Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Khoa Điện tử - Viễn thông
Bài tập lớn
Môn: Kỹ thuật thông tin sợi quang
Chủ đề: Sợi quang phi tuyến
Giảng viên hướng dẫn: Trần Thúy Bình
Sinh viên thực hiện:
Hà nội, tháng 10 năm 2012
Bùi Tiến Hiếu
Nguyễn Văn Hải
Phạm Văn Nam
Trịnh Văn Quyết
1. Giới thiệu
Sợi quang phi tuyến liên quan đến các hiện tượng quang học phi tuyến xảy bên
trong sợi quang. Mặc dù lĩnh vực quang học phi tuyến bắt đầu năm 1961, khi một
laser hồng ngoại lần đầu tiên được sử dụng để tạo ra các bức xạ sóng hài bậc hai
bên trong một tinh thể, việc sử dụng các sợi quang học như một môi trường phi
tuyến trở nên khả thi chỉ sau năm 1970 khi suy hao sợi giảm xuống dưới 20 dB /
km. Tán xạ Raman và Brillouin trong sợi đơn mode đã được nghiên cứu từ rất sớm
năm 1972 và tiếp theo là nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến khác như SPM,
XPM và FWM.
Sợi quang học phi tuyến đã tiếp tục phát triển trong những năm 1990. Sự tăng
trưởng này được thúc đẩy bởi những tiến bộ gần đây trong công nghệ sóng quang,
quan trọng nhất là sự ra đời của hệ thông tin sợi quang dung lượng lớn. Trong các
hệ thống như vậy, tín hiệu phát được khuếch đại bằng cách sử dụng các bộ khuếch
đại quang để bù cho suy hao sợi quang còn lại. Kết quả là, các hiệu ứng phi tuyến
chồng chất trên một khoảng cách dài, và chiều dài tương tác thực tế có thể vượt
quá hàng nghìn kilômet
2. Đặc tính sợi
2.1 Sợi đơn mode
Một sợi quang giống như một sợi thủy tinh mỏng và bao gồm một lõi ở trung

, và chịu trách nhiệm về các hiện
tượng như third-harmonic generation, FWM, và khúc xạ phi tuyến.Trong số các
khúc xạ phi tuyến, một hiện tượng được đề cập đến sự phụ thuộc cường độ của các
chỉ số khúc xạ ( chiết suất), đóng vai trò quan trọng nhất. Chiết suất của sợi mode
có một hình thức chung:
trong đó n(ω) là một phần tuyến tính của các chỉ số mode tại tần số ω , I là cường
độ quang học, và n
2
là tham số phi tuyến liên quan đến χ (3). Một vài cơ chế vật lý
đóng góp vào n
2
, sự đóng góp chi phối đến từ dao động điều hòa của các electron
hóa trị. Bởi vì một phản ứng nhanh của các điện tử như vậy, sự phụ thuộc tần số
của n
2
có thể được bỏ qua.
Sự phụ thuộc chiết suất dẫn đến một số lượng lớn các hiệu ứng phi tuyến, hai
nghiên cứu rộng rãi nhất là SPM và XPM. SPM đề cập đến độ lệch pha tự cảm của
một trường quang học trong quá trình lan truyền bên trong sợi quang. Cường độ
của nó có thể thu được bằng cách ghi nhận rằng pha của một trường quang học
thay đổi trong quá trình truyền qua sợi theo
trong đó k
0
= ω/c =2π/λ, λ là bước sóng, L là chiều dài sợi quang, độ lệch pha phi
tuyến là kết quả từ SPM φ
NL
= n
2
k
0

định. Để hiểu ý nghĩa của nó, hãy xem xét một sợi đơn mode có chiều dài L. Một
đặc trưng thành phần quang phổ tại tần số ω sẽ đến vào cuối đầu ra của sợi sau
thời gian trễ T = L / v
g
, v
g
là vận tốc nhóm được định nghĩa là v
g
= (dβ / dω)
-1
và
β = n(ω). ω / c là hằng số truyền lan. Sự phụ thuộc tần số của vận tốc nhóm dẫn
đến mở rộng xung, bởi vì các thành phần phổ khác nhau của xung không đến đồng
thời tại đầu ra sợi. Nếu Δω là độ rộng xung của quang phổ, độ mở rộng xung được
chi phối bởi
Hiện tượng này được gọi là tán xạ vận tốc nhóm( GVD ), và tham số
β
2
= d
2
β/dω
2
được biết đến như là tham số GVD.
Trong sợi silica chuẩn, β
2
đổi dấu từ dương sang âm khi độ dài bước sóng ánh
sáng tăng qua 1.3μm.Tại đó β
2
mang giá trị âm được gọi là bất qui tắc - chế độ
GVD. Độ lớn của β

Xem xét sự lan truyền của một sóng ánh sáng liên tục có công suất đầu vào là P
0
bên trong sợi quang. Nếu suy hao sợi được bỏ qua α=0, công thức (9.5) là cách giải
quyết dễ dàng để hiệu suất
với
là sự dịch pha phi tuyến SPM. Công thức (9.5) cho thấy chùm tia CW chỉ lan
truyền bên trong sợi quang một cách cố định ngoại trừ khi có được nguồn phát phụ
thuộc vào sự chuyển pha.
Ω thể hiện tần số nhiễu xạ và K là giá trị số của sóng kết hợp với nó. sử dụng
công thức (9.7) và (9.8) ta có:
Độ tán sắc hiển thị ở công thức (9.9) cho thấy tính ổn định của giải pháp CW
phụ thuộc rất nhiều vào GVD của ánh sang đi trong sợi quang theo kiểu bình
thường hay bất bình thường.
Trong trường hợp bình thường, GVD có ( β
2
> 0 ), K là số lượng sóng thực với
mọi Ω, chùm tia CW ổn định chống lại sự nhiễu xạ. Trong trường hợp GVD bất
bình thường ( β
2
< 0 ), K trở thành phần ảo cho loạt tần số, nhiễu xạ a( z, t ) phát
triển theo hàm mũ với z. Theo đó, sự lan truyền của tia CW qua sợi quang không
ổn định khi β
2
< 0. Độ bất ổn này được gọi là điều chế không ổn định vì nó dẫn đến
sự biến điêu tự phát của tín hiệu CW với tần số nào đó và có giá trị phụ thuộc vào
giá trị của nguồn. Tương tự tính không ổn định xảy ra trong nhiều các hệ thống phi
tuyến khác và thường được gọi là sự không ổn định sefl-pulse.
4. Solitons quang học
Sự biến đổi không ổn định trong trạng thái GVD bất thường trong sợi quang là
liên kết sau cùng đến các giải pháp của NSE đã biết như solitons. Ở phần này đầu

0
= (π / 2) L
D
). Soliton này biểu diễn một tần số nhỏ, xác định như đạo
hàm theo thời gian của pha soliton. Soliton của NLS với N=1 có thể được viết là
Nó cho thấy rằng, xung đầu vào có được một sự dịch chuyển pha ξ / 2 khi nó
truyền bên trong sợi, nhưng biên độ của nó vẫn không thay đổi. Đây là tính chất
của solitons làm cho nó trở thành điều kiện lý tưởng cho truyền thông quang học.
Về bản chất, hiệu ứng tán sắc của sợi được bù đắp chính xác bởi sợi phi tuyến khi
xung đầu vào của một "sech" có hình dạng, chiều rộng và công suất đỉnh liên
quan khi N = 1.
Tính chất quan trọng của soliton quang học là sự ổn định, chống lại nhiễu. Như
vậy, mặc dù các soliton cơ bản đòi hỏi một hình dạng cụ thể và một công suất đỉnh
nhất định, nó có thể được tạo ra ngay cả khi hình dạng xung và công suất đỉnh đi
qua các điều kiện lý tưởng.
Hình. 2 cho thấy sự phát triển của xung đầu vào Gaussian khi N = 1 nhưng u(0,
τ) = exp (-τ
2
/ 2). Như đã thấy, xung điều chỉnh hình dạng và chiều rộng của nó để
trở thành một soliton cơ bản và đạt được một "sech" riêng cho ξ >>1. Một trạng
thái tương tự được quan sát thấy khi N khác 1. Trong thực tế, một soliton cơ bản có
thể kích thích cho các giá trị của N trong khoảng 0,5÷1,5.
4.2. Soliton tối
NSE có thể được giải quyết bằng phương pháp tán xạ ngược, ngay cả trong
trường hợp tán xạ bình thường. Thuộc tính cường độ được biểu diễn theo hướng đi
xuống trong một nền tảng thống nhất, và hướng đi đó vẫn không thay đổi trong quá
trình truyền bên trong sợi. Vì lý do này, các giải pháp như NSE được gọi là
solitons tối. Phần này mô tả ngắn gọn các thuộc tính của soliton tối. NSE mô tả
solitons tối thu được từ biểu thức. (9,11) bằng cách chọn dấu - cho thời gian thứ
hai. Giải pháp chung của nó có thể được viết như sau

Một tham số quan trọng quyết định đối với hệ thống thông tin liên lạc đường dài
với khoảng cách L
A
giữa các bộ khuếch đại. Đối với các hệ thống không soliton
lightwave, L
A
thường là trong phạm vi 60÷100 km. Đối với các hệ thống thông tin
liên lạc soliton, L
A
được giới hạn cho các giá trị nhỏ hơn. Lý do là các bộ khuếch
đại quang tăng năng lượng soliton trên một khoảng cách tương đối ngắn (khoảng
10 m). bộ khuếch đại soliton điều chỉnh chiều rộng của nó tự động trong phần sợi
sau bộ khuếch đại quang. Tuy nhiên, nó cũng mất một phần của năng lượng như
tán sắc sóng trong giai đoạn điều chỉnh. Phần tán sắc chứa đáng kể trong giai đoạn
bộ khuếch đại lớn và phải tránh điều này. Một cách để giảm một phần tán sắc là
giảm khoảng cách L
A
giữa các bộ khuếch đại như vậy soliton không thay đổi nhiều
hơn chiều dài.
Soliton được khuếch đại hàng trăm lần trong khi vẫn giữ hình dạng của chúng.
Kể từ khi soliton được chi phối bởi khoảng năng lượng trung bình soliton trên một
bộ khuếch đại, hoạt động ở chế độ này được gọi là chế độ trung bình-soliton,
soliton tương ứng được gọi là soliton hướng trung tâm. Các bộ khuếch đại soliton
có thể được chiếm bằng cách thêm độ khuếch đại và giảm giới hạn cho phương
trình (9,11), kết quả là:
N
A
là tổng số bộ khuếch đại, ξ
A
= L

sắc sợi với độ dài và GVDs là một sự lựa chọn sáng suốt.
Hình 3. Biến đổi của một sự mất quản lý trên khoảng cách 10.000km với L
A
=
50 km cho 2 trường hợp với L
D
= 200 km (hình bên trái) và L
D
= 25 km (bên phải).
Soliton bị triệt tiêu khi bộ khuyếch đại khoảng cách trội hơn với độ dài phân tán.
Công nghệ này thu hút đáng kể sự chú ý từ năm 1995 bởi vì một vài ưu điểm của
nó. Đặc biệt là ưu điểm trong WDM khi mà FWM có thể dẫn tới xuyên âm liên
kênh nếu GVD giảm. Giải quyết vấn đề quản lý độ tán sắc là giảm GVD trung bình
của đầu vào, giữ GVD của mỗi đoạn đủ rộng cho FWM và hiệu quả tán sắc cao
hơn.
Sự lan truyền của solitons qua quản lý tán sắc sợi có thể được nghiên cứu bằng
cách sử dụng công thức (9.11) sau khi bao gồm suy hao sợi và biến thể của GVD
trong độ dài sợi. Sử dụng công thức:
Với là giá trị cơ bản của GVD với . Khoảng cách ξ là
giá trị cơ bản được sử dụng mô tả độ dài L
D
= /|β
2
(0)|.
Sự lan truyền biểu diễn trong công thức (9.18) không dài hơn tiêu chuẩn NSE.
Tuy nhiên, nó có thể truyền vào bên trong NSE bằng cách sử dụng;:
Đây là thông tin truyền cơ bản trong bộ khuếch đại và khoảng cách trong GVD.
Sử dụng ν và ξ’
Nếu GVD được lựa chọn với hoặc , các
điều kiện vế phải của phương trình. (9,20) triệt tiêu, và sự suy hao sợi quang không

Một Sagnac trong giao thoa kế thường được sử dụng vì nó có thể được xây
dựng bằng cách sử dụng một bộ ghép sợi có hai cổng đầu ra được kết nối với một
phân đoạn sợi quang, hình thành một vòng lặp. Xung đầu vào đi vào từ một cổng
và được phân chia thành hai xung đếm truyền tại bộ ghép sợi quang, can thiệp vào
các bộ ghép sau khi có một sự chuyển đổi pha tương đối xung quanh vòng lặp.
Xung đầu vào được truyền tải qua cổng khác hoặc được phản xạ trở lại vào cổng
đầu vào phụ thuộc vào sự thay đổi pha tương đối. Một thiết bị như vậy hoạt động
như một tấm gương hoàn hảo năng lượng thấp (chế độ tuyến tính) khi bộ ghép
chia tách xung bằng nhau (một bộ ghép 50:50) và dẫn chiếu đến như một chiếc
gương sợi vòng lặp. Tuy nhiên, Nếu bộ ghép chia tách xung không đồng đều,
giống như một thiết bị phân chia tất cả quang học của SPM do sự dịch pha phi
tuyến được gọi là gương vòng lặp quang phi tuyến (NOLM). Một thiết bị như vậy
đã thu hút được sự chú ý đáng kể và có tìm thấy các ứng dụng không chỉ cho
chuyển mạch quang học mà còn cho các chế độ khóa và chiều dài sóng của bộ tách
kênh.
Chuyển đổi đặc tính của một NOLM phụ thuộc vào tỷ lệ chia tách bộ ghép sợi
quang. Nếu một tỷ lệ f của đầu vào năng lượng P
0
đi theo chiều kim đồng hồ, sau
đó chuyển cho một vòng lặp của chiều dài L thu được bằng cách tính toán độ dịch
pha trong vòng lặp nhờ đếm sóng truyền quang học, và sau đó kết hợp lại bộ ghép
giao thoa. Kết quả là
Đối với f = 0,5 hệ số phản xạ vòng lặp là 100% đối với tất cả các năng lượng.Tuy
nhiên, nếu phân tách tỷ lệ f khác 0,5 sau đó NOLM có thể hoạt động như một
chuyển đổi.
Hình. 4 cho thấy năng lượng truyền đi như là một hàm số của P
0
với hai giá trị
của f. Tại mức năng lượng thấp, ít ánh sáng truyền qua nếu f gần đến 0,5 khi đó T
m

một sợi lặp 17m .
Các NOLM đã tìm thấy nhiều ứng dụng. Nó có thể được sử dụng cho xung hình
vì cường độ truyền của nó. Ví dụ, nếu một xung quang học ngắn có chứa một bệ
rộng, bệ có thể được gỡ bỏ bởi cách cung cấp nó thông qua một thiết bị như vậy.
Sử dụng nó đối với khóa chế độ thụ động thế hệ xung femtosecond trong hình tám
laser sợi quang. Một ứng dụng quan trọng của NOLM cho bộ phân kênh của các
kênh trong một hệ thống sóng ánh sáng WDM. Kể từ khi sự phân kênh đòi hỏi phải
có môt kiểm soát xung cùng với tín hiệu, XPM, khá hơn so với SPM, là một hiệu
ứng phi tuyến chính đằng sau các hoạt động của các thiết bị như vậy. Chúng ta
nghiên cứu nó trong phần kế tiếp.
5,2. XPM dựa trên chuyển mạch quang
Tính vật lý đằng sau XPM do chuyển đổi có thể được hiểu bằng cách xem xét
một giao thoa được thiết kế như là một xung tín hiệu yếu, chia đều giữa 2 tay của
nó, giống với sự dịch chuyển pha trong mỗi tay và được truyền qua sự giao thoa.
Hình 5. Sơ đồ minh họa của phân chia cường độ phụ thuộc của bộ ghép sợi nhân
kép.
Nếu một xung bơm ở một chiều dài sóng khác nhau được tiêm vào một tay thuộc
giao thoa kế, nó sẽ dịch chuyển pha tín hiệu thông qua XPM trong tay. Nếu XPM
do dịch chuyển pha là đủ lớn (gần π), các xung tín hiệu sẽ không được truyền vì
triệt tiêu xảy ra ở đầu ra thuộc giao thoa. Do đó, một xung bơm cường độ cao có
thể chuyển đổi các xung tín hiệu thông qua việc thay đổi pha XPM. XPM do quang
học chuyển đổi bằng cách sử dụng một NOLM đã được chứng minh trong 1990.
Một bộ ghép sợi lưỡng sắc với tỷ lệ chia 50:50 tại 1.53μm và tỷ lệ chia 100:0 tại
1.3μm được sử dụng để cho phép bước sóng kép hoạt động. Một tia laser màu
trung tâm 1,53 mm cung cấp năng lượng thấp (~ 5 mW)
Tín hiệu CW. Như đã thảo luận trước đây, tín hiệu lan truyền của các chùm tia
dịch chuyển pha giống hệt nhau, và sợi dài 500m, vòng lặp đóng vai trò như là một
tấm gương hoàn thiện trong khi vắng mặt một bơm chùm tia. Khi xung bơm 130ps,
thu được từ một Nd: YAG laser 1,3µm, đã được tiêm vào chiều kim đồng hồ, sự
tương tác giữa các máy bơm và tín hiệu XPM giới thiệu một sự lệch pha giữa các

quang học. Kích thích tán xạ Raman thu hút nhiều sự chú ý để làm cho các bộ
khuếch đại quang học băng thông rộng. Tương tự như vậy, FWM đã được sử dụng
để phân chia kênh trong một hệ thống sóng ánh sáng WDM. FWM cũng có hại cho
hệ thống WDM vì nó dẫn đến nhiễu xuyên âm liên kênh, và các kỹ thuật quản lý
tán sắc thường được sử dụng để ngăn chặn nó. Một chủ đề thu hút sự chú ý đáng
kể là việc nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang lưới. Sợi quang lưới
thể hiện sự bất ổn định điều chế và hỗ trợ một loại mới của solitons gọi là soliton
Bragg. Từ hàng loạt các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang hiện đang được nghiên
cứu, Dự kiến, các sợi quang học phi tuyến sẽ vẫn là một chủ đề quan tâm vào thế
kỷ 21.
Tài liệu tham khảo:
Chương 9: Nonlinear Fiber Optics của Govind P. Agrawal.