Khảo sát các thông số đặc trưng của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm.docx

Khảo sát các thông số đặc trưng của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ (Erbium Doped Fiber Amplifiers - EDFAs)

TiếtNguồn thụ (pm ) hấp 0,2 diện I 150013/2 bơm H -2 1011/21540 Nguồn 600 bơm → quang E –ly O: NF(dB) 100 điện Bộ cách15 quang hấp thụ Er3+ thủy tinh khác nhau 0,3 1550 Hình 2.4: Tiết diệntử Erbium bị kích thích lên mức lượng cao -1 0,001 0,01Các nguyên thuộc 10 100 1000 -50 S F 3.7:0,1 phụ P 103/2 1560 HìnhSuy hao1α(dB/km) thơng số tạp âm theo: Sự 0,4 9/2 3+cách ly quang -0 1600 10Nồng độ ion BộBộ cách ly quang −1μs Er 1200 (mol%) -40 1580 tăng800 vào laser(λ=980 1480nm) P ích bơm Tínλ hiệu F9/2 0,5 NguồnTín hiệu vào yếu 1600 gian 1400 4kíchvệ 1650 xạ bảo(s) -30 Thời BứcVỏ I13/2 sống P Bơm mạnh cơng1000 bơm thích I suất 0,69/2 λ I9/2 Tínλ=1520 ÷vào nm 20 1600 -20 hiệu hiệu 0,1 25 TínNNvào 1620 1200 Tín hiệu Đầu đạihiệuλ(nm)yếu bơmBộ ghép quang Ngưỡng khuếchTínsóng o vàoσ suất n2 Đường kính 125μm NgưỡngĐầuBướcmạnh chiết khuếchphát o Φ Đầu đại - E phát OLớp I11/2 phát 15 p p -10 phát tử Erbium I11/2 0,01 SiO3-GeOCác nguyên (pm2)lýI khuếchmức quanglượng thấp xạ cưỡng yếu Hình 2.3: Nguyênn I đại Tiết -P2 diện Bơm sợi) Đầu1400Ohiệu khuếchsignal outđộ (a.u) 4thu hiệu xạ Bước Tín 2E Lớp khuếch đại đại out Đầu2λ(nm)TínOraΦ σ suất Cườngsóng λ(nm) Đầu thu chiết thu (chiều dàisóng I hiềuBước sợi) dài signal λ=980nm môi trường Tiết 0,001 Bộ ghép quang s đảo mật độ sợi quang pha tạp Er3+ 3+ 4 SiO 13/20 Bộ ghép quang +3 IHình 3.13:khuếch HìnhlyoOsthuộc cường độxạkính 3μmtrong cácdài sợi Ngưỡng 4ĐồBộ3-GeOphụquang diện bứcđộ suất Ertheo chiều thủysợi khác đại 2.5: Hình pha Khuếch hiệu tínsuất Hình N 3.16: Er đại cơng củaP cách phụ suất Đường Hình thị (b) ĐồAmp3.17: 5Khuếchcường đầu tíntuyếntheo Hình 3.11:2-Al1600sự23.15:tạpKhuếch đại trênhiệu (dBm) chiều dài tinh thị4sự -P2 thuộctín đại cơngvàohiệu 13/2 Lỡi Công 3+ 0,00015 λ=1480nm in với Al/Ge = 1:10 Г32 ASE1800 quang Công cách Dịng bơm Hình n hiệu hiệu khiBộhiệuSợi2.11: Cấu tạo sợi quang đơn mốt pha tạp Er+3 hiệuTín suất Tín(mW) ly quang yếu I15/2 silica sóngbơm ngun tử Er mức (b) cách Bước -AlBộBộ cách ly quang λ(nm) Г O quang SiO2 2Các 2-Ply 03-GeO 1500 dài sợi)Sợi8 quangλ(nm) đất Khuếch đại quang Bộ ghép Sợi21pha tạp quang ơm CPG Quá trình hấp thụ trạng thái kích thích ASE dải bơm 800nm mức siêu bền 4I mHình 2.9: 4I Bước sóng L (chiều 10 Cường độsiêu bền quang 1:33 Tín Tín ra 15/2 hiệu Al/Ge (a.u)hiệu(−10ms) 1520 với3 Đồ = 10 phụHình 3.1: Sơ bơm tín hiệu theo chiềulặp khuếch đại quang 13/2 Tán Hình 3.12: Cấu2cường độ xạ Hình 3.9: Sựu quang Hình 1.2:độ trongsong cơng silica dài sợi thuộc hình đồ khối khuếch đại CPG HìnhSiO -AlSợi15 quang pha tạp Sơ đồ hệ mức lượng (calcium metaphosphate) Al/P2.6: Sợi-Pdiện tắt doquangđất thủy tinh Silica 0thị O NF(dB)4 dập σ(10-21nồng Sợi Photon 800nm Tiếtquang hiệu tạp đất 4 2Vùng 5tín pha cm ) 3I 10-6 Bước 15/2 quang Rayleigh Ca/Ge/Al/P Silica sóng λ(nm) 3,0 Sợi20 tín Cấu hình Photon 800nm 2H9/2 Vùng Phổhiệu thụ bơm ngượchướng Hình Hình h đại G(dB) 0,7Hình 2.8:3.10: hấp điệnvà phát xạ ion Er3+ thủy tinh silica P Silica Hình 2.3:3.8:Cấu hình bơm đồng hướng phát xạ cưỡng 3+ HìnhHấpthu Nguyên lý khuếch đại quang Bộ ghép thụquang 1.3: Một(dB/m) 25 O 3,5 1300 -P quang khuếch đại EDFA bao gồm: sợi quang, sợi quang pha tạp Er , SiO2-GeO2 bước sóng 1400nm đến 1650nm Bộ m Pp(mW) 0,5 Silica vùng đảo 3+ 3+ môi thụ hi qua EDFA -Al 30trường 2.7:1mậtghép quang,sợi cáchgốc pha tạp Er Nguồn 0quang học, Phổ hấp sợi quang pha tạpquang đầu 4bơmbơm cực tím độ thụ thủy tinh Er Hấp Hình 4,0FHấpBộ khuếch đại điện SiO2 3-GeO2-P2O5 0,4 So thụ 1540Hình 2.12: 5/2 sánh phổ xạ ion Er3+ thủy tinh khác t bơm (mW) 3+ 4,5 quang hi quađồ tách mức=năng lượng ion Er3+ tương tác điện tử - điện tử tương tác điện tử - trường tinh thể EDFABộ35 1:10 Sợi 1: 156013 bộ0,3 4Al/Ge chuyển đổi quang Sơ với Hấp thụpha tạp Er Phát xạ F7/2 G(dB) Hình 3.14: Phổ tăng ích khơng đồng vùng bước sóng 1550nm 5,0 hồng SiO 0,2 1580 đại L(m) 2-Al203-GeO2-P2O5 i khuếch S3/2 20 với Al/Ge = 1:33 0,1 ngoại 10-5 10 -Al -4 SiO 20 0,0 2Hấp -P2O 10hiệu đầu4ra (dBm) 3thụ dẫn sóng ất tín 40 20 Hình 2.10: Sự suy hao tín hiệu sợi quang 10-3 3035 G(dB) -2 uất 10 hiệu đầu (dBm) 3.5: Sự thay đổi tăng ích tín Hình 40 Chương I: Giới thiệu chung khuếch đại quang .1 30 10-1 Khảo sát thông số đặc trng khuếch đại quang si pha tạp đất Er (Erbium Doped Fiber Amplifiers - EDFAs) g lượng Mục lục Phần mở đầu theo bước sóng 25 1.1 Vai trị ứng độ dài khuếch đại cơng suất tín hiệu lối 10-0 thay đổi hệ số khuếch đại, công suất bơm,dụng củakhuếch đại quang theo cơng suất tín hiệu đầu vào 20 1.1.1 Vai trò khuếch đại quang .1 20 15 15 10 1.1.2 Ứng dụng khuếch đại quang 1.2 Khuếch đại quang sợi pha tạp đất Er3+ (EDFA) .3 Bước sóng λ(nm) 1.3 Những vấn đề chọn để giải (a) Công suất ASE (mW) Các dịch chuyển hấp thụ Phần tổng quan theo nm) (tính Các dịch chuyển phát xạ Chương II: Sợi quang pha tạp đất Er3+ .5 (tính theo nm)tính chất ion đất Er3+ 2.1 Những Năng lượng (103cm-1) 2.1.1 Tính chất quang ion đất 2.1.2 Nguyên tố Erbium (Er) .6 2.1.3 Tiết diện hiệu dụng 2.1.4 Thời gian sống 10 2.2 Phổ hấp thụ phát xạ ion Er3+ .12 uất ASE (đồng hướng ngược hướng) theo vị trí sợi quang dài 14m bơm bước sóng 980nm với cơng suất 20mW 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 h đại G(dB) h đại G(dB) Hình 2.2: Sơ đồ mức lượng trạng thái dịch chuyển ion Er3+ 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 Vai trò ứng dụng khuếch đại quang 1.1 1.1.1 Vai trò khuếch đại quang Ánh sáng thu hút quan tâm từ thời kỳ sơ khai lịch sử loài 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 Thông 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 thông tin quang có ưu điểm vượt trội so với thơng 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 thông tin quang tín hiệu ánh sáng truyền sợi quang, bị suy hao (suy hao cơng suất ) Chính vậy, độ dài hệ thống thông 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 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 1.1.2 Ứng dụng khuếch đại quang Có ứng dụng khuếch đại quang hệ thống thơng tin quang là: • Khuếch đại cơng suất (booster) để tăng cơng 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 thông 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 Er3+ ( 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 khơng u cầu có phản hồi quang gương phản xạ buồng cộng hưởng laser (hình 1.4) 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 ngun tố đặc biệt ý chúng có khả khuếch đại quang vùng bước sóng 1550nm cửa sổ thông 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 Khuôn 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 thơng 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 cô giáo quý độc giả Phần tổng quan Chương II Sợi quang pha tạp đất Er3+ Những tính chất ion đất Er3+ 2.1 2.1.1 Tính chất quang ion đất Các nguyên tố đất chia làm nhóm, nhóm có 14 ngun 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 ngun tố có chung nhiều tính chất điện, có họ Lantan đề cập đến chúng có vai trị quan trọng khuếch đại laser, nguyên 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 (5s25p6) 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 nguyên tố đất trung hòa có cấu hình điện tử 4f N6s2 ‫־‬ 4f N 15d6s2, q 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 mơi 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 hồn tồn tính giải phương trình Schrodinger trường tinh thể 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 Er3+ làm việc vùng bước sóng 1500nm (là cửa sổ thứ thông 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 SiO2, ion Er3+ có mức lượng hình 2.2 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 vô 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 thơng 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 khơng đồng dẫn đến phổ khuếch đại tín hiệu vùng 1525nm đến 1565nm không 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 E1 E2 (E1>2 (=1000 hay 30dB) nên Chúng ta không nên nhầm lẫn với thông số bên EDFA không phụ thuộc vào công suất vào, hay độ dài sợi khuếch đại Cơng suất bão hịa thông số quan trọng EDFA Khi thiết kế khuếch đại quang, ta thường tính tốn mức khuếch đại bão hòa, để giảm thiểu lượng dư thừa sợi Vì lượng dư thừa tạo nên nhiễu khuếch đại xạ tự phát (Amplified Spontaneous Emission – ASE) 3.2.4 Phổ ASE Phổ khuếch đại xạ tự phát ASE có dạng gần giống với phổ hệ số khuếch đại nên cung cấp thơng tin có ích đặc tính EDFA Dạng phổ ASE phụ thuộc theo công suất bơm, đặc biệt vị trí bước sóng 1530nm Ban đầu cơng suất bơm thấp, nghịch đảo độ tích lũy cịn yếu đỉnh phổ ASE bước sóng 1530nm thấp xác suất hấp thụ xạ gần (theo phổ hấp thụ xạ ion Er3+) Khi tăng dịng bơm, nghịch đảo độ tích lũy ngày tăng lên đạt tới chế độ bão hịa đỉnh phổ ASE vị trí bước sóng 1530nm cao dần lên tới chế độ bão hòa đạt cực đại vị trí cao Điều chế dộ bão hòa, xác suất xạ bước sóng 1530nm lớn Hình 3.6 cho thấy thay đổi dạng phổ ASE theo cơng suất bơm Với ASE đồng hướng, ta thấy rõ dịch đỉnh phổ ASE vị trí bước sóng 1530nm với ASE ngược hướng lại khác Với ASE ngược hướng, cần cơng suất bơm nhỏ tạo nghịch đảo độ tích lũy tốt đầu sợi Chình đỉnh phổ ASE ngược hướng bước sóng 1530nm nhơ cao Phổ ASE yếu cường độ tín hiệu quang sợi mạnh lên Vì điểm cần lưu ý thiết kế khuếch đại EDFA cần thiết kế cho hoạt động chế độ gần bão hịa Khi có tín hiệu lối vào khuếch đại, lối ln có nhiễu ASE làm xấu chất lượng tín hiệu Với chế độ bơm thích hợp tín hiệu vào đủ lớn nhiễu ASE yếu Đó thơng số tối ưu cần quan tâm tính tốn khảo sát Với nguồn nhiễu mạch điện tử có nhiều cách để lọc bỏ nhiễu, nguồn nhiễu ASE ta biện pháp để lọc bỏ Đặc biệt tuyến có nhiều khuếch đại EDFA nhiễu ASE tích lũy dần tín hiệu không dùng 3.2.5 Thông số tạp âm EDFA thiết bị đặt đường truyền tín hiệu, nên u cầu khơng làm méo dạng tín hiệu phát sinh tạp âm lớn, hệ số khuếch đại khơng phụ thuộc nhiều vào bước sóng độ phân cực tín hiệu vào Trong thơng tin quang thành phần nhiễu chủ yếu khuếch đại quang, với khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+ thành phần nhiễu chủ yếu ASE thay đổi cường độ quang lối khuếch đại Thành phần ASE chất vật lý hệ thống, ổn định cường độ quang phát chất lượng laser bơm Tạp âm khuếch đại đánh giá qua thơng số hình ảnh nhiễu (Noise Figure – NF) theo biểu thức sau: Obj235 (3.34) Trong SNR tỷ số tín hiệu tạp âm (Signal Noise Ratio – SNR) SNR tính theo cơng suất điện hình thành tín hiệu quang chuyển thành dịng điện Nói chung NF phụ thuộc vào thông số thu quang Obj236 Nếu khuếch đại có tăng ích G với cơng suất đầu đầu vào cho công thức Ta có tỷ số tín hiệu tạp âm lối vào : Obj237 (3.35) Obj238 Với h số Planck (h = 6,625.10−34Js), ν tần số tín hiệu quang băng tần thu Để tính SNR lối khuếch đại ta cần tính thêm thành phần tạp âm phát xạ ngẫu nhiên Mật độ phổ tạp âm phát xạ ngẫu nhiên số (tạp âm trắng) tính theo cơng thức sau: Obj239 (3.36) Obj240 Trong gọi yếu tố khuếch đại ngẫu nhiên hay yếu tố đảo mật độ đươc cho bởi: Obj241 (3.37) Với N1 N2 mật độ nguyên tử trạng thái trạng thái kích thích Nếu ảnh hưởng nguồn tạp âm khác nhỏ ta tính SNR lối sau: Obj242 (3.38) Thay phương trình (3.35) (3.38) vào (3.34) ta thu hình ảnh nhiễu khuếch đại là: Obj243 (3.39) Khi bơm bước sóng 1480nm, hình ảnh tạp âm NF thường lớn so với bơm bước sóng 980nm Nguyên nhân bước sóng bơm gần bước sóng phát nên khơng thể đạt trạng thái đảo mật độ hồn tồn Thơng số tạp âm thường biểu diễn qua đơn vị decibel (dB) Các khuếch đại thực tế có NF = ÷ 8dB Khi tuyến có nhiều khuếch đại nối tiếp nhau, NF tích lũy ngày tăng, làm tín hiệu xấu Do tạp âm khuếch đại quang chủ yếu sinh khuếch đại xạ tự phát ASE, ta có: Obj244 hνΔν Thay (3.40) vào (3.39) ta tính NF biểu thức sau: (3.40) Obj245 (3.41) Obj246 hay (3.42) Obj249 Obj248 Obj247 Trong đó, cơng suất ASE, lượng photon, G tăng ích khuếch đại dải thông tương đương với độ rộng phổ tín hiệu Người ta xác định vùng tăng ích cao G>>1, thông số tạp âm lớn giá trị xác định gọi giới hạn lượng tử Giới hạn nhỏ 3dB Như vậy, thơng số tạp âm tỷ lệ nghịch với tăng ích khuếch đại Khi hệ số khuếch đại lớn tạp âm nhỏ (hình 3.7a) Điều tương đương với việc tăng công suất bơm tạp âm nhỏ dần (hình 3.7b) Tuy nhiên, công suất bơm vượt ngưỡng xác định bão hịa tăng ích G đạt cực đại thơng số tạp âm tăng nhanh Khi chế độ bão hịa, cơng suất bơm dư thừa làm tăng nhiễu ASE mà không làm khuếch đại tín hiệu thêm Chính việc xác định cơng suất bơm bão hịa cần thiết, vừa giúp tránh lãng phí nguồn bơm, vừa làm giảm thiểu tối đa tạp âm Các cấu hình bơm cho khuếch đại quang EDFA 3.3 3.3.1 Bơm đồng hướng Cấu hính khuếch đại quang bơm đồng hướng có đặc điểm sóng bơm sóng tín hiệu chiều nên có tạp âm thấp Tuy nhiên cơng suất lối bị suy giảm hấp thụ ngược 3.3.2 Bơm ngược hướng Sóng bơm sóng tín hiệu ngược hướng Ưu điểm cấu hình cơng suất quang lối cao, không bị ảnh hưởng hấp thụ ngược tiện lợi việc tăng cường cơng suất tín hiệu vào tuyến cáp quang Nhược điểm cấu hình tạp âm lớn khuếch đại xạ tự phát (ASE – Amplifed Spontaneous Emission) 3.3.3 Bơm song công Khi kết hợp hai cấu hình ta có ưu điểm bật công suất quang lối cao tạp âm tương đối thấp Obj250 Nguồn bơm laser cho sợi quang pha tạp Er3+ dải phổ 1525 ÷ 1565nm loại laser bán dẫn phát bước sóng 9803nm Với yêu cầu cho trước mức tín hiệu, mức tăng ích, yêu cầu tạp âm, dịng bơm.v.v… ta cần có chiều dài sợi tối ưu để đạt hệ số khuếch đại tốt theo yêu cầu Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài L khuếch đại: với dòng bơm cố định, đoạn sợi pha tạp thừa không bơm đủ đoạn hấp thụ mạnh tín hiệu, làm yếu hệ số khuếch đại nhiều Giá trị tối ưu L phụ thuộc nhiều vào công suất bơm nồng độ Er3+ pha tạp cao hay thấp 3.4 Những ưu, nhược điểm khuếch đại quang EDFA Đặc tính vượt trội EDFA chúng có khả khuếch đại nhiều bước sóng dải phổ 1525 ÷ 1565nm, khuếch đại EDFA thời gian sống τ2 ion Er3+ mức kích thích I13/2 lớn (~ 10ms), độ xun kênh bước sóng bé (~ 10KHz), điều phù hợp với hệ thống thơng tin đa bước sóng (WDM – Wavelength Division Multiplexing) Hệ số khuếch đại EDFA cao đạt đến 30dBm, khuếch đại EDFA thường gọn nhẹ hoạt động ổn định, giúp cho cơng tác bảo trì dễ dàng, cần thiết khuếch đại tuyến Hiệu ứng xuyên kênh bước sóng phụ thuộc vào hoạt động bão hịa khuếch đại Do tăng ích bão hịa kênh cịn phụ thuộc vào cơng suất kênh lân cận Do để tránh xuyên kênh bão hòa, ta thường để khuếch đại hoạt động chế độ khơng bão hịa Ngồi ra, xun kênh bước sóng cịn khơng đồng phổ tăng ích EDFA, phổ phát xạ Er3+ có hai đỉnh bước sóng 1530 1560nm Vì phổ tăng ích khơng đồng nên người ta dùng nhiều biện pháp để làm phẳng phổ, bố trí bước sóng bơm, hướng bơm, cường độ bơm dùng lọc truyền qua theo tần số Với ưu điểm EDFA dùng nhiều thơng tin quang sợi Tuy nhiên số nhược điểm bù suy hao quang sợi mà không giải vấn đề tán sắc hiệu ứng quang phi tuyến, đồng thời tích lũy tạp âm qua nhiều khuếch đại hạn chế số EDFA tuyến lớn (