hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến xảy ra ngay trong khoảng đầu của sợi quang và giảm đi khi tín hiệu lan truyền.Giả sử: Pin: công suất truyền trong sợi quang => Pz = Pin exp−αz là công su

 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)

- 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), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross- Phase

Self-Modulation) và hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM - Four-Wave Mixing)

 Chiều dài hiệu dụng Leff

 Diện tích hiệu dụng Aeff

 Cường độ hiệu dụng Ieff

Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến xảy ra ngay trong khoảng đầu của sợi quang và giảm đi khi tín hiệu lan truyền.

Giả sử:

Pin: công suất truyền trong sợi quang

=> P(z) = Pin exp(−αz) là công suất tại điểm z trên tuyến, với α là hệ số suy hao L được kí hiệu là chiều dài thực của tuyến Chiều dài hiệu dụng của tuyến được kí hiệu là Leff được định nghĩa như sau:

Trong hệ thống với bộ khuếch đại quang:

l: amplifiers spaced distance

α

αL eff

z eff

- Diện tích vùng lõi hiệu dụng A eff (để giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến thì phải tăng diện tích hiệu dụng của sợi)

r I d rdr

r I d

rdr A

θ

θ

θ θ

θ θ

) , (

) , (

2

Ieff = P/Aeff

- P: công suất xung

khoảng 50 µm2

(Các sợi quang bù tán sắc có diện tích hiệu dụng nhỏ hơn và do

đó có ảnh hưởng phi tuyến lớn hơn.)

Các loại hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

• Nhóm hiệu ứng tán xạ không đàn hồi:

• Tán xạ do kích thích Raman- SRS

• Tán xạ do kích thích Brillouin- SBS

• Nhóm hiệu ứng khúc xạ phi tuyến:

• Hiệu ứng tự điều pha SPM

• Hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM

• Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM

 Đặc trưng bởi:

 Hệ số độ lợi g (m/w)

 Độ rộng phổ Δf (đối với độ lợi tương ứng)

 Công suất ngưỡng Pth của ánh sáng tới –

(mức công suất mà tại đó suy hao do tán xạ

là 3 dB, tức là một nửa công suất trên toàn bộ

độ dài sợi quang)

 Hiện tượng:

 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

 Tính chất:

 SRS sinh ra bởi sự chuyển động của các

phân tử do mật độ năng lượng cao trong sợi quang

 Ánh sáng tán xạ được phát ra ở tần số thấp

(bước sóng dài) hơn tín hiệu tới

Ảnh hưởng:

 SRS sinh ra năng lượng chuyển đổi những kênh có bước 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

 Tuy nhiên hệ số khuếch đại Raman nhỏ  có thể được bù

bằng cách sử dụng kĩ thuật cân bằng phù hợp

EDF A

Các đặc trưng:

-Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh với đỉnh

gR ~ 6x10 -14 m/W ở bước sóng 1550 nm.

 Công suất ngưỡng cho SRS:

P thSRS = 16A eff /g R L eff =(16αA eff )/g R

 VD: g R ≈ 1x10 -13 m/W tại λ = 1550nm

Lấy α = 0.046 1/km = 0.2dB/Km và A eff = 55 μm 2

Tính được P thSRS = 405mW

• Phonon quang học và âm học:

• Trong vật lý học, một phonon là một giả hạt có đặc

tính lượng tử của mode dao động trên cấu trúc tinh thể tuần hoàn và đàn hồi của các chất rắn.

• Khi các tế bào đơn vị có nhiều hơn một nguyên tử, các tinh thể sẽ bao gồm hai loại phonon: âm học và quang học

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

• Phonon âm thanh ion dương và âm dao động ngược chiều.

Phonon quang học và âm học:

 Tính chất:

 Xảy ra trên dải tần hẹp Δf = 20MHz ở bước

sóng 1550nm

 >Không gây ra bất kì tác động qua lại nào

giữa các bước sóng khác nhau khi khoảng cách bước sóng > 20MHz

 Tạo ra độ lợi theo hướng ngược lại với

hướng lan truyền tín hiệu (hướng về nguồn)

 làm suy giảm tín hiệu mạnh

 Ảnh hưởng:

 Làm suy yếu năng lượng tín hiệu tới, năng

lượng này làm giảm khoảng cách khẩu độ sợi quang cho phép

 Hệ số độ lợi: g B ~ 4x10-11 m/W, không phụ thuộc vào bước sóng.

 Công suất ngưỡng cho SBS

PthSBS=21A eff /g B L eff

 SPM

 Xảy ra do sự phụ thuộc của độ cảm vào cường độ trường E của xung quang

 Biểu thức vector phân cực:

 Tuy nhiên trong môi trường phi tuyến:

Ở đây: ɛ0 - hằng số điện môi, χ(i) – độ cảm bậc i của môi trường

E

P = ε0χ

3 )

3

( 0

2 )

2

( 0

) 1

(

 Do

neff : chiết suất hiệu dụng của môi trường

 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

 Độ dịch pha:

(L: chiều dài truyền sóng)

 Năng lượng truyền cao:

 Thành phần phi tuyến gây ra độ dịch tần:

 Tính chất:

 Nếu D là hệ số tán sắc của sợi quang thì

• Với D < 0 : thành phần tần số cao (ω > ω0 ) sẽ lan truyền nhanh hơn thành phần tần số thấp -> xung dãn ra

• Với D > 0 : thành phần tần số cao ω > ω0 lan truyền chậm hơn thành phần tần số thấp - > xung

co lại

 Tính chất:

 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 ảnh hưởng của SPM

 Tính chất:

 Hệ số lan truyền:

 Độ dịch pha: (do hiệu ứng phi tuyến)

 Tính chất:

 Với hệ thống N kênh truyền:

Pi : công suất vào của kênh i

 Ví dụ:

2 kênh:

 Ảnh hưởng

 ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn thông

qua cơ chế giống như SPM: tần số chirping và tán sắc

 CPM có thể ảnh hưởng đến hệ thống mạnh

hơn do có thêm các hệ số mới sinh ra

Phân kênh trong các kênh truyền OTDM

(truyền kênh phân chia theo thời gian)

Chuyển đổi bước sóng trong WDM

Nén xung phi tuyến

 Hiện tượng:

 Hệ thống WDM sử dụng nhiều tần số sóng

ω1 ,ω2 , , ωn

 Các nhóm hai hoặc ba tần số tương tác với

nhau tạo ra các thành phần tần số mới

 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 cua các

bộ khuếch đại quang

• giữa các node chính và các mode bên của một kênh tín hiệu

• Tính chất

• Hiệu ứng phi tuyến bậc ba

• Bảo toàn năng lượng

• Bảo toàn mômen — hợp pha

( ) 3 3

PNL = ε χ

3 2

1

3 2

1

β = + −

•Tính chất:

• 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 lượng

 Đa kênh:



 Phân tích thành các thành phần có tần số góc: 2ωp - ωq , 2ωp + ωq , 2ωp + ωq + ωr , ωp

± ωq ± ωr

 Ảnh hưởng:

 Làm giảm công suất

của các kênh tín hiệu

được tạo ra có thể rơi

vào các kênh tín hiệu

=

N N

f f f

f ijk i j k

 Ảnh hưởng

 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

hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

1 XPM

2 FWM

Hiệu ứng XPM không chỉ gây ra các ảnh hưởng tới tán sắc của hệ thống mà còn gây ra sự giãn rộng phổ của kênh quang không những làm méo cường độ của kênh mà còn có thể ảnh hưởng tới các kênh lân cận nếu khoảng cách giữa các kênh không được đảm bảo

Để giải quyết vấn đề ảnh hưởng giãn rộng phổ của hiệu ứng XPM tới các kênh lân cận thì cách tốt nhất

là đảm bảo khoảng các kênh an toàn Đảm bảo khoảng cách kênh an toàn cũng có nghĩa là giảm độ rộng phổ của các nguồn phát quang trong hệ thống WDM, tức là

sử dụng các nguồn phát quang có độ rộng phổ hẹp hơn

Bằng việc phân tích phổ lan truyền của tín hiệu biểu diễn dưới dạng phương trình Schoedinger phi tuyến và áp dụng phương pháp hàm chuyển đổi chuỗi Voltera biến đổi Bo Xu đã đưa ra kết quả như sau:

Méo cường độ của một kênh bất kỳ do hiệu ứng XPM của kênh thứ k là :

