Nguồn laser bơm công suất cao
Hình 3.1. Nguồn laser bơm phát xạ trong vùng 1420 -1480 nm công suất đến 200 mW
Bộ nguồn bơm là một laser bán dẫn có bước sóng λ = 1420-1460 nm có công suất cực đại là 200 mW, phát xạ đơn mốt, nhiệt độ làm việc luôn luôn được đặt ở 250C. Laser
được hàn trên mạch điện tử cung cấp dòng bơm đến 700 mA, độ chính xác +/- 1%.
Laser bơm phát xạ tại bước sóng 1460 nm với độ rộng phổ khá hẹp đã cho công suất phát xạ tổng đạt đến 22, 75 dBm (gần 200 mW) tại dòng bơm 660 mA.
Hình 3.2. Phổ phát xạ của mô-đun laser bơm…khi dòng bơm đạt 660 mA,
31
Máy đo phổ quang (OSA)
Hình 3.3. Máy đo phổ quang (OSA) với băng tần từ 600 nm đến 1700 nm,
độ phân giải phổ 0,01 nm
Để đo phổ phát xạ laser và phổ tán xạ Raman xảy ra trong sợi quang chúng tôi sử
dụng phân tích phổ quang. Thiết bị đo phổ Advantest Q8384 là máy phân tích phổ chuyên dụng cho sợi quang sử dụng cách tử nhiễu xạ. Thiết bị Q8384 có độ phân giải phổ theo bước sóng 10pm, độ chính xác của bước sóng đo ±20pm, vùng bước sóng hoạt động từ
600nm đến 1700nm, vùng công suất quang đo được từ -87dBm đến 23dBm (tương
đương từ 1 pW đến 200 mW). Số liệu đo đạc được lấy ra bằng ổđĩa mềm 3.5 inch hoặc
đồ thị qua máy in nội.
Sợi nhạy quang (Photoensitive fiber)
Hình 3.4. Sợi nhạy quang với nồng độ pha tạp Ge đến 18 mol% sử dụng trong thực
32
Sợi nhạy quang có nồng độ pha tạp Ge cao được chế tạo nhằm mục đích sử dụng trong một số linh kiện quang sợi đặc biệt như: cách tử Bragg trong sợi quang(FBG), bộ
trễ quang… Các nghiên cứu gần đây cho thấy sợi nhạy quang sử dụng nồng độ Ge pha tạp từ 14 mol% trở lên có thể dùng để tạo môi trường tán xạ Raman mạnh cho bộ khuếch đại Raman. Cần lưu ý rằng, các bộ khuếch đại Raman đang sử dụng trên tuyến thực tế luôn luôn có cấu trúc sợi quang tiêu chuẩn + sợi quang đặc biệt (DCF hoặc nhạy quang), vì vậy chúng tôi cũng tiến hành nghiên cứu theo cấu trúc này.
Bộ ghép đa bước sóng (WDM)
Bộ ghép kênh theo bước sóng, cho phép ghép các bước sóng trong khoảng 1420 nm - 1490 nm được sử dụng để khảo sát cấu hình bơm – tín hiệu và các cấu trúc bơm đa bước sóng cho bộ khuếch đại ROA.
Hình 3.5. Bộ ghép kênh theo bước sóng WDM 1480/1550 nm.
3.2 Sơđồ thiết lập cho thực nghiệm
Sơđồ khảo sát hiệu ứng laser cưỡng bức Sợi nhạy quang Hình 3.6. Sơđồ khảo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức. WDM Laser tín hiệu OSA Laser bơm
33 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sơđồ để khảo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là laser đơn mốt và laser đa mốt cơ bản giống nhau. Quá trình thực nghiệm để khảo sát hiệu ứng tán xạ
Raman cưỡng bức được thực hiện như sau:
Hàn lối ra của 2 mô-đun laser tín hiệu và laser bơm với 2 đầu vào của bộ ghếp kênh theo bước sóng (WDM), đầu ra còn lại của bộ WDM được hàn với một đầu của sợi nhạy quang + sợi quang tiêu chuẩn SMF-28, đầu ra của cuộn sợi đựoc hàn với conector quang và nối với thiết bị phân tích phổ quang Advantest Q8384.
Thay đổi chiều dài sợi quang với chiều dài tăng dần từ 14 km cho tới 28km với mỗi sự thay đổi của chiều dài sợi quang, phổ phát xạ qua sợi quang được ghi lại bằng thiết bị
phân tích phổ.
3.3 Các kết quả thực nghiệm và thảo luận
3.3.1.Kết quả thực nghiệm
Khảo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là Laser đơn mốt.
Bộ nguồn tín hiệu
Hình 3.7. Bộ nguồn tín hiệu quang laser đơn mốt phát xạ tại bước sóng 1552 nm
a)Nguồn tín hiệu là một laser đơn mốt.
Nguồn tín hiệu quang là một laser DFB phát xạ đơn mốt có bước sóng 1552 nm. Công suất của tín hiệu quang qua khuếch đại EDFA có thể đạt đến 16.85 dBm (tương
đương ~ 50 mW). Nguồn tín hiệu quang với công suất quang thay đổi được từ -6 dBm
đến +17 dBm rất thích hợp để khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức trong sợi quang Tuy nhiên tại các vùng sóng chung quanh phổ tín hiệu có các đỉnh phổ nhỏ, vì vậy các phổ này có thểảnh hưởng đến thông số tạp âm của tín hiệu đã khuếch đại.
34
Hình 3.8. Phổ phát xạ của tín hiệu quang từ laser DFB đã được khuếch đại
Hệ khảo sát sự phụ thuộc công suất của nguồn tín hiệu đã được khuếch đại dọc theo sợi quang nhờ hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức theo sơ đồ 3.10.Laser bơm có bước sóng 1460 nm hoạt động ổn định ở 250 C, nguồn tín hiệu là laser đơn mốt có đỉnh là 1552,9 nm, hoạt động ổn định ở 250C. Tiến hành khảo sát thí nghiệm lần lượt với các sợi quang có chiều dài khác nhau theo thứ tự:khảo sát laser tín hiệu mà không có laser bơm , giá trị công suất của nguồn tín hiệu được ghi lại, sau đó tiến hành khảo sát laser tín hiệu có nguồn bơm. Giá trị đo được như sau:
Bảng 3.1.Khảo sát công suất tại đỉnh của laser đơn mốt
Băng thông khuếch đại:∆λ=0,580 nm. Chiều dài sợi(km) Công suất tín hiệu ra Pout(dBm) Hệ số khuếch đại G(dB)
Không có laser bơm Có laser bơm
10 -12,58 -12,14 0,44 14 -13,43 -12,97 0,46 18 -14,62 -14,15 0,47 20 -15,60 -15,01 0,59 24 -17,34 -16,64 0,7 26 -18,52 -17,70 0,82 28 -19 -18,42 0,58
35
Dưạ vào bảng số liệu ta có sơđồ phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào chiều dài sợi quang cũng như sự thay đổi của công suất ra khi có và không có laser bơm.
Hình 3.9.Sự phụ thuộc của công suất ra khi có và không có laser bơm
Hình 3.10. Hệ số khuếch đại khi có tán xạ Raman cưỡng bức theo chiều dài sợi quang
Nhìn vào đồ thị ta có thể rút ra nhận xét :nguồn tín hiệu rõ ràng là được khuếch đại và hệ số khuếch đại này có giá trị tăng dần đến 26 km nó đạt giá trị lớn nhất nhưng hệ số
khuếch đại G nhỏ, không đạt được giá trị lớn như mong đợi. Điều này có thể giải thích như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi công suất quang của Laser bơm không đổi, các photon của laser bơm chỉ có thể
truyền cho một số lượng phân tử nhất định để chúng dao động và tạo ra hiệu ứng Raman cưỡng bức. Khi tăng chiều dài sợi quang, đồng thời giữ nguyên giá trị công suất bơm, tức
36
là chúng ta đã tăng số lượng các phân tử trong môi trường tán xạ trong khi không tăng năng lượng kích thích, do vậy mà cường độ của tán xạ Raman cưỡng bức giảm xuống dẫn
đến hệ số khuếch đại giảm. Mặt khác do hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức yêu cầu nguồn bơm công suất cao thì mới đạt được giá trị tối ưu trong khi nguồn laser bơm tối đa chỉ đạt 200mW vẫn là nhỏđể có thể đạt giá trị G cao hơn. Một điểm quan trọng khác là tán xạ Raman cưỡng bức sẽ xảy ra mạnh nhất với ∆λ=80-100nm, do vậy khảo sát với laser đơn mốt sẽ có hiện tượng chênh bước sóng giữa bước sóng được khuếch đại với bước sóng cần được khuếch đại.Điều này có thể giảm thiểu bằng cách khảo sát với nguồn tín hiệu là laser đa mốt ở phần dưới đây.
Khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là một laser đa mốt. b)Nguồn tín hiệu là một laser đa mốt.
Nguồn tín hiệu là một laser đa mốt, trong đó các mốt chính được khảo sát có đỉnh là 1542,28 nm;1546,6 nm;1545,52 nm. Laser đa mốt có dòng nuôi tối đa là tới 30 mA ,ngưỡng phát là 9,7 mA và được tiến hành thí nghiệm trong điều kiện nhiệt độ ổn định là 250C.
