1.3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động.
Các nghiên cứu về khuếch đại và laser sợi thuỷ tinh HMF đã đợc đề cập trong các phần trớc sử dụng các ion đất hiếm nh Er3+, Tm3+ . Gần đây dao
động laser đã đợc chứng minh ở trong sợi thuỷ tinh HMF pha tạp Praseodymium. Cơ chế hấp thụ và bức xạ năng lợng đợc minh hoạ trong hình 1.39. Mặc dù Pr3+ có nhiều đờng dịch chuyển nhng chỉ có 2 sự dịch chuyển tại 885 nm và 910 nm thể hiện dao động laser trong vùng hồng ngoại.
Mỗi dịch chuyển này có có một mức ngỡng và dải điều chỉnh riêng. Đờng kính lõi sợi Florua, chiều dài sợi và chỉ số khúc xạ có giá trị là 12 m, 60 cm à và 0,013. Sợi đợc pha tạp 1200 ppm và bơm ở 476,5 nm sử dụng một laser argon-ion.
Hình 1.39.Giản đồ năng lợng của Pr3+
Sự hấp thụ của các photon 476,5 nm là nguyên nhân kích thích ở mức 3P0
nh trong hình 1.39. Năng lợng giữa mức 3P0 và mức 3P1 khác nhau và số lợng tơng ứng của hai mức này theo định luật Maxwell-Boltzman là xấp xỉ 95 và 5%. Sự phân bố này dẫn tới phổ Florua quan sát đợc trong đó mỗi
đờng bức xạ từ mức 3P0 đợc phụ thêm bởi một đờng yếu hơn (đờng dịch chuyển xanh từ mức 3P1). Thời gian tồn tại của cả hai mức là 15 àm. Bức xạ ở
3H4 3H5 3H6 3F2 3F3 3F4 1G4 1D2 3P1 3P0 3P2
476,5 nm
695 nm 885 nm
910 nm 715 nm
695 nm 635 nm 610 nm 1,3 àm
Absorption Emission
885 và 910 nm xuất hiện từ mức 3P1 và mức 3P0 . Hơn nữa, đờng tại 885 nm duy nhất có 2 bớc sóng ra là 880 và 886nm, do đó tất cả các bức xạ khác chỉ tìm ra cấu trúc. Giản đồ phản chiếu của các gơng đầu ra dẫn tới làm tăng công suất ra không có lợi cho mức ngỡng công suất cao hơn, mặc dù tình huống này có thể đợc cải thiện bằng cách sử dụng sợi đơn mode với một suy hao thấp hơn.
Có lẽ kết quả quan trọng nhất của các nghiên cứu sợi thuỷ tinh HMF pha tạp đất hiếm là sự phát triển của khuếch đại quang sợi pha tạp Praseodymium (PDFA) hoạt động ở cửa sổ viễn thông thứ 2 tại 1,31 m. tại nơi mà tán sắc à của silica là nhỏ nhất. Hầu hết các hệ thống thông tin sợi quang hoạt động trong cửa sổ này và có sự cần thiết lớn đối với một bộ khuếch đại quang hiệu suất cao trong vùng này. PDFA hoạt động trên sự dịch chuyển 1G4 về mức 3H5 của Pr3+ . Trong một trung tâm silica chuẩn thì sự dịch chuyển này bị chấm dứt không bức xạ, do đó sự khuếch đại là không có giá trị. Do năng lợng photon thấp hơn của thuỷ tinh HMF nên các dịch chuyển hoạt động và Florua hoá từ dịch chuyển này. Hiệu suất lợng tử đo đợc xấp xỉ khoảng 3 % đối với Pr trong thuỷ tinh ZBLAN. Ohishi là ngời đầu tiên chứng minh có một bộ khuếch đại PDFA có một độ tăng ích và độ bão hoà đầu ra cao.Với một độ khuếch đại là 30,1 dB tại 1,309 m, hệ số tăng ích là 0,04 dB/mW và độ bão à hoà công suất đầu ra là 13 dBm trong sợi ZBLAN đợc pha tạp với 500 ppm Pr.Sợi pha tạp dài 23 m có đờng kính lõi là 3,3 m; bớc sóng cắt là 0,65 à àm và ∆n là 0,6 %. Sau đó độ khuếch đại đã đợc tăng lên 38,2 dB tại 1,31 àm do Miyajima trong một sợi ZBLAN pha tạp 2000 ppm Pr và đợc bơm với công suất 300 mW tại 1,017 m. Sợi có đờng kính lõi là 2,3 m, đờng kính lớp à à vỏ là 125 àm, bớc sóng cắt là 1,26 àm và ∆n là 3,8 %; chiều dài sợi xấp xỉ 8 m, hệ số khuếch đại là 0,21 dB/mW tại công suất bơm 100 mW.
Kể từ đó các cải thiện đáng kể đợc tạo ra dựa trên chất lợng sợi, khẩu
độ số NA và sự cô đặc Pr tới mức cao nhất. Các nghiên cứu tiếp tục thực hiện trên đặc tính chất liệu và trên sự cải thiện hiệu suất của PDFA. Nishida đã
nghiên cứu thay đổi thành phần cấu tạo HMF là sự phát triển đáng kể nhất.
Nghiên cứu cho ra độ khuếch đại với một hệ số khuếch đại đơn là 0,36 dB/mW trong một sợi Florua PbF2/InF3 , khẩu độ số NA cao pha tạp Pr. Hiệu suất phổ trong sợi này gấp 2 lần sợi ZBLAN (6,1% so với 3,4 % ở sợi thuỷ tinh cơ bản ZnF4).
1.3.2. Mô hình khuếch đại.
Khuếch đại PDFA có mô hình khuếch đại 4 mức dịch chuyển 1G4 - 3H5
dựa trên sơ đồ các mức năng lợng trong hình 2.21. Thời gian tồn tại tự phát của các mức 1G4,1D2 và 3P0 ký hiệu là τi với i = 4ữ6. Các giá trị đo đợc của τ4, τ5 và τ6 là 100, 350 và 58 àm đối với 1 sợi Florua ZnF4 cơ sở pha tạp Pr3+ . Bơm photon hút trạng thái đất (GSA) xuất hiện giữa mức 3H4 và mức 1G4 . Các photon cũng đợc hút bởi bơm ESA giữa mức 1G4 và mức 3P0 và bức xạ kích thích giữa mức 1G4 và mức 3H4. Các photon tín hiệu đợc hút bởi GSA mức
1G4 về mức 3F4 cũng nh ESA từ mức 1G4 về mức 1D2. Hơn nữa, số lợng mức
1G4 có thể bị giảm bởi nguyên nhân của sự chuyển đổi dịch chuyển (1G4 →
1D2 ) tíi (1G4 → 3H5).
Hình 1.40. Giản đồ năng lợng và dịch chuyển của ion Pr3+ trong ZBLAN Sự chuyển đổi tăng lên bởi vì năng lợng khác nhau giữa mức 1G4 và 1D2
phù hợp với năng lợng khác nhau giữa mức 1G4 và 3H5. Quá trình này làm suy biến các đặc trng khuếch đại và có thể trong bất kỳ model hiện có của PDFA. Mức 1G4 đợc xác định do sự phân rã từ mức 3P0 và 1D2.
1.3.3. các đặc trng khuếch đại cơ bản.
a/Phổ khuếch đại.
Khác với phổ khuếch đại của EDFA, phổ khuếch đại của PDFA không phải là đờng liên tục. Phổ khuếch đại có đỉnh tại 1,3 àm và nó tạo ra một cửa sổ viễn thông từ 1,29 àm đến 1,33 àm bất kể các điều kiện về công suất tín hiệu và công suất bơm. Độ rộng phổ là 3 dB sẽ giảm khi tăng công suất bơm và giảm công suất tín hiệu vào.
N1
N2
N3
N4
N5
N6 3P0
1D2
1G4 3F4 3H5 3H4 ESA of
pump photons
GSA of pump photons
Stimulated emission of pump photons
GSA of signal photons
Stimulated emission of signalphotons
ESA of signal photons
τ6
τ5
τ4 Cooperative up-conversion
Hình 1.41. ảnh hởng của độ dài tới độ khuếch đại
Hình 1.41 minh hoạ sự phụ thuộc mạnh của phổ khuếch đại tín hiệu vào
độ dài PDF. Độ rộng dải khuếch đại giảm 3 dB khi độ dài tăng vì tín hiệu khuếch đại tại các bớc sóng cao hơn 1,3 àm giảm khi tăng độ dài vì tín hiệu GSA.Do đó đánh giá độ dài PDF là rất quan trọng để đạt đợc độ khuếch đại cao và độ rộng dải khuếch đại lớn.
Hình 1.42. ảnh hởng của độ dài tới độ khuếch đại và độ rộng dải khuếch đại
Hình 1.42 minh hoạ quan hệ giữa độ khuếch đại tín hiệu và độ rộng dải khuếch đại 3dB. Khuếch đại tín hiệu tăng cùng với độ dài tăng cho tới khi đạt
đợc một độ dài tốt nhất. Khuếch đại tín hiệu sau đó giảm một cách không
đáng kể khi tăng độ dài do suy hao cách tử của PDF. Trái lại, độ rộng dải khuếch đại giảm một cách đơn điệu khi độ dài tăng. Cuối cùng là sợi pha tạp Pr3+ đợc sử dụng trong một modul khuếch đại PDFA phải đợc điều chỉnh tới
độ dài tốt nhất phụ thuộc vào các tham số cần thiết là lớn nhất.
Quan hệ giữa độ khuếch đại tín hiệu, khuếch đại bên trong và tín hiệu GSA trong một sợi florua cơ sở ZnF4 pha tạp Pr3+có thể thấy rõ từ hình vẽ 1.42. Bớc sóng phụ thuộc vào suy hao sợi, nó bao gồm cả suy hao cách tử và tín hiệu GSA do vì bớc sóng phụ thuộc vào GSA. Mặc dù đỉnh bớc sóng của tín hiệu khuếch đại là gần 1,3 m, đỉnh của phổ khuếch đại bên trong là 1,31 à àm. Bớc sóng này thay đổi là vì ảnh hởng của phổ GSA.
Hình 1.43. Quan hệ giữa độ khuếch đại tín hiệu, khuếch đại bên trong và tín hiệu GSA
b/Độ bão hoà khuếch đại.
Hình 1.44 minh hoạ đặc trng bão hoà khuếch đại điển hình đối với một sợi cơ sở ZnF4 pha tạp Pr3+ . Công suất bão hoà khuếch đại đối với tăng ích
nén 3 dB giảm từ 12 xuống 10 và 9,5 dBm khi bớc sóng tín hiệu tăng từ 1,29 àm lên 1,31 àm và 1,33 àm. Đây là vì tín hiệu ESA. Tuy nhiên, tín hiệu ESA trong đoạn từ 1,29 m tới 1,33 m là nhỏ hơn 10 lần đoạn xuyên qua kích à à thích. Tác động của tín hiệu ESA lên tín hiệu khuếch đại là không đáng quan tâm. Hơn nữa, hiệu suất chuyển đổi công suất và độ dốc hiệu suất là các tham số quan trọng đặc trng cho sự bão hoà của một bộ PDFA. Trong các nghiên cứu trớc đây có đợc 36% đối với bớc sóng bơm 1010 nm và 21% đối với bớc sóng bơm 1047 nm. Hiệu suất chuyển đổi công suất lớn nhất là khoảng 80 %.
Hình 1.44. Đặc trng bão hoà khuếch đại đối với sợi cơ sở ZnF4 pha tạp Pr3+
tại ba bớc sóng c/Hình ảnh nhiễu (Noise Figure).
Nếu không có tín hiệu ESA và tín hiệu GSA trong PDFA thì NF tốt nhất của bộ khuếch đại này sẽ có giá trị là 3 dB đối với bộ khuếch đại quang lý tởng dựa trên dịch chuyển kích thích. Tuy nhiên, vì sợi pha tạp Pr3+ có một vài ảnh hởng bởi ESA và GSA. Bỏ qua suy hao cách tử PDF, NF có thể đợc viÕt nh sau:
NF = 2 NSP ≈3 dB (λs <1,31 àm) (1.38)
10 log [2/(1-σ45/σ42 - σ45N1/σ45N4)] (dB) (λs <1,31 àm)
Hình 1.45 Minh hoạ phổ NF của khuếch đại quang sợi cơ sở ZnF4 pha tạp Pr3+ . Hình ảnh nhiễu NF = 3,4 dB tại các bớc sóng nhỏ hơn 1,31 àm.
Giữa các mức NF khác nhau 0,4 dB và giá trị giới hạn là 3 dB do suy hao cách tử của sợi PDF. Ngợc lại, tại các bớc sóng lớn hơn 1,31 m NF trở nên tồi à tệ hơn với sự tăng bớc sóng tín hiệu, do vì đoạn xuyên tín hiệu ESA σ45 và
đoạn xuyên GSAσ41 , nh đợc biểu diễn trong phần thứ 2 và thứ 3 của mẫu số trong công thức tính NF ở trên.
Hình 1.45. Phổ NF của khuếch đại quang sợi cơ sở ZnF4 pha tạp Pr3 Hình 1.45. Minh hoạ sự phụ thuộc độ tăng ích và NF vào công suất ra của tín hiệu. Với một công suất bơm là 780 mW. Khuếch đại tín hiệu nhỏ tại 1,3 àm là sấp xỉ cao bằng 18,5 dB. Hình ảnh nhiễu vào khoảng 5dB và không thay đổi với các bớc sóng nhỏ hơn 1,31 m bởi vì tính chất 4 mức của xử lý à khuếch đại. Điều này và các kết quả trớc chỉ ra rằng các bộ PDFA có thể khuếch đại các tín hiệu với một hình ảnh nhiễu trong khoảng giới hạn là 3 dB trừ khi với vùng bớc sóng cao hơn 1,31 àm.
Hình 1.46. Sự phụ thuộc độ tăng ích và NF vào công suất ra của tín hiệu d/Sự phụ thuộc nhiệt độ.
Các đặc trng phụ thuộc nhiệt độ của sợi pha tạp Pr3+ là rất quan trọng trong các ứng dụng thực tiễn và đã đợc nghiên cứu kỹ cả trong lý thuyết và trong thực nghiệm. Hình 1.47. a) và b) minh hoạ sự phụ thuộc nhiệt độ của độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu đối với một sợi florua cơ sở ZnF4 pha tạp Pr3+
dài 15 m, các bớc sóng thay đổi từ 1,28 đến 1,33 àm. Nhiệt độ của sợi thay
đổi từ - 40 0C đến 80 0C. Bất kể bớc sóng tín hiệu, độ khuếch đại giảm đều khi nhiệt độ sợi tăng. Ngợc lại, hình ảnh nhiễu tăng cùng với sự tăng nhiệt độ
đối với các bớc sóng tín hiệu cao hơn 1,31 àm. Trong khi nó thay đổi không
đáng kể tại các bớc sóng nhỏ hơn 1,31 àm.
Hình 1.47. Minh hoạ sự phụ thuộc nhiệt độ của độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu
Hình 1.48 Minh hoạ công suất ra bão hoà tăng cùng với nhiệt độ tăng.
Lu ý rằng sự phụ thuộc nhiệt độ của độ khuếch đại và công suất ra có thể
đợc bù bằng cách sử dụng kỹ thuật điều khiển công suất tự động (APC) và
điều khiển khuếch đại tự động (AGC) trên dải nhiệt độ từ - 40 0C đến 80 0C.
Hình 1.48. Minh hoạ sự phụ thuộc nhiệt độ của công suất ra bão hoà
Hình 1.49 minh hoạ sự phụ thuộc nhiệt độ của khuếch đại tín hiệu nhỏ của bộ khuếch đại PDFA tại một vài bớc sóng từ 1,29 àm ữ 1,33 àm. Bao gồm vùng thay đổi nhiệt độ dới -40 0C. Độ khuếch đại không tăng đều dới - 40 0C, thay vì điều đó nó biểu thị một giá trị lớn nhất mà không phụ thuộc vào bớc sóng tín hiệu.
Hình 1.49. Sự phụ thuộc nhiệt độ của PDFA tại bớc sóng từ 1,29 àm ữ1,33 àm
1.3.4. Kü thuËt ghÐp nèi.
Kỹ thuật nối sợi Florua pha tạp Pr3+ và sợi silica đợc minh hoạ nh
trong hình vẽ 1.50. Mô tả sơ đồ cấu hình modul PDFA sử dụng một sợi silica NA cao tại đầu vào và đầu ra. Để đạt đợc một suy hao thấp khi kết nối giữa hai sợi florua và silica thì hai sợi nhất thiết phải có cùng các tham số nh ∆n,
đờng kính lõi và bớc sóng cắt.
Hình 1.50. Sơ đồ cấu hình ghép nối sợi pha tạp Pr3+ và sợi silica
Kỹ thuật nối rãnh chữ V đợc minh hoạ trong hình 1.51. Kỹ thuật này
đợc sử dụng khi PDF có tham số n cao và yêu cầu đạt độ khuếch đại cao. ∆ Các sợi đợc sếp thẳng hàng và liên kết một cách cẩn thận bằng chất dính UV.
Hình 1.51. Kỹ thuật nối chữ V hai sợi pha tạp Pr3+ và sợi silica 1.3.5. CÊu h×nh modul PDFA.
Cấu hình điển hình của các bộ khuếch đại pha tạp Pr gồm cấu hình khuếch đại đơn, khuếch đại kép và cấu hình khuếch đại tầng.
Cấu hình khuếch đại đơn đợc minh hoạ trong hình 1.52, đây là cấu hình chuẩn đợc sử dụng trong các bộ khuếch đại PDFA hiện nay. Nó có thể cho mộ độ khuếch đại tín hiệu vào khoảng 30 dB bằng cách sử dụng bốn diode laser InGaAs, mỗi diode phát một công suất khoảng 100 mW. Gần đây thì các công suất bơm của modul diode laser đã tăng lên trên 200 mW và một modul PDFA đợc bơm bởi 2 diode laser để đạt một độ khuếch đại trên 30 dB.
Tilted V-groove splice
Mechanically polished surface UV curable adhesive High NA silica fiber
∆n: 2.5 3.7%; - cut-off: 1àm
High NA Pr-doped fluoride fiber
∆n: 2.5 3.7%; cut- -off: 1àm
Hình 1.52. Cấu hình khuếch đại đơn
Cấu hình khuếch đại kép đợc minh hoạ nh trong hình 1.53, Trong cấu hình sử dụng một bộ truyền quang và một bộ phản xạ dùng trong thực hành nhiều hơn để thu đợc một độ khuếch đại cao hơn ở một công suất bơm thấp hơn. ý tởng thiết kế cơ bản là giống nh đối với khuếch đại EDFA. Cả tín hiệu và bơm đợc phản xạ bởi bộ phản xạ ánh sáng. Tín hiệu ánh sáng đợc khuếch đại cả hai hớng đi và về. Vì vậy, hệ số khuếch đại tín hiệu sẽ tăng gấp 2 lần cấu hình khuếch đại đơn. Cấu hình khuếch đại kép cho một hệ số khuếch đại là 0,4 dB/mW.
PM PM
Isolator
Pr3+ doped fluoride fiber
Isolator WDM fiber
coupler WDM fiber
coupler 1.017 àm LD
Modules
1.017 àm LD Modules
V-groove connection
V-groove connection High-NA fiber
TEC TEC
LD Driver
PM: Polarization multiplexing device
Signal input
WDM fiber coupler Optical
circulator V-groove
i
TEC TEC
PDFA sub-module
Signal input
Signal amplification 1.017 àm
pump LD module
Reflective mirror
Hình 1.53. Cấu hình khuếch đại kép
Cấu hình khuếch đại tầng nh trong hình 1.54, Trong cấu hình đợc kết hợp một bộ cách ly, một bộ lọc quang giữa hai PDF, tạo ra các đặc trng khuếch đại ổn định và độ khuếch đại max cao hơn bằng cách khử tín hiệu ASE trong PDF. Cấu hình này cũng đã đợc đa ra đối với khuếch đại EDFA
để thu đợc độ khuếch đại cao và các đặc trng nhiễu thấp. Bộ cách ly quang
đợc sử dụng để triệt ASE truyền trở lại từ tầng 2 về tầng 1. Bộ lọc quang
đợc sử dụng để làm giảm ASE đi từ tầng này sang tầng kia. Do đó, cấu hình tầng thu đợc kết quả cải thiện đáng kể trong các đặc trng khuếch đại tín hiệu.
Hình 1.54. Cấu hình khuếch đại tầng
Isolator WDM
fiber WDM
fiber
1.017 àm LD Modules
V-groove
connection V-groove connection High-NA fiber
TEC TEC
Isolator WDM
fiber WDM
fiber
1.017 àm LD Modules
V-groove
connection V-groove connection High-NA fiber
TEC TEC
1.017 àm LD Modules
1.017 àm LD Modules
Signal
input Signal
output Optical
filter
PDF PDF