bù tán sắc cấu trúc quang nano

2 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc a và SQ có chiết suất biến đổi đều bI.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang I.2.1 Hiện tượng phản xạ toàn phần Khi ánh sáng tuyền từ môi trườ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI: BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO GVHD: TS Hoàng Phương Chi

Hà Nội, 3/2016

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

Nguyễn Bá Hùng - Tìm hiểu về sợi quang, tán sắc

Bùi Thị Hồng - Tìm hiểu về sợi quang, tán sắc

Lê Thị Lý - Tìm hiểu về Bù tán sắc kích thước NANO

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ mạng quang ra đời đã tạo nên những bước phát triển rất lớn cho cácmạng truyền tải Với sự ra đời của công nghệ WDM đã đáp ứng được nhu cầu tăng lên rấtlướn về băng thông Ngày nay các hệ thống thông tin quang đường trục, các hệ thốngdung lượng lớn đều sử dụng công nghệ WDM, với những tuyến liên kết điểm điểm, rồiđến những liên kết cấu trúc mạng phức tạp hơn để phù hợp với những yêu cầu đáp ứngmạng được đặt ra Tuy nhiên, do một số những ảnh hưởng lớn tác động đến hệ thốngWDM nên những nhà khai thác mạng vẫn chưa tận dụng được hết những ưu điểm vượttrội của hệ thống này Những ảnh hưởng đó đầu tiên phải kể đến hiện tượng tán sắc Tánsắc làm hạn chế khoảng cách cũng như tốc độ truyền dẫn gây lỗi bit nghiêm trọng Vì vậychúng em được giao đề tài tìm hiểu về bù tán sắc cấu trúc quang nano

Trong quá trình làm bài chúng em còn nhiều sai sót Rất mong được cô và các bạngóp ý cho ý kiến để bài viết được hoàn thiện hơn

I. SỢI QUANG

I.1 Cấu tạo và phân loại sợi quang

I.1.1 Cấu tạo

Sợi quang là ống dẫn sóng điện môi hình trụ, dẫn ánh sáng theo hướng song songvới trục

Hình 1 1 Cấu trúc sợi quang

Ánh sáng truyền từ môi trường có chiết quang hơn sang môi trường ít chiết quanghơn

I.1.2 Phân loại sợi quang

 Căn cứ theo số mode có thể làn truyền trong sợi:

• Sợi đơn mode (Single mode fiber)

• Sợi đa mode (Multi modeil fiber)

 Căn cứ theo dạng phân bố chiết suất trong lõi sợi:

• Sợi có chiết suất nhảy bậc (Step-index fiber)

• Sợi có chiết suất biến đổi dần (Građe index fiber)

ab

Hình 1 2 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (a) và SQ có chiết suất biến đổi đều (b)

I.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

I.2.1 Hiện tượng phản xạ toàn phần

Khi ánh sáng tuyền từ môi trường có chiết quang hơn sang môi trường ít chiếtquang hơn và khi góc tới đạt giá trị đủ lớn (với là góc khúc xạ tới hạn) thì tia sáng sẽphản xạ lại môi trường cũ Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần

Hình 1 3 Hiện tượng khúc xạ và phản xạ toàn phần

I.2.2 Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Nguyên lý truyền dẫn chung: Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quangđược chế tạo gồm một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding)bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1 > n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạnhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc Do đó ánh sáng cóthể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một độ cong có giớihạn

Một vài thông số đặc trưng của sợi quang:

 : Vi sai chiết suất lõi vỏ

=

 : Góc mở lớn nhất

 NA: Khẩu độ số

II. TÁN SẮC

II.1 Khái niệm

Tán sắc là hiện tượng dãn xung ánh sáng theo thời gian khi truyền tìn hiệu, gây nênméo tín hiệu Đây là vấn đề quan trọng với tuyến tốc độ cao, đường truyền dẫn dài

Hình 2 1 Hiện tượng tán xạ

II.2 Phân loại tán sắc

Hình 2 2 Phân loại tán sắc

Tán sắc ống dẫnsóng

Tán sắc trongmột modeTán sắc

Tán sắc vật liệu

Tán sắc phâncựcTán sắc mode

2.2.1 Tán sắc mode

Trong sợi đa mode, tốc độ lan truyền ánh sang của các mode khác nhau Sự chênhlệch thời gian đến điểm thu giữa các tia sang gây trễ nhóm mode lan truyền dẫn đến hiệntượng dãn xung ánh sáng

Hình 2 3 Tán sắc mode

Độ giãn xung tín hiệu quang sau khi truyền trong sợi quang dài L(km) đo bằnghiệu thời gian truyền giữa mode bậc cao nhất và mode bậc thấp nhất

Biện pháp khắc phục

 Sử dụng sợi đơn mode

Hình 2 4 Sợi đơn mode

 Sử dụng sợi có chiết suất biến đổi

13 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO

Vỏ

Lõi nhỏ

Hình 2 5 Sợi quang có chiết suất biến đổi

c Biện pháp giảm tán sắc đơn sắc

Chúng ta có thể sử dụng các loại sợi giảm tán sắc đơn sắc:

 Các loại sợi giảm tán sắc đơn sắc:

• Sợi đơn mode – SMF hay sợi không có tán sắc dịch chuyển

tán sắc nhỏ tại cửa sổ 1310nm, nhưng lại có hệ số tán sắc lớn tạivùng 1550nm.

• Sợi tán sắc dịch chuyển dispersion-shifted fiber (DSF) theo tiêuchuẩn ITU- G.653 được thiết kế có hệ số tán sắc bằng 0 tại bướcsóng 1550 Tuy nhiên, sợi này cũng có một số hạn chế, tán sắc phâncực cao hơn sợi SMF và được dung trong hệ thống đơn kênh quang

• Sợi tán sắc dịch chuyển không bằng không (NZ-DSF) theo chuẩnITU-655, được phát triển dựa trên sợi DSF Sợi có tán sắc nhỏ tại cửa

sổ 1550nm Thích hợp với hệ thống có dung lượng lớn và cự ly xa dogiảm được hiệu ứng phi tuyến

Hình 2 6 Hiệu quả sử dụng của các sợi giảm tán sắc đơn sắc tại cửa sổ 1550 nm

Chiều dài sợi quang:

Trong đó: L là chiều dài sợi quang (km)

CD là hệ số tán sắc đơn sắc ( ps/(nm*km))

B là tốc độ bit (Gbps)

III. BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO

III.2Tinh thể quang tử

Tinh thể quang tử (photonic crystals - PCs) là một cấu trúc tuần hoàn trong khônggian của các vật liệu với hằng số điện môi khác nhau được sắp xếp xen kẽ nhau, có chiếtsuất thay đổi theo chu kỳ trên một thang chiều dài và có thể so sánh được với bước sóngánh sáng được sử dụng Các photon khi chuyển động trong tinh thể sẽ đi qua các vùng cóchiết suất cao xen kẽ với các vùng có chiết suất thấp Đối với một photon sự tương phản

về chiết suất này giống như một thế năng tuần hoàn mà một electron bị tác dụng khi điqua một tinh thể điện tử Do tính tuần hoàn dẫn đến trong PCs cũng xuất hiện một vùngcấm quang: tức là có một dải tần số trong đó các photon không thể truyền qua được cấutrúc này PCs sẽ chặn ánh sáng với các bước sóng nằm trong vùng cấm quang, trong khicho phép các bước sóng khác truyền qua tự do Bằng các ngăn chặn hoặc cho phép ánhsáng truyền qua một tinh thể quang tử việc điều khiển bước sóng ánh sáng có thể đượcthực hiện

Sự truyền sóng điện từ bên trong một môi trường tuần hoàn được nghiên cứu đầutiên bởi Lord Reyleigh năm 1887 Đây là cấu trúc 1D có sự tuần hoàn của chiết suất chỉđược thiết lập theo một hướng duy nhất trong khi đồng nhất theo hai hướng còn lại

Năm 1987, hai nhà khoa học là Eli Yablonovitch và Sajeev John đã đưa ra cấu trúcđiện môi tuần hoàn 2D và 3D.

Tinh thể quang tử 2D là một cấu trúc tuần hoàn dọc theo hai trục của nó và đồngnhất dọc theo trục thứ ba Cấu trúc tinh thể quang tử này có vùng cấm quang trong mặtphẳng xy, và đồng nhất dọc theo trục z Trong vùng cấm quang, không có trạng thái nàođược phép tồn tại và ánh sáng tới sẽ bị phản xạ ngược trở lại tại mặt phân cách giữa môitrường và cấu trúc tinh thể quang tử [30] Không giống như trường hợp tinh thể quang tử1D, tinh thể quang tử 2D có thể ngăn chặn ánh sáng truyền tới từ bất kỳ hướng nào trongmặt phẳng

Tinh thể quang tử 3D là cấu trúc có sự tuần hoàn về chiết suất theo cả ba hướng.Cấu trúc của tinh thể quang tử 3D được biết đến nhiều nhất trong tự nhiên chính là các đáquý Opal Các loại đá quý này được biết đến bởi tính chất quang độc đáo của chúng là khiquay các viên đá sẽ có màu sắc khác nhau

Hình 3 1 Các loại tinh thể quang tửNguyên lí:

Yablonovitch đưa ra một cái tương tự với chất bán dẫn, những chất có một “dảikhe” năng lượng giữa các electron hóa trị - gắn liền với các liên kết hóa học – và cácelectron dẫn Giống hệt như các electron có năng lượng thuộc miền khe trống không thểtồn tại trong chất bán dẫn, ánh sáng có tần số thuộc miền khe trống điện từ sẽ không tồntại trong cấu trúc đã đề xuất Trong mỗi trường hợp, cấu trúc tuần hoàn dẫn tới sự giaothoa sóng triệt tiêu (giao thoa sóng electron hoặc trường điện từ) dẫn tới khe trống

III.3Sợi tinh thể quang tử

Sợi tinh thể quang tử (PCFs) là sợi có cấu trúc tuần hoàn được làm bằng các ốngnhỏ (như ống mao dẫn) Những lỗ trống được chứa đầy không khí và nó có hình dạnggiống mạng lục giác

