1.2.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động.
a/Nguyên lý hoạt động.
Nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang sợi TDFA cũng đợc thực hiện nhờ cơ chế hấp thụ và bức xạ năng lợng nh hình 1.33. Sự hoạt động của laser Thulium sử dụng bơm cộng hởng đợc báo cáo lần đầu tiên với một laser đỏ bơm dịch chuyển trạng thái từ mức 3H6 lên mức 3F3 . Sau đó bơm laser diode đợc sử dụng để đạt tới dao động ở 2,3 àm. Bớc sóng này gần với bớc sóng có sự suy giảm nhỏ nhất trong sợi florua suy hao cực thấp, vì vậy hoạt
động của các bộ khuếch đại và laser gần bớc sóng này là một điều mong muốn đối với các hệ thống thông tin quang trong tơng lai. Hơn nữa, Tm có thể đợc bơm bởi laser diode công suất cao, giống nh AlGaAs vì sự hấp thụ trạng thái đất mạnh của Tm gần 790 nm.
Hình 1.33. Giản đồ năng lợng của Thulium.
Các nguồn laser hoạt động trong lân cận ánh sáng hồng ngoại có thể đợc mong đợi để tìm ra các ứng dụng trong các vùng, giống nh khả năng phán
đoán phân tử Gas trong y học. Thulium là một đề xuất cho các ứng dụng nh
vậy, bởi vì nó đợc phát ra tại các bớc sóng sấp xỉ ở giữa 1,6 và 2,1 àm và do
3H6 3H4 3H5 3H4 3F3 3F2 1G4 1D2
0,785 àm 0,6471 àm 0,6764 àm
0,82 àm 1,48 àm
2,3 àm
1,9 àm
0,48 àm 0,455 àm
1,51 àm
0,6471 àm ESA 0,6471 àm ESA
đó bao phủ dải của hơi nớc (1,88 m và 1,91 m); nớc tinh thể (1,94 à à àm);
CO2 (1,96 m; 2,01 à àm và 2,06 àm).
Các sợi florua kim loại nặng pha tạp Thulium có thể hoạt động trên một trong 3 bớc sóng riêng biệt từ các mức nh 3H4 : 2,3 àm tới mức 3H5 , 1,8 àm tới mức 3F4 và tại 0,82 àm tới mức 3H6 .
b/ Laser tại 2,3 àààààm.
Các thí nghiệm laser sử dụng Thulium trên một kích thớc thuỷ tinh ZBLAN dài sấp xỉ 1,5 cm với nồng độ 1% mol Tm. Mẫu đợc bơm với Laser alexandrite tại 785 nm, với độ rộng xung 200ns và dao động ở 2,25 àm. Sự hấp thụ của bớc sóng bơm 875 m đã dẫn tới kích thích vào trong mức à 3H4 từ mức trạng thái đất 3H6 . Sau đó sự phân rã từ mức 3H5 làm tăng bức xạ 2,25 àm (nh hình 1.33). Sự tồn tại của mức laser trên là 1,1 ms, trong khi sự tồn tại mức thấp hơn 3H5 ngắn hơn đáng kể, điển hình ít hơn 10 às. Do đó bức xạ 2,25 àm không tự kết thúc. Sự tồn tại của mức 3F4 cũng đợc giới hạn ở 12 ms. Mức ngỡng đối với bức xạ 2,25 m là 2 mJ, nhng khi năng lợng hấp à thụ tới 3 mJ bức xạ laser tại 1,88 m xuất hiện tơng ứng với chuyển trạng à thái từ mức 3F4 về mức 3H6 . Điều này là nhờ sự giảm mạnh số lợng mức 3H5
giải phóng tới mức 3F4.
