Nghiên cứu, thiết kế và đề xuất cấu trúc tinh thể bù tán sắc trong các hệ thống cáp quang biển
- 94 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN TRNNH QUANG THÀNH
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC TINH THỂ BÙ
TÁN SẮC TRONG CÁC HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN
Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN HOÀNG HẢI
Hà Nội – Năm 2014
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện. Các
số liệu, kết quả trong luận văn đều hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong
bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây. Các tài liệu nghiên cứu trước đây dùng để
phân tích và so sánh đều được trích dẫn cụ thể và rõ ràng.
Nếu có bất kỳ sai phạm nào liên quan tới việc sao chép nội dung luận văn, tôi xin
hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 19 tháng 09 năm 2014
Học viên Nguyễn Trịnh Quang Thành
2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 2
MỤC LỤC....................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN ................................................. 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN .................................................... 11
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ....................................... 12
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 13
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 13
2. Lịch sử nghiên cứu ................................................................................................ 13
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn ........................................................................ 14
4. Tóm tắt các luận điểm cơ bản của luận văn ........................................................... 14
5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 15
CHƯƠNG I SỢI TINH THỂ QUANG PCF ............................................................. 16
1.1 GIỚI THIỆU SỢI TINH THỂ QUANG PCF .................................................... 16
1.1.1 Định nghĩa.................................................................................................. 16
1.1.2 Lịch sử phát triển ....................................................................................... 17
1.2 PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT MỚI CỦA PCFs .................................... 21
1.2.1 Phân loại .................................................................................................... 21
1.2.2 Một số tính chất mới của PCFs .................................................................. 21
1.3 CÁC TÍNH CHẤT CỦA SỢI QUANG TINH THỂ CÓ LÕI CHIẾT SUẤT
CAO. .......................................................................................................................... 22
1.3.1 Đường đặc tính d/Ʌ ................................................................................... 24
1.3.2 Tính chất ngưỡng ....................................................................................... 26
1.3.3 Suy hao do uốn cong của PCF lõi chiết suất cao. ...................................... 29
1.3.4 Tán sắc. ...................................................................................................... 31
3
1.3.5 Suy hao giam giữ ....................................................................................... 32
1.4 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 35
......................................................................................................................... 36
2.1 SỢI PCFs CẤU TRÚC HÌNH VUÔNG. ........................................................... 36
2.1.1 Đặc tính truyền dẫn. ................................................................................... 36
2.1.2 Đặc tính ngưỡng ........................................................................................ 42
2.2 SỢI HONEYCOMB PCF LÕI RỖNG .............................................................. 51
2.2.1 Đặc tính dẫn sóng và suy hao rò. ............................................................... 51
2.2.2 Tính lưỡng chiết ......................................................................................... 56
2.3 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 60
.......................................... 61
3.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA SỢI TINH THỂ QUANG BÙ TÁN SẮC. ................. 61
3.2 SỢI PCF HAI LÕI ĐỒNG TÂM CHO ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC. ............. 70
3.3 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 72
................................................................................................................................ 73
4.1 MỞ ĐẦU............................................................................................................ 73
4.2 PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SỢI BÙ TÁN SẮC DCCPCF
TRONG HỆ THỐNG DWDM. ................................................................................. 74
4.2.1 Tính toán các thông số cần đạt được của thiết kế ...................................... 74
4.2.2 Xây dựng, phân tích và thiết kế cấu trúc. .................................................. 76
4.2.3 So sánh các thông số của hai cấu trúc tối ưu. ............................................ 87
4.3 SO SÁNH CÁC THÔNG SỐ CẤU TRÚC THIẾT KẾ ĐẠT ĐƯỢC VỚI CẤU
TRÚC DCCPCF TÁM CẠNH. ................................................................................. 89
4.4 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 90
4
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 92
5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
Hình 1.1 PCFs trong tự nhiên. ...................................................................................... 17
Hình 1.2 Mặt cắt của mẫu PCF lõi đặc đầu tiên có đường kính lỗ khí 300nm và khoảng
cách giữa 2 lỗ khí liên kề là 2300nm. ........................................................................... 19
Hình 1.3 Mặt cắt của sợi PCF lõi rỗng ........................................................................ 19
Hình 1.4 Mặt cắt một số loại PCFs .............................................................................. 21
Hình 1.5 Cấu trúc PCF (a) bát giác và (b) lục giác ..................................................... 22
Hình 1.6 Sợi PCF cấu trúc lục giác lõi đặc .................................................................. 23
Hình 1.7 Sợi PCF có lỗ khí sắp xếp theo cấu trúc tam giác ......................................... 24
Hình 1.8 Đường tần số định định mức Ʌ/λ của sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam
giác với d/Ʌ=0.233 ........................................................................................................ 26
Hình 1.9 Đường tần số định định mức Ʌ/λ của sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam
giác với d/Ʌ=0.6 ............................................................................................................ 27
Hình 1.10 Hai mode của sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác với d/Ʌ=0.6 tại
tần số định mức Ʌ/λ=0.4 ............................................................................................... 28
Hình 1.11 Giá trị eff sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác.............................. 28
Hình 1.12 Suy hao do uốn cong của sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác khi cố
định Ʌ=2.3µm thay đổi d/Ʌ. .......................................................................................... 30
Hình 1.13 Suy hao do uốn cong của PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác với
d/Ʌ=0.25 và Ʌ chạy từ 1µm tới 5µm ............................................................................. 30
Hình 1.14 Tán sắc của sợi PCFs lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác với Ʌ=2.3µm theo
phương pháp full vector ................................................................................................ 31
Hình 1.15 Tán sắc của sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác khi cố định
Ʌ=2.3µm tính theo phương pháp full vector................................................................. 32
Hình 1.16 Suy hao giam giữ tại 1550nm (a) Theo đường kính lỗ khí chuẩn hóa d khi
Ʌ=2.3µm và số vòng lỗ khí thay đổi và (b) theo Ʌ khi tỉ số điền đầy d/Ʌ thay đổi ...... 33
Hình 1.17 Đồ thị suy hao giam giữ theo bước sóng λ khi số vòng lỗ khí thay đổi,
d/Ʌ=0.5 (a) Ʌ=2.3µm và (b)Ʌ=4.6µm .......................................................................... 34
6
Hình 1.18 Suy hao giam giữ theo bước sóng của sợi PCF lõi rỗng cấu trúc tam giác
với số vòng là 4 và 7...................................................................................................... 35
Hình 2.1 (a) Mặt cắt của sơi PCF cấu trúc hình vuông và (b) Ví trị các lỗ khí vòng
đầu tiên của cấu trúc hình vuông (nét liền) và cấu trúc tam giác (nét đứt). ................ 37
Hình 2.2 Chiết suất hiệu dụng neff theo bước sóng của PCF cấu trúc hình vuông (a)
Ʌ=1µm (b) Ʌ=2µm (c) Ʌ=3µm với d/Ʌ thay đổi từ 0.5 tới 0.9 .................................... 38
Hình 2.3 Chiết suất hiệu dụng neff của PCFs cấu trúc hình vuông với d/Ʌ=0.9 và Ʌ
nằm trong khoảng 1-3µm .............................................................................................. 39
Hình 2.4 So sánh (a) Chiết suất hiệu dụng (b) Diện tích hiệu dụng giữa cấu trúc tam
giác và hình vuông với d/Ʌ=0.5 và Ʌ bằng 1 và 3µm ................................................... 40
Hình 2.5 So sánh diện tích hiệu dụng cấu trúc tam giác và cấu trúc hình vuông với
d/Ʌ=0.9 và Ʌ=1µm ....................................................................................................... 41
Hình 2.6 Trường từ cơ sở tại bước sóng 1550nm của (a) sợi PCF cấu trúc vuông và (b)
sợi PCF cấu trúc tam giác với d/Ʌ=0.5, Ʌ=3µm.......................................................... 41
Hình 2.7 Trường từ cơ sở tại bước sóng 1550nm của (a) sợi PCF cấu trúc vuông và (b)
sợi PCF cấu trúc tam giác với d/Ʌ=0.9, Ʌ=3µm.......................................................... 42
Hình 2.8 Tỉ số α/ko theo bước sóng chuẩn hóa λ/Ʌ (a) PCF cấu trúc vuông 8 vòng lỗ
khí với d/Ʌ trong khoảng 0.45-0.57 và (b) là hàm của số vòng lỗ khí, 4, 6 và 8 PCF
cấu trúc vuông có d/Ʌ=0.57 .......................................................................................... 44
Hình 2.9 Thông số Q theo bước sóng chuẩn hóa λ/Ʌ (a) PCFs cấu trúc vuông 8 vòng
với d/Ʌ trong khoảng 0.45-0.57 và (b) là hàm của số vòng lỗ khí khi d/Ʌ=0.57 ......... 45
Hình 2.10 Bước sóng cắt chuẩn hóa λ*/Ʌ theo d/Ʌ của PCF cấu trúc vuông 4, 6, 8 vòng
lỗ khí .............................................................................................................................. 45
Hình 2.11 Diện tích chuẩn hóa Aeff/Ʌ2 mode thứ cấp theo λ/Ʌ đối với PCF cấu trúc
vuông có d/Ʌ=0.52, số vòng lỗ khí 4, 6 và 8 ................................................................. 46
Hình 2.12 Biểu đồ trạng thái của PCF 8 vòng cấu trúc vuông và tam giác................ 47
Hình 2.13 Ngưỡng của tần số chuẩn hóa V* theo 2 công thức của PCF cấu trúc vuông
8 vòng lỗ khí. Đường liền nét là giá trị trung bình của V1* và V2* . ................................ 49
7
Hình 2.14 (a) V1 và (b) V2 theo bước sóng chuẩn hóa λ/Ʌ của PCF cấu trúc vuông với
d/Ʌ từ 0.43 tới 0.57........................................................................................................ 49
Hình 2.15 (a) Hx , (b) Hy , (c) Hz , (d) mật độ phân bố mode bậc 2 khi λ/Ʌ=0.127 đối với
cấu trúc PCF cấu trúc vuông 4 vòng lỗ khí có d/Ʌ=0.57 ............................................. 50
Hình 2.16 Phần cắt ngang của PCF cấu trúc vuông (đường liền nét) và của thành phần
trường Hx (đường đứt nét) (a) theo trục x và (b) dọc theo hướng 45o .......................... 51
Hình 2.17(Trái) Cấu trúc honeycomb một cell.(Phải) Cấu trúc Honeycomb tùy chỉnh.
Phần màu xám là vật liệu silica. ................................................................................... 53
Hình 2.18 Đường biên dải cấm với d/Ʌ=0.6 (nét liền) và d/Ʌ=0.64 nét đứt) .............. 53
Hình 2.19 PBGF với lõi rỗng bán kính R. R=2Ʌ với sợi A và C, R=3Ʌ với sợi B và D54
Hình 2.20 Đường cong tán sắc của mode cơ sở và các mode bậc cao hơn của PBGFs.
(a) sợi A, (b) sợi C, (c) sợi B và (d) sợi D. .................................................................... 54
Hình 2.21 Trường ánh sáng của mode cơ sở và mode bậc cao thứ nhất tại bước sóng
1550 nm ......................................................................................................................... 55
Hình 2.22 Suy hao giam giữ phụ thuộc vào bước sóng của mode cơ sở và các mode bậc
cao hơn của PBGFs. (a) A, (b) C, (c) B, (d) D với cột trái là d/Ʌ =0.6 và cột phải là
d/Ʌ=0.64 và hàng trên có R=2Ʌ, hàng dưới R=3Ʌ ...................................................... 55
Hình 2.23 Mặt cắt của sợi lưỡng chiết cao ................................................................... 56
Hình 2.24 Trường ánh sáng của mode cơ sở tại bước sóng 1550 nm ở cả phân cực: (a)
X, (b) Y........................................................................................................................... 57
Hình 2.25(a) Đường cong tán sắc của hai phân cực mode cơ sở và (b)tính lưỡng chiết
ở các bước sóng chuẩn. ................................................................................................. 57
Hình 2.26(a) Đường cong tán sắc, (b) suy hao giam giữ ở hai phân cực x và y của
mode cơ sở và mode bậc cao ........................................................................................ 58
Hình 2.27 Mặt cắt của sợi lưỡng chiết cao: (a) sợi A, (b) sợi B, và (c) sợi C .............. 59
Hình 2.28 Đường cong tán sắc ở mode cơ sở và mode bậc cao của sợi lưỡng chiết cao:
(a) sợi A, (b) sợi B, (c) sợi C ......................................................................................... 59
Hình 2.29 Suy hao giam giữ theo hai phân cực của mode cơ sở và mode bậc cao ở sợi
lưỡng chiết cao .............................................................................................................. 60
8
Hình 2.30 Sự phụ thuộc của lưỡng chiết vào bước sóng với các sợi A,B và C ............ 60
Hình 3.1 Mặt cắt của PCFs tam giác............................................................................ 62
Hình 3.2 Hệ số tán sắc của PCFs (a) có d/Ʌ=0.9 và các giá trị Ʌ khác nhau (b)
Ʌ=0.8µm và d/Ʌ khác nhau........................................................................................... 63
Hình 3.3 Tán sắc tại bước sóng 1550 nm của PCF cấu trúc tam giác ......................... 64
Hình 3.4 Tỉ số bù của PCFs (a) d/Ʌ = 0.9 với các giá trị Ʌ khác nhau và (b) Ʌ = 0.8
µm và các giá trị d/Ʌ bù cho sợi SMF-28 ..................................................................... 66
Hình 3.5 (a) Hệ số tán sắc (b) tỉ số bù của PCFs có d/Ʌ=0.9 khi Ʌ thay đổi từ 0.9 tới
1µm ................................................................................................................................ 66
Hình 3.6 Tỉ số bù của PCFs (a) d/Ʌ=0.9 khi Ʌ thay đổi và (b) Ʌ = 0.8 µm khi d/Ʌ thay
đổi đối với sợi G-655..................................................................................................... 68
Hình 3.7 Thành phần từ trường cơ sở tại bước sóng 1550nm chủa PCFs có Ʌ = 0.8 µm
và (a) d/Ʌ = 0.6, (b) d/Ʌ = 0.9; của PCFs có d/Ʌ = 0.9 và (c) Ʌ = 0.6 µm, (d) Ʌ=1 µm
....................................................................................................................................... 69
Hình 3.8 Suy hao tại bước sóng 1550 nm của các PCFs cấu trúc tam giác có đường
kính lỗ khí lớn và pitch nhỏ ........................................................................................... 69
Hình 3.9 Mặt cắt của một mẫu DCCPCF ..................................................................... 70
Hình 3.10 Hai mode cơ bản ở hai lõi của DCCPCF (a) Ở lõi trong và (b) Lõi ngoài 71
Hình 3.11 Chiết suất hiệu dụng của mode cơ sở và mode thứ cấp theo bước sóng ..... 72
Hình 4.1 Đồ thị tán sắc theo bước sóng của sợi SMF-28 ............................................. 74
Hình 4.2 Đồ thị độ dốc tán sắc sợi SMF-28 ................................................................. 74
Hình 4.3 Cấu trúc DCFPCF bắt đầu phân tích thiết kế. .............................................. 77
Hình 4.4 Vị trí tọa độ các lỗ khí trong mặt phẳng Oxy................................................. 77
Hình 4.5 Hình ảnh ánh sáng hội tụ ở inner và outter core ........................................... 78
Hình 4.6 Đường cong tán sắc cấu trúc có =1.3 µm, d=1.00 µm và d3=0.48 µm ... 79
Hình 4.7 Suy hao của cấu trúc có =1.3 µm, d=1 µm và d3=0.48 µm ..................... 79
Hình 4.8 Cấu trúc khi dịch outter core vào vòng thứ 2 ................................................ 80
Hình 4.9 So sánh suy hao của cấu trúc outter core ở vòng 2 và vòng 3....................... 80
Hình 4.10 So sánh tán sắc của cấu trúc outter core ở vòng 2 và vòng 3 ..................... 81
9
Hình 4.11 Suy hao khi giữa nguyên Ʌ và d2 thay đổi d ................................................ 82
Hình 4.12 Đường cong tán sắc khi giữa nguyên Ʌ và d thay đổi d2 ............................ 82
Hình 4.13 Độ dốc tán sắc của cấu trúc Ʌ=1.3µm, d2=0.5µm và d tương ứng bằng 1.10
và 1.15 µm, .................................................................................................................... 83
Hình 4.14 Độ dốc tán sắc khi Ʌ=1.3 µm, d=1.10µm và d2 lần lượt bằng 0.50, 0.51 và
0.52 µm .......................................................................................................................... 84
Hình 4.15 Đồ thị tán sắc khi Ʌ=1.3 µm, d=1.10µm và d2 lần lượt bằng 0.50, 0.51 và
0.52 µm .......................................................................................................................... 84
Hình 4.16: Độ dốc tán sắc khi Ʌ=1.3 µm, d=1.15µm và d2 lần lượt bằng 0.50, 0.51,
0.52 và 0.53 µm ............................................................................................................. 85
Hình 4.17 Đồ thị tán sắc khi Ʌ=1.3 µm, d=1.15µm và d2 lần lượt bằng 0.50, 0.51, 0.52
và 0.53 µm ..................................................................................................................... 86
Hình 4.18 So sánh tán sắc cấu trúc 1 và 2 .................................................................... 87
Hình 4.19 So sánh suy hao cấu trúc 1 và 2 ................................................................... 87
Hình 4.20 So sánh diện tích hiệu dụng cấu trúc 1 và 2 ................................................ 88
Hình 4.21 Cấu trúc DCCPCF bát giác. ........................................................................ 89
10
DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN
Bảng 1.1 Các cột mốc nổi bật trong quá trình phát triển PCF………………………...18
Bảng 3.1 Các thông số quan trọng của DCF..…………………………………………64
Bảng 4.1: Các thông số của cấu trúc Ʌ=1.3 µm, d=1.10µm…………………………..82
Bảng 4.2: Các thông số của cấu trúc Ʌ=1.3 µm, d=1.15µm…………………………..83
Bảng 4.3: So sánh các thông số của 2 cấu trúc tối ưu…………………………………85
Bảng 4.4 So sánh cấu trúc bát giác và lục giác………………………………………..87
11
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN
VĂN
CR Compensation Ratio Tỉ số bù
DCCPCF Dual Core Concentric Photonic Sợi tinh thể quang hai lõi
Crystal Fiber đồng tâm
DCF Dispersion Compensation Fiber Sợi quang bù tán sắc
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifiers Bộ khuếch đại quang pha
tạp Erbium
FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn
LMA Large Mode Area Diện tích mode lớn
NZDF Near Zero Dispersion Fiber Sợi quang có tán sắc gần không
PC Photonic Crystal Tinh thể quang tử
PCF Photonic Crytal Fiber Sợi tinh thể quang
PGB Photonic Band Gap Dải cấm quang
RDS Relative Dispersiong Slope Độ dốc tán sác tương đối
SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode
SIF Step Index Fiber Sợi quang chiết suất nhảy bậc
WDM Wave Divission Multiplex Ghép kênh theo bước sóng
12
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Truyền thông sợi quang ra đời đánh dấu một bước phát triển mạnh mẽ của công
nghệ truyền dẫn với những ưu điểm nổi trội như băng thông lớn, tốc độ cao, suy hao
thấp…truyền dẫn quang đã và đang trở thành công nghệ truyền dẫn chính trong các
ứng dụng tốc độ cao và mạng truyền dẫn đường trục. Truyền dẫn thông tin bằng cáp
sợi quang từ khi ra đời đến nay đã trải qua nhiều thời kỳ phát triển: Ban đầu là sợi
quang đa mode có suy hao cao với cự ly truyền dẫn vài km cho đến sợi quang đơn
mode có suy hao thấp với cự ly truyền dẫn lên tới hàng chục, thậm chí hàng trăm km.
Cáp quang là giải pháp ưu tiên cho hệ thống viễn thông đường dài và quốc tế có tốc
độ truyền dẫn rất cao, sử dụng trên đất liền và vượt đại dương. Tuy nhiên hệ thống
thông tin quang dung lượng lớn hiện gặp phải ba vấn đề cần quan tâm là: Suy hao, tán
sắc và hiệu ứng phi tuyến. Trong đó vấn đề tán sắc là vấn đề lớn nhất trong hệ thống
thông tin quang hiện tại. Tán sắc lớn sẽ làm méo tín hiệu và tạo ra hiện tượng giao
thoa giữa các ký tự (ISI-Intersymbol Interference) do sự giãn xung tại các khe thời
gian, làm xuống cấp chất lượng truyền dẫn và hậu quản thậm chí có thể không chấp
nhận được. Do đó vấn đề xác định tán sắc và bù tán sắc trở thành một vấn đề quan
trọng, cần thiết.Dựa trên các kiến thức nghiên cứu được tai trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội, với mong muốn đề xuất một cấu trúc bù tán sắc cho sợ quang, tôi đã
chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và đề xuất cấu trúc tinh thể bù tán sắc trong các hệ
thống cáp quang biển” cho luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Hải – Viện Điện tử
Viễn thông, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã cung cấp ý tưởng, tài liệu tham khảo và
chương trình mô phỏng, đồng thời hướng dẫn tận tình để tôi có thể hoàn thành luận
văn này.
2. Lịch sử nghiên cứu
Sau khi nhận được đề tài, tôi xác định được các vấn đề cần giải quyết của đề tài
này bao gồm các nội dung sau:
13
Nghiên cứu sợi tinh thể quang PCF, các tính chất mới của sợi PCFs, sợi có lõi
chiết suất cao.
Nghiên cứu các đặc tính truyền dẫn của sợi PCFs.
Nghiên cứu sợi tinh thể quang bù tán sắc, trong đó đi sâu nghiên cứu sợi hai lõi
đồng tâm
Đưa ra mô hình và kết quả phân tích,tính toán và thiết kế sợi tinh thể bù tán sắc.
Với các vấn đề đó, tôi đã tự lên kế hoạch về thời gian thực hiện luận văn của
mình như sau:
Nghiên cứu sợi tinh thể quang PCF: Thực hiện trong 2 tháng
Nghiên cứu các đặc tính truyền dẫn của sợi PCFs: Nghiên cứu trong 2 tháng
Nghiên cứu sợi tinh thể quang bù tán sắc: Nghiên cứu trong 3 tháng
Đưa ra mô hình và kết quả phân tích,tính toán và thiết kế sợi tinh thể bù tán sắc:
Thực hiện trong 5 tháng
Cho đến nay, sau quá trình nghiên cứu và học tập, tôi đã hoàn thành toàn bộ
luận văn thạc sỹ kỹ thuật của mình.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu của luận văn là đưa ra một cấu trúc tinh thể quang hai lõi đồng tâm
ứng dụng bù tán sắc trên dải rộng. Nội dung chính bao gồm mô tả ngắn gọn lịch sử
phát triển sợi tinh thể quang, các tính chất truyền sóng trong sợi tinh thể quang, sợi tinh
thể quang bù tán sắc, và cách phân tích thiết kế sợi tinh thể quang bù tán sắc ứng dụng
trong hệ thống WDM.
4. Tóm tắt các luận điểm cơ bản của luận văn
Nội dung chính của đồ án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Sợi quang tinh thể quang PCF. Trong chương này tập trung tìm
hiểu về sợ tinh thể quang PCF, các tính chất mới của PCF, tính chất của sợi quang tinh
thể có lõi chiết suất cao.
14
Chương 2: Các đặc tính truyền dẫn trong sợi tinh thể quang. Trong chương
này sẽ tập trung nghiên cứu các đặc tính truyền dẫn của sợi PCF cấu trúc hình vuông
và sợi Honeycomb PCF lõi rỗng.
Chương 3: Sợi tinh thể quang bù tán sắc. Trong chương này tập trung nghiên
cứu cụ thể các đặc điểm, tính chất của sợi tinh thể quang bù tán sắc, trong đó đi sâu
nghiên cứu một loại sợi hai lõi đồng tâm cho ứng dụng bù tán sắc.
Chương 4: Phân tích, tính toán và thiết kế sợi tinh thể quang bù tán sắc cho
hệ thống cáp quang biển. Đây là chương chính của luận văn, dựa trên các kết quả
nghiên cứu, bằng việc sử dụng phần mềm mô phỏng COMSOL và MATLAB đưa ra
mô hình tính toán và đề xuất cấu trúc bù tán sắc cho sợi DCCPCF áp dụng trong hệ
thống cáp quang biển, đồng thời đưa ra những so sánh về thông số cấu trúc thiết kế đạt
đực so với cấu trúc DCCPCF tám cạnh.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn dựa trên
- Cơ sở lý thuyết: dựa trên các nghiên cứu về đặc điểm, tính chất mới của sợi PCF,
các đặc tính truyền dẫn của sợi PCF, trong đó đi sâu nghiên cứu thuộc tính, tính chất
của sợi bù tán sắc để đề xuất mô hình tính toán và cấu trúc phù hợp.
- Phần mô phỏng: Dựa trên các phần mềm mô phỏng quang và tính toán có độ chính
xác cao là COMSOL và MATLAB, đề xuất các thông số cấu trúc thiết kế phù hợp
và đánh giá, so sánh kết quả thu được.
15
CHƯƠNG
1
SỢI TINH THỂ QUANG (PHOTONIC CRYSTAL
FIBER)
Chương này trình bày một cách tổng quan về sợi tinh thể quang từ lịch sử ra đời
và phát triển cho tới các tính chất cơ bản của nó.
1.1 GIỚI THIỆU SỢI TINH THỂ QUANG PCF
1.1.1 Định nghĩa
Tinh thể quang (PC – Photonic Crystal) là cấu trúc nano quang có chu kỳ được
thiết kế để tác động đến sự chuyển động của photo theo cách tương tự mà tinh thể bán
dẫn ảnh hưởng tới chuyển động của electron. Tinh thể quang xảy ra trong tự nhiên dưới
nhiều dạng khác nhau và đã được nghiên cứu trong khoa học hơn 100 năm qua.
Sợi tinh thể quang (PCF- Photonic Crystal Fiber hay còn gọi là Microstructured
hoặc Holey Fiber) là sợi quang mới, truyền ánh sáng dựa trên tính chất của các tinh thể
quang, bởi vì chúng có khả năng giam giữ ánh sáng trong vùng lõi (core).
PCF được chế tạo từ hợp chất silica mà trong nó có những lỗ khí (air hole) chạy
song song dọc theo trục của sợi. Không giống như những loại sợi quang thông thường,
lõi (core) và vùng phản xạ (vỏ) của PCF được làm từ cùng một vật liệu nền mọi tính
chất của PCF đều phụ thuộc vào cách sắp xếp các lỗ khí trong sợi.
Cho tới những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật công
nghệ nói chung và công nghiệp chế tạo sợi quang nói riêng, về cơ bản sợi quang thông
thường đã tiến tới tiệm cận giới hạn của nó. Vì vậy PCF chính là công nghệ sợi quang
16
thay thế với nhiều ưu điểm vượt trội so với sợi quang thông thường như: tốc độ truyền
dẫn lớn, băng thông rộng, suy hao nhỏ, tắn sắc có thể điều khiển được... Điều này đã
được chứng minh vào năm 1995, khi sợi PCF đầu tiên được chế tạo bằng cách sắp xếp
vật liệu chiết suất thấp trên nền vật liệu chiết suất cao hơn.
1.1.2 Lịch sử phát triển
Rất nhiều các phát minh sáng chế của con người có khởi nguồn từ trong tự
nhiên. Từ việc phát hiện ra cấu trúc đặc biệt trên cánh bướm Morpho rhetenor và lông
đuôi chim công các nhà khoa học đã phát minh ra sợi PCF.
Hình 1.1 PCFs trong tự nhiên.
Sợi quang thông thường có thể truyền thông tin ở dạng các xung ngắn qua
khoảng cách dài với tốc độ rất cao là một trong những thành tựu lớn của thế kỉ 21.
Công nghệ này đã phát triển với tốc độ thần kì, kể từ khi sợi đơn mode suy hao thấp
đầu tiên ra đời, để trở thành nhân tố chính trong mạng lõi của tất cả các mạng viễn
thông toàn cầu hiện nay. Không những vậy, sợi tinh thể quang còn có những ứng dụng
ngoài viễn thông như cơ khí chế tạo, y học, cảm biến và rất nhiều lĩnh vực ứng dụng
khác. Sau hơn 30 năm nhiên cứu, công nghệ chế tạo sợi quang thông thường đã tiến tới
17
giới hạn tiệm cận của nó. Trong những năm 80 của thế kỉ trước, các kĩ sư và các nhà
nghiên cứu đã tập trung vào khả năng mở rộng vùng bước sóng bằng cách thay đổi cấu
trúc vật liệu sử dụng, để phát triển một môi trường truyền dẫn quang mới được gọi là
tinh thể quang. Tinh thể quang đã làm thay đổi căn bản quan niệm quang học trước
đây, có điều này là do việc áp dụng các kết quả thu được từ công nghệ bán dẫn vào
quang học. Thực tế, cấu trúc vùng của chất bán dẫn là kết quả tương tác giữa electron
và các dao động điều hòa do điện thế của mạng tinh thể tạo ra. Bằng việc giải các
phương trình sóng Schrodinger cho điện trường ta thu được các kết quả về trạng thái
của electron ở trong vùng cấm.
PGB (photonic band gap) được đưa ra lần đầu tiển bởi Sajeev John vào năm
1987 đã trở thành đề tài thu hút trong giới quang học năm 1990. Cùng với nhiều thành
tựu trong quá trình nghiên cứu và phát triển, vào năm 1991 Philip Russell đã phát hiện
ra rằng ánh sáng có thể bị giới hạn trong lõi rỗng của sợi quang bằng cách tạo một cấu
trúc tinh thể quang 2 chiều trong vùng vỏ. Ý tưởng này xuất phát từ sự bố trí màu trên
cánh bướm và trên đuôi con công. Tức là trong vùng dừng (stop band) ánh sánh tới bị
phản xạ rất mạnh. Khi được thiết kế đúng các tinh thể quang trong vùng vỏ dọc theo
chiều dài sợi có thể giam giữ ánh sáng trong lõi rỗng. Loại sợi quang mới này được gọi
là PCFs, vì chúng dựa vào tính chất đặc biệt của tinh thể quang để giới hạn ánh sáng.
Sợi PCFs đầu tiên được Philip Russell và cộng sự công bố năm 1995, mặc dù
chưa phải là lõi rỗng nhưng là một bước đột phá trong nghiên cứu về PCF. Tính toán
chỉ ra rằng sợi lõi đặc là sợi đơn mode có dải bước sóng rộng, suy hao rất thấp và vùng
lõi có diện tích gấp 10 lần so với sợi thông thường do đó cho phép tăng công suất phát
quang.
Năm 1999, Philip Russell và cộng sự công bố sợi đơn mode lõi rỗng đầu tiên,
trong đó việc giam giữ ánh sáng là do một PBG 2 chiều. Họ nhận ra rằng vùng cấm
quang có cơ chế dẫn sóng rất mạnh mẽ, ánh sáng vẫn bị giới hạn trong lõi rỗng ngay cả
khi bị uốn cong.
18
Do sự đa dạng trong cách sắp xếp các lỗ khí (air hole), PCFs có khả năng điều
khiển sự phản xạ ánh sáng giữa vùng lõi và vùng vỏ; đồng thời có thể mang lại nhiều
tính chất quang đặc biệt. PCFs ngoài cung cấp các chức năng cơ bản của sợi quang
thông thường nó còn có rất nhiều tính chất mới mà trong đó có nhiều tính chất mà sợi
quang thông thường không có.
Hình 1.2 Mặt cắt của mẫu PCF lõi đặc đầu tiên có đường kính lỗ khí 300nm và khoảng
cách giữa 2 lỗ khí liên kề là 2300nm [2].
Hình 1.3 Mặt cắt của sơi PCF lõi rỗng [2].
Sau một thời gian công nghệ chế tạo chỉ dừng ở mức sản xuất các sợi PCFs
ngắn, chủ yếu phục vụ cho mục đích nghiên cứu thì hiện này trên thế giới đã có thể sản
xuất các sợi có chiều dài lớn phục vụ cho các dịch vụ ứng dụng.
19
Bảng 1.1 Các cột mộc nổi bật trong quá trình phát triển PCF.
Năm Sự kiện
1995 Tìm ra hiện tượng dải cấm quang.
1996 Chế tạo thành công PCF lõi đặc.
1997 Mô hình sợi đơn mode hoàn toàn
1998 Sợi có diện tích mode siêu lớn
1999 Sợi dịch tán sắc có lõi siêu nhỏ
1999 PCF hiệu ứng dải cấm quang với lõi rỗng
2000 PCF đa lõi
2000 Sợi bảo toàn phân cực
2000 Nguồn laser sử dụng PCF pha tạp đất hiếm
2000 Tạo xung Supercontinuum
2001 Hiện tượng trộn bốn sóng
2001 PCF polyme
2001 Sự tự dịch tần số Soliton
2002 Sợi Grating chu kỳ lớn
2002 Ứng dụng PCF tạo xung Supercontinuum
2002 Tán xạ Raman kích thích trong Hydro
2003 Loại bỏ sự tự dịch tần Soliton
2003 PCF pha tạp TeO2
2004 Tạo Photon đôi trong PCF
2005 Truyền tải năng lượng cao dùng PCF lõi rỗng
2005 Chuyển đổi suy hao thấp giữa các PCF
2005 Dải cấm quang với mức chênh lệch chiết suất 1%
20
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN TRNNH QUANG THÀNH
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC TINH THỂ BÙ
TÁN SẮC TRONG CÁC HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN
Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN HOÀNG HẢI
Hà Nội – Năm 2014
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện. Các
số liệu, kết quả trong luận văn đều hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong
bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây. Các tài liệu nghiên cứu trước đây dùng để
phân tích và so sánh đều được trích dẫn cụ thể và rõ ràng.
Nếu có bất kỳ sai phạm nào liên quan tới việc sao chép nội dung luận văn, tôi xin
hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 19 tháng 09 năm 2014
Học viên Nguyễn Trịnh Quang Thành
2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 2
MỤC LỤC....................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN ................................................. 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN .................................................... 11
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ....................................... 12
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 13
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 13
2. Lịch sử nghiên cứu ................................................................................................ 13
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn ........................................................................ 14
4. Tóm tắt các luận điểm cơ bản của luận văn ........................................................... 14
5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 15
CHƯƠNG I SỢI TINH THỂ QUANG PCF ............................................................. 16
1.1 GIỚI THIỆU SỢI TINH THỂ QUANG PCF .................................................... 16
1.1.1 Định nghĩa.................................................................................................. 16
1.1.2 Lịch sử phát triển ....................................................................................... 17
1.2 PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT MỚI CỦA PCFs .................................... 21
1.2.1 Phân loại .................................................................................................... 21
1.2.2 Một số tính chất mới của PCFs .................................................................. 21
1.3 CÁC TÍNH CHẤT CỦA SỢI QUANG TINH THỂ CÓ LÕI CHIẾT SUẤT
CAO. .......................................................................................................................... 22
1.3.1 Đường đặc tính d/Ʌ ................................................................................... 24
1.3.2 Tính chất ngưỡng ....................................................................................... 26
1.3.3 Suy hao do uốn cong của PCF lõi chiết suất cao. ...................................... 29
1.3.4 Tán sắc. ...................................................................................................... 31
3
1.3.5 Suy hao giam giữ ....................................................................................... 32
1.4 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 35
......................................................................................................................... 36
2.1 SỢI PCFs CẤU TRÚC HÌNH VUÔNG. ........................................................... 36
2.1.1 Đặc tính truyền dẫn. ................................................................................... 36
2.1.2 Đặc tính ngưỡng ........................................................................................ 42
2.2 SỢI HONEYCOMB PCF LÕI RỖNG .............................................................. 51
2.2.1 Đặc tính dẫn sóng và suy hao rò. ............................................................... 51
2.2.2 Tính lưỡng chiết ......................................................................................... 56
2.3 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 60
.......................................... 61
3.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA SỢI TINH THỂ QUANG BÙ TÁN SẮC. ................. 61
3.2 SỢI PCF HAI LÕI ĐỒNG TÂM CHO ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC. ............. 70
3.3 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 72
................................................................................................................................ 73
4.1 MỞ ĐẦU............................................................................................................ 73
4.2 PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SỢI BÙ TÁN SẮC DCCPCF
TRONG HỆ THỐNG DWDM. ................................................................................. 74
4.2.1 Tính toán các thông số cần đạt được của thiết kế ...................................... 74
4.2.2 Xây dựng, phân tích và thiết kế cấu trúc. .................................................. 76
4.2.3 So sánh các thông số của hai cấu trúc tối ưu. ............................................ 87
4.3 SO SÁNH CÁC THÔNG SỐ CẤU TRÚC THIẾT KẾ ĐẠT ĐƯỢC VỚI CẤU
TRÚC DCCPCF TÁM CẠNH. ................................................................................. 89
4.4 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 90
4
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 92
5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
Hình 1.1 PCFs trong tự nhiên. ...................................................................................... 17
Hình 1.2 Mặt cắt của mẫu PCF lõi đặc đầu tiên có đường kính lỗ khí 300nm và khoảng
cách giữa 2 lỗ khí liên kề là 2300nm. ........................................................................... 19
Hình 1.3 Mặt cắt của sợi PCF lõi rỗng ........................................................................ 19
Hình 1.4 Mặt cắt một số loại PCFs .............................................................................. 21
Hình 1.5 Cấu trúc PCF (a) bát giác và (b) lục giác ..................................................... 22
Hình 1.6 Sợi PCF cấu trúc lục giác lõi đặc .................................................................. 23
Hình 1.7 Sợi PCF có lỗ khí sắp xếp theo cấu trúc tam giác ......................................... 24
Hình 1.8 Đường tần số định định mức Ʌ/λ của sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam
giác với d/Ʌ=0.233 ........................................................................................................ 26
Hình 1.9 Đường tần số định định mức Ʌ/λ của sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam
giác với d/Ʌ=0.6 ............................................................................................................ 27
Hình 1.10 Hai mode của sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác với d/Ʌ=0.6 tại
tần số định mức Ʌ/λ=0.4 ............................................................................................... 28
Hình 1.11 Giá trị eff sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác.............................. 28
Hình 1.12 Suy hao do uốn cong của sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác khi cố
định Ʌ=2.3µm thay đổi d/Ʌ. .......................................................................................... 30
Hình 1.13 Suy hao do uốn cong của PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác với
d/Ʌ=0.25 và Ʌ chạy từ 1µm tới 5µm ............................................................................. 30
Hình 1.14 Tán sắc của sợi PCFs lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác với Ʌ=2.3µm theo
phương pháp full vector ................................................................................................ 31
Hình 1.15 Tán sắc của sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác khi cố định
Ʌ=2.3µm tính theo phương pháp full vector................................................................. 32
Hình 1.16 Suy hao giam giữ tại 1550nm (a) Theo đường kính lỗ khí chuẩn hóa d khi
Ʌ=2.3µm và số vòng lỗ khí thay đổi và (b) theo Ʌ khi tỉ số điền đầy d/Ʌ thay đổi ...... 33
Hình 1.17 Đồ thị suy hao giam giữ theo bước sóng λ khi số vòng lỗ khí thay đổi,
d/Ʌ=0.5 (a) Ʌ=2.3µm và (b)Ʌ=4.6µm .......................................................................... 34
6
Hình 1.18 Suy hao giam giữ theo bước sóng của sợi PCF lõi rỗng cấu trúc tam giác
với số vòng là 4 và 7...................................................................................................... 35
Hình 2.1 (a) Mặt cắt của sơi PCF cấu trúc hình vuông và (b) Ví trị các lỗ khí vòng
đầu tiên của cấu trúc hình vuông (nét liền) và cấu trúc tam giác (nét đứt). ................ 37
Hình 2.2 Chiết suất hiệu dụng neff theo bước sóng của PCF cấu trúc hình vuông (a)
Ʌ=1µm (b) Ʌ=2µm (c) Ʌ=3µm với d/Ʌ thay đổi từ 0.5 tới 0.9 .................................... 38
Hình 2.3 Chiết suất hiệu dụng neff của PCFs cấu trúc hình vuông với d/Ʌ=0.9 và Ʌ
nằm trong khoảng 1-3µm .............................................................................................. 39
Hình 2.4 So sánh (a) Chiết suất hiệu dụng (b) Diện tích hiệu dụng giữa cấu trúc tam
giác và hình vuông với d/Ʌ=0.5 và Ʌ bằng 1 và 3µm ................................................... 40
Hình 2.5 So sánh diện tích hiệu dụng cấu trúc tam giác và cấu trúc hình vuông với
d/Ʌ=0.9 và Ʌ=1µm ....................................................................................................... 41
Hình 2.6 Trường từ cơ sở tại bước sóng 1550nm của (a) sợi PCF cấu trúc vuông và (b)
sợi PCF cấu trúc tam giác với d/Ʌ=0.5, Ʌ=3µm.......................................................... 41
Hình 2.7 Trường từ cơ sở tại bước sóng 1550nm của (a) sợi PCF cấu trúc vuông và (b)
sợi PCF cấu trúc tam giác với d/Ʌ=0.9, Ʌ=3µm.......................................................... 42
Hình 2.8 Tỉ số α/ko theo bước sóng chuẩn hóa λ/Ʌ (a) PCF cấu trúc vuông 8 vòng lỗ
khí với d/Ʌ trong khoảng 0.45-0.57 và (b) là hàm của số vòng lỗ khí, 4, 6 và 8 PCF
cấu trúc vuông có d/Ʌ=0.57 .......................................................................................... 44
Hình 2.9 Thông số Q theo bước sóng chuẩn hóa λ/Ʌ (a) PCFs cấu trúc vuông 8 vòng
với d/Ʌ trong khoảng 0.45-0.57 và (b) là hàm của số vòng lỗ khí khi d/Ʌ=0.57 ......... 45
Hình 2.10 Bước sóng cắt chuẩn hóa λ*/Ʌ theo d/Ʌ của PCF cấu trúc vuông 4, 6, 8 vòng
lỗ khí .............................................................................................................................. 45
Hình 2.11 Diện tích chuẩn hóa Aeff/Ʌ2 mode thứ cấp theo λ/Ʌ đối với PCF cấu trúc
vuông có d/Ʌ=0.52, số vòng lỗ khí 4, 6 và 8 ................................................................. 46
Hình 2.12 Biểu đồ trạng thái của PCF 8 vòng cấu trúc vuông và tam giác................ 47
Hình 2.13 Ngưỡng của tần số chuẩn hóa V* theo 2 công thức của PCF cấu trúc vuông
8 vòng lỗ khí. Đường liền nét là giá trị trung bình của V1* và V2* . ................................ 49
7
Hình 2.14 (a) V1 và (b) V2 theo bước sóng chuẩn hóa λ/Ʌ của PCF cấu trúc vuông với
d/Ʌ từ 0.43 tới 0.57........................................................................................................ 49
Hình 2.15 (a) Hx , (b) Hy , (c) Hz , (d) mật độ phân bố mode bậc 2 khi λ/Ʌ=0.127 đối với
cấu trúc PCF cấu trúc vuông 4 vòng lỗ khí có d/Ʌ=0.57 ............................................. 50
Hình 2.16 Phần cắt ngang của PCF cấu trúc vuông (đường liền nét) và của thành phần
trường Hx (đường đứt nét) (a) theo trục x và (b) dọc theo hướng 45o .......................... 51
Hình 2.17(Trái) Cấu trúc honeycomb một cell.(Phải) Cấu trúc Honeycomb tùy chỉnh.
Phần màu xám là vật liệu silica. ................................................................................... 53
Hình 2.18 Đường biên dải cấm với d/Ʌ=0.6 (nét liền) và d/Ʌ=0.64 nét đứt) .............. 53
Hình 2.19 PBGF với lõi rỗng bán kính R. R=2Ʌ với sợi A và C, R=3Ʌ với sợi B và D54
Hình 2.20 Đường cong tán sắc của mode cơ sở và các mode bậc cao hơn của PBGFs.
(a) sợi A, (b) sợi C, (c) sợi B và (d) sợi D. .................................................................... 54
Hình 2.21 Trường ánh sáng của mode cơ sở và mode bậc cao thứ nhất tại bước sóng
1550 nm ......................................................................................................................... 55
Hình 2.22 Suy hao giam giữ phụ thuộc vào bước sóng của mode cơ sở và các mode bậc
cao hơn của PBGFs. (a) A, (b) C, (c) B, (d) D với cột trái là d/Ʌ =0.6 và cột phải là
d/Ʌ=0.64 và hàng trên có R=2Ʌ, hàng dưới R=3Ʌ ...................................................... 55
Hình 2.23 Mặt cắt của sợi lưỡng chiết cao ................................................................... 56
Hình 2.24 Trường ánh sáng của mode cơ sở tại bước sóng 1550 nm ở cả phân cực: (a)
X, (b) Y........................................................................................................................... 57
Hình 2.25(a) Đường cong tán sắc của hai phân cực mode cơ sở và (b)tính lưỡng chiết
ở các bước sóng chuẩn. ................................................................................................. 57
Hình 2.26(a) Đường cong tán sắc, (b) suy hao giam giữ ở hai phân cực x và y của
mode cơ sở và mode bậc cao ........................................................................................ 58
Hình 2.27 Mặt cắt của sợi lưỡng chiết cao: (a) sợi A, (b) sợi B, và (c) sợi C .............. 59
Hình 2.28 Đường cong tán sắc ở mode cơ sở và mode bậc cao của sợi lưỡng chiết cao:
(a) sợi A, (b) sợi B, (c) sợi C ......................................................................................... 59
Hình 2.29 Suy hao giam giữ theo hai phân cực của mode cơ sở và mode bậc cao ở sợi
lưỡng chiết cao .............................................................................................................. 60
8
Hình 2.30 Sự phụ thuộc của lưỡng chiết vào bước sóng với các sợi A,B và C ............ 60
Hình 3.1 Mặt cắt của PCFs tam giác............................................................................ 62
Hình 3.2 Hệ số tán sắc của PCFs (a) có d/Ʌ=0.9 và các giá trị Ʌ khác nhau (b)
Ʌ=0.8µm và d/Ʌ khác nhau........................................................................................... 63
Hình 3.3 Tán sắc tại bước sóng 1550 nm của PCF cấu trúc tam giác ......................... 64
Hình 3.4 Tỉ số bù của PCFs (a) d/Ʌ = 0.9 với các giá trị Ʌ khác nhau và (b) Ʌ = 0.8
µm và các giá trị d/Ʌ bù cho sợi SMF-28 ..................................................................... 66
Hình 3.5 (a) Hệ số tán sắc (b) tỉ số bù của PCFs có d/Ʌ=0.9 khi Ʌ thay đổi từ 0.9 tới
1µm ................................................................................................................................ 66
Hình 3.6 Tỉ số bù của PCFs (a) d/Ʌ=0.9 khi Ʌ thay đổi và (b) Ʌ = 0.8 µm khi d/Ʌ thay
đổi đối với sợi G-655..................................................................................................... 68
Hình 3.7 Thành phần từ trường cơ sở tại bước sóng 1550nm chủa PCFs có Ʌ = 0.8 µm
và (a) d/Ʌ = 0.6, (b) d/Ʌ = 0.9; của PCFs có d/Ʌ = 0.9 và (c) Ʌ = 0.6 µm, (d) Ʌ=1 µm
....................................................................................................................................... 69
Hình 3.8 Suy hao tại bước sóng 1550 nm của các PCFs cấu trúc tam giác có đường
kính lỗ khí lớn và pitch nhỏ ........................................................................................... 69
Hình 3.9 Mặt cắt của một mẫu DCCPCF ..................................................................... 70
Hình 3.10 Hai mode cơ bản ở hai lõi của DCCPCF (a) Ở lõi trong và (b) Lõi ngoài 71
Hình 3.11 Chiết suất hiệu dụng của mode cơ sở và mode thứ cấp theo bước sóng ..... 72
Hình 4.1 Đồ thị tán sắc theo bước sóng của sợi SMF-28 ............................................. 74
Hình 4.2 Đồ thị độ dốc tán sắc sợi SMF-28 ................................................................. 74
Hình 4.3 Cấu trúc DCFPCF bắt đầu phân tích thiết kế. .............................................. 77
Hình 4.4 Vị trí tọa độ các lỗ khí trong mặt phẳng Oxy................................................. 77
Hình 4.5 Hình ảnh ánh sáng hội tụ ở inner và outter core ........................................... 78
Hình 4.6 Đường cong tán sắc cấu trúc có =1.3 µm, d=1.00 µm và d3=0.48 µm ... 79
Hình 4.7 Suy hao của cấu trúc có =1.3 µm, d=1 µm và d3=0.48 µm ..................... 79
Hình 4.8 Cấu trúc khi dịch outter core vào vòng thứ 2 ................................................ 80
Hình 4.9 So sánh suy hao của cấu trúc outter core ở vòng 2 và vòng 3....................... 80
Hình 4.10 So sánh tán sắc của cấu trúc outter core ở vòng 2 và vòng 3 ..................... 81
9
Hình 4.11 Suy hao khi giữa nguyên Ʌ và d2 thay đổi d ................................................ 82
Hình 4.12 Đường cong tán sắc khi giữa nguyên Ʌ và d thay đổi d2 ............................ 82
Hình 4.13 Độ dốc tán sắc của cấu trúc Ʌ=1.3µm, d2=0.5µm và d tương ứng bằng 1.10
và 1.15 µm, .................................................................................................................... 83
Hình 4.14 Độ dốc tán sắc khi Ʌ=1.3 µm, d=1.10µm và d2 lần lượt bằng 0.50, 0.51 và
0.52 µm .......................................................................................................................... 84
Hình 4.15 Đồ thị tán sắc khi Ʌ=1.3 µm, d=1.10µm và d2 lần lượt bằng 0.50, 0.51 và
0.52 µm .......................................................................................................................... 84
Hình 4.16: Độ dốc tán sắc khi Ʌ=1.3 µm, d=1.15µm và d2 lần lượt bằng 0.50, 0.51,
0.52 và 0.53 µm ............................................................................................................. 85
Hình 4.17 Đồ thị tán sắc khi Ʌ=1.3 µm, d=1.15µm và d2 lần lượt bằng 0.50, 0.51, 0.52
và 0.53 µm ..................................................................................................................... 86
Hình 4.18 So sánh tán sắc cấu trúc 1 và 2 .................................................................... 87
Hình 4.19 So sánh suy hao cấu trúc 1 và 2 ................................................................... 87
Hình 4.20 So sánh diện tích hiệu dụng cấu trúc 1 và 2 ................................................ 88
Hình 4.21 Cấu trúc DCCPCF bát giác. ........................................................................ 89
10
DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN
Bảng 1.1 Các cột mốc nổi bật trong quá trình phát triển PCF………………………...18
Bảng 3.1 Các thông số quan trọng của DCF..…………………………………………64
Bảng 4.1: Các thông số của cấu trúc Ʌ=1.3 µm, d=1.10µm…………………………..82
Bảng 4.2: Các thông số của cấu trúc Ʌ=1.3 µm, d=1.15µm…………………………..83
Bảng 4.3: So sánh các thông số của 2 cấu trúc tối ưu…………………………………85
Bảng 4.4 So sánh cấu trúc bát giác và lục giác………………………………………..87
11
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN
VĂN
CR Compensation Ratio Tỉ số bù
DCCPCF Dual Core Concentric Photonic Sợi tinh thể quang hai lõi
Crystal Fiber đồng tâm
DCF Dispersion Compensation Fiber Sợi quang bù tán sắc
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifiers Bộ khuếch đại quang pha
tạp Erbium
FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn
LMA Large Mode Area Diện tích mode lớn
NZDF Near Zero Dispersion Fiber Sợi quang có tán sắc gần không
PC Photonic Crystal Tinh thể quang tử
PCF Photonic Crytal Fiber Sợi tinh thể quang
PGB Photonic Band Gap Dải cấm quang
RDS Relative Dispersiong Slope Độ dốc tán sác tương đối
SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode
SIF Step Index Fiber Sợi quang chiết suất nhảy bậc
WDM Wave Divission Multiplex Ghép kênh theo bước sóng
12
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Truyền thông sợi quang ra đời đánh dấu một bước phát triển mạnh mẽ của công
nghệ truyền dẫn với những ưu điểm nổi trội như băng thông lớn, tốc độ cao, suy hao
thấp…truyền dẫn quang đã và đang trở thành công nghệ truyền dẫn chính trong các
ứng dụng tốc độ cao và mạng truyền dẫn đường trục. Truyền dẫn thông tin bằng cáp
sợi quang từ khi ra đời đến nay đã trải qua nhiều thời kỳ phát triển: Ban đầu là sợi
quang đa mode có suy hao cao với cự ly truyền dẫn vài km cho đến sợi quang đơn
mode có suy hao thấp với cự ly truyền dẫn lên tới hàng chục, thậm chí hàng trăm km.
Cáp quang là giải pháp ưu tiên cho hệ thống viễn thông đường dài và quốc tế có tốc
độ truyền dẫn rất cao, sử dụng trên đất liền và vượt đại dương. Tuy nhiên hệ thống
thông tin quang dung lượng lớn hiện gặp phải ba vấn đề cần quan tâm là: Suy hao, tán
sắc và hiệu ứng phi tuyến. Trong đó vấn đề tán sắc là vấn đề lớn nhất trong hệ thống
thông tin quang hiện tại. Tán sắc lớn sẽ làm méo tín hiệu và tạo ra hiện tượng giao
thoa giữa các ký tự (ISI-Intersymbol Interference) do sự giãn xung tại các khe thời
gian, làm xuống cấp chất lượng truyền dẫn và hậu quản thậm chí có thể không chấp
nhận được. Do đó vấn đề xác định tán sắc và bù tán sắc trở thành một vấn đề quan
trọng, cần thiết.Dựa trên các kiến thức nghiên cứu được tai trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội, với mong muốn đề xuất một cấu trúc bù tán sắc cho sợ quang, tôi đã
chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và đề xuất cấu trúc tinh thể bù tán sắc trong các hệ
thống cáp quang biển” cho luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Hải – Viện Điện tử
Viễn thông, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã cung cấp ý tưởng, tài liệu tham khảo và
chương trình mô phỏng, đồng thời hướng dẫn tận tình để tôi có thể hoàn thành luận
văn này.
2. Lịch sử nghiên cứu
Sau khi nhận được đề tài, tôi xác định được các vấn đề cần giải quyết của đề tài
này bao gồm các nội dung sau:
13
Nghiên cứu sợi tinh thể quang PCF, các tính chất mới của sợi PCFs, sợi có lõi
chiết suất cao.
Nghiên cứu các đặc tính truyền dẫn của sợi PCFs.
Nghiên cứu sợi tinh thể quang bù tán sắc, trong đó đi sâu nghiên cứu sợi hai lõi
đồng tâm
Đưa ra mô hình và kết quả phân tích,tính toán và thiết kế sợi tinh thể bù tán sắc.
Với các vấn đề đó, tôi đã tự lên kế hoạch về thời gian thực hiện luận văn của
mình như sau:
Nghiên cứu sợi tinh thể quang PCF: Thực hiện trong 2 tháng
Nghiên cứu các đặc tính truyền dẫn của sợi PCFs: Nghiên cứu trong 2 tháng
Nghiên cứu sợi tinh thể quang bù tán sắc: Nghiên cứu trong 3 tháng
Đưa ra mô hình và kết quả phân tích,tính toán và thiết kế sợi tinh thể bù tán sắc:
Thực hiện trong 5 tháng
Cho đến nay, sau quá trình nghiên cứu và học tập, tôi đã hoàn thành toàn bộ
luận văn thạc sỹ kỹ thuật của mình.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu của luận văn là đưa ra một cấu trúc tinh thể quang hai lõi đồng tâm
ứng dụng bù tán sắc trên dải rộng. Nội dung chính bao gồm mô tả ngắn gọn lịch sử
phát triển sợi tinh thể quang, các tính chất truyền sóng trong sợi tinh thể quang, sợi tinh
thể quang bù tán sắc, và cách phân tích thiết kế sợi tinh thể quang bù tán sắc ứng dụng
trong hệ thống WDM.
4. Tóm tắt các luận điểm cơ bản của luận văn
Nội dung chính của đồ án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Sợi quang tinh thể quang PCF. Trong chương này tập trung tìm
hiểu về sợ tinh thể quang PCF, các tính chất mới của PCF, tính chất của sợi quang tinh
thể có lõi chiết suất cao.
14
Chương 2: Các đặc tính truyền dẫn trong sợi tinh thể quang. Trong chương
này sẽ tập trung nghiên cứu các đặc tính truyền dẫn của sợi PCF cấu trúc hình vuông
và sợi Honeycomb PCF lõi rỗng.
Chương 3: Sợi tinh thể quang bù tán sắc. Trong chương này tập trung nghiên
cứu cụ thể các đặc điểm, tính chất của sợi tinh thể quang bù tán sắc, trong đó đi sâu
nghiên cứu một loại sợi hai lõi đồng tâm cho ứng dụng bù tán sắc.
Chương 4: Phân tích, tính toán và thiết kế sợi tinh thể quang bù tán sắc cho
hệ thống cáp quang biển. Đây là chương chính của luận văn, dựa trên các kết quả
nghiên cứu, bằng việc sử dụng phần mềm mô phỏng COMSOL và MATLAB đưa ra
mô hình tính toán và đề xuất cấu trúc bù tán sắc cho sợi DCCPCF áp dụng trong hệ
thống cáp quang biển, đồng thời đưa ra những so sánh về thông số cấu trúc thiết kế đạt
đực so với cấu trúc DCCPCF tám cạnh.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn dựa trên
- Cơ sở lý thuyết: dựa trên các nghiên cứu về đặc điểm, tính chất mới của sợi PCF,
các đặc tính truyền dẫn của sợi PCF, trong đó đi sâu nghiên cứu thuộc tính, tính chất
của sợi bù tán sắc để đề xuất mô hình tính toán và cấu trúc phù hợp.
- Phần mô phỏng: Dựa trên các phần mềm mô phỏng quang và tính toán có độ chính
xác cao là COMSOL và MATLAB, đề xuất các thông số cấu trúc thiết kế phù hợp
và đánh giá, so sánh kết quả thu được.
15
CHƯƠNG
1
SỢI TINH THỂ QUANG (PHOTONIC CRYSTAL
FIBER)
Chương này trình bày một cách tổng quan về sợi tinh thể quang từ lịch sử ra đời
và phát triển cho tới các tính chất cơ bản của nó.
1.1 GIỚI THIỆU SỢI TINH THỂ QUANG PCF
1.1.1 Định nghĩa
Tinh thể quang (PC – Photonic Crystal) là cấu trúc nano quang có chu kỳ được
thiết kế để tác động đến sự chuyển động của photo theo cách tương tự mà tinh thể bán
dẫn ảnh hưởng tới chuyển động của electron. Tinh thể quang xảy ra trong tự nhiên dưới
nhiều dạng khác nhau và đã được nghiên cứu trong khoa học hơn 100 năm qua.
Sợi tinh thể quang (PCF- Photonic Crystal Fiber hay còn gọi là Microstructured
hoặc Holey Fiber) là sợi quang mới, truyền ánh sáng dựa trên tính chất của các tinh thể
quang, bởi vì chúng có khả năng giam giữ ánh sáng trong vùng lõi (core).
PCF được chế tạo từ hợp chất silica mà trong nó có những lỗ khí (air hole) chạy
song song dọc theo trục của sợi. Không giống như những loại sợi quang thông thường,
lõi (core) và vùng phản xạ (vỏ) của PCF được làm từ cùng một vật liệu nền mọi tính
chất của PCF đều phụ thuộc vào cách sắp xếp các lỗ khí trong sợi.
Cho tới những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật công
nghệ nói chung và công nghiệp chế tạo sợi quang nói riêng, về cơ bản sợi quang thông
thường đã tiến tới tiệm cận giới hạn của nó. Vì vậy PCF chính là công nghệ sợi quang
16
thay thế với nhiều ưu điểm vượt trội so với sợi quang thông thường như: tốc độ truyền
dẫn lớn, băng thông rộng, suy hao nhỏ, tắn sắc có thể điều khiển được... Điều này đã
được chứng minh vào năm 1995, khi sợi PCF đầu tiên được chế tạo bằng cách sắp xếp
vật liệu chiết suất thấp trên nền vật liệu chiết suất cao hơn.
1.1.2 Lịch sử phát triển
Rất nhiều các phát minh sáng chế của con người có khởi nguồn từ trong tự
nhiên. Từ việc phát hiện ra cấu trúc đặc biệt trên cánh bướm Morpho rhetenor và lông
đuôi chim công các nhà khoa học đã phát minh ra sợi PCF.
Hình 1.1 PCFs trong tự nhiên.
Sợi quang thông thường có thể truyền thông tin ở dạng các xung ngắn qua
khoảng cách dài với tốc độ rất cao là một trong những thành tựu lớn của thế kỉ 21.
Công nghệ này đã phát triển với tốc độ thần kì, kể từ khi sợi đơn mode suy hao thấp
đầu tiên ra đời, để trở thành nhân tố chính trong mạng lõi của tất cả các mạng viễn
thông toàn cầu hiện nay. Không những vậy, sợi tinh thể quang còn có những ứng dụng
ngoài viễn thông như cơ khí chế tạo, y học, cảm biến và rất nhiều lĩnh vực ứng dụng
khác. Sau hơn 30 năm nhiên cứu, công nghệ chế tạo sợi quang thông thường đã tiến tới
17
giới hạn tiệm cận của nó. Trong những năm 80 của thế kỉ trước, các kĩ sư và các nhà
nghiên cứu đã tập trung vào khả năng mở rộng vùng bước sóng bằng cách thay đổi cấu
trúc vật liệu sử dụng, để phát triển một môi trường truyền dẫn quang mới được gọi là
tinh thể quang. Tinh thể quang đã làm thay đổi căn bản quan niệm quang học trước
đây, có điều này là do việc áp dụng các kết quả thu được từ công nghệ bán dẫn vào
quang học. Thực tế, cấu trúc vùng của chất bán dẫn là kết quả tương tác giữa electron
và các dao động điều hòa do điện thế của mạng tinh thể tạo ra. Bằng việc giải các
phương trình sóng Schrodinger cho điện trường ta thu được các kết quả về trạng thái
của electron ở trong vùng cấm.
PGB (photonic band gap) được đưa ra lần đầu tiển bởi Sajeev John vào năm
1987 đã trở thành đề tài thu hút trong giới quang học năm 1990. Cùng với nhiều thành
tựu trong quá trình nghiên cứu và phát triển, vào năm 1991 Philip Russell đã phát hiện
ra rằng ánh sáng có thể bị giới hạn trong lõi rỗng của sợi quang bằng cách tạo một cấu
trúc tinh thể quang 2 chiều trong vùng vỏ. Ý tưởng này xuất phát từ sự bố trí màu trên
cánh bướm và trên đuôi con công. Tức là trong vùng dừng (stop band) ánh sánh tới bị
phản xạ rất mạnh. Khi được thiết kế đúng các tinh thể quang trong vùng vỏ dọc theo
chiều dài sợi có thể giam giữ ánh sáng trong lõi rỗng. Loại sợi quang mới này được gọi
là PCFs, vì chúng dựa vào tính chất đặc biệt của tinh thể quang để giới hạn ánh sáng.
Sợi PCFs đầu tiên được Philip Russell và cộng sự công bố năm 1995, mặc dù
chưa phải là lõi rỗng nhưng là một bước đột phá trong nghiên cứu về PCF. Tính toán
chỉ ra rằng sợi lõi đặc là sợi đơn mode có dải bước sóng rộng, suy hao rất thấp và vùng
lõi có diện tích gấp 10 lần so với sợi thông thường do đó cho phép tăng công suất phát
quang.
Năm 1999, Philip Russell và cộng sự công bố sợi đơn mode lõi rỗng đầu tiên,
trong đó việc giam giữ ánh sáng là do một PBG 2 chiều. Họ nhận ra rằng vùng cấm
quang có cơ chế dẫn sóng rất mạnh mẽ, ánh sáng vẫn bị giới hạn trong lõi rỗng ngay cả
khi bị uốn cong.
18
Do sự đa dạng trong cách sắp xếp các lỗ khí (air hole), PCFs có khả năng điều
khiển sự phản xạ ánh sáng giữa vùng lõi và vùng vỏ; đồng thời có thể mang lại nhiều
tính chất quang đặc biệt. PCFs ngoài cung cấp các chức năng cơ bản của sợi quang
thông thường nó còn có rất nhiều tính chất mới mà trong đó có nhiều tính chất mà sợi
quang thông thường không có.
Hình 1.2 Mặt cắt của mẫu PCF lõi đặc đầu tiên có đường kính lỗ khí 300nm và khoảng
cách giữa 2 lỗ khí liên kề là 2300nm [2].
Hình 1.3 Mặt cắt của sơi PCF lõi rỗng [2].
Sau một thời gian công nghệ chế tạo chỉ dừng ở mức sản xuất các sợi PCFs
ngắn, chủ yếu phục vụ cho mục đích nghiên cứu thì hiện này trên thế giới đã có thể sản
xuất các sợi có chiều dài lớn phục vụ cho các dịch vụ ứng dụng.
19
Bảng 1.1 Các cột mộc nổi bật trong quá trình phát triển PCF.
Năm Sự kiện
1995 Tìm ra hiện tượng dải cấm quang.
1996 Chế tạo thành công PCF lõi đặc.
1997 Mô hình sợi đơn mode hoàn toàn
1998 Sợi có diện tích mode siêu lớn
1999 Sợi dịch tán sắc có lõi siêu nhỏ
1999 PCF hiệu ứng dải cấm quang với lõi rỗng
2000 PCF đa lõi
2000 Sợi bảo toàn phân cực
2000 Nguồn laser sử dụng PCF pha tạp đất hiếm
2000 Tạo xung Supercontinuum
2001 Hiện tượng trộn bốn sóng
2001 PCF polyme
2001 Sự tự dịch tần số Soliton
2002 Sợi Grating chu kỳ lớn
2002 Ứng dụng PCF tạo xung Supercontinuum
2002 Tán xạ Raman kích thích trong Hydro
2003 Loại bỏ sự tự dịch tần Soliton
2003 PCF pha tạp TeO2
2004 Tạo Photon đôi trong PCF
2005 Truyền tải năng lượng cao dùng PCF lõi rỗng
2005 Chuyển đổi suy hao thấp giữa các PCF
2005 Dải cấm quang với mức chênh lệch chiết suất 1%
20