Hình 3.11. Bộ nguồn tín hiệu là laser đa mốt và phổ của nó
Cấu hình khảo sát,cách tiến hành giống như khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là laser đa mốt,chỉ khác một điều là nguồn tín hiệu là laser đa mốt. Kết quả khảo sát thu được được trình bày ở dưới đây:
Khảo sát tín hiệu khi qua sợi quang với các chiều dài khác nhau ta lần lượt thu được phổ của nguồn tín hiệu được khuếch đại bởi nguồn bơm như sau
37 (a) (b) (c) (d) (e)
Hình 3.12Phổ của tín hiệu tại các chiều dài khác nhau:
38 Kết quả khảo sát tại một sốđỉnh như sau: Bảng 3.2. Khảo sát công suất tại 3 đỉnh của laser đa mốt Chiều dài sợi quang (km) Côngsuất(dBm) tại 1542,28 nm Công suất (dBm) tại 1545,52 nm G (dB) Công suất (dBm) tại 1546,6 nm Không có laser bơm Có laser bơm Không có laser bơm Có laser bơm Không có laser bơm Có laser bơm 14 -25,57 -16,51 -11,71 -9,82 1,89 -22,65 -22,44 16 -21,60 -20,8 -15,69 -14,86 0,83 -37,92 -35,15 18 -25,84 -21,32 -15,23 -14,34 0,89 -33,99 -33,27 22 -25,63 -25,15 -19,89 -18,88 1,01 -34,35 -32,56 26 -25,53 -25,48 -21,36 -20,17 1,19 -35,53 -32,99 28 -36,97 -36,49 -30,35 -30,15 0,20 -36,93 -36,38
Nhận xét:tại cả ba đỉnh ta đều nhận thấy hiện tượng khuếch đại khi có sự xuất hiện của sóng bơm. Xét cụ thể tại bước sóng 1545,52 nm, ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại theo chiều dài sợi quang như sau:
39
Ta thấy hệ số khuếch đại G tăng dần khi sợi quang có chiều dài thay đổi từ 16 km
đến 26 km, khi sợi quang có chiều dài 26 km thì G đạt giá trị lớn nhất sau đó nó giảm dần khi chiều dài sợi quang tiếp tục tăng, nguyên nhân về cơ bản là giống với trường hợp nguồn tín hiệu là laser đơn mốt, nhưng đối với riêng trường hợp laser đa mốt ta tránh
được hiện tượng chênh bước sóng. Mặt khác, khi nguồn tín hiệu là laser đa mốt thì các mốt có bước sóng nhỏ hơn cũng đóng vai trò là nguồn bơm (sóng Stokes), do đó hệ số
40
Kết luận
Tóm lại ,những kết quả nổi bật mà chúng tôi đã thu được khi tiến hành khảo sát phổ tán xạ Raman trên sợi quang là như sau:
Trong trường hợp nguồn tín hiệu là laser đơn mốt hay đa mốt, phổ tán xạ Raman
trong sợi quang silica pha tạp Ge nồng độ cao đều dịch về phía sóng dài so với bước sóng bơm là 80-100 nm. Tuy nhiên hệ số khuếch đại thu được tại một số mốt xác định của laser
đa mốt là tốt hơn rất nhiều so với trường hợp của laser đơn mốt do hiện tượng chênh bước sóng giữa tín hiệu được khuếch đại và tín hiệu được nghiên cứu.
Cường độ tán xạ Raman trong sợi phụ thuộc vào chiều dài của sợi quang, đối với nguồn bơm bước sóng 1460 nm có công suất 200 mW chiều dài sợi quang 26 km cho hệ
số khuếch đại là lớn nhất.
Trên cơ sở những kết quả thực nghiệm đã thu được tôi đề xuất hướng phát triển của
đề tài như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tiến hành khảo sát sự phụ thuộc công suất vào nguồn bơm ở các sợi nhạy quang khác với chiều dài lớn hơn nữa: 40 km, 50 km hoặc hơn nữa.
Nâng công suất bơm lên đến bậc 1 watt và khảo sát hiệu ứng Raman với công suất bơm lớn.
Ghép thêm tín hiệu vào thông qua WDM để kháo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức
đồng thời khảo sát hệ số khuếch đại tín hiệu cũng như chỉ số nhiễu.
Trên cơ sở những kết quả thu được chế tạo thử nghiệm bộ khuếch đại quang sợi Raman.
41
Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt
[1] Đỗ Văn Việt Em “Kỹ thuật thông tin quang 2”.
[2] PGS.TS Phạm Văn Hội “Giáo trình thông tin quang sợi”.
[3] PGS.TS Vũ Doãn Miên “Cơ sở thông tin quang sợi” ,2001.
Tiếng Anh
[1] A.M. Rocha, B. Neto, M. Facao, P.S. Andre, “Low cost incoherent pump solution for Raman fiber amplifier”, J.Opt. Applicata, v.XXXIX, No.2, pp. 287- 293 (2009)
[2] P.C.Beker, N.A.Olssonm, J.R.Simpson “Erbium Doped Fiber Amplifiers: Fundamentals and Technology”, Academic Press, 1998.
[3] Govind P.Agrawal “Fiber Optics Communication Systems” Rochester, NY 1997. [4] S.A. Varshney, K. Saitoh, M. Koshiba, P.J. Roberts, “Analysis of a realistic and
idealized dispersion compensating photonic crystal fiber Raman amplifier”, Opt. Fiber Techno., 13, pp. 174-179, (2007).