Đồ án Tán xạ Raman kích thích

Tán xạ Raman là quá trình tán xạ không đàn hồi, xảy ra do sự tương tác của ánh sáng với môi trường vật chất trong sợi quang. Tán xạ Raman bao gồm tán xạ Raman tự phát và tán xạ Raman kích thích SRS. Một mặt tán xạ Raman gây ảnh hưởng xấu đến quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang, làm tăng nhiễu trong hệ thống thống tin quang nhưng mặt khác tán xạ Raman cũng có những ảnh hưởng tích cực, nổi bật nhất là khả năng khuyếch đại tín hiệu quang. Bởi vậy, ngay từ khi mới được phát hiện, tán xạ Raman đã thu hút rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu. Các nghiên cứu này tập trung theo hai hướng: giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực và ứng dụng tán xạ Raman kích thích trong khuyếch đại tín hiệu quang. Tán xạ Raman kích thích SRS chính là cơ sở để phát triển các bộ khuyếch đại quang Raman. Các bộ khuyếch đại quang Raman có rất nhiều ưu điểm so với những loại khuyếch đại quang đã được sử dụng trước đó và rất phù hợp với các hệ thống WDM đang được triển khai hiện nay. Các bộ khuyếch đại quang Raman được coi là lời giải cho bài toán khuyếch đại quang trong các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, cự ly dài và rất dài. Nhận thức được tầm quang trọng của vấn đề và được sự hướng dẫn của Thầy giáo, ThS. Nguyễn Đức Nhân, em chọn đề tài “Tán xạ Raman kích thích” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp đại học. Nội dung đồ án được trình bày trong ba chương: Chương 1 trình bày tổng quan về quá trình tán xạ ánh sáng, tán xạ Raman, đồng thời trình bày những đặc tính cũng như ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong hệ thống đơn kênh và hệ thống WDM. Chương 2 trình bày một số khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang, nêu ứng dụng của tán xạ Raman kích thích trong khuyếch đại tín hiệu quang, nguyên lý của các bộ khuyếch đại Raman phân bố, khuyếch đại Raman tập trung. Chương 3 xây dựng chương trình mô phỏng, làm rõ các ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích đối với quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang, các lưu đồ thuật toán xác định các tham số liên quan.

doc101 trang | Chia sẻ: tuandn | Ngày: 03/05/2013 | Lượt xem: 2273 | Lượt tải: 5download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đồ án Tán xạ Raman kích thích, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Mục lục THUẬT NGỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU i CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN 1 1.1 Tổng quan về tán xạ Raman 1 1.1.1 Ánh sáng 1 1.1.2 Tương tác của ánh sáng và môi trường 1 1.1.3 Sợi quang 2 1.1.4 Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 4 1.1.5 Tính chất phi tuyến của sợi quang 7 1.1.6 Tán xạ ánh sáng 9 1.1.7 Tán xạ Raman 10 1.2 Đặc tính của tán xạ Raman kích thích 12 1.2.1 Phổ khuếch đại Raman 12 1.2.2 Ngưỡng Raman 14 1.2.3 Ảnh hưởng của các chất phụ gia trong sợi thuỷ tinh 17 1.2.4 Ảnh hưởng của phân cực ánh sáng 18 1.3 Ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang 19 1.3.1 Ảnh hưởng của SRS đối với hệ thống đơn kênh 19 1.3.2 Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM 23 1.4 Thí nghiệm tán xạ Raman kích thích 27 1.4.1 Thí nghiệm đo hệ số khuyếch đại Raman 27 1.4.2 Thí nghiệm đo ngưỡng Raman 30 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU QUANG 32 2.1 Sự cần thiết phải khuyếch đại quang 32 2.2 Những khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang. 33 2.2.1 Phổ khuyếch đại và băng tần bộ khuyếch đại 33 2.2.2 Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang. 35 2.2.3 Các ứng dụng khuyếch đại 37 2.3 Bộ khuyếch đại quang Raman 38 2.3.1 Nguyên lý bơm 38 2.3.2 Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman 40 2.3.3 Tăng ích quang Raman 