hieu ung phi tuyen trong thong tin quang

1. Giảng viên: PGS.TS Bùi Trung Hiếu
Sinh viên: Nguyễn Viết Tùng
Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

2. Nội dung
Tổng quan1
Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang2

3. 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

4. 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.

5. 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.

6. - 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

7. Phần 2:
Các loại hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

8. Các loại hiệu ứng
phi tuyến
2
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

9. Các loại hiệu ứng
phi tuyến
2
 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.

10. Các loại hiệu ứng
phi tuyến
2
 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.

11. 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

12. 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.

13. 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).

14. 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 ra
phổ nghiêng
 Sự suy hao năng lượng trong các kênh có bước sóng nhỏ
hơn làm giảm hiệu suất truyền của chúng
 Tuy nhiên hệ số khuếch đại Raman nhỏ  có thể được
bù bằng cách sử dụng kĩ thuật cân bằng phù hợp
EDFA
f f

15. 2.1. Tán xạ do kích thích
Raman- SRS


16. 2.1. Tán xạ do kích thích
Raman- SRS

16 16
.
eff eff
thSRS
R eff R
A A
P
g L g

 
2
effA a
1 L
eff
e
L



 
  
 

17. 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.

18. 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

19. 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 A
P
g L g

 

20. 2.2. Tán xạ do kích thích
Brillouin- SBS
- Hệ số độ lợi: gB ~ 4.10-11m/W, không phụ thuộc vào bước
sóng.

21. 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.

22. 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 

23. 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

24. 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 P
P
A
      
0
( )
L
in effP L P z dz  NL in effP L 

25. 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

26. 2.3. Hiệu ứng tự điều pha
SPM


27. 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

28. 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
2
N
i
NL eff i n
n i
L P P 

 
  
 


29. 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)

30. 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

31. 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.

32. 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  

33. 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!mixing1
2
1
channelsN
2


NN
ffff kjiijk

34. 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