Khảo sát sự ảnh hưởng của chirp tần số lên các xung khi lan truyền trong sợi quang

GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC T Ị VU KHẢO S T S ẢN UNG ƢỞNG RP T N S N TRU ỀN TRONG S LUẬN VĂN T Ạ SĨ VẬT LÝ T N Ó , NĂM 2021 N QU NG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA TRƢỜNG ĐẠ Ọ T KHẢO SÁT S ẢN UNG ỒNG ĐỨ VU ƢỞNG RP T N S N TRU ỀN TRONG S LUẬN VĂN T Ạ SĨ O QU NG ỌC VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số:8440103 Ngƣời hƣớng dẫn khoa họ TS U N N Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2: TS NGUYỄN TH DUNG T N Ó , NĂM 2021 N Danh sá h ội đồng đánh giá luận văn thạ sĩ khoa họ (Theo Quyết định số: /QĐ-ĐHHĐ ngày tháng năm Hiệu trưởngTrường Đại học Hồng Đức) ọ hàm, họ vị, họ tên danh ội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Thư ký quan ông tá nhận Ngƣời hƣớng dẫn ọc viên chỉnh sửa theo ý kiến ội đồng Ngày tháng năm 2021 (Ký, ghi rõ họ tên) Ờ M ĐO N T c giả xin cam đoan r ng nội dung luận văn cơng trình nghiên c u riêng dư i s hư ng d n TS TS Nguy n Thị i Xu n iên ung C c số liệu, kết h nh ảnh mơ ph ng luận văn hồn tồn trung th c chưa công bố bất c luận văn c c công tr nh kh c T c giả luận văn ê Thị Vui i LỜI CẢM ƠN ản luận văn th c hoàn thành khoa - Trư ng Đ gi o TS ồng Đ c, Thanh i u n hoa học T nhiên a dư i s hư ng d n tận t nh, chu đ o thầy iên cô giáo TS Ngu n Thị Dung T c giả xin bày t l ng biết n s u s c đối v i thầy, cô gi o hư ng d n bảo suốt th i gian nghiên c u vừa qua T c giả c ng xin bày t l ng biết n ch n thành t i c c thầy,cô gi o khoa hoa học T nhiên, khoa đào tạo Sau Đại học, c c c n tham gia giảng dạy l p cao học c c bạn học viên đ tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi hồn thành luận văn T c giả c m n động viên,quan tâmvà chăm s c gia đ nh suốt qu tr nh học tập nghiên c u qua Trong trình th c làm luận văn, tơi cố g ng tìm hi u, nghiên c u đ hồn thành mục tiêu đề luận văn.Do th i gian tr nh độ chun mơn cịn hạn chế, nên luận văn không th tránh kh i thiếu sót Tác giả mong nhận s góp ý chân thành Thầy giáo, Cơ giáo độc giả đ luận văn hoàn thiện h n bổ sung trình nghiên c u tiếp nội dung liên quan đến vấn đề Thanh H a, tháng năm 2021 T c giả ê Thị Vui ii M LỜ CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC ỤC iii M Đ U Chư ng C C XUN N S N TRUY N TRON SỢI QUANG 1.1 Nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang 1.1.1 Cấu tạo sợi quang 1.1.2 Truyền d n ánh sáng sợi quang 1.1.3 Phân loại sợi quang Một số t nh chất sợi quang 1.2.1 Tán s c sợi quang 1.2.2 Suy hao sợi quang 15 Phư ng tr nh lan truyền xung ng n môi trư ng phi tuyến 16 Chư ng QU TR N TẠO C 21 RP VÀ TR C RP T N S 20 h i niệm chirp tần số 20 2.2 S tạo chirp tần số b trừ chirp thiết bị quang học [2] 20 2.2.1 Quá trình tạo chirp 21 2.2.2 Quá trình bù trừ chirp 25 Chư ng ẢO S T ẢN N CỦA C RP T N S N XUN AN TRUY N TRON SỢ QUAN 29 