Hệ thống thông tin quang Solition

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. MỤC LỤC----------o0o---------- LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VÊ SOLITON 2 1.1 Khái niệm về soliton. 2 1.2 Soliton sợi 2 1.3 Phương trình Schorodinger phi tuyến. 3 1.4 Phân loại Soliton. 5 1.4.1 Soliton cơ bản và soliton bậc cao. 5 1.4.2 Tiến trình soliton. 8 1.4.3 Soliton tối (Dark soliton) 9 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON 12 2.1 Hệ thống truyền dẫn soliton. 12 2.1.1 Mô hình hệ thống chung. 12 2.1.2 Truyền thông tin với các soliton. 13 2.1.3 Tương tác soliton. 14 2.1.4 Sự lệch tần (frequency chirp) 16 2.1.5 Máy phát soliton. 17 2.1.6 Ảnh hưởng của suy hao sợi 20 2.1.7 Khuyếch đại soliton. 21 2.2 Các soliton được quản lý tán sắc. 23 2.2.1 Các sợi giảm tán sắc. 23 2.2.2 Tiến trình thực nghiệm 24 CHƯƠNG III: HỆ THỐNG WDM SOLITON 26 3.1 Các xung đột xuyên kênh. 26 3.2 Jitter trong hệ thống WDM Soliton. 28 3.2.1 Khái niệm jitter timing. 28 3.2.2 Jitter timing trong soliton ghép kênh theo bước sóng. 29 3.2.3 Jitter timing trong các hệ thống soliton đa kênh. 32 3.2.4 Jitter timing trong các hệ thống được quản lý tán sắc. 36 3.3 Các kết luận. 45 KẾT LUẬN CHUNG 46 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT. 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 MỤC LỤC 49

doc49 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 11/06/2013 | Lượt xem: 375 | Lượt tải: 4download
Tóm tắt tài liệu Hệ thống thông tin quang Solition, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
i 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 LA 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, LA 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 LA 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 LA là một phần nhỏ của chiều dài tán sắc (LA<<LD). Chiều dài tán sắc LD phụ thuộc cả vào độ rộng xung T0 và tham số tán sắc vận tốc nhóm , và có thể thay đổi từ 10-1000km. Bình thường LD< 50km với hệ thống 10Gb/s vận hành ở bước sóng 1,55m sử dụng sợi chuẩn. Việc sử dụng các bộ khuyếch đại tập trung yêu cầu LA<10km - một giá trị nhỏ hơn giá trị mong đợi trong thực tế khi thiết kế. Tuy nhiên, LD cũng có thể vượt quá 200km khi 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 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 LA 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 LA= 40-50km nếu sự lệch lớn nhất của năng lượng soliton có thể chịu được là 20%. Ở đây LA có thể vượt LD nhiều lần, trái với trường hợp khuyếch đại tập trung LA<<LD.  Rx Rx Tx Tx Amplifiers Pumping Couplers (a) (b) 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. Khi vắng mặt khuyếch đại Raman, soliton bị mở rộng khoảng 50% vì suy hao (T1/T0==1,51 với z=10km, ). 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 . 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. 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 LA<<LD 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 do các biến đổi của GVD dọc theo chiều dài sợi. Phương trình NLS có dạng như sau: (9.4.1) với , và lý giải các sự biến đổi công suất đỉnh được giới thiệu bởi quản lý suy hao. Khoảng cách được chuẩn hóa đối với chiều dài tán sắc, , được xác định nhờ sử dụng GVD tại đầu vào sợi quang. Vì 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: (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 phương trình (9.4.1) trở thành (9.4.3) Nếu dạng GVD được chọn bởi vậy d()=p()=exp(-). 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 LA<<LD. 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: (9.4.4) kết quả có thể dễ hiểu bởi lưu ý rằng công suất đỉnh soliton P0 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 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 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 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 ). 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 () và 17,3 km của DCF với GVD bình thường (). 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. CHƯƠNG III: HỆ THỐNG WDM SOLITON Để tăng dung lượng hệ thống mà không cần tăng tốc độ bít đường truyền cũng như dùng thêm các sợi dẫn quang, người ta sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng. Hệ thống WDM soliton truyền qua cùng một sợi với nhiều dòng bít soliton có các tần số sóng mang khác nhau. Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu các vấn đề liên quan đến một hệ thống như vậy. 3.1 Các xung đột xuyên kênh Một đặc tính mới mà trở nên quan trọng đối với hệ thống WDM là khả năng xung đột giữa các soliton thuộc về các kênh khác nhau và các vận tốc nhóm truyền lan khác nhau. Để hiểu được sự quan trọng của các sự xung đột một cách tốt nhất, trước hết chúng ta tập trung vào sự truyền lan các soliton chuẩn trong các DDF và sử dụng phương trình (9.4.3) khi tính đến các ảnh hưởng của cả suy hao và tán sắc. Bỏ dấu phẩy trên ta có phương trình: (1) với , dạng hàm của phụ thuộc chi tiết vào kỹ thuật quản lý suy hao và tán sắc. Ảnh hưởng của sự xung đột xuyên kênh vào hiệu suất của các hệ thống WDM có thể được hiểu tốt nhất bằng cách xem xét trường hợp đơn giản nhất 2 kênh WDM được phân tách bởi fch. Trong các đơn vị được chuẩn hóa, các soliton được phân tách trong tần số bởi , thay v=u1+u2 trong (1) và bỏ qua các hệ số FWM các soliton trong mỗi kênh phát triển theo hai phương trình sau: (2) (3) Lưu ý rằng hai soliton được truyền ở các tốc độ khác nhau do các tần số của chúng khác nhau. Cuối cùng, hệ số XPM chỉ quan trọng khi các soliton thuộc về các kênh khác nhau chồng nhau trong suốt thời gian một xung đột. Điều quan trọng là xác định chiều dài xung đột Lcoll mà hai soliton tương tác với nhau trước khi chúng tách ra. Cái khó là chỉ ra cụ thể điểm bắt đầu và kết thúc một xung đột. Thường sử dụng 2Ts cho khoảng thời gian một xung đột xẩy ra, giả sử rằng xung đột bắt đầu và kết thúc khi hai soliton chồng nhau tại các điểm nửa công suất của chúng. Vì tốc độ tương đối của hai soliton là , chiều dài xung đột được cho bởi : Lcoll= (4) với Ts=1,763T0 và B=1/(2q0T0) Vì XPM gây ra một sự dịch pha độc lập về mặt thời gian dẫn tới dịch tần soliton trong khoảng thời gian một xung đột. Có thể sử dụng kỹ thuật bù nhiễu hoặc phương pháp mômen để tính toán sự dịch tần này. Nếu chúng ta giả sử rằng trước khi xung đột hai soliton giống nhau, u1, u2 được cho bởi: (5) với với m=1 và với m=2. Sử dụng phương pháp mômen, dịch tần của kênh đầu tiên biến đổi theo khoảng cách là: (6) Quá trình biến đổi tính toán cho ta kết quả: (7) với Z=. Phương trình này cung cấp các thay đổi trong tấn số soliton trong suốt thời gian nhiễu xuyên kênh, dưới các điều kiện tương đối tổng quát. Hình 3.1. (a) dịch tần trong khoảng thời gian xung đột của hai soliton độ rộng 50ps với độ rộng kênh 75GHz (b) độ dư dịch tần sau xung đột do các bộ khuyếch đại tập trung LA=20 và 40km đối với các trường hợp đường cong theo trình tự thấp hơn. Kết quả mô phỏng số được cho bởi các chấm đen tròn. Hình (a) cho thấy tần số của soliton di chuyển chậm thay đổi như thế nào trong khoảng thời gian xung đột của hai soliton 50ps khi độ rộng kênh là 75GHz. Sự dịch tần vượt ra ngoài phạm vi chiều dài một soliton khi hai soliton tiếp cận nhau đạt tới giá trị công suất đỉnh xấp xỉ 0.6GHz tại điểm chồng xung cực đại va sau đó giảm trở lại không khi hai soliton tách ra. Sự dịch tần cực đại phụ thuộc vào độ rộng kênh . Vì vận tốc của soliton thay đổi theo tần số của nó, xung đột có thể tăng tốc hoặc giảm tốc một soliton, phụ thuộc vào sự tăng hay giảm tần số. Tại đầu cuối của xung đột mỗi soliton khôi phục lại tần số và tốc độ vốn có của nó trước khi xảy ra xung đột, nhưng vị trí của nó trong khe bit thì đã bị thay đổi hay jitter timing đã xẩy ra. Nếu tất cả các khe bít bị chiếm, các dịch thời không phải gây ra bởi xung đột vì tất cả các soliton sẽ bị dịch cùng một lượng như nhau. Tuy nhiên các bít 1 và 0 biến đổi một cách ngẫu nhiên trong chuỗi bít thực. Vì các soliton khác nhau của một kênh dịch khác nhau, các xung đột xuyên kênh bao gồm một số jitter timing thậm chí trong các sợi không suy hao. 3.2 Jitter trong hệ thống WDM Soliton 3.2.1 Khái niệm jitter timing Tốc độ bit của hệ thống truyền thông là số bit thông tin được truyền qua trong một đơn vị thời gian nhất định. Bộ thu quang phải lấy mẫu tín hiệu ở trung tâm mỗi khe bit và xác định xem đó là bit 0 hay 1 dựa trên biên độ tín hiệu đo được ở giữa khe bit. Sự hiện diện của soliton trong khe bit nghĩa là bit được xác định bằng 1, ngược lại được xác định là 0. Chuỗi bit đến bộ thu phải được tìm đúng để xây dựng lại dữ liệu đã gửi ở phía phát. Trong trường hợp lý tưởng (không có jitter), các soliton có thể đến chính xác ở giữa khe bit tương ứng của nó và sẽ không có lỗi khi nhận dạng bit. Khe bít Thời gian Bít được xác định là 1 Biên độ Hình 3.2. Một soliton không bị jitter timing, biên độ đỉnh ở giữa khe bít Trong thực tế luôn luôn có sự dao động ở thời gian đến của các soliton ở phía thu được gọi jitter timing. Bit Slot Time Amplitde jitter Detects “1” Amplitde Timing jitter Hình 3.3. Jitter timing dịch soliton khỏi điểm giữa khe bít vàbgây ra jitter biên độ ở phía thu. Nếu jitter không quá lớn phía thu vẫn có thể nhận dạng đúng bít. Sự khác nhau về khe thời gian giữa đỉnh của soliton và điểm giữa khe bit được gọi là jitter timing của khe đó. Bộ thu sẽ lấy mẫu tín hiệu ở giữa khe bit tuy nhiên biên độ quan sát sẽ nhỏ đi nhiều. Sự khác nhau về biên độ đo được và biên độ đỉnh của soliton được gọi là jitter biên độ của xung. Nếu jitter không lớn, bộ thu vẫn xác định là “1” (công suất đỉnh của xung vẫn ở trong khe bít). Khi xung di chuyển ra ngoài khe bit, jitter lớn, xung sẽ bị nhận dạng sai. Vì vậy jitter timing phải đủ nhỏ để không ảnh hưởng tới hiệu năng hệ thống. Timing jitter Bit Slot Time Amplitde jitter Detects “0” Amplitde Hình 3.4. Một lỗi xẩy ra nếu siliton dịch ngoài khe bit vì biên Vì biên độ thu được đủ thấp để soliton được nhận dạng là 0 hơn là 1 3.2.2 Jitter timing trong soliton ghép kênh phân chia theo bước sóng Ta đã nói đến một sốn nguồn gốc jitter timing trong phần hệ thống soliton đơn kênh, một số các nguồn khác trở nên quan trọng đối với hệ thống WDM. Đầu tiên, mỗi sự xung đột xuyên kênh tạo ra một sự dịch về mặt thời gian của cùng cường độ cho cả hai soliton nhưng theo hai hướng khác nhau, mặc dù phạm vi dịch thời là và giảm nhanh với việc tăng , số lượng các xung đột tăng tuyến tính với . Kết quả các phạm vi dịch tổng thời gian là . Thứ hai, tổng các xung đột mà hai soliton láng giềng trong một kênh đã xác định trải qua thì khác nhau rõ rệt. Sự khác nhau này tăng lên bởi vì các soliton kề nhau tương tác với hai nhóm bít khác, bị dịch bởi một chu kỳ bít. Vì các bít 1 và 0 xẩy ra một cách ngẫu nhiên, các soliton khác nhau của cùng một kênh bị dịch bởi các lượng khác nhau. Nguồn jitter timing này là duy nhất đối với các hệ thống WDM bởi vì sự phụ thuộc của nó vào các phần bít kế cận của kênh láng giềng. Thứ ba,các sự xung đột có liên quan nhiều hơn hai soliton có thể xẩy ra và nên được xem xét. Trong giới hạn của khoảng cách bước kênh lớn ( có thể bỏ qua sự chồng phổ các xung), các sự tương tác đa soliton được mô tả tốt bởi sự xung đột một cặp. Hai kỹ thuật khác của jitter timing sẽ được xem xét cho các hệ thống sooliton có thực. Các sự xung đột do các vòng tổn thất tăng ích tạo nên các sự xung đột không đối xứng khi Lcoll trở nên ngắn hơn hoặc có thể so sánh với khoảng cách bước LA. Các sự xung đột không đối xứng tạo nên các dịch tần dư thừa làm ảnh hưởng tất cả soliton dọc theo tuyến sợi do một sự thay đổi vận tốc nhóm của nó. Kỹ thuật này không hiệu quả vì chắc chắn rằng Lcoll xấp xỉ 2LA. Kỹ thuật thứ hai tạo nên một sự dịch tần dư thừa khi các soliton từ các kênh khác nhau chồng nhau tại đầu vào của tuyến truyền dẫn, kết quả tạo nên một sự xung đột không hoàn toàn. Trường hợp này xảy ra trong tất cả các soliton WDM đối với một số bít. Chẳng hạn hai soliton chồng hoàn toàn tại đầu cuối đầu vào của một tuyến quang sẽ gây ra một sự dịch tần 4/(3) vì nửa đầu của xung đột là không có mặt. Các sự dư thừa dịch tần xẩy ra chỉ trên một số ít các tầng khuyếch đại đầu nhưng gắn liền với chiều dài truyền dẫn và trở thành một nguồn quan trọng của jitter timing. Tương tự đối với các trường hợp các hệ thống đơn kênh, các bộ lọc trượt tần số có thể giảm jitter timing trong các hệ thống WDM. Điển hình, các bộ lọc Fabry-Perot được sử dụng bởi các cửa sổ truyền dẫn định kỳ cho phép lọc tất cả các kênh một cách đồng thời. Đối với sự hoạt động tốt nhất, các hệ số phản xạ gương được giữ dưới 25% để giảm độ mịn. Các bộ lọc có tính phản xạ thấp loại bỏ ít năng lượng từ các soliton nhưng lại hiệu quả như bộ lọc có tính phản xạ cao. Việc sử dụng chúng cho phép khoảng cách bước kênh bằng năm lần chiều rộng phổ của các soliton. Kỹ thuật vật ký duy trì giống như các hệ thống đơn kênh. Cụ thể hơn các dịch tần số gây ra bởi sự xung đột được giảm bởi các bộ lọc hút tần số soliton để chuyển chúng về hướng đỉnh truyền dẫn của nó. Kết quả là các bộ lọc giảm một cách đáng kể jitter timing cho các hệ thống WDM. Việc sử dụng các bộ lọc cũng cho phép tăng các kênh trong hệ thống WDM. Kỹ thuật điều chế đồng bộ cũng có thể được áp dụng đối với các hệ thống WDM để điều khiển jitter timing. Tromg một thí nghiệm năm 1996 liên quan tới bốn kênh, mỗi kênh hoạt động tại 10Gb/s, truyền dẫn qua các khoảng cách vượt đại dương đạt được nhở sử dụng các bộ điều chế đặt cách nhau 500km. Khi các bộ điều chế được đặt cách nhau 250km, 3 kênh mỗi kênh hoạt động ở 20Gb/s có thể được truyền trên các khoảng cách vượt đại dương. Nhược điểm chính của các bộ điều chế là sự cần thiết giải ghép kênh các kênh riêng. Hơn nữa chúng yêu cầu tín hiệu xung đồng hồ mà được đồng bộ hóa đối với luồng bít. Với lý do đó, kỹ thuật điều chế đồng bộ hiếm khi được sử dụng trong thực tế. Bây giờ ta nói đến những tiến bộ đáng ghi nhận trong các thí nghiệm gần đây trong truyền dẫn dữ liệu soliton quang sợ đường dài [1, 2] ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM). Khi được so sánh với các hệ thống soliton đơn kênh thông thường, WDM cho thấy khả năng tăng dung lượng của các thiết bị truyền thông soliton. Tuy nhiên, việc sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng làm tăng sự quan trọng có tính lý thuyết và thực hành. Chẳng hạn, do sự phân bố theo chu kỳ của các bộ khuyếch đại, một sự không ổn định cộng hưởng được tạo ra bởi các giới hạn phi tuyến (các tương tác trộn 4 sóng) có thể làm suy giảm trầm trọng tín hiệu. Vấn đề này đang là đề tài của các nghiên cứu gần đây [3, 4]. Trong [3] đã cho thấy việc sử dụng cụ thể như thế nào của quản lý tán sắc sau khi dạng tổn hao có thể làm giảm bớt các ảnh hưởng tiêu cực của hiệu ứng trộn bốn sóng. Vấn đề nghiêm trọng khác nảy sinh trong các hệ thống soliton được gây ra bởi sự dịch tần và sự dịch chuyển kết hợp thời gian đến của xung gây ra bởi sự tương tác của soliton với nhiễu bộ khuyếch đại, một ảnh hưởng mà được phát hiện đầu tiên trong một nghiên cứu nổi tiếng của Gordon và Haus [5]. Như được chỉ ra trong [6, 7], loại jitter này có thể được giảm đáng kể bởi các bộ lọc định hướng. Trong các hệ thống soliton WDM cũng có thể có các ảnh hưởng xê dịch định thời nghiêm trọng do xung đột soliton không đồng bộ dưới sự có mặt của các bộ khuyếch đại, thành phần mà gây ra sự dịch tần vĩnh cửu tần số và vận tốc của các soliton [8]. Mecozzi và Haus [9] đã chỉ ra rằng sự có mặt của các bộ lọc cho phép các tham số solition khôi phục dạng gốc của chúng, giá trị không đảo lộn. Gần đây hơn, trong hệ thống hai kênh, ảnh hưởng trung bình của xung đột đơn được xem xét [10] và jitter timing quân phương do các xung đột soliton được tính toán thông qua các mô phỏng số [11,12]. Tuy nhiên, đối với sự hiểu biểt của chúng ta không có sự phân tích theo thống kê tổng quan nào đã được tạo ra mà đưa vào thực tế một số lượng lớn các xung đột mà xảy ra trong sợi quang, và không có các phương trình phân tích được biết cho jitter timing gây ra bở sự xung đột. Tương tự, không có thuyết nào tồn tại mà bao gồm các ảnh hưởng liên quan của các bộ lọc, quản lý tán sắc, và nhiều hơn hai kênh. Trong [13] vấn đề jitter timing gây ra bởi xung đột khi có mặt các bộ khuyếch đại đã được nghiên cứu, và một phương pháp phân tích để tìm ra các sự xê dịch thời gian quân phương đã được giới thiệu. Trong phần này phương pháp đó được cải thiện để xét đến các ảnh hưởng của các bộ lọc và quản lý tán sắc dương sau mất mát dạng. Các giá trị đặc trưng được đưa ra của các tham số hệ thống, chúng ta tính toán nghiệm tổng quát jitter timing quân phương và tỉ lệ lỗi bít của hệ thống. Các kết quả phân tích này sau đó được mở rộng đối với các hệ thống đa kênh và quản lý tán sắc. Trong trường hợp hai kênh và tán sắc không đổi, các kết quả phù hợp với các mô phỏng số được nói đến trong [11, 12]. Các ứng dụng hệ thống quan trọng, chẳng hạn như số lượng cực đại các kênh phù hợp với chiều dài hệ thống được đưa ra đang được tìm hiểu. Nội dung phần này như sau: trong phần 1, thông qua các kỹ thuật nhiễu loạn soliton, chúng ta nhận được từ các phương trình căn bản cho phép chúng ta tính toán độ lệch tần (phương trình (10))và sự dịch thời tương ứng (xem phương trình (12)) thu được từ sự xung đột đơn giữa hai soliton được ghép kênh phân chia theo bước sóng trong sợi quang không lý tưởng. Trong phần 2 chúng ta mô tả phương pháp mà cho phép thực hiện một sự phân tích theo thống kê của ảnh hưởng tích lũy của một số lượng lớn các xung đột mà có thể xẩy ra trong đường truyền dẫn hai kênh. Chúng ta đưa ra công thức cụ thể cho nghiệm jitter timing quân phương (xem phương trình (18)) và chúng ra sử dụng các công thức này để phân tích tỉ lệ lỗi bít của hệ thống. Trong phần 3 chúng ta khái quát hóa các kết quả trước để nghiên cứu các hệ thống đa kênh. Chúng ta thu được các ước lượng cực đại các kênh phù hợp với chiều dài hệ thống mong muốn (xem phương trình (22)). Cuối cùng, trong phần 4 chúng ta giới thiệu quản lý tán sắc và thu được các phương trình đã được hiệu chỉnh cho các sự dịch thời (xem phương trình (26)). Chúng ta thấy rằng sự chọn lựa thích hợp của biểu đồ tán sắc cho phép tăng lên đáng kể số lượng cực đại các kênh. Khái niệm quản lý tán sắc “tối ưu” được giới thiệu. Nói một cách khái quát, phần này chứa đựng một phương pháp luận mà cho phép nghiên cứu chi tiết jitter timing trong các hệ thống soliton WDM đa kênh với các sự biến đổi của các ảnh hưởng nhiễu loạn, chẳng hạn như sự khuyếch đại, cơ chế lọc và quản lý tán sắc. Chúng ta lưu ý rằng vấn đề tương tự rất gần đây đã được nghiên cứu độc lập bởi Mecozzi [14] từ một viễn cánh khác. Trong khi các vấn đề được nghiên cứu là tương tự, cả hai sự nghiên cứu khác nhau trong cách tiếp cận số. Thực tế, các kết quả chúng ta thu được sau khi thực hiện xấp xỉ thông thường hoạt động bộ lọc với một đương lượng liên tục được phân bố dọc theo đường truyền, trong khi công việc của Mecozzi là giải quyết cụ thể thuộc tính tập trung của sự phản hồi của bộ lọc. Trong phần phụ lục trình bày ngắn gọn sự so sánh giữa hai cách tiếp cận, được đặt tên là mô hình của các bộ lọc phân bố và tập trung. Chúng ta nhận thấy rằng các kết quả thu được với mô hình tập trung thể hiện sự nhiễu loạn tiệm cận của trường hợp phân bố cho giải của các giá trị tham số mà chúng ta đã xem xét. 3.2.3 Jitter timing trong các hệ thống soliton đa kênh Các kết quả thu được trong phần trước có thể được khái quát hóa đối với trường hợp khi có mặt nhiều hơn hai kênh. Đó là một sự đáng nói khi trong trường hợp lý tưởng các tương tác soliton là theo hai kiểu (xem[3.17, 3.18]). Chúng ta giả sử rằng sự tương tự là đúng đối bậc nhất khi các hệ số nhiễu loạn được tính đến. Sau đó dung sai tổng trong thời gian đến tương đối của các soliton kề cận trong kênh thứ j là tổng của các dung sai thu được từ các tương tác với các kênh J-1 khác, J là tổng số các kênh. Bởi vậy, jitter timing quân phương tổng mỗi kênh j là (3.21) với thu được từ (3.18a) hoặc (3.18b), được thay thế bởi . Lưu ý rằng như một hệ quả, zc trở thành . Trong các biến có thứ nguyên, được thay thế bởi tạo ra . Các chiều dài bước sóng kênh thu được là , với là bước sóng trung tâm. Do đó khoảng phân cách bước sóng trở thành , với được chỉ định do yêu cầu (là một chuẩn) mà các kênh kề nhau được phân tách bởi 5 độ rộng phổ. Đối với các xung dạng sech, . Nói chung đối với , . Ta có khoảng cách phân tách tần số không thứ nguyến là . Đối với la=25km giá trị này tạo ra , điều đó có nghĩa là các kênh lân cận được mô tả bởi các giá trị tương đối lớn của zc/za, và tỉ số này giảm với sự tăng khoảng cách phân tách tần số. Vì số lượng kênh tăng lên, tỉ lệ lỗi bít của hệ thống tăng không chỉ do số lượng sự xung đột tăng, mà còn bởi vì các kênh ngoài cùng chịu sự xung đột mạnh, mà được mô tả bởi các giá trị của zc/za gần với giá trị đỉnh 0.6. Một cách khác xem xét ảnh hưởng này là lưu ý rằng hệ số am được định nghĩa trong phần trước suy giảm theo hàm mũ đối với các giá trị rất nhỏ của . Bởi vậy, khi khoảng cách phân tách tần số giữa hai kênh tăng, chúng ta hy vọng rằng am sẽ tiến gần giá trị cực đại của chúng. Ảnh hưởng này được minh họa trong bảng 1 đối với hệ thống soliton WDM điển hình 8 kênh. Bảng 1. Tổng jitter timing và tỉ lệ lỗi bit trong mỗi kênh của hệ thống 8 kênh với chúng ta đưa ra jitter timing tổng trải qua bởi các soliton trong một kênh xác định là kết quả của các xung đột với các soliton trong tất cả các kênh khác, thu được nhờ sử dụng (3.21) cũng như (3.18a) hoặc (3.18c). (Không có sự khác nhau nào đáng kể được nhận ra trong trường hợp không có các bộ lọc nhở sử dụng sự ước lượng chính xác hơn bởi (18b). Bởi vậy có thể thấy các kênh ngoài cùng mang lại hiệu suất tồi nhất. Sử