Giảng viên: PGS.TS Bùi Trung Hiếu

Sinh viên: Nguyễn Viết Tùng

Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Nội dung

Tổng quan1

Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang2

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).

1

Tổng quan1

1.1 Giới thiệu chung

Các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác trên mạng

lưới viễn thông đều sử dụng các sợi quang truyền dẫn trong môi

trường tuyến tính mà ở đó các tham số sợi không phụ thuộc vào

công suất quang.

Tổng quan1

1.1. Giới thiệu chung

Hiệu ứng phi tuyến sợi xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền

dẫn, số bước sóng và công suất quang tăng lên. Các hiệu ứng phi

tuyến này đã có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn của

hệ thống và thậm chí trở nên quan trọng hơn vì sự phát triển của bộ

khuếch đại quang sợi EDFA cùng với sự phát triển của các hệ thống

ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM. Với việc tăng hiệu quả

truyền thông tin mà có thể được làm bằng việc tăng tốc độ bit, giảm

khoảng cách giữa các kênh hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên,

các ảnh hưởng của phi tuyến sợi trở nên đóng vai trò quyết định

hơn.

- 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 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), h/ư điều chế pha

chéo (XPM - Cross- Phase Modulation)

và hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM -

Four-Wave Mixing).

Tổng quan1

1.2. Nguyên nhân

Phần 2:

Các loại hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Các loại hiệu ứng

phi tuyến2

Phân loại

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 pha chéo

XPM

Hiệu ứng trộn bốn bước sóng

FWM

Các loại hiệu ứng

phi tuyến2

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.

Minh họa lan truyền của mode dao động trên tinh thể.

Các loại hiệu ứng

phi tuyến2

Phonon quang học và âm học:

. 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 âm thanh ion dương và

âm dao động cùng chiều.

• Phonon quang học dễ dàng bị

kích thích bằng cách ánh sáng,

các ion âm và dương dao động

ngược chiều.

Nhóm hiệu ứng tán xạ

không đàn hồi

2.1.Tán xạ do kích thích Raman- SRS

2.2.Tán xạ do kích thích Brillouin- SBS

2.1. Tán xạ do kích thích

Raman- SRS

Hiện tượng:

Các phonnon quang tham gia tán xạ

Photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng

lượng của mình cho dao động cơ học của các phần

tử môi trường truyền dẫn – phonon quang .

Phần còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước

sóng dài hơn b/s của ánh sáng tới

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 (tán xạ không đàn hồi).

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 raphổ nghiêng

Sự suy hao năng lượng trong các kênh có bước sóng nhỏhơn làm giảm hiệu suất truyền của chúng

Tuy nhiên hệ số khuếch đại Raman nhỏ có thể đượcbù bằng cách sử dụng kĩ thuật cân bằng phù hợp

EDFA

f f

2.1. Tán xạ do kích thích

Raman- SRS

2.1. Tán xạ do kích thích

Raman- SRS

16 16

.

eff eff

thSRS

R eff R

A AP

g L g

2

effA a

1 L

eff

eL

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

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.

Đặc trưng:

- Công suất ngưỡng cho SBS:

21 21

.

eff eff

thSBS

B eff B

A AP

g L g

2.2. Tán xạ do kích thích

Brillouin- SBS

- Hệ số độ lợi: gB ~ 4.10-11m/W, không phụ thuộc vào bước

sóng.

Kết luận

- Hiệu ứng SRS là hiện tượng chiếu ánh sáng vào sợi

quang sẽ gây ra dao động phẩn tử trong vật liệu của sợi

quang, nó điều chỉnh tín hiệu quang đưa vào dẫn đến

bước sóng ngắn trong hệ thống WDM suy giảm, tín hiệu

quá lớn hạn chế số kênh trên hệ thống.

- Hiệu ứng SBS cũng có hiện tượng như SRS nhưng gây

ra dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ và chỉ xuất hiện ở

hướng sau tán xạ. Ảnh hưởng càng lớn thì công suất

càng thấp.

