Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium - EDFA

Để có được sự phát triển đó, việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA để kéo dài cự ly và tăng tốc độ bit truyền dẫn đang được xem như là một trong những giải pháp tố

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3

CHƯƠNG I 4

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ĐẤT HIẾM Er3+ (EDFA) 4

CHƯƠNG II 9

CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BỘ KHUẾCH ĐẠI EDFA 9

CHƯƠNG III: 22

KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

1

Thông tin quang đã phát triển rất nhanh trong những năm cuối của thế kỷ XX Tốc độ và khoảng cách truyền dẫn đã tăng lên rất nhanh chóng trong vòng khoảng 20 năm Để có được sự phát triển đó, việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) để kéo dài cự ly và tăng tốc độ bit truyền dẫn đang được xem như là một trong những giải pháp tốc nhất để xây dựng các hệ thống thông ting quang sợi Sự

có mặt của bộ khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quan nói chung và trong bộ thu khuếch đại quang (OAR) nói riêng đã làm tăng công suất tín hiệu quang là do EDFA đã khuếch đại tín hiệu trước khi tiến hành tách sóng tại bộ thu quang Do đó để hiểu rõ hơn về nguyên lý khuếch đại và các tham số ảnh hưởng đến EDFA chúng em

đã chọn đề tài “Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium - EDFA” Nội dung chuyên đề gồm

3 chương và công việc cụ thể của từng thành viên trong nhóm như sau:

Chương I: Giới thiệu chung về bộ khuếch đại EDFA (Phan Việt Tuấn).

Chương II: Các tham số ảnh hưởng đến bộ khuếch đại EDFA.

2.1 Cơ sở khuếch đại quang EDFA (Đặng Văn Tân).

2.2 Các tham số trong khuếch đại quang EDF (Quách Văn Tuyên)

Chương III: Tổng kết (Nhóm thực hiện)

Do một số hạn chế về kiến thức và thực nghiệm nên còn có nhiều thiếu sót và không tránh khỏi sự chưa sâu sắc về vấn đề, rất mong được sự quan tâm và góp ý của các Thầy, Cô giảng viên để chúng em có thể hiểu sâu hơn về đề tài này

Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bùi Trung Hiếu và TS Nguyễn Thành Nam đã hướng dẫn giúp chúng em thực hiện đề tài này!

Nhóm sinh viên thực hiện

Đặng Văn TânQuách Văn TuyênPhan Việt Tuấn

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ASE Amplified Spontanous Emissions Bức xạ tự phát

EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang pha tạp Erbium EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha

tạp Erbium

SNR Signal to noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

bước sóng

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA

TẠP ĐẤT HIẾM Er3+ (EDFA)

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG.

Thế kỷ 21, kỷ nguyên với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật viễn thông nói riêng Nhu cầu dịch vụ thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt được những thành tựu to lớn, đặc biệt là kỹ truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang Tương lai cáp sợi quang được sủ dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và được coi như là một môi trường truyền dẫn lý tưởng mà không có một môti trường truyền dẫn nào có thể thay thế được Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự li xa, không bị ảnh hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao…phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục, trung kế và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai

Gần đây đã thực hiện than công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào Kỹ thuật mới này cho phép khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như: hạn chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp… làm cho kỹ thuật truyền dẫn trên cáp sợi quang càng tỏ rõ tính ưu việt của nó

Khi thiết kế hệ thống thông tin quang đường dài, đặc biệt là hệ thống cáp quang biển với khoảng cách vài trăm tới vài chục ngàn km, người ta thường mắc các bộ khuếch đại EDFA cách đều nhau theo kiểu mắc xen kẽ ( dạng mắc chuỗi) Bài toán đặt

ra là với một cự ly thông tin cho trước, cần xác định số bộ EDFA tối thiểu sao cho vẫn thỏa mãn số tín hiệu trên nhiễu điện eSNR cho phép tại máy thu tương ứng với tốc độ bít và tỉ số lỗi bít BER theo yêu cầu Điều này rất cần thiết vì nếu sử dụng nhiều EDFA hơn sẽ làm tăng giá thành hệ thống, phức tạp trong công tác bảo trì bảo dưỡng và làm tăng xác suất sự cố Hơn nữa, càng nhiều bộ EDFA thì công suất nhiễu phát xạ tự phát ASE tích lũy qua các bộ khuếch đại càng lớn, làm giảm chất lượng tín hiệu truyền dẫn

Ngược lại nếu số EDFA ít hơn số tối thiểu cần tính toán thì tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại phía thu sẽ không đảm bảo yêu cầu.

Công nghệ ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM kết hợp với bộ khuếch đại quang sợi EDFA cho phép tăng dung lượng truyền dẫn lên đáng kể mà không cần sử dụng thêm sợi quang, nên được sử dụng hiệu quả và rộng rãi trên thế giới và được ứng dụng bước đầu ở Việt Nam

1.2 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA EDFA.

Hình 1.1: Cấu trúc tổng quát bộ khuếch đại EDFA

Laser bơm ( pumping laser): Cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đạo nồng độ trong vùng tích cực Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng 980nm hoặc 1480nm

WDM coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1500nm

Bộ cách ly quang ( Optical isolator): Ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền phản xạ ngược về EDFA

Sợi quang pha đất hiếm Erbium EDF là nợi xảy ra quá trình khuếch đại của EDFA

Hình 1.2: Mặt cắt ngang một loại sợi pha tạp Erbium

Vùng lõi trung tâm của EDFA (đường kính từ 3-6 μm) được pha trộn ion Er3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất Việc pha các ion Er3+ trong vùng này cung cấp sự chồng lặp của năng lượng bơm và tín hiệu tới các ion Erbium lớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn

Lớp bọc cladding): Có chiết suất thấp hơn bao quanh vùng lõi

Lớp phủ (coasting): bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng cộng là

250 μm Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dung để loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang

Nếu không kể tới chất pha Erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trong viễn thông Ngài ra, EDF còn được chế tạo bằng các loại vật liệu khác như sợi thủy tinh fluoride (fluoride-based glass fiber) hoặc sợi quang thủy tinh đa vật liệu Multicom-ponent glass fiber

Cấu trúc lõi pha tạp Erbium:

- Sợi pha tạp Erbium EDF là thành phần quan trọng nhất của EDFA, được gọi là sợi tích cực

- Các ion Erbium được nằm ở vùng trung tâm lõi của EDF, vùng này được pha tạp

- Lớp vỏ thủy tinh với chỉ số chiết suất thấp hơn được bao quanh vùng lõi để hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng và cho ra lực cơ khỏe hơn để bảo vệ sợi EDF khỏi bị tác động từ bên ngoài Đường kính ngoài của lớp vỏ này khoảng 125 μm.

- Ngoài cùng là lớp vỏ bọc bên ngoài để bảo vệ sợi, có chức năng ngăn cản tác động từ bên ngoài sợi và đường kính tổng cộng khoảng 250 μm

- Chỉ số chiết suất của vỏ bọc ngoài cao hơn lớp vỏ phản xạ nhằm loại bỏ những ánh sáng không mong muốn (các mode bậc cao hơn) lan truyền bên trong vỏ phản xạ

Ngoài sự khác biệt là có sự pha tạp Erbium trong vùng lõi, cấu trúc EDF giống với cấu trúc của sợi đơn mode tiêu chuẩn

1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA EDFA.

1.3.1 Phân bố năng lượng ion Er 3+

Trong sợi EDF, các nguyên tử Er3+ là các phần tử tích cực trong bộ khuếch đại quang, có chức năng khuếch đại ánh sáng

Trong hình, sự hấp thụ các photon laser bơm sẽ kích thích ion tới các trạng thái năng lượng cao hơn

Hình 1.3: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er 3+

Năng lượng của các ion có thể vừa để phát ra photon vừa biến đổi năng lượng thành các photon rào chắn Các ion có xu hướng nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn và phát xạ ra các photon

Các ion Er3+ có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau, được kí hiệu: 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2 , 4I9/2 , 4F9/2 , 4S9/2 , 2H11/2 Trong đó:

- Vùng 4I15/2 có mức năng lượng thấp nhất, gọi là vùng nền (ground-state band)

- Vùng 4I13/2 gọi là vùng giả bền (mestable band) vì các ion Er3+ có thời gian sống tại vùng này lâu ( khoảng 10ms) trước khi chuyển xuống vùng nền Thời gian sống này thay đổi tùy theo loại tạp chất được pha trong lõi EDF

- Vùng 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 2H11/2 là các vùng năng lượng cao, gọi là vùng năng lượng kích thích hay vùng bơm (pumping band) Thời gian các ion Er3+ có trạng thái năng lượng trong các vùng này rất ngắn (1 μm)

Sự chuyển đổi năng lượng của các ion Er 3+ xảy ra theo hai quá trình sau:

- Khi các ion Er 3+ ở vùng nền, nhận một mức năng lượng bằng độ chênh lệch năng lượng của vùng nền và vùng năng lượng cao hơn, các ion sẽ chuyển lên vùng có mức năng lượng cao hơn (hấp thụ năng lượng)

