bù tán sắc cấu trúc quang nano

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 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO MỤC LỤC BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO DANH MỤC HÌNH ẢNH BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC Họ Tên Nguyễn Bá Hùng Công việc - Tìm hiểu sợi quang, tán sắc - Nguyễn Thị Dinh - Tìm hiểu Bù tán sắc kích thước NANO - Trương Thị Hiền Làm slide Làm Slide - Tìm hiểu sợi quang, tán sắc - Tổng hợp, làm báo cáo Bùi Thị Hồng Lê Thị Lý - Tìm hiểu sợi quang, tán sắc - Tìm hiểu Bù tán sắc kích thước NANO BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ mạng quang đời tạo nên bước phát triển lớn cho mạng truyền tải Với đời công nghệ WDM đáp ứng nhu cầu tăng lên lướn băng thông Ngày hệ thống thông tin quang đường trục, hệ thống dung lượng lớn sử dụng công nghệ WDM, với tuyến liên kết điểm điểm, đến liên kết cấu trúc mạng phức tạp để phù hợp với yêu cầu đáp ứng mạng đặt Tuy nhiên, số ảnh hưởng lớn tác động đến hệ thống WDM nên nhà khai thác mạng chưa tận dụng hết ưu điểm vượt trội hệ thống Những ảnh hưởng phải kể đến tượng tán sắc Tán sắc làm hạn chế khoảng cách tốc độ truyền dẫn gây lỗi bit nghiêm trọng Vì chúng em giao đề tài tìm hiểu bù tán sắc cấu trúc quang nano Trong trình làm chúng em nhiều sai sót Rất mong cô bạn góp ý cho ý kiến để viết hoàn thiện BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO I SỢI QUANG I.1 Cấu tạo phân loại sợi quang I.1.1 Cấu tạo Sợi quang ống dẫn sóng điện môi hình trụ, dẫn ánh sáng theo hướng song song với trục a b Hình 1 Cấu trúc sợi quang Ánh sáng truyền từ môi trường có chiết quang sang môi trường chiết quang I.1.2 Phân loại sợi quang  Căn theo số mode truyền sợi: • Sợi đơn mode (Single mode fiber) • Sợi đa mode (Multi modeil fiber)  Căn theo dạng phân bố chiết suất lõi sợi: • Sợi có chiết suất nhảy bậc (Step-index fiber) • Sợi có chiết suất biến đổi dần (Građe index fiber) BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO Hình Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (a) SQ có chiết suất biến đổi (b) I.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng sợi quang I.2.1 Hiện tượng phản xạ toàn phần Khi ánh sáng tuyền từ môi trường có chiết quang sang môi trường chiết quang góc tới đạt giá trị đủ lớn (với góc khúc xạ tới hạn) tia sáng phản xạ lại môi trường cũ Hiện tượng gọi phản xạ toàn phần BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO Hình Hiện tượng khúc xạ phản xạ toàn phần I.2.2 Truyền dẫn ánh sáng sợi quang Nguyên lý truyền dẫn chung: Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần, sợi quang chế tạo gồm lõi (core) thuỷ tinh có chiết suất n1 lớp bọc (cladding) thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1 > n2 ánh sáng truyền lõi sợi quang phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) mặt tiếp giáp lõi lớp vỏ bọc Do ánh sáng truyền sợi có cự ly dài sợi bị uốn cong với độ cong có giới hạn Một vài thông số đặc trưng sợi quang:  : Vi sai chiết suất lõi vỏ =   : Góc mở lớn NA: Khẩu độ số 10 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO NA = n.sin: = =  V: tần số chuẩn hóa V = NA 11 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO II TÁN SẮC II.1 Khái niệm Tán sắc tượng dãn xung ánh sáng theo thời gian truyền tìn hiệu, gây nên méo tín hiệu Đây vấn đề quan trọng với tuyến tốc độ cao, đường truyền dẫn dài Hình Hiện tượng tán xạ II.2 Phân loại tán sắc Tán sắc Tán sắc mode Tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc mode Tán sắc vật liệu Tán sắc phân cực Hình 2 Phân loại tán sắc 12 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO 2.2.1 Tán sắc mode Trong sợi đa mode, tốc độ lan truyền ánh sang mode khác Sự chênh lệch thời gian đến điểm thu tia sang gây trễ nhóm mode lan truyền dẫn đến tượng dãn xung ánh sáng Hình Tán sắc mode Độ giãn xung tín hiệu quang sau truyền sợi quang dài L(km) đo hiệu thời gian truyền mode bậc cao mode bậc thấp Biện pháp khắc phục  Sử dụng sợi đơn mode Vỏ Hình Sợi đơn mode  Sử dụng sợi có chiết suất biến đổi 13 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO ba Lõi nhỏ Hình Sợi quang có chiết suất biến đổi 2.2.2 Tán sắc đơn sắc a Tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc dẫn sóng sợi đơn mode giữ khoảng 80% lượng lõi, 20% ánh sáng truyền vỏ nhanh lượng lõi Hệ số tán sắc: b Tán sắc vật liệu Là phép biến đổi chiết xuất khúc xạ nhóm Ng bước sóng khác Tán sắc vật liệu tính từ tích phân ng theo bước sóng: c Biện pháp giảm tán sắc đơn sắc Chúng ta sử dụng loại sợi giảm tán sắc đơn sắc:  Các loại sợi giảm tán sắc đơn sắc: • Sợi đơn mode – SMF hay sợi tán sắc dịch chuyển (dispersion-unshifted) theo tiêu chuẩn ITU- G.652 Sợi có hệ số 14 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO tán sắc nhỏ cửa sổ 1310nm, lại có hệ số tán sắc lớn vùng 1550nm • Sợi tán sắc dịch chuyển dispersion-shifted fiber (DSF) theo tiêu chuẩn ITU- G.653 thiết kế có hệ số tán sắc bước sóng 1550 Tuy nhiên, sợi có số hạn chế, tán sắc phân cực cao sợi SMF dung hệ thống đơn kênh quang • Sợi tán sắc dịch chuyển không không (NZ-DSF) theo chuẩn ITU-655, phát triển dựa sợi DSF Sợi có tán sắc nhỏ cửa sổ 1550nm Thích hợp với hệ thống có dung lượng lớn cự ly xa giảm hiệu ứng phi tuyến Hình Hiệu sử dụng sợi giảm tán sắc đơn sắc cửa sổ 1550 nm Chiều dài sợi quang: Trong đó: L chiều dài sợi quang (km) CD hệ số tán sắc đơn sắc ( ps/(nm*km)) B tốc độ bit (Gbps) 15 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO 16 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO III BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO III.1 Đặt vấn đề Những tổn thất laser bán dẫn dụng cụ khác phát sinh ánh sáng phát tần số không mong muốn vào sợi quang gây nên tượng tán sắc ảnh hưởng đến chất lượng thông tin Những tổn thất không xảy môi trường ngăn cản tần số truyền Eli Yablonovitch đề xuất môi trường tạo cách khắc khoảng trống vật liệu suốt để tạo cấu trúc tuần hoàn, tương tự với mạng tinh thể, với vật liệu khoảng trống có chiết suất khác (nghĩa tốc độ ánh sáng chúng khác nhau) III.2 Tinh thể quang tử Tinh thể quang tử (photonic crystals - PCs) cấu trúc tuần hoàn không gian vật liệu với số điện môi khác xếp xen kẽ nhau, có chiết suất thay đổi theo chu kỳ thang chiều dài so sánh với bước sóng ánh sáng sử dụng Các photon chuyển động tinh thể qua vùng có chiết suất cao