Bài giảng quang sợi phi tuyến p1

TS Nguy Nguyễ ễn n Đứ Đức c Nhân Oct 2015 17/10/2015 • • Thời lượng môn học: – Tín (24LT + 6BT + 90 Tự Học) Mục tiêu: – Kiến thức: Cung cấp tảng toán học vật lý quang sợi phi tuyến cho việc phân tích đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến lên hệ thống thông tin quang sợi, ứng dụng hiệu ứng hệ thống viễn thông xử lý tín hiệu – Kỹ năng: Giúp học viên phát triển kỹ mô hình hóa kỹ phân tích để giải toán quang sợi phi tuyến • Đánh giá: − Chuyên cần: − Bài tập/Tiểu luận: − Kiểm tra kỳ: − Kiểm tra cuối kỳ: 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 10 % 10 % 20 % 60 % • Nội dung: – Quang phi tuyến trình truyền dẫn xung sợi quang – Hiệu ứng tự điều chế pha SPM – Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM – Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM – Các hiệu ứng tán xạ kích thích 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân • Tài liệu tham khảo: [1] Govind R Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Academic Press (AP), 2006 [2] Govind P Agrawal, Applications of Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, 2008 [3] Mario F S Ferreira, Nonlinear Effects in Optical Fibers, Wiley-OSA, 2011 [4] Thomas Schneider, Nonlinear Optics in Telecommunications, Springer, 2004 [5] J K Shaw, Mathematical Principles of Optical Fiber Communications, CBMS-NSF Regional Conference Series in Applied Mathematics, 2004 [6] Robert W Boyd, Nonlinear Optics, AP, 2008 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân • (1970) – Sợi quang suy hao thấp  phát triển nghiên cứu quang sợi phi tuyến • (1972) – Nghiên cứu trình SRS SBS  thúc đẩy nghiên cứu hiệu ứng phi tuyến khác • (1980) – Soliton quang quan sát thực nghiệm  phát triển kỹ thuật nén xung chuyển mạch quang • (1987) – Ra đợi khuyếch đại EDFA  tăng cường nghiên cứu quang sợi phi tuyến • (1990s) – Quang sợi phi tuyến phát triển mạnh mẽ – Các cấu trúc sợi quang quan tâm nghiên cứu 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân • Cấu trúc vật liệu chế tạo: – Cấu trúc bản: • Lõi: chiết suất n1 • Vỏ: chiết suất n2 • Lớp bọc bảo vệ Các thông số bản: 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân • Cấu trúc vật liệu chế tạo: – Vật liệu chế tạo: • Thủy tinh • Nhựa 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân • Cấu trúc vật liệu chế tạo: – Các loại sợi bản: V < 2,405 V2 N V2 N 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 10 • Các mode sợi quang – Các mode sợi: • Giải phương trình trị riêng cho giá trị m  xác định mn (cho mode) • Đối với m =  Ez = Hz =  có mode TE0n, TM0n • Đối với m   mode lai ghép HEmn, EHmn • Số lượng mode xác định tần số chuẩn hóa hay tham số V: – Điều kiện đơn mode: Chỉ có mode HE11, tất mode khác bị cắt với điều kiện: 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 39 • Các mode sợi quang – Đặc trưng mode bản: mode HE11 hay LP01 • Trường điện mode HE11 xác định gần đúng: Trong A() số chuẩn hóa • Phân bố trường lõi: • Phân bố trường vỏ: • Phân bố trường mode sử dụng gần dạng Gauss: Trong w gọi bán kính trường mode 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 40 • Phương trình Schrodinger phi tuyến – Sử dụng phương trình sóng bản: Sử dụng giả sử: - PNL xét nhiễu loạn nhỏ PL - Trường quang trì phân cực suốt dọc chiều dài sợi quang - Coi trường quang gần đơn sắc  phổ xung trung tâm 0 độ rộng phổ  có /0 > 10fs, sử dụng khai triển Taylor: • Định nghĩa momen hàm đáp ứng phi tuyến:  Gần ptr (): TR  fs vùng 1550 nm () 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 52 • Phương trình Schrodinger phi tuyến – Các hiệu ứng phi tuyến bậc cao: • Đối với xung quang có độ rộng xung > 5ps, tham số nhỏ  Bỏ số hạng cuối ptr () số hạng tán sắc bậc  Ptr () đơn giản hóa thành: () • Khi công suất đỉnh lớn (~ 1GW/cm2), sử dụng tiếp cận đơn giản thay tham số  bằng: Trong bs tham số bão hòa xác định mức công suất tính phi tuyến bắt đầu bão hòa Sử dụng tiếp cận  thu ptr NLS quintic 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 53 [...]... Nhân 29 • Chiết suất phi tuyến – Thủy tinh SiO2: phân tử đối xứng  (2) triệt tiêu – Sợi quang thủy tinh: hiệu ứng phi tuyến bậc thấp nhất nguồn gốc từ độ cảm bậc 3 (3) – Các hiệu ứng phi tuyến: chiết suất phi tuyến • Chiết suất sợi: Trong đó: n() – phần tuyến tính, – cường độ quang trong sợi • Quan hệ giữa n2 và (3): Trong đó: Re – phần thực, trường quang giả sử phân cực tuyến tính 17/10/2015... Nhân 30 • Phân loại phi tuyến trong sợi quang – Nguồn gốc từ độ cảm bậc ba (3) – Phần thực dẫn đến các hiệu ứng SPM, XPM và FWM – Phần ảo dẫn đến các hiệu ứng SBS và SRS Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang Chiết suất phi tuyến SPM 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân XPM FWM Tán xạ không đàn hồi SRS SBS 31 • Tại sao sử dụng sợi quang ? – Tham số chất lượng đánh giá hiệu quả quá trình phi tuyến: tích I0Leff...• Cấu trúc và vật liệu chế tạo: – Sợi quang đặc biệt: sử dụng cho một số chức năng đặc biệt • Sợi tích cực: pha tạp ion đất hiếm • Cách tử sợi quang • Sợi duy trì phân cực • High Non-Linear Fibers (HNLF) • Sợi tinh thể photonic 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 11 • Cấu trúc và vật liệu chế tạo: – Sợi quang phi tuyến (HNLF): Có 4 cách tiếp cận sử dụng trong thực tế: • Sợi lõi hẹp có vỏ thủy tinh: có lõi... Đức Nhân 28 • Vector phân cực phi tuyến – Đáp ứng của bất kỳ vật liệu điện môi trở nên phi tuyến trong trường điện từ mạnh – Nguồn gốc đáp ứng phi tuyến: từ sự chuyển động phi điều hòa của các điện tử liên kết dưới tác động của một trường ngoài • Phân cực điện tổng: Trong đó: 0 – hằng số điện môi chân không, (j) – độ cảm ứng bậc j (j) là một tensor có hạng j+1 Độ cảm tuyến tính (1) đóng góp chính... kèm • Các sợi như vậy cũng được gọi là các sợi holey hoặc các sợi tinh thể photonic (PCF) • Số lượng các lỗ không khí biến đổi theo cấu trúc khác nhau • Kích cỡ lỗ có thể biến đổi từ < 1m tới > 5 m 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 14 • Cấu trúc và vật liệu chế tạo: – Sợi tinh thể photonic: PCFs được chế tạo đầu tiên năm 1996 Bản chất tuần hoàn quan trọng trong các sợi băng cấm quang tử Lõi các sợi như... hẹp có vỏ thủy tinh: có lõi hẹp và mức pha tạp cao  giảm Aeff và tăng cường  • Sợi hình nón có vỏ không khí: các sợi quang tiêu chuẩn được kéo giãn bởi một hệ số  50, không khí xung quanh hoạt động như lớp vỏ • Sợi vi cấu trúc: các lỗ không khí được tạo ra trong lớp vỏ, các sợi tinh thể photonic, các sợi có lỗ, • Sợi không thủy tinh: sử dụng vật liệu khác có giá trị n2 lớn như thủy tinh chì, chalcogenide,... giá hiệu quả quá trình phi tuyến: tích I0Leff – Đối với mối trường khối: Trong đó: I0 – cường độ quang, Leff – chiều dài hiệu dụng, P0 – công suất quang vào, w0 – kích thước trường mode – Đối với sợi quang: – So sánh 2 môi trường: 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 32 • Hệ phương trình Maxwell – Môi trường sợi quang (1.1) E và H là các vector cường độ điện trường và từ trường D và B là các vector mật độ thông... nguyên nhân khác 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 16 • Đặc tính suy hao: – Phổ suy hao sợi quang: 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 17 • Đặc tính suy hao: – Phổ suy hao sợi quang:  Cửa sổ truyền dẫn: • 850 nm: 2-3 dB/km • 1300 nm: 0.5 dB/km • 1550 nm: 0.2 dB/km 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 18 • Đặc tính tán sắc: – Tán sắc: Xung quang bị trải rộng (méo dạng) về thời gian  gây lỗi do ISI 17/10/2015 Nguyễn Đức... sợi băng cấm quang tử Lõi các sợi như vậy thường chứa không khí mà ánh sáng bị giam hãm bởi băng cấm quang tử Các PCF có thể hoạt động như một môi trường phi tuyến cao nếu không khí được thay bằng một chất khí hoặc lỏng phù hợp 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 15 • Đặc tính suy hao: – Suy giảm công suất quang khi lan truyền Tuân theo định luật Beer: dP/dz = -P  - hệ số suy hao Nguyên nhân: − Do hấp thụ... trúc và vật liệu chế tạo: – Sợi hình nón: • Sợi được kéo dãn để giảm đường kính vỏ tới ~ 2 m • Không khí hoạt động như lớp vỏ cho lớp lõi hẹp mới: • Độ lệch chiết suất lớn (n = 0,45) giữ cho mode giam hãm trong lõi mới thậm chí khi đường kính lõi  1m • Sợi hình nón thường hỗ trợ nhiều mode (V > 2,405) 17/10/2015 Nguyễn Đức Nhân 13 • Cấu trúc và vật liệu chế tạo: – Sợi vi cấu trúc: • Một lõi hẹp ... xung chuyển mạch quang • (1987) – Ra đợi khuyếch đại EDFA  tăng cường nghiên cứu quang sợi phi tuyến • (1990s) – Quang sợi phi tuyến phát triển mạnh mẽ – Các cấu trúc sợi quang quan tâm nghiên... Sợi quang thủy tinh: hiệu ứng phi tuyến bậc thấp nguồn gốc từ độ cảm bậc (3) – Các hiệu ứng phi tuyến: chiết suất phi tuyến • Chiết suất sợi: Trong đó: n() – phần tuyến tính, – cường độ quang. .. (1970) – Sợi quang suy hao thấp  phát triển nghiên cứu quang sợi phi tuyến • (1972) – Nghiên cứu trình SRS SBS  thúc đẩy nghiên cứu hiệu ứng phi tuyến khác • (1980) – Soliton quang quan