Thiết kế sợi tinh thể quang photonic crytal fiber cho các ứng dụng truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng

NGUYỄN TIẾN THÀNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Tiến Thành KỸ THUẬT VIỄN THÔNG THIẾT KẾ SỢI TINH THỂ QUANG (PHOTONIC CRYTAL FIBER) CHO CÁC ỨNG DỤNG TRUYỀN DẪN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG KHÓA 2015 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Tiến Thành THIẾT KẾ SỢI TINH THỂ QUANG (PHOTONIC CRYTAL FIBER) CHO CÁC ỨNG DỤNG TRUYỀN DẪN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN : PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Hà Nội – Năm 2017 LỜI NĨI ĐẦU Để đáp ứng phát triển ngày cao công nghệ truyền thông nhƣ nhu cầu trao đổi thơng tin tăng cao xã hội cơng nghệ, hạ tầng truyền dẫn phát triển theo Trong hệ thống thông tin nay, sợi quang đóng vai trị quan trọng ƣu điểm nhƣ tốc độ truyền thơng tin cao, bị ảnh hƣởng nhiễu, độ bền, dễ chế tạo… Tuy nhiên mà sợi quang thông thƣờng đến giới hạn việc phát minh sợi quang điều cần thiết Sợi tinh thể quang tử (Photonic crystals Fibers – PCFs) đƣợc đời Sự đời sợi tinh thể quang mang nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với sợi quang thông thƣờng hứa hẹn mang lại thành công hệ thống viễn thông, đặc biệt hệ thống ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM Đề tài nghiên cứu sợi tinh thể quang rộng luận văn mục tiêu đề thiết kế sợi tinh thể quang lõi silica có cấu trúc lục giác phù hợp sử dụng để truyền dẫn ứng dụng ghép kênh theo bƣớc sóng WDM, thơng qua nghiên cứu yếu tố tác động đến đặc tính sợi Đó lý em lựa chọn đề tài: “Thiết kế sợi tinh thể quang cho ứng dụng truyền dẫn quang ghép kênh theo bƣớc sóng” Nội dung luận văn đƣợc trình bày qua chƣơng: Chƣơng 1: Sợi tinh thể quang Chƣơng 2: Hệ thống thông tin quang WDM Chƣơng 3: Phân tích phƣơng pháp điều chỉnh tán sắc Chƣơng 4: Giải pháp thiết kế Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Hoàng Hải giúp đỡ tận tình để em hồn thành đƣợc đề tài TÓM TẮT LUẬN VĂN Sợi tinh thể quang - PCF công nghệ mới, dẫn sóng dựa lớp vỏ tinh thể đƣợc tạo nên từ cấu trúc lỗ khí xếp tuần hồn theo dạng đó, đối xứng không Các tinh thể tác động mạnh mẽ lên trƣờng ánh sáng bên sợi, tạo tính chất đặc biệt, điều mà khơng thể tìm thấy sợi quang thông thƣờng Sợi PCF đƣợc chia thành hai loại: PCF lõi chiết suất cao dẫn sóng chế phản xạ tồn phầnvà PCF lõi chiết suất thấp, dẫn sóng dựa hiệu ứng dải cấm quang Cả hai có tính chất riêng, đƣợc nghiên cứu sử dụng nhiều lĩnh vực, viễn thông, y tế,… Nội dung luận văn bao gồm việc nghiên cứu, thiết kế, tính tốn mơ cấu trúc PCFs, tìm dạng đặc tính c ng thơng số tối ƣu Đồ án trình bày đầy đủ lý thuyết tinh thể quang PC), sợi tinh thể quang PCFs), ứng dụng sợi PCFs Chƣơng cuối đồ án trình bày phƣơng pháp thiết kế mô sợi PCFs sử dụng phƣơng pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FDTD) Về bản, đồ án hoàn thành vấn đề trọng tâm Kết đạt đƣợc có số điểm so với số nghiên cứu trƣớc đây, cho thấy tiềm lớn ứng dụng thực tế Tồn đồ án đƣợc thực mô công cụ mô Photonic Solution Suite 2.2) PSS pollo ABSTRACT Photonic crystal fiber is a new technology, based on a photonic crystal cladding whose structure consists of air holes arranged periodicallyto control the light, cladding can be symmetric or asymmetric This crystal create unique properties in fiber PCF is classified into two group: high-index core ones in which light is guided by Modified Total Internal Reflection and low-index core fiber, waveguides based on Photonic Bandgap Both of them has their own characteristics which could be exploited in many fields, especially in communication and medical systems The contents of thesis include research, design, simulating and computing the structures of PCFs, and finding the optimum result The thesis presents completely the basic theory of Photonic Crystal (PC), Photonic Crystal Fibers (PCFs), the basic applications of PCFs The final chap show the design and simulation of PCF using FDID method to calculate the structure of the fiber Basicly, the thesis has finished the essential problems The result has some new points compares with another researchs, that shows the potentialities and applications The whole thesis is stimulated by APSS (Apollo Photonic Solution Suite 2.2) LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án kết nghiên cứu thânem thực Các số liệu, kết luận văn hồn tồn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình nghiên cứu trƣớc Các tài liệu, nghiên cứu trƣớc d ng để phân tích so sánh đƣợc trích dẫn cụ thể rõ ràng Nếu có sai phạm liên quan tới việc chép nội dung luận văn, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội ngày 22 tháng năm 2017 Sinh viên Nguyễn Tiến Thành MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT LUẬN VĂN .2 ABSTRACT .3 LỜI C M ĐO N .4 MỤC LỤC CHƢƠNG SỢI TINH THỂ QUANG 1.1 Sợi quang thông thƣờng 1.2 Sợi tinh thể quang 13 1.2.1 Cơ chế truyền dẫn ánh sang sợi tinh thể quang 15 1.2.2 Các lớp khác sợi tinh thể quang .17 1.3 Các đặc tính ứng dụng sợi tinh thể quang 20 1.3.1 Những ứng dụng sợi tinh thể quang lõi đặc 20 1.3.2 Ứng dụng sợi tinh thể quang lõi rỗng 22 1.4 Đặc tính suy hao sợi tinh thể quang 23 1.4.1 Bản chất suy hao .23 1.4.2 Suy hao giam giữ ánh sáng – Confinement loss 24 1.4.3 Suy hao uốn cong – Bending loss 25 1.4.4 Suy hao ghép nối sợi quang – Splice loss 25 1.4.5 Diện tích hiệu dụng – Effective