Chuyên đề:Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Tổng quanHiệu ứng phi tuyến trong sợi quang xảy ra do sự thay đổi hệ số khúc xạ trong sợi và hiện tượng tán xạ không đàn hồi.Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất).

Giảng viên: Trần Thủy Bình

Nhóm thực hiện: Nhóm 2 lớp D11VT3

Thành viên:

Nguyễn Hữu ĐứcDương Văn TuấnLường Khắc CườngPhạm Quang Ánh

Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Tổng quan

 Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang xảy ra do sự thay

đổi hệ số khúc xạ trong sợi và hiện tượng tán xạ không đàn hồi.

 Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất).

1

Tổng quan

1

1.1 Giới thiệu chung

Các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác trên mạng lưới viễn thông đều sử dụng các sợi quang truyền dẫn trong môi trường tuyến tính mà ở đó các tham số sợi không phụ thuộc vào công suất quang.

Tổng quan

1

1.1 Giới thiệu chung

Hiệu ứng phi tuyến sợi xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng và công suất quang tăng lên Các hiệu ứng phi tuyến này đã có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn của

hệ thống và thậm chí trở nên quan trọng hơn vì sự phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA cùng với sự phát triển của các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Với việc tăng hiệu quả truyền thông tin mà có thể được làm bằng việc tăng tốc độ bit, giảm khoảng cách giữa các kênh hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên, các ảnh hưởng của phi tuyến sợi trở nên đóng vai trò quyết định hơn.

- Phát sinh do tác động qua

lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử) trong môi trường silica

- tán xạ do kích thích

Brillouin (SBS) và tán xạ do

Hiệu ứng phi tuyến

- Sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất

vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên độ điện

trường(Kerr)

- Hiệu ứng tự điều pha (SPM - Phase Modulation), h/ư điều chế pha chéo (XPM - Cross- Phase Modulation)

Self-Tổng quan

1

1.2 Nguyên nhân

Phần 2: Các loại hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

XPM

Minh họa lan truyền của mode dao động trên tinh thể.

• Phonon âm thanh ion dương và

âm dao động cùng chiều.

• Phonon quang học dễ dàng bị kích thích bằng cách ánh sáng, các ion âm và dương dao động ngược chiều.

Nhóm hiệu ứng tán xạ

không đàn hồi

2.1.Tán xạ do kích thích Raman- SRS

2.2.Tán xạ do kích thích Brillouin- SBS

2.1 Tán xạ do kích thích

Raman- SRS

 Hiện tượng:

 Các phonnon quang tham gia tán xạ

 Photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phần

tử cấu thành môi trường truyền dẫn

 Phần còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng của ánh sáng tới (ánh sáng Stoke)

 Khi tín hiệu trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích Raman

2.1 Tán xạ do kích thích

Raman- SRS

sóng ngắn thành các kênh có bước sóng dài hơn  tạo ra phổ nghiêng

 Sự suy hao năng lượng trong các kênh có bước sóng nhỏ hơn làm giảm hiệu suất truyền của chúng

bù bằng cách sử dụng kĩ thuật cân bằng phù hợp

EDF A

2.1 Tán xạ do kích thích

Raman- SRS

 Tạo ra độ lợi theo hướng ngược lại với hướng lan truyền tín hiệu (hướng về nguồn)  làm suy giảm tín hiệu mạnh

2.2 Tán xạ do kích thích

Brillouin- SBS

- Hệ số độ lợi: gB ~ 4.10-11m/W, không phụ thuộc vào bước sóng

Kết luận

- Hiệu ứng SRS là hiện tượng chiếu ánh sáng vào sợi

quang sẽ gây ra dao động phẩn tử trong vật liệu của sợi quang, nó điều chỉnh tín hiệu quang đưa vào dẫn đến

bước sóng ngắn trong hệ thống WDM suy giảm, tín hiệu quá lớn hạn chế số kênh trên hệ thống

- Hiệu ứng SBS cũng có hiện tượng như SRS nhưng gây

ra dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ và chỉ xuất hiện ở hướng sau tán xạ Ảnh hưởng càng lớn thì công suất

càng thấp

Nhóm hiệu ứng khúc xạ

phi tuyến

 Xảy ra do sự phụ thuộc của độ cảm vào cường độ

trường E của xung quanh

 Biểu thức vector phân cực:

Tuy nhiên trong môi trường phi tuyến:

Ở đây: ɛ 0 - hằng số điện môi,

χ (i) - độ cảm bậc i của môi trường

E

P  0

3 )

3

( 0

2 )

2

( 0

) 1

(

P      

2.3 Hiệu ứng tự điều pha

SPM

 Hiện tượng:

 Chiết suất của môi trường

truyền dẫn thay đổi theo cường

độ ánh sáng truyền

 Sự dịch tần phi tuyến làm cho

sườn trước của xung dịch đến tần số ω < ω0 và sườn sau của xung dịch đến tần số ω > ω0

 phổ của tín hiệu bị co dãn

trong quá trình truyền

2.3 Hiệu ứng tự điều pha

2.3 Hiệu ứng tự điều pha

SPM

 Tính chất:

truyền nhanh hơn thành phần tần số thấp -> xung dãn ra

chậm hơn thành phần tần số thấp - > xung co lại

2.3 Hiệu ứng tự điều pha

SPM

2.4 Hiệu ứng điều chế pha

chéo XPM

 Hiện tượng:

- Xảy ra khi có nhiều kênh trên một đường truyền

- Sự phụ thuộc của độ dịch pha của một kênh vào cường

độ ( công suất) của các kênh kia

2.4 Hiệu ứng điều chế pha

chéo XPM

 Tính chất:

 Với hệ thống N kênh truyền độ dịch pha cho kênh i:

P i : công suất vào của kênh i

 Liên quan hiện tượng chirp tương tự như SPM Do

sự tương tác lẫn nhau của các xung  mức chirp tăng

 Các xung chồng chéo nhau gây ra sự tăng cục bộ về mặt năng lượng, thay đổi chỉ số khúc xạ  làm tăng

2

N i

2.4 Hiệu ứng điều chế pha

chéo XPM

 Tính chất:

Hiện tượng chirp: sự thay đổi độ tán sắc gây ra sự méo dạng

và thay đổi mật độ của xung

Hình 2.4 Độ chirp tần cho các xung Gauss (nét đứt) và siêu Gauss (nét liền)

2.4 Hiệu ứng điều chế pha

Phân kênh trong các kênh truyền OTDM (truyền kênh phân chia theo thời gian)

Chuyển đổi bước sóng trong WDM

Nén xung phi tuyến

2.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM

 Tương tác này có thể xuất hiện

• giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống WDM

• giữa bước sóng tín hiệu với tạp âm ASE của các

bộ khuếch đại quang

• giữa các node chính và các mode bên của một

2.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM

 Tính chất:

• Hiệu ứng phi tuyến bậc ba

• Bảo toàn năng lượng

• Không phụ thuộc vào tốc độ bit, phụ thuộc khoảng cách giữa các kênh và tính tán săc của sợi

• Quan điểm cơ lượng tử: sự phá hủy photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ở các bước sóng mới sao cho vẫn bảo toàn về năng lượng và động

  3 3

0 E

3 2

1

4   

2.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM

 1  mixing products!

1

channels N

f f f

f ijk i j k

2.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM

 Làm giảm chất lượng BER (tỉ lệ lỗi bit) của hệ thống

 Khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống càng nhỏ, ảnh hưởng càng lớn (cũng như khi khoảng cách

truyền dẫn lớn và công suất các kênh là lớn)  hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn