tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật KHUẾCH đại QUANG sợi TRONG TRUYỀN dẫn QUANG WDM

Ở trạng tháinền, khi có sự hấp thụ photon bơm hoạt động trở lại, quá trình này sẽ lặp đi lặp lại.ASE sẽ làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu qua bộ khuếch đại quang.1.1.2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-NGUYỄN HOÀNG ANH

KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG TRUYỀN DẪN QUANG

Công trình được hoàn thành tại: Đại học Công nghiệp Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học:PGS.TS.LẠI KHẮC LÃI

Phản biện 1: PGS.TS BÙI QUỐC TRUNG

Phản biện 2: TS NGUYỄN DUY CƯƠNG

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: 201- A8 Vào hồi 13h30 giờ, ngày 28 tháng 7 năm 2013

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI

1.1 Khuếch đại quang sợi EDFA

1.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động:

a Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA.

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc một EDFATrên đây là cấu trúc của một khuếch đại sợi quang EDFA Bơm Laser có thểhoạt động ở hai bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm thì hiệu suất bơm là hiệu quả nhất.Các bộ cánh ly quang (Isolator) có nhiệm vụ chống phản xạ tín hiệu, chỉ cho phéptruyền dẫn quang đơn hướng WDM coupler dùng để ghép tín hiệu bước sóng bơm vàtín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium

Các thành phần chính cấu tạo nên EDFA gồm có sợi được pha tạp Erbium EDF(Erbium Dopped Fiber) thường có độ dài khoảng 10 m; laser bơm LD; bộ ghép bướcsóng quang (coupler) WDM và bộ cách ly quang (Isolator) Từ các thành phần cấu trúcthiết bị như vậy người ta đã tạo ra nhiều loại EDFA với các công nghệ và thể thứckhác nhau Để thu được bộ khuếch đại thì phải cung cấp năng lượng quang cho sợi phatạp Erbium Nguồn năng lượng để cung cấp năng lượng cho bộ khuếch đại quang đượcgọi là năng lượng bơm Công suất quang từ nguồn bơm này thường có bước sóng 980

nm hoặc 1480 nm, công suất bơm từ 10 mW đến 100mW Các diode laser LD dùnglàm nguồn bơm được cấu tạo phù hợp với cấu hình và bước sóng bơm Khi mà hệthống được bơm ở bước sóng 980 nm thì loại LD bơm thường là loại có vùng tích cựcvới cấu trúc giếng lượng tử InGaAs là lớp rất mỏng được đặt xen vào giữa các lớp vỏ

có các tham số tinh thể khác nhau Nếu hệ thống được bơm ở bước sóng 1480 nm thì

LD bơm thuộc loại laser Fabry-Perot dị thể chôn có cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/InP Bộ ghép bước sóng WDM sẽ thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơmpha tạp Erbium hoặc trong một số trường hợp nó lại tách các tín hiệu này Các bộ cách

ly quang có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xà từ hệ thống chẳng hạn như phản xạRayleigh từ các bộ nối quang hay phản xạ ngược lại từ bộ khuếch đại Việc giảm phản

xạ này phải đạt tới mức chấp nhận được Vì thế các bộ cách ly quang có thể làm tăngđặc tính khuếch đại và giảm nhiễu.

Sợi pha tạp Erbium EDF là thành phần quan trọng nhất của EDFA và loại sợinày gọi là sợi tích cực Các ion Erbium được nằm ở vùng trung tâm lõi của EDF, vùngnày được pha tạp với lồng độ từ 100 – 2000 ppm Erbium Các sợi EDF thường có lõinhỏ hơn và khuẩn độ số NA cao hơn so với sợn đơn mode tiêu chuẩn Đường kính củavùng tâm lõi EDF vào khoảng 5 µm và là nơi cường độ của ánh sáng bơn và tín hiệucao nhất Lớp vỏ thủy tinh với chỉ số chiết suất thấp hơn được bao quang lõi để hoànthiện cấu trúc dân sóng và cho ra lực cơ khỏe hơn để bảo vệ sơi EDF khỏi bị tác động

từ bên ngoài Đường kính của lớp vỏ này khoảng 250 µm Ngoài cùng là vỏ bọc ngoàithêm để bảo vệ sợi có chức năng ngăn cản từ bên ngoài sợi và đường kính tổng cộngcủa nó vào khoảng 250 µm Chỉ số chiết suất của vỏ bọc ngoài cao hơn lớp vỏ phản xạcũng nhằm để loại bỏ ánh sáng không mong muốn (các mode bặc cao hơn) lan truyềnbên trong vỏ phản xạ Ngoài sự khác biệt là có sự pha tạp Erbium trong vùng lõi, cấutrúc của EDF giống với cấu trúc của sợi đơn mode tiêu chuẩn hoặc tán sắc dịch chuyểntương ứng với các khuyến nghị G.625 hoặc G.653 của ITU-T

Do lõi sợi nhỏ hơn và độ mở số NA cao hơn sợi tiêu chuẩn, việc hàn nối trongquá trình nắp ráp các modle khuếch đại quang sợi thực tế là một vấn đề quan trong[77] Cấu trúc sợi pha tạp Erbium có NA cao cho ta có thể tạo ra được EDFA đặc tínhkhuếch đại hiệu quả cao Tuy nhiên, câu trúc EDF như vậy sẽ giảm đường kính trườngmode và dẫn tới tăng tiêu hao hàn nối giữa sợi tích cực và sợi truyền dẫn thụ động Đểkhắc phục điều này, các đầu sợi được áp dụng kỹ thuật vuốt thon để có đường kíchtrường mode tăng cục bộ Ở biện pháp này, phân bố chỉ số chiết suất của đoạn vuốtