sợi quang phi tuyến - môn kỹ thuật thông tin sợi quang

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Khoa Điện tử - Viễn thông
Bài tập lớn
Môn: Kỹ thuật thông tin sợi quang
Chủ đề: Sợi quang phi tuyến
Giảng viên hướng dẫn: Trần Thúy Bình
Sinh viên thực hiện:
Hà nội, tháng 10 năm 2012
Bùi Tiến Hiếu
Nguyễn Văn Hải
Phạm Văn Nam
Trịnh Văn Quyết
1. Giới thiệu
Sợi quang phi tuyến liên quan đến các hiện tượng quang học phi tuyến xảy bên
trong sợi quang. Mặc dù lĩnh vực quang học phi tuyến bắt đầu năm 1961, khi một
laser hồng ngoại lần đầu tiên được sử dụng để tạo ra các bức xạ sóng hài bậc hai
bên trong một tinh thể, việc sử dụng các sợi quang học như một môi trường phi
tuyến trở nên khả thi chỉ sau năm 1970 khi suy hao sợi giảm xuống dưới 20 dB /
km. Tán xạ Raman và Brillouin trong sợi đơn mode đã được nghiên cứu từ rất sớm
năm 1972 và tiếp theo là nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến khác như SPM,
XPM và FWM.
Sợi quang học phi tuyến đã tiếp tục phát triển trong những năm 1990. Sự tăng
trưởng này được thúc đẩy bởi những tiến bộ gần đây trong công nghệ sóng quang,
quan trọng nhất là sự ra đời của hệ thông tin sợi quang dung lượng lớn. Trong các
hệ thống như vậy, tín hiệu phát được khuếch đại bằng cách sử dụng các bộ khuếch
đại quang để bù cho suy hao sợi quang còn lại. Kết quả là, các hiệu ứng phi tuyến
chồng chất trên một khoảng cách dài, và chiều dài tương tác thực tế có thể vượt
quá hàng nghìn kilômet
2. Đặc tính sợi
2.1 Sợi đơn mode
Một sợi quang giống như một sợi thủy tinh mỏng và bao gồm một lõi ở trung

tâm được bao quanh bởi một lớp vỏ có chiết suất thấp hơn chiết suất lõi. Cả lõi và
vỏ được làm bằng silica nung chảy,một loại vật liệu thủy tinh với suy hao cực thấp
(khoảng 0,2 dB / km) trong vùng hồng ngoại có bước sóng 1,5µm. Sự khác biệt
chiết suất giữa lõi và vỏ được thực hiện bằng việc thêm vào GeO
2
và P
2
O
5
làm tăng
chiết suất của silicat nguyên chất và phù hợp cho lõi, trong khi vật liệu như
Bo và Flo được sử dụng cho vỏ vì nó giảm chiết suất của silica. Sự khác biệt chiết
suất giữa lõi và vỏ (dưới 1%) làm cho ánh sáng truyền dọc theo chiều dài sợi nhờ
hiện tượng phản xạ toàn phần.
Các thuộc tính của một sợi quang học được đặc trưng bởi một tham số không thứ
nguyên được định nghĩa là
Trong đó a là bán kính lõi, ω là tần số của ánh sáng , và n
1
và n
2
tương ứng là
chiết suất của lõi và vỏ. Tham số V xác định số lượng các mode hỗ trợ của sợi. Sợi
quang với V<2,405 chỉ hỗ trợ một mode duy và được gọi là sợi single-mode (đơn
mode). Với những sợi có lõi rất nhỏ (a <5 µm) , được sử dụng hầu như dành riêng
cho một loạt các ứng dụng bao gồm truyền thông quang học.
2.2 Sợi phi tuyến
Đặc trưng của một số chất điện môi là để ánh sáng trở nên phi tuyến cho cường
độ điện từ trường.Trong khu vực trong suốt của sợi quang, các hiệu ứng phi tuyến
bậc thấp nhất có nguồn gốc từ độ cảm bậc 3 χ
(3)

, và chịu trách nhiệm về các hiện
tượng như third-harmonic generation, FWM, và khúc xạ phi tuyến.Trong số các
khúc xạ phi tuyến, một hiện tượng được đề cập đến sự phụ thuộc cường độ của các
chỉ số khúc xạ ( chiết suất), đóng vai trò quan trọng nhất. Chiết suất của sợi mode
có một hình thức chung:
trong đó n(ω) là một phần tuyến tính của các chỉ số mode tại tần số ω , I là cường
độ quang học, và n
2
là tham số phi tuyến liên quan đến χ (3). Một vài cơ chế vật lý
đóng góp vào n
2
, sự đóng góp chi phối đến từ dao động điều hòa của các electron
hóa trị. Bởi vì một phản ứng nhanh của các điện tử như vậy, sự phụ thuộc tần số
của n
2
có thể được bỏ qua.
Sự phụ thuộc chiết suất dẫn đến một số lượng lớn các hiệu ứng phi tuyến, hai
nghiên cứu rộng rãi nhất là SPM và XPM. SPM đề cập đến độ lệch pha tự cảm của
một trường quang học trong quá trình lan truyền bên trong sợi quang. Cường độ
của nó có thể thu được bằng cách ghi nhận rằng pha của một trường quang học
thay đổi trong quá trình truyền qua sợi theo
trong đó k
0
= ω/c =2π/λ, λ là bước sóng, L là chiều dài sợi quang, độ lệch pha phi
tuyến là kết quả từ SPM φ
NL
= n
2
k
0

LI.
Nhựa Silica là một môi trường phi tuyến yếu với một giá trị đo được của n
2
≈ 2.7 ×
10
-20
m
2
/W. Đối với sợi silica, giá trị này có thể khác nhau trong phạm vi n
2
= 2,2
÷ 3,0 × 10
-20
m
2
/ W, nó phụ thuộc vào mật độ tạp chất và bảo toàn sự phân cực của
ánh sáng . n
2
tương đối nhỏ so với hầu hết các phương tiện truyền thông phi tuyến,
độ lệch pha phi tuyến φ
NL
có thể tăng khi cường độ I được tăng cường trong sợi
quang học có đường kính nhỏ mode (thường <10 µm). Đồng thời, suy hao tương
đối thấp trong sợi có thể duy trì cường độ này trên đường truyền dài (khoảng 10
km). Suy hao sợi được bù lại định kỳ bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại quang,
chiều dài L có thể vượt quá hàng ngàn kilomet.
2.3 Tán xạ vận tốc nhóm
Như đã thấy trong phương trình.(9.2), chiết suất trong sợi cũng phụ thuộc vào tần
số quang học ω. Độ tán sắc đóng một vai trò quan trọng trong sợi quang học phi
tuyến và dẫn đến sự hình thành các solitons quang học trong những điều kiện nhất

định. Để hiểu ý nghĩa của nó, hãy xem xét một sợi đơn mode có chiều dài L. Một
đặc trưng thành phần quang phổ tại tần số ω sẽ đến vào cuối đầu ra của sợi sau
thời gian trễ T = L / v
g
, v
g
là vận tốc nhóm được định nghĩa là v
g
= (dβ / dω)
-1
và
β = n(ω). ω / c là hằng số truyền lan. Sự phụ thuộc tần số của vận tốc nhóm dẫn
đến mở rộng xung, bởi vì các thành phần phổ khác nhau của xung không đến đồng
thời tại đầu ra sợi. Nếu Δω là độ rộng xung của quang phổ, độ mở rộng xung được
chi phối bởi
Hiện tượng này được gọi là tán xạ vận tốc nhóm( GVD ), và tham số
β
2
= d
2
β/dω
2
được biết đến như là tham số GVD.
Trong sợi silica chuẩn, β
2
đổi dấu từ dương sang âm khi độ dài bước sóng ánh
sáng tăng qua 1.3μm.Tại đó β
2
mang giá trị âm được gọi là bất qui tắc - chế độ
GVD. Độ lớn của β

2
có thể được điều khiển bởi sự dịch chuyển của độ dài bước
sóng tại vị trí β
2
đổi dấu. Dịch chuyển tán sắc sợi sử dụng cho truyền thông quang
học được thiết kế để có β
2
= 0 gần bước sóng 1.5 μm. Có thể thiết kế sợi sao cho β
2
tương đối nhỏ hơn so với dãy bước sóng mở rộng từ 1.3 tới 1.6 μm. Sợi như vậy
được gọi là tán sắc sợi phẳng. Gần đây,người ta đã cố gắng tạo ra sợi có tác dụng
làm giảm GVD dọc chiều dài sợi, qua sự thayđổi hướng trục trong bán kính lõi.
Sợi như vậy được gọi là sợi giảm tán sắc và có thể sẽ trở thành loại sợi quan trọng
trong tương lai gần.
3. Xung lan truyền trong sợi:
3.1. Phương trình Schrodinger phi tuyến
Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang được theo dõi bằng cách sử dụng
xung quang ngắn bởi vì các hiệu ứng tán sắc được tăng cường cho mỗi xung như
vậy. Sự lan truyền của xung quang trong sợi có thể được nghiên cứu dựa trên
phương trình Maxwell’s.
Trong đó A( z, t) sự thay đổi chậm đường bao liên kết với xung quang, α thể hiện
suy hao sợi, β
2
chi phối các hiệu ứng GVD, và γ là tham số phi tuyến xác định bởi:
Trong đó A
eff
là diện tích lõi hiệu dụng của sợi. Phương trình này tương thích cho
xung mở rộng hơn 5 ps. Trong mô tả chính xác về dạng xung ngắn, độ tán sắc bậc
cao và điều kiện phi phải được thêm vào NSE.
3.2. Điều chế không ổn định:

Xem xét sự lan truyền của một sóng ánh sáng liên tục có công suất đầu vào là P
0
bên trong sợi quang. Nếu suy hao sợi được bỏ qua α=0, công thức (9.5) là cách giải
quyết dễ dàng để hiệu suất
với
là sự dịch pha phi tuyến SPM. Công thức (9.5) cho thấy chùm tia CW chỉ lan
truyền bên trong sợi quang một cách cố định ngoại trừ khi có được nguồn phát phụ
thuộc vào sự chuyển pha.
Ω thể hiện tần số nhiễu xạ và K là giá trị số của sóng kết hợp với nó. sử dụng
công thức (9.7) và (9.8) ta có:
Độ tán sắc hiển thị ở công thức (9.9) cho thấy tính ổn định của giải pháp CW
phụ thuộc rất nhiều vào GVD của ánh sang đi trong sợi quang theo kiểu bình
thường hay bất bình thường.
Trong trường hợp bình thường, GVD có ( β
2
> 0 ), K là số lượng sóng thực với
mọi Ω, chùm tia CW ổn định chống lại sự nhiễu xạ. Trong trường hợp GVD bất
bình thường ( β
2
< 0 ), K trở thành phần ảo cho loạt tần số, nhiễu xạ a( z, t ) phát
triển theo hàm mũ với z. Theo đó, sự lan truyền của tia CW qua sợi quang không
ổn định khi β
2
< 0. Độ bất ổn này được gọi là điều chế không ổn định vì nó dẫn đến
sự biến điêu tự phát của tín hiệu CW với tần số nào đó và có giá trị phụ thuộc vào
giá trị của nguồn. Tương tự tính không ổn định xảy ra trong nhiều các hệ thống phi
tuyến khác và thường được gọi là sự không ổn định sefl-pulse.
4. Solitons quang học
Sự biến đổi không ổn định trong trạng thái GVD bất thường trong sợi quang là
liên kết sau cùng đến các giải pháp của NSE đã biết như solitons. Ở phần này đầu

tiên chúng ta thảo luận về solitons tối và sáng và rồi tập trung vào phương pháp sử
dụng solitons sáng cho hệ thống truyền thông sợi quang.
Hình 1. Sự biến đổi của một Solitons bậc 3 qua một chu trình Soliton
4.1. Solitons sáng:
NSE thuộc về một lớp đặc biệt của phương trình vi phân phi tuyến có thể giải
quyết được các vấn đề nhờ toán học được gọi là phương pháp tán sắc ngược, nó
được sử dụng và viết theo công thức (9.5 trong một dạng chuẩn , giới thiệu các đơn
vị của solitons:
Trong đó L
D
= T
0
2
/|β2| là sự tán xạ theo chiều dài và T
0
có liên quan đến độ rộng
xung. Nếu suy hao sợi được bỏ qua ( α=0) phương trình (9.5) đưa ra được công
thức
Trong đó dấu + hoặc - được chọn tuỳ theo GVD là dị thường hay là bình thường.
NSE hỗ trợ cho solitons trong cả hai trường hợp GVD ở trạng thái bình thường và
bất bình thường.
Xem xét trước tiên cho trường hợp solitons sáng bằng cách chọn dấu hiệu + trong
công thức ( 9.11 ). Khi xung đầu vào có biên độ ban đầu
khi N=1 hình dạng của xung không thay đổi trong suốt quá trình truyền dẫn nhưng
khi N>1 loại xung đầu vào được thu lại tại ξ = mπ / 2 trong đó m là số nguyên.
Xung quang tương ứng với N=1 được gọi là các silitons cơ bản.
Tham số N đại diện cho các bậc của solitons
Hình 2. Biến đổi của một xung Gauss với N=1 qua biên độ ξ = 0÷10
Hình. 1 cho thấy sự biến đổi của một soliton bậc 3 (N=3) qua một chu trình
soliton (z

