Khảo sát ảnh hưởng của hiệu ứng Kerr lên quá trình chuyển đổi công suất của bộ liên kết phi tuyến trong thông tin quang
MỤC LỤC
Mô phỏng sự lan truyền xung trên sợi quang liên kết
Phương trình lan truyền xung trong sợi quang liên kết .1 Cấu tạo cặp sơ ̣i quang liên kết
Nó có thể dùng để tổng hợp hai hay nhiều tín hiệu từ các sợi quang khác nhau thành một, hoặc cũng có thể tách tín hiệu từ một cổng quang thành hai hay nhiều tín hiệu khác nhau tùy vào mục đích sử dụng. Về nguyên tắc để tạo được một cặp sợi quang với hai cổng vào và hai cổng ra thì hai sợi quang phải được đặt gần nhau, sao cho tín hiệu lan truyền trong sợi quang này có thể chuyển sang sợi quang kia và tạo nên hiện tượng ghép mode giữa hai sợi quang.
Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến lên quá trình lan truyền xung trong cặp sợi quang liên kết
Sườn trước của xung bị dịch chuyển về phía tần số thấp hơn làm cho phổ của xung xuất hiện thêm một đỉnh ở phía tần số thấp. Nếu như C1 đủ lớn phổ của xung bị tách thành hai đỉnh hay nói một cách khác là trong sợi lúc này xuất hiện hai tín hiệu và hai tín hiệu này tác động lẫn nhau tạo ra các đỉnh nhỏ hơn ở giữa.
Các hiệu ứng phi tuyến trong thông tin quang .1 Giới thiệu tổng quan các hiệu ứng phi tuyến
- Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scrattering) là hiện tượng chiếu ánh sáng vào sợi quang sẽ gây ra dao động phân tử trong vật liệu của sợi quang, nó điều chế tín hiệu quang đưa vào dẫn đến bước sóng ngắn trong hệ thống WDM suy giảm tín hiệu quá lớn, hạn chế số kênh của hệ thống. Hệ số mũ trong phương trình (1.35) đặc trưng cho sự mất mát của sợi quang. LD là chiều dài tán sắc và LNL chiều dài phi tuyến qui định hai trường hợp, trong đó hiệu ứng tán sắc hay hiệu ứng phi tuyến trở nên quan trọng đối với sự phát triển của xung. Phụ thuộc vào mối liên hệ giữa độ lớn của L, LD, LNL, cách thức lan truyền có thể được phân làm 4 loại như sau:. 1) Khi chiều dài sợi quang thỏa mãn L<<LNL và L<<LD thì cả hai hiệu ứng tán sắc lẫn phi tuyến đều không có vai trò quan trọng trong suốt quá trình xung lan truyền. Sợi quang trong chế độ này giữ vai trò thụ động và chỉ làm nhiệm vụ truyền các xung quang học (dĩ nhiên ta bỏ qua những biến đổi nhỏ của xung do hao phí trên sợi quang). Chế độ này là hữu ích cho hệ thống thông tin quang. Ví dụ đối với chiều dài L ~ 50km, LD và LNL cần phải lớn hơn 500km để bỏ qua sự méo tín hiệu trong quá trình truyền. Tuy nhiên, LD và LNL sẽ trở nên nhỏ hơn khi xung trở nên ngắn hơn và cường độ lớn hơn nhiều. 2) Trường hợp chiều dài sợi quang L<<LNL nhưng L ~ LD, Số hạng cuối cùng của phương trình (1.38) được bỏ qua so với hai số hạng còn lại, sự lan truyền xung bị chi phối bởi hiệu ứng GVD còn hiệu ứng phi tuyến trong trường hợp này không có vai trò quan trọng. Chế độ này xảy ra khi tham số của xung thỏa mãn điều kiện sau:. 3) Khi chiều dài sợi quang thỏa mãn L<<LD nhưng L ~ LNL, thành phần tán sắc trong phương trình lan truyền xung được bỏ qua khi so sánh với số hạng phi tuyến. Trong trường hợp này, sự lan truyền xung trong sợi quang được chi phối bởi SPM, điều này dẫn đến sự mở rộng phổ của xung. Hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng chủ yếu khi. Điều kiện này thỏa mãn trong trường hợp xung tương đối rộng T0>100ps với đỉnh công suất P0= 1W. 4) Khi chiều dài sợi quang là dài hơn hoặc có thể so sánh được với hai chiều dài tán sắc LD và chiều dài phi tuyến LNL thì cả hai hiệu ứng trên đồng thời ảnh hưởng lên quá trình lan truyền xung.
Khảo sát ảnh hưởng của hiệu ứng Kerr lên quá trình chuyển đổi công suất của bộ liên kết phi tuyến
Bộ liên kết phi tuyến
Dựa trên phương trình lý thuyết lan truyền xung trên cặp sợi quang liên kết, ta có cơ sở xây dựng phương trình lan truyền xung trong bộ liên kết. Công suất truyền từ sợi phi tuyến sang tuyến tính giảm nhanh và ngược la ̣i công suất truyền trong sợi phi tuyến tăng nhanh.
