Tài liệu Hệ thống thông tin quang soliton

Kho¸ luËn tèt nghiÖp Trêng §¹i häc Vinh Khoa vËt lý -----------š œ ----------- ph¹m ®×nh diÖn HÖ thèng th«ng tin quang soliton Kho¸ luËn tèt nghiÖp ®¹i häc Chuyªn ngµnh ®iÖn tö viÔn th«ng §oµn Hoµi S¬n Sinh viªn thùc hiÖn: Ph¹m §×nh DiÖn C¸n bé híng dÉn: ThS. Líp: 43B - vËt lÝ Vinh - 2006 SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 0 Kho¸ luËn tèt nghiÖp Môc lôc Ch¬ng 1. Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang 1.1. Kh¸i qu¸t vÒ lÞch sö ra ®êi th«ng tin quang…………………...1 1.2. Qóa tr×nh ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin quang ………………..4 1.3. C¸c thµnh phÇn chÝnh cña hÖ thèng th«ng tin quang …………7 1.4. HiÖu øng soliton ……………………………………………. 10 1.4.1. C¬ së cña soliton thêi gian ………………………… 10 1.4.2. C ¬ së soliton kh«ng gian …………………………..15 Ch¬ng 2. Soliton sîi - HÖ thèng th«ng tin soliton 2.1. Soliton sîi ...................................................15 2.1.1 Ph¬ng tr×nh schrodinger phi tuyÕn…………………15 2.1.2. C¸c soliton c¬ b¶n vµ soliton bËc cao………………17 2.1.3. C¸c soliton tèi……………………………………… 23 2.2. HÖ thèng th«ng tin soliton ...........................23 2.2.1. TruyÒn dÉn th«ng tin b»ng soliton ………… …….. .23 2.2.2. T¬ng t¸c soliton……………………………………25 2.2.3. Chirp tÇn sè ………………………………… ……. . 28 2.2.4. C¸c bé ph¸t soliton ……………………………… ..29 2.2.5. Gi·n xung soliton do suy hao……………………….32 SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 1 Kho¸ luËn tèt nghiÖp 2.2.6. KhuÕch ®¹i soliton..………………………………… 33 Ch¬ng 3. C¸c hÖ thèng soliton dung lîng cao 3.1. ThiÕt kÕ hÖ thèng soliton ............................36 3.1.1. ChÕ ®é soliton trung b×nh ………………… ………..36 3.1.2. NhiÔu khuÕch ®¹i …………………………………...38 3.1.3. Jitter thêi gian …………………………………… ...43 3.1.4. Mét sè kÕt qu¶ thùc nghiÖm ………………………..44 3.2. C¸c hÖ thèng soliton dung lîng cao ………………………..46 3.2.1. ChÕ ®é ®o¹n nhiÖt ………………………………… .46 3.2.2. GhÐp kªnh ph©n cùc ……………………………... ..48 3.2.3. KhuÕch ®¹i ph©n bæ ……………………………… ..50 kÕt luËn ...........................................................52 tµi liÖu tham kh¶o .............................................53 Lêi nãi ®Çu Tõ thuë xa xa con ngêi ®· biÕt b¸o hiÖu c¸c th«ng tin cho nhau b»ng ¸nh s¸ng. Qua thêi gian dµi cña sö ph¸t triÓn nh©n lo¹i, c¸c h×nh thøc th«ng tin ®· ®îc phong phó dÇn lªn vµ ngµy cµng ®îc ph¸t triÓn thµnh hÖ thèng th«ng tin hiÖn ®¹i nh ngµy nay, t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho kh¾p n¬i trªn thÕ giíi cã thÓ liªn l¹c ®îc víi nhau mét c¸ch dÔ dµng vµ nhanh chãng. SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 2 Kho¸ luËn tèt nghiÖp ë tr×nh ®é ph¸t triÓn cao vÒ th«ng tin nh hiÖn nay, c¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®· næi lªn vµ lµ c¸c hÖ thèng th«ng tin tiªn tiÕn bËc nhÊt. Nã ®îc triÓn khai nhanh trªn m¹ng líi viÔn th«ng cña c¸c quèc gia trªn thÕ giíi víi ®ñ mäi h×nh thøc linh ho¹t, tèc ®é vµ cù li truyÒn dÉn phong phó b¶o ®¶m chÊt lîng dÞch vô viÔn th«ng tèt nhÊt. Tõ nh÷ng n¨m 80 cña thÕ kØ XX. HÖ thèng th«ng tin quang ®· ®îc øng dông réng r·i trªn c¸c m¹ng truyÒn dÉn. Trong nh÷ng n¨m tíi vµ t¬ng lai c¸c hÖ thèng th«ng tin quang vÉn lµ c¸c hÖ thèng th«ng tin chñ ®¹o, chóng cßn tiÒm tµng kh¶ n¨ng rÊt lín trong viÖc hiÖn ®¹i ho¸ c¸c m¹ng líi viÔn th«ng trªn thÕ giíi. Chóng t«i nhËn thøc ®îc vai trß vµ tÇm quan träng cña hÖ thèng th«ng tin quang nh ®· nãi ë trªn. Chóng t«i chän híng nghiªn cøu “HÖ thèng th«ng tin quang soliton” víi c¸c néi dung chÝnh sau: Ch¬ng 1. Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang Giíi thiÖu tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang vµ hiÖu øng soliton. Ch¬ng 2. Soliton sîi - HÖ thèng th«ng tin solioton Tr×nh bµy mét sè vÊn ®Ò vÒ soliton sîi vµ hÖ thèng th«ng tin soliton. Ch¬ng 3. C¸c hÖ thèng soliton dung lîng cao Giíi thiÖu kh¸i qu¸t vÒ soliton dung lîng cao. Tuy nhiªn, víi tr×nh ®é cßn nhiÒu h¹n chÕ cña mét sinh viªn nªn ®Ò tµi nghiªn cøu nµy cña t«i sÏ kh«ng tr¸nh khái nh÷ng h¹n chÕ, sai sãt. Bëi vËy, t«i rÊt mong ®îc sù gióp ®ì vµ ®ãng gãp ý kiÕn cña c¸c thÇy, c« gi¸o cïng toµn thÓ c¸c b¹n sinh viªn ®Ó ®Ó ®Ò tµi ®îc hoµn chØnh h¬n. Nh©n ®©y, t«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n c¸c thÇy gi¸o, c« gi¸o cïng c¸c b¹n sinh viªn ®· quan t©m gióp ®ì, ®ãng gãp ý kiÕn quý b¸u trong qu¸ tr×nh hoµn thµnh luËn v¨n nµy . SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 3 Kho¸ luËn tèt nghiÖp CH¦¥NG 1 Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang HÖ thèng th«ng tin ®îc hiÓu mét c¸ch ®¬n gi¶n lµ hÖ thèng th«ng tin tõ n¬i nµy ®Õn n¬i kh¸c. Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c n¬i cã thÓ tõ vµi tr¨m mÐt tíi hµng tr¨m km, thËm chÝ hµng chôc ngµn km, th«ng tin cã thÓ ®îc truyÒn qua c¸c sãng ®iÖn víi c¸c gi¶i lÇn kh¸c nhau tõ vµi chôc mª-ga-mÐt víi hµng tr¨m tª-ra-hÐc. Cßn th«ng tin quang ®îc thùc hiÖn trªn hÖ thèng sö dông tÇn sè sãng mang cao trong vïng nh×n thÊy hoÆc hång ngo¹i cña phæ sãng ®Þªn tõ. HÖ thèng th«ng tin quang sîi lµ hÖ thèng th«ng tin b»ng sãng ¸nh s¸ng vµ sö dông tèt c¸c sîi quang ®Ó truyÒn th«ng tin. C¸c hÖ thèng nµy ®îc ph¸t triÓn rÊt nhanh vµ ®ang ®îc øng dông réng r·i trªn c¸c m¹ng truyÒn dÉn tõ n¨m 1980. Trong nh÷ng n¨m tíi vµ t¬ng lai c¸c hÖ thèng th«ng tin quang sîi vÉn lµ c¸c hÖ thèng th«ng tin chñ ®¹o, chóng cßn tiÒm tµng kh¶ n¨ng rÊt lín trong viÖc hiÖn ®¹i ho¸ c¸c m¹ng líi viÔn th«ng trªn thÕ giíi. 1.1. Kh¸i qu¸t vÒ lÞch sö ra ®êi th«ng tin quang Ngay tõ xa xa ®Ó th«ng tin cho nhau con ngêi ®· biÕt sö dông ¸nh s¸ng ®Ó b¸o hiÖu. Qua thêi gian dµi cña lÞch sö ph¸t triÓn nh©n lo¹i, c¸c h×nh thøc th«ng tin phong phó dÇn vµ ngµy cµng ph¸t triÓn thµnh nh÷ng hÖ thèng th«ng tin hiÖn ®¹i nh ngµy nay. T¹o cho mäi n¬i trªn thÕ giíi cã thÓ liªn l¹c víi nhau vµ mét c¸ch thuËn lîi vµ nhanh chãng. ë tr×nh ®é ph¸t triÓn cao vÒ th«ng tin nh hiÖn nay c¸c hÖ thèng th«ng tin SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 4 Kho¸ luËn tèt nghiÖp ®· næi lªn lµ c¸c hÖ thèng th«ng tin tiªn tiÕn bËc nhÊt, nã ®· ®îc triÓn khai nhanh trªn m¹ng líi viÔn th«ng c¸c níc trªn thÕ giíi cã ®ñ mäi cÊu h×nh linh ho¹t, ë c¸c tèc ®é vµ cù ly truyÒn dÉn phong phó b¶o ®¶m chÊt lîng dÞch vô viÔn th«ng tèt nhÊt. Th«ng tin quang ®îc tæ chøc hÖ thèng t¬ng tù nh c¸c hÖ thèng th«ng tin kh¸c, v× thÕ mµ thµnh phÇn c¬ b¶n nhÊt cña hÖ thèng th«ng tin lu«n tu©n theo mét hÖ thèng th«ng tin chung. SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 5 Kho¸ luËn tèt nghiÖp N¬i