NGHIÊN cứu KHUẾCH đại RAMAN CƯỠNG bức ỨNG DỤNG TRONG KHUẾCH đại QUANG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Tuấn Linh NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMAN CƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG KHUẾCH ĐẠI QUANG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI - 2011 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Tuấn Linh NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMAN CƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG KHUẾCH ĐẠI QUANG KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hội Cán đồng hướng dẫn: TS.Bùi Huy HÀ NỘI - 2011 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lời cảm ơn Khoá luận tốt nghiệp kết nghiên cứu nhiều tháng nỗ lực thân em hướng dẫn, giúp đỡ nhiều người Qua khoá luận cho phép em bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc đến PGS.TS Phạm Văn Hội TS Bùi Huy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hồn thành khoá luận tốt nghiệp Em biết ơn cán anh chị công tác phòng Vật liệu Ứng dụng Quang sợi, viện Khoa học vật liệu: anh Thế Anh, anh Thanh Hải …đã quan tâm, giúp đỡ tạo điều kiện sở vật chất thiết bị cho việc nghiên cứu hồn thành khố luận Em xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến thầy cô cán công tác khoa Vật lý kỹ thuật công nghệ nano đào tạo cho em không kiến thức chuyên môn mà kỹ sống, học tập làm việc Khoá luận lời cảm ơn sâu sắc tới người thân emnhững người bên cạnh quan tâm em giúp đỡ em hoàn thành khoá luận Hà Nội 20/05/11 Sinh viên Lê Tuấn Linh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tóm tắt nội dung Tán xạ Raman trình tán xạ không đàn hồi, xảy tương tác ánh sáng với môi trường vật chất sợi quang Tán xạ Raman bao gồm tán xạ Raman tự phát tán xạ Raman kích thích SRS Một mặt tán xạ Raman gây ảnh hưởng xấu đến trình truyền tín hiệu sợi quang, làm tăng nhiễu hệ thống thông tin quang mặt khác tán xạ Raman có ảnh hưởng tích cực, bật khả khuếch đại tín hiệu quang Bởi vậy, từ phát hiện, tán xạ Raman thu hút nhiều quan tâm, nghiên cứu Tán xạ Raman kích thích(SRS) sở để phát triển khuếch đại quang Raman Các khuếch đại quang Raman có nhiều ưu điểm so với loại khuếch đại quang sử dụng trước phù hợp với hệ thống WDM triển khai Các khuếch đại quang Raman coi lời giải cho toán khuếch đại quang hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, cự ly dài dài Nhận thức tầm quan trọng ý nghĩa to lớn khuếch đại quang Raman, hướng dẫn PGS.TS Phạm Văn Hội TS Bùi Huy, em tập trung nghiên đề tài “tán xạ Raman ứng dụng khuếch đại thông tin quang” Những kết khoá luận kết bước đầu để tiến tới nghiên cứu sâu nhằm đưa đến ứng dụng thực tế LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lời cam đoan Tôi xin cam đoan nội dung đồ án tốt nghiệp kết cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn PGS.TS Phạm Văn Hội TS Bùi Huy Tất số liệu cơng bố hồn tồn trung thực chưa công bố tài liệu, ấn phẩm khác Các số liệu tham khảo khác có dẫn rõ ràng nguồn gốc xuất xứ nêu phần phụ lục cuối khoá luận Hà Nội ngày 20 tháng năm 2011 Lê Tuấn Linh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mục lục Chương Tổng quan khuếch đại quang…………………………………… 1.1 Vài nét hệ thống thông tin quang…………………………………… 1.1.1.Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang………… …………….1 1.1.2.Các thành phần hệ thống thông tin quang………… .2 1.1.3 Ưu điểm hệ thống thông tin quang…………………………………3 1.2 Tổng quan khuyếch đại quang…………………………………………4 1.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang……………………………………….5 1.2.2 Ứng dụng khuếch đại quang……………………………………….7 1.2.3 Các thông số khuếch đại quang…………………………… 1.2.3.1 Hệ số độ lợi,hệ số khuếch đại………………………………… 1.2.3.2 Băng thông độ lợi,băng thông khuếch đại……………………… …9 1.2.3.3 Công suất ngõ bão hoà………………………………………… 10 1.2.3.4 Hệ số nhiễu…………………………………………………… .11 1.3 Phân loại khuếch đại quang…………………………………………… 12 1.