area (Aeff) 25 1.5 Chế tạo sợi tinh thể quang 26 1.6 Xu hƣớng nghiên cứu sợi tinh thể quang .28 CHƢƠNG 29 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM .29 2.1 Nguyên lý ghép kênh quang theo bƣớc sóng (WDM) 29 2.1.1 Giới thiệu chung 29 2.1.2 Sơ đồ khối tổng quát 31 2.1.3 Nguyên lý ghép kênh .32 2.1.4 Các thông số thiết bị WDM 33 2.2 Các thành phần thiết bị WDM 34 2.2.1 Sợi quang 35 2.2.2 Thiết bị phát thu WDM .36 2.2.3 Bộ khuếch đại quang .36 2.3 Đặc điểm cơng nghệ WDM 38 2.3.1 Tận dụng tài nguyên dải tần rộng lớn sợi quang .38 2.3.2 Truyền dẫn nhiều tín hiệu 39 2.3.3 Thực truyền dẫn hai chiều sợi 39 2.3.4 Tiết kiệm đầu tƣ cho đƣờng dây 39 2.3.5 Giảm yêu cầu siêu cao linh kiện 39 2.3.6 Tính linh, tính kinh tế độ tin cậy cao cấu hình mạng 39 2.4 Giao diện chuẩn tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM 40 2.4.1 Giao diện chuẩn cho hệ thống WDM 40 CHƢƠNG 42 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TÁN SẮC 42 3.1 Tán sắc sợi tinh thể quang .42 3.1.1 Các loại tán sắc sợi tinh thể quang 42 3.2.1 Bài báo thứ .47 3.3.2 Bài báo thứ hai 49 CHƢƠNG 51 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 51 4.1 Sơ lƣợc thiết kế .51 4.2 Thiết kế cấu trúc sợi .52 4.4 SO SÁNH KẾT QUẢ TỐI ƢU VỚI NGHIÊN CỨU KHÁC VỀ PCFs 64 4.5 SỢI PCFs TỐI ƢU VỚI SỰ TH Y ĐỔI SỐ VÒNG LỖ KHÍ 64 4.6 KẾT LUẬN 66 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN .67 PHỤ LỤC 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 CHƢƠNG SỢI TINH THỂ QUANG Nội dung chƣơng trình bày tổng quan lý thuyết sợi tinh thể quang gồm: Sự đời sợi tinh thể quang, ƣu điểm vƣợt trội sợi tinh thể quang so với sợi quang thơng thƣờng, đặc tính quy trình chế tạo sợi tinh thể quang Ngồi nội dung chƣơng đề cập đến ứng dụng sợi tinh thể quang thực tế xu hƣớng nghiên cứu sợi tinh thể quang giới 1.1 Sợi quang thông thƣờng Sợi quang thông thƣờng dựa chế phản xạ toàn phần để dẫn ánh sáng Sợi quang đơn giản gồm lõi điện mơi có số khúc xạ phân bậc ncore bao quanh điện môi khác (lớp vỏ) với số chiết suất nCL Sử dụng định luật Snell - Descartes, dễ dàng để thấy ncore> nCL, ánh sáng truyền lõi tiếp cận mặt phân cách lõi - vỏ bị phản xạ hoàn toàn trở lại vào lõi góc hƣớng truyền tia sáng mặt phân cách đủ nhỏ Hình 1.1: Dạng sợi quang chiết suất nhảy bậc Dựa quan điểm truyền dẫn sóng phẳng, ta tiến hành nghiên cứu mơ hình sợi chiết suất nhảy bậc (SI) dài vơ hạn có tiết diện hình trịn, bán kính ρ mơ tả Hình 1.1 Giả sử ánh sáng truyền dọc theo trục z với bƣớc sóng λ, tƣơng ứng với hệ số sóng k0 = 2π/λ tần số góc ω0 = ck0 (c tốc độ ánh sáng không gian tự do) Bất kỳ xạ điện từ truyền dọctheo hƣớng z đƣợc chia thành sóng phẳng biến đổi theo hàm exp(i(βz-ωt)) vỏ lõi Giá trị β đƣợc gọi số lan truyền Do ta xem xét truyền ánh sáng lõi vỏ chồng chất sóng phẳng với vectơ sóng khác nhau, với thành phần theo chiều dọc β thành phần vng góc k⊥ (Hình 1.1) Trong lõi, vector sóng tổng vector  k⊥, hƣớng truyền tia sáng Giá trị chuẩn hóa vector sóng lõi vỏ tƣơng ứng ncore k0 nCLk0 Từ ta có: k2    n2 k02 (1.1) với n chiết suất vị trí điện mơi (giá trị từ ncore đến nCL) Để có ánh sáng truyền dọc theo z, β cần phải có giá trị thực Nếu k⊥ giá trị thực, sóng phẳng lan truyền theo hƣớng vector bán kính r ánh sáng phát xạ ngồi Nếu k⊥ có giá trị ảo, sóng phẳng bị tiêu biến dần, lƣợng ánh sáng không bị ngồi Rõ ràng để ánh sáng truyền đƣợc lõi sợi mà không bị suy hao,k⊥ phải có giá trị ảo lớp vỏ Từ phƣơng trình 1.1), ta suy đƣợc điều kiện: β > nCLk0 Ở lõi k⊥ mang phần thực phần ảo Tuy nhiên, với trƣờng hợp sợi quang, nơi mà lõi vỏ chất điện môi suốt, không tồn nghiệm k ảo lõi, ta có điều kiện β > ncorek0 Ta định nghĩa giá trị Chiết suất hiệu dụng - neff = β/k0 Nếu nCL< neff< ncore, ánh sáng suy biến lớp vỏ bị giam lõi Nếu neff< nCL ánh sáng truyền lớp vỏ, dẫn đến tổn hao Các thuộc tính Số lƣợng mode Số lƣợng mode sợi phụ thuộc vào tham số V (tần số chuẩn hóa) Đối với sợi SI: 1/2 V  k0  (n c2ore  nCL ) (1.2) Hình 4.2: Mặt cắt cấu trúc sợi PCF phần mềm APSS Sau vẽ xong cấu trúc lõi sợi với lỗ khí PSS, để chạy mô ta thiết lập thông số quan trọng ban đầu: số điểm tính tốn (17 points) – lớn xác, v ng bƣớc sóng hoạt động sợi (1.1 – 1.9μm), chiết suất lõi n thông thƣờng 1.4-1.5 cho silica tinh khiết) Nhƣ hình vẽ bên dƣới 55 Hình 4.3 Thiết lập thơng số mơ – số điểm tính, vùng bước sóng λ (μm) Tiếp thiết lập giá trị dự đoán initial guess chiết suất n Mở tab “FD Mode Solver Setting”, chọn tiếp sang tab “ dvance Setting” để nhập giá trị dự đoán initial guess Phần mềm PSS pollo Photonic Solution Suite) đƣợc thiết kế để tính tốn trƣờng mode ống dẫn sóng dành cho ứng dụng quang học nhiều tham số liên quan khác: Diện tích hiệu dụng, tán sắc, chiết suất hiệu dụng, suy hao hàn nối, tán sắc vận tốc nhóm GVD,… Phần mềm sử dụng phƣơng pháp tính tốn “sai phân hữu hạn” – Finite Different Method (FDM) với mesh lƣới dạng chữ nhật Nhƣ vậy, với việc mô cấu trúc sợi tinh thể quang phần mềm APSS, việc tìm giá trị khởi tạo chiết suất n để ánh sáng hội tụ đƣợc lõi sợi Sau bƣớc ta tiến hành thay đổi, tìm kiếm tham số tối ƣu cho cấu trúc sợi mơ 56 Hình 4.4 Thiết lập thông số chiết suất initial guess Sau điều chỉnh ta tìm đƣợc giá trị chiết suất để cấu trúc sợi hội tụ ánh sáng n = 1.428 Lúc ta tiến hành thay đổi lần lƣợt tham số khác để quan sát tìm thông số tối ƣu n = 1.44 n = 1.428 Hình 4.5 Thay đổi chiết suất initial guess để ánh sáng hội tụ tâm lõi 57 Thay đổi tham số sau giữ nguyên tham số cịn lại để tìm đƣờng tán sắc tối ƣu: + Thay đổi pitch Λ + Thay đổi kích thước (đường kính) vịng + Thay đổi kích thước (đường kính) vịng + Thay đổi kích thước (đường kính) vịng + Thay đổi kích thước (đường kính) vịng 4, 5, (qua mơ thấy thay đổi đường kính lỗ khí vịng ảnh hưởng khơng đáng kể tới tán sắc) Sau Click “Run” để chạy phần mềm tính tốn tham số sợi 4.3 Kết mơ Phần mềm tính tốn APSS dựa phƣơng pháp sai phân hữu hạn, việc ghép nối chuẩn lớp với lƣới (mesh) tính tốn đƣợc tham số đặc tính sợi: Tán sắc D, diện tích hiệu dụng Aeff, suy hao giam ánh sáng Lc Những tham số có cơng thức tính cụ thể Những kết đồ thị dƣới đƣợc vẽ phần mềm SigmaPlot với liệu đƣợc xuất sau q trình tính tốn mơ phần mềm APSS Hình 4.8 thể giá trị tán sắc sợi PCF thiết kế, thời gian tính tốn phần mềm cho lần mơ gần 10 phút (với tính tốn trục x, y, số điểm tính 17 điểm) Nhƣ vậy, sau nhiều mô phỏng, với hàng chục chạy phần mềm, chọn lựa thật kỹ thơng số đƣờng kính d1, d2, d3, d4, d5, d6 Λ ta quan sát quy luật biến thiên tán sắc để tìm đƣợc đƣờng tán sắc tối ƣu Hình 4.8 tán sắc phẳng gần khơng cấu trúc sợi đề xuất với thông số cấu trúc đƣợc chọn lọc kỹ 58 Dispersion D [ps/km.nm] -2 -4 -6 -8 1.0 1.2 1.4 1.6 Wavelengh 1.8 2.0 m Dispersion curve Hình 4.6 Đường tán sắc tối ưu, phẳng gần dải bước sóng rộng 300nm (1300nm-1600nm), đạt giá trị ≈ ± 0.05 quanh vùng bước sóng λ = 1.55μm sợi PCFs với vịng lỗ khí Để nhận đƣợc tham số thiết kế tối ƣu số kỹ thuật đƣợc áp dụng nhƣ sau Đầu tiên chọn tỉ lệ đƣờng kính lỗ khí giá trị pitch di/Λ i = 1,2,3,4,5,6) dải 0.6 – 0.8 Sau từ giá trị lựa chọn khởi tạo ban đầuΛ = 1.65µm, d1/Λ = 0.30 tới 0.50 d2/Λ nằm khoảng từ 0.4 – 0.6, tƣơng tự cho kích thƣớc vịng trở cho kích thƣớc tăng Kết hiển thị đƣờng cong tán sắc tối ƣu nhƣ hình 4.6 Hình 4.7 cho thấy mà giá trị d1/Λ tăng độ dốc tán sắc tăng theo khơng cịn đƣợc phẳng Với d1/Λ = 0.3255 giá trị tán sắc phẳng bƣớc sóng 1.55 µm xung quanh giá trị -0.05 ps/nm/km Vì kết tham số kích thƣớc d1/Λ = 0.3255 đƣợc nhận làm giá trị tối ƣu cho tán sắc phẳng Bảng 4.2 Một số kết tối ưu cấu trúc đề xuất vịng lỗ khí: λ μm) D [ps/(km.nm)] 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.55 1.6 1.7 1.8 1.9 -6.861 -1.455 0.008 0.131 -0.056 -0.055 0.080 0.887 2.519 5.309 59 25 Dispersion D [ps/(km.nm)] 20 15 10 -5 -10 1.0 1.2 1.4 1.6 Wavelengh 1.8 2.0 m m m m m m Hình 4.7 Thay đổi giá trị pitch (Λ) quanh tham số tối ưu Λ =1.69 µm, tham số khác giữ nguyên 15 Dispersion D [ps/km.nm] 10 -5 -10 -15 -20 -25 1.0 1.2 1.4 1.6 Wavelengh 1.8 2.0 m d1/ d1/ d1/ d1/ d1/ Hình 4.8 Thay đổi d1/Λ quanh giá trị tối ưu, giữ nguyên tham số khác 60 -2 -4 -6 -8 -10 -12 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Wavelengh 1.5 1.6 1.7 1.8 m d2/ d2/ d2/ d2/ d2/ Hình 4.9 Thay đổi d2/Λ, giữ nguyên tham số khác 15 10 Dispersion D [ps/km.nm] Dispersion D [ps/(km.nm)] -5 -10 -15 -20 1.0 1.2 1.4 1.6 Wavelengh 1.8 2.0 m d3/ d3/ d3/ d3/ d3/ Hình 4.10 Thay đổi d3/Λ, giữ nguyên tham số khác 61 Nhƣ vậy, thay đổi nhẹ tham số kích thƣớc cấu trúc hình học sợi thiết kế về: Pitch Λ, d1,d2 d3 quanh giá trị tối ƣu, ta nhận thấy giá trị tán sắc sợi có thay đổi định Hình 4.11 thể diện tích hiệu dụng sợi PCFs tối ƣu đề xuất tồn dải bƣớc sóng 1.1 – 1.9 µm 15 Effective area A eff [ m ] 14 13 12 11 10 1.0 1.2 1.4 1.6 Waveleng m 1.8 2.0 X pollar Y pollar Hình 4.11 Diện tích hiệu dụng tham số tối ưu cấu trúc 62 6e-7 Confinement Loss Lc [dB/m] 5e-7 4e-7 3e-7 2e-7 1e-7 1.0 1.2 1.4 Wavelength 1.6 1.8 2.0 n Confinement Loss curve Hình 4.12 Suy hao giam giữ ánh sang cấu trúc tối ưu Dispersion Slope D s [ps/(km.nm )] -1 1.0 1.2 1.4 Wavelength 1.6 1.8 2.0 m Dispersion Slope curve Hình 4.13 Đường đặc tính độ dốc tán sắc cấu trúc tối ưu Nhận xét cấu trúc: 63  Khi thay đổi giá trị pitch Λ: Khi tăng pitch 0.01 µm giá trị tán sắc tăng nhẹ khoảng 2-3 ps/ km.nm) dạng đƣờng tán sắc không thay đổi  Khi thay đổi đƣờng kính vịng 1: Khi giảm đƣờng kính vịng 1,giá trị tán sắc có xu hƣớng tăng v ng bƣớc sóng 1330nm – 1900 nm Giá trị đƣờng kính d1 thay đổi làm ảnh hƣởng mạnh tới tán sắc, khiến đƣờng tán sắc thay đổi dạng  Khi thay đổi đƣờng kính vịng 2: Tăng đƣờng kính đƣờng tán sắc nâng lên có xu hƣớng dốc lên, phẳng  Khi thay đổi đƣờng kính vịng 3: Nhƣ hình vẽ cho thấy, đƣờng cong tán sắc thay đổi ít, ta dễ dàng tìm đƣợc giá trị đƣờng tán sắc phẳng gần  Đƣờng tán sắc phẳng dải rộng 300nm (λ = 1300 ÷ 1600 nm)  Giá trị tán sắc gần nhƣ v ng λ = 1.55μm lân cận  Quanh đƣờng tán sắc tối ƣu, thay đổi đƣờng kính lỗ khí vịng đƣờng tán sắc có độ dốc thay đổi, thay đổi đƣờng kính lỗ khí vòng c ng thay đổi Λ đƣờng tán sắc có độ dốc thay đổi nhanh  Diện tích hiệu dụng bƣớc sóng λ = 1.55μm có giá trị = 10.85 μm2, giá trị nhỏ so với diện tích hiệu dụng sợi đơn mode thơng thƣờng khoảng 70 80 µm2), ph hợp với ứng dụng truyền dẫn thông tin hệ thống DWDM 4.4 SO SÁNH KẾT QUẢ TỐI ƢU VỚI NGHIÊN CỨU KHÁC VỀ PCFs So với nghiên cứu phân tích chƣơng ta thấy sợi PCFs đề xuất có đặc tính tán sắc tốt Thậm chí so với sợi PCFs cấu trúc gần tƣơng tự mục 3.1.2 cho thấy độ phẳng tán sắc sợi đề xuất tối ƣu hơn: Bảng 4.5 So sánh với nghiên cứu chương Loại Sợi Cấu trúc sợi PCFs thiết kế PCFs mục 3.3.1 PCFs mục 3.3.2 Gần lục giác vòng Lục giác vòng Lục giác vòng Tán sắc D, ps/km/nm ± 0.056 0.1 - 0.3 ± 0.48 Dải tán sắc phẳng nm 1300 – 1.600 1400 - 1700 1258 – 1750 Flattened band 300 nm 300 nm 492 nm 4.5 SỢI PCFs TỐI ƢU VỚI SỰ THAY ĐỔI