Đề tài Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+

LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Phạm Văn Hội, người đã giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực tập. Tôi xin chân thành cảm ơn tới toàn thể cán bộ làm việc tại phòng Vật Liệu và Ứng dụng Quang Sợi, Viện Khoa Học Vật Liệu đã quan tâm, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất cũng như thiết bị cho việc nghiên cứu để tôi hoàn thành tốt đợt thực tập này. Hà Nội, ngày 06 tháng 02 năm 2007 Sinh viên Dương Xuân Chung Mục lục Phần 1: Cơ sở lý thuyết 1. Sợi quang pha tạp đất hiếm 1.1 Các nguyên tố đất hiếm 1.2 Nguyên tố Er 1.2.1 Các mức năng lượng của Er3+ khi pha tạp vào thủy tinh SiO2 1.2.2 Phổ hấp thụ và phát xạ của Er3+ bơm bằng laser ở bước sóng 980nm 1.2.3 Thành phần và nồng độ pha tạp 1.2.4 Các bước sóng bơm thích hợp cho Er3+ 2. Khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+2.1 Giới thiệu 2.2. Cấu tạo sợi quang pha tạp Er3+ 2.3 Nguyên lý của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ 2.3.1 Hệ phương trình tốc độ 2.3.2 Hệ phương trình truyền dẫn 2.4 Các thông số của bộ khuếch đại 2.4.1 Phổ tăng ích và băng tần 2.4.2 Hệ số khuếch đại 2.4.3 Tăng ích bão hòa 2.4.4 Phổ ASE 2.4.5 Thông số tạp âm 2.5 Các cấu hình bơm cho khuếch đại EDFA 2.6 Các ứng dụng của khuếch đại EDFA trong mạng truyền dẫn quang Phần 2: Thực nghiệm 1. Sơ đồ hệ đo 2. Khảo sát phổ khuếch đại bức xạ tự phát ASE 3. Khảo sát các thông số của các bộ khuếch đại EDFA Hệ số khuếch đại Băng tần khuếch đại Công suất ra bão hòa Thông số tạp âmPhần 1: Cơ sở lý thuyết 1. Sợi quang pha tạp đất hiếm: 1.1 Các nguyên tố đất hiếm - Gồm 2 nhóm: Nhóm 1: họ Lantan được đặc trưng bởi lớp 4f lấp đầy, bắt đầu với nguyên tố Ce (Z=58) và kết thúc là Lu (Z=71) Nhóm 2: họ Actini được đặc trưng bởi lớp 5f lấp đầy, từ Th (Z=90) đến 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 4fN6s2 hoặc 4fN ־15d6s2, 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. - Phổ năng lượng: (4f)2 3F4 3F3 3F 3H 3F2 3H6 3H5 3H4 1G 1G4 Năng lượng Sơ đồ sự tách mức năng lượng của ion Er3+ do tương tác điện tử - điện tử và tương tác điện tử - trường 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 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 các lớp điện tử 4f gần như vẫn giữ được cấu trúc trạng thái như trong các nguyên tử đất hiếm. + dưới tác dụng của trường tinh thể nền, các mức điện tử của lớp vỏ 4f tiếp tục bị tách ra thành rất nhiều vạch làm cho các mức năng lượng của lớp 4f tiếp tục bị tách ra do hiệu ứng Stark. Do vậy quang phổ của lớp vỏ 4f gồm nhiều vạch trong một dải khá rộng. Sơ đồ tách mức năng lượng của ion Er3+ do tương tác điện tử - điện tử và tương tác điện từ - trường tinh thể. 1.2 Nguyên tố Er (Z=68) : 4s24p64d104f115s25p65d16s2 Erbium là nguyên tố được chú ý đặc biệt, vì chúng có khả năng khuếch đại quang ở vùng bước sóng 1550nm, là vùng cửa sổ thông tin thứ 3 của sợi quang thủy tinh SiO2. Tại vùng bước sóng 1550nm, suy hao trong sợi quang SiO2 là nhỏ nhất. 1.2.1 Các mức năng lượng của Er3+ khi pha tạp vào thủy tinh SiO2: Sơ đồ các mức năng lượng và các trạng thái dịch chuyển của ion Er3+: 1480 980 800 670 532 514 485 450 440 410 1660 540 850 1220 1720 640 980 1540 2750 2P3/2 2G7/2 4G11/2 4F3/2 2H11/2 4F9/2 4I9/2 4I11/2 ms 4I13/2 ms 4I15/2 2H9/2 4F5/2 4F7/2 4S3/2 35 30 25 20 15 10 5 0 Các dịch chuyển hấp thụ (tính theo nm) Các dịch chuyển phát xạ (tính theo nm) Năng lượng (103cm-1) Sơ đồ các mức năng lượng và các trạng thái dịch chuyển của ion Er3+ Đặc trưng quan trọng của ion Er3+ ở đây là nó có mức 4I13/2 là mức siêu bền (mức kích thích), với thời gian sống của các hạt tải này lên đến 10ms, trong khi đó thời gian sống của các hạt tải tại mức 4I11/2 (mức bơm) chỉ cỡ vài ms. Do đó nếu ta kích thích bằng chùm laser 980nm, các ion Er3+ sẽ được kích thích lên mức 4I13/2, và sau một thời gian rất ngắn cỡ vài ms, chúng sẽ dịch chuyển không bức xạ xuống mức 4I13/2 với thời gian sống tại mức này gấp vạn lần thời gian sống tại mức 4I13/2. Điều này cho chúng ta tạo ra nghịch đảo mật độ trong môi trường thủy tinh SiO2 pha tạp Er3+ (giữa 2 mức 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2). Các kết quả đo đạc thực nghiệm đã phù hợp với tính toán lý thuyết bằng việc đo phổ hấp thụ của silica pha tạp Er : 400 800 600 1000 1200 1400 1600 0 2 4 6 8 10 Bước sóng λ(nm) Hấp thụ (dB/m) Phổ hấp thụ của sợi thủy tinh gốc pha tạp Er3+ Chúng ta quan tâm đến các vạch phổ có bước sóng 800nm, 980nm, 1530nm tương ứng với các mức 4I9/2, 4I11/2, 4I13/2. Trong môi trường SiO2 vô định hình do tương tác mạnh với mạng nền, các mức năng lượng của ion Er3+ được mở rộng thành các vùng hẹp do hiệu ứng Stark (tách vạch trong từ trường). Vì vậy mà ta có rất nhiều mức năng lượng gần nhau được sử dụng, điều này rất cần thiết trong khi truyền tín hiệu trong sợi quang thông tin (công nghệ WDM). 1.2.2 Phổ hấp thụ và phát xạ của Er3+ bơm bằng laser ở bước sóng 980nm Bước sóng λ(nm) 1400 1450 1500 1550 1600 1650 6 5 4 3 2 1 Tiết diện σ(10-21cm2) Phổ hấp thụ và phát xạ của ion Er3+ trong thủy tinh silica trong vùng bước sóng 1400nm đến 1650nm. Hấp thụ Phát xạ Khi pha tạp Er3+ vào thủy tinh tương tác của các ion Er3+ với mạng không đồng đều nhau, đồng thời sự tách mức ở mức năng lượng trên và mức năng lượng dưới cũng không giống nhau. Các mức năng lượng được tách thành nhiều vạch phân bố sít nhau, nên phổ hấp thụ và phát xạ phân bố trong một vùng rộng. Trên ảnh phổ ta thấy, vùng bước sóng từ 1540nm đến 1650nm có tiết diện phát xạ lớn hơn tiết diện hấp thụ, nên vùng này sẽ có hiệu ứng khuếch đại khi tín hiệu quang đi qua thủy tinh pha tạp Er3+. Phổ phát xạ có hai đỉnh 1530nm và 1557nm do sự tách mức năng lượng 4I15/2 và 4I13/2 không đều. Do đường cong phát xạ không bằng phẳng trong vùng cửa sổ thông tin 1525-1565 nm nên hệ số khuếch đại quang sẽ không đồng đều cho các kênh khác nhau. Do đó người ta tìm cách pha tạp thêm các chất khác nhau như Al, P.. để làm phẳng phổ trong vùng này. 1.2.3 Thành phần và nồng độ pha tạp: Khi pha tạp Er3+ nồng độ cao, sẽ xuất hiện hiện tượng tụ đám và hiệu suất khuếch đại giảm do tương tác ion – ion của hai ion gần nhau - Để tăng độ hòa tan của Er3+ trong silica (SiO2 – Al2O3 – Er3+) : pha tạp thêm Al - Tăng độ hấp thụ năng lượng bơm tron thủy tinh silica pha tạp Er3+ : pha tạp đồng thời các ion Y, Yb (giúp truyền năng lượng bơm, nên hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng lên) - Kết quả trên các mẫu thủy tinh pha tạp Er3+ bằng phương pháp sol-gel đã cho thấy phổ phát xạ có đỉnh tại bước sóng 1530nm với một bờ vai nhô ra ở bước sóng 1550nm độ rộng phổ phát xạ đã tăng lên khi nồng độ ion Er3+ pha tạp tăng lên. Cường độ phát xạ lớn nhất với mẫu chỉ pha tạp Er3+ là 3% trọng lượng. Khi đưa thêm Al3+ vào, vạch phát xạ chính bị mở rộng ra và cường độ phát xạ tăng rất nhiều lần so với mẫu cùng nồng độ Er3+. Như vậy sự phân bố các vị trí Er3+ trong thủy tinh SiO2-Al2O3 rộng hơn trong thủy tinh SiO2, nguyên nhân do các ion Al3+ đã hình thành một lớp bao bọc phía ngoài ion oxy và kéo dãn liên kết Er-O, làm yếu đi liên kết này tạo điều kiện đưa thêm các ion Er3+ khác vào. 1.2.4 Các bước sóng bơm thích hợp cho Er3+: Theo sơ đồ mức năng lượng của Er3+ ta thấy có thể bơm cho sợi khuếch đại bằng nhiều bước sóng khác nhau: 810nm : 4I5/2 lên 4I9/2 xuống 4I13/2 980nm : 4I9/2 lên 4I11/2 1480nm: 4I15/2 lên 4I13/2 Bằng cách sử dụng laser bán dẫn ở các bước sóng tương ứng Với bước sóng bơm 810nm ion Er3+ đã nằm trên mức kích thích 4I3/2 có thể hấp thụ thêm một photon nữa để nhảy lên mức 2H11/2, mức này sẽ chuyển dời phonon về mức 4I3/2, như vậy ta bị mất photon do chuyển thành nhiệt, làm hiệu suất bơm giảm. Với bước sóng 980nm và 1480nm hầu như không có hiện tượng hấp thụ hai photon và đây là bước sóng của laser bán dẫn thông dụng hiện nay, nên hai bước sóng này thường dùng để bơm trong lĩnh vực khuếch đại quang sợi pha tạp Er. Bước sóng 980nm có tạp âm ở lối ra bé hơn, nhưng đòi hỏi bước sóng bơm phải chính xác. Còn bước sóng 1480nm cho hiệu suất bơm cao hơn, và có thể dùng để bơm từ xa cho các bộ khuếch đại trên tuyến. Nhưng tạp âm sinh ra lớn hơn so với bước sóng 980nm. 2. Khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+ 2.1 Giới thiệu - Sợi quang có nhiều ưu điểm vượt trội so với kim loại như: suy hao truyền dẫn thấp, dung lượng truyền cao, ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện tử và hoạt động tin cậy hơn. - Tín hiệu quang trong cáp quang bị suy hao do nhiều nguyên nhân như: sự hấp thụ ánh sáng trong sợi, ánh sáng đi ra khỏi sợi do biến dạng ở các đoạn cong,… nên ta phải khuếch đại năng lượng của nó ở những khoảng cách nhất định để đảm bảo tín hiệu đến nơi thu đạt yêu cầu. - Trước đây người ta sử dụng các trạm lặp quang – điện tử (bộ khuếch đại lặp), trong đó tín hiệu quang đã suy giảm được biến đổi thành tín hiệu điện (O/E), tín hiệu điện này được khuếch đại, sửa dạng và biến đổi ngược lại thành tín hiệu quang (E/O) để truyền đi => tốn kém và phức tạp khi công nghệ ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang được sử dụng (WDM) : như lắp ráp, điều khiển các bộ ghép, tách các kênh truyền tại các bộ khuếch đại lặp - Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ (Erbium doped Fiber Amplifier – EDFA) Khuếch đại quang sợi EDFA có băng tần khuếch đại khá rộng, có thể khuếch đại đồng thời hàng trăm bước sóng trong dải 1525-1565nm. Đặc biệt là khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+ không nhạy với phân cực của chùm sáng tới, do đó có thể rất dễ dàng trong mọi tuyến truyền dẫn quang sợi 2.2 Cấu tạo sợi quang pha tạp Er3+: Vỏ bảo vệ Lớp chiết suất n2 Đường kính 125μm Lớp chiết suất n1 Lỡi pha tạp Er+3 Đường kính 3μm Cấu tạo sợi quang đơn mốt pha tạp Er+3 Môi trường khuếch đại quang là sợi dẫn quang bằng thủy tinh có pha tạp Er3+ với các nồng độ khác nhau. Nồng độ pha tạp về nguyên tắc càng cao càng tốt để giảm chiều dài sợi khuếch đại. Tuy nhiên trong thực tế các ion đất hiếm có độ hòa tan thấp trong môi trường thủy tinh silica, vì vậy khi pha tạp Er3+ nồng độ cao trong thủy tinh SiO2 hiệu ứng tụ đám các ion Er3+ sẽ hấp thụ ngược ánh sáng nên hệ số khuếch đại giảm đáng kể. - Sợi quang đa mode pha tạp Er3+ tiêu chuẩn sử dụng trong laser sợi quang có cấu trúc lõi dẫn sáng đường kính 50micron, đường kính lớp vỏ 125micron, khẩu độ số N.A=0,2 - 0,25. Trong lõi dẫn sáng người ta pha tạp Er3+ tại tâm sợi quang. Đường kính vùng pha tạp từ 15 đến 30micron. Nồng độ pha tạp ion Er3+ từ 0,1% đến 1,2%. - Sợi quang đơn mode pha tạp Er3+ tiêu chuẩn sử dụng trong laser sợi quang có cấu trúc lõi dẫn sáng đường kính 9micron, đường kính lớp vỏ 125micron. Đường kính vùng pha tạp từ 2 đến 3 micron. Nồng độ pha tạp ion Er3+ từ nồng độ thấp n1000ppm. Các loại sợi pha tạp hiện nay dùng khuếch đại quang trong thông tin có n = 2500ppm. Cấu tạo sợi quang pha tạp Er có kích thước giống như sợi quang truyền tín hiệu nên việc hàn nối các sợi với nhau rất dễ dàng. 2.3 Nguyên lý của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+: Là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo mật độ. Để tạo được trạng thái đảo mật độ trong môi trường hoạt tính bằng phương pháp bơm quang học, chúng ta xét đến mô hình khuếch đại quang sử dụng bơm 3 hoặc 4 mức năng lượng. Các bộ khuếch đại EDFA tuân theo sơ đồ 3 mức. 4I11/2 4I13/2 Các nguyên tử Erbium bị kích thích lên mức năng lượng cao −1μs Bức xạ kích thích λ=1520 ÷ 1620 nm Các nguyên tử Erbium tại mức năng lượng thấp λ=980nm λ=1480nm Các nguyên tử Er tại mức siêu bền (−10ms) 4I15/2 Nguyên lý khuếch đại quang bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo mật độ của sợi quang pha tạp Er3+ 2.3.1 Hệ phương trình tốc độ: Xét hệ 3 mức năng lượng: 1 2 3 Φpσp Φsσs Г32 Г21 Sơ đồ hệ 3 mức năng lượng Mức 1 là mức năng lượng cơ bản (E1=0) (tương ứng với trạng thái 4I15/2 trong cấu trúc năng lượng của Er3+). Mức 2 là mức laser trên, thời gian sống ở mức này phải lớn hơn nhiều so với các trạng thái trên (tương ứng với trạng thái 4I13/2). Mức 3 là mức kích thích khi nguyên tử hấp thụ năng lượng bơm, đây là mức trung gian để tạo sự nghịch đảo phân bố mật độ giữa mức 2 và 1, thời gian sống ở mức này rất ngắn (cỡ ms) (tương ứng với trạng thái 4I11/2). Khi các nguyên tử nhận năng lượng từ nguồn bơm bên ngoài có tần số bơm thích hợp, chúng sẽ bị kích thích lên mức 3. Do thời gian sống tại mức 3 rất ngắn nên chúng sẽ bị dịch chuyển rất nhanh xuống mức 2 thông qua dịch chuyển phonon (dịch chuyển không phát xạ). Thời gian sống của các nguyên tử tại mức 2 rất dài, cỡ ms nên chúng có thể tồn tại khá lâu tại mức này và vì vậy chúng có thể tạo ra nghịch đảo độ tích lũy so với mức 1. Khi một nguyên tử tại mức kích thích 2 này tương tác với một photon tín hiệu tới, nó sẽ nhảy xuống mức 1 và bức xạ ra một photon có tần số và pha giống hệt như photon tới (bức xạ kích thích). Đây chính là nguyên lý để chế tạo các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+. Hệ phương trình tốc độ cho hệ 3 mức năng lượng trên như sau: p là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1 lên mức 3 ( số photon trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích), tương ứng với bơm. s là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1 lên mức 2, tương ứng với tín hiệu. là xác xuất dịch chuyển không phát xạ từ mức 3 xuống mức 2 (coi dịch chuyển phát xạ từ mức 2 xuống mức 3 là rất bé) là xác xuất dịch chuyển phát xạ từ mức 2 xuống mức 1, nếu là thời gian sống tại mức 2 ta sẽ có: Với và lần lượt là tiết diện hấp thụ từ mức 1 lên mức 3 và tiết diện bức xạ từ mức 2 xuống mức 1. Ở trạng thái dừng, ta có: Tổng độ tích lũy tại 3 mức là : N = N1+N2+N3 Độ tích lũy tại mức 3: Do tốc độ phân rã từ mức 3 xuống mức 2 rất nhanh, nhanh hơn rất nhiều tốc độ tác động của nguồn bơm, nên độ tích lũy ở mức 3 gần như là bằng 0 vì vậy ta sẽ coi toàn bộ độ tích lũy chỉ gồm mức 1 và 2. Thay vào ta được: Nghịch đảo độ tích lũy: => điều kiện để có nghịch đảo độ tích lũy là N2>>N1 Điều kiện ngưỡng ứng với , ta có thông lượng tối thiểu cho tốc độ bơm: Trong trường hợp cường độ tín hiệu rất nhỏ và tốc độ phân rã lớn hơn nhiều so với tốc độ bơm , ta có phân số đảo mật độ: với Khi phân số đảo mật độ là âm, chuyển dời do hấp thụ sẽ lớn hơn chuyển dời do bức xạ, tín hiệu sẽ bị suy hao. Ngược lại nếu phân số đảo mật độ là dương thì tín hiệu đi qua sợi quang sẽ được khuếch đại. Từ công thức về cường độ bơm (năng lượng trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian) được cho bởi , ta có cường độ bơm ngưỡng: Từ phương trình trên ta thấy rằng tiết diện hấp thụ càng cao tức là xác suất hấp thụ photon bơm càng lớn thì số photon bơm cần thiết để đảm bảo lượng photon được hấp thụ đạt ngưỡng sẽ thấp đi hay sẽ thấp đi. Thêm vào đó, thời gian sống tại mức 2 càng dài tức là năng lượng tích lại ở mức 2 càng lâu thì lưọng photon cần bơm trong một đơn vị thời gian để giữ được năng lượng ở lại mức 2 (hay để tạo được nghịch đảo độ tích luỹ) sẽ giảm bớt. Vì vậy, điều kiện để có ngưỡng bơm thấp sẽ là: - Tiết diện hấp thụ lớn - Thời gian sống tại mức 2 (một điểm hết sức thuận lợi của sợi quang pha tạp Er3+ là chúng có thời gian sống tại mức kích thích 4I13/2 rất lớn, cỡ 10ms). 2.3.2 Hệ phương trình truyền dẫn: Sử dụng sơ đồ 3 mức năng lượng như ở phần trên, mật độ tích luỹ (số lượng ion trong một đơn vị thể tích) tại các mức 1, 2 và 3 lần lượt là N1, N2, và N3, ta sẽ xét sóng tín hiệu và sóng bơm truyền theo cùng một hướng dọc theo trục z của sợi quang lần lượt có cưòng độ là và . Sự thay đổi của sóng tín hiệu và sóng bơm khi đi qua một đoạn vô cùng nhỏ dz la: Từ đó, ta thu được sự tăng cường cường độ tín hiệu: Và sự suy hao cường độ bơm: Từ đây, ta thấy rõ ràng tín hiệu chỉ có thể được khuếch đại khi: 2.4 Các thông số của bộ khuếch đại quang EDFA 2.4.1 Phổ tăng ích và băng tần Hệ số tăng ích quang trong môi trường khuếch đại phụ thuộc vào tần số (hay bước sóng) của tín hiệu quang tới và cường độ chùm ánh sáng khuếch đại tại các điểm khác nhau của bộ khuếch đại quang. Để đơn giản, chúng ta giả thiết môi trường khuếch đại là một hệ hai mức năng lượng mở rộng đồng nhất. Hệ số tăng ích g(w) trong môi trường khuếch đại được tính bằng biểu thức sau: Trong đó: g0 là giá trị tăng ích cực đại, w là tấn số của tín hiệu quang tới, w0 là tấn số chuyển dời nguyên tử, P là công suất quang của chùm sáng tới và Ps là công suất bão hòa của bộ khuếch đại, phụ thuộc vào các thông số của môi trường khuếch đại như T1 thời gian phát xạ huỳnh quang (flourescence time) và tiết diện dịch chuyển của nguyên tử kích thích. T2 là thời gian phục hồi lưỡng cực (dipole relaxtion time) thường có giá trị rất nhỏ (T2 <1ps). Thời gian phát xạ huỳnh quang cũng được gọi là thời gian phục hồi mật độ hạt tải. T1 có giá trị trong khoảng 100ps ÷ 10ms phụ thuộc vào môi trường khuếch đại. Biểu thức có thể sử dụng để tính toán các đặc trưng quan trọng của khuếch đại quang như băng tần khuếch đại, hệ số khuếch đại và công suất ra bão hòa. Ta xét trường hợp bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở chể độ không bão hòa, nghĩa là P<<Ps trên toàn bộ khuếch đại. Khi đó ta có thể bỏ qua tỷ số P/Ps, ta có: Ta thấy g(w) đạt giá trị cực đại khi tần số ánh sáng tới trùng với tần số dịch chuyển nguyên tử. Khi tăng ích giảm tuân theo quy luật hàm Lorentz là quy luật áp dụng cho hệ hai mức năng lượng mở rộng đồng nhất. Băng tần tăng ích được xác định bằng độ rộng của phổ tăng ích tại điểm giữa giá trị cực đại (FWHM – Full Width at Half Maximum). Với phổ Lorentz, băng tần tăng ích được cho bởi: hay: 2.4.2 Hệ số khuếch đại - Hệ số khuếch đại G là tỷ số giữa công suất tín hiệu lối ra trên tín hiệu lối vào, và được tính theo đơn vị dB: - Người ta có thể tính hệ số khuếch đại quang theo cách khác: Tín hiệu và bơm truyền dọc theo chiều dài sợi, xét phân bố năng lượng theo trục Z Khi tín hiệu vào bộ khuếch đại nhỏ ta có phân bố năng lượng bơm dọc theo sợi xem như đồng đều, khi đó công suất tín hiệu quang tăng theo hàm mũ. P(z) là công suất quang tại tọa độ z tính từ lối vào bộ khuếch đại: P(z)=P(0).exp(gz) Với P(0)=Pin, Khi z=L (độ dài bộ khuếch đại) thì P(z=L)=Pout=P(0).exp(gL) Vậy : G(w) =Pout/Pin= exp[g(w)L)] 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 và chiều dài sợi quang pha tạp Er3+ Cường độ (a.u) Bước sóng λ(nm) Isignal out Isignal out Phổ tín hiệu ra - Băng tần khuếch đại trong đó : G0=exp(g0L) (băng tần khuếch đại tại điêm giữa cực đại G(w)) 2.4.3 Tăng ích bão hòa Ta có tăng ích , trong công thức này g(w) giảm khi P tăng gần bằng Ps và hệ số khuếch đại G giảm khi tăng công suất quang của tín hiệu tới, hiện tượng này gọi là tăng ích bão hòa. Xét trường hợp tần số ánh sáng tới w=w0 , từ đó thay biểu thức của g(w) từ phương trình vào phương trình ta sẽ thu được sự biến thiên công suất tín hiệu dọc theo sợi quang pha tạp Er3+ như sau: (3.31) Sử dụng các điều kiện P(z=0)=Pin và P(z=L)=Pout= G.Pin . Ta có: Ta thấy hệ số khuếch đại G giảm từ giá trị chưa bão hòa G0 (giá trị cực đại) khi công suất tín hiệu ra Pout gần bằng với Ps . Công suất của tín hiệu ra bão hòa được xác định khi G giảm một nửa (tức là giảm đi 3dB) so với G0 (G=G0/2). Ta có: (3.33) Công suất ra bão hòa nhỏ hơn công suất bão hòa Ps khoảng 30%.. Thực vậy, qua thực nghiệm người ta thấy do G0 >>2 (G0 =1000 hay 30dB) nên . Chúng ta không nên nhầm lẫn giữa với Ps là một thông số bên trong của một bộ EDFA không phụ thuộc vào công suất vào, ra hay độ dài sợi khuếch đại. Công suất ra bão hòa là một thông số quan trọng của bộ EDFA. Khi thiết kế các bộ khuếch đại quang, ta thường tính toán ở mức khuếch đại bão hòa, để giảm thiểu năng lượng dư thừa trong sợi. Vì năng lượng dư thừa sẽ tạo nên nhiễu do khuếch đại bức xạ tự phát (Amplified Spontaneous Emission – ASE). 2.4.4 Phổ ASE (Amplified Spontaneous Emission) Các ion kích thích ở mức laser trên vẫn có chuyển dời tự phát về mức dưới và phát bức xạ tự phát trong vùng khuếch đại, bức xạ này không có tính kết hợp với photon tín hiệu, và được khuếch đại lên và trở thành nguồn nhiễu đáng kể trong khuếch đại quang sợi. Khi có tín hiệu ở lối vào bộ khuếch đại, lối ra luôn có nhiễu do ASE làm xấu đi chất lượng của tín hiệu. Với chế độ bơm thích hợp và tín hiệu vào đủ lớn thì nhiễu ASE sẽ yếu đi. 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 thông tin có ích về các đặc tính của bộ EDFA. Dạng phổ ASE sẽ phụ thuộc theo công suất bơm, đặc biệt là tại vị trí bước sóng 1530nm. Ban đầu khi công suất bơm thấp, nghịch đảo độ tích lũy còn yếu thì đỉnh phổ ASE tại bước sóng 1530nm rất thấp do xác suất hấp thụ và bức xạ là gần nhau (theo phổ hấp thụ và bức xạ của ion Er3+). Khi tăng dòng bơm, nghịch đảo độ tích lũy ngày càng tăng lên và đạt tới chế độ bão hòa thì đỉnh phổ ASE tại vị trí bước sóng 1530nm sẽ cao dần lên và khi tới chế độ bão hòa thì nó đạt cực đại tại vị trí cao nhất. Điều này là do tại chế độ bão hòa, xác suất bức xạ tại bước sóng 1530nm là lớn nhất. Phổ ASE với công suất bơm là 4, 6, 8, 15 và 20mW (a) đồng hướng (b) ngược hướng 1500 1520 10-6 4 6 1540 1560 1580 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10-0 8 20 15 Bước sóng λ(nm) (b) Công suất ASE (mW) 1500 1520 10-6 4 6 1540 1560 1580 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10-0 8 20 15 Bước sóng λ(nm) (a) Công suất ASE (mW) Hình 3.6 cho thấy sự thay đổi dạng phổ ASE theo công suất bơm. Với ASE đồng hướng, ta có thể thấy rõ được sự dịch đỉnh phổ của ASE tại vị trí bước sóng 1530nm nhưng với ASE ngược hướng thì lại khác. Với ASE ngược hướng, chỉ cần một công suất bơm rất nhỏ cũng có thể tạo được nghịch đảo độ tích lũy khá tốt tại đầu sợi. Chình vì vậy đỉnh phổ ASE ngược hướng tại bước sóng 1530nm đều nhô cao. Phổ ASE sẽ yếu đi khi cường độ tín hiệu quang trong sợi mạnh lên. Vì vậy điểm cần lưu ý khi thiết kế bộ khuếch đại EDFA cần thiết kế sao cho nó hoạt động ở chế độ gần bão hòa. Khi có tín hiệu ở lối vào bộ khuếch đại, lối ra luôn có nhiễu do ASE làm xấu đi chất lượng của tín hiệu. Với chế độ bơm thích hợp và tín hiệu vào đủ lớn thì nhiễu ASE sẽ yếu đi. Đó chính là thông số tối ưu cần quan tâm khi tính toán và khảo sát. Với các nguồn nhiễu trong mạch điện tử có nhiều cách để lọc bỏ nhiễu, nhưng đối với nguồn nhiễu ASE ta không có biện pháp để lọc bỏ đi được. Đặc biệt nếu trên tuyến có quá nhiều bộ khuếch đại EDFA thì nhiễu ASE sẽ tích lũy dần và tín hiệu sẽ không dùng được nữa. 2.4.5 Thông số tạp âm EDFA là thiết bị đặt trên đường truyền tín hiệu, nên yêu cầu không được làm méo dạng tín hiệu và phát sinh tạp âm lớn, hệ số khuếch đại không phụ thuộc nhiều vào bước sóng và độ phân cực của tín hiệu vào. Trong thông tin quang thành phần nhiễu chủ yếu do các bộ khuếch đại quang, với khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+ thành phần nhiễu chủ yếu là do ASE và sự thay đổi cường độ quang ở lối ra của bộ khuếch đại. Thành phần ASE là do bản chất vật lý của hệ thống, sự ổn định cường độ quang phát ra do chất lượng của bộ laser bơm. - Tạp âm của bộ khuếch đại được đánh giá qua thông số hình ảnh nhiễu (Noise Figure – NF) theo biểu thức sau: Trong đó SNR là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (Signal Noise Ratio – SNR), được tính theo công suất điện hình thành do tín hiệu quang chuyển thành dòng điện. Nói chung Fn phụ thuộc vào các thông số của bộ thu quang, đặc biệt là tạp âm nhiệt trong bộ thu quang. Xét bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại G: Pout=G.Pin - Ta có tỷ số tín hiệu trên tạp âm lối vào là : Trong đó: là dòng quang điện trung bình là tỷ số tương thích của bộ thu quang lý tưởng với =1 là tạp âm shot khi dòng tối Id = 0 h là hằng số Planck (h = 6,625.10−34Js), ν là tần số tín hiệu quang là băng tần bộ thu. - Để tính SNR ở lối ra của bộ khuếch đại ta cần tính thêm thành phần tạp âm do phát xạ ngẫu nhiên vào tạp âm bộ thu. Mật độ phổ của tạp âm phát xạ ngẫu nhiên cảm ứng (spontaneous-emission induced noise) là một hằng số (tạp âm trắng) có thể tính theo công thức sau: Trong đó nsp được gọi là yếu tố phát xạ ngẫu nhiên hay yếu tố đảo mật độ được cho bởi: Với N1 và N2 lần lượt là mật độ nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích. Phát xạ ngẫu nhiên đã đóng góp thêm nhiễu loạn vào công suất khuếch đại vì phát xạ ngẫu nhiên luôn đi kèm với tín hiệu khuếch đại. Dòng quang điện do phát xạ ngẫu nhiên đóng góp là : Trong đó là công suất phát xạ ngẫu nhiên trong băng tần khuếch đại và là độ lệch pha ngẫu nhiên. Giả thiết các nguồn tạp âm khác được bỏ qua, sự thay đổi dòng quang điện sẽ là: Trong đó cos2 có giá trị trung bình là 1/2 Tỷ số SNR của tín hiệu ra (tín hiệu đã khuếch đại): Ta sẽ có hình ảnh nhiễu Fn của bộ khuếch đại là: Do tạp âm trong các bộ khuếch đại quang chủ yếu sinh ra do khuếch đại bức xạ tự phát ASE, ta có: hνΔν Thay (3.40) vào (3.39) ta có thể tính NF bằng biểu thức sau: hay Trong đó, PASE là công suất ASE, hu là năng lượng photon, G là tăng ích của bộ khuếch đại và là dải thông tương đương với độ rộng phổ của tín hiệu. Người ta xác định trong vùng tăng ích cao G>>1, thông số tạp âm luôn lớn hơn một giá trị xác định gọi là giới hạn lượng tử. Giới hạn nhỏ nhất này bằng 3dB. Như vậy, thông số tạp âm tỷ lệ nghịch với tăng ích của bộ khuếch đại. Khi hệ số khuếch đại càng lớn thì tạp âm càng nhỏ. Điều này tương đương với việc khi chúng ta tăng công suất bơm thì tạp âm sẽ nhỏ dần. Hệ số khuếch đại G(dB) (a) 0 5 10 15 20 Công suất bơm Pp(mW) (b) NF(dB) Hình 3.7: Sự phụ thuộc của thông số tạp âm theo: tăng ích công suất bơm 25 3 4 5 6 7 NF(dB) 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0 10 20 30 40 Tuy nhiên, khi công suất bơm vượt quá ngưỡng xác định bão hòa và tăng ích G đã đạt cực đại thì thông số tạp âm tăng rất nhanh. Khi ở chế độ bão hòa, công suất bơm dư thừa sẽ chỉ làm tăng nhiễu ASE mà không làm khuếch đại tín hiệu thêm nữa. Chính vì vậy việc xác định công suất bơm bão hòa là rất cần thiết, nó vừa giúp tránh lãng phí nguồn bơm, vừa làm giảm thiểu tối đa tạp âm. 2.5 Các cấu hình bơm cho khuếch đại EDFA a/ Bơm đồng hướng Nguồn bơm Bộ cách ly quang Tín hiệu vào Bộ ghép quang Bộ cách ly quang Tín hiệu ra Sợi quang pha tạp đất hiếm Hình 3.8: Cấu hình bơm đồng hướng Cấu hính khuếch đại quang bơm đồng hướng có đặc điểm là sóng bơm và sóng tín hiệu cùng chiều nên có tạp âm thấp. Tuy nhiên công suất lối ra có thể bị suy giảm do hấp thụ ngược. b/ Bơm ngược hướng Nguồn bơm Bộ cách ly quang Tín hiệu vào Bộ ghép quang Bộ cách ly quang Tín hiệu ra Sợi quang pha tạp đất hiếm Hình 3.10: Cấu hình bơm ngược hướng Sóng bơm và sóng tín hiệu ngược hướng nhau. Ưu điểm của cấu hình này là công suất quang lối ra cao, không bị ảnh hưởng của hấp thụ ngược và rất tiện lợi trong việc tăng cường công suất tín hiệu vào tuyến cáp quang. Nhược điểm của cấu hình này là tạp âm khá lớn do khuếch đại bức xạ tự phát (ASE – Amplifed Spontaneous Emission) c/ Bơm song công Nguồn bơm Bộ cách ly quang Tín hiệu vào Bộ ghép quang Bộ cách ly quang Tín hiệu ra Sợi quang pha tạp đất hiếm Hình 3.12: Cấu hình bơm song công Bộ ghép quang Nguồn bơm Khi kết hợp cả hai cấu hình trên ta sẽ có được các ưu điểm nổi bật như công suất quang ở lối ra cao và tạp âm tương đối thấp. 2.6 Các ứng dụng của khuếch đại EDFA trong mạng truyền dẫn quang a/ Khuếch đại công suất Đầu phát Đầu thu Hình 3.15: Khuếch đại công suất Khuếch đại công suất để tăng cường công suất quang vào đường truyền. Trong trường hợp này, EDFA có công suất bão hòa cao và được đặt ngay sau nguồn phát nhằm khuếch đại công suất tín hiệu truyền đi. Bộ khuếch đại này được sử dụng trong trường hợp nguồn quang phát đi bị hạn chế về mặt công suất. Ta có thể đạt được công suất phát quang lớn dễ dàng nhờ các bộ EDFA. Tuy nhiên, trong trường hợp EDFA có hệ số khuếch đại lớn thì có thể dẫn tới hiệu ứng phi tuyến sợi làm mất mát công suất hệ thống. Đặc tính phi tuyến sợi trở thành vấn để đáng lưu ý cho tất cả các hệ thống có dung lượng cao và các tuyến không tram lặp cự ly xa. Cách bố trí này giảm nhẹ công suất phát của laser điều chế tín hiệu. b/ Tiền khuếch đại Đầu phát Đầu thu Hình 3.16: Khuếch đại trên tuyến Với đường truyền tốc độ thấp ảnh hưởng của tán sắc không lớn, tham số cần quan tâm đối với hệ thống truyền dẫn là suy hao của sợi. Khi truyền dẫn thông tin trên những khoảng cách rất dài, nếu như chỉ sử dụng bộ khuếch đại công suất hay bộ tiền khuếch đại sẽ không đảm bảo. Trong trường hợp này người ta phải sử dụng các bộ EDFA làm các bộ khuếch đại trên tuyến. Các bộ khuếch đại trên tuyến sẽ được bố trí thành chuỗi cách đều nhau trên toàn tuyến. Với các bộ khuếch đại trên tuyến, các xung ánh sáng có thể lan truyền mà không bị biến dạng, duy trì được mức công suất tối thiểu nhằm khắc phục ảnh hưởng của các hiệu ứng quang phi tuyến. Vì ASE sinh ra trong các bộ EDFA và tham gia vào hệ số khuếch đại nên ta cần duy trì tại đầu vào của từng bộ EDFA một công suất tín hiệu đủ lớn. Về mặt lý thuyết ta có thể sử dụng các bộ khuếch đại trên tuyến để kéo dài khoảng cách truyền dẫn lên đến hàng nghìn km. Tuy nhiên, nếu ta sử dụng nhiều bộ khuếch đại trên tuyến thì chất lượng truyền dẫn của hệ thống sẽ suy giảm do tạp âm tích lũy, do các hiệu ứng phân cực, tán sắc tích lũy và các hiệu ứng phi tuyến khác. Một trong các ưu điểm của các bộ khuếch đại EDFA được sử dụng cho lắp đặt trên tuyến là nó được lắp đặt dễ dàng và rất dễ bảo trì. Các bộ khuếch đại trên tuyến có thể tính toán để đặt ở vị trí thuận tiện trên tuyến thông tin, để dễ điều khiển hoạt động và cung cấp nguồn điện. Một số trường hợp như cáp quang trong lòng biển, người ta cũng nghiên cứu bơm cho EDFA từ xa nhờ laser bước sóng 1480nm. c/ Khuếch đại trên tuyến Đầu phát Đầu thu Hình 3.17: Khuếch đại công suất Bộ tiền khuếch đại thực hiện khuếch đại phía trước đầu thu. Nó khuếch đại những tín hiệu có công suất nhỏ ngay trước đầu thu quang để nâng cao độ nhạy đầu thu. Tín hiệu trước khi vào bộ khuếch đại này thường là yếu vì bị suy hao trên đường truyền. Khi công suất quang đến đầu thu tín hiệu quá yếu dưới ngưỡng hoạt động của đầu thu tín hiệu, người ta cũng dùng khuếch đại quang EDFA. Thực tế, khi EDFA được thương mại trên thị trường, người ta ứng dụng nó có hiệu quả cho các tuyến thông tin tốc độ cao nhiều Gigabite và cự ly xa không trạm lặp. Với các ứng dụng như vậy, hệ thống thông tin yêu cầu có công suất phát lớn và độ nhạy đầu thu cao. Đối với EDFA loại này, chúng ta không cấn quan tâm đến hiện tượng bão hòa. Tuy nhiên tín hiệu trước khi đưa vào EDFA bao gồm cả tạp âm do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) nên cần giảm tối đa công suất tín hiệu vào nhằm đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR – Signal Noise Ratio) Phần 2: Thực nghiệm 1. Sơ đồ hệ đo Khuếch đại EDFA Máy phổ Nguồn phát tín hiệu quang Hình 4.1: Sơ đồ khối bố trí hệ đo Từ sơ đồ hình 4.1, tín hiệu cần khuếch đại từ nguồn phát laser 1550nm được đưa đến đầu vào của bộ khuếch đại EDFA. Tại đây, nó sẽ đi qua sợi quang pha tạp Er3+ được bơm bởi laser 980nm và ta sẽ thu được tín hiệu được khuếch đại tại đầu ra của bộ EDFA. Tín hiệu ra này sẽ được đưa vào máy phân tích quang phổ để khảo sát các thông số đặc trưng của một bộ khuếch đại quang EDFA. Bố trí thực nghiệm Một bộ khuếch đại quang EDFA như đã giới thiệu, nó có thể được dùng với các mục đích khác nhau như một bộ khuếch đại trên tuyến, một bộ khuếch đại công suất hay một bộ tiền khuếch đại. Để tiến hành khảo sát các thông số của bộ khuếch đại quang, những thiết bị đã được sử dụng để tiến hành thực nghiệm gồm có: - Sợi quang đơn mốt SiO2 và các đầu nối quang. - Máy phân tích quang phổ (Optical Spectrum Analyser). Máy phân tích quang phổ Máy phân tích quang phổ Advantest Q8384 có khả năng phân tích phổ quang học với độ phân giải 0,01nm, khảo sát được trong dải tần số từ 600 ÷ 1700nm, đưa phổ ra màn hình và có thể lưu hình ảnh phổ thông qua file ảnh hoặc lưu dữ liệu về phổ thông qua file excel trên đĩa mềm. - Bộ phát tín hiệu tại dải tần số 1550nm: tín hiệu được phát bởi laser phản hồi phân bố (Distributed Feedback Laser – DFB Laser) với công suất tín hiệu vào khoảng 7dBm. Nguồn phát tín hiệu 1550nm - Các bộ khuếch đại quang EDFA Bộ 1 Bộ 2 Bộ 1: có chiều dài sợi quang pha tạp L = 2,5m và nồng độ pha tạp ρ = 2500ppm. Bộ 2 : có chiều dài sợi quang pha tạp L = 12m và nồng độ pha tạp ρ = 800ppm. Đây là các bộ khuếch đại quang EDFA được dùng để khảo sát trong chương này, cả 2 bộ trên đều sử dụng laser bơm tại bước sóng 980nm và đều có thể điều chỉnh dòng bơm và nhiệt độ của laser. Trong tất cả các phần khảo sát của chương này, nhiệt độ của laser đều được đặt ở 25°C. Các bộ EDFA trên đều được thiết kế cấu hình bơm đồng hướng. Các thành phần của một bộ khuếch đại quang EDFA bao gồm: - 1 nguồn bơm laser DFB – Distributed Feedback Laser tại tần số 980nm được cấp dòng bởi một mạch điện tử có tác dụng giúp laser bơm ổn định cao vể công suất phát và nhiệt độ. - 1 bộ ghép kênh WDM – Wavelength Division Multiplexing: dùng để ghép hai bước sóng 980nm (bước sóng bơm) và 1550nm (bước sóng tín hiệu) với suy hao thấp. - 1 sợi quang đơn mốt pha tạp Er3+ có chiều dài sợi L(m) và nồng độ pha tạp ρ(ppm). Loại sợi quang được sử dụng có lõi silica – alumina pha tạp Er3+ nồng độ 800ppm và 2500ppm. Cấu trúc của sợi quang pha tạp này như sau: đường kính lớp bọc 125μm, đường kính lõi dẫn sáng 9μm (đơn mốt với bước sóng 1550nm) và đường kính tâm lõi pha tạp Er3+ là 2,5μm với nồng độ là 800ppm hoặc 2500ppm. Các thông số của sợi pha tạp là: - Loại 2500ppm có hệ số hấp thụ tại bước sóng 980nm là 35dB/m, tại 1535nm là 80dB/m và tại bước sóng cắt 1100nm là 190dB/m; - Loại 800ppm có hệ số hấp thụ tại bước sóng 980nm là 5,1dB/m, tại 1529nm là 6,1dB/m và tại 1100nm là 10,7dB/m. 2 bộ cách ly quang cho bước sóng 1550nm (là các thiết bị có tác dụng chỉ cho ánh sáng đi theo một chiều nhất định) để làm giảm phản xạ ngược của bước sóng tín tiệu về nguồn phát tín hiệu. Các đầu ghép nối quang. Nối quang Mạch điều khiển Nguồn bơm laser 980nm Cách ly quang Cách ly quang Ghép kênh Nối quang Sợi quang pha tạp Er3+ : Sơ đồ khối của một bộ EDFA Nguồn nuôi Hình 4.7: Ảnh chụp cấu tạo bên trong của một bộ khuếch đại EDFA 2. Khảo sát phổ khuếch đại bức xạ tự phát ASE Tiến hành khảo sát phổ khuếch đại bức xạ tự phát (Amplifier Spontaneous Emission – ASE) của các sợi quang pha tạp Er3+ với các chiều dài khác nhau, vùng bước sóng chủ yếu tập trung vào vùng cửa sổ thông tin thứ ba, trong khoảng 1400nm đến 1600nm. Các phép đo được tiến hành trên máy phân tích quang phổ Advantest Q8384, sơ đồ thí nghiệm được bố trí như sau: Khuếch đại EDFA Máy phổ Sơ đồ bố trí khảo sát phổ ASE Năng lượng của laser bơm sẽ được truyền qua sợi pha tạp Er3+ có chiều dài 4,5m và 6m và thu dạng phổ ở đầu ra bằng máy phân tích quang phổ. Ở phần khảo sát này ta không phát laser tín hiệu 1550nm, vì vậy khi các ion Er3+ hấp thụ photon 980nm để nhảy lên mức 4I11/2 rồi dịch chuyển không bức xạ xuống mức 4I13/2, tại đây do không được tương tác với các photon 1550nm nên chúng sẽ bức xạ tự phát xuống trạng thái nền 4I15/2 và bức xạ này sẽ được khuéch đại lên dọc theo sợi quang. Dưới đây là hình ảnh về phổ ASE chụp từ máy phổ, tất cả đều được đo tại dải tần từ 1500nm ÷ 1600nm, độ phân giải 0,5nm, mức công suất nền (phía trên) là 0.0dBm, thang chia công suất (trục dọc) là 5dB/div, thang chia tần số (trục ngang) là 10nm/div. (b) Hình 4.20: Phổ ASE của sợi pha tạp nồng độ 2500ppm có chiều dài 6m cường độ dòng bơm 50mA (16,0mW) cường độ dòng bơm 100mA (41,8mW) Quan sát hình 4.20a (λpeak=1557,8nm Ppeak= -23,28dBm) ta thấy phổ ASE có cực đại trong vùng bước sóng 1560nm khi công suất bơm yếu, cực đại này sẽ chuyển dần về vùng bước sóng 1530nm khi ta tăng dần công suất bơm như ở trên hình 4.20b (λpeak=1531,6nm Ppeak= -11,29dBm). Điều này rất phù hợp với lý thuyết, được giải thích là do hệ số hấp thụ và phát xạ trong hai vùng này là khác nhau. (b) Hình 4.21: Phổ ASE của sợi pha tạp nồng độ 2500ppm có chiều dài 4,5m cường độ dòng bơm 50mA (16,0mW) cường độ dòng bơm 100mA (41,8mW) Khi công suất bơm mạnh lên, quá trình khuếch đại tại vùng 1530nm cũng tăng lên, hình 4.21a, ta có λpeak=1531,4nm Ppeak= -22,14dBm khi tăng cường độ dòng bơm lên 100mA – hình 4.21b, ta có λpeak=1530,8nm Ppeak= -9,85dBm. Ta có thể quan sát rõ hơn quá trình này qua các đồ thị dưới đây: Hình 4.22: Phổ ASE tại các dòng bơm 50mA, 100mA và 150mA sợi pha tạp nồng độ 2500ppm, chiều dài 6m sợi pha tạp nồng độ 2500ppm, chiều dài 4,5m 3 Khảo sát các thông số của các bộ khuếch đại EDFA Để có thể đo được các thông số đặc trưng của bộ khuếch đại EDFA như hệ số tăng ích G, công suất nhiễu ASE, thông số tạp âm NF, ta bố trí các thiết bị như sơ đồ hình 4.5. Các kết quả thực nghiệm được hiển thị trên màn hình máy phổ và được ghi lại. Bảng 3.1: Các thông số của bộ khuếch đại EDFA có chiều dài sợi pha tạp 6m nồng độ pha tạp 2500ppm Công suất bơm (mW) Dòng bơm (mA) Công suất tín hiệu ra (dBm) NF(dB) G(dB) Công suất ASE (dBm) 7,56 30 -6,04 4,07 0,45 -54,96 12,05 50 3,35 4,37 9,84 -45,27 16,22 100 9,3 4,23 15,79 -39,46 18,30 150 13,58 3,91 18,69 -36,88 19,71 200 13,94 4,01 20,23 -35,24 19,94 210 14,25 3,79 20,72 -34,97 20,16 220 14,5 3,81 20,93 -34,74 20,37 230 14,67 4,01 20,95 -34,52 20,57 240 14,79 3,96 21,28 -34,24 20,77 250 14,81 4,03 21,37 -34,08 Bảng 4.4: Các thông số của bộ khuếch đại EDFA có chiều dài sợi pha tạp 4,5m nồng độ pha tạp 2500ppm Công suất bơm(mW) Dòng bơm (mA) Công suất tín hiệu ra(dBm) NF(dB) G(dB) Công suất ASE (dBm) 7,6 30 -6,92 4,79 0,12 -55,12 12,05 50 3,07 4,71 9,56 -45,21 16,22 100 8,99 4,76 15,48 -39,24 18,30 150 12,81 4,93 17,97 -36,58 19,71 200 13,33 4,73 19,81 -34,94 19,94 210 13,85 4,51 20,32 -34,65 20,16 220 14,14 4,71 20,37 -34,4 20,37 230 14,23 4,50 20,73 -34,25 20,57 240 14,27 4,68 20,76 -34,04 20,77 250 14,29 4,87 20,78 -33,83 Bảng 4.5: Các thông số của bộ khuếch đại EDFA có chiều dài sợi pha tạp 2,5m nồng độ pha tạp 2500ppm Công suất bơm(mW) Dòng bơm (mA) Công suất tín hiệu ra(dBm) NF(dB) G(dB) Công suắt ASE (dBm) 12,90 35 1,09 4,99 7,58 -46,91 14,85 55 3,59 7,75 10,08 -41,65 16,19 75 5,25 8,99 11,74 -38,75 17,65 105 5,92 10,90 12,41 -36,17 18,74 135 7,02 11,41 13,51 -34,56 19,34 155 7,25 11,89 13,74 -33,83 19,61 165 7,25 12,33 13,74 -33,41 19,86 175 7,26 12,68 13,75 -33,05 20,10 185 7,27 12,94 13,77 -32,78 20,33 195 7,27 13,25 13,77 -32,52 Bảng 4.6: Các thông số của bộ khuếch đại EDFA có chiều dài sợi pha tạp 12m nồng độ pha tạp 800ppm Công suất bơm(mW) Dòng bơm (mA) Công suất tín hiệu ra(dBm) NF(dB) G(dB) Công suất ASE (dBm) 14,4 50 -1,56 12,38 4,93 -42,17 15,9 70 1,18 13,01 7,67 -38,8 17,4 100 2,8 14,73 9,29 -35,46 18,6 130 3,76 15,70 10,25 -33,53 19,2 150 4,44 16,26 10,93 -32,29 19,5 160 4,5 16,40 10,99 -32,09 19,7 170 4,55 16,82 11,04 -31,62 20,0 180 4,57 17,21 11,06 -31,21 20,2 190 4,6 17,46 11,09 -30,93 Các số liệu thu được ở trên đều được khảo sát với tín hiệu vào cỡ -6,49dBm, độ rộng phổ của tín hiệu vào khoảng 0,15nm. Hệ số khuếch đại G Như đã biết, hệ số khuếch đại G được tính theo công thức (3.30): Ta có công suất của tín hiệu vào chưa được khuếch đại vào cỡ đến , ở đây công suất tín hiệu vào được lấy theo giá trị trung bình của các lần đo là . (b) Hình 4.23: Phổ của tín hiệu bước sóng 1553nm khi chưa được khuếch đại λpeak=1553nm, Ppeak=6,56dBm khi đã được khuếch đại λpeak=1553nm, Ppeak=13,57dBm Từ hình 4.23, ta có thể quan sát rõ sự khác nhau về công suất của tín hiệu trước (hình 4.23a) và sau khi được khuếch đại (hình 4.23b). Chế độ máy phổ đều được đặt ở dải tần 1550 ÷ 1555nm, độ phân giải 0,02nm, mức công suất nền (phía trên) là 15dBm, thang chia công suất (trục dọc) là 10dB/div, thang chia tần số (trục ngang) là 0,5nm/div. Dựa vào các bảng số liệu từ 4.3 đến 4.6 ta có thể khảo sát được sự phụ thuộc của hệ số tăng ích vào cống suất bơm khi ta thay đổi công suất bơm cho bộ khuếch đại bằng cách chỉnh dòng bơm. Đồ thị hình 4.24 biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại G vào công suất bơm của các sợi quang có chiều dài và nồng độ pha tạp khác nhau. Ta thấy hệ số khuếch đại G của các bộ khuếch đại tăng theo hàm e mũ khi tăng mức công suất bơm, tuy nhiên nó cũng phụ thuộc rất nhiều vào chiều dài sợi quang pha tạp. Từ hình 4.24, đối với sợi pha tạp có chiều dài 6m (đường màu đen) G lên đến 21dB khi công suất bơm vào cỡ 20,3dBm còn với sợi pha tạp có chiều dài 2,5m (đường màu xanh lá cây) khi công suất bơm vào cỡ 20,3dBm thì G chỉ đạt cỡ 13,7dB và tại đây bộ khuếch đại này đã đạt mức bão hòa.. (a) (c) Hình 4.24: Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số tăng ích G vào công suất bơm đối với những sợi pha tạp có chiều dài và nồng độ khác nhau Ngoài yếu tố chiều dài sợi pha tạp, hệ số khuếch đại còn phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ pha tạp Er3+ trong sợi. Ta có thể thấy sự khác biệt rõ ràng về độ khuếch đại giữa sợi pha tạp chỉ có chiều dài 4,5m nhưng có nồng độ pha tạp 2500ppm (đường màu đỏ) so với sợi pha tạp có chiều dài 12m nhưng nồng độ pha tạp chỉ có 800ppm (đường màu xanh lam). Qua đây, ta thấy ưu thể của những bộ khuếch đại có sợi quang pha tạp Er3+ nồng độ cao. Băng tần khuếch đại Một trong những thông số cũng rất quan trọng của khuếch đại pha tạp Er3+ là băng tần khuếch đại, nó xác định dải tần số sẽ được khuếch đại khi đi qua bộ khuếch đại. cỡ 5÷10dB λ1 λ2 1530 1557 Công suất quang (dBm) Bước sóng λ(nm) Phổ ASE hạ xuống 3dB Băng tần khuếch đại 0 Hình 4.25: Xác định băng tần khuếch đại 1 2 y x Từ hình 4.25, ta có thể xác định băng tần khuếch đại bằng cách: Từ đỉnh thứ 2 có tần số vào khoảng 1557nm của phổ ASE, ta sẽ hạ xuống 3dB. Tại đây ta kẻ đường thẳng song song với Ox, nó sẽ cắt phổ ASE tại hai điểm 1 và 2, xác định được tọa độ của 2 điểm này trên trục Ox ta sẽ xác định được băng tần khuếch đại. Thông thường, các bộ khuếch đại EDFA có băng tần khuếch đại vào khoảng 30nm. Bảng 4.7: Băng tần khuếch đại của bộ EDFA 4,5m 2500ppm Dòng bơm (mA) Sợi 6m 2500ppm Sợi 4,5m 2500ppm Sợi 12m 800ppm λ1(nm) λ2(nm) λ1(nm) λ2(nm) λ1(nm) λ2(nm) 100 1523,8 1560,5 1523,9 1560,3 1524,4 1560,7 150 1524,4 1559,6 1523,6 1559,8 1523,9 1560,8 200 1524,2 1559,2 1523,4 1559,3 1523,7 1559,4 250 1524,1 1558,9 1523,3 1558,9 1523,3 1559,9 Trung bình 1524,1 1559,6 1523,6 1559,6 1523,8 1560,2 Δλ(nm) 35,4 36,0 36,4 Từ các kết quả thực nghiệm trên, ta thấy băng tần khuếch đại của các bộ EDFA được khảo sát nằm trong khoảng từ 1524÷1560nm hay dải khuếch đại là 36nm. Công suất ra bão hòa Mỗi bộ khuếch đại EDFA đều có một mức bão hòa riêng, phụ thuộc vào công suất bơm, chiều dài sợi, nồng độ pha tạp Er3+. Khi đạt trạng thái bão hòa, dù ta có tăng công suất tín hiệu vào hoặc tăng công suất bơm thì công suất ra cũng không thể tăng thêm được nữa. Hình 4.26: Mức bão hòa của khuếch đại EDFA phụ thuộc vào chiều dài sợi phụ thuộc vào nồng độ pha tạp Er3+ Trong các khảo sát trên về ngưỡng bão hòa của công suất ra, ta đặt công suất tín hiệu vào khoảng -6,49dBm, và tăng dần công suất bơm cho sợi quang pha tạp Er3+. Từ kết quả khảo sát trên hình 4.26a ta thấy cùng với một nồng độ pha tạp nhưng sợi 4,5m bão hòa sớm hơn sợi 6m khi tăng dòng bơm. Điều này có thể giải thích là do tuy cùng nồng độ nhưng đối với sợi pha tạp có chiều dài lớn hơn cũng có nghĩa là lượng ion Er3+ tham gia vào khuếch đại lớn hơn thì sẽ bão hòa muộn hơn sợi pha tạp có chiều dài ngắn khi bơm cùng một công suất bơm. Tuy nhiên, nếu ta thiết kế sợi có chiều dài quá lớn thì sẽ dẫn đến hiện tượng năng lượng bơm không vuợt qua quãng đường này, dẫn đến hiện tượng hấp thụ tín hiệu làm hệ số tăng ích giảm nhanh. Từ kết quả khảo sát trên hình 4.26b, ta thấy sợi dài 12m bão hòa sớm hơn so với sợi dài 2,5m do nó chỉ được pha tạp với nồng độ 800ppm đối với 2500ppm của sợi 2,5m. Qua đây, ta thấy nồng độ pha tạp cao có ảnh hưởng rất lớn đến mức bão hòa của các bộ khuếch đại EDFA, nhưng nếu pha tạp quá cao sẽ dẫn đến hiện tượng tụ đám của các ion Er3+ làm giảm hệ số khuếch đại. Thông số tạp âm Fn Ta có Thay và , với là chiết suất sợi quang, λ = 1553nm là bước sóng tín hiệu và c là vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.108m/s), ta thu được: Các kết quả thu được ở trên dựa vào số liệu của các bảng từ 4.3 đến 4.6, với là độ rộng phổ tín hiệu được lấy theo giá trị trung bình, công suất tín hiệu vào được lấy theo giá trị trung bình cỡ Hình a và b cung cấp cho ta về thông số tạp âm của 2 bộ khuếch đại pha tạp nồng độ cao với chiều dài sợi khác nhau (các đường màu xanh). Cần chú ý là thông số tạp âm này được tính theo công thức (4.2) có nghĩa là ta xét tạp âm chủ yếu gây ra do nhiễu ASE. Với sợi pha tạp có chiều dài 6m thì thông số tạp âm vào khoảng 4,07dB còn đối với sợi pha tạp có chiều dài 4,5m thì thông số tạp âm lớn hơn một chút, vào khoảng 4,78dB. Ta thấy rằng thông số tạp âm của 2 bộ khuếch đại này rất thấp, và gần như không tăng khi ta tăng công suất bơm Hình 4.27: Thông số tạp âm NF sợi pha tạp dài 6m nồng độ 2500ppm sợi pha tạp dài 4,5m nồng độ 2500ppm sợi pha tạp dài 2,5m nồng độ 2500ppm sợi pha tạp dài 12m nồng độ 800ppm Hình 4.27c và 4.27d về thông số tạp âm của 2 bộ khuếch đại pha tạp có nồng độ và chiều dài sợi khác nhau. Sợi có chiều dài lớn hơn (12m) nhưng có nồng độ pha tạp thấp (800ppm) có thông số tạp âm cao hơn sợi có chiều dài 2,5m có nồng độ pha tạp Er3+ cao (2500ppm). Như vậy, ta thấy trong trường hợp này do nồng độ pha tạp Er3+ trong sợi 12m chỉ là 800ppm nên yếu tố sợi pha tạp dài lại làm tăng tạp âm được truyền đi trong sợi. Thông số tạp âm của sợi có chiều dài 12m nồng độ 800ppm rất cao, lên tới 20,2 dB khi công suất bơm vào cỡ 17,46dBm. Ta nhận thấy rằng thông số tạp âm của cả 2 bộ trên tăng khi tăng công suất bơm. Theo công thức (4.2) thì thông số tạp âm phụ thuộc vào tần số khuếch đại, nhiễu ASE và hệ số khuếch đại G. Ta đã biết rằng G phụ thuộc vào các thông số như chiều dài và nồng độ sợi pha tạp, công suất tín hiệu vào, công suất bơm. Chính vì vậy, để giảm thiểu tạp âm, ta cần xem xét các chỉ số để có thể thiết kế được các bộ khuếch đại có chiều dài sợi pha tạp tối ưu, hệ số khuếch đại lớn, thông số tạp âm nhỏ và ngưỡng bão hòa cao. KẾT LUẬN Qua quá trình thực tập ở đây, em đã được tìm hiểu về đề tài khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+, đã tiến hành đo đạc và thu được một số kết quả đáng lưu ýTài liệu tham khảo 1. PGS. TS Phạm Văn Hội, Cơ sở vật lý thông tin quang sợi. 2. ThS Hà Xuân Vinh, Luận văn “Nghiên cứu các thông số đê ổn định khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+” 3. Trần Anh Quang, Khóa luận tốt nghiệp “Khảo sát các thông số đặc trưng của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ (Erbium Doped Fiber Amplifier – EDFA)”