Đặc Trưng Tiết Diện Hiệu Dụng Của Khuếch Đại Quang Sợi Pha Tạp Erbium

MỤC LỤC

Tiết diện hiệu dụng

Tiết diện hiệu dụng xác định khả năng hấp thụ hoặc bức xạ ánh sáng của một ion. Hiểu một cách đơn giản, tiết diện hiệu dụng trong một dịch chuyển giữa hai trạng thái (mức năng lượng) của một ion mô tả xác suất chuyển dời xảy ra đối với đồng thời cả quá trình hấp thụ hoặc bức xạ ánh sáng.

2.2) với Φ(ω) là thông lượng photon trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian

Khảo sát các dải bơm thích hợp cho Er 3+

Khi pha tạp Er3+ vào thủy tinh, tương tác của các ion Er3+ với mạng không đều nhau, đồng thời sự tách mức ở mức năng lượng trên và mức năng lượng dưới do hiệu ứng Stark cũng không giống nhau. Từ trạng thái này ion Er3+ phục hồi nhanh không bức xạ về trạng thái 4I13/2 (là trạng thái siêu bền với thời gian sống cỡ 10ms), sau đó chúng trở về trạng thái cơ bản và phát ra photon có bước sóng 1530nm, bước sóng được sử dụng trong laser sợi và khuếch đại sợi. Người ta đã đo và so sánh phổ hấp thụ và phổ phát xạ của thủy tinh pha tạp Er3+ trong vùng bước sóng cần nghiên cứu cho khuếch đại quang sợi (từ 1400nm đến 1650nm) được biểu diễn qua hình 2.8.

Từ phổ hấp thụ và phát xạ đươc vẽ chung trên một đồ thị, ta thấy vùng bước sóng từ 1540nm đến 1650nm có tiết diện phát xạ lớn hơn tiết diện hấp thụ, nên vùng này sẽ có hiệu ứng khuếch đại khi tín hiệu quang đi qua thủy tinh pha tạp Er3+. Khi lựa chọn các bước sóng bơm, điều đầu tiên cần quan tâm là các dịch chuyển khuếch đại có đạt được yêu cầu hay không, tiếp đến là hiệu suất và khả năng sử dụng các nguồn bơm. Nói chung dải bơm này không phù hợp cho các ứng dụng cần kích thích từ mức cơ bản vì hấp thụ ở trạng thái cơ bản khá yếu trong khi hấp thụ ESA từ mức 4I13/2 với thủy tinh silica và.

Các bộ khuếch đại được bơm ở dải sóng này không những đạt được hệ số khuếch đại và hiệu suất khuếch đại ổn định mà còn thu được thông số tạp âm giới hạn lượng tử vào khoảng 3dB, công suất ra của tín hiệu lớn hơn rất nhiều 500mW và hiệu suất chuyển đổi lượng tử đạt cỡ 90%. Khi năng lượng bơm lớn ion Er3+ sau khi hấp thụ một photon 980nm để chuyển từ trạng thái cơ bản lên mức 4I11/2, tại mức này tồn tại một xác suất nhỏ để ion Er3+ hấp thụ một photon nữa để chuyển lên mức 4F7/2. Còn đối với thủy tinh flouride do trạng thái 4I11/2 là trạng thái siêu bền nên dải bơm này không phù hợp để bơm trực tiếp cho các phát xạ xung quanh vùng 1550nm do dịch chuyển từ mức 4I11/2 xuống mức cơ bản chủ yếu là phát xạ.

Các bộ khuếch đại Erbium và laser hoạt động trong vùng bước sóng 1500nm có thể được kích thích trực tiếp lên mức kích thích 4I13/2 là trạng thái siêu bền của khuếch đại bằng dải bơm gần 1480nm. Tuy nhhiên thực tế các ion đất hiếm có độ hòa tan thấp trong môi trường thủy tinh silica, vì vậy khi pha tạp Er3+ sẽ hấp thụ ngược ánh sáng nên hệ số khuếch đại sẽ giảm đáng kể. Erbium là nguyên tố khó pha tạp vào thủy tinh nên khi pha tạp Er3+ nồng độ cao sẽ xuất hiện hiện tượng tụ đám và hiệu suất khuếch đại giảm do tương tác ion - ion giữa hai ion gần nhau, người ta pha tạp thêm Al để làm tăng độ hòa tan của Er3+ trong silica (SiO2 - Al2O3 - Er3+.

Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+

Cơ sở của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+

Thời gian sống của các nguyên tử tại mức 2 rất dài, cỡ ms nên chúng có thể tồn tại khá lâu tại mức này và vì vậy chúng có thể tạo ra nghịch đảo độ tích luỹ so với mức 1. Khi một nguyên tử tại mức kích thích 2 này tương tác với một photon tín hiệu tới, nó sẽ nhảy xuống mức 1 và bức xạ ra một photon có tần số và pha giống hệt như photon tới (bức xạ kích thích). Φ p là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1 lên mức 3 (số photon trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích), tưong ứng với bơm.

Từ phương trình trên ta thấy rằng tiết diện hấp thụ σ p càng cao tức là xác suất hấp thụ photon bơm càng lớn thì số photon bơm cần thiết để đảm bảo lượng photon được hấp thụ đạt ngưỡng sẽ thấp đi hay Ith. Thêm vào đó, thời gian sống tại mức 2 σ 2 càng dài tức là năng lượng tích lại ở mức 2 càng lâu thì lưọng photon cần bơm trong một đơn vị thời gian để giữ được năng lượng ở lại mức 2 (hay để tạo được nghịch đảo độ tích luỹ) sẽ giảm bớt. Sử dụng sơ đồ 3 mức năng lượng như ở phần trên, mật độ tích luỹ (số lượng ion trong một đơn vị thể tích) tại các mức 1, 2 và 3 lần lượt là N1, N2, và N3, ta sẽ xét sóng tín hiệu và sóng bơm truyền theo cùng một hướng dọc theo trục z của sợi quang lần lượt có cưòng độ là Is.

Sự khuếch đại bức xạ tự phát (Amplified Spontaneous Emission – ASE) trong khuếch đại quang xuất hiện do các ion nằm ở trạng thái kích thích tự động giải phóng năng lượng để chuyển xuống mức năng lượng cơ bản bằng cách phát ra các photon và các photon này không có tính kết hợp với các photon tín hiệu. Các photon sinh ra từ bức xạ tự phát này được khuếch đại bằng cách truyền trong sợi quang và kích thích thêm nhiều photon mới bức xạ ra từ các ion ở trạng thái kích thích. Quá trình này có thể xuất hiện tại bất cứ tần số nào trong phổ huỳnh quang của chuyển dời khuếch đại và rừ ràng chỳng sẽ làm giảm khả năng khuếch đại tớn hiệu.

Công suất nhiễu riêng này sẽ kích thích bức xạ của các ion Er3+ từ trạng thái kích thích và tỷ lệ với tích σe( ) ν N2, trong đó σe( ) ν là tiết diện bức xạ tại tần số ν, N2 là mật độ tích luỹ tại mức kích thích.

Những thông số đặc trưng của một bộ khuếch đại quang EDFA

Hệ số tăng ích quang trong môi trường khuếch đại phụ thuộc vào tần số (hay bước sóng) của tín hiệu quang tới và cường độ chùm ánh sáng khuếch đại tại các điểm khác nhau của bộ khuếch đại quang. Biểu thức (3.22) có thể sử dụng để tính toán các đặc trưng quan trọng của khuếch đại quang như băng tần khuếch đại, hệ số khuếch đại và công suất ra bão hòa. (3.30) Hệ số khuếch đại quang trong môi trường khuếch đại phụ thuộc vào tần số của tín hiệu quang tới, cường độ chùm sáng khuếch đại tại các điểm khác nhau của bộ khuếch đại quang và chiều dài sợi quang pha tạp Er3+.

Hệ số khuếch đại lúc đầu tăng nhanh theo quy luật hàm mũ đối với công suất bơm, sau đố tốc dộ tăng của G sẽ nhỏ dần khi công suất bơm vượt quá ngưỡng xác định bão hòa. Khi độ dài L lớn hơn một giá trị tối ưu nào đó đối với công suất bơm thì đoạn sợi thừa sẽ không được bơm đủ và trong bộ khuếch đại sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ tín hiệu đã khuếch đại trong đoạn trước. Những đường cong này giúp nhà thiết kế xác định công suất bơm cần thiết để có được tăng ích của bộ khuếch đại và công suất tín hiệu ra xác định.

Việc nghiên cứu sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại theo bước sóng là rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống ghép kênh theo nhiều bước sóng (WDM). Phổ của khuếch đại bức xạ tự phát ASE có dạng gần giống với phổ của hệ số khuếch đại nên nó cung cấp các thông tin có ích về các đặc tính của bộ EDFA. Ban đầu khi công suất bơm thấp, nghịch đảo độ tích lũy còn yếu thì đỉnh phổ ASE tại bước sóng 1530nm rất thấp do xác suất hấp thụ và bức xạ là gần nhau (theo phổ hấp thụ và bức xạ của ion Er3+).

Khi tăng dòng bơm, nghịch đảo độ tích lũy ngày càng tăng lên và đạt tới chế độ bão hòa thì đỉnh phổ ASE tại vị trí bước sóng 1530nm sẽ cao dần lên và khi tới chế độ bão hòa thì nó đạt cực đại tại vị trí cao nhất. EDFA là thiết bị đặt trên đường truyền tín hiệu, nên yêu cầu không được làm méo dạng tín hiệu và phát sinh tạp âm lớn, hệ số khuếch đại không phụ thuộc nhiều vào bước sóng và độ phân cực của tín hiệu vào. Trong thông tin quang thành phần nhiễu chủ yếu do các bộ khuếch đại quang, với khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+ thành phần nhiễu chủ yếu là do ASE và sự thay đổi cường độ quang ở lối ra của bộ khuếch đại.