SỐ VỊNG LỖ KHÍ Để đánh giá đƣờng tán sắc sợi PCFs với cấu trúc riêng khả giam ánh sáng lõi, ta thiết kế cấu trúc sợi theo hƣớng tăng giảm số vịng lỗ khí nhƣng đảm bảo đƣợc giá trị tán sắc gần không, suy hao giam giữ mức 64 thấp, chấp nhận đƣợc Các cấu trúc bên dƣới gồm 5, 6, vịng lỗ khí với kích thƣớc, tham số tối ƣu khác Fiber Số Số Số Số vịng lỗ khí Λ[μm] d1/Λ d2/Λ d3/Λ d4/Λ d5/Λ d6/Λ d7/Λ 1.67 1.69 1.66 0.3255 0.3203 0.3316 0.4386 0.435 0.4351 0.6050 0.505 0.5305 0.78 0.66 0.88 0.78 0.66 0.88 0.78 0.88 0.88 Kết tối ƣu với vịng lỗ khí: Dispersion D [ps/(km.nm)] -2 -4 -6 -8 1.0 1.2 1.4 1.6 Wavelengh 1.8 2.0 m Dispersion curve Hình 4.14 Đường tán sắc tối ưu, phẳng gần dải bước sóng rộng 300nm (1300nm-1600nm), đạt giá trị ≈ ± 0.04 quanh vùng bước sóng λ = 1.55μm sợi PCFs với vịng lỗ khí Kết tối ƣu với vịng lỗ khí 65 Dispersion D [ps/(km.nm)] -2 -4 -6 -8 1.0 1.2 1.4 1.6 Wavelengh 1.8 2.0 m Dispersion curve Hình 4.15 Đường tán sắc tối ưu, phẳng gần dải bước sóng rộng 300nm (1300nm-1600nm), đạt giá trị ≈ ± 0.04 quanh vùng bước sóng λ = 1.55μm sợi PCFs với vịng lỗ khí 4.6 KẾT LUẬN Sau tiến hành thiết kế cấu trúc sợi PCFs mơ phỏng, tính tốn tham số sợi nhƣ: Tán sắc, suy hao giam giữ, diện tích hiệu dụng, suy hao hàn nối Sợi PCFs đề xuất với cấu trúc gần lục giác có tham số riêng biệt kích thƣớc lỗ khí khoảng lỗ khí sau lựa chọn thật tối ƣu cho ta đặc tính tốt Tán sắc siêu phẳng dải bƣớc sóng rộng, điều khiển tán sắc gần 0, sợi PCFs có vịng lỗ khí có tán sắc dao động ± 0.05 ps/(km.nm) quanh vùng 1300 nm – 1600 nm, diện tích hiệu dụng nhỏ so với sợi quang thông thƣờng Sợi với thuộc tính đáp ứng tốt hệ thống thông tin quang nay, hệ thống DWDM 66 PCFs DCFs DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN Photonic Crystal Fibers Sợi tinh thể quang Dispersion Compensation Fibers Sợi bù tán sắc Dense Wavelength Division Ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ Multiplexing cao FDM Finite Difference Method Phƣơng pháp sai phân hữu hạn FEM Finite Element Method Phƣơng pháp phần tử hữu hạn FWM Four Wavelength Mixer Trộn bốn bƣớc sóng GVD Group velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm MFD Mode Field Diameter Đƣờng kính trƣờng mode APSS Apollo Photonic Solution Suite Phần mềm mô sợi quang PBG Photonic Bangap Dải cấm quang Optical time Division Ghép kênh quang phân chia thời Multiplexing gian TDM Time Devision Multiplexing Ghép kênh phân chia thời gian NDSF Non- Dispersion – Shifted Fiber DWDM OTDM OEIC Optic-Electronic Intergrated Circuit Sợi quang dịch chuyển tán sắc gần khơng Mạch quang điện tích hợp Vertical Cavity Surface-Emitting Laser phát xạ mặt với cộng Laser) hƣởng thẳng đứng SMF Single mode fiber Sợi đơn mode SPM Self