Tài liệu Bài tiểu luận Bộ bù tán sắc kích thước nano

Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document1 of 66 Contents Tán sắc 1.1 Khái niệm 1.2 Phân loại tán sắc: .2 1.3 Tán sắc mode .3 1.3.1 Một số đặc điểm 1.3.2 Biện pháp giảm tán sắc mode: 1.4 Tán sắc đơn sắc – Chromatic .4 1.4.1 Tán sắc dẫn sóng .4 1.4.2 Tán sắc vật liệu 1.4.3 Biện pháp giảm tán sắc chromatic Bộ bù tán sắc kích thước nano 2.1 Photonic crystal fiber (PCF) .7 2.1.1 Photonic crystal 2.1.2 Cấu trúc PCF: 2.1.3 Ống dẫn sóng hai chiều photonic Crystal 2.2 Các phương pháp bù tán sắc kích thước nano 2.2.1 Bù tán sắc sử dụng cặp lỗ khuyết photonic crystal 2.2.2 Sử dụng sợi Photonic crystal fibers (PCFs) 13 Tống kết: 18 Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan of 66 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document2 of 66 Tán sắc 1.1 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 1.2 Phân loại tán sắc: Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan of 66 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document3 of 66 1.3 Tán sắc mode 1.3.1 Một số đặc điểm 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→dãn xung ánh sáng 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 1.3.2 Biện pháp giảm tán sắc mode:  Sử dụng sợi đơn mode Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan of 66 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document4 of 66  Sử dụng sợi có chiết suất biến đổi 1.4 Tán sắc đơn sắc – Chromatic 1.4.1 Tán sắc 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: Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan of 66 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document5 of 66 1.4.2 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: 1.4.3 Biện pháp giảm tán sắc chromatic Chúng ta sử dụng loại sợi giảm tán sắc  Các loại sợi quang giảm tán sắc: Sợi đơn mode – SMF hay sợi khơng có tán sắc dịch chuyển (dispersion-unshifted) theo tiêu chuẩn ITU- G.652 Sợi có hệ số 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 Vũ Cơng Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan of 66 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document6 of 66 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  Chiều dài sợi quang: Trong đó: L chiều dài sợi quang (km) CD: hệ số tán sắc chromatic ( ps/(nm*km)) B : Là tốc độ bit ( Gbps) Ví dụ: Ta truyên tải liệu với tốc độ 10Gbps kênh truyền 1550nm Khi ta có LSMF = 61km LNZDSF = 346km Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan of 66 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document7 of 66 Bộ bù tán sắc kích thước nano 2.1 Photonic crystal fiber (PCF) 2.1.1 Photonic crystal Là cấu trúc nano, xem loại bán dẫn Chất bán dẫn không cho electron nằm vùng ban gap (dải cấm) , tương tự, photonic crystal không cho photon nằm vùng ban gap Phân loại photonic crystal: Màu khác mô tả số điện môi cấu tạo khác 2.1.2 Cấu trúc PCF: Gồm vật liệu bán dẫn mảng lỗ khí chaỵ song song theo chiều dài sợi Nếu ta thiết kế lỗ cách xác, cấu trúc mà cho khoảng tần số truyền qua Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan of 66 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document8 of 66 Ánh sáng chiếu vào photonic crystal bị phản xạ khúc xạ bề mặt phân cách lỗ PCF chia làm loại: Sợi có độ nhảy bậc chiết suất lớn: Modified Total Internal Reflection (M-TIR) Sợi có độ nhảy bậc chiết suất nhỏ: Photonic Band Gap (PBG) Sợi M-TIR : Sợi PBG: Có cấu trúc khác sợi M-TIR Hiệu ứng dải cấm tìm thấy tự nhiên, chẳng hạn cánh bướm Do có ánh sáng chiếu vào bị phản xạ ngược trở lại mà ta thấy màu sáng cấu trúc sợi PBG Trong sợi PGB, chu kỳ lỗ đóng vai trị lõi sợi khuyết bên ngồi đóng vai trị lớp vỏ Ánh sáng khơng thể truyền lớp vỏ có vùng dải cấm 2.1.3 Ống dẫn sóng hai chiều photonic Crystal Sự tạo cấu trúc uốn cong cỡ vài milimet sợi thông thường M-TIR PBG khó khăn, truyền nhiều modes khác Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan of 66 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document9 of 66 Ống dẫn sóng Photonic Crystal sử dụng nguyên lý khác Chúng ta tạo đường lỗ khuyết crystal tạo vùng dải cấm, vùng cho mode qua Đường chế tạo cong theo mục đích truyền 2.2 Các phương pháp bù tán sắc kích thước nano 2.2.1 Bù tán sắc sử dụng cặp lỗ khuyết photonic crystal ( Nguồn : A Dispersion Compensator Using Coupled Defects in a Photonic Crystal by Kazuhiko Hosomi and Toshio Katsuyama) Trong phương pháp ta sử dụng đặc điểm ánh sáng truyền ống dẫn sóng có cặp lỗ khuyết photonic crystal Cấu trúc  Cấu trúc lỗ khuyết photonic crystal 2D Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan of 66 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document10 of 66 Bao gồm mảng lỗ cách a, chiết suất 3.5 bán kính lỗ r Làm khuyết lỗ mảng với khoảng cách lỗ khuyết R  Vùng Bangap ống dẫn sóng tạo Từ hình vẽ ta thấy, vùng dải cấm nằm khoảng 0.06 < r/a < 0.42 tương ứng với 0.3165 < 𝜔𝑎 2𝜋 < 0.4618 Tần số chuẩn hóa trung tâm = 0.3896 với r/a = 0.16 Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan 10 of 66 Page 10 Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document11 of 66 Sự phu thuộc tần số chuẩn hóa vào R: Từ hệ phương trình maxell ta xác định tần số góc sóng: Trong đó: Ω : tần số góc trung tâm với Ωa/2πc tần số chuẩn hóa trung tâm Vận tốc nhóm : Vũ Cơng Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan 11 of 66 Page 11 Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document12 of 66 Nhận xét: |Vg| max = 𝜔 = Ω |Vg| = Vg/c = 0.229 R = 2a Vg/c = 0.101 R = 3a Vg/c = 0.041 R = 4a Hệ số tán sắc: Thay đổi giá trị R ta có: Hệ số tán sắc D phụ thuộc vào R hình vẽ sau: Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan 12 of 66 Page 12 Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document13 of 66 Nhận xét: Với R = 2a, -0.2 < D< 0.2 ps/nm.mm Với R = 3a, -2< D < ps/nm.mm Với R = 4a, - 10< D< 10 ps/nm.mm 2.2.2 Sử dụng sợi Photonic crystal fibers (PCFs) Photonic crystal fibers (PCFs) đưa thêm lỗ không khí dọc theo sợi quang thay đổi thơng số tán săc Tán sắc sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (SMFs) khoảng D= 10 – 20 ps/(nm.km) Hệ số đảo tán sắc (negative dispersion) sợi quang thường -100 - -130 ps/(nm.km) Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan 13 of 66 Page 13 Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document14 of 66 Để giảm thiểu chi phí, suy hao PCFs cần ngắn nghĩa đảo tán sắc lớn tốt Đồng thời cần bù tán sắc tần số sử dụng DWDM (dense wavelength division multiplexing) Hiện tượng đảo tán sắc PCFs dải rộng 𝐚= 𝚲− 𝐝 𝟐 𝜆 𝑑 𝑅𝑒[𝑛𝑒𝑓𝑓 ] 𝐷 (𝜆 ) = − 𝑐 𝑑𝜆2 Bộ bù tán sắc: Sợ bù tán sắc sợ có hiệu ứng tán sắc ngược lại với sợi quang dùng hệ thống truyền dẫn 𝐷1 𝐿1 + 𝐷2 𝐿2 = 𝐷𝑇  D1, L1 tương ứng hệ số tán sắc chiều dài sợi SMFs,  D2, L2 … sợi PCFs  Chiều dài sợi PCFs (L2) chọn cho DT= 0; Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan 14 of 66 Page 14 Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document15 of 66 Độ tán sắc âm lớn khoảng từ 1.4um đến 1.7um Giá trị tối ưu DC-PCFs cho hệ số tán sắc âm nhiều khoảng -230 đến 435 ps/(nm.km) dải bước song từ 1.46 đến 1.63 um Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan 15 of 66 Page 15 Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document16 of 66 Yêu cầu tán sắc để truyền dẫn tốc độ 40Gbps ±64 𝑝𝑠/𝑛𝑚 Hệ số suy hao 10e-4 db/m cho bước song từ 1.46 đến 1.63 um cho vòng lỗ, giá trị chấp nhận cáp quang Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan 16 of 66 Page 16 Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document17 of 66 Hệ số suy hao sợ PCFs thấp Suy hao uốn ơng với bán kính từ 5-15mm gần Khi bán kính cong khoảng mm suy hao uốn cong 10e-4 db/m dải thông sử dụng (1.46 đến 1.625um) Suy hao ghép nối với sợ đơn mode: 𝐿𝑠 = −20 log10 2𝑤𝑆𝑀𝐹 𝑤𝑃𝐶𝐹 𝑑𝐵 2 𝑤𝑆𝑀𝐹 + 𝑤𝑃𝐶𝐹 Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan 17 of 66 Page 17 Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document18 of 66 Tống 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:  Bù tán sắc sử dụng cặp lỗ khuyết photonic crystal  Bù tán sắc sử dụng sợi DC- PCFs Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan 18 of 66 Page 18 Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document19 of 66 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  Slide giảng cô Chi Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54 luan van, khoa luan 19 of 66 Page 19 ... khoa luan of 66 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document7 of 66 Bộ bù tán sắc kích thước nano 2.1 Photonic crystal fiber (PCF) 2.1.1 Photonic crystal Là cấu trúc nano, xem loại bán... 17 Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document18 of 66 Tống kết:  Thơng qua tập nhóm tìm hiểu vấn đề sau:  Hiểu loại tán sắc thông tin quang : tán sắc mode, tán sắc chromatic  Tán sắc. .. khoa luan of 66 Page Bộ bù tán sắc kích thước nano tai lieu, document4 of 66  Sử dụng sợi có chiết suất biến đổi 1.4 Tán sắc đơn sắc – Chromatic 1.4.1 Tán sắc dẫn sóng Tán sắc dẫn sóng sợi đơn