Bài tiểu luận: Bộ bù tán sắc kích thước nano

Bộ bù tán sắc kích thước nano

Contents

1. Tán sắc 
1.1.

Khái niệm

Tán sắc là hiện tượng dãn xung ánh sáng theo thời gian khi truyền tìn hiệu, gây nên  
méo tín hiệu. Đây là vấn đề  quan trọng với tuyến tốc độ  cao, đường truyền dẫn  
dài.

Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 1


Bộ bù tán sắc kích thước nano

1.2.

 Phân loại tán sắc: 

1.3.

Tán sắc mode

1.3.1. Một số đặc điểm

Trong sợi đa mode, tốc độ lan truyền ánh sang của các mode khác nhau. Sự chênh lệch  

thời gian đến điểm thu giữa các tia sang gây trễ nhóm mode lan truyền→dãn xung ánh 
sáng.
Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 2


Bộ bù tán sắc kích thước nano

Tán sắc mode:

Độ  giãn xung tín hiệu quang sau khi truyền trong sợi quang dài L(km) đo bằng  
hiệu thời gian truyền giữa mode  bậc cao nhất và mode bậc thấp nhất.

1.3.2. Biện pháp giảm tán sắc mode:
 Sử dụng sợi đơn mode.

 Sử dụng sợi có chiết suất biến đổi
Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 3


Bộ bù tán sắc kích thước nano

1.4.

Tán sắc đơn sắc – Chromatic

1.4.1. Tán sắc dẫn sóng

Tán sắc dẫn sóng do sợi  đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng trong lõi, 
còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng trong lõi.
Hệ số tán sắc:

1.4.2. Tán sắc vật liệu

Là phép những biến đổi của chiết xuất khúc xạ  nhóm Ng  ở  những bước sóng 
khác nhau. Tán sắc vật liệu được tính từ tích phân của ng theo bước sóng:

Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 4


Bộ bù tán sắc kích thước nano

Biện pháp giảm tán sắc chromatic
Chúng ta có thể sử dụng các loại sợi giảm tán sắc
1.4.3.

 Các loại sợi quang giảm tán sắc:

Sợi đơn mode – SMF hay sợi không có tán sắc dịch chuyển (dispersion­unshifted) theo  
tiêu chuẩn ITU­ G.652. Sợi này có hệ số tán sắc nhỏ tại cửa sổ 1310nm, nhưng lại có 
hệ số tán sắc lớn tại vùng 1550nm.
Sợi tán sắc dịch chuyển   dispersion­shifted fiber (DSF) theo tiêu chuẩn ITU­ G.653 
được thiết kế có hệ số tán sắc bằng 0 tại bước sóng 1550. Tuy nhiên, sợi này cũng có  
Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 5


Bộ bù tán sắc kích thước nano
một số hạn chế,  tán sắc phân cực cao hơn sợi SMF và được dung trong hệ thống đơn 
kênh quang.
Sợi tán sắc dịch chuyển không bằng không (NZ­DSF) theo chuẩn ITU­655, được phát 
triển dựa trên sợi DSF. Sợi có tán sắc nhỏ tại cửa sổ 1550nm. Thích hợp với hệ thống  
có dung lượng lớn và cự ly xa do giảm được hiệu ứng phi tuyến. 

 Chiều dài sợi quang:

Trong đó:
L là chiều dài sợi quang. (km)
CD: là hệ số tán sắc chromatic ( ps/(nm*km))
B : Là tốc độ bit ( Gbps)

Ví dụ:
Ta truyên tải dữ liệu với tốc độ 10Gbps tại kênh truyền 1550nm. Khi đó ta có. L SMF = 
61km và LNZDSF = 346km.
Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 6


Bộ bù tán sắc kích thước nano
2. Bộ bù tán sắc kích thước nano.
2.1.

 Photonic crystal fiber (PCF)

2.1.1. Photonic crystal

 Là một cấu trúc nano, được xem như là một loại bán dẫn. 
Chất   bán   dẫn   không   cho   electron   nằm   trong   vùng   ban   gap   (dải   cấm)   ,   tương   tự,  
photonic crystal không cho photon nằm trong vùng ban gap.
Phân loại photonic crystal:

Màu khác nhau mô tả hằng số điện môi cấu tạo khác nhau.
2.1.2. Cấu trúc của PCF: 

Gồm vật liệu bán dẫn và  mảng các lỗ khí chaỵ song song theo chiều dài của sợi. 

Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 7


Bộ bù tán sắc kích thước nano
Nếu ta thiết kế  các lỗ  một cách chính xác, sẽ  được một cấu trúc mà chỉ  cho một  
khoảng tần số truyền qua.
Ánh sáng khi chiếu vào photonic crystal nó sẽ  bị  phản xạ  hoặc khúc xạ  tại bề  mặt  
phân cách giữa các lỗ.
PCF được chia làm 2 loại:
Sợi có độ nhảy bậc chiết suất lớn: Modified Total Internal Reflection (M­TIR)
Sợi có độ nhảy bậc chiết suất  nhỏ: Photonic Band Gap (PBG)
Sợi M­TIR :

Sợi PBG: Có cấu trúc cơ khác sợi M­TIR
Hiệu ứng dải cấm có thể được tìm thấy trong tự nhiên, chẳng hạn như trên cánh của  

con bướm.  Do có ánh sáng chiếu vào bị phản xạ ngược trở lại mà ta thấy được màu 
sáng trên cấu trúc sợi PBG.

Trong sợi PGB, chu kỳ lỗ đóng vai trò như lõi sợi và những cái khuyết bên ngoài đóng  
vai trò như lớp vỏ. Ánh sáng không thể truyền trong lớp vỏ  do có vùng dải cấm.
Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 8


Bộ bù tán sắc kích thước nano
2.1.3. Ống dẫn sóng hai chiều photonic Crystal

Sự tạo ra một cấu trúc uốn cong cỡ vài milimet bằng sợi thông thường M­TIR và PBG  
là rất khó khăn, do truyền nhiều modes khác nhau.
Ống dẫn sóng Photonic Crystal sử  dụng nguyên lý khác. Chúng ta tạo ra một đường 
các lỗ  khuyết trong crystal và tạo ra một vùng dải cấm, vùng này chỉ  cho 1 mode đi 
qua.  Đường này được chế tạo cong theo mục đích truyền.

2.2.  Các phương pháp bù tán sắc kích thước nano.
2.2.1. Bù tán sắc sử dụng cặp lỗ khuyết  trong photonic crystal
( Nguồn : A Dispersion Compensator Using Coupled Defects in a Photonic Crystal  
by Kazuhiko Hosomi and Toshio Katsuyama)
Trong phương pháp này ta sử dụng đặc điểm của ánh sáng truyền trong ống dẫn sóng 
có cặp lỗ khuyết trong photonic crystal.
Cấu trúc của 
 Cấu trúc của các lỗ khuyết trong photonic crystal 2D.

Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 9


Bộ bù tán sắc kích thước nano

Bao gồm một mảng các lỗ cách nhau a, chiết suất 3.5 và bán kính lỗ là r.
Làm khuyết các lỗ trong mảng với khoảng cách giữa 2 lỗ khuyết là R.
 Vùng Bangap của ống dẫn sóng tạo ra

Từ hình vẽ ta thấy, vùng  dải cấm nằm trong khoảng 0.06 < r/a < 0.42  tương ứng với 
                     0.3165 <  < 0.4618
Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 10


Bộ bù tán sắc kích thước nano
Tần số chuẩn hóa trung tâm = 0.3896 với r/a = 0.16

Sự phu thuộc tần số chuẩn hóa vào R:

Từ hệ phương trình maxell ta xác định được tần số góc của sóng:

Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 11


Bộ bù tán sắc kích thước nano
Trong đó:          Ω : là tần số góc trung tâm với Ωa/2πc là tần số chuẩn hóa trung tâm.

                              

  

                             
Vận tốc nhóm :

Nhận xét:  |Vg| max = 

  khi  

  |Vg| min = 0 khi 
    

Vg/c = 0.229 khi R = 2a
Vg/c = 0.101 khi R = 3a
Vg/c = 0.041 khi R = 4a

Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 12


Bộ bù tán sắc kích thước nano
Hệ số tán sắc: 

Thay đổi giá trị của R ta có: Hệ số tán sắc D phụ thuộc vào R như hình vẽ sau:

Nhận xét:
Với R = 2a,  ­0.2 < D< 0.2 ps/nm.mm 

Với R = 3a, ­2< D < 2 ps/nm.mm
Với R = 4a, ­ 10< D< 10 ps/nm.mm
Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 13


Bộ bù tán sắc kích thước nano
2.2.2. Sử dụng sợi  Photonic crystal fibers (PCFs)

Photonic crystal fibers (PCFs) đưa thêm các lỗ  không khí dọc theo sợi quang thay đổi 
được các thông số về tán săc.
Tán sắc trong sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (SMFs) khoảng D= 10 – 20 ps/(nm.km).
Hệ  số  đảo tán sắc (negative dispersion) trong sợi quang thường là ­100 ­ ­130 ps/
(nm.km).
Để giảm thiểu chi phí, và suy hao PCFs cần ngắn nghĩa là đảo tán sắc càng lớn càng 
tốt.   Đồng   thời   cần   bù   tán   sắc   trên   những   tần   số   sử   dụng   trong   DWDM   (dense 
wavelength division multiplexing).
Hiện tượng đảo tán sắc PCFs trên dải rộng.

Bộ bù tán sắc:
Sợ bù tán sắc là sợ có hiệu ứng tán sắc ngược lại với sợi quang dùng trong hệ 
thống truyền dẫn.

D1, L1 tương ứng là hệ số tán sắc và chiều dài của sợi SMFs,
D2, L2 … sợi PCFs
Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 14

Bộ bù tán sắc kích thước nano
Chiều dài sợi PCFs (L2) được chọn sao cho DT= 0;

Độ tán sắc âm lớn trong khoảng từ 1.4um đến 1.7um
Giá trị  tối  ưu DC­PCFs cho hệ  số  tán sắc âm nhiều trong khoảng ­230 đến 435 ps/
(nm.km) trong dải bước song từ 1.46 đến 1.63 um

Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 15


Bộ bù tán sắc kích thước nano

Yêu cầu tán sắc để truyền dẫn ở tốc độ 40Gbps là 

Hệ số suy hao dưới 10e­4 db/m cho bước song từ 1.46 đến 1.63 um cho vòng 9 lỗ, đây 
là giá trị chấp nhận được trong cáp quang.
Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 16


Bộ bù tán sắc kích thước nano
Hệ số suy hao trong sợ PCFs rất thấp. Suy hao do u ốn ông với bán kính từ 5­15mm là  
gần như nhau. Khi bán kính cong khoảng 3 mm thì suy hao do uốn cong vẫn dưới 10e­
4 db/m trong dải thông sử dụng (1.46 đến 1.625um)

Suy hao ghép nối với sợ đơn mode:

Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 17


Bộ bù tán sắc kích thước nano

3.

Tống kết:
Thông qua bài tập nhóm đã tìm hiểu về các vấn đề sau:
Hiểu   được   các   loại   tán   sắc   trong   thông   tin   quang   :   tán   sắc   mode,   tán   sắc 
chromatic.
Tán sắc gây suy giảm tới tốc độ truyền dẫn
Các phương pháp giảm tán sắc sử dụng sợi : MSF, DFS, NZ­DSF.
Đặc điểm chung của photonic Crystal.

Phương pháp bù tán sắc kích thước nano:
 Bù tán sắc sử dụng cặp lỗ khuyết  trong photonic crystal.
 Bù tán sắc sử dụng sợi DC­ PCFs

Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 18


Bộ bù tán sắc kích thước nano

Tài liệu tham khảo:

Photonic Band Gap Crystals
OPTICAL   AND   FIBER   COMMUNICATIONS   REPORTS   by   A.   Bjarklev, 
Lyngby, D. Chowdhury, Corning…
Novel   broadband   dispersion   compensating   photonic   crystal   fibers.   By  Feroza 
Begum, Yoshinori Namihira...
A   Dispersion   Compensator   Using   Coupled   Defects   in   a   Photonic   Crystal   by 
Kazuhiko Hosomi and Toshio Katsuyama.
Microstructure Optical Fibers. IEEE 
Slide bài giảng cô Chi.

Vũ Công Lực – Nguyễn Trung Quân, Lớp KSTN – ĐTVT – K54

Page 19