hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Nhóm hiệu ứng tán xạ không đàn hồi  Đặc trưng bởi:  Hệ số độ lợi g m/w  Độ rộng phổ Δf đối với độ lợi tương ứng  Công suất ngưỡng Pth của ánh sáng tới – mức công suất mà tại đó suy

Trang 1

Click to edit Master title style

HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG SỢI QUANG

Trang 5

TỔNG QUAN

 Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang xảy ra do

sự thay đổi hệ số khúc xạ trong sợi và hiện

tượng tán xạ không đàn hồi.

 Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các

tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất)

Trang 6

PHÂN LOẠI

- Phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử) trong môi trường silica

- Tán xạ Rayleigh: tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và tán xạ do kích thích Raman (SRS).

- Sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường

độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên

độ điện trường(Kerr)

- Hiệu ứng tự điều pha (SPM - Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross- Phase Modulation) và hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM - Four-Wave Mixing)

Trang 7

PHÂN LOẠI

Trang 8

THÔNG SỐ LIÊN QUAN

 Chiều dài hiệu dụng Leff

 Diện tích hiệu dụng Aeff

 Cường độ hiệu dụng Ieff

Trang 9

CHIỀU DÀI HIỆU DỤNG

 Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến xảy ra ngay trong

khoảng đầu của sợi quang và giảm đi khi tín hiệu lan truyền.

 Giả sử:

 Pin: công suất truyền trong sợi quang

=> P(z) = Pin exp(−αz) là công suất tại điểm z trên tuyến, với α là hệ số suy hao L được kí hiệu là chiều dài

thực của tuyến Chiều dài hiệu dụng của tuyến được

kí hiệu là Leff được định nghĩa như sau:

Trong hệ thống với bộ khuếch đại quang:

Trang 10

DIỆN TÍCH HIỆU DỤNG

 Diện tích vùng lõi hiệu dụng A eff (để giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến thì phải tăng diện tích hiệu dụng của sợi)

r I d rdr

r I d

rdr A

θ

θ θ

) , (

2

Trang 11

Ieff = P/AeffP: công suất xung

Diện tích hiệu dụng của SMF khoảng 85 µm2 và của DSF khoảng 50 µm2 (Các sợi quang bù tán sắc có diện tích hiệu dụng nhỏ hơn và do đó có ảnh hưởng phi tuyến lớn hơn.)

CƯỜNG ĐỘ HIỆU DỤNG

Trang 12

 Nhóm hiệu ứng khúc xạ phi tuyến:

• Hiệu ứng tự điều pha SPM

• Hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM

• Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM

Trang 13

Nhóm hiệu ứng tán xạ

không đàn hồi

 Đặc trưng bởi:

 Hệ số độ lợi g (m/w)

 Độ rộng phổ Δf (đối với độ lợi tương ứng)

 Công suất ngưỡng Pth của ánh sáng tới –

(mức công suất mà tại đó suy hao do tán xạ

là 3 dB, tức là một nửa công suất trên toàn bộ

độ dài sợi quang)

Trang 14

Tán xạ do kích thích

Raman- SRS

Hiện tượng:

 Photon của ánh sáng tới chuyển một phần

năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn

 Phần còn lại được phát xạ thành ánh sáng có

bước sóng của ánh sáng tới (ánh sáng Stoke)

 Khi tín hiệu trong sợi quang có cường độ lớn,

quá trình này trở thành quá trình kích thích

Raman

Trang 15

Raman- SRS

Tính chất:

 SRS sinh ra bởi sự chuyển động của các

phân tử do mật độ năng lượng cao trong sợi quang

 Ánh sáng tán xạ được phát ra ở tần số thấp

(bước sóng dài) hơn tín hiệu tới

Trang 16

 Sự suy hao năng lượng trong các kênh có bước sóng nhỏ hơn

làm giảm hiệu suất truyền của chúng

 Tuy nhiên hệ số khuếch đại Raman nhỏ  có thể được bù bằng

cách sử dụng kĩ thuật cân bằng phù hợp

EDFA

Trang 18

Raman- SRS

Công suất ngưỡng cho SRS:

PthSRS = 16Aeff /gR Leff =(16αAeff)/gR

 VD: gR ≈ 1x10 -13 m/W tại λ = 1550nm

Lấy α = 0.046 1/km = 0.2dB/Km và Aeff= 55 μm 2

Tính được PthSRS = 405mW

Trang 20

Brillouin- SBS

 Phonon quang học và âm học:

 Trong vật lý học, một phonon là một giả hạt có

đặc tính lượng tử của mode dao động trên cấu trúc tinh thể tuần hoàn và đàn hồi của các chất rắn.

 Khi các tế bào đơn vị có nhiều hơn một nguyên

tử, các tinh thể sẽ bao gồm hai loại phonon: âm học và quang học

 Phonon quang học dễ dàng bị kích thích bằng cách ánh sáng, các ion âm và dương dao

động ngược chiều.

 Phonon âm thanh ion dương và âm dao động ngược chiều.

Trang 21

Brillouin- SBS

Phonon quang học và âm học:

Trang 22

 >Không gây ra bất kì tác động qua lại nào

giữa các bước sóng khác nhau khi khoảng cách bước sóng > 20MHz

 Tạo ra độ lợi theo hướng ngược lại với

hướng lan truyền tín hiệu (hướng về nguồn)

 làm suy giảm tín hiệu mạnh

Trang 23

Brillouin- SBS

Ảnh hưởng:

 Làm suy yếu năng lượng tín hiệu tới, năng

lượng này làm giảm khoảng cách khẩu độ sợi quang cho phép

 Hệ số độ lợi:

 GB ~ 4x10-11 m/W, không phụ thuộc vào bước sóng.

 Công suất ngưỡng cho SBS

 PthSBS=21Aeff /gB Leff

Trang 25

Nhóm hiệu ứng khúc xạ

phi tuyến

Xảy ra do sự phụ thuộc của độ cảm vào cường

độ trường E của xung quang

Biểu thức vector phân cực:

 Tuy nhiên trong môi trường phi tuyến:

Ở đây: ɛ - hằng số điện môi, χ(i) – độ cảm bậc i

E

P = ε0χ

3 )

3

( 0

2 )

2

( 0

) 1

(

Trang 28

Hiệu ứng tự điều pha

SPM

Hiện tượng:

 Chiết suất của môi trường

truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền

 Sự dịch tần phi tuyến làm

cho sườn trước của xung dịch đến tần số ω < ω0 và sườn sau của xung dịch đến tần số ω > ω0  phổ của tín hiệu bị co dãn

Trang 29

SPM

Độ dịch pha:

(L: chiều dài truyền sóng)

Năng lượng truyền cao:

Trang 30

Hiệu ứng tự điều pha SPM

Thành phần phi tuyến gây ra độ dịch tần:

 dI/dt > 0 :

 dI/dt < 0 :

 Hiện tượng chirp: sự thay đổi độ tán sắc gây ra

sự méo dạng và thay đổi mật độ của xung

Trang 31

SPM

Tính chất:

 Nếu D là hệ số tán sắc của sợi quang thì

• Với D < 0 : thành phần tần số cao (ω > ω0 ) sẽ lan truyền nhanh hơn thành phần tần số thấp -> xung dãn ra

• Với D > 0 : thành phần tần số cao ω > ω0 lan truyền chậm hơn thành phần tần số thấp - > xung

co lại

Trang 32

SPM

Ảnh hưởng:

• Dẫn đến sự giao thoa gây nhiễu giữa các kênh ( đặc

biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau)

Trang 33

Hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM

Hiện tượng:

• Xảy ra khi có nhiều kênh trên một đường truyền.

• Sự phụ thuộc của độ dịch pha của một kênh vào

cường độ ( công suất) của các kênh kia

Tính chất:

• Liên quan hiện tượng chirp tương tự như SPM Do

sự tương tác lẫn nhau của các xung  mức chirp tăng

• Các xung chồng chéo nhau gây ra sự tăng cục bộ về

mặt năng lượng, thay đổi chỉ số khúc xạ  làm tăng

Trang 34

Tính chất:

 Hệ số lan truyền:

 Độ dịch pha: (do hiệu ứng phi tuyến)

Trang 35

Tính chất:

 Với hệ thống N kênh truyền:

Pi : công suất vào của kênh i

 Ví dụ:

2 kênh:

Trang 36

Ảnh hưởng

• ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn thông

qua cơ chế giống như SPM: tần số chirping và tán sắc

• CPM có thể ảnh hưởng đến hệ thống mạnh

hơn do có thêm các hệ số mới sinh ra

• Phân kênh trong các kênh truyền OTDM

(truyền kênh phân chia theo thời gian)

• Chuyển đổi bước sóng trong WDM

• Nén xung phi tuyến

Trang 37

Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM

 Tương tác này có thể xuất hiện

• Giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống WDM

• Giữa bước sóng tín hiệu với tạp âm ASE cua các

bộ khuếch đại quang

Trang 38

 Tính chất

• Hiệu ứng phi tuyến bậc ba

• Bảo toàn năng lượng

• Bảo toàn mômen — hợp pha

( ) 3 3

PNL = ε χ

3 2

1

3 2

1

Trang 39

 Tính chất:

• Không phụ thuộc vào tốc độ bit, phụ thuộc khoảng cách giữa các kênh và tính tán săc

của sợi

• Quan điểm cơ lượng tử: sự phá hủy photon

ở một số bước sóng và tạo ra một số photon

ở các bước sóng mới sao cho vẫn bảo toàn

về năng lượng và động lượng

Trang 40

 Đa kênh:



 Phân tích thành các thành phần có tần số góc: 2ωp - ωq , 2ωp + ωq , 2ωp + ωq + ωr , ωp ± ωq ± ωr

Trang 41

Ảnh hưởng:

 Làm giảm công suất

của các kênh tín hiệu

được tạo ra có thể rơi

vào các kênh tín hiệu

-> gây nhiễu

channels

N f ijk = f i + f j − f k

Trang 42

Ảnh hưởng

 Làm giảm chất lượng BER (tỉ lệ lỗi bit) của hệ

thống

 Khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống

càng nhỏ, ảnh hưởng càng lớn (cũng như khi khoảng cách truyền dẫn lớn và công suất các kênh là lớn)

 hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn

Trang 44

 Hiệu ứng XPM không chỉ gây ra các ảnh hưởng tới tán

sắc của hệ thống mà còn gây ra sự giãn rộng phổ của kênh quang không những làm méo cường độ của kênh

mà còn có thể ảnh hưởng tới các kênh lân cận nếu

khoảng cách giữa các kênh không được đảm bảo

 Để giải quyết vấn đề ảnh hưởng giãn rộng phổ của hiệu

ứng XPM tới các kênh lân cận thì cách tốt nhất là đảm bảo khoảng các kênh an toàn Đảm bảo khoảng cách

kênh an toàn cũng có nghĩa là giảm độ rộng phổ của các nguồn phát quang trong hệ thống WDM, tức là sử dụng các nguồn phát quang có độ rộng phổ hẹp hơn

GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA

HIỆU ỨNG XPM

Trang 45

 Bằng việc phân tích phổ lan truyền của tín hiệu biểu diễn

dưới dạng phương trình Schoedinger phi tuyến và áp

dụng phương pháp hàm chuyển đổi chuỗi Voltera biến đổi Bo Xu đã đưa ra kết quả như sau:

 Méo cường độ của một kênh bất kỳ do hiệu ứng XPM

của kênh thứ k là :

Trang 46

 Trường lan truyền của kênh thứ k tại độ dài L là:

 Méo cường độ của kênh bất kỳ do hiệu ứng XPM của kênh thứ k

là :

 Như vậy ta phải bù công suất của hiệu ứng XPM của kênh thứ k là:

 Trong đó M là số bộ khuếch đại của một tuyến, N là số kênh của tuyến

Trang 47

HIỆU ỨNG FWM

 Hiệu ứng FWM có khả năng gây ra suy giảm công suất của

tín hiệu quang và gây ra xuyên nhiễu cho các kênh của hệ

thống WDM Các sợi có tán sắc thường có ảnh hưởng của FWM nhỏ Khi tổn hao công suất kênh do hiệu ứng FWM cho các kênh là không đáng kể thì hiệu ứng FWM có thể được coi như chỉ có ảnh hưởng xuyên nhiễu tới các kênh của hệ

thống.Thực tế thì chỉ có sợi dịch chuyển tán sắc DSF là có FWM lớn đến mức có thể gây ra suy giảm công suất của các kênh do nó tạo ra điều kiện kết hợp pha

 Hiệu ứng FWM với sự tương tác của 3 kênh f1, f2, f3 là có

ảnh hưởng lớn tới hệ thống sử dụng WDM và EDFA vì nó có thể tạo ra các bước sóng mới nằm trong băng tần của của

Trang 48

Giảm ảnh hưởng của

hiệu ứng FWM

Trang 49

Trang 50

Sợi quang G.655

WDM ,có quan hệ mật thiết với tán sắc của sợi

quang.Để khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng

FWM ta có thể sử dụng sợi quang G.655 (

NZ-DFS)

sợi đơn mode cho thấy rằng suy hao của sợi đạt giá trị nhỏ nhất ở vùng bước sóng 1500 nm

nhưng tán sắc có giá trị thấp nhất (bằng không) lại

ở bước sóng 1300 nm.

Trang 51

Sợi quang G.655

trong các hệ thống hiện nay là sợi đơn mode

SMF-28, G.652

bằng tổng bằng không tại bước sóng gần 1550 nm

dịch chuyển tán sắc khác không (NZ - DSF) Các loại sợi này có tán sắc màu khoảng từ 1 đến 6 ps/nm.km hoặc là -1 đến -6 ps/nm.km ở cửa sổ 1550 nm Ðiều này cắt giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

Trang 52

truyền dẫn đường dài

WDM dung lượng cao.

sợi G655 tránh việc trộn lẫn bốn bước sóng quang

sợi G655 (vẫn nhỏ hơn

sợi SMF) làm giảm thiểu các hiệu ứng phi tuyến

Trang 54

yếu.Hàm độ lợi gain có thể được tăng lên đến 20 dB

 Năng lượng xung bơm được chuyển sang tín hiệu

qua FWM

 Đảo ngược hướng lan truyền và pha của chùm sáng.

 FWM có thể chuyển dữ liệu đến bước sóng khác

 Chùm bơm CW được phóng vào sợi quang cùng với

kênh tín hiệu

 FWM truyền dữ liệ từ tín hiệu đến chùm idler ở một

Trang 55

Nén xung phi tuyến

Chuyển kênh quang siêu nhanh(<1 ps)

Passive mode locking

 Tạo các xung ánh sáng cực ngắn(ps,fs)

thông qua buồng cộng hưởng

Chia kênh trong hệ thống OTDM

Chuyển đổi bước sóng trong WDM

Trang 56

Bộ khuếch đại Raman là một lợi ích cho hệ

thống WDM

Có thể dùng trong toàn bộ dải 1300-1650 nm

Bộ khuếch đại sợi quang pha bị giới hạn ~40nm

Bản chất phân tán của bộ khuếch đại làm giảm

nhiễu

Có khả năng mở ra một băng tần mới

Trang 57

Liên hợp pha tạo bởi SBS

Nén xung tạo bởi SBS

SBS tăng cường FWM

Ánh sáng chậm tạo bởi SBS

Trang 58

Supercontinum generation

Trang 59

Click to edit Master title style

Thầy cô và các bạn đã chú ý lắng nghe!

Định dạng
Số trang	59
Dung lượng	1,81 MB