Một số giải pháp ứng dụng bộ liên hợp pha quang OPC sử dụng hiệu ứng trộn bốn sóng FWM trong hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao

Hệ thống thông tin sợi quang đã và đang được áp dụng rộng rãi với vai trò như một kiến trúc xương sống (backbone), mạng lõi, mạng khu vực (core, metro) và mạng truy nhập. Việc mở rộng và nâng cao chất lượng các mạng truyền dẫn sợi quang đã cho phép nâng cao phạm vi sử dụng và chất lượng dịch vụ cho người dùng. Như chúng ta đã biết, chất lượng tín hiệu ánh sáng truyền trong sợi quang chịu ảnh hưởng của 3 yếu tố chính là: suy hao, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến Kerr. Đặc biệt, với các hệ thống ghép bước sóng DWDM, có số lượng kênh quang lớn, tốc độ truyền trên mỗi kênh cao và sử dụng các loại điều chế bậc cao thì hiện tượng tán sắc và phi tuyến trên đường truyền có ảnh hưởng đặc biệt lớn đến chất lượng hệ thống. Để đảm bảo chất lượng hệ thống đáp ứng được các yêu cầu dịch vụ, bù tán sắc và phi tuyến trên đường truyền là thực sự cần thiết. Trong thực tế hiện nay, đã có nhiều các nghiên cứu về việc bù tán sắc và phi tuyến bằng các biện pháp khác nhau, như: bù tán sắc bằng sợi (DCF Dispersion Compensation Fiber), bù tán sắc sử dụng cách tử Bragg sợi (Fiber Bragg Grating), bù tán sắc điện tử (EDC – Electrical Dispersion Compensation hay DC – Dispersion Compensation), sóng đôi liên hợp pha (PCTW – Phase Conjugated Twin Wave), kỹ thuật lan truyền ngược số (DBP – Digital Back Propagation), và đặc biệt là kỹ thuật liên hợp pha quang (OPC – Optical Phase Conjugation) ... Trong đó, sử dụng OPC thực hiện bù tán sắc và phi tuyến đang là một giải pháp rất đáng mong đợi cho các hệ thống thông tin toàn quang yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chuyển mạch cao. Trong nội dung của bài tiểu luận nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng phi tuyến và các kỹ thuật bù tán sắc; Trong chương 2 trình bày về nguyên lý chung của bộ liên hợp pha quang OPC và OPC sử dụng hiện tượng trộn bốn sóng FWM. Chương 3 trình bày một số mô hình hệ thống quang tốc độ cao triển khai sử dụng bộ liên hợp pha quang OPC nhằm nâng cao hiệu năng hệ thống.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

- -

TIỂU LUẬN MÔN HỌC: QUANG SỢI PHI TUYẾN

CHỦ ĐỀ: Một số giải pháp ứng dụng bộ liên hợp pha quang OPC sử dụng hiệu ứng trộn bốn sóng FWM trong hệ thống thông tin sợi quang

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

LỜI MỞ ĐẦU 5

Chương 1 Tổng quan về hiệu ứng tán sắc và phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang 6

1.1 Hiện tượng tán sắc 6

1.1.1 Tán sắc vận tốc nhóm 6

1.1.2 Tán sắc vật liệu 9

1.1.3 Tán sắc ống dẫn sóng 10

1.1.4 Tán sắc bậc cao 11

1.1.5 Tán sắc mode phân cực PMD 12

1.2 Hiệu ứng phi tuyến 13

1.2.1 Các hiệu ứng tán xạ kích thích 14

1.2.2 Các hiệu ứng phi tuyến Kerr 15

1.3 Một số kỹ thuật bù tán sắc và phi tuyến trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao 17

1.3.1 Bù tán sắc DCF 17

1.3.2 Sử dụng cách tử Bragg sợi quang FBG 18

1.3.3 Kỹ thuật bù tán sắc điện tử EDC 20

1.3.4 Kỹ thuật lan truyền ngược số DBP 20

1.3.5 Sóng đôi liên hợp pha PCTW 21

1.3.6 Một số kỹ thuật bù phi tuyến khác 21

Chương 2 Ứng dụng FWM trong bộ liên hợp pha quang 22

2.1 Nguyên lý chung bộ liên hợp pha quang (Optical Phase Conjugation – OPC) 22

2.2 Bộ liên hợp pha quang OPC sử dụng hiện ứng trộn 4 sóng (FWM) 24

CHƯƠNG 3 Một số ứng dụng FWM-OPC trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao 26

3.1 Ứng dụng bộ FWM-OPC trong hệ thống truyền dẫn Metro ghép bước sóng 26

3.1.1 Khả năng ứng dụng 26

3.1.2 Mô hình hệ thống 27

3.2 Ứng dụng bộ FWM-OPC trong hệ thống truyền dẫn trục và tín hiệu quang điều chế phân cực kép 29

3.2.1 Khả năng ứng dụng 29

3.2.2 Mô hình hệ thống 30

KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Generation

Tạo tần số khác biệt

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ thống thông tin sợi quang đã và đang được áp dụng rộng rãi với vai trò như một kiến trúc xương sống (backbone), mạng lõi, mạng khu vực (core, metro) và mạng truy nhập Việc mở rộng và nâng cao chất lượng các mạng truyền dẫn sợi quang đã cho phép nâng cao phạm vi sử dụng và chất lượng dịch vụ cho người dùng

Như chúng ta đã biết, chất lượng tín hiệu ánh sáng truyền trong sợi quang chịu ảnh hưởng của 3 yếu tố chính là: suy hao, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến Kerr Đặc biệt, với các

hệ thống ghép bước sóng DWDM, có số lượng kênh quang lớn, tốc độ truyền trên mỗi kênh cao và sử dụng các loại điều chế bậc cao thì hiện tượng tán sắc và phi tuyến trên đường truyền có ảnh hưởng đặc biệt lớn đến chất lượng hệ thống Để đảm bảo chất lượng

hệ thống đáp ứng được các yêu cầu dịch vụ, bù tán sắc và phi tuyến trên đường truyền là thực sự cần thiết Trong thực tế hiện nay, đã có nhiều các nghiên cứu về việc bù tán sắc và phi tuyến bằng các biện pháp khác nhau, như: bù tán sắc bằng sợi (DCF - Dispersion Compensation Fiber), bù tán sắc sử dụng cách tử Bragg sợi (Fiber Bragg Grating), bù tán sắc điện tử (EDC – Electrical Dispersion Compensation hay DC – Dispersion Compensation), sóng đôi liên hợp pha (PCTW – Phase Conjugated Twin Wave), kỹ thuật lan truyền ngược số (DBP – Digital Back Propagation), và đặc biệt là kỹ thuật liên hợp pha quang (OPC – Optical Phase Conjugation) Trong đó, sử dụng OPC thực hiện bù tán sắc

và phi tuyến đang là một giải pháp rất đáng mong đợi cho các hệ thống thông tin toàn quang yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chuyển mạch cao

Trong nội dung của bài tiểu luận nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng phi tuyến và các

kỹ thuật bù tán sắc; Trong chương 2 trình bày về nguyên lý chung của bộ liên hợp pha quang OPC và OPC sử dụng hiện tượng trộn bốn sóng FWM Chương 3 trình bày một số

mô hình hệ thống quang tốc độ cao triển khai sử dụng bộ liên hợp pha quang OPC nhằm nâng cao hiệu năng hệ thống

Chương 1 Tổng quan về hiệu ứng tán sắc và phi tuyến trong hệ thống thông

tin sợi quang 1.1 Hiện tượng tán sắc

Do thực tế hiện nay, các hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang chủ yếu sử dụng sợi đơn mode chuẩn (SSMF – Standard Single Mode Fiber) Do đó, trong nội dung bài tiểu luận chỉ trình bày những vấn đề liên quan đến tán sắc trong sợi đơn mode Tán sắc là hiện tượng thay đổi (giãn rộng hoặc thu hẹp) xung ánh sáng tại phía thu so với phía phát, sự thay đổi này đối với các hệ thống sử dụng sợi SSMF thường là sự giãn rộng Sự thay đổi này ở phía thu sẽ gây ra hiện tượng xuyên nhiễu giữa các bit (ký hiệu), điều này làm giảm

tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR hệ thống, làm tăng tỷ số lỗi bit BER Trong mô tả hình học – quang học, sự mở rộng như vậy cơ bản là do các tia sáng khác nhau sẽ có các đường đi trong sợi quang khác nhau Với mô tả theo mode sóng, nó liên quan đến thay đổi chiết xuất (làm xuất hiện tán sắc vận tốc nhóm GVD – Group Velocity Dispersion) được liên kết với các mode khác nhau Ưu điểm chính của sợi đơn mode là không có sự tán sắc giữa các mode đơn giản vì năng lượng của xung ánh sáng đưa vào được truyền đi bởi một mode duy nhất Dù vậy, sự mở rộng (hay thu hẹp) xung vẫn xuất hiện Vận tốc nhóm GVD, liên quan đến các mode cơ bản phụ thuộc vào tần số, gây ra sự tán sắc màu (CD – Chromatic Dispersion) Điều này dẫn đến các thành phần quang phổ khác nhau của xung truyền đi với vận tốc nhóm khác nhau, hiện tượng này được gọi là tán sắc vận tốc nhóm (GVD), tán sắc nội, hoặc đơn giản là tán sắc sợi Sự tán sắc nội có hai loại chính, là tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng

1.1.1 Tán sắc vận tốc nhóm

Hãy xem xét một sợi quang đơn mode có chiều dài L Một thành phần phổ cụ thể ở tần số góc ω sẽ đến đầu ra của sợi sau một khoảng thời gian trễ T = L/vg, trong đó vg là vận tốc nhóm, được định nghĩa là

Bằng cách sử dụng β = n.k0 = nω/c trong phương trình (1.1), ta có thể chỉ ra rằng vg

= c/ng, trong đó ng là chỉ số nhóm được cho bởi

Sự phụ thuộc vào tần số của vận tốc nhóm dẫn đến việc mở rộng xung, đơn giản là vì các thành phần phổ khác nhau của xung chịu sụ tán sắc khác nhau trong quá trình truyền

và không đến đồng thời ở đầu ra sợi Nếu ∆ω là độ rộng phổ của xung, thì mức độ mở rộng của xung đối với một chiều dài sợi bằng L được định nghĩa bởi

trong đó phương trình (1.1) đã được sử dụng Tham số β2 = d 2β/dω2 được gọi là tham số GVD Nó xác định xung quang sẽ mở rộng bao nhiêu khi lan truyền bên trong sợi quang Trong một số hệ thống thông tin quang, trải tần ∆ω được xác định bởi dải bước sóng ∆λ do nguồn quang phát ra Thông thường sử dụng ∆λ thay cho ∆ω Bằng cách sử dụng ω = 2πc/λ và ∆ω = (−2πc/λ2) ∆λ, phương trình (1.3) có thể được viết dưới dạng

Trong đó

D được gọi là tham số tán sắc và được biểu thị bằng đơn vị ps/(km nm) Ảnh hưởng của sự tán sắc lên tốc độ bit B có thể được ước tính bằng cách sử dụng tiêu chí B∆T < 1 Bằng cách sử dụng ∆T từ phương trình (1.4) điều kiện này trở thành

Công thức (1.6) cung cấp ước lượng tương đối độ lớn của tích BL của sợi đơn mode

Sự phụ thuộc vào bước sóng của D sẽ được trình bày tiếp theo Đối với sợi silica tiêu chuẩn,

D tương đối nhỏ trong vùng bước sóng gần 1,3 µm [D cỡ 1 ps/(km nm)] Đối với laser bán dẫn, độ rộng phổ ∆λ là 2 – 4 nm ngay cả khi laser hoạt động trong một số chế độ dọc Tích

BL của các hệ thống sóng ánh sáng như vậy có thể vượt quá 100 (Gb/s).km Thật vậy, các

hệ thống viễn thông 1,3 µm thường hoạt động ở tốc độ bit 2 Gb/s với khoảng cách bộ lặp

là 40–50 km Tích số BL của sợi đơn mode có thể vượt quá 1 (Tb/s).km khi sử dụng laser bán dẫn đơn mode để giảm ∆λ xuống dưới 1 nm