Phase modulation Tự điều pha VCSEL WDM Wavelength Division Ghép kênh theo bƣớc sóng Multiplexing 67 PHỤ LỤC Bảng tham số tối ƣu cho sợi đề xuất với vịng lỗ khí Hexagonal structure PCFs - Optimum rings Parameters Pitch Λ) d1/Λ d2/Λ d3/Λ d4/Λ d5/Λ d6/ Λ Values 1.69 [µm] 0.3255 0.4286 0.605 0.78 0.78 0.78 Wavelength [µm] λ 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 Dispersion [ps/(km.nm)] -6.8614 -3.15976 -1.45511 -0.47188 0.008193 0.161745 0.130978 0.029047 -0.05553 -0.05509 0.080488 0.386708 0.887124 1.59566 2.518631 3.656546 5.308571 Effective Area [µm^2] 7.633015682 7.924455101 8.233796272 8.560958551 8.905642444 9.267294381 9.645064241 10.03775394 10.44375604 10.86098225 11.28678304 11.71786161 12.15018831 12.57892488 12.99837187 13.40195646 13.7822809 68 Effective index (Real) 9.75E-18 5.48E-20 6.37E-20 1.69E-20 -1.42E-19 -5.95E-19 -1.92E-18 -5.69E-18 -1.61E-17 -4.41E-17 -1.16E-16 -2.96E-16 -7.29E-16 -1.74E-15 -4.00E-15 -8.91E-15 -1.93E-14 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Govind P Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 3rd ed.San Diego, Academic Press, 2001 [2]F Poli A.Cucinotta S Selleri, Photonic Crystal Fibers Properties and Applications,2007 [3] Kunimasa Saitoh, Masanori Koshiba,“Numerical Modeling of Photonic Crystal Fibers”, Optics Express, Vol 23, No 11, pp 3580, November 2005 [4] K.Saitoh, M.Koshiba, T.Hasegawa, and E.Sasaoka, “Chromatic dispersion control in photonic crystal fibers: Application to ultra flattened dispersion” Opt Express, vol 11, pp 843–852, 2003 [5] Partha Sona Maji and Partha Roy Chaudhuri “A New Design of Ultra-Flattened Nearzero Dispersion PCF Using Selectively Liquid Infiltration”, 16 Dec, 2012 [6]S M Abdur Razzak, Yoshinori Namihira, “Proposal for Highly Nonlinear Dispersion-Flattened Octagonal Photonic Crystal Fibers”, IEEE 1041-1135, 2008 [7] T L Wu and C H Chao, A novel ultraflattened dispersion photonic crystal fiber, IEEE Photon Technol Lett., vol 17, pp 67–69, 2005 [8] A Ferrando, E Silvestre, P Andres, J J Miret, and M Andres, Nearly zero ultraflattened dispersion in photonic crystal fibers, Opt.Lett., vol 25, pp 790–792, 2000 69 ... lớp khác sợi tinh thể quang .17 1.3 Các đặc tính ứng dụng sợi tinh thể quang 20 1.3.1 Những ứng dụng sợi tinh thể quang lõi đặc 20 1.3.2 Ứng dụng sợi tinh thể quang lõi... ứng dụng ghép kênh theo bƣớc sóng WDM, thơng qua nghiên cứu yếu tố tác động đến đặc tính sợi Đó lý em lựa chọn đề tài: ? ?Thiết kế sợi tinh thể quang cho ứng dụng truyền dẫn quang ghép kênh theo. .. HÀ NỘI Nguyễn Tiến Thành THIẾT KẾ SỢI TINH THỂ QUANG (PHOTONIC CRYTAL FIBER) CHO CÁC ỨNG DỤNG TRUYỀN DẪN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông LUẬN