Fiber Optic effect

Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Contents

Tổng quan1

Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang2

Một số biện pháp giảm thiểu3

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)

Phân loại

- 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 Rayleigh: 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), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross- Phase Modulation) và hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM - Four-Wave Mixing).

Phân loại

Các thông số liên quan

Chiều dài hiệu dụng Leff

Diện tích hiệu dụng Aeff

Cường độ hiệu dụng Ieff

Chiều dài hiệu dụng

Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến xảy ra ngay trong khoảng đầu của sợi quang và giảm đi khi tín hiệu lan truyền.Giả sử: Pin: công suất truyền trong sợi quang => P(z) = Pin exp(−αz) là công suất tại điểm z trên tuyến, với α là hệ số suy hao. L được kí hiệu là chiều dài thực của tuyến. Chiều dài hiệu dụng của tuyến được kí hiệu là Leff được định nghĩa như sau:

Trong hệ thống với bộ khuếch đại quang:l: amplifiers spaced distance

L

z

effin dzzPLP0

)(

L

eff

eL

1

l

LeL

z

eff

1

Diện tích hiệu dụng

- Diện tích vùng lõi hiệu dụng Aeff (để giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến thì phải tăng diện tích hiệu dụng của sợi)

I(r, θ): intensity

r, θ : polar coordinates

- Công thức rút gọn: Aeff ≈ πw02

W0: bán kính trường mốt

r

reff

rIdrdr

rIdrdr

A

),(

),(

2

Ieff = P/Aeff

- P: công suất xung

-Diện tích hiệu dụng của SMF khoảng 85 µm2 và của DSF khoảng 50 µm2.

(Các sợi quang bù tán sắc có diện tích hiệu dụng nhỏ hơn và do đó có ảnh hưởng phi tuyến lớn hơn.)

Cường độ hiệu dụng

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

• 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 xuyên pha CPM• Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM

Phân loại

Nhóm hiệu ứng tán xạ không đàn hồi

Đặc trưng bởi: Hệ số độ lợi g (m/w) Độ rộng phổ Δf (đối với độ lợi tương ứng) Công suất ngưỡng Pth của ánh sáng tới –

(mức công suất mà tại đó suy hao do tán xạ là 3 dB, tức là một nửa công suất trên toàn bộ độ dài sợi quang)

2.1. Tán xạ do kích thích Raman- SRS

Hiện tượng: Photon của ánh sáng tới chuyển một phần

năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn .

Phần còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng của ánh sáng tới (ánh sáng Stoke)

Khi tín hiệu trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích Raman.


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.


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


Các đặc trưng:-Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh với đỉnh gR ~ 6x10-14 m/W ở bước sóng 1550 nm.


Công suất ngưỡng cho SRS:

PthSRS = 16Aeff /gR Leff =(16αAeff)/gR

VD: gR ≈ 1x10-13 m/W tại λ = 1550nm.

Lấy α = 0.046 1/km = 0.2dB/Km và Aeff= 55 μm2

Tính được PthSRS = 405mW

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.


• 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.

• 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 quang học dễ dàng bị kích thích bằng

cách ánh sáng, các ion âm và dương dao động ngược chiều.

• Phonon âm thanh ion dương và âm dao động ngược chiều.


Phonon quang học và âm học:


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


Ảnh hưởng: Làm suy yếu năng lượng tín hiệu tới, năng

lượng này làm giảm khoảng cách khẩu độ sợi quang cho phép.


Hệ số độ lợi: gB ~ 4x10-11 m/W, không phụ thuộc vào bước sóng.

Công suất ngưỡng cho SBS

PthSBS=21Aeff /gB Leff

Nhóm hiệu ứng khúc xạ phi tuyến

SPM CPM FWM


Xảy ra do sự phụ thuộc của độ cảm vào cường độ trường E của xung quang

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


Hệ thống đơn kênhvới ω: tần số góc, k: hệ số lan truyền

Vector phân cực:

Độ cảm điện:Χeff : độ cảm hiệu dụngnl : thành phần tuyến tính của chiết suất môi trườngC: vận tốc ánh sángI : cường độ sóng

)cos(0 kztEE


Do

neff : chiết suất hiệu dụng của môi trường

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


Độ dịch pha: (L: chiều dài truyền sóng)

Năng lượng truyền cao:


Thành phần phi tuyến gây ra độ dịch tần:

dI/dt > 0 :

dI/dt < 0 :

Hiện tượng chirp: sự thay đổi độ tán sắc gây ra sự méo dạng và thay đổi mật độ của xung


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

Ảnh hưởng: dẫn đến sự giao thoa gây nhiễu giữa các

kênh

( đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau)

Tuy nhiên: SPM dùng để tạo ra các xung cực ngắn với tỉ lệ

lặp cao được sử dụng trong chuyển mạch quang nhanh

2.4 Hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM

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


Tính chất: 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


Tính chất: Hệ số lan truyền: Độ dịch pha: (do hiệu ứng phi tuyến)

do


Tính chất: Với hệ thống N kênh truyền:

Pi : công suất vào của kênh i

Ví dụ:

2 kênh:


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 cua các bộ

khuếch đại quang• giữa các node chính và các mode bên của một kênh

tín hiệu.


• Tính chất

• Hiệu ứng phi tuyến bậc ba

• Bảo toàn năng lượng

• Bảo toàn mômen — hợp pha

330 EPNL

3214

3214


•Tính chất:• 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


Đa kênh:

Phân tích thành các thành phần có tần số góc: 2ωp - ωq , 2ωp + ωq , 2ωp + ωq + ωr , ωp ± ωq ± ωr


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


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

Phần 3. Một số phương pháp giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

1. XPM2. FWM

Hiệu ứng XPM không chỉ gây ra các ảnh hưởng tới tán sắc của hệ thống mà còn gây ra sự giãn rộng phổ của kênh quang không những làm méo cường độ của kênh mà còn có thể ảnh hưởng tới các kênh lân cận nếu khoảng cách giữa các kênh không được đảm bảo.

Để giải quyết vấn đề ảnh hưởng giãn rộng phổ của hiệu ứng XPM tới các kênh lân cận thì cách tốt nhất là đảm bảo khoảng các kênh an toàn. Đảm bảo khoảng cách kênh an toàn cũng có nghĩa là giảm độ rộng phổ của các nguồn phát quang trong hệ thống WDM, tức là sử dụng các nguồn phát quang có độ rộng phổ hẹp hơn

GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG XPM


Bằng việc phân tích phổ lan truyền của tín hiệu biểu diễn dưới dạng phương trình Schoedinger phi tuyến và áp dụng phương pháp hàm chuyển đổi chuỗi Voltera biến đổi Bo Xu đã đưa ra kết quả như sau:

Méo cường độ của một kênh bất kỳ do hiệu ứng XPM của kênh thứ k là :

Trường lan truyền của kênh thứ k tại độ dài L là:

Méo cường độ của kênh bất kỳ do hiệu ứng XPM của kênh thứ k là :

Như vậy ta phải bù công suất của hiệu ứng XPM của kênh thứ k là:

Trong đó M là số bộ khuếch đại của một tuyến, N là số kênh của tuyến.


GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG FWM

Hiệu ứng FWM có khả năng gây ra suy giảm công suất của tín hiệu quang và gây ra xuyên nhiễu cho các kênh của hệthống WDM. Các sợi có tán sắc thường có ảnh hưởng của FWM nhỏ. Khi tổn hao công suất kênh do hiệu ứng FWM cho các kênh là không đáng kể thì hiệu ứng FWM có thể được coi như chỉ có ảnh hưởng xuyên nhiễu tới các kênh của hệ thống.Thực tế thì chỉ có sợi dịch chuyển tán sắc DSF là có FWM lớn đến mức có thể gây ra suy giảm công suất của các kênh do nó tạo ra điều kiện kết hợp pha.

Hiệu ứng FWM với sự tương tác của 3 kênh f1, f2, f3 là có ảnh hưởng lớn tới hệ thống sử dụng WDM và EDFA vì nó có thể tạo ra các bước sóng mới nằm trong băng tần của của các kênh trong hệ thống.

Giảm ảnh hưởng của hiệu ứng FWM

GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG FWM

Công suất bị ảnh hưởng là :

Trong đó:

Pi , Pj , Pk : là các công suất ánh sáng đầu vào với các tần số f 1 , f 2 , f 3 .

λ : Bước sóng.

c : vận tốc ánh sáng.

χ : là độ cảm phi tuyến bậc ba.

Ae1 , Ae2 : là vùng hiệu dụng tương ứng của sợi L1 , L2 .

ηijk: là hệ số FWM.

Sợi quang G.655

Đây là hiệu ứng có ảnh hưởng lớn với hệ thống WDM ,có quan hệ mật thiết với tán sắc của sợi quang.Để khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng FWM ta có thể sử dụng sợi quang G.655 ( NZ-DFS) .

Sợi quang G.655 Sợi quang đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trong

các hệ thống hiện nay là sợi đơn mode SMF-28, G.652 Các đường cong mô tả tán sắc và suy hao của sợi đơn

mode cho thấy rằng suy hao của sợi đạt giá trị nhỏ nhất ở vùng bước sóng 1500 nm nhưng tán sắc có giá trị thấp nhất (bằng không) lại ở bước sóng 1300 nm.

Sợi quang dịch chuyển tán sắc (DSF, G.653) có tán bằng tổng bằng không tại bước sóng gần 1550 nm

Ðiều này đã dẫn đến sự phát triển của các loại sợi dịch chuyển tán sắc khác không (NZ - DSF). Các loại sợi này có tán sắc màu khoảng từ 1 đến 6 ps/nm.km hoặc là -1 đến -6 ps/nm.km ở cửa sổ 1550 nm. Ðiều này cắt giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong khi vẫn giữa nguyên các ưu điểm của sợi DSF

Sợi quang G.655

Thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn

Thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượng cao.

Độ tán sắc dương của sợi G655 tránh việc trộn lẫn bốn bước sóng quang

Vùng hiệu dụng cao của sợi G655 (vẫn nhỏ hơn sợi SMF) làm giảm thiểu các hiệu ứng phi tuyến

Ứng dụng của các hiệu ứng phi tuyến

FWM

FWM có thể ứng dụng để khuếch đại tín hiệu yếu.Hàm độ lợi gain có thể được tăng lên đến 20 dB Năng lượng xung bơm được chuyển sang tín hiệu

qua FWMDùng trong việc chia kênh trong OTDMSự liên hợp pha tạo bởi FWM

Đảo ngược hướng lan truyền và pha của chùm sáng.Chyển đổi bước sóng trong kênh WDM

FWM có thể chuyển dữ liệu đến bước sóng khác Chùm bơm CW được phóng vào sợi quang cùng với

kênh tín hiệu FWM truyền dữ liệ từ tín hiệu đến chùm idler ở một

bước sóng mới

XPM

Nén xung phi tuyếnChuyển kênh quang siêu nhanh(<1 ps)Passive mode locking

Tạo các xung ánh sáng cực ngắn(ps,fs) thông qua buồng cộng hưởng

Chia kênh trong hệ thống OTDMChuyển đổi bước sóng trong WDM

SRS

Bộ khuếch đại Raman là một lợi ích cho hệ thống WDM

Có thể dùng trong toàn bộ dải 1300-1650 nm

Bộ khuếch đại sợi quang pha bị giới hạn ~40nm

Bản chất phân tán của bộ khuếch đại làm giảm nhiễu

Có khả năng mở ra một băng tần mới

SBS

Liên hợp pha tạo bởi SBSNén xung tạo bởi SBSSBS tăng cường FWMÁnh sáng chậm tạo bởi SBS

Supercontinuum generation

FWM kết hợp với SPM,XPM và SBS sẽ có thể tạo ra một phổ siêu rộng có thể lên đến 200nm

Phương pháp

cắt phổ có

thế sử dụng

để tạo ra 1000 kênh

từ phổ này

Education

Fiber Optic effect