Hình 3 2 Mặt cắt sợi tinh thể quang tử (PCFs)Ánh sáng có thể truyền dọc theo sợi bên trong những lỗ khuyết của cấu trúc tinhthể Một lỗ khuyết được tạo ra là do có sự dịch chuyển của một hay nhiều tâm của ốngnhỏ Sợi tinh thể quang tử là một loại mới của sợi quang học Kết hợp tính chất của sợiquang và tính chất của tinh thể quang tử sợi tinh thể quang tử có nhiều tính chất mànhững sợi quang học trước đây không thể có được Sợi quang học hoạt động rất tốt trong

và ngoài lĩnh vực viễn thông , nhưng có một số hạn chế cơ bản về tốc độ do cấu trúc củachúng Sợi được thiết kế theo nguyên tắc mắt lưới: giới hạn về đường kính lõi trong chế

độ truyền đơn mode Phương thức giới hạn bước sóng , giới hạn việc lựa chọn vật liệu (vídụ: Về tính chất nhiệt của lõi thuỷ tinh và lớp vỏ phải giống nhau) Việc thiết kế sợi tinhthể quang tử rất linh động, có một vài thông số cho việc thết kế như: bước nhảy mạng(chu kỳ mạng), hình dạng lỗ hổng không khí và đường kính của nó, chiết suất của thuỷtinh và loại mạng Linh hoạt trong việc thiết kế cho phép tạo ra sợi đơn mode có dải bướcsóng liên tục trong toàn bộ giải bước sóng quang học, và không tồn tại giải bước sónggiới hạn Ngoài ra có hai kỹ thuật truyền dẫn trong sợi tinh thể quang tử : một là kỹ thuật

truyền dẫn index ( tương tự như trong sợi quang truyền thống), hai là kỹ thuật truyền dẫndùng vùng cấm quang tử

Bằng cách sắp xếp khéo léo cấu trúc ta có thể có thể thiết kế những sợi có tính chấttruyền dẫn theo ý muốn Sợi tinh thể quang tử được thiết kế và chế tạo có thể không tánsắc, tán sắc thấp hoặc tán sắc bất thường (không theo quy tắc) ở giải bước sóng nhìn thấy

Sự tán sắc cũng có thể được trải rộng trên một dải rất rộng Việc kết hợp những tán sắcbất thường với vùng trường mode nhỏ được chú ý trong sợi không tuyến tính Mặtkhác sợi đơn mode có lõi không khí , lớn hoặc chất rắn cũng có thể tạo ra ý tưởng về sợitinh thể quang tử đầu tiên đư ợc đưa ra bởi Yeh và các cộng sự năm 1978 Họ đã bọc lõicủa sợi bằng lưới Bragg (Bragg grating), nó tương tự như tinh thể quang tử một chiều Sợitinh thể quang tử được chế tạo bằng tinh thể quang tử với lõi không khí được phát minhbởi P Russell năm 1992 và sợi tinh thể quang tử đầu tiên được báo cáo trong hội nghị vềsợi quang (OFC) năm 1996 Bảng dưới trình bày tóm tắt quá trình phát triển của sợi tinhthể quang tử

Tóm tắt quá trình phát triển của sợi tinh thể quang tử

 1978 Ý tưởng về sợi Bragg

 1992 Ý tưởng về sợi tinh thể quang tử với lõi không khí 1996 Chế tạo sợiđơn mode bọc bằng quang tử (photonic) 1997 Ra đời sợi tinh thể đơn modeliên tục

 1999 Sợi tinh thể quang tử với quang tử có dải vùng cấm và lõi không khí

 2000 Sợi tinh thể quang tử khúc xạ kép ở mức độ cao 2000 Thế hệ sợi tinhthể siêu liên tục

 2001 Chế tạo thành công sợi Bragg

 2001 Sợi tinh thể lasẻ với hai lớp sơn phủ 2002 Sợi tinh thể với sự tán sắcsiêu phẳng 2003 Sợi Bragg với silica và lõi không khí

 Điều chỉnh độ tán sắc:

• Hình dạng lỗ hổng không khí và đường kính của nó

• Chiết suất của thuỷ tinh

• Loại hình mạng

Hình 3 3 Hệ số tán sắc của sợi theo bước sóng

IV. TỔNG KẾT

Thông qua bài tập nhóm đã tìm hiểu về các vấn đề sau:

 Hiểu được các loại tán sắc trong thông tin quang : tán sắc mode, tán sắcchromatic

 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 của photonic Crystal

 Phương pháp bù tán sắc kích thước nano: sử dụng sợi tinh thể quang tử:

• Là sự kết hợp tính chất của sợi quang và tinh thể quang tử

• Có độ tán sắc âm lớn nên khắc phục được hiện tượng tán sắc

• Cho phép tạo ra sợi đơn mode có dải bước sóng liên tục trong toàn bộgiải bước sóng quang học và không tồn tại bước sóng giới hạn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

 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