Đang tải... (xem toàn văn)
Khảo sát các thông số đặc trưng của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm
Khảo sát các thông số đặc trng của khuếch đại quang si pha tạp đất hiếm Er3+ (Erbium Doped Fiber Amplifiers - EDFAs)Mc lc Phn m uChng I: Gii thiu chung v khuch i quang .11.1 Vai trũ v ng dng ca khuch i quang 11.1.1 Vai trũ ca khuch i quang 11.1.2 ng dng ca khuch i quang 31.2 Khuch i quang si pha tp t him Er3+ (EDFA) 31.3 Nhng vn chn gii quyt .4Phn tng quanChng II: Si quang pha tp t him Er3+ .52.1 Nhng tớnh cht ca ion t him Er3+ .52.1.1 Tớnh cht quang ca cỏc ion t him .52.1.2 Nguyờn t Erbium (Er) .62.1.3 Tit din hiu dng .82.1.4 Thi gian sng 102.2 Ph hp th v phỏt x ca ion Er3+ .122.3 Kho sỏt cỏc di bm thớch hp cho Er3+ .132.3.1 Di bm 800nm 142.3.2 Di bm 980nm 152.3.3 Di bm 1480nm 152.4 Suy hao tớn hiu quang trong si thy tinh SiO2 162.5 Cu to si quang pha tp t him Er3+ 182.6 S ph thuc ca si quang vo nng v thnh phn pha tp Er3+ .19 Chương III: Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ (EDFA) 203.1 Cơ sở của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ 203.1.1 Hệ phương trình tốc độ .203.1.2 Hệ phương trình truyền dẫn trong khuếch đại 233.1.3 Khuếch đại bức xạ tự phát ASE 233.2 Những thông số đặc trưng của một bộ khuếch đại quang EDFA .253.2.1 Phổ tăng ích và băng tần 253.2.2 Hệ số khuếch đại .263.2.3 Tăng ích bão hòa .293.2.4 Phổ ASE 303.2.5 Thông số tạp âm 313.3 Các cấu hình bơm cho khuếch đại quang EDFA 333.3.1 Bơm đồng hướng 333.3.2 Bơm ngược hướng 343.3.3 Bơm song công .343.4 Những ưu, nhược điểm của bộ khuếch đại quang EDFA 353.5 Các ứng dụng của khuếch đại EDFA trong mạng truyền dẫn quang .363.5.1 Khuếch đại công suất .373.5.2 Khuếch đại trên tuyến .373.5.3 Tiền khuếch đại .38Phần mở đầu ______________________________________________________________________________Chương IGiới thiệu chung về khuếch đại quang1.1 Vai trò và ứng dụng của khuếch đại quang1.1.1 Vai trò của khuếch đại quangÁnh sáng đã thu hút sự quan tâm của chúng ta ngay từ thời kỳ sơ khai của lịch sử loài người. Ánh sáng cho phép chúng ta nhìn thấy nhiều thứ, đặc biệt là những hiện tượng hấp dẫn như: cầu vồng, những màu sắc ấn tượng vào lúc bình minh phát ra từ mặt trời… Bởi vậy, không có gì là tình cờ khi ánh sáng cũng gây được sự quan tâm đặc biệt của rất nhiều nhà khoa học. Từ xa xưa, con người đã cố gắng để hiểu về ánh sáng qua nhiều thế kỷ, và đã thu được những kiến thức nhất định. Ngày nay, chúng ta biết rằng ánh sáng là một dạng sóng điện từ, như sóng radio. Nó là đối tượng của rất nhiều định luật vật lý về truyền dẫn và tương tác.Con người từ xưa đã biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin bằng những cách rất thô sơn như: đốt lửa, sử dụng gương để phản xạ ánh sáng mặt trời… Với sự phát triển của khoa học hiện đại, chúng ta đã có thể chế tạo những hệ thống thông tin quang có khả năng truyền thông tin đi rất xa và chính xác bằng cách đưa tín hiệu ánh sáng đi trong những sợi dẫn sóng hay sợi quang.Thông tin quang đã phát triển rất nhanh trong những năm cuối của thể kỷ XX. Tốc độ và khoảng cách truyển đã tăng lên rất nhanh trong vòng khoảng 20 năm, từ ứng dụng sợi đa mốt cho đến sợi đơn mốt, từ tốc độ bit 45Mb/s với khoảng cách lặp 10km ở những năm 1980 đã lên đến 100Gb/s với khoảng cách hàng ngàn km đã đưa vào hoạt động trong năm 2000.Các hệ thống thông tin quang có ưu điểm vượt trội so với thông tin cáp kim loại như suy hao truyền dẫn thấp, dung lượng truyền cao, ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ và hoạt động tin cậy hơn.Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra đối với các hệ thống thông tin quang là khi tín hiệu ánh sáng truyền đi trong một sợi quang, nó sẽ bị suy hao (suy hao công suất ). Chính vì vậy, độ dài của hệ thống thông tin quang sợi bị hạn chế bởi hai yếu tố: mất mát quang trong sợi quang và tán sắc quang. Do đó, đối với những sợi quang có độ dài rất lớn, tín hiệu quang bị suy hao trở nên rất yếu và không còn có thể nhận được tín hiệu ở đầu thu (photodiode), nên tín hiệu thu được sẽ có tỷ lệ bit lỗi lớn. ______________________________________________________________________________Trước đây, trong các đường thông tin quang khoảng cách lớn mất mát quang đựơc khắc phục bằng các trạm lặp quang - điện tử, trong đó tín hiệu quang đã suy giảm được biến đổi thành tín hiệu điện (O/E) sau đó tín hiệu điện này được khuếch đại lên rồi lại được phục hồi thành tín hiệu quang (E/O) và tiếp tục truyền đi. Các bộ tái lặp tín hiệu quang bằng quang - điện tử đã trở nên phức tạp và đắt tiền khi chúng ta sử dụng kỹ thuật ghép nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang (Wavelength Division Multiplexing - WDM ). Chính vì vậy, việc nghiên cứu để khuếch đại tín hiệu quang một cách trực tiếp ngày một phát triển và được ứng dụng rất rộng rãi.Vùng tín hiệu quang Hình 1.1: Sơ đồ khối khuếch đại lặp bằng các bộ biến đổ O/E và E/OO – E: quang → điệnE – O: điện → quangλλ O - E E - OAmp Sợi quang Sợi quangVùng tín hiệu quang Vùng tín hiệu điện Bộ thu quang Bộ khuếch đại điệnBộ chuyển đổi quangĐể có thể truyền được tín hiệu xa hàng trăm km, mức công suất quang phải được điều chế một cách định kỳ. Những bộ khuếch đại quang là chìa khoá cho việc đó, chúng khôi phục lại tín hiệu quang đã bị suy hao. Bởi vậy, khoảng cách truyền tín hiệu ngày càng được tăng lên. Tín hiệu vào yếu Tín hiệu ra khuếch đạiDòng bơmKhuếch đại quang Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ khuếch đại lặp bằng khuếch đại quang 1.1.2 Ứng dụng của khuếch đại quang ______________________________________________________________________________Có 4 ứng dụng chính của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang là:• Khuếch đại công suất (booster) để tăng công suất quang vào đường truyền.• Khuếch đại trên tuyến (in line) để thay thế các bộ lặp quang - điện trên tuyến quang sợi khoảng cách lớn.• Tiền khuếch đại cho bộ thu quang để tăng công suât tín hiệu quang vào bộ thu.• Khuếch đại công suất phân bố cho các mạng rẽ nhánh.Cần chú ý rằng khuếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã suy hao trong tuyến truyền dẫn. Do khuếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc và các hiệu ứng quang phi tuyến, cho nên truyền thông tin quang sử dụng khuếch đại quang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra.Sử dụng khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM có ý nghĩa công nghệ quan trọng vì khuếch đại quang có thể khuếch đại tất cả các bước sóng tới trong băng tần khuếch đại Δf. 1.2 Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ (EDFA)Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ ( Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA ) là phương pháp khuếch đại quang trực tiếp trên đường truyền mà không cần qua một bộ lặp quang - điện tử nào. Một bộ khuếch đại quang được chế tạo dựa trên nguyên tắc khuếch đại ánh sáng trực tiếp bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo mật độ có cơ chế vật lý giống như laser, tuy nhiên khuếch đại quang không yêu cầu có phản hồi quang bằng gương phản xạ trong buồng cộng hưởng như laser. (hình 1.4) EDFA Nguồn bơm laser(λ=980 hoặc 1480nm) Tín hiệu vào yếu Tín hiệu ra khuếch đại Bộ cách ly quang Bộ cách ly quangBộ ghép quang Sợi quang Sợi quang Hình 1.3: Một bộ khuếch đại EDFA bao gồm: sợi quang, 1 sợi quang pha tạp Er3+,1 bơm quang học, 1 bộ ghép quang, và 2 bộ cách quang ở 2 đầu ______________________________________________________________________________Sợi quang