Khảo sát định tính các tính chất của tán sắc vật liệu trong sợi quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM THỊ TRÂM KHẢO SÁT ĐỊNH TÍNH CÁC TÍNH CHẤT CỦA TÁN SẮC VẬT LIỆU TRONG SỢI QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Nghệ An, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM THỊ TRÂM KHẢO SÁT ĐỊNH TÍNH CÁC TÍNH CHẤT CỦA TÁN SẮC VẬT LIỆU TRONG SỢI QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành:Quang học Mã số: 60.44.01.09 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.Vũ Ngọc Sáu Nghệ An, 2015 i Lời cảm ơn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Vũ Ngọc Sáu – người định hướng đề tài "Khảo sát định tính tính chất tán sắc vật liệu sợi quang", dẫn tận tình chu đáo dành nhiều công sức giúp đỡ tác giả trình hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cám ơn thầy: PGS.TS.Nguyễn Huy Bằng, TS Lê Công Nhân dành thời gian đọc góp ý để luận văn hoàn thiện Bên cạnh đó, tác giả xin cảm ơn thầy cô giáo khoa Vật lí Công nghệ, cán tham gia giảng dạy lớp cao học tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đặc biệt học viên Cao học khóa 21 chuyên ngành Quang học động viên, giúp đỡ suốt thời gian qua TP.Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng năm 2015 ii Mục lục Lời cảm ơn i Mục lục ii Danh sách hình vẽ iii Mở đầu Hiện tượng tán sắc môi trường sợi quang 1.1 Cấu trúc phân loại sợi quang 1.1.1 Cấu trúc sợi quang 1.1.2 Phân loại sợi quang 1.2 Lý thuyết xung ngắn lan truyền sợi quang 1.2.1 Sự lan truyền sợi dẫn quang chiết suất 1.2.2 Sự tán sắc ống dẫn sóng hình trụ 1.3 Các loại tán sắc sợi quang 1.3.1 Tán sắc mode 1.3.2 Tán sắc ống dẫn sóng 1.3.3 Tán sắc phân cực 1.3.4 Tán sắc vật liệu bước Khảo sát tính chất tán sắc vật liệu sợi quang phương pháp định tính 2.1 Sự phụ thuộc vận tốc nhóm vào bước sóng 2.2 Sự phụ thuộc chiết suất vào bước sóng loại sợi quang đơn mode 2.3 Sự phụ thuộc hệ số tán sắc D vào bước sóng loại sợi quang 2.4 Sự phụ thuộc tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc tổng vào bước sóng 5 9 15 17 17 18 18 19 24 24 33 34 37 Kết luận Kiến nghị 39 Tài liệu tham khảo 41 iii Danh sách hình vẽ 1.1 1.2 1.3 Sợi quang có dạng giảm chiết suất lớp bọc Sợi quang thuộc dạng dịch độ tán sắc Sợi quang thuộc dạng san tán sắc 2.1 Đồ thị hàm 2.2 Ảnh hưởng mở rộng xung theo thời gian dạng Gauss lan truyền sợi quang Xung dạng Gauss GVD = Xung dạng Gauss có GVD > (a) GVD > (b) Sự mở rộng xung Gauss với chirp vào đặc trưng tham số C, suốt trình lan truyền sợi quang Mô tả phụ thuộc chiết suất vào bước sóng silic nóng chảy Sự phụ thuộc hệ số tán sắc D vào bước sóng sợi đơn mode SMF – 28 Sự phụ thuộc hệ số tán sắc D vào bước sóng loại sợi khác Sự phụ thuộc tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc tổng vào bước sóng 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 sin x , x t=0 7 25 30 30 31 32 34 36 36 38 Mở đầu Lý chọn đề tài Hiện công nghệ quang học áp dụng rộng rãi khoa học kĩ thuật đời sống, đặc biệt việc truyền thông tin tín hiệu ánh sáng sợi quang Do đó, hệ thống thông tin quang chiếm hầu hết tuyến truyền dẫn quan trọng hệ thống viễn thông Mọi người thừa nhận phương thức truyền dẫn sợi quang thể khả to lớn việc chuyển tải dịch vụ viễn thông ngày phong phú đại Song, giai đoạn đẩy mạnh công nghiệp hóa tiến đến năm 2020 Việt Nam trở thành nước công nghiệp, nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc ngày tăng cao, không dừng lại phạm vi quốc gia mà vươn xa toàn giới Chính lẽ mà hệ thống thông tin quang cần phải tăng cự li truyền dẫn, tăng băng thông, Nếu tăng khoảng cách đồng nghĩa với việc băng thông hẹp, đó, hệ thống thông tin quang nay, hệ thống có tốc độ bit cao, phần lớn hoạt động vùng bước sóng 1550nm, nhằm sử dụng khuếch đại pha tạp erbium (EDFA) để tăng cự li truyền dẫn Tuy nhiên, vấn đề gặp phải hệ thống tán sắc Tán sắc gây ảnh hưởng lớn tới hệ thống làm mở rộng xung, gây méo tín hiệu, làm tăng lỗi bit xảy ra, giao thoa kí tự (ISI – intersymbol interference) làm xuống cấp chất lượng truyền dẫn chí chấp nhận Nhìn chung hậu tán sắc tới lực truyền dẫn, chất lượng hệ thống phức tạp Tán sắc có nhiều loại: tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc phân cực Đối với bước sóng phạm vi 1550nm tán sắc vật liệu nguyên nhân gây nên tượng tán sắc Do đó, chọn đề tài “Khảo sát định tính tính chất tán sắc vật liệu sợi quang” để làm đề tài luận văn Nội dung luận văn trình bày chương Chương đề cập đến tượng tán sắc sợi quang Trong đó, nêu cấu tạo cách phân loại sợi quang, lý thuyết xung ngắn lan truyền môi trường sợi quang chiết suất bước dựa tảng lý thuyết lan truyền sóng điện từ cách giải phương trình Maxwell Bên cạnh đó, trình bày loại tán sắc xuất sợi quang, làm ảnh hưởng đến dẫn truyền thông tin quang Dựa sở lý luận chương 1, chương 2, khảo sát đặc trưng tán sắc vật liệu lan truyền môi trường sợi quang như: vận tốc nhóm, chiết suất, hệ số tán sắc vào bước sóng phụ thuộc tán sắc tổng vào bước sóng Nội dung trình bày cách định tính, từ mô tả phụ thuộc đặc trưng đồ thị Mục đích nghiên cứu Trên sở khảo sát định tính tính chất vật lí loại tán sắc có mặt sợi quang Từ đó, luận văn đưa cách đầy đủ tính chất, động học xung ngắn lan truyền môi trường phi tuyến sợi quang quan trọng làm rõ tính chất tán sắc vật liệu sợi quang Nhiệm vụ nghiên cứu • Tìm hiểu cấu tạo phân loại sợi quang • Tìm hiểu lý thuyết xung ngắn lan truyền môi trường sợi quang • Tìm hiểu loại tán sắc có mặt sợi quang • Khảo sát định tính đặc trưng tán sắc vật liệu môi trường sợi quang Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu • Lý thuyết xung ngắn lan truyền môi trường sợi quang • Các loại tán sắc xuất sợi quang điều kiện xung ngắn lan truyền • Các tính chất vật lí tượng tán sắc • Khảo sát số tính chất tán sắc vật liệu với trường hợp xung ngắn lan truyền sợi quang Phạm vi nghiên cứu • Sự lan truyền xung ngắn môi trường phi tuyến sợi quang • Nghiên cứu tính chất loại tán sắc sợi quang khảo sát đặc trưng tán sắc vật liệu Phương pháp nghiên cứu • Phương pháp lý thuyết • Phương pháp đồ thị Những đóng góp đề tài Luận văn mang tính chất tài liệu tham khảo dành cho người học vật lí không sâu nghiên cứu chuyên ngành hiểu chất vấn đề tán sắc sợi quang luận văn trình bày định tính bỏ qua phép tính toán phức tạp Chương Hiện tượng tán sắc môi trường sợi quang 1.1 Cấu trúc phân loại sợi quang 1.1.1 Cấu trúc sợi quang Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần, sợi quang chế tạo gồm có hai lớp: lớp có dạng hình trụ tròn, làm vật liệu rắn suốt có chiết suất n1 , gọi lõi sợi bao quanh lõi lớp vỏ có dạng hình trụ có chiết suất n2 < n1 Sợi quang giống dây dẫn hình trụ suốt có khả truyền dẫn ánh sáng từ đầu đến đầu sợi quang cách phản xạ toàn phần mặt ngăn cách lõi – lớp bọc định hướng lõi Lớp vỏ môi trường tạo ranh giới với lõi ngăn chặn khúc xạ ánh sáng ngoài, tham gia bảo vệ lõi độ bền sợi Vật liệu cấu tạo lõi thường thủy tinh, vỏ phản xạ thủy tinh chất dẻo suốt, loại sợi có cấu trúc vật liệu thường có suy hao nhỏ trung bình Loại sợi có lõi chất dẻo thường có suy hao lớn Để tránh trầy 27 Trong đó, xˆ vectơ phân cực theo phương x, E(r,t) hàm biến thiên chậm theo thời gian Hàm biến thiên chậm theo thời gian E(r,t) dùng để mô tả dạng phụ ˆ ω − ω0 ) phép biến thuộc thời gian xung liên hệ với miền tần số phổ E(r, đổi Fourier: +∞ ˆ ω − ω0 ) = E(r, E(r, t)exp[i(ω − ω0 )t]dt (2.8) −∞ ˆ ω − ω0 ) thỏa mãn phương trình Cường độ điện trường miền tần số E(r, Helmholtz: ∇2 Eˆ + n2 (ω)k02 Eˆ = (2.9) Trong vectơ sóng k0 biểu thị công thức: k0 = ω c (2.10) Và n(ω) hệ số khúc xạ ánh sáng lan truyền môi trường Đối với lan truyền sóng sợi n(ω) = nef f , nef f chiết suất hiệu dụng trường hợp giới hạn giá trị chiết suất lõi n1 tần số chuẩn hóa ν → ∞ chiết suất vỏ n2 tần số chuẩn hóa đạt gần ngưỡng tần số ν → ν0 ˆ ω − ω0 ) biểu thị Cường độ điện trường miền tần số E(r, sau: ˆ ω − ω0 ) = F (x, y)A(z, ˆ ω − ω0 )exp(iβz) E(r, (2.11) Trong F(x,y) mô tả phân bố trường mặt phẳng vuông góc với trục z, ˆ ω − ω0 ) mô tả biến thiên điện trường chậm theo trục z – phương tín hiệu A(z, quang lan truyền sợi, β số lan truyền tương ứng với vectơ sóng cho sóng phẳng chân không biểu thị sau: v= c ω = n β (2.12) Sau đó, thay (2.11) vào phương trình Hemholtz (2.9) sử dụng phương pháp tách biến, thu nghiệm mô tả lan truyền tín hiệu quang sợi Trong phương trình (2.11), số hạng exp(iβz) mô tả thay đổi pha Φ(ω) Nếu 28 tín hiệu quang dịch chuyển với độ rộng L Sự thay đổi pha là: Φ(ω) = ωn(ω) L c (2.13) Thu phương trình (2.13) cách sử dụng phương trình (2.12) Bởi chi tiết dạng Φ(ω), khai triển pha Φ(ω) chuỗi Taylor xung quanh tần số trung tâm ω0 : Φ = Φ0 + ( dΦ d2 Φ d3 Φ )(ω − ω0 ) + ( )(ω − ω0 )2 + ( )(ω − ω0 )3 + dω dω dω (2.14) ˆ ω − ω0 ) phép Hình dạng xung theo thời gian liên hệ với hình dạng phổ A(z, biến đổi Fourier ngược: A(z, t) = 2π +∞ A(z, ω − ω0 )eiΦ(ω) e−i(ω−ω0 )t dω (2.15) −∞ Thay (2.14) vào (2.15), ta thấy rõ số hạng Φ0 ảnh hưởng đến hình dạng xung lan truyền theo thời gian, tạo độ trễ thời gian xung lan truyền môi trường Thực vậy, so sánh đạo hàm bậc phương trình (2.13) với định nghĩa vận tốc nhóm vg (2.6), thu được: dΦ n ω dn dβ L = (1 + )L = L= = tg dω c n dω dω vg Trong đó: β k0 (2.16) Φ có ý nghĩa vật lí thời gian t cần = nef f Chúng ta ý ddω g để thành phần phổ dịch chuyển đến vỏ có khoảng cách L với vận tốc nhóm vg Số hạng thứ ba biểu thức (2.14): ( d Φ )(ω − ω )2 có ảnh hưởng đến hình dạng dω xung theo thời gian Thực ra, giả sử δ = d2 Φ dω = const thay vào (2.15), ta thu được: E (t) = √ −t2 δ t2 E0 e 2τ ei τ 2τ τ + iδ (2.17) Trong đó, thời gian xung biến đổi lượng là: τ = τ0 1+ τc4 τ04 (2.18) 29 Trong đó: τc = |δ| = d2 Φ L= dω β2 L (2.19) Như vậy, ta thấy tán sắc số hạng phi tuyến 12 ( ddωΦ2 )(ω − ω0 )2 , kết mở rộng xung theo thời gian Sự mở rộng xung theo thời gian kết vận tốc nhóm khác gọi tán sắc vận tốc nhóm Ngoài ra, phương trình (2.18) viết dạng khác Độ dài tán sắc LD cho sau: LD = τ02 |β2 | (2.20) với LD định nghĩa độ dài sợi quang, β2 hệ số tán sắc phi tuyến [2] Thực vậy, ta thay (2.20) (2.19) vào (2.18), ta thu được: τ = τ0 1+ L LD (2.21) Đối với sợi viễn thông chuẩn có bước sóng 1550 nm, |β2 | ≈ 20ps2 /km xung τ0 > 100ps, LD ≈ 500km Điều cho biết rằng, sợi có độ dài 50 − 80km ảnh hưởng đến tán sắc GVD không đáng kể (L LD ) Tuy nhiên, xung ngắn τ0 ≈ 1ps biến điệu nhanh, LD ≈ 50m, ảnh hưởng GVD bị bỏ qua, L LD Để tóm tắt, ta thấy từ phương trình (2.17) số hạng phi tuyến tán sắc d2 Φ (ω − ω0 )2 nguyên nhân gây mở rộng xung theo thời gian Số hạng dω nguyên nhân làm cho vận tốc nhóm thành phần khác trở nên khác Kết mở rộng xung theo thời gian [5] 30 Hình 2.2: Ảnh hưởng mở rộng xung theo thời gian dạng Gauss lan truyền sợi quang Chúng ta giả sử xung dạng Gauss z=0 không thấy tán sắc vận tốc nhóm GVD = (hình 2.3), sau xét z = 2LD z = 4LD , xung có dạng Gauss, mở rộng đáng kể đến ảnh hưởng GVD Ảnh hưởng GVD dương âm Khi thành phần bước sóng dài dịch chuyển nhanh sóng ngắn, ta nói GV D > (hình 2.4a) Khi thành phần bước sóng dài dịch chuyển chậm sóng ngắn, ta nói GV D < (hình 2.4b) Hình 2.3: Xung dạng Gauss GVD = [5] 31 Hình 2.4: Xung dạng Gauss có GVD > (a) GVD > (b) [5] Dù cho kí hiệu tán sắc GVD xung vào chứng rõ chirp trải qua mở rộng theo thời gian Sau dịch chuyển sợi quang Chirp có nghĩa tất thành phần phổ xung theo thời gian dịch chuyển với vận tốc nhóm [6] dΦ n ω dn dβ L = (1 + )L = L= = tg = const dω c n dω dω vg (2.22) d dΦ ( )=0 dt dω (2.23) Tuy nhiên, trạng thái thay đổi xung vào tán sắc âm(hình 2.4b) Sau ảnh hưởng GVD dương nguyên nhân làm xung bị co, GVD = dãn sau mở rộng xung 32 Hình 2.5: Sự mở rộng xung Gauss với chirp vào đặc trưng tham số C, suốt trình lan truyền sợi quang [5] Điều dễ hiểu, hiệu ứng thu hẹp xung hình 2.5 cho C =-2 Xung vào có GVD ngược với GVD sợi quang lan truyền Điều có nghĩa sóng ngắn đầu vào dịch chuyển nhanh hơn, sợi quang bắt đầu cho thấy ảnh hưởng độ trễ, sóng dài bắt đầu dịch chuyển nhanh Điều dẫn đến bù tán sắc GVD Xung đạt cực tiểu khoảng cách sợi quang bù GVD = Đối với xung khoảng cách ngắn ngất mở rộng miền tần số (biến đổi - giới hạn độ rộng dải phổ) Ngoài ra, lan truyền sợi dẫn đến mở rộng xung làm GVD trở nên dương Sự ảnh hưởng GVD vào hình dạng khoảng thời gian lan truyền xung biến điệu theo thời gian sợi quang, ta thấy ảnh hưởng GVD trở nên cần thiết cho xung thời gian ps ngắn Do đó, ảnh hưởng phi tuyến chiết suất bắt đầu có vai trò quan trọng truyền dẫn quang học nhanh Thực tế, trở nên quan trọng tốc độ truyền dẫn vượt 100 Gb/s Sự truyền dẫn nhanh đòi hỏi biến điệu phải nhanh Sự biến điệu nhanh tạo xung dạng 33 bó sóng chuẩn đơn sắc dãy phổ xác định Bởi chiết suất n(ω) vật liệu phụ thuộc vào tần số xạ, thành phần tần số lan truyền xung với vận tốc nhóm khác vg Dãy phổ rộng khác tán sắc vận tốc nhóm GVD lớn 2.2 Sự phụ thuộc chiết suất vào bước sóng loại sợi quang đơn mode Đối với bước sóng xác định, chiết suất n(λ) xác định vận tốc pha chúng có mối liên hệ: v = c n = ωβ Hệ số góc đường cong dn(λ) dλ xác định vận tốc nhóm: vg = c n(λ) − λ dn dλ (2.24) bó sóng có bước sóng λ Công thức (2.24) ta dễ dàng suy từ định nghĩa vận tốc nhóm vg = liên hệ: v = c n = dω dλ ω β Biểu thức (2.24) viết lại sau: vg = c N (2.25) Trong chiết suất nhóm N là: N = n(λ) + ω Khi dn(λ) dλ = const, d2 n(λ) dλ2 dn dn = n(λ) − λ dω dλ (2.26) = tất thành phần phổ xung dịch chuyển với vận tốc nhóm vg Điều có nghĩa phụ thuộc chiết suất vào bước sóng tuyến tính, xảy thực nghiệm Sự xạ bước sóng ngắn có chiết suất lớn bước sóng dài, ánh sáng có bước sóng khác truyền với tốc độ khác Ánh sáng đơn sắc truyền lớn với vận tốc khác thành phần lan truyền dài ngắn sợi quang Mỗi diot LED diot laze đặc trưng độ rộng phổ Ví dụ: laze đa mode Fabry 34 Perot (FP) có độ rộng phổ nm, laze đơn mode 0.1 nm laze Bragg 0.05 nm Rõ ràng, dải phổ nguồn sáng nhỏ hiệu ứng tán sắc nhỏ Điều chứng tỏ rằng, laze DFB có kết tán sắc vật liệu màu nhỏ sợi Hình 2.6: Mô tả phụ thuộc chiết suất vào bước sóng silic nóng chảy 2.3 Sự phụ thuộc hệ số tán sắc D vào bước sóng loại sợi quang Hệ số tán sắc D định nghĩa sau: D= dtg ps dβ [ ], tg = = dλ nm.km vg dω (2.27) Hệ số tán sắc D xác định mở rộng xung theo thời gian ps (pico giây) sau km sợi quang, có độ rộng vạch phổ nguồn sáng nm Ta ý rằng, hệ số tán sắc D định nghĩa trên: D= dtg dλ (2.28) 35 Trong đó: tg = dβ = = β1 vg dω (2.29) Có tín hiệu ngược β2 sau: D= dβ1 2πc λ d2 n = − β2 ≈ dλ λ c dλ2 (2.30) Vì thế: • Khi D < 0, điều cho biết sợi tán sắc thường ( GV D > 0) • Khi D > 0, điều cho biết sợi tán sắc dị thường ( GV D < 0) Sử dụng (2.30) phụ thuộc chiết suất vào bước sóng, ta thấy sợi quang đơn mode silic nóng chảy, hệ số tán sắc D biểu thị mối liên hệ sau: D= S0 λ4 (λ − ) λ3 (2.31) Trong đó, S0 = 0.092ps/(nm2 km), λD = 1311nm Hình 2.7 Minh họa hệ số tán sắc D hàm bước sóng khoảng bước sóng 1250 nm đến 1650 nm Giá trị GVD xảy 1311 nm Trái ngược với cửa thứ 1550 nm, D khoảng 17 ps/nm/km [5] 36 Hình 2.7: Sự phụ thuộc hệ số tán sắc D vào bước sóng sợi đơn mode SMF – 28 Hình 2.8: Sự phụ thuộc hệ số tán sắc D vào bước sóng loại sợi khác [5] 37 2.4 Sự phụ thuộc tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc tổng vào bước sóng Tán sắc tổng tổng giá trị tán sắc sợi quang, tán sắc mode Dmode , tán sắc màu Dchr , tán sắc màu có tán sắc vật liệu Dmat tán sắc ống dẫn sóng Dwg Công thức tính tổng tán sắc là: Dt = 2 , + Dchr Dmode (2.32) Trong đó: Tán sắc màu Dchr = Dmat + Dwg Đối với sợi quang đơn mode thành phần tán sắc mode, tức tán sắc tổng tổng tán sắc vật liệu tán sắc ống dẫn sóng Ta thấy từ hình 2.9, tăng hệ số góc âm tán sắc ống dẫn sóng dịch chuyển, tán sắc không phía bước sóng dài Do đó, tán sắc cực tiểu dịch chuyển đến cửa sổ truyền thứ bị mở rộng ảnh hưởng tán sắc ống dẫn sóng Điều thực mở rộng khác chiết suất lõi vỏ Tuy nhiên, ta ý mở rộng khác mà ta tăng tần số ngưỡng v0 = 2πa λ0 n21 − n22 , tạo điều kiện cho lan truyền nhiều mode xảy Để loại bỏ tác dụng không mong muốn này, ta phải giảm đường kính lõi, ví dụ: từ 8µ m sợi chuẩn thành µm sợi dịch chuyển tán sắc Khi GVD dịch chuyển nhiều 1,6 µm sợi cho giá trị β2 > gọi sợi bù tán sắc, DCFs 38 Hình 2.9: Sự phụ thuộc tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc tổng vào bước sóng [5] KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này, tìm hiểu: • Sự phụ thuộc vận tốc nhóm vào bước sóng • Sự phụ thuộc chiết suất vào bước sóng loại sợi quang đơn mode • Sự phụ thuộc hệ số tán sắc D vào bước sóng loại sợi quang • Sự phụ thuộc tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc tổng vào bước sóng Đối với yếu tố khảo sát, giải theo phương pháp định tính hình thành đồ thị mô tả phụ thuộc 39 Kết luận Kiến nghị Trong phạm vi đề tài mình, rút số kết luận vấn đề mà luận văn giải sau: Trình bày sở lý thuyết xung ngắn lan truyền sợi quang, tượng tán sắc loại tán sắc môi trường sợi quang Tín hiệu dọc theo sợi quang bị méo, biến dạng hiệu ứng tán sắc gây Tán sắc mode phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt đường kính lõi sợi, tồn sợi đa mode mode sợi lan truyền theo đường khác làm cho cự li đường khác nhau, có thời gian lan truyền khác Các sợi đơn mode tán sắc mode Tán sắc ống dẫn sóng tạo tham số lan truyền phụ thuộc vào bước sóng Tán sắc vật liệu hàm bước sóng thay đổi số chiết suất vật liệu lõi tạo nên Đã tìm hiểu phụ thuộc yếu tố: vận tốc nhóm, chiết suất, hệ số tán sắc; tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc tổng vào bước sóng Sự ảnh hưởng GVD vào hình dạng khoảng thời gian lan truyền xung biến điệu theo thời gian sợi quang, ta thấy ảnh hưởng GVD trở nên cần thiết cho xung thời gian ps ngắn Tán sắc vật liệu hàm bước sóng, chiết suất vật liệu cấu tạo lõi sợi bị thay đổi, tạo phụ thuộc vận tốc nhóm vào bước sóng ánh sáng, làm tốc độ lan truyền thành phần phổ khác Sự xạ bước sóng ngắn có chiết suất lớn bước sóng dài, ánh sáng có bước sóng khác truyền với tốc độ khác 40 Khi D < 0, điều cho biết sợi tán sắc thường (GVD > 0) Khi D > 0, điều cho biết sợi tán sắc dị thường (GVD < 0) Tán sắc tổng tổng giá trị tán sắc sợi quang Luận văn mang tính chất tài liệu tham khảo dành cho người học vật lí không sâu nghiên cứu chuyên ngành hiểu chất vấn đề tán sắc sợi quang luận văn trình bày định tính bỏ qua phép tính toán phức tạp Trong trình học tập nghiên cứu, với hạn chế khó khăn định, luận văn tránh khỏi thiếu sót Do đó, mong nhận ý kiến đóng góp giúp đỡ thầy cô, cán khoa học độc giả quan tâm, để hoàn thiện đề tài 41 Tài liệu tham khảo [1] T.Li(ed) Optical Fiber Communications: Fiber Fabrication Academic Press, San Diego, 1985 [2] Cao Long Vân, Đinh Xuân Khoa, and M Trippenbach Cơ sở quang học phi tuyến NXB Giáo dục, 2003 [3] G.P Agrawal "Nonlinear Fiber Optics" 3rd editon, 2001 [4] Phan Xuân Anh Ảnh hưởng tượng tán sắc ánh sáng trình truyền dẫn thông tin quang Đại học Vinh, 2003 [5] Halina Abramczyk “Dipersion phenomena in optical fibers” PhD thesis, Technical University of Lodz, 2010 [6] Luc Thévenaz and Editor Advanced fiber optics A Swiss academic,CRC Press, 2011 [...]... mode) và các tán sắc bên trong mode (bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng) Nội dung chương 1 là cơ sở lý luận để khảo sát các tính chất của tán sắc vật liệu trong sợi quang bằng phương pháp định tính 24 Chương 2 Khảo sát các tính chất của tán sắc vật liệu trong sợi quang bằng phương pháp định tính 2.1 Sự phụ thuộc của vận tốc nhóm vào bước sóng Như đã trình bày ở chương 1, tán sắc vật liệu. .. sóng nào cũng không ổn định 1.3.4 Tán sắc vật liệu Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng tán sắc Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong sợi quang, ánh sáng truyền trong đó không phải đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định và tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng do sự thay đổi chiết suất của vật liệu làm nên lõi sợi, nên nó tạo ra sự phụ... 1.3 Các loại tán sắc sợi quang Ta đã biết khi tín hiệu truyền dọc theo sợi quang sẽ bị méo Sự méo này là do tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra Các hiệu ứng tán sắc ở đây được giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn Tán sắc bên trong mode chính là sự giãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc... với tán 17 sắc vật liệu Phương trình (1.47) chỉ ra rằng: Tán sắc ống dẫn sóng được gây ra bởi hằng số lan truyền ống dẫn sóng biến thiên theo V của ống dẫn sóng Tuy nhiên, trong sợi đa mode sự tán sắc ống dẫn sóng thường nhỏ hơn tán sắc mode, vì vậy chúng ta có thể bỏ qua nó Khi xem xét sợi đơn mode, ta thấy tán sắc ống dẫn sóng cùng mức độ với tán sắc vật liệu và không thể bỏ qua [5] 1.3 Các loại tán. .. truyền của các thành