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.
2
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:
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.
3
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)
Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang
Thiết bị phát
tín hiệu
Môi trường
truyền dẫn
Thiết bị thu
tín hiệu
4
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 Time-
Multiplex 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.
5
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:
cm n
sinsin 1
(1.1)
1
2
0cos)90sin( n
n
cc
(1.2)
