M Ở ĐẦ U 4
2.2.8.1S ợ i pha t ạ p erbium 49
B ộ phát quang 6
2.2.8.1S ợ i pha t ạ p erbium 49
Sợi pha tạp erbium là môi trường tích cực của một bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium. Nó được chế tạo cùng cách với các sợi thông thường, nhưng lõi của nó được pha tạp nặng bởi các ion erbium. Vì khuếch đại thực ra được thực hiện bởi các ion erbium nên cần thiết phải có sự tập trung cao của các ion này trong sợi silica. Để tăng mật độ của các ion erbium tức là số ion erbium trong một đơn vị thể tích của sợi silica, nhà sản xuất giảm đường kính lõi của sợi silica pha tạp erbium, điều này sẽ làm giảm đường kính trường mode (mode-field diameter - MFD). MFD của một sợi pha tạp erbium thay đổi từ 3 tới 6µm; MFD của một sợi bình thường, đặc trưng có phạm vi từ 9 đến 11µm. Trong đó MFD của một sợi pha tạp thì nhỏ (nghĩa là nó có đường kính lõi nhỏ), xác suất tác động giữa các ion erbium và các photon của tín hiệu thông tin tăng lên. Nói cách khác, đường kính lõi nhỏ tăng hiệu suất của quá trình khuếch đại.
Để đạt được khuếch đại hiệu quả hơn, nhà sản xuất không chỉ giảm đường kính lõi mà cũng tập trung hầu hết ion erbium vào vùng trung tâm của sợi nhỏ (xem hình 2.2.8.1.1). Sự tập trung các ion erbium vào vùng trung tâm thay đổi từ 100 tới 2000 ppm, như trong hình 2.2.8.1.1 chỉ ra. Sợi tích cực với sự tập trung ion erbium cao tới 5000 ppm cũng đã có trên thị trường
Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang
Hình 2.2.8.1 Sợi pha tạp erbium.
Kích thước của cả lớp vỏ phản xạ (cladding) và lớp vỏ bọc (coating) của sợi pha tạp erbium đều quan trọng. Những kích thước này là chuẩn so với sợi truyền dẫn đa mode và đơn mode. Tuy nhiên, kích thước lõi của một sợi tiêu chuẩn và sợi pha tạp erbium là khác nhau: 62,5 hoặc 50µm cho sợi đa mode; 8,3 µm cho sợi đơn mode, và 2,8 tới 5,2 µm cho sợi của bộ khuếch đại.
Dưới đây là đặc điểm kĩ thuật của một số loại sợi pha tạp erbium.
Bảng 2.1. Thông số kĩ thuật của một số loại sợi pha tạp erbium [3].
(của hãng Pirelli)
EDF-PAX-01 EDF-LAX-01 EDF-BAX-01
Khẩu độ số 0,24 ± 0,02 0,24 ± 0,02 0,22 ± 0,02
Bước sóng cắt (nm) 935 ± 35 935 ± 35 920 ± 40
Đường kính trường mode (µm) 4,8 – 5,9 4,8 – 5,9 5,2 – 6,6
Bước sóng hấp thụđỉnh (nm) <1529,5 1530,5±0,5 1531±0,5
Suy hao ở bước sóng hấp thụđỉnh (dB/m) 7±2 7±2 5±2
Suy hao với bơm ở 980nm (dB/m) 5±1,5 5±1,5 3,5±1,5
Background loss tại 1200nm (dB/km) <35 <15 <15
Công suất bão hòa đầu vào ở 1530nm (mW) 0,17 0,15 0,18
Ứng dụng Tiền khuếch đại, khuếch
đại in-line
Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang
Loại EDF-PAX-01 được thiết kế cho bộ tiền khuếch đại và in-line; nó cho băng tần độ lợi phẳng và rộng. Loại EDF-LAX-01 được thiết kếđể sử dụng cho các bộ khuếch đại in-line; nó cho hiệu suất chuyển đổi công suất cao và hệ số tạp âm thấp với công suất bơm trung bình. Loại EDF-BAX-01 được thiết kế sử dụng trong booster; nó cho công suất đầu ra cao.
Sợi pha tạp erbium với khẩu độ số thấp (NA) được sử dụng để tạo các EDFA với độ lợi cao và công suất đầu ra cao. Các sợi cho các bộ tiền khuếch đại và in-line có NA cao hơn (0,24) so với sợi booster (0,22). Thay đổi NA cho phép nhà sản xuất thay đổi hệ số tạp âm. NA cao cho mức tạp âm thấp. Để giảm tạp âm, các nhà sản xuất tạo ra các sợi pha tạp erbium với NA lên tới 0,29.
Nối một sợi pha tạp erbium là một vấn đề vì sự không phù hợp lớn vềđường kính giữa sợi đơn mode thông thường và một sợi khuếch đại. Đường kính lõi của sợi truyển dẫn đơn mode là ở từ 8 tới 10µm, trong khi đường kính lõi của sợi pha tạp erbium thay đổi từ 2,8 tới 5,2µm.
Để giảm suy hao nối, vài phương pháp đã được đề xuất. Tất cả chúng nhằm giảm sự không phù hợp vềđường kính lõi (và do đó MFD) .
Phương pháp vuốt thon bên dưới (down-tapering method) chỉ ra rằng cả sợi bình thường và sợi khuếch đại đều bị vuốt ra khi bị làm chảy do nung. Quá trình này giảm đường kính lõi của sợi bình thường hơn đường kính lõi của sợi pha tạp erbium, do đó làm giảm đi sự không phù hợp vềđường kính lõi
Phương pháp vuốt thon trên (up-tapering method) cũng được gọi là phương pháp lõi mở rộng được khuếch tán nhiệt (Thermally diffused Expanded – Core – TEC) tăng đường kính lõi của một sợi khuếch đại bằng cách khuếch tán các dopant (chất kích thích tạp) ở trên đầu bị nung nóng của sợi. Sự làm nóng được thực hiện bởi cùng bộ ghép nung chảy sử dụng để nối. Kết quả là giảm sự không phù hợp MFD.
Khi một sợi trung gian (interim) được dùng, đường kính lõi trung gian của nó làm giảm sự không phù hợp về MFD ở mỗi chỗ nối nhưng gây ra thêm suy hao do ghép nối.
Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang
Những phương pháp này chỉ có thể thực hiện khi sợi thường và sợi khuếch đại có cùng đường kính lớp vỏ phản xạ (cladding) và lớp vỏ bọc (coating). Cả phương pháp vuốt thon dưới và trên đều làm giảm được khoảng 10 lần suy hao nối gây ra bởi sự không phù hợp MFD.