Nghiên cứu thiết kế cấu trúc tinh thể đa lõi ứng dụng trong các thiết bị truyền dẫn quang băng rộng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Ngọc Khánh NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẤU TRÚC TINH THỂ ĐA LÕI ỨNG DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Truyền thông LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGHÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Hoàng Hải Hà Nội – 2014 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Ngọc Khánh Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế cấu trúc tinh thể đa lõi ứng dụng thiết bị truyền dẫn quang băng rộng Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Mã số SV: CB120699 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 18/10/2014 với nội dung sau: + Chỉnh sửa lại cách thức trích dẫn tài liệu tham khảo theo quy định + Sửa lại lỗi tả luận văn + Bổ sung thông tin mục “Kết luận chung” + Đính lại thơng tin số từ viết tắt Ngày …./.…/…… Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG 13 1.1 SỢI QUANG THÔNG THƯỜNG 13 1.1.1 Cơ chế dẫn sóng 13 1.1.2 Các thuộc tính 15 1.2 TINH THỂ QUANG 18 1.2.1 Tinh thể chiều: Cách tử Bragg 18 1.2.2 Tinh thể quang hai chiều ba chiều 19 1.2.3 Dẫn sóng sợi quang tinh thể quang 19 1.3 SỢI TINH THỂ QUANG LÕI CHIẾT SUẤT CAO 20 1.3.1 Lịch sử 20 1.3.2 Cơ chế dẫn sóng 21 1.3.3 Số mode 22 1.3.4 Sợi đơn mode vô hạn 23 1.3.5 Tán sắc 23 1.3.6 Hiệu ứng phi tuyến 24 1.3.7 Lưỡng chiết 25 1.3.8 Suy hao giam giữ 26 1.4 KẾT LUẬN 26 CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH PHI TUYẾN 27 2.1 HIỆN TƯỢNG PHI TUYẾN 27 2.1.1 Giới thiệu tượng phi tuyến 27 2.1.2 Tự điều chế pha SPM [1] 28 2.1.3 Điều chế xuyên pha (Cross phase modulation-CPM) [3] 29 2.1.4 Các hiệu ứng phân cực [4] 30 2.1.5 Tán xạ Raman kích thích [5] 31 2.1.6 Tán xạ Brillouin kích thích [7] 31 2.1.7 Trộn bốn bước sóng FWM [8] 33 2.2 QUÁ TRÌNH TẠO SC [9] 33 2.2.1 Giới thiệu chung 33 2.2.2 Tính chất vật lý trình tạo SC 34 2.3 PCFs PHI TUYẾN CAO VÀ PCFs LƯỠNG CHIẾT CAO [9] 34 2.3.1 PCFs phi tuyến cao 34 2.3.2 PCFs lưỡng chiết cao 36 2.4 HỆ SỐ PHI TUYẾN CỦA SỢI PCFs LÕI RỖNG [9] 36 2.5 ĐẶC TÍNH TÁN SẮC VÀ BƯỚC SÓNG BƠM [9] 39 2.5.1 Bơm bước sóng vùng tán sắc bất thường 39 2.5.2 Bơm bước sóng vùng tán sắc bình thường 40 2.6 KẾT LUẬN 41 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CÁC CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG 43 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 43 3.2 PHÂN TÍCH TỪ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY [1, 2] 44 3.3 KẾT LUẬN 50 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẤU TRÚC TINH THỂ DUAL CORE CHO CÁC ỨNG DỤNG THIẾT BỊ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG 51 4.1 TÍNH CHẤT CỦA PCFs ĐA LÕI VÀ MỤC ĐÍCH THIẾT KẾ 51 4.1.1 Tính chất PCF đa lõi 51 4.1.2 Mục đích thiết kế 53 4.2 CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA 53 4.2.1 Cơng cụ mô 53 4.2.2 Phương pháp mơ hình hóa [1] 54 4.3 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC THỨ NHẤT: BỘ CHIA HAI NGUỒN QUANG 56 4.3.1 Thiết kế xây dựng mơ hình tốn học 56 4.3.2 Thiết kế cấu trúc PCF phần mềm APSS 58 4.3.3 Đề xuất cấu trúc có đường kính lỗ khí hai vịng khác vịng cịn lại 59 4.3.4 Đề xuất cấu trúc đường kính lỗ khí ba vịng khác vịng lại 63 4.3.5 Cấu trúc tối ưu 67 4.4 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC THỨ HAI: BỘ CHIA BỐN NGUỒN QUANG 75 4.4.1 Thiết kế xây dựng mơ hình tốn học 75 4.4.2 Kết mô 77 4.4.3 Cấu trúc tối ưu 82 4.5 KẾT LUẬN 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 PHỤ LỤC 95 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn nội dung đề cập luận văn “Nghiên cứu thiết kế cấu trúc tinh thể đa lõi ứng dụng thiết bị truyền dẫn quang băng rộng” viết dựa kết nghiên cứu theo đề cương cá nhân hướng dẫn TS Nguyễn Hoàng Hải với kết nghiên cứu mổ thực tế Mọi thông tin số liệu tham khảo trích dẫn dầy đủ nguồn sử dụng luật quyền quy định Tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Học viên Nguyễn Ngọc Khánh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt PCFs Ý nghĩa Tên Tiếng Anh Photonic Crystal Fibres Sợi tinh thể quang Affective Area Diện tích hiệu dụng D Dispersion Tán sắc Ds Dispersion Slope Độ dốc tán sắc Lc Comfinement Loss Suy hao giam giữ Ls Splicing Loss Suy hao hàn nối Bm Birefringence Lưỡng chiết quang FWM Four-Wave Mixing Trộng bốn bước sóng MOF Microstructured Optical Fiber Sợi quang vi cấu trúc APSS Apollo Photonic Solution Suite Chương trình mô quang Aeff Apollo NLSE Nonlinear Schrodinger Equation Phương trình phi tuyến Schordinger SI Step Index Chiết suất nhảy bậc FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bước sóng SPM Self Phase Modulation Tự điều pha CPM Cross Phase Modulation Điều chế xuyên pha FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FDTD Finite Fifference Time Domain Phương pháp sai phân hữu hạn Method miền thời gian DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Các tham số PML 49 Bảng 4.1 Tọa độ số lỗ khí 57 Bảng 4.2 Sự phụ thuộc d2 bước sóng mà tâm hội tụ bốn lõi 80 Bảng 4.3 Bảng tổng kết mô cấu trúc PCFs hai lõi 88 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Dạng sợi quang chiết suất nhảy bậc 13 Hình 1.2 Mặt cắt sợi MOF lõi chiết suất cao sợi lõi rỗng chiết suất thấp 20 Hình 1.3: Hình ảnh mặt cắt số sợi quang lõi chiết suất cao chụp kính hiển vi điện tử Hình bên phải rõ lớp vỏ sợi quang vi cấu trúc 21 Hình 1.4: (a) Một sợi MOF lõi đặc với lớp vỏ mở rộng vô vật liệu đồng với chiết suất nmat , (b) sợi quang với lõi có chiết suất nmat bao lớp vỏ đồng có chiết suất nSFM 22 Hình 1.5 Hai ví dụ sợi MOF phi tuyến cao 25 Hình 2.1 Thể hình dạng xung phổ 29 Hình 2.2 Độ lợi phổ Raman silic nóng chảy 32 Hình 2.3 Mặt cắt ngang sợi lõi rỗng hình mạng nhện 35 Hình 2.4 Mặt cắt ngang PBGF lõi rỗng 38 Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn tạo thành SC Soliton bậc cao 40 Hình 3.1 Cấu trúc PCF lõi hội tụ ánh sáng theo thiết kế [1] 44 Hình 3.2 Mặt cắt ngang PCF hai lõi theo thiết kế nghiên cứu 45 Hình 3.3 Các cấu trúc PCFs đề xuất 45 Hình 3.4 Các hệ số khớp nối ngang dọc tương ứng  h ,  v 47 Hình 3.5 Mặt cắt ngang PCF bao quanh PMLs 49 Hình 4.1 Một số cấu trúc PCF đa lõi 52 Hình 4.2 Một ô lưới đơn vị hai chiều 55 Hình 4.3 Tọa độ số lỗ khí góc thứ cấu trúc 57 Hình 4.4 Cấu trúc PCF phần mềm Visio 58 Hình 4.5 Cấu trúc PCF sau thiết kế APSS 59 Hình 4.6 Đường cong tán sắc khoảng bước sóng từ 1,4 µm đến 1,8 µm, giá trị  = 1.5 µm 60 Hình 4.7 Đường cong tán sắc diện tích hiệu dụng d1 = d2 = 0.325µm, d = 1.4 µm,  = 1.75 µm 61 Hình 4.8 Đường cong tán sắc khoảng bước sóng từ 1.2 µm đến 1.9 µm thay đổi d, d1, d2 62 Hình 4.9 Diện tích hiệu dụng khoảng bước sóng từ 1.2 µm đến 1.9 µm thay đổi d, d1, d2 63 Hình 4.10 Trường ánh sáng thu hội tụ hai lõi bước sóng  = 1.25µm 64 Hình 4.11 Đường cong tán sắc thay đổi đường kính lỗ khí vịng thứ d1 64 Hình 4.12 Diện tích hiệu dụng thay đổi đường kính lỗ khí vịng thứ d1 65 Hình 4.13 Đường cong tán sắc thay đổi đường kính lỗ khí vịng thứ hai d2 66 Hình 4.14 Diện tích hiệu dụng thay đổi đường kính lỗ khí vịng thứ hai d2 66 Hình 4.15 Đường cong tán sắc d1 tăng lên 1% , 2% giảm 1%, 2% 68 Hình 4.16 Diện tích hiệu dụng cấu trúc tối ưu 69 Hình 4.17 Suy hao giam giữ trục x y cấu trúc tối ưu 70 Hình 4.18 Suy hao hàn nối giá trị cấu trúc tối ưu 71 Hình 4.19 Độ dốc tán sắc 72 Hình 4.20 Lưỡng chiết cấu trúc tối ưu 73 Hình 4.21 Biểu diễn Lb sợi PCF 73 Hình 4.22 Dạng xung truyền sợi 75 Hình 4.23 Cấu trúc đề xuất đề xuất Visio APSS 77 Hình 4.24 Ánh sáng thu hội tụ lõi giá trị bước sóng 1.525 µm 78 Hình 4.25 Tán sắc thay đổi giá trị đường kính lỗ khí vịng d1 79 Hình 4.26 Diện tích hiệu dụng thay đổi đường kính lỗ khí vịng d1 79 Hình 4.27 Đường cong tán sắc thay đổi đường kính lỗ khí vịng hai d2 80 Hình 4.28 Diện tích hiệu dụng thay đổi đường kính lỗ khí vịng thứ hai lõi d2 82 Hình 4.29 Đường cong tán sắc cấu trúc PCFs bốn lõi tối ưu 82 Hình 4.30 Diện tích hiệu dụng cấu trúc PCFs bốn lõi tối ưu 83 Hình 4.31 Độ dốc tán sắc cấu trúc PCFs bốn lõi tối ưu 84 Hình 4.32 Suy hao giam giữ cấu trúc PCFs bốn lõi tối ưu 85 Hình 4.33 Suy hao hàn nối cấu trúc PCFs bốn lõi tối ưu 86 ... tài ? ?Nghiên cứu thiết kế cấu trúc tinh thể đa lõi ứng dụng thiết bị truyền dẫn quang băng rộng? ?? Đề tài đưa nhìn tổng quan sợi tinh thể quang, đặc tính phi tuyến, nghiên cứu cấu trúc tinh thể quang. .. văn ? ?Nghiên cứu thiết kế cấu trúc tinh thể đa lõi ứng dụng thiết bị truyền dẫn quang băng rộng? ?? viết dựa kết nghiên cứu theo đề cương cá nhân hướng dẫn TS Nguyễn Hoàng Hải với kết nghiên cứu mổ... đích thiết kế sợi tinh thể quang PCFs cho nhiều ứng dụng khác thiết bị truyền dẫn quang băng rộng nên cần có đề xuất cấu trúc sợi tinh thể quang PCFs phục vụ lúc ứng dụng Vì em tìm hiểu nghiên cứu