Đồ án tốt nghiệp điện tử viễn thông

92 524 0
Đồ án tốt nghiệp điện tử viễn thông

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Hiện nay, các nghiên cứu về tinh thể quang tử đang được giới khoa học trong nước và thế giới rất quan tâm. Các tinh thể Photonic là một loại vật liệu mới xuất phát từ ý tưởng về sự tương tự về nhiều mặt giữa photon và điện tử.Tinh thể photonic là một loại vật liệu có cấu trúc tuần hoàn về hằng số điện môi mà nó biểu hiện sự tương tác mạng với ánh sáng do có chu kỳ tuần hoàn cỡ bước sóng ánh sáng. Tinh thể photonic có rất nhiều những ứng dụng quan trọng. Trong tinh thể photonic các khuyết tật được tạo ra một cách cố ý tạo ra trạng thái các photon bị định xứ, ví dụ như trong các ống dẫn sóng thẳng và các buồng cộng hưởng điểm. Như vậy tinh thể photonic là một chất cách quang hoàn hảo, giam giữ ánh sáng mà không bị mất mát, hoặc tạo ra các khả năng mới để kiểm soát các hiện tượng điện tử. Sử dụng tinh thể photonic cũng cho khả năng tạo ra các mạch quang học tổ hợp kích thước nhỏ đáp ứng được nhu cầu của thông tin quang tương lai.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài SỢI TINH THỂ QUANG TỬ Giảng viên hướng dẫn: PGS TS LƯU TIẾN HƯNG Sinh viên thực : LÊ THỊ HIỀN Lớp : 52K - ĐTVT Mã số sinh viên : 1151083812 NGHỆ AN, 5-2016 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, nghiên cứu tinh thể quang tử giới khoa học nước giới quan tâm Các tinh thể Photonic loại vật liệu xuất phát từ ý tưởng tương tự nhiều mặt photon điện tử Tinh thể photonic loại vật liệu có cấu trúc tuần hồn số điện mơi mà biểu tương tác mạng với ánh sáng có chu kỳ tuần hồn cỡ bước sóng ánh sáng Tinh thể photonic có nhiều ứng dụng quan trọng Trong tinh thể photonic khuyết tật tạo cách cố ý tạo trạng thái photon bị định xứ, ví dụ ống dẫn sóng thẳng buồng cộng hưởng điểm Như tinh thể photonic chất cách quang hoàn hảo, giam giữ ánh sáng mà không bị mát, tạo khả để kiểm soát tượng điện tử Sử dụng tinh thể photonic cho khả tạo mạch quang học tổ hợp kích thước nhỏ đáp ứng nhu cầu thơng tin quang tương lai Nghiên cứu tinh thể quang tử đề tài hồn tồn có tính khoa học tính mới, góp phần xây dựng sở lí thuyết cho đề tài nghiên cứu chế tạo sợi tinh thể quang tử để áp dụng đời sống thực tế Vì em xin chọn đề tài”Sợi tinh thể quang tử” làm đồ án tốt nghiệp để nghiên cứu Đề tài hướng tới mục đích sau: - Một tìm hiểu cách tổng quan sợi quang truyền thống, cấu trúc hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang truyền thống - Hai tìm hiểu sợi tinh thể quang tử bao gồm chất vật lí, chế truyền dẫn, ưu, nhược điểm sợi tinh thể quang tử so với sợi quang truyền thống - Và cuối nghiên cứu kết mô để hiểu sợi tinh thể quang tử Để thực đề tài thực nhiệm vụ sau: Tìm hiều sợi quang truyền thống hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang truyền thống sử dụng phổ biến Sau vào tìm hiểu sợi tinh thể quang tử, ưu nhược điểm, so sánh với sợi quang truyền thống Nghiên cứu kết khảo sát sợi tinh thể quang tử để hiểu rõ thay đổi tính chất sợi quang cấu trúc hình học chúng thay đổi Đề tài thực phương pháp: Tìm hiểu qua sách, trang mạng internet, diễn đàn, chủ yếu tài liệu, báo tiếng anh Cấu trúc đồ án, phần mở đầu, kết luận, danh mục bảng biểu, tài liệu tham khảo, nội dung đồ án trình bày chương: Chương Tổng quang sợi quang truyền thống Chương trình bày kiến thức sợi quang truyền thống, cấu trúc hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang truyền thống Chương Lí thuyết sợi tinh thể quang tử Chương trình bày tổng quan sợi tinh thể quang tử, chất vật lí, chế truyền dẫn ưu, nhược điểm sợi tinh thể quang tử Chương Mơ hình, kết nghiên cứu lí thuyết Dựa sở lí thuyết nghiên cứu trên, chương nghiên cứu kết khảo sát sợi tinh thể quang tử để hiểu rõ thay đổi tính chất chúng thay đổi cấu trúc hình học Trong q trình làm đồ án tốt nghiệp hạn chế thời gian, tài liệu trình độ nên khơng tránh khỏi có thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô bạn để đồ án tốt nghiệp em hồn thiện TĨM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án với mục đích nhiên cứu tính chất sợi tinh thể quang tử, tập trung chủ yếu lĩnh vực truyền thông Mặc dù sợi quang truyền thốngtừ lâu sử dụng nhiều hệ thống khó thay tin sợi tinh thể quang tử có bước cải tiến truyền dẫn sợi quang ứng dụng nhiều lĩnh vực Đồ án tập trung nghiên cứu sợi tinh thể quang tử, khai thác nội dung chất vật lí, chế truyền dẫn tính chất mới, ưu điểm sợi tinh thể quang tử so với sợi quang thơng thường Những phân tích sâu để hiểu thay đổi đặc tính vật lí hình học thu tính chất khác sợi tinh thể quang tử Đồ án tài liệu hữu ích cho quan tâm, muốn khám phá sợi tinh thể quang tử lĩnh vực viến thông ứng dụng chúng sau ABSTRACT This thesis is intended to provide an expert guidance through the properties of photonic crystal fibers, with a specific focus on the telecommunication aspects Although standard fibers for telecommunication can rely on a well-established technology and standard fiber based devices and systems represent a consolidated reality, hardly replaceable, the authors believe that photonic crystal fibers can revolutionize the field of guided optics and its applications, even if much easier and close opportunities can be foreseen in many other fields This thesis focus on how the photonic crystal fibers work, guiding mechanism and compare with conventional optical fibers The deep analysis aimed to understand how the physical and geometrical characteristics of these new fibers can be tailored to achieve the goal of ad hoc performances.This thesis will thus benefit researchers approaching this very dynamic and evolving subject with the interest to explore this field of telecommunication, looking at current as well as emerging applications DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Một số vật liệu tinh thể rắn dùng công nghệ quang điện tử Bảng 2.2 Phân loại số tinh thể ô mạng Bảng 3.1 Các thông số thiết kế sợi quang PCF dùng khuếch đại EDFA với độ lợi mong muốn 47 dB DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG Kỹ thuật thông tin quang ngày sử dụng rộng rãi viễn thơng, truyền số liệu, truyền hình cáp nhiều lĩnh vực khác.Trong chương tìm hiểu đời phát triển thông tin quang, cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin quang, cáp sợi quang, ưu điểm nhược điểm cáp sợi quang 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thơng tin quang Lồi người bước vào thiên niên kỉ mới, kỉ 21, thiên niên kỉ mà thơng tin tri thức phát huy mạnh mẽ, trở thành tảng, động lực sở kinh tế tri thức Trong kinh tế tri thức người ln ln tìm kiếm thơng tin tìm kiếm Một đặc điểm kinh tế tri thức mà hôm biết lạc hậu phải hường tới cho ngày mai Hiện sau xu tồn cầu hóa xu tất yếu phát triển, kinh tế tri thức chủ đạo Như nhu cầu truyền thông tin có tốc độ cao, có dung lượng lớn nắm bắt thông tin kịp thời phải hệ thống thông tin quang bao gồm hệ thống máy tính lượng tử quang, giữ vai trò vơ quan trọng Cơ sở mạng điện tử thông tin quang bao gồm linh kiện quang điện tử, mạch vi điện tử quang, máy tính, ti vi, điện thoại, điện thoại di động, điện báo, liệu, đường cáp xuyên biển, hệ thống định vị, thiết bị phục vụ cho lưu trữ truyền số liệu, in ấn đến mạng thông tin địa phương, mạng toàn cầu Như người sống thời đại thông tin cần nắm bắt biết sử dụng thiết bị thông tin để phục vụ cho sống Sở dĩ có thành công nghệ thông tin nay, người phải trải qua hàng trăm năm tích lũy kinh nghiệm, tìm tòi, nghiên cứu, bước đầu chế tạo vật liệu, linh kiện bán dẫn đại, tiếp linh kiện quang điện tử với chất lượng ngày tốt Ví việc phát minh transitor vào năm 1948, sau công nghệ mặt (công nghệ planar) vào năm 1960, tảng sở cho kết vi điện tử để tạo nhớ, xử lí trung tâm khối óc máy tính cá nhân Cho đến đầu năm 1980 có nhiều chủng loại linh kiện bán dẫn quang điện tử đời diode phát quang (LED), loại laser bán dẫn (LD)…, nhiên đến năm 1988 đường cáp quang mang tên TAT-8 xuyên quang Đại Tây Dương lắp đặt, nối liền thông tin Bắc Mỹ châu Âu Hệ thống sử dụng hầu hết linh kiện quang điện tử bán dẫn môi trường xuyên biển với đòi hỏi cao khắc nghiệt Bắt đầu từ kinh kiện quang điện tử xác định chỗ đứng chắn Ví dụ, xét vai trò loại laser diode sở vật liệu GaAs sản xuất hàng loạt với giá cỡ vài US đôla phục vụ cho thiết bị CD nhạc, có thị trường hàng tỉ US đơla, ngồi laser diode có thị trường lớn công nghệ thông tin quang sử dụng phát tín hiệu quang Các linh kiện khác LED, thị tinh thể lỏng, linh kiện CCD, photodetector cáp sợi quang suy hao thấp giữ vai trò lớn có thị trường không thua laser làm nên bước nhảy hay cách mạng thông tin quang Như linh kiện bán dẫn quang điện tử có vai trò định lĩnh vực phát triển hệ thông tin quang tương lai 1.1.1 Phương pháp mô tả ánh sáng dải bước sóng thơng tin quang Ánh sáng vừa mang tính chất hạt vừa mang tính chất sóng Tính chất sóng ánh sáng mang đặc điểm sóng điện từ Bức xạ sóng điện từ lan truyền trạng thái hai vecto sóng: vecto điện trường E vecto từ trường H liên kết chặt chẽ qua lại với Có thể miêu tả nhiều tượng sóng điện từ sử dụng lí thuyết sóng vơ hướng, nghĩa hàm sóng vơ hướng đơn Phương pháp gọi quang học sóng vơ hướng hay quang học sóng đơn giản Khi ánh sáng truyền qua hay truyền bao xung quanh vật thể có kích thước lớn nhiều so với bước sóng ánh sáng việc mơ tả tính chất sóng bỏ qua, người ta mơ tả ánh sáng tia sáng tuân theo quy luật hình học Phương pháp mơ tả ánh sáng theo cách gọi phương pháp quang học tia hay quang học hình học [2] Lí thuyết sóng điện từ ánh sáng hay gọi quang học điện tử, bao hàm phạm vi rộng phạm vi quang học sóng hay quang học hình học Lí thuyết mơ tả gần đặc điểm ánh sáng 10 Raman scattering - SRS), tán sắc bậc ba self-steeping tham gia vào trình Hơn số lượng lớn trình phi tuyến tham gia vào tạo thành SC sợi PCF gây thêm nhiễu độ nhạy cao dao động biên độ bước sóng tới Sợi PCF phi tuyến cao thường đặc trưng tỉ lệ điền đầy cao số mạng nhỏ khoảng 1–3µm Những sợi quang sợi đa mode với lõi cực nhỏ cấu trúc mạng tinh thể hình mạng nhện hình Hoặc đơn mode với lõi silic lớn chút, lỗ khí nhỏ bước sóng tán sắc điểm khơng thay đổi thích hợp Hình 3.15 Mặt cắt ngang sợi quang lõi rỗng hình mạng nhện, đường kính lõi µm, độ rộng cầu silic hỗ trợ lõi khoảng 120 nm 78 Chọn sợi PCF để tạo phổ SC phụ thuộc nhiều vào dãy bước sóng nguồn mong muốn nguồn bơm sẵn có Đặc biệt bước sóng điểm khong sợi PCF phi tuyến cao nên gần với bước sóng trung tâm nguồn bơm Sợi quang phi tuyến thích hợp với nguồn fs tần số 800, 1060 1550 nm, nguồn ns 1060 and 1550 nm thiết kế thành công Sợi PCF phi tuyến cao với hai bước sóng điểm khơng thiết kế chế tạo mở khả thú vị cho SC generation Chiều dài sợi quang PCF phi tuyến sử dụng SC generation liên quan chặt chẽ đến chiều dài xung bơm Ví dụ với xung fs 1m thấp sợi PCF phi tuyến đủ Ngược lại sợi PCF dài 10–20 m cần thiết cho nguồn bơm ps ns bước sóng 1060 nm Hiện tượng sợi PCF phi tuyến cao chứng minh lần vào năm 2000 Một sợi PCF lõi rắn mạng tinh thể tam giác với đường kính lõi khoảng 1.7µm đường kính lỗ khí 1.3µm chế tạo Đặc biệt phổ quang rộng 550 THz vùng nhìn thấy nghĩa tia từ tia cực tím đến tia hồng ngoại thu cách mở xung khoảng 100 fs công suất đỉnh kW quanh bước sóng tán sắc điểm khơng sợi PCF 770 nm 3.3.4 Sợi quang lưỡng chiết cao Để tăng độ ổn định phổ đạt độ mở rộng lớn công suất bơm định chọn sợi quang phi tuyến trì phân cực PM (polarization maintaining) Hơn phổ SC tạo điều kiện bị phân cực nên hữu ích ứng dụng khác Các SC khoảng 1550 nm chứng minh sợi PCF phi tuyến trì phân cực có độ tán sắc đường cong tán sắc thấp Hơn dải phổ SC siêu rộng, mở rộng từ 400 đến 1750 nm tạo sợi PCF phi truyến lưỡng chiết cao dài 5m với vùng hiệu dụng 2.3µm2 cách sử dụng laser khóa mode ( mode-locked Ti:Sapphire) [5] 3.4 Khuếch đại quang sợi pha nguyên tử đất eribium Năm 1989 thí nghiệm với khuếch đại quang sợi pha đất lắp đặt thử nghiệm thành công trạm lặp hệ thống truyền dẫn quang thực tế Với hệ số khuếch đại cao (G>40dB), cơng suất trung bình có giá trị cao(P>100mW) mức nhiễu lí tưởng EDFA, khuếch đại quang EDFA 79 khẳng định chỗ đứng với ưu việt hẳn so với khuếch đại thơng thường khác EDFA sử dụng khuếch đại công suất để khuếch đại công suất phát quang, sử dụng trạm lặp để khuếch đại tín hiệu quang suy yếu, dùng làm tiền khuếch đại trong thu tín hiệu quang, góp phần nâng cao độ nhạy thu Các thành công thu từ hệ thống thực nghiệm khuếch đại quang việc sử dụng khuếch đại quang trạm lặp cáp quang biển cho thấy lợi ích thực tiễn khả tiềm tàng to lớn khuếch đại quang hệ thống thơng tin quang Chính nghiên cứu EDFA quan tâm đẩy mạnh [2] Gần sợi quang PCF đẩy mạnh nghiên cứu sử dụng sơi quang tích cực Đặc biệt khả thu vùng mode lớn nhỏ sợi quang khai thác sử dụng laser quang khuếch đại quang sợi cho hiệu suất cao sợi quang truyền thống Hơn người ta nghiên cứu ảnh hưởng vùng cấm quang tử PBG lên phát xạ tự phát sợi PCF pha tạp Er3+ Tuy nhiên nghiên cứu sợi quang pha tạp đất chủ yếu tập trung phát triển laser quang pha tạp Yb 3+ giảm công suất bơm khuếch đại quang sợi pha nguyên tử đất EDFA nghiên cứu sử dụng sợi PCF mạng tinh thể tam giác chứng minh cung cấp độ lợi lên tới 44dB Sau người ta nghiên cứu ảnh hưởng chiều dài sợi quang bước sóng quang lên độ lợi khuếch đại nhiễu quang Để nghiên cứu đặc tính khuếch đại sợi quang PCF pha tạp Erbium người ta sử dụng phương pháp FEM công thức tính tốc độ truyền Phương pháp FEM ứng dụng để đánh giá nguồn bơm, tín hiệu mật độ chùm phát xạ tự phát khuếch đại chúng liệu đầu vào công thức tốc độ truyền mơ tả q trình truyền chùm sáng sợi quang pha tạp EDFA ứng dụng cho nhiều kết tốt, chúng sử dụng để thiết kế sợi quang PCF mạng tinh thể tam giác có giá trị độ lợi cao suy hao thấp ghép với sợi SMF tiêu chuẩn Với EDFA sử dụng sợi PCF mạng tinh thể tam giác không cần phải sử dụng sợi quang với độ số NA cao để thu phối hợp trở kháng mode trung gian tốt Hơn kết nghiên cứu chứng minh ứng dụng thực tế sợi PCF pha tạp Erbium 80 khuếch đại laser tương thích với hệ thống sử dụng sợi quang truyền thống [3] 3.4.1 EDFA sở sợi PCF mạng tinh thể hình tổ ong Phân tích sợi PCF pha tạp Erbium để hiểu cấu trúc hình học nồng độ tạp chất phân phối để cải thiện tính chất khuếch đại, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng hai cấu dẫn sóng điều chỉnh phản xạ nội TIR vùng cấm quang tử PBG loại sợi quang Tất mô cho thấy ứng dụng lí thuyết phần trước cho phép mơ tả xác tín hiệu khuếch đại quang WDM truyền đồng thời dọc theo sợi quang PCF pha tạp chất Đầu tiên ta xem xét tính chất khuếch đại sợi quang PCF pha tạp Ebrium với lỗ khí xếp theo mạng tinh thể hình tổ ong hình 3.16 Có thêm lỗ khí với bán kính r c tạo tâm sợi quang đóng vai trò lỗ khuyết cấp đường dẫn ánh sáng qua vùng cấm quang tử Hình 3.16 Sợi PCF có lõi pha tạp Erbium Tạp chất erbium bọ bên ngồi lõi khuyết với đường kính r d lớn rc nơi có cường độ sóng bơm tín hiệu cao Để sử dụng thành cơng khuếch đại EDFA với sợi quang PCF mạng tinh thể hình tổ ong ta phải tính giới hạn trê giới hạn vùng cấm quang tử, vùng bên lỗ khuyết nơi ma trường truyền dẫn Để đánh giá giới hạn người ta sử dụng phần mềm sẵn có, sau sử dụng giải FEM để nghiên cứu mode dẫn bên vùng cấm quang tử Độ lợi 81 khuếch đại EDFA sử dụng sợi PCF mạng tinh thể hình tổ ong phân tích cách tối ưu hóa bán kính lõi khuyết r c phân phối nồng độ tạp chất để cải thiện khả khuếch đại so với sợi quang SI pha tạp tiêu chuẩn Hình 3.17 a b cho thấy cường độ chuẩn hóa dọc theo trục y bước sóng bơm 980nm tín hiệu có bước sóng 1560nm cho sợi PCF mạng tinh thể hình tổ ong sợi SMF tiêu chuẩn Hình 3.17 Cường độ chuẩn hóa bước sóng 980nm 1560 nm (a) sợi quang PCF mạng tinh thể hình tổ ong (b) sợi SMF tiêu chuẩn Ta thấy cường độ đỉnh bước sóng bơm tín hiệu chuẩn hóa gần sợi PCF mạng tinh thể hình tổ ong, ngược lại cường độ tín hiệu cao 50% cường độ bước sóng bơm sợi SMF Sự khác phân bố trường ảnh hưởng lớn đến overlap integrals theo giá trị bán kính vùng pha tạp Các kết chứng minh cách giảm thích hợp vùng mode truyền nguồn bơm tín hiệu sợi PCF pha tạp Erbium mạng tinh thể hình tổ ong thu độ lợi cao 10dB so với sợi SMF với nồng độ tạp chất cho trước đơn vị dài sợi quang 3.4.2 EDFA sở sợi PCF mạng tinh thể tam giác Sợi quang PCF mạng tinh thể hình tổ ong có suy hao ghép nối cao sợi SMF tiêu chuẩn nên chúng thường sử dụng phổ biến hệ thống viễn thông Tiếp theo ta xét sợi PCF pha tạp Eribium mạng tinh thể tam giác Sau so sánh kết đo người ta thấy ảnh hưởng bán kính vùng pha tạp đường kính lỗ khí vòng lên khuếch đại, điều quan trọng sợi 82 PCF mạng tinh thể tam giác giảm đáng kể suy hao ghép nối so với sợi SMF truyền thống Xét sơi quang PCF mạng tinh thể tam giác pha tạp Erbium có đường kính lỗ khí d = 1µm số mạng Λ = 2µm nghĩa d/Λ=0.5, nồng độ erbium vào khoảng 2.6×1025 ions/m3 giam tâm lõi sợi PCF EDFA chọn để mô thể hình Có chiều dài L F=4.5 m, cơng suất bơm ngược bước sóng 980nm 225 mW, suy hao ban đầu sợi quang pha tạp chọn Hình 3.18 Cấu tạo khuếch đại EDFA sử dụng sợi quang PCF Hiệu suất khuếch đại tính tốn cho bước sóng tín hiệu khác 1533, 1550, 1570, 1590 nm cách thay đổi cơng suất tín hiệu đầu vào Hình 3.19 So cho ta thấy độ lợi khuếch đại EDFA hai trường hợp tính tốn mơ phỏng, ý thí nghiệm thực mơi trường tương đối lí tưởng 83 Hình 3.19 Độ lợi bão hòa EDFA thu với (a) kết đo đạt thí nghiệm (b) kết mơ Phổ độ lợi khuếch đại nhiễu ước tính cho tín hiệu đơn dãy bước sóng từ 1520 1580 nm cho hình 3.20 avà b Hình 3.20 (a) Phổ độ lợi nhiễu khuếch đại sử dụng sợi PCF, (b) Độ lợi bước sóng 1533 nm sợi PCF chiều dài LF, d/Λ=0.5 Λ=2µm Độ lợi đạt tần số 1533 nm 46 dB, giá trị đỉnh 49.5 dB thu bước sóng 1530 nm, độ lợi giảm xuống 33.5 dB bước sóng 1550 nm Để tính tốn chiều dài tối ưu khuếch đại quang sử dụng 84 PCF , người ta khảo sát độ lợi khuếch đại tín hiệu bước sóng 1533 nm với chiều dài LF khác sợi quang Như ta thấy hình 3.20b ta thấy độ lợi tăng thêm 1.5 dB thu sợi quang có chiều dài 5.5m Thực tế với sợi quang dài cho phép khai thác hết công suất bơm, làm tăng độ lợi [3] Giống sợi quang truyền thống độ lợi khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi quang bán kính vùng pha tạp Để nghiên cứu ảnh hưởng khuếch đại EDFA sử dụng sợi PCF mạng tinh thể tam giác, bán kính vùng pha tạp rd chọn biến đổi từ 0.5µm đến 1.5µm, thơng số hình học sợi quang không thay đổi Như thể hình 3.20a, tín hiệu bước sóng 1533nm ta thấy chiều dài sợi quang tối ưu giảm mạnh bán kính vùng pha tạp tăng, đồng thời sợi dài, bán kính vùng pha tạp tăng độ lợi giảm, giá trị đỉnh độ lợi gần không thay đổi Đặc biệt r d =1.5µm thu độ lợi 47 dB với sợi quang có chiều dài 1.5 m, tương ứng với vùng pha tạp tiếp xúc với vòng lỗ trống Hình 3.21 Độ lợi khảo sát theo chiều dài sợi quang pha tạp Erbium (a) giá trị rd d1 = d, (b)giá trị d1 rd=0.5µm Mặt khác người ta thấy độ lợi phụ thuộc vào giam giữ bên sợi quang PCF pha tạp Erbium Sự giam giữ điều chỉnh cách thay đổi đường kính d1 lỗ khí thuộc vòng ring thứ sợi quang Hình 85 4.b khảo sát độ lợi theo chiều dài L F sợi quang d1 thay đổi khoảng từ 1.0 and 1.6µm, bán kính pha tạp rd khơng đổi 0.5µm để nghiên cứu biến đổi vùng giam giữ ảnh hưởng đến độ lợi Các kết nghiên cứu cho thấy sợi quang pha tạp với chiều dài cho trước, độ lợi phụ thuộc nhiều vào d1 Ví dụ LF = 3.5m độ lợi thấp 41 dB với đường kính d = 1.0µm, với d1=1.6µm độ lợi lớn 47 dB Điều cho thấy kích thước lỗ khí vòng ring sử dụng để tăng cường khả giam giữ trường mode bước sóng tín hiệu bước sóng bơm làm tăng overlap integrals Tuy nhiên độ lợi cao thu gần không phụ thuộc vào d chiều dài sợi quang điều chỉnh cách xác Khi r d d1 khác với giá trị ban đầu,đặc biệt rd=1.2µm d1=1.6µm, giá trị độ lợi cao thu trường hợp LF = 1.5 m Người ta khảo sát thấy kích thước lỗ khí vòng ring thứ hai d2 không ảnh hưởng đến hiệu suất khuếch đại Các kết nghiên cứu cho thấy sợi quang PCF pha tạp Erbium cho độ lợi cao Tuy nhiên suy hao ghép nối không khớp sợi PCF sợi SMF tiêu chuẩn nhân tố giới hạn Để giải vấn đề người ta sử dụng sợi quang với độ số NA cao sợi trung gian hình 3.18 Suy hao ghép nối sợi PCF sợi NA cao đo khoảng 1.7 dB Hơn có suy hao sợi NA cao sợi tiêu chuẩn nên tổng suy hao 3dB Thay sử dụng sợi trung gian, giải pháp đưa thiết kế sợi quang PCF mà giảm thiểu tối đa suy hao ghép nối Trong nhiều tài liệu cho thấy suy hao ghép nối giảm số mạng Λ tăng d/Λ giảm Do người ta xem xét sợi quang PCF mạng tinh thể tam giác với d/Λ=0.5, r d/Λ=0.25 Λ=3 µm thay Λ = 2µm Sợi quang sợi đơn mode bước sóng bơm bước sóng tín hiệu Suy hao ghép nối sợi quang SMF-28 5.8 sơi PCF mạng tinh thể tam giác 3.6 dB trường hợp số mạng Λ = 3µm tương ứng Chú ý suy hao giảm khoảng 2dB số mạng tăng lên 3µm độ lợi tối đa 47.5 dB cho hai sợi PCF Nhưng số mạng tăng nhiều sợi quang PCF mạng tinh thể tam giác trở thành sợi đa mode, để tránh nhược điểm giảm suy hao tỉ số d/Λ giảm xuống đến 0.4 giá trị 86 số mạng nằm khoảng 2—12µm xem xét Chú ý giá r d giữ giá trị 0.25Λ nên vùng pha tạp tăng tỉ lệ với mặt cắt ngang sợi PCF Λ tăng Độ lợi tín hiệu bước sóng 1533 nm cho hình 3.21 Như hàm chiều dài khuếch đại sợi quang khác với d/Λ=0.4 Chú ý chiều dài tối ưu sợi sử dụng EDFA nằm khoảng 5.5 đên m, giá trị số mạng Tuy nhiên độ lợi tối đa 45.5 dB sợi PCF có số mạng Λ = 12µm Chú ý sợi quang với d/Λ=0.4 số mạng khoảng 3–12µm có độ lợi phụ thuộc vào chiều dài sợi quang, có sợi quang PCF với Λ = 2.5µm có chút khác Điều khác overlap integrals bước sóng tín hiệu bước sóng bơm thấp số mạng tăng hình 3.22 Hình 3.22 (a) Độ lợi sợi PCF với d/Λ=0.4 giá trị số mạng Λ khác nhau.(b) Overlap integrals bước sóng tín hiệu bước sóng bơm với số mạng khoảng 6µm 87 Hình 3.23.( a)Suy hao sợi SMF-28 sợi PCF mạng tinh thể tam giác với d/Λ=0.4 (b) Chiều dài tối ưu hóa sợi PCF d/Λ=0.4 Λ = 6µm với giá trị rd/Λ khác Hình 3.23a cho ta thấy suy hao ghép nối sợi SMF-28 sơịPCF mạng tinh thể tam giác theo số mạng Λ.Ta thấy sợi quang với d/Λ=0.4 có suy hao ghép nối giảm từ 4.5 dB Λ = 2µm xuống 0.003 dB, Λ = 8µm Sự giảm đáng kể giải thích giải thích xem xét sợi quang có Λ = 8µm có độ lợi tối đa 46.5 dB L F =4.5 m, vùng hiệu dụng 91µm giống với sợi SMF-28 Sợi PCF mạng tinh thể tam giác với d/Λ=0.4 Λ=8µm giảm suy hao ghép nối gần dB hiệu suất độ lợi khuếch đại không đổi [3] Trong hình b biểu diễn mối quan hệ chiều dài sợi pha tạp tối ưu Lopt tỉ lệ rd/Λ ta thấy rd thay đổi từ 0.25Λ đến 0.75Λ, d1 khơng đổi tăng d1 làm tăng giam giữ trường mode từ làm tăng suy hao ghép nối Chú ý Lopt giảm từ 6.2 m rd=0.25Λ xuống 1.5 m rd=0.75Λ, đọ lợi tối đa trì mức cao 47dB Cuối thông số thiết kế cho hai sợi PCF dùng khuếch đại với độ lợi mong muốn 47 dB đề xuất bảng sau: Bảng 3.1 Các thông số thiết kế sợi quang PCF dùng khuếch đại EDFA với độ lợi mong muốn 47 dB Λ = µm 88 Λ = µm d/Λ Losses (dB) rd (µm) Lopt (m) 0.5 5.8 1.5 1.5 0.4 0.25 4.5 1.5 3.5 Kết luận chương Trong chương này, tơi trình bày kết thực nghiệm thu nghiên cứu tính chất sợi tinh thể quan tử bao gồm tính chất truyền dẫn, tính chất tán sắc tính chất phi tuyến Chương phân tích cụ thể thay đổi tính chất nêu để thấy rõ phân tích chương hai Đồng thời khảo sát tính chất sợi PCF với cấu trúc tinh thể mạng khác nhau, số mạng khác tỉ lệ điền đầy khác Qua ta có có hiểu sợi PCF có ưu điểm lớn tính linh hoạt thiết kế cao 89 KẾT LUẬN Với u cầu mục đích đặt đề tài tơi thu kết sau đây: Nghiên cứu sâu sợi quang truyền thống, hiểu tính chất chúng nhân tố ảnh hưởng đến suy hao hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang truyền thống Đây yếu tố quan nghiên cứu loại sợi quang Hiểu chất vật lí, chế truyền dẫn sợi tinh thể quang tử, loại sợi quang sử dụng cấu trúc tinh thể lớp vỏ Sợi quang tử tinh thể sử dụng hai cấu truyền dẫn sợi quang sử dụng kỹ thuật truyền dẫn index (như sợi quang truyền thống) sợi quang sử dụng kỹ thuật truyền dẫn vùng cấm quang tử Một ưu điểm quan trọng sợi tinh thể quang tử tính linh hoạt thiết kế Bằng cách thay đổi đặc tính hình học sợi quang kích thước hay xếp lỗ khí ta hồn tồn thu sợi quang với tính chất đối lập Sợi tinh thể quang tử với cấu dẫn sóng đặc biệt với đặc tính phi tuyến tán sắc thiết kế sử dụng thành công nhiều lĩnh vực Nghiên cứu phát triển sợi tinh thể quang tử thành tựu lớn ngành thông tin quang nhiều lĩnh vực khác Đặc biệt sợi với cấu trúc vùng cấm quang tử có tính có ý nghĩa lớn ứng dụng Trong tự nhiên đá opan lóng lánh, cánh bướm nhiều màu sắc , lông số loại chuột biển có tính chất tinh thể photonic Ở có khe lượng photonic khơng phải khe đầy đủ nghĩa không cấm cho bước sóng, hướng mà số bước sóng ánh sáng truyền theo vài hướng Có lẽ tự nhiên có mơi trường chiết suất cao thích hợp nên khó tạo tinh thể photonic với khe lượng đầy đủ cho bước sóng Nhưng khe lượng không đầy đủ nhiều lại có lợi Thí dụ hạt oxyt titan kích thước nhỏ micromet làm cho chúng tự xếp lại theo kiểu cấu trúc opan Oxyt titan bột để làm sơn màu trắng trộn vào bột giấy cho giấy trắng Nếu hạt lại xếp theo trật tự đấy, chúng tạo tán xạ kết hợp ánh sáng lượng oxyt titan dùng mà lại trắng Có thể ngày tinh thể photonic với hạt oxyt titan phổ biến quanh ta, từ tường sơn 90 chồng giấy trắng toát Trên sở chế tạo tinh thể photonic tức tạo khe lượng sóng điện từ bước sóng cỡ micromet người ta nghĩ vận dụng chế tạo "tinh thể" đặc biệt sóng rađiơ, tức sóng điện từ bước sóng cỡ 35cm Người ta bố trí mạch LC, dãy "Tinh thể chiều" có tính chất phản xạ cực tốt sóng điện từ bước sóng rađiơ Thực tế thu kết ban đầu khả quan mà ứng dụng bật dùng để thu sóng rađiơ cộng hưởng từ hạt nhân, ăng ten cho máy định vị tồn cầu GPS v.v Có thể thấy sợi tinh thể quang tử ứng cử viên sáng giá cho nhiều ứng dụng quan trọng tương lai Tuy nhiên Việt Nam, việc nghiên cứu tinh thể photonic vấn đề mẻ, thu hút quan tâm nhiều Viện nghiên cứu trường đại học Hi vọng đồ án đóng góp phần cho việc nghiên cứu sợi tinh thể quang tử hữu ích cho quan tâm đề tài 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Quốc Cường, “Kỹ thuật thông tin quang 1”, học viện cơng nghệ bưu viễn thơng, năm 2009 [2] Đào Khắc An, “Vật liệu linh kiện bán dẫn quang điện tử thông tin quang”, nhà xuất đại học Quốc gia Hà Nội [3] R Hull, R.M Osgood, Jr J Parisi, H Warlimont, “Photonic crystal fibers”, Springer,2007 [4] A H Bouk, A Cucinotta, F Poli, and S Selleri, “Dispersion properties of square-lattice photonic crystal fibers,” Optics Express, vol 12, pp 941–946, Mar 2004 [5] A Ferrando, E Silvestre, P Andr´ es, J J Miret, and M V Andr´ es, “Designing the properties of dispersion-flattened photonic crystal fibers,”Optics Express, vol 9, pp 687–697, Dec 2001 [6] W J Wadsworth, A Ortigosa-Blanch, J C Knight, T A Birks, T P M Man, and P St J Russell, “Supercontinuum generation in photonic crystal fibers and optical fiber tapers: a novel light source,” Journal of Optical Society of America B, vol 19, pp 2148–2155, Sept.2002 [7] http://www.vatlyvietnam.org/ truy cập cuối ngày 11/5/2016 [8] P J Roberts, F Couny, H Sabert, B J Mangan, D Williams, L Farr, M Mason, A Tomlinson, T A Birks, J C Knight, and P St J Russell, “Ultimate low loss of hollow-core photonic crystal fibres,”Optics Express, vol 13, pp 236–244, Jan 2005 92 ... bố lượng ánh sáng 1.7 Phương pháp đưa ánh sáng vào sợi quang Chúng ta xem xét làm để ánh sáng đưa vào lõi sợi có đường kính vài μm, ánh sáng truyền dẫn sợi theo phương thức nào? Ánh sáng đưa vào... tương tác ánh sáng vật chất, thừa số tán xạ thường khơng thay đổi cách đáng kể khoảng cách có độ lớn với độ dài bước sóng ánh sáng Nếu coi nguồn sáng điểm sáng lí tưởng, ánh sáng phát phía Trên... lẫn ánh sáng vào vật chất tượng tán sắc, hấp thụ xạ ánh sáng, lý thuyết hạt lí thuyết sóng ánh sáng có trọng lượng có tính thuyết phục [2] 12 Như quan điểm thống nhât cần chấp nhận ánh sáng có

Ngày đăng: 04/12/2017, 14:42

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • ĐỒ ÁN

  • LỜI MỞ ĐẦU

  • TÓM TẮT ĐỒ ÁN

  • CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG

    • 1.1. Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang

      • 1.1.1. Phương pháp mô tả ánh sáng và dải bước sóng trong thông tin quang

    • 1.2. Một vài đặc điểm cơ bản của ánh sáng

      • 1.2.1. Hai phương pháp thông dụng biểu diễn ánh sáng

      • 1.2.2. Tính chất lưỡng tính: hạt và sóng của ánh sáng

    • 1.3. Một vài đặc trưng của ánh sáng

      • 1.3.1. Tính chất truyền thẳng của ánh sáng

      • 1.3.2. Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng

      • 1.3.3. Sự phân cực của ánh sáng

    • 1.4. Giới thiệu hệ thống thông tin quang điển hình

      • 1.4.1. Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin quang

      • 1.4.2. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang

    • 1.5. Sợi quang và đặc điểm về vật liệu sợi quang

      • 1.5.1. Sợi quang

      • 1.5.2. Vật liệu chế tạo sợi quang

      • 1.5.3. Phân loại và các thống số của sợi quang

    • 1.6. Một số thông số cấu trúc sợi quang

    • 1.7. Phương pháp đưa ánh sáng vào trong sợi quang

    • 1.8. Suy hao của sợi quang

      • 1.8.1. Suy hao hấp thụ

      • 1.8.2. Suy hao tán xạ Rayleigh

      • 1.8.3. Suy hao tán xạ do cấu trúc sợi quang không đồng nhất gây ra

      • 1.8.4. Suy hao vi cong

    • 1.9. Tán sắc ánh sáng và độ rộng băng truyền dẫn của sợi quang

      • 1.9.1. Tán sắc mode

      • 1.9.2. Tán sắc bước sóng

      • 1.9.3. Độ rộng băng truyền dẫn

    • 1.10. Kết luận chương

  • CHƯƠNG 2. LÍ THUYẾT CƠ BẢN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ

    • 2.1. Các khái niệm liên quan đến điện tử học và quang tử học

    • 2.2. Vật liệu có cấu trúc tinh thể

    • 2.2.1. Các trạng thái của vật chất, trật tự

      • 2.2.3. Các loại mạng cơ sở

    • 2.3. Cơ sở của sợi tinh thể quang tử

      • 2.3.1 Từ sợi quang truyền thống đến sợi quang tử tinh thể

      • 2.3.2. Cơ cấu dẫn sóng

      • 2.3.3. Tính chất và ứng dụng

      • 2.3.4. Suy hao trong sợi quang PCF

  • Hình 2.14. Hình ảnh sợi quang lõi trống 19-cell

  • Giảm suy hao trong sợi quang lõi trống đến mức thấp hơn sợi quang silic truyền thống vẫn đang là một thử thách. Suy hao do rò rỉ có thể được loại bỏ nhờ việc sử dụng lớp vỏ tinh thể quang tử với đầy đủ số lượng lỗ trống vòng ring, trong khi đó suy hao do uốn cong phụ thuộc vào việc thiết kế sợi quang, với một vài cấu trúc thích hợp suy hao do uốn cong có thể giảm đi. Điều mà ta quan tâm ở đây là tán xạ Rayleight và sự hấp thụ, chúng có thể giảm xuống mức thấp hơn so với nhiều loại sợi quang. Tuy nhiên điều lớn nhất mà ta không đoán nhận được là mức độ biến đổi cấu trúc dọc chiều dài sợi quang. Thực tế vùng cấm rất nhạy cảm với sự thay đổi cấu trúc xảy ra dọc theo chiều dài sợi quang, nghĩa là ánh sáng có thể bị rò rỉ ra ngoài khi truyền.

    • 2.4. Kết luận chương

  • CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH KẾT QUẢ VỀ NGHIÊN CỨU LÍ THUYẾT

    • 3.1. Tính chất dẫn sóng

      • 3.1.1. Sợi tinh thể quang tử mạng tinh thể hình vuông

    • 3.2. Sợi bù tán sắc

      • 3.2.1. Tán sắc trong sợi PCF mạng tinh thể hình vuông

      • 3.2.2. Sợi PCF mạng tinh thể tam giác đường cong tán sắc phẳng

    • 3.3. Tính chất phi tuyến

      • 3.3.1. Phát xạ siêu liên tục

      • 3.3.2. Cơ chế vật lí của phát xạ siêu liên tục

      • 3.3.3. Sợi quang tính phi tuyến cao

      • 3.3.4. Sợi quang lưỡng chiết cao

    • 3.4. Khuếch đại quang sợi pha nguyên tử đất hiếm eribium

      • 3.4.1. EDFA trên cơ sở sợi PCF mạng tinh thể hình tổ ong

      • 3.4.2. EDFA trên cơ sở sợi PCF mạng tinh thể tam giác

    • 3.5. Kết luận chương

  • KẾT LUẬN

  • TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan