Ảnh hưởng của sự tán sắc lên sự lan truyền xung trong sợi quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THỊ PHƢƠNG ĐÔNG ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC LÊN SỰ LAN TRUYỀN XUNG TRONG SỢI QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THỊ PHƢƠNG ĐÔNG ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC LÊN SỰ LAN TRUYỀN XUNG TRONG SỢI QUANG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: GS TS ĐINH XUÂN KHOA NGHỆ AN - 2017 LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn GS.TS Đinh Xuân Khoa giúp đỡ tận tình mà thầy giành cho suốt thời gian vừa qua Thầy định hướng nghiên cứu, cung cấp tài liệu, nhiều lần thảo luận tháo gỡ khó khăn, giúp đỡ nhiều mặt kiến thức phương pháp nghiên cứu để tơi hồn thành luận văn Được thầy hướng dẫn luận văn niềm vinh dự may mắn Cho phép tơi bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến quý thầy giáo có đóng góp ý kiến giúp đỡ tơi q trình hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến q thầy giáo, giáo nhiệt tình giảng dạy cho thời gian vừa qua Tôi xin cảm ơn Ban Chủ nhiệm khoa Sau đại học, khoa Vật lí Cơng nghệ, trường Đại Học Vinh, tập thể anh chị em lớp Cao học K23 chuyên ngành quang học tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi nhiều q trình học tập nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, tạo điều kiện thuận lợi động viên tơi q trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin gửi đến thầy giáo, bạn bè người thân lịng biết ơn chân thành với lời chúc sức khỏe thành công sống Tác giả MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài Chƣơng LAN TRUYỀN XUNG TRONG SỢI QUANG 1.1 Các tính chất sợi quang 1.1.1 Hệ phương trình Maxwell 1.1.2 Phương trình trị riêng 1.1.3.Điều kiện đơn Mode 1.1.4 Các tính chất Mode 1.2 Phương trình lan truyền xung sợi quang 11 1.2.1 Phương trình lan truyền xung 11 1.2.2.Tán sắc vận tốc nhóm 11 1.2.3 Tán sắc bậc cao 13 Kết luận chương 14 Chƣơng ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TÁN SẮC LÊN SỰ LAN TRUYỀN XUNG TRONG SỢI QUANG 16 2.1 Mở rộng xung gây tán sắc vận tốc nhóm 16 2.1.1 Xung dạng Gauss 20 2.1.2 Xung Gauss có chirp 27 2.1.3 Xung dạng Hyperbolic-Secant 33 2.2 Ảnh hưởng tán sắc bậc ba 34 2.2.1 Hệ số mở rộng 34 2.2.2 Sự thay đổi hình dạng xung 38 2.3 Quản lý tán sắc 44 2.3.1 Bù tán sắc vận tốc nhóm 44 2.3.2 Bù tán sắc bậc 48 Kết luận chương 51 KẾT LUẬN CHUNG 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT Điều chế biên độ AM Amplitude Modulation APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động BPF Bandpass filter Bộ lọc thông dải CD Chromatic Dispersion Tán sắc sắc thể DBR Distributed Bragg Reflection Phản xạ phân bố Bragg DCF Dispersion Compensating Fiber DDF Dispersion Decreasing Fiber Sợi giảm tán sắc DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc DWDM Dense WDM WDM mật độ cao GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm Sợi bù tán sắc LASER Light Amplified and Stimulated Khuếch đại ánh sáng xạ Emission of Radiation kích thích MESH Mesh Dạng lưới MMF Multimode Fibre Sợi đa mode RMS Root Mean Square Căn trung bình bình Phương SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode SNR Signal – to – Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng toàn phần nửa lớn FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong quang học ta hiểu tán sắc môi trường tượng lan truyền sóng phẳng có tần số khác môi trường với vận tốc khác Khi có tán sắc ánh sáng môi trường làm cho xung ánh sáng vào môi trường có độ rộng thời gian khác với xung nghĩa sóng phẳng có tần số khác thành phần xung vào lan truyền đến điểm cuối môi trường với độ trễ khác Nguyên nhân xuất tán sắc thời gian tương tác hữu hạn tính khơng địa phương Quá trình tán sắc làm giãn độ rộng phổ xung tín hiệu truyền dẫn.Thành phần phổ khác xung lan truyền với vận tốc khác nhau, tượng gọi tán sắc vận tốc nhóm sợi quang Tán sắc làm giãn bề rộng xung ánh sáng truyền sợi quang làm giới hạn hoạt động hệ thống truyền dẫn xung sợi quang Tán sắc sợi quang tượng vật lý ảnh hưởng đến chất lượng mạng thơng tin quang Nó làm tăng tỉ lệ lỗi bit, giới hạn tốc độ khoảng cách truyền mạng Để xây dựng nâng cấp mạng thông tin quang kích thước lớn, tốc độ cao đại hố mạng lưới thơng tin, đảm bảo thơng tin liên lạc tình huống, chất lượng ngày cao, vấn đề quan trọng phải giải giảm thiểu ảnh hưởng tán sắc lên lan truyền xung sợi quang Để tham gia đóng góp vào nghiên cứu tơi chọn đề tài “Ảnh hưởng tán sắc lên lan truyền xung sợi quang ” làm đề tài luận văn tốt nghiệp 2 Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu tán sắc ánh sáng lên trình lan truyền xung sợi quang - Nghiên cứu mở rộng xung gây tán sắc vận tốc nhóm ảnh hưởng tán sắc bậc ba quản lý tán sắc Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng: - Hiện tượng tán sắc trình truyền xung sợi quang Phạm vi: - Tán sắc vận tốc nhóm, tán sắc bậc ba,bù tán sắc Nhiệm vụ nghiên cứu - Ảnh hưởng tán sắc trình truyền xung sợi quang - Quản lý tán sắc ,nguyên nhân gây tán sắc cách khắc phục Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài Phương pháp nghiên cưú lý thuyết sở sử dụng cơng cụ tốn học Chƣơng LAN TRUYỀN XUNG TRONG SỢI QUANG 1.1 Các tính chất sợi quang 1.1.1 Hệ phương trình Maxwell Sợi quang ống dẫn sóng hình trụ ánh sáng lan truyền cở sở lý thuyết mode Các mode lời giải phương trình Maxwell cho điều kiện biên cụ thể Các phương trình Maxwell xác định mối liên hệ hai thành phần ánh sáng trường điện E trường từ H Lý thuyết lan truyền sóng điện từ phương pháp tốt để mô tả lan truyền xung ánh sáng rong sợi quang Để hiểu phương pháp này, cần giải phương trình Maxwell cho ống dẫn sóng hình trụ Xuất phát từ hệ phương trình Maxwell:  E   B t  H  J  D t (1.1) (1.2) .D   f (1.3) .B  (1.4) E H tương ứng vector cường độ điện trường cường độ từ trường, D B tương ứng vector cảm ứng điện vector cảm ứng từ Vector mật độ dịng J mật độ điện tích ρf đại diện cho nguồn gốc trường điện từ Trong trường hợp khơng có điện tích tự môi trường sợi quang, J   f  Mật độ thông lượng D B xuất đáp ứng với điện trường từ trường E , H lan truyền môi trường có mối liên hệ với chúng thơng qua hệ phương trình đưa [3] : D   E  P, (1.5) B  0 H  M , (1.6) ε0 độ điện thẩm chân không, μ0 độ từ thẩm chân không, P M vector phân cực điện vector phân cực từ Đối với môi trường không chứa điện tích tự sợi quang học, M  Phương trình Maxwell sử dụng để có phương trình lan truyền sóng ánh sáng sợi quang Phân cực cảm ứng điện P véc tơ điện trường E có quan hệ phi tuyến tính theo biểu thức [3] :     P r , t     1  t  t '  E r , t 'dt '   (1.7) X ten xơ bậc II giảm xuống bậc I môi trường đẳng hướng Từ phương trình Maxwell (1.1), (1.2),(1.3) (1.4).Ta có  E   2 E 2 E   c t t (1.8) Trong c vận tốc ánh sáng chân không 0  c2 Phân giải Fourier điện trường E  r, t  định nghĩa      E r ,    E r , t exp(it )dt  (1.9) Ta thu phương trình :  E  (r ,  )( 2 c2 )E (1.10) Với số điện môi  phụ thuộc vào tần số ánh sáng :       1     NL (1.11) Với  NL xác định  NL   E (r , t ) xem số trình lấy đạo hàm i c     n  2   (1.12) Hằng số điện mơi liên hệ phần thực phần ảo biểu thức 36 2.2.2 Sự thay đổi hình dạng xung Chúng ta khảo sát ảnh hưởng tham số tán sắc bậc ba lên hệ số mở rộng xung Gauss có tham số chirp khác nhau.Giả thiết xung ban đầu có độ rộng xung T0 =100 ps tham số chip C=-6 truyền sợ quang có chiều dài L=100km (Hình 2.12) Trình bày thay đổi độ rộng xung truyền qua với giả thiết sợi quang có tham số tán sắc cảm ứng dương tán sắc bậc bat hay đổi Trường hợp tham số tán sắc bậc ba khơng (  =0) q trình biến đổi độ xung tương đương trình bày Khi tham số tán sắc bậc ba tăng ảnh hưởng tán sắc bậc ba làm cho độ rộng xung truyền qua tăng lên ,đặc biệt vùng tham số tán sắc cảm ứng nhỏ Trong vùng tham số tán sắc cảm ứng lớn ,ảnh hưởng tán sắc bậc ba bỏ qua Điều nhận xét với độ rộng xung ban đầu lớn hiệu ứng tán sắc bậc ba ảnh hưởng tới xung truyền qua trường hợp tán sắc cảm ứng nhỏ Tuy nhiên phân tích khơng hồn tồn xác xung vào có độ rộng xung ngắn Ảnh hưởng tán sắc bậc ba vào độ rộng xung truyền qua mạnh nhiều độ rộng xung vào rút xuống 10ps hình (2.13) 1ps hình (2.14) Trong trường hợp tham số tán sắc cảm ứng bậc nhỏ nhiều,song độ rộng xung vào ngắn ,nên hiệu ứng tán sắc bâc ảnh hưởng đến độ mở rộng xung Trong hai trường hợp khảo sát với xung lớn (T0=100ps;10ps), hiệu ứng rút gọn xung xuất hiện.Tuy nhiên, giá trị cực tiểu độ rộng xung truyền qua đạt ba trường hợp khác nhau, phụ thuộc vào giá trị hệ số tán sắc - Đối với xung T0 =100ps,giá trị cực tiểu xung truyền qua T1  30 ps 3  50 ps3 / km 2  2,5 ps / km (hình 2.12) - Đối với xung T0 =10ps,giá trị cực tiểu xung truyền T1  ps 3  0,01 ps3 / km 2  0,1 ps / km (hình 2.13) 37 Riêng trường hợp xung ngắn T0=1ps,trong trình rút gọn xung khơng xảy (hình 2.14) Điều giúp ta khẳng định, hiệu ứng tán sắc bậc ba ảnh hưởng lên xung cực ngắn Mặt khác trường hợp, độ mở rộng chịu ảnh hưởng tham số chirp C ban đầu (hình 2.15) cho ta thấy mở rộng xung ngắn T0=10ps với tham số chirp khác sợi quang có đồng thời tán sắc cảm ứng bậc ba Qua (hình 2.15) ta thấy tham số chirp nhỏ ảnh hưởng tham số tán sắc bậc ba khơng đáng kể Nhưng với xung có tham chirp lớn sử mở rộng tỷ lệ thuận với giá trị tham số tán sắc bậc ba Như tưởng tán sắc bậc ba ảnh hưởng lớn đến xung ngắn có tham số chirp ngắn Tham số tán sắc 2 ( ps / km) Hình 2.12 Sự phụ thuộc độ rộng xung vào tham số tán sắc cảm ứng 2 vớI tham số tán sắc bậc ba khác 3  0.0;50;100 ps3 / km T0  100 ps, C  6, L  100km 38 Tham số tán sắc 2 (ps2/km) Hình 2.13 Sự phụ thuộc độ rộng xung vào tham số tán sắc cảm ứng 2 với tham số tán sắc bậc ba khác 3  0.01;0.1;10 ps3 / km T0  10 ps, C  6, L  100km Tham số tán sắc 2 (ps2/km) Hình 2.14 Sự phụ thuộc độ rộng xung vào tham số tán sắc cảm úng  với tham số tán sắc bậc ba khác 3  0.001;0.05;1 ps / km 39 T0  ps, C  6, L  100km Tham số chirp C Hình 2.15 Sự phụ thuộc độ rộng xung vao 2tham số chirp C với tham số tán sắc bậc ba khác 3  0,0;1,0;2,0 ps3 / km T0=1ps,C=-6, L=100km , 2 =2ps2/km Xung quang khơng có chirp bị mở rộng truyền mơi trường tán sắc Tuy nhiên, xung có chirp tần số ban đầu, độ rộng xung bị dãn hay co lại môi trường tán sắc tùy thuộc vào tính chất mơi trường tham số chirp ban đầu Xung co lại C 2  Với xung vào có độ rộng T0 = 100 ps sau truyền qua chiều dài 100km sợi quang bị co lại sau: Tham số tán sắc 2 = 20ps2/km ( 2 = -20ps2/km) có chirp tần số C  7  ( C   ) T  25ps Tham số tán sắc 2 = 50ps2/km ( 2 = -50ps2/km) có chirp tần số C  4  ( C   ) T  50ps Xung laser khỏi môi trường không thay đổi độ rộng, tham số lựa chọn phù hợp xung vào (độ rộng xung, chirp tần số) với tính chất 40 sợi quang (chiều dài, hệ số tán sắc), cụ thể: T0 = 100 ps, L = 100km, 2 = 25ps2/km C = -8 T0 = 100 ps, L = 100km, 2 =34ps2/km C = -6 Bộ tham số xung vào (độ rộng xung, chirp tần số) với tính chất sợi quang (chiều dài, hệ số tán sắc) lựa chọn để xung laser bị nén mạnh nhất: T0 = 100 ps, L = 100km, 2 = 12,5ps2/km C = -8 T  20ps T0 = 100 ps, L = 100km, 2 = 16,5ps2/km C = -6 Quá trình nén xung mở rộng xung xẩy liên tục sợi quang, đó, chọn độ dài sợi quang cực đại thích hợp với tham số tán sắc tham số chirp tần số C để điều khiển hệ số mở rộng   theo thiết kế: T0 = 100 ps, 2 = 20ps2/km, C = -1  = 1,2 Lmax = 750 km T0 = 100 ps, 2 = 20ps2/km, C = -1  = 1,4 Lmax = 710 km T0 = 100 ps, 2 = 20ps2/km, C = -1  = 1,5 Lmax = 600 km khơng thay đổi (  = 1,0), ví dụ: T0 =100 ps, 2 = 20ps2/km C = -1 Lmax = 500 km T0 = 100 ps, 2 = 50ps2/km C = -1 Lmax = 200 km Trong trường hợp xung vào ngắn 100ps, hiệu ứng tán sắc bậc ba xuất có cạnh tranh hai hiệu ứng tán sắc trình mở rộng xung Cụ thể: Xung bị nén lại: T0 = 50 ps, C = -6, L = 100 km,  = 2ps /km,  = 50 ps /km T1=35ps Xung bị mở rộng: T0 = 50ps, C = -6, L = 100 km, 2 = 2ps2/km,  = 10 ps /km T1= 55ps Xung vào ngắn, ảnh hưởng hiệu ứng tán sắc bậc ba đến mở rộng xung lan truyền lớn, cụ thể: Xung laser bị mở rộng lớn trường hợp sau: 41 T0 = 1ps, L = 100 km, 2 =2ps2/km,  = (0  2, 0) ps3/km (thay đổi nhỏ), | C| = 10 T1 = 20 160 ps Tức chirp tần số khơng thể bù trừ q trình mở rộng xung tán sắc bậc ba Rõ ràng, xung cực ngắn T1 1ps , trình mở rộng xung luôn xảy nén lại quan tâm đến việc tạo chirp tần số ban đầu 2.3 Quản lý tán sắc Như xem xét ảnh hưởng tán sắc có tác động lớn đến chất lượng hệ thống thông tin quang Tán sắc gây tượng dãn rộng xung, gây méo tín hiệu, làm tăng lỗi bit xảy ra, ảnh hưởng lớn đến tốc độ truyền dẫn hệ thống Có thể giảm thiểu ảnh hưởng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) tán sắc bậc cao cách sau 2.3.1 Bù tán sắc vận tốc nhóm Đối với phổ Gaussian có độ rộng phổ RMS  thu hệ số dãn sau [5]: 1/2 2    C 2 L  2 L 2  3 L   1    V ( )   C  V             2 02  2 02  4 03    (2.3.1)  Ở V xác định V  2 Biểu thức (2.3.1) thể dạng diễn giải cho dãn tán sắc xung Gaussian đầu vào điều kiện chung hoàn toàn Sự dãn xung dẫn đến làm giới hạn tốc độ bit hệ thống thông tin quang mà ta xem xét phần sau Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn Tán sắc làm hạn chế đặc tính hệ thống trước hết cần thấy ảnh hưởng đáng cân nhắc làm hạn chế tốc độ truyền dẫn hệ thống Sự giới hạn đặt lên tốc độ bit tán sắc phụ thuộc hoàn toàn khác với đặt độ rộng phổ nguồn phát Vì ta nghiên cứu vấn đề theo hai trường hợp tách biệt sau 42 Trường hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ lớn Trong trường hợp hệ thống sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ lớn biểu thức (2.3.1) ứng với V  Trước hết ta xem xét hệ thống thông tin quang hoạt động bƣớc sóng chệch khỏi bƣớc sóng có tán sắc khơng nhằm để số hạng  bỏ qua Các ảnh hưởng lệch tần số khơng đáng kể nguồn có độ rộng phổ lớn Thay C = vào biểu thức (2.3.1) ta có:   L   DL     1     1   0  0   0  (2.3.2) Ở   độ rộng phổ RMS nguồn Độ rộng xung đầu viết sau:    02   D2 (2.3.3) Trong  D  D L  độ dãn tán sắc gây Với diễn giải này, liên hệ  với tốc độ bit cách sử dụng quy định xung bị dãn nên nằm bên khe bit (khe thời gian) định, TB = 1/B, B tốc độ bit R B Một quy định chung thường sử dụng   TB Đối với xung Gaussian có 95% lượng xung nằm khe bit Tốc độ bit giới hạn cho 4B  Trong phạm vi D  ,    D  D L  điều kiện trở thành sau: BL D    1/ (2.3.4) Đối với hệ thống thơng tin quang hoạt động xác bước sóng có tán sắc khơng 2 =0 biểu thức (2.3.1) Ta thiết lập C = trước cho V 1, biểu thức (2.3.1) xác định xấp xỉ sau:  1 2   SL 2   1     1   0  0   0  (2.3.5) 43 Như độ rộng đầu viết lại:  SL   2    02    02   D2 (2.3.6) Bây ta viết: D  S L 2 (2.3.7) Cũng trên, ta liên hệ  với tốc độ bit giới hạn điều kiện 4B   , giới hạn tốc độ bit viết sau: Khi  D BL S  2  (2.3.8) Trường hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ nhỏ Trường hợp tương ứng với V biểu thức (2.3.1) Nhưng trước đây, bỏ qua số hạng  cho C = 0, biểu thức (2.3.1) xấp xỉ bằng:  L         02   D2  2  (2.3.9) So sánh với biểu thức (2.3.6) thấy xuất khác chủ yếu hai trường hợp Đối với phổ nguồn phát hẹp, dãn xung tán sắc gây phụ thuộc vào độ rộng ban đầu  , trái lại khơng phụ thuộc vào  độ rộng phổ nguồn phát lớn Trong thực tế,  giảm nhỏ tối thiểu cách chọn giá trị tối ưu  Giá trị tối ưu  tìm thấy xảy    D    L / 2 Giới hạn tốc độ bit nhận sử dụng 4B   1/2 dẫn tới điều kiện sau: B 2 L  (2.3.10) Sự khác từ biểu thức (2.3.8) B tỉ lệ với L1/2 L1 Đối với hệ thống thông tin quang hoạt động bước sóng gần với bước sóng 44 có tán sắc khơng ,   biểu thức (3.3.1) sử dụng V  C=0 ,độ rộng xung lúc cho là: 1  L         02   D2  4  (2.3.11) 1/3 Giá trị nhỏ  tìm thấy xảy     L  cho   sau: 1/3 3   L      2   1/2 (2.3.12) Giới hạn tốc độ thu cách áp dụng điều kiện 4B  1hoặc là: B  3 L   0,324 1/3 (2.3.13) Các ảnh hưởng tán xạ hầu hết bỏ qua trường hợp Đối với giá trị tiêu biểu 3  0,1 ps3 / km , tốc độ bit lớn tới 150 Gbít/s với L = 100km Nó giảm tới 70Gbít/s L tăng 10 lần phụ thuộc tốc độ bit vào cự ly L-1/3 Rõ ràng đặc tính hệ thống thơng tin quang cải thiện đáng kể hoạt động bước sóng gần bước sóng có tán sắc khơng sợi quang sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ tương đối hẹp 2.3.2 Bù tán sắc bậc ba Khi tốc độ bit kênh đơn vượt mức 40 Gb/s tác động tán sắc bậc ba bậc cao bắt đầu ảnh hưởng tới tín hiệu quang Để tính khoảng truyền dẫn cực đại L, giới hạn tán xạ bậc ba β3, tán xạ bậc hai bù Ta có: L ≤ 0.034(|β3|B3)−1 ( 2.3.14 ) Với tốc độ bit 200 Gb/s, L giới hạn 50 km 3,4 km tốc độ 500 Gb/s thay giá trị cụ thể β3 = 0.08 ps3/km Rõ ràng 45 phải sử dụng kỹ thuật bù đồng thời tán sắc bậc hai bậc ba tốc độ bit kênh đơn lớn 100 Gb/s Đã có số kỹ thuật xây dựng Cách đơn giản để bù tán sắc bậc ba sử dụng sợi bù tán sắc có hệ số góc tán sắc âm để β β3 có dấu ngược với dấu sợi tiêu chuẩn Có thể biết điều kiện cần để chế tạo loại sợi cách giải phương trình (1.16) sở áp dụng phương pháp biến đổi Fourier Đối với đường truyền sợi quang có chiều dài sợi khác L1 L2 điều kiện bù tán sắc là: β21L1+β22L2 = β31L1+β32L2 = (2.3.15 ) Trong β2jvà β3j tham số tán sắc bậc hai bậc ba sợi có chiều dài Lj Ta sử dụng điều kiện thứ hai để tìm tham số tán sắc bậc ba cho DCF: β32 = (β22/β21)β31 = −(L1/L2)β31 (2.3.16 ) Hình 3.1 Dạng xung sau xung đầu vào 2,6 ps truyền 300 km sợi dịch tán sắc (β2 = 0) Hình trái phải so sánh cải thiện thu bù tán sắc bậc ba Đối với DCF sử dụng hệ thống WDM β có liên hệ đến hệ số góc tán sắc S thơng qua (2.12) Đối với hệ thống kênh đơn, băng thơng tín hiệu phải đủ nhỏ tốc độ bit vào khoảng 500 Gb/s để thỏa mãn phương trình (2.3.15) băng thơng nm Ở thí nghiệm, lọc thiết kế để 46 tạo hệ số góc tán sắc –15,8 ps/nm2 băng thơng 170 GHz Nó sử dụng để bù tán sắc bậc ba với chiều dài sợi dịch tán sắc 300 km, β ≈ 0.05 ps/(km-nm2) bước sóng hoạt động Hình 3.1 so sánh dạng xung điểm đầu sợi có khơng có bù β xung 2,6 ps truyền với khoảng cách 300 km Bộ bù làm loại bỏ đuôi dao động giảm thiểu độ rộng đỉnh từ 4,6 xuống 3,8 ps Xung tăng độ rộng từ giá trị đầu vào 2,6 ps hệ tán sắc phân cực mode (PMD) Các cách tử sợi dịch tần thường ưu tiên thực tiễn chúng có chất sợi Các cách tử sợi dài (≈1m) đến năm 1997 nghiên cứu phát triển để phục vụ cho mục đích Trong năm 1998, cách tử sợi dịch tần phi tuyến bù tán sắc bậc ba nm cho khoảng cách dài 60 km Việc xếp tầng cách tử dịch tần biến thành bù tán sắc có đặc tính tán sắc ngẫu nhiên có khả bù tán sắc cho bậc cao Một cách tử có đường sóng xếp thành dãy cách tử sợi dạng mẫu bù đồng thời tán sắc bậc hai bậc ba Mặc dù cách tử sợi dạng mẫu dịch tần phi tuyến điều hướng tán sắc đồng thời cho số kênh lại bị giới hạn băng thơng Một cách tử có đường sóng dãy kết hợp với lọc pha khơng gian bù hệ số góc tán sắc băng thơng rộng THz thích hợp cho hệ thống đa kênh 40 Gb/s Tính khả thi việc truyền tín hiệu 100 Gb/s qua quãng đường dài 10.000 km nghiên cứu sở sử dụng kết hợp pha quang kết hợp với bù tán sắc bậc ba Đã có số thí nghiệm kênh đơn nghiên cứu khả truyền kênh đơn có tốc độ bit 200 Gb/s Giả sử hệ thống RZ yêu cầu phải có khe bit ps để tận dụng xung ps việc truyền dẫn tốc độ bit 500 Gb/s khả thi sử dụng DCF cách tử sợi dịch tần thiết kế tạo bù β3 băng thông nm Trong thí nghiệm năm 1996, tín hiệu 400 Gb/s truyền cách quản lý tán sắc sợi quang phát xung 0,98 ps bên khe thời gian 2,5 ps Nếu không bù tán sắc bậc ba, xung 47 tăng lên 2,3 ps sau hết chiều dài 40 km tạo đuôi dao động dài – ps, đặc trưng tán sắc bậc ba Trong trường hợp bù phần tán sắc bậc ba, đuôi dao động biến độ rộng xung giảm xuống 1,6 ps, đảm bảo đủ khả phục hồi liệu 400 Gb/s với độ xác cao Các xung quang ngắn vào khoảng 0,4 ps năm 1998 sử dụng để tạo tốc độ bit 640 Gb/s Trong thí nghiệm năm 2001, tốc độ bit tăng lên 1,28 Tb/s cách truyền xung 380 fs qua 70 km chiều dài sợi quang Kết luận chƣơng Thông qua khảo sát xung lan truyền mơi trường tán sắc tuyến tính thấy tượng mở rộng xung Tùy thuộc vào tính chất xung vào mà q trình lan truyền xung bị nén lại giãn GVD làm thay đổi pha thành phần phổ xung, phụ thuộc vào tần số khoảng cách lan truyền xung Nó làm thay đổi hình dạng xung Đối với xung vào dạng Gauss lan truyền chế độ GVD, trì hình dạng cường độ đỉnh xung bị giảm Độ rộng xung tăng theo khoảng cách lan truyền Đối với xung vào dạng Gauss chirp secant – hyperbple trì dạng trình lan truyền Độ mở rộng xung phụ thuộc vào hệ số tán sắc vận tốc nhóm  thơng số chirp C Xung secant – hyperbole xung Gauss có đặc điểm mở rộng xung tác động GVD giống nhau, nhiên tỷ lệ mở rộng xung secant – hyperbole nhỏ so với xung Gauss khoảng cách lan truyền trường hợp unchirp (C = 0) Ảnh hưởng tán sắc bậc ba làm thay đổi hình dạng xung 48 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn thu số kết sau đây: Dựa vào tính chất sợi quang tán sắc phi tuyến hiệu ứng phi tuyến xảy sợi quang, nghiên cứu ảnh hưởng GVD , SPM tạo độc lập đồng thời lên xung lan truyền sợi quang Khi trường quang học lan truyền sợi quang bị suy hao méo tín hiệu Qua thấy ảnh hưởng tán sắc vận tốc nhóm GVD giảm nhỏ tối thiểu việc sử dụng nguồn phát laze bán dẫn có độ rộng phổ hẹp có bước sóng gần với bước sóng có tán sắc khơng sợi quang Việc truyền xung ngắn đòi hỏi phải bù đồng thời tán sắc cấp hai cấp bốn Có nghĩa trình điều chế pha hình sin dạng góc vng áp dụng cho xung dịch tần tuyến tính trước truyền qua sợi bù GVD Xung dịch tần bù tán sắc cấp ba cấp bốn 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cao Long Vân - Đinh Xuân Khoa - M Trippenbach, Cơ sở quang học phi tuyến, Nhà xuất giáo dục, 2010 [2] Hồ Quang Quý, Quang phi tuyến ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2007 [3] Vũ Văn San,Hệ thống thông tin quang ,NXB Bưu Đện Hà Nội 2008 [4] D Marcuse, “Theory of Dielectric Optical Waveguides” (Academic Press, San Diego, CA, 1991), Chap [5] Govind P Agrawal (2001), Nonlinear Fiber Optic, Academic Press, 2001 [6] A W Snyder and J D Love, “Optical Waveguide Theory” (Chapman and Hall, London, 1983), Chaps 12–15 [7] Robert G Winch, 1993, "Telecommunication transmission systems- microwave, Fiber optic," United States of America [8] J A Buck, “Fundamentals of Optical Fibers” (Wiley, New York, 1995), Chap [9] P M Morse and H Feshbach, 1953, "Methods of Theoretical Physics" McGraw-Hill, New York [10] Govind P.Agrawal, 1997, "Fiber optic communication systems," Second Ed, John Wiley and Sons, New York, USA [11] G P Agrawal, 1989, “Supercontinuum Laser Source”, R R Alfano, ed Springer-Verlag, Heidelberg [12] H.A Haus, 1984, "Waves and Fields in Optoelectronics'' Prentice-Hall, Englewood Cliffs 50 ... Hiện tượng tán sắc trình truyền xung sợi quang Phạm vi: - Tán sắc vận tốc nhóm, tán sắc bậc ba,bù tán sắc Nhiệm vụ nghiên cứu - Ảnh hưởng tán sắc trình truyền xung sợi quang - Quản lý tán sắc ,nguyên... trọng phải giải giảm thiểu ảnh hưởng tán sắc lên lan truyền xung sợi quang Để tham gia đóng góp vào nghiên cứu chọn đề tài ? ?Ảnh hưởng tán sắc lên lan truyền xung sợi quang ” làm đề tài luận văn... kiện sợi quang Lý thuyết cho trình lan truyền xung sang hiệu ứng phi tuyến bậc cao xuất sợi : Tán sắc vận tốc nhóm, tán sắc sợi quang tán sắc mode, ảnh hưởng tới hiệu truyền xung 15 Chƣơng ẢNH