Kh¶o s¸t c¸c th«ng sè ®Æc trng cña khuÕch ®¹i quang sợi pha t¹p ®Êt hiÕm Er3+ (Erbium Doped Fiber Amplifiers EDFAs) Mục lục Phần mở đầu Chương I Giới thiệu chung về khuếch đại quang 1 1 1 Vai trò và ứ[.]
Khảo sát thông số đặc trng khuếch đại quang si pha tạp đất Er3+ (Erbium Doped Fiber Amplifiers - EDFAs) Mục lục Phần mở đầu Chương I: Giới thiệu chung khuếch đại quang .1 1.1 Vai trò ứng dụng khuếch đại quang 1.1.1 Vai trò khuếch đại quang 1.1.2 Ứng dụng khuếch đại quang .3 1.2 Khuếch đại quang sợi pha tạp đất Er3+ (EDFA) 1.3 Những vấn đề chọn để giải Phần tổng quan Chương II: Sợi quang pha tạp đất Er3+ .5 2.1 Những tính chất ion đất Er3+ 2.1.1 Tính chất quang ion đất .5 2.1.2 Nguyên tố Erbium (Er) 2.1.3 Tiết diện hiệu dụng 2.1.4 Thời gian sống 10 2.2 Phổ hấp thụ phát xạ ion Er3+ 12 2.3 Khảo sát dải bơm thích hợp cho Er3+ 13 2.3.1 Dải bơm 800nm .14 2.3.2 Dải bơm 980nm .15 2.3.3 Dải bơm 1480nm .15 2.4 Suy hao tín hiệu quang sợi thủy tinh SiO2 16 2.5 Cấu tạo sợi quang pha tạp đất Er3+ .18 2.6 Sự phụ thuộc sợi quang vào nồng độ thành phần pha tạp Er3+ 19 Chương III: Khuếch đại quang sợi pha tạp đất Er3+ (EDFA) 20 3.1 Cơ sở khuếch đại quang sợi pha tạp đất Er3+ .20 3.1.1 Hệ phương trình tốc độ 20 3.1.2 Hệ phương trình truyền dẫn khuếch đại 23 3.1.3 Khuếch đại xạ tự phát ASE 23 3.2 Những thông số đặc trưng khuếch đại quang EDFA 25 3.2.1 Phổ tăng ích băng tần 25 3.2.2 Hệ số khuếch đại .26 3.2.3 Tăng ích bão hịa .29 3.2.4 Phổ ASE 30 3.2.5 Thông số tạp âm 31 3.3 Các cấu hình bơm cho khuếch đại quang EDFA 33 3.3.1 Bơm đồng hướng 33 3.3.2 Bơm ngược hướng 34 3.3.3 Bơm song công .34 3.4 Những ưu, nhược điểm khuếch đại quang EDFA 35 3.5 Các ứng dụng khuếch đại EDFA mạng truyền dẫn quang 36 3.5.1 Khuếch đại công suất .37 3.5.2 Khuếch đại tuyến .37 3.5.3 Tiền khuếch đại .38 Phần mở đầu Chương I Giới thiệu chung khuếch đại quang 1.1 Vai trò ứng dụng khuếch đại quang 1.1.1 Vai trò khuếch đại quang Ánh sáng thu hút quan tâm từ thời kỳ sơ khai lịch sử lồi người Ánh sáng cho phép nhìn thấy nhiều thứ, đặc biệt tượng hấp dẫn như: cầu vồng, màu sắc ấn tượng vào lúc bình minh phát từ mặt trời… Bởi vậy, khơng có tình cờ ánh sáng gây quan tâm đặc biệt nhiều nhà khoa học Từ xa xưa, người cố gắng để hiểu ánh sáng qua nhiều kỷ, thu kiến thức định Ngày nay, biết ánh sáng dạng sóng điện từ, sóng radio Nó đối tượng nhiều định luật vật lý truyền dẫn tương tác Con người từ xưa biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin cách thô sơn như: đốt lửa, sử dụng gương để phản xạ ánh sáng mặt trời… Với phát triển khoa học đại, chế tạo hệ thống thơng tin quang có khả truyền thơng tin xa xác cách đưa tín hiệu ánh sáng sợi dẫn sóng hay sợi quang Thơng tin quang phát triển nhanh năm cuối thể kỷ XX Tốc độ khoảng cách truyển tăng lên nhanh vòng khoảng 20 năm, từ ứng dụng sợi đa mốt sợi đơn mốt, từ tốc độ bit 45Mb/s với khoảng cách lặp 10km năm 1980 lên đến 100Gb/s với khoảng cách hàng ngàn km đưa vào hoạt động năm 2000 Các hệ thống thơng tin quang có ưu điểm vượt trội so với thông tin cáp kim loại suy hao truyền dẫn thấp, dung lượng truyền cao, bị ảnh hưởng nhiễu điện từ hoạt động tin cậy Tuy nhiên, vấn đề đặt hệ thống thơng tin quang tín hiệu ánh sáng truyền sợi quang, bị suy hao (suy hao cơng suất ) Chính vậy, độ dài hệ thống thơng tin quang sợi bị hạn chế hai yếu tố: mát quang sợi quang tán sắc quang Do đó, sợi quang có độ dài lớn, tín hiệu quang bị suy hao trở nên yếu khơng cịn nhận tín hiệu đầu thu (photodiode), nên tín hiệu thu có tỷ lệ bit lỗi lớn Trước đây, đường thông tin quang khoảng cách lớn mát quang đựơc khắc phục trạm lặp quang - điện tử, tín hiệu quang suy giảm biến đổi thành tín hiệu điện (O/E) sau tín hiệu điện khuếch đại lên lại phục hồi thành tín hiệu quang (E/O) tiếp tục truyền Các tái lặp tín hiệu quang quang - điện tử trở nên phức tạp đắt tiền sử dụng kỹ thuật ghép nhiều bước sóng sợi quang (Wavelength Division Multiplexing - WDM ) Chính vậy, việc nghiên cứu để khuếch đại tín hiệu quang cách trực tiếp ngày phát triển ứng dụng rộng rãi O- λ E Sợi quang Bộ thu quang Vùng tín hiệu quang Am p Bộ khuếch đại điện Vùng tín hiệu điện EO λ Sợi quang Bộ chuyển đổi quang Vùng tín hiệu quang O – E: quang → điện E – O: điện → quang Hình 1.1: Sơ đồ khối khuếch đại lặp biến đổ O/E E/O Để truyền tín hiệu xa hàng trăm km, mức công suất quang phải điều chế cách định kỳ Những khuếch đại quang chìa khố cho việc đó, chúng khơi phục lại tín hiệu quang bị suy hao Bởi vậy, khoảng cách truyền tín hiệu ngày tăng lên Dịng bơm Tín hiệu vào yếu Tín hiệu khuếch đại Khuếch đại quang Hình 1.2: Sơ đồ khối khuếch đại lặp khuếch đại quang 1.1.2 Ứng dụng khuếch đại quang Có ứng dụng khuếch đại quang hệ thống thông tin quang là: Khuếch đại công suất (booster) để tăng công suất quang vào đường truyền Khuếch đại tuyến (in line) để thay lặp quang - điện tuyến quang sợi khoảng cách lớn Tiền khuếch đại cho thu quang để tăng cơng st tín hiệu quang vào thu Khuếch đại công suất phân bố cho mạng rẽ nhánh Cần ý khuếch đại quang bù công suất quang suy hao tuyến truyền dẫn Do khuếch đại quang không cải thiện tạp âm, tán sắc hiệu ứng quang phi tuyến, truyền thông tin quang sử dụng khuếch đại quang bị hạn chế khoảng cách hiệu ứng nêu tạo Sử dụng khuếch đại quang hệ thống thơng tin quang đa bước sóng WDM có ý nghĩa cơng nghệ quan trọng khuếch đại quang khuếch đại tất bước sóng tới băng tần khuếch đại Δf 1.2 Khuếch đại quang sợi pha tạp đất Er3+ (EDFA) Khuếch đại quang sợi pha tạp đất Er 3+ ( Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA ) phương pháp khuếch đại quang trực tiếp đường truyền mà không cần qua lặp quang - điện tử Một khuếch đại quang chế tạo dựa nguyên tắc khuếch đại ánh sáng trực tiếp phát xạ cưỡng mơi trường đảo mật độ có chế vật lý giống laser, nhiên khuếch đại quang không yêu cầu có phản hồi quang gương phản xạ buồng cộng hưởng laser (hình 1.4) Nguồn bơm laser(λ=980 1480nm) Sợi quang pha tạp Er3+ Tín hiệu vào yếu Sợi quang Bộ cách ly quang Bộ ghép quang EDFA Tín hiệu khuếch đại Bộ cách ly quang Sợi quang Hình 1.3: Một khuếch đại EDFA bao gồm: sợi quang, sợi quang pha tạp Er3+, bơm quang học, ghép quang, cách quang đầu Khuếch đại quang sợi pha tạp đất (Rare Earth Doped Fiber Amplifier) thành tựu lớn công nghệ thông tin quang năm cuối kỷ ΧΧ Các ion đất họ Lantan (Lanthanide) pha tạp vào lõi sợi quang đóng vai trị mơi trường khuếch đại quang Trong Erbium nguyên tố đặc biệt ý chúng có khả khuếch đại quang vùng bước sóng 1550nm cửa sổ thơng tin thứ sợi quang thủy tinh SiO2 Tại vùng bước sóng này, suy hao sợi quang SiO2 nhỏ Có thể nói chưa có cơng nghệ ứng dụng vào thực tiễn nhanh khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+ Đến nay, khuếch đại quang EDFA sử dụng rộng rãi mạng truyền thông cáp quang đặc biệt hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM Có thể nói khuếch đại quang EDFA tạo bước nhảy vọt công nghệ viễn thông cáp quang dung lượng lớn kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng Khuếch đại quang sợi EDFA có băng tần khuếch đại rộng, khuếch đại đồng thời hàng trăm bước sóng dải 1525÷1600nm Đặc biệt khuếch đại quang sợi EDFA không nhạy với phân cực chùm sáng tới, sử dụng dễ dàng tuyến truyền dẫn quang sợi 1.3 Những vấn đề chọn để giải Mục tiêu đặt luận văn gồm: Khảo sát ổn định nguồn bơm laser DFB bước sóng 980nm cho khuếch đại quang pha tạp đất Er3+ (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier) đường đặc tuyến P – I, ổn định nhiệt độ dòng bơm laser Khảo sát đặc điểm dạng phổ khuếch đại xạ tự phát ASE khuếch đại quang EDFA Khảo sát thông số đặc trưng khuếch đại quang EDFA có nồng độ chiều dài sợi pha tạp khác như: hệ số tăng ích G, băng tần khuếch đại Δλ, cơng suất bão hịa thơng số tạp âm NF Khn khổ luận văn không đề cập đến vấn đề thiết kế, lắp ráp mạch điện tử hay viết phần mềm máy vi tính để khảo sát thông số laser bơm, mà trọng đến yếu tố ảnh hưởng tới khuếch đại quang EDFA Trong trình thực luận văn này, có cố gắng song khơng thể tránh khỏi thiếu sót, chúng tơi mong đóng góp ý kiến thầy giáo quý độc giả Phần tổng quan Chương II Sợi quang pha tạp đất Er3+ 2.1 Những tính chất ion đất Er3+ 2.1.1 Tính chất quang ion đất Các nguyên tố đất chia làm nhóm, nhóm có 14 nguyên tố: Nhóm I: họ Lantan (Lanthanide) đặc trưng lớp 4f lấp đầy, bắt đầu với nguyên tố Cerium (Ce, Z = 58) kết thúc nguyên tố Lutetium (Lu, Z = 71) Nhóm II: họ Actini (Actinide) đặc trưng lớp 5f lấp đầy, từ Thorium (Th, Z = 90) Lawrencium (lr, Z=103) Mặc dù nguyên tố có chung nhiều tính chất điện, có họ Lantan đề cập đến chúng có vai trị quan trọng khuếch đại laser, cịn ngun tố họ Actini khơng có đồng vị đủ bền phù hợp với yêu cầu thiết bị nói Chúng ta biết rằng, cấu tạo nguyên tử gồm hạt nhân bao quanh lớp điện tử Thông thường, lớp điện tử lấp đầy theo thứ tự cho lớp vỏ có bán kính tăng dần Tuy nhiên, đến vị trí nguyên tử thứ 57 (Z = 57) quy luật bị phá vỡ Ở nguyên tử thứ 57, lớp 5s 5p (5s 25p6) lấp đầy trước sau điện tử tiếp tục lấp đầy lớp 4f Thay có bán kính lớn lớp 5s 5p, lớp 4f có bán kính nhỏ hai lớp nên bị bao bọc lớp Do nguyên tố thuộc họ Lantan có số nguyên tử từ 58 đến 71 nên chúng tuân theo quy luật Đây đặc tính quan trọng nguyên tố đất gọi co lại họ Lantan Hầu hết nguyên tố đất tồn dạng ion đặc biệt ion hoá trị III dạng ổn định chúng Các ngun tố đất trung hịa có cấu hình điện tử 4f N 6s2 4f N 15־d6s2, trình ion hóa xảy khử điện tử yếu lớp 6s, sau khử tiếp điện tử lớp 4f 5d Do ion đất họ Lantan hóa trị ba có lõi Xenon (1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6) N điện tử lớp 4f Nhờ che chắn điện tử lớp 5s 5p nên tính chất lớp vỏ 4f gần giữ nguyên nguyên tử pha môi trường thủy tinh tinh thể Thông thường nguyên tử chất bán dẫn kim loại nhường điện tử chúng cho môi trường nên có phổ lượng trải rộng Tuy nhiên, phổ ion đất pha tạp chất cách điện thủy tinh hay tinh thể lại có phổ lượng bao gồm dãy vạch hẹp Nguyên nhân lớp điện tử 4f gần giữ cấu trúc trạng thái nguyên tử đất Cấu hình 4f gồm nhiều trạng thái tương tác điện tử Hơn nữa, tác dụng trường tinh thể nền, mức điện tử lớp vỏ 4f tiếp tục bị tách thành nhiều vạch làm cho mức lượng lớp 4f tiếp tục bị tách hiệu ứng Stark (hình 2.1) Do quang phổ lớp vỏ 4f gồm nhiều vạch dải rộng Các mức lượng ion đất hoàn tồn tính giải phương trình Schrodinger trường tinh thể 1G 1G4 3F4 3F 3F3 Năng lượng 3F2 (4f)2 3H6 3H 3H5 3H4 nh 2.1: Sơ đồ tách mức lượng ion Er3+ tương tác điện tử - điện tử tương tác điện tử - trườn 2.1.2 Nguyên tố Erbium (Er) Erbium (Z=68) nguyên tố đất tiêu biểu thuộc dãy Lantan nên có tính chất đặc trưng dãy Do Er 3+ làm việc vùng bước sóng 1500nm (là cửa sổ thứ thơng tin quang) nhờ dịch chuyển 4I13/2 − 4I15/2 nên ứng dụng rộng rãi cho hoạt động laser khuếch đại quang Khi pha tạp vào thủy tinh silica SiO 2, ion Er3+ có mức lượng hình 2.2 35 25 20 1220 850 10 4F9/2 2750 1540 980 640 Các dịch chuyển hấp thụ (tính theo nm) 540 1480 980 800 670 532 514 485 450 440 410 1720 15 1660 Năng lượng (103cm-1) 2P3/2 2G7/2 4G11/2 2H9/2 4F3/2 4F5/2 2H11/2 4F7/2 4S3/2 30 Các dịch chuyển phát xạ (tính theo nm) 4I9/2 4I11/2 4I13/2 4I15/2 Hình 2.2: Sơ đồ mức lượng trạng thái dịch chuyển ion Er3+ Các nguyên tử Erbium bị kích thích lên mức lượng cao 4I11/2 −1μs Các nguyên tử Er mức siêu bền (−10ms) λ=980nm 4I13/2 λ=1480nm Bức xạ kích thích λ=1520 ÷ 1620 nm 4I15/2 Các ngun tử Erbium mức lượng thấp Hình 2.3: Nguyên lý khuếch đại quang phát xạ cưỡng môi trường đảo mật độ sợi quang pha tạp Er3+ Đặc trưng quan trọng ion Er3+ có mức 4I13/2 mức siêu bền (mức kích thích), với thời gian sống hạt tải mức lên đến 10ms, thời gian sống hạt tải mức 4I11/2 (mức bơm) cỡ vài μs Do ta bơm kích thích chùm laser bước sóng 980nm, ion Er3+ kích thích lên mức 4I11/2 Và sau thời gian ngắn cỡ vài μs, chúng dịch chuyển không xạ xuống mức 4I13/2 với thời gian sống mức lớn gấp hàng vạn lần thời gian sống mức 4I11/2 Điều cho phép tạo nghịch đảo độ tích lũy mức 4I13/2 mức 4I15/2 (mức nển) Trong môi trường SiO2 vơ định hình tương tác với mạng nền, mức lượng ion Er3+ mở rộng thành vùng hẹp hiệu ứng Stark (tách vạch từ trường) Vì mà ta có nhiều mức lượng gần sử dụng, điều cần thiết truyền nhiều tín hiệu sợi quang thông tin ứng dụng công nghệ WDM Cũng nhờ tách mức này, vạch nằm mức kích thích 4I13/2, vùng bước sóng 1480nm dùng để bơm tạo môi trường đảo mật độ.Tuy nhiên tách mức mức kích thích mức lại không đồng dẫn đến phổ khuếch đại tín hiệu vùng 1525nm đến 1565nm khơng đồng Đây khó khăn việc truyền nhiều bước sóng sợi quang 2.1.3 Tiết diện hiệu dụng Tiết diện hiệu dụng xác định khả hấp thụ xạ ánh sáng ion Chúng có liên hệ với hệ số Einstein Hiểu cách đơn giản, tiết diện hiệu dụng dịch chuyển hai trạng thái (mức lượng) ion mô tả xác suất chuyển dời xảy đồng thời trình hấp thụ xạ ánh sáng Với hai trạng thái cho trước có lượng tương ứng E E2 (E1