Tiểu luận môn Thông tin quang Bộ bù tán sắc kích thước nano

Tiểu luận môn Thông tin quang Bộ bù tán sắc kích thước nano Tán sắc là hiện tượng dãn xung ánh sáng theo thời gian khi truyền tìn hiệu, gây nên méo tín hiệu. Đây là vấn đề quan trọng với tuyến tốc độ cao, đường truyền dẫn dài. Trong sợi đa mode, tốc độ lan truyền ánh sang của các mode khác nhau. Sự chênh lệch thời gian đến điểm thu giữa các tia sang gây trễ nhóm mode lan truyền→dãn xung ánh sáng.

Bộ bù tán sắc kích thước nano Contents Tán sắc 1.1 Khái niệm Tán sắc tượng dãn xung ánh sáng theo thời gian truyền tìn hiệu, gây nên méo tín hiệu Đây vấn đề quan trọng với tuyến tốc độ cao, đường truyền dẫn dài 1.2 Phân loại tán sắc: Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano 1.3 Tán sắc mode 1.3.1 Một số đặc điểm Trong sợi đa mode, tốc độ lan truyền ánh sang mode khác Sự chênh lệch thời gian đến điểm thu tia sang gây trễ nhóm mode lan truyền→dãn xung ánh sáng Tán sắc mode: Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano Độ giãn xung tín hiệu quang sau truyền sợi quang dài L(km) đo hiệu thời gian truyền mode bậc cao mode bậc thấp 1.3.2 Biện pháp giảm tán sắc mode:  Sử dụng sợi đơn mode  Sử dụng sợi có chiết suất biến đổi Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano 1.4 Tán sắc đơn sắc – Chromatic 1.4.1 Tán sắc dẫn sóng Tán sắc dẫn sóng sợi đơn mode giữ khoảng 80% lượng lõi, 20% ánh sáng truyền vỏ nhanh lượng lõi Hệ số tán sắc: 1.4.2 Tán sắc vật liệu Là phép biến đổi chiết xuất khúc xạ nhóm Ng bước sóng khác Tán sắc vật liệu tính từ tích phân ng theo bước sóng: Vũ Cơng Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano 1.4.3 Biện pháp giảm tán sắc chromatic Chúng ta sử dụng loại sợi giảm tán sắc  Các loại sợi quang giảm tán sắc: Sợi đơn mode – SMF hay sợi khơng có tán sắc dịch chuyển (dispersion-unshifted) theo tiêu chuẩn ITU- G.652 Sợi có hệ số tán sắc nhỏ cửa sổ 1310nm, lại có hệ số tán sắc lớn vùng 1550nm Sợi tán sắc dịch chuyển dispersion-shifted fiber (DSF) theo tiêu chuẩn ITU- G.653 thiết kế có hệ số tán sắc bước sóng 1550 Tuy nhiên, sợi có số hạn chế, tán sắc phân cực cao sợi SMF dung hệ thống đơn kênh quang Sợi tán sắc dịch chuyển không không (NZ-DSF) theo chuẩn ITU-655, phát triển dựa sợi DSF Sợi có tán sắc nhỏ cửa sổ 1550nm Thích hợp với hệ thống có dung lượng lớn cự ly xa giảm hiệu ứng phi tuyến Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano  Chiều dài sợi quang: Trong đó: L chiều dài sợi quang (km) CD: hệ số tán sắc chromatic ( ps/(nm*km)) B : Là tốc độ bit ( Gbps) Ví dụ: Ta truyên tải liệu với tốc độ 10Gbps kênh truyền 1550nm Khi ta có L SMF = 61km LNZDSF = 346km Bộ bù tán sắc kích thước nano 2.1 Photonic crystal fiber (PCF) 2.1.1 Photonic crystal Là cấu trúc nano, xem loại bán dẫn Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano Chất bán dẫn không cho electron nằm vùng ban gap (dải cấm) , tương tự, photonic crystal không cho photon nằm vùng ban gap Phân loại photonic crystal: Màu khác mô tả số điện môi cấu tạo khác 2.1.2 Cấu trúc PCF: Gồm vật liệu bán dẫn mảng lỗ khí chaỵ song song theo chiều dài sợi Nếu ta thiết kế lỗ cách xác, cấu trúc mà cho khoảng tần số truyền qua Ánh sáng chiếu vào photonic crystal bị phản xạ khúc xạ bề mặt phân cách lỗ PCF chia làm loại: Sợi có độ nhảy bậc chiết suất lớn: Modified Total Internal Reflection (M-TIR) Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano Sợi có độ nhảy bậc chiết suất nhỏ: Photonic Band Gap (PBG) Sợi M-TIR : Sợi PBG: Có cấu trúc khác sợi M-TIR Hiệu ứng dải cấm tìm thấy tự nhiên, chẳng hạn cánh bướm Do có ánh sáng chiếu vào bị phản xạ ngược trở lại mà ta thấy màu sáng cấu trúc sợi PBG Trong sợi PGB, chu kỳ lỗ đóng vai trị lõi sợi khuyết bên ngồi đóng vai trị lớp vỏ Ánh sáng truyền lớp vỏ có vùng dải cấm 2.1.3 Ống dẫn sóng hai chiều photonic Crystal Sự tạo cấu trúc uốn cong cỡ vài milimet sợi thông thường M-TIR PBG khó khăn, truyền nhiều modes khác Ống dẫn sóng Photonic Crystal sử dụng nguyên lý khác Chúng ta tạo đường lỗ khuyết crystal tạo vùng dải cấm, vùng cho mode qua Đường chế tạo cong theo mục đích truyền Vũ Cơng Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano 2.2 Các phương pháp bù tán sắc kích thước nano 2.2.1 Bù tán sắc sử dụng cặp lỗ khuyết photonic crystal ( Nguồn : A Dispersion Compensator Using Coupled Defects in a Photonic Crystal by Kazuhiko Hosomi and Toshio Katsuyama) Trong phương pháp ta sử dụng đặc điểm ánh sáng truyền ống dẫn sóng có cặp lỗ khuyết photonic crystal Cấu trúc  Cấu trúc lỗ khuyết photonic crystal 2D Bao gồm mảng lỗ cách a, chiết suất 3.5 bán kính lỗ r Làm khuyết lỗ mảng với khoảng cách lỗ khuyết R  Vùng Bangap ống dẫn sóng tạo Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano Từ hình vẽ ta thấy, vùng dải cấm nằm khoảng 0.06 < r/a < 0.42 tương ứng với 0.3165 < < 0.4618 Tần số chuẩn hóa trung tâm = 0.3896 với r/a = 0.16 Sự phu thuộc tần số chuẩn hóa vào R: Vũ Cơng Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page 10 Bộ bù tán sắc kích thước nano Từ hệ phương trình maxell ta xác định tần số góc sóng: Trong đó: Ω : tần số góc trung tâm với Ωa/2πc tần số chuẩn hóa trung tâm Vận tốc nhóm : Vũ Cơng Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page 11 Bộ bù tán sắc kích thước nano Nhận xét: |Vg| max = |Vg| = Vg/c = 0.229 R = 2a Vg/c = 0.101 R = 3a Vg/c = 0.041 R = 4a Hệ số tán sắc: Thay đổi giá trị R ta có: Hệ số tán sắc D phụ thuộc vào R hình vẽ sau: Vũ Cơng Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page 12 Bộ bù tán sắc kích thước nano Nhận xét: Với R = 2a, -0.2 < D< 0.2 ps/nm.mm Với R = 3a, -2< D < ps/nm.mm Với R = 4a, - 10< D< 10 ps/nm.mm 2.2.2 Sử dụng sợi Photonic crystal fibers (PCFs) Photonic crystal fibers (PCFs) đưa thêm lỗ khơng khí dọc theo sợi quang thay đổi thông số tán săc Tán sắc sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (SMFs) khoảng D= 10 – 20 ps/(nm.km) Hệ số đảo tán sắc (negative dispersion) sợi quang thường -100 - -130 ps/ (nm.km) Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page 13 Bộ bù tán sắc kích thước nano Để giảm thiểu chi phí, suy hao PCFs cần ngắn nghĩa đảo tán sắc lớn tốt Đồng thời cần bù tán sắc tần số sử dụng DWDM (dense wavelength division multiplexing) Hiện tượng đảo tán sắc PCFs dải rộng Bộ bù tán sắc: Sợ bù tán sắc sợ có hiệu ứng tán sắc ngược lại với sợi quang dùng hệ thống truyền dẫn • • • D1, L1 tương ứng hệ số tán sắc chiều dài sợi SMFs, D2, L2 … sợi PCFs Chiều dài sợi PCFs (L2) chọn cho DT= 0; Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page 14 Bộ bù tán sắc kích thước nano Độ tán sắc âm lớn khoảng từ 1.4um đến 1.7um Giá trị tối ưu DC-PCFs cho hệ số tán sắc âm nhiều khoảng -230 đến 435 ps/ (nm.km) dải bước song từ 1.46 đến 1.63 um Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page 15 Bộ bù tán sắc kích thước nano Yêu cầu tán sắc để truyền dẫn tốc độ 40Gbps Hệ số suy hao 10e-4 db/m cho bước song từ 1.46 đến 1.63 um cho vòng lỗ, giá trị chấp nhận cáp quang Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page 16 Bộ bù tán sắc kích thước nano Hệ số suy hao sợ PCFs thấp Suy hao uốn ông với bán kính từ 5-15mm gần Khi bán kính cong khoảng mm suy hao uốn cong 10e-4 db/m dải thông sử dụng (1.46 đến 1.625um) Suy hao ghép nối với sợ đơn mode: Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page 17 Bộ bù tán sắc kích thước nano Tống kết: • • • • • Thơng qua tập nhóm tìm hiểu vấn đề sau: Hiểu loại tán sắc thông tin quang : tán sắc mode, tán sắc chromatic Tán sắc gây suy giảm tới tốc độ truyền dẫn Các phương pháp giảm tán sắc sử dụng sợi : MSF, DFS, NZ-DSF Đặc điểm chung photonic Crystal Phương pháp bù tán sắc kích thước nano:  Bù tán sắc sử dụng cặp lỗ khuyết photonic crystal  Bù tán sắc sử dụng sợi DC- PCFs Tài liệu tham khảo: Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page 18 Bộ bù tán sắc kích thước nano • • • • • • Photonic Band Gap Crystals OPTICAL AND FIBER COMMUNICATIONS REPORTS by A Bjarklev, Lyngby, D Chowdhury, Corning… Novel broadband dispersion compensating photonic crystal fibers By Feroza Begum, Yoshinori Namihira A Dispersion Compensator Using Coupled Defects in a Photonic Crystal by Kazuhiko Hosomi and Toshio Katsuyama Microstructure Optical Fibers IEEE Slide giảng cô Chi Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page 19 ... – K54 Page 17 Bộ bù tán sắc kích thước nano Tống kết: • • • • • Thơng qua tập nhóm tìm hiểu vấn đề sau: Hiểu loại tán sắc thông tin quang : tán sắc mode, tán sắc chromatic Tán sắc gây suy giảm... Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano 2.2 Các phương pháp bù tán sắc kích thước nano 2.2.1 Bù tán sắc sử dụng cặp lỗ khuyết photonic crystal ( Nguồn... multiplexing) Hiện tượng đảo tán sắc PCFs dải rộng Bộ bù tán sắc: Sợ bù tán sắc sợ có hiệu ứng tán sắc ngược lại với sợi quang dùng hệ thống truyền dẫn • • • D1, L1 tương ứng hệ số tán sắc chiều dài sợi