Nhà khoa học Esterowitz đã quan sát dao động laser tại 2,3 àm trong sợi florua 50 cm sử dụng laser alexandrite hoạt động ở 786 nm và tần số bơm là 10 Hz. Khởi đầu của xung dao động laser xuất hiện tại 1 ngỡng bơm năng lợng là 25 2,25 J đợc phóng vào sợi. Sự tồn tại của mức laser trên là 1,55 à ms. Theo Esterowitz thì trong một hệ thống 4 mức cũng giống nh thế. Sự hoạt động CW xảy ra tại 16 mW vì ngỡng công suất bơm cho bởi xung năng lợng. Sự kích thích tiếp theo sử dụng một mảng diode laser tại 787 nm dẫn tới sự hoạt động CW tại 2,29 m với một ngỡng là 6 mW. Thật đáng tiếc, lõi à của sợi này là elip và suy hao cách tử là cao khoảng 100-200 dB/km tại 0,63 àm. Do đó sự cải thiệt chất lợng sợi sẽ làm tăng hơn nhiều so với thực hiện laser. Hai nhà khoa học Allen và Esterowitz đã bơm các sợi tơng tự với một laser diode GaAlAs tại 790 nm và quan sát các ngỡng của 4 mW và độ dốc sấp xỉ 10% đối với công suất bơm nhỏ hơn 10 mW đợc bơm. Công suất ra
đạt đợc sấp xỉ 1mW nhng sự bão hoà xuất hiện ở vào khoảng 13 mW hoặc
hơn công suất bơm. Độ bão hoà gần nh là nguyên nhân chính bởi vì sự giảm số lợng mức 3H5 tới mức tồn tại dài 3F4 . Mẫu ngỡng trên của mức 3F4 : N(3F4) có thể đạt đợc nh sau:
N(3F4) = N0 (1+ Psat/Pp)-1 (1.36) Trong đó:
Psat là công suất bão hoà.
Pp là ngỡng trên của công suất bơm.
N0 là tổng tập hợp ion.
Hơn nữa, Psatđợc cho bởi:
Psat = h νp A/(σp τ) (1.37) Trong đó:
h νp là năng lợng photon bơm (2,5 x 10-19 J) A là đờng kính lõi sợi (7,5 àm)
σp là đoạn xuyên qua hấp thụ bơm
τlà thời gian tồn tại của mức 3F4( 9,8 ms).
Thay các giá trị gần đúng vào trong công thức sẽ đợc công suất bão hoà gần đúng là 13 mW.
Sự dao động laser sóng tiếp diễn cũng đã đợc chứng minh tại 2,32 m với à một ngỡng là 31 mW, độ dốc hiệu suất là 3,8 % và công suất đầu ra cực đại là 2,2 mW (giới hạn công suất bơm là 200 mW). Không giống nh kết quả
của Allen và Esterowitz, độ bão hoà của công suất đầu ra là không xuất hiện.
Điều này liên quan đến việc lựa chọn nguồn bơm: 677,4 nm so với 790 nm.
Bớc sóng bơm cũ là nguyên nhân kích thích vào trong mức 3F3 .Tỉ số phân nhánh của mức 3F3 : sự chuyển dịch từ mức 3F2 về mức 3H4 là thấp do đó bơm 790 nm tăng hiệu suất đơn giản hơn vì nó đợc bơm vào trong mức 3H4 .
Smart đã cố gắng tạo dao động laser bằng bơm diode laser đã không thành công bởi vì mức ngỡng cao và giá trị công suất bơm thấp (sấp xỉ 100 mW).
Để thay thế diode laser họ đã sử dụng Ti: Laser saphire nh một nguồn bơm.
Tại đây các bớc sóng kích thích đợc phù hợp trên toàn bộ dải hấp thụ 3H6 -
3H4 .Họ đã quan sát dao động laser tại 2,305 àm với một ngỡng sấp xỉ 115 mW và một hiệu suất dốc 18,8 %. Tại đây không thể quan sát độ bão hoà của công suất đầu ra trong báo cáo của Allen và Esterowitz. Hai ông cho rằng hiện tợng này là do sự bức xạ laser từ mức 3F4 về mức 3H6 (bức xạ 1,88 àm), tại
đó số lợng mức 3F4 đợc thay đổi một cách nhanh chóng về trạng thái đất.
Bơm diode laser đã đợc thực hiện thành công bởi McAleavey. Tác giả đã báo cáo công suất đầu ra 2 mW với một hiệu suất độ dốc cao tại 2,31 àm bằng bơm laser diode công suất thấp hoạt động tại 785 nm.
c/ Laser tại 1,9 àààààm.
Dao động laser tại 1,88 m đã đợc chứng minh bằng một công suất đầu à ra 1,3 mW bằng cách bơm một laser ion Krypton tại 676,4 nm. Ngỡng của công suất bơm là 50 mW và hiệu suất dốc là 3,3%. Bức xạ 1,9 àm làm tăng dịch chuyển từ mức 3F4 về mức 3H6 . Các nhà khoa học nhận thấy rằng đờng cong có thể thay đổi nhiều hay ít và đã tạo ra đờng cong Florua khi laser
đợc bơm trên giá trị ngỡng 1,7 lần và hoạt động laser đó có thể thay đổi ở giữa 1,84 àm và 1,94 àm.
Nhà khoa học Carter đã sử dụng bơm laser diode tại 795 nm để đạt đợc hoạt động CW tại 1,972 m với một ngỡng công suất phóng là 40 mW (hoặc à công suất hấp thụ là 20 mW) và một hiệu suất có độ dốc là 0,3% khi gơng phát nhỏ hơn 1%. Công suất ra lớn nhất từ laser diode là sấp xỉ 100 mW cong xuống 200 mW. Thật thú vị khi thấy đầu ra 1,972 m đã rơi ra ngoài dải thay à
đổi từ 1,84 - 1,94 m. Tổng quát, có thể thấy rằng dải thay đổi trà ong 1 ma trận Florua là hẹp hơn trong silica (1,78 2,056 m) . Hiệu suất độ dốc thấp (0,3%) - à ở đây đã tăng lên từ tỉ số phân nhánh nhỏ đối với phân rã ion Tm3+ thành mức
3F4 từ mức 3H4 . Điều này là nhờ sự phân rã đa phonon không bức xạ tỉ lệ thấp từ mức 3H4 tới mức 3H5 trong sợi thuỷ tinh floruazirconate. Sấp xỉ 90% ion Tm3+ kích thích ở mức 3H4 phân rã bức xạ tới trạng thái đất 3H6, do đó chỉ 10%
phân rã tới mức laser 3F4 . Bởi vậy ngỡng của dao động laser đợc tăng lên bằng một hệ số 10 và độ dốc hiệu suất giảm bằng một hệ số tơng tự. Tuy nhiên, mức ngỡng có thể giảm bằng cách sử dụng sợi đơn mode.
Độ dốc hiệu suất có thể đợc cải thiện bằng cách sử dụng kỹ thuật tập trung Tm cao hơn hoặc bằng cách cho hoạt động đồng thời tại 1,9 àm và 2,3 àm. Phơng pháp thứ nhất cho phép một kỹ thuật phục hồi ngang để tạo một khoảng trống giữa các ion Tm lân cận. Kỹ thuật này giống nh quá trình chuyển đổi năng lợng đã đợc mô tả trớc đây. Theo cách này sự bức xạ từ một ion trong mức 3H4 kích thích phân rã về mức 3F4 đợc hấp thụ bằng một ion Tm liền kề. Đó là ion đã đợc kích thích từ trạng thái đất (3H6) lên mức
laser cao hơn (3F4). Vì vậy hai ion cuối cùng trong mức laser trên đối với mỗi photon bơm đợc hấp thụ nên hiệu suất bơm đợc tăng lên. ở phơng pháp thứ 2, sử dụng dao động laser đồng thời tại 1,9 àm và 2,3 àm, bơm n lần trên mức ngỡng làm tăng tỉ lệ nhánh của chuyển đổi 3H4 - 3H5và tăng sự phân rã
về mức 3F4 bởi một hệ số n. Bằng sự thay đổi các gơng ở trong buồng cộng hởng laser, Smart đã quan sát đợc dao động laser ở cả 2,305 m và 1,942 à àm. Laser tại 1,942 m đã có một độ dốc hiệu suất tăng 8,3% và một ngỡng à sấp xỉ 115 mW của công suất phóng. Tuy nhiên các tác giả không thể loại trừ khả năng khi mà tăng độ dốc hiệu suất có thể làm giảm suy hao của buồng cộng hởng.
d/ Laser tại 1,51 àààààm.
Dao động laser đợc quan sát tại 1,51 m sử dụng sợi pha tạp đơn mode à
đợc làm lạnh tới 77 độ K và đợc bơm tại 647,1 nm. Hoạt động laser tại 1,51 àm xảy ra do kỹ thuật hấp thụ đa phonon, nhờ sự hấp thụ ban đầu của một photon 647,1 nm gây nên sự kích thích từ trạng thái đất 3H6 lên mức 3F3 . Khi không có sự kích thích sau đó xuất hiện sự giải phóng không bức xạ từ mức
3F3 về mức 3H4 và hấp thụ 1 photon bơm (ESA) vào trong mức 1D2. sự phân rã
từ mức 1D2 về mức 1G4 là bức xạ và làm tăng bức xạ 1,51 àm. Công suất đầu ra đã đạt đợc trên 6 mW.
e/ Laser tại 1,48 àààààm.
Allain đã minh hoạ dao động laser ở 1,48 m trong sợi đơn mode đợc à bơm ở 676,4 nm. Bức xạ ở 1,48 àm xuất hiện từ hệ thống 4 mức, đặc biệt từ sự dịch chuyển 3H4 lên mức 3F4 . Sự hấp thụ của photon bơm là nguyên nhân kích thích từ trạng thái đất 3H6 tới mức 3F3 (mức ở trạng thái cân bằng với mức 3F2).
Sự phân rã không bức xạ từ 3F3 về 3H4 đợc theo sau bởi bức xạ từ 3H4 về 3F4 , làm tăng bức xạ 1,48 àm. Khi sự tồn tại của mức cao hơn (1ms) là ngắn hơn mức thấp (10 ms) thì sự chuyển đổi này sẽ tự kết thúc. Hiệu ứng này là lý do của mức ngỡng công suất cao 40 mW và độ dốc hiệu suất rất thấp. Tuy nhiên, hiệu suất của laser này có thể đợc cải thiện đáng kể bằng cách giảm thời gian tồn tại của mức thấp hơn (3F4) và làm thay đổi gơng để cho phép cộng hởng dao động ở 1,9 m dựa trên sự dịch chuyển à 3F4 về mức 3H6. Cộng hởng dao động thực tế đã làm giảm số lợng mức thấp hơn 3F4, do đó làm
tăng độ dốc hiệu suất của laser CW 1,48 àm lên 1,6 %. Mức ngỡng là 63 mW và công suất đầu ra lớn nhất là 0,2 mW. Bớc sóng biến đổi trong dải này từ 1,46 àm đến 1,51 àm. Bức xạ laser và trải phổ florua là hơi khác vì tín hiệu ESA xuất hiện hoạt động trên bớc sóng ngắn của phổ laser. Tín hiệu ESA là rất giống dịch chuyển từ mức 3F3 về mức 1G4 do sự khác nhau năng lợng giữa hai mức này.
Percival đã nỗ lực làm tăng hiệu suất của sợi laser 1,48 m bằng cách pha à tạp thuỷ tinh với Terbium. Sử dụng sợi pha tạp với 0,1% Tm và 1% Tb tác giả
đã thấy đợc mức ngỡng nhỏ nhất 5,5 mW và với độ dốc hiệu suất cao nhất 16%, tơng đơng với biến đổi photon hiệu suất 30%. Hiệu suất đầu ra khá
thấp là vì cuộc đấu tranh năng lợng giữa Thulium và Terbium mà kết quả ở trong bức xạ xanh do sự biến đổi ngợc.
1.2.2. Khuếch đại sử dụng sợi pha tạp Thulium.
Khuếch đại tại 1,46 m và 1,65 m đã đạt đợc ở sợi HMF pha tạp Tm. à à Khuếch đại ở 1,46 àm đã đợc thực hiện bởi Sakamoto trong sợi Tm-Ho ZBLAN đợc bơm ở 0,79 àm. Độ khuếch đại lớn nhất là 18 dB đạt đợc tại 1,46 m với công suất bơm 150 mW và hệ số khuếch đại là 0,25 dB/mW. Sợi à 20m bao gồm 0,05 wt% Tm và 1wt% Ho và có đờng kính lõi 1,8 àm, n là ∆ 3,7%. So sánh các đặc trng khuếch đại của sợi pha tạp cả Tm Ho với sợi pha - tạp chỉ có Tm nhận thấy rằng Ho3+ làm tăng độ khuếch đại và mở rộng phổ khuếch đại.
Các khuếch đại ở 1,65 m đợc quan tâm trong các hệ thống thiết bị à
đờng truyền dẫn quang OTDR (Optical Time Domain Reflectometers) hoạt
động ở 1,65 m sẽ cho phép kiểm tra sợi quang truyền ở 1,3 à àm và 1,5 m. à Cuối cùng, Sakamoto đã chứng minh độ tăng ích 35 dB tại 1,65 m ở sợi à ZBLAN pha tạp Tm. Bộ khuếch đại này sử dụng bớc sóng ngắn viền của sự chuyển dịch 3F4 về mức 3H6 . Phủ một lớp Tb đợc sử dụng để triệt khử ASE và dao động laser ở dải từ 1,75 àm đến 2,0 m. Hiệu suất khuếch đại 0,75 dB à
đạt đợc ở sợi ZBYAN pha tạp Tm 2000 ppm và Tp 4000 ppm trong lớp phủ.
Đờng kính là 1,8 àm và ∆n là 3,7%. Laser diode tại 1,22 àm đợc sử dụng nh một nguồn bơm. Khuếch đại 2 ngăn có độ khuếch đại cao 35 dB tại công suất bơm là 140 mW. Độ khuếch đại tại 1,65 m có thể không đạt đợc trong à
một sợi tơng tự mà không có pha tạp Tb3+ trong lớp phủ. Kết quả này chứng minh tác dụng của sự khử ASE bằng pha tạp lớp phủ với Tb3+ .
a/ Các đặc trng khuếch đại cơ bản của TDFA dải 1,4 àààààm.
Trong phần này ta mô tả và so sánh các đặc trng cơ bản của các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Tm3+ tại 1,4 àm sử dụng bơm ngợc 1,06 àm hoặc pha tạp với Ho3+.
Hình 2.20 minh hoạ phổ khuếch đại của một bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Tm3+ với bơm ngợc và tỷ lệ Tm3+ là 2000 ppm trong lõi và một bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Tm3+ - Ho3+ với tỷ lệ 500 ppm Tm3+ và 10 000 ppm Ho3+ trong lõi. Tất cả các thiết bị có độ rộng phổ khuếch đại bao trùm toàn bộ dải 1,4 m. Phổ này là rộng hơn phổ khuà ếch đại quang sợi pha tạp Tm3+ đợc bơm tại 0,79 m. Điều này đợc giải thích là vì trong chuyển đổi à ngợc và các khuếch đại quang sợi pha tạp Tm3+ - Ho3+ mức 3F4 là giảm và sự hấp thụ 1,4 àm từ mức 3F4 về mức 3H4 là nhỏ hơn trong bộ khuếch đại đợc bơm tại 0,79 àm.
Hình 1.34.Phổ khuếch đại quang sợi pha tạp Tm3+
Hình 1.35 a) minh hoạ hình ảnh nhiễu và phổ khuếch đại tín hiệu nhỏ của một TDFA 1,4 àm sử dụng bơm ngợc dải 1,6 m và hình 1.35 b) là phổ à
0
-5
-10 5 10 15
1,4 1,42 1,44 1,46 1,48 1,50 1,52
Signal gain (dB)
Wavelength(àm)
Tm-doped Amplifier
Fiber: ZrF4 based fluoride fiber Tm: 2000 ppm, Core dia: 8àm,
∆n: 3,7%
Fiber length: 10 m Pump wavelength: 0,79àm Pump power: 75mW Tm-Ho doped Amplifier-
Fiber: ZrF4 based fluoride fiber Tm: 500 ppm, Ho: 1wt%
Core dia: 1,8àm, ∆n: 3,7%
Fiber length: 20 m Pump wavelength: 0,79àm Pump power: 75mW Up-conversion Amplifier
Fiber: ZrF4 based fluoride fiber;Tm: 2000 ppm, Core dia: 1,8àm,
∆n: 3,7%, Fiber length: 10 m, Pump wavelength: 1,047àm Pump power: 75mW
của hình ảnh nhiễu của một TDFA 1,4 àm pha tạp thêm Ho3+. Trong tất cả các bộ khuếch đại NF tỏ ra là nhỏ nhất ở gần 1,48 m và nó chỉ là 3,5 dB trong à khuếch đại chuyển ngợc. Sự tăng NF đối với các bớc sóng tín hiệu dới 1,48 m là vì sự hấp thụ từ mức à 3F4 về mức 3H4, ngợc lại sự tăng trong vùng trên 1,48 m là vì tín hiệu GSA tới mức à 3F4 . So sánh giữa hình 1.35 a) và b) cho thấy rằng NF của khuếch đại quang sợi pha tạp Tm3+ - Ho3+là cao hơn khuếch đại chuyển ngợc. Điều này là vì sự hấp thụ tín hiệu từ mức 3F4 trong khuếch đại quang sợi pha tạp Tm3+ - Ho3+.
Hình 1.35.Hình ảnh nhiễu và phổ khuếch đại TDFA
3
1 0 4 6 7
1.42 1.44 1.46 1.48 1.50 1.52 Noise
Figure (dB)
Wavelength( m) à
Fiber: ZrF4 based fluoride fiber; NA: 0.27.
Input signal power: -40dBm Pump wavelength: 1,047àm Pump Power : 105 mW
2 5 8
Noise Figure (dB) Signal gain (dB)
(a)
(a) 0
10
1.42 1.46 1.50
Noise Figure
(dB)
Wavelength(àm)
Fiber: ZrF4 based fluoride fiber
Tm: 500ppm, Ho: 1 wt%; Core dia: 1,8 àm;
∆n: 3,7%, Fiber length: 20 m Pump wavelength: 0.79àm Pump Power : 73.5 mW
5
(b)
Hình 1.36 minh hoạ sự phụ thuộc độ khuếch đại tín hiệu nhỏ vào công suất bơm của TDFA 1,4 m sử dụng bơm ngợc hoặc pha tạp thêm Ho. Hiệu à suất khuếch đại tín hiệu nhỏ hầu nh giống nhau đối với tất cả các bộ khuếch
đại. Sự khác nhau chủ yếu giữa chúng là độ khuếch đại không bão hoà. Độ bão hoà của khuếch đại pha tạp Tm3+ - Ho3+ là vì ASE lớn trong dải 0,8 àm (chuyển dịch 3H4 - 3H6) cung cấp bởi bơm 0,79 àm tới mức 3H4 . Với bơm ngợc 1,06 m nó rất khó để tạo ra một sự đảo ngợc số lợng giữa mức à 3H4
và trạng thái đất và tín hiệu ASE khó giải quyết trong vùng 0,8 m đã không à xảy ra. Tơng tự công suất tín hiệu của khuếch đại chuyển ngợc là lớn hơn
đối với khuếch đại quang sợi pha tạp Tm3+ - Ho3+ . Đối với một công suất bơm là 150 mW và công suất tín hiệu đầu vào là 0 dBm thì công suất ra của khuếch
đại chuyển ngợc là 15 dBm và là 4,5 dBm đối với khuếch đại pha tạp thêm Ho.
Hình 1.36.Độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất bơm của TDFA b/ Các đặc trng khuếch đại cơ bản của TDFA dải 1,65 àààààm.
Trong phần này ta mô tả các đặc trng của TDFA dải 1,65 m với lớp à phủ pha tạp Tb3+ . Hình 1.37 minh hoạ độ khuếch đại tín hiệu đợc tính toán và NF của bộ khuếch đại.Trong tính toán này, nồng độ Tm3+ là 0,2 wt% và độ dài sợi đợc đánh giá theo nồng độ Tb3+ . Khi nồng độ đợc tăng lên, độ
10
0 -5 15 25 30
0 50 100 150 200 250 300 Signal
gain (dB)
Pump power(mW)
Tm-Ho doped Amplifier- Fiber: ZrF4 based fluoride fiber Tm: 500 ppm, Core dia: 1,8àm,
∆n: 3,7%
Fiber length: 20 m Pump wavelength: 0,79àm Signal wavelength: 1,46àm
Input signal power: -40dBm Up-conversion Amplifier
Fiber: ZrF4 based fluoride fiber;Tm:
2000 ppm, Core dia: 1,8àm,
∆n: 3,7%, Fiber length: 10 m, Pump wavelength: 1,047àm
5 20