khuếch đại quang edfa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KHOA TIN HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRƯỜNG CĐ CNTT hữu nghị Việt Hàn Học phần: Thông tin quang - Mã số: CUD080 - Số Tín chỉ: 3 ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT Đề tài: Khuếch đại quang EDFA. 1. Thông tin sinh viên: Tên sinh viên: Nguyễn Tri Giảng Ngành: Tin học viễn thông Điện thoại: 01213507127 E-mail: nguyentrigiang1991@gmail.com 2. Lý do chọn đề tài: Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự li xa, không bị ảnh hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao… phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục, trung kế và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Gần đây đã thực hiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào. Kỹ thuật mới này cho phép khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như: hạn chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp… làm cho kỹ thuật truyền dẫn trên cáp sợi quang càng tỏ rõ tính ưu việt của nó. Đứng trước vấn đề này em đã chọn đề tài: “Khuếch đại quang EDFA” 3. Ý nghĩa thực tiễn: Thời gian gần đây cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực, người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại quang trực tiếp gọi là kỹ thuật khuếch đại quang. Điều đó có nghĩa là không phải thực hiện quá trình biến đổi quang - điện - quang phức tạp. Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được các hạn chế của lặp về băng tần, nhiễu điện, mức xuyên âm, phổ khuếch đại vv Việc sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sẽ làm tăng cự ly truyền dẫn của các hệ thống thông tin sợi quang, đặc biệt là các tuyến cáp quang biển, từ đó sẽ phát triển một hệ thống thông tin quang toàn cầu. Để khuếch đại quang, người ta đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều loại bộ khuếch đại quang khác nhau: bộ khuếch đại quang pha tạp đất hiếm, loại laser bán dẫn, loại khuếch đại Raman sợi, loại TWA vv Trong thiết kế việc lựa chọn tùy theo đặc tính của từng loại. Đồ án này sẽ đề cập sơ bộ đến các loại bộ khuếch đại quang, đặc biệt giới thiệu kỹ bộ khuếch đại quang EDFA cùng các đặc tính cũng như ưu điểm của nó, việc sử dụng EDFA trong hệ thống thông tin sợi quang hiện nay. Đây là bộ khuếch đại được dùng trong phần thiết kế đồ của đồ án, nó cũng được dùng nhiều nhất trong các tuyến thông tin quang hiện nay. 4. Đề cương chi tiết: I. Tổng quan về các bộ khuếch đại quang sợi. II. Nguyên lý khuếch đại quang. 1. Phát xạ a. Hiện tượng phát xạ kích thích. b. Hiện tượng hấp thụ. c. Hiện tượng phát xạ tự phát xạ. 2. Bức xạ III. Nguyên lý hoạt động của EDFA. 1. Sợ quang pha trộn EDFA. 2. Sơ đồ nguyên lý. 3. Cấu trúc cơ bản. 4. Nguyên lý hoạt động. IV. Các đặc tính của EDFA. 1. Dải khuếch đại. 2. Độ khuếch đại. 3. Sự bảo hòa. 4. Nhiễu trong EDFA. 5. Một vài hình ảnh về EDFA 5. Kế hoạch thực hiện: Tuần Công việc Kết quả đạt được Đánh giá 1 Sưu tầm tài liệu Đề cương sơ bộ 2 Tìm hiểu sơ bộ các loại bộ khuếch đại quang Hoàn thành phần I. Tổng quan về các bộ khuếch đại quang sợi. - Biết được các đặc điểm của các chủng loại khuếch đại quang 3 Trình bày nguyên Hoàn thành phần II. lý hoạt động của EDFA Nguyên lý khuếch đại quang và III. Nguyên lý hoạt động của EDFA. 4 Phân tích các đặc tính của EDFA Hoàn thành phần IV. Các đặc tính của EDFA. 5 Chỉnh sửa và hoàn thiện đồ án Đồ án hoàn chỉnh 6. Nội dung: I. Tổng quan về các bộ khuếch đại quang sợi. Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò quan trọng trong các mạng viễn thông quang học do chúng bù lại những suy hao tín hiệu trong quá trình lan truyền trên sợi quang cũng như suy hao do các bộ kết nối và mối hàn tại các nút mạng. Về cơ bản có hai loại khuếch đại quang sợi là khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm và khuếch đị quang sợi raman. Đối với khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm, vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm. Do đó, khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier) còn được gọi là khuếch đại sợi pha tạp DFA (Doped - Fiber Amplifier). Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các Laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại. Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi. Chúng gồm có các loại phổ biến như sau: YDFA (pha tạp Ytterbium), PDFA (pha tạp Praseodymium), TDFA (pha tạp Thulium) và EDFA(pha tạp Erbium). Mỗi loại bộ khuếch đại thích hợp với một vùng bước sóng hoạt động khác nhau và các giá trị cụ thể được cho trong bảng như sau: Bảng: Băng thông của các bộ khuếch đại sợi pha tạp đất hiếm và khuếch đại quang sợi raman. Các loại bộ khuếch đại Băng thông Tên băng thông YDFA 1060-1140 PDFA 1260-1340 TDFA 1460-1530 O EDFA 1530-1565 C Trong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA như đã trình bày ở trên và có vùng ánh sáng khuếch đại (1530 nm – 1565 nm) thích hợp với dải tần làm việc của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).  Ứng dụng của khuếch đại quang. Khuếch đại quang được ứng dụng trong các các hệ thống truyền dẫn quang như các bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc phục suy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền. Tùy theo vị trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại: 1. Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại. Yêu cầu của các bộ khuếch đại công suất là tạo ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độ lợi cực đại vì công suất tín hiệu ngõ vào lớn. 2. Khuếch đại đường dây (In-line Amplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng. Các bộ khuếch đại đường dây có thể được lắp đặt nối tiếp nhau trên đường truyền để gia tăng khoảng cách lắp đặt. Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ số SNR (Signal Noise Ratio - tỷ số tín hiệu trên tạp âm) ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền dẫn quang. Yêu cầu của bộ khuếch đại đường dây là độ ổn định trên toàn bộ dải thông của hệ thống WDM, giữ nhiễu ở mức cực tiểu và thực hiện việc trao đổi tốt tín hiệu quang với sợi quang truyền dẫn. 3. Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tín hiệu được đưa vào thiết bị. Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao. Do vậy, yêu cầu của một bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, độ lợi lớn và nhiễu thấp. Ngoài các ứng dụng chính làm các bộ khuếch đại trên đường truyền quang, các bộ khuếch đại quang SOA và OFA còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi bước sóng. Việc chuyến đổi bước sóng được thực hiện dựa trên hiện tượng bảo hòa độ lợi và hiện tượng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing) xảy ra trong các bộ khuếch đại quang. II. Nguyên lý khuếch đại quang: 1. Phát xạ: a. Hiện tượng phát xạ kích thích. Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E 2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hν 12 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (E g = E 2 – E 1 ). Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu. Từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp, coherent, của ánh sáng). Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện. Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (OSA) và khuếch đại quang sợi (OFA).Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser. b. Hiện tượng hấp thụ. Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi một photon có năng lượng hf 12 bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp. Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf 12 của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (E g = E 2 – E 1 ). Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao. Hay nói cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang. Quá trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại. c. Hiện tượng phát xạ tự phát xạ. Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E 2 xuống mức năng lượng thấp E 1 và phát ra một năng lượng E g = E 2 – E 1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E 2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử. Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong khuếch đại quang, phát xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại. 2. Bức xạ: a) b) Hình 3.1 a) Cơ chế bức xạ ba mức, b) bốn mức Phân rã Phân rã Phân rã E 2 E 3 E 1 E 1 E 4 E 3 E 2 λ bơm λ bơm Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E 1 được kích thích từ một nguồn bức xạ có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển tới mức cao hơn E 2 , từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ và phát ra photon. Hoặc nếu như có mức năng lượng thấp hơn E 3 nó sẽ thả không bức xạ tới mức đó, từ đây điện tử có thể phân rã xuống mức năng lượng E 1 (hình 3.1 a) hay E 4 (hình 3.1 b) thông qua quá trình bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích. Nếu thời gian sống của mức E 3 đủ dài để điện tử được nguồn bơm kích thích thì có thể xảy ra sự nghịch đảo độ tích lũy. Đây là điều kiện để có số điện tử trên mức siêu bền E 3 nhiều hơn mức tới (E 1 hay E 4 ). Một photon có mức năng lượng tương đương với sự chênh lệch giữa mức E 3 và E 1 (đối với 3 mức) hay giữa E 3 và E 4 (đối với 4 mức) thì nó sẽ kích thích các điện tử ở mức E 3 rơi xuống mức E 1 hay E 4 và phát thêm một photon, photon này cùng pha và hướng với photon tới (hiện tượng này gọi là bức xạ kích thích của các photon). Bức xạ làm xuất hiện thêm các photon cùng pha và cùng hướng với các photon tới, điều này có nghĩa là ánh sáng đã được khuếch đại. . quang EDFA. 1. Thông tin sinh viên: Tên sinh viên: Nguyễn Tri Giảng Ngành: Tin học viễn thông Điện thoại: 01213507127 E-mail: nguyentrigiang1991@gmail.com 2. Lý do chọn đề tài: Các hệ thống thông. chọn đề tài: “Khuếch đại quang EDFA” 3. Ý nghĩa thực tiễn: Thời gian gần đây cùng với sự phát tri n ngày càng nhanh của khoa học kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực, người ta đã thực hiện được quá. dẫn của các hệ thống thông tin sợi quang, đặc biệt là các tuyến cáp quang biển, từ đó sẽ phát tri n một hệ thống thông tin quang toàn cầu. Để khuếch đại quang, người ta đã nghiên cứu và đưa