hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang
Contents
Tổng quan
1
Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang
2
Một số biện pháp giảm thiểu
3
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)
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).
Hiệu ứng
phi tuyến

- 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).
Phân loại
Các thông số liên quan

Chiều dài hiệu dụng L
eff


Diện tích hiệu dụng A
eff


Cường độ hiệu dụng Ieff
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:
l: amplifiers spaced distance
∫
=
=
L
z
effin
dzzPLP
0
)(
α
α
L
eff
e
L
−
=
1
l
Le
L
z
eff
α
α
−
−

=
1
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)
I(r, θ): intensity
r, θ : polar coordinates
- Công thức rút gọn: A
eff
≈ πw
0
2
W0: bán kính trường mốt
∫∫
∫∫
=
r
r
eff
rIdrdr
rIdrdr
A
θ
θ
θθ
θθ
),(
),(

2
I
eff
= P/A
eff
- P: công suất xung
-
Diện tích hiệu dụng của SMF khoảng 85 µm
2
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
Phần 2:
Các loại hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang
•
Nhóm hiệu ứng tán xạ không đàn hồi:
•
Tán xạ do kích thích Raman- SRS
•
Tán xạ do kích thích Brillouin- SBS
•
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

Phân loại
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)
2.1. 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.

2.1. Tán xạ do kích thích
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.
2.1. Tán xạ do kích thích
Raman- SRS

Ảnh hưởng:

SRS sinh ra năng lượng chuyển đổi những kênh có bước sóng
ngắn thành các kênh có bước sóng dài hơn  tạo ra phổ
nghiêng

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
EDF
A
f f
2.1. Tán xạ do kích thích
Raman- SRS

Các đặc trưng:
-
Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh với đỉnh
g
R
~ 6x10
-14
m/W ở bước sóng 1550 nm.
2.1. Tán xạ do kích thích
Raman- SRS

Công suất ngưỡng cho SRS:
P
thSRS
= 16A
eff
/g
R
L
eff
=(16αA
eff
)/g
R

VD: g
R
≈ 1x10
-13
m/W tại λ = 1550nm.

Lấy α = 0.046 1/km = 0.2dB/Km và A
eff
= 55 μm
2
Tính được P
thSRS
= 405mW
2.2. Tán xạ do kích thích
Brillouin- SBS

Hiện tượng:
- Xảy ra khi có sự hình thành bước sóng Stoke dài hơn
bước sóng của ánh sáng tới (có liên quan đến các
phonon âm học).
- Một phần ánh sáng bị tán xạ do các phonon âm học và
làm cho phần ánh sáng bị tán xạ này dịch tới bước sóng
dài hơn.
2.2. Tán xạ do kích thích
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.
2.2. Tán xạ do kích thích
Brillouin- SBS
Phonon quang học và âm học:
2.2. Tán xạ do kích thích
Brillouin- SBS

Tính chất:

Xảy ra trên dải tần hẹp Δf = 20MHz ở bước
sóng 1550nm

>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
2.2. Tán xạ do kích thích
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.
2.2. Tán xạ do kích thích
Brillouin- SBS

Hệ số độ lợi: g
B
~ 4x10-11 m/W, không phụ thuộc vào
bước sóng.

Công suất ngưỡng cho SBS
PthSBS=21A
eff
/g
B
L
eff
Nhóm hiệu ứng khúc xạ
phi tuyến

SPM

CPM

FWM
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
0
- hằng số điện môi, χ
(i)
– độ cảm bậc i
của môi trường
EP
χε
0
=

3)3(
0
2)2(
0
)1(
0
+++= EEEP
χεχεχε