Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Khoa Điện tử - Viễn thông

Bài tập lớn Môn: Kỹ thuật thông tin sợi quang

Chủ đề: Sợi quang phi tuyến

Giảng viên hướng dẫn: Trần Thúy Bình

Sinh viên thực hiện: Bùi Tiến Hiếu

Nguyễn Văn Hải

Phạm Văn Nam

Trịnh Văn Quyết

Hà nội, tháng 10 năm 2012

1. Giới thiệu

Sợi quang phi tuyến liên quan đến các hiện tượng quang học phi tuyến xảy bên trong sợi quang. Mặc dù lĩnh vực quang học phi tuyến bắt đầu năm 1961, khi một laser hồng ngoại lần đầu tiên được sử dụng để tạo ra các bức xạ sóng hài bậc hai bên trong một tinh thể, việc sử dụng các sợi quang học như một môi trường phi tuyến trở nên khả thi chỉ sau năm 1970 khi suy hao sợi giảm xuống dưới 20 dB / km. Tán xạ Raman và Brillouin trong sợi đơn mode đã được nghiên cứu từ rất sớm năm 1972 và tiếp theo là nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến khác như SPM, XPM và FWM.

Sợi quang học phi tuyến đã tiếp tục phát triển trong những năm 1990. Sự tăng trưởng này được thúc đẩy bởi những tiến bộ gần đây trong công nghệ sóng quang, quan trọng nhất là sự ra đời của hệ thông tin sợi quang dung lượng lớn. Trong các hệ thống như vậy, tín hiệu phát được khuếch đại bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại quang để bù cho suy hao sợi quang còn lại. Kết quả là, các hiệu ứng phi tuyến chồng chất trên một khoảng cách dài, và chiều dài tương tác thực tế có thể vượt quá hàng nghìn kilômet

2. Đặc tính sợi 2.1 Sợi đơn mode

Một sợi quang giống như một sợi thủy tinh mỏng và bao gồm một lõi ở trung tâm được bao quanh bởi một lớp vỏ có chiết suất thấp hơn chiết suất lõi. Cả lõi và vỏ được làm bằng silica nung chảy,một loại vật liệu thủy tinh với suy hao cực thấp (khoảng 0,2 dB / km) trong vùng hồng ngoại có bước sóng 1,5µm. Sự khác biệt chiết suất giữa lõi và vỏ được thực hiện bằng việc thêm vào GeO2 và P2O5 làm tăng chiết suất của silicat nguyên chất và phù hợp cho lõi, trong khi vật liệu nhưBo và Flo được sử dụng cho vỏ vì nó giảm chiết suất của silica. Sự khác biệt chiết suất giữa lõi và vỏ (dưới 1%) làm cho ánh sáng truyền dọc theo chiều dài sợi nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần.

Các thuộc tính của một sợi quang học được đặc trưng bởi một tham số không thứ nguyên được định nghĩa là

Trong đó a là bán kính lõi, ω là tần số của ánh sáng , và n1 và n2 tương ứng là chiết suất của lõi và vỏ. Tham số V xác định số lượng các mode hỗ trợ của sợi. Sợi quang với V<2,405 chỉ hỗ trợ một mode duy và được gọi là sợi single-mode (đơn mode). Với những sợi có lõi rất nhỏ (a <5 µm) , được sử dụng hầu như dành riêng cho một loạt các ứng dụng bao gồm truyền thông quang học.

2.2 Sợi phi tuyến

Đặc trưng của một số chất điện môi là để ánh sáng trở nên phi tuyến cho cường độ điện từ trường.Trong khu vực trong suốt của sợi quang, các hiệu ứng phi tuyến bậc thấp nhất có nguồn gốc từ độ cảm bậc 3 χ(3), và chịu trách nhiệm về các hiện tượng như third-harmonic generation, FWM, và khúc xạ phi tuyến.Trong số các khúc xạ phi tuyến, một hiện tượng được đề cập đến sự phụ thuộc cường độ của các chỉ số khúc xạ ( chiết suất), đóng vai trò quan trọng nhất. Chiết suất của sợi mode có một hình thức chung:

trong đó n(ω) là một phần tuyến tính của các chỉ số mode tại tần số ω , I là cường độ quang học, và n2 là tham số phi tuyến liên quan đến χ (3). Một vài cơ chế vật lý đóng góp vào n2, sự đóng góp chi phối đến từ dao động điều hòa của các electron hóa trị. Bởi vì một phản ứng nhanh của các điện tử như vậy, sự phụ thuộc tần số của n2 có thể được bỏ qua.

Sự phụ thuộc chiết suất dẫn đến một số lượng lớn các hiệu ứng phi tuyến, hai nghiên cứu rộng rãi nhất là SPM và XPM. SPM đề cập đến độ lệch pha tự cảm của một trường quang học trong quá trình lan truyền bên trong sợi quang. Cường độ của nó có thể thu được bằng cách ghi nhận rằng pha của một trường quang học thay đổi trong quá trình truyền qua sợi theo

trong đó k0 = ω/c =2π/λ, λ là bước sóng, L là chiều dài sợi quang, độ lệch pha phi tuyến là kết quả từ SPM φNL = n2k0LI.

Nhựa Silica là một môi trường phi tuyến yếu với một giá trị đo được của n2 ≈ 2.7 × 10-20 m2 /W. Đối với sợi silica, giá trị này có thể khác nhau trong phạm vi n2 = 2,2 ÷ 3,0 × 10-20 m2 / W, nó phụ thuộc vào mật độ tạp chất và bảo toàn sự phân cực của ánh sáng . n2 tương đối nhỏ so với hầu hết các phương tiện truyền thông phi tuyến, độ lệch pha phi tuyến φNL có thể tăng khi cường độ I được tăng cường trong sợi quang học có đường kính nhỏ mode (thường <10 µm). Đồng thời, suy hao tương đối thấp trong sợi có thể duy trì cường độ này trên đường truyền dài (khoảng 10 km). Suy hao sợi được bù lại định kỳ bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại quang, chiều dài L có thể vượt quá hàng ngàn kilomet.

2.3 Tán xạ vận tốc nhóm

Như đã thấy trong phương trình.(9.2), chiết suất trong sợi cũng phụ thuộc vào tần số quang học ω. Độ tán sắc đóng một vai trò quan trọng trong sợi quang học phi tuyến và dẫn đến sự hình thành các solitons quang học trong những điều kiện nhất định. Để hiểu ý nghĩa của nó, hãy xem xét một sợi đơn mode có chiều dài L. Một đặc trưng thành phần quang phổ tại tần số ω sẽ đến vào cuối đầu ra của sợi sau thời gian trễ T = L / vg, vg là vận tốc nhóm được định nghĩa là vg = (dβ / dω)-1 và β = n(ω). ω / c là hằng số truyền lan. Sự phụ thuộc tần số của vận tốc nhóm dẫn đến mở rộng xung, bởi vì các thành phần phổ khác nhau của xung không đến đồng thời tại đầu ra sợi. Nếu Δω là độ rộng xung của quang phổ, độ mở rộng xung được chi phối bởi

Hiện tượng này được gọi là tán xạ vận tốc nhóm( GVD ), và tham số

β2 = d2β/dω2 được biết đến như là tham số GVD.

Trong sợi silica chuẩn, β2 đổi dấu từ dương sang âm khi độ dài bước sóng ánh sáng tăng qua 1.3μm.Tại đó β2 mang giá trị âm được gọi là bất qui tắc - chế độ GVD. Độ lớn của β2 có thể được điều khiển bởi sự dịch chuyển của độ dài bước sóng tại vị trí β2 đổi dấu. Dịch chuyển tán sắc sợi sử dụng cho truyền thông quang học được thiết kế để có β2 = 0 gần bước sóng 1.5 μm. Có thể thiết kế sợi sao cho β2

tương đối nhỏ hơn so với dãy bước sóng mở rộng từ 1.3 tới 1.6 μm. Sợi như vậy được gọi là tán sắc sợi phẳng. Gần đây,người ta đã cố gắng tạo ra sợi có tác dụng làm giảm GVD dọc chiều dài sợi, qua sự thayđổi hướng trục trong bán kính lõi.

Sợi như vậy được gọi là sợi giảm tán sắc và có thể sẽ trở thành loại sợi quan trọng trong tương lai gần.

3. Xung lan truyền trong sợi:

3.1. Phương trình Schrodinger phi tuyến

Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang được theo dõi bằng cách sử dụng xung quang ngắn bởi vì các hiệu ứng tán sắc được tăng cường cho mỗi xung như vậy. Sự lan truyền của xung quang trong sợi có thể được nghiên cứu dựa trên phương trình Maxwell’s.

Trong đó A( z, t) sự thay đổi chậm đường bao liên kết với xung quang, α thể hiện suy hao sợi, β2 chi phối các hiệu ứng GVD, và γ là tham số phi tuyến xác định bởi:

Trong đó Aeff là diện tích lõi hiệu dụng của sợi. Phương trình này tương thích cho xung mở rộng hơn 5 ps. Trong mô tả chính xác về dạng xung ngắn, độ tán sắc bậc cao và điều kiện phi phải được thêm vào NSE.

3.2. Điều chế không ổn định:

Xem xét sự lan truyền của một sóng ánh sáng liên tục có công suất đầu vào là P 0

bên trong sợi quang. Nếu suy hao sợi được bỏ qua α=0, công thức (9.5) là cách giải quyết dễ dàng để hiệu suất

với

là sự dịch pha phi tuyến SPM. Công thức (9.5) cho thấy chùm tia CW chỉ lan truyền bên trong sợi quang một cách cố định ngoại trừ khi có được nguồn phát phụ thuộc vào sự chuyển pha.

Ω thể hiện tần số nhiễu xạ và K là giá trị số của sóng kết hợp với nó. sử dụng công thức (9.7) và (9.8) ta có:

Độ tán sắc hiển thị ở công thức (9.9) cho thấy tính ổn định của giải pháp CW phụ thuộc rất nhiều vào GVD của ánh sang đi trong sợi quang theo kiểu bình thường hay bất bình thường.

Trong trường hợp bình thường, GVD có ( β2 > 0 ), K là số lượng sóng thực với mọi Ω, chùm tia CW ổn định chống lại sự nhiễu xạ. Trong trường hợp GVD bất bình thường ( β2 < 0 ), K trở thành phần ảo cho loạt tần số, nhiễu xạ a( z, t ) phát triển theo hàm mũ với z. Theo đó, sự lan truyền của tia CW qua sợi quang không ổn định khi β2 < 0. Độ bất ổn này được gọi là điều chế không ổn định vì nó dẫn đến sự biến điêu tự phát của tín hiệu CW với tần số nào đó và có giá trị phụ thuộc vào

giá trị của nguồn. Tương tự tính không ổn định xảy ra trong nhiều các hệ thống phi tuyến khác và thường được gọi là sự không ổn định sefl-pulse.

4. Solitons quang học

Sự biến đổi không ổn định trong trạng thái GVD bất thường trong sợi quang là liên kết sau cùng đến các giải pháp của NSE đã biết như solitons. Ở phần này đầu tiên chúng ta thảo luận về solitons tối và sáng và rồi tập trung vào phương pháp sử dụng solitons sáng cho hệ thống truyền thông sợi quang.

Hình 1. Sự biến đổi của một Solitons bậc 3 qua một chu trình Soliton

4.1. Solitons sáng:

NSE thuộc về một lớp đặc biệt của phương trình vi phân phi tuyến có thể giải quyết được các vấn đề nhờ toán học được gọi là phương pháp tán sắc ngược, nó được sử dụng và viết theo công thức (9.5 trong một dạng chuẩn , giới thiệu các đơn vị của solitons:

Trong đó LD = T02 /|β2| là sự tán xạ theo chiều dài và T0 có liên quan đến độ rộng

xung. Nếu suy hao sợi được bỏ qua ( α=0) phương trình (9.5) đưa ra được công thức

Trong đó dấu + hoặc - được chọn tuỳ theo GVD là dị thường hay là bình thường. NSE hỗ trợ cho solitons trong cả hai trường hợp GVD ở trạng thái bình thường và bất bình thường.

Xem xét trước tiên cho trường hợp solitons sáng bằng cách chọn dấu hiệu + trong công thức ( 9.11 ). Khi xung đầu vào có biên độ ban đầu

khi N=1 hình dạng của xung không thay đổi trong suốt quá trình truyền dẫn nhưng khi N>1 loại xung đầu vào được thu lại tại ξ = mπ / 2 trong đó m là số nguyên.

Xung quang tương ứng với N=1 được gọi là các silitons cơ bản.

Tham số N đại diện cho các bậc của solitons

Hình 2. Biến đổi của một xung Gauss với N=1 qua biên độ ξ = 0÷10

Hình. 1 cho thấy sự biến đổi của một soliton bậc 3 (N=3) qua một chu trình soliton (z0 = (π / 2) LD). Soliton này biểu diễn một tần số nhỏ, xác định như đạo hàm theo thời gian của pha soliton. Soliton của NLS với N=1 có thể được viết là

Nó cho thấy rằng, xung đầu vào có được một sự dịch chuyển pha ξ / 2 khi nó truyền bên trong sợi, nhưng biên độ của nó vẫn không thay đổi. Đây là tính chất của solitons làm cho nó trở thành điều kiện lý tưởng cho truyền thông quang học. Về bản chất, hiệu ứng tán sắc của sợi được bù đắp chính xác bởi sợi phi tuyến khi xung đầu vào của một "sech" có hình dạng, chiều rộng và công suất đỉnh liên quan khi N = 1.

Tính chất quan trọng của soliton quang học là sự ổn định, chống lại nhiễu. Như vậy, mặc dù các soliton cơ bản đòi hỏi một hình dạng cụ thể và một công suất đỉnh nhất định, nó có thể được tạo ra ngay cả khi hình dạng xung và công suất đỉnh đi qua các điều kiện lý tưởng.

Hình. 2 cho thấy sự phát triển của xung đầu vào Gaussian khi N = 1 nhưng u(0, τ) = exp (-τ2 / 2). Như đã thấy, xung điều chỉnh hình dạng và chiều rộng của nó để trở thành một soliton cơ bản và đạt được một "sech" riêng cho ξ >>1. Một trạng

thái tương tự được quan sát thấy khi N khác 1. Trong thực tế, một soliton cơ bản có thể kích thích cho các giá trị của N trong khoảng 0,5÷1,5.

4.2. Soliton tối

NSE có thể được giải quyết bằng phương pháp tán xạ ngược, ngay cả trong trường hợp tán xạ bình thường. Thuộc tính cường độ được biểu diễn theo hướng đi xuống trong một nền tảng thống nhất, và hướng đi đó vẫn không thay đổi trong quá trình truyền bên trong sợi. Vì lý do này, các giải pháp như NSE được gọi là solitons tối. Phần này mô tả ngắn gọn các thuộc tính của soliton tối. NSE mô tả solitons tối thu được từ biểu thức. (9,11) bằng cách chọn dấu - cho thời gian thứ hai. Giải pháp chung của nó có thể được viết như sau

Tại

U0 là biên độ phía sau CW, φ là góc của pha với 0<φ <π / 2, và η và κ là biên độ và vận tốc soliton tối tương ứng.

Một sự khác biệt quan trọng giữa các soliton sáng và tối là vận tốc κ của soliton tối phụ thuộc vào biên độ η thông qua góc φ. Khi φ = 0, phương trình (9,14) giảm

, một hình thức cho thấy rằng công suất của soliton giảm tới không ở trung tâm của hướng đi xuống. Soliton được gọi là soliton đen. Khi φ ≠ 0, cường độ không giảm xuống bằng không ở trung tâm của hướng đi xuống; soliton như vậy được gọi là solitons xám. Một tính năng thú vị khác của solitons tối có liên quan đến họ pha. Ngược lại với solitons sáng có một pha liên tục, pha của soliton tối thay đổi qua chiều rộng của nó.

Một số kỹ thuật có thể được sử dụng để tạo ra các solitons tối, kể cả điều chế điện trong một nhánh của giao thoa Mach-Zehnder,chuyển đổi phi tuyến của tín hiệu trong một sợi tán sắc giảm, và chuyển đổi tín hiệu nonreturn-to-zero (NRZ) vào tín hiệu (RZ) return-to-zero và sau đó vào solitons tối bằng cách sử dụng một cân bằng giao thoa kế Mach-Zehnder. Trong một thí nghiệm năm 1995, một tín

hiệu 10 Gb / s được truyền qua 1200 km bằng cách sử dụng các solitons tối. Cải thiện hơn khả năng xảy ra với sự phát triển của nguồn có khả năng được tạo ra từ soliton tối của dòng biến động với biên độ nhỏ và chiều rộng.

4,3. Soliton mất quản lý

Như đã thảo luận trước đó, soliton sử dụng sợi phi tuyến để duy trì chiều rộng trong sợi tán sắc. Tuy nhiên, tính chất này chỉ có nếu suy hao sợi là không đáng kể. Nó không khó để thấy rằng sự giảm năng lượng trong các soliton vì suy hao sợi sẽ dẫn đến soliton mở rộng, đơn giản chỉ vì giảm công suất đỉnh làm suy yếu ảnh hưởng SPM cần thiết để chống lại GVD. Để khắc phục ảnh hưởng của sự suy hao sợi, solitons cần phải được khuếch đại định kỳ để thu hồi chiều rộng ban đầu, công suất đỉnh, và năng lượng. Một bộ khuếch đại sợi thường được sử dụng cho mục đích này.

Một tham số quan trọng quyết định đối với hệ thống thông tin liên lạc đường dài với khoảng cách LA giữa các bộ khuếch đại. Đối với các hệ thống không soliton lightwave, LA thường là trong phạm vi 60÷100 km. Đối với các hệ thống thông tin liên lạc soliton, LA được giới hạn cho các giá trị nhỏ hơn. Lý do là các bộ khuếch đại quang tăng năng lượng soliton trên một khoảng cách tương đối ngắn (khoảng 10 m). bộ khuếch đại soliton điều chỉnh chiều rộng của nó tự động trong phần sợi sau bộ khuếch đại quang. Tuy nhiên, nó cũng mất một phần của năng lượng như tán sắc sóng trong giai đoạn điều chỉnh. Phần tán sắc chứa đáng kể trong giai đoạn bộ khuếch đại lớn và phải tránh điều này. Một cách để giảm một phần tán sắc là giảm khoảng cách LA giữa các bộ khuếch đại như vậy soliton không thay đổi nhiều hơn chiều dài.

Soliton được khuếch đại hàng trăm lần trong khi vẫn giữ hình dạng của chúng. Kể từ khi soliton được chi phối bởi khoảng năng lượng trung bình soliton trên một bộ khuếch đại, hoạt động ở chế độ này được gọi là chế độ trung bình-soliton, soliton tương ứng được gọi là soliton hướng trung tâm. Các bộ khuếch đại soliton có thể được chiếm bằng cách thêm độ khuếch đại và giảm giới hạn cho phương trình (9,11), kết quả là:

NA là tổng số bộ khuếch đại, ξA = LA / LD , Γ = αLD , và G = exp(αLA) để đạt được khuếch đại cần thiết bù đắp cho suy hao sợi. Hàm delta cho bản chất gộp của khuếch đại tại ξ = mξA. Các yếu tố √ G - 1 đại diện cho sự thay đổi trong các soliton biên độ trong quá trình khuếch đại. Trong giới hạn ξA <<1, phương trình này có thể giảm NSE tiêu chuẩn trong các solution điều khiển trung tâm có sự điều khiển được quản lý bởi phương trình (9.13), cung cấp năng lượng đầu vào cao điểm được cho bởi

P0 là công suất đỉnh khi α = 0. Như một ví dụ, G = 10 và Pin ≈ 2,56 P0 cho khoảng cách khuếch đại 50 km và suy hao sợi là 0,2 dB / km.

Tăng công suất đầu vào, cân bằng tác động suy hao sợi trung bình. Hình. 3 cho thấy sự tiến triển soliton cho trường hợp này trên một khoảng cách10, 000 km. Khi chiều rộng soliton tương ứng với chiều dài tán sắc 200 km, soliton được bảo toàn khá tốt, ngay cả sau khi 200 bậc khuếch đại kể từ khi ξA << 1 là hợp lý. Tuy nhiên,nếu chiều dài tán sắc được giảm xuống 25km, soliton bị triệt tiêu vì nó không còn lan truyền trong chế độ trung bình-soliton.

4.4. Phương pháp quản lý độ tán sắc.

Công nghệ quản lý độ tán sắc bao gồm việc sử dụng đa phần trong hằng số tán sắc sợi với độ dài và GVDs là một sự lựa chọn sáng suốt.

Hình 3. Biến đổi của một sự mất quản lý trên khoảng cách 10.000km với LA = 50 km cho 2 trường hợp với LD = 200 km (hình bên trái) và LD = 25 km (bên phải).

Soliton bị triệt tiêu khi bộ khuyếch đại khoảng cách trội hơn với độ dài phân tán.

Công nghệ này thu hút đáng kể sự chú ý từ năm 1995 bởi vì một vài ưu điểm của nó. Đặc biệt là ưu điểm trong WDM khi mà FWM có thể dẫn tới xuyên âm liên kênh nếu GVD giảm. Giải quyết vấn đề quản lý độ tán sắc là giảm GVD trung bình của đầu vào, giữ GVD của mỗi đoạn đủ rộng cho FWM và hiệu quả tán sắc cao hơn.

Sự lan truyền của solitons qua quản lý tán sắc sợi có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng công thức (9.11) sau khi bao gồm suy hao sợi và biến thể của GVD trong độ dài sợi. Sử dụng công thức:

Với là giá trị cơ bản của GVD với . Khoảng cách ξ là

giá trị cơ bản được sử dụng mô tả độ dài LD = /|β2(0)|.

Sự lan truyền biểu diễn trong công thức (9.18) không dài hơn tiêu chuẩn NSE. Tuy nhiên, nó có thể truyền vào bên trong NSE bằng cách sử dụng;:

Đây là thông tin truyền cơ bản trong bộ khuếch đại và khoảng cách trong GVD. Sử dụng ν và ξ’

Nếu GVD được lựa chọn với hoặc , các điều kiện vế phải của phương trình. (9,20) triệt tiêu, và sự suy hao sợi quang không ảnh hưởng đến chiều rộng hoặc hình dạng soliton. Vì vậy, các soliton có thể duy trì sự cân bằng giữa GVD và SPM ngay cả trong một sợi quang tổn hao nếu GVD giảm theo cấp số nhân là | β2 (z) | = | β2 (0) | exp (-αz) dọc theo chiều dài sợi. Như vậy sợi này được gọi là sợi tán sắc suy giảm .

Kể từ khi sợi với tán sắc chuyển đổi liên tục không sử dụng cho thương mại hóa, một phương pháp tiếp cận thực tế bao gồm ghép nối nhiều hằng số tán sắc sợi với các giá trị β2 khác nhau.

Phương trình. (9,20), không khả tích bởi phương pháp tán xạ ngược. Vì sự khác biệt lớn trong GVD, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến có thể không được cân bằng cục bộ, kết quả là thay đổi lớn trong hình dạng, chiều rộng, và tần số của xung truyền.

5. Chuyển đổi quang học phi tuyến

Chuyển đổi quang học (lượng tử ánh sáng) đề cập đến một hiện tượng trong đó truyền tải một trường quang học thông qua một thiết bị chuyển đổi giữa hai hoặc nhiều trạng thái thông qua các phương tiện quang học. Trong trường hợp chuyển mạch quang học phi tuyến, việc truyền tải của thiết bị phụ thuộc vào chính cường độ chùm quang học gây ra chuyển đổi. Cả hai SPM và XPM xảy ra trong sợi quang là rất thích hợp cho ứng dụng này và kết quả trong một thiết bị, tất cả các sợi quang có khả năng chuyển đổi trên một thời gian femtosecond quy mô.

5.1. SPM dựa trên chuyển mạch quang

SPM dựa trên chuyển mạch quang học được thực hiện trong thực tế bằng cách sử dụng một giao thoa kế. Giao thoa kế bất kỳ có thể sử dụng cho mục đích này bao gồm cả Fabry-Perot, Michelson và giao thoa kế Mach-Zehnder.

Hình 4. Truyền năng lượng như một hàm số của năng lượng cho một phi tuyến

sợi quang vòng gương.

Một Sagnac trong giao thoa kế thường được sử dụng vì nó có thể được xây dựng bằng cách sử dụng một bộ ghép sợi có hai cổng đầu ra được kết nối với một phân đoạn sợi quang, hình thành một vòng lặp. Xung đầu vào đi vào từ một cổng và được phân chia thành hai xung đếm truyền tại bộ ghép sợi quang, can thiệp vào các bộ ghép sau khi có một sự chuyển đổi pha tương đối xung quanh vòng lặp. Xung đầu vào được truyền tải qua cổng khác hoặc được phản xạ trở lại vào cổng đầu vào phụ thuộc vào sự thay đổi pha tương đối. Một thiết bị như vậy hoạt động như một tấm gương hoàn hảo năng lượng thấp (chế độ tuyến tính) khi bộ ghép chia tách xung bằng nhau (một bộ ghép 50:50) và dẫn chiếu đến như một chiếc gương sợi vòng lặp. Tuy nhiên, Nếu bộ ghép chia tách xung không đồng đều, giống như một thiết bị phân chia tất cả quang học của SPM do sự dịch pha phi tuyến được gọi là gương vòng lặp quang phi tuyến (NOLM). Một thiết bị như vậy đã thu hút được sự chú ý đáng kể và có tìm thấy các ứng dụng không chỉ cho

chuyển mạch quang học mà còn cho các chế độ khóa và chiều dài sóng của bộ tách kênh.

Chuyển đổi đặc tính của một NOLM phụ thuộc vào tỷ lệ chia tách bộ ghép sợi quang. Nếu một tỷ lệ f của đầu vào năng lượng P0 đi theo chiều kim đồng hồ, sau đó chuyển cho một vòng lặp của chiều dài L thu được bằng cách tính toán độ dịch pha trong vòng lặp nhờ đếm sóng truyền quang học, và sau đó kết hợp lại bộ ghép giao thoa. Kết quả là

Đối với f = 0,5 hệ số phản xạ vòng lặp là 100% đối với tất cả các năng lượng.Tuy nhiên, nếu phân tách tỷ lệ f khác 0,5 sau đó NOLM có thể hoạt động như một chuyển đổi.

Hình. 4 cho thấy năng lượng truyền đi như là một hàm số của P0 với hai giá trị của f. Tại mức năng lượng thấp, ít ánh sáng truyền qua nếu f gần đến 0,5 khi đó Tm

≈ 1- 4f (1- f). Tại mức năng lượng cao, chuyển đổi phi tuyến dẫn đến hoàn thành truyền tải bất cứ khi nào | 1-2f | γP0L = (2m-1)π, với m một số nguyên. Như đã thấy trong hình. 3, các thiết bị chuyển mạch NOLM từ thấp đến cao của đường truyền định kỳ theo năng lượng đầu vào tăng. Trong thực tế, chỉ có việc truyền tải cao điểm đầu tiên (m = 1) được sử dụng để chuyển đổi vì nó đòi hỏi năng lượng ít nhất.

Trong thực tế, chuyển đổi năng lượng là khá cao ngay cả đối với m = 1. Vì lý do này, thí nghiệm trên chuyển mạch quang học phi tuyến thường sử dụng xung quang siêu ngắn để có được năng lượng cao. Tuy nhiên, chỉ xung thuộc trung tâm đủ mạnh để qua chuyển mạch, dẫn đến biến dạng xung. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng các soliton quang học là đầu vào xung từ các soliton chuyển đổi như một thực thể bởi vì nó giống như hạt tự nhiên.

Ngưỡng chuyển đổi của một NOLM có thể được giảm đáng kể kết hợp một bộ khuếch đại quang học trong vòng lặp. Nếu khuếch đại nằm gần bộ ghép sợi quang, sự hiện diện của nó thể hiện tính không đối xứng mà ngay cả một bộ ghép 50:50 (f = 0,5) có thể được sử dụng. Tính năng này có thể được hiểu bằng cách ghi nhận rằng không một sóng nào được khuếch đại ở lối vào vòng lặp trong khi các sóng đếm truyền qua khuếch đại ngay trước khi thoát khỏi vòng lặp. Khi cường độ của

hai sóng khác nhau một số lượng lớn trong suốt vòng lặp, khác biệt giữa các chuyển dịch pha có thể khá lớn. Trong thực tế, giả định rằng các sóng xung nhịp được khuếch đại đầu tiên của một yếu tố G, phương trình. (9,21) trở thành

cho f = 0,5 việc chuyển đổi năng lượng cho m = 1 sẽ trở thành P0 = 2π / [(G-1)

γL]. Khi yếu tố khuếch đại G thường là 30 dB, năng lượng chuyển đổi được giảm một hệ số của 1000. Một thiết bị như vậy, gọi là gương phi tuyến vòng lặp khuếch đại, cung cấp chuyển mạch và có thể chuyển đổi ở cấp độ điện năng dưới 1 mW. Thật vậy, chuyển đổi ở mức năng lượng thấp hơn 250μW đã được chứng minh cho một sợi lặp 17m .

Các NOLM đã tìm thấy nhiều ứng dụng. Nó có thể được sử dụng cho xung hình vì cường độ truyền của nó. Ví dụ, nếu một xung quang học ngắn có chứa một bệ rộng, bệ có thể được gỡ bỏ bởi cách cung cấp nó thông qua một thiết bị như vậy. Sử dụng nó đối với khóa chế độ thụ động thế hệ xung femtosecond trong hình tám laser sợi quang. Một ứng dụng quan trọng của NOLM cho bộ phân kênh của các kênh trong một hệ thống sóng ánh sáng WDM. Kể từ khi sự phân kênh đòi hỏi phải có môt kiểm soát xung cùng với tín hiệu, XPM, khá hơn so với SPM, là một hiệu ứng phi tuyến chính đằng sau các hoạt động của các thiết bị như vậy. Chúng ta nghiên cứu nó trong phần kế tiếp.

5,2. XPM dựa trên chuyển mạch quang

Tính vật lý đằng sau XPM do chuyển đổi có thể được hiểu bằng cách xem xét một giao thoa được thiết kế như là một xung tín hiệu yếu, chia đều giữa 2 tay của nó, giống với sự dịch chuyển pha trong mỗi tay và được truyền qua sự giao thoa.

Hình 5. Sơ đồ minh họa của phân chia cường độ phụ thuộc của bộ ghép sợi nhân kép.

Nếu một xung bơm ở một chiều dài sóng khác nhau được tiêm vào một tay thuộc giao thoa kế, nó sẽ dịch chuyển pha tín hiệu thông qua XPM trong tay. Nếu XPM do dịch chuyển pha là đủ lớn (gần π), các xung tín hiệu sẽ không được truyền vì triệt tiêu xảy ra ở đầu ra thuộc giao thoa. Do đó, một xung bơm cường độ cao có thể chuyển đổi các xung tín hiệu thông qua việc thay đổi pha XPM. XPM do quang học chuyển đổi bằng cách sử dụng một NOLM đã được chứng minh trong 1990. Một bộ ghép sợi lưỡng sắc với tỷ lệ chia 50:50 tại 1.53μm và tỷ lệ chia 100:0 tại 1.3μm được sử dụng để cho phép bước sóng kép hoạt động. Một tia laser màu trung tâm 1,53 mm cung cấp năng lượng thấp (~ 5 mW)

Tín hiệu CW. Như đã thảo luận trước đây, tín hiệu lan truyền của các chùm tia dịch chuyển pha giống hệt nhau, và sợi dài 500m, vòng lặp đóng vai trò như là một tấm gương hoàn thiện trong khi vắng mặt một bơm chùm tia. Khi xung bơm 130ps, thu được từ một Nd: YAG laser 1,3µm, đã được tiêm vào chiều kim đồng hồ, sự tương tác giữa các máy bơm và tín hiệu XPM giới thiệu một sự lệch pha giữa các tín hiệu lan truyền truy cập. Một năng lượng tín hiệu phổ biến nhất được phát khi đỉnh năng lượng của bơm xung đủ lớn để tạo ra một sự dịch pha π.

Một số thiết bị khác sử dụng XPM cho chuyển mạch quang học, nghiên cứu nhiều nhất có lẽ là một thiết bị bộ ghép phi tuyến. Thiết bị bộ ghép hướng phi tuyến bốn cổng, trong đó một chùm tia quang học có thể được chuyển từ một cổng khác bằng cách thay đổi năng lượng đầu vào. Như vậy bộ ghép có thể được thực hiện bằng cách sử dụng sợi lõi kép có hai lõi gần đủ để sóng giữa các khớp nối

biến mất, chế độ quang học kết hợp với mỗi lõi chuyển giao năng lượng từ một lõi khác. SPM và XPM chỉnh sửa ghép nối này và ảnh hưởng tới trạng thái chuyển đổi. Hình. 5 cho thấy biểu đồ một xung quang học có thể được chuyển đến các cổng khác nhau tùy thuộc vào công suất đỉnh của nó. Tất cả các chuyển mạch quang trong sợi lõi kép đã được quan sát vào năm 1987. Kể từ đó, sự quan tâm đáng kể tập trung vào hiệu suất của bộ ghép sợi hướng. Kể từ khi việc sử dụng các soliton cho phép chuyển mạch toàn bộ xung, soliton chuyển mạch trong lõi kép sợi đã thu hút sự quan tâm nhất. XPM do chuyển mạch quang học cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng lưỡng chiết trong sợi lõi đơn. Trong thực tế, sử dụng led để thực thực hiện cascadable, , cực nhanh, cổng logic. Trong trường hợp này, chuyển đổi xảy ra giữa các chế độ trực giao phân cực thuộc cùng một lõi sợi. Trong thực tế, chuyển mạch quang học được mô tả bằng toán học trong cả hai trường hợp bởi cùng một điều chỉnh liên kết NSEs

tại B = 2 cho một bộ ghép hướng lõi kép nhưng giảm tới 2/3 trong sợi lõi đơn lưỡng chiết. Các phương trình trên đã được nghiên cứu rộng rãi không chỉ trong bối cảnh chuyển mạch quang học mà còn các phi tuyến tác động như sự ổn định điều chế XPM gây ra nén xung. Những phương trình này cũng có những giải pháp trong các hình thức cặp sáng và tối soliton hỗ trợ lẫn nhau thông qua sự tương tác XPM.

6. Kết luận

Vào buổi bình minh của thế kỷ 21 , lĩnh vực sợi quang học phi tuyến sôi động với rất nhiều hoạt động nghiên cứu. Chương này chỉ chạm vào chóp của một tảng băng trôi bằng cách chú trọng vào hai chủ đề liên quan soliton và chuyển mạch quang học. Kích thích tán xạ Raman thu hút nhiều sự chú ý để làm cho các bộ khuếch đại quang học băng thông rộng. Tương tự như vậy, FWM đã được sử dụng để phân chia kênh trong một hệ thống sóng ánh sáng WDM. FWM cũng có hại cho

hệ thống WDM vì nó dẫn đến nhiễu xuyên âm liên kênh, và các kỹ thuật quản lý tán sắc thường được sử dụng để ngăn chặn nó. Một chủ đề thu hút sự chú ý đáng kể là việc nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang lưới. Sợi quang lưới thể hiện sự bất ổn định điều chế và hỗ trợ một loại mới của solitons gọi là soliton Bragg. Từ hàng loạt các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang hiện đang được nghiên cứu, Dự kiến, các sợi quang học phi tuyến sẽ vẫn là một chủ đề quan tâm vào thế kỷ 21.

Tài liệu tham khảo:

Chương 9: Nonlinear Fiber Optics của Govind P. Agrawal.