pha tạp Er3+Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm (Rare Earth Doped Fiber Amplifier) là một thành tựu lớn của công nghệ thông tin quang trong những năm cuối thế kỷ ΧΧ Các ion đất hiếm họ Lantan (Lanthanide) được pha tạp vào lõi sợi quang sẽ đóng vai trò là môi trường khuếch đại quang. Trong đó Erbium là nguyên tố được đặc biệt chú ý vì chúng có khả năng khuếch đại quang ở vùng bước sóng 1550nm là cửa sổ thông tin thứ 3 của sợi quang thủy tinh SiO2. Tại vùng bước sóng này, suy hao trong sợi quang SiO2 là nhỏ nhất. Có thể nói rằng chưa có một công nghệ nào được ứng dụng vào thực tiễn nhanh như khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+.Đến nay, các bộ khuếch đại quang EDFA được sử dụng rất rộng rãi trong mạng truyền thông cáp quang và đặc biệt trong các hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM. Có thể nói rằng bộ khuếch đại quang EDFA đã tạo ra bước nhảy vọt trong công nghệ viễn thông cáp quang dung lượng lớn bằng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng. Khuếch đại quang sợi EDFA có băng tần khuếch đại khá rộng, có thể khuếch đại đồng thời hàng trăm bước sóng trong dải 1525÷1600nm. Đặc biệt khuếch đại quang sợi EDFA không nhạy với phân cực của chùm sáng tới, do đó có thể sử dụng rất dễ dàng trong mọi tuyến truyền dẫn quang sợi.1.3 Những vấn đề chọn để giải quyếtMục tiêu đặt ra đối với luận văn này gồm: Khảo sát sự ổn định của nguồn bơm laser DFB tại bước sóng 980nm cho các bộ khuếch đại quang pha tạp đất hiếm Er3+ (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier) như đường đặc tuyến P – I, sự ổn định nhiệt độ và dòng bơm của laser. Khảo sát đặc điểm và dạng phổ khuếch đại bức xạ tự phát ASE của các bộ khuếch đại quang EDFA. Khảo sát các thông số đặc trưng của các bộ khuếch đại quang EDFA có nồng độ và chiều dài sợi pha tạp khác nhau như: hệ số tăng ích G, băng tần khuếch đại Δλ, công suất ra bão hòa và thông số tạp âm NF.Khuôn khổ của luận văn không đề cập đến những vấn đề như thiết kế, lắp ráp mạch điện tử hay viết phần mềm trên máy vi tính để khảo sát các thông số của laser bơm, mà chỉ chú trọng đến các yếu tố ảnh hưởng tới khuếch đại quang EDFA. ______________________________________________________________________________Trong quá trình thực hiện luận văn này, mặc dù đã có những cố gắng song không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và của quý độc giả. ______________________________________________________________________________________________________________________________________________Phần tổng quanChương IISợi quang pha tạp đất hiếm Er3+2.1 Những tính chất của ion đất hiếm Er3+2.1.1 Tính chất quang của các ion đất hiếmCác nguyên tố đất hiếm được chia ra làm 2 nhóm, mỗi nhóm có 14 nguyên tố:• Nhóm I: họ Lantan (Lanthanide) được đặc trưng bởi lớp 4f được lấp đầy, bắt đầu với nguyên tố Cerium (Ce, Z = 58) và kết thúc là nguyên tố Lutetium (Lu, Z = 71).• Nhóm II: họ Actini (Actinide) được đặc trưng bởi lớp 5f được lấp đầy, từ Thorium (Th, Z = 90) cho đến Lawrencium (lr, Z=103).Mặc dù những nguyên tố này có chung nhiều tính chất điện, nhưng chỉ có họ Lantan là được đề cập đến vì chúng có một vai trò rất quan trọng trong các bộ khuếch đại và laser, còn các nguyên tố trong họ Actini không có đồng vị đủ bền phù hợp với yêu cầu của các thiết bị nói trên.Chúng ta biết rằng, cấu tạo của nguyên tử gồm một hạt nhân được bao quanh bởi các lớp điện tử. Thông thường, các lớp điện tử này được lấp đầy theo thứ tự sao cho các lớp vỏ sẽ có bán kính tăng dần. Tuy nhiên, đến vị trí nguyên tử thứ 57 (Z = 57) thì quy luật này bị phá vỡ. Ở nguyên tử thứ 57, lớp 5s và 5p (5s25p6) được lấp đầy trước sau đó các điện tử mới tiếp tục lấp đầy lớp 4f. Thay vì có bán kính lớn hơn lớp 5s và 5p, lớp 4f có bán kính nhỏ hơn hai lớp này nên nó bị bao bọc bởi các lớp này. Do các nguyên tố thuộc họ Lantan có số nguyên tử từ 58 đến 71 nên chúng đều tuân theo quy luật trên. Đây là đặc tính quan trọng nhất của các nguyên tố đất hiếm được gọi là sự co lại của họ Lantan. Hầu hết các nguyên tố đất hiếm đều tồn tại dưới dạng ion đặc biệt là ion hoá trị III bởi đây là dạng ổn định nhất của chúng. Các nguyên tố đất hiếm trung hòa đều có cấu hình điện tử 4f N6s2 hoặc 4f N ־15 d6s2, quá trình ion hóa xảy ra đầu tiên là khử 2 điện tử yếu ở lớp 6s, sau đó ______________________________________________________________________________________________________________________________________________là khử tiếp điện tử tại lớp 4f hoặc 5d. Do vậy các ion đất hiếm họ Lantan hóa trị ba đều có một lõi Xenon (1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6) và N điện tử lớp 4f. Nhờ sự che chắn của các điện tử lớp 5s và 5p nên các tính chất của lớp vỏ 4f gần như được giữ nguyên trong nguyên tử khi pha trong các môi trường thủy tinh hoặc tinh thể.Thông thường các nguyên tử trong chất bán dẫn hoặc kim loại nhường điện tử của chúng cho môi trường nên có phổ năng lượng trải rất rộng. Tuy nhiên, phổ của ion đất hiếm pha tạp trong các chất cách điện như thủy tinh hay tinh thể lại có phổ năng lượng bao gồm một dãy các vạch hẹp. Nguyên nhân là do các lớp điện tử 4f gần như vẫn giữ được cấu trúc trạng thái như trong các nguyên tử đất hiếm. Cấu hình 4f gồm nhiều trạng thái do tương tác giữa các điện tử. Hơn nữa, dưới tác dụng của trường tinh thể nền, các mức điện tử của lớp vỏ 4f tiếp tục bị tách thành rất nhiều vạch làm cho các mức năng lượng của lớp 4f tiếp tục bị tách ra do hiệu ứng Stark (hình 2.1). Do vậy quang phổ của lớp vỏ 4f gồm nhiều vạch trong một dải khá rộng. Các mức năng lượng của ion đất hiếm hoàn toàn có thể tính được khi giải phương trình Schrodinger trong trường tinh thể.(4f)2 3F4 3F3 3F 3H 3F2 3H6 3H5 3H4 1G 1G4Năng lượngHinh 2.1: Sơ đồ sự tách mức năng lượng của ion Er3+ do tương tác điện tử - điện tử và tương tác điện tử - trường tinh thể2.1.2 Nguyên tố Erbium (Er) ______________________________________________________________________________________________________________________________________________Erbium (Z=68) là một nguyên tố đất hiếm tiêu biểu thuộc dãy Lantan nên nó có các tính chất đặc trưng của dãy. Do Er3+ làm việc trong vùng bước sóng 1500nm (là cửa sổ thứ 3 của thông tin quang) nhờ dịch chuyển 4I13/2 − 4I15/2 nên nó được ứng dụng rộng rãi cho hoạt động của laser và khuếch đại quang. Khi pha tạp vào thủy tinh silica SiO2, các ion Er3+ có các mức năng lượng như hình 2.2.1480980800670532514485450440410 1660 540 850 1220 17206409801540 27502P3/22G7/24G11/24F3/22H11/24F9/24I9/24I11/24I13/24I15/2 2H9/2 4F5/2 4F7/2 4S3/2 35 30 25 [...]... đại Dịng bơm Khuếch đại quang Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ khuếch đại lặp bằng khuếch đại quang 1.1.2 Ứng dụng của khuếch đại quang Chương III Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+ (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier) 3.1 Cơ sở của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+ Nguyên lý của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+ là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức trong mơi trường... ra khuếch đại Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang Bộ ghép quang Sợi quang Sợi quang Hình 1.3: Một bộ khuếch đại EDFA bao gồm: sợi quang, 1 sợi quang pha tạp Er 3+ , 1 bơm quang học, 1 bộ ghép quang, và 2 bộ cách quang ở 2 đầu 3.2.4 Phổ ASE Phổ của khuếch đại bức xạ tự phát ASE có dạng gần giống với phổ của hệ số khuếch đại nên nó cung cấp các thơng tin có ích về các đặc tính của bộ EDFA. Dạng... ______________________________________________________________________________ Sợi quang pha tạp Er 3+ Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm (Rare Earth Doped Fiber Amplifier) là một thành tựu lớn của công nghệ thông tin quang trong những năm cuối thế kỷ ΧΧ Các ion đất hiếm họ Lantan (Lanthanide) được pha tạp vào lõi sợi quang sẽ đóng vai trị là mơi trường khuếch đại quang. Trong đó Erbium là nguyên tố được đặc biệt chú ý vì chúng có khả năng khuếch đại quang ở vùng... L là chiều dài sợi quang pha tạp Er 3+ , thay vào biểu thưc (3.25) ta sẽ thu được công thức của hệ số khuếch đại như sau : ( ) ( ) [ ] LgG ωω exp = (3.28) Chương III: Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+ (EDFA) 20 3.1 Cơ sở của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+ 20 3.1.1 Hệ phương trình tốc độ 20 3.1.2 Hệ phương trình truyền dẫn trong khuếch đại 23 3.1.3 Khuếch đại bức xạ tự phát... tạo ra. Sử dụng khuếch đại quang trong hệ thống thơng tin quang đa bước sóng WDM có ý nghĩa cơng nghệ quan trọng vì khuếch đại quang có thể khuếch đại tất cả các bước sóng tới trong băng tần khuếch đại Δf. 1.2 Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+ (EDFA) Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+ ( Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA ) là phương pháp khuếch đại quang trực tiếp trên đường... các bộ khuếch đại quang EDFA. Khảo sát các thông số đặc trưng của các bộ khuếch đại quang EDFA có nồng độ và chiều dài sợi pha tạp khác nhau như: hệ số tăng ích G, băng tần khuếch đại Δλ, cơng suất ra bão hịa và thơng số tạp âm NF. Khn khổ của luận văn không đề cập đến những vấn đề như thiết kế, lắp ráp mạch điện tử hay viết phần mềm trên máy vi tính để khảo sát các thông số của laser bơm, mà... cực đại của hệ số khuếch đại. 3.2.2 Hệ số khuếch đại Như đã biết, hệ số khuếch đại G là tỷ số giữa cơng suất tín hiệu lối ra trên tín hiệu lối vào, và được tính theo đơn vị dB: ( ) = in out P P dBG 10 log10 (3.30) Hệ số khuếch đại quang trong môi trường khuếch đại phụ thuộc vào tần số của tín hiệu quang tới, cường độ chùm sáng khuếch đại tại các điểm khác nhau của bộ khuếch đại quang. .. Những thông số đặc trưng của một bộ khuếch đại quang EDFA 25 3.2.1 Phổ tăng ích và băng tần 25 3.2.2 Hệ số khuếch đại 26 3.2.3 Tăng ích bão hịa 29 3.2.4 Phổ ASE 30 3.2.5 Thơng số tạp âm 31 3.3 Các cấu hình bơm cho khuếch đại quang EDFA 33 3.3.1 Bơm đồng hướng 33 3.3.2 Bơm ngược hướng 34 3.3.3 Bơm song công 34 3.4 Những ưu, nhược điểm của bộ khuếch đại quang EDFA 35 3.5 Các ứng dụng của khuếch đại EDFA... dẫn quang sợi. 1.3 Những vấn đề chọn để giải quyết Mục tiêu đặt ra đối với luận văn này gồm: Khảo sát sự ổn định của nguồn bơm laser DFB tại bước sóng 980nm cho các bộ khuếch đại quang pha tạp đất hiếm Er 3+ (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier) như đường đặc tuyến P – I, sự ổn định nhiệt độ và dòng bơm của laser. Khảo sát đặc điểm và dạng phổ khuếch đại bức xạ tự phát ASE của các bộ khuếch đại. .. hiệu quang vào bộ thu. • Khuếch đại công suất phân bố cho các mạng rẽ nhánh. Cần chú ý rằng khuếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã suy hao trong tuyến truyền dẫn. Do khuếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc và các hiệu ứng quang phi tuyến, cho nên truyền thông tin quang sử dụng khuếch đại quang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra. Sử dụng khuếch đại . bước sóng tới trong băng tần khuếch đại Δf. 1.2 Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ (EDFA )Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ ( Erbium Doped. Khảo sát các thông số đặc trưng của các bộ khuếch đại quang EDFA có nồng độ và chiều dài sợi pha tạp khác nhau như: hệ số tăng ích G, băng tần khuếch đại