1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - NGUYỄN HOÀNG ANH KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – 2013 Cơng trình hồn thành tại: Đại học Cơng nghiệp Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học:PGS.TS.LẠI KHẮC LÃI Phản biện 1: PGS.TS BÙI QUỐC TRUNG Phản biện 2: TS NGUYỄN DUY CƯƠNG Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: 201- A8 Vào hồi 13h30 giờ, ngày 28 tháng năm 2013 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI 1.1 Khuếch đại quang sợi EDFA 1.1.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động: a Cấu trúc khuếch đại quang sợi EDFA Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc EDFA Trên cấu trúc khuếch đại sợi quang EDFA Bơm Laser hoạt động hai bước sóng 980 nm 1480 nm hiệu suất bơm hiệu Các cánh ly quang (Isolator) có nhiệm vụ chống phản xạ tín hiệu, cho phép truyền dẫn quang đơn hướng WDM coupler dùng để ghép tín hiệu bước sóng bơm tín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium Các thành phần cấu tạo nên EDFA gồm có sợi pha tạp Erbium EDF (Erbium Dopped Fiber) thường có độ dài khoảng 10 m; laser bơm LD; ghép bước sóng quang (coupler) WDM cách ly quang (Isolator) Từ thành phần cấu trúc thiết bị người ta tạo nhiều loại EDFA với công nghệ thể thức khác Để thu khuếch đại phải cung cấp lượng quang cho sợi pha tạp Erbium Nguồn lượng để cung cấp lượng cho khuếch đại quang gọi lượng bơm Công suất quang từ nguồn bơm thường có bước sóng 980 nm 1480 nm, cơng suất bơm từ 10 mW đến 100mW Các diode laser LD dùng làm nguồn bơm cấu tạo phù hợp với cấu hình bước sóng bơm Khi mà hệ thống bơm bước sóng 980 nm loại LD bơm thường loại có vùng tích cực với cấu trúc giếng lượng tử InGaAs lớp mỏng đặt xen vào lớp vỏ có tham số tinh thể khác Nếu hệ thống bơm bước sóng 1480 nm LD bơm thuộc loại laser Fabry-Perot dị thể chơn có cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/ InP Bộ ghép bước sóng WDM thực ghép ánh sáng tín hiệu ánh sáng bơm pha tạp Erbium số trường hợp lại tách tín hiệu Các cách ly quang có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xà từ hệ thống chẳng hạn phản xạ Rayleigh từ nối quang hay phản xạ ngược lại từ khuếch đại Việc giảm phản xạ phải đạt tới mức chấp nhận Vì cách ly quang làm tăng đặc tính khuếch đại giảm nhiễu Sợi pha tạp Erbium EDF thành phần quan trọng EDFA loại sợi gọi sợi tích cực Các ion Erbium nằm vùng trung tâm lõi EDF, vùng pha tạp với lồng độ từ 100 – 2000 ppm Erbium Các sợi EDF thường có lõi nhỏ khuẩn độ số NA cao so với sợn đơn mode tiêu chuẩn Đường kính vùng tâm lõi EDF vào khoảng µm nơi cường độ ánh sáng bơn tín hiệu cao Lớp vỏ thủy tinh với số chiết suất thấp bao quang lõi để hoàn thiện cấu trúc dân sóng cho lực khỏe để bảo vệ sơi EDF khỏi bị tác động từ bên Đường kính lớp vỏ khoảng 250 µm Ngồi vỏ bọc thêm để bảo vệ sợi có chức ngăn cản từ bên ngồi sợi đường kính tổng cộng vào khoảng 250 µm Chỉ số chiết suất vỏ bọc cao lớp vỏ phản xạ nhằm để loại bỏ ánh sáng không mong muốn (các mode bặc cao hơn) lan truyền bên vỏ phản xạ Ngoài khác biệt có pha tạp Erbium vùng lõi, cấu trúc EDF giống với cấu trúc sợi đơn mode tiêu chuẩn tán sắc dịch chuyển tương ứng với khuyến nghị G.625 G.653 ITU-T Do lõi sợi nhỏ độ mở số NA cao sợi tiêu chuẩn, việc hàn nối trình nắp ráp modle khuếch đại quang sợi thực tế vấn đề quan [77] Cấu trúc sợi pha tạp Erbium có NA cao cho ta tạo EDFA đặc tính khuếch đại hiệu cao Tuy nhiên, câu trúc EDF giảm đường kính trường mode dẫn tới tăng tiêu hao hàn nối sợi tích cực sợi truyền dẫn thụ động Để khắc phục điều này, đầu sợi áp dụng kỹ thuật vuốt thon để có đường kích trường mode tăng cục Ở biện pháp này, phân bố số chiết suất đoạn vuốt thon sợi thay đổi dần dọc thep trục sợi, kích cỡ mode truyền dẫn thay đổi Đây biện pháp đầy sức thuyết phục để giảm suy hoa ghép nối không trùng khớp trường mode gây Trong thực tế, phương pháp để thực kỹ thuật khuếch tán vật liệu pha tạp sợi thơng qua q trình sử lý nhiệt TEC (Thermally Expanded Core) vuốt thon đường kính theo tỷ lệ lõi vỏ phản xạ số Hình 1.2 Cấu trúc hình học lõi pha tạp Erbium Hình 1.2 mơ tả cấu hình sợi TEC, đường kính lõi tăng dần đường kính trường mode ánh sáng truyền mở rộng Biện pháp cho tần số chuẩn hóa khơng thay đổi dọc theo sợi đường kính ngồi sơi TEC khơng đổi so với phương pháp vuốt thon Trong sợi TEC, thay đổi suy hao khơng đáng kể tỷ lệ mở rộng lõi với độ dài vuốt thon mm Khi tỷ lệ mở 3, độ dài vuốt thon lớn 5mm đạt suy hao dB Hình 1.3 Sơ đồ sợi TEC vuốt Gaussian Các cấu trúc khác thành phần khác nguồn laser bơm, thiết bị WDM, ghép quang, cách ly dùng EDFA mô tả chi tiết nhiều tài liệu sách b Nguyên lý hoạt động Khuếch đị sơi quang chủ yếu dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt EDFA ( Erbium Doped Fiber Amplifier) Trong sợi EDF, nguyên tử Erbium hóa trị ba Er+3 phần tử tích cực khuếch đại quang có chức khuếch đại ánh sáng Năng lượng chuyển tiếp quang có liên quan tới ion Erbium hóa trị ba Những ký hiệu phía bên phải hinhflaf số lượng tử dùng chung gán cho chuyển tiếp Các số có dạng 2S+1Lj, S số lượng tử quay, L động lượng góc quỹ đạo,và j động lượng góc tổng (L+S) L giá trị 1, 2, 3, 4, 5, 6, …, ký hiệu chữ S, P, D, G, H, I Biểu đồ LSI dùng dạng chữ nghĩa để mức lượng ion, số đường “Stark-Split” (2j+1)/2 cho mức Nguyên lý khuếch đại thực nhờ chế bước xạ sau: Hình 1.4 Giản đồ lượng Erbium Đối với mức lượng mô tả trên, hoạt động khuếch đại quang EDFA mô tả sau Quá trình bước xạ xảy EDFA nhình chung phân cấp thành bước xạ kích thích bước xạ tự phát Khi ion Erbium Er3+ kích thích từ trạng thái thơng qua hấp thụ ánh sáng bơm, phân rã không phát xạ mức lượng cao tiến tới trạng thái siêu bền (trạng thái 4I13/2) Tins hiệu quang tới đầu vào sợi EDF tương tác với với ion Erbium kích thích phân bố dọc theo lõi sợi Q trình bước xạ kích thích tạo photon phụ có pha hướng quang tín hiệu tới, mà ta thu cường độ ánh sáng tín hiệu đầu EDF lớn đầu vào Như vậy, đạt trình khuếch đại EDFA Các ion kích thích mà khơng tương tác với ánh sáng tới phân tự phát tới trạng thái với hắng số thời gian xấp sỉ 10 ms Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emision) có pha hướng ngẫu nhiên Thơng thường có % SE giữ lại mode sợi quang, trở thành nguồn tạp âm Tạp âm khuếch đại tao bước xạ tự phát khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emision) Ở trạng thái nền, có hấp thụ photon bơm hoạt động trở lại, trình lặp lặp lại ASE làm suy giảm tỷ số tín hiệu tạp âm tín hiệu qua khuếch đại quang 1.1.2 Phổ khuếch đại EDFA Phổ khuếch đại EDFA tham số quan trọng băng tần khuếch đại tham số trọng yếu để định băng truyền dẫn Đặc tính nghiên cứu với sợi EDF khác theo góc độ mở rộng băng tần EDFA Trong kết thí nghiệm thu cách pha tạp Al (hoặc) P lõi sợi thủy tinh pha Er3+ có tác dụng mở rộng phổ khuếch đại gần người ta tìm thấy pha tạp chất Al thu mức khuếch đại cao mặt phẳng trải vùng bước sóng 1540 nm đến 1560 nm Bằng cách thay đổi vật liệu chủ sợi thủy tinh silica sang thủy tinh Fluoride gốc ZnF thủy tinh Fluorophosphate hứa hẹn mở rộng làm phẳng băng tần khuếch đại phẳng dải bước sóng từ 1530 nm đến 1560 nm Hình 1.5 thể phổ khuếch đại tiêu biểu sợi thủy tinh pha tạp Ge/Er pha tạp Al/P/Er Phổ sợi tạp Ge/Er có mặt cắt gồm hai đỉnh 1536 nm 1552 nm Trong phổ khuếch đại sợi pha Al/P/Er có vùng khuếch đại rộng nằm khoảng 1545 nm đến 1560 nm có đỉnh khuếch đại nhơ lên vùng xung quang 1530 nm Ngoài ra, phổ khuếch đại EDFA dịch tới vùng bước sóng dài sử dụng độ dài EDF tương đối dài Khi tăng độ dài EDF, phổ khuếch đại thu khoảng bước sóng từ 1570 nm đến 1620 nm Tại vùng bước sóng cao 1620 nm, khuếch đại tín hiệu giảm trình ASE (dịch chuyển 4I9/2 tới 4I13/2) giới hạn phổ khuếch đại định ASE Hình 1.5 Phổ đầu quang tiêu biểu EDFA Thơng thường phổ khuếch đại đo việc qt bước sóng tín hiệu với nguồn tín hiệu đơn Tuy nhiên, phổ thay đổi cơng suất tín hiệu đầu vào thay đổi Phổ trở nên phẳng cơng suất tín hiệu đâu vào cao Mức cơng suất tín hiệu đâu vào tham số quan trọng phổ thường đo điều kiện tín hiệu nhỏ Đầu quang EDFA phụ thuộc vào bước sóng độ khuếch đại thay đổi theo đặc tính bước sóng sợi pha tap Erbium EDF Hình 1.5 a) 1.5 b) miêu ta phổ tiêu biểu EDFA tương ứng cho trường hợp có khơng có tín hiệu đầu vào Khi khơng có tín hiệu đầu vào, có bước xạ tự phát khuếch đại ASE (Amplifer Spontaneous Emision) Bằng tần bước xạ tự phát xác định giá trị công suất vai phổ giảm dB Tuy nhiên, việc xác định không thiết bị đo tiêu biểu máy phân tích phổ quang OSA (Optical Spectrum Analyzer) Như giá trị giá trị tiêu biểu mà khơng có giá trị nhỏ hay lớn nhất, 1.2 Khuếch đại quang sợi TDFA 1.2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động a Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động khuếch đại quang sợi TDFA thực nhờ chế hấp thụ xạ lượng hình 1.33 Sự hoạt động laser Thulium sử dụng bơm cộng hưởng báo cáo lần với laser đỏ bơm dịch chuyển trạng thái từ mức 3H6 lên mức 3F6 Sau bơm laser diode sử dụng để đạt tới dao động 2,3 Bước sóng gần với bước sóng có suy giảm nhỏ sợi florua suy hao cực thấp,vì hoạt động khuếch đại laser gần bước sóng điều mong muốn hệ thống thông tin quang tương lai.Hơn nữa,Tm bơm bời laser diode cơng suất cao,giống AlGaAs hấp thụ trạng thái đất mạnh Tm gần 790nm Hình 1.33 Giản đồ lượng Thulium Các nguồn laser hoạt động lân cận ánh sáng hồng ngoại mong đợi để tìm ứng dụng vùng,giống khả phán đoán phân tử Gas y học.Thulium đề xuất cho ứng dụng vậy,bởi phát từ bước sóng sấp xỉ 1,6 2,1 1,91 );nước tinh thể (1,94 ); C bao phủ dải nước (1,88 (1,96 ;2,01 ,2,06 ) Các sợi florua kim loại nặng pha tạp Thulium hoạt động 3 bước sóng riêng biệt từ mức H 2,3 0,82 tới mức H ,1,8 tới mức F4 tới mức H b Laser 2,3 Các thí nghiệm laser sử dụng Thulium kích thước thủy tinh ZBLAN dài sấp xỉ 1,5 cm với nồng độ mol Tm.Mẫu bơm với Laser alexandirte 785nm,với độ rộng xung 200ns dao động 2,25ns dao động 2,25 thụ bước sóng bơm 875 ,Sự hấp dẫn tới kích thích vào mức H từ mức trạng 3 thái H Sau phân rã từ mức H làm tăng xạ 2,25 (như hình 1.33) Sự tồn mức laser 1,1ms,trong tồn mức thấp H ngắn đáng kể,điển hình 10 Do xạ 2,25 khơng tự kết thúc,Sự tồn mức F4 giới hạn 12ms không tự kết thúc.Mức ngưỡng xạ 2,25 μm 2mJ,nhưng lượng hấp thụ tới mức 3mJ xạ laser 1,88 μm 3 xuất tương ứng với chuyển trạng thái từ mức F4 mức H Điều nhờ giảm mạnh số lượng mức H giải phóng tới mức F4 Nhà khoa Esterowitz quan sát dao động laser 2,3 μm sợi florua 50cm sử dụng laser alexandrite hoạt động 786nm tần số bơm 10Hz.Khởi đầu xung dao động laser xuất ngưỡng bơm lượng 25 2,25 J phóng vào sợi.Sự tồn mức laser 1,55 ms,Theo Esterowitz hệ thống mức giống thế.Sự hoạt động CW xảy 16mW ngưỡng cơng suất bơm cho xung lượng.Sự kích thích sử dụng mảng diode laser 787nm dẫn tới hoạt đọng CW 2,29 μm với ngưỡng 6mW,Thật đáng tiếc lõi sợi elip suy hao cách tử cao khoảng 100-200 dB//km 0,63 μm Do cải thiện chất lượng sợi làm tăng nhiều so với thực laser.Hai nhà khoa học Allen Esterowitz bơm sợi tương tự với laser diode GaAlas 790nm quan sát ngưỡng 4mW độ dốc sấp xỉ 10 công suất bơm nhỏ 10mW bơm.Công suất đạt sấp xỉ 1mW bão hòa xuất vào khoảng 13mW cơng suất bơm.Độ bão hịa gần ngun nhân giảm số lượng mức H tới mức tồn dài F4 Mẫu 3 ngưỡng mức F4 N( F4 ) đạt sau: N( F4 )= Trong đó: cơng suất bão hịa ngưỡng công suất bơm tổng hợp ion Hơn , cho cơng thức: = Trong đó: lượng phton bơm (2,5 J) A đướng kính lõi sợi (7,5 μm ) đoạn xuyên qua hấp thụ bơm thời gian tồn mức F4 Thay giá trị gần vào công thức cơng suất bão hịa gần 13mW Sự dao động laser sóng tiếp diễn chứng minh 2,32 μm với ngưỡng 31mW,độ dốc hiệu suất 3,8 cỗng suất đầu cực đại 2,2 mW( giới hạn công suất bơm 200mW) Không giống kết Allen Esterowitz ,độ bão hịa cơng suất đầu không xuất hiện.Điều liên quan đến 10 việc lựa chọn nguồn bơm :677,4 nm so với 790nm.Bước sóng bơm cũ nguyên nhân kích thích vào mức F3 Tỉ số phân nhánh mức F3 :sự chuyển dịch từ mức F2 mức H thấp bơm 790nm tăng hiệu suất đơn giản bơm vảo mức H Smart cố gắng tạo dao động laser băng bơm diode laser không thành cơng mức ngưỡng cao giá trị cơng suất bơm thấp (sấp xỉ 100mW).Đê thay diode laser họ sử dụng Ti: Laser saphire nguồn bơm.Tại bước sóng kích thích phù hợp toàn dải hấp thụ H - H Họ quan sát dao động laser 2,305 μm với ngưỡng sấp xỉ 115mW hiệu suất dốc 18,8 Tại quan sát độ bão hịa cơng suất đầu báo cáo Allen 3 Esterowitz.Hai ông cho tượng xạ laser từ mức F4 mức H (bức xạ 1,88 μm ),tại Đó số lượng mức 3F4 thay đổi cách nhanh chóng trạng thái đất Bơm điode laser hược thực thành công McAeavey Tác giả báo cáo công suất đầu mV với hiệu suất độ dốc cao 2,31 µm bơm laser diod công suất thấp hoạt động 785 nm c Laser 1,9 µm Dao động laser 1,88 µm chứng minh cơng suất đầu 1,3 mW cách bơm laser ion Krypton 676,4 nm Ngưỡng công suất bơm 50 mW hiệu suất dốc 3,3 % Bức xạ 1,9 µm làm tăng dịch chuyển từ mức 3F4 mức 3H6 Các nhà khoa học nhận thấy đường cong thay đổi nhiều hay tạo đường cong Florua laser bơm giá trị ngưỡng 1,7 lần hoạt động laser thay đổi 1,84 µm 1,94 µm Nhà khoa học Carter sử dụng bơm laser diode 795 nm để đạt hoạt động CW 1,972 µm với ngưỡng cơng suất phóng 40 mW ( cơng suất hấp thụ 20mW) hiệu suất có độ dốc 0,3 % gương phát nhỏ 1% Công suất lớn từ laser diode xấp xỉ 100mW cong xuống 200 mW Thật thú vị thấy đầu 1,972 µm rơi ngồi dải thay đổi từ 1,84 – 1,94 µm Tổng qt, thấy dải thay đổi ma trận Florua hẹp silica (1,78-2,056 µm) Hiệu suất độ dốc thấp (0,3%) tăng lên từ tỉ số phân nhánh nhỏ phân rã ion T thành mức 3F4 từ mức 3H4 Điều nhờ phân rã đa photon không xạ tỉ lệ thấp từ mức 3H4 tới mức 3H5 sợi thủy tinh floruazirconate Xấp xỉ 90% ion T kích thích mức 3H4 phân rã xạ tới trạng thái đất 3H6, 10% phân rã tới mức laser 3F4 Bởi ngưỡng dao động laser tăng lên hệ số 10 độ dốc hiệu suất giảm hệ số tương tự Tuy nhiên, mức ngưỡng giảm cách sử dụng sợi đơn mode Độ dốc hiệu suất cải thiện cách sử dụng kỹ thuật tập trung Tm cao cách cho hoạt động đồng thời 1,9 µm 2,5 µm Phương pháp thứ cho phép kỹ thuật phục hồi ngang để tạo khoảng trống ion Tm lân cận Kỹ thuật giống trình chuyển đổi lương mô tả trước Theo cách xạ từ ion mức 3H4 kích thích phân rã mức 3F4 hấp thụ ion Tm liền kề Đó ion kích thích từ trạng 14 Điểm đáng ý phổ khuếch đại Raman sợi silic g R kéo dài phạm vi tần số rộng (đạt tới 40THz) với đỉnh khuếch đại gần độ dịch tần 13THz Điều xảy tính phi tinh thể tự nhiên thủy tinh silic Trong vật liệu vơ silic tần số dao động phân tử trái rộng thành nhiều dải chồng chéo lên trở thành dải liên tục kết khác hẳn với phương tiện truyền dẫn trước (có phổ khuếch đại Raman nằm đổi tần số hẹp), phổ khuếch đại Raman sợi silic liên tục trải dài phạm vi rộng Chính đặc điểm mở sợi quang làm việc khuếch đại dải rộng Để hiểu trình SRS xảy nào, ta xét chùm sóng bơm liên tục lan truyền bên sợi tần số ω p Nếu tần số chùm dò tần số ω sđược đưa vào đầu vào sợi quang với sóng bơm, khuếch đại bại khuếch đại Raman với điều kiện độ lệch tần ω p – ωsnằm bên phổ khuếch đại Raman hình 1.56 Nếu có sóng bơm đưa vào đầu sợi quang, tán xạ tự phát Raman sinh tín hiệu yếu hoạt động sóng dị khuếch đại q trình truyền dẫn Bởi tín hiệu sinh tán xạ tự phát Raman nằm miền phổ khuếch đại Raman nên chúng dược khuếch đại Tuy nhiên tần số có độ dịch tần (dịch từ tần số bơm) ứng vời giá trị lớn khuếch đại nhanh độ dịch tần giảm xuống cỡ 13.2THz (440cm) Nếu công suất bơm vượt giá trị ngưỡng, thành phần tần số khuếch đại có dạng quy luật hàm mũ Chính thành phần tần số Stoke sinh SRS phụ thuộc vào giá trị đỉnh phổ khuếch đại Raman Độ dịch tần gọi dịch chuyển Raman hay dịch chuyển Stoke a Ngưỡng Raman Để tìm ngưỡng Raman, ta quan tâm đến tương tác sóng Stoke sóng bơm Trong trường hợp sóng liên tục, tương tác khống chế cặp phương trình sau: dI s = gR I p Is − αs Is dz (1.40) dI S ωP = gR I p Is − α p I p dz ωS (1.41) 15 Trong đó: Is, Ip cường độ sóng Stoke cường độ sóng bơm ωp, ωs tần số sóng bơm sóng Stoke αp, αs hệ số suy hao sóng bơm sóng Stoke gR hệ số khuếch đại Raman Cặp phương trình xây dựa phát biểu (nếu bỏ qua suy hao) môi trường truyền dẫn photon sóng bơm sóng Stoke sinh huy suốt q trình tổng số photon khơng đổi ta có:  d   I s + ωs I p  = dz  ωp    (1.42) Mặc dù phải tính đến đến suy thối xung mơ tả q trình SRS ta bỏ qua để nhằm mục đích ước lượng ngưỡng Raman Lúc phương trình (1.41) giải cách bỏ qua thành phần bên vế phải (là thành phần gây suy thoái xung) ta được: dI p dz = −α p I p (1.43) ⇒ I p = I p ( o ) exp( − α p z ) (1.44) Trong Ip (o) cường độ tia tới z = 0, thay (1.44) vào (l.40) ta dI p dz = g R I p ( o ) exp( − α p z ) I s − α s I s (1.45) ⇒ I p = ( L ) = I s ( o ) exp( g R I )( ).Leff − α s L) (1.46) Với: Leff [1 − exp( − α p L )] αp (1.47) Để tính Is(L) phương trình (1.46) ta cần phải biết Is (o) đầu vào z = Điều khơng thể sóng Stoke khơng có đầu vào mà sinh tán xạ tự phát Raman, giống ta cho photon khơng có thật đầu vào Tuy ta tính tốn cơng suất sóng Stoke cách để ý biên độ lượng thành phần tần số Tương tự phương trình (l.46) ta thu phương trình cơng suất sóng Stoke sau: +∞ [ ] Ps ( L ) ∫  ω exp g R ( ω ) I p ( o ).Leff − α s L dω −∞ (1.48) 16 Trong sợi quang giả định sợi đơn mode Sự phụ thuộc g R (ω) ta tính tốn phân tích (1.48) giá trị phụ thuộc chủ yếu vào vùng hẹp gần đỉnh khuếch đại Từ (1.48) ta tính được: +∞ [ Ps ( L ) ∫ exp g R ( α s ) I p ( o ).Leff − α s L ] (1.49) −∞ Trong cơng suất hiệu dụng đầu vào z = là: ∫ eff so  ω s Beff  2π Beff =  "  g R ( α s ) I p ( o ) Leff  (1.50) 1/   ∂2 gR   , g " (α s ) =  (1.51)  ∂ω     ω =ω s  Beff dải tần hiệu dụng sóng xạ Stoke tập trung đỉnh khuếch đại với ω = ωs Mặc dù Beff phục thuộc vào cường độ bơm chiều dài sợi giá trị đỉnh phổ hình vẽ đóng vai trị quan trọng việc định lượng Beff Ngưỡng Raman định nghĩa công suất bơm đầu vào cho đầu công suất bơm công suất Stoke nhau: Ps(L) = PP(L) = Po.exp(-αpL) (1.52) Trong đó: Po = Io(o).Aeff (1.53) Polà công suất bơm ởu vào A eff diện tích vùng lõi hiệu dụng Giá trị Aeff tính phương trình (D.13) sóng bơm sóng Stoke lan truyền mode Từ phương trình (1.49) (1.52) giả sử α s = αp = α điều kiện ngưỡng trở thành: eff Bso exp( g R Po Leff Aeff ) ≈ 16 (1.54) Công thức điều kiện ngưỡng Raman thuận, điều kiện ngưỡng Raman ngược có cách thay giá trị 16 phương trình (1.54) 20 cần phải ý xây dựng phương trình (1.54) ta giả sử phân cực khơng tồn, ngưỡng Raman tăng lên hệ thống khoảng đến Đặc biệt, phân cực bị xáo trộn hoàn tồn tăng lên lần Mặc dù tính tốn giá trị ngưỡng ta sử dụng nhiều phép gần giá trị ngưỡng Raman tính xác Nếu với sợi có αpL >>1, Leff ≈1/αp Ở bước sóng λp = l.55µm (bước sóng nằm vùng cửa sổ có suy 17 hao nhỏ cỡ 0.2dB/km), Leff = 20km Thơng thường A eff = 50µm2, giá trị ngưỡng Raman cỡ khoảng 600mW Bới thực tế công suất hệ thống thông tin quang công suất vào cỡ ÷ 10mW nên hệ thống khơng bị ảnh hưởng bới SRS Trong vùng ánh sáng nhìn thy A eff 10 ữ 20 àm , giỏ tr công suất ngưỡng P oth ~ 10W với cự ly truyền dẫn L = 10m Khi công suất vào với giá trị ngưỡng, công suất bơm chuyển thành công suất Stoke nhanh chóng Trong thực tế, sóng Stoke hoạt động sóng bơm sinh sóng Stoke cấp cơng suất lớn để thoả mãn phương trình (1.54) Kết công suất bơm lớn, bên sợi sinh nhiều sóng Stoke số lượng sóng Stoke phụ thuộc vào công suất vào b Ảnh hưởng SRS đến dạng xung Lý thuyết SRS sóng liên tục cần phải thay đổi tín hiệu bơm xung quanh Bởi giá trị ngưỡng SBS nhỏ SBS (ngưỡng SBS trình bày Phần tiếp theo) SBS vượt trội ngăn chặn SRS SBS giảm ngăn ngừa xung bơm có độ rộng ≤ 10ns Mỗi xung bơm sinh sóng Stoke cơng suất đạt đến giá trị ngưỡng, tần số Stoke sinh có dịch chuyển Stoke 13.2THz Hoạt động SRS sợi quang đơn giản nhiều giả sử đáp ứng môi trường tức thời Giả sử thường hợp lý phổ khuếch đại hình 1.56 cho thấy thời gian đáp ứng môi trường nhanh đáp ứng xung nhiều Trừ trường hợp xung có độ rộng cỡ 10fs, túc đáp ứng mơi trường chí cịn nhỏ đáp ứng xung Sự tương tác lẫn xung bơm xung Stoke khống chế cặp phương trình biên độ bao gồm khuếch đại Raman, suy thối xung, SPM, XPM GVD Cặp phương trình xuất phát từ tích phân phụ lục D độ điện cảm phi tuyến cấp số phức mà phần ảo có chứa hệ số khuếch đại Raman Bằng cách làm tự tìm hai phương trình (1.54) (1.55) đó: α1 = α p + g p As Ap α = α s + g s Ap Ax (l 56) (l 56) Ta tìm cặp phương trình biên độ gây SRS: 18 ∂ Ap α p ∂Ap i + + β2 p + Ap ∂ z vgp ∂t ∂t 2 ∂Ap [ 2 (1.57) ] = iv p Ap + As Ap − gp 2 A2 Ap ∂Ap ∂As i ∂ As α s + + βs + As ∂ z vgs ∂t ∂t [ 2 (1.58) ] gs Ap As = ivs As + Ap As − Trong Vgi vận tốc nhóm, β2j hệ số tá sắc vận tốc nhóm, γ j hệ số phi tuyến với j = p s Hệ số khuếch đại gs gp liên quan đến giá trị đỉnh gR: gs = ω gR , g p = p gs Aeff ωs (1.59) Lúc độ dài “Walk – off” định nghĩa lại sau: Lw = To v gs v gp v gs − v gp ; (1.60) Nếu bỏ qua suy hao đưa phương trình (1.58) (1.59) miền thời gian chuẩn hoá ta được: [ ∂Ap ] ∂ Ap ∂ Ap g i 2 + β2 p = iγ p Ap + As Ap − p A2 Ap 2 ∂z ∂t ∂T [ ] 2 ∂As i ∂ A ∂A g + β s s − s = iγ s As + Ap As − s Ap As ∂z ∂t ∂T (1.61) (1.62) Với: T = t − z / vgp , −1 − d = vgp − vgs1 (1.63) Tham số “Walk – off” d tham số đặc trưng cho độ chênh lệch vận tốc tín hiệu bơm tín hiệu Stoke thơng thường có giá trị ÷ ps/m Các tham số GVD β 2j hệ số phi tuyến γj hệ số khuếch đại Ra man g j (j= p s) tín hiệu bơm tín hiệu Soke khác ít, khác liên quan đến tỷ số γs/γp sau: β2s = λp β2 p ; λs γs = λp γ p; λs gs = λp g p; λs (1.64) 19 Bốn độ dài tỷ lệ ứng Với ảnh hưởng GVD, “Walk – off”, phi tuyến khuếch đại Raman: To2 T LD = ; Lw = o , LNL = d γ p Po β2 p (1.65) Trong bốn độ dài trên, độ dài nhỏ nhất, hiệu ứng tương ứng với độ dài ảnh hưởng đến tín hiệu nhiều Nếu tín hiệu bơm có độ rộng xung T o ≤ 10ps, cơng suất đỉnh Po ≥ 100W thơng số Lw ~ 1m LNL LG nhỏ Lw chút LD ~ 1km (tại To =10ps) Vì ảnh hưởng GVD khống chế thành phần thứ hai phương trình (1.61) (1.62) bị bỏ qua độ rộng xung cỡ 10ps Từ (1.4.28) ta thấy độ rộng xung giảm công suất đỉnh Po đủ lơn ta bỏ qua ảnh hưởng GVD Bỏ qua ảnh hưởng GVD từ cặp phương trình (l.61), (1.62) ta được: [ Ap ( z, T ) = Ap ( 0, T ) exp ψ p ( z , T ) ] [ (1.66) Ap ( z , T ) = As ( 0, T + zd ) exp ψ p ( z , T + zd ) ] (1.67) Với:   g  P  ψ p ( z , T ) = z iγ p p p exp( − τ ) +  2iγ p − p  s π ( erf (τ + δ ) − erf (τ ) )    2δ     (1.68)  g  ψ s ( z , T + zd ) = z iγ s ps exp(τ + δ ) +  2iγ s + s 2δ   (1.69)   Ps π ( erf (τ + δ ) − erf (τ ) )    2δ  2 Nếu ta bỏ qua ảnh hưởng XPM (1.67) As >1): ( eff Ps ( L ) = As ( L,0 ) = Pso exp g s Po π Lw ) (1.74) Nếu định nghĩa ngưỡng Raman giống trường họp sóng liên tục, giá trị ngưỡng đạt Ps (L) = Po so sánh (1.52) (1.53) từ giá trị dài hiệu dụng cho công thức sau: Leff = π Lw ≈ TFWHM / ( d ) (1.75) Như ta tính giá trị cơng suất ngưỡng (1.53) từ giá trị Leff cho công thức (1.65) Từ hai phương trình ta có thấy ngưỡng Raman phụ thuộc vào độ rộng xung bơm giá trị tăng tỷ lệ nghịch với TFWHM Với xung có độ rộng ~ 10ps (Lw ~ 1m) cơng suất ngưỡng ~ 100w 21 CHƯƠNG NGHIÊN CÚU ẢNH HƯỞNG CỦA CƠNG SUẤT SĨNG LIÊN TỤC CW ĐẾN TỈ SỐ SNR TRONG KHUẾCH ĐẠI RAMAN 2.1 Mơ hình tính tốn 2.1.1 Sơ đồ thực nghiệm Hình 2.1 Sơ đồ khối phép đo 2.1.2 Nguyên lý - Một xung ánh sáng bơm ánh sáng liên tục CW truyền ngược sợi quang có độ dài L Ánh sáng xung phóng vào sợi từ Z = truyền theo chiều +Z, ánh sáng sóng liên tục phóng vào sợi vị trí Z = L truyền theo hướng -Z Tại Z=z ánh sáng sóng liên tục CW khuếch đại tác động Raman ánh sáng bơm ánh sáng sóng liên tục sợi quang Cơng suất ánh sáng sóng liên tục khuếch đại truyền qua sợi quang từ Z tới với suy hao sợi quang Theo hình vẽ sau cơng suất sóng liên tục CW tách sau: 22 Hình 2.2 Hình cơng suất sóng liên tục CW Pd(z) = Pdc + Pamp(z) Pdc = Pcw(L) exp(-αcw z).C Pamp(z) = Pdc γ(z) Pp(0) exp(-αpz)vW/2 Trong đó: Pcw(L) cơng suất sóng liên tục Z=L Pp(0) Cơng suất sóng liên tục Z = C tổng suy hao truyền dẫn qua lọc truyền quang αcw αp hệ số suy hao bước sóng liên tục bước sóng bơm Pdc cơng suất sóng liên tục khơng có ánh sáng bơm Pamp(z) phần tăng cơng suất sóng liên tục khuếch đại Raman Khi ta tính đến trường hợp xả hết còng suất bơm chuyển lượng khuếch đại Raman : Pamp(z) = Pdcγ(z).(vW/2).Pp(0).exp(-αpz).exp[γ(z)Pcw(L)exp(-αcwz) [exp(αcwz)1]/αcw] Và cơng suất tán xạ Raman tự phát ánh sáng xung bơm sinh cho cơng thức: Psp(z) = Pp(0)exp(-αpz-αpz).αR S vW/2 Trong đó: αR hệ số suy hao tán xạ Raman (Np/m) λcw bước sóng ánh sáng liên tục CW S = (λcw/n)2/4πAeff 23 Bảng tham số sử dụng cho tính toán sau: Table Parameter Coupling coefflcient Quantum efficiency Multiplied factor Dark current Multipiied dark current Excess noise factor Noise figure of electrical amplifier Load resistance Tabte Patalneter Attenuation coefficient at 1330 nm Attenuation coefficient at 1450 nm Raman gain efficiency Refractive index Efective area Symbol ηc ηd M IdM Id0 x F R Symbol αcw αp γ n Aeff PD(PIN) 1dB 0.8dB 5nA 8dB 16Ω APD 1dB 0.8dB 20 5nA 5nA 0.7 8dB 16Ω Vallle 0.22dB/Km 0.26dB/Km 0.40 1.45 78µm2 2.2 Tính tỉ số tín hiệu tạp âm Giả sử ta sử dụng InGaAs-p-i-n photodiode (PIN) InGaAs-avaianche photodiode (APD) để tách công suất sóng liên tục CW Các tham số tính tốn theo bảng ta có dịng quang điện sau: I1 = ηc ηd(e/hν)Pd(z) I0 = ηc ηd(e/hν)Pdc Is = ηc ηd(e/hν)Pamp(z) In = ηc ηd(e/hν)Psp(z) Trong : e 1à điện tích electron h số Planck ν tần số ánh sáng sóng liên tục CW Khi tỉ số tín hiệu tạp âm cho công thức : SNR = 4(ISM)2.Nave/ (σ1 + σ0)2.B Trong : Nave số trung bình 24 B = MHz độ rộng băng tần RIN = -130 dB/Hz với tín hiệu LD σ1 σ0 hệ số nhiễu cho công thức sau σ12 = 2e(I1+ In)M2+x +RIN I02M2 +σd2 σ02 = 2eI0 M2+x +RIN I02M2 +σd2 σd2 = 2e Id0+ 2e Idm.M2+x + 4kTF/R Với: k hàng soos Boltzmann T nhlệt độ Thay giá trị Pdc; Pamp Pd (z) vào cơng thức tính dịng quang điện ta có : I1 = ηc ηd(e/hν)Pd(z) = ηc ηd(e/hν)Pcw(L)exp (-αcwz).C.[1+γ(z)Pp(0)exp(-αpz)vW/2] = Pcw(U+V) I0 = ηc ηd(e/hν)Pdc = ηc ηd(e/hν)Pcw(L)exp(-αcwz).C = Pcw.U Is = ηc ηd(e/hν)Pamp(z) = ηc ηd(e/hν)Pcw(L)exp (-αcwz).C.[γ(z)Pp(0)exp(-αpz)vW/2] = Pcw V In = ηc ηd(e/hν)Psp(z) = ηc ηd(e/hν)Pp (0).exp(-αp z-αpz).αR S vW/2 =Q Trong đó: Pcw(L) viết tắt Pcw U = ηc ηd(e/hν)exp(-αcwz).C V = ηc ηd(e/hν).exp (-αcwz).C.γ(z)Pp(0)exp(-αpz)vW/2 Q = ηc ηd(e/hν)Pp (0).exp(-αp z-αpz).αR S vW/2 Các hệ số nhiễu tính sau: σ12 = 2e(I1+ In)M2+x +RIN I02M2 +σd2 = 2e [Pcw (U+V) + Q].M2+x +RIN Pcw2 U2 M2 +σd2 = a Pcw2 + b Pcw +c 25 σ02 = 2eI0 M2+x +RIN I02M2 +σd2 = 2e Pcw U.M2+x +RIN Pcw2 U2 M2 +σd2 = a Pcw2 + b’ Pcw +c' Trong : a = RIN U2 M2 b = 2e (U+V).M2+x c = 2e Q.M2+x +σd2 b' - 2e U.M2+x c’ = σd2 Thay vào ta có tỉ số SNR tính SNR = 4(IsM)2.Nave/(σ1 + σ0)2.B = 4.m2Nave.V2.Pcw2/[2aPcw2 + (b+b’)Pcw + (c+c’)+2]{(a Pcw2+bPcw + c) (aPcw2+b’Pcw + c’)}1/2.B] CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 3.1 Lưu đồ thuật tốn kết mơ 26 Bắt đầu Thông số đầu vào: Công suất ánh sáng bơm z = Công suất ánh sáng sóng liên tục PCW Cự ly tuyến quang Tổng suy hao truyền dẫn OC OF quang Độ rộng xung (W) APD Trường hợp sử dụng PD APD Nhập thông số đầu vào APD PD Nhập thơng số đầu vào PD Tính tốn tỷ số SNR vẽ đồ thị Kết thúc KẾT LUẬN Khuếch đại quang phân quan trọng mạng thơng tin quang WDM, có nhiều phương pháp khuếch đại quang sợi 27 hệ thông chủ yếu sử dụng khuếch đại EDFA Raman Và đặc biệt sử dụng khuếch đại Raman đem lại tiến vượt bậc khả tăng dung lượng truyền dẫn thông tin quang Từ việc nghiên cứu lý thuyết nguyên lý khuếch đại quang sợi EDFA, TDFA, PDFA Raman Luận văn sâu tìm hiểu thơng số, đặc tính kỹ thuật khuếch đại mơ hình ứng dụng hệ thống thơng tin quang Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng công suất sóng liên tục CW đến tỷ số FNR khuếch đại Raman xây dựng chương trình mơ kết Trong giai đoạn nhu cầu tăng dung lượng truyền lớn Vì vậy, việc nghiên cứu khuếch đại Raman để ứng dụng vào thực tiễn cần thiết Trên sở luận văn tiếp tục sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng khoảng cách truyền dẫn, công suất đầu vào việc bù công suất khuếch đại Raman Mặc dù cố gắng cẩn thận việc lựa chọn nội dung trình bày luận văn Tuy nhiên, luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp quý thầy cô bạn đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn nhiệt tình PGS.TS Lại Khắc Lãi giúp đỡ bạn đồng nghiệp suốt thời gian thực luận văn Học viên Nguyễn Hoàng Anh TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 Lê Quốc Cường, Đỗ Văn Việt Em, Phạm Quốc Hợp, “Kỹ thuật thông tin quang 1”, Học viện công nghệ bưu chính viễn thơng, 2009 Mai Ngun Dũng, “Tán xạ Raman kích thích”, Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng, Hà Nội, 2006 Nguyễn Duy Dương, “Khuếch đại quang sợi và khả ứng dụng vào mạng viễn thông”, Đồ án tốt nghiệp đại học, Đại học giao thông vận tải, Hà Nội, 2005 Trần Đức Hân – Nguyễn Minh Hiển (2002), Cơ sở kỹ thuật Laser, NXB Giáo Dục, Hà Nội Aslverajan, Subrat Kar, T Srimivas (2002), Optical Fiber Communication Principles and systems, Mc Graw-Hill, Singapore Biswanath Mukherjee (1997), Optical Communication network, Mc Graw-Hill, USA Lightwave Technology Vol 22 no7 July 2004 Michel.J.F Digonnet (2001), Rare Earth Doped Fiber Laser and Amplifiers, marcel Dekkel, USA ... QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI 1.1 Khuếch đại quang sợi EDFA 1.1.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động: a Cấu trúc khuếch đại quang sợi EDFA Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc EDFA Trên cấu trúc khuếch đại sợi quang. .. KẾT LUẬN Khuếch đại quang phân quan trọng mạng thơng tin quang WDM, có nhiều phương pháp khuếch đại quang sợi 27 hệ thông chủ yếu sử dụng khuếch đại EDFA Raman Và đặc biệt sử dụng khuếch đại. .. khuếch đại EDFA khuếch đại Raman có hiệu suất bơm nguồn tín hiệu thấp Thứ hai, khuếch đại Raman đòi hỏi sợi khuếch đại quang dài Tuy nhiên nhược điểm giảm cách kết hợp khuếch đại bù tán sắc sợi