3.1 Ảnh hư ng chirp tần số lên xung auss lan truyền môi trư ng t n s c tuyến t nh 29 311 hảo s t ảnh hư ng chirp tần số lên s tiến tri n xung auss theo khoảng c ch lan truyền 32 3.1.2 Ảnh hư ng chirp ban đầu lên chirp xung trình truyền lan 35 nh Tham số chirp thay đổi theo quãng đư ng truyền 35 iii 3 Độ m rộng xung trình truyền v i tham số chirp ban đầu 35 3.2 Hiệu ng t biến điệu pha môi trư ng phi tuyến 37 3.2.1 Hiệu ng Kerr t biến điệu pha 37 3.2.2 Mô ph ng trình m rộng xung 39 3.3 Quá trình hình thành soliton sợi quang tán s c dị thư ng 40 3.3.1 Tiến tri n xung auss c chirp qu tr nh t n s c phi tuyến 40 3.3.2 S phụ thuộc chiều dài kết hợp soliton vào tham số chirp tham số phi tuyến 43 T U N 45 TÀ U T AM ẢO 46 iv ẢNG GNLSE TỪ V ẾT TẮT Phư ng tr nh Schodinger phi tuyến suy rộng GVD iệu ng t n s c vận tốc nh m GBIT ệ thống thông tin tốc độ cao LED Điốt quang NLSE Phư ng tr nh Schodinger phi tuyến SPM iệu ng t biến điệu pha v M Hình 1.1: Cấu tạo sợi quang nh 2: Định luật khúc xạ phản xạ ánh sáng Hình 1.3: Nguyên lý truyền d n ánh sáng sợi quang Hình S phụ thuộc =d1/d n t liền 2 n t đ t) 18 Hình 2.1 Chirp tần số 22 Hình 2.2:(a) hệ hai lăng k nh, b hệ bốn lăng k nh điều chỉnh tán s c 26 vận tốc nhóm 26 Hình 2.4 S đồ tính tốn GVD cặp lăng k nh K2 28 nh 1, a Xung auss không chirp theo khoảng c ch lan truyền b Phổ xung auss không chirp theo khoảng c ch lan truyền 33 nh a Xung auss c chirp C = -2 theo khoảng c ch lan truyền b Phổ xung auss c chirp C = -2 theo khoảng c ch lan truyền 34 nh 3 a Xung auss c chirp C = theo khoảng c ch lan truyền b Phổ xung auss c chirp C = theo khoảng c ch lan truyền 34 nh Tham số chirp thay đổi theo quãng đư ng truyền 35 nh Độ m rộng xung v i c c gi trị C kh c 36 nh iện tượng dịch tần hiệu ng SPM 39 nh a Xung auss c chirp C = theo khoảng c ch lan truyền b Phổ xung auss c chirp C = theo khoảng c ch lan truyền 39 nh Tiến tri n xung auss c chirp môi trư ng t n s c phi tuyến 42 nh Phổ xung auss môi trư ng t n s c phi tuyến 42 nh 10 Tiến tri n xung auss chirp C = môi trư ng t n s c phi tuyến 43 vi MỞ Đ U T nh p thiết đề tài Ngày nay, c p quang phư ng tiện vi n thông hữu tuyến cung cấp khả truyền d n l n h n khoảng c ch xa v i chi ph tư ng đối thấp độ tin cậy cao Cụ th , c p quang đ n mode sử dụng đ tri n khai hầu hết c p quang đến nhà, c c t a nhà, c p quang t i lề đư ng c p quang cho c s hạ tầng vi n thông taxi cung cấp phần l n c c dịch vụ truyền thông băng rộng c d y toàn gi i iệu suất sợi quang đ n mode x t tốc độ truyền B chiều dài L đặc t nh x c định quan trọng b i s t n s c màu c c hiệu ng điều chế pha đ , việc hi u c c tượng quan trọng đ cho ph p thiết kế cải tiến hiệu c c hệ thống truyền thông d a sợi quang đ n mode m rộng rộng rãi Một điều mà biết, cư ng độ nh s ng đạt đến m c gi i hạn đ , phản ng môi trư ng tr thành phi tuyến, hệ số phản xạ hấp thụ phụ thuộc vào cư ng độ ánh sáng, ta có th quan s t ur s biến đổi phi tuyến vect ph n c c P môi trư ng theo cư ng ur độ điện trư ng E ánh sáng Vì vậy, sóng ánh sáng đ n s c khác lan truyền trong môi trư ng bị ảnh hư ng l n d n đến xuất hàng loạt hiệu ng phi tuyến hiệu ng suy hao, hiệu ng t điều biến pha (SPM), hiệu ng tán s c vận tốc nh m V i tác dụng hiệu ng tín hiệu bị méo bị phá hủy làm ảnh hư ng đến chất lượng thông tin tốc độ truyền tin Khi tín hiệu truyền sợi quang, chịu ảnh hư ng nhiều yếu tố Một yếu tố đ ảnh hư ng tán s c t i tốc độ truyền d n, s phụ thuộc chiều dài, gi i hạn tốc độ truyền bít vào tham số chirp Khi bị ảnh hư ng s tán s c, xung truyền sợi quang bị thay đổi so v i tín hiệu vào thơng tin bị thay đổi t n s c tuyến t nh, d ng phần mềm Matlab mô ph ng v i c c gi trị tham số đầu vào l a chọn sau: T0 = 30ps, 2 = -20ps2/km ết mơ ph ng sau: (a) Hì 3.1, b (b) G ả G ả Trong h nh ta nhận thấy trư ng hợp xung auss không bị chirp tần số, xung m rộng đ n điệu quãng đư ng truyền tăng lên môi trư ng t n s c thư ng dị thư ng Điều n i lên r ng t n s c vận tốc nh m V nguyên nh n g y tần số biến đổi tuyến t nh Quan s t h nh ảnh phổ n ta nhận thấy quãng đư ng truyền z/ D cư ng độ xung giảm chậm nhiên sau quãng đư ng cư ng độ xung giảm kh nhanh Điều lần nh c lại tần số biến đổi sau quãng đư ng truyền đủ l n cụ th x c định theo công th c 18) Đối v i trư ng hợp xung auss ban đầu c chirp b ng c ch điều chế tia laser c th làm tăng lên b c c hiệu ng t n s c t y thuộc vào việc 2 C c c ng dấu hay tr i dấu Đối v i β C  > c ng dấu , xung auss ban đầu ph t điều biến tr c tiếp tia laser, 33 m rộng theo th i gian v i tỷ lệ l n h n so v i trư ng hợp không c chirp ban đầu Theo c ch tư ng t , quang phổ bị thu hẹp tham số chirp cuối tăng h n so v i xung ban đầu chưa t n s c bi u di n h nh a b (a) Hì 3.2 G b C G (b) ả -2 C Đối v i β C  < tr i dấu , độ rộng xung đến gi trị c c ti u Tmin  ả -2 auss ban đầu n n lại T0 quãng đư ng truyền z = 0,4 D, sau đ độ rộng xung dược tăng lên qu tr nh m rộng b i hiệu ng bi u di n h nh 3 a b (a) Hì 3.3 b (b) G C G C 34 ả ả 3.1.2 Ả ng c b u lên chirp xung trình truy n lan Từ bi u th c 18 ta nhận thấy sau qua tr nh lan truyền tham số chirp thay đổi theo quãng đư ng lan truyền z điều giải th ch tượng t n s c vận tốc nh m g y nên tần số thay đổi tuyến t nh Hì 3.4 Từ h nh vẽ d dàng nhận thấy v i xung vào không c chirp ban đầu sau quãng đư ng lan truyền môi trư ng t n s c dị thư ng, tham số chirp thay đổi down chirp Ngược lại môi trư ng t n s c thư ng g y tượng up chirp 3.1.3 Đ m r ng xung trình truy n v tham s b u Từ bi u th c 17 vẽ độ m rộng xung theo c c gi trị tham số chirp C kh c 35 Hì 3.5 Đ Khi  C  , đặt v á ịC z   , từ phư ng tr nh 17 ta c LD  T1 (  )  T0 1  C    z 2  1/ (3.19) C dT1  0  d 1 C2 (3.20) Độ rộng xung giảm đạt giá trị c c ti u khoảng cách:  C  zmin   L 2 D 1  C  (3.21) Giá trị c c ti u độ rộng xung z = zmin phụ thuộc vào tham số chirp sau: T0 Tmin  1 C2 (3.22) Nghĩa xung lan truyền mà  C  th độ rộng xung giảm đến giá trị c c ti u Tmin  T0 (1  C2 ) đạt khoảng cách lan truyền  C  z   L  D Sau xung lan truyền qua khoảng cách zmin th độ rộng 1  C  xung tăng xem h nh 3.5) Cụ th v i gi trị C = th độ rộng xung c c ti u khoảng c ch z = 0,4 D, đ c Tmin  36 T0 Và z = D th độ m rộng xung xảy xung đầu vào không c chirp Điều lý giải tượng V g y chirptrong giai đoạn đầu t c động ngược làm suy giảm gi trị chirp đầu vào d n t i việc xung bị thu hẹp bị triệt tiêu z = 0,4LD V i khoảng cách lan truyền tăng dần, tán s c gây chirp b t đầu chiếm ưu so v i chirp ban đầu, xung b t đầu m rộng 3.2 Hi u ứng tự biến u pha môi trƣờng phi tuyến 3.2.1 Hiệu ng Kerr tự bi ệu pha hi chiều dài sợi quang  (T )  dịch lên theo tần số s ng mang ω0 đối v i sư n trư c xung T < 38 Hì 3.6 H ệ dị ệ 3.2.2 Mơ q trình m r ng xung Sử dụng phần mềm Matlab v i c c thông số đầu vào T0 = 30ps C = 2, hệ số phi tuyến  = 0.001W-1.km-1 Chúng ta thu tiến tri n xung auss c chirp sau: (a) Hì 3.7 b (b) G C G C ả ả Chúng ta nhận thấy môi trư ng phi tuyến v i gi trị C =2 dư i hiệu ng SPM xung bị m rộng đ n điệu theo khoảng c ch lan truyền Điều giải th ch r ng, đ qu tr nh lan truyền 39 môi trư ng phi tuyếnm dư i hiệu ng SPM th pha bị biến điệu sinh chirp tần số dư ng d n đến qu tr nh dãn xung Từ điều này, nêu lên ý tư ng p dụng v i qu tr nh t n s c V môi trư ng t n s c dị thư ng v i gi trị C >0 xung bị n n lại quãng đư ng z  LD hi kết hợp hai hiệu ng c th triệt tiêu d n đến xung không bị biến dạng, đ y ch nh qu tr nh h nh thành soliton khảo s t phần sau 3.3 Quá trình hình thành soliton s i quang tán sắc dị thƣờng Khi chiều dài sợi quang L cho L  LNL L  LD xung chịu ảnh hư ng haihiệu ng t n s c phi tuyến S tư ng t c đồng th i GVD SPMd n đến c c h nh d ng xung kh c so s nh v i c c hiệu ng bi u đ n lẻ Trongvùng dị thư ng, hai hiệu ng b trừ l n nhau, c s tạo thành soliton quang học iện tượng làđược gọi tượng t n s c phi tuyến Trong trư ng hợp phư ng tr nh lan truyền xung 33 viết lại   2U U  i  i P0 U U z T 3.3.1 Ti n tri n xung G ì (3.28) ắ Chúng ta giải phư ng tr nh 28 b ng phư ng ph p số gọi Split Step Fourier Method, viết lại phư ng tr nh 28 sau[9]: U ( z, T )  ( Dˆ  Nˆ )U ( z, T ) z (3.29)  2 đây, Dˆ  i 2 Nˆ  i P0 U to n tử tuyến t nh to n T tử phi tuyến, mô tả sử g y b i V SPM Đ giải phư ng tr nh 29 c th viết dư i dạng: ˆ ˆ U ( z  h, T )  e( D N ) h U ( z, T ) 40 (3.30) ˆ ˆ Trong bi u th c to n tử e( D N ) h đ ng vai tr t c động lên xung vào U z,T sinh U z h, T sau khoảng c ch lan truyền dz = h, ta ˆ ˆ nghiên c u t c động c c to n tử e Dh e Nh riêng biệt: c nghĩa lan truyền khoảng c ch h dư i t c động riêng V SPM Nên bi u th c 30 viết: ˆ ˆ ˆ ˆ U ( z  h, T )  e( D N ) h U ( z, T )  e Nhe Dh U ( z, T ) hi xung lan truyền dư i t c động hai hiệu ng c th chia thành c c bư c liên quan đến hiệu ng (3.31) V SPM V SPM riêng biệt, nhiên phư ng tr nh 31 c c to n tử Dˆ Nˆ c c số đ n giản Trên th c tế phư ng tr nh 31 giải xấp xỉ gần ˆ ˆ ˆ U ( z  h, T )  e Nhe Dh U ( z, T )  e NhU '( z, T ) Nghĩa là, đối v i khoảng c ch lan truyền nh h, ngư i ta lấy xung ban đầu U( z, T) lan truyền n khoảng c ch h dư i t c động riêng V đ thu U‟ z, T) truyền khoảng c ch h dư i t c động riêng SPM, phư ng ph pđ ph t tri n lĩnh v c dư i t c động riêng SPM thảo luận ng phư ng ph p mô ph ng qua phần mềm Matlab v i xung vào ban đầu dạng auss c chirp c bi u th c c c gi trị tham số chọn [6] C =2; 2 = -20ps2/km;  = 0.002W-1.km-1, P0 = 0,064W độ rộng xung vào T0 = 30ps kết ta thu sau: 41 Hì 3.8 Hì G 3.9 G ắ ắ Qua mô ph ng nhận thấy dư i t c động t n s c vận tốc nh m V t biến điệu pha SPM đến khoảng c ch lan truyền đ chúng triệt tiêu môi trư ng t n s c dị thư ng 2 đảm bảo điều kiện C 2< th hiệu ng V g y tượng n n xung c n tượng SPM g y tượng giãn xung, kết t c động đồng th i làm cho xung v i khoảng c ch = 220km đảm bảo b ng xung đầu vào, x c định vị tr m i tên h nh 42 3.3.2 Sự ph thu c c a chi u dài k t h p soliton vào tham s chirp tham s phi n y gi khảo s t s phụ thuộc chiều dài kết hợp Soliton vào tham số chirp C ng c ch thay c c tham số chirp C đ khảo s t c gi trị từ C =1, C =1 5, C = 2, C = C = c ng v i gi trị γ x c định ta thu bảng bi u di n s phụ thuộc của chiều dài ph t soliton theo tham số chirp C: L(km) Hì C=1 C = 1.5 C=2 C = 2.5 270 240 220 170 3.10 Trong th c ti n G C C=4 hông tồn ắ khơng đổi, đ có soliton chiều dài sợi quang xác định, ta can thiệp tham số chirp C hệ số phi tuyến γ ệ số phi tuyến γ c th thay đổi nh điều chỉnh công suất ph t laser, c ch kh c đ điều chỉnh độ rộng xung nhiên gi i hạn luận văn tập trung vào khảo s t s ảnh hư ng tham số chirp C xung ban đầu đề t m điều kiện h nh thành soliton quang học lan truyền xung 43 sợi quang Từ việc khảo s t thành lập nên bảng chiều dài kết hợp soliton phụ thuộc tham số chirp nhận thấy tham số chirp b th chiều dài sợi quang phải tăng lên m i c tượng h nh thành soliton Chiều dài giảm tham số chirp C tăng lên Tuy nhiên gi i hạn tham số chirp C, đặc biệt l n cận gi trị C = V i c c gi trị tham số chọn tham số chirp C = không tồn gi trị chiều dài sợi quang đ h nh thành Soliton Điều lý giải truyền sợi quang th n c c chirp ban đầu c th gia tăng giảm b t c c hiệu ng t biến điệu pha tượng t n s c Chỉ l n cận gi trị C =2 đảm bảo s thay đổi xung quãng đư ng truyền ng n Rõ ràng, v i tuyến sợi quang x c định, t c chiều dài cho trư c c c đặc trưng quang học nó, cơng suất tín hiệu truyền x c định có th nhận ngun dạng tín hiệu truyền (soliton) b ng cách can thiệp vào chirp tần số đầu vào Đ y c ng mục đ ch luận văn 44 ẾT UẬN D a tính chất sợi quang tán s c phi tuyến hiệu ng phi tuyến x y sợi quang, luận văn tập trung nghiên c u trình ảnh hư ng chirp tần số xung lan truyền sợi quang Những nội dung chủ yếu kết m i đạt sau: - Đã mô ph ng qu tr nh thay đổi dạng xung, cơng suất xung, phân tích ảnh hư ng tham số chirp lên hệ số biến đổi độ rộng xung khảo s t xung lan truyền môi trư ng t n s c tuyến t nh n i xảy hiệu ng GVD) - Đã mô ph ng qu tr nh thay đổi dạng xung, cơng suất xung, phân tích ảnh hư ng tham số chirp lên hệ số biến đổi độ rộng xung khảo s t xung lan truyền môi trư ng t n s c phi tuyến xảy hiệu ng SPM - Mô ph ng x c định chiều dài h nh thành Soliton quang học v i c c tham số chirp kh c x t đồng th i sợi quang tồn hai hiệu ng X c định chiều dài sợi quang đ tồn soliton quang học ng v i c c tham số chirp C kh c 45 T UT M ẢO Tiếng Vi t [1] ê Quốc Cư ng 2009 , “K thuật th ng tin quang”, tr 17 – 20, i o tr nh V CVT [2] i Xu n iên 2013 , “ nh hưởng chirp tần số tr nh h nh thành lan truyền xung cực ngắn m i trường phi tuyến”, tr33-38, uận n Tiến sĩ, Trư ng Đại học Vinh Cao ong V n, Đinh Xu n hoa 2009 , “ Quang học phi tuyến”, tr45 -48, NX Đại học Vinh Tiếng nh [4]Ali S Ghammeid, et al 2017 , “Effect of nitial Chirp on aussian Pulse in an Optical iber” , IJLERA,Vol 2, issue [5]Darpan Kundan Dayal(2014), “Analytical and Numerical techniques For PulsePropagation In Optical Fibers”, Thesis, T cnico, Lisboa [6] Libor Ladányi and et al (2017),“Numerical simulations of dispersion effects in chirpedGaussian and soliton pulses”, Opt QuantElectron [7] MAHMUDUL HASAN (2013), “Study of Soliton Propagation Inside Optical Fiber for ultra-short pulse”, Thesis, BRAC UniversityDhaka, Bangladesh [8]P ovindAgrawal 2002 , “FiberOptic Communications systems”, Third ed., John Wiley & Sons, Inc [9].Rui Zhang (2006), “Propagation of ultrashort light pulsesintapered fibers and photonic crystal fibers”, Thesis, Bonn University [10] Salah aldeen Adnan ( 2013), “Simulation of Gaussian Pulses Propagation Through Single Mode Optical FiberUsing MATLAB” , Iraqi Journal of Science, Vol.54, No.3, pp.601-606 46 [11]Jose Azana ( 2005), “Time-Frequency (Wigner) Analysis of LinearandNonlinear Pulse Propagation in Optical Fibers”, EURASIP Journal on Applied Signal Processing [12]JOSÉ STÊNIO DE NEGREIROS JÚNIOR and et all (2018), “Ultrashort pulses propagation through different approaches ofthe Split-Step Fourier method”, Journalof Mechatronics Engineering, vol 1, n0 3, p - 11 [13]Wenbin Wang, et al (2014), “Study of Transmission characteristics of Optical Pulse in the DispersiveFiber”, Applied Mechanics and Materials Vols 513-517 [14] Weici Liu, Wenxia Hu (2019), “The Research on Propagation of Ultrashort Pulse inNormal Group-velocity Dispersion Fiber”, advances in Engineering Research, volume 184 [15]Xiquan Fu, Liejia Qian (2004), “ Nonlinear chirped pulse propagation andsupercontinuum generation inmicrostructured optical fibre”, J Opt A: Pure Appl Opt 47