53
Hình 3.6: Quang phổ của tín hiệu CM (master +gói tin) với các giá trị k tăng. .................... 55
Hình 3.7: (e) gói tin được truyền; (a),(b),(c),(d) tham khảo với sự phát triển chồng lấn laser
chính + gói tin CM, sau khi tách sóng quang và lọc, với k=1,3,5,7%. .................................. 55
Hình 3.8: (e) gói tin được truyền; (a),(b),(c),(d) tham khảo với sự xếp chồng laser master
ACM + sự phát triển gói tin sau khi tách sóng quang và lọc, với k=1,3,5,7%. ..................... 56
Hình 3.9: Sơ đồ khơi phục gói tin qua q trình đồng bộ. SL: laser slave; DL: dây trễ; LPF:
bộ lọc thông thấp với băng thơng bằng với tốc độ bit BR. .................................................... 56
Hình 3.10: (e) gói tin được truyền; (a),(b),(c),(d) tương ứng với gói tin được khơi phục tại
máy thu với l=1,3,5,7%.......................................................................................................... 57


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

Hình 3.11: Phương pháp CM với k=5% và tốc độ bit bằng (a) 1Gb/s, (b) 3GB/s, (c) 5GB/s.
Phổ của gói tin chồng lên dạng sóng hỗn loạn (hình trên cùng). Sự thay đổi thơng tin ẩn theo
thời gian (hình giữa) và gói tin được khơi phục (hình dưới) được thể hiện. ......................... 58
Hình 4.1: Hệ thống phát laser ................................................................................................ 67
Hình 4.2: Phương trình E(t). .................................................................................................. 68
Hình 4.3: Phương trình Ф (t). ................................................................................................ 69
Hình 4.4: Phương trình N(t)................................................................................................... 70
Hình 4.5: Phương trình laser thu............................................................................................ 71
Hình 4.6: Hệ thống laser thu. ................................................................................................. 72
Hình 4.7: Phương trình E(t) thu. ............................................................................................ 73
Hình 4.8: Phương trình Ф (t) thu ........................................................................................... 74
Hình 4.9: Phương trình N(t) thu. ........................................................................................... 75
Hình 4.10: Hệ thống tổng quát............................................................................................... 75
Hình 4.11: Tín hiệu E(t) thu được. ........................................................................................ 76
Hình 4.12: Tín hiệu Ф (t) thu được. ....................................................................................... 77
Hình 4.13: Tín hiệu N(t) thu được. ........................................................................................ 77
Hình 4.14: Tín hiệu E(t) bên phát. ......................................................................................... 78
Hình 4.15: Tín hiệu Ф (t) bên phát. ....................................................................................... 78
Hình 4.16: N(t) bên phát. ....................................................................................................... 79
Hình 4.17: Đồ thị điện trường giữa bên thu và bên phát khi chưa đồng bộ. ......................... 80
Hình 4.18: Đồ thị pha giữa bên thu và bên phát khi chưa đồng bộ. ...................................... 80
Hình 4.19: Đồ thị điện trường bên thu và bên phát đã đồng bộ ............................................ 81
Hình 4.20: Đồ thi pha bên thu và bên phát khi đã đồng bộ. .................................................. 82


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

LỜI NĨI ĐẦU
Các dịch vụ viễn thơng trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ địi hỏi mở
rộng băng thơng và bảo mật dữ liệu trên đường truyền. Trong thời gian gần đây,
mạng truyền dẫn sử dụng cáp quang đã được sử dụng rộng rãi nhằm đáp ứng nhu
cầu này. Với các đặc tính băng thơng rộng và chất lượng truyền tốt nên cáp
quang có thể đáp ứng tốt yêu cầu phát triển không ngừng của hệ thống viễn thông
hiện nay.
Các mạng truyền dẫn quang này vẫn áp dụng các phương pháp bảo mật sử
dụng các phương pháp mã hóa truyền thống. Một số phương pháp bảo mật mới
cũng đang được nghiên cứu và trong đó nổi bật là phương pháp sử dụng hỗn
loạn. Mặc dù khái niệm hỗn loạn đã được nêu ra từ lâu nhưng lý thuyết hỗn loạn
chỉ được phát triển mạnh trong những năm gần đây. Hỗn loạn được coi là lĩnh
vực mới và đang được nghiên cứu để áp dụng trong nhiều ngành khoa học trong
đó có viễn thơng và đặc biệt là truyền thơng thông tin quang.
Sau khi khả năng đồng bộ hỗn loạn được nêu ra lần đầu bởi Pecora và Caroll
và dần được phát triển hồn thiện hơn thì một số thí nghiệm về hệ thống truyền
dẫn quang hỗn loạn đã được tiến hành nhằm đánh giá và hoàn thiện hệ thống.
Kết quả của bước đầu đã cho thấy hỗn loạn có thể được sử dụng trong truyền dẫn
quang, tuy nhiên, một vài vấn đề còn cần phải được nghiên cứu và hoàn thiện
thêm.
Xuất phát từ những thực tế trên, em đã chọn đề tài “ Nghiên cứu hệ thống
truyền dẫn hỗn loạn toàn quang “ làm đề tài tốt nghiệp. Được sự hướng dẫn và
chỉ bảo tận tình của GS.TS Trần Đức Hân, em đã hoàn thành tốt yêu cầu của đề
tài.
Hà Nội, ngày 29 tháng 3 năm 2013
Học viên thực hiện
Bùi Xuân Linh

1


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, mạng thơng tin tồn cầu đã phát triển rất
nhanh và đòi hỏi lưu lượng thông tin được truyền đi với tốc độ cao và cần phải
được bảo mật. Một vài phương pháp để bảo mật gói tin đã được thực hiện từ
lâu qua việc ẩn đi sự tồn tại của gói tin và thực hiện ẩn gói tin bằng mật mã.
Để bảo mật, một giải pháp mới được đưa ra là “deterministic chaos”. Giải
pháp này áp dụng tính chất khơng tuần hồn gần như là ngẫu nhiên của hệ
thống phi tuyến, mà sự thay đổi được quyết định bởi các điều kiện ban đầu.
Trong thực tế, sự biến động nhỏ của điều kiện ban đầu quy định diễn biến
tương tự trong hệ thống không hỗn loạn, nhưng trong hệ thống hỗn loạn chúng
được phân ra theo cấp số nhân (hiệu ứng cánh bướm). Một đặc điểm của hệ
thống hỗn loạn được L.Pecora & T.Carrol tìm ra vào giữa những năm 80: Hai
hệ thống hỗn loạn tương tự có thể được đồng bộ hóa, hệ thống trước gọi là
“master”, hệ thống phát triển lên sau được gọi là “slave”
Hiện tượng này có thể được khai thác trong truyền thơng, đặc biệt có thể
được áp dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang yêu cầu tính bảo mật cao.
Trong thực tế, tại máy phát, một laser bán dẫn “master” có thể được định
tuyến thành một chỉnh thể hỗn loạn và một gói tin có thể được nhúng chồng
chất trong dạng sóng hỗn loạn (thực hiện hỗn loạn nhanh một gói tin). Tại
máy thu, sự đồng bộ hóa của hệ thống slave cho phép phục hồi gói tin ban đầu
từ dạng sóng hỗn loạn bằng cách trừ đi sóng hỗn loạn từ tín hiệu phát đi.
Trong thực tế, khi thông tin bị kẻ trộm lấy cắp không thể dễ dàng xác định
một tín hiệu hỗn loạn, khơng thể sao chép chính xác tín hiệu hỗn loạn và cũng

không thể phục hồi thông tin được truyền đi bằng cách lọc tín hiệu.
Trong thực tế, sự đồng bộ hóa chỉ có tác dụng với một cặp lasers masterslave là tương tự như nhau (cặp master-slave như vậy gọi là cặp sinh đôi)

2


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

Độ tin cậy của hệ thống hỗn loạn đã được kiểm chứng trong đầu những
năm 2000 dưới sự tài trợ của hội đồng châu Âu, khi một liên doanh thực hiện
mô phỏng với tốc độ truyền 1Gp/s qua 115km bằng mạng cáp quang thương
mại phía dưới các con phố Athen [3].
Tuy nhiên các nghiên cứu về chủ đề này vẫn chưa được hồn thành. Trong
q trình thực hiện đã gặp một số vấn đề như bộ ghép nguồn, ảnh hưởng của
vùng phân cực, xác định mức độ bảo mật và cải thiện hiệu suất để đạt chuẩn
vẫn chưa được nghiên cứu.
Mục đích của bài luận văn này là sự nghiên cứu toàn bộ hệ thống hỗn
loạn quang từ máy phát (phát ra các sóng hỗn loạn, gắn gói tin) tới máy thu
(sự đồng bộ, khơi phục gói tin). Sự suy giảm truyền quang như sự tắt dần,
sự tán sắc, tính phi tuyến được tính đến. Sự phân cực cũng được xét đến để
làm sáng tỏ sự tác động của sự phân cực trong chế độ tán sắc được thể hiện
trong sợi quang thực. Việc làm đó tập trung vào xác định nhược điểm hệ
thống và đưa ra những phương pháp để cải hiện hiệu suất.

3


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

Chương 1
LASER BÁN DẪN
1. Nguyên lý hoạt động của laser
1.1. Động học trạng thái kích thích
Nguyên lý làm việc của máy phát laser liên quan tới môi trường nghịch đảo
nồng độ.
Chúng ta xét một chuyển tiếp p-n được đặt trong một thiên áp theo chiều
thuận, tạo nên trên tiếp giáp một nồng độ điện tử dư trên vùng dẫn, một nồng độ
lỗ trống dư dưới vùng hóa trị.
Ngay khi khơng có tác động nào ở bên ngồi thì hạt cũng chỉ tồn tại ở
trạng thái kích thích trong một thời gian rất ngắn (10-10 sec tới vài giây). Ở
một thời điểm tùy ý nào đó hạt sẽ dịch chuyển xuống trạng thái ứng với mức
năng lượng thấp hơn, khi đó hạt sẽ bức xạ ra một lượng tử năng lượng điện từ
(photon). Q trình đó gọi là bức xạ tự phát, vì cường độ bức xạ khơng phụ
thuộc vào tác động bên ngồi. Ta có thể mơ tả bức xạ tự phát bằng mơ hình:
A** → A* + (ℏω)

(1-1)

4


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

Vận tốc của quá trình bức xạ tự phát là số dịch chuyển bức xạ tự phát

trong một đơn vị thời gian và trong một đơn vị thể tích. Nó phụ thuộc vào
nồng độ ban đầu của trạng thái kích thích N i và:

M

tp
ik

= A ik *N i

(1-2)

Trong đó, A ik là hệ số tỷ lệ, nhưng lại có ý nghĩa vật lý. Nó chính là xác
suất đặc trưng riêng của dịch chuyển và không phụ thuộc vào bất kỳ điều kiện
bên ngồi nào. Nhờ vận tốc của q trình tự phát, ta có thể xác định cơng suất
bức xạ tự phát trong một đơn vị thể tích của mơi trường:

P

tp
ik

=

M

tp
ik

* ℏω ik = A ik * N i * ℏω ik

(1-3)

Photon sinh ra do quá trình bức xạ tự phát khi lan truyền trong tinh thể có
thể bị tái hấp thụ. Hạt tương tác với photon có thể sẽ hấp thụ photon và dịch
chuyển sang trạng thái có mức năng lượng cao hơn. Q trình hấp thụ đó được
mơ tả như sau:
A* + (ℏω) → A**

(1-4)

Năng lượng của photon khi đó phải bằng hiệu hai mức năng lượng của
dịch chuyển. Quá trình hấp thụ năng lượng này khác với q trình bức xạ tự
phát khơng chỉ về năng lượng mà chính ở chỗ nó phụ thuộc vào tác động bên
ngồi. Nếu mật độ photon càng lớn thì số hoạt động hấp thụ trong môi trường
sẽ xảy ra mạnh hơn, do đó vận tốc của q trình sẽ được xác định không chỉ
bằng nồng độ của mức thấp N k mà còn phụ thuộc vào mật độ phổ khối ζ ki của
bức xạ ở tần số dịch chuyển, tức là phần năng lượng chứa trong một đơn vị thể
tích của chùm bức xạ:

M

tp
ik

= B ki * ζ ki * N k

(1-5)

Với B ki là hệ số tỷ lệ có thứ nguyên là [cm3.Joule-1.sec-2] và đặc trưng

riêng cho dịch chuyển đó, cịn ζ ki có thứ ngun là Joule/cm3.Hz =
Joule.sec.cm-3.

5


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

Xác suất hấp thụ sẽ được xác định bởi tích số B ki ζ ki . Như vậy, rõ ràng xác
suất hấp thụ sẽ phụ thuộc vào mật độ phổ khối của bức xạ ở tần số dịch
chuyển.
Công suất hấp thụ của một đơn vị thể tích của mơi trường sẽ là:

P

ht
ki

= M ki ℏω ik = B ki * ζ ki * N k * ℏω ik

(1-6)

Ánh sáng laser được tạo ra bằng bức xạ kích thích. Bức xạ kích thích xảy
ra khi một photon sơ cấp (hv) 1 va đập vào một nguyên tử đã được kích thích
và thay vì hấp thụ thì photon này lại kích thích cho một điện tử dịch chuyển
xuống dải cấm và sinh ra một photon mới gọi là photon thứ cấp (hv) 2 . Photon
mới được tạo ra này giống hệt photon ban đầu. Các photon này sẽ tiếp tục va
chạm với các nguyên tử ở trạng thái kích thích khác trong mạng tinh thể và

sinh ra nhiều photon hơn nữa khi chúng va chạm với nhau. Như vậy, mạng
tinh thể bán dẫn đã khuếch đại những photon sơ cấp ban đầu.
Tuy nhiên nếu photon lại bắt gặp một cặp điện tử lỗ trống với khoảng
cách năng lượng thích hợp thì nó có thể kích thích q trình tái hợp của chúng.
Điều kiện thứ hai là để làm cho bức xạ kích thích thắng thế là tăng cường mật
độ photon có năng lượng thích hợp trong mẫu. Điều này có thể thực hiện được
nhờ phương pháp hồi tiếp dương quang học bằng cách dùng gương phản xạ
hay một phương pháp phản xạ khác. Trong bán dẫn với mức phun cao, nồng
độ điện tử và lỗ trống nằm trong điều kiện không cân bằng và được đặc trưng
bởi các chuẩn mức Fermi E* fn và E* fp , E* fn > E C và E* fp < E v .
Khi cả hai điều kiện: Điều kiện trạng thái đảo và điều kiện mật độ photon
cao được thỏa mãn thì quá trình bức xạ kích thích được tăng cường, chiếm
ưu thế và mẫu hoạt động trong chế độ phát xạ kích thích.

6


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

Hình 1.1 Sơ đồ bức xạ tái hợp
Các hạt thường khơng tồn tại lâu ở trạng thái kích thích và do những tác
động vật lý, các hạt có thể chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng
lượng khác. Cứ mỗi lần dịch chuyển, hạt sẽ hấp thụ hoặc bức xạ một lượng tử
năng lượng và tuân theo định luật bảo toàn năng lượng. Năng lượng bức xạ
hoặc hấp thụ khi dịch chuyển có thể ở những dạng khác nhau.
Ở đây, photon thứ cấp chỉ có tác dụng như để cưỡng bức, kích thích, cảm
ứng q trình giống như chất xúc tác trong các phản ứng hóa học. Cũng chính
vì thế mà người ta gọi q trình đó là q trình bức xạ cảm ứng hay bức xạ

kích thích.
Vận tốc của q trình bức xạ cảm ứng phụ thuộc khơng chỉ vào nồng độ
của trạng thái trên mà còn phụ thuộc vào mật độ phổ khối ζ ki của bức xạ kích
thích ở tần số dịch chuyển. Đó là năng lượng chứa trong một đơn vị thể tích và
trong một đơn vị quang phổ của dịch chuyển từ i → k. Mật độ photon kích
thích càng lớn thì số photon bức xạ ra càng nhiều :

M

kt
ik

= B ik * ζ ik * N í

(1-7)

7


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

Trong đó: B ik là hệ số tỷ lệ giống như B ki trong quá trình hấp thụ. Biết
được vận tốc của q trình bức xạ kích thích ta có thể tính được cơng suất bức
xạ kích thích do một đơn vị thể tích của mơi trường phát ra:

P

kt

ik

= B ik * ζ ik * N í * ℏω ik

(1-8)

Trong trường hợp này, photon mới sinh ra giống hệt photon kích thích đã
gây nên q trình tái hợp bức xạ đó. Hai photon giống hệt nhau về mặt năng
lượng (tần số), hướng, pha và mặt phân cực. Quá trình này được gọi là phát xạ
kích thích. Như vậy, cường độ bức xạ lúc này sẽ gồm hai thành phần, một
thành phần không phụ thuộc vào bức xạ tự phát, một thành phần tỷ lệ thuận
với mật độ bức xạ kích thích. Thuật ngữ bức xạ bên ngồi chỉ bức xạ do cả
quá trình phát xạ tự nhiên và quá trình phát xạ kích thích gây nên. Ngoại trừ
trường hợp được đảm bảo bởi một điều kiện đặc biệt, thông thường bức xạ
kích thích thường là bức xạ nhỏ hơn bức xạ tự phát rất nhiều. Tuy nhiên, nếu
có thể tạo ra những điều kiện cần thiết để tăng cường bức xạ kích thích thì đó
chính là dùng q trình bơm để tạo ra một trường nghịch đảo mật độ. Trong
trường hợp tinh thể bán dẫn, điều kiện đó chính là làm cho thật nhiều điện tử
chiếm các trạng thái ở vùng dẫn và thật nhiều lỗ trống ở đỉnh vùng hóa trị. Với
tình huống đó, photon có nhiều khả năng kích thích các cặp điện tử lỗ trống tái
hợp bức xạ hơn là bản thân nó bị hấp thụ và tạo nên cặp điện tử lỗ trống tự do.
Trong những nguồn bức xạ truyền thống thơng thường thì bức xạ kích
thích khơng đóng vai trị quan trọng, vì cường độ bức xạ của nó rất nhỏ so với
bức xạ tự phát và q trình hấp thụ. Đó là do mơi trường của những bức xạ
thơng thường là mơi trường bình thường, tức là phân bố hạt tuân theo phân bố
Boltzmann, cũng chính vì vậy mà trong suốt thời gian dài người ta khơng quan
sát được bức xạ kích thích bằng thực nghiệm. Môi trường laser là môi trường
nghịch đảo nồng độ, phân bố hạt không tuân theo phân bố Boltzmann, (dưới
đây ta sẽ xét kỹ vấn đề này) và bức xạ kích thích lại đóng vai trị chủ yếu, nó
quyết định cơ chế làm việc của laser, tức là nó có tác dụng nhân số photon thứ

8


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

cấp lên. Mặt khác cũng chính do khơng có sự khác nhau giữa photon sơ cấp và
thứ cấp nên bức xạ laser có tính đơn sắc, kết hợp và định hướng cao.
1.2 Đặc tính vạch phổ của laser
a. Độ rộng phổ
Các mức năng lượng của hạt ngay khi khơng có tác động bên ngồi nào vào hệ
thì các mức cũng có độ rộng nhất định. Độ rộng của mức năng lượng E i có thể
xác định bằng nguyên lý bất định Heisenberg và phụ thuộc vào thời gian sống
của hạt ở trạng thái đó, tức là:
∆E i τ i ≥ h

(1-9)

Thời gian sống của trạng thái được xác định bằng tổng xác suất của những
dịch chuyển tự phát xuống trạng thái thấp k, tức xác suất nghèo hóa của mức i:
∆E i =

h

τi

= h

∑γ
i >k

(1-10)

ik

Như vậy, độ rộng của mức năng lượng đó sẽ càng lớn nếu thời gian sống
của trạng thái càng nhỏ. Những mức siêu bền có τ i ≈ 2÷3 sec nên sẽ có độ
rộng nhỏ. Trạng thái cơ bản của nguyên tử có thời gian sống rất lớn nên độ
rộng của mức sẽ rất nhỏ, còn những mức kích thích thơng thường có τ= 10-8
÷10-9 sec, nên độ rộng ∆E sẽ khá lớn. Như vậy, chính do có sự nghèo hóa mức
năng lượng, mà ngay đối với những ngun tử khơng bị kích thích thì những
vạch phổ bức xạ và hấp thụ của chúng cũng có độ rộng nhất định.
Trên hình 1.1 cho ta thấy được độ không xác định về tần số giữa 2 mức
năng lượng bị nghèo hóa được xác định bởi độ rộng của mức năng lượng là:
∆ω ki =

1
(∆E i + ∆E k )


(1-11)

Độ rộng vạch phổ của nguyên tử riêng rẽ và khơng bị kích thích gọi là độ
rộng tự nhiên của vạch phổ.

9

Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

Hình 1.2: Sự bất định tần số bức xạ.
Dựa vào đồ thị năng lượng của hệ, ta có thể xác định một cách định tính
cường độ và độ rộng của vạch phổ. Ví dụ trên hình 1.2, giản đồ có 3 trạng thái
của nguyên tử. Mức ứng với trạng thái cơ bản nên có độ rộng ∆E 1 = 0. Giả sử
xác suất dịch chuyển 2→1 rất lớn (γ 21 ≫), khi đó tuổi thọ của mức 2 là τ 2 =
1

γ 21

rất nhỏ, do đó ∆E 2 sẽ rất rộng cịn mức 3 lại có ∆E 3 rất nhỏ. Khi đó phổ

của sơ đồ 3 mức đó sẽ gồm có 3 vạch ứng với 3 tần số ω 32 , ω 21 và ω 31 . Vạch
2-1 có cường độ lớn nhất vì xác suất dịch chuyển 2-1 lớn. Vạch 2-1 cũng khá
rộng vì độ nghèo hóa của mức 2 lớn. Cường độ của 2 vạch 3-2

Hình 1.3: Phổ bức xạ
và 3-1 cũng nhỏ vì xác suất dịch chuyển của chúng nhỏ, nhưng độ rộng vạch
bức xạ của chúng lại khác nhau. Độ nghèo hóa tổng hợp của những mức 2
và mức 3 lớn hơn nhiều so với mức 3 và mức 1.

10


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

b. Đường bao vạch phổ
Đường bao của vạch phổ tự nhiên có thể xác định bằng phương pháp cơ học
lượng tử nhưng kết quả cũng trùng với kết quả khi khảo sát một dao động điều
hòa điện tử cổ điển nhưng tính tốn đơn giản hơn rất nhiều. Có thể dùng một
lưỡng cực điều hòa biên độ suy giảm theo hàm mũ để thay thế cho dịch
chuyển lượng tử, tức là:
(1-12)
Áp dụng cặp biến đổi Fourrier ta có:
g’(ω) =

1
2π

Nhưng g(ω) =
g(ω) =

+∞

∫

Ae −α t .e jωt dt =

0

−A
2π ( jω − α )

(1-13)

1
1
g’(ω + ω 0 ) + g’(ω - ω 0 )
2
2

−A
2 2π ( jω − α )

Cường độ phổ sẽ được xác định bởi:

2
α2
*
J(ω) = g(ω).g (ω) = J 0
(ω − ω0 ) 2 + α 2
π

(1-14)

Trong đó: g*(ω) là liên hợp phức của g(ω);
J 0 là cường độ ở trung tâm vạch phổ;
ω 0 là tần số dao động của lưỡng cực.
Biểu thức (1-14) có đường biểu diễn là đường cong cộng hưởng đối xứng
có cường độ cực đại ở ω 0 . Độ rộng của vạch phổ là khoảng tần số ∆ω L trong
giới hạn đó cường độ lớn hơn nửa cường độ cực đại, như vậy ∆ω L = 2α.
Nên khảo sát vấn đề này bằng phương pháp cơ học lượng tử ta cũng được
kết quả tương tự và độ rộng của vạch phổ thì được xác định bằng biểu thức (111). Dạng đường bao đó gọi là dạng tự nhiên hay dạng Lorentz (hình 1.3).
Trong thực tế, những vạch phổ thường rộng hơn rất nhiều so với vạch phổ tự
nhiên, vì cịn nhiều tác động làm mở rộng vạch phổ mà khi tính tốn bên trên

ta chưa xét đến.

11


Luận văn thạc sỹ

Hệ thống truyền dẫn hỗn loạn toàn quang

Hình 1.4: Đường bao Lorentz.
Trước hết phải kể đến tương tác của các hạt với nhau và đây là nguyên
nhân quan trọng. Chính tương tác giữa các hạt (trừ trường hợp khí hiếm) sẽ
quyết định độ rộng thực của vạch phổ. Ví dụ trong trường hợp đơn giản nhất,
tương tác của hạt sẽ làm giảm tuổi thọ hạt. Dạng của vạch phổ khi đó sẽ giữ
nguyên như vạch phổ tự nhiên nhưng độ rộng thì tăng lên do tuổi thọ giảm.
Do đó, người ta gọi mở rộng này là mở rộng đồng nhất. Ngồi ra cịn phải kể
đến mở rộng do hiệu ứng Doppler, loại mở rộng này chủ yếu ở mơi trường khí
lỗng hay chân khơng. Ta đã biết, các hạt khí khơng khi nào đứng im, chúng
ln ln chuyển động hỗn loạn mà trong mơi trường Laser thì những hạt đó
lại là những nguồn bức xạ. Như vậy, vấn đề đặt ra là phải xét ảnh hưởng
chuyển động của nguồn bức xạ tới tần số phát. Nếu bức xạ do máy phát di
động phát ra sẽ được thu bằng một máy thu cố định thì tần số sẽ phụ thuộc vào
vận tốc và nhiều chuyển động của máy phát. Hiện tượng Doppler này có thể
mơ tả bằng sơ đồ đơn giản trên hình 1.5.
Giả sử máy phát đặt tại A cách máy thu đặt tại B một khoảng L. Nếu máy
phát khơng di động và phát tín hiệu chuẩn đơn sắc tần số ω (chu kỳ τ), thì bất
cứ giá trị pha nào của tín hiệu do máy phát phát ra cũng được máy thu thu lại
sau một thời gian giống nhau: ∆t = L/c. Trong đó, c là vận tốc ánh sáng trong
mơi trường. Do đó, tần số của tín hiệu mà máy thu thu được đúng bằng tần số
của máy phát phát ra. Nếu bây giờ máy phát lại chuyển động tương đối với

máy thu với vận tốc v thì sau chu kỳ τ khoảng cách giữa máy phát và máy thu
đã thay đổi một đoạn vτ cos θ. Trong đó, θ là góc giữa phương chuyển động

12