Thiết lập phương trình lan truyền sóng trong bô ̣ liên kết phi tuyến
Trong đó là các trường điện (xung) của hai mode truyền, vectơ phân cực tuyến tính là chỉ số khúc xạ phi tuyến, là chỉ số chiết suất tuyến tính.
Công suất chuyển đổi của bô ̣ liên kết phi tuyến
Nguyên tắc hoạt động của NLDC dựa trên cơ sở của các hiệu ứng phi tuyến kiểu Kerr, do chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ trường lan truyền trong đó, nên khi cường độ trường quang tăng thì chiết suất của sợi phi tuyến tăng làm cho phản xạ trong sợi phi tuyến tăng và tín hiệu khúc xạ qua sợi tuyến tính giảm, nên công suất không thể truyền hết qua sợi tuyến tính mà vẫn còn một phần trong sợi phi tuyến. • Khi >>1, (0) >> , ứng với công suất vào lớn thì hiệu ứng Kerr cao, lúc này chiết suất của sợi phi tuyến đủ lớn để hiện tượng khúc xạ thấp hơn hiện tượng phản xạ nên hệ số truyền công suất qua sợi tuyến tính nhỏ hơn 50%.
Khảo sát kết quả bằng mô phỏng thực nghiệm và tính toán số học
Chúng ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng tự biến điệu pha SPM tới công suất chuyển đổi giữa các đường dẫn sóng của NLDC như thế nào (với giả thiết bỏ qua hiệu ứng biến điệu pha chéo XPM xảy ra không đáng kể). = Aλ / trong đó A là diện tích vùng mode hiệu dụng, bước sóng λ, là hệ số chiết suất phi tuyến của sợi Kerr, chiều dài liên kết: khi công suất chuyển đổi hoàn toàn từ cổng1 sang cổng 2 trên một độ dài liên kết , = /2K trong đó K là hệ số liên kết tuyến tính giữa hai cổng, trong phạm vi luận văn này ta chọn K= 1.
Dạng tuyến tính
Nhận xét: Đặc tính công suất ra tại hai cổng phù hợp với lý thuyết ( hình 2.8). Ta thấy khi β tăng thì dạng đường đặc trưng hệ số truyền công suất không thay đổi nhưng có độ dốc lớn hơn, nghĩa là khi β tăng thì hệ số truyền công suất. trong sợi phi tuyến tăng và hệ số truyền công suất từ sợi phi tuyến sang tuyến tính giảm. Từ việc thiết lập phương trình lý thuyết truyền sóng trong bộ liên kết phi tuyến, chúng ta tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng SPM được thể hiện trong hệ số liên kết phi tuyến. Qua năm hệ thức của SPM và từ các biểu thức diễn tả sự truyền công suất giữa các sợi, chúng ta đã vẽ được các đường đặc trưng truyền công suất trong bộ liên kết phi tuyến. Sự phụ thuộc của hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến vào hiệu ứng Kerr tương ứng với phụ thuộc vào cường độ vào. Ứng với một giá trị của cường độ vào nếu hệ số chiết suất phi tuyến tăng thì hệ số truyền công suất qua sợi tuyến tính giảm. Đối với khoảng cường độ vào thấp thì dù có thay đổi hệ số chiết suất phi tuyến thì hệ số truyền công suất vẫn có giá trị không thay đổi. Kết quả nghiên cứu lý thuyết sự truyền xung và sự chuyển đổi công suất trong bộ liên kết phi tuyến hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm. KẾT LUẬN CHUNG. Chúng tôi đã thiết lập phương trình lan truyền sóng và các biểu thức hệ số truyền công suất trong bộ liên kết phi tuyến dựa trên cơ sở lý thuyết của S.M.Jensen. Đây là cơ sở để nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến lên hoạt động của bộ liên kết. Các kết quả chính mà chúng tôi đã thu được là:. 1) Bộ liên kết phi tuyến mà nguyên tắc làm việc dựa trên hiệu ứng Kerr có thể được sử dụng để làm thiết bị chuyển mạch quang, thực hiện các phép toán logic (AND ở cổng ra phi tuyến và XOR ở cổng ra tuyến tính) tách rời các xung trong hai cổng ra của thiết bị. 2) Việc nghiên cứu hiệu ứng Kerr ảnh hưởng tới sự truyền công suất trong bộ liên kết phi tuyến giúp chúng ta chế tạo ra bộ liên kết hoạt động theo mục đích của mình. Bằng lý thuyết và mô phỏng chúng ta đã khẳng định được khả năng tách xung và đóng mở quang của bộ liên kết phi tuyến được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị chuyển mạch quang phổ biến hiện nay như: giao thoa kế Sagnac và giao thoa kế Mach-Zenhder. 3) Khi kỹ thuật khuếch đại quang được sử dụng rộng rãi, công suất tín hiệu trong sợi quang đủ lớn để các hiệu ứng phi tuyến xuất hiện gây ra những giới hạn đáng kể cho các hệ thống hoạt động ở tốc độ cao như hệ thống WDM. Luận văn này đã nghiên cứu ứng dụng của hiệu ứng Kerr trong kỹ thuật chuyển mạch quang, đây là cơ sở để chế tạo thiết bị chuyển mạch dùng trong thông tin quang.