phần phổ là khác nhau Vì vậy, các thành phần có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu Nó xảy ra khi vận tốc pha của một sóng phẳng lan truyền trong môi trường điện môi biến đổi không tuyến tính với bước sóng và một vật liệu được gọi là tồn tại tán sắc vật liệu khi đạo hàm bậc hai 2 của chiết suất theo bước sóng khác không ( ddλn2 = 0) Độ trải rộng xung do tán sắc vật liệu. .. truyền trong sợi quang nói chung và sợi quang chiết suất bước nói riêng Để hiểu phương pháp này, chúng tôi giải phương trình Maxwell cho ống dẫn sóng hình trụ Từ đó, xét đến sự tán sắc trong ống dẫn sóng hình trụ • Khi tín hiệu truyền dọc theo sợi quang sẽ bị méo do nhiều nguyên nhân, một trong những nguyên nhân đó chính là tán sắc Tán sắc gồm hai thành phần chính là tán sắc giữa các mode (tán sắc mode)... một hàm số của α/λ (là bán kính lõi), điều này thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại rất được chú trọng ở sợi đơn mode Tán sắc tỉ lệ thuận với chiều dài sợi quang và độ rộng phổ của nguồn quang Xung quang ở cuối sợi quang sẽ bị giãn ra một lượng là: δT = D.∆λ.L Trong đó: • D là hệ số tán sắc, có đơn vị là ps/(km.nm) • ∆λ là độ rộng nguồn phổ • L là chiều dài sợi quang 1.3.3 Tán sắc phân cực... không ( ddλn2 = 0) Độ trải rộng xung do tán sắc vật liệu có thể thu được bằng cách khảo sát thời gian trễ nhóm trong sợi quang Khi khảo sát các tính chất của tán sắc vật liệu, chúng ta phải dựa trên những lý thuyết nền tảng: vận tốc pha, vận tốc nhóm, chiết suất nhóm, độ trễ nhóm, hệ số tán sắc • Vận tốc pha và vận tốc nhóm: Trong tất cả sóng điện từ, có những điểm có pha không thay đổi đối với sóng... đặc tính hệ thống Nếu xung tín hiệu giãn quá rộng sẽ gây ra hiện tượng phủ chờm vượt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang sẽ không còn phân biệt được các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu, đã làm giới hạn năng lực truyền dẫn Như vậy tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm hai thành phần chính là tán sắc giữa các mode (tán sắc mode) và các tán sắc bên trong mode (bao gồm tán sắc vật. .. 46 Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng λ = 1300 nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (≈ 0) Do đó trong dải thông của sợi đơn mode rất rộng Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng được, do đó sợi ... gồm tán sắc vật liệu tán sắc ống dẫn sóng) Nội dung chương sở lý luận để khảo sát tính chất tán sắc vật liệu sợi quang phương pháp định tính 24 Chương Khảo sát tính chất tán sắc vật liệu sợi quang. .. Như tán sắc tổng cộng sợi dẫn quang gồm hai thành phần tán sắc mode (tán sắc mode) tán sắc bên mode (bao gồm tán sắc vật liệu tán sắc ống dẫn sóng) 1.3.1 Tán sắc mode Tán sắc mode tồn sợi quang. .. trường sợi quang • Các loại tán sắc xuất sợi quang điều kiện xung ngắn lan truyền • Các tính chất vật lí tượng tán sắc • Khảo sát số tính chất tán sắc vật liệu với trường hợp xung ngắn lan truyền sợi