Tham số tán sắc D có thể thay đổi đáng kể khi bước sóng hoạt động dịch chuyển từ 1,3µm Sự phụ thuộc vào bước sóng sóng của D bị chi phối bởi sự phụ thuộc tần số của chiết suất mode n Từ phương trình (1.5), D có thể được viết là

trong đó phương trình 1.2 đã được sử dụng Như vậy, D có thể được viết dưới dạng tổng của hai số hạng,

trong đó tán sắc vật liệu DM và tán sắc ống dẫn sóng DW được đưa ra bởi

Ở đây n2g là chiết suất nhóm của vật liệu truyền và các tham số V và b lần lượt là tần

số chuẩn hóa và hằng số lan truyền chẩn hóa được cho bởi

trong đó, a là bán kính lớp lõi của sợi quang, n1, n2 lần lượt là chiết suất lớp lõi và lớp vỏ sợi quang, ∆ là độ lệch chiết suất tương đối và thường là thay đổi không đáng kể dọc theo chiều dài sợi quang

1.1.2 Tán sắc vật liệu

Tán sắc vật liệu xảy ra do chiết suất của silic, vật liệu dùng để chế tạo sợi quang, thay đổi theo tần số quang w Ở mức độ cơ bản, nguồn gốc của sự tán sắc vật liệu liên quan đến các tần số cộng hưởng đặc trưng mà tại đó vật liệu hấp thụ bức xạ điện từ Xa các vùng cộng hưởng trung bình, chiết suất n(w) được gần đúng bằng phương trình Sellmeier:

trong đó ωj là tần số cộng hưởng và Bj là cường độ dao động Ở đây ni là viết tắt của n1 hoặc n2, tùy thuộc vào việc xem xét các đặc tính tán sắc của lớp lõi hoặc vỏ Tổng trong phương trình (1.13) mở rộng trên tất cả các cộng hưởng vật liệu xuất hiện trong dải tần số khảo sát Đối với sợi quang, các tham số Bj và ωj thu được theo kinh nghiệm bằng cách chuyển các đường cong tán sắc đo được thành (1.11) với M = 3 Chúng phụ thuộc vào lượng chất pha tạp và đã được lập bảng cho một số loại sợi [12] Đối với sợi silic tinh khiết, các thông số này được tìm thấy là B1 = 0,6961663, B2 = 0,4079426, B3 = 0,8974794, λ1

= 0,0684043 µm, λ2 = 0,1162414 µm và λ3 = 9,896161 µm, trong đó λi = 2πc/ωi với i = 1–3 Chiết suất nhóm ng = ni +ω(dn/dω) có thể thu được bằng cách sử dụng các giá trị tham số này

Độ tán sắc vật liệu DM liên quan đến độ dốc của ng bằng quan hệ DM = 1 /c (dng/dλ) Hóa ra dng/dλ = 0 tại λ = 1.276 µm, bước sóng này được gọi là bước sóng không tán sắc λZD, vì DM = 0 tại λ = λZD Tham số phân tán DM là âm dưới λZD và trở nên

dương trên đó Trong dải bước sóng 1,25 – 1,66 µm, nó có thể được tính gần đúng bằng quan hệ thực nghiệm

Cần nhấn mạnh rằng λZD = 1,276 µm chỉ đối với sợi silic tinh khiết Nó có thể thay đổi trong phạm vi 1,27 – 1,29 µm đối với sợi quang có lõi và lớp vỏ được pha tạp chất để thay đổi chiết suất Bước sóng không tán sắc của sợi quang cũng phụ thuộc vào bán kính lõi a và độ lệch chiết suất tương đối ∆

1.1.3 Tán sắc ống dẫn sóng

Sự đóng góp của phân tán ống dẫn sóng DW vào tham số phân tán D được đưa ra bởi phương trình (1.10) và phụ thuộc vào thông số V của sợi quang, giá trị DW là âm trong toàn bộ dải bước sóng 0 - 1,6 µm Mặt khác, DM là âm đối với bước sóng dưới λZD và trở nên dương với bước sóng lớn hơn Tác dụng chính của tán sắc ống dẫn sóng là làm dịch chuyển λZD một khoảng 30–40 nm để tán sắc bằng không gần với bước sóng 1,31 µm Nó cũng làm giảm D từ giá trị tán sắc vật liệu DM của nó trong dải bước sóng 1,3 – 1,6 µm là vùng bước sóng mà các hệ thống thông tin quang sử dụng Các giá trị điển hình của D nằm trong khoảng 15 – 18 ps/(km.nm) gần 1,55 µm Vùng bước sóng này rất được quan tâm đối với các hệ thống thông tin quang, vì như đã chúng ta đã biết, suy hao sợi quang là nhỏ trong vùng bước sóng gần 1,55 µm Giá trị cao của D giới hạn hiệu suất của hệ thống thông tin quang học 1,55 µm

Vì sự đóng góp của tán sắc ống dẫn sóng DW chỉ phụ thuộc vào các thông số của sợi như bán kính lõi a và độ chênh lệch chiết suất tương đối ∆, nên có thể thiết kế sợi sao cho λZD được dịch chuyển vào vùng lân cận 1,55 µm Những sợi như vậy được gọi là sợi dịch chuyển tán sắc Cũng có thể điều chỉnh tán sắc ống dẫn sóng sao cho tán sắc D tương đối nhỏ trên một dải bước sóng rộng kéo dài từ 1,3 đến 1,6 µm Những sợi như vậy được gọi là sợi tán sắc phẳng Việc thiết kế sợi biến đổi tán sắc liên quan đến việc sử dụng nhiều lớp phủ và điều chỉnh cấu hình chiết suất Sự tán sắc ống dẫn sóng có thể được sử dụng để tạo ra các sợi giảm độ tán sắc trong đó GVD giảm dọc theo chiều dài sợi vì sự thay đổi trục

trong bán kính lõi Trong một loại sợi khác, được gọi là sợi bù tán sắc, GVD được tạo ra bình thường và có độ lớn tán sắc lớn

1.1.4 Tán sắc bậc cao

Từ phương trình (1.6) ta nhận thấy tích số BL của sợi quang đơn mode có thể được tăng lên vô hạn bằng cách hoạt động ở bước sóng không tán sắc λZD khi đó D = 0 Tuy nhiên, các hiệu ứng tán sắc không biến mất hoàn toàn tại λ = λZD, bởi vì xung quang vẫn

bị mở rộng do các hiệu ứng tán sắc bậc cao Điều này có thể được hiểu rằng D không thể bằng không ở tất cả các bước sóng có trong phổ xung với bước sóng trung tầm là λZD Rõ ràng, sự phụ thuộc vào bước sóng của D sẽ đóng một vai trò trong việc mở rộng xung Hiệu ứng tán sắc bậc cao bị phụ thuộc vào độ dốc tán sắc S = dD/dλ Tham số S còn được gọi là tham số tán sắc-vi phân Bằng cách sử dụng phương trình (1.5) nó có thể được viết là

trong đó β3 = dβ2/dω ≡ d 3β/dω3 là tham số tán sắc bậc ba Tại λ = λZD, β2 = 0, và

S tỷ lệ với β3

Giá trị số của độ dốc tán sắc S đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế các

hệ thống WDM hiện đại Vì S > 0 đối với hầu hết các sợi, các kênh khác nhau có giá trị GVD hơi khác nhau Tính năng này làm cho việc bù tán sắc cho tất cả các kênh đồng thời trở lên khó khăn hơn Để giải quyết vấn đề này, loại sợi mới đã được phát triển mà S của sợi là nhỏ (sợi giảm độ dốc) hoặc âm (sợi tán sắc ngược)

Như vậy chúng ta có giới hạn cho tích BL như sau

Đối với một laser bán dẫn đa mode có ∆λ = 2nm và một sợi quang dịch chuyển tán sắc có S = 0, 05ps/(km.nm2 ) tại λ = 1, 55µm, tích số BL tiếp cận 5 (Tb/s).km Có thể cải thiện hơn nữa bằng cách sử dụng laser bán dẫn đơn mode

1.1.5 Tán sắc mode phân cực PMD

Một một yếu tố nữa dấn đến sự mở rộng xung quang là có liên quan đến tính lưỡng chiết của sợi quang Các sai lệch nhỏ trong yêu cầu đối xứng hình trụ hoàn hảo của sợi sẽ dẫn đến hiện tượng lưỡng chiết vì các chiết suất mode khác nhau liên quan đến các thành phần phân cực trực giao của mode sợi cơ bản Nếu xung đầu vào tồn tại cả hai thành phần phân cực, nó sẽ trở nên rộng hơn khi hai thành phần tán sắc dọc theo sợi quang do vận tốc nhóm của chúng khác nhau Hiện tượng này được gọi là tán sắc mode phân cực hay phân cực mode (PMD – Polarization-Mode Dispersion) và đã được nghiên cứu rộng rãi vì nó hạn chế hiệu suất của các hệ thống sóng ánh sáng hiện đại

Đối với sợi có độ lưỡng chiết không đổi (ví dụ, sợi duy trì phân cực), sự mở rộng xung có thể được ước tính từ thời gian trễ ∆T giữa hai thành phần phân cực trong quá trình truyền xung Đối với một sợi có chiều dài L, ∆T được cho bởi

trong đó các ký hiệu con x và y xác định hai mode phân cực trực giao và ∆β1 có liên quan đến sự khác biệt về vận tốc nhóm dọc theo chiều dài sợi của hai trạng thái phân cực chính [44] Đại lượng ∆T/L là thước đo PMD Đối với sợi duy trì phân cực, ∆T/L là khá lớn (cỡ 1 ns/km) khi hai thành phần được đưa vào bằng nhau ở đầu vào sợi nhưng có thể giảm xuống 0 bằng cách truyền ánh sáng dọc theo một trong các trục chính

Tình hình hơi khác đối với các sợi thông thường, trong đó tính lưỡng chiết thay đổi dọc theo sợi một cách ngẫu nhiên Rõ ràng rằng trạng thái phân cực của ánh sáng truyền trong sợi có độ lưỡng chiết thay đổi ngẫu nhiên nói chung sẽ là hình elip và sẽ thay đổi ngẫu nhiên dọc theo sợi trong quá trình lan truyền Trong trường hợp xung quang, trạng thái phân cực cũng sẽ khác nhau đối với các thành phần phổ khác nhau của xung Trạng thái phân cực cuối không đáng quan tâm đối với hầu hết các hệ thống sóng ánh sáng vì các

bộ tách sóng quang được sử dụng bên trong máy thu quang không nhạy cảm với trạng thái phân cực trừ khi sử dụng sơ đồ tách sóng kết hợp Điều ảnh hưởng đến các hệ thống như

vậy không phải là trạng thái phân cực ngẫu nhiên mà là sự mở rộng xung gây ra bởi những thay đổi ngẫu nhiên trong lưỡng chiết Điều này được gọi là sự mở rộng xung do PMD gây

ra

1.2 Hiệu ứng phi tuyến

Thông thường sóng hay photon ánh sáng có ít tương tác với nhau và không bị thay đổi quá nhiều khi truyền qua môi trường sợi quang (ngoại trừ sự hấp thụ và tán xạ gây ra hiện tượng suy hao tín hiệu) Tuy nhiên, có những trường hợp ngoại lệ phát sinh do sự tương tác giữa sóng ánh sáng và môi trường truyền, điều này có thể ảnh hưởng đến tín hiệu quang Các quá trình này thường được gọi là hiệu ứng hoặc hiện tượng phi tuyến vì cường

độ của chúng thường phụ thuộc vào bình phương (hoặc bậc cao hơn) của cường độ quang

Do đó, hiệu ứng phi tuyến ít ảnh hưởng khi công suất tín hiệu thấp, nhưng chúng trở nên mạnh hơn nhiều với công suất quang cao Tình huống này xuất hiện khi công suất quang tăng cao hoặc khi công suất tập trung ở một khu vực nhỏ, chẳng hạn như lõi của một sợi quang đơn mode (SMF – Single Mode)

Mặc dù các hiệu ứng phi tuyến trong các sợi quang thường không lớn, tuy nhiên điều này sẽ tích lũy khi ánh sáng truyền qua nhiều km của sợi quang đơn mode Đường kính lõi sợi nhỏ, cùng với khoảng cách truyền dẫn dài đối với tín hiệu quang, là điều kiện xảy ra hiện tượng phi tuyến khi mức công suất của laser bán dẫn cỡ một vài mW Hơn nữa, các mức công suất quang trở nên lớn hơn nhiều khi ghép kênh phân chia bước sóng mật độ cao (DWDM), với việc ghép nhiều kênh tín hiệu vào một sợi quang đơn mode làm cho mức công suất tổng thể là tổng của các sông suất quang của từng kênh

Hình 1 Phân loại hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang

Có hai loại hiệu ứng phi tuyến có thể được phân chia dựa trên các đặc điểm của chúng:

là hiệu ứng tán xạ kích thích và hiệu ứng Kerr, như trong hình 1 Các hiệu ứng phi tuyến nói chung gây ra những sự suy giảm lớn đến chất lượng của hệ thống thông tin quang (đánh giá qua tham số BER hay Q) Tuy nhiên, trong một vài trường hợp các hiệu ứng này có thể được ứng dụng cho các ứng dụng quan trọng trong các hệ thống thông tin quang như: khuếch đại, chuyển đổi bước sóng, ghép kênh và tách kênh, tái tạo xung, giám sát quang học và chuyển mạch quang

