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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ……………………………… Tạ Quang Hậu ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SOLITON LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ……………………………… Tạ Quang Hậu ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SOLITON Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60 44 11 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRỊNH ĐÌNH CHIẾN ĐHKHTN-ĐHQG HÀ NỘI Hà Nội - 2012 2 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG ....................... 1 1.1 Sự phát triển của thông tin quang: .................................................................... 1 1.1.1. Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang: ........................... 2 1.1.2. Ứng dụng. ............................................................................................... 3 1.2. Sợi quang. ....................................................................................................... 4 1.2.1. Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang. ..................................................... 4 1.2.2. Một số yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang............................................................................................................... 7 1.3. Một số hệ thông tin quang .............................................................................. 24 1.3.1. Hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM). ........................................ 24 1.3.2. Hệ thống ghép kênh theo tần số OFDM ................................................. 26 1.3.3. Ghép kênh quang theo thời gian OTDM ................................................ 27 1.3.4. Hệ truyền dẫn Soliton ............................................................................ 27 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON ....................................... 28 2.1. Ảnh hưởng của môt số hiệu ứng phi tuyến cơ bản .......................................... 28 2.1.1. Tán xạ ánh cưỡng bức SRS và SBS ...................................................... 28 2.1.2. Tự biến điệu pha SPM (self-phase modulation) và biến điệu chéo pha XPM (cross-phase modulation) ..................................................................... 30 2.1.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing) .......................... 33 2.2. Hệ thống truyền dẫn Soliton ........................................................................... 34 2.2.1. Khái niệm về soliton ......................................................................... 34 2.2.2. Mô hình hệ thống chung. ................................................................. 35 2.2.3. Truyền thông tin với các soliton .......................................................... 35 2.2.4. Mở rộng xung soliton do hao phí .......................................................... 36 2.2.5. Khuếch đại soliton. ............................................................................... 38 2.3. Những xung sáng dạng Gauss với tần số thay đổi theo thời gian. ................... 40 2.4. Xung Super Gauss ......................................................................................... 42 3 CHƢƠNG 3: ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ LÊN TÍNH CHẤT SOLITON CỦA XUNG QUANG HỌC ............................................................... 44 3.1. Tương tác soliton ........................................................................................... 44 3.1.1. Phương trình Shrodinger phi tuyến ........................................................ 44 3.1.2. Tương tác hai Soliton............................................................................. 45 3.2. Chirp tần số................................................................................................... 46 3.3. Khảo sát sự tương tác hai Soliton ................................................................... 48 3.3.1. Khảo sát sự tương tác hai Soliton cùng biên độ, cùng pha ban đầu theo khoảng phân cách giữa hai soliton ................................................................... 48 3.3.2. Khảo sát tương tác của hai Soliton cùng pha ban đầu nhưng khác biên độ ........ 53 3.2.3. Khảo sát tương tác hai Soliton cùng biên độ nhưng khác pha ban đầu............ 56 3.4. Ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất soliton của xung truyền trong sợi quang . 59 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 74 PHỤ LỤC 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.3. Ảnh hưởng của các thông số đến tính chất sợi quang ................................ 6 Hình1. 4. Phổ bức xạ của LED và LD. ..................................................................... 13 Hình 1.5. Sự thay đổi của chiết suất ......................................................................... 14 Hình 1.6: Tán sắc dẫn song ................................................................................................ 16 Hinh 1.7. Đường cong thông số dẫn sóng theo tần số chuyển hóa ....................................... 17 Hình1. 8. Đường cong tán sắc Dw, DM và D theo bước sóng ............................................. 17 Hình1. 9. Sơ đồ tuyến thông tin có ghép kênh theo bước sóng ............................................ 25 Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống ghép kênh quang OFDM ........................................................... 26 Hình 2.1. Mở rộng soliton sợi hao phí (Γ = 0,07) với soliton cơ bản ................................... 37 Hình 2.2. Sơ đồ khuếch đại tập trung (lump) (a) bộ ghép và phân bố ................................ 38 Hình 3.1. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =1 ................................... 49 Hình 3.2. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =1,5 ................................ 50 Hình 3.3. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =2 ................................... 50 Hình 3.4. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =2,5 ................................ 51 Hình 3.5.Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =3 .................................... 51 Hình 3.6. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =3,5 ................................ 52 Hình 3.7. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =4 ................................... 52 Hình 3.8. Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.025 .......................................... 54 Hình 3.9. Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.1 .............................................. 54 Hình 3.10. Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.175......................................... 55 Hình 3.11. Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.2 ............................................ 55 Hình 3.12.Tương tác hai Soliton có độ lệch pha ...................................................... 57 Hình 3.13. Tương tác hai Soliton có độ lệch pha ................................................ 57 Hình 3.14. Tương tác hai Soliton có độ lệch pha ................................................ 58 Hình 3.15. Tương tác hai Soliton có độ lệch pha ................................................ 58 Hình 3.16. Hình ảnh xung super gauss không chirp qua sợi quang với m=1 ........................ 59 Hình 3.17. Hình ảnh xung super gauss không chirp qua sợi quang với m=2 ........................ 60 5 Hình 3.18. Hình ảnh xung super gauss không chirp qua sợi quang với m=4 ........................ 60 Hình 3.19. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với m=2 ............. 61 Hình 3.20. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với m=4 ............. 62 Hình3.21. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=1 ............... 63 Hình3.22. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=3 ............... 63 Hình 3.23. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=10 ............ 64 Hình3.24. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=50 ............. 64 Hình 3.25. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với m=2 ............. 65 Hình 3.26. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với m=4 ............. 66 Hình 3.27. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.025 ....... 67 Hình 3.28. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.05 ......... 67 Hình 3.29. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.1 ........... 68 Hình 3.30. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.2 ........... 68 Hình 3.31. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.5 ........... 69 Hình 3.32. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=1 .............. 69 Hình 3.33. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=5 .............. 70 Hình 3.34. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=10 ............ 70 Hình 3.35. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=50 ............ 71 6 LỜI NÓI ĐẦU Từ những năm 90 trở lại đây, xã hội loài người tiến vào thời kì bùng nổ thông tin trong đó có ba sự kiện ảnh hương lớn nhất là sự phát triển chóng mặt của mạng internet do phổ cập máy tính cá nhân, cuộc cách mạng thôn tin từ dịch vụ thông tin di động số đến thông tin cá nhân và sự xuất hiện của dịch vụ thông tin đa phương tiện. Sự bùng nổ thông tin kích thích sự phát triển như vũ bão của dịch vụ thông tin toàn cầu do đó các hệ thống thông tin luôn được nghiên cứu để có thể truyền thông tin tốt nhất. Trong thông tin người ta đòi hỏi tín hiêu truyền có suy hao thấp, khả năng truyền thông tin xa, nhưng trong các hệ thống thông tin thì xảy ra sự tán sắc ánh sáng, sự tán sắc ánh sáng làm suy hao năng lượng truyền thậm chí còn mở rộng xung truyền dẫn đến méo dạng tín hiệu khi truyền. Để góp pần giải quyết vấn đề giảm ảnh hưởng của tán sắc, người ta sử dụng một phương pháp bù trừ tán sắc, đặc biệt là phương pháp vào xung dạng Gauss có chirp, hơn nữa trong thực tế người ta đã phát triển hệ thống thông tin Soliton là hệ thống thông tin ít tán sắc. Tuy nhiên trong quá trình truyền thì các Soliton gần nhau vẫn ảnh hưởng đến nhau do đó luận văn của em sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của chirp tần số lên hệ thông tin Soliton. Khi xung sáng truyền trong môi trường phi tuyến sẽ bị tác động bởi hiện tượng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) và tự biến điệu pha (SPM) làm mở rộng dải phổ đồng thời còn làm xung bị méo dạng tín hiệu khi lan truyền. Để hiểu rõ về các quá trình biến đổi xung sáng trên đường truyền thì việc khảo sát ảnh hưởng của tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến đặc biệt là ảnh hưởng của chirp tần số đối với xung là rất quan trong. Vì vậy luận văn của tôi tập trung nghiên cứu “Ảnh hưởng của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton”. Trên cơ sở đó luận văn được chia làm ba phần: 1 Chương 1: Giới thiệu chung về thông tin quang, trong phần này sẽ trình bày sự phát triển chung của hệ thông tin quang, các loại sợi quang, một số hệ thông tin quang. Chương 2: Tìm hiểu hệ thống truyền dẫn Soliton. Trong phần này sẽ trình bày ảnh hưởng của một số hiệu ứng phi tuyến cơ bản, tìm hiểu về hệ thống truyền dẫn Soliton, xem xét các dạng xung gauss, xung super gauss Chương 3: Ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton của xung quang học. trong phần này tôi khảo sát sự tương tác Soliton, khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton của xung quang học. 2 CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều này có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang . Tại nơi nhận nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu 1.1 Sự phát triển của thông tin quang: Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động hình dáng và màu sắc thông qua đôi mắt. Tiếp đó một hệ thống thông tin, điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn tín hiệu. Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết để giải quyết vấn đề này người ta đã chế tạo ra máy điện báo vô tuyến dùng để liên lạc giữa hai người ở cách xa nhau. 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966 đã chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp ( 1000dB/Km). Bốn năm sau Karpon đã chế tạo ra cáp sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/Km. Từ thành công rực rỡ này các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu, phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng dải thông về các laze bán dẫn đã được phát triển thành công vào những năm 70. Sau đó giảm độ tổn hao xuống còn 0,18 db/Km còn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm. Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa hàng trăm Km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần các bộ tái tạo. Sự ra đời của laser và sợi quang đã góp phần to lớn vào sự phát triển của hệ thống thông tin hiện đại, tiêu biểu là các hệ thống thông tin quang. 3 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm ba bộ phận cơ bản sau (như hình 1.1) Thiết bị phát tín hiệu Môi trường truyền dẫn Thiết bị thu tín hiệu Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang Bộ biến đổi điện – quang ( E/O): Dùng để biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để truyền trong môi trường cáp quang ( biến đổi xung điện thành xung quang). Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực (ánh sáng bị điều biến theo qui luật của tín hiệu điện). Cáp quang: Là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được chế tạo bằng chất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng nh sợi thạch anh, sợi thuỷ tinh, sợi nhựa. Yêu cầu: Tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởng của nguồn sáng lạ ( không bị nhiễu) . Bộ biến đổi quang - điện ( O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và méo dạng trên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành các tín hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu. Yêu cầu: Độ nhậy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ tiêu thụ năng lượng điện ít. Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn. Trạm lặp biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuyếch đại. Tín hiệu đã được khuyếch đại được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên tuyến cáp sợi quang. 1.1.1. Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang: Thông tin quang cũng như nhiều loại thông tin khác nó cũng có những ưu và nhược điểm riêng: 4 Ƣu điểm : Sợi quang không bị nhiễu bởi các tia điện từ trong không gian và ngược lại nó cũng không phát ra các tia điện từ gây ảnh hưởng tới các thiết bị xung quanh. Như vậy các tín hiệu truyền qua sợi quang không thể bị nghe lén được. Tin tức được đảm bảo bí mật Giá thành của hệ thống dẫn tín hiệu bằng cáp kim loại đắt hơn so với cáp sợi quang. Độ cách điện cao đến hàng nghàn volt giữa trạm phát và trạm nhận tín hiệu. Trong kênh thông tin trọng lượng và kích thước của các bộ phận đều nhỏ nhẹ. Tín hiệu và hệ thống truyền tin bằng sợi quang thích hợp với các linh kiện, IC lozic TTC và CMOS. Truyền tín hiệu qua cáp quang không bị nhiễu và không có hiệu ứng thời gian trễ như ở thông tin vệ tinh. Độ rộng băng tần đến 3000GHz. Đến nay với cách truyền tin AM hay TimeMultiplex độ rộng băng tần bị hạn chế còn khoảng 10GHz. Nhƣợc điểm. Hàn, nối sợi khó khăn hơn cáp kim loại. Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên trong sợi quang. Khi có nước, hơi ấm lọt vào cáp thì cáp sẽ nhanh chống bị hỏng và các mối hàn mau lão hoá làm tăng tổn hao. Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp. Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền analog. Không thể truyền mã lưỡng cực. 1.1.2. Ứng dụng. Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới điện thoại, số liệu, máy tính và phát thanh, truyền hình ( dịch vụ băng rộng) và sẽ 5 được sử dụng trong ISDN ( là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuật chuyển mạch gói), trong điện lực các ứng dụng y tế quận sự và cũng như trong các thiết bị đo. Với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền dẫn là sợi quang. 1.2. Sợi quang. Sợi quang là một trong những thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang. Trong hệ thống thông tin quang sợi, sợi quang đóng vai trò là môi trường truyền dẫn và thực hiện truyền ánh sáng từ phía phát tới phía thu. Sợi quang có bán kính từ 5 20µm hay được sử dụng và tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà sợi quang có bán kính khác nhau. 1.2.1. Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang. Sợi quang được cấu tạo sao cho ánh sáng được truyền dẫn chỉ trong lõi sợi bằng phương pháp sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần ánh sáng. Ánh sáng từ nguồn phát quang bị khuếch tán do nhiễu xạ và ánh sáng được tập trung lại để đưa vào sợi quang mà chỉ một phần có góc tới nằm trong một giới hạn nhất định nào đó mới có thể được đưa vào lõi sợi quang. Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang được trình bày (như hình 1. 2) Hình 1.2. Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang Tại điểm A nơi ánh sáng đưa vào sợi quang được chia làm ba môi trường liền nhau có chiết suất khúc xạ khác nhau đó là môi trường không khí, môi trường lõi, vỏ sợi quang. Góc  max là góc nhận lớn nhất và có góc 6 là góc tới hạn. Áp dụng định luật khúc xạ và phản xạ tại các mặt biên tiếp giáp giữa không khí và lõi, giữa lõi và vỏ thì ta có phương trình: sin m  n1 sin c  (1.1)  n2  0 sin(90   c )  cos  c   n1   (1.2) Từ (1.1) và (1.2) tính được góc mở lớn nhất là: 2    n2    2 2   sin   n 1   n  n  n 2    max 1 2 1 1 n   1   là độ lệch chiết suất tương đối và Với (1.3) được gọi là khẩu độ số (NA), nó cho biết điều kiện đưa ánh sáng vào sợi quang. Nhưng loại sợi này không phù hợp cho hệ thông tin quang vì có sự tán sắc nhiều tia hoặc tán sắc giữa các mode Tán sắc nhiều tia là do các tia sáng truyền trong sợi quang với những quãng đường khác nhau do đó, ở đầu cuối của các sợi các tia này không đồng thời ló ra, trong khi tốc độ truyền của các tia trong sợi là như nhau. Các xung bị mở rộng là do các tia truyền với những quãng đường khác nhau. Có thể đánh giá sự mở rộng xung một cách đơn giản khi tìm được chiều dài ngắn nhất và dài nhất. Chiều dài ngắn nhất khi góc tới bằng L/ và bằng L và chiều dài lớn nhất khi góc tới và . Thời gian trễ có thể được tính như sau: Đánh giá tốc độ truyền thông tin dựa vào điều kiện: B Sự tán sắc giữa các mode có thể giảm khi sử dụng loại sợi chiết suất biến đổi đều (graded-index fiber) 7 Với sợi quang, tham số cơ bản để xác định cấu trúc sợi quang là đường kính lõi sợi, đường kính vỏ, khẩu độ số (NA)…Chúng được gọi là thông số cấu trúc của sợi quang. Các thông số này ảnh hưởng đến một số đặc tính khác nhau của sợi quang như độ suy hao quang, độ rộng băng truyền… Với sợi quang đa mode, có bốn thông số xác định cấu trúc các loại sợi quang đó là đương kính lõi sợi, đường kính lớp vỏ, khẩu độ số (NA) và dạng phân bố chiết suất khúc xạ Phân bố khúc xạ nói chung có thể được xác định như công thức sau: Với 0 - Xem thêm -