Các hiệu ứng phi tuyến

Các hiệu ứng phi tuyến

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Giảng viên: Trần Thủy Bình

CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

BÀI TIỂU LUẬN

Chuyên đề 3: Các hiệu ứng phi tuyến

Thuyết trình: Nhóm 11_ Lớp D11VT5

2 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến

3 Chiều dài và diện tích hiệu dụng

II Các hiệu ứng phi tuyến

1 Loại thứ nhất phát sinh do sự tác động qua lại giữa các sóng ánh sang và các photon

a Tán xạ do kích thích Brillouin (SBS)

b Tán xạ do kích thích Raman (SRS)

Mục lục

2 Loại thứ hai phát sinh do sự phụ thuộc của chiết suất cường độ điện trường hoạt động,tỉ lệ bình phương với biên độ điện trường

a Hiệu ứng tự điều pha (SPM- Self-Phase Modulation)

b.Hiệu ứng điều chế xuyên pha (CMP-Cross-Phase Modulation)

c.Hiệu ứng trộn bốn bước song (FMP-Four-Ware Mixing)

III Tổng kết

I Giới thiệu chung

1 Định nghĩa

Hiệu Ứng Quang Phi Tuyến

• Khái niệm: Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của

nó phụ thuộc vào cường độ sáng ( công suất )

• Với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải

( vài mW ) với tốc độ lên đến 2,5 Gbps thì có thể bỏ qua các hiệu ứng phi

tuyến Nhưng với tốc độ cao hơn hay với mức công suất truyền dẫn cao

hơn thì lúc này ta buộc phải tính đến các ảnh hưởng của hiệu ứng phi

tuyến đối với hệ thống

2 Phân loại

Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra làm 2 loại

• Loại thứ nhất phát sinh do sự tác động qua lại giữa các sóng ánh sang và các photon.Ở đây ta xét 2 loại hiệu ứng chính là

-Tán xạ do kích thích Brillouin (SBS)

-Tán xạ do kích thích Raman (SRS).

• Loại thứ hai phát sinh do sự phụ thuộc của chiết suất cường độ điện trường hoạt động,tỉ lệ bình phương với biên độ điện trường

-Hiệu ứng tự điều pha (SPM- Self-Phase Modulation)

-Hiệu ứng điều chế xuyên pha (CMP-Cross-Phase Modulation)

-Hiệu ứng trộn bốn bước song (FMP-Four-Ware Mixing)

Các hiệu ứng quang phi tuyến

3.Chiều dài và diện tích hiệu dụng

Các Hiệu Ứng Quang Phi Tuyến

Khi lan truyền trong sợi quang,công suất tín hiệu giảm đi do suy hao của sợi

quang.Vì vậy hầu hết các hiệu ứng phi tuyến xảy ra ngay trong khoảng đầu của sợi

quang và giảm đi khi tín hiệu lan truyền

Hình 1: a.phân bố công suất đặc trưng dọc theo chiều dài Lcủa tuyến;

3.Chiều dài và diện tích hiệu dụng

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

Giả sử năng lương không thay đổi qua 1 độ dài hiệu dụng cố định L eff thì

độ dài hiệu dụng Leff được tính theo công thức :

Trong đó : Pin :công suất truyền trong sợi quang

: công suất tại điểm z trên tuyến

Suy ra

3 Q

a) Mô hình quang hình

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

• AS lan truyền trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần

• Xét quá trình lan truyền AS bên trong sợi quang

• Sợi đa mode chiết suất bậc (MM-SI)

• Sợi đa mode chiết suất giảm dần (MM-MI)

• Sợi đơn mode (SM)

Hình 7

a) Mô hình quang hình

• Sợi đa mode chiết suất phân bậc

Ánh sáng truyền trong sợi được xem như những tia sáng đi theo đường

a) Mô hình quang hình

Có 2 loại đường đi : loại tia trục và tia xiên Các tia trục

là những tia nằm trên mặt phẳng chứa trục trung tâm

của sợ quang, các tia xiên là những tia không nằm trên

mặc phẳng này

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

Hình 9 Các tia trục và tia xiên

a) Mô hình quang hình

• Sợi đa mode chiết suất giảm dần

Ánh sáng được khúc xạ qua các lớp chiết suất này khiến cho góc tới liên tục

giảm và sẽ giảm nhỏ hơn góc tới hạn trước khi đi đến phần tiếp giáp vỏ-lõi

a) Mô hình quang hình

• Sợi đơn mode

Ánh sáng truyền trong loại sợi này được xem như những tia đi theo đường

thẳng song song với trục

b) Mô hình sóng

• Sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang tuân theo hệ phương trình

Maxwell Với một môi trường điện môi đẳng hướng, tuyến tính, không có

dòng điện, các phương trình này có dạng:

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

z

e y

e x

R=r/a là tọa độ bán kính chuẩn hóa (a là bán kính lõi sợi quang)

U, W là các giá trị đặc trưng cho lõi và bọc

β : hằng số truyền lan của các mode trong sợi quang

(n2k < β < n1k)

Số mode truyền sóng

được xác định

SI

b) Mô hình sóng

• Mode lan truyền trong sợi quang

 Mode là nghiệm của phương trình

sóng thỏa mãn các điều kiện biên tại ranh giới giữa lõi – sợi

 Giải phương trình Maxwell ta thu

được các mode TElm, TMlm, EHlm,

HElm

 Sự chồng chập các mode tự nhiên

 mode phân cực tuyến tính (LP)