1.2.1 Các hiệu ứng tán xạ kích thích

Các hiệu ứng tán xạ kích thích xuất hiện khi các ống dẫn sóng quang không hoạt động như các kênh tuyến tính hoàn toàn, tức là công suất quang đầu ra không tăng tỷ lệ thuận với công suất quang đầu vào Một số hiệu ứng phi tuyến luôn luôn xảy ra, trong trường hợp tán xạ gây ra sự suy giảm không đồng đều, thường là ở mức năng lượng quang cao Nó phụ thuộc rất nhiều vào mật độ công suất quang trong phạm vi hẹp và do đó chỉ trở nên đáng kể với các mức công suất đủ lớn

Khi một photon sóng ánh sáng truyền đi trong một môi trường không đồng nhất có thể

bị tán xạ, tạo ra một photon phát ra ở tần số thấp bằng sự thay đổi các mức năng lượng của

phần tử, cùng với một photon mới ở tần số khác Theo thuật ngữ cơ học lượng tử, quá trình này có thể được mô tả là phần tử hấp thụ photon ở tần số ban đầu trong khi phát ra một photon ở tần số mới và đồng thời thực hiện chuyển đổi giữa các mức năng lượng của phần

tử Do đó, photon tán xạ hình thành tần số mới thấp hoặc cao hơn tần số ánh sáng tới với

sự chênh lệch năng lượng giữa hai photon phụ thuộc vào môi trường tán xạ Thông thường, vật liệu phải ở trạng thái kích thích trước khi ánh sáng tới, và ở nhiệt độ phòng (khoảng 300K), cường độ tán xạ tăng yếu hơn nhiều so với mức giảm xuống Sóng tán xạ có tần số cao hơn được gọi là thành phần Stokes trong khi sóng ánh sáng có tần số thấp hơn được gọi là thành phần ngược Stokes (anti-Stokes) Trái ngược với tán xạ tuyến tính (tức là tán

xạ Rayleigh), được coi là đàn hồi vì sóng tán xạ có cùng tần số với sóng tới, các quá trình tán xạ phi tuyến này là không đàn hồi do sóng tán xạ có tần số khác với sóng tới

Các loại tán xạ phi tuyến được kích thích quan trong nhất trong các hệ thống quang

là tán xạ Brillouin và Raman, cả hai thường chỉ được quan sát thấy ở mật độ năng lượng quang cao ở các sợi đơn mode đủ dài Các cơ chế tán xạ này trong thực tế cho độ lợi quang học nhưng với sự thay đổi tần số, do đó góp phần làm suy giảm sự truyền ánh sáng ở bước sóng cụ thể Tuy nhiên, các hiện tượng phi tuyến như vậy cũng có thể được sử dụng để tạo

ra khuếch đại quang học trong bối cảnh các kỹ thuật quang học thích hợp

1.2.2 Các hiệu ứng phi tuyến Kerr

Các hiệu ứng phi tuyến nếu có thể được mô tả bởi sự phụ thuộc chỉ số khúc xạ vào cường độ ánh sáng trong sợi quang thường đc gọi là hiệu ứng phi tuyến Kerr Chỉ số khúc

xạ của môi trường là kết quả của trường quang tác động lên các nguyên tử hoặc phân tử của môi trường để tạo ra sự phân cực dao động, sau đó bức xạ ra, tạo ra một trường phát

xạ tổng thể Ở cường độ thấp, sự phân cực là một hàm tuyến tính của trường quang và vì vậy kết quả sự phát xạ của trường có thể được mô tả một cách đơn giản bằng một chỉ số khúc xạ không đổi Tuy nhiên, ở cường độ cao hơn, nhiễu loạn không còn là các hàm tuyến tính của trường và hiệu ứng Kerr có thể được quan sát thấy Thông thường, trong các vùng bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại, các hiệu ứng phi tuyến Kerr không biểu hiện sự phụ thuộc mạnh vào tần số của ánh sáng tới vì tần số cộng hưởng của dao động có xu hướng