0
= (π / 2) L
D
). Soliton này biểu diễn một tần số nhỏ, xác định như đạo
hàm theo thời gian của pha soliton. Soliton của NLS với N=1 có thể được viết là
Nó cho thấy rằng, xung đầu vào có được một sự dịch chuyển pha ξ / 2 khi nó
truyền bên trong sợi, nhưng biên độ của nó vẫn không thay đổi. Đây là tính chất
của solitons làm cho nó trở thành điều kiện lý tưởng cho truyền thông quang học.
Về bản chất, hiệu ứng tán sắc của sợi được bù đắp chính xác bởi sợi phi tuyến khi
xung đầu vào của một "sech" có hình dạng, chiều rộng và công suất đỉnh liên
quan khi N = 1.
Tính chất quan trọng của soliton quang học là sự ổn định, chống lại nhiễu. Như
vậy, mặc dù các soliton cơ bản đòi hỏi một hình dạng cụ thể và một công suất đỉnh
nhất định, nó có thể được tạo ra ngay cả khi hình dạng xung và công suất đỉnh đi
qua các điều kiện lý tưởng.
Hình. 2 cho thấy sự phát triển của xung đầu vào Gaussian khi N = 1 nhưng u(0,
τ) = exp (-τ
2
/ 2). Như đã thấy, xung điều chỉnh hình dạng và chiều rộng của nó để
trở thành một soliton cơ bản và đạt được một "sech" riêng cho ξ >>1. Một trạng
thái tương tự được quan sát thấy khi N khác 1. Trong thực tế, một soliton cơ bản có
thể kích thích cho các giá trị của N trong khoảng 0,5÷1,5.
4.2. Soliton tối
NSE có thể được giải quyết bằng phương pháp tán xạ ngược, ngay cả trong
trường hợp tán xạ bình thường. Thuộc tính cường độ được biểu diễn theo hướng đi
xuống trong một nền tảng thống nhất, và hướng đi đó vẫn không thay đổi trong quá
trình truyền bên trong sợi. Vì lý do này, các giải pháp như NSE được gọi là
solitons tối. Phần này mô tả ngắn gọn các thuộc tính của soliton tối. NSE mô tả
solitons tối thu được từ biểu thức. (9,11) bằng cách chọn dấu - cho thời gian thứ
hai. Giải pháp chung của nó có thể được viết như sau

Tại
U
0
là biên độ phía sau CW, φ là góc của pha với 0<φ <π / 2, và η và κ là biên độ
và vận tốc soliton tối tương ứng.
Một sự khác biệt quan trọng giữa các soliton sáng và tối là vận tốc κ của soliton
tối phụ thuộc vào biên độ η thông qua góc φ. Khi φ = 0, phương trình (9,14) giảm
, một hình thức cho thấy rằng công suất của soliton
giảm tới không ở trung tâm của hướng đi xuống. Soliton được gọi là soliton đen.
Khi φ ≠ 0, cường độ không giảm xuống bằng không ở trung tâm của hướng đi
xuống; soliton như vậy được gọi là solitons xám. Một tính năng thú vị khác của
solitons tối có liên quan đến họ pha. Ngược lại với solitons sáng có một pha liên
tục, pha của soliton tối thay đổi qua chiều rộng của nó.
Một số kỹ thuật có thể được sử dụng để tạo ra các solitons tối, kể cả điều chế
điện trong một nhánh của giao thoa Mach-Zehnder,chuyển đổi phi tuyến của tín
hiệu trong một sợi tán sắc giảm, và chuyển đổi tín hiệu nonreturn-to-zero (NRZ)
vào tín hiệu (RZ) return-to-zero và sau đó vào solitons tối bằng cách sử dụng một
cân bằng giao thoa kế Mach-Zehnder. Trong một thí nghiệm năm 1995, một tín
hiệu 10 Gb / s được truyền qua 1200 km bằng cách sử dụng các solitons tối. Cải
thiện hơn khả năng xảy ra với sự phát triển của nguồn có khả năng được tạo ra từ
soliton tối của dòng biến động với biên độ nhỏ và chiều rộng.
4,3. Soliton mất quản lý
Như đã thảo luận trước đó, soliton sử dụng sợi phi tuyến để duy trì chiều rộng
trong sợi tán sắc. Tuy nhiên, tính chất này chỉ có nếu suy hao sợi là không đáng kể.
Nó không khó để thấy rằng sự giảm năng lượng trong các soliton vì suy hao sợi sẽ
dẫn đến soliton mở rộng, đơn giản chỉ vì giảm công suất đỉnh làm suy yếu ảnh
hưởng SPM cần thiết để chống lại GVD. Để khắc phục ảnh hưởng của sự suy hao
sợi, solitons cần phải được khuếch đại định kỳ để thu hồi chiều rộng ban đầu, công
suất đỉnh, và năng lượng. Một bộ khuếch đại sợi thường được sử dụng cho mục
đích này.