- Khi các ion Er 3+ chuyển từ các vùng có mức năng lượng cao xuống vùng năng lượng thấp hơn:

o Phân rã không bức xạ (nonradiative delay): năng lượng được giải phóng dưới dạng photon tạo ra sự dao động phân tử trong sợi quang

o Phát xạ ánh sáng (radiation) : năng lượng được giải phóng dưới dạng photon

1.3.2 Nguyên lý hoạt động.

EDFA được cấu tạo từ một đoạn sợi quang ngắn có lõi pha trộn 0.1% nguyên tố đất hiếm Erbium, là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực Nguyên ý khuếch đại của EDFA dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích

Khi một điện tử ở một trạng thái cơ bản (E1) được kích thích từ một nguồn bức xạ

có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và sẽ chuyển tới một mức cao hơn (E2) Từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ hoặc nếu như có một mức năng lượng thấp hơn (E3) Từ đây, điện tử tự phát có thể phát xạ xuống mức(E1) như hình 1.4a hoặc (E4) như hình 1.4b thông qua quá trình bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ phát xạ photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích

H.4.a Cơ chế 3 phát xạ H.4.b Cơ chế 4 phát xạ

Nếu thời gian sống của của mức E3 đủ dài để các điện tử được nguồn bơm kích thích, thì có thể xảy ra nghịch đảo độ tích lũy Đây là điều kiện để có mức điện tử siêu bền E3 nhiều hơn ở mức tới (E1 và E4) Một photon có năng lượng tương đương với

sự chênh lệch năng lượng giữa mức E3 và E1 (đối với ba mức), hoặc giữa E3 và E4 (đối với bốn mức) nó va chạm trên môi trường gây ra bức xạ kích thích của các photon Nó sẽ dễ dàng tạo ra nghịch đảo tích lũy giữa các mức E3 và E4 hơn là mức E3

và E1 Do đó, các giá trị ngưỡng ở các laser bốn mức thấp hơn laser ba mức

Có nhiều các ion đất hiếm có các dải huỳnh quang, vì vậy cho khả năng bức xạ kích thích, điều này tạo ra các ứng dụng trong khuếch đại các tín hiệu quang Đáng chú ý nhất là Nd3+ có các dải bức xạ ở 1.06µm và 1.32µm và sợi pha erbium (Er3+) cho bức

xạ 1,55µm và 2,7µm Khi các photon tín hiệu quang đi vào sợi erbium va chạm với các điện tử đang ở trạng thái kích thích sẽ làm các điện tử này chuyển xuống mức điện tử thấp hơn đồng thời bức xạ một photon có pha cùng với pha của tín hiệu Do vậy tín hiệu khi đi qua sợi EDF sẽ được tăng ích là cơ chế hoạt động của khuếch quang EDFA

Ở phần trên ta đã xét đến nguyên lý hoạt động của EDFA, trong phần này của bài viết sẽ đề cập về các tham số đặc trưng của bộ khuếch đại EDFA như độ lợi G, công suất ra bão hòa và thông số tạp âm NF…

2.1.1 Tiết diện hiệu dụng.

Trong hệ thống ba mức, tỉ lệ giữa tiết diện hấp thụ và bức xạ tại một tần số nhất định sẽ có tính chất quyết định cho việc xác định hệ số khuếch đại Vậy tiết diện hiệu dụng là gì?

Tiết diện hiệu dụng xác định khả năng hấp thụ hoặc bức xạ của một ion Nói cách khác, tiết diện hiệu dụng trong một dịch chuyển giữa hai mức năng lượng của một ion

mô tả xác suất chuyển dời xảy ra với đồng thời cả quá trình hấp thụ và bức xạ ánh sáng Nó có đơn vị là diện tích

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

12

σ và xác suất chuyển dời phát xạ từ mức 2 xuống mức 1 tỉ lệ với tiết diện bức xạ σ21.

Khi ánh sáng tới, công suất mà nó bị 1 ion hấp thụ P abs =σ12I là: P abs =σ12I (1)

Với I là cường độ ánh sáng tới

Chia cả hai vế của (1) cho hν ta được số photon bị hấp thụ trong một đơn vị thời gian

abs

I N

h

ν

Với Φ( )ν là thông lượng photon trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.

