Đang tải... (xem toàn văn)
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 Định nghĩa Phân loại hiệu ứng phi tuyến Chiều dài diện tích hiệu dụng II Các hiệu ứng phi tuyến Loại thứ phát sinh tác động qua lại sóng ánh sang photon a Tán xạ kích thích Brillouin (SBS) b Tán xạ kích thích Raman (SRS) Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM 11 – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu viễn thông Chuyên đề 3: Mục lục Loại thứ hai phát sinh phụ thuộc 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 viễn thông Chuyên đề 3: Hiệu Ứng Quang Phi Tuyến I Giới thiệu chung Định nghĩa • Khái niệm: Hiệu ứng quang gọi phi tuyến tham số phụ thuộc vào cường độ sáng ( công suất ) • Với hệ thống thông tin quang hoạt động mức công suất vừa phải ( vài mW ) với tốc độ lên đến 2,5 Gbps bỏ qua hiệu ứng phi tuyến Nhưng với tốc độ cao hay với mức công suất truyền dẫn cao lúc ta buộc phải tính đến ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM 11– D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu viễn thông Chuyên đề 3: Các hiệu ứng quang phi tuyến Phân loại Các hiệu ứng phi tuyến chia làm loại • Loại thứ phát sinh tác động qua lại sóng ánh sang photon.Ở ta xét loại hiệu ứng -Tán xạ kích thích Brillouin (SBS) -Tán xạ kích thích Raman (SRS) • Loại thứ hai phát sinh phụ thuộc 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 viễn thông Chuyên đề 3: Các Hiệu Ứng Quang Phi Tuyến 3.Chiều dài diện tích hiệu dụng Khi lan truyền sợi quang,công suất tín hiệu giảm suy hao sợi quang.Vì hầu hết hiệu ứng phi tuyến xảy khoảng đầu sợi quang giảm 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 viễn thông Chuyên đề 1: NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG 3.Chiều dài diện tích hiệu dụng Giả sử lương không thay đổi qua độ dài hiệu dụng cố định L eff độ dài hiệu dụng Leff tính theo công thức : Suy Trong : Pin :công suất truyền sợi quang : công suất điểm z tuyến Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu viễn thông Chuyên đề 3: NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG Q a) Mô hình quang hình • AS lan truyền sợi quang dựa tượng phản xạ toàn phần • Xét trình lan truyền AS bên sợi quang • Sợi đa mode chiết suất bậc (MM-SI) • Sợi đa mode chiết suất giảm dần (MM-MI) • Sợi đơn mode (SM) Hình Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu 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 sợi xem tia sáng theo đường zigzag n2 n1 n2 Hình Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu viễn thông Chuyên đề 1: NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG a) Mô hình quang hình Có loại đường : loại tia trục tia xiên Các tia trục tia nằm mặt phẳng chứa trục trung tâm sợ quang, tia xiên tia không nằm mặc phẳng Hình Các tia trục tia xiên a) Tia trục b) Tia xiên Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu viễn thông Chuyên đề 1: NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG b) Mô hình sóng Tổng bình phương U W xác định đại lượng quan trọng gọi tần số chuẩn hóa V Mà ta có Giá trị V định mức độ giữ lượng hay khả truyền đơn mốt hay đa mốt (số mode truyền sợi) Số mode truyền sóng xác định SI GI Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu viễn thông Chuyên đề 1: NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG b) Mô hình sóng • Mode lan truyền sợi quang Mode nghiệm phương trình sóng thỏa mãn điều kiện biên ranh giới lõi – sợi Giải phương trình Maxwell ta thu mode TElm, TMlm, EHlm, HElm Sự chồng chập mode tự nhiên mode phân cực tuyến tính (LP) Mỗi mode có dạng điện từ trường không đổi lan truyền lõi sợi Các số mode 2l: số đỉnh cực đại (cực tiểu) trường tọa độ góc thay đổi từ 0-2π; m: số điểm cường độ cực đại trường tọa độ bán kính thay đổi từ Hình 12 : Các đường sức mode tự nhiên bậc thấp sợi SI đến ∞ Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu viễn thông Chuyên đề 1: NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG b) Mô hình sóng Hình 13 : Kết hợp mode HE21+TE01 HE21+ TM01 thành mode LP11 a) Cấu tạo mode LP11 từ mode tự nhiên phân bố trường TE cường độ chúng b) Bốn hướng trường TE TM phân bố cường độ tương ứng LP 11 Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu viễn thông Chuyên đề 1: NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG b) Mô hình sóng Minh họa đồ thị cường độ hình mẫu số mode LP Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu viễn thông Chuyên đề 1: NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG b) Mô hình sóng Minh họa đồ thị cường độ hình mẫu số mode LP Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu viễn thông Chuyên đề 1: NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG b) Mô hình sóng Điều kiện đơn mode Không phải mode sóng truyền sợi quang Mỗi mode LPnm có Vcn tương ứng Khi V>Vcn mode thứ n truyền sợi quang Một vài trị số Vcn bậc thấp Từ công thức Ta xác định λc ( bước sóng cắt) Bước sóng cắt số cắt Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu 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 lõi sợi quang , người ta sử dụng đại lượng đường kính lõi sợi • Đường kính trường mode (2p) : đường kính biên độ trường giảm e lần ( e=2.718 ) • 2p phụ thuộc λ (λ lớn 2p tăng ) • Sợi SM-SI : 2p>2a Hay Sự phân bố trường sợi quang mode (LP 01) Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu viễn thông Chuyên đề 1: NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG III Tham số sợi quang Suy hao sợi quang • Khái niệm : Suy hao tham số thể tổn thất công suất ánh sáng sợi quang • Biểu thức tính suy hao • Đơn vị suy hao Đơn vị tuyến tính : m-1 km-1 Đơn vị logarit : dB/km • Để tiện sử dụng : suy hao xác định công thức sau Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình NHÓM – D11VT5 Học viện Công nghệ Bưu 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 hấp thụ Tự hấp thụ - Nguyên tử vật liệu chế tạo sợi phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng - Một số bước sóng có tượng cộng hưởng quang , quang bị hấp thụ chuyển hóa thành nhiệt Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy Bình Hấp thụ tạp chất • Hấp thụ 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[...]... 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... 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... 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... 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... 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... 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... 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... xạ , vỏ bảo vệ Phân loại sợi quang Đặc tính truyền dẫn : Đơn mode , đa mode Chiết suất lõi sợi : SI , GI Vật liệu chế tạo : Thủy tinh , nhựa , vật liệu đặc biệt Tham số cơ bản : tán sắc , phi tuyến cao , duy trì phân cực Quá trình lan truyền AS trong sợi quang Mô hình quang hình Mô hình sóng Tham số cơ bản của sợi quang Suy hao Cơ sở kĩ thuật thông tin quang Giảng viên: Trần Thủy... 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:... 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 Chuyên đề 1: NGHIÊN CỨU VỀ SỢI QUANG Suy hao trong sợi quang • Suy hao do tán xạ tuyến tính Do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi (vật liệu,cấu trúc) suy hao công suất quang được truyền ( Công suất được truyền sang từ mode rò hay mode bức xạ ) Tán xạ Rayleigh : xảy ra do sự