xen kẽ với vùng có chiết suất thấp Đối với photon tương phản chiết suất giống tuần hoàn mà electron bị tác dụng qua tinh thể điện tử Do tính tuần hoàn dẫn đến PCs xuất vùng cấm quang: tức có dải tần số photon truyền qua cấu trúc PCs chặn ánh sáng với bước sóng nằm vùng cấm quang, cho phép bước sóng khác truyền qua tự Bằng ngăn chặn cho phép ánh sáng truyền qua tinh thể quang tử việc điều khiển bước sóng ánh sáng thực Sự truyền sóng điện từ bên môi trường tuần hoàn nghiên cứu Lord Reyleigh năm 1887 Đây cấu trúc 1D có tuần hoàn chiết suất thiết lập theo hướng đồng theo hai hướng lại 17 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO Năm 1987, hai nhà khoa học Eli Yablonovitch Sajeev John đưa cấu trúc điện môi tuần hoàn 2D 3D Tinh thể quang tử 2D cấu trúc tuần hoàn dọc theo hai trục đồng dọc theo trục thứ ba Cấu trúc tinh thể quang tử có vùng cấm quang mặt phẳng xy, đồng dọc theo trục z Trong vùng cấm quang, trạng thái phép tồn ánh sáng tới bị phản xạ ngược trở lại mặt phân cách môi trường cấu trúc tinh thể quang tử [30] Không giống trường hợp tinh thể quang tử 1D, tinh thể quang tử 2D ngăn chặn ánh sáng truyền tới từ hướng mặt phẳng Tinh thể quang tử 3D cấu trúc có tuần hoàn chiết suất theo ba hướng Cấu trúc tinh thể quang tử 3D biết đến nhiều tự nhiên đá quý Opal Các loại đá quý biết đến tính chất quang độc đáo chúng quay viên đá có màu sắc khác Hình Các loại tinh thể quang tử Nguyên lí: Yablonovitch đưa tương tự với chất bán dẫn, chất có “dải khe” lượng electron hóa trị - gắn liền với liên kết hóa học – electron dẫn Giống hệt electron có lượng thuộc miền khe trống tồn chất bán dẫn, ánh sáng có tần số thuộc miền khe trống điện từ không tồn cấu trúc đề xuất Trong trường hợp, cấu trúc tuần hoàn dẫn tới giao thoa sóng triệt tiêu (giao thoa sóng electron trường điện từ) dẫn tới khe trống 18 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO III.3 Sợi tinh thể quang tử Sợi tinh thể quang tử (PCFs) sợi có cấu trúc tuần hoàn làm ống nhỏ (như ống mao dẫn) Những lỗ trống chứa đầy không khí có hình dạng giống mạng lục giác Hình Mặt cắt sợi tinh thể quang tử (PCFs) Ánh sáng truyền dọc theo sợi bên lỗ khuyết cấu trúc tinh thể Một lỗ khuyết tạo có dịch chuyển hay nhiều tâm ống nhỏ Sợi tinh thể quang tử loại sợi quang học Kết hợp tính chất sợi quang tính chất tinh thể quang tử sợi tinh thể quang tử có nhiều tính chất mà sợi quang học trước có Sợi quang học hoạt động tốt lĩnh vực viễn thông , có số hạn chế tốc độ cấu trúc chúng Sợi thiết kế theo nguyên tắc mắt lưới: giới hạn đường kính lõi chế độ truyền đơn mode Phương thức giới hạn bước sóng , giới hạn việc lựa chọn vật liệu (ví dụ: Về tính chất nhiệt lõi thuỷ tinh lớp vỏ phải giống nhau) Việc thiết kế sợi tinh thể quang tử linh động, có vài thông số cho việc thết kế như: bước nhảy mạng (chu kỳ mạng), hình dạng lỗ hổng không khí đường kính nó, chiết suất thuỷ tinh loại mạng Linh hoạt việc thiết kế cho phép tạo sợi đơn mode có dải bước sóng liên tục toàn giải bước sóng quang học, không tồn giải bước sóng giới hạn Ngoài có hai kỹ thuật truyền dẫn sợi tinh thể quang tử : kỹ thuật 19 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO truyền dẫn index ( tương tự sợi quang truyền thống), hai kỹ thuật truyền dẫn dùng vùng cấm quang tử Bằng cách xếp khéo léo cấu trúc ta có thể thiết kế sợi có tính chất truyền dẫn theo ý muốn Sợi tinh thể quang tử thiết kế chế tạo không tán sắc, tán sắc thấp tán sắc bất thường (không theo quy tắc) giải bước sóng nhìn thấy Sự tán sắc trải rộng dải rộng Việc kết hợp tán sắc bất thường với vùng trường mode nhỏ ý sợi không tuyến tính Mặt khác sợi đơn mode có lõi không khí , lớn chất rắn tạo ý tưởng sợi tinh thể quang tử đư ợc đưa Yeh cộng năm 1978 Họ bọc lõi sợi lưới Bragg (Bragg grating), tương tự tinh thể quang tử chiều Sợi tinh thể quang tử chế tạo tinh thể quang tử với lõi không khí phát minh P Russell năm 1992 sợi tinh thể quang tử báo cáo hội nghị sợi quang (OFC) năm 1996 Bảng trình bày tóm tắt trình phát triển sợi tinh thể quang tử Tóm tắt trình phát triển sợi tinh thể quang tử  1978 Ý tưởng sợi Bragg  1992 Ý tưởng sợi tinh thể quang tử với lõi không khí 1996 Chế tạo sợi đơn mode bọc quang tử (photonic) 1997 Ra đời sợi tinh thể đơn mode liên tục  1999 Sợi tinh thể quang tử với quang tử có dải vùng cấm lõi không khí  2000 Sợi tinh thể quang tử khúc xạ kép mức độ cao 2000 Thế hệ sợi tinh thể 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 tán sắc siêu phẳng 2003 Sợi Bragg với silica lõi không khí Hệ số tán sắc  Hệ số tán sắc sợi quang đơn mode tiêu chuẩn SMFs khoảng 10 đến 20  ps/nm.km Với tinh thể quang tử độ tán sắc âm lớn khoảng bước sóng 1,4 đến 1,7 miromet 20 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO  Điều chỉnh độ tán sắc: • Hình dạng lỗ hổng không khí đường kính • Chiết suất thuỷ tinh • Loại hình mạng Hình 3 Hệ số tán sắc sợi theo bước sóng 21 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO IV TỔNG KẾT Thông qua tập nhóm tìm hiểu vấn đề sau:  Hiểu loại tán sắc thông tin quang : tán sắc mode, tán sắc     chromatic 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 photonic Crystal Phương pháp bù tán sắc kích thước nano: sử dụng sợi tinh thể quang tử: • Là kết hợp tính chất sợi quang tinh thể quang tử • Có độ tán sắc âm lớn nên khắc phục tượng tán sắc • Cho phép tạo sợi đơn mode có dải bước sóng liên tục toàn giải bước sóng quang học không tồn bước sóng giới hạn 22 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO   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 23 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO ... tượng tán xạ II.2 Phân loại tán sắc Tán sắc Tán sắc mode Tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc mode Tán sắc vật liệu Tán sắc phân cực Hình 2 Phân loại tán sắc 12 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO 2.2.1 Tán sắc. .. mở lớn NA: Khẩu độ số 10 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO NA = n.sin: = =  V: tần số chuẩn hóa V = NA 11 BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO II TÁN SẮC II.1 Khái niệm Tán sắc tượng dãn xung ánh sáng...MỤC LỤC BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO DANH MỤC HÌNH ẢNH BÙ TÁN SẮC CẤU TRÚC QUANG NANO PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC Họ Tên Nguyễn Bá Hùng Công việc - Tìm hiểu sợi quang, tán sắc - Nguyễn Thị