dụng các công thức thu được trong phần trước cho jitter timing tổng chúng ta có thể soạn ra một ước lượng cho khoảng cách cực đại của truyền dẫn không lỗi có thể đạt tới được với chiều dài hệ thống mong muốn. Thực tế, vì erfc(x)<với , nếu chúng ta yêu cầu tỉ lệ lỗi bít của hệ thống nhỏ hơn phương trình (20) đưa ra một điều kiện đối với hệ số dịch định thời quân phương: . Chẳng hạn, với r=0.4 và jitter timing rms cực đại trong các đơn vị có thứ nguyên gây ra cho hệ thống có thể là 6.55ps. Chung hơn, để có tỉ lệ lỗi bít tổng thấp hơn trong một hệ thống đa kênh thì cần thiết jitter timing trong mỗi các kênh riêng thấp hơn 0.1637. Hoặc, trong các đơn vị thứ nguyên, jitter timing rms cực đại nhỏ hơn 0.818. Lần lượt các điều kiện trước đặt ra một giới hạn trên đối với chiều dài hệ thống. Với các bộ lọc chúng ta có, sử dụng phương trình (18a), max Thay ta có chiều dài cực đại không thứ nguyên: (3.22a) với (tất nhiên, giới hạn tương ứng ở các đơn vị có thứ nguyên đạt được bằng cách nhân (22) bởi đơn vị chiều dài z*). Không có các bộ lọc, sự đóng góp chính rút ra từ (18c), với cùng các đối số, (3.22b) Trong cả hai trường hợp chiều dài cực đại bị giới hạn bởi kênh có toàn bộ jitter timing lớn nhất. Tăng số lượng các kênh, Cj tương ứng tăng trong cả hai trường hợp bởi vì tổng theo k được chuyển qua một số lượng lớn các kênh và bởi vì các kênh được thêm vào duy nhất là các kênh ngoài cùng trong miền tần số, và tương tác mạnh hơn với tất cả các kênh khác. Các giá trị tạo ra cho chiều dài hệ thống ở các đơn vị vật lý được vẽ trong hình 3 so với tổng số các kênh, đối với . Hình 3.5. Chiều dài cực đại của chiều dài truyền dẫn không lỗi đối với một số kênh cho trước: a) không có các bộ lọc; b) có các bộ lọc. Các đường nét liền: r=0.4; các đường nét chấm gạch: r=0.2. Các tham số hệ thống là giống như trong hình 1 Như được mong đợi chiều dài cực đại của sự truyền dẫn không lỗi giảm nhanh khi số lượng các kênh được tăng lên. Cũng lưu ý rằng Lmax phụ thuộc một cách rất đơn giản vào độ nhạy bộ thu r và chiều dài bộ lọc , mà có nghĩa là các kết quả tương ứng với các giá trị khác của những tham số này có thể thu được bằng cách thay đổi tỉ lệ đơn giản. Đối với một số chiều dài L cố định, phương trình (3.22) cũng có thể được sử dụng để thu được một giới hạn trên một số lượng các kênh được phép. Cho 10000km là khoảng cách giới hạn cho truyền thông vượt đại dương chúng ta thấy rằng, đối với r=0.4 chỉ hệ thống 4 kênh cho hiệu suất thõa mãn trong trường hợp không có các bộ lọc. Thậm chí với các bộ lọc định hướng (với ) số lượng cực đại các kênh được giới hạn đến 9 (r=0.2 giảm xuống đến 7). Một kết quả tốt hơn có thể thu được nếu cơ chế lọc mạnh hơn được triển khai: đối với giới hạn trước tăng lên đến 21 kênh. Khi chúng ta bắt đầu xem xét phần tiếp theo, tất cả những ước lượng này sẽ được cải thiện đáng kể bằng cách thêm vào sự quản lý tán sắc. 3.2.4 Jitter timing trong các hệ thống được quản lý tán sắc Sự giảm jitter timing gây ra do xung đột trong hệ thống hai kênh với sự quản lý tán sắc nhưng không có các bộ lọc đã được nghiên cứu về mặt lý thuyết và về mặt số [3.23, 3.24, 3.25]. Quản lý tán sắc cũng được đưa ra để xem xét các ảnh hưởng có ích trên jitter Gordon-Haus trong nghiên cứu về mặt thực nghiệm gần đây [3.22]. Thông thường, các phương pháp phân tích được trình bày trong các phần trước có thể điều chỉnh dễ dàng để có mặt của quản lý tán sắc. Chúng ta quay trở lại phương trình (3.5), nơi mà bây giờ chúng ta cho phép tán sắc D là một hàm của z. Vì sự chuẩn hóa (tham khảo [3.23, 3.25]), chúng ta thực hiện sự thay đổi tỷ lệ , với D(z) được chuẩn hóa để giá trị trung bình của D(z) là duy nhất trong một chu kỳ khuyếch đại, tức là . Sự chọn lựa này cho phép một sự so sánh trực tiếp với trường hợp tán sắc không đổi và đảm bảo rằng . Tuy nhiên lưu ý rằng sự biến đổi từ z đến có thể đảo lộn chỉ nếu D(z) luôn là duy nhất một dấu; ở đây chúng ta xem xét trường hợp D(z) là dương. Phương trình biến đổi theo u bây giờ trở thành (3.23) với G(z)=g(z)/D(z). Đối với bậc nhất chúng ta viết nghiệm của (23) dưới dạng với có dạng với . Bởi vậy, bây giờ các soliton biến đổi theo chứ không phải là theo z. Sự thay đổi về hình thức dường như có một hệ quả quan trọng về sau. Chúng ta áp dụng các phương pháp quan trọng trong các phần trước cho trường hợp tán sắc không đổi. Cụ thể là, chúng ta xây dựng các phương trình vi phân cho năng lượng xung và tần số trung bình với các thủ tục sau tương tự như được sử dụng trong phần 2. Sự biến đổi của tần số trung bình bây giờ được cho bởi Để giải phương trình này thông thường viết lại các hệ số của biến z. Dễ dàng thực hiện bởi lưu ý rằng (3.24) Chúng ta lưu ý rằng phương trình biến đổi đối với là rất giống với trường hợp của tán sắc không đổi. Chính xác hơn, phương trình (3.24) giống phương trình (3.9), để ý rằng: i) g(z) được thay bởi G(z) và ii) các soliton bây giờ là các hàm của thay vì z, là đối số của f. Giống như chúng ta đã làm với (3.9), chúng ta giải (3.24) một cách chính xác (nhờ sử dụng tính đơn giản của hệ số tích phân khi phương trình được viết dưới dạng các hệ số của biến z), và chúng ta thu được: (3.25) sau đó (như trong (3.11-3.12)) chúng ta lấy tích phân để nhận được (sau khi tích phân các thành phần) (3.26a) và chúng ta thực hiện sự thay thế ngược trở lại (tức là từ z đến ) để đưa ra kết quả ở dạng đơn giản hơn. Trong giới hạn chúng ta có sự thay thế đối với thành phần chính (xem (12b)): (3.26b) So sánh các phương trình (3.26) và (3.12) chúng ta thấy rằng chỉ có sự thay đổi từ trường hợp tán sắc không đổi là z0 được thay thế bởi và các hệ số Fourier gm của g(z) được thay bởi các hệ số Fourier Gm của G(z()) (xem (3.28) ở dưới). Tất nhiên, sự lựa chọn lý tưởng của tán sắc sẽ có dạng đầu thon dần dạng hàm mũ mà kết hợp một cách chính xác với dạng của g(z) (tức là D(z)=g(z)), trong trường hợp chúng ta có G(z)=1, và tất cả các hệ số Fourier trừ hệ số đầu tiên đều bằng 0. Tuy nhiên, tuy nhiên việc tái tạo lại hàm mũ lý tưởng là không thực tế, và phải sử dụng đến một sự xấp xỉ bậc thang (stepwise). Trong kỹ thuật này khoảng cách bộ khuyếch đại được chia thành các khoảng S được nhận dạng bởi các điểm cuối z0,z1,z2...zs (với z0=0, và zs=za), và giả sử tán sắc là giá trị không đổi Ds trong mỗi khoảng con . Chuỗi các điểm trung gian zs, và một sự lựa chọn phù hợp cho các giá trị Ds đạt được bởi yêu cầu giá trị trung bình của G(z) là duy nhất trong mỗi khoảng con, tức là (3.27) (tham khảo trong [3.25]). Lưu ý rằng sự chọn lựa này đảm bảo rằng giá trị trung bình của D(z) là duy nhất trên một chu kỳ khuyếch đại, tức là . Các hệ số Fourier của G(z()) sau đó được tính bằng cách phân chia thành các tích phân trong các khoảng con S: (3.28) với sự liên hệ được sử dụng; các hệ số được định nghĩa như sau: , với , trong khi đó a0 đã được định nghĩa trong phần 2. Lưu ý rằng G0=1, bởi vì giá trị trung bình của là duy nhất trong một vòng khuyếch đại, tức là . Mỗi sự thay đổi từ gm đến Gm được thực hiện, tất cả các thủ tục đã được giới thiệu ở phần trước có thể vẫn được sử dụng để i) tính toán căn quân phươn jitter timing, ii) tỉ lệ lỗi bít và iii) ước lượng chiều dài hệ thống cực đại. Nói cách khác, các phương trình (3.18-3.20) và (3.21-3.22) vẫn thích hợp khi am được thay bởi amHm, với các đại lượng Hm biểu diễn hệ số biến đổi của các hệ số Fourier, và được tính bởi (3.29) với Trong trường hợp đặc biệt xấp xỉ hai bước, chỉ tham số tự do của quản lý tán sắc là tỉ số của chiều dài trung gian z1 đến chu kỳ khuyếch đại za, . Ta có giá trị của tán sắc là Trong hình 4 chúng ta vẽ hệ số suy giảm đầu tiên H1 và một hàm của đối với sự xấp xỉ hai bước cho trường hợp la=25, 50, 75km. Các đường cong kết quả đáng lưu ý là tương tự như trong các trường hợp hoạt động của dịch thời là một hàm của khi có mặt các bộ lọc; hoặc một cách tương đương đối với hoạt động của số dư dịch tần trong trường hợp không có các bộ lọc (tham khảo [3.25]. Cũng lưu ý rằng hệ số suy giảm tương tự áp dụng không phự thuộc vào sự có mặt hay không các bộ lọc, tham khảo phương trình (3.19)). Thực tế, cực tiểu của đường cong đối với la=50km đạt được tại , là giá trị chính xác phù hợp đối với giá trị lmin=17.09km như đã nói trong [3.25]. Kết quả ấn tượng này là một sự chỉ thị rằng, trong các tổng được chứa trong các phương trình (3.17) và (3.18), một mình hệ số đầu tiên thường là đủ để thu được một sự xấp xỉ rất tốt để có kết quả chính xác cho jitter timing. Nói chung, điều này xẩy ra khi khoảng cách phân tách tần số giữa các kênh là không quá lớn. Tuy nhiên, đối với các giá trị rất lớn (tức là các giá trị nhỏ của tỉ số nhiều hệ số hơn trong chuỗi Fourier xuất hiện, và giá trị tối ưu của không thể được tìm thấy điểm xuất phát cơ bản của chủ đề phần trước. Trong hình 5 chúng ta so sánh kết quả jitter timing ở ps cho hệ thống hai kênh với sự xấp xỉ hai kênh, và với tại một giá trị điển hình a) không có các bộ lọc; b) có các bộ lọc. Trong cả hai trường hợp chúng ta biểu thị các kết quả trong 3 tình huống saU: i) không quản lý tán sắc; ii) Khoảng cách bước sợi quang bằng chiều dài bước trong các đơn vị thực (tức là ); iii) giá trị của mà tạo ra cực tiểu của H1(). Hình 3.6. Hoạt động của hệ số H1 được định nghĩa trong (29) là một hàm của . Đường nét liền: la=25km; đường nét đứt: la=50km; đường nét chấm đứt la=75km. Các cực đại xẩy ra một cách tuần tự đối với . Hình 3.7. Căn quân phương jitter timing trong hệ thống hai kênh WDM với ; a) không có các bộ lọc; b) có các bộ lọc. Đường nét liền: không có quản lý tán sắc; đường nét đứt: đường nét chấm gạch: Các giá trị của giống như trong hình 1. Đối với giá trị của tại 10000km là ps hoặc lọc một cách tuần tự đối với trường hợp không có và có các bộ lọc. Hình 3.8. Căn quân phươn jitter timing ở 10000km là một hàm của chiều dài xung đột: a) không có các bộ lọc; b) có các bộ lọc. Đường nét liền: không có quản lý tán sắc; b) đường nét đứt: các đường nét chấm gạch: giá trị mà tạo ra cực tiểu cho , được định nghĩa về mặt số cho mỗi giá trị của . Các giá trị của giống như trong hình 2. Hình 3.10 biểu diễn jitter timing rms ở 10000km là một hàm của cho các hệ thống có và không có các bộ lọc trong 3 trường hợp sau: i)Không có quản lý tán sắc (tức là ); ii) iii) giá trị của mà tạo ra sự suy giảm cực đại, được xác định rõ về mặt số cho mỗi giá trị của . Lưu ý rằng, trong khi hệ số suy giảm rất lớn ứng với , và với các giá trị nhỏ hơn của (và nói chung gần đỉnh, giá trị được xác định tại ) hệ số suy giảm trở nên tương đối nhỏ. Như chúng ta đã nói, điều này là vì đối với các giá trị nhỏ của tỉ số nhiều hệ số trong chuỗi Fourier góp phần quyết định giá trị của jitter timing. Bởi vậy, mặc dù việc cực tiểu hóa về mặt số của là một hàm của được thực hiện, nhưng việc tạo ra hệ số suy giảm không được mong đợi là rất lớn, bởi vì một biểu đồ tán sắc hai bước đơn giản không có đủ các tham số tự do đủ để cực tiểu hóa các hệ số Fourier tương ứng. Một sự suy giảm lớn trong jittet timing cũng được thấy khi giải quyết với trường hợp đa kênh. Bảng 2: jitter timing tổng trong mỗi kênh của hệ thống đa kênh với quản lý tán sắc. Biếu đồ tán sắc hai bước với được sử dụng. Các tham số hệ thống có cùng giá trị như trong bảng 1. Một ví dụ , trong bảng 2 chúng ta biễu diễn sự so sánh các kết quả liên quan giống với hệ thống 8 kênh trong bàng 1, trong trường hợp này chúng ta thêm sự xấp xỉ hai bước với . Trong hình 7 chúng ta biễu diễn các ước lượng của chiều dài hệ thống cực đại với các đơn vị có thứ nguyên đối vói một số các kênh (cho ), tương tự đối với 3 trường hợp được mô tả trong hình 5. Các sự thay đổi này là đáng kể. Nói chung, chúng ta thấy rằng một hệ thống mà không có các bộ lọc và sự quản lý tán sắc thích hợp cho ta các hiệu suất mà trong các trường hợp có thể so sánh với hiệu suất của hệ thống có các bộ lọc mà không có quản lý tán sắc. Tuy nhiên, sự có mặt của các bộ lọc vẫn được cần thiết nếu một số lượng lớn các kênh được mong muốn. Sử dụng cùng một phương pháp được mô tả trong phần 3, chúng ta cũng có thể ước lượng số lượng cực đại các kênh cho truyền dẫn không lỗi lên tới 10000km. Với biểu đồ tán sắc hai bước số lượng cực đại các kênh tăng từ 4 đến 9 trong trường hợp không có các bộ lọc; với trường hợp có bộ lọc và quản lý tán sắc số các kênh tăng từ 9 đến 39. Nếu được sử dụng, số lượng cực đại các kênh tăng lớn hơn 9 và 41 kênh theo tuần tự cho trường không có và có các bộ lọc. (Với r=0.2 và số lượng các kênh tương ứng là 7 và 17). Các ước lượng này được tóm tắt trong bảng 3. Còn một hệ quả khác của những kết quả này đó là sự quản lý tán sắc có thể cho phép khắc phục một số hạn chế hệ thống. Chẳng hạn, với la=50km và sự xấp xỉ hai bước với (là giá trị mà đạt cực tiểu khi la=50km), sự truyền dẫn không lỗi là có thể đối với 4 và 11 kênh cho các trường hợp theo thứ tự không có và có các bộ lọc ( Không có quản lý tán sắc số lượng các kênh tương ứng có thể là 2 và 3). Một số sự chọn lựa tham số được cho trong bảng 3. Hình 3.9. Chiều dài cực đại của truyền dẫn không lỗi với số lượng các kênh được định trước trong một hệ thống có và không có quản lý tán sắc: a) không có các bộ lọc; b) có các bộ lọc. Các đường nét liền: không có quản lý tán sắc; các đường nét đứt: ; các đường nét chấm gạch: . Các giá trị của giống như trong hình 3, r=0.4. Bảng 3: Số lượng cực đại các kênh truyền dẫn không lỗi, với và các sự chọn lựa khác của các tham số hệ thống còn lại. “No DM” có nghĩa là tán sắc không đổi; “DM” đối với biễu đồ tán sắc hai bước với . Chúng ta kết thúc phần này bằng lưu ý rằng, khi jittet timing được xem xét, một biểu đồ tán sắc “tối ưu” như sau. Như chúng ta đã thấy, đối với một số khoảng cách được cho trước có một tương ứng số lượng cực đại các kênh Nmax phù hợp với truyền dẫn không lỗi. Nói chung, đối với biểu đồ tán sắc hai bước, con số này sẽ phụ thuộc vào giá trị cụ thể được chọn cho . Trong hình 8 là đồ thị số lượng cực đại các kênh Nmax là hàm của bởi yêu cầu truyền dẫn không lỗi trên khoảng cách cỡ 10000km (triển khai các giá trị chuẩn được sử dụng trước cho các tham số hệ thống, tức là ). Hình 8 cho ta thấy rõ một số lượng cực đại các kênh NM=43 đối với . Chúng ta cũng lưu ý rằng , sự tương ứng sau cùng để cực tiểu hóa hệ số suy giảm cho hệ số Fourier đầu tiên, tức là (hình 4). Nguyên nhân của sự khác biệt này là khi số lượng các kênh trong hệ thống lớn, các kênh đầu ra được mô tả bởi các giá trị của mà tạo ra sự góp phần làm cực đại jitter timing (Hình 6). Như đã thấy ở trước, đối với những kênh này nhiều hệ số Fourier là có ý nghĩa quyết định đối với giá trị kết quả của jitter timing. Thực tế, chúng ta ước lượng rằng, với , tất cả 5 hệ số Fourier đầu tiên đóng góp một cách đáng kể đối với jitter timing. Nói chung, chúng ta cũng lưu ý rằng, hàm có m giá trị cực tiểu và vị trí cực tiểu của những hàm này là khác nhau. Bởi vậy, chỉ giảm hệ số Fourier đầu tiên là không còn hiệu quả nữa, và một điều có thể mong đợi là một số lượng các bước lớn hơn sẽ được yêu cầu để đạt được sự giảm đáng kể jitter timing gây ra do sự xung đột. Trong trường hợp này hoạt động của hệ thống đa kênh (và bởi vậy sự chọn lựa tối ưu của biểu đồ tán sắc) có thể khác một cách rõ rệt so với hoạt động tương ứng của hệ thống hai kênh. Hình 3.10. Số lượng cực đại các kênh cho truyền dẫn không lỗi trên khoảng cách 10000km là một hàm của tham số trong biểu đồ tán sắc hai bước. Các giá trị của giống như trong hình 7. Đường nét liền là mức đường cong của bề mặt đồ thị hai chiều của Lmax là một hàm của N và ,ứng với Lmax=10000km. 3.3 Các kết luận Phần này chúng ta đã phát triển và sử dụng một phương pháp phân tích để nghiên cứu jitter timing gây ra do xung đột trong hệ thống soliton WDM. Các đặc trưng của sự nghiên cứu này là như sau: i) thu được công cụ phân tích dịch thời trong hệ thống có và không có các bộ lọc. ii) hoạt động lọc được ước lượng nhờ sử dụng phương pháp thông thường chuyển đổi sang đương lượng liên tục. iii) Sự phân tích ngẫu nhiên được phát triển để thu được dịch thời rms mà gây ra một số lượng lớn các xung đột. iv) triển khai công cụ phân tích tỉ lệ lỗi bít, khái niệm truyền dẫn “không lỗi” được giới thiệu và được nghiên cứu cho hệ thống soliton WDM hai kênh. v) các hệ thống WDM đa kênh được nghiên cứu bởi các sự mở rộng thích hợp của phương pháp hai kênh. vi) khái niệm quản lý tán sắc