Các hiệu ứng phi tuyến

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

BÀI TIỂU LUẬN
Chuyên đề 3: Các hiệu ứng phi tuyến
Thuyết trình: Nhóm 11_ Lớp D11VT5

Giảng viên: Trần Thủy Bình

Hà Nội – Ngày 12/02/2014


Chuyên đề 3:
Hiệu ứng quang phi tuyến
Mục lục
I. Giới thiệu chung
1. Định nghĩa
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)

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 11 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông

Chuyên đề 3:

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

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 11 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 3:
Hiệu Ứng Quang Phi Tuyến

I. Giới thiệu chung
1. Định nghĩa

• 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

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 11– D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 3:
Các hiệu ứng quang phi tuyến

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)

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 11– D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 3:
Các Hiệu Ứng Quang Phi Tuyến

3.Chiều dài và diện tích hiệu dụng
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;
b.phân bố công suất giả định theo chiều dài hiệu dụng L eff

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 11– D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

3.Chiều dài và diện tích hiệu dụng
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 :

Suy ra

Trong đó : Pin :công suất truyền trong sợi quang
: công suất tại điểm z trên tuyến

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 3:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

3. Q
a) Mô hình quang hình

• 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

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5

Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

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
zigzag

n2
n1
n2
Hình 8

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

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

Hình 9 Các tia trục và tia xiên
a) Tia trục
b) Tia xiên

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

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

n2
n1
n2
Hình 10

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5

Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

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

n2
n1
n2
Hình 11

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

a) Mô hình quang hình
AS truyền trong sợi quang, theo quang hình → tia sóng phải đến sợi quang
theo góc ≤ θmax
Khẩu độ số (NA) : là đại

lượng thể hiện độ lớn
của góc ghép ánh sáng
vào sợi quang để ánh
sáng có thể truyền đi
được bằng hiện tượng
phản xạ toàn phần

Hình 12

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

a) Mô hình quang hình
Với sợi MM-SI: NA = (n12-n22)1/2 hay NA ≈ n1(2∆)1/2

víi ∆=(n1-n2)/n1

Với sợi MM-GI: NA=(n12(r)–n22)1/2=NAmax(1-(r/a)g)1/2
(trong đó NAmax = n1(2∆)

1/2
)

Góc nhận lớn nhất ở tâm lõi sợi. Càng xa tâm, góc nhận càng nhỏ.

Góc nhận ánh sáng = 2θmax

Hình 11

Vùng nhận ánh sáng có dạng hình nón

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

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:

Trong đó

∇ = ex ∂ + e y ∂ + ez ∂
∂x

∂y
∂z
E: Cường độ điện trường [V/m]
D: Vectơ cảm ứng điện [c/m2]
H: Cường độ từ trường [A/m]
B: Vectơ cảm ứng từ [H/m]
D=εE
B=µH
ε là hằng số điện môi
µ là độ tự thẩm của môi trường

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

b) Mô hình sóng
• Dạng điện trường trong sợi quang

Trong đó:
G là hệ số biên độ
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)

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

b) Mô hình sóng
Tổng các bình phương của U và W xác định một đại lượng rất quan trọng được gọi là tần số chuẩn hóa V

Mà ta có
Giá trị của V sẽ quyết định mức độ giữ
năng lượng hay khả năng truyền đơn mốt
hay đa mốt (số mode truyền trong sợi)
Số mode truyền sóng
được xác định

SI
GI

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông

Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

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 0-2π;
m: số điểm cường độ cực đại của trường khi tọa độ bán kính thay đổi từ 0

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

đến ∞

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5

Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

b) Mô hình sóng

Hình 13 : Kết hợp các mode HE21+TE01 và HE21+ TM01 thành các mode LP11
a) Cấu tạo của 2 mode LP11 từ 2 mode tự nhiên và phân bố trường TE và cường độ
của chúng
b) Bốn hướng trường TE và TM và các phân bố cường độ tương ứng của LP 11

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

b) Mô hình sóng
Minh họa đồ thị cường độ và hình mẫu 1 số mode LP

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5

Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

b) Mô hình sóng
Minh họa đồ thị cường độ và hình mẫu 1 số mode LP

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

b) Mô hình sóng
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)

Bước sóng cắt và tấn số cắt

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

b) Mô hình sóng
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
Sự phân bố trường trong sợi quang của mode cơ bản (LP 01)

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông

Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG

III. Tham số cơ bản của 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

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông


Chuyên đề 1:
NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG
Suy hao
Những nguyên nhân gây suy hao

Hấp thụ

Tán xạ tuyến tính

Uốn cong

• Suy hao do hấp thụ
Tự hấp thụ
- Nguyên tử vật liệu chế tạo
sợi cũng phản ứng với ánh
sáng theo đặc tính chọn lọc
bước sóng
- Một số bước sóng có hiện
tượng cộng hưởng quang ,
quang năng bị hấp thụ và
chuyển hóa thành nhiệt năng

Cơ sở kĩ thuật thông tin quang
Giảng viên: Trần Thủy Bình

Hấp thụ do tạp chất
• Hấp thụ các tạp chất kim loại :
 Fe , Cu , Cr …..
 Độ hấp thụ phụ thuộc vào nồng độ tạp chất
 Độ tạp chất 10-6 →α ∼ vài dB/km ,
 Để α• Hấp thụ của ion OH- : suy hao đáng kể
Độ hấp thụ tăng ở 3 bước sóng : 950nm,1240nm
và 1380nm. Nồng độ 10-6 →α ∼ 40 dB/km

NHÓM 4 – D11VT5
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông