hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Click to edit Master title style HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG SỢI QUANG Giáo viên hướng dẫn: Nhóm thực hiện: - Nguyễn Thanh Tú - VT DANH SÁCH NHÓM STT Họ tên Đỗ Văn Tình Trần Trọng Tiến Phan Hoàng Vũ Phạm Thanh Tùng MSSV 1020232 1020229 1020276 1020265 MỤC LỤC Tổng quan Các hiệu ứng phi tuyến sợi quang Một số biện pháp giảm thiểu Ứng dụng Phần I Tổng quan  Tổng quan  Phân Loại  Thông số liên quan TỔNG QUAN  Hiệu ứng phi tuyến sợi quang xảy thay đổi hệ số khúc xạ sợi tượng tán xạ không đàn hồi  Hiệu ứng quang gọi phi tuyến tham số phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) PHÂN LOẠI Hiệu Ứng Phi Tuyến Trong Sợi Quang - Phát sinh tác động qua lại sóng ánh sáng với phonon (rung động phân tử) môi trường silica - Tán xạ Rayleigh: tán xạ kích thích Brillouin (SBS) tán xạ kích thích Raman (SRS) - Sinh phụ thuộc 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 - Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM Cross- Phase Modulation) hiệu ứng trộn bước sóng (FWM - Four-Wave Mixing) PHÂN LOẠI THÔNG SỐ LIÊN QUAN  Chiều dài hiệu dụng Leff  Diện tích hiệu dụng Aeff  Cường độ hiệu dụng Ieff CHIỀU DÀI HIỆU DỤNG  Hầu hết hiệu ứng phi tuyến xảy khoảng đầu sợi quang giảm tín hiệu lan truyền  Giả sử:  Pin: công suất truyền sợi quang => P(z) = Pin exp(−αz) công suất điểm z tuyến, với α hệ số suy hao L kí hiệu chiều dài thực tuyến Chiều dài hiệu dụng tuyến kí hiệu Leff định nghĩa sau: L Pin Leff = ∫ P( z )dz z =0 Leff − e αL = α Trong hệ thống với khuếch đại quang: l: amplifiers spaced distance Leff − e −α z L = α l DIỆN TÍCH HIỆU DỤNG  Diện tích vùng lõi hiệu dụng Aeff (để giảm ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến phải tăng diện tích hiệu dụng sợi) Aeff = ∫ θ∫ rdr dθ I (r ,θ ) r rdr d θ I (r ,θ ) ∫∫ r θ I(r, θ): intensity r, θ : polar coordinates - Công thức rút gọn: Aeff ≈ πw02 W0: bán kính trường mốt 10 GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG XPM  Bằng việc phân tích phổ lan truyền tín hiệu biểu diễn dạng phương trình Schoedinger phi tuyến áp dụng phương pháp hàm chuyển đổi chuỗi Voltera biến đổi Bo Xu đưa kết sau:  Méo cường độ kênh hiệu ứng XPM kênh thứ k : 45 GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG XPM  Trường lan truyền kênh thứ k độ dài L là:  Méo cường độ kênh hiệu ứng XPM kênh thứ k :  Như ta phải bù công suất hiệu ứng XPM kênh thứ k là:  Trong M số khuếch đại tuyến, N số kênh tuyến 46 GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG FWM  Hiệu ứng FWM có khả gây suy giảm công suất tín hiệu quang gây xuyên nhiễu cho kênh hệ thống WDM Các sợi có tán sắc thường có ảnh hưởng FWM nhỏ Khi tổn hao công suất kênh hiệu ứng FWM cho kênh không đáng kể hiệu ứng FWM coi có ảnh hưởng xuyên nhiễu tới kênh hệ thống.Thực tế có sợi dịch chuyển tán sắc DSF có FWM lớn đến mức gây suy giảm công suất kênh tạo điều kiện kết hợp pha  Hiệu ứng FWM với tương tác kênh f1, f2, f3 có ảnh hưởng lớn tới hệ thống sử dụng WDM EDFA tạo bước sóng nằm băng tần của kênh hệ thống 47 Giảm ảnh hưởng hiệu ứng FWM 48 GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG FWM  Công suất bị ảnh hưởng : • Trong đó: Pi , Pj , Pk : công suất ánh sáng đầu vào với tần số f , f , f λ : Bước sóng c : vận tốc ánh sáng χ : độ cảm phi tuyến bậc ba Ae1 , Ae2 : vùng hiệu dụng tương ứng sợi L1 , L2 ηijk: hệ số FWM 49 Sợi quang G.655  Đây hiệu ứng có ảnh hưởng lớn với hệ thống WDM ,có quan hệ mật thiết với tán sắc sợi quang.Để khắc phục ảnh hưởng hiệu ứng FWM ta sử dụng sợi quang G.655 ( NZDFS)  Các đường cong mô tả tán sắc suy hao sợi đơn mode cho thấy suy hao sợi đạt giá trị nhỏ vùng bước sóng 1500 nm tán sắc có giá trị thấp (bằng không) lại bước sóng 1300 nm 50 Sợi quang G.655  Sợi quang sử dụng rộng rãi hệ thống sợi đơn mode SMF28, G.652  Sợi quang dịch chuyển tán sắc (DSF, G.653) có tán tổng không bước sóng gần 1550 nm  Ðiều dẫn đến phát triển loại sợi dịch chuyển tán sắc khác không (NZ - DSF) Các loại sợi có tán sắc màu khoảng từ đến ps/nm.km -1 đến -6 ps/nm.km cửa sổ 1550 nm Ðiều cắt giảm ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến nguyên ưu điểm sợi DSF 51 Sợi quang G.655  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  Độ tán sắc dương sợi G655 tránh việc trộn lẫn bốn bước sóng quang  Vùng hiệu dụng cao sợi G655 (vẫn nhỏ sợi SMF) làm giảm thiểu hiệu ứng phi tuyến 52 Phần IV Ứng dụng     FWM XPM SRS Supercontinum Generation 53 FWM  FWM ứng dụng để khuếch đại tín hiệu yếu.Hàm độ lợi gain tăng lên đến 20 dB  Năng lượng xung bơm chuyển sang tín hiệu qua FWM  Dùng việc chia kênh OTDM  Sự liên hợp pha tạo FWM  Đảo ngược hướng lan truyền pha chùm sáng  Chyển đổi bước sóng kênh WDM  FWM chuyển liệu đến bước sóng khác  Chùm bơm CW phóng vào sợi quang với kênh tín hiệu  FWM truyền liệ từ tín hiệu đến chùm idler bước sóng 54 XPM  Nén xung phi tuyến  Chuyển kênh quang siêu nhanh([...]... Diện tích hiệu dụng của SMF khoảng 85 µm2 và của DSF 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.) 11 Phần II 2 Các 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... sóng 26 Nhóm hiệu ứng khúc xạ phi tuyến  Ta có neff : chiết suất hiệu dụng của môi trường 27 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 28 Hiệu ứng tự điều... 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:  GB ~ 4x10-11 m/W, không phụ thuộc vào bước sóng  Công suất ngưỡng cho SBS  PthSBS=21Aeff /gB Leff 23 Nhóm hiệu ứng khúc xạ phi tuyến  SPM  CPM  FWM 24 Nhóm hiệu ứng khúc xạ phi tuyến  Xảy ra do sự phụ thuộc của độ cảm vào cường độ trường E của xung quang  Biểu thức vector phân... cục bộ về mặt năng lượng, thay đổi chỉ số khúc xạ  làm tăng ảnh hưởng của SPM 33 Hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM  Tính chất:  Hệ số lan truyền:  Độ dịch pha: (do hiệu ứng phi tuyến) 34 Hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM  Tính chất:  Với hệ thống N kênh truyền: Pi : công suất vào của kênh i  Ví dụ: 2 kênh: 35 Hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM  Ảnh hưởng • ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn thông... phân cực: P = ε 0 χE  Tuy nhiên trong môi trường phi tuyến: P = ε 0 χ E + ε 0 χ E + ε 0 χ E + (1) ( 2) 2 ( 3) 3 Ở đây: ɛ0 - hằng số điện môi, χ(i) – độ cảm bậc i của môi trường 25 Nhóm hiệu ứng khúc xạ phi tuyến E = E0 cos(ωt − kz )  Hệ thống đơn kênh với ω: tần số góc, k: hệ số lan truyền Vector phân cực:  Độ cảm điện: Χeff : độ cảm hiệu dụng nl : thành phần tuyến tính của chiết suất môi trường...  Độ dịch pha: (L: chiều dài truyền sóng)  Năng lượng truyền cao: 29 Hiệu ứng tự điều pha SPM  Thành phần phi tuyến gây ra độ dịch tần:  dI/dt > 0 :  dI/dt < 0 :  Hiện tượng chirp: sự thay đổi độ tán sắc gây ra sự méo dạng và thay đổi mật độ của xung 30 Hiệu ứng tự điều pha SPM  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... 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 14 Tán xạ do kích thích Raman- SRS  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 15 Tán xạ do kích thích Raman- SRS Ảnh hưởng:... tự điều pha SPM • Hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM • Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM 12 Nhóm hiệu ứng tán xạ không đàn hồi  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) 13 Tán xạ do kích thích Raman- SRS  Hiện tượng:... cao ω > ω0 lan truyền chậm hơn thành phần tần số thấp - > xung co lại 31 Hiệu ứng tự điều pha SPM  Ảnh hưởng: • Dẫn đến sự giao thoa gây nhiễu giữa các kênh ( đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau)  Tuy nhiên: • • SPM dùng để tạo ra các xung cực ngắn với tỉ lệ lặp cao Được sử dụng trong chuyển mạch quang nhanh 32 Hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM  Hiện tượng: • Xảy ra khi có nhiều kênh trên... dài hơn 19 Tán xạ do kích thích Brillouin- SBS  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 ... tích hiệu dụng SMF khoảng 85 µm2 DSF khoảng 50 µm2 (Các sợi quang bù tán sắc có diện tích hiệu dụng nhỏ có ảnh hưởng phi tuyến lớn hơn.) 11 Phần II Các hiệu ứng phi tuyến sợi quang  Nhóm hiệu ứng. .. Tổng quan Các hiệu ứng phi tuyến sợi quang Một số biện pháp giảm thiểu Ứng dụng Phần I Tổng quan  Tổng quan  Phân Loại  Thông số liên quan TỔNG QUAN  Hiệu ứng phi tuyến sợi quang xảy thay... 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 12 Nhóm hiệu ứng tán xạ không đàn hồi  Đặc