 Mỗi mode có dạng điện từ trường

không đổi lan truyền trong lõi sợi

 Các chỉ số mode

2l: số đỉnh cực đại (cực tiểu) của trường khi tọa độ góc thay đổi từ 0-2 π ;

m: số điểm cường độ cực đại của trường khi tọa độ bán kính thay đổi từ 0

đến ∞

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

Hình 12 : Các đường sức của 4 mode tự nhiên bậc thấp trong sợi SI

b) Mô hình sóng

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

Hình 13 : Kết hợp các mode HE21+TE01 và HE21+ TM01 thành các mode LP11

a) Cấu tạo của 2 mode LP từ 2 mode tự nhiên và phân bố trường TE và cường độ

b) Mô hình sóng

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

Minh họa đồ thị cường độ và hình mẫu 1 số mode LP

b) Mô hình sóng

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

Minh họa đồ thị cường độ và hình mẫu 1 số mode LP

b) Mô hình sóng

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

Điều kiện đơn mode

 Không phải mode sóng nào cũng truyền được trong sợi quang Mỗi mode LPnm

có Vcn tương ứng

 Khi V>Vcn mode thứ n mới truyền trong sợi quang

Một vài trị số Vcn bậc thấp Từ công thức

Ta có thể xác định λc( bước sóng cắt)

b) Mô hình sóng

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

Đường kính trường mode

• Khi đề cập đến kích thước vật lý của lõi sợi quang , người ta sử dụng đại lượng đường kính lõi sợi

• Đường kính trường mode (2p) : là đường kính tại đó biên độ trường giảm đi e lần ( e=2.718 )

• 2p phụ thuộc λ (λ càng lớn thì 2p càng tăng )

• Sợi SM-SI : 2p>2a

Hay

III Tham số cơ bản của sợi quang

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

Suy hao trong sợi quang

• Khái niệm : Suy hao là tham số thể hiện sự tổn thất công suất ánh sáng trong sợi

quang

• Biểu thức tính suy hao

• Đơn vị suy hao

 Đơn vị tuyến tính : m-1 hoặc km-1

Đơn vị logarit : dB/km

• Để tiện sử dụng : suy hao được xác định bằng công thức sau

Suy hao

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

Những nguyên nhân gây suy hao

Hấp thụ Tán xạ tuyến tính Uốn cong

Suy hao trong sợi quang

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

• Suy hao do tán xạ tuyến tính

Do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi (vật liệu,cấu trúc)  suy hao công suất quang được truyền ( Công suất được truyền sang từ mode rò hay mode bức xạ )

 Tán xạ Rayleigh : xảy ra do sự không đồng nhất có kích thước nhỏ hơn bước sóng ( khoảng

1/10) trong sợi quang làm tia sáng bị tỏa ra nhiều hướng

Hệ số tán xạ

γR (m-1): Hệ số tán xạ Rayleigh n: chiết suất môi trường

p: hệ số quang đàn hồi trung bình

βc (m2/N): độ nén đẳng nhiệt tại nhiệt

độ TF (K)K: hằng số Boltzman = 1,381.10-23 JK-1

Suy hao trong sợi quang

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

 Tán xạ Rayleigh ( tiếp )

Hệ số tán xạ Rayleigh liên hệ với hệ số suy hao truyền dẫn

L : độ dài sợi quang

Hệ số suy hao trên 1km là Lkm với L=1000m  Hệ số suy hao do tán xạ Rayleigh

Suy hao trong sợi quang

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

• Suy hao do uốn cong

 Uốn cong vi mô : sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên , thường xảy ra khi sợi được

bọc thành cáp

 Uốn cong vĩ mô : uống cong có bán kính uống cong lớn hơn đường kính sợi

Sợi càng bị uốn cong  suy hao càng tăng

 Bán kính uốn cong cho phép của sợi đa mode

 Bán kính uống cong của sợi đơn mode

Suy hao trong sợi quang

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

 Đặc tính suy hao trong sợi quang

Hai dải bước sóng (cửa

sổ) sử dụng cho thông tin

quang

- 1550 nm: 0.25 dB/km

- 1310 nm: 0,4 dB/km

Với dải 850 nm : 2dB/km

IV Tổng kết

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

 Cấu tạo sợi quang : hình trụ tròn , làm tự vật liệu trong suốt , gồm : lõi , vỏ phản xạ , vỏ

bảo vệ

 Phân loại sợi quang

 Đặc tính truyền dẫn : Đơn mode , đa mode

 Chiết suất lõi sợi : SI , GI

 Vật liệu chế tạo : Thủy tinh , nhựa , vật liệu đặc biệt

 Tham số cơ bản : tán sắc , phi tuyến cao , duy trì phân cực

 Quá trình lan truyền AS trong sợi quang

 Mô hình quang hình

 Mô hình sóng

 Tham số cơ bản của sợi quang

Suy hao

Tài liệu tham khảo

NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

 Kỹ thuật thông tin quang 1 ( hệ đào tạo từ xa ) , Học viện CNBCVT , 2009

 Kỹ thuật thông tin sợi quang , HV CNBCVT , 6/2010

 Optical fiber communication , G.Keiser , 2001