Tìm hiểu bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA)

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KHUẾCH ĐẠI QUANG1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang có thể được mô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn Thông Tin Quang

Đề tài:

Tìm hiểu bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM

(EDFA)

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, thông tin quang và các ứng dụng của nó đang phát triển rất mạnh ởViệt Nam và hầu hết các quốc gia trên thế giới Để các tuyến cáp quang phát huy hiệuquả và truyền cự ly xa thì phải có bộ khuếch đại phù hợp Bộ khuếch đại quang sợi rađời đã thay thế được các trạm lặp

Bộ khuếch đại quang sợi EDFA thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang

mà không phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện Nó đã khắc phục đượcnhiều hạn chế của trạm lặp như về băng tần, cấu trúc phức tạp, ảnh hưởng của nhiễu

điện từ Chính vì điều đó nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài: “Tìm hiểu về bộ khuếch

đại quang sợi pha trộn Erbium (EDFA)” để làm bài tập lớn.

Trong quá trình tìm hiểu, chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót,chúng em mong nhận được những ý kiến chỉ bảo của cô cùng toàn thể các bạn đểnhóm em được hoàn thiện hơn

Chúng em cũng muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới cô TS Hoàng Phương Chi

đã chỉ bảo và giúp đỡ chúng em thực hiện đề tài này

Hà Nội, ngày 31 tháng 03 năm 2016

Nhóm sinh viên

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

DANH SÁCH HÌNH VẼ 4

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 5

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 6

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KHUẾCH ĐẠI QUANG 7

1.1Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang 7

1.2Khuếch đại quang 8

1.3Nguyên lý khuếch đại quang 9

1.4Phân loại khuếch đại quang 10

CHƯƠNG 2: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA) 12

2.2Cấu trúc 12

2.2 Nguyên lý hoạt động 14

2.3Yêu cầu nguồn 16

2.4Phổ khuếch đại 21

2.5Các tham số 23

2.6Ưu, nhược điểm 27

2.7Ứng dụng 27

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG 29

3.1 Mục đích 29

3.2 Mô phỏng 29

KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang 7

Hình 1.2: Sơ đồ khối trạm lặp 8

Hình 1.3: Các hiện tượng biến đổi quang điện 9

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của bộ khuếch đại EDFA 12

Hình 2.2: Cấu trúc hình học lõi sợi pha tạp Erbium 13

Hình 2.3: Giản đồ mức năng lượng ion Er3+ 14

Hình 2.4: Nguyên lý khuếch đại của EDFA 15

Hình 2.5: Cấu hình bơm thuận 19

Hình 2.6: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài sợi 19

Hình 2.7: Cấu hình bơm ngược 19

Hình 2.8: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài sợi 20

Hình 2.9: Cấu hình bơm hai chiều 20

Hình 2.10: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài sợi 21

Hình 2.11: Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA 22

Hình 2.12: Đồ thị biểu diễn công suất ra bão hoà tăng tuyến tính 24

Hình 3.1 Mô hình bộ khuếch đại EDFA thiết kế bằng phần mềm Optisystem 30

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1: So sánh SOA và OFA 10

Bảng 3.1 Sự thay đổi độ khuếch đại và hệ số nhiễu khi thay đổi công suất bơm 30

Bảng 3.2 Sự thay đổi độ khuếch đại và hệ số nhiễu khi bước sóng bơm thay đổi 31

Bảng 3.3 Sự thay đổi độ khuếch khi chiều dài sợi EDF thay đổi 32

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆCVân Anh Nhóm trưởng

Giới thiệu khuếch đại quang Nguyên lý khuếch đại quang EDFA Lan Anh Cấu trúc khuếch đại EDFA

Ứng dụng của EDFA

Tâm Yêu cầu nguồn bơm của EDFA

Ưu, nhược điểm của EDFA

Minh Các tham số của EDFA

Hoàng Phổ khuếch đại

Mô phỏng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KHUẾCH ĐẠI QUANG

1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang có thể được mô tả qua 3 thành phần

• Bộ phát quang

• Bộ thu quang

• Môi trường truyền dẫn (cáp sợi quang)

Tín hiệu điện từ các thiết bị đầu cuối được đưa đến bộ E/O để chuyển đổi thànhtín hiệu quang, sau đó đi vào cáp quang Khi truyền qua sợi quang, công suất tín hiệu

bị suy hao và giãn rộng xung Tới đầu bên kia của sợi quang, tín hiệu này được đưavào bộ O/E để tạo lại tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng ban đầu mà thiết bị đầucuối gửi đi

• Khối E/O : bộ phát quang hay nguồn quang, có nhiệm vụ nhận tín hiệu điệnđưa đến, biến tín hiệu đó thành tín hiệu quang, và đưa tín hiệu quang này lênđường truyền (sợi quang)

• Khối O/E : bộ thu quang, khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quangnày sẽ được nhận và biến trở lại thành tín hiệu điện như ở đầu phát

• Trạm lặp : khi truyền trên sợi quang, công suất tín hiệu quang bị suy hao dần.Nếu cự ly quá xa thì có thể tại đầu thu không nhận được hoặc không nhận biếtđược tín hiệu ban đầu Lúc này ta phải sử dụng đến trạm lặp (trạm tiếp vận) vớichức năng khuếch đại tín hiệu để sau đó tín hiệu đã được hồi phục tiếp tụctruyền tới đầu thu.

Trạm lặp có vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống thông tin quang Báo cáonày sẽ tập trung vào việc giới thiệu những vấn đề cơ bản và đặc trưng của bộ khuếchđại quang nói chung và EDFA nói riêng

1.2 Khuếch đại quang

Như đã đề cập đến ở trên, suy hao của sợi quang trong hệ thống truyền dẫnquang cự ly dài được khắc phục bằng việc sử dụng trạm lặp Trạm lặp quang điệnnhằm khuếch đại tín hiệu quang qua nhiều bước Cụ thể được thể hiện trong hình vẽsau

Hình 1.2: Sơ đồ khối trạm lặp

Tuy nhiên khi sử dụng các hệ thống truyền dẫn truyền dẫn đa bước song như hệthống WDM, rất nhiều trạm lặp sẽ cần được sử dụng để khuếch đại và tái tạo các kênhquang có bước sóng khác nhau Việc này làm hệ thống WDM sẽ phức tạp lên rấtnhiều

Vậy thay vì sử dụng bộ khuếch đại điện, nếu khuếch đại thuần trên miền quang

sẽ vẫn đáp ứng được yêu cầu tang chất lượng tín hiệu, đồng thời sự phức tạp của hệthống được giảm thiểu rất nhiều Đây chính là bộ khuếch đại quang, tín hiệu ánh sángđược khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không phải chuyển đổi sang miềnđiện So với trạm lặp thông thường, bộ khuếch đại quang có những ưu điểm sau:

• Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay mạchphục hồi (bộ biến đổi E/O, O/E)

• Nâng cấp hệ thống đơn giản hơn do không phụ thuộc vào tốc độ bit và phươngthức điều chế tín hiệu

• Có khả năng khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau trên cùng mộtđường truyền sợi quang

1.3 Nguyên lý khuếch đại quang

Dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trongquá trình khuếch đại

Hình 1.3: Các hiện tượng biến đổi quang điện

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái nănglượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hv12 bằng với độ chênh lệchnăng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử(Eg = E2 – E1) Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức nănglượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng năng lượng kích thích banđầu Như vậy từ một photon ban đầu sẽ tạo ra hai photon có cùng phương truyền,cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp của ánh sáng), hay nói cáchkhác việc khuếch đại ánh sáng được thực hiện

Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi một photon có năng lượng hf bị hấp thụ bởi mộtđiện tử ở trạng thái năng lượng thấp Quá trình này xảy ra khi năng lượng hf12 củaphoton bằng độ chênh lệch giữa hai mức năng lượng Eg = E2 – E1 Khi đó, điện tử sẽnhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái cao Đồng nghĩa với đó là tin hiệu

ánh sáng bị suy hao bớt Quá trình này xảy ra đồng thời với hiện tượng phát xạ tự phát

và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực của bộ khuếch đại

Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng

từ mức cao xuống mức thấp và phát ra một năng lượng dưới dạng một photon ánhsáng Quá trình này xảy ra tự nhiên vì ở trạng thái năng lượng cao không phải trạngthái năng lượng bền vững của điện tử Sau một thời gian sống (lifetime) của điện tử ởmức năng lượng cao, các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn.Mặc dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng nhưng nó không tạo độ lợikhuếch đại trong khuếch đại quang Do nó xảy ra tự phát không phụ thuộc vào ánhsáng đưa vào, bởi vậy không nhất thiết cần ánh sáng đi vào mà vẫn có năng lượng ánhsáng tại ngõ ra Ngoài ra ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát không có tính kết hợpnhư hiện tượng phát xạ kích thích Do vậy mà nó được xem là nguyên nhân chính gâynhiễu trong khuếch đại quang

1.4 Phân loại khuếch đại quang

Quá trình khuếch đại ánh sáng diễn ra trong một môi trường gọi là vùng tíchcực (active medium) Tín hiệu quang được khuếch đại với độ lợi tùy thuộc vào nănglượng được cung cấp từ một nguồn bơm bên ngoài (Pump Source) Tính chất củanguồn bơm phụ thuộc vào cấu tạo của vùng tích cực Người ta phân loại khuếch đạiquang dựa trên cấu tạo vùng tích cực như sau:

Bảng 1: So sánh SOA và OFA Khuếch đại quang bán dẫn SOA Khuếch đại quang sợi OFA Vùng tích cực Vật liệu bán dẫn Sợi quang pha đất hiếm

Nguồn bơm Dòng điện Năng lượng ánh sáng (laser)

có bước sóng nhỏ hơn bướcsóng tín hiệu

Trong bài tập lớn này, khuếch đại quang sợi OFA được đề cập Tùy theo loạiđất hiếm được pha trong lõi sợi quang, bước sóng nguồn bơm và vùng ánh sáng đầuđược khuếch đại của OFA sẽ thay đổi:

• EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530 – 1565 nm

• PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280 – 1340 nm

• TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440 – 1520 nm

• NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900 nm, 1065 nm, 1400 nmTrong các loại khuếch đại quang sợi kể trên, EDFA được sử dụng phổ biến bởi

nó có vùng ánh sáng khuếch đại phù hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghépkênh theo bước sóng mật độ cao DWDM và có ưu điểm hơn so với SOA Chi tiết vềcấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi EDFA sẽ được trình bàytrong chương tiếp theo

CHƯƠNG 2: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA)

2.2Cấu trúc

EDFA là một loại khuếch đại quang sợi OFA (Opical Fiber Amplifier) Cấu trúccủa một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM bao gồm các thành phần: Sợi phatạp Erbium, bộ ghép quang theo bước sóng WDM, các bộ cách li quang, nguồn bơmlaser

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của bộ khuếch đại EDFA

Chức năng của các thành phần cấu trúc nên bộ khuếch đại EDFA

• Sợi pha tạp Erbium: Đâu là thành phần quan trọng nhất của bộ khuếch đạiEDFA, được cấu tạo bởi một sợ quang có pha tạp Erbium, chiều dài của sợiquang này dài từ vài mét đến vài chục mét Sợi này gọi là sợi tích cực vìchúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu như có kích thíchphù hợp Cấu tạo sợi EDF được mô tả như hình vẽ

Hình 2.2: Cấu trúc hình học lõi sợi pha tạp Erbium

Cấu trúc sợi EDF bao gồm:

o Vùng lõi trung tâm: Đây là đoạn sợi có lõi SiO2 hoặc AL2O3 được phatrộn Er3+ với nồng độ từ 100÷2000ppm có đường kính từ 3÷6μm Đây lànơi có cường độ bơm và tín hiệu cao nhất

o Lớp bọc: Lớp này có chiết suất thấp hơn bao xung quanh lõi và cóđường kính 125μm tạo thành cấu trúc ống dẫn sóng và tăng độ bền cơhọc

o Lớp phủ: Lớp này có đường kính 250μm bao quanh lớp bọc và có chiếtsuất lớn hơn so với bọc để loại bỏ các ánh sáng không mong muốntruyền trong vỏ

• Nguồn bơm Laser: Là các Laser công suất cao được làm Laser bơm cungcấp năng lượng quang cho EDF Bước sóng hoạt động của Laser bơm là980μnm hoặc 1480nm Công suất bơm thường từ 10mW÷80mW

• Bộ ghép bước sóng WDM: Dùng để ghép ánh sáng tín hiệu với ánh sáng từnguồn bơm vào trong sợi quang Bộ WDM cho phép ghép các ánh sáng tínhiệu có bước sóng 1550nm với ánh sáng nguồn bơm là 980nm hoặc1480nm

• Bộ cách ly quang: Có tác dụng làm giảm phản xạ từ tín hiệu ánh sángkhuếch đại về phía phát và các tín hiệu quang trên đường truyền về bộkhuếch đại EDFA.

2.2 Nguyên lý hoạt động

Trước khi đi vào nguyên lý khuếch đại của EDFA, lý thuyết về giản đồ phân bốnăng lượng của Er3+

Hình 2.3: Giản đồ mức năng lượng ion Er 3+

Ion Er3+ có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2,

4S9/2, 2H11/2

- Vùng 4I15/2 – vùng bền (ground – state band): có mức năng lượng thấp nhất

- Vùng 4I13/2 – vùng giả bền (mestable band): trong vùng này, các ion Er3+ có thờigian sống (lifetime) lâu (khoảng 10ms)

- Vùng 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 2H11/2 – vùng kích thích (hay vùng bơm – pumpingband): trong vùng này, các ion Er3+ có thời gian sống (lifetime) rất ngắn(khoảng 1us)

Sự chuyển đổi năng lượng của các ion Er3+ từ vùng năng lượng cao xuống vùng nănglượng thấp hơn xảy ra khi:

- Phân rã không bức xạ (nonradiative decay): năng lượng được giải phóng dướidạng photon tạo ra sự dao động phân tử trong sợi quang

- Phát xạ ánh sáng (radiation): năng lượng được giải phóng dưới dạng photon

Từ những lý thuyết về ion Er3+ ta sẽ có những khả năng hiểu rõ hơn về nguyên lýkhuếch đại của EDFA

Nguyên lý khuếch đại của EDFA dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích

Hình 2.4: Nguyên lý khuếch đại của EDFA

• Step 1: Chiếu nguồn bơm laser 980nm vào trong sợi Các ion Er3+ ở vùng nền

sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng E = 1.27eV) và chuyển lêntrạng thái năng lượng cao hơn ở vùng bơm

• Step 2: Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng1us) và chuyển xuống vùng giả bền

• Step 3: Chiếu nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụnăng lượng từ các photon (có năng lượng E = 0.841eV) và chuyển sang trạngthái cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền

• Step 4: Các ion Er3+ trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuốngvùng năng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao)

• Step 5: Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10us), nếu không được kích thích

bởi các photon có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các Er3+ sẽ chuyểnsang trạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ

tự phát)

Khi cho ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời:

• Step 6: Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er3+ ở vùng nền Tín hiệuánh sáng bị suy hao

• Step 7: Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền Hiện tượngphát xạ kích thích xảy ra Khi đó các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển trạng tháinăng lượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mức năng lượng thấphơn ở vùng nền và phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền, phân cực, pha

và bước sóng Khi đó tín hiệu ánh sáng đã được khuếch đại

2.3Yêu cầu nguồn

a Bước sóng bơm

Theo giản đồ phân bố năng lượng của Erbium, nguồn bơm cho bộ khuếch đạiEDFA có thể sử dụng ở các bước sóng 650nm(4F9/2), 800 nm(4I9/2), 980nm (4I11/2),1480nm(4I13/2) Tuy nhiên, khi bước sóng bơm càng ngắn thì các ion Er3+ phải trảiqua nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng (4-5 giai đoạn) trước khi trở về vùng nền

và phát xạ ra photon ánh sáng Do vậy nguồn bơm cho bộ khuếch đại EDFA chỉ sửdụng ở bước sóng 980nm và 1480nm

Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảonồng độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion Erbium lên trạng thái kích

thích Có hai cách thực hiện quá trình này: bơm gián tiếp ở bước sóng 980nm hoặcbơm trực tiếp tại các bước sóng 1480nm.

• Phương pháp bơm gián tiếp (bơm ở 980nm): Trong trường hợp này, ionErbium liên tục được chuyển tiếp từ vùng năng lượng 4I15/2 thấp lên vùng nănglượng cao 4I11/2, sau đó các ion sẽ phân rã xuống vùng 4I13/2 nhưng khôngphát xạ Từ vùng này, khi có ánh sáng kích thích thì các ion sẽ phát xạ bướcsóng mong muốn (từ 1550 đến 1600 nm) khi chuyển từ vùng năng lượng 4I13/2xuống vùng 4I15/2 Đây chính là hệ thống ba mức Thời gian sống của ionErbium ở mức 4I11/2 khoảng 1µs trong khi ở 4I13/2 thì tới 10ms Với thời gian

sống dài, vùng 4I15/2 được gọi là vùng ổn định Vì vậy, các ion được bơm lênmức cao, sau đó nhanh chóng rơi xuống vùng 4I13/2 và tồn tại ở đó trong mộtkhoảng thời gian tương đối dài tạo nên sự nghịch đảo về nồng độ

• Phương pháp bơm trực tiếp (1480nm): các ion Erbium chỉ hoạt động trong haivùng năng lượng 4I13/2 và 4I15/2 Đây là hệ thống hai mức Các ion Erbiumliên tục được chuyển từ vùng năng lượng nền 4I15/2 lên vùng năng lượng kíchthích 4I13/2 nhờ năng lượng bơm Vì thời gian tồn tại ở mức này dài nênchúng tích lũy tại đây tạo ra sự nghịch đảo nồng độ

Nguồn bơm có hiệu quả cao ở cả hai bước sóng 980 và 1480 nm Tùy thuộc vàomục đích sử dụng cho bộ khuếch đại mà người ta sử dụng nguồn bơm có bước sóngphù hợp Để có hệ số khuếch đại hơn 20dB thì chỉ cần tạo ra nguồn bơm có công suấtnhỏ hơn 5mW, nhưng vẫn cần phải có nguồn bơm từ 10 đến 100mW để đảm bảo chocông suất ra đủ lớn Chỉ số nhiễu lượng tử giới hạn là 3dB đạt được ở bước sóng980nm Đối với bước sóng 1480nm thì chỉ số nhiễu là vào khoảng 4dB vì tiết diệnngang phát xạ tại bước sóng 1480nm cao hơn tại 980nm và sự bức xạ kích thích donguồn bơm đã giới hạn sự nghịch đảo tích luỹ tại 1480nm Do đó, bước sóng bơm980nm được ứng dụng cho các bộ khuếch đại tạp âm thấp Hệ số độ lợi tại bước sóngbơm 980nm cao hơn tại 1480nm tại cùng công suất bơm Do đó, để đạt được cùng một