tÝn hiÖu ThiÕt bÞ ThiÕt bÞ N¬i tÝn cÇn truyÒn ®i thu M«i trêng ph¸t truyÒn dÉn hiÖu ®Õn §©y lµ nguyªn lÝ th«ng tin mµ loµi ngêi ®· sö dông ngay tõ thêi k× khai sinh ra c¸c h×nh thøc th«ng tin. Trong s¬ ®å nµy tÝn hiÖu truyÒn ®i sÏ ®îc ph¸t vµo m«i trêng t¬ng øng vµ ë tÝn hiÖu cÇn truyÒn th«ng tin, nh vËy tÝn hiÖu ®· ®îc th«ng tin tõ n¬i gi÷ tÝn hiÖu ®i tíi n¬i nhËn tÝn hiÖu ®Õn. §èi víi hÖ thèng th«ng tin quang th× m«i trêng truyÒn dÉn ë ®©y chÝnh lµ sîi dÉn quang, nã thùc hiÖn truyÒn ¸nh s¸ng mang tÝn hiÖu th«ng tin tõ phÝa ph¸t tíi phÝa thu. §Ó kh¶o s¸t mét c¸ch cã hÖ thèng vÒ th«ng tin quang, ta xem xÐt mét c¸ch kh¸i qu¸t bèi c¶nh h×nh thµnh c¸c hÖ thèng th«ng tin nãi chung, tõ ®ã sÏ thÊy ®îc hÖ thèng th«ng tin ra ®êi nh thÕ nµo. Cho tíi nay, ®· cã rÊt nhiÒu c¸c hÖ thèng th«ng tin díi c¸c h×nh thøc ®a d¹ng, c¸c hÖ thèng th«ng tin nµy ®îc g¸n cho c¸c tªn gäi nhÊt ®Þnh theo m«i trêng truyÒn dÉn vµ ®«i khi theo c¶ tÝnh chÊt dÞch vô cña hÖ thèng th«ng thêng th× c¸c hÖ thèng sau ®Òu lµ sù kÕ thõa tõ c¸c hÖ thèng tríc. C¸c hÖ thèng míi ®îc c¶i tiÕn vµ hoµn thiÖn h¬n c¸c hÖ thèng tríc nã. Sau thêi k× ph¸t minh ra m¸y ®iÖn b¸o cña Samuel F.B.Morse n¨m 1838, dÞch vô ®iÖn b¸o ®Çu tiªn ®îc ®a vµo vµ khai th¸c n¨m 1844 vµ dÇn dÇn t¨ng lªn víi sè lîng ®¸ng kÓ. N¨m 1878 ngêi ta ®· tiÕn hµnh ®Æt c¸c c¸p ®ång SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 6 Kho¸ luËn tèt nghiÖp ®Ó nèi víi tæng ®µi ®iÖn tho¹i t¹i New Henen bang Connecticut. N¨m 1895 GuglielmoMarconi øng dông bøc x¹ ®iÖn tõ bíc sãng dµi do HeinrichHertz ph¸t hiÖn vµo n¨m 1887 ®Ó truyÒn tÝn hiÖu v« tuyÕn. Nh÷ng n¨m sau ®ã vµ trong thÕ kû 20, m¹ng líi ®iÖn tho¹i ®· ®îc ph¸t triÓn réng kh¾p trªn thÕ giíi vµ liªn tiÕp xuÊt hiÖn nh÷ng c«ng nghÖ tiªn tiÕn trong viÖc thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng th«ng tin ®iÖn. Xu híng sö dông phæ sãng ®iÖn tõ ®Ó biÕn ®æi tÝn hiÖu truyÒn dÉn t¨ng lªn, ë ®©y tÝn hiÖu mang th«ng tin thêng ®îc chång lªn mét sãng ®iÖn tõ kh¸c cã d¹ng h×nh sin mµ ngêi ta thêng gäi lµ sãng mang tríc khi ®a vµo ®êng truyÒn. ë phÝa thu tÝn hiÖu chøa th«ng tin sÏ ®îc t¸ch ra khái sãng mang vµ ®îc xö lÝ l¹i theo yªu cÇu. Lîng th«ng tin ®îc ph¸t ®i cã liªn quan trùc tiÕp tíi b¨ng tÇn mµ sãng mang ho¹t ®éng, nh vËy t¨ng tÇn sè sãng mang tøc lµ t¨ng b¨ng tÇn truyÒn dÉn, lóc ®ã sÏ cã ®îc dung lîng th«ng tin lín h¬n. XuÊt ph¸t tõ ®©y, c¸c hÖ thèng th«ng tin ®iÖn cã ®îc c¬ héi ph¸t triÓn vµ sau nµy lÇn lît ra ®êi c¸c lÜnh vùc truyÒn h×nh, rada, c¸c tuyÕn viba. HÖ thèng viba ®Çu tiªn ho¹t ®éng víi tÇn sè sãng mang 4GHz ®· ®îc khai th¸c n¨m 1948, sau ®ã c¸c hÖ thèng cã b¨ng tÇn cao h¬n tiÕp tôc ®îc l¾p ®Æt trªn m¹ng líi. Cïng víi sù ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng viba, c¸c hÖ thèng c¸p ®ång trôc còng ®îc l¾p ®Æt ®Ó ho¹t ®éng víi tèc ®é bÝt ~ 100Mbit/s. N¨m 1975 hÖ thèng c¸p ®ång trôc tiªn tiÕn nhÊt cã tèc ®é lµ 274Mbit/s. C¸c hÖ thèng cã tèc ®é bÝt cao nh vËy cã cù ly kho¶ng lÆp rÊt ng¾n (~1km) vµ gi¸ thµnh rÊt ®¾t. C¸c hÖ thèng SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 7 Kho¸ luËn tèt nghiÖp viba cã tèc ®é bÝt t¬ng tù cã thÓ cho cù ly xa h¬n, nhng còng bÞ h¹n chÕ bëi tÇn sè sãng mang. Nh×n chung h×nh ¶nh cã ý nghÜa khi ®Ò cËp tíi kh¶ n¨ng cña hÖ thèng th«ng tin lµ tÝch tèc ®é bÝt – cù ly BL. Trong ®ã B lµ tèc ®é bÝt vµ L lµ cù ly kho¶ng lÆp. H×nh 1.2. M« t¶ tÝch BL t¨ng lªn theo tÝnh hiÖn ®¹i cña c«ng nghÖ th«ng tin trong mét thÕ kû rìi qua. H×nh1.2 : Sù t¨ng cña cña tÝch tèc ®é bit - cù ly Ta nhËn thÊy r»ng trong nöa cuèi thÕ kû 20. TÝch BL t¨ng m¹nh theo cÊp thËp ph©n nÕu sö dông sãng ¸nh s¸ng lµm sãng mang. Vµo n¨m 1960, viÖc ph¸t minh ra laser ®Ó lµm nguån ph¸t quang ®· më ra mét thêi k× míi cã nghÜa rÊt to lín trong lÞch sö cña kü thuËt th«ng tin sö dông d¶i tÇn sè ¸nh s¸ng. Sù kiÖn nµy g©y ra sù cuèn hót ®Æc biÖt c¸c nhµ nghiªn cøu hµng ®Çu vÒ th«ng tin trªn thÕ giíi vµ t¹o ra c¸c ý tëng tËp trung t×m tßi gi¶i ph¸p sö dông ¸nh s¸ng laser cho th«ng tin SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 8 Kho¸ luËn tèt nghiÖp quang. §ã lµ sù xuÊt ph¸t cña sù ra ®êi c¸c hÖ thèng th«ng tin quang. 1.2. Qu¸ tr×nh ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin quang Theo lÝ thuyÕt th× hÖ thèng th«ng tin quang cã thÓ cho phÐp con ngêi thùc hiÖn th«ng tin víi lîng kªnh rÊt lín vît gÊp nhiÒu lÇn c¸c hÖ thèng viba hiÖn cã. Hµng lo¹t thùc nghiÖm vÒ th«ng tin trªn bÇu khÝ quyÓn ®îc thùc hiÖn ngay sau ®ã, mét sè kÕt qu¶ ban ®Çu ®· thùc hiÖn ®îc nhng tiÕc r»ng chi phÝ cho viÖc nµy qu¸ kÐm, kinh phÝ tËp trung cho viÖc s¶n xuÊt c¸c thµnh phÇn thiÕt bÞ ®Ó vît qua ®îc c¸c c¶n trë cho ®iÒu kiÖn thêi tiÕt (ma, s¬ng mï, bôi …) g©y ra lµ con sè khæng lå, chÝnh v× vËy cha thu hót ®îc sù chó ý cña m¹ng líi. Mét híng nghiªn cøu kh¸c cïng thêi gian nµy ®· t¹o ®îc hÖ thèng truyÒn tin ®¸ng tin cËy h¬n lµ sù ph¸t minh ra sîi dÉn quang. C¸c sîi dÉn quang lÇn ®Çu tiªn ®îc chÕ t¹o mÆc dï cßn sai hao rÊt lín (kho¶ng 1000dB/km) ®· t¹o ra ®îc mét m« h×nh hÖ thèng cã xu híng linh ho¹t h¬n. Vµo n¨m 1966 Kao, Hockman vµ Werts ®· nhËn thÊy r»ng suy hao cña sîi dÉn quang chñ yÕu lµ do t¹p chÊt cã trong vËt liÖu chÕ t¹o cña sîi g©y ra vµ cho r»ng cã thÓ lµm gi¶m ®îc ®êng truyÒn dÉn kh¶ thi. §iÒu nµy ®· ®îc thùc hiÖn vµo n¨m 1970 khi Kapron, Keck vµ Mewrel chÕ t¹o mét sîi silica cã suy hao lµ 20dB/km t¹i Corning Glass. Suy hao nµy nhá h¬n so víi thêi ®iÓm ®Çu chÕ t¹o sîi vµ cho phÐp t¹o cù ly truyÒn dÉn t¬ng ®¬ng víi c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn b»ng c¸p ®ång. Víi sù cè g¾ng kh«ng ngõng cña c¸c nhµ nghiªn cøu, c¸c sîi dÉn quang cã suy hao nhá h¬n SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 9 Kho¸ luËn tèt nghiÖp lÇn lît ra ®êi. Tíi ®Çu nh÷ng n¨m 1980 c¸c hÖ thèng th«ng tin trªn sîi dÉn quang ®· ®îc phæ biÕn kh¸ réng víi vïng bíc sãng lµm viÖc 130nm. Cho ®Õn nay sîi dÉn quang ®· ®¹t tíi møc sai hao rÊt nhá, gi¸ trÞ suy hao díi 0,154 dB/km t¹i bíc sãng 1550nm ®· cho thÊy sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c«ng nghÖ sîi quang trong gÇn ba thËp kØ võa qua. Gi¸ trÞ suy hao nµy ®· gÇn ®¹t tíi tÝnh to¸n lÝ thuyÕt cho c¸c sîi ®¬n mode lµ 0,14dB/km. Cïng víi c«ng nghÖ chÕ t¹o ph¸t vµ thu quang, sîi dÉn quang ®· t¹o ra c¸c hÖ thèng th«ng tin quang cã u ®iÓm tréi h¬n h¼n so víi c¸c hÖ thèng th«ng tin c¸p kim lo¹i. - Suy hao truyÒn dÉn nhá - B¨ng tÇn truyÒn dÉn rÊt lín - Kh«ng bÞ ¶nh hëng cña nhiÔu ®iÖn tõ - Cã tÝnh b¶o mËt tÝn hiÖu th«ng tin cao - Cã kÝch thíc vµ träng lîng nhá - Sîi cã tÝnh c¸ch ®iÖn tèt - Tin cËy vµ linh ho¹t - Sîi ®îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu rÊt s½n cã V× vËy c¸c hÖ thèng th«ng tin quang nhanh chãng ®îc ¸p dông réng r·i trªn m¹ng líi. Chóng cã thÓ ®îc x©y dùng lµm c¸c tuyÕn ®êng trôc, trung kÕ, liªn tØnh, thuª bao cã thÓ kÐo dµi cho tíi c¶ viÖc truy cËp vµo viÖc thuª bao linh ho¹t vµ ®¸p øng ®îc mäi m«i trêng l¾p ®Æt tõ trong nhµ, trong c¸c cÊu h×nh thiÕt bÞ cho tíi xuyªn lôc ®Þa, vît ®¹i d¬ng v v… C¸c hÖ thèng th«ng tin quang còng rÊt phï hîp cho c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn sè kh«ng lo¹i trõ tÝn hiÖu díi d¹ng ghÐp kªnh nµo, SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 10 Kho¸ luËn tèt nghiÖp theo c¸c tiªu chuÈn B¾c Mü, Ch©u ¢u hay NhËt B¶n nh ë b¶ng 1.2. B¾c Mü Ph© Tèc ®é n Sè kªnh CÊp Ch©u ¢u NhËt B¶n bÝt Tèc ®é bÝt Sè Tèc ®é bit kªnh Mbit/s tho¹i 1 2 24 30 3 96 5 tho¹i 8 44,36 448 96 480 32,064 480 139,264 1920 274,176 4032 6,312 34,368 274,176 4032 1,544 24 120 672 Mit/s 2,048 6,312 4 kªnh Mbit/s tho¹i 1,544 97,728 1440 565,148 7680 Sè 396,200 5760 B¶ng 1.2. Tèc ®é truyÒn dÉn tiªu chuÈn ë B¾c Mü, Ch©u ¢u vµ NhËt Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y cã mét tiªu chuÈn míi ®îc ph¸t triÓn ®îc gäi lµ SONET tèc ®é truyÒn dÉn ë ®©y cã h¬i kh¸c, nã x¸c ®Þnh cÊu tróc khung ®ång bé ®Ó gi÷ mét lu lîng ghÐp kªnh sè trªn sîi quang. Tèc ®é truyÒn dÉn c¬ b¶n vµ lµ møc ®Çu tiªn cña ph©n cÊp tÝn hiÖu SONET gäi lµ “TÝn hiÖu truyÒn t¶i ®ång bé – cÊp 1” STS –1 vµ cã tèc ®é bÝt 51,94Mbit/s. C¸c tÝn hiÖu SONET cÊp cao h¬n gäi lµ tÝn hiÖu OC-N. TÝn hiÖu OC-N sÏ cã ®êng truyÒn gÊp nhiÒu l©n tÝn hiÖu OC-1 SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 11 Kho¸ luËn tèt nghiÖp OC- Møc Tèc 1 ®é truyÒn 1,8 4 (Mbit/s) OC-3 OC-9 OC- OC- 12 18 155,5 466,5 622,0 933,1 2 6 6 OC-24 OC-36 OC-48 1244, 1866, 2488, 16 24 32 2 B¶ng 1.3. C¸c níc ph©n cÊp tÝn hiÖu SONET HiÖn nay c¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®· ®îc øng dông réng r·i trªn thÕ giíi, chóng ®¸p øng c¶ c¸c tÝn hiÖu t¬ng tù (analong) vµ sè (digital), chóng cho phÐp truyÒn tÊt c¶ c¸c tÝn hiÖu dÞch vô b¨ng hÑp vµ b¨ng réng, ®¸p øng ®Çy ®ñ cña m¹ng sè liªn kÕt ®a dÞch vô (ISDN). Sè lîng c¸p quang hiÖn nay ®îc l¾p ®Æt trªn thÕ giíi víi sè lîng rÊt lín, ë ®ñ mäi tèc ®é truyÒn dÉn víi c¸c cù ly kh¸c nhau, c¸c cÊu tróc m¹ng ®a d¹ng. Thùc tÕ, th«ng tin quang ®ang ë giai ®o¹n kÕt thóc thÕ hÖ thø t vµ b¾t ®Çu thÕ hÖ thø n¨m víi viÖc gi¶i quyÕt t¸n s¾c cña sîi quang cïng víi øng dông quang khuÕch ®¹i quang trªn diÖn réng. C¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®· ®îc triÓn khai thö nghiÖm thµnh c«ng víi nh÷ng ®Æc tÝnh rÊt hÊp dÉn nh tèc ®é 1,2Tbit/s hay truyÒn dÉn soliton cù ly 9400 km t¹i tèc ®é 70Gbit/s nhê ghÐp 7 kªnh 10Gbit/s… Râ rµng lµ th«ng tin quang lu«n mang l¹i nhiÒu bÊt ngê trong sù ph¸t triÓn c«ng nghÖ. §iÒu ®ã muèn nãi r»ng chóng ta ph¶i thêng xuyªn bæ tóc nhiÒu kiÕn thøc vÒ th«ng tin quang. 1.3. C¸c thµnh phÇn chÝnh cña hÖ thèng th«ng tin quang SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 12 Kho¸ luËn tèt nghiÖp C¸c thµnh phÇn chÝnh cña tuyÕn gåm cã thiÕt bÞ ph¸t quang - cßn gäi lµ bé ph¸t quang, c¸p sîi quang vµ thiÕt bÞ thu quang - hay bé thu quang. Nã cã cÊu tróc tuyÕn th«ng tin quang nh h×nh 1.3 H×nh 1.3. C¸c thµnh phÇn chÝnh cña tuyÕn truyÒn dÉn c¸p sîi quang ThiÕt bÞ ph¸t quang ®îc cÊu t¹o tõ nguån ph¸t tÝn hiÖu quang vµ c¸c m¹ch ®iÖn ®iÒu khiÓn liªn kÕt víi nhau. C¸p sîi quang gåm cã c¸c sîi dÉn quang vµ c¸c líp vá bäc xung quanh ®Ó b¶o vÖ khái t¸c ®éng cã h¹i tõ m«i trêng bªn ngoµi. ThiÕt bÞ thu quang ®îc cÊu t¹o tõ bé t¸ch sãng quang vµ c¸c m¹ch khuÕch ®¹i, t¸i t¹o tÝn hiÖu hîp thµnh. Ngoµi c¸c thµnh phÇn chñ yÕu nµy, tuyÕn th«ng tin quang cßn cã c¸c bé ghÐp nèi quang (connector), c¸c mèi hµn, c¸c bé chia quang, vµ c¸c tr¹m lÆp, ë c¸c tuyÕn th«ng tin quang hiÖn ®¹i cßn cã thÓ cã c¸c bé khuÕch ®¹i quang, thiÕt bÞ bï t¸n s¾c vµ c¸c tr¹m xen rÏ kªnh, tÊt c¶ t¹o nªn mét tuyÕn th«ng tin quang hoµn chØnh. SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 13 Kho¸ luËn tèt nghiÖp T¬ng tù nh c¸p ®ång, c¸p sîi quang ®îc khai th¸c víi nhiÒu ®iÒu kiÖn l¾p ®Æt kh¸c nhau. Chóng cã thÓ ®îc treo ngoµi trêi, ch«n trùc tiÕp díi ®Êt, kÐo trong cèng, ®Æt díi biÓn. Tuú thuéc vµo c¸c ®iÒu kiÖn l¾p ®Æt kh¸c nhau, mµ ®é dµi chÕ t¹o cña c¸p còng kh¸c nhau, cã thÓ dµi tõ vµi tr¨m mÐt tíi vµi kil«mÐt. Tuy nhiªn ®«i khi kÝch cì cña c¸p còng phô thuéc vµo tõng ®iÒu kiÖn cô thÓ, ch¼ng h¹n nh c¸p ®îc kÐo trong cèng sÏ kh«ng cho phÐp dµi ®îc, c¸p cã ®é dµi kh¸ lín th«ng thêng ®îc dïng hoÆc treo hoÆc ch«n trùu tiÕp. C¸c mèi hµn sÏ nèi c¸c ®é dµi cña c¸p thµnh ®é dµi tæng céng cña tuyÕn ®êng ®îc l¾p ®Æt Mét trong nh÷ng ®Æc tÝnh cña sîi quang lµ suy hao, ®ã lµ mét hµm cña bíc sãng. §Æc tÝnh suy hao cña sîi quang theo bíc sãng tån t¹i ba vïng mµ t¹i ®ã cã suy hao thÊp lµ c¸c vïng bíc sãng 850nm, 1300nm vµ 1550nm. Ba vïng bíc sãng nµy ®îc sö dông cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang vµ ®îc gäi t¬ng øng lµ c¸c vïng cöa sæ thø nhÊt, thø hai vµ thø ba. Thêi kú cña kü thuËt th«ng tin quang cöa sæ thø nhÊt ®îc sö dông. Nhng sau nµy c«ng nghÖ chÕ t¹o sîi ph¸t triÓn m¹nh, suy hao ë hai cöa sæ sau rÊt nhá cho nªn c¸c hÖ thèng th«ng tin quang chñ yÕu ho¹t ®éng ë cöa sæ thø hai vµ thø ba. C¸c híng nghiªn cøu vÒ c«ng nghÖ sîi quang cßn cho biÕt r»ng, suy hao sîi quang ë c¸c vïng bíc sãng dµi h¬n cßn nhá h¬n nöa. Gi¸ trÞ suy hao sîi nhá nhÊt cã thÓ thu ®îc l¹i ë vïng bíc sãng 2,55m trªn sîi Fluoride. Sîi dÉn quang cã suy hao nhá nµy ®îc chÕ t¹o tõ thñy tinh fluoride cã hµm lîng kim lo¹i nÆng trong ®ã ZrF4 lµ thµnh phÇn chñ yÕu. Gi¸ trÞ suy hao tèi thiÓu ë sîi ®Æc biÖt SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 14 Kho¸ luËn tèt nghiÖp nµy ®¹t tíi 0.01 ®Õn 0,001dB/km, nhng viÖc chÕ t¹o cña sîi quang lo¹i nµy cã ®é dµi ®ñ lín lµ khã kh¨n. Thø nhÊt lµ ph¶i sö dông c¸c nguyªn liÖu cùc k× tinh khiÕt ®Ó t¹o møc suy hao thÊp. Thø hai lµ thuû tinh fluoride dÔ bÞ ho¸ mê, chóng cã ¶nh hëng rÊt nhiÒu tíi suy hao t¸n x¹. Nguån ¸nh s¸ng ®îc sö dông ®Ó ph¸t tÝn hiÖu vµo sîi quang thêng ph¶i t¬ng thÝch víi lâi c¸c sîi quang vÒ kÝch thíc. Nguån ph¸t quang ë thiÕt bÞ cã thÓ sö dông ®ièt ph¸t quang (LED) hoÆc Laze b¸n dÉn (LD). C¶ hai lo¹i nµy ®Òu phï hîp cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang, cã tÝn hiÖu quang ®Çu ra t¬ng øng víi sù thay ®æi cña dßng ®iÒu biÕn. TÝn hiÖu ®iÖn ë ®Çu vµo thiÕt bÞ ph¸t cã thÓ cã d¹ng sè hoÆc ®«i khi cã d¹ng t¬ng tù. ThiÕt bÞ ph¸t sÏ thùc hiÖn biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn nµy thµnh tÝn hiÖu quang t¬ng øng vµ c«ng suÊt quang ®Çu ra sÏ phô thuéc vµo sù thay ®æi cña cêng ®é dßng ®iÒu biÕn. C«ng suÊt ph¸t quang lµ mét tham sè thiÕt kÕ quan träng v× nã gãp phÇn x¸c ®Þnh ®îc suy hao sîi quang hoÆc c«ng suÊt trªn tuyÕn ®îc phÐp lµ bao nhiªu. Nã ®îc diÔn gi¶i b»ng ®¬n vÞ dBm víi møc 1mw lµm møc tham kh¶o.  t  BiÓu thøc x¸c ®Þnh chung lµ: pt  dBm   10 log10  1mw  p   Bíc sãng lµm viÖc cña nguån ph¸t quang c¬ b¶n phô thuéc vµo vËt liÖu cÊu t¹o. §u«i sîi ra (pigtail) cña nguån ph¸t quang ph¶i phï hîp víi sîi dÉn quang ®îc khai th¸c trªn tuyÕn. TÝn hiÖu ¸nh s¸ng ®· ®îc ®iÒu chÕ t¹i nguån ph¸t quang sÏ lan truyÒn däc theo sîi dÉn quang ®Ó tíi thiÕt bÞ thu quang. Khi truyÒn trªn sîi dÉn quang, tÝn hiÖu ¸nh s¸ng thêng SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 15 Kho¸ luËn tèt nghiÖp bÞ suy hao vµ t¨ng dÇn ®é mÐo theo kho¶ng c¸ch do hiÖu øng t¸n x¹, hÊp thô, t¸n s¾c vµ mét sè ¶nh hëng kh¸c g©y nªn. Bé t¸ch sãng quang trong thiÕt bÞ thu quang thùc hiÖn tiÕp nhËn ¸nh s¸ng vµ lÊy tÝn hiÖu thêng ph¸t tíi. TÝn hiÖu quang ®îc biÕn ®æi trùc tiÕp trë l¹i thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. C¸c p«-t«-®i«t p-i-n vµ ph«-t«-®i«t th¸c APD ®Òu cã thÓ sö dông lµm bé t¸ch sãng quang trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang, c¶ hai lo¹i nµy nh×n chung ®Òu cã hiÖu suÊt lµm viÖc cao vµ cã tèc ®é chuyÓn ®æi nhanh. Víi c¸c øng dông mµ tÝn hiÖu ¸nh s¸ng thu ®îc cã c«ng su©t thÊp th× thêng sö dông ph«t«-®i«t th¸c v× nã cã ®é nh¹y cao h¬n nhê c¬ chÕ khuÕch ®¹i néi (hiÖu øng th¸c). Trong vïng 800nm ®Õn 900nm thêng sö dông t¸ch sãng quang silicon. C¸c vËt liÖu b¸n dÉn chÕ t¹o nªn c¸c bé t¸ch sãng quang sÏ quyÕt ®Þnh bíc sãng lµm viÖc cña chóng vµ ®u«i sîi quang ®Çu vµo cña c¸c bé t¸ch sãng quang còng ph¶i phï hîp víi sîi dÉn quang ®îc sö dông trªn tuyÕn l¾p ®Æt. YÕu tè quan träng nhÊt ph¶n ¸nh hiÖu suÊt lµm viÖc cña mét thiÕt bÞ thu quang lµ ®é nh¹y cña quang, nã m« t¶ c«ng suÊt quang nhá nhÊt cã thÓ thu ®îc ë mét tèc ®é truyÒn dÉn sè nµo ®ã øng víi tû lÖ lái bÝt (BER) cña hÖ thèng, ®iÒu nµy t¬ng tù nh tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu ë c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn t¬ng tù. Khi kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn kh¸ dµi, tíi mét cù ly nµo ®ã, tÝn hiÖu quang trong sîi bÞ suy hao kh¸ nhiÒu th× cÇn thiÕt ph¶i cã tr¹m lÆp quang lµm nhiÖm vô khuÕch ®¹i vµ t¸i t¹o tÝn hiÖu. CÊu tróc thiÕt bÞ tr¹m lÆp quang gåm cã thiÕt bÞ ph¸t vµ thiÕt bÞ thu ghÐp quay phÇn ®iÖn vµo nhau. ThiÕt bÞ SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 16 Kho¸ luËn tèt nghiÖp thu ë tr¹m lÆp sÏ thu tÝn hiÖu quang yÕu råi tiÕn hµnh biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn, khuÕch ®¹i tÝn hiÖu ®iÖn nµy, t¸i t¹o h×nh d¹ng vµ ®a vµo ®Çu vµo thiÕt bÞ ph¸t quang. ThiÕt bÞ ph¸t quang thùc hiÖn biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn thµnh tÝn hiÖu quang råi l¹i ph¸t tiÕp vµo ®êng truyÒn. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y, c¸c bé khuÕch ®¹i quang ®· ®îc sö dông ®Ó thay thÕ cho c¸c tr¹m lÆp quang, nã thùc hiÖn khuÕch ®¹i trùc tiÕp tÝn hiÖu quang mµ kh«ng ph¶i th«ng qua qu¸ tr×nh biÕn ®æi quang- ®iÖn. 1.4. HiÖu øng soliton Khi xung lan truyÒn trong m«i trêng phi tuyÕn, bao giê còng thay ®æi c¸c th«ng sè cña xung trong qu¸ tr×nh lan truyÒn còng chÞu ¶nh hëng cña nhiÒu hiÖu øng kh¸c nhau. XÐt ®èi víi hiÖu øng kh«ng gian, ®ã lµ hiÖn tîng tù héi tô vµ tÝn hiÖu ph©n k×, cßn hiÖu øng liªn quan ®Õn thêi gian ®ã lµ hiÖu øng t¸n s¾c vµ hiÖu øng tù biÕn ®iÖu pha. Trong qu¸ tr×nh lan truyÒn xung cã thÓ bÞ nÐn l¹i hay më réng ra, tuú thuéc vµo mèi t¬ng quan gi÷a c¸c hiÖu øng ®ã. Trong tr- êng hîp ®Æc biÖt, khi c¸c hiÖu øng tù triÖt tiªu lÉn nhau lóc ®ã xung lan truyÒn trong m«i trêng sÏ cã h×nh d¹ng kh«ng thay ®æi vµ ®îc gäi lµ soliton. 1.4.1. C¬ së cña soliton thêi gian Xung ¸nh s¸ng lan truyÒn trong m«i trêng t¸n s¾c tuyÕn tÝnh, h×nh d¹ng cña nã liªn tiÕp thay ®æi. Bëi v× c¸c thµnh phÇn tÇn sè hîp thµnh xung lan truyÒn víi c¸c nhãm vËn tèc kh¸c nhau vµ chÞu nh÷ng thêi gian trÔ kh¸c nhau. Trong khi ®ã ®èi víi m«i trêng phi tuyÕn kh«ng t¸n s¾c, h×nh d¹ng cña SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý 17 Kho¸ luËn tèt nghiÖp xung trong khi lan truyÒn kh«ng bÞ thay ®æi mµ chØ cã sù dÞch chuyÓn tÇn sè g©y nªn bëi hiÖn tîng tù biÕn ®iÖn pha. Tuú thuéc vµo tÝnh chÊt cña m«i trêng mµ t¸c ®éng cña c¸c hiÖu øng nµy cã thÓ cïng chiÒu hay ngîc chiÒu nhau. Trong trêng hîp ®Æc biÖt, t¸c ®éng cña hai hiÖu øng nµy tù triÖt tiªu lÉn nhau vµ lóc nµy cã soliton thêi gian. Trong m«i trêng t¸n s¾c thêng, nghÜa lµ hÖ sè 0” > 0, lóc nµy vËn tèc nhãm t¨ng dÇn theo sù t¨ng cña bíc sãng. ChÝnh ®iÒu chØnh nµy ®· lµm cho sên tríc cña xung trong qu¸ tr×nh lan truyÒn bÞ dÞch chuyÓn vÒ phÝa bíc sãng ng¾n, cßn sên sau cña xung dÞch chuyÓn vÒ bíc sãng dµi (h×nh 1.4). '' Trong m«i trêng t¸n s¾c dÞ thêng, nghÜa lµ  0  0 , trêng hîp nµy vËn tèc nhãm gi¶m dÇn theo sù t¨ng cña bíc sãng. §iÒu nµy dÉn ®Õn sên tríc cña xung trong qu¸ tr×nh lan truyÒn bÞ dÞch chuyÓn vÒ phÝa bíc sãng dµi, cßn sên sau cña xung l¹i dÞch chuyÓn vÒ phÝa bíc sãng ng¾n, nh÷ng sù thay ®æi nµy cã thÓ thÊy râ trong h×nh 1.5. Khi bá qua hiÖn tîng t¸n s¾c, trong m«i trêng phi tuyÕn, xung lan truyÒn cã h×nh d¹ng vµ cêng ®é kh«ng thay ®æi, nhng pha cña chóng l¹i thay ®æi do sù phô thuéc cña chiÕt suÊt vµo cêng ®é trêng. ChÝnh sù tù biÕn ®iÖu pha ®· g©y nªn sù tù dÞch tÇn, tuy nhiªn sù tù dÞch tÇn cßn phô thuéc vµo dÊu cña chiÕt suÊt phi tuyÕn n2 t M«i tr êng t¸n s¾c SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn -tuyÕ Líp 43B - VËt lý n H×nh 1.4. Sù më réng xung khi lan truyÒn tÝnh trong m«i trêng t¸n s¾c thêng. 18 Kho¸ luËn tèt nghiÖp t M«i trêng t¸n s¾c tuyÕ n tÝnh H×nh 1.5. Sù më réng xung khi lan truyÒn trong m«i trêng t¸n s¾c dÞ thêng . Trêng hîp mµ chiÕt suÊt phi tuyÕn n 2 > 0, trong qu¸ tr×nh lan truyÒn trong m«i trêng phi tuyÕn sên tríc cña xung tÇn sè t¨ng thªm (dÞch chuyÓn vÒ ph¸i tÇn sè cao). Ngîc l¹i tÇn sè cña sên sau l¹i gi¶m (dÞch chuyÓn vÒ tÇn sè thÊp ). Nh÷ng ®iÒu nµy cã thÓ thÊy râ trong h×nh 1.6 H×nh 1.6: Qu¸ tr×nh tù biÕn ®æi pha qua m«i trêng Kerr SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý (a) Biªn ®é chuÈn ho¸ cña xung vµo, (b) Hµm biÕn ®æi pha c¶m øng 19