1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH _ NGUYỄN THỊ SINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KERR LÊN QUÁ TRÌNH CHUYỂN ĐỔI CÔNG SUẤT CỦA BỘ LIÊN KẾT PHI TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ VINH 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH _ NGUYỄN THỊ SINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KERR LÊN QUÁ TRÌNH CHUYỂN ĐỔI CÔNG SUẤT CỦA BỘ LIÊN KẾT PHI TUYẾN Chuyên ngành : Quang học Mã số : 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS VŨ NGỌC SÁU VINH 2012 Lời cảm ơn Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy giáo PGS.TS Vũ Ngọc Sáu hướng dẫn em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo chuyên ngành Quang học trường Đại học Vinh giảng dạy dẫn em suốt trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn gia đình người thân động viên, giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn Vinh, tháng năm 2012 Tác giả Nguyễn Thị Sinh MỤC LỤC Lời mở đầu……………………………………………………………… Chương 1: Mô lan truyền xung sợi quang liên kết 1.1 Phương trình lan truyền xung sợi quang liên kết 1.1.1 Cấu tạo cặp sợi quang liên kết 1.1.2 Thiết lập phương trình lan truyền xung cặp sợi quang liên kết….10 1.2 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến lên trình lan truyền xung cặp sợi quang liên kết 1.2.1 Sự lan truyền xung đơn cặp sợi quang liên kết 15 1.2.2 Kết mô minh hoạ ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến lên trình truyền xung cặp sợi quang liên kết 18 1.3 Các hiệu ứng phi tuyến thông tin quang 1.3.1 Giới thiệu tổng quan hiệu ứng phi tuyến…………………………….20 1.3.2 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến Kerr lên trình lan truyền xung sợi quang 23 1.3.3 Hiệu ứng tự biến điệu pha (SPM- self phase modulation) 26 1.3.4 Hiệu ứng biến điệu pha chéo XPM………………………………………31 1.4 Kết luận chương 1……………………………………………………… 35 Chương 2: Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên trình chuyển đổi công suất liên kết phi tuyến 2.1 Bộ liên kết phi tuyến 37 2.2 Thiết lập phương trình lan truyền sóng liên kết phi tuyến 39 2.3 Công suất chuyển đổi liên kết phi tuyến 42 2.4 Ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên trình truyền xung liên kết phi tuyến 43 2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên q trình chuyển đổi cơng suất liên kết phi tuyến 50 2.6 Khảo sát kết mô thực nghiệm tính tốn số học 53 2.7 Kết luận chương .63 KẾT LUẬN CHUNG……………………………………………………….….65 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………… 66 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH TRONG LUẬN VĂNC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH TRONG LUẬN VĂN VIẾT TẮT TIẾNG ANH TRONG LUẬN VĂNT TẮT TIẾNG ANH TRONG LUẬN VĂNT TIẾT TẮT TIẾNG ANH TRONG LUẬN VĂNNG ANH TRONG LUẬN VĂNN VĂNN NLSE Nonlinear Schrodinger Phương trình Schrodinger phi GNLSE Equation Generalized Nonlinear tuyến Phương trình Schrodinger phi GVD Schrodinger Group Velocity tuyến suy rộng Tán sắc vận tốc nhóm SPM TOD CW XPM NLDC Dispersion Self Phase Modulation Third-Order Dispersion Continuous Wave Cross phase Modulation Non Linear Directional Tự biến điệu pha Tán sắc bậc ba Sóng liên tục Biến điệu pha chéo Bộ liên kết hướng phi tuyến RMS Coupler Root-mean-square Độ rộng quân phương LỜI MỞ ĐẦU Vào thập kỉ 60 việc phát minh laser để làm ng̀n phát quang mở thời kì có ý nghĩa to lớn lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng Các hệ thống thông tin quang thường có tốc độ thấp cự li truyền dẫn cũng không lớn Do đó hiệu ứng phi tuyến chưa quan tâm ý Cùng vời phát triển xã hội , nhu cầu thông tin ngày tăng Thêm vào đó kỹ thuật đời kỹ thuật khuếch đại quang, kỹ thuật ghép bước sóng (WDM) tạo điều kiện cho việc xây dựng tuyến thông tin có tốc độ cao, cự li truyền dẫn lớn Lúc ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến trở nên rõ rệt buộc phải mở rộng nghiên cứu để tìm cách khắc phục ứng dụng chúng Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên trình truyền xung cặp sợi quang liên kết q trình chuyển đổi cơng suất liên kết phi tuyến Bộ liên kết phi tuyến thực tế sử dụng với nhiều ứng dụng rộng rãi thiết bị quan trọng thông tin quang mà ta có thể lựa chọn tham số nguyên lý như: độ dài, bán kính sợi, khoảng cách hai tâm lõi, chiết suất để có đươc hệ số truyền cơng suất theo ý muốn Vì chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên trình chuyển đổi công suất liên kết phi tuyến” Mục tiêu nghiên cứu xác định là: Nghiên cứu hiệu ứng Kerr xuất liên kết phi tuyến, tác động lên công suất chuyển đổi, từ đó nắm nguyên lý hoạt động liên kết phi tuyến dựa hiệu ứng Kerr Trên sở nghiên cứu nguyên lý cấu tạo hoạt động cặp sợi quang liên kết, phương trình truyền sóng để hiểu rõ ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên trình truyền sóng Từ khảo sát hoạt động liên kết, thiết lập hàm truyền, biểu thức hệ số truyền công suất khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên trình chuyển đổi công suất liên kết phi tuyến Để thu kết quả, sử dụng phương pháp nghiên cứu mơ lý thuyết tính tốn số học Đây phương pháp dựa lý thuyết thiết lập biểu thức liên quan, từ đó mô tính tốn số học kết Phương pháp có tính xác cao mơ rõ nét, giúp dễ dàng so sánh kết nghiên cứu với kết thực nghiệm có, từ đó chứng minh kết nghiên cứu Khởi đầu từ thiết lập phương trình truyền sóng cặp sợi quang liên kết, liên kết phi tuyến, tập trung nghiên cứu vào thành phần phi tuyến phương trình Và sở nguyên lý hoạt động liên kết phi tuyến, thiết lập biểu thức hệ số truyền công suất để từ đó phân tích ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến kiểu Kerr lên nó Dựa vào kết thực nghiệm có, kiểm chứng đắn lý thuyết mà chúng tơi tìm Cấu tạo nguyên lý hoạt động liên kết phi tuyến trình bày chi tiết từ đó suy ứng dụng nó Áp dụng phương pháp gần để giải phương trình truyền sóng đưa biểu thức diễn tả mối quan hệ công suất vào ra, từ đó thấy ảnh hưởng hiệu ứng Kerr ( SPM XPM) lên hoạt động liên kết phi tuyến Bằng phương pháp mô phỏng, khảo sát tác động thành phần phi tuyến SPM với hệ thức khác lên trình chuyển đổi công suất Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên trình chuyển đổi công suất liên kết phi tuyến” đóng góp vào việc hoàn thiện lý thuyết nghiên cứu chuyên sâu liên kết phi tuyến Dựa nguyên lý hoạt động nó để đưa ứng dụng hữu ích liên kết phi tuyến Ngoài kết đề tài giúp nghiên cứu sâu hiệu ứng Kerr môi trường phi tuyến, thông tin quang, lý thuyết quang phi tuyến laser Từ đó việc nghiên cứu hiệu ứng phi tuyến thông tin quang, nghiên cứu cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị quang học đã, ứng dụng Bố cục luận văn Trên sở đó nội dung đề tài trình bày hai chương theo bố cục sau: Chương 1: “ Mô lan truyền xung cặp sợi quang liên kết” Trong chương chúng tơi trình bày sở lý thuyết vấn đề nghiên cứu Bao gồm: xem xét đáp ứng phân cực mơi trường chịu kích thích trường quang học; dẫn phương trình lan truyền sóng phi tuyến Từ phương trình tổng qt chúng tơi xét trường hợp riêng, quan trọng cho xung ngắn, cực ngắn với phương trình lan truyền tương ứng: NLSE GNLSE sợi quang cặp sợi quang liên kết Kết mô số học xung đơn lan truyền cặp sợi quang liên kết hiệu ứng phi tuyến Kerr ảnh hưởng lên xung trình lan truyền cũng trình bày chi tiết 10 Chương “Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên q trình chuyển đổi cơng suất liên kết phi tuyến” Trong chương này, chúng tơi trình bày cấu tạo liên kết phi tuyến xây dựng phương trình lý thuyết mơ tả truyền sóng liên kết phi tuyến cũng biểu thức mô tả hệ số truyền công suất Trên sở nguyên lý hoạt động liên kết phi tuyến, biểu thức hệ số truyền nó thiết lập dựa vào phương trình kết thực nghiệm chúng tơi tính tốn ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên trình chuyển đổi cơng suất phi tuyến Cuối phần kết luận tài liệu tham khảo ... quang liên kết hiệu ứng phi tuyến Kerr ảnh hưởng lên xung trình lan truyền cũng trình bày chi tiết 10 Chương ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên q trình chuyển đổi cơng suất liên kết phi tuyến? ??... vào việc nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên trình truyền xung cặp sợi quang liên kết q trình chuyển đổi cơng suất liên kết phi tuyến Bộ liên kết phi tuyến thực tế sử dụng với nhiều ứng dụng... 2.1 Bộ liên kết phi tuyến 37 2.2 Thiết lập phương trình lan truyền sóng liên kết phi tuyến 39 2.3 Công suất chuyển đổi liên kết phi tuyến 42 2.4 Ảnh hưởng hiệu ứng Kerr lên trình