Giảng viên: Trần Thủy Bình
Nhóm thực hiện: Nhóm 2 lớp D11VT3
Thành viên:
Nguyễn Hữu Đức
Dương Văn Tuấn
Lường Khắc Cường
Phạm Quang Ánh
Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang
2
D11VT3
Nhóm 2
Nội dung
Tổng quan
1
Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang
2
3
D11VT3
Nhóm 2
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
D11VT3

Nhóm 2
Tổng quan
1
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
D11VT3
Nhóm 2
Tổng quan
1
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
D11VT3
Nhóm 2
-
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 quan
1
1.2. Nguyên nhân
Phần 2:
Các loại hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang
8
D11VT3
Nhóm 2
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
D11VT3
Nhóm 2
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
D11VT3
Nhóm 2
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
D11VT3
Nhóm 2

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
D11VT3
Nhóm 2
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 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.
13
D11VT3
Nhóm 2
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
D11VT3
Nhóm 2
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
EDF
A
f f
15
D11VT3
Nhóm 2
2.1. Tán xạ do kích thích

Raman- SRS
16
D11VT3
Nhóm 2
2.1. Tán xạ do kích thích
Raman- SRS
16 16
.
eff eff
thSRS
R eff R
A A
P
g L g
α
≈ =
2
eff
A a
π
=
1
L
eff
e
L
α
α
−
 

−
=
 ÷
 
17
D11VT3
Nhóm 2
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
D11VT3
Nhóm 2
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
D11VT3
Nhóm 2
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
α
≈ =
20
D11VT3
Nhóm 2

2.2. Tán xạ do kích thích
Brillouin- SBS
- Hệ số độ lợi: g
B
~ 4.10
-11
m/W, không phụ thuộc vào bước
sóng.
21
D11VT3
Nhóm 2
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
D11VT3
Nhóm 2
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: ɛ
0
- hằng số điện môi,
χ
(i)
- độ cảm bậc i của môi trường
EP
χε
0
=

3)3(
0
2)2(
0
)1(
0
+++= EEEP
χεχεχε
23
D11VT3
Nhóm 2
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 < ω
0
và sườn sau của
xung dịch đến tần số ω > ω
0

 phổ của tín hiệu bị co dãn
trong quá trình truyền
24
D11VT3
Nhóm 2
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
φ β β
= −
∫
0 2
'
eff
k n P
P
A
β β β γ
= + = +
0
( )
L
in eff
P L P z dz=
∫
NL in eff
P L
φ γ
=
25
D11VT3
Nhóm 2
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 > ω
0
) sẽ lan
truyền nhanh hơn thành phần tần số thấp -> xung
dãn ra
•
Với D > 0 : thành phần tần số cao ω > ω
0
lan
truyền chậm hơn thành phần tần số thấp - > xung
co lại