được giới thiệu trong ngữ cảnh của jittet timing gây ra do sự xung đột. Cả hệ thống hai kênh và đa kênh được nghiên cứu cho các giá trị điển hình của các tham số hệ thống, so sánh các kết quả của biểu đồ tán sắc hai bước với trường hợp tán sắc không đổi. vii) cực tiểu hóa hệ số suy giảm đầu tiên của các hệ số Fourier gm mô tả sự phù hợp với các kết quả trước của hệ thống hai kênh [25]. Sự nghiên cứu hệ thống đa kênh, khái niệm biểu đồ tán sắc tối ưu được tìm hiểu. viii) sử dụng các giá trị thông thường của các tham số hệ thống () chúng ta nhận thấy rằng truyền dẫn “không lỗi” trên khoảng cách 10000km là có thể trong các trường hợp sau: a) 4 kênh mà không có các bộ lọc và không có quản lý tán sắc; b) 9 kênh mà không có các bộ lọc nhưng có quản lý tán sắc; c) 9 kênh có các bộ lọc nhưng không có quản lý tán sắc; d) 43 kênh với sự có mặt của các bộ lọc và quản lý tán sắc “tối ưu”. Thông thường, khi một số lượng lớn các kênh được nghiên cứu, nhiều nhân tố mà chúng ta bỏ qua là rất đáng xem xét. Và các vấn đề khác: tán sắc bậc ba, các giới hạn va chạm, tán xạ Raman, nhiễu bộ khuyếch đại, và ảnh hưởng của trượt tần số bộ lọc. Tương tự, quản lý tán sắc sẽ cần được phân tích nhiều hơn để tìm ra các cách hiệu quả giảm các sự không ổn định cộng hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng. KẾT LUẬN CHUNG ----------o0o---------- Sự ra đời của hệ thống Soliton là 1 chìa khóa để giải quyết bài toán truyền dẫn tốc độ cao và đường dài, khẳng định là 1 trong những công nghệ của tương lai với những ưu điểm nổi trội là: Các Soliton hình thành từ sự cân bằng giữa GVD và SPM có khả năng duy trì độ rộng xung qua khoảng cách lan truyền lớn. Soliton cơ bản có xung đầu vào bị dịch pha trong quá trình lan truyền trong sợi nhưng biên độ không đổi làm cho nó trở nên lý tưởng với truyền thông quang. Có khả năng ổn định chống lại sự nhiểu loạn. Vì vậy các Soliton cơ bản tuy yêu cầu 1 dạng đặc biệt và công suất đỉnh riêng song nó có thể được hình thành ngay cả khi các giá trị đó lệch khỏi điều kiện lý tưởng nhờ khả năng tự sửa các tham số của mình. Hệ thống Soliton không cần sử dụng các bộ lặp điện, giảm chi phí lắp đặt. Sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi EDFA có nhiều ưu điểm làm cho mach đơn giản dễ lắp đặt. Có khả năng kết hợp nhiều kênh có các bước sóng khác nhau trong 1 sợi đơn mốt để tăng dung lượng và tốc độ truyền dẫn. Soliton có nhiều ưu điểm nhờ đặc tính duy trì được hình dạng không đổi trên đường truyền. Song đầu thu vẫn có thể thu sai các bít tín hiệu do các bít này đến sai vị trí của nó mà nguyên nhân chính là jitter. Vấn đề về jitter cần phải nghiên cứu cẩn thận để có cách điều khiển hợp lý nhằm hạn chế khả năng tín hiệu thu bị giảm chất lượng. Nhiều phương pháp mô phỏng bằng thực nghiệm đã thực hiện rất thành công cho kết quả gần với thực tế tạo điều kiện cho việc nghiên cứu có hiệu quả hơn. Nhiều khó khăn trong vấn đề triển khai hệ thống soliton trong thực tế. Trong đó jitter đóng một vai trò quan trọng. Mặc dù vậy hệ thống soliton đang hứa hẹn một tương lai tươi sáng. THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ----------o0o---------- Viết Tắt Tiếng Anh Bản Dịch ASE Amplified Spontaneous Emission Sự phát xạ tự phát được khuyếch đại CW Continous Wave Sóng liên tục DBR Distributed Bragg Reflecter Phản xạ phân bố Bragg DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc DDF Dispersion Decreasing Fiber Sợi giảm tán sắc DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại quang sợi FWHM Full Widthat HalfMaximum Độ rộng đầy đủ ở nửa giá trị max FWM Four-wave Mixing Trộn bốn sóng GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm NSE Nonlinear Schrodinger Equation Phương trình Schrodinger phi tuyến SBS Stimulated Brillouin Scatting Tán xạ Brillouin kích thích SRS Stimulated Raman Scatting Tán xạ Raman kích thích SPM Self-phase Modulation Tự điều chế pha SSFS Soliton Self-Frequency Shift Sự dịch tần soliton TOD Third-Order Dispersion Điều chế chéo pha XPM Cross-phase Modulation Điều chế chéo pha CRZ Chirped-return-to-zero Mã trở về không bị chirp TÀI LIỆU THAM KHẢO ----------o0o---------- [1] G.P. Agrawall, Fiber-Optic Communication Systems, 2nd Edition, John Wiley & Sons, 1997 [2] G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 2nd ed, Academic Press, San Diego, CA,1995, Chap.5. [3] A.Hasegawa anh Y. Kodama, Soliton in Optical Communication, Clarendo Press, Oxford, 1995 [4] M.J Ablowits and H.Segur, Solitons and the Inverse Scattering Transform, Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 1981 [5] D. Marcuse, “ Simulations to demonstrate reduction of the Gordon-Haus effect”, Opt. Lett, 171992 [6] Y.Komadama and A.Hasegawa, Progress in Optics, Vol.30, E Wolf, Ed, North Holland, Amsterdam 1992 [7] L.F. Mollenauer, J.P. Gordon and M.N.Islam, “ Soliton propagation in long fibers with periodically compensated loss”, IEEE J. Quantum Electron, Vol QE -22, [8] K. Rottwitt, J.H Povlsen and A. Bajarklev, “ Long- distance transmission through distributed erbium- doped fibers,” J. Lightwave Technol, vol 11, 1993 [9] A. Hasegawa, Y. Kodama and A.Marula, “ Recent progress in dispersion- managed soliton transmission technologies” Opt. FiberTechnol, vol 3, 1997 [10] Tài liệu hội nghị khoa học lần thứ 5, Hà nội 9- 2002. MỤC LỤC ----------o0o----------

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docHệ thống thông tin quang Solition.doc