Tiểu luận môn Thông tin quang Bộ bù tán sắc kích thước nano

Tiểu luận môn Thông tin quang Bộ bù tán sắc kích thước nano Tán sắc là hiện tượng dãn xung ánh sáng theo thời gian khi truyền tìn hiệu, gây nên méo tín hiệu. Đây là vấn đề quan trọng với tuyến tốc độ cao, đường truyền dẫn dài. Trong sợi đa mode, tốc độ lan truyền ánh sang của các mode khác nhau. Sự chênh lệch thời gian đến điểm thu giữa các tia sang gây trễ nhóm mode lan truyền→dãn xung ánh sáng.

1 Tán sắc 1

1.1 Khái niệm 1

1.2 Phân loại tán sắc: 1

1.3 Tán sắc mode 2

1.3.1 Một số đặc điểm 2

1.3.2 Biện pháp giảm tán sắc mode: 2

1.4 Tán sắc đơn sắc – Chromatic 3

1.4.1 Tán sắc dẫn sóng 3

1.4.2 Tán sắc vật liệu 4

1.4.3 Biện pháp giảm tán sắc chromatic 4

2 Bộ bù tán sắc kích thước nano 6

2.1 Photonic crystal fiber (PCF) 6

2.1.1 Photonic crystal 6

2.1.2 Cấu trúc của PCF: 6

2.1.3 Ống dẫn sóng hai chiều photonic Crystal 7

2.2 Các phương pháp bù tán sắc kích thước nano 8

2.2.1 Bù tán sắc sử dụng cặp lỗ khuyết trong photonic crystal 8

2.2.2 Sử dụng sợi Photonic crystal fibers (PCFs) 12

3 Tống kết: 17

1 Tán sắc

1.1 Khái niệm

Tán sắc là hiện tượng dãn xung ánh sáng theo thời gian khi truyền tìn hiệu, gây nên méo tín hiệu Đây là vấn đề quan trọng với tuyến tốc độ cao, đường truyền dẫn dài

1.2 Phân loại tán sắc:

1.3 Tán sắc mode

1.3.1 Một số đặc điểm

Trong sợi đa mode, tốc độ lan truyền ánh sang của các mode khác nhau Sự chênh lệch thời gian đến điểm thu giữa các tia sang gây trễ nhóm mode lan truyền→dãn xung ánh sáng

Tán sắc mode:

Độ giãn xung tín hiệu quang sau khi truyền trong sợi quang dài L(km) đo bằng hiệu thời gian truyền giữa mode bậc cao nhất và mode bậc thấp nhất

1.3.2 Biện pháp giảm tán sắc mode:

 Sử dụng sợi đơn mode

 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 do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng trong lõi, còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng trong lõi

Hệ số tán sắc:

1.4.2 Tán sắc vật liệu

Là phép những biến đổi của chiết xuất khúc xạ nhóm Ng ở những bước sóng khác nhau Tán sắc vật liệu được tính từ tích phân của ng theo bước sóng:

1.4.3 Biện pháp giảm tán sắc chromatic

Chúng ta có thể sử dụng các loại sợi giảm tán sắc

 Các loại sợi quang giảm tán sắc:

Sợi đơn mode – SMF hay sợi không có tán sắc dịch chuyển (dispersion-unshifted) theo tiêu chuẩn ITU- G.652 Sợi này có hệ số tán sắc nhỏ tại cửa sổ 1310nm, nhưng lại có hệ

số tán sắc lớn tại vùng 1550nm

Sợi tán sắc dịch chuyển dispersion-shifted fiber (DSF) theo tiêu chuẩn ITU- G.653 được thiết kế có hệ số tán sắc bằng 0 tại bước sóng 1550 Tuy nhiên, sợi này cũng có một số

hạn chế, tán sắc phân cực cao hơn sợi SMF và được dung trong hệ thống đơn kênh quang

Sợi tán sắc dịch chuyển không bằng không (NZ-DSF) theo chuẩn ITU-655, được phát triển dựa trên sợi DSF Sợi có tán sắc nhỏ tại cửa sổ 1550nm Thích hợp với hệ thống có dung lượng lớn và cự ly xa do giảm được hiệu ứng phi tuyến

 Chiều dài sợi quang:

Trong đó:

L là chiều dài sợi quang (km)

CD: là hệ số tán sắc chromatic ( ps/(nm*km))

B : Là tốc độ bit ( Gbps)

Ví dụ:

Ta truyên tải dữ liệu với tốc độ 10Gbps tại kênh truyền 1550nm Khi đó ta có LSMF = 61km và LNZDSF = 346km

2 Bộ bù tán sắc kích thước nano.

2.1 Photonic crystal fiber (PCF)

2.1.1 Photonic crystal

Là một cấu trúc nano, được xem như là một loại bán dẫn

Chất bán dẫn không cho electron nằm trong vùng ban gap (dải cấm) , tương tự, photonic crystal không cho photon nằm trong vùng ban gap

Phân loại photonic crystal:

Màu khác nhau mô tả hằng số điện môi cấu tạo khác nhau

2.1.2 Cấu trúc của PCF:

Gồm vật liệu bán dẫn và mảng các lỗ khí chaỵ song song theo chiều dài của sợi

Nếu ta thiết kế các lỗ một cách chính xác, sẽ được một cấu trúc mà chỉ cho một khoảng tần số truyền qua

Ánh sáng khi chiếu vào photonic crystal nó sẽ bị phản xạ hoặc khúc xạ tại bề mặt phân cách giữa các lỗ