Tương tự, ta cũng có tổng công suất ánh sáng Pem được bức xạ ra khi ánh sáng tới

hai kiểu phân rã: bức xạ và không bức xạ Thời gian sống bức xạ cỡ µm Thời gian

sống không bức xạ phụ thuộc vào bản chất của sợi pha đất hiếm Ta có:

nr

r τττ

1 1

1 = +

(5)Trong đó:

13/2

I Thời gian sống tại mức này là rất lớn, lớn hơn rất nhiều so với các trạng thái trên Mức 3 là mức trung gian có mật độ tích lũy là N3 tương ứng với trạng thái 4

Φ là thông lượng của chùm ánh sáng tới có tần số tương ứng với dịch chuyển từ

mức 1 lên mức 3, tương ứng với bơm

s

Φ là thông lượng của chùm ánh sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1

lên mức 2, tương ứng với tín hiệu

1τ

Ta có:

( ) I

h

νν

2.1.4 Phương trình truyền lan.

Ở phần trên ta đã xác định được N1, N2, N3, bây giờ ta xét xem cường độ ánh sáng dọc theo chiều dài sợi sẽ như thế nào Nếu chỉ xét trường hợp ánh sáng đi theo một chiều, ta có mối quan hệ giữa công suất và cường độ ánh sáng như sau:

eff

( )( ) P z

νν

νν

I N I

I dz

σν

σσ

I dz

Hình 2.1: Cự ly Z dọc theo chiều dài sợi pha tạp Erbium EDF

Để tín hiệu có thể khuếch đại thì dI s

I I I

s th

I I I

ν ση

I z

η+

Như vậy ta có thể viết lại hệ phương trình lan truyền:

' '

p s

( )

s sat

2.1.5 Phương trình truyền lan.

Khuếch đại bức xạ tự phát trong bộ khuếch đại quang xuất hiện do các ion nằm ở trạng thái kích thích tự động chuyển xuống mức năng lượng nền Hiện tượng này sẽ sinh ra các photon và chúng không có tính kết hợp với tín hiệu Ở bộ khuếch đại EDFA các photon này sẽ được khuếch đại dọc sợi EDF Rõ ràng chúng sẽ làm giảm khả năng khuếch đại tín hiệu của bộ khuếch đại

Trong thực tế, quá trình ASE có thể truyền theo cả hai hướng dọc theo sợi, cùng hướng và ngược hướng với ánh sáng bơm Vậy nên PASE =PAS+E+PAS−E

Phương trình truyền lan như sau:

Hình 2.2: Vị trí theo chiều dài sợi (m)

Đồ thị sự phụ thuộc của công suất ASE theo vị trí trên sợi quang dài 14m được bơm bằng bước sóng 980nm với công suất 20mW

Từ hình vẽ ta thấy công suất ASE cùng hướng tại z=L nhỏ hơn công suất ra ngược hướng tại z=0 vì tại đầu sợi nồng độ ion Erbium lớn hơn tại cuối sợi do cong suất bơm tại đàu sợi lớn hơn

2.2 CÁC THAM SỐ TRONG KHUẾCH ĐẠI EDFA.

2.2.1 Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại EDFA.

Trong bộ khuếch đại quang, độ khuếch đại là một trong những tham số cơ bản nhất

và nó thể hiện khả năng làm tăng công suất tín hiệu truyền trong sợi OFA Độ lợi G của bộ khuếch đại EDFA được xác định như sau:

Ở đây N1, N2 được tính như trong phần 3 (hệ phương trình ba mức) nhưng xét thêm trường hợp có cả bức xạ tự phát ASE Từ công thức trên và công thức tính N1, N2

có thể suy ra một số tính chất của hệ số khuếch đại như sau:

Phụ thuộc vào nồng độ ion 3

ra hiện tượng hấp thụ tín hiệu khuếch đại trong đoạn trước

Phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào: Khi công suất đầu vào tăng, bức xạ kích thích tăng nhanh tức là các ion Erbium ở mức năng lương cao trở về mức năng lượng nền càng nhiều làm giảm nồng độ ion Erbium ở mức cao, làm yếu đi khả năng bức xạ của ion Erbium khi tín hiệu quang được dưa tới, do đó hệ số khuếch đại giảm

Phụ thuộc vào công suất bơm: Công suất bơm ngày càng lớn thì sẽ càng nhiều ion Erbium bị kích thích để trao đổi năng lượng với tín hiệu và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng Tuy nhiên, hệ số khuếch đại không thể tăng mãi theo công suất bơm vì số lượng các ion Erbium trong sợi là có giới hạn

sat

g g

P T P

ω

ω ω

=

Trong đó g0 là giá trị độ lợi cực đại, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω0 là tần số

chuyển dời nguyên tử, Ps là công suất quang của ánh sáng tới và Psat là công suất bão hòa của bộ khuếch đại

Xét trường hợp bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, nghĩa là

1

g g