Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống truyền dẫn quang, thiết bị truy nhập băng thông rộng và ứng dụng vào mạng viễn thông thế hệ mới (NGN) ở việt nam

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10 "NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG" BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG, THIẾT BỊ TRUY NHẬP BĂNG THÔNG RỘNG VÀ ỨNG DỤNG VÀO MẠNG VIỄN THÔNG THẾ HỆ MỚI (NGN) Ở VIỆT NAM” Mã số: KC.01-06/06-10 Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Khoa học vật liệu Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Phạm Văn Hội 8189 Hà nội – 2009 BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10 "NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG" BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG, THIẾT BỊ TRUY NHẬP BĂNG THÔNG RỘNG VÀ ỨNG DỤNG VÀO MẠNG VIỄN THÔNG THẾ HỆ MỚI (NGN) Ở VIỆT NAM” Mã số: KC.01-06/06-10 Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài (ký tên) (ký tên và đóng dấu) PGS.TS. Phạm Văn Hội PGS.TS. Nguyễn Quang Liêm Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ (ký tên) (ký tên và đóng dấu khi gửi lưu trữ) Hà nội – 2009 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 MỤC LỤC Trang Mở đầu 1 Chương 1. Các kết quả nghiên cứu công nghệ chế tạo khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium 3 1.1. Tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu cho công nghệ chế tạo khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 3 1.2. Sơ lược về tính chất quang của ion Erbium trong thủy tinh…………5 1.3. Hệ khuế ch đại quang sợi pha tạp Erbium ………………………… 12 1.4. Tính chất quang của thủy tinh pha tạp Erbium nồng độ cao……… 19 1.5. Vai trò của thủy tinh nền và các ion đồng pha tạp ………………….22 1.6. Tạp âm trong khuếch đại quang EDFA …………………………….26 1.7. Các phương trình tính toán cho EDFA…………………………… 31 1.8. Kết quả nghiên cứu thiết kế nguồn bơm cho EDFA……………… 36 1.9. Kết quả nghiên cứu công nghệ chế tạo EDFA trong khuôn khổ đề tài…………………………………………………….51 1.10. Kết quả thử nghiệm thiết bị EDFA trên mạng thông tin quang thực tế……………………………………………………… 68 1.11. Tài liệu tham khảo chương 1………………………………………. 73 Chương 2. Kết quả nghiên cứu chế tạo khuếch đại quang bán dẫn 77 2.1. Tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu cho công nghệ chế tạo khuếch đại quang bán dẫn (SOA) 77 2.2. Tóm tắt cơ sở lý thuyết cho khuếch đại quang trong bán dẫn 78 2.3. Nguyên lý thiết kế linh kiện khuếch đại quang bán dẫn SOA 86 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 2.4. Kết quả thiết kế và chế tạo phần điện tử cho SOA 92 2.5. Kết quả thiết kế và chế tạo phần mềm điều khiển cho SOA 97 2.6. Kết quả thử nghiệm SOA trong điều kiện Phòng Thí Nghiệm 99 2.7. Kết quả chế tạo và đo đạc các thông số cơ bản của SOA 106 2.8. Tài liệu tham khảo chương 2 114 Chương 3. Các kết quả nghiên cứu về các bộ phát và thu tín hiệu quang tốc độ STM1-STM16 115 3.1. Sơ lược cơ sở vật lý của bộ phát tín hiệu quang trong mạng viễn thông quang sợi 115 3.2. Thiết kế các bộ phát tín hiệu quang tốc độ từ 155Mb/s đến 2,5 Gb/s 126 3.3. Sơ lược cơ sở vật lý của bộ thu tín hiệu quang trong mạng viễn thông quang sợi 138 3.4. Thiết kế bộ thu tín hiệu thông tin quang tốc độ STM 1 – STM4) bằng chương trình chuyên dụng 148 Chương 4. Các kết quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập toàn quang NxE1 156 4.1. Thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập mạng quang 4xE1 156 4.2. Thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập mạng quang 16xE1 167 4.3. Các kết quả nghiên cứu thiết kế và xây dựng tuyến thông tin quang t ốc độ STM1 (155Mb/s) có sử dụng truy nhập tòan quang 177 4.4. Tài liệu tham khảo chương 4 177 Chương 5. Kết quả đạt được của đề tài 178 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 5.1. Các sản phẩm dạng 1 của đề tài 178 5.2. Sản phẩm dạng II trong đề tài 183 5.3. Các sản phẩm dạng III (công bố KHCN và đào tạo) của đề tài 184 VI. Kết luận và kiến nghị 6.1. Kết luận 185 6.2. Kiến nghị 186 Lời cảm ơn 187 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại ESA Excited State Absorption Hấp thụ ở trạng thái kích thích WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng DWDM Dense Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước Multiplexing sóng mật độ cao ED Electric dipole Lưỡng cực điện MD Magnetic dipole Lưỡng cực từ FWHM Full Width At Half Maximum Độ bán rộng tại nửa cực đại EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi pha tạp Er EYDFA Erbium Ytterbium Doped Fiber Bộ khuếch đại bộ pha tạp Er- Yb Amplifier IO Integrated Optics Quang tổ hợp MCVD Modified Chemical Vapor Lắng đọng pha hơi hóa Deposition học cải biến RE Rare Earth Đất hiếm SiO 2 Silica Thủy tinh SiO 2 SiO 2 -Al 2 O 3 Silica-Alumina Thủy tinh SiO 2 -Al 2 O 3 DFB laser Distributed Feedback Laser Laser phản hồi phân bố DBR laser Distributed Bragg Reflector Laser Laser phản xạ Bragg phân bố SOA Semiconducter optical Amplifier Khuếch đại quang bán dẫn Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Chức năng và điện áp hoạt động của các chân kết nối giữa module EDFA và mạch chủ của hệ thống thông tin quang 49 Bảng 1.2. Công suất tín hiệu ra P ra và hệ số khuếch đại G của sợi pha tạp C1400 khi thay đổi công suất bơm (bơm đồng hướng) 55 Bảng 1.3. Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại khi thay đổi công suất bơm cho sợi ISOGAIN I-6 tại bước sóng 1552 nm 57 Bảng 1.4. Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi ISOGAIN I-6 tại bước sóng 1533,5 nm và 1557,5 nm 58 Bảng 1.5. Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi HCO-4000 chiều dài 3,6 mét khi thay đổi công suất bơm 59 Bảng 1.6. Kết quả thí nghiệm thay đổi công suất tín hiệu vào trên các sợi C1400 60 Bảng 1.7. Hệ số khuếch đại G của EDFA sử dụng sợi ISOGAIN I-6 khi thay đổi công suất tín hiệu vào P vào 61 Bảng 1.8. Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi HCO-4000 chiều dài 3,6 mét khi thay đổi công suất tín hiệu vào 62 Bảng 1.9. Công suất tín hiệu ASE phụ thuộc vào công suất bơm của sợi C1400 chiều dài 6 mét 63 Bảng 1.10. Công suất ASE của sợi ISOGAIN I-6, chiều dài 12 mét 64 Bảng 1.11. Hệ số tạp âm của các EDFA sử dụng sợi pha tạp C1400 có chiều dài L khác nhau khi thay đổi công suất bơm 66 Bảng 1.12. Các thông số chính của thiết bị EDFA đã chế tạo 70 Bảng 3.1. Danh mục các linh kiện cho bộ phát STM16 138 Bảng 3.2. Danh mục các linh kiện điện tử cho khối thu và phát của modul STM1,4 155 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 Bảng 4.1. Các thông số của bộ truy nhập toàn quang 4 x E1 165 Bảng 4.2. Các thông số của bộ truy nhập toàn quang 16 x E1 175 Bảng 5.1. Phần Quang tử của EDFA 178 Bảng 5.2. Phần Điện tử của EDFA 179 Bảng 5.3. Phần Quang tử của SOA 179 Bảng 5.4. Phần Điện tử của SOA 180 Bảng 5.5 Các thông số chính của bộ phát tín hiệu quang STM1,4 181 Bảng 5.6. Các thông số chính của bộ thu tín hiệu quang STM1,4 181 Bảng 5.7. Các thông số chính của thiết bị NxE1: 182 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Các mức Stark của ion Er 3+ pha tạp trong thủy tinh 7 Hình 1.2. Các chuyển dời phát xạ huỳnh quang từ mức 4 I 13/2 về mức 4 I 15/2 8 Hình 1.3. Các chuyển dời hấp thụ (Absorption) từ mức 4 I 15/2 lên mức 4 I 13/2 9 Hình 1.4. Phổ tiết diện hấp thụ và phát xạ từ thực nghiệm (a) và từ lý thuyết mở rộng thuần nhất (b) 11 Hình 1.5. Mặt cắt ngang của sợi pha tạp Er 3+ 12 Hình 1.6. Cường độ hấp thụ và phát xạ theo bước sóng của sợi pha tạp Er 13 Hình 1.7. Cấu hình hệ EDFA bơm đồng hướng 14 Hình 1.8. Công suất bơm và công suất tín hiệu trong cấu hình bơm đồng hướng 14 Hình 1.9. Cấu hình hệ EDFA bơm ngược hướng 15 Hình 1.10. Công suất bơm và công suất tín hiệu trong cấu hình bơm ngược hướng 16 Hình 1.11. Cấu hình hệ EDFA bơm song công 16 Hình 1.12. Các chuyển dời chuyển đổi ngược 20 Hình 1.13. Phổ phát xạ của ion Er 3+ trong thủy tinh silica với các đồng pha tạp khác nhau 23 Hình 1.14. Tiết diện phát xạ của các loại thủy tinh khác nhau pha tạp Er 3+ 24 Hình 1.15. Sơ đồ chuyển dời giữa các mức năng lượng của ion Yb 3+ và Er 3+ 25 Hình 1.16. Phổ phát xạ của Er 3+ với bước sóng kích thích λ = 975nm 26 Hình 1.17. Sự thay đổi dạng phổ ASE phụ thuộc công suất quang bơm 27 Hình 1.18. Minh họa phương pháp tính hệ số tạp âm NF bằng thực nghiệm 30 Hình 1.19. Mô hình 3 mức năng lượng của hệ EDFA 32 Hình 1.20. Sơ đồ bên trong của module laser bán dẫn họ SDLO 2564 980nm 37 Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý của mạch ổn định nhiệt độ 38 Hình 1.22. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển dòng điện qua diode laser 40 Hình 1.23. Sơ đồ phần cứng của mạch điều khiển hệ EDFA 43 Hình 1.24. Sơ đồ hoạt động của chương trình hệ thống 45 Hình 1.25. Sơ đồ mạch điện của hệ điều khiển module EDFA 47 Hình 1.26. Sơ đồ mạch điện tử của bộ khuếch đại quang EDFA 48 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 Hình 1.27. Sơ đồ các linh kiện quang tử trong bộ khuếch đại EDFA 48 Hình 1.28. Kết quả theo dõi các thông số của EDFA trên màn hình vi tính 50 Hình 1.29. Máy phân tích quang phổ ADVANTEST Q8384 52 Hình 1.30. Sự thay đổi công suất quang theo dòng bơm của laser SDLO 53 Hình 1.31. Phổ tín hiệu lối ra của EDFA sợi C1400 dài 5 mét 54 Hình 1.32. Hệ số khuếch đại của sợi pha tạp C1400 chiều dài 6 mét, bơm đồng hướng tại hai bước sóng tín hiệu 1533,5 nm và 1557,5 nm 56 Hình 1.33. Phổ tín hiệu lối ra của EDFA sử dụng sợi HCO-4000, chiều dài 3,6 mét 59 Hình 1.34. Phổ ASE của sợi C1400, chiều dài 6 mét, bơm đồng hướng với công suất bơm khác nhau 63 Hình 1.35. Phổ tín hiệu lối ra của sợi HCO-4000, chiều dài 3,6 mét khi có và không có tín hiệu vào 65 Hình 1.36. Hệ số tạp âm của các EDFA sử dụng sợi pha tạp C1400 với chiều dài 5 mét, 6 mét, 8 mét và 10 mét 67 Hình 1.37. Sự phụ thuộc của công suất tín hiệu ra và hệ số tạp âm vào công suất bơm cho sợi pha tạp HCO-4000 chiều dài 3,6 mét 68 Hình 1.38. Thiết bị EDFA chế tạo đã lắp ráp trên tuyến thông tin quang 69 Hình 1.39. Thiết bị EDFA đang hoạt động trên tuyến tốc độ 2,5 Gb/s 72 Hình 1.40. Kết quả theo dõi tỷ số lỗi bit trong tuyến thông tin quang có sử dụng EDFA 72 Hình 2.1. Sơ đồ vùng năng lượng trong chất bán dẫn có pha tạp suy biến 81 Hình 2.2. Sơ đồ chuyển tiếp p-n khi không có thiên áp (a) và khi có thiên áp (b) 84 Hình 2.3. Sơ đồ chuyển tiếp p-n có cấu trúc dị thể ở trạng thái cân bằng nhiệt không có thiên áp (trên) và khi có thiên áp thuận (dưới) 84 Hình 2.4. Sơ đồ mạch điện của modul SOA 93 Hình 2.5a,b. a) Sơ đồ bố trí linh kiện dùng cho lắp ráp b) Sơ đồ mạch in mặt trên của card điện tử 94 Hình 2.6a,b. a) Sơ đồ mạch in mặt dưới của card điện tử b) Sơ đồ lỗ chân linh [...]... Gb/s Khi mạng TTQ đường trục đã sử dụng các công nghệ hiện đại vào bậc nhất trên thế giới, vấn đề nghiên cứu làm chủ các cơ chế vận hành của mạng, bảo trì và sửa chữa các thiết bị sử dụng trong mạng và từng bước tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo các thiết bị và linh kiện thông tin quang phục vụ cho các mạng nhánh sẽ mở rộng trong thời gian tới đã trở nên rất cấp thiết Đề tài với mục tiêu nghiên cứu công... nghệ chế tạo một số linh kiện và thiết bị cơ bản cho các tuyến thông tin quang SDH-STM1 với tốc độ 155Mb/s, trong đó thiết bị truy nhập toàn quang cấp luồng NxE 1và khuếch đại quang là các thiết bị dự kiến có nhu cầu sử dụng cao trong quá trình phát triển và mở rộng mạng TTQ nhánh Trong tình hình công nghệ chế tạo thiết bị TTQ ở trong nước chưa được phát triển, các mục tiêu nghiên cứu công nghệ chế tạo. .. hợp với Cục Kỹ thuật, Bộ Tư lệnh Thông tin khảo sát và đưa tuyến thông tin quang thử nghiệm SDH-STM1(tốc độ 155 Mb/s) vào hoạt động + Trung tâm Quang điện tử, Viện Ứng dụng công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ chịu trách nhiệm nghiên cứu công nghệ chế tạo mô-đun thu phát tín hiệu quang tốc độ 155-622 Mb/s sử dụng trong các thiết bị truy nhập toàn quang, bước đầu tìm hiểu thiết kế các mô-đun thu phát tín... cho các đơn vị tham gia đề tài Các cơ chế vật lý và công nghệ của các thiết bị, linh kiện quang-điện tử và quang tử và các nghiên cứu chi tiết về công nghệ chế tạo thiết bị và linh kiện đã đăng ký và đạt được sẽ trình bày ở các phần chuyên đề sản phẩm của đề tài 2 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 CHƯƠNG 1 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM... nghệ chế tạo thiết bị của đề tài KC.01-06/06-10 có khả năng mang lại hiệu quả tốt, đặc biệt có ý nghĩa quan trọng cho các mạng thông tin quang phục vụ an ninh quốc phòng là các mạng thông tin yêu cầu có độ bảo mật cao Đề tài có 4 mục tiêu cụ thể nhằm nghiên cứu công nghệ chế tạo một số linh kiện, thiết bị thu phát tín hiệu quang, truy nhập mạng quang và khuếch đại quang sử dụng trong tuyến thông tin quang... thuật, Bộ Tư lệnh Thông tin Liên lạc, Bộ Quốc phòng chịu trách nhiệm nghiên cứu công nghệ chế tạo thiết bị truy nhập quang 4xE1 và 8xE1 sử dụng trong mạng toàn quang + Cục Kỹ thuật, BTLTTLL xây dựng tuyến thông tin quang thử nghiệm SDHSTM1 độ dài đến 70 km, Viện KHVL kết hợp khảo sát và đưa tuyến thông tin quang thử nghiệm vào hoạt động Báo cáo tổng kết này sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu chính đã đạt... đã phân công cụ thể các nội dung nghiên cứu công nghệ cho các cơ quan tham gia đề tài, cụ thể như sau: + Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam chịu trách nhiệm nghiên cứu công nghệ chế tạo thiết bị khuếch đại quang, bao gồm cả khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) và khuếch đại quang bán dẫn (SOA), đáp ứng được các yêu cầu sử dụng trên tuyến thông tin quang hiện tại với tốc... và tiết diện phát xạ thực nghiệm của thủy tinh aluminosilicate pha tạp Er3+, dựa vào lý thuyết mở rộng đồng nhất và không đồng nhất Desurvire đã tính được độ mở rộng của các đỉnh phổ với mạng nền này là ∆λH ~ ∆λI ~ 11.5 nm Các mở rộng này tương ứng với khoảng cách năng lượng xấp xỉ 50 cm-1, như vậy mở rộng thuần nhất ∆λH và mở rộng không thuần nhất ∆λI đều cùng cỡ với năng lượng do tách mức Stark Ở. .. KC.01-06/06-10 mở rộng bởi hai quá trình, đó là mở rộng thuần nhất (homogenous broadening) và mở rộng không thuần nhất (inhomogenous broadening) Hình 1.3 Các chuyển dời hấp thụ (Absorption) từ mức 4I15/2 lên mức 4I13/2 I.2.3 Hiệu ứng mở rộng các mức năng lượng thuần nhất Trong hiệu ứng mở rông các mức năng lượng thuần nhất (gọi tắt là quá trình mở rộng thuần nhất), các mức Stark được phân bố theo nhiệt độ, ở trạng... tụ đám (clustering) và gây ra hiệu ứng dập tắt phát xạ (quenching) làm giảm hệ số khuếch đại của môi trường khuếch đại + Xu hướng tìm kiếm các công nghệ làm tăng nồng độ Er pha tạp trong thuỷ tinh SiO2 nhưng không có tụ đám đã được nghiên cứu từ những năm 90 của thế kỷ trước, và hiện nay vẫn đang tiếp tục tiến hành Nghiên cứu công nghệ chế tạo khuếch đại quang sử dụng trong mạng thông tin quang nói . KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUY N DẪN QUANG, THIẾT BỊ TRUY NHẬP BĂNG THÔNG RỘNG VÀ ỨNG DỤNG VÀO MẠNG VIỄN THÔNG THẾ HỆ MỚI (NGN) Ở VIỆT NAM Mã số: KC.01-06/06-10. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUY N DẪN QUANG, THIẾT BỊ TRUY NHẬP BĂNG THÔNG RỘNG VÀ ỨNG DỤNG VÀO MẠNG VIỄN THÔNG THẾ HỆ MỚI (NGN) Ở VIỆT NAM Mã số: KC.01-06/06-10. thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập toàn quang NxE1 156 4.1. Thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập mạng quang 4xE1 156 4.2. Thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập mạng quang 16xE1 167