Khảo sát các thông số đặc trưng của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm.docx

Khảo sát các thông số đặc trưng của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ (Erbium Doped Fiber Amplifiers - EDFAs)

Khảo sát các thông số đặc trng của khuếch đại

Doped Fiber Amplifiers - EDFAs)

Mục lục

Phần mở đầu Chương I: Giới thiệu chung về khuếch đại quang 1

1.1 Vai trũ và ứng dụng của khuếch đại quang 1

1.1.1 Vai trũ của khuếch đại quang 1

1.1.2 Ứng dụng của khuếch đại quang 3

1.2 Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ (EDFA) 3

1.3 Những vấn đề chọn để giải quyết 4

Phần tổng quan Chương II: Sợi quang pha tạp đất hiếm Er3+ 5

2.1 Những tớnh chất của ion đất hiếm Er3+ 5

2.1.1 Tớnh chất quang của cỏc ion đất hiếm 5

2.1.2 Nguyờn tố Erbium (Er) 6

2.1.3 Tiết diện hiệu dụng 8

2.1.4 Thời gian sống 10

2.2 Phổ hấp thụ và phỏt xạ của ion Er3+ 12

2.3 Khảo sỏt cỏc dải bơm thớch hợp cho Er3+ 13

2.3.1 Dải bơm 800nm 14

2.3.2 Dải bơm 980nm 15

2.3.3 Dải bơm 1480nm 15

2.4 Suy hao tớn hiệu quang trong sợi thủy tinh SiO2 16

2.5 Cấu tạo sợi quang pha tạp đất hiếm Er3+ 18

2.6 Sự phụ thuộc của sợi quang vào nồng độ và thành phần pha tạp Er3+ 19

Chương III: Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ (EDFA) 20

3.1 Cơ sở của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ 20

3.1.1 Hệ phương trỡnh tốc độ 20

3.1.2 Hệ phương trình truyền dẫn trong khuếch đại 23

3.1.3 Khuếch đại bức xạ tự phát ASE 23

3.2 Những thông số đặc trưng của một bộ khuếch đại quang EDFA 25

3.2.1 Phổ tăng ích và băng tần 25

3.2.2 Hệ số khuếch đại 26

3.2.3 Tăng ích bão hòa 29

3.2.4 Phổ ASE 30

3.2.5 Thông số tạp âm 31

3.3 Các cấu hình bơm cho khuếch đại quang EDFA 33

3.3.1 Bơm đồng hướng 33

3.3.2 Bơm ngược hướng 34

3.3.3 Bơm song công 34

3.4 Những ưu, nhược điểm của bộ khuếch đại quang EDFA 35

3.5 Các ứng dụng của khuếch đại EDFA trong mạng truyền dẫn quang 36

3.5.1 Khuếch đại công suất 37

3.5.2 Khuếch đại trên tuyến 37

3.5.3 Tiền khuếch đại 38

Phần mở đầu Chương I Giới thiệu chung về khuếch đại quang

1.1 Vai trò và ứng dụng của khuếch đại quang

1.1.1 Vai trò của khuếch đại quang

Ánh sáng đã thu hút sự quan tâm của chúng ta ngay từ thời kỳ sơ khai của lịch sử loàingười Ánh sáng cho phép chúng ta nhìn thấy nhiều thứ, đặc biệt là những hiện tượng hấpdẫn như: cầu vồng, những màu sắc ấn tượng vào lúc bình minh phát ra từ mặt trời… Bởivậy, không có gì là tình cờ khi ánh sáng cũng gây được sự quan tâm đặc biệt của rất nhiềunhà khoa học Từ xa xưa, con người đã cố gắng để hiểu về ánh sáng qua nhiều thế kỷ, và đãthu được những kiến thức nhất định Ngày nay, chúng ta biết rằng ánh sáng là một dạng sóngđiện từ, như sóng radio Nó là đối tượng của rất nhiều định luật vật lý về truyền dẫn và tươngtác

Con người từ xưa đã biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin bằng những cách rất thôsơn như: đốt lửa, sử dụng gương để phản xạ ánh sáng mặt trời… Với sự phát triển của khoahọc hiện đại, chúng ta đã có thể chế tạo những hệ thống thông tin quang có khả năng truyềnthông tin đi rất xa và chính xác bằng cách đưa tín hiệu ánh sáng đi trong những sợi dẫn sónghay sợi quang

Thông tin quang đã phát triển rất nhanh trong những năm cuối của thể kỷ XX Tốc độ

và khoảng cách truyển đã tăng lên rất nhanh trong vòng khoảng 20 năm, từ ứng dụng sợi đamốt cho đến sợi đơn mốt, từ tốc độ bit 45Mb/s với khoảng cách lặp 10km ở những năm 1980

đã lên đến 100Gb/s với khoảng cách hàng ngàn km đã đưa vào hoạt động trong năm 2000.Các hệ thống thông tin quang có ưu điểm vượt trội so với thông tin cáp kim loại nhưsuy hao truyền dẫn thấp, dung lượng truyền cao, ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ và hoạtđộng tin cậy hơn

Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra đối với các hệ thống thông tin quang là khi tín hiệu ánhsáng truyền đi trong một sợi quang, nó sẽ bị suy hao (suy hao công suất ) Chính vì vậy, độdài của hệ thống thông tin quang sợi bị hạn chế bởi hai yếu tố: mất mát quang trong sợiquang và tán sắc quang Do đó, đối với những sợi quang có độ dài rất lớn, tín hiệu quang bịsuy hao trở nên rất yếu và không còn có thể nhận được tín hiệu ở đầu thu (photodiode), nêntín hiệu thu được sẽ có tỷ lệ bit lỗi lớn

Trước đây, trong các đường thông tin quang khoảng cách lớn mất mát quang đựơc khắcphục bằng các trạm lặp quang - điện tử, trong đó tín hiệu quang đã suy giảm được biến đổithành tín hiệu điện (O/E) sau đó tín hiệu điện này được khuếch đại lên rồi lại được phục hồithành tín hiệu quang (E/O) và tiếp tục truyền đi Các bộ tái lặp tín hiệu quang bằng quang -điện tử đã trở nên phức tạp và đắt tiền khi chúng ta sử dụng kỹ thuật ghép nhiều bước sóngtrên cùng một sợi quang (Wavelength Division Multiplexing - WDM ) Chính vì vậy, việc

Vùng tín hiệu quang Vùng tín hiệu điện

Bộ thu quang Bộ khuếch đại điện Bộ chuyển đổi quang

Tín hiệu vào yếu

Tín hiệu ra khuếch đại Dòng bơm

Khuếch đại quang

Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ khuếch đại lặp bằng khuếch đại quang

nghiên cứu để khuếch đại tín hiệu quang một cách trực tiếp ngày một phát triển và được ứngdụng rất rộng rãi

Để có thể truyền được tín hiệu xa hàng trăm km, mức công suất quang phảiđược điều chế một cách định kỳ Những bộ khuếch đại quang là chìa khoá cho việc đó,chúng khôi phục lại tín hiệu quang đã bị suy hao Bởi vậy, khoảng cách truyền tín hiệu ngàycàng được tăng lên

1.1.2 Ứng dụng của khuếch đại quang

Có 4 ứng dụng chính của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang là:

 Khuếch đại công suất (booster) để tăng công suất quang vào đường truyền

 Khuếch đại trên tuyến (in line) để thay thế các bộ lặp quang - điện trên tuyến quang sợi

khoảng cách lớn

 Tiền khuếch đại cho bộ thu quang để tăng công suât tín hiệu quang vào bộ thu

EDFA

Nguồn bơm laser(λ=980 hoặc 1480nm)λ=980 hoặc 1480nm)

Bộ ghép quang

Sợi quang Sợi quang

Hình 1.3: Một bộ khuếch đại EDFA bao gồm: sợi quang, 1 sợi quang pha tạp Er3+,

1 bơm quang học, 1 bộ ghép quang, và 2 bộ cách quang ở 2 đầu

Sợi quang pha tạp Er3+

Cần chú ý rằng khuếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã suy hao trong tuyếntruyền dẫn Do khuếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc và các hiệu ứngquang phi tuyến, cho nên truyền thông tin quang sử dụng khuếch đại quang vẫn bị hạn chế

về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra

Sử dụng khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM có ýnghĩa công nghệ quan trọng vì khuếch đại quang có thể khuếch đại tất cả các bước sóng tớitrong băng tần khuếch đại Δf.f

1.2 Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ (EDFA)

Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ ( Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA )

là phương pháp khuếch đại quang trực tiếp trên đường truyền mà không cần qua một bộ lặp

quang - điện tử nào

Một bộ khuếch đại quang được chế tạo dựa trên nguyên tắc khuếch đại ánh sáng trực

tiếp bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo mật độ có cơ chế vật lý giống như laser, tuy nhiên khuếch đại quang không yêu cầu có phản hồi quang bằng gương phản xạ

trong buồng cộng hưởng như laser (hình 1.4)

Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm (Rare Earth Doped Fiber Amplifier) là mộtthành tựu lớn của công nghệ thông tin quang trong những năm cuối thế kỷ ΧΧ Các ion đấthiếm họ Lantan (Lanthanide) được pha tạp vào lõi sợi quang sẽ đóng vai trò là môi trườngkhuếch đại quang Trong đó Erbium là nguyên tố được đặc biệt chú ý vì chúng có khả năngkhuếch đại quang ở vùng bước sóng 1550nm là cửa sổ thông tin thứ 3 của sợi quang thủytinh SiO2 Tại vùng bước sóng này, suy hao trong sợi quang SiO2 là nhỏ nhất Có thể nóirằng chưa có một công nghệ nào được ứng dụng vào thực tiễn nhanh như khuếch đại quangsợi pha tạp Er3+

Đến nay, các bộ khuếch đại quang EDFA được sử dụng rất rộng rãi trong mạng truyềnthông cáp quang và đặc biệt trong các hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM Có thể

nói rằng bộ khuếch đại quang EDFA đã tạo ra bước nhảy vọt trong công nghệ viễn thông cápquang dung lượng lớn bằng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng

Khuếch đại quang sợi EDFA có băng tần khuếch đại khá rộng, có thể khuếch đại đồngthời hàng trăm bước sóng trong dải 1525÷1600nm Đặc biệt khuếch đại quang sợi EDFAkhông nhạy với phân cực của chùm sáng tới, do đó có thể sử dụng rất dễ dàng trong mọituyến truyền dẫn quang sợi

1.3 Những vấn đề chọn để giải quyết

Mục tiêu đặt ra đối với luận văn này gồm:

đặc tuyến P – I, sự ổn định nhiệt độ và dòng bơm của laser

quang EDFA

chiều dài sợi pha tạp khác nhau như: hệ số tăng ích G, băng tần khuếch đại Δf.λ, côngsuất ra bão hòa và thông số tạp âm NF

Khuôn khổ của luận văn không đề cập đến những vấn đề như thiết kế, lắp ráp mạchđiện tử hay viết phần mềm trên máy vi tính để khảo sát các thông số của laser bơm, mà chỉchú trọng đến các yếu tố ảnh hưởng tới khuếch đại quang EDFA

Trong quá trình thực hiện luận văn này, mặc dù đã có những cố gắng song không thểtránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo vàcủa quý độc giả

Phần tổng quan Chương II

2.1 Những tính chất của ion đất hiếm Er3+

2.1.1 Tính chất quang của các ion đất hiếm

Các nguyên tố đất hiếm được chia ra làm 2 nhóm, mỗi nhóm có 14 nguyên tố:

nguyên tố Cerium (Ce, Z = 58) và kết thúc là nguyên tố Lutetium (Lu, Z = 71).

 Nhóm II: họ Actini (Actinide) được đặc trưng bởi lớp 5f được lấp đầy, từ Thorium (Th, Z

= 90) cho đến Lawrencium (lr, Z=103)

Mặc dù những nguyên tố này có chung nhiều tính chất điện, nhưng chỉ có họ Lantan làđược đề cập đến vì chúng có một vai trò rất quan trọng trong các bộ khuếch đại và laser, còn cácnguyên tố trong họ Actini không có đồng vị đủ bền phù hợp với yêu cầu của các thiết bị nóitrên

Chúng ta biết rằng, cấu tạo của nguyên tử gồm một hạt nhân được bao quanh bởi các lớpđiện tử Thông thường, các lớp điện tử này được lấp đầy theo thứ tự sao cho các lớp vỏ sẽ cóbán kính tăng dần Tuy nhiên, đến vị trí nguyên tử thứ 57 (Z = 57) thì quy luật này bị phá vỡ Ởnguyên tử thứ 57, lớp 5s và 5p (5s25p6) được lấp đầy trước sau đó các điện tử mới tiếp tục lấpđầy lớp 4f Thay vì có bán kính lớn hơn lớp 5s và 5p, lớp 4f có bán kính nhỏ hơn hai lớp nàynên 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 đấthiếm được gọi là sự co lại của họ Lantan

Hầu hết các nguyên tố đất hiếm đều tồn tại dưới dạng ion đặc biệt là ion hoá trị III bởi đây

là dạng ổn định nhất của chúng Các nguyên tố đất hiếm trung hòa đều có cấu hình điện tử 4f

N6s2 hoặc 4f N 15 d6s־ 2, quá trình ion hóa xảy ra đầu tiên là khử 2 điện tử yếu ở lớp 6s, sau đó làkhử tiếp điện tử tại lớp 4f hoặc 5d Do vậy các ion đất hiếm họ Lantan hóa trị ba đều có một lõi

Xenon (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 ) 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 khipha trong các môi trường thủy tinh hoặc tinh thể

Thông thường các nguyên tử trong chất bán dẫn hoặc kim loại nhường điện tử của chúngcho môi trường nên có phổ năng lượng trải rất rộng Tuy nhiên, phổ của ion đất hiếm pha tạptrong các chất cách điện như thủy tinh hay tinh thể lại có phổ năng lượng bao gồm một dãy cácvạch hẹp Nguyên nhân là do các lớp điện tử 4f gần như vẫn giữ được cấu trúc trạng thái nhưtrong các nguyên tử đất hiếm Cấu hình 4f gồm nhiều trạng thái do tương tác giữa các điện tử.Hơn nữa, dưới tác dụng của trường tinh thể nền, các mức điện tử của lớp vỏ 4f tiếp tục bị táchthành rất nhiều vạch làm cho các mức năng lượng của lớp 4f tiếp tục bị tách ra do hiệu ứngStark (hình 2.1) Do vậy quang phổ của lớp vỏ 4f gồm nhiều vạch trong một dải khá rộng Các

(λ=980 hoặc 1480nm)4f)2

3F4 3F3

3F

3H

3F2

3H6 3H5 3H4

Hinh 2.1: Sơ đồ sự tách mức năng lượng của ion Er3+ do tương tác điện tử - điện tử và tương tác điện tử - trường tinh thể

mức năng lượng của ion đất hiếm hoàn toàn có thể tính được khi giải phương trình Schrodinger

trong trường tinh thể

2.1.2 Nguyên tố Erbium (Er)

Erbium (Z=68) là một nguyên tố đất hiếm tiêu biểu thuộc dãy Lantan nên nó có các tính

chất đặc trưng của dãy Do Er3+ làm việc trong vùng bước sóng 1500nm (là cửa sổ thứ 3 của

thông tin quang) nhờ dịch chuyển 4I13/2 − 4I15/2 nên nó được ứng dụng rộng rãi cho hoạt động của

laser và khuếch đại quang Khi pha tạp vào thủy tinh silica SiO2, các ion Er3+ có các mức năng

lượng như hình 2.2

4I9/2 4I11/2 4I13/2

4I15/2

2H9/2 4F5/2 4F7/2 4S3/2

Các dịch chuyển phát xạ (λ=980 hoặc 1480nm)tính theo nm)

Các nguyên tử Erbium tại mức năng lượng thấp

Các nguyên tử Er tại mức

siêu bền (λ=980 hoặc 1480nm)−10ms)

4I15/2

Hình 2.3: Nguyên lý khuếch đại quang bằng phát xạ cưỡng bức trong

môi trường đảo mật độ của sợi quang pha tạp Er3+

Đặc trưng quan trọng của ion Er3+ ở đây là nó có mức 4I13/2 là mức siêu bền (mức kíchthích), với thời gian sống của các hạt tải tại mức này lên đến 10ms, trong khi thời gian sống của

các hạt tải tại mức 4I11/2 (mức bơm) chỉ cỡ vài μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm lasers Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserbước sóng 980nm, các ion Er3+ sẽ được kích thích lên mức 4I11/2 Và sau một thời gian rất ngắn

cỡ vài μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm lasers, chúng sẽ dịch chuyển không bức xạ xuống mức 4I13/2 với thời gian sống tại mức nàylớn gấp hàng vạn lần thời gian sống tại mức 4I11/2 Điều này cho phép chúng ta tạo ra sự nghịchđảo độ tích lũy giữa 2 mức 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2 (mức nển)

Trong môi trường SiO2 vô định hình do tương tác với mạng nền, các mức năng lượng củaion 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 khi truyềnnhiều tín hiệu trong sợi quang thông tin ứng dụng công nghệ WDM

Cũng nhờ sự tách mức này, các vạch nằm trên của mức kích thích 4I13/2, ở vùng bước sóng1480nm có thể dùng để bơm tạo môi trường đảo mật độ.Tuy nhiên sự tách mức của mức kíchthích và mức cơ bản lại không đồng đều dẫn đến phổ khuếch đại tín hiệu trong vùng 1525nmđến 1565nm không đồng đều Đây cũng là một khó khăn trong việc truyền nhiều bước sóng trêncùng một sợi quang

2.1.3 Tiết diện hiệu dụng

Tiết diện hiệu dụng xác định khả năng hấp thụ hoặc bức xạ ánh sáng của một ion Chúng

có liên hệ với các hệ số Einstein Hiểu một cách đơn giản, tiết diện hiệu dụng trong một dịchchuyển giữa hai trạng thái (mức năng lượng) của một ion mô tả xác suất chuyển dời xảy ra đốivới đồng thời cả quá trình hấp thụ hoặc bức xạ ánh sáng

Với hai trạng thái cho trước 1 và 2 có năng lượng tương ứng là E1 và E2 (E1<E2), xác suấtchuyển dời hấp thụ của một photon từ mức 1 lên mức 2 sẽ tỷ lệ với tiết diện hấp thụ σ12, tương

tự xác suất chuyển dời bức xạ từ mức 2 xuống mức 1 sẽ tỷ lệ với tiết diện bức xạ σ21 Tiết diệnhiệu dụng có thứ nguyên là diện tích

Tổng công suất P abs của ánh sáng tới có tần số ω bị hấp thụ bởi một photon được cho bởi:

P abs=σ12I

(2.1)

với I là cường độ ánh sáng chiếu tới photon đó

Chia cả 2 vế cho năng lượng của một photon ħωω, ta thu được lượng photon bị hấp thụ

trong một đơn vị thời gian:

ℏω=σ12Φ(ω)

(2.2)

với Φ(ω) là thông lượng photon trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian Tương tự, ta có tổng công suất ánh sáng P em bức xạ từ một photon khi ánh sáng tới có cường độ

I sẽ là:

P em=σ21I

(2.3)

Một cách trực giác, tiết diện hấp thụ σ 12 có thể được hiểu là vùng diện tích có khả năng

chặn chùm ánh sáng chiếu tới bằng cách “bắt” các photon đi qua nó Tiết diện phát xạ σ 21 cũngđược hiểu một cách tương tự Như vậy nếu coi N1 là mức năng lượng thấp còn N2 là mức nănglượng cao hơn thì sự thay đổi công suất của một tập hợp của các photon đồng nhất sẽ là:

ΔPP=P em−P abs=(N2σ21−N1σ12)I

(2.4)

Cần chú ý rằng xác suất hấp thụ hay bức xạ tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu tới chứkhông phải là công suất của ánh sáng Có nghĩa là, ánh sáng chiếu tới được tập trung vào mộtvùng diện tích càng nhỏ thì xác suất hấp thụ hay bức xạ ánh sáng sẽ càng lớn

Đối với 2 mức năng lượng không suy biến, tiết diện hấp thụ và bức xạ là bằng nhau: σ12 =

σ21 Tuy nhiên, trong trường hợp của các ion Er3+ khi được pha vào sợi thủy tinh, các mức nănglượng của nó sẽ bị tách ra thành các mức con do tác dụng của trường tinh thể Chính điều này đãdẫn đến sự khác nhau trong phân bố Boltzman, làm cho tiết diện hấp thụ và bức xạ của ion Er3+

1450 1500 1550 1600 0,6

1 SiO2-GeO2-P2O5

2 SiO2-Al203-GeO2-P2O5 với Al/Ge = 1:10

3 SiO2-Al203-GeO2-P2O5 với Al/Ge = 1:33

1450 1500 1550 1600 0,0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0,7

1 SiO2-GeO2-P2O5

2 SiO2-Al203-GeO2-P2O5 với Al/Ge = 1:10

3 SiO2-Al203-GeO2-P2O5 với Al/Ge = 1:33

4 SiO2-Al203-P2O5

2.1.4 Thời gian sống

Thời gian sống của một mức tỷ lệ nghịch với xác suất trên một đơn vị thời gian để một ionthoát khỏi mức kích thích đó Sự phân rã mật độ của các ion tại một mức kích thích sẽ giảmtheo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian chính bằng thời gian sống Thời gian sống của mộtnguyên tố đất hiếm được xét theo hai kiểu phân rã: bức xạ và không bức xạ

τ NR - thời gian sống không bức xạ

Thời gian sống bức xạ quy định dịch chuyển phát xạ từ các mức kích thích xuống các mứcthấp hơn nên nó liên quan tới phổ huỳnh quang Thời gian sống bức xạ thường cỡ μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm lasers

Hình 2.6: Sựu dập tắt do nồng độ trong thủy tinh silica và CPG (λ=980 hoặc 1480nm)calcium metaphosphate)

không bức xạ từ mức kích thích có kèm theo sự bức xạ của một vài phonon Số phonon thamgia càng nhiều thì xác suất chuyển dời càng nhỏ Xác suất chuyển dời không bức xạ giảm theohàm mũ đối với số phonon cần thiết để chuyển dời xuống mức năng lượng thấp nhất xảy ra.Các phonon không chỉ tham gia vào các quá trình bức xạ mà chúng còn tham gia vào cácquá trình hấp thụ Sự tham gia của các phonon được thể hiện ở nhiều quá trình hấp thụ ngay cảkhi bức xạ chiếu tới không nằm trong vùng phổ hấp thụ của ion đất hiếm mà người ta quan sátđược

Thủy tinh nền Thời gian sống (ms)

Tốc độ chuyển dời tại các mức cao của ion Er3+ như mức 4I11/2 và các mức cao hơn nữa lớnhơn rất nhiều do các tốc độ chuyển dời không bức xạ của chúng Thí dụ tôc độ chuyển dời khỏimức 4I11/2 là 105 s−1 với thủy tinh nền silica và là 104 s-1 với chất nền là phosphate Như vậy, thờigian sống của các mức này thường đều rất ngắn, chỉ cỡ ưs Trong Er3+ mức 4S3/2 cho bức xạxanh với thời gian sống cỡ 1μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm lasers

Khi Er3+ được pha tạp nồng độ cao, một số hiệu ứng có thể xuất hiện làm dập tắt các trạngthái kích thích (“dập tắt nồng độ”) Hình 2.6 cho thấy hiệu ứng này tại trạng thái 4I13/2 của Er3+

như một hàm theo nồng độ của Er3+ trong sợi thủy tinh và thủy tinh CPG (calciummetaphosphate) CPG là loại thủy tinh tốt hơn silica, nó hạn chế rất nhiều hiện tượng tụ đám

400 600 800 1000 1200 1400 1600 0

2 4 6 8 10

Hình 2.7: Phổ hấp thụ của sợi thủy tinh gốc pha tạp Er3+

Khi pha tạp ở nồng độ cao cũng có thể xảy ra hiện tượng truyền năng lượng giữa các ion do vachạm tạo ra các tâm bị dập tắt

2.2 Phổ hấp thụ và phát xạ của ion Er3+

Để xác định phổ hấp thụ hay phát xạ của của vật liệu silica pha tạp Er3+, chúng ta có thể sửdụng các phương trình tính toán tiết diện lý thuyết Tuy nhiên quá trình tính toán rất phức tạp domôi trường thủy tinh là vật liệu vô định hình Khi pha tạp Er3+ vào thủy tinh, tương tác của cácion Er3+ với mạng không đều nhau, đồng thời sự tách mức ở mức năng lượng trên và mức nănglượng dưới do hiệu ứng Stark cũng không giống nhau Các mức năng lượng được tách thànhnhiều vạch phân bố sít nhau, nên phổ hấp thụ và phát xạ phân bố trong một vùng rộng

Quan sát hình 2.7, ta thấy một đỉnh hấp thụ rất quan trọng của Er3+ tại bước sóng 980nm.Hấp thụ này tương ứng với dịch chuyển từ trạng thái cơ bản 4I15/2 lên trạng thái 4I11/2 Từ trạngthái này ion Er3+ phục hồi nhanh không bức xạ về trạng thái 4I13/2 (là trạng thái siêu bền với thờigian sống cỡ 10ms), sau đó chúng trở về trạng thái cơ bản và phát ra photon có bước sóng1530nm, bước sóng được sử dụng trong laser sợi và khuếch đại sợi

Ngoài ra, còn một đỉnh hấp thụ khác cũng rất hay được sử dụng là 1480nm, tương ứng vớidịch chuyển từ trạng thái cơ bản 4I15/2 lên 4I13/2 Hiện nay, cả hai bước sóng 980nm và 1480nmthường được sử dụng làm bước sóng bơm cho khuếch đại quang

Bước sóng λ(λ=980 hoặc 1480nm)nm)

1400 1450 1500 1550 1600 1650

6 5 4 3 2 1

Từ phổ hấp thụ và phát xạ đươc vẽ chung trên một đồ thị, ta thấy vùng bước sóng từ1540nm đến 1650nm có tiết diện phát xạ lớn hơn tiết diện hấp thụ, nên vùng này sẽ có hiệu ứngkhuếch đại khi tín hiệu quang đi qua thủy tinh pha tạp Er3+

Phổ phát xạ có hai đỉnh ở bước sóng 1530nm và 1557nm do sự tách mức năng lượng 4I15/2

và 4I13/2 không đồng đều Vì đường cong phát xạ không bằng phẳng trong vùng cửa sổ thông tin

1525 ÷ 1565nm nên hệ số khuếch đại quang sẽ không đồng đều cho các kênh khác nhau Do đóngười ta tìm cách pha tạp thêm các chất khác nhau (như Al, P…) để làm phẳng phổ trong vùngnày

2.3 Khảo sát các dải bơm thích hợp cho Er3+

Laser và các bộ khuếch đại sợi được bơm bằng cách sử dụng mọi dải hấp thụ gần của Er3+

và nằm ở các bước sóng lớn hơn 450nm (514, 532, 667, 800, 980, 1480nm) Khi lựa chọn cácbước sóng bơm, điều đầu tiên cần quan tâm là các dịch chuyển khuếch đại có đạt được yêu cầuhay không, tiếp đến là hiệu suất và khả năng sử dụng các nguồn bơm Hấp thụ trạng thái kíchthích (Excited State Absorption – ESA) tại bước sóng bơm cúng là một yếu tố đặc biệt quantrọng, nó có thể có lợi hoặc có hại tuỳ theo mục đích sử dụng

Hình 2.9 mô tả một thí dụ vể quá trình hấp thụ trạng thái kích thích ESA ở dải bơm800nm

2H11/2 4S3/24F9/2

4I9/24I11/2

4I13/2

4I15/2Hình 2.9: Quá trình hấp thụ trạng thái kích thích ASE ở dải bơm 800nm tại mức siêu bền 4I13/2

nó có thể hấp thụ một photon 800nm thứ hai để chuyển lên mức 2H11/2 Trong các sợi thủy tinhoxit thông thường, từ trạng thái 2H11/2 ion Er3+ nhanh chóng chuyển xuống trạng thái 4I13/2 cũngbằng quá trình bức xạ nhiều phonon Như vậy có nghĩa là phần lớn năng lượng bơm bị chuyểnthành nhiệt Do đó ESA trở thành quá thành quá trình tiêu tán năng lượng nghiêm trọng Thựcnghiệm cho thấy có những dải bơm ESA rất mạnh nhưng cũng có những dải bơm hầu nhưkhông có ESA

Thông thường người ta thường sử dụng hai dải bước sóng 980nm và 1480nm để kích thíchcác ion Er3+ cho ứng dụng khuếch đại và laser trong vùng tín hiệu 1550nm Ngoài ra còn có thể

sử dụng dải bơm 800nm cho các ứng dụng ESA Sau đây ta sẽ khảo sát các dải bơm thông dụngđối với ion Er3+

2.3.1 Dải bơm 800nm

Khi bơm ở dải bước sóng 800nm, các ion Er3+ cơ bản sẽ bị kích thích lên trạng thái 4I9/2

(4I15/2 → 4I9/2) Nguồn bơm thường được dùng để bơm tại bước sóng này là laser diode AlGaAs

có công suất khá cao và giá thành rẻ Trạng thái 4I9/2 ở thủy tinh silica lẫn thủy tinh flouride đều

có thời gian sống ngắn, và bức xạ ra nhiều phonon Nếu không có hiện tượng ESA ở dải bơmnày, thì nó có thể đươc sử dụng cho các dịch chuyển phát xạ bắt đầu từ 4I13/2 với thủy tinh silica

và 4I11/2 với thủy tinh flouride

Nói chung dải bơm này không phù hợp cho các ứng dụng cần kích thích từ mức cơ bản vìhấp thụ ở trạng thái cơ bản khá yếu trong khi hấp thụ ESA từ mức 4I13/2 với thủy tinh silica và

4I9/2 với thủy tinh flouride mạnh hơn nhiều

2.3.2 Dải bơm 980nm

Dịch chuyển 4I15/2 → 4I11/2 tương ứng với một đỉnh dải hấp thụ giữa 970 và 980nm Dịchchuyển này rất hữu ích cho các thiết bị sợi hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm Các bộ khuếchđại được bơm ở dải sóng này không những đạt được hệ số khuếch đại và hiệu suất khuếch đại

ổn định mà còn thu được thông số tạp âm giới hạn lượng tử vào khoảng 3dB, công suất ra củatín hiệu lớn hơn rất nhiều 500mW và hiệu suất chuyển đổi lượng tử đạt cỡ 90% Kết quả này là

do tiết diện hấp thụ của ion Er3+ tại dải sóng này là lớn, cộng thêm do không hề có ESA tại mứckích thích 4I13/2 ở bước sóng này Đối với thủy tinh ôxit, phát xạ cưỡng bức tại bước sóng bơmcũng không đáng kể do thời gian sống ở mức 4I11/2 là rất ngắn Đối với thủy tinh flouride, dải tầnnày không thích hợp để bơm cho dịch chuyển 1500nm do bức xạ trực tiếp từ trạng thái 4I11/2

xuống trạng thái cơ bản rất lớn Các thiết bị dựa trên hiệu ứng chuyển đổi ngược từ trạng thái

4I13/2 không thể bơm ở 980nm do không có ESA ở dải tần này Đây là dải có lợi nhất đối vớithủy tinh flouride để bơm tạo các dịch chuyển 4I11/2 → 4I15/2 (980nm), cũng như quá trình chuyểnđổi ngược bắt đầu từ mức 4I11/2

Khi năng lượng bơm lớn ion Er3+ sau khi hấp thụ một photon 980nm để chuyển từ trạngthái cơ bản lên mức 4I11/2, tại mức này tồn tại một xác suất nhỏ để ion Er3+ hấp thụ một photonnữa để chuyển lên mức 4F7/2 Từ mức 4F7/2 nó sẽ nhanh chóng tích thoát xuống các mức 2H11/2 và

4S3/2 Sau đó nó sẽ tiếp tục thoát xuống các mức khác từ hai mức này Trong đó chuyển dời từmức 4S3/2 xuống mức cơ bản phát ra ánh sáng màu xanh ở dải tần 540nm đặc trưng cho huỳnhquang ở vùng khả kiến của Er3+ Còn đối với thủy tinh flouride do trạng thái 4I11/2 là trạng tháisiêu bền nên dải bơm này không phù hợp để bơm trực tiếp cho các phát xạ xung quanh vùng1550nm do dịch chuyển từ mức 4I11/2 xuống mức cơ bản chủ yếu là phát xạ

2.3.3 Dải bơm 1480nm

Các bộ khuếch đại Erbium và laser hoạt động trong vùng bước sóng 1500nm có thể đượckích thích trực tiếp lên mức kích thích 4I13/2 là trạng thái siêu bền của khuếch đại bằng dải bơmgần 1480nm Với dải bơm này không hề có ESA từ trạng thái siêu bền 4I13/2 Do bước sóng bơmrất gần với bước sóng phát laser nên hiệu suất nghiêng lượng tử giới hạn ( =hνν S/hνν P ) rất cao

và cao hơn tại bước sóng bơm 980nm Tuy nhiên hiệu suất khuếch đại lại nhỏ hơn ở 980nm dotiết diện hấp thụ tại bước sóng 1480nm nhỏ hơn tại 980nm Vì vậy ngưỡng bơm tại 1480nm cao

1240

1440

1550 0,1

1300 Hấp thụ cực tím

Hấp thụ hồng ngoại

Hấp thụ do dẫn sóng

Hình 2.10: Sự suy hao tín hiệu trong sợi quang

hơn tại 980nm Các nguồn bơm thường được dùng các laser diode InGaAs có thời gian sốngkhá dài, tuy nhiên công nghệ chế tạo phức tạp hơn các laser InAlAs 980nm

 Ưu điểm và nhược điểm của các bước sóng bơm:

Với bước sóng bơm 800nm, xảy ra hiện tượng ESA hấp thụ hai photon từ mứckích thích 4I13/2 nên năng lượng photon sẽ bị chuyển thành nhiệt Như vậy hiệu suất bơm sẽ bịgiảm đi

Với bước sóng bơm 980nm và 1480nm hầu như không có hiện tượng ESA Đây là haibước sóng của các laser bán dẫn thông dụng hiện nay, nên chúng thường được dùng để bơm chocác bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+

Bước sóng bơm 980nm có tạp âm ở lối ra nhỏ hơn, nhưng đòi hỏi bước sóng bơm phảichính xác Còn bước sóng 1480nm cho hiệu suất bơm cao hơn và có thể dùng để bơm từ xa chocác bộ khuếch đại trên tuyến Nhưng tạp âm sinh ra do bước sóng này lại lớn hơn bước sóng980nm Nên ngày nay, người ta thường kết hợp cả hai bước sóng bơm này để đạt được hiệu quảtốt nhất

2.4 Suy hao tín hiệu quang trong sợi thủy tinh SiO2

Hấp thụ ánh sáng trong sợi quang làm suy hao tín hiệu trên đường truyền Các nghiên cứucho thấy có ba vùng cửa sổ thông tin là 800nm, 1300nm và 1500nm có độ hấp thụ nhỏ nhất Suyhao do hấp thụ gồm nhiều nguyên nhân khác nhau như tán xạ Rayleigh, hấp thụ hồng ngoạiSiO2, hấp thụ do ion OH¯ trong thủy tinh, đường cong hấp thụ được biểu diễn như hình 2.10.

Hệ số suy hao tín hiệu trong sợi quang được xác định bằng biểu thức:

P : công suất tín hiệu quang (mW)

αP : hệ số suy hao quang (dB/km)

L : chiều dài sợi quang (km)

Hệ số suy hao nhỏ nhất trong sợi quang tính theo lý thuyết là αP = 0,15dB/km, trên thực

tế đã có sợi quang có αP = 0,18dB/km tại bước sóng λ = 1,55μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm Ta sẽ xét một số nguyên

nhân chính gây ra mất mát tín hiệu trong sợi quang:

1) Hấp thụ do vật liệu: SiO2 hấp thụ mạnh tại vùng bước sóng λ < 0,4μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm (hấp thụ cực tím)

và hấp thụ mạnh tại λ > 1,7μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm (hấp thụ hồng ngoại).

Một số tạp chất như Fe, Cu, Co, Ni, Mn, Cr có hấp thụ mạnh tại vùng bước sóng từ 0,6 ÷1,6μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm các loại tạp chất này hầu như đã được loại tuyệt đối ra khỏi vật liệu SiO2 để kéo sợiquang

Tạp chất OH¯ từ môi trường rất khó loại hết ra khỏi sợi quang, OH¯ có các đỉnh hấp thụmạnh tại 0,95μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm, 1,24μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm và 1,34μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm Tạp chất OH¯ hiện nay còn chiếm ~10−8 trong vật liệuSiO2 Một vài tạp chất GeO2, P2O5 và B2O3 để làm thay đổi chiết suất của sợi quang cũng gây raháp thụ quang phụ

2) Tán xạ Rayleigh: do phân bố không hoàn hảo của mật độ phân tử của chất trong toàn khối.3) Một số hiệu ứng khác trong sợi quang:

- Tán xạ Raman và tán xạ Brillouin: là hiệu ứng tán xạ không đàn hồi của các photon nănglượng cao thành photon năng lượng thấp hơn và sinh ra phonon

- Hiệu ứng trộng 4 sóng: là hiệu ứng phi tuyến trong đó có một tần số mới sinh ra từ 3 tần số

ánh sáng được truyền đồng hướng trong sợi quang: ω4=ω1±ω2±ω3 Hiệu ứng này gây nhiễu

trong các hệ thống thông tin quang đa bước sóng

Vỏ bảo vệ Lớp chiết suất n2 Đường kính 125μsm Lớp chiết suất n1

Lỡi pha tạp Er+3 Đường kính 3μsm

Hình 2.11: Cấu tạo sợi quang đơn mốt pha tạp Er+3

Các cải tiến công nghệ chế tạo làm chất lượng sợi quang ngày càng tốt hơn, nhưng sự suyhao tín hiệu vẫn đáng kể, nên ta phải có các bộ khuếch đại trên đường truyền Trong đó khuếchđại quang sợi là biện pháp tốt nhất hiện nay với rất nhiều ưư điểm (hệ thống gọn nhẹ, tin cậy và

dễ bảo trì khi vận hành, thích hợp với truyền tin đa bước sóng WDM)

2.5 Cấu tạo của sợi quang pha tạo đất hiếm Er3+

Môi trường khuếch đại quang là sợi dẫn quang bằng thủy tinh có pha tạp ion Er3+ với cácnồng độ khác nhau Nồng độ pha tạp về nguyên tắc là càng cao càng tốt để giảm chiều dài sợikhuếch đại Tuy nhhiên thực tế các ion đất hiếm có độ hòa tan thấp trong môi trường thủy tinhsilica, vì vậy khi pha tạp Er3+ sẽ hấp thụ ngược ánh sáng nên hệ số khuếch đại sẽ giảm đáng kể.Hiệu suất bơm cho EDFA có hiệu quả cao tại các bước sóng 980nm và 1480nm Tại cácbước sóng này tăng ích của bộ khuếch đại đạt đến 20 ÷ 35dB khi hấp thụ 10 ÷ 20mW công suấtbước sóng bơm 980nm, hiệu suất cỡ 1dB/mW, đây là hiệu suất tăng ích rất cao

Sợi quang đa mode pha tạp Er3+ tiêu chuẩn sử dụng trong laser sợi quang có cấu trúc lõidẫn sáng đường kính 50μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm, đường kính lớp vỏ 125μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm, khẩu độ số NA=0,2 ÷ 0,25 Trong lõidẫn sáng người ta pha tạp ion Er3+ tại tâm sợi quang Đường kính vùng pha tạp từ 1,5 ÷ 30μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm.Nồng độ pha tạp ion Er3+ từ 0,1% đến 1,2% mol

Sợi quang đơn mode pha tạp Er3+ tiêu chuẩn sử dụng trong laser sợi quang có cấu trúc lõidẫn sáng đường kính 9μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm, đường kính lớp vỏ 125μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm Đường kính vùng pha tạp từ 2 ÷ 3μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laserm.Nồng độ pha tạp ion Er3+ từ nồng độ thấp ρ < 1000ppm đến pha tạp Er+3 nồng độ cao ρ >1000ppm Các loại sợi pha tạp cao hiện nay dùng khuếch đại quang trong thông tin có ρ =2500ppm

Cấu tạo sợi quang pha tạp Er3+ có kích thước giống như sợi quang truyền tín hiệu, nên việchàn nối các sợi với nhau đều dễ dàng

2.6 Sự phụ thuộc của sợi SiO2 vào nồng độ và thành phần pha tạp Er3+