Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học vinh - Phan thị ngọc lan Nghiên cứu ảnh hởng hiệu ứng tán sắc lên trình lan truyền xung sợi quang Luận văn thạc sĩ vật lý Vinh - 2007 Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học vinh Phan thÞ ngäc lan Nghiên cứu ảnh hởng hiệu ứng tán sắc lên trình lan truyền xung sợi quang Chuyên ngành: quang học Mà số: 62441101 Luận văn thạc sĩ vật lý Ngêi híng dÉn khoa häc: TS Vị ngäc s¸u Vinh - 2007 lời cảm ơn Luận văn đợc hoàn thành dới hớng dẫn thầy giáo TS Vũ Ngọc Sáu Qua tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc kính trọng ngời thầy hớng dẫn - ngời đà đặt vấn đề, hớng dẫn giúp đỡ tác giả trình hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn với thầy giáo PGS.TS Hồ Quang Quý, Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hoa L thầy, cô giáo khoa Vật Lí khoa đào tạo Sau đại học trờng Đại học Vinh, ngời đà giúp tác giả tiếp thu đợc nhiều kiến thức bổ ích học tập nh trình thực luận văn Tác giả xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đà giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Tác giả Mục Lục Trang Mở Đầu Chơng I: số vấn đề hƯ thèng th«ng tin quang 1.1.Tỉng quan vỊ hƯ thông thông tin quang 1.1.1 Mô hình phần tư cđa tun trun dÉn 3 1.1.2 CÊu t¹o sợi cáp quang 1.1.3 Các dạng phân bố chiết suất sợi quang 1.1.4 Mode truyền dẫn 1.1.5 Điều kiện cho mode truyền dẫn sợi quang phân bậc 1.2 Truyền sóng môi trờng sợi quang 1.2.1 Hệ phơng trình Maxwell 4 6 8 1.2.2 Phơng trình truyền sóng 1.3 Đặc tính truyền dẫn sợi quang 11 1.3.1 Suy hao sợi quang 1.3.2 Tán sắc sợi quang 1.4 Kết luận chơng I 11 15 22 Chơng II: Phơng trình truyền xung sợi quang 23 2.1 Môi trờng phi tuyến 23 2.1.1 Sự phân cực điện môi 2.1.2 Hàm phân cực bậc 2.1.3 Hàm phân cực bậc hai 2.2 Phơng trình truyền xung môi trờng phi tuyến 23 24 26 27 2.2.1 Phơng trình truyền xung 27 2.2.2 HiÖu øng phi tuyÕn bËc cao 34 2.3 KÕt luËn 39 Chơng III: Nghiên cứu ảnh hởng hiệu ứng tán sắc lên trình lan truyền xung sợi quang 40 3.1 ảnh hởng hiệu ứng tán sắc phi tuyến lên trình lan truyền xung 3.2 Khảo sát ảnh hởng hiệu ứng tán sắc bậc hai lên số dạng xung lan truyền sợi quang 3.2.1 Lời giải tổng quát 3.2.2 Khảo sát ảnh hởng hiệu ứng tán sắc lên trình lan truyền xung Gauss 3.2.3 Khảo sát ảnh hởng hiệu ứng tán sắc lên trình lan truyền xung Gauss Chirp 3.3 KÕt luËn 40 44 41 45 54 60 Kết luận chung 61 Tài liệu tham khảo 62 Phần Mở đầu Nghiên cứu trình lan truyền xung ánh sáng môi trờng vật chất vấn đề quan trọng có tính thời lÜnh vùc Quang häc Víi c¸c xung Laser cã cêng độ mạnh, công suất lớn có nhiều ứng dụng đời sống đà hình thành lĩnh vực Quang phi tuyến Việc nghiên cứu lan truyền xung ánh sáng môi trờng phi tuyến lại đặc biệt quan trọng quang học phi tuyến ngày có nhiều ứng dụng thực tiễn Chẳng hạn lĩnh vực thông tin quang vấn đề lan truyền xung tảng Truyền tải thông tin sợi quang có tốc độ, dung lợng truyền dẫn lớn, với u điểm trội suy hao thấp, độ ổn định cao, đà ngày chiếm u giữ vai trò chủ đạo tuyến truyền dẫn thông tin Nh đà biết ánh sáng lan truyền môi trờng vật chất gây phân cực Nếu cờng độ ánh sáng bé phân cực tuyến tính, véc tơ phân cực tỉ lệ bậc với cờng độ điện trờng, đại lợng nh: chiết suất, độ cảm điện môilà số không phụ thuộc vào clà số không phụ thuộc vào c ờng độ trờng Khi cờng độ ánh sáng lan truyền môi trờng lớn véc tơ phân cực không phụ thuộc bậc mà phụ thuộc vào bậc hai, bậc ba vào cờng độ điện trờng Chiết suất, độ cảm điện môi lúc không số mà phụ thuộc vào cờng độ trờng Vì sóng ánh sáng đơn sắc lan truyền môi trờng ảnh hởng lẫn nhau, hàng loạt hiệu ứng phi tuyến xảy nh: nh hiệu ứng suy hao, tán sắc, tự biến điệu phalà số không phụ thuộc vào cDới tác dụng hiệu ứng này, tín hiệu bị méo phá huỷ, làm ảnh hởng đến chất lợng thông tin, đó, hiệu ứng tán sắc làm thay đổi hình dạng, độ rộng cờng độ xung trình lan truyền Mặc dù vậy, tuỳ thuộc vào điều kiện môi trờng tín hiệu vào mà số hiệu ứng tự triệt tiêu lẫn để có xung không đổi hình dạng suốt trình lan truyền, gọi Soliton quang học Vì vậy, Soliton quang học giải pháp hữu hiệu hệ thống thông tin sợi quang Vì tham gia vào nghiên cứu trên, chọn đề tài: "Nghiên cứu ảnh hởng hiệu ứng tán sắc lên trình lan truyền xung sợi quang" Cấu trúc luận văn đợc trình bày nh sau: Phần mở đầu Phần nội dung Chơng I Một số vấn đề hệ thống thông tin quang Trình bày cách tổng quát hệ thống thông tin quang, cấu tạo, chế lan truyền đặc tính truyền dẫn suy hao tán sắc Chơng II Phơng trình truyền xung sợi quang Trình bày số nét môi trờng phi tuyến, xét đến phân cực điện môi phơng trình truyền xung phi tuyến Chơng III Nghiên cứu ảnh hởng hiệu ứng tán sắc lên trình lan truyền xung sợi quang Nghiên cứu ảnh hởng hiệu ứng tán sắc phi tuyến lên trình lan truyền xung sâu vào khảo sát ảnh hởng hiệu ứng tán sắc bậc hai lên số dạng xung lan truyền sợi quang: xung Gauss xung Gauss Chirp Phần nội dung Chơng I Một số vấn ®Ị vỊ hƯ thèng th«ng tin quang 1.1 tỉng quan hệ thống thông tin quang 1.1.1 Mô hình phần tử tuyến truyền dẫn Một tuyến thông tin quang thờng bao gồm phần tử nh mô tả hình 1.1 - Thiết bị phát, gồm: Một nguồn quang, mạch điều khiển ống cáp bảo vệ lí môi trờng cho sợi quang - Thiết bị thu, gồm: Bộ tách sóng quang, mạch khôi phục khuếch đại tín hiệu Tín hiƯu ®iƯn TÝn hiƯu quang Ngn quang TÝn hiƯu ®iƯn Mạch điều khiển Bộ tách sóng KĐ quang Thiết bị phát Sợi quang Phục hồi tín hiệu Thiết bị thu Hình 1.1 Mô hình phần tử mét hƯ thèng th«ng tin quang - NÕu cù ly truyền dẫn dài hai trạm đầu cuối có thêm vài trạm tiếp vận có sơ đồ nh sau: TÝn hiƯu quang TÝn hiƯu quang Thu quang K§ Sửa dạng Phát quang 1.1.2 CấuHình tạo sợi 1.2.cáp Môquang hình trạm tiếp vận hệ thống thông tin quang Cáp quang gọi cáp sợi quang bao gồm hai thành phần sợi quang lớp bọc cáp Sợi quang thành phần cáp có chức truyền dẫn sóng ánh sáng Vì mô tả môi tr ờng truyền dẫn quang hệ thống thông tin quang cần diễn giải sợi quang đủ Sợi quang có cấu tạo nh ống dẫn sóng hoạt động tần số quang Sợi quang có dạng hình trụ có chức dÉn sãng ¸nh s¸ng lan trun theo híng song song với trục Thành phần sợi quang gồm lõi lớp bọc Phần lõi dẫn quang đợc cấu tạo từ chất suốt, phản xạ ánh sáng có chiết suất n1, bán kính a đờng kính dk PhÇn vá cã chiÕt st n2 (víi n2