Tối ưu hóa khuếch đại quang sợi pha tạp ER (EDFA) cho băng tần C bằng phương pháp mô hình hóa và so sánh thực nghiệm

Đại học quốc gia Hà Nội trờng đại học công nghệ Nguyễn thu trang Tối u hóa khuếch đại quang sợi pha tạp Er (EDFA) cho băng tần C phơng pháp mô hình hoá v so sánh thực nghiệm Luận văn thạc sĩ Hà Nội 2005 Đại học quốc gia Hà Nội trờng đại học công nghệ Nguyễn thu trang Tối u hóa khuếch đại quang sợi pha tạp Er (EDFA) cho băng tần C phơng pháp mô hình hoá v so sánh thực nghiệm Ngành : Điện Tử Viễn Thông Chuyên ngành : Kỹ thuật vô tuyến điện tử thông tin liên lạc Mà số: 2.07.00 Luận văn thạc sĩ Ngời hớng dẫn khoa học: Hà Nội, 2005 PGS TS Phạm văn Hội Mục lục Lời cảm ơn Mục lục Lời cảm ơn Chơng 1: Tính chất quang thuỷ tinh pha tạp ®Êt hiÕm 10 1.1 CÊu h×nh nguyên tử ion đất 10 1.2 Các tính chất cña ion Er3+ 11 1.2.1 Cấu hình nguyên tử nguyên tố Erbium .11 1.2.2 TiÕt diÖn hiÖu dông 12 1.2.3 Thêi gian sèng 14 1.2.4 §é réng v¹ch sù më réng v¹ch .16 1.2.5 Phổ hấp thụ xạ cña Er3+ 18 1.3 Hiệu ứng tơng tác Er3+- Er3+ .19 1.4 Khảo sát dải bơm 22 1.4.1 Khảo sát chung 22 1.4.2 D¶i b¬m 800nm: 23 1.4.3 Dải bơm 980nm 24 1.4.4 D¶i b¬m 1480nm .24 2.1 Cơ sở khuếch đại quang sợi pha t¹p Er .26 2.1.1 Hệ phơng trình tốc độ 26 2.1.2 Sự khuếch đại xạ tù ph¸t .29 2.1.3 Hệ phơng trình truyền dẫn khuếch đại .31 2.2 Các đặc trng khuếch đại quang sợi pha tạp Er 33 2.2.1 Phæ ASE 33 2.2.2 Tăng ích .34 2.2.3 Thông số tạp âm (Noise Figure) 37 2.3 øng dơng cđa khuếch đại EDFA mạng truyền dẫn quang 38 2.3.1 Bộ khuếch đại công suất 39 2.3.2 Khuếch đại trªn tuyÕn 39 2.3.3 Bộ tiền khuếch đại .40 3.1 Giíi thiƯu mô phần mềm mô .41 3.2 Mô khuếch đại quang EDFA 43 3.1.1 X©y dựng hệ phơng trình rút gọn 44 3.1.2 Các thông số đầu vào khuếch đại EDFA 45 3.3 Kết mô 46 3.2.1 Sù phơ thc vµo công suất bơm .48 3.2.2 Sự phụ thuộc chiều dài sợi quang 50 3.2.3 Sù phô thuéc vào công suất tín hiệu 52 3.2.4 Thông số tạp âm .53 3.2.5 Sù phụ thuộc vào nồng độ 55 4.1 Cấu hình khuếch đại quang EDFA 57 4.1.1 Cấu hình bơm chiều (đơn công) 57 4.1.2 Cấu hình bơm song công 58 4.1.3 So sánh cấu hình bơm 58 4.2 Các kết thực nghiÖm .59 4.2.1 Sơ đồ thí nghiệm 59 4.2.2 KÕt qu¶ thÝ nghiƯm 61 4.3 4.2.2.1 Kết khảo sát víi EDFA cã nång ®é thÊp 61 4.2.2.2 Kết khảo sát với EDFA có nồng độ cao 62 4.2.2.3 Khảo sát tạp âm hệ số tăng ích 64 4.2.2.4 Khảo sát phổ ASE băng tần tăng ích EDFA 67 So sánh kết thực nghiệm với mô 69 KÕt luËn .71 Tài liệu tham khảo 73 Phô lôc .75 Mở đầu Thông tin quang sợi đà có bớc phát triển nhảy vọt vài thập kỉ gần có tác động mạnh mẽ nhiều mặt kỹ thuật viễn thông Đặc biệt truyền dẫn, thông tin sợi quang đóng vai trò chủ đạo đáp ứng đợc nhu cầu băng thông, nh đảm bảo đợc yêu cầu chất lợng truyền dẫn Các hệ thống thông tin quang có u điểm bật so với thông tin cáp kim loại thờng nh suy hao truyền dẫn thấp, dung lợng truyền cao, bị ảnh hởng nhiễu từ bên có độ tin cậy khả bảo mật thông tin cao hấp dẫn mạnh nhà khai thác viễn thông, nhà khoa học Tuy nhiên năm gần đây, trớc phát triển mạnh mẽ dịch vụ thoại, phi thoại mà đặc biệt Internet dịch vụ băng thông rộng khác nhau, nhu cầu băng thông thuê bao tăng lên, tạo bùng nổ dung lợng Điều đặt lên vai nhà cung cấp dịch vụ đờng trục thách thức Việc sử dụng kĩ thuật TDM để nâng cao dung lợng đờng truyền khả đáp ứng đợc phần song gặp phải hạn chế thân kĩ thuật gây Một lựa chọn khác cho nhà cung cấp để tăng dung lợng hệ thống thông tin sử dụng công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bớc sóng sợi quang (WDM) Kỹ thuật thực việc ghép tín hiệu quang có bớc sóng khác truyền sợi quang nhất, tăng dung lợng truyền dẫn mà không cần phải tăng tốc độ kênh bớc sóng Khi tín hiệu ánh sáng đợc truyền cáp quang bị suy hao nhiều nguyên nhân nh hấp thụ ánh sáng sợi, ánh sáng khỏi sợi biến dạng đoạn cong nên ta phải khuếch đại lợng cho khoảng cách định để đảm bảo tín hiệu đủ mạnh đến nơi thu Trớc đây, ngời ta thờng sử dụng khuếch đại lặp biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, tín hiệu điện đợc khuếch đại biến đổi ngợc thành tín hiệu quang ®Ĩ trun ®i ViƯc biÕn ®ỉi tÝn hiƯu ®iƯn thành dạng tín hiệu quang thờng tạo tắc nghẽn sợi quang làm hạn chế độ rộng băng tần lấn chất lợng tín hiệu đợc truyền Với công nghệ WDM, việc khuếch đại tín hiệu dùng khuếch đại lặp quang điện tử gặp nhiều khó khăn giá thành kỹ thuật lắp ráp điều khiển tách ghép kênh truyền khuếch đại lặp Vì ngời ta tìm cách để tạo thiết bị có khả khuếch đại quang trực tiếp linh kiện quang Sợi quang pha tạp đất có khả khuếch đại quang trực tiếp đờng truyền Trong đó, sợi quang pha tạp Erbium (Er) đợc nghiên cứu nhiều Khuếch đại quang sợi pha tạp đất Er có khả bù suy hao khoảng cách lớn 100km Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Er (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA) đợc nghiên cứu thành công phòng thí nghiệm năm 1987 trở thành thơng phẩm năm 1990 Năm 1991, lần hệ thống thông tin quang có EDFA đợc thử nghiệm truyền tín hiệu số có tốc độ 2,5Gbit/s khoảng cách 21000km 5Gbit/s khoảng cách 14300km Việc nghiên cứu thông số đặc trng cđa EDFA sÏ gióp chóng ta lùa chän chÝnh x¸c sản phẩm nhà cung cấp, tối u hóa đợc mạng lới, nâng cao chất lợng dịch vụ cung cấp, nh giảm đợc chi phí việc chế tạo EDFA xây dựng hệ thống truyền dẫn Các nhà nghiên cứu EDFA lý thuyết tập trung vào nghiên cứu nguyên lý khuếch đại sử dụng hệ nhiều mức nghiên cứu hệ thống có EDFA Bộ khuếch đại EDFA có khả tạo hiệu ứng khuếch đại vùng bớc sóng 1550nm Các thông số quan trọng khuếch đại kể đến hệ số khuếch đại G, băng tần khuếch đại (hoặc ), thông số tạp âm NF (Noise Figure) công suất bÃo hoà Ps, nhiễu phát xạ tự phát đợc khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) khuếch đại Phổ công suất ASE cung cấp thông tin hữu ích đặc tính hoạt động EDFA chế độ bơm, công suất tín hiệu nồng độ pha tạp Er khác NF đặc trng cho phép đo suy giảm SNR từ đầu vào đến đầu hệ thống Chính vậy, việc khảo sát thông số sở mô hoạt động EDFA góp phần quan trọng việc nghiên cứu phân tích hệ thống nh ứng dụng hệ thống Từ ta hoàn toàn dự đoán hạn chế ảnh hởng nhiễu lên tín hiệu truyền dẫn Luận văn tập trung vào mô EDFA với sơ đồ hệ thống khuếch đại với mức lợng nhng đà đợc rút gọn thành hệ mức, với tín hiệu khuếch đại b−íc sãng 1550nm, tÝn hiƯu b¬m ë b−íc sãng 980nm; khảo sát đặc trng khuếch đại, nhiễu EDFA ảnh hởng thông số nh chiều dài sợi quang, nồng độ pha tạp Er sợi công suất tín hiệu bơm, tín hiệu cần khuếch đại lên đặc trng EDFA Mặt khác, luận văn đà tiến hành đo đạc phòng thí nghiệm, tính toán đa số kết thực nghiệm thông số quan trọng EDFA nh: hệ số khuếch đại, nhiễu tạp âm NF, công suất ASE phát sinh trình khuếch đại quang, từ đa số tính toán thiết kế tối u cho hệ thống thông tin sử dụng EDFA Phơng pháp nghiên cứu luận văn lý thuyết mô kết hợp với kết thực nghiệm, để so sánh kiểm chứng lý thuyết khuếch đại hệ thống thông tin quang thực tế Chơng trình mô thực máy tính sử dụng phần mềm mô Matlab Đây phần mềm chuyên dụng mạnh lĩnh vực mô phỏng, thực mô sơ đồ hệ lợng mức khuếch đại, trình hấp thụ xạ mức 2, với thời gian chuyển mức lợng tơng đối nhỏ cho phép tính toán, xử lý khảo sát thông số khuếch đại quang EDFA: Công suất tín hiệu lối ra, hệ số khuyếch đại EDFA, phổ công suất ASE, thông số tạp âm NF Nội dung luận văn đợc cấu trúc làm chơng Ch−¬ng giíi thiƯu vỊ tÝnh chÊt quang cđa thđy tinh pha tạp đất với loại nguyên tố đất điển hình đợc sử dụng rộng rÃi khuếch đại quang Erbium Chơng trình bày khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA), nguyên lý hoạt động đặc trng nó, đồng thời xây dựng hệ phơng trình tốc độ làm sở để xây dựng chơng trình mô thực chơng ứng dụng EDFA hệ thống thông tin Chơng xây dựng chơng trình mô EDFA dựa vào việc giải hệ phơng trình vi phân rút gọn từ hệ mức chơng Luận văn tiến hành xây dựng giao diện để thuận lợi việc ứng dụng EDFA phòng thí nghiệm Từ kết thu đợc đánh giá đa điều kiện tối u EDFA Chơng Kết khảo sát thông số đặc trng EDFA thực nghiệm Từ kết tiến hành so sánh với kết mô để kiểm chứng kết lý thuyết Tuy nhiên khuôn khổ hạn chế đề tài, cấu hình sợi sử dụng thực nghiệm không đợc hoàn toàn giống với sợi sử dụng mô nên kiểm chứng đợc phần kết lý thuyÕt Cuèi cïng lµ kÕt luËn vµ mét sè đề xuất hớng nghiên cứu tơng lai ứng dụng công nghệ EDFA Chơng 1: Tính chất quang thuỷ tinh pha tạp đất Các ion đất có tính chất quang đặc biệt, sở để hình thành phát triển laser sợi, laser khối nh khuyếch đại quang sử dụng ion Những tính chất quang đặc biệt khác biệt lớp vỏ 4f chúng tinh thể thuỷ tinh Trong chơng này, khảo sát lần lợt tính chất nguyên tử tính chất quang tơng ứng ion đất nói chung ion Er nói riêng 1.1 Cấu hình nguyên tử ion đất Các nguyên tố đất đợc chia làm nhóm, nhóm gồm 14 nguyên tố Họ Lanthan với số nguyên tố từ 57 đến 71 Họ Actini với số nguyên tố từ 89 đến 103 Các nguyên tố thuộc họ Lanthan có tính chất quang đặc biệt cấu trúc nguyên tử thĨ hiƯn cÊu tróc cđa líp vá 4f Vì phần lớn ứng dụng sợi quang đợc sử dụng pha tạp nguyên tố thuộc họ Lanthan Cấu tạo nguyên tử gồm hạt nhân đợc bao quanh lớp điện tử Các lớp điện tử đợc lấp đầy theo thứ tự nhìn chung lớp vỏ có bán kính tăng dần Tuy nhiên, đến vị trí nguyên tử thứ 57 quy luật bị phá vỡ nguyên tử thứ 57, lớp 5s 5p (5s25p6) bị lấp đầy trớc 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 này[17] Hầu hết nguyên tố đất tồn dới dạng ion, đặc biệt ion hoá trị III (Ln3+) Các nguyên tố đất trung hoà có cấu hình nguyên tử 4fN6s2 4fN-15d6s2 Qúa trình ion hoá xảy khử điện tử yếu lớp 6s, sau khử tiếp điện tử lớp 4f 5d Do ion đất họ Lanthan hoá trị ba có lõi (Xenon) N điện tử lớp 4f Nhờ che chắn điện tử lớp 5s 5p nên tính chất lớp vỏ 4f gần nh đợc giữ nguyên nguyên tử pha môi trờng thuỷ tinh tinh thể Thông thờng nguyên tử chất bán dẫn kim loại nhờng điện tử chúng cho môi trờng nên có phổ lợng trải rộng Tuy nhiên, phổ ion đất pha tạp chất cách điện nh thuỷ tinh hay tinh thể lại có phổ lợng bao gồm dÃy vạch hẹp[18] 2S+1 LJ Các mức Stark 4f Hình 1.1 Sơ đồ tách mức lợng ion Er tơng tác điện tử-điện tử tơng tác điện tử-trờng tinh thể Nguyên nhân lớp điện tử 4f gần nh giữ đợc cấu trúc trạng thái nh nguyên tử đất Cấu hình 4f gồm nhiều trạng thái tơng tác điện tử Hơn nữa, dới tác dụng trờng tinh thể nền, mức điện tử lớp vỏ 4f tiếp tục bị tách thành nhiều vạch làm cho mức lợng lớp 4f tiếp tục bị tách hiệu ứng Stark Do quang phỉ cđa líp vá 4f gåm rÊt nhiỊu v¹ch dải rộng Các mức lợng ion đất hoàn toàn tính đợc ta giải phơng trình Schrodinger trờng tinh thể[17] 1.2 Các tính chất ion Er3+ 1.2.1 Cấu hình nguyên tử nguyên tố Erbium Er3+ đợc dùng cho hoạt động laser khuếch đại vùng b−íc sãng 1500nm nhê chun dêi 4I13/2 -4I15/2 Khi pha tạp, ion Er3+ có mức lợng nh hình 1.2 với mức 4I15/2 mức bản[18] Các đỉnh tơng ứng với chuyển dời mức 4I15/2 mức cao Hai vùng bơm chủ yếu 1480nm 980nm Đặc điểm bật ion Er mức lợng 4I13/2 có thời gian sống dài, khoảng 10ms mức siêu biền Do ta bơm kích thích chùm laser 980nm, ion Er đợc kích thích lên mức 4I11/2 sau thời 4.2.2.4 Khảo sát phổ ASE băng tần tăng ích EDFA Từ kết thực nghiệm thu đợc, ta thấy, băng tần khuếch đại EDFA thờng có ®é réng kho¶ng 1525 – 1565 nm (40 nm) với hệ số tăng ích chênh lệch từ vùng 1530nm đến 1560nm 5-10 dB bơm đạt chế độ bÃo hoà Hình vẽ dới biểu diễn phổ ASE khuếch đại EDFA có nồng độ pha tạp độ dài sợi khác : đờng (a) cho EDFA có nồng độ Er 800 ppm ®é dµi 12 m; ®−êng (b) cho EDFA nång ®é 2500 ppm độ dài 2,5 m; đờng (c) cho EDFA nồng độ 2500 pmm độ dài m ASE of EDFA fiber length 12m, 800 ppm 2.5m, 2500 ppm 6m, 2500 ppm -5 -10 PASE (dBm) -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 Wavelength (nm) H×nh 4.13: Phỉ ASE cđa EDFA với nồng độ Er khác bơm b»ng b−íc sãng 980 nm c«ng st 100 mW a) độ dài sợi quang pha tạp 800ppm =2 mét; b) độ dài sợi quang pha tạp 2500ppm = 2,5 mét; c) độ dài sợi quang pha tạp 2500ppm = mÐt Ta thÊy d¹ng phỉ ASE ch−a cã tÝn hiệu vào hoàn toàn phù hợp với lý thuyết Khi phổ ASE ba đoạn sợi có dạng giống hay nói cách khác vị trí tơng đối ®Ønh phỉ cïng mét phỉ ASE cđa c¶ ba trờng hợp nh lại tơng ứng với dòng bơm khác Điều cho thấy chế độ bÃo hoà với đoạn sợi khác đòi hỏi dòng bơm khác Với sợi 12m pha tạp Er nồng độ thấp đòi hỏi dòng bÃo hoà nhỏ cờng độ ASE tăng nhanh theo công suất bơm Trong đó, với sợi 2.5m nồng độ cao đòi hỏi dòng bÃo hoà cao Kết cho thấy, phổ ASE phù hợp với băng tần khuếch đại thiết bị Khi nồng độ pha tạp Er tăng, băng tần khuếch đại EDFA mở rộng vïng sãng dµi 800ppm - EDFA length 12m 2500ppm - EDFA length 2.5m 2500ppm - EDFA length 6.0m 20 Output Power (dBm) 10 -10 -20 -30 -40 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 Wavelength (nm) H×nh 4.14: Phỉ khuếch đại EDFA với độ dài nồng độ pha tạp khác bớc sóng tín hiệu 1552 nm bơm bÃo hoà ( Pbơm = 150 mW) ThÝ nghiƯm cịng cho thÊy r»ng nång ®é Er tăng, băng tần khuếch đại EDFA mở rộng vùng sóng dài Hình 4.14 biểu diễn phổ khuếch đại tín hiệu quang bớc sóng 1552nm EDFA có nồng độ độ dài khác công suất tín hiệu lối vào Pin = -14 dBm bơm bớc sóng 976 nm với công suất bơm 100 mW Trong trờng hợp bớc sóng khuếch đại vùng 1560 nm, ASE vùng 1530 nm lớn gây NF lớn, tốt nên sử dụng chế độ bơm không bÃo hoà để giảm NF Khi ghép nhiều bớc sóng mang thông tin sợi quang (kỹ thuật WDM Wavelength Division Multiplexing) để nâng cao dung lợng truyền dẫn, tín hiệu quang đợc khuếch đại đồng thời để cung cấp lợng đủ, chế độ bơm cần phải đạt bÃo hoà toàn sợi pha tạp 4.3 So sánh kết thực nghiệm với mô Từ kết tính toán chơng trình mô khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium , ta thấy kết đà phản ánh đợc với kết tính toán lý thuyết phần thể đợc kết đà khảo sát thực hệ EDFA phòng thí nghiệm Tuy nhiên giá trị mô đạt đợc tơng đối lý tởng so với giá trị thực Hệ số khuếch đại đạt khoảng từ 35 đến 40dB Đây thực giá trị khó thực đợc thực tế Sở dĩ có kết nh toán đặt đà bỏ qua số tham số có ảnh hởng đến hệ số khuếch đại nh: toán