Tài liệu Luận văn thạc sỹ: ảnh hưởng của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton

Ảnh hưởng của Chirp tần số trong hệ thống thông tin Soliton Tạ Quang Hậu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn Thạc sĩ ngành: Quang học; Mã số: 60 44 11 Người hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Đình Chiến Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Giới thiệu chung về thông tin quang: trình bày sự phát triển chung của hệ thông tin quang, các loại sợi quang, một số hệ thông tin quang. Tìm hiểu hệ thống truyền dẫn Soliton: 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. Nghiên cứu ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton của xung quang học: khảo sát sự tương tác Soliton, khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton của xung quang học. Keywords: Quang học; Chirp tần số; Sợi quang; Hệ thống truyền dẫn soliton Content 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 luậ n 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: 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. 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 3 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). 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 . 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. 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. 1.1.1. Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang: 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. 4 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 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 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) 5 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   Với (1.3) là độ lệch chiết suất tương đối và 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 dài lớn nhất khi góc tới và bằng L/ và bằng L và chiều . 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). Phân bố khúc xạ nói chung có thể được xác định như công thức sau: V ới 01, xung có dạng vuông hơn với đỉnh nhọn hơn từ sườn trước ra sườn sau. Nếu tăng thời gian Tr được xác định là khoảng thời gian mà cường độ tăng từ 10 tới 90% giá trị đỉnh của nó. 17 CHƢƠNG 3 ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ LÊN TÍNH CHẤT SOLITON CỦA XUNG QUANG HỌC 3.1. Tƣơng tác soliton Như đã trình bày ở chương II, hệ thống truyền dẫn thông tin Soliton là hệ thống truyền thông tin ít tán sắc. Tuy nhiên, hệ truyền dẫn thông tin Soliton cũng giống như các hệ truyền thông tin khác đều muốn truyền các xung gần nhau để tăng khả năng truyền thông tin trong sợi quang, nhưng sự chồng lấn của các Soliton ở gần nhau sẽ dẫn tới các Soliton tương tác với nhau, do đó trong quá trình truyền dẫn thông tin tín hiệu sẽ bị nhiễu và làm giảm khả năng truyền dẫn thông tin của hệ thống thông tin Lý thuyết nghiên cứu sự tương tác giữa các Soliton được dựa trên phương trình Shrodinger phi tuyến 3.1.1. Phương trình Shrodinger phi tuyến Một xung quang học có trường bao q(z, được truyền trong một sợi quang có chiết suất biến đổi được miêu tả như sau: (3.1) Với : Đặc trưng cho suy hao sợi quang : Đặc trưng cho hiệu ứng tán sắc bậc cao Đặc trưng cho hiệu ứng phi tuyến bậc cao : Đặc trưng cho hiệu ứng Raman Các số hạng phi tuyến bậc cao có thể bỏ qua nếu các xung ngắn cỡ fs không được đề cập, khi đó phương trình (3.1) trở thành: (3.2) Phương trình NLS (3.2) đối với các đơn Soliton có nghiệm như sau: Với : Biên độ của Soliton : Vận tốc của Soliton Để xem xét quá trình truyền của xung với dạng xung đi vào sợi quang tùy ý, năm 1972 Zakharov và Shabat đã sử dụng phương pháp tán xạ ngược để giải phương trình NLS 3.1.2. Tương tác hai Soliton 18 Trong thùc tÕ, trong sîi quang cã thÓ cã ®ång thêi nhiÒu xung cïng lan truyÒn, v× vËy chóng sÏ ¶nh h-ëng lÉn nhau. Trong phÇn nµy, chóng t«i kh¶o s¸t sù t-¬ng t¸c cña hai soliton trong sîi quang theo ®é ph©n t¸ch, biªn ®é, pha ban ®Çu kh¸c nhau gi÷a 2 soliton l©n cËn truyÒn trong sîi quang. Xét một xung quang với trường bao q(z, lan truyền trong sợi quang, bỏ qua mất mát, các hiệu ứng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến bậc cao, với điều kiện Soliton ban đầu đi vào sợi quang Có dạng: {q(0,) = sec һ ( - to) + eιθ Asec һ {A ( + o )} (3.4) Với A: Biên độ tương đối giữa hai Soliton Với A: Biên độ tương đối giữa hai Soliton Độ lệch pha ban đầu Soliton Sử dụng phương pháp tán xạ ngược của P.L.Chu và C.Desem đã thu được phương trình mô tả sự tương tác giữa Soliton lan truyền trong sợi quang với các giá trị riêng phức là như sau: (3.5) Trong đó: , /2 là pha tương ứng của hai Soliton truyền trong sợi là pha đầu của hai Soliton là vị trí tương ứng của hai Soliton trong sợi quang là trị riêng tương ứng với vận tốc và biên độ của các Soliton 3.2. Chirp tần số 19 Để truyền một soliton cơ bản bên trong sợi quang, thì xung không phải chỉ có dạng “sech” mà còn phải không có chirp (chirp-free). Nhiều nguồn xung quang học có chirp tần số tác dụng. Chirp ban đầu có thể cản trở việc truyền soliton trong sợi vì nó làm nhiễu loạn sự cân bằng giữa GVD và SPM. Vì vậy ta sẽ khảo sát chirp tần số ảnh hưởng lên tính chất soliton của xung quang học như thế nào. Sự ảnh hưởng của chirp tần số có thể được nghiên cứu bằng cách giải phương trình (3.1) bằng phương pháp số với biên độ đầu vào:   icr 2   u (o, )  sec h( ) exp   2  (3.11) Trong đó C là tham số chirp. Dạng bình phương của biến pha tương ứng với chirp tần số tuyến tính để tần số quang học tăng theo thời gian (up-chirp) với C có giá trị dương. Trong luận văn này chúng ta sẽ tập trung vào xem xét ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất soliton của xung truyền trong sợi quang. Trước hết chúng ta tìm hiểu sự tương tác của hai soliton. 3.3. Khảo sát sự tƣơng tác hai Soliton Trong phần này chúng Tôi khảo sát sự tương tác của hai soliton trong sợi quang với các tham số của hệ thông tin quang được chọn: Độ rộng xung T0=5ps Hệ số tán sắc β2=-2ps2/km Chiều dài tán sắc LD=12.5km 3.3.1. Khảo sát sự tương tác hai Soliton cùng biên độ, cùng pha ban đầu theo khoảng phân cách giữa hai soliton Lý thuyết của hai soliton cùng lan truyền trong môi trường phi tuyến cũng chính là phương trình NSE. Phương pháp tính toán được sử dụng ở đây là phương pháp tán xạ ngược. để tính toán và mô phỏng chúng tôi sử dụng các phần mềm Matlab và Mathematica. Điều kiện ban đầu cho hai soliton cùng lan truyền có cùng biên độ, pha ban đầu có dạng: Tính toán và thu được nghiệm cho trường hợp tương tác giữa hai soliton lan truyền trong sợi quang như sau: Với 20