hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Click to edit Master title style

HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG SỢI QUANG
Giáo viên hướng dẫn:
Nhóm thực hiện:

- Nguyễn Thanh Tú
- VT
1


DANH SÁCH NHÓM

STT
1
2
3
4

Họ và tên
Đỗ Văn Tình
Trần Trọng Tiến
Phan Hoàng Vũ
Phạm Thanh Tùng

MSSV
1020232
1020229
1020276
1020265

2


MỤC LỤC
1

Tổng quan

2

Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

3

Một số biện pháp giảm thiểu

4

Ứng dụng

3


Phần I
1

Tổng quan

 Tổng quan
 Phân Loại

 Thông số liên quan

4


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)

5


PHÂN LOẠI

Hiệu
Ứng
Phi
Tuyến
Trong
Sợi
Quang

- 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).
6


PHÂN LOẠI

7


THÔNG SỐ LIÊN QUAN

 Chiều dài hiệu dụng Leff
 Diện tích hiệu dụng Aeff
 Cường độ hiệu dụng Ieff

8


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:
L

Pin Leff =

∫ P( z )dz

z =0

Leff

1 − e αL
=
α

Trong hệ thống với bộ khuếch đại quang:
l: amplifiers spaced distance

9

Leff

1 − e −α z L
=
α l

DIỆN TÍCH HIỆU DỤNG

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

Aeff =

∫ θ∫ rdr dθ I (r ,θ )
r

2
rdr
d
θ
I
(r ,θ )
∫∫
r θ

I(r, θ): intensity
r, θ : polar coordinates
- Công thức rút gọn: Aeff ≈ πw02
W0: bán kính trường mốt

10


CƯỜNG ĐỘ HIỆU DỤNG

Ieff = P/Aeff

P: 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.)

11


Phần II
2

Các 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

12


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)

13


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.
14


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.

15


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

EDFA

f

f

16


Tán xạ do kích thích
Raman- SRS
Các đặc trưng:
-Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh với đỉnh
gR ~ 6x10-14 m/W ở bước sóng 1550 nm.

17


Tán xạ do kích thích
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 μm2
Tính được PthSRS = 405mW

18


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.

19


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.
20


Tán xạ do kích thích
Brillouin- SBS

Phonon quang học và âm học:

21


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
22


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.
 Hệ số độ lợi:
 GB ~ 4x10-11 m/W, không phụ thuộc vào bước sóng.

 Công suất ngưỡng cho SBS

 PthSBS=21Aeff /gB Leff

23


Nhóm hiệu ứng khúc xạ
phi tuyến

 SPM

 CPM
 FWM

24


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:

P = ε 0 χE

 Tuy nhiên trong môi trường phi tuyến:

P = ε 0 χ E + ε 0 χ E + ε 0 χ E + ...
(1)

( 2)

2

( 3)

3

Ở đây: ɛ0 - hằng số điện môi, χ(i) – độ cảm bậc i
của môi trường
25