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn…………………………………………… 12 1.3.2 Khuếch đại quang sợi OFA(EDFA)…………………………………… 14 Chương Hiệu ứng tán xạ Raman khuếch đại quang sợi Raman…… 16 2.1 Hiệu ứng tán xạ Raman…………………………………………… … ….16 2.2 Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng (SRS)……………………………… 18 2.3 Khuếch đại quang Raman …………………………………………………20 2.3.1 Khuếch đại quang Raman……………………………………………….20 2.3.2 Độ lợi băng thông gr phổ Raman sợi thủy tinh Silica tinh khiết sợi nhạy quang, sợi bù tán sắc DCF………………………………….22 2.3.3 Mơ hình khuếch đại quang Raman…………………………… 24 2.3.4 Dải rộng khuếch đại quang Raman…………………………………25 2.4 Ảnh hưởng tán xạ Raman hệ thống WDM……………………26 Chương Kết thảo luận………………………………………………… 30 3.1 Các thiết bị linh kiện sử dụng thực nghiệm…………………….30 3.2 Các sơ đồ thiết lập cho thực nghiệm………………………………………32 3.3 Các kết thực nghiệm thảo luận……………………………………33 Kết luận…………………………………………………………………………….40 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………41 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương Tổng quan khuếch đại quang 1.1 Vài nét hệ thống thông tin quang 1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang Thông tin quang có tổ chức hệ thống hệ thống thông tin khác, thành phần hệ thống thông tin quang tuân thủ theo hệ thống thông tin chung Đây nguyên lý mà loài người sử dụng từ thời kỳ khai sinh hình thức thơng tin Tín hiệu cần truyền phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng đầu thu thu lại tín hiệu cần truyền Đối với hệ thống thơng tin quang mơi trường truyền dẫn sợi quang Sợi quang thực truyền ánh sáng mang tín hiệu thơng tin từ phía phát tới phía thu Vào năm 1960, việc phát minh laser làm nguồn phát quang mở thời kỳ có ý nghĩa to lớn lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng Thông tin tia laser xuyên qua không trung xuất chịu ảnh hưởng thời tiết, máy phát phải nhìn thấy nhau, tia laser nguy hiểm cho mắt người…nên việc sử dụng bị hạn chế Laser bán dẫn xuất vào năm 1962 với sợi quang giá thành hạ lần chế tạo vào năm 1970 làm cho thông tin quang trở thành thực Ánh sáng ghép từ laser bán dẫn vào sợi quang truyền sợi quang theo nguyên lý phản xạ nội toàn phần nên khắc phục nhược điểm thông tin tia laser Trong năm 1970 laser bán dẫn GaAs/GaAlAs phát vùng hồng ngoại gần 0.8µm chế tạo sử dụng cho thông tin quang sợi Năm 1980 hệ thống thông tin quang sợi hệ đưa vào hoạt động (tốc độ 45Mb/s khoảng cách lặp 10km) Đầu năm 80, hệ thống thông tin quang hệ thứ hai sử dụng laser 1310nm bắt đầu sử dụng Thời gian đầu, tốc độ bít đạt 100Mb/s tán sắc sợi đa mode Khi sợi đơn mode đưa vào sử dụng, tốc độ bít tăng lên cao Năm 1987, hệ thống thơng tin quang 1310nm có tốc độ bít 1.7Gb/s với khoảng cách lặp 50km có mặt thị trường Thế hệ thứ ba hệ thống thông tin quang sợi hoạt động vùng sóng 1.55µm với tốc độ bít 2.5Gb/s khoảng cách lặp 60 ÷ 70km Khi sử dụng loại sợi quang bù tán sắc làm phẳng tán sắc, khoảng cách lặp tăng lên Thế hệ thứ tư thông tin cáp quang sử dụng khuyếch đại quang để tăng khoảng cách lặp ghép nhiều bước sóng sợi quang để tăng tốc độ bít sợi quang Khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) có khả bù cơng suất cho suy hao quang khoảng cách lớn 100km Năm 1991 lần hệ thống thông tin LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com quang có EDFA thử nghiệm truyền tín hiệu số tốc độ 2.5Gb/s khoảng cách 21000km 5Gb/s khoảng cách 14300km Năm 1996 hệ thống thông tin quang quốc tế biển lặp đặt, năm 1997 đường cáp quang vòng quanh thê giới biển dài 27300km đưa vào hoạt động kết nối nhiều nước châu Âu, châu Á với tốc độ 5Gb/s vài nơi tới 10Gb/s Sử dụng cơng nghệ ghép nhiều bước sóng sợi quang (WDM) làm tăng dung lượng thông tin quang cách đáng kể Trong năm 1996 thử nghiệm tuyến truyền dẫn 20 bước sóng quang với tốc độ bít bước sóng 5Gb/s khoảng cách 9100km, tốc độ bít tuyến đạt 100Gb/s Năm 2000 hệ thống TPC-6 xuyên Đại Tây Dương có tốc độ bít 100Gb/s đưa vào hoạt động Thế hệ thứ năm hệ thống thông tin quang dựa sở giải vấn đề tán sắc sợi quang Khuyếch đại quang giải hồn hảo suy hao sợi khơng giải vấn đề tán sắc Giải pháp tốt để giải vấn đề tán sắc sử dụng hiệu ứng Soliton quang Hiệu ứng Soliton quang hiệu ứng phi tuyến sợi quang Chúng dựa sở tương tác bù trừ tán sắc thành phần quang xung quang cực ngắn truyền sợi quang khơng có suy hao Năm 1994 hệ Soliton thử nghiệm truyền tín hiệu 10Gb/s khoảng cách 35000km 15Gb/s khoảng cách 24000km Năm 1996 hệ thống WDM có bước sóng truyền Soliton khoảng cách 9400km với tốc độ bít 70Gb/s Ngày nay, mạng thơng tin hồn tồn quang nghiên cứu mạnh mẽ nhằm tăng tốc độ thông tin Các hệ thống thông tin quang ứng dụng rộng rãi giới Chúng đáp ứng tín hiệu tương tự số Chúng cho phép truyền dẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp băng rộng, đáp ứng nhu cầu mạng số hoá liên kết đa dịch vụ (ISDN) Số lượng cáp quang lắp đặt giới với số lượng lớn, đủ tốc độ truyền dẫn với cự ly khác nhau, cấu trúc mạng đa dạng Nhiều nước lấy cáp quang làm môi trường truyền dẫn cho mạng viễn thơng Các hệ thống thông tin quang mũi đột phá tốc độ, cự ly truyền dẫn cấu trúc linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao 1.1.2 Các thành phần hệ thống thông tin quang Hệ thống thông tin quang sợi giống hệ thống thông tin quang khác bao gồm bốn thành phần máy phát quang, máy thu quang, môi trường truyền tín hiệu thơng tin (tín hiệu lối vào, tín hiệu lối hình 1.1) Tín hiệu lối vào Máy phát quang Môi trường truyền Máy thu quang Tín hiệu lối Hình 1.1 Các thành phần hệ thống thông tin quang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Vai trò phát quang biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang đưa tín hiệu quang vào sợi quang Linh kiện phát quang nguồn phát quang: hệ thống thông tin quang sợi thường sử dụng nguồn phát quang bán dẫn diốt phát quang (LED) laser bán dẫn Môi trường truyền dẫn quang chia làm hai loại: truyền sợi quang truyền không gian Để tăng khoảng cách truyền bị giới hạn suy hao sợi quang người ta sử dụng lặp khuyếch đại quang sợi Bộ lặp có nhiệm vụ thu tín hiệu quang, biến đổi quang - điện (O/E), sửa lại xung điện, khuyếch đại tín hiệu biến đổi điện - quang (E/O) trở lại Những hệ thống thông tin quang đại chủ yếu sử dụng khuyếch đại quang sợi pha Erbium (EDFA),bộ khuếch đại Raman khuyếch đại Raman khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang có nhiều ưu việt so với lặp Tín hiệu quang đầu phía bên hệ thống thu máy thu quang Vai trò thu quang chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện phục hồi số liệu truyền qua hệ thông thông tin quang Linh kiện chủ yếu thu quang photodiode có cấu trúc vật liệu chế tạo thích hợp cho băng tần bước sóng cần thu 1.1.3 Ưu điểm hệ thống thông tin quang • Dung lượng lớn: Các sợi quang có khả truyền lượng lớn thông tin Với công nghệ hai sợi quang truyền đồng thời 60.000 đàm thoại Một cáp sợi quang (có đường kính ngồi cm) chứa khoảng 200 sợi quang, tăng dung lượng đường truyền lên 6.000.000 đàm thoại So với phương tiện truyền dẫn dây thông thường, cáp lớn gồm nhiều đơi dây truyền 500 đàm thoại Một cáp đồng trục có khả với 10.000 đàm thoại tuyến viba hay vệ tinh mang 2000 gọi đồng thời • Kích thước trọng lượng nhỏ: So với cáp đơng có dung lượng, cáp sợi quang có đường kính nhỏ khối lượng nhẹ nhiều Do dễ lắp đặt hơn, đặc biệt vị trí có sẵn dành cho cáp • Khơng bị nhiễu điện: Truyền dẫn sợi quang không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ (EMI) hay nhiễu tần số vô tuyến (RFI) khơng tạo nhiễu nội Sợi quang cung cấp đường truyền “sạch” môi trường khắc nghiệt Các công ty điện lực sử dụng cáp quang, dọc theo đường dây điện cao để cung cấp đường thông tin rõ ràng trạm biến áp Cáp sợi quang không bị xuyên âm Thậm chí dù ánh sáng bị xạ từ sợi quang khơng thể thâm nhập vào sợi quang khác • Tính cách điện: Sợi quang vật cách điện Sợi thủy tinh loại bỏ nhu cầu dịng điện cho đường thơng tin Cáp sợi quang làm chất điện mơi thích hợp khơng chứa vật dẫn điện cho phép cách điện hồn tồn cho nhiều ứng dụng Nó loại bỏ nhiễu gây dòng điện chạy vòng đất hay trường hợp nguy hiểm gây phóng điện đường dây thơng tin sét hay trục trặc điện Đây thực phương tiện an toàn thường dùng nơi cần cách điện LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com • Tính bảo mật: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao Một sợi quang khơng thể bị trích để lấy trộm thơng tin phương tiện điện thông thường dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, khó trích để lấy thơng tin dạng tín hiệu quang Các tia sáng truyền lan tâm sợi quang khơng có tia khỏi sợi quang Thậm chí trích vào sợi quang bị phát nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu đầu cuối Trong tín hiệu thơng tin vệ tinh viba dễ dàng thu để giải mã • Độ tin cậy cao dễ bảo dưỡng: Sợi quang phương tiện truyền dẫn đồng không gây tượng pha-đinh Những tuyến cáp quang thiết kế thích hợp chịu đựng điều kiện nhiệt độ độ ẩm khắc nghiệt chí hoạt động nước Sợi quang có thời gian hoạt động lâu, khoảng 20 – 30 năm Yêu cầu bảo dưỡng hệ thống cáp quang so với yêu cầu hệ thống thơng thường cần lặp điện tuyến thơng tin • Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang khả dụng cho hầu hết dạng thông tin số liệu, thoại video Các hệ thống tương thích với chuẩn RS.232, RS422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp cịn nhiều • Tính mở rộng: Các hệ thống sợi quang thiết kế thích hợp dễ dàng mở rộng cần thiết Một hệ thống dùng cho tốc độ số liệu thấp, ví dụ T1 (I 544 Mb/s) nâng cấp trở thành hệ thống tốc độ số liệu cao hơn, OC-12 (622 Mb/s), cách thay đổi thiết bị điện tử Hệ thống cáp sợi quang giữ ngun cũ • Sự tái tạo tín hiệu: Công nghệ ngày cho phép thực đường truyền thông cáp quang dài 70 km trước cần tái tạo tín hiệu, khoảng cách cịn tăng lên tới 150 km nhờ sử dụng khuếch đại laze Trong tương lai, công nghệ mở rộng khoảng cách lên tới 200 km 1000 km Chi phí tiết kiệm sử dụng lắp trung gian việc bảo dưỡng chúng lớn Ngược lại, hệ thống cáp điện thông thường vài km cần có lặp Suy hao thấp: phát triển sợi quang qua nhiều năm đạt đươck kết việc chế tạo sợi quang có độ suy hao thấp Sợi quang chế tạo với độ suy hao 0.2dB/km đặc tính trở thành lợi thông tin quang Điều thuận lợi cho việc đặt khuyếch đại cho khoảng cách đường truyền mà khơng cần chuyển sang tín hiệu điện bước trung gian, giảm giá thành độ phức tạp hệ thống 1.2 Tổng quan khuyếch đại quang Đối với tín hiệu quang, khoảng cách truyền dẫn lớn, suy giảm tín hiệu tránh khỏi Suy hao sợi quang nguyên nhân giới hạn cự ly truyền hệ thống thông tin quang Giới hạn suy hao khắc phục cách sử dụng trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) Trong trạm lặp quang điện này, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com WDM Channels with Raman Scattering 1530nm 1540nm Hình 2.12 Các kênh WDM có tán xạ Raman Sự suy giảm công suất kênh truyền vấn đề hệ thống WDM mà điều làm giảm SNR làm tăng BER Sự suy giảm công suất kênh tính tốn giả thiết phổ độ lợi Raman từ đến 15 Thz Nếu suy giảm công suất chấp nhận kênh 1dB, ta có mối liên hệ công suất-băng thông: (nP)(n-1)∆f