Mô tả toán học và các phương pháp mô phỏng 12 quá trình truyền dẫn xung quang sợi đơn mode

g 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.
4.2 Thiết kế hệ thống soliton
Hệ thống thông tin quang sợi tốc độ cao thường bị hạn chế bởi tán sắc vận tốc nhóm mà mở rộng xung và suy hao năng lượng. Các soliton ra đời đã giúp cho cải tiến hiệu năng hệ thống, hạn chế tán sắc duy trì độ rộng xung nhờ việc cân bằng ảnh hưởng của GVD và hiện tượng phi tuyến SPM. Tuy nhiên, trong thiết kế hệ thống soliton, nhiều yếu tố giới hạn không tránh được và cần được xem xét để tối giản ảnh hưởng của nó. Các nhân tố chính giới hạn khoảng cách truyền dẫn soliton gồm suy hao sợi, tương tác soliton và jitter timing.
Khi xem xét vấn đề suy hao sợi, để chống lại ảnh hưởng của nó người ta sử dụng các cơ chế khác nhau tùy thuộc vào suy hao trên chiều dài tán sắc () và khoảng cách bộ khuyếch đại LA. Nếu >LD, soliton có thể sửa suy hao năng lượng đoạn nhiệt, cơ chế này được gọi là cơ chế tựa đoạn nhiệt và sẽ được thảo luận ở chương kế tiếp. Còn nếu LA<<LD hình dạng soliton không bị méo nhiều dù có suy hao năng lượng. Trong hệ thống đó, soliton có thể được khuyếch đại hàng trăm lần mà vẫn duy trì hình dạng của nó. Vì tiến trình soliton thường được chi phối bởi năng lượng soliton trung bình trên các khoảng khuyếch đại LA nên chế độ vận hành này được gọi là cơ chế soliton trung bình. Trong phần này chúng ta sẽ xem xét các vấn đề cần chú ý khi thiết kế hệ thống truyền thông soliton theo cơ chế trung bình.
4.2.1 Cơ chế soliton trung bình
Sự khuyếch đại định kỳ của soliton có thể được tính toán bằng việc thêm một số hạng khuyếch đại vào phương trình (3.13) và NSE khi đó có dạng như sau [7]:
(3.16)
Với NA là số bộ khuyếch đại; là hệ số khuyếch đại cần để bù suy hao sợi; Hàm delta tính cho bản chất tập trung của sự khuyếch đại ở vị trí ; Hệ số trình bày sự thay đổi biên độ trong suốt quá trình khuyếch đại.
Vì sự thay đổi nhanh của năng lượng soliton được đưa ra bởi sơ đồ khuyếch đại tập trung, ta thực hiện chuyển đổi sau:
(3.17)
tương ứng là hàm biến thiên nhanh và chậm của .
Thay vào phương trình (3.16) ta có:
(3.18)
và (3.19)
Để ý số hạng cuối trong phương trình (3.19) là tuần hoàn và chỉ góp phần tại , là hàm tuần hoàn của . Trong mỗi chu kỳ giảm theo hàm mũ và trở về giá trị đầu ở cuối chu kỳ đó.
thay đổi nhanh với một chu kỳ . Vì các soliton tiến triển ít qua một khoảng cách ngắn , người ta có thể thay thế bằng một giá trị trung bình của nó qua một chu kỳ. Sự xấp xỉ này có thể được chứng minh bằng việc sử dụng với là soliton trung bình thõa mãn hàm NSE chuẩn:
i (3.20)
và là một sự dao động của theo tương đối nhỏ khi . Công suất đỉnh đầu vào Pin của soliton trung bình được lựa chọn sao cho . Suy ra:
Pin = (3.21)
Với G=, P0 là công suất đỉnh trong sợi không suy hao.
Hình 3.7 miêu tả tiến trình soliton trung bình trong cơ chế soliton trung bình qua khoảng cách 10000km, LA=50km. Khi LD=200km, độ rộng soliton được duy trì tốt thậm chí sau 200 lần khuyếch đại vì điều kiện <<1 được thõa mãn. Tuy nhiên nếu chiều dài tán sắc giảm xuống 25km, soliton bị phá hủy vì nó không lan truyền lâu trong cơ chế soliton trung bình.
Hình 4.7. Tiến trình soliton trong cơ chế soliton trung bình qua khoảng cách 10000km với LA=50km, a=0,22dB/km và và a) LD=200km, b)LD=25km
Điều kiện hay LA< T0>> (3.22)
Tốc độ bit B= (3.23)
Dựa vào phương trình (3.23) ta thấy rõ ràng sử dụng cơ chế soliton trung bình giới hạn cả về tốc độ lẫn khoảng cách bước bộ khuyếch đại của một hệ thống soliton.
4.2.2. Sự khuyếch đại phân bố.
Điều kiện LA< Ưu điểm của sự khuyếch đại phân bố có thể thấy trong phương trình (9.3.7) mà có thể được viết dưới dạng các đơn vị vật lý như sau:
(9.3.11)
Nếu g(z)= với mọi z, công suất đỉnh hay năng lượng soliton duy trì không đổi dọc theo tuyến sợi quang. Đây là một trường hợp lý tưởng mà sợi quang thực sự không bị tổn thất. Thực tế, sự tăng ích được thực hiện bằng cách bơm tập trung công suất một cách định kỳ vào trong tuyến sợi quang. Do công suất tập trung không duy trì hằng số vì các tổn thất sợi và sự suy yếu tập trung, g(z) không thể duy trì không đổi dọc theo sợi. Tuy nhiên, mặc dù các tổn thất sợi không thể được bù tại mọi nơi bên trong sợi, chúng có thể được bù đầy đủ trên khoảng cách LA được cho:
(9.3.12)
Kỹ thuật khuyếch đại phân bố được thiết kế để thõa mãn phương trình (9.3.12). Khoảng cách LA...