PCF được chia làm 2 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 cơ khác sợi M-TIR

Hiệu ứng dải cấm có thể được tìm thấy trong tự nhiên, chẳng hạn như trên cánh của con bướm Do có ánh sáng chiếu vào bị phản xạ ngược trở lại mà ta thấy được màu sáng trên cấu trúc sợi PBG

Trong sợi PGB, chu kỳ lỗ đóng vai trò như lõi sợi và những cái khuyết bên ngoài đóng vai trò như lớp vỏ Ánh sáng không thể truyền trong lớp vỏ do có vùng dải cấm

2.1.3 Ống dẫn sóng hai chiều photonic Crystal

Sự tạo ra một cấu trúc uốn cong cỡ vài milimet bằng sợi thông thường M-TIR và PBG là rất khó khăn, do truyền nhiều modes khác nhau

Ống dẫn sóng Photonic Crystal sử dụng nguyên lý khác Chúng ta tạo ra một đường các

lỗ khuyết trong crystal và tạo ra một vùng dải cấm, vùng này chỉ cho 1 mode đi qua Đường này được 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 trong photonic crystal

( Nguồn : A Dispersion Compensator Using Coupled Defects in a Photonic Crystal

by Kazuhiko Hosomi and Toshio Katsuyama)

Trong phương pháp này ta sử dụng đặc điểm của ánh sáng truyền trong ống dẫn sóng có cặp lỗ khuyết trong photonic crystal

Cấu trúc của

 Cấu trúc của các lỗ khuyết trong photonic crystal 2D

Bao gồm một mảng các lỗ cách nhau a, chiết suất 3.5 và bán kính lỗ là r.

Làm khuyết các lỗ trong mảng với khoảng cách giữa 2 lỗ khuyết là R

 Vùng Bangap của ống dẫn sóng tạo ra

Từ hình vẽ ta thấy, vùng dải cấm nằm trong khoảng 0.06 < r/a < 0.42 tương ứng với 0.3165 < ωaa 2 π < 0.4618

Tần số chuẩn hóa trung tâm = 0.3896 với r/a = 0.16

Sự phu thuộc tần số chuẩn hóa vào R:

Từ hệ phương trình maxell ta xác định được tần số góc của sóng:

Trong đó: Ω : là tần số góc trung tâm với Ωa/2πc là tần số chuẩn hóa trung tâm.c là tần số chuẩn hóa trung tâm

Vận tốc nhóm :

Nhận xét: |Vg| max = khi ωa=Ω

|Vg| min = 0 khi

Vg/c = 0.229 khi R = 2a

Vg/c = 0.101 khi R = 3a

Vg/c = 0.041 khi R = 4a

Hệ số tán sắc:

Thay đổi giá trị của R ta có: Hệ số tán sắc D phụ thuộc vào R như hình vẽ sau:

Nhận xét:

Với R = 2a, -0.2 < D< 0.2 ps/nm.mm

Với R = 3a, -2< D < 2 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 các lỗ không khí dọc theo sợi quang thay đổi được các thông số về tán săc

Tán sắc trong sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (SMFs) khoảng D= 10 – 20 ps/(nm.km)

Hệ số đảo tán sắc (negative dispersion) trong sợi quang thường là -100 - -130 ps/(nm.km)

Để giảm thiểu chi phí, và suy hao PCFs cần ngắn nghĩa là đảo tán sắc càng lớn càng tốt Đồng thời cần bù tán sắc trên những tần số sử dụng trong DWDM (dense wavelength division multiplexing)

Hiện tượng đảo tán sắc PCFs trên dải rộng

2

D ( λ)=−λ

c

d2

ℜ[n eff]

d λ2

Bộ bù tán sắc:

Sợ bù tán sắc là sợ có hiệu ứng tán sắc ngược lại với sợi quang dùng trong hệ thống truyền dẫn

D1L1+D2L2=D T

 D1, L1 tương ứng là hệ số tán sắc và chiều dài của sợi SMFs,

 D2, L2 … sợi PCFs

 Chiều dài sợi PCFs (L2) được chọn sao cho DT= 0;

Độ tán sắc âm lớn trong khoảng từ 1.4um đến 1.7um

Giá trị tối ưu DC-PCFs cho hệ số tán sắc âm nhiều trong khoảng -230 đến 435 ps/(nm.km) trong dải bước song từ 1.46 đến 1.63 um

Yêu cầu tán sắc để truyền dẫn ở tốc độ 40Gbps là ± 64 ps/nm

Hệ số suy hao dưới 10e-4 db/m cho bước song từ 1.46 đến 1.63 um cho vòng 9 lỗ, đây là giá trị chấp nhận được trong cáp quang

Hệ số suy hao trong sợ PCFs rất thấp Suy hao do uốn ông với bán kính từ 5-15mm là gần như nhau Khi bán kính cong khoảng 3 mm thì suy hao do uốn cong vẫn dưới 10e-4 db/m trong dải thông sử dụng (1.46 đến 1.625um)

Suy hao ghép nối với sợ đơn mode:

L s=−20 log102 w SMF w PCF

w SMF2

+w PCF2 dB

3 Tống kết:

 Thông qua bài tập nhóm đã tìm hiểu về các vấn đề sau:

 Hiểu được các loại tán sắc trong 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 của photonic Crystal

Phương pháp bù tán sắc kích thước nano:

 Bù tán sắc sử dụng cặp lỗ khuyết trong photonic crystal

 Bù tán sắc sử dụng sợi DC- PCFs

 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 bài giảng cô Chi