Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống truyền dẫn quang, thiết bị truy nhập băng thông rộng và ứng dụng vào mạng viễn thông thế hệ mới (NGN) ở việt nam

Nghiên cứu công nghệ chế tạo khuếch đại quang sử dụng trong mạng thông tin quang nói chung đều phải thu được các thông số chủ yếu sau đây : • Hệ số khuếch đại G của thiết bị; • Băng tần

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10

"NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG"

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN

QUANG, THIẾT BỊ TRUY NHẬP BĂNG THÔNG RỘNG VÀ ỨNG DỤNG VÀO MẠNG VIỄN THÔNG THẾ HỆ MỚI (NGN) Ở VIỆT NAM”

Mã số: KC.01-06/06-10

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Khoa học vật liệu

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Phạm Văn Hội

8189

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10

"NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG"

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG, THIẾT BỊ TRUY NHẬP BĂNG THÔNG RỘNG VÀ ỨNG DỤNG VÀO MẠNG VIỄN THÔNG THẾ HỆ MỚI (NGN) Ở VIỆT NAM”

Mã số: KC.01-06/06-10

Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài

(ký tên) (ký tên và đóng dấu)

PGS.TS Phạm Văn Hội PGS.TS Nguyễn Quang Liêm Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ (ký tên) (ký tên và đóng dấu khi gửi lưu trữ)

MỤC LỤC

Trang

Mở đầu 1

Chương 1 Các kết quả nghiên cứu công nghệ chế tạo khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium .3

1.1 Tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu cho công nghệ

chế tạo khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 3

1.2 Sơ lược về tính chất quang của ion Erbium trong thủy tinh…………5

1.3 Hệ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium ……… 12

1.4 Tính chất quang của thủy tinh pha tạp Erbium nồng độ cao……… 19

1.5 Vai trò của thủy tinh nền và các ion đồng pha tạp ……….22

1.6 Tạp âm trong khuếch đại quang EDFA ……….26

1.7 Các phương trình tính toán cho EDFA……… 31

1.8 Kết quả nghiên cứu thiết kế nguồn bơm cho EDFA……… 36

1.9 Kết quả nghiên cứu công nghệ chế tạo EDFA trong

khuôn khổ đề tài……….51

1.10 Kết quả thử nghiệm thiết bị EDFA trên mạng thông tin

quang thực tế……… 68

1.11 Tài liệu tham khảo chương 1……… 73

Chương 2 Kết quả nghiên cứu chế tạo khuếch đại quang bán dẫn 77

2.1 Tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu cho công nghệ

chế tạo khuếch đại quang bán dẫn (SOA) 77

2.2 Tóm tắt cơ sở lý thuyết cho khuếch đại quang trong bán dẫn 78

2.3 Nguyên lý thiết kế linh kiện khuếch đại quang bán dẫn SOA 86

2.4 Kết quả thiết kế và chế tạo phần điện tử cho SOA 92

2.5 Kết quả thiết kế và chế tạo phần mềm điều khiển cho SOA 97

2.6 Kết quả thử nghiệm SOA trong điều kiện Phòng Thí Nghiệm 99

2.7 Kết quả chế tạo và đo đạc các thông số cơ bản của SOA 106

2.8 Tài liệu tham khảo chương 2 114

Chương 3 Các kết quả nghiên cứu về các bộ phát và thu tín hiệu quang

tốc độ STM1-STM16 115

3.1 Sơ lược cơ sở vật lý của bộ phát tín hiệu quang trong

mạng viễn thông quang sợi 115

3.2 Thiết kế các bộ phát tín hiệu quang tốc độ từ 155Mb/s

đến 2,5 Gb/s 126

3.3 Sơ lược cơ sở vật lý của bộ thu tín hiệu quang trong mạng

viễn thông quang sợi 138

3.4 Thiết kế bộ thu tín hiệu thông tin quang tốc độ STM 1

– STM4) bằng chương trình chuyên dụng 148

Chương 4 Các kết quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị

truy nhập toàn quang NxE1 156

4.1 Thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập mạng quang 4xE1 156

4.2 Thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập mạng quang 16xE1 167

4.3 Các kết quả nghiên cứu thiết kế và xây dựng tuyến thông tin quang

tốc độ STM1 (155Mb/s) có sử dụng truy nhập tòan quang 177

4.4 Tài liệu tham khảo chương 4 177

Chương 5 Kết quả đạt được của đề tài 178

5.1 Các sản phẩm dạng 1 của đề tài 178

5.2 Sản phẩm dạng II trong đề tài 183

5.3 Các sản phẩm dạng III (công bố KHCN và đào tạo) của đề tài 184

VI Kết luận và kiến nghị

6.1 Kết luận 185

6.2 Kiến nghị 186

Lời cảm ơn 187

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại ESA Excited State Absorption Hấp thụ ở trạng thái kích thích WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng DWDM Dense Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước

Multiplexing sóng mật độ cao

ED Electric dipole Lưỡng cực điện

MD Magnetic dipole Lưỡng cực từ

FWHM Full Width At Half Maximum Độ bán rộng tại nửa cực đại EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi pha tạp Er EYDFA Erbium Ytterbium Doped Fiber Bộ khuếch đại bộ pha tạp Er- Yb

Amplifier

IO Integrated Optics Quang tổ hợp

MCVD Modified Chemical Vapor Lắng đọng pha hơi hóa

Deposition học cải biến

SiO2-Al2O3 Silica-Alumina Thủy tinh SiO2-Al2O3

DFB laser Distributed Feedback Laser Laser phản hồi phân bố DBR laser Distributed Bragg Reflector Laser Laser phản xạ Bragg phân bố SOA Semiconducter optical Amplifier Khuếch đại quang bán dẫn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Chức năng và điện áp hoạt động của các chân kết nối giữa module

EDFA và mạch chủ của hệ thống thông tin quang 49

Bảng 1.2 Công suất tín hiệu ra Pra và hệ số khuếch đại G của sợi pha tạp

C1400 khi thay đổi công suất bơm (bơm đồng hướng) 55

Bảng 1.3 Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại khi thay đổi công suất

bơm cho sợi ISOGAIN I-6 tại bước sóng 1552 nm 57

Bảng 1.4 Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi ISOGAIN I-6

tại bước sóng 1533,5 nm và 1557,5 nm 58

Bảng 1.5 Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi HCO-4000

chiều dài 3,6 mét khi thay đổi công suất bơm 59

Bảng 1.6 Kết quả thí nghiệm thay đổi công suất tín hiệu vào trên các sợi

C1400 60

Bảng 1.7 Hệ số khuếch đại G của EDFA sử dụng sợi ISOGAIN I-6 khi

thay đổi công suất tín hiệu vào Pvào 61

Bảng 1.8 Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi HCO-4000

chiều dài 3,6 mét khi thay đổi công suất tín hiệu vào 62

Bảng 1.9 Công suất tín hiệu ASE phụ thuộc vào công suất bơm của sợi

C1400 chiều dài 6 mét 63

Bảng 1.10 Công suất ASE của sợi ISOGAIN I-6, chiều dài 12 mét 64

Bảng 1.11 Hệ số tạp âm của các EDFA sử dụng sợi pha tạp C1400 có chiều

dài L khác nhau khi thay đổi công suất bơm 66

Bảng 1.12 Các thông số chính của thiết bị EDFA đã chế tạo 70

Bảng 3.1 Danh mục các linh kiện cho bộ phát STM16 138 Bảng 3.2 Danh mục các linh kiện điện tử cho khối thu và phát của

modul STM1,4 155

Bảng 4.1 Các thông số của bộ truy nhập toàn quang 4 x E1 165

Bảng 4.2 Các thông số của bộ truy nhập toàn quang 16 x E1 175

Bảng 5.1 Phần Quang tử của EDFA 178

Bảng 5.2 Phần Điện tử của EDFA 179

Bảng 5.3 Phần Quang tử của SOA 179

Bảng 5.4 Phần Điện tử của SOA 180

Bảng 5.5 Các thông số chính của bộ phát tín hiệu quang STM1,4 181

Bảng 5.6 Các thông số chính của bộ thu tín hiệu quang STM1,4 181

Bảng 5.7 Các thông số chính của thiết bị NxE1: 182

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang

Hình 1.1 Các mức Stark của ion Er3+ pha tạp trong thủy tinh 7

Hình 1.2 Các chuyển dời phát xạ huỳnh quang từ mức 4I13/2 về mức 4I15/2 8

Hình 1.3 Các chuyển dời hấp thụ (Absorption) từ mức 4I15/2 lên mức 4I13/2 9

Hình 1.4 Phổ tiết diện hấp thụ và phát xạ từ thực nghiệm (a) và từ lý thuyết mở rộng thuần nhất (b) 11

Hình 1.5 Mặt cắt ngang của sợi pha tạp Er3+ 12

Hình 1.6 Cường độ hấp thụ và phát xạ theo bước sóng của sợi pha tạp Er 13

Hình 1.7 Cấu hình hệ EDFA bơm đồng hướng 14

Hình 1.8 Công suất bơm và công suất tín hiệu trong cấu hình bơm đồng hướng 14

Hình 1.9 Cấu hình hệ EDFA bơm ngược hướng 15

Hình 1.10 Công suất bơm và công suất tín hiệu trong cấu hình bơm ngược hướng 16 Hình 1.11 Cấu hình hệ EDFA bơm song công 16

Hình 1.12 Các chuyển dời chuyển đổi ngược 20

Hình 1.13 Phổ phát xạ của ion Er3+ trong thủy tinh silica với các đồng pha tạp khác nhau 23

Hình 1.14 Tiết diện phát xạ của các loại thủy tinh khác nhau pha tạp Er3+ 24

Hình 1.15 Sơ đồ chuyển dời giữa các mức năng lượng của ion Yb3+ và Er3+ 25

Hình 1.16 Phổ phát xạ của Er3+ với bước sóng kích thích λ = 975nm 26

Hình 1.17 Sự thay đổi dạng phổ ASE phụ thuộc công suất quang bơm 27

Hình 1.18 Minh họa phương pháp tính hệ số tạp âm NF bằng thực nghiệm 30

Hình 1.19 Mô hình 3 mức năng lượng của hệ EDFA 32

Hình 1.20 Sơ đồ bên trong của module laser bán dẫn họ SDLO 2564 980nm 37

Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý của mạch ổn định nhiệt độ 38

Hình 1.22 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển dòng điện qua diode laser 40

Hình 1.23 Sơ đồ phần cứng của mạch điều khiển hệ EDFA 43

Hình 1.24 Sơ đồ hoạt động của chương trình hệ thống 45

Hình 1.25 Sơ đồ mạch điện của hệ điều khiển module EDFA 47

Hình 1.26 Sơ đồ mạch điện tử của bộ khuếch đại quang EDFA 48

Hình 1.27 Sơ đồ các linh kiện quang tử trong bộ khuếch đại EDFA 48

Hình 1.28 Kết quả theo dõi các thông số của EDFA trên màn hình vi tính 50

Hình 1.29 Máy phân tích quang phổ ADVANTEST Q8384 52

Hình 1.30 Sự thay đổi công suất quang theo dòng bơm của laser SDLO 53

Hình 1.31 Phổ tín hiệu lối ra của EDFA sợi C1400 dài 5 mét 54

Hình 1.32 Hệ số khuếch đại của sợi pha tạp C1400 chiều dài 6 mét, bơm đồng hướng tại hai bước sóng tín hiệu 1533,5 nm và 1557,5 nm 56

Hình 1.33 Phổ tín hiệu lối ra của EDFA sử dụng sợi HCO-4000, chiều dài 3,6 mét 59

Hình 1.34 Phổ ASE của sợi C1400, chiều dài 6 mét, bơm đồng hướng với công suất bơm khác nhau 63

Hình 1.35 Phổ tín hiệu lối ra của sợi HCO-4000, chiều dài 3,6 mét khi có và không có tín hiệu vào 65

Hình 1.36 Hệ số tạp âm của các EDFA sử dụng sợi pha tạp C1400 với chiều dài 5 mét, 6 mét, 8 mét và 10 mét 67

Hình 1.37 Sự phụ thuộc của công suất tín hiệu ra và hệ số tạp âm vào công suất bơm cho sợi pha tạp HCO-4000 chiều dài 3,6 mét 68

Hình 1.38 Thiết bị EDFA chế tạo đã lắp ráp trên tuyến thông tin quang 69

Hình 1.39 Thiết bị EDFA đang hoạt động trên tuyến tốc độ 2,5 Gb/s 72

Hình 1.40 Kết quả theo dõi tỷ số lỗi bit trong tuyến thông tin quang có sử dụng EDFA 72

Hình 2.1 Sơ đồ vùng năng lượng trong chất bán dẫn có pha tạp suy biến 81

Hình 2.2 Sơ đồ chuyển tiếp p-n khi không có thiên áp (a) và khi có thiên áp (b) 84

Hình 2.3 Sơ đồ chuyển tiếp p-n có cấu trúc dị thể ở trạng thái cân bằng nhiệt không có thiên áp (trên) và khi có thiên áp thuận (dưới) 84

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện của modul SOA 93

Hình 2.5a,b a) Sơ đồ bố trí linh kiện dùng cho lắp ráp b) Sơ đồ mạch in mặt trên của card điện tử 94 Hình 2.6a,b a) Sơ đồ mạch in mặt dưới của card điện tử b) Sơ đồ lỗ chân linh

kiện trong card điện tử 95

Hình 2.7 Mạch in chế tạo và tấm toả nhiệt cho card điện tử 96

Hình 2.8 Card điện tử nuôi và điều khiển cho SOA sau khi lắp ráp các linh kiện Quang tử 96

Hình 2.9 Thiết bị SOA sau khi đã được chế tạo hoàn chỉnh 98

Hình 2.10 Phổ ASE trên lý thuyết (1) và thực nghiệm (2) 100

Hình 2.11 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại SOA vào công suất quang tín hiệu lối ra 102

Hình 2.12 Sơ đồ đo đặc trưng độ khuếch đại của khuếch đại quang bán dẫn 103

Hình 2.13 Đường đặc trưng độ khuếch đại phụ thuộc dòng bơm của module SOA tại các giá trị tín hiệu vào 104

Hình 2.14 Độ khuếch đại phụ thuộc theo nhiệt độ hoạt động của SOA 105

Hình 2.15 Độ khuếch đại phụ thuộc theo độ ẩm của môi trường 106

Hình 2.16 Hình ảnh bên trong của module SOA trong quá trình ghép nối quang 106

Hình 2.17 Minh hoạ sơ đồ đo đặc trưng công suất ASE sử dụng máy đo Diode 109

Hình 2.18 Sơ đồ đo phổ ASE 109

Hình 2.19 Sơ đồ đo đặc trưng độ khuếch đại của khuếch đại quang bán dẫn 110

Hình 2.20 Đặc trưng công suất ASE phụ thuộc dòng hoạt động của SOA 111

Hình 2.21 Phổ bức xạ tự phát ASE của module SOA 111

Hình 2.22 Đặc trưng độ khuếch đại phụ thuộc công suất lối ra 112

Hình 2.23 Đặc trưng độ khuếch đại phụ thuộc dòng bơm 113

Hình 3.1 Cấu trúc của laser bán dẫn và bộ cộng hưởng Faby-Perot của laser 117

Hình 3.2 Các mode dao động trong buồng cộng hưởng của laser 118

Hình 3.3 Sơ đồ laser bán dẫn cấu trúc dị thể kép (DHL) 120

Hình 3.4 Cấu trúc laser dị thể chôn (BH-laser diode) 121

Hình 3.5 Cấu trúc laser DFB (trái) và laser DBR (phải) 122

Hình 3.6 Đường đặc trưng P-I của laser 1,3µm ở các nhiệt độ khác nhau 126

Hình 3.7 Sơ đồ khối của hệ thu phát quang trên đường trục thông tin 127

Hình 3.8 Cấu trúc của laser FP 128

Hình 3.9 Phổ phát xạ của laser FP 128

Hình 3.10 Đặc trưng IP của laser bán dẫn 129

Hình 3.11 Điều chế trực tiếp 130

Hình 3.12 Điều chế từ bên ngoài 130

Hình 3.13 Sơ đồ điện tử của mođul phát STM1,4 131

Hình 3.14 Mạch in của modul phát STM1-4 132

Hình 3.15 Đặc trưng cấu trúc và phổ của laser DFB 133

Hình 3.16 Cấu trúc của chip laser 2MOE5816 và 4MOE5496 134

Hình 3.17 Sơ đồ khối điều khiển công suất phát laser 136

Hình 3.18 Sơ đồ khối cho mạch phát STM16 137

Hình 3.19 Bản mạch in (4 lớp) của hệ thu phát tích hợp STM16 138

Hình 3.20 Sơ đồ chuyển tiếp p-n của bộ thu quang bán dẫn 141

Hình 3.21 Hình dáng xung quang điện của bộ thu quang bán dẫn 143

Hình 3.22 Sơ đồ chuyển tiếp p-i-n của bộ thu quang bán dẫn 144

Hình 3.23 Sơ đồ của bộ thu quang bán dẫn APD 146

Hình 3.24 Sơ đồ khối của hệ thu phát quang trên đường trục thông tin 149

Hình 3.25 Sơ đồ cấu trúc của PIN – Detector 150

Hình 3.26 Cấu trúc cơ bản của đầu thu APD 151

Hình 3.27 Cấu trúc đầu thu PIN kèm khuyếch đại quang 152

Hình 3.28 Sơ đồ mạch điện tử Modul thu quang STM1,4 154

Hình 3.29 PCB – Receiver 155

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống E1 156

Hình 4.2 Các phân cấp PDH theo tiêu chuẩn Châu Âu và Bắc Mỹ 157

Hình 4.3 Giản đồ ghép theo thời gian 158

Hình 4.4 Cấu trúc khung chèn E2 159

Hình 4.5 Sơ đồ khối thiết bị PDH 4E1 160

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý tổng thể OPTIMUX-4E1 161

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp luồng OPTIMUX-4E1 162

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý khối biến áp OPTIMUX-4E1 162

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý khối ghép/tách luồng OPTIMUX-4E1 163

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý E2 OPTIMUX-4E1 163

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý khối thu phát quang OPTIMUX-4E1 164

Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn OPTIMUX-4E1 165

Hình 4.13 Cấu hình mạng chung 166

Hình 4.14a,b Một số sơ đồ ứng dụng thiết bị theo cấu trúc điểm-điểm 166

Hình 4.14c Một số sơ đồ ứng dụng thiết bị theo cấu trúc điểm-điểm 167

Hình 4.15 Giản đồ ghép theo thời gian 167

Hình 4.16 Cấu trúc khung chèn E2 168

Hình 4.17 Cấu trúc khung chèn E3 169

Hình 4.18 Sơ đồ khối thiết bị PDH 16E1 170

Hình 4.19 Sơ đồ khối giao tiếp luồng 170

Hình 4.20 Sơ đồ khối khối thu phát quang 172

Hình 4.21 Sơ đồ nguyên lý khối ghép tách kênh và xử lí tín hiệu ghép kênh bằng FPGA 173

Hình 4.22 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp luồng 173

Hình 4.23 Sơ đồ nguyên lý khối thu phát quang 174

Hình 4.24 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 174

Hình 4.25 Sử dụng thiết bị theo cấu hình điểm-điểm 176

Hình 4.26 Sử dụng thiết bị theo cấu hình ring có xen/rẽ 176

MỞ ĐẦU

Mạng thông tin quang sợi (TTQ) của Việt nam hiện đang được mở rộng và hiện đại hóa rất nhanh theo từng năm Các mạng thông tin quang đường trục của các Hãng khai thác viễn thông lớn trong nước đều đã nâng dung lượng truyền-thu lên hàng chục Gigabít/giây khi sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM Gần đây nhất, mạng TTQ của VietTel đã được nâng cấp lên dung lượng đến 400 Gb/s sử dụng ghép 40 bước sóng trong một sợi quang với tốc độ bít mỗi bước sóng đạt 10 Gb/s Khi mạng TTQ đường trục đã sử dụng các công nghệ hiện đại vào bậc nhất trên thế giới, vấn đề nghiên cứu làm chủ các cơ chế vận hành của mạng, bảo trì và sửa chữa các thiết bị sử dụng trong mạng và từng bước tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo các thiết bị và linh kiện thông tin quang phục vụ cho các mạng nhánh sẽ mở rộng trong thời gian tới đã trở nên rất cấp thiết

Đề tài với mục tiêu nghiên cứu công nghệ chế tạo một số linh kiện và thiết bị

cơ bản cho các tuyến thông tin quang SDH-STM1 với tốc độ 155Mb/s, trong đó thiết bị truy nhập toàn quang cấp luồng NxE1và khuếch đại quang là các thiết bị

dự kiến có nhu cầu sử dụng cao trong quá trình phát triển và mở rộng mạng TTQ nhánh Trong tình hình công nghệ chế tạo thiết bị TTQ ở trong nước chưa được phát triển, các mục tiêu nghiên cứu công nghệ chế tạo thiết bị của đề tài KC.01-06/06-10 có khả năng mang lại hiệu quả tốt, đặc biệt có ý nghĩa quan trọng cho các mạng thông tin quang phục vụ an ninh quốc phòng là các mạng thông tin yêu cầu có độ bảo mật cao

Đề tài có 4 mục tiêu cụ thể nhằm nghiên cứu công nghệ chế tạo một số linh kiện, thiết bị thu phát tín hiệu quang, truy nhập mạng quang và khuếch đại quang sử dụng trong tuyến thông tin quang SDH thử nghiệm với tốc độ 155

Mb/s Đề tài đã phân công cụ thể các nội dung nghiên cứu công nghệ cho các

cơ quan tham gia đề tài, cụ thể như sau:

+ Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam chịu trách nhiệm nghiên cứu công nghệ chế tạo thiết bị khuếch đại quang, bao gồm cả khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) và khuếch đại quang bán dẫn (SOA), đáp ứng được các yêu cầu sử dụng trên tuyến thông tin quang hiện tại với tốc độ từ 155 Mb/s đến 2,5 Gb/s Kết hợp với Cục Kỹ thuật, Bộ Tư lệnh Thông tin khảo sát và đưa tuyến thông tin quang thử nghiệm SDH-STM1(tốc

độ 155 Mb/s) vào hoạt động

+ Trung tâm Quang điện tử, Viện Ứng dụng công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ chịu trách nhiệm nghiên cứu công nghệ chế tạo mô-đun thu phát tín hiệu quang tốc độ 155-622 Mb/s sử dụng trong các thiết bị truy nhập toàn quang, bước đầu tìm hiểu thiết kế các mô-đun thu phát tín hiệu quang tốc độ 2,5 Gb/s + Cục Kỹ thuật, Bộ Tư lệnh Thông tin Liên lạc, Bộ Quốc phòng chịu trách nhiệm nghiên cứu công nghệ chế tạo thiết bị truy nhập quang 4xE1 và 8xE1 sử dụng trong mạng toàn quang

+ Cục Kỹ thuật, BTLTTLL xây dựng tuyến thông tin quang thử nghiệm SDH- STM1 độ dài đến 70 km, Viện KHVL kết hợp khảo sát và đưa tuyến thông tin quang thử nghiệm vào hoạt động

Báo cáo tổng kết này sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu chính đã đạt được của đề tài theo các nội dung đã được phân công cho các đơn vị tham gia đề tài Các cơ chế vật lý và công nghệ của các thiết bị, linh kiện quang-điện tử và quang tử và các nghiên cứu chi tiết về công nghệ chế tạo thiết bị và linh kiện đã đăng ký và đạt được sẽ trình bày ở các phần chuyên đề sản phẩm của đề tài

CHƯƠNG 1 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO KHUẾCH ĐẠI

QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM

I.1 Tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu cho công nghệ chế tạo khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA)

Nguyên lý hoạt động của các bộ khuếch đại quang nói chung đều dựa trên các

cơ sở vật lý sau:

• Có môi trường khuếch đại quang (Pra > Pvào);

• Có nguồn bơm (điện, quang…)

Hiện nay có ba loại khuếch đại quang đang sử dụng trong các mạng thông tin quang sợi là: khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier – EDFA), khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier – SOA) và khuếch đại quang sử dụng môi trường tán xạ Raman cưỡng bức (Raman Optical Amplifier –ROA)

Trên cơ sở vật lý, môi trường khuếch đại quang đều phải tuân thủ các yêu cầu sau đây :

+ Tốc độ bức xạ cưỡng bức tại bước sóng khuếch đại Rstim (λ) phải lớn hơn tốc

độ hấp thụ Rabs (λ) tại bước sóng đó

+ Để có điều kiện Rstim (λ) > Rabs (λ), mật độ nguyên tử N2 trên mức năng lượng kích thích E2 phải lớn hơn mật độ nguyên tử N1 ở mức năng lượng cơ bản

E1 Trạng thái phân bố ion trong môi trường này được gọi là trạng thái đảo mật

độ phân bố Để môi trường có trạng thái đảo mật độ phân bố, ta phải phá vỡ trạng thái cân bằng nhiệt bằng phương pháp sử dụng hệ 3 hoặc 4 mức năng

lượng (trong các môi trường phân tử) hoặc bằng phương pháp pha tạp suy biến nặng trong bán dẫn và sử dụng chuyển tiếp p-n

+ Các ion Erbium có hệ các mức năng lượng 4I15/2; 4I13/2 ; 4I11/2; 4I9/2 , trong đó chuyển dời phát xạ giữa mức siêu bền 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2 cho hiệu suất phát xạ cao, phù hợp với vùng có suy hao quang thấp nhất trong sợi quang (1550nm),vì vậy ion Erbium được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi trong khuếch đại quang và laser cho thông tin quang

+ Sợi quang là môi trường truyền dẫn quang lý tưởng hiện nay với hệ số suy hao thấp (α < 0,2 dB/km tại bước sóng 1550 nm), vì vậy sợi quang pha tạp Erbium được nghiên cứu chế tạo từ ngay thời điểm phát hiện phát xạ mạnh của ion Erbium tại vùng sóng 1550 nm (năm 1987)

+ Hệ số khuếch đại quang phụ thuộc vào nồng độ các tâm hoạt tính quang trong môi trường, vì vậy với nồng độ càng cao ta nhận được hệ số khuếch đại càng lớn Tuy nhiên, đa số các ion đất hiếm trong họ Lanthanide có độ hoà tan rất thấp trong thuỷ tinh SiO2, vì vậy khi pha tạp mạnh chúng sẽ tụ đám (clustering)

và gây ra hiệu ứng dập tắt phát xạ (quenching) làm giảm hệ số khuếch đại của môi trường khuếch đại

+ Xu hướng tìm kiếm các công nghệ làm tăng nồng độ Er pha tạp trong thuỷ tinh SiO2 nhưng không có tụ đám đã được nghiên cứu từ những năm 90 của thế

kỷ trước, và hiện nay vẫn đang tiếp tục tiến hành

Nghiên cứu công nghệ chế tạo khuếch đại quang sử dụng trong mạng thông tin quang nói chung đều phải thu được các thông số chủ yếu sau đây :

• Hệ số khuếch đại G của thiết bị;

• Băng tần khuếch đại trong dải bước sóng ∆λ (hoặc tần số ∆ν);

• Công suất ra bão hoà Psat của khuếch đại;

• Thông số tạp âm (Noise Figure –NF) của bộ khuếch đại;

Ngoài ra, khuếch đại quang hoạt động trong tuyến thông tin quang thực cần nêu được các thông số hoạt động theo yêu cầu thực tế sau đây:

+ Độ ổn định của khuếch đại trong quá trình hoạt động;

+ Thời gian hoạt động (thời gian sống danh định) của bộ khuếch đại;

+ Kiểm soát và điều hành bộ khuếch đại trong một mạng thông tin chung; + Giá thành bảo trì, sửa chữa, thay thế và tương thích của thiết bị

Các yêu cầu về khuếch đại quang đã nêu ở trên sẽ là đối tượng nghiên cứu chi tiết của đề này này với mục tiêu hoàn thiện công nghệ chế tạo EDFA sử dụng trên tuyến thông tin quang theo tiêu chuẩn ITU-G662

I.2 Sơ lược về tính chất quang của ion Erbium trong thủy tinh

Do sợi quang chế tạo bằng vật liệu thủy tinh, vì vậy các nghiên cứu về thủy tinh pha tạp Erbium đã được quan tâm nghiên cứu ngay từ thời điểm nghiên cứu phát triển EDFA Vấn đề nghiên cứu thủy tinh không nằm trong nội dung của

đề tài này, tuy nhiên để nghiên cứu công nghệ chế tạo EDFA có hiệu quả cao rất cần có các kiến thức về tính chất quang của ion Erbium trong thủy tinh, đặc biệt là thủy tinh SiO2 là vật liệu chủ yếu cho chế tạo sợi quang thông tin

Cấu hình điện tử của ion Er3+ là [Xe] 4f11, số điện tử trên lớp 4f là 11, các ion Er3+ có bán kính quỹ đạo của các điện tử lớp 5s2 và 5p6 nằm bên ngoài bán kính quỹ đạo của lớp 4f Tương tác của ánh sáng với ion Er3+ chỉ liên quan đến các điện tử hóa trị thuộc lớp 4f, nhưng với sự che chắn của các điện tử nằm bên ngoài thuộc lớp 5s2 và 5p6 nên các ion Er3+ tương tác khá yếu với trường tinh

thể Từ đó các ion Er3+ có tính ion tự do khá rõ rệt và tính chất quang của ion

Er3+ ít phụ thuộc vào vật liệu nền

Do ion Er3+ tương tác yếu với vật liệu nền, nên ta có thể xem chúng là ion

tự do và trường tinh thể của vật liệu nền tham gia như một nhiễu loạn bé, Hamiltonian của ion Er3+ tự do là Hion tự do = Htrường trung tâm + Hlực tĩnh điện + Hspin –

hạng Hspin – quỹ đạo mô tả tương tác spin - quỹ đạo của các điện tử, hai số hạng

Er3+ tự do

Khi chưa xét đến trường tinh thể, các mức năng lượng của ion Er3+ tự do

là 4I15/2,4I13/2,4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S3/2, 2H11/2 được phân bố như trên hình 1 Do số điện tử trên lớp 4f là lẻ nên moment toàn phần J của ion Er3+ luôn luôn là bán nguyên, độ suy biến của mỗi mức năng lượng là g = 2J+1

Chúng ta sẽ nghiên cứu chi tiết hơn các chuyển dời phát xạ giữa hai mức

4I15/2 và 4I13/2 liên quan đến quá trình khuếch đại quang trong vùng bước sóng

1550 nm

Trước hết là chuyển dời phát xạ do lưỡng cực điện (electric dipole: ED) giữa hai mức 4I13/2 và 4I15/2 của ion Er3+ là bị cấm, bởi vì toán tử lưỡng cực điện

có đối xứng lẻ, trong khi đó cả hai trạng thái 4I13/2 và 4I15/2 đều có đối xứng chẵn

do cùng có moment quỹ đạo L = 6 Tuy nhiên do tương tác của ion Er3+ với trường tinh thể, với sự đóng góp của các dao động đối xứng lẻ của mạng thủy tinh và sự pha trộn các hàm sóng của điện tử lớp 4f với điện tử thuộc lớp khác (như 5d), khả năng chuyển dời phát xạ lưỡng cực điện có thể xảy ra nhưng với xác suất bé

Như vậy tương tác của photon với ion Er3+ pha tạp trong thủy tinh sẽ xảy

ra theo các dạng: phát xạ lưỡng cực từ (magnetic dipole: MD), phát xạ tứ cực điện (electric quadrupole: EQ) và phát xạ lưỡng cực điện (ED) với xác suất bé

Hình 1.1 Các mức Stark của ion Er 3+ pha tạp trong thủy tinh

Cường độ chuyển dời lưỡng cực điện lớn hơn các chuyển dời khác rất nhiều, tỉ lệ của các cường độ chuyển dời ED:MD:EQ là 1:10-5:10-6 Bởi vì chuyển dời phát xạ lưỡng cực điện từ mức 4I13/2 về mức cơ bản 4I15/2 có xác suất

bé nên thời gian sống của ion Er3+ nằm ở mức 4I13/2 rất lớn τ ~ 10 ms

Khi pha tạp ion Er3+ vào thủy tinh, tương tác của ion với trường tinh thể

là khá yếu so với tương tác tĩnh điện và tương tác spin – quỹ đạo Nhiễu loạn do trường tinh thể làm cho các mức năng lượng của ion Er3+ tự do khử suy biến và tách thành các mức con nằm gần nhau như sơ đồ trên hình 1.1, các mức con có năng lượng cách nhau cỡ 50 cm-1 và thường được gọi là các mức Stark

Trong lĩnh vực khuếch đại quang vùng bước sóng 1550 nm chúng ta chỉ quan tâm nghiên cứu sự tách mức của hai mức 4I15/2 và 4I13/2 Theo lý thuyết, khi

pha tạp ion Er3+ trong thủy tinh, mức 4I15/2 có thể tách thành tối đa là J +1/2 = 8 mức con và mức 4I13/2 có thể tách thành J +1/2 = 7 mức con

Tuy nhiên tùy theo tính chất đối xứng của mạng nền mà sự khử suy biến

có thể xảy ra hoàn toàn hoặc chỉ xảy ra một phần, do đó số mức Stark của mỗi mức năng lượng còn phụ thuộc vào tính đối xứng của loại vật liệu nền

Số mức Stark của mức 4I13/2 và 4I15/2 trong các loại thủy tinh pha tạp Er3+khác nhau như silicate, fluoride, aluminosilicate và fluorophosphate đã được khảo sát bằng phương pháp đo phổ huỳnh quang ở nhiệt độ thấp

Kết quả xác định số mức Stark của thủy tinh aluminosilicate pha tạp Er3+cũng như chuyển dời hấp thụ và phát xạ giữa các mức này được trình bày như trên hình 1.2 và hình 1.3

Hình 1.2 Các chuyển dời phát xạ huỳnh quang từ mức 4 I 13/2 về mức 4 I 15/2

Kết quả đo phổ huỳnh quang ở nhiệt độ thấp cho thấy các mức Stark có năng lượng cách nhau ∆E cỡ 50 cm-1

Ở điều kiện nhiệt độ phòng, thực nghiệm cho thấy rằng chuyển dời giữa các mức Stark sẽ có quang phổ không hoàn toàn đơn sắc, quang phổ sẽ được

mở rộng bởi hai quá trình, đó là mở rộng thuần nhất (homogenous broadening)

và mở rộng không thuần nhất (inhomogenous broadening)

Hình 1.3 Các chuyển dời hấp thụ (Absorption) từ mức 4 I 15/2 lên mức 4 I 13/2

I.2.3 Hiệu ứng mở rộng các mức năng lượng thuần nhất

Trong hiệu ứng mở rông các mức năng lượng thuần nhất (gọi tắt là quá trình mở rộng thuần nhất), các mức Stark được phân bố theo nhiệt độ, ở trạng thái cân bằng nhiệt động, phân bố theo năng lượng của mức Stark tuân theo phân bố Bose – Einstein

1)/)

=

kT

g n

i

i

Với k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối, µ là hóa thế của hệ,

gi là độ suy biến của mức i và εi là năng lượng Tại nhiệt độ phòng, theo phân

bố Bose – Einstein tỉ số trạng thái giữa 2 mức Stark cách nhau ∆E ~ 50cm-1là exp(∆E/kT) = 0,78 Tỉ số này khá lớn nên ở trạng thái cân bằng nhiệt các mức Stark bao phủ lẫn nhau, do đó phổ chuyển dời phát xạ và hấp thụ giữa hai mức

4I13/2 và 4I15/2 được mở rộng và phân bố liên tục trong vùng bước sóng 1430 nm đến 1650 nm

Quá trình mở rộng thuần nhất giả định rằng cấu trúc mạng của các ion

Er3+ trong thủy tinh là giống nhau, do đó các ion Er3+ đều có các mức Stark trùng nhau Tuy nhiên trường tinh thể tại các ion Er3+ là không giống nhau, nên quang phổ của ion Er3+ pha tạp trong thủy tinh còn có ảnh hưởng của hiệu ứng

mở rộng không thuần nhất

I.2.4 Quá trình mở rộng mức năng lượng không thuần nhất

Phổ tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạ của thủy tinh pha tạp Er3+ từ thực nghiệm có dạng như trên hình 4a, nhưng khi sử dụng lý thuyết mở rộng thuần nhất để tính toán các phổ này nó sẽ có dạng nhiều đỉnh như hình 4b Sự khác biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm này được giải thích do sự tham gia của một quá trình khác, đó là sự mở rộng không thuần nhất Quá trình này do cấu trúc không đồng đều của mạng nền, đặc biệt là cấu trúc thủy tinh, sự mất trật tự trong cấu trúc mạng nền làm cho năng lượng các mức Stark không trùng nhau

Với tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạ thực nghiệm của thủy tinh aluminosilicate pha tạp Er3+, dựa vào lý thuyết mở rộng đồng nhất và không đồng nhất Desurvire đã tính được độ mở rộng của các đỉnh phổ với mạng nền này là ∆λH ~ ∆λI ~ 11.5 nm Các mở rộng này tương ứng với khoảng cách năng lượng xấp xỉ 50 cm-1, như vậy mở rộng thuần nhất ∆λH và mở rộng không thuần nhất ∆λI đều cùng cỡ với năng lượng do tách mức Stark

Ở một số loại vật liệu thủy tinh pha tạp Er3+ nồng độ cao, độ mở rộng không thuần nhất là khá lớn Sự mở rộng không thuần nhất chỉ phụ thuộc vào tính chất của vật liệu mà không liên quan đến nhiệt độ

Với hai dạng mở rộng phổ nêu trên, phổ hấp thụ và phổ phát xạ của thủy tinh pha tạp erbium sẽ phân bố liên tục trong vùng bước sóng từ 1430 nm đến

1650 nm

Hình 1.4 Phổ tiết diện hấp thụ và phát xạ từ thực nghiệm (a)

và từ lý thuyết mở rộng thuần nhất (b)

I.2.5 Xác định giá trị thực nghiệm của tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạ

Tiết diện hấp thụ σa(λ) và tiết diện phát xạ σe(λ) là hai thông số quan trọng để tính toán quá trình khuếch đại quang và thường được xác định từ thực nghiệm Việc đo trực tiếp hai giá trị tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạ rất khó khăn, trong khi đó đo phổ hấp thụ và phổ phát xạ của thủy tinh pha tạp Er3+theo đơn vị tương đối dễ dàng hơn Do đó tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạ thường được tính theo công thức Fuchtbauer–Ladenburg:

( )

8)

4

λλ

τπ

λλ

4

λλτπ

λλ

Như vậy dựa vào các công thức (1.2) và (1.3) chúng ta có thể tính được

dễ dàng các tiết diện σa và σe qua việc đo dạng phổ Ia(λ) và Ie(λ)

I.3 Hệ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

I.3.1 Các thông số của sợi quang pha tạp Erbium

Cấu tạo của sợi thủy tinh pha tạp Erbium

Hình 1.5 Mặt cắt ngang của sợi pha tạp Er 3+ Các sợi quang pha tạp erbium hiện nay là loại sợi đơn mốt có đường kính lõi dẫn sóng 9 µm, vùng pha tạp ion Er3+ nằm ở tâm của sợi có đường kính cỡ 3

µm (hình 1.5) Các thông số của sợi thủy tinh pha tạp Er3+ gồm có:

- Nồng độ pha tạp, loại thủy tinh và các nguyên tố đồng pha tạp

- Độ hấp thụ bước sóng bơm (Absorption at Pump Wavelength), giá trị này phụ thuộc vào nồng độ pha tạp của sợi

Hình 1.6 Cường độ hấp thụ và phát xạ theo bước sóng của sợi pha tạp Er

- Độ hấp thụ và phát xạ ở vùng bước sóng tín hiệu (1450 ÷ 1650 nm), giá trị này thường được tính theo đơn vị dB/m Phổ hấp thụ và phát xạ được

mô tả như trên hình 1.6

I.3.2 Các cấu hình bơm cho sợi pha tạp

Chúng ta có thể thực hiện bơm cho sợi pha tạp của hệ EDFA theo cấu hình bơm đồng hướng, ngược hướng hoặc song công

Cấu hình cơ bản của hệ bơm đồng hướng được mô tả như trên hình 1.7, các linh kiện chủ yếu của hệ EDFA gồm có: nguồn bơm, sợi quang pha tạp Er3+

và linh kiện ghép 2 bước sóng (WDM) dùng để ghép bước sóng bơm 980 nm (hoặc 1480 nm) và bước sóng tín hiệu vùng 1550 nm vào trong sợi pha tạp

I.3.3 Hệ EDFA bơm đồng hướng

Sợi thủy tinh pha tạp Er3+ là môi trường khuếch đại quang, đặc tính và chiều dài của sợi pha tạp sẽ quyết định đến chất lượng của hệ khuếch đại Nguồn bơm cho sợi pha tạp là laser bán dẫn có bước sóng 980 nm hoặc 1480

nm Các linh kiện cách ly quang (Isolator) không cho nhiễu quang xuất hiện trên đường truyền đi ngược lại gây nhiễu cho hệ khuếch đại

Hình 1.7 Cấu hình hệ EDFA bơm đồng hướng

Tín hiệu quang chỉ được khuếch đại khi sợi pha tạp duy trì trạng thái nghịch đảo mật độ giữa mức kích thích 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2, nếu sợi thủy tinh pha tạp Er3+ không đạt được nghịch đảo mật độ, nó sẽ là môi trường hấp thụ tín hiệu quang rất mạnh làm suy giảm hệ số khuếch đại quang

Hình1.8 Công suất bơm và công suất tín hiệu trong cấu hình bơm đồng hướng

Với hệ EDFA bơm đồng hướng, công suất bơm lớn nhất ở lối vào và sẽ giảm dần theo chiều dài sợi pha tạp Nếu hệ EDFA được bơm đủ công suất, công suất tín hiệu sẽ tăng dần từ đầu sợi (z = 0) đến cuối sợi pha tạp (z = L) theo hướng truyền tín hiệu (hình 1.8)

I.3.4 Hệ EDFA bơm ngược hướng

Theo cấu hình bơm ngược hướng (hình 1.9) công suất bơm được đưa vào từ cuối sợi pha tạp, chức năng của các linh kiện quang tương tự như bơm đồng hướng

Hình 1.9 Cấu hình hệ EDFA bơm ngược hướng

Hai cấu hình đồng hướng và ngược hướng chỉ khác nhau sự phân bố công suất bơm theo chiều dài sợi pha tạp Với hệ EDFA theo cấu hình bơm ngược hướng, công suất bơm ở cuối sợi pha tạp là lớn nhất, phân bố công suất bơm và công suất tín hiệu theo chiều dài sợi pha tạp được mô tả như trên hình 1.10

Tương tự như hệ EDFA bơm đồng hướng, khi công suất bơm không đủ cho toàn sợi, hệ số khuếch đại quang sẽ suy giảm

Trường hợp bơm ngược hướng công suất của tín hiệu tăng lên cùng với công suất bơm nên hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng bơm sang năng lượng của tín hiệu cao hơn so với cấu hình bơm đồng hướng Tuy nhiên với cấu hình bơm ngược hướng do công suất bơm yếu hơn tại lối vào nên tạp âm sẽ cao hơn cấu hình bơm đồng hướng

Hình1.10 Công suất bơm và công suất tín hiệu trong cấu hình

bơm ngược hướng I.3.5 Hệ EDFA bơm song công

Theo cấu hình bơm song công, sợi pha tạp Er3+ được bơm năng lượng từ hai đầu sợi, thông thường nguồn bơm 1 có bước sóng 980 nm và nguồn bơm 2

có bước sóng 1480 nm để các laser bơm không ảnh hưởng lẫn nhau

Hình 1.11 Cấu hình hệ EDFA bơm song công

Sự khác nhau của các cấu hình bơm chỉ liên quan đến phân bố công suất quang của laser bơm và công suất tín hiệu theo chiều dài sợi pha tạp Cấu hình bơm song công có nghịch đảo mật độ trạng thái duy trì khá đồng đều trên toàn sợi pha tạp nên hệ khuếch đại có công suất ra lớn và tạp âm bé nhất Tuy nhiên

hệ EDFA theo cấu hình bơm song công đòi hỏi bố trí nhiều loại bộ lọc tín hiệu quang khác nhau để ngăn cản ảnh hưởng lẫn nhau của các nguồn laser

I.3.6 Các thông số hoạt động của EDFA

Các thông số hoạt động của hệ EDFA gồm có:

- Công suất bơm Pbơm là công suất của laser bán dẫn kích thích cho sợi pha tạp Er3+, đơn vị đo thường dùng là mW hoặc dBm

- Công suất tín hiệu vào Pvào, đơn vị đo thường dùng là dBm

- Công suất tín hiệu ra Pra, đơn vị đo thường dùng là dBm

- Hệ số khuếch đại G là tỉ số giữa công suất tín hiệu ra và công suất tín hiệu vào, đơn vị đo thường dùng là dB

Trong quá trình hoạt động của EDFA, nếu tăng công suất bơm công suất tín hiệu ra Pra sẽ tăng và hệ số khuếch đại G cũng tăng theo, nhưng quá trình tăng công suất bơm để tăng công suất tín hiệu ra và tăng hệ số khuếch đại chỉ đạt được trong một giá trị nhất định Bởi vì khi tăng công suất bơm đến một giá trị đủ lớn thì nghịch đảo mật độ trong sợi pha tạp sẽ xảy ra hoàn toàn, khi đó môi trường thủy tinh pha tạp Er3+ trở nên trong suốt đối với bước sóng bơm, sợi pha tạp không thể hấp thụ công suất bơm được nữa Khi đó công suất bơm đã đạt đến giá trị bão hòa Psat(λp), công suất tín hiệu ở lối ra và hệ số khuếch đại của EDFA cũng đạt đến giá trị bão hòa Psat(λs) và Gsat Các giá trị bão hòa phụ thuộc vào nồng độ ion Er3+ pha tạp trong sợi quang, chiều dài sợi pha tạp và công suất tín hiệu vào

I.3.7 Ảnh hưởng của bước sóng bơm lên hệ EDFA

Chúng ta có thể dùng nguồn laser bán dẫn với bước sóng 980nm hoặc 1480nm để bơm cho sợi pha tạp Er3+, mỗi bước sóng bơm có những đặc tính khác nhau khi bơm cho hệ EDFA

* Tính chất của hệ EDFA khi bơm với bước sóng 980 nm:

- Tiết diện hấp thụ tại bước sóng này bé σa(λp = 980 nm) ~ 2.10-21 cm2

- Phổ hấp thụ tại bước sóng 980 nm hẹp nên yêu cầu công suất bơm lớn

- Hệ số tạp âm thấp (NF ~ 3,2 dB)

- Thích hợp cho loại sợi có đồng pha tạp Yb3+

* Tính chất của hệ EDFA khi bơm với bước sóng 1480 nm:

- Tiết diện hấp thụ bước sóng lớn hơn σa(λp = 1480 nm) ~ 4.10-21 cm2

- Vùng bước sóng hấp thụ rất rộng, từ 1470 nm đến 1490 nm, nên không đòi hỏi bước sóng bơm chính xác

- Hệ số tạp âm cao NF ~ 4,5 dB

Như vậy hệ EDFA khi bơm tại bước sóng 1480 nm hiệu suất bơm cao hơn, nhưng hệ số tạp âm cũng cao hơn so với bơm tại bước sóng 980 nm

Hiện nay hệ EDFA được sử dụng rất rộng rãi trong hệ thống thông tin quang, với vùng bước sóng khuếch đại nằm trong băng tần C (1530 nm ÷ 1565 nm) và băng tần L (1570 nm ÷ 1610 nm)

Hệ EDFA có những ưu điểm quan trọng như:

- Hệ số khuếch đại cao (Gmax ~ 27 ÷ 33 dB)

- Công suất tín hiệu ra cao (Pmax ~ 17 ÷ 20 dBm)

- Hệ số tạp âm thấp (NF < 4,5 dB)

- Phổ khuếch đại khá rộng, kéo dài trong vùng bước sóng thông tin quang

- Ít bị ảnh hưởng của các hiện tượng quang phi tuyến như: trộn bốn sóng (four wave mixing), xuyên kênh, hệ số khuếch đại thay đổi theo phân cực quang

Với các ưu điểm đó, hệ EDFA hoạt động rất ổn định trên tuyến thông tin quang và đã góp phần phát triển nhanh chóng hệ thống thông tin quang đa bước sóng (WDM)

Nhược điểm chính của hệ EDFA là chiều dài của sợi pha tạp vẫn còn lớn (vài mét đến vài chục mét) nên kích thước của hệ lớn và việc bảo trì hệ còn khó

khăn, ngoài ra hệ số khuếch đại không đồng đều trong băng tần khuếch đại Để khắc phục các nhược điểm đó, hiện nay có nhiều nghiên cứu khác nhau về vật liệu như tăng nồng độ pha tạp và các nghiên cứu về làm phẳng phổ khuếch đại

I.4 Tính chất quang của thủy tinh pha tạp Erbium nồng độ cao

Nồng độ pha tạp ion Er3+ trong thủy tinh càng cao chúng ta sẽ có hệ số khuếch đại quang càng lớn và có thể giảm được chiều dài sợi pha tạp khi tăng nồng độ ion Er3+ pha tạp Hiện nay trên thế giới đang có nhiều nghiên cứu tập trung vào các loại thủy tinh pha tạp erbium nồng độ cao nhằm nâng cao chất lượng của hệ EDFA

Tuy nhiên, ion Er3+ có độ hoà tan rất thấp trong thuỷ tinh, vì vậy khi pha tạp nồng độ cao chúng sẽ tụ đám (clustering) gây ra hiệu ứng dập tắt (quenching) làm giảm hệ số khuếch đại quang và một số hiện tượng bất lợi khác trong quá trình khuếch đại quang

Khi pha tạp ở nồng độ cao, khoảng cách r giữa các ion Er3+ càng gần lại, lực tương tác giữa các lưỡng cực điện của các ion nằm kề nhau càng mạnh lên, lực tương tác này tỉ lệ với 1/r6 Khi tương tác ion – ion tăng lên xuất hiện một số hiện tượng làm suy giảm hệ số khuếch đại quang, trong đó ba hiện tượng quan trọng nhất là sự hấp thụ từ mức kích thích (excited state absorption - ESA), hiện tượng đồng kết hợp (cooperation) và sự dập tắt quang do ghép cặp (pair – induced quenching – PIQ)

Khi kích thích thủy tinh pha tạp Er3+ ở nồng độ cao bằng laser bước sóng

980 nm hoặc 1480 nm, phổ phát quang của nó xuất hiện các đỉnh có bước sóng ngắn hơn bước sóng kích thích Sự xuất hiện các đỉnh phổ phát quang có bước sóng ngắn hơn bước sóng kích thích được gọi là hiện tượng chuyển đổi ngược (upconversion) Vị trí các đỉnh phổ chuyển đổi ngược có bước sóng tương ứng

với các chuyển dời từ các mức năng lượng 4I9/2 , 4F9/2 , 4S3/2 2H11/2 về mức cơ bản của ion Er3+ Đặc biệt khi công suất bơm cho thủy tinh pha tạp Er3+ đủ lớn chúng ta thấy rất rõ ánh sáng màu xanh lục rất đặc trưng của đỉnh phổ tương ứng với chuyển dời từ các mức 2H11/2 và 4S3/2 về mức cơ bản

Các đỉnh phổ có bước sóng ngắn hơn bước sóng kích thích của thủy tinh pha tạp Er3+ ở nồng độ cao được giải thích do hiện tượng hấp thụ từ mức kích thích và hiện tượng đồng kết hợp

I.4.2 Hiện tượng chuyển đổi ngược do hấp thụ từ mức kích thích

Hiện tượng hấp thụ từ mức kích thích xảy ra khi các ion Er3+ đang nằm trên mức kích thích hấp thụ thêm một photon bơm nữa để chuyển lên mức cao hơn, sau đó chuyển dời về mức cơ bản và phát ra photon có bước sóng ngắn hơn Hiện tượng hấp thụ từ mức kích thích khi bơm với bước sóng 1480 nm xảy ra khi ion Er3+ đang nằm trên mức kích thích 4I13/2 hấp thụ thêm một photon bơm nữa và chuyển lên mức 4I9/2 như trên hình 1.12.c Tương tự như vậy, nếu bước sóng bơm là 980 nm sự hấp thụ từ mức kích thích sẽ làm cho ion Er3+ chuyển lên các mức cao hơn là 2H11/2 và 4S3/2 (hình 1.12d) Sự hấp thụ từ mức kích thích chủ yếu phụ thuộc vào công suất bơm và nồng độ ion Er3+ pha tạp

Hình 1.12 Các chuyển dời chuyển đổi ngược

I.4.3 Hiện tượng chuyển đổi ngược do đồng kết hợp (pair-cooperation)

Trong các quá trình chuyển đổi ngược, ngoài hiện tượng hấp thụ từ mức kích thích liên quan đến tương tác của ion Er3+ với photon, còn có một hiện tượng khác là đồng kết hợp liên quan đến tương tác của hai ion Er3+ với nhau

Hiện tượng khác là đồng kết hợp xảy ra khi hai ion Er3+ đang ở trạng thái kích thích có vị trí gần nhau trong mạng thủy tinh tương tác với nhau, một ion truyền năng lượng cho ion kia và trở về mức cơ bản, ion còn lại sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn (Hình 1.12.b) Hiện tượng đồng kết hợp chủ yếu phụ thuộc vào loại vật liệu thủy tinh và nồng độ ion Er3+ pha tạp, nồng độ pha tạp càng cao các ion càng gần nhau nên khả năng xảy ra tương tác càng lớn

Hiện tượng đồng kết hợp làm cho số trạng thái ở mức kích thích 4I13/2 suy giảm, do đó làm giảm hệ số khuếch đại quang Các thí nghiệm với nồng độ pha tạp khác nhau chứng tỏ rằng, khi nồng độ pha tạp ion Er3+ lớn hơn 1025 ion/m3hiện tượng đồng kết hợp bắt đầu xảy ra đáng kể

Các hiện tượng chuyển đổi ngược do hấp thụ từ mức kích thích và đồng kết hợp không những phụ thuộc vào nồng độ pha tạp của ion Er3+ mà còn phụ thuộc vào cấu trúc của mạng thủy tinh nền

I.4.4 Hiện tượng dập tắt khuếch đại do ghép cặp (Pair Induced Quenching- PIQ)

Tương tác của hai ion Er3+ còn xảy ra theo một hiện tượng khác nữa, đó

là hai ion sẽ ghép cặp với nhau Khi nồng độ pha tạp tăng lên, hai ion Er3+ có vị trí rất gần nhau trong mạng thủy tinh sẽ liên kết với nhau tạo thành các cặp đôi Nếu một ion ở trạng thái kích thích, nó sẽ truyền năng lượng cho ion kia chưa bị kích thích và hai ion này sẽ chuyển trạng thái cho nhau

Hiện tượng này làm mất mát photon bơm và làm suy giảm số ion Er3+đơn lẻ đóng góp vào quá trình khuếch đại quang, hiện tượng này được gọi là dập tắt khuếch đại do ghép cặp, nguyên nhân chính là sự tụ đám của các ion

Er3+ trong thủy tinh Sự tụ đám có thể xảy ra với nhiều hơn hai ion, nhưng trong các nghiên cứu thực nghiệm khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp erbium nồng độ cao, người ta chỉ tính đến số lượng ghép cặp hai ion, các tụ đám nhiều ion hơn có tỉ lệ rất bé và có thể bỏ qua Hiện tượng dập tắt khuếch đại do ghép cặp trở nên đáng kể khi nồng độ pha tạp tăng cao

Các hiện tượng hấp thụ từ mức kích thích, đồng kết hợp và sự dập tắt quang do ghép cặp sẽ làm suy giảm đáng kể mật độ trạng thái trên mức kích thích 4I13/2 do đó hiệu suất khuếch đại quang suy giảm mạnh

Một số kết quả nghiên cứu chứng tỏ rằng nồng độ pha tạp Er3+ trong các môi trường khuếch đại dẫn sóng có thể đạt đến 3.1027 ion/m3 (3at.%) Tuy nhiên

ở nồng độ cao như vậy hiện tượng chuyển đổi ngược và dập tắt do kết hợp trở nên rất mạnh, do đó nồng độ ion Er3+ pha tạp tốt nhất cho hoạt động khuếch đại quang nằm trong khoảng 2,7.1026 ion/m3 Các nghiên cứu ở nồng độ rất cao này chỉ được thực hiện cho các khuếch đại dẫn sóng có kích thước bé vài cm, một

số tác giả nghiên cứu trên dẫn sóng Al2O3 pha tạp Er3+ đến nồng độ 2.1026 ion/m3 đã có được độ khuếch đại là 2,3 dB/cm Tuy nhiên đối với sợi quang pha tạp erbium, do ion Er3+ khó hòa tan trong thủy tinh và ở nồng độ pha tạp cao sợi thủy tinh trở nên rất giòn, dễ gãy ở dạng sợi, nên đối với thủy tinh pha tạp Er3+trong hệ khuếch đại quang sợi, nồng độ ion Er3+ pha tạp thấp hơn, thông thường

ở mức 1025 ion/m3

I.5 Vai trò của thủy tinh nền và các ion đồng pha tạp

Vật liệu thủy tinh nền và các ion đồng pha tạp quyết định đến hiệu suất

và chất lượng của hệ EDFA, các loại thủy tinh nền và ion đồng pha tạp được nghiên cứu xuất phát từ nhiều yêu cầu khác nhau như:

- Làm phẳng phổ khuếch đại của EDFA trong vùng bước sóng khuếch đại

- Tăng độ hòa tan của ion Er3+ vào thủy tinh silica khi pha tạp nồng độ cao

- Nâng cao hiệu suất hấp thụ công suất bơm của hệ EDFA

I.5.1 Vai trò làm phẳng phổ khuếch đại của loại thủy tinh và ion đồng pha tạp

Hình 1.13 Phổ phát xạ của ion Er 3+ trong thủy tinh silica

với các đồng pha tạp khác nhau

Phổ phát xạ của thủy tinh pha tạp Er3+ còn phụ thuộc vào các ion đồng pha tạp như Al, P, Ca, Ge…, các ion này được thêm vào để thay đổi cấu trúc mạng thủy tinh nền, nhằm tạo ra thêm các mở rộng không đồng nhất, mục đích của các đồng pha tạp này là làm cho phổ phát xạ đồng đều hơn trong băng tần khuếch đại

Phổ phát xạ của ion Er3+ trong thủy tinh silica tinh khiết lõm xuống ở vùng bước sóng 1545 nm (hình 1.13), như vậy thủy tinh silica tinh khiết pha tạp ion Er3+ sẽ có hệ số khuếch đại quang không đồng đều tại các kênh khác nhau Cũng trên Hình chúng ta thấy rằng với thủy tinh silica có pha tạp thêm các ion khác như Ca, Ge, Al, P phổ phát xạ của ion Er3+ vùng bước sóng 1545 nm được nâng cao lên, từ đó hệ số khuếch đại quang trở nên đồng đều hơn trong vùng bước sóng từ 1530 nm đến 1565 nm Tính chất làm phẳng phổ khuếch đại có thể được giải thích rằng khi có các nguyên tố đồng pha tạp trật tự của mạng

thủy tinh trở nên mất đối xứng hơn, gây ra sự mở rộng không đồng nhất nhiều hơn, từ đó phổ phát xạ sẽ bằng phẳng hơn

Ngoài nghiên cứu các ion đồng pha tạp, hiện nay còn các nghiên cứu trên loại thủy tinh khác nhau pha tạp Er3+ như thủy tinh silica, fluoride, tellurite, phosphate, borate …, mỗi loại thủy tinh pha tạp Er3+ có cường độ và dạng phổ phát xạ khác nhau (hình 1.14) Các loại thủy tinh pha tạp Er3+ này có thể bố trí theo các cấu hình thích hợp để có được phổ khuếch đại bằng phẳng và mở rộng trong vùng bước sóng thông tin

Hình 1.14 Tiết diện phát xạ của các loại thủy tinh khác nhau pha tạp Er 3+

Khó khăn rất lớn của việc pha tạp ion Er3+ vào thủy tinh ở nồng độ cao là

sự tụ đám của chúng, do đó hiện nay nhiều hợp chất như Al2O3 , Yb2O3, P2O5, GeO2 và các tinh thể có cấu trúc nano như PbSe, PbS, CdTe, CdSe, CdS đã được nghiên cứu đồng pha tạp với ion Er3+ để tăng độ hòa tan của ion Er3+ vào thủy tinh Trong số các loại ion đồng pha tạp với ion Er3+ được nghiên cứu, ion

Al3+ có vai trò rất quan trọng khi pha tạp Er3+ ở nồng độ cao, việc pha tạp thêm nhôm sẽ làm cho sự tụ đám của các ion Er3+ giảm xuống rõ rệt

Kết quả nghiên cứu ion đồng pha tạp Al3+ cho thấy rằng tỉ lệ phần trăm ghép cặp hai ion Er3+ giảm xuống khi tăng tỉ lệ pha tạp nhôm Khi không pha

tạp thêm nhôm số ion Er3+ ghép cặp lên đến 50%, nhưng khi có đồng pha tạp ion Al3+ tỉ lệ ion Er3+ ghép cặp giảm xuống dưới 2%, nồng độ pha tạp tốt nhất của ion Al3+ khoảng gấp đôi nồng độ ion Er3+

I.5.3 Đồng pha tạp ion Yb nhằm nâng cao hiệu suất bơm cho hệ khuếch đại

Một mục đích khác cần có các ion đồng pha tạp là tăng khả năng hấp thụ năng lượng bơm Ở bước sóng bơm 980 nm, tiết diện và độ rộng phổ hấp thụ của ion Er3+ khá bé, nên hiệu suất hấp thụ công suất bơm thấp Trong khi đó ion đất hiếm Yb3+ có tiết diện hấp thụ cao hơn tại bước sóng 980 nm, đồng thời

dễ hòa tan cùng với Er3+ trong thủy tinh, nên ion Yb3+ được đồng pha tạp với

Er3+ trong sợi quang pha tạp để nâng cao hiệu suất bơm cho hệ EDFA

Ion Yb3+ có mức năng lượng 2F5/2 gần với mức 4I11/2 của Er3+ trong vùng bước sóng 980 nm (hình1.15), ion Yb3+ khi hấp thụ photon bơm sẽ chuyển lên mức 2F5/2, ở nồng độ pha tạp cao khoảng cách giữa ion Yb3+ và Er3+ gần nhau nên năng lượng của ion Yb3+ sẽ dễ dàng truyền cho ion Er3+

Hình 1.15 Sơ đồ chuyển dời giữa các mức năng lượng của ion Yb 3+ và Er 3+

Kết quả nghiên cứu trên môi trường dẫn sóng oxyt silic:oxyt nhôm alumina) pha tạp Er3+ cho thấy cường độ phát xạ ở vùng bước sóng 1550 nm

(silica-của dẫn sóng silica-alumina pha tạp Er3+ khi có đồng pha tạp Yb3+ lớn gấp 7 lần khi không có đồng pha tạp, điều đó chứng tỏ rằng ion Er3+ đã hấp thụ được công suất bơm nhiều hơn khi có đồng pha tạp ion Yb3+

Ngoài ra ion Yb3+ còn có ưu điểm là không hấp thụ photon vùng bước sóng tín hiệu (1550 nm) nên khi đồng pha tạp với ion Er3+ ở nồng độ cao, ion

Yb3+ không làm suy giảm công suất tín hiệu

Các nghiên cứu đã kết luận rằng đồng pha tạp Yb3+ với Er3+ trong sợi

thủy tinh làm cho hiệu suất bơm của hệ EDFA cao hơn rõ rệt, nên hiện nay các

Hình 1.16 Phổ phát xạ của Er 3+ với bước sóng kích thích λ = 975nm

I.6 Tạp âm trong khuếch đại quang EDFA

I.6.1 Phát xạ ngẫu nhiên được khuếch đại - ASE (Amplified Spontaneous Emission)

Trong môi trường đảo mật độ trạng thái luôn luôn xảy ra các chuyển dời phát xạ ngẫu nhiên Các chuyển dời phát xạ ngẫu nhiên này sẽ phát sinh các photon có bước sóng nằm trong vùng khuếch đại nên chúng cũng được khuếch

đại như tín hiệu và hiện ứng này được gọi là phát xạ ngẫu nhiên được khuếch đại (ASE) Công suất quang ASE luôn luôn tồn tại dù có tín hiệu vào hay không, và đây là nguồn tạp âm của các hệ khuếch đại quang

Các nghiên cứu về ASE cho thấy rằng, khi thay đổi công suất bơm cho sợi pha tạp, công suất và dạng phổ ASE cũng thay đổi Hình 1.17 trình bày dạng phổ ASE tại lối ra khi tăng dần công suất bơm cho sợi pha tạp Er3+ (chiều tăng từ trái qua phải) Các đồ thị phía trên là kết quả thực nghiệm và phía dưới

là kết quả tính toán lý thuyết của hệ EDFA

Hình 1.17 Sự thay đổi dạng phổ ASE phụ thuộc công suất quang bơm

Các kết quả trên cho thấy khi công suất bơm yếu, phổ ASE nâng cao ở vùng bước sóng 1560 nm, ngược lại khi công suất bơm đủ mạnh phổ ASE vùng bước sóng 1530 nm được nâng cao hơn Sự cạnh tranh giữa quá trình hấp thụ và phát xạ làm thay đổi dạng của phổ của tín hiệu ASE Như vậy từ dạng phổ ASE này chúng ta có thể đánh giá được công suất bơm đã tạo nên nghịch đảo mật độ trạng thái cho sợi pha tạp đầy đủ hay không

I.6.2 Hệ số tạp âm NF (Noise figure)

Tạp âm trong hệ EDFA chủ yếu do thành phần ASE, sự tham gia của công suất ASE sẽ làm cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal noise ratio)