Tài liệu Sợi tinh thể quang tán sắc phẳng dùng cho các hệ thống truyền dẫn dwdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- BÙI ANH TUẤN SỢI TINH THỂ QUANG TÁN SẮC PHẲNG DÙNG CHO CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN DWDM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Hà Nội – Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- BÙI ANH TUẤN SỢI TINH THỂ QUANG TÁN SẮC PHẲNG DÙNG CHO CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN DWDM Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Hoàng Hải Hà Nội – Năm 2014 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN ........................................................ 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG ĐỒ ÁN ............................................................ 7 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN ............................................... 8 PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 9 NỘI DUNG ............................................................................................................... 11 CHƯƠNG I. SỢI TINH THỂ QUANG (PHOTONIC CRYSTAL FIBER) ..........11 1.1 GIỚI THIỆU SỢI TINH THỂ QUANG PCF.................................................................................11 1.1.1 Định nghĩa........................................................................................... 11 1.1.2 Lịch sử phát triển ................................................................................ 12 1.2 PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT MỚI CỦA PCFs.....................................................16 1.2.1 Phân loại.............................................................................................. 16 1.2.2 Một số tính chất mới của PCFs ............................................................ 16 1.3 CÁC TÍNH CHẤT CỦA SỢI QUANG TINH THỂ CÓ LÕI CHIẾT SUẤT CAO. 17 1.3.1 Đường đặc tính d/Ʌ.............................................................................. 19 1.3.2 Tính chất ngưỡng ................................................................................ 21 1.3.3 Suy hao do uốn cong của PCF lõi chiết suất cao. ................................. 24 1.3.4 Tán sắc. ............................................................................................... 26 1.3.5 Suy hao giam giữ ................................................................................. 27 1.4 KẾT LUẬN ................................................................................................................................30 CHƯƠNG II. CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN TRONG SỢI TINH THỂ QUANG (PCF)..........................................................................................................31 2.1 SỢI PCFs CẤU TRÚC HÌNH VUÔNG. ...........................................................................31 2.1.1 Đặc tính truyền dẫn. ............................................................................ 31 2.1.2 Đặc tính ngưỡng .................................................................................. 36 2.2 SỢI HONEYCOMB PCF LÕI RỖNG...............................................................................45 2.2.1 Đặc tính dẫn sóng và suy hao rò. ......................................................... 45 2.2.2 Tính lưỡng chiết .................................................................................. 50 2.3 KẾT LUẬN ...............................................................................................................................54 CHƯƠNG III. SỢI TINH THỂ QUANG BÙ TÁN SẮC........................................55 3.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA SỢI TINH THỂ QUANG BÙ TÁN SẮC..........................55 3.2 SỢI PCF HAI LÕI ĐỒNG TÂM CHO ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC. ....................63 3.3 KẾT LUẬN ..............................................................................................................................66 CHƯƠNG IV. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SỢI TINH THỂ QUANG BÙ TÁN SẮC CHO HỆ THỐNG DWDM ...............................................67 4.1 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................67 4.2 PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SỢI BÙ TÁN SẮC DCCPCF TRONG HỆ THỐNG DWDM. .............................................................................................................................................68 4.2.1 Tính toán các thông số cần đạt được của thiết kế ................................. 68 4.2.2 Xây dựng, phân tích và thiết kế cấu trúc. ............................................. 70 4.2.3 So sánh các thông số của hai cấu trúc tối ưu. ....................................... 81 4.3 SO SÁNH CÁC THÔNG SỐ CẤU TRÚC THIẾT KẾ ĐẠT ĐƯỢC VỚI CẤU TRÚC DCCPCF TÁM CẠNH. .......................................................................................................83 4.4 KẾT LUẬN.....................................................................................................................................84 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 86 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 87 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu trong luận văn đều hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào trước đây dùng để phân tích và so sánh đều được trích dẫn rõ ràng ở mục tài liệu tham khảo Nếu có bất kì sai phạm nào liên quan tới việc sao chép nội dung luận văn, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 31/08/2014 BÙI ANH TUẤN 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN Hình 1.1 PCFs trong tự nhiên. ................................................................................... 12 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.......................................................................... 14 Hình 1.3 Mặt cắt của sợi PCF lõi rỗng ...................................................................... 14 Hình 1.4 Mặt cắt một số loại PCFs ............................................................................ 16 Hình 1.5 Cấu trúc PCF (a) bát giác và (b) lục giác ................................................... 17 Hình 1.6 Sợi PCF cấu trúc lục giác lõi đặc ............................................................... 18 Hình 1.7 Sợi PCF có lỗ khí sắp xếp theo cấu trúc tam giác ....................................... 19 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 .................................................................................................... 21 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 ........................................................................................................ 22 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 ............................................................................................ 23 Hình 1.11 Giá trị  eff sợi PCF lõi chiết suất cao cấu trúc tam giác ............................ 23 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. ...................................................................................... 25 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 .......................................................................... 25 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............................................................................................. 26 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 .............................................................. 27 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 ...... 28 2 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 ....................................................................... 29 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 .................................................................................................. 30 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)................. 32 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 ................................... 33 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 .......................................................................................... 33 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 ................................................. 34 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 .................................................................................................... 35 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 ....................................................... 35 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 ....................................................... 36 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 ...................................................................................... 38 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 ......... 39 Hình 2.10 Bước sóng cắt chuẩn hóa λ*/Ʌ theo d/Ʌ của PCF cấu trúc vuông 4, 6, 8 vòng lỗ khí ......................................................................................................................... 39 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 .............................................................. 40 Hình 2.12 Biểu đồ trạng thái của PCF 8 vòng cấu trúc vuông và tam giác ............... 41 3 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* . ............................... 43 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. ................................................................................................... 43 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 ........................................... 44 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 ......................... 45 Hình 2.17(Trái) Cấu trúc honeycomb một cell.(Phải) Cấu trúc Honeycomb tùy chỉnh. Phần màu xám là vật liệu silica. ................................................................................ 47 Hình 2.18 Đường biên dải cấm với d/Ʌ=0.6 (nét liền) và d/Ʌ=0.64 nét đứt) .............. 47 Hình 2.19 PBGF với lõi rỗng bán kính R. R=2Ʌ với sợi A và C, R=3Ʌ với sợi B và D48 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. ................................................................. 48 Hình 2.21 Trường ánh sáng của mode cơ sở và mode bậc cao thứ nhất tại bước sóng 1550 nm..................................................................................................................... 49 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 .................................................... 49 Hình 2.23 Mặt cắt của sợi lưỡng chiết cao ................................................................ 50 Hình 2.24 Trường ánh sáng của mode cơ sở tại bước sóng 1550 nm ở cả phân cực: (a) X, (b) Y ...................................................................................................................... 51 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. ............................................................................................. 51 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 ..................................................................................... 52 Hình 2.27 Mặt cắt của sợi lưỡng chiết cao: (a) sợi A, (b) sợi B, và (c) sợi C ............. 53 4 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 ...................................................................................... 53 Hình 2.29 Suy hao giam giữ theo hai phân cực của mode cơ sở và mode bậc cao ở sợi lưỡng chiết cao .......................................................................................................... 54 Hình 2.30 Sự phụ thuộc của lưỡng chiết vào bước sóng với các sợi A,B và C ............ 54 Hình 3.1 Mặt cắt của PCFs tam giác ......................................................................... 56 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. ...................................................................................... 57 Hình 3.3 Tán sắc tại bước sóng 1550 nm của PCF cấu trúc tam giác ........................ 58 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 .................................................................. 60 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 ........................................................................................................................... 60 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 ................................................................................................. 62 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 .................................................................................................................................. 63 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........................................................................................ 63 Hình 3.9 Mặt cắt của một mẫu DCCPCF .................................................................. 64 Hình 3.10 Hai mode cơ bản ở hai lõi của DCCPCF (a) Ở lõi trong và (b) Lõi ngoài 65 Hình 3.11 Chiết suất hiệu dụng của mode cơ sở và mode thứ cấp theo bước sóng ..... 66 Hình 4.1 Đồ thị tán sắc theo bước sóng của sợi SMF-28 ........................................... 68 Hình 4.2 Đồ thị độ dốc tán sắc sợi SMF-28 ............................................................... 68 Hình 4.3 Cấu trúc DCFPCF bắt đầu phân tích thiết kế. ............................................ 71 Hình 4.4 Vị trí tọa độ các lỗ khí trong mặt phẳng Oxy ............................................... 71 5 Hình 4.5 Hình ảnh ánh sáng hội tụ ở inner và outter core ......................................... 72 Hình 4.6 Đường cong tán sắc cấu trúc có  =1.3 µm, d=1.00 µm và d3=0.48 µm ... 73 Hình 4.7 Suy hao của cấu trúc có  =1.3 µm, d=1 µm và d3=0.48 µm..................... 73 Hình 4.8 Cấu trúc khi dịch outter core vào vòng thứ 2 .............................................. 74 Hình 4.9 So sánh suy hao của cấu trúc outter core ở vòng 2 và vòng 3...................... 74 Hình 4.10 So sánh tán sắc của cấu trúc outter core ở vòng 2 và vòng 3..................... 75 Hình 4.11 Suy hao khi giữa nguyên Ʌ và d2 thay đổi d .............................................. 76 Hình 4.12 Đường cong tán sắc khi giữa nguyên Ʌ và d thay đổi d2 ........................... 76 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,................................................................................................................ 77 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 ..................................................................................................................... 78 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 ..................................................................................................................... 78 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 ......................................................................................................... 79 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................................................................................................................. 80 Hình 4.18 So sánh tán sắc cấu trúc 1 và 2 ................................................................. 81 Hình 4.19 So sánh suy hao cấu trúc 1 và 2 ................................................................ 81 Hình 4.20 So sánh diện tích hiệu dụng cấu trúc 1 và 2 .............................................. 82 Hình 4.21 Cấu trúc DCCPCF bát giác. ..................................................................... 83 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG ĐỒ ÁN Bảng 1.1 Các cột mốc nổi bật trong quá trình phát triển PCF………………………...15 Bảng 3.1 Các thông số quan trọng của DCF..…………………………………………60 Bảng 4.1: Các thông số của cấu trúc Ʌ=1.3 µm, d=1.10µm…………………………..79 Bảng 4.2: Các thông số của cấu trúc Ʌ=1.3 µm, d=1.15µm…………………………..80 Bảng 4.3: So sánh các thông số của 2 cấu trúc tối ưu…………………………………82 Bảng 4.4 So sánh cấu trúc bát giác và lục giác………………………………………..84 7 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN 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 8 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngay từ khi ra đời cho đến nay, sợi quang đã đóng một vai trò lớn trong các hệ thống thông tin. Khởi đầu như một sự đột phá trong công nghệ truyền dẫn, trải qua nhiều thập niên phát triển, sợi quang ngày càng khẳng định sự hấp dẫn của mình. Rất nhiều nhà khoa học trên thế giới đã tập trung đi sâu vào lĩnh vực này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm thiết kế, chế tạo hoặc tối ưu hóa sợi quang, mang lại những đặc điểm ưu việt so với các hệ thống truyền dẫn thông thường. Những năm gần đây, sợi quang cơ bản đã tiệm cận giới hạn của nó, một hướng đi mới được mở ra và dần chiếm vai trò lớn trong lĩnh vực nghiên cứu sợi quang, chính là sợi quang tinh thể. Việc tạo ra các cấu trúc đặc biệt bên trong sợi mang lại nhiều tính chất đặc biệt. Từ đó, mở rộng phạm vi ứng dụng của sợi quang. Ngày nay, không chỉ được ứng dụng trong các hệ thống viễn thông, sợi quang nói chung hay sợi quang tinh thể nói riêng còn xuất hiện trong rất nhiều lĩnh vực khác. Từ hàng không, vũ trụ cho đến y học, quân sự… Do vậy, em đã chọn đề tài về sợi quang cho luận văn của mình 2. Lịch sử nghiên cứu, mục đích luận văn Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp này em muốn 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. Do thời gian còn hạn hẹp, hơn nữa đây cũng là một lĩnh vực tương đối phức tạp và khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện còn có nhiều thiếu sót. 3. Các luận điểm mới và phương pháp nghiên cứu Đồ án đi từ việc nghiên cứu các tính chất, phân loại của của sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao, đồng thời, nghiên cứu một số tính chất mới của sợi PCFs như: 9 - Sợi đơn mode trên toàn dải - Sợi phi tuyến cao - Sợi có sự chênh lệch chiết suất giữa lõi và vỏ rất thấp - Sợi duy trì phân cực - Sợi bù tán sắc Dựa vào các phân tích về đặc điểm tính chất đặc trưng của các sợi PCFs để đề xuất thiết kế cấu trúc mới cho các sợi quang tinh thể bù tán sắc, đó là sợi quang PCF hai lõi đồng tâm (DCFPCF) Phần cuối cùng của đồ án sẽ trình bày quá trình phân tích thiết kế và mô phỏng tính toán sợi quang DCFPCF có hệ số tán sắc cao với mục đích ứng dụng trong các hệ thống DWDM Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo, Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Hải đã cung cấp ý tưởng, tài liệu tham khảo và chương trình mô phỏng, đồng thời hướng dẫn tận tình để em có thể hoàn thành đồ án này. 10 NỘI DUNG CHƯƠNG I. 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 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. 11 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 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 12 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. 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. 13 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. 14 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% 15 1.2 PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT MỚI CỦA PCFs 1.2.1 Phân loại Sợi tinh thể quang có thể được chia làm hai loại lớn, đó là index-guiding (dẫn sóng theo chiết suất, hay high-index core fiber – sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao) và photonic bandgap (hay low-index core – sợi quang tinh thể lõi chiết suất thấp). Hình 1.4 Mặt cắt một số loại PCFs Sợi quang lõi chiết suất cao được làm chủ yếu từ chất nền silica trên đó có các ống mão dẫn không khí sắp xếp theo một cấu trúc nhất định xung quanh vùng lõi. Do đó loại này dẫn sóng theo cơ chế phản xạ toàn phần (vùng lõi có chiết suất bằng với chiết suất silica, vùng vỏ do có các lỗ khí nên chiết suất nhỏ hơn). Sợi quang lõi rỗng cũng giống như sợi quang lõi đặc về cách chế tạo nhưng phần lõi của nó là một lỗ khí lớn; do đó loại này không dẫn sóng theo cơ chế phản xạ toàn phần mà theo cơ chế dải cấm quang. 1.2.2 Một số tính chất mới của PCFs Như đã trình bày ở phần trên, sợi tinh thể quang PCFs có rất nhiều tính chất ưu việt mà không thể có ở sợi quang thông thường. Dưới đây là một vài đặc tính quang trọng nhất trong số các tính chất đó.  Sợi đơn mode trên toàn dải. 16