41 2.3.4 Hiệu năng khuyếch đại 44 2.3.5 Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman 47 2.3.6 Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 49 2.3.7 Khuyếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 52 2.3.8 Bộ khuyếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 55 2.4 Ứng dụng bộ khuyếch đại quang Raman trong hệ thống WDM 55 CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 58 3.1 Tính toán tham số 58 3.1.1 Tham số “Walk-off” d 58 3.1.2 Hệ số khuyếch đại Raman 58 3.2 Các lưu đồ thuật toán 60 3.2.1 Lưu đồ thuật toán tính hằng số lan truyền sóng  60 3.2.2 Lưu đồ thuật toán tính hệ số khuyếch đại Raman 60 3.2.3 Lưu đồ tính hệ số phi tuyến  61 3.2.4 Lưu đồ thuật toán mô phỏng SRS 62 3.3 Kết quả mô phỏng và giải thích 63 3.3.1 Kết quả mô phỏng phổ khuyếch đại Raman 63 3.3.2 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của SRS 64 3.3.3 Đặc tuyến công suất 68 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC A. Phương pháp biến đổi Fourier rời rạc 71 PHỤ LỤC B. Chương trình mô phỏng 73 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT BER  Bit Error Rate  Tỉ số lỗi bit   DCF  Dispersion Compensating Fiber  Sợi bù tán sắc   DRA  Distributed Raman Amplifier  Bộ khuyếch đại Raman phân bố   DRS  Double Rayleigh Scattering  Tán xạ Rayleigh kép   DSF  Dispersion Shifted Fiber  Sợi dịch tán sắc   EDFA  Erbium Droped Fiber Amplifer  Khuyếch đại quang sợi pha Erbium   FWM  Four Wave Mixing  Trộn bốn sóng   GVD  Group Velocity Dispersion  Tán sắc vận tốc nhóm   LRA  Lumped Raman Amplifier  Bộ khuyếch đại Raman tập trung   MFD  Mode Field Diameter  Đường kính trường mode   NF  Noise Figure  Hệ số tạp âm   NLSE  Nonliear Schrodinger Equation  Phương trình Schrodinger phi tuyến   NRZ  Non-Return-to-Zero  Mã NRZ   SBS  Stimulated Brilloin Scattering  Tán xạ Brilloin kích thích   SMF  Single Mode Fiber  Sợi đơn mode   SNR  Signal-to-Noise Ratio  Tỉ số tín hiệu trên nhiễu   SPM  Self Phase Modulation  Điều chế tự dịch pha   SRS  Stimulated Raman Scattering  Tán xạ Raman kích thích   WDM  Wavelength Division Multiplexing  Ghép kênh phân chia theo bước sóng   XPM  Cross Phase Modulation  Điều chế pha chéo   MỞ ĐẦU Tán xạ Raman là quá trình tán xạ không đàn hồi, xảy ra do sự tương tác của ánh sáng với môi trường vật chất trong sợi quang. Tán xạ Raman bao gồm tán xạ Raman tự phát và tán xạ Raman kích thích SRS. Một mặt tán xạ Raman gây ảnh hưởng xấu đến quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang, làm tăng nhiễu trong hệ thống thống tin quang nhưng mặt khác tán xạ Raman cũng có những ảnh hưởng tích cực, nổi bật nhất là khả năng khuyếch đại tín hiệu quang. Bởi vậy, ngay từ khi mới được phát hiện, tán xạ Raman đã thu hút rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu. Các nghiên cứu này tập trung theo hai hướng: giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực và ứng dụng tán xạ Raman kích thích trong khuyếch đại tín hiệu quang. Tán xạ Raman kích thích SRS chính là cơ sở để phát triển các bộ khuyếch đại quang Raman. Các bộ khuyếch đại quang Raman có rất nhiều ưu điểm so với những loại khuyếch đại quang đã được sử dụng trước đó và rất phù hợp với các hệ thống WDM đang được triển khai hiện nay. Các bộ khuyếch đại quang Raman được coi là lời giải cho bài toán khuyếch đại quang trong các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, cự ly dài và rất dài. Nhận thức được tầm quang trọng của vấn đề và được sự hướng dẫn của Thầy giáo, ThS. Nguyễn Đức Nhân, em chọn đề tài “Tán xạ Raman kích thích” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp đại học. Nội dung đồ án được trình bày trong ba chương: Chương 1 trình bày tổng quan về quá trình tán xạ ánh sáng, tán xạ Raman, đồng thời trình bày những đặc tính cũng như ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong hệ thống đơn kênh và hệ thống WDM. Chương 2 trình bày một số khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang, nêu ứng dụng của tán xạ Raman kích thích trong khuyếch đại tín hiệu quang, nguyên lý của các bộ khuyếch đại Raman phân bố, khuyếch đại Raman tập trung. Chương 3 xây dựng chương trình mô phỏng, làm rõ các ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích đối với quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang, các lưu đồ thuật toán xác định các tham số liên quan. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do tán xạ Raman kích thích là một vấn đề khó nên nội dung đồ án khó tránh khỏi các thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các Thầy, Cô giáo, các bạn sinh viên để đồ án này được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, ThS. Nguyễn Đức Nhân đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Em xin cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong bộ môn thông tin quang, Khoa viễn thông đã dạy dỗ, dìu dắt em trong suốt 5 năm học vừa qua. Xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2005 Sinh viên Mai Nguyên Dũng TÁN XẠ RAMAN Tổng quan về tán xạ Raman Ánh sáng Ánh sáng có tính lưỡng tính sóng hạt. Tính chất sóng của ánh sáng được quan sát thấy qua các hiện tượng giao thoa, tán sắc. Ánh sáng có bản chất sóng điện từ. Các mode trường điện từ là tập các nghiệm của phương trình sóng. Tính chất hạt của ánh sáng được thể hiện qua khả năng đâm xuyên, hiện tượng quang điện, tác dụng ion hoá. Ánh sáng bao gồm các photon mang năng lượng xác định bằng hf trong đó h là hằng số Plank còn f là tần số của ánh sáng. Tương tác của ánh sáng và môi trường Một chùm sáng đi từ chân không vào môi trường bị phản xạ một phần ở mặt ngăn cách. Phần khúc xạ vào môi trường lại bị tán sắc, bị môi trường hấp thụ và bị tán xạ một phần về mọi phía. Theo Lorentx ta thừa nhận những giả thiết cơ bản sau đây: Phân tử của mọi chất được tạo thành từ ion và electron. Electron có khối lượng m và mang điện tích nguyên tố  C và được coi như điện tích điểm. Bên trong vật dẫn, electron chuyển động hoàn toàn tự do. Chuyển động có hướng của electron trong vật dẫn dưới ảnh hưởng của điện trường tạo nên dòng điện dẫn. Trong điện môi, electron không thể chuyển động tự do. Nhưng cũng không liên hệ cố kết với ion, mà có thể dịch chuyển một chút dưới tác dụng của những lực bên ngoài. Ion mang điện tích âm hoặc dương cũng có thể dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường. Nhưng ion có khối lượng lớn hơn electron nhiều nên di chuyển chậm. Trong điện trường biến đổi nhanh của sóng ánh sáng trong miền thấy được, ion hầu như không kịp dịch chuyển. Chỉ khi nào khảo sát trong miền hồng ngoại ta mới cần kể đến ảnh hưởng của ion. Những electron có khả năng dao động cưỡng bức với tần số  của sóng điện từ trong vùng quang học gọi là electron quang học. Chúng là các electron lớp ngoài. Các electron nằm trong lớp sâu, gần hạt nhân nguyên tử, liên hệ chặt chẽ hơn với hạt nhân. Chúng chỉ có thể dao động với biên độ đáng kể khi tần số  nằm vào vùng Rơngen. Lực của dao động cưỡng bức do điện từ trường tác dụng lên electron được gọi là lực Lorentx và bằng :  (1.1) Mặt khác electron vốn chịu một lực chuẩn đàn hồi, ràng buộc nó với hạt nhân  (1.2) Trong đó k là hằng số chuẩn của lực đàn hồi, xác định tần số dao động riêng của electron theo hệ thức: , r là độ lệch của electron ra khỏi vị trí cân bằng. Hằng số lực k phụ thuộc vào điện tích hạt nhân nguyên tử, hoặc cấu trúc phân tử nên  là hoàn toàn đặc trưng cho nguyên tử, phân tử đã cho. Do electron dao động trở thành lưỡng cực dao động, bức xạ sóng điện từ thứ cấp. Lưỡng cực dao động cũng có thể va chạm với các phân tử xung quanh, truyền năng lượng dao