Một tham số quan trọng quyết định đối với hệ thống thông tin liên lạc đường dài
với khoảng cách L
A
giữa các bộ khuếch đại. Đối với các hệ thống không soliton
lightwave, L
A
thường là trong phạm vi 60÷100 km. Đối với các hệ thống thông tin
liên lạc soliton, L
A
được giới hạn cho các giá trị nhỏ hơn. Lý do là các bộ khuếch
đại quang tăng năng lượng soliton trên một khoảng cách tương đối ngắn (khoảng
10 m). bộ khuếch đại soliton điều chỉnh chiều rộng của nó tự động trong phần sợi
sau bộ khuếch đại quang. Tuy nhiên, nó cũng mất một phần của năng lượng như
tán sắc sóng trong giai đoạn điều chỉnh. Phần tán sắc chứa đáng kể trong giai đoạn
bộ khuếch đại lớn và phải tránh điều này. Một cách để giảm một phần tán sắc là
giảm khoảng cách L
A
giữa các bộ khuếch đại như vậy soliton không thay đổi nhiều
hơn chiều dài.
Soliton được khuếch đại hàng trăm lần trong khi vẫn giữ hình dạng của chúng.
Kể từ khi soliton được chi phối bởi khoảng năng lượng trung bình soliton trên một
bộ khuếch đại, hoạt động ở chế độ này được gọi là chế độ trung bình-soliton,
soliton tương ứng được gọi là soliton hướng trung tâm. Các bộ khuếch đại soliton
có thể được chiếm bằng cách thêm độ khuếch đại và giảm giới hạn cho phương
trình (9,11), kết quả là:
N
A
là tổng số bộ khuếch đại, ξ
A
= L

A
/ L
D
, Γ = αL
D
, và G = exp(αL
A
) để đạt
được khuếch đại cần thiết bù đắp cho suy hao sợi. Hàm delta cho bản chất gộp của
khuếch đại tại ξ = mξA. Các yếu tố √ G - 1 đại diện cho sự thay đổi trong các
soliton biên độ trong quá trình khuếch đại. Trong giới hạn ξA <<1, phương trình
này có thể giảm NSE tiêu chuẩn trong các solution điều khiển trung tâm có sự điều
khiển được quản lý bởi phương trình (9.13), cung cấp năng lượng đầu vào cao
điểm được cho bởi
P
0
là công suất đỉnh khi α = 0. Như một ví dụ, G = 10 và P
in
≈ 2,56 P
0
cho khoảng
cách khuếch đại 50 km và suy hao sợi là 0,2 dB / km.
Tăng công suất đầu vào, cân bằng tác động suy hao sợi trung bình. Hình. 3 cho
thấy sự tiến triển soliton cho trường hợp này trên một khoảng cách10, 000 km. Khi
chiều rộng soliton tương ứng với chiều dài tán sắc 200 km, soliton được bảo toàn
khá tốt, ngay cả sau khi 200 bậc khuếch đại kể từ khi ξA << 1 là hợp lý. Tuy
nhiên,nếu chiều dài tán sắc được giảm xuống 25km, soliton bị triệt tiêu vì nó
không còn lan truyền trong chế độ trung bình-soliton.
4.4. Phương pháp quản lý độ tán sắc.
Công nghệ quản lý độ tán sắc bao gồm việc sử dụng đa phần trong hằng số tán

sắc sợi với độ dài và GVDs là một sự lựa chọn sáng suốt.
Hình 3. Biến đổi của một sự mất quản lý trên khoảng cách 10.000km với L
A
=
50 km cho 2 trường hợp với L
D
= 200 km (hình bên trái) và L
D
= 25 km (bên phải).
Soliton bị triệt tiêu khi bộ khuyếch đại khoảng cách trội hơn với độ dài phân tán.
Công nghệ này thu hút đáng kể sự chú ý từ năm 1995 bởi vì một vài ưu điểm của
nó. Đặc biệt là ưu điểm trong WDM khi mà FWM có thể dẫn tới xuyên âm liên
kênh nếu GVD giảm. Giải quyết vấn đề quản lý độ tán sắc là giảm GVD trung bình
của đầu vào, giữ GVD của mỗi đoạn đủ rộng cho FWM và hiệu quả tán sắc cao
hơn.
Sự lan truyền của solitons qua quản lý tán sắc sợi có thể được nghiên cứu bằng
cách sử dụng công thức (9.11) sau khi bao gồm suy hao sợi và biến thể của GVD
trong độ dài sợi. Sử dụng công thức:
Với là giá trị cơ bản của GVD với . Khoảng cách ξ là
giá trị cơ bản được sử dụng mô tả độ dài L
D
= /|β
2
(0)|.
Sự lan truyền biểu diễn trong công thức (9.18) không dài hơn tiêu chuẩn NSE.
Tuy nhiên, nó có thể truyền vào bên trong NSE bằng cách sử dụng;:
Đây là thông tin truyền cơ bản trong bộ khuếch đại và khoảng cách trong GVD.
Sử dụng ν và ξ’
Nếu GVD được lựa chọn với hoặc , các
điều kiện vế phải của phương trình. (9,20) triệt tiêu, và sự suy hao sợi quang không

