Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Khoa Điện tử - Viễn thông Bài tập lớn Môn: Kỹ thuật thông tin sợi quang Chủ đề: Sợi quang phi tuyến Giảng viên hướng dẫn: Trần Thúy Bình Sinh viên thực hiện: Hà nội, tháng 10 năm 2012 Bùi Tiến Hiếu Nguyễn Văn Hải Phạm Văn Nam Trịnh Văn Quyết 1. Giới thiệu Sợi quang phi tuyến liên quan đến các hiện tượng quang học phi tuyến xảy bên trong sợi quang. Mặc dù lĩnh vực quang học phi tuyến bắt đầu năm 1961, khi một laser hồng ngoại lần đầu tiên được sử dụng để tạo ra các bức xạ sóng hài bậc hai bên trong một tinh thể, việc sử dụng các sợi quang học như một môi trường phi tuyến trở nên khả thi chỉ sau năm 1970 khi suy hao sợi giảm xuống dưới 20 dB / km. Tán xạ Raman và Brillouin trong sợi đơn mode đã được nghiên cứu từ rất sớm năm 1972 và tiếp theo là nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến khác như SPM, XPM và FWM. Sợi quang học phi tuyến đã tiếp tục phát triển trong những năm 1990. Sự tăng trưởng này được thúc đẩy bởi những tiến bộ gần đây trong công nghệ sóng quang, quan trọng nhất là sự ra đời của hệ thông tin sợi quang dung lượng lớn. Trong các hệ thống như vậy, tín hiệu phát được khuếch đại bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại quang để bù cho suy hao sợi quang còn lại. Kết quả là, các hiệu ứng phi tuyến chồng chất trên một khoảng cách dài, và chiều dài tương tác thực tế có thể vượt quá hàng nghìn kilômet 2. Đặc tính sợi 2.1 Sợi đơn mode Một sợi quang giống như một sợi thủy tinh mỏng và bao gồm một lõi ở trung tâm được bao quanh bởi một lớp vỏ có chiết suất thấp hơn chiết suất lõi. Cả lõi và vỏ được làm bằng silica nung chảy,một loại vật liệu thủy tinh với suy hao cực thấp (khoảng 0,2 dB / km) trong vùng hồng ngoại có bước sóng 1,5µm. Sự khác biệt chiết suất giữa lõi và vỏ được thực hiện bằng việc thêm vào GeO 2 và P 2 O 5 làm tăng chiết suất của silicat nguyên chất và phù hợp cho lõi, trong khi vật liệu như Bo và Flo được sử dụng cho vỏ vì nó giảm chiết suất của silica. Sự khác biệt chiết suất giữa lõi và vỏ (dưới 1%) làm cho ánh sáng truyền dọc theo chiều dài sợi nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần. Các thuộc tính của một sợi quang học được đặc trưng bởi một tham số không thứ nguyên được định nghĩa là Trong đó a là bán kính lõi, ω là tần số của ánh sáng , và n 1 và n 2 tương ứng là chiết suất của lõi và vỏ. Tham số V xác định số lượng các mode hỗ trợ của sợi. Sợi quang với V<2,405 chỉ hỗ trợ một mode duy và được gọi là sợi single-mode (đơn mode). Với những sợi có lõi rất nhỏ (a <5 µm) , được sử dụng hầu như dành riêng cho một loạt các ứng dụng bao gồm truyền thông quang học. 2.2 Sợi phi tuyến Đặc trưng của một số chất điện môi là để ánh sáng trở nên phi tuyến cho cường độ điện từ trường.Trong khu vực trong suốt của sợi quang, các hiệu ứng phi tuyến bậc thấp nhất có nguồn gốc từ độ cảm bậc 3 χ (3) , và chịu trách nhiệm về các hiện tượng như third-harmonic generation, FWM, và khúc xạ phi tuyến.Trong số các khúc xạ phi tuyến, một hiện tượng được đề cập đến sự phụ thuộc cường độ của các chỉ số khúc xạ ( chiết suất), đóng vai trò quan trọng nhất. Chiết suất của sợi mode có một hình thức chung: trong đó n(ω) là một phần tuyến tính của các chỉ số mode tại tần số ω , I là cường độ quang học, và n 2 là tham số phi tuyến liên quan đến χ (3). Một vài cơ chế vật lý đóng góp vào n 2 , sự đóng góp chi phối đến từ dao động điều hòa của các electron hóa trị. Bởi vì một phản ứng nhanh của các điện tử như vậy, sự phụ thuộc tần số của n 2 có thể được bỏ qua. Sự phụ thuộc chiết suất dẫn đến một số lượng lớn các hiệu ứng phi tuyến, hai nghiên cứu rộng rãi nhất là SPM và XPM. SPM đề cập đến độ lệch pha tự cảm của một trường quang học trong quá trình lan truyền bên trong sợi quang. Cường độ của nó có thể thu được bằng cách ghi nhận rằng pha của một trường quang học thay đổi trong quá trình truyền qua sợi theo trong đó k 0 = ω/c =2π/λ, λ là bước sóng, L là chiều dài sợi quang, độ lệch pha phi tuyến là kết quả từ SPM φ NL = n 2 k 0 LI. Nhựa Silica là một môi trường phi tuyến yếu với một giá trị đo được của n 2 ≈ 2.7 × 10 -20 m 2 /W. Đối với sợi silica, giá trị này có thể khác nhau trong phạm vi n 2 = 2,2 ÷ 3,0 × 10 -20 m 2 / W, nó phụ thuộc vào mật độ tạp chất và bảo toàn sự phân cực của ánh sáng . n 2 tương đối nhỏ so với hầu hết các phương tiện truyền thông phi tuyến, độ lệch pha phi tuyến φ NL có thể tăng khi cường độ I được tăng cường trong sợi quang học có đường kính nhỏ mode (thường <10 µm). Đồng thời, suy hao tương đối thấp trong sợi có thể duy trì cường độ này trên đường truyền dài (khoảng 10 km). Suy hao sợi được bù lại định kỳ bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại quang, chiều dài L có thể vượt quá hàng ngàn kilomet. 2.3 Tán xạ vận tốc nhóm Như đã thấy trong phương trình.(9.2), chiết suất trong sợi cũng phụ thuộc vào tần số quang học ω. Độ tán sắc đóng một vai trò quan trọng trong sợi quang học phi tuyến và dẫn đến sự hình thành các solitons quang học trong những điều kiện nhất định. Để hiểu ý nghĩa của nó, hãy xem xét một sợi đơn mode có chiều dài L. Một đặc trưng thành phần quang phổ tại tần số ω sẽ đến vào cuối đầu ra của sợi sau thời gian trễ T = L / v g , v g là vận tốc nhóm được định nghĩa là v g = (dβ / dω) -1 và β = n(ω). ω / c là hằng số truyền lan. Sự phụ thuộc tần số của vận tốc nhóm dẫn đến mở rộng xung, bởi vì các thành phần phổ khác nhau của xung không đến đồng thời tại đầu ra sợi. Nếu Δω là độ rộng xung của quang phổ, độ mở rộng xung được chi phối bởi Hiện tượng này được gọi là tán xạ vận tốc nhóm( GVD ), và tham số β 2 = d 2 β/dω 2 được biết đến như là tham số GVD. Trong sợi silica chuẩn, β 2 đổi dấu từ dương sang âm khi độ dài bước sóng ánh sáng tăng qua 1.3μm.Tại đó β 2 mang giá trị âm được gọi là bất qui tắc - chế độ GVD. Độ lớn của β 2 có thể được điều khiển bởi sự dịch chuyển của độ dài bước sóng tại vị trí β 2 đổi dấu. Dịch chuyển tán sắc sợi sử dụng cho truyền thông quang học được thiết kế để có β 2 = 0 gần bước sóng 1.5 μm. Có thể thiết kế sợi sao cho β 2 tương đối nhỏ hơn so với dãy bước sóng mở rộng từ 1.3 tới 1.6 μm. Sợi như vậy được gọi là tán sắc sợi phẳng. Gần đây,người ta đã cố gắng tạo ra sợi có tác dụng làm giảm GVD dọc chiều dài sợi, qua sự thayđổi hướng trục trong bán kính lõi. Sợi như vậy được gọi là sợi giảm tán sắc và có thể sẽ trở thành loại sợi quan trọng trong tương lai gần. 3. Xung lan truyền trong sợi: 3.1. Phương trình Schrodinger phi tuyến Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang được theo dõi bằng cách sử dụng xung quang ngắn bởi vì các hiệu ứng tán sắc được tăng cường cho mỗi xung như vậy. Sự lan truyền của xung quang trong sợi có thể được nghiên cứu dựa trên phương trình Maxwell’s. Trong đó A( z, t) sự thay đổi chậm đường bao liên kết với xung quang, α thể hiện suy hao sợi, β 2 chi phối các hiệu ứng GVD, và γ là tham số phi tuyến xác định bởi: Trong đó A eff là diện tích lõi hiệu dụng của sợi. Phương trình này tương thích cho xung mở rộng hơn 5 ps. Trong mô tả chính xác về dạng xung ngắn, độ tán sắc bậc cao và điều kiện phi phải được thêm vào NSE. 3.2. Điều chế không ổn định: Xem xét sự lan truyền của một sóng ánh sáng liên tục có công suất đầu vào là P 0 bên trong sợi quang. Nếu suy hao sợi được bỏ qua α=0, công thức (9.5) là cách giải quyết dễ dàng để hiệu suất với là sự dịch pha phi tuyến SPM. Công thức (9.5) cho thấy chùm tia CW chỉ lan truyền bên trong sợi quang một cách cố định ngoại trừ khi có được nguồn phát phụ thuộc vào sự chuyển pha. Ω thể hiện tần số nhiễu xạ và K là giá trị số của sóng kết hợp với nó. sử dụng công thức (9.7) và (9.8) ta có: Độ tán sắc hiển thị ở công thức (9.9) cho thấy tính ổn định của giải pháp CW phụ thuộc rất nhiều vào GVD của ánh sang đi trong sợi quang theo kiểu bình thường hay bất bình thường. Trong trường hợp bình thường, GVD có ( β 2 > 0 ), K là số lượng sóng thực với mọi Ω, chùm tia CW ổn định chống lại sự nhiễu xạ. Trong trường hợp GVD bất bình thường ( β 2 < 0 ), K trở thành phần ảo cho loạt tần số, nhiễu xạ a( z, t ) phát triển theo hàm mũ với z. Theo đó, sự lan truyền của tia CW qua sợi quang không ổn định khi β 2 < 0. Độ bất ổn này được gọi là điều chế không ổn định vì nó dẫn đến sự biến điêu tự phát của tín hiệu CW với tần số nào đó và có giá trị phụ thuộc vào giá trị của nguồn. Tương tự tính không ổn định xảy ra trong nhiều các hệ thống phi tuyến khác và thường được gọi là sự không ổn định sefl-pulse. 4. Solitons quang học Sự biến đổi không ổn định trong trạng thái GVD bất thường trong sợi quang là liên kết sau cùng đến các giải pháp của NSE đã biết như solitons. Ở phần này đầu tiên chúng ta thảo luận về solitons tối và sáng và rồi tập trung vào phương pháp sử dụng solitons sáng cho hệ thống truyền thông sợi quang. Hình 1. Sự biến đổi của một Solitons bậc 3 qua một chu trình Soliton 4.1. Solitons sáng: NSE thuộc về một lớp đặc biệt của phương trình vi phân phi tuyến có thể giải quyết được các vấn đề nhờ toán học được gọi là phương pháp tán sắc ngược, nó được sử dụng và viết theo công thức (9.5 trong một dạng chuẩn , giới thiệu các đơn vị của solitons: Trong đó L D = T 0 2 /|β2| là sự tán xạ theo chiều dài và T 0 có liên quan đến độ rộng xung. Nếu suy hao sợi được bỏ qua ( α=0) phương trình (9.5) đưa ra được công thức Trong đó dấu + hoặc - được chọn tuỳ theo GVD là dị thường hay là bình thường. NSE hỗ trợ cho solitons trong cả hai trường hợp GVD ở trạng thái bình thường và bất bình thường. Xem xét trước tiên cho trường hợp solitons sáng bằng cách chọn dấu hiệu + trong công thức ( 9.11 ). Khi xung đầu vào có biên độ ban đầu khi N=1 hình dạng của xung không thay đổi trong suốt quá trình truyền dẫn nhưng khi N>1 loại xung đầu vào được thu lại tại ξ = mπ / 2 trong đó m là số nguyên. Xung quang tương ứng với N=1 được gọi là các silitons cơ bản. Tham số N đại diện cho các bậc của solitons Hình 2. Biến đổi của một xung Gauss với N=1 qua biên độ ξ = 0÷10 Hình. 1 cho thấy sự biến đổi của một soliton bậc 3 (N=3) qua một chu trình soliton (z 0 = (π / 2) L D ). Soliton này biểu diễn một tần số nhỏ, xác định như đạo hàm theo thời gian của pha soliton. Soliton của NLS với N=1 có thể được viết là Nó cho thấy rằng, xung đầu vào có được một sự dịch chuyển pha ξ / 2 khi nó truyền bên trong sợi, nhưng biên độ của nó vẫn không thay đổi. Đây là tính chất của solitons làm cho nó trở thành điều kiện lý tưởng cho truyền thông quang học. Về bản chất, hiệu ứng tán sắc của sợi được bù đắp chính xác bởi sợi phi tuyến khi xung đầu vào của một "sech" có hình dạng, chiều rộng và công suất đỉnh liên quan khi N = 1. Tính chất quan trọng của soliton quang học là sự ổn định, chống lại nhiễu. Như vậy, mặc dù các soliton cơ bản đòi hỏi một hình dạng cụ thể và một công suất đỉnh nhất định, nó có thể được tạo ra ngay cả khi hình dạng xung và công suất đỉnh đi qua các điều kiện lý tưởng. Hình. 2 cho thấy sự phát triển của xung đầu vào Gaussian khi N = 1 nhưng u(0, τ) = exp (-τ 2 / 2). Như đã thấy, xung điều chỉnh hình dạng và chiều rộng của nó để trở thành một soliton cơ bản và đạt được một "sech" riêng cho ξ >>1. Một trạng thái tương tự được quan sát thấy khi N khác 1. Trong thực tế, một soliton cơ bản có thể kích thích cho các giá trị của N trong khoảng 0,5÷1,5. 4.2. Soliton tối NSE có thể được giải quyết bằng phương pháp tán xạ ngược, ngay cả trong trường hợp tán xạ bình thường. Thuộc tính cường độ được biểu diễn theo hướng đi xuống trong một nền tảng thống nhất, và hướng đi đó vẫn không thay đổi trong quá trình truyền bên trong sợi. Vì lý do này, các giải pháp như NSE được gọi là solitons tối. Phần này mô tả ngắn gọn các thuộc tính của soliton tối. NSE mô tả solitons tối thu được từ biểu thức. (9,11) bằng cách chọn dấu - cho thời gian thứ hai. Giải pháp chung của nó có thể được viết như sau Tại U 0 là biên độ phía sau CW, φ là góc của pha với 0<φ <π / 2, và η và κ là biên độ và vận tốc soliton tối tương ứng. Một sự khác biệt quan trọng giữa các soliton sáng và tối là vận tốc κ của soliton tối phụ thuộc vào biên độ η thông qua góc φ. Khi φ = 0, phương trình (9,14) giảm , một hình thức cho thấy rằng công suất của soliton giảm tới không ở trung tâm của hướng đi xuống. Soliton được gọi là soliton đen. Khi φ ≠ 0, cường độ không giảm xuống bằng không ở trung tâm của hướng đi xuống; soliton như vậy được gọi là solitons xám. Một tính năng thú vị khác của solitons tối có liên quan đến họ pha. Ngược lại với solitons sáng có một pha liên tục, pha của soliton tối thay đổi qua chiều rộng của nó. Một số kỹ thuật có thể được sử dụng để tạo ra các solitons tối, kể cả điều chế điện trong một nhánh của giao thoa Mach-Zehnder,chuyển đổi phi tuyến của tín hiệu trong một sợi tán sắc giảm, và chuyển đổi tín hiệu nonreturn-to-zero (NRZ) vào tín hiệu (RZ) return-to-zero và sau đó vào solitons tối bằng cách sử dụng một cân bằng giao thoa kế Mach-Zehnder. Trong một thí nghiệm năm 1995, một tín [...]... ngăn chặn nó Một chủ đề thu hút sự chú ý đáng kể là việc nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang lưới Sợi quang lưới thể hiện sự bất ổn định điều chế và hỗ trợ một loại mới của solitons gọi là soliton Bragg Từ hàng loạt các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang hiện đang được nghiên cứu, Dự kiến, các sợi quang học phi tuyến sẽ vẫn là một chủ đề quan tâm vào thế kỷ 21 Tài liệu tham khảo: Chương 9:... của xung truyền 5 Chuyển đổi quang học phi tuyến Chuyển đổi quang học (lượng tử ánh sáng) đề cập đến một hiện tượng trong đó truyền tải một trường quang học thông qua một thiết bị chuyển đổi giữa hai hoặc nhiều trạng thái thông qua các phương tiện quang học Trong trường hợp chuyển mạch quang học phi tuyến, việc truyền tải của thiết bị phụ thuộc vào chính cường độ chùm quang học gây ra chuyển đổi Cả... lượng như một hàm số của năng lượng cho một phi tuyến sợi quang vòng gương Một Sagnac trong giao thoa kế thường được sử dụng vì nó có thể được xây dựng bằng cách sử dụng một bộ ghép sợi có hai cổng đầu ra được kết nối với một phân đoạn sợi quang, hình thành một vòng lặp Xung đầu vào đi vào từ một cổng và được phân chia thành hai xung đếm truyền tại bộ ghép sợi quang, can thiệp vào các bộ ghép sau khi... (0) | exp (- z) dọc theo chiều dài sợi Như vậy sợi này được gọi là sợi tán sắc suy giảm Kể từ khi sợi với tán sắc chuyển đổi liên tục không sử dụng cho thương mại hóa, một phương pháp tiếp cận thực tế bao gồm ghép nối nhiều hằng số tán sắc sợi với các giá trị β2 khác nhau Phương trình (9,20), không khả tích bởi phương pháp tán xạ ngược Vì sự khác biệt lớn trong GVD, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến có... động như một tấm gương hoàn hảo năng lượng thấp (chế độ tuyến tính) khi bộ ghép chia tách xung bằng nhau (một bộ ghép 50:50) và dẫn chiếu đến như một chiếc gương sợi vòng lặp Tuy nhiên, Nếu bộ ghép chia tách xung không đồng đều, giống như một thiết bị phân chia tất cả quang học của SPM do sự dịch pha phi tuyến được gọi là gương vòng lặp quang phi tuyến (NOLM) Một thiết bị như vậy đã thu hút được sự chú... dụng XPM cho chuyển mạch quang học, nghiên cứu nhiều nhất có lẽ là một thiết bị bộ ghép phi tuyến Thiết bị bộ ghép hướng phi tuyến bốn cổng, trong đó một chùm tia quang học có thể được chuyển từ một cổng khác bằng cách thay đổi năng lượng đầu vào Như vậy bộ ghép có thể được thực hiện bằng cách sử dụng sợi lõi kép có hai lõi gần đủ để sóng giữa các khớp nối biến mất, chế độ quang học kết hợp với mỗi... nghiên cứu rộng rãi không chỉ trong bối cảnh chuyển mạch quang học mà còn các phi tuyến tác động như sự ổn định điều chế XPM gây ra nén xung Những phương trình này cũng có những giải pháp trong các hình thức cặp sáng và tối soliton hỗ trợ lẫn nhau thông qua sự tương tác XPM 6 Kết luận Vào buổi bình minh của thế kỷ 21 , lĩnh vực sợi quang học phi tuyến sôi động với rất nhiều hoạt động nghiên cứu Chương... trong sợi quang là rất thích hợp cho ứng dụng này và kết quả trong một thiết bị, tất cả các sợi quang có khả năng chuyển đổi trên một thời gian femtosecond quy mô 5.1 SPM dựa trên chuyển mạch quang SPM dựa trên chuyển mạch quang học được thực hiện trong thực tế bằng cách sử dụng một giao thoa kế Giao thoa kế bất kỳ có thể sử dụng cho mục đích này bao gồm cả Fabry-Perot, Michelson và giao thoa kế Mach-Zehnder... trước đó, soliton sử dụng sợi phi tuyến để duy trì chiều rộng trong sợi tán sắc Tuy nhiên, tính chất này chỉ có nếu suy hao sợi là không đáng kể Nó không khó để thấy rằng sự giảm năng lượng trong các soliton vì suy hao sợi sẽ dẫn đến soliton mở rộng, đơn giản chỉ vì giảm công suất đỉnh làm suy yếu ảnh hưởng SPM cần thiết để chống lại GVD Để khắc phục ảnh hưởng của sự suy hao sợi, solitons cần phải được... NSE bằng cách sử dụng;: Đây là thông tin truyền cơ bản trong bộ khuếch đại và khoảng cách trong GVD Sử dụng ν và ξ’ Nếu GVD được lựa chọn với hoặc , các điều kiện vế phải của phương trình (9,20) triệt tiêu, và sự suy hao sợi quang không ảnh hưởng đến chiều rộng hoặc hình dạng soliton Vì vậy, các soliton có thể duy trì sự cân bằng giữa GVD và SPM ngay cả trong một sợi quang tổn hao nếu GVD giảm theo . Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Khoa Điện tử - Viễn thông Bài tập lớn Môn: Kỹ thuật thông tin sợi quang Chủ đề: Sợi quang phi tuyến Giảng viên hướng dẫn: Trần Thúy Bình . Nam Trịnh Văn Quyết 1. Giới thiệu Sợi quang phi tuyến liên quan đến các hiện tượng quang học phi tuyến xảy bên trong sợi quang. Mặc dù lĩnh vực quang học phi tuyến bắt đầu năm 1961, khi một laser. truyền thông quang học. 2.2 Sợi phi tuyến Đặc trưng của một số chất điện môi là để ánh sáng trở nên phi tuyến cho cường độ điện từ trường.Trong khu vực trong suốt của sợi quang, các hiệu ứng phi tuyến bậc