động cho chúng. Sự bảo tồn năng lượng dao động vì phát sóng và vì va chạm tương đương với tác dụng của một lực hãm  (1.3) g là gia tốc của electron khi dao động, kết quả là phương trình chuyển động của electron có dạng:  (1.4) Đặt , gọi đó là hệ số tắt dần, ta được phương trình dao động của electron  (1.5) Phương trình (1.5) cùng với các giả thuyết của Lorentx là cơ sở cho việc giải các bài toán tán sắc và hấp thụ ánh sáng. Sợi quang Sợi quang gồm một lõi hình trụ bằng thuỷ tinh có chiết suất , bao quanh lõi là một lớp vỏ phản xạ đồng tâm với lõi. Lớp vỏ có chiết suất (<). Sợi quang có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Nếu phân loại theo sự thay đổi chiết suất của lõi sợi thì sợi quang được chia thành hai loại. Loại sợi có chiết suất đồng đều ở lõi được gọi là sợi quang chiết suất bậc. Loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi ra tới lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ phản xạ được gọi là sợi có chiết suất Gradient (GI-Graded Index). Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì có loại sợi quang đa mode và sợi đơn mode. Sợi đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nó còn sợi đơn mode chỉ cho phép một mode truyền dẫn trong nó. (a)(b)(c) Hình 1.1 Cấu tạo của sợi quang (a) Sợi quang (b) Sợi chiết suất bậc (c) Sợi chiết suất giảm dần Một trong các vật liệu được sử dụng rộng rãi để chế tạo sợi quang hiện nay là silic dioxide SiO2. Mỗi nguyên tử trong thuỷ tinh liên kết với các nguyên tử khác theo cấu trúc tứ diện như hình 1.2. Trong đó mỗi nguyên tử silic được bao quanh bởi bốn nguyên tử Oxygen.  Hình 1.2 Cấu trúc tứ diện của Silic dioxide trong thuỷ tinh Sợi quang cũng có thể được pha tạp với nhiều chất khác nhau để thay đổi chỉ số chiết suất. Ví dụ  và  được pha thêm vào để tăng chiết suất của lõi. Để giảm chiết suất của lõi, có thể sử dụng các vật liệu như là Boron (B) và Fluorine (F)…Ngoài ra một số chất khác như Eribium cũng được sử dụng trong các bộ khuyếch đại quang. Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang Suy hao Vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang nhỏ hơn vận tốc truyền ánh sáng trong chân không. Ký hiệu  là vận tốc truyền ánh sáng trong chân không, n là chiết suất của lõi sợi, khi đó vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang được tính theo công thức (1.6) ,  (1.6) Ánh sáng khi truyền dọc theo sợi sẽ bị suy hao. Ký hiệu [1/m] là hệ số suy hao của sợi quang, là công suất đầu vào sợi quang, công suất đầu ra sợi quang có chiều dài L được tính theo công thức:  (1.7) Để tính toán hệ số suy hao, đơn vị thường được sử dụng là . Phương trình chuyển đổi đơn vị :  (1.8) Công suất quang cũng thường được tính theo đơn vị là dBm thay cho Watt. Quan hệ giữa hai đơn vị này được biểu thị trong công thức (1.9).  (1.9) Tán sắc Tán sắc là hiện tượng dãn rộng xung ánh sáng khi truyền trong sợi quang. Tán sắc có nhiều loại như tán sắc mode, tán sắc màu và tán sắc mode phân cực. Tán sắc mode chỉ xảy ra trong sợi quang đa mode. Do các mode có tốc độ lan truyền khác nhau nên thời gian truyền các mode là khác nhau, gây ra tán sắc mode. Tán sắc màu được phân chia thành tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc vật liệu xảy ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng. Tán sắc ống dẫn sóng xảy ra do ánh sáng truyền trong sợi không phải là ánh sáng đơn sắc, hằng số lan truyền  là hàm của bước sóng. Các thành phần bước sóng khác nhau có vận tốc nhóm khác nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc màu có ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống thông tin quang. Tán sắc màu làm tăng ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang dẫn đến giới hạn về khoảng cách truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang. Loại sợi quang phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (theo khuyến nghị G.652 của ITU-T) SMF-28 có hệ số tán sắc:  ,  (1.10) Trong đó D là hệ số tán sắc,  là bước sóng,   là độ dốc tán sắc không,  bước sóng tán sắc không (ZDW). Tán sắc của loại sợi này được biểu diễn trên Hình 1.3  Hình 1.3 Hệ số tán sắc của sợi quang SMF-28. Chiều dài hiệu dụng Khi một tín hiệu truyền dọc theo sợi quang, công suất tín hiệu bị giảm dần do suy hao. Tuy nhiên, trong thực tế có thể giả sử rằng công suất là hằng số trên một chiều dài hiệu dụngbởi vì hầu hết các hiệu ứng phi tuyến đều xảy ra ở phía đầu của sợi. Định nghĩa chiều dài hiệu dụng của sợi quang được thể hiện trên Hình 1.4.  Hình 1.4 (a) Công suất truyền dọc theo sợi có chiều dài L (b) Mô hình tương ứng của chiều dài hiệu dụng. Ở hình 1.4 (a) công suất bị suy hao khi truyền dọc theo toàn bộ sợi có chiều dài L, ở hình 1.4 (b) công suất được coi là không đổi trên một chiều dài sợi:  (1.11) Diện tích hiệu dụng Tất cả các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang đều phụ thuộc vào cường độ ánh sáng truyền dọc theo sợi. Tuy nhiên trong thực tế các phép đo đều thực hiện đo công suất đầu vào và đầu ra sợi quang. Công suất đi ra khỏi sợi quang chính là tích phân của phân bố cường độ ánh sáng trên diện tích mặt cắt của sợi quang. Nếu gọi  là diện tích mặt cắt của sợi quang, là công suất đo được ở đầu ra của sợi quang. Giả thiết cường độ I phân bố đều trên diện tích mặt cắt của sợi. Ta có:  (1.12) Tuy nhiên trong sợi quang đơn mode, cường độ ánh sáng không phân bố đều trên toàn bộ diện tích mặt cắt của sợi, cường độ ánh sáng sẽ tăng dần từ lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ tới trục của sợi. Mức độ tăng phụ thuộc vào chiết suất của sợi. Do đó để tính toán trong trường hợp này, tham số diện tích hiệu dụng  được tính theo công thức:  (1.13) Với  là cường độ điện trường của mode cơ bản tại khoảng cách r so với trục của sợi. Đối với sợi chiết suất bậc diện tích hiệu dụng  có thể được tính theo công thức:  (1.14) Trong đó  là đưòng kính trường mode của sợi ở bước sóng . Tính chất phi tuyến của sợi quang Trong nguyên tử có các điện tử mang điện tích âm và hạt nhân mang điện tích dương. Do đó khi điện trường tác động vào vật liệu các điện tử và các hạt nhân bị dịch chuyển về hai hướng ngược nhau. Lực điện trường làm cho các nguyên tử bị phân cực, ký hiệu là P, phụ thuộc vào điện trường tác động và bản chất của vật liệu và được tính như sau:  (1.15) Trong đó  là hằng số điện môi trong chân không.  là độ điện cảm cấp j. Độ điện cảm tuyến tínhđóng vai trò rất lớn trong P, những ảnh hưởng do nó đem lại được biểu hiện qua hệ số chiết suất n, hệ số suy hao. Độ điện cảm cấp hai là nguyên nhân gây ra các hiệu ứng như sinh hoà âm cấp hai. Tuy nhiên với các phân tử có cấu trúc đối xứng như,gần như bằng 0 nên có thể bỏ qua. Các độ điện cảm , rất nhỏ so với . Vì vậy chỉ có là nguyên nhân chủ yếu gây ra các hiệu ứng phi tuyến. Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia thành hai loại. Loại thứ nhất sinh ra do sự tương tác của sóng ánh sáng với các phonon. Loại này bao gồm hai hiệu ứng quan trọng là tán xạ Raman kích thích (SRS-Stimulated Raman Scattering) và tán xạ Brilloin kích thích (SBS-Stimulated Brilloin Scattering). Loại thứ hai gồm các hiệu ứng phi tuyến Kerr, sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất phi tuyến vào cường độ điện trường E. Các hiệu ứng phi tuyến Kerr bao gồm: SPM, XPM và FWM. Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang đều sinh ra do chiết suất phi tuyến, đó là sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng lan truyền trong sợi vào chiết suất. Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng, chiết suất và công suất P được biểu thị bằng phương trình:  (1.16) Trong đó  là thành phần phụ thuộc bước sóng của chiết suất , là diện tích hiệu dụng của sợi quang, được gọi là chỉ số chiết suất phi tuyến. Tỉ số  được gọi là hệ số phi tuyến. Tham số này có thể đo được mà không cần biết diện tích hiệu dụng của sợi quang. Ngoài ra khi nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang một tham số nữa cũng được đưa ra là  gọi là tham số phi tuyến (nonlinear parameter) và quan hệ với chiết suất phi tuyến  theo công thức: = (1.17)  là tần số góc của ánh sáng, c là vận tốc ánh sáng trong chân không,  là bước sóng ánh sáng, là diện tích hiệu dụng của sợi. Chỉ số chiết suất phi tuyến ( ) liên quan với  như sau:  (1.18) Với  là phần thực của . Ngoài ra đặc tính của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang còn chịu ảnh hưởng của nhiều tham số như cường độ của tín hiệu, chiều dài sợi, khoảng cách giữa các kênh (trong hệ thống WDM). Tán xạ ánh sáng Khi ánh sáng truyền qua môi trường vật chất trong suốt thì phần lớn ánh sáng truyền thẳng và một phần nhỏ sẽ bị tán xạ. Môi trường có thể gây ra nhiều loại tán xạ trong đó điển hình là tán xạ Rayleigh, tán xạ Brillouin, tán xạ Raman… Tuỳ thuộc vào loại vật chất, ánh sáng, điều kiện môi trường… mà mỗi loại tán xạ xảy ra khác nhau. Tán xạ Rayleigh là quá trình tán xạ đàn hồi, tần số ánh sáng tán xạ bằng tần số ánh sáng tới. Trạng thái của các phân tử vật chất do tán xạ Rayleigh không thay đổi sau khi ánh sáng truyền qua. Ngược lại, tán xạ Brillouin và tán xạ Ramman là các quá trình tán xạ không đàn hồi, các nguyên tử bị kích thích khi có ánh sáng đi qua và tần số ánh sáng tán xạ bị dịch chuyển so với tần số của ánh sáng tới.   a-Quá trình tán xạ đàn hồi b-Quá trình tán xạ không đàn hồi. Hình 1.5 Quá trình tán xạ ánh sáng Quá trình tán xạ không đàn hồi có sự tham gia của các phonon. Trong quá trình này các phonon có thể sinh ra hoặc bị hấp thụ. Mức thay đổi tần số của ánh sáng tán xạ so với ánh sáng tới bằng với tần số của phonon. Tán xạ Brilloin liên quan đến các phonon âm học còn tán xạ Raman liên quan đến các phonon quang học. Do đó ánh sáng tán xạ Raman có mức dịch chuyển tần số lớn hơn ánh sáng tán xạ Brilloin. Nếu ánh sáng tán xạ có tần số nhỏ hơn ánh sáng tới thì ánh sáng tán xạ được gọi là ánh sáng Stoke và quá trình tán xạ được gọi là tán xạ Stoke. Ngược lại, nếu ánh sáng tán xạ có tần số lớn hơn ánh sáng tới thì ánh sáng tán xạ được gọi là ánh sáng phản Stoke và quá trình tán xạ được gọi là tán xạ phản Stoke. Với tán xạ không đàn hồi, đơn vị đo độ dịch tần của ánh sáng tán xạ là (rad/s) hoặc là cm với  ( là dịch chuyển tần số theo cm,  là dịch chuyển tần số theo rad/s và c là vận tốc của ánh sáng trong chân không theo cm/s). Các hiệu ứng tán xạ sẽ làm giới hạn công suất quang lớn nhất có thể truyền ở trong sợi. Trong hệ thống WDM tán xạ là nguyên nhân gây nhiễu giữa các kênh. Tuy nhiên tán xạ Raman cũng được ứng dụng trong các bộ khuyếch đại quang Raman ở những bước sóng mà bộ khuyếch đại quang EDFA không phù hợp. Hiệu ứng tán xạ Brilloin là nguyên lý trong các bộ cảm ứng đo nhiệt độ môi trường tại những nơi mà bộ cảm ứng điện không phù hợp. Tần số Hình 1.6 Tần số của ánh sáng tán xạ. Tán xạ Raman Tán xạ Raman được phân chia thành hai loại: Tán xạ Raman tự phát (Spontaneous Raman Scattering) và tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering). Hiệu ứng tán xạ Raman tự phát đã được dự đoán bởi Smekal vào năm 1923 và đến năm 1928 được Raman chỉ ra bằng thực nghiệm. Trong quá trình tán xạ Raman tự phát, ánh sáng tới tương tác với môi trường làm sinh ra các photon. Tuỳ thuộc vào bản chất của môi trường các photon sinh ra sẽ có tần số lớn hơn hoặc nhỏ hơn tần số của ánh sáng tới. Giản đồ năng lượng của quá trình tán xạ Raman được thể hiện trên Hình 1.7. Electron sẽ chuyển từ
Luận văn liên quan