ảnh hưởng đến chiều rộng hoặc hình dạng soliton. Vì vậy, các soliton có thể duy trì
sự cân bằng giữa GVD và SPM ngay cả trong một sợi quang tổn hao nếu GVD
giảm theo cấp số nhân là | β
2
(z) | = | β
2
(0) | exp (-αz) dọc theo chiều dài sợi. Như
vậy sợi này được gọi là sợi tán sắc suy giảm .
Kể từ khi sợi với tán sắc chuyển đổi liên tục không sử dụng cho thương mại hóa,
một phương pháp tiếp cận thực tế bao gồm ghép nối nhiều hằng số tán sắc sợi với
các giá trị β
2
khác nhau.
Phương trình. (9,20), không khả tích bởi phương pháp tán xạ ngược. Vì sự khác
biệt lớn trong GVD, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến có thể không được cân bằng cục
bộ, kết quả là thay đổi lớn trong hình dạng, chiều rộng, và tần số của xung truyền.
5. Chuyển đổi quang học phi tuyến
Chuyển đổi quang học (lượng tử ánh sáng) đề cập đến một hiện tượng trong đó
truyền tải một trường quang học thông qua một thiết bị chuyển đổi giữa hai hoặc
nhiều trạng thái thông qua các phương tiện quang học. Trong trường hợp chuyển
mạch quang học phi tuyến, việc truyền tải của thiết bị phụ thuộc vào chính cường
độ chùm quang học gây ra chuyển đổi. Cả hai SPM và XPM xảy ra trong sợi quang
là rất thích hợp cho ứng dụng này và kết quả trong một thiết bị, tất cả các sợi
quang có khả năng chuyển đổi trên một thời gian femtosecond quy mô.
5.1. SPM dựa trên chuyển mạch quang
SPM dựa trên chuyển mạch quang học được thực hiện trong thực tế bằng cách sử
dụng một giao thoa kế. Giao thoa kế bất kỳ có thể sử dụng cho mục đích này bao
gồm cả Fabry-Perot, Michelson và giao thoa kế Mach-Zehnder.
Hình 4. Truyền năng lượng như một hàm số của năng lượng cho một phi tuyến
sợi quang vòng gương.

Một Sagnac trong giao thoa kế thường được sử dụng vì nó có thể được xây
dựng bằng cách sử dụng một bộ ghép sợi có hai cổng đầu ra được kết nối với một
phân đoạn sợi quang, hình thành một vòng lặp. Xung đầu vào đi vào từ một cổng
và được phân chia thành hai xung đếm truyền tại bộ ghép sợi quang, can thiệp vào
các bộ ghép sau khi có một sự chuyển đổi pha tương đối xung quanh vòng lặp.
Xung đầu vào được truyền tải qua cổng khác hoặc được phản xạ trở lại vào cổng
đầu vào phụ thuộc vào sự thay đổi pha tương đối. Một thiết bị như vậy hoạt động
như một tấm gương hoàn hảo năng lượng thấp (chế độ tuyến tính) khi bộ ghép
chia tách xung bằng nhau (một bộ ghép 50:50) và dẫn chiếu đến như một chiếc
gương sợi vòng lặp. Tuy nhiên, Nếu bộ ghép chia tách xung không đồng đều,
giống như một thiết bị phân chia tất cả quang học của SPM do sự dịch pha phi
tuyến được gọi là gương vòng lặp quang phi tuyến (NOLM). Một thiết bị như vậy
đã thu hút được sự chú ý đáng kể và có tìm thấy các ứng dụng không chỉ cho
chuyển mạch quang học mà còn cho các chế độ khóa và chiều dài sóng của bộ tách
kênh.
Chuyển đổi đặc tính của một NOLM phụ thuộc vào tỷ lệ chia tách bộ ghép sợi
quang. Nếu một tỷ lệ f của đầu vào năng lượng P
0
đi theo chiều kim đồng hồ, sau
đó chuyển cho một vòng lặp của chiều dài L thu được bằng cách tính toán độ dịch
pha trong vòng lặp nhờ đếm sóng truyền quang học, và sau đó kết hợp lại bộ ghép
giao thoa. Kết quả là
Đối với f = 0,5 hệ số phản xạ vòng lặp là 100% đối với tất cả các năng lượng.Tuy
nhiên, nếu phân tách tỷ lệ f khác 0,5 sau đó NOLM có thể hoạt động như một
chuyển đổi.
Hình. 4 cho thấy năng lượng truyền đi như là một hàm số của P
0
với hai giá trị
của f. Tại mức năng lượng thấp, ít ánh sáng truyền qua nếu f gần đến 0,5 khi đó T
m

≈ 1- 4f (1- f). Tại mức năng lượng cao, chuyển đổi phi tuyến dẫn đến hoàn thành
truyền tải bất cứ khi nào | 1-2f | γP
0
L = (2m-1)π, với m một số nguyên. Như đã
thấy trong hình. 3, các thiết bị chuyển mạch NOLM từ thấp đến cao của đường
truyền định kỳ theo năng lượng đầu vào tăng. Trong thực tế, chỉ có việc truyền tải
cao điểm đầu tiên (m = 1) được sử dụng để chuyển đổi vì nó đòi hỏi năng lượng ít
nhất.
Trong thực tế, chuyển đổi năng lượng là khá cao ngay cả đối với m = 1. Vì lý do
này, thí nghiệm trên chuyển mạch quang học phi tuyến thường sử dụng xung
quang siêu ngắn để có được năng lượng cao. Tuy nhiên, chỉ xung thuộc trung tâm
đủ mạnh để qua chuyển mạch, dẫn đến biến dạng xung. Vấn đề này có thể được
giải quyết bằng cách sử dụng các soliton quang học là đầu vào xung từ các soliton
chuyển đổi như một thực thể bởi vì nó giống như hạt tự nhiên.
Ngưỡng chuyển đổi của một NOLM có thể được giảm đáng kể kết hợp một bộ
khuếch đại quang học trong vòng lặp. Nếu khuếch đại nằm gần bộ ghép sợi quang,
sự hiện diện của nó thể hiện tính không đối xứng mà ngay cả một bộ ghép 50:50 (f
= 0,5) có thể được sử dụng. Tính năng này có thể được hiểu bằng cách ghi nhận
rằng không một sóng nào được khuếch đại ở lối vào vòng lặp trong khi các sóng
đếm truyền qua khuếch đại ngay trước khi thoát khỏi vòng lặp. Khi cường độ của
hai sóng khác nhau một số lượng lớn trong suốt vòng lặp, khác biệt giữa các
chuyển dịch pha có thể khá lớn. Trong thực tế, giả định rằng các sóng xung nhịp
được khuếch đại đầu tiên của một yếu tố G, phương trình. (9,21) trở thành
cho f = 0,5 việc chuyển đổi năng lượng cho m = 1 sẽ trở thành P
0
= 2π / [(G-1)
γL]. Khi yếu tố khuếch đại G thường là 30 dB, năng lượng chuyển đổi được giảm
một hệ số của 1000. Một thiết bị như vậy, gọi là gương phi tuyến vòng lặp khuếch
đại, cung cấp chuyển mạch và có thể chuyển đổi ở cấp độ điện năng dưới 1 mW.
Thật vậy, chuyển đổi ở mức năng lượng thấp hơn 250μW đã được chứng minh cho

một sợi lặp 17m .
Các NOLM đã tìm thấy nhiều ứng dụng. Nó có thể được sử dụng cho xung hình
vì cường độ truyền của nó. Ví dụ, nếu một xung quang học ngắn có chứa một bệ
rộng, bệ có thể được gỡ bỏ bởi cách cung cấp nó thông qua một thiết bị như vậy.
Sử dụng nó đối với khóa chế độ thụ động thế hệ xung femtosecond trong hình tám
laser sợi quang. Một ứng dụng quan trọng của NOLM cho bộ phân kênh của các
kênh trong một hệ thống sóng ánh sáng WDM. Kể từ khi sự phân kênh đòi hỏi phải
có môt kiểm soát xung cùng với tín hiệu, XPM, khá hơn so với SPM, là một hiệu
ứng phi tuyến chính đằng sau các hoạt động của các thiết bị như vậy. Chúng ta
nghiên cứu nó trong phần kế tiếp.
5,2. XPM dựa trên chuyển mạch quang
Tính vật lý đằng sau XPM do chuyển đổi có thể được hiểu bằng cách xem xét
một giao thoa được thiết kế như là một xung tín hiệu yếu, chia đều giữa 2 tay của
nó, giống với sự dịch chuyển pha trong mỗi tay và được truyền qua sự giao thoa.
Hình 5. Sơ đồ minh họa của phân chia cường độ phụ thuộc của bộ ghép sợi nhân
kép.
Nếu một xung bơm ở một chiều dài sóng khác nhau được tiêm vào một tay thuộc
giao thoa kế, nó sẽ dịch chuyển pha tín hiệu thông qua XPM trong tay. Nếu XPM
do dịch chuyển pha là đủ lớn (gần π), các xung tín hiệu sẽ không được truyền vì
triệt tiêu xảy ra ở đầu ra thuộc giao thoa. Do đó, một xung bơm cường độ cao có
thể chuyển đổi các xung tín hiệu thông qua việc thay đổi pha XPM. XPM do quang
học chuyển đổi bằng cách sử dụng một NOLM đã được chứng minh trong 1990.
Một bộ ghép sợi lưỡng sắc với tỷ lệ chia 50:50 tại 1.53μm và tỷ lệ chia 100:0 tại
1.3μm được sử dụng để cho phép bước sóng kép hoạt động. Một tia laser màu
trung tâm 1,53 mm cung cấp năng lượng thấp (~ 5 mW)
Tín hiệu CW. Như đã thảo luận trước đây, tín hiệu lan truyền của các chùm tia
dịch chuyển pha giống hệt nhau, và sợi dài 500m, vòng lặp đóng vai trò như là một
tấm gương hoàn thiện trong khi vắng mặt một bơm chùm tia. Khi xung bơm 130ps,
thu được từ một Nd: YAG laser 1,3µm, đã được tiêm vào chiều kim đồng hồ, sự
tương tác giữa các máy bơm và tín hiệu XPM giới thiệu một sự lệch pha giữa các