Nhóm hiệu ứng khúc xạ

phi tuyến

Xảy ra do sự phụ thuộc của độ cảm vào cường độ

trường E của xung quanh

Biểu thức vector phân cực:

Tuy nhiên trong môi trường phi tuyến:

Ở đây: ɛ0 - hằng số điện môi,

χ(i) - độ cảm bậc i của môi trường

EP 0

...3)3(

0

2)2(

0

)1(

0 EEEP

2.3. Hiệu ứng tự điều pha

SPM

Hiện tượng:

Chiết suất của môi trường

truyền dẫn thay đổi theo cường

độ ánh sáng truyền

Sự dịch tần phi tuyến làm cho

sườn trước của xung dịch đến

tần số ω < ω0 và sườn sau của

xung dịch đến tần số ω > ω0

phổ của tín hiệu bị co dãn

trong quá trình truyền

2.3. Hiệu ứng tự điều pha

SPM

Tính chất:

Hệ số lan truyền:

Độ dịch pha: (do hiệu ứng phi tuyến)

mà

0

'L

NL dz

0 2'eff

k n PP

A

0

( )L

in effP L P z dz NL in effP L

2.3. Hiệu ứng tự điều pha

SPM

Tính chất:

Nếu D là hệ số tán sắc của sợi quang thì

• Với D < 0 : thành phần tần số cao (ω > ω0 ) sẽ lan

truyền nhanh hơn thành phần tần số thấp -> xung

dãn ra

• Với D > 0 : thành phần tần số cao ω > ω0 lan

truyền chậm hơn thành phần tần số thấp - > xung

co lại

2.3. Hiệu ứng tự điều pha

SPM

2.4. Hiệu ứng điều chế pha

chéo XPM

Hiện tượng:

- Xảy ra khi có nhiều kênh trên một đường truyền.

- Sự phụ thuộc của độ dịch pha của một kênh vào cường

độ ( công suất) của các kênh kia

2.4. Hiệu ứng điều chế pha

chéo XPM

Tính chất:

Với hệ thống N kênh truyền độ dịch pha cho kênh i:

Pi : công suất vào của kênh i

Liên quan hiện tượng chirp tương tự như SPM. Do

sự tương tác lẫn nhau của các xung mức chirp

tăng

Các xung chồng chéo nhau gây ra sự tăng cục bộ về

mặt năng lượng, thay đổi chỉ số khúc xạ làm tăng

ảnh hưởng của SPM

2N

i

NL eff i n

n i

L P P

2.4. Hiệu ứng điều chế pha

chéo XPM

Tính chất:

Hiện tượng chirp: sự

thay đổi độ tán sắc

gây ra sự méo dạng

và thay đổi mật độ của

xung

Hình 2.4. Độ chirp tần cho các xung

Gauss (nét đứt) và siêu Gauss (nét liền)

2.4. Hiệu ứng điều chế pha

chéo XPM

Ảnh hưởng

ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn thông qua cơ

chế giống như SPM: tần số chirping và tán sắc

CPM có thể ảnh hưởng đến hệ thống mạnh hơn do có

thêm các hệ số mới sinh ra

Phân kênh trong các kênh truyền OTDM (truyền kênh

phân chia theo thời gian)

Chuyển đổi bước sóng trong WDM

Nén xung phi tuyến

2.5 Hiệu ứng trộn

bốn bước sóng FWM

Hiện tượng:

Hệ thống WDM sử dụng nhiều tần số sóng ω1 ,ω2 ,

..., ωn

Các nhóm hai hoặc ba tần số tương tác với nhau tạo

ra các thành phần tần số mới

Tương tác này có thể xuất hiện

• giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống

WDM

• giữa bước sóng tín hiệu với tạp âm ASE của các

bộ khuếch đại quang

• giữa các node chính và các mode bên của một

kênh tín hiệu.

2.5 Hiệu ứng trộn

bốn bước sóng FWM

Tính chất:

• Hiệu ứng phi tuyến bậc ba

• Bảo toàn năng lượng

• Không phụ thuộc vào tốc độ bit, phụ thuộc khoảng

cách giữa các kênh và tính tán săc của sợi

• Quan điểm cơ lượng tử: sự phá hủy photon ở một số

bước sóng và tạo ra một số photon ở các bước sóng

mới sao cho vẫn bảo toàn về năng lượng và động

lượng

33

0 EPNL

3214

2.5 Hiệu ứng trộn

bốn bước sóng FWM

Ảnh hưởng: Làm giảm công suất

của các kênh tín hiệu

trong hệ thống WDM.

Nếu khoảng cách

giữa các kênh là bằng

nhau -> những tần số

mới được tạo ra có

thể rơi vào các kênh

tín hiệu -> gây nhiễu

products! mixing 12

1

channels N

2

NN

ffff kjiijk

2.5 Hiệu ứng trộn

bốn bước sóng FWM

Ảnh hưởng Làm giảm chất lượng BER (tỉ lệ lỗi bit) của hệ thống

Khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống càng nhỏ,

ảnh hưởng càng lớn (cũng như khi khoảng cách

truyền dẫn lớn và công suất các kênh là lớn)

hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn