Trang 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Trang 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Trang 3 cÌc chứ viết t¾t ASE Amplified Spontanous Emission Bực xỈ tỳ phÌt cọ khuếch ẼỈi APD Avalanche Photodiod
Bộ giáo dục đào tạo Trờng Đại học Bách Khoa Hµ Néi - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYN DN QUANG WDM NGUYN NGC SAO Luận Văn Th¹c SÜ Khoa Häc CHUN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG Hµ Néi - 2005 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205090961000000 Bộ giáo dục đào tạo Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM NGUYỄN NGC SAO Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học CHUYấN NGNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS – TS XUN TH Hà Nội - 2005 chữ viÕt t¾t ASE APD BA BER EDF EDFA Amplified Spontanous Emission Avalanche Photodiode Booster Amplifier Bit Error Rate Ebrium Doped Fiber Ebrium Doped Fiber Amplifier ESA GSA GVD HMF LA LD LED NA NF OAR OFA PA PDFA Excited State Absorption Ground State Absorption Group Velocity Dispersion Heavy Metal Fluoride Line Amplifier Laser Diode Light Emiting Diode Numerical Aperture Noise Figure Optical Amplifier Receiver Optical Fiber Amplifier Pre-Amplifier Paraseody Doped Fiber Amplifier SNR SRS SBS SPM TDFA Signal Noise Ratio Stimulated Raman Scattering Stimulated Brillouin Scattering Self Phase Modulation Thulium Doped Fiber Amplifier XPM Cross Phase Modulation Bøc x¹ tù phát có khuếch đại Đi ốt tách sóng thác Khuếch đại công suất Tỉ số lỗi bít Sợi pha tạp Ebrium Khuếch đại quang sợi pha tạp Ebrium Hấp thụ trạng kích thích Hấp thụ trạng thái Tán sắc vận tốc nhóm Florua kim loại nặng Khuếch đại đờng truyền Đi ốt laze Đi ốt phát quang Khẩu độ số Hình ảnh nhiễu Bộ thu khuếch đại quang Bộ khuếch đại quang sợi Tiền khuếch đại Khuếch đại quang sợi pha tạp Ebrium Tỉ số tín hiệu tạp âm Tán xạ Raman kích thích Tán xạ Brillouin kích thích Tự điều chế pha Khuếch đại quang sợi pha tạp Thulium Điều chế pha chéo WDM Wavelength Division Mutiplexing Ghép kênh theo bớc sóng Lời mở đầu Sự phát triển bùng nổ công nghệ thông tin truyền thông đà đem lại cho ngời nhiều lỵi Ých thiÕt thùc cc sèng Nã thu hĐp khoảng cách ngời giới, làm cho ngời xích lại gần Cùng với ngành khoa học khác, công nghệ viễn thông đà có tiến vợt bậc kể từ phát minh hệ thống điện tín điện thoại, hệ thống viễn thông đợc xem thiết yếu xà hội phát triển đồng thời tạo tiền đề phát triển ngành công nghiệp khác Vì phơng tiện cần thiết cho viễn thông ngày trở nên phức tạp có khuynh hớng kỹ thuật cao nhằm đáp ứng nhu cầu tăng nhanh dịch vụ có chất lợng cao dịch vụ viễn thông tiên tiến Trong phải kể đến đóng góp mà thông tin quang đà đem lại cho loài ngời Sự đời công nghệ thông tin quang đà phát triển lên bớc công nghệ viễn thông tạo đà cho phát triển ngành kinh tế khác Trong thời gian gần hệ thống thông tin quang đà chiếm lĩnh hầu hết tuyến truyền dẫn trọng yếu mạng lới viễn thông toàn cầu đợc coi phơng thức truyền dẫn có hiệu tuyến vợt biển xuyên lục địa Trong thời gian tới, để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn bùng nổ thông tin xà hội, mạng truyền dẫn phải có phát triển mạnh qui mô trình độ công nghệ nhằm tạo cấu trúc mạng gồm hệ thống truyền dẫn quang đại Các hệ thống thông tin quang đòi hỏi phải có tốc độ cao, công nghệ tiên tiến Đây nhu cầu cần thiết cho mạng lới nớc ta giai đoạn phát triển Để triển khai lắp đặt hệ thống thông tin quang có hiệu quả, bảo đảm chất lợng truyền dẫn thời gian khai thác dài, công việc thiết kế tuyến quan trọng Khi xây dựng tuyến truyền dẫn tốc độ cao, cự ly xa trờng hợp thiết kế tuyến sử dụng công nghệ WDM hay tuyến thông tin quang đại tuyến thờng hay sử dụng khuếch đại quang, đặc biệt EDFA Raman Với kiến thức đợc học giúp đỡ tận tình thầy giáo PGSTS Đỗ Xuân Thụ, xin trình bầy số hiểu biết khuếch đại quang sợi, nghiên cứu ảnh hởng công suất sóng liên tục CW đến tỉ số SNR khuếch đại Raman chơng trình mô Luận văn đợc đợc chia làm chơng: Chơng I: Tổng quan khuếch đại quang sợi Chơng II: Nghiên cứu ảnh hởng công suất sóng liên tục CW đến tỉ số SNR khuếch đại Raman Chơng III: Chơng trình mô Do trình độ thời gian có hạn nên luận văn chắn nhiều thiếu sót Vì vậy, mong nhận đợc thông cảm, góp ý từ thầy cô bạn Ngoài ra, để hoàn thành luận văn đà nhận đợc đợc giúp đỡ nhiều từ thầy, cô giáo đồng nghiệp Đặc biệt GS-TS Trần Đức Hân Tôi xin chân thành cám ơn giúp đỡ quý báu đó./ Chơng I Tổng quan Khuếch đại quang sợi 1.1.Khuếch đại quang sợi EDFA 1.1.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động: a/Cấu trúc khuếch đại quang sợi EDFA Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc EDFA Trên cấu trúc khuếch đại quang sợi EDFA Bơm Laser hoạt động hai bớc sóng 980 nm 1480 nm hiệu suất bơm hiệu C¸c bé c¸ch ly quang (Isolator) cã nhiƯm vơ chèng phản xạ tín hiệu, cho phép truyền dẫn quang ®¬n híng WDM coupler dïng ®Ĩ ghÐp tÝn hiƯu bíc sóng bơm tín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium Các thành phần cấu tạo nên EDFA gồm có sợi đợc pha tạp Erbium EDF (Erbium Dopped Fiber) thờng có độ dài khoảng 10 m; laser bơm LD; ghép bớc sóng quang (coupler) WDM cách ly quang (Isolator) Từ thành phần cấu trúc thiết bị nh ngời ta đà tạo nhiều loại EDFA với công nghệ thể thức khác Để thu đợc khuếch đại phải cung cấp lợng quang cho sợi pha tạp Erbium Nguồn lợng để cung cấp lợng cho khuếch đại quang đợc gọi lợng bơm Công suất quang từ nguồn bơm thờng có bớc sóng 980 nm 1480 nm, công suất bơm từ 10 mW đến 100 mW Các diode laser LD dùng làm nguồn bơm đợc cấu tạo phù hợp với cấu hình bớc sóng bơm Khi mà hệ thống đợc bơm bớc sóng 980 nm loại LD bơm thờng loại có vùng tích cực với cấu trúc giếng lợng tử InGaAs Vùng InGaAs lớp mỏng đợc đặt xen vào lớp vỏ có tham số tinh thể khác Nếu hệ thống đợc bơm bớc sóng 1480 nm LD bơm thuộc loại laser Fabry-Perot dị thể chôn có cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/ InP Bé ghÐp bíc sãng WDM sÏ thùc hiƯn ghép ánh sáng tín hiệu sáng bơm vào sợi pha tạp Erbium số trờng hợp lại tách tín hiệu Các cách ly quang có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống chẳng hạn nh phản xạ Rayleigh từ nối quang hay phản xạ ngợc lại từ khuếch đại Việc giảm phản xạ phải đạt tới mức chấp nhận đợc Vì cách ly quang làm tăng đặc tính khuếch đại giảm nhiễu Sợi pha tạp Erbium EDF thành phần quan trọng EDFA loại sợi gọi sợi tích cực Các ion Erbium đợc nằm vùng trung tâm lõi EDF, vùng đợc pha tạp với nồng độ từ 100-2000 ppm Erbium Các sợi EDF thờng có lõi nhỏ độ số NA cao so với sợi đơn mode tiêu chuẩn Đờng kính vùng tâm lõi EDF vào khoảng àm nơi cờng độ ánh sáng bơm tín hiệu cao Lớp vỏ thuỷ tinh với số chiết suất thấp đợc bao quanh vùng lõi để hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng cho lực khoẻ để bảo vệ sợi EDF khỏi bị tác động từ bên Đờng kính lớp vỏ khoảng 125 àm Ngoài vỏ bọc thêm để bảo vệ sợi có chức ngăn cản tác động từ bên sợi đờng kính tổng cộng vào khoảng 250 àm Chỉ số chiết suất vỏ bọc cao lớp vỏ phản xạ nhằm để loại bỏ ánh sáng không mong muốn (các mode bậc cao hơn) lan truyền bên vỏ phản xạ Ngoài khác biệt có pha tạp Erbium vïng lâi, cÊu tróc cđa EDF gièng víi cÊu tróc sợi đơn mode tiêu chuẩn tán sắc dịch chuyển tơng ứng với khuyến nghị G.652 G.653 ITU-T Do lõi sợi nhỏ độ mở số NA cao sợi tiêu chuẩn, việc hàn nối trình lắp ráp module khuếch đại quang sợi thực tế vấn đề quan trọng [77] Cấu trúc sợi pha tạp Erbium có NA cao cho ta tạo đợc EDFA đặc tính khuếch đại hiệu cao Tuy nhiên, cấu trúc EDF nh giảm đờng kính trờng mode dẫn tới tăng suy hao hàn nối sợi tích cực sợi truyền dẫn thụ động Để khắc phục điều này, đầu sợi đợc áp dụng kỹ thuật vuốt thon để có đờng kính trờng mode tăng cục biện pháp này, phân bố số chiết suất đoạn vuốt thon sợi thay đổi dần dọc theo trục sợi, kích cỡ mode truyền dẫn thay đổi Đây biện pháp đầy sức thuyết phục để làm giảm suy hao ghép nối không trïng khíp vỊ trêng mode g©y Trong thùc tÕ, phơng pháp để thực kỹ thuật khuếch tán vật liệu pha tạp sợi thông qua trình xử lý nhiệt TEC (Thermally Expanded Core) vuốt thon đờng kính sợi theo tỷ lệ lõi vỏ phản xạ số Lõi pha tạp 1000 ữ 2000 ppm Erbium có đờng kính 3ữ6 àm Vùng có mật độ cao Er ã Vỏ Silica có đờng kính 125 àm Vỏ có đờng kính 250 àm Hình 1.2 Cấu trúc hình học lõi pha tạp Erbium Hình 1.2 mô tả cấu hình sợi TEC, đờng kính lõi tăng dần đờng kính trờng mode ánh sáng đợc truyền đợc mở rộng Biện pháp cho tần số chuẩn hoá không thay đổi dọc theo sợi đờng kính sợi TEC không đổi so với phơng pháp vuốt thon Trong sợi TEC, thay đổi suy hao không đáng kể tỷ lệ mở rộng lõi với độ dài vuốt thon 2mm Khi tỷ lệ mở 3, độ dài vuốt thon lớn mm đạt đợc suy hao dB 2L Đầu vào 2a max 2a o Đầu Hình 1.3 Sơ đồ sợi TEC đ-ợc vuốt Gaussian Các cấu trúc khác thành phần khác nh nguồn laser bơm, thiết bị WDM, ghép quang, cách ly đợc dùng EDFA đợc mô tả chi tiết nhiều tài liệu sách b/Nguyên lý hoạt động Khuyếch đại quang sợi chủ yếu dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt EDFA ( Erbium Doped Fiber Amplifier) Trong sợi EDF, nguyên tử Erbium hoá trị ba Er3+ phần tử tích cực khuếch đại quang có chức khuếch đại ánh sáng Năng lợng chuyển tiếp quang có liên quan tới ion Erbium hoá trị ba Những ký hiệu phía bên phải hình số lợng tử dùng chung gán cho chuyển tiếp Các số có dạng 2S+1L j , s số lợng tử quay, L động lợng góc quỹ đạo, j động lợng góc tổng (L+S) L giá trị 1, 2, 3, 4, 5, 6, , đợc ký hiệu chữ S, P, D, F, G, H, I Biểu đồ LSI đợc dùng dới dạng chữ nghĩa để mức lợng ion, số đờng Stark-Split (2j+1)/2 cho mức Nguyên lý khuếch đại đợc thực nhờ chế xạ nh sau: Hình 1.4 Giản đồ lợng Erbium 543 Không xạ 810 980 1480 1550 S3/2 F 9/2 I 9/2 I11/2 Siªu bỊn I 13/2 N2 Tự phát 660 H11/2 Khuếch đại 1500-1600 Vùng bơm (nm) Giản đồ lợng 520 I 15/2 N1 Trạng thái Hình 1.4 Giản đồ lợng Erbium Đối với mức lợng nh đà mô tả trên, hoạt động khuếch đại quang EDFA đợc mô tả nh sau Quá trình xạ xảy EDFA nhìn chung đợc phân cấp thành xạ kích thích xạ tự phát Khi ion Erbium Er3+ đợc kích thích từ trạng thái thông qua hấp thụ ánh sáng bơm, phân rà không phát xạ mức lợng cao tiến tới trạng thái siêu bền (trạng thái 4I13/2) Tín hiệu quang tới đầu vào sợi EDF tơng tác với ion Erbium đà đợc kích thích đợc phân bố dọc theo lõi sợi Quá trình xạ kích thích tạo photon phụ có cïng pha vµ híng quang nh lµ tÝn hiƯu tíi, 10 mà ta thu đợc cờng độ ánh sáng tín hiệu đầu EDF lớn đầu vào Nh vậy, đà đạt đợc trình khuếch đại EDFA Các ion đà đợc kích thích mà không tơng tác với ánh sáng tới phân rà tự phát tới trạng thái với số thời gian xấp sỉ 10 ms Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emision) có pha hớng ngẫu nhiên Thông thờng có 1% SE đợc giữ lại mode sợi quang, trở thành nguồn tạp âm Tạp âm đợc khuếch đại tạo xạ tự phát đợc khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emision) trạng thái nền, có hấp thụ photon bơm hoạt động trở lại, trình tự lặp lại ASE làm suy giảm tỷ số tín hiệu tạp âm tín hiệu qua khuếch đại quang 1.1.2.Phổ khuếch đại EDFA Phổ khuếch đại EDFA tham số quan trọng băng tần khuếch đại tham số trọng yếu để xác định băng truyền dẫn Đặc tính đà đợc nghiên cứu với sợi EDF khác theo góc độ mở rộng băng tần EDFA.Trong kết thí nghiệm thu đợc cách pha tạp Al (hoặc) P lõi sợi thuỷ tinh pha Er 3+ sÏ cã t¸c dơng më réng phổ khuếch đại Gần ngời ta tìm thấy pha tạp Al thu đợc mức khuếch đại cao mặt phẳng trải vùng bớc sóng 1540 nm đến 1560 nm Bằng cách thay ®ỉi vËt liƯu chđ sỵi thủ tinh silica sang thủ tinh Fluoride gèc ZnF4 vµ thđy tinh Fluorophosphate cịng hứa hẹn mở rộng làm phẳng đợc băng tần khuếch đại Đặc biệt sợi EDF gốc Fluoride cho đợc vùng khuếch đại phẳng dải bớc sóng từ 1530 nm đến 1560 nm Hình 1.5 đà thể phổ khuếch đại tiêu biểu sợi thủy tinh pha tạp Ge/Er pha tạp Al/P/Er Phổ sợi pha tạp Ge/Er có mặt cắt gồm hai đỉnh 1536 nm 1552 nm Trong phổ khuếch đại sợi pha Al/P/Er có vùng khuếch đại rộng nằm khoảng 1545 nm đến 1560 nm có đỉnh khuếch đại nhô lên vùng xung quanh 1530nm Ngoài ra, phổ khuếch đại EDFA đợc dịch tới vùng bớc sóng dài sử dụng độ dài EDF tơng đối dài Khi tăng độ dài EDF, phổ khuếch đại thu đợc khoảng bớc sóng từ 1570 nm đến 1620 nm Tại vùng bớc sóng cao 1620 nm, khuếch đại tín hiệu giảm trình ASE (dịch chuyển từ I9/2 tới I13/2) giới hạn phổ khuếch đại đợc định ASE