Trường lan truyền của kênh thứ k tại độ dài L là:

Méo cường độ của kênh bất kỳ do hiệu ứng XPM của kênh thứ k là :

Như vậy ta phải bù công suất của hiệu ứng XPM của kênh thứ k là:

Trong đó M là số bộ khuếch đại của một tuyến, N là số kênh của tuyến

 Hiệu ứng FWM có khả năng gây ra suy giảm công suất của tín hiệu quang và gây ra xuyên nhiễu cho các kênh của hệthống WDM Các sợi có tán sắc thường có ảnh hưởng của FWM nhỏ Khi tổn hao công suất kênh do hiệu ứng FWM cho các kênh là không đáng kể thì hiệu ứng FWM có thể được coi như chỉ có ảnh hưởng xuyên nhiễu tới các kênh của hệ thống.Thực tế thì chỉ có sợi dịch chuyển tán sắc DSF là có FWM lớn đến mức có thể gây ra suy giảm công suất của các kênh do nó tạo ra điều kiện kết hợp pha

 Hiệu ứng FWM với sự tương tác của 3 kênh f1, f2, f3 là có ảnh

hưởng lớn tới hệ thống sử dụng WDM và EDFA vì nó có thể tạo ra các bước sóng mới nằm trong băng tần của của các kênh trong hệ thống.

hiệu ứng FWM

Công suất bị ảnh hưởng là :

χ : là độ cảm phi tuyến bậc ba.

Ae1 , Ae2 : là vùng hiệu dụng tương ứng của sợi L1 , L2 ηijk: là hệ số FWM.

 Đây là hiệu ứng có ảnh hưởng lớn với hệ thống WDM ,có quan hệ mật thiết với tán sắc của sợi quang.Để khắc phục ảnh

hưởng của hiệu ứng FWM ta có thể sử

dụng sợi quang G.655 ( NZ-DFS)

 Sợi quang đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trong

các hệ thống hiện nay là sợi đơn mode SMF-28, G.652

 Các đường cong mô tả tán sắc và suy hao của sợi đơn

mode cho thấy rằng suy hao của sợi đạt giá trị nhỏ nhất

ở vùng bước sóng 1500 nm nhưng tán sắc có giá trị thấp nhất (bằng không) lại ở bước sóng 1300 nm.

 Sợi quang dịch chuyển tán sắc (DSF, G.653) có tán bằng

tổng bằng không tại bước sóng gần 1550 nm

 Ðiều này đã dẫn đến sự phát triển của các loại sợi dịch

chuyển tán sắc khác không (NZ - DSF) Các loại sợi này

có tán sắc màu khoảng từ 1 đến 6 ps/nm.km hoặc là -1 đến -6 ps/nm.km ở cửa sổ 1550 nm Ðiều này cắt giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong khi vẫn giữa nguyên các ưu điểm của sợi DSF

Thích hợp cho hệ thống

DWDM, làm tăng dung

lượng truyền dẫn

 Thích hợp cho hệ thống

truyền dẫn đường dài

WDM dung lượng cao.

sợi SMF) làm giảm thiểu

các hiệu ứng phi tuyến

hiệu ứng phi tuyến

FWM có thể ứng dụng để khuếch đại tín hiệu

yếu.Hàm độ lợi gain có thể được tăng lên đến 20 dB

 Năng lượng xung bơm được chuyển sang tín hiệu

qua FWM

 Đảo ngược hướng lan truyền và pha của chùm sáng.

 FWM có thể chuyển dữ liệu đến bước sóng khác

 Chùm bơm CW được phóng vào sợi quang cùng với

kênh tín hiệu

 FWM truyền dữ liệ từ tín hiệu đến chùm idler ở một

bước sóng mới

 Nén xung phi tuyến

 Chuyển kênh quang siêu nhanh(<1 ps)

 Passive mode locking

 Tạo các xung ánh sáng cực ngắn(ps,fs)

thông qua buồng cộng hưởng

 Chia kênh trong hệ thống OTDM

 Chuyển đổi bước sóng trong WDM

 Bộ khuếch đại Raman là một lợi ích cho

 Liên hợp pha tạo bởi SBS

 Nén xung tạo bởi SBS

 SBS tăng cường FWM

 Ánh sáng chậm tạo bởi SBS