tín hiệu lan truyền truy cập. Một năng lượng tín hiệu phổ biến nhất được phát khi
đỉnh năng lượng của bơm xung đủ lớn để tạo ra một sự dịch pha π.
Một số thiết bị khác sử dụng XPM cho chuyển mạch quang học, nghiên cứu
nhiều nhất có lẽ là một thiết bị bộ ghép phi tuyến. Thiết bị bộ ghép hướng phi
tuyến bốn cổng, trong đó một chùm tia quang học có thể được chuyển từ một cổng
khác bằng cách thay đổi năng lượng đầu vào. Như vậy bộ ghép có thể được thực
hiện bằng cách sử dụng sợi lõi kép có hai lõi gần đủ để sóng giữa các khớp nối
biến mất, chế độ quang học kết hợp với mỗi lõi chuyển giao năng lượng từ một lõi
khác. SPM và XPM chỉnh sửa ghép nối này và ảnh hưởng tới trạng thái chuyển
đổi. Hình. 5 cho thấy biểu đồ một xung quang học có thể được chuyển đến các
cổng khác nhau tùy thuộc vào công suất đỉnh của nó. Tất cả các chuyển mạch
quang trong sợi lõi kép đã được quan sát vào năm 1987. Kể từ đó, sự quan tâm
đáng kể tập trung vào hiệu suất của bộ ghép sợi hướng. Kể từ khi việc sử dụng các
soliton cho phép chuyển mạch toàn bộ xung, soliton chuyển mạch trong lõi kép sợi
đã thu hút sự quan tâm nhất. XPM do chuyển mạch quang học cũng có thể được
thực hiện bằng cách sử dụng lưỡng chiết trong sợi lõi đơn. Trong thực tế, sử dụng
led để thực thực hiện cascadable, , cực nhanh, cổng logic. Trong trường hợp này,
chuyển đổi xảy ra giữa các chế độ trực giao phân cực thuộc cùng một lõi sợi.
Trong thực tế, chuyển mạch quang học được mô tả bằng toán học trong cả hai
trường hợp bởi cùng một điều chỉnh liên kết NSEs
tại B = 2 cho một bộ ghép hướng lõi kép nhưng giảm tới 2/3 trong sợi lõi đơn
lưỡng chiết. Các phương trình trên đã được nghiên cứu rộng rãi không chỉ trong
bối cảnh chuyển mạch quang học mà còn các phi tuyến tác động như sự ổn định
điều chế XPM gây ra nén xung. Những phương trình này cũng có những giải pháp
trong các hình thức cặp sáng và tối soliton hỗ trợ lẫn nhau thông qua sự tương tác
XPM.
6. Kết luận
Vào buổi bình minh của thế kỷ 21 , lĩnh vực sợi quang học phi tuyến sôi động
với rất nhiều hoạt động nghiên cứu. Chương này chỉ chạm vào chóp của một tảng
băng trôi bằng cách chú trọng vào hai chủ đề liên quan soliton và chuyển mạch

quang học. Kích thích tán xạ Raman thu hút nhiều sự chú ý để làm cho các bộ
khuếch đại quang học băng thông rộng. Tương tự như vậy, FWM đã được sử dụng
để phân chia kênh trong một hệ thống sóng ánh sáng WDM. FWM cũng có hại cho
hệ thống WDM vì nó dẫn đến nhiễu xuyên âm liên kênh, và các kỹ thuật quản lý
tán sắc thường được sử dụng để ngăn chặn nó. Một chủ đề thu hút sự chú ý đáng
kể là việc nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang lưới. Sợi quang lưới
thể hiện sự bất ổn định điều chế và hỗ trợ một loại mới của solitons gọi là soliton
Bragg. Từ hàng loạt các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang hiện đang được nghiên
cứu, Dự kiến, các sợi quang học phi tuyến sẽ vẫn là một chủ đề quan tâm vào thế
kỷ 21.
Tài liệu tham khảo:
Chương 9: Nonlinear Fiber Optics của Govind P. Agrawal.