xét hệ sơ đồ lợng hai mức, ion kích thích mức ba, không tính đến khuếch đại phát xạ ngẫu nhiên hấp thụ mức kích thích Đồng thời, toán mô yếu tố suy hao thiết bị, ảnh hởng nhiệt độ môi trờng đợc đa lý tởng Các kêt khảo sát hệ số khuếch đại, thông số tạp âm , nhiễu ASE phụ thuộc chiều dài khuếch đại, công suất bơm nồng độ pha tạp Er tơng đơng mô thực nghiệm Ta thấy đợc giá trị tối u chiều dài sợi phụ thuộc nhiều vào công suất bơm, nồng độ hạt tải pha tạp sợi quang Từ chơng trình mô nh mà công nghệ chế tạo khuếch đại yêu cầu phải lựa chọn xác chiẻu dài, nồng độ sợi cần thiết công suất bơm Xu hớng chế tạo EDFA nhỏ gọn đòi hỏi giảm chiều dài sợi khuếch đại quang tiến tới chế tạo khuếch đại quang tích phân dạng màng dẫn sóng hớng nghiên cứu chủ yếu phòng thí nghiệm thông tin quang giới Để giảm chiều dài buồng khuếch đại quang, điều cần thiết phải tăng nồng độ ion đất thuỷ tinh Khi tăng nồng độ pha tạp đất thuỷ tinh, hiệu ứng kết cặp ( pair) tụ ấm (clustering) tăng theo dẫn tới trình dập tắt phát xạ quang tăng trình hấp thụ mức kích thích ( excited state absorption-ESA) sinh phát xạ chuyển đổi ngợc ( Up-conversion emision) Các hiệu ứng nêu gây bất lợi cho khuếch đại quang vùng hồng ngoại 1550nm nh : gây thêm tạp âm cho tín hiệu, giảm hệ số tăng ích, tăng độ bất ổn định nhiệt vùng khuếch đại Tuy nhiên nghiên cứu gần đây, hạn chế hiệu ứng bất lợi pha tạp Er nồng độ cao việc pha tạp thêm lựa chọn công nghệ chế tạo thích hợp Tốc độ phát triển nhanh chóng khuếch đại quang sợi EDFA từ mô tả phòng thí nghiệm đến kết thực nghiệm đà mang lại kết tối u xác loại sợi Những thông số tối u loại sợi phụ thuộc vào nhiều loại yếu tố Hơn nữa, mối quan hệ việc thiết kế sợi pha tạp tối u, lựa chọn bớc sóng bơm phức tạp để thiết kế khuếch đại thoả mÃn yêu cầu đề để so sánh với thiết kế sợi chuẩn Kết luận Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium khuếch đại tiên tiến, đợc sử dụng rộng rÃi thông tin quang để làm tiền khuếch đại, khuếch đại tuyến khuếch đại công suất nhờ u điểm bật nh: biến đổi trực tiếp ánh sáng mà không thông qua trình biến đổi điện nào, hệ số khuếch đại cao (G>20dB), độ tạp âm thấp (NF< 5dB), độ ổn định cao, ghép nối dễ ràng với linh kiện quang sợi đặc biệt hữu ích mạng thông tin quang ghép nhiều bớc sóng (WDM ) phổ khuếch đại quang rộng ( > 30 nm) Nhờ u điểm bật mà EDFA đợc nghiên cứu nhiều nhằm tìm thông số tối u ứng dụng Luận văn đà thu đợc số kết sau: ắ Xây dựng đợc chơng trình mô phần mềm Matlab, tiến hành khảo sát thông số quan trọng khuếch đại : hệ số khuếch đại, thông số tạp âm NF, tạp âm phát xạ khuếch đại tự phát ASE, phụ thuộc thông số vào nồng độ Từ kết mô phỏng, luận văn đa số khuyến nghị tối u cho khuếch đại quang EDFA cho tõng øng dơng cđa nã hƯ thông thông tin ắ Song song với kết mô phỏng, kết thực nghiệm đợc tiến hành đo đạc khảo sát, so sánh, có kết tơng đơng với lý thuyết mô phỏng: ắ Sợi cã nång ®é cao cã −u ®iĨm râ rƯt so với sợi có nồng độ thấp nh : độ tăng ích cao hơn, chiều dài ngắn giá trị thông số tạp âm nhỏ Sợi có nồng độ cao 2500ppm , chiều dài 2,5m cho độ tăng ích cao 26dB với công suất bơm 50mW Trong đó, sợi 12m nồng độ thấp 800ppm cho tăng ích tối đa 15dB ắ Các kết thu đợc đánh giá thay đổi thông số số tạp âm phụ thuộc vào thông số khác nhau: nồng độ pha tạp, công suất quang bơm cho khuếch đại quang, công suất tín hiệu lối vào Thông số tạp âm NF khuếch đại quang pha tạp nồng độ cao đợc cải thiện rõ rệt NF sợi pha tạp nồng độ 2500ppm 4,5dB so với 6,5dB sợi pha tạp nồng độ 800ppm ắ Trong việc thiết kế đờng truyền việc biết đợc xác thông số EDFA cân thiết Vì luận văn này, đa chơng trình mô EDFA để xác định thông số Đây phơng pháp đơn giản, có dộ xác cao hoàn toàn phù hợp với điều kiện thí nghiệm nớc Các kết đợc đa luận văn có ý nghĩa mặt công nghệ chế tạo khuếch đại đáp ứng đợc yêu cầu mạng thông tin quang đại Trong luận văn này, mong muốn mô đợc xác cấu hình sợi sư dơng hƯ thùc nghiƯm Nh−ng ®iỊu kiƯn phòng thí nghiệm phải mua sợi quang từ nớc nên việc xác định cấu hình sợi khó khăn Trong diều kiện nh vậy, cấu hình sợi quang sử dụng chơng trình mô đợc sử dụng cấu hình sợi phòng thí nghiệm quang trờng đại học Parma Vì kết mà thu đợc lý thuyết thực nghiệm khác khoảng 20% nhng chúng phần phản ánh đợc nhứng kết lý thuyết đà tính toán Tuy nhiên, việc mô khuếch đại EDFA thực luận văn quan tâm khảo sát sơ đồ hệ hai mức lợng, bỏ qua khuếch đại ion mức kích thích tín hiệu lối vào khuếch đại giá trị không đổi Nh−ng thùc tÕ, tÝn hiƯu lèi vµo lµ tÝn hiểu biến đổi theo thời gian nên hớng phát triển luận văn tơng lai khảo sát khuếch đại với tín hiệu đầu vào biến đổi Đồng thời, luận văn qua tâm đến yếu tố nhiễu tự sinh trình khuếch đại thân sợi quang mà cha tính đến yếu tố nhiễu ảnh hởng bên tác động vào khuếch đại Vì vậy, để ứng dụng nhiều thực tế mong muốn khảo sát đợc lu lợng thông tin có ảnh hởng đến khuếch đại toàn mạng chẳng hạn đến hệ TCP/IP mạng hay hệ thống thông tin Trên vài hớng để tiếp tục luận văn tơng lai Mặc dù, kết đa khiêm tốn không tránh khỏi nhiều thiếu xót nhng nỗ lực thời gian qua Tài liệu tham kh¶o Graphics and GUIs with Matlab , Patrick Marchand 1996 by CRC Press, Inc Rare earth doped fiber laser and amplifiers Edited by Michel J F Digonnet, Stanford University, Marcel Dekker, Inc Simulation of Communication Systems, Michel C Jeruchim, Philip Balaban, and K Sam Shannugan Duane Hanselman, Bruce Littlefield:”Mastering MATLAB – A comprehensive Tutorial and Reference” Prentice Hall Pham Van Hoi, Chu Thi Thu Ha, Hoang Quang Hung and Nguyen Thu Trang “High-concentration Er+3-doped solgel silica glass microsphere lasers” The ninth Asia Pacific Physic Conference (9th APPC), Vietnam December 26-30, 2004 Pham Van Hoi, Pham Thu Nga, Bui Huy, Nguyen Thu Trang, Hoang Quang Hung “Research & Manufacturing Photonic Materials and Devices based on Rare-earth doped glasses” The 1st Vietnam-Korean Symposium on Chemistry and Nanostructure Materials, Vietnam-October 18-19, 2003 Govind P Agrawal, Fiber Optics Communication System, Rochester, NY 1997 A review of the fabrication and properties of erbium-doped fibers for optical amplifiers B James Ainslie Journal of Lightwave, Technology, Vol.9, No.2 February 1991 Amplification properties of Er-doped photonic crystal fibers Annamaria Cucinotta, Federiaca Poli, Stefano Selleri, Luca Vincetti, and Maurizio Zoboli, Member, OSA Journal of Lightwave, Technology, Vol.21, No.2 March 2003 10 Design optimization for efficient erbium-doped fiber amplifiers Emmanuel Desurvire Member, IEEE, John L Zyskind, Member IEEE, and C Randy Giles Journal of Lightwave, Technology, Vol.8, No.11 November 1990 11 Erbium-doped fiber amplifier cascade for multichannel coherent optical transmission Graham R Walker, Nigel G Walker, Roger C Steele, Martin J Creaner, and Mike C Brain Journal of Lightwave, Technology, Vol.9, No.2 February 1991 12 Modeling erbium-doped fiber amplifiers C Randy Giles Member, IEEE, and Emmanuel Desurvire Member, IEEE, Journal of Lightwave, Technology, Vol.9, No.2 February 1991 13 Propagation of signal and noise in concatenated erbium-doped fiber optical amplifiers C R Giles Member, IEEE, and Emmanuel Desurvire Member, IEEE, Journal of Lightwave, Technology, Vol.9, No.2 February 1991 14 The Design of Erbium-Doped Fiber Amplifier Bo Pedersen, Anders Bjarklev, John Hedegaard Povlsen, Kristen Dybdal, and Carl Chritian Larsen, Journal of Lightwave, Technology, Vol.9, No.9 September 1991 15 Amplification of spontaneous emission in erbium-doped single-mode fibers Emmanuel Desurvire and Ray R Simpson Journal of Lightwave, Technology, Vol.7, No.5 May 1989 16 Analytic model for gain modulation in EDFAs Stephanie Novak and Adolph Moesle Journal of Lightwave, Technology, Vol.20, No.6 June 2002 17 Gain in erbium-doped fiber amplifiers: a simple analytical solution for the rate equations M.Peroni and M Tamburrini Fondazione Ugo Bordoni, Viale Europa 190, 00144 Rome, Italy, Optics Letter Vol 15/No.15 August 1, 1990 18 Erbium-doped glasses for fiber amplifiers at 1500 nm William J Miniscalco Journal of Lightwave, Technology, Vol.9, No.2 January 1991 19 Simulink model for EDFA dynamics applied to gain modulation Stephanie Novak and Richard Gieske, Journal of Lightwave, Technology, Vol.20, No.6 June 2002 20 Multichannel amplification in strongly pumped EDFAs Inna Nusinsky Amos A Hardy, Fellow, IEEE, Fellow OSA Journal of Lightwave, Technology, Vol.20, No.8 August 2004 21 Erbium Dpoed Fiber Amplifiers Principles and Applications Emmanuel Desurvire, A Wiley- Interscience Publication Jonh Wiley and Sons, INC, 1994 22 Erbium Doped Fiber Ampllifiers Fundamentals and Technology P C Beker, N A Olssonm J R Simpson Academic Press Decembet 1998 23 24 Phô lục Chơng trình Matlab thực luận văn: Chơng trình mô khuếch đại quang sợi pha tạp Er gồm chơng trình cụ thể nh sau: Chơng trình giải hệ phơng trình tốc độ function yp= myerbium(z,y); P=y(1); S=y(2); s12=4.8e-25; % [m^2 ] signal abs X-sect s21=8.2e-25; % [m^2 ] signal emiss X-sect s13=2.8e-25; % [m^2 ] pump cross-section N= 1.8e24; %[N/cm^3 ] Er number density r= s12/s21; N1= N*(1+S)/(1+P+S*(r+r)); N2=N-N1; yp(1)= -s13*N1*P; yp(2)=(N2*s21-N1*s12)*S; yp=yp'; Chơng trình function myedfa(command) %#function myerbium %#function myedfa %#function cellfun %#function msgbox1 if nargin == command = 'init'; end switch command case 'init' edfa_init; case 're' edfa_resize; case 'cal' edfa_calcu; case 've1' ve1; case 've2' ve2; case 've3' ve3; case 've4' ve4; case 've5' ve5; end function edfa_init global tag tag=1; H=figure('menubar','none','ResizeFcn','myedfa(''re'')','name','Chng trình mô khuếch đại EDFA','position',[45 45 900 500],'NumberTitle','off','Color',[0.8 0.8 0.8],'ToolBar','none'); f1 = uicontrol(H,'style','frame','position',[670 305 210 145],'background',[1 0.8],'tag','F1'); t1 = uicontrol(H,'style','text','position',[685 415 120 20],'HorizontalAlignment','left','tag','T1','background',[1 0.8],'string','Chiều dài sợi quang (m)'); e1 = uicontrol(H,'style','edit','position',[805 415 60 20],'background',[1 1],'tag','E1','string','10'); t2 = uicontrol(H,'style','text','position',[685 385 120 20],'HorizontalAlignment','left','tag','T2','background',[1 0.8],'string','C«ng suÊt bm (mW)'); e2 = uicontrol(H,'style','edit','position',[805 385 60 20],'background',[1 1],'tag','E2','string','40'); t3 = uicontrol(H,'style','text','position',[685 355 120 20],'HorizontalAlignment','left','tag','T3','background',[1 0.8],'string','C«ng st tÝn hiƯu (mW)'); e3 = uicontrol(H,'style','edit','position',[805 355 60 20],'background',[1 1],'tag','E3','string','0.001'); b1 = uicontrol(H,'style','pushbutton','position',[805 320 60 25],'string','ChÊp nhËn ','tag','B1','callback','myedfa(''cal'')'); f1 = uicontrol(H,'style','frame','position',[670 100 210 190],'background',[0 0.5 1],'tag','F2'); t1 = uicontrol(H,'style','text','position',[685 255 120 20],'HorizontalAlignment','left','tag','T4','background',[0 0.5 1],'string','Gain (dB):'); t2 = uicontrol(H,'style','text','position',[685 235 120 20],'HorizontalAlignment','left','tag','T5','background',[0 0.5 1],'string','Noise (dB):'); t11= uicontrol(H,'style','text','position',[805 255 60 20],'HorizontalAlignment','right','tag','T6','background',[0 0.5 1],'string',' '); t21= uicontrol(H,'style','text','position',[805 235 60 20],'HorizontalAlignment','right','tag','T7','background',[0 0.5 1],'string',' '); b10 = uicontrol(H,'style','pushbutton','position',[685 200 80 30],'string','W','callback','myedfa(''ve1'');','tag','B2'); b11 = uicontrol(H,'style','pushbutton','position',[785 200 80 30],'string','dBm ','callback','myedfa(''ve2'');','tag','B3'); b10 = uicontrol(H,'style','pushbutton','position',[685 160 80 30],'string','C«ng suÊt ASE','callback','myedfa(''ve3'');','tag','B4'); b11 = uicontrol(H,'style','pushbutton','position',[785 160 80 30],'string','Gain','callback','myedfa(''ve4'');','tag','B5'); %b10 = uicontrol(H,'style','pushbutton','position',[735 120 80 30],'string','Noise figure','callback','myedfa(''ve5'');','tag','B6'); b1 = uicontrol(H,'style','pushbutton','position',[720 50 120 30],'string','Tho¸t','callback','close(gcf)','tag','B7'); a1 = axes('Parent',H,'Units','pixels','Box','on','CameraUpVector',[0 0],'Color',[1 1],'Position',[50 50 600 400],'Tag','Axes1','XColor',[0 0],'YColor',[0 0],'ZColor',[0 0]); pos=get(H,'position'); set(H,'position',[pos(1) pos(2) 700 500]); lef=700-900; hif=500-500; set(findobj(H,'tag','F1'),'position',[(lef+670) (hif+305) 210 145]); set(findobj(H,'tag','T1'),'position',[(lef+685) (hif+415) 120 20]); set(findobj(H,'tag','E1'),'position',[(lef+805) (hif+415) 60 20]); set(findobj(H,'tag','T2'),'position',[(lef+685) (hif+385) 120 20]); set(findobj(H,'tag','E2'),'position',[(lef+805) (hif+385) 60 20]); set(findobj(H,'tag','T3'),'position',[(lef+685) (hif+355) 120 20]); set(findobj(H,'tag','E3'),'position',[(lef+805) (hif+355) 60 20]); set(findobj(H,'tag','B1'),'position',[(lef+805) (hif+320) 60 25]); set(findobj(H,'tag','F2'),'position',[(lef+670) (hif+100) 210 190]); set(findobj(H,'tag','T4'),'position',[(lef+685) (hif+255) 120 20]); set(findobj(H,'tag','T5'),'position',[(lef+685) (hif+235) 120 20]); set(findobj(H,'tag','T6'),'position',[(lef+805) (hif+255) 60 20]); set(findobj(H,'tag','T7'),'position',[(lef+805) (hif+235) 60 20]); set(findobj(H,'tag','B2'),'position',[(lef+685) (hif+200) 80 30]); set(findobj(H,'tag','B3'),'position',[(lef+785) (hif+200) 80 30]); set(findobj(H,'tag','B4'),'position',[(lef+685) (hif+160) 80 30]); set(findobj(H,'tag','B5'),'position',[(lef+785) (hif+160) 80 30]); %set(findobj(H,'tag','B6'),'position',[(lef+735) (hif+120) 80 30]); set(findobj(H,'tag','B7'),'position',[(lef+720) (hif+50) 120 30]); set(gca,'Position',[50 50 (lef+600) (hif+400)]); function edfa_resize H=gcf; pos=get(H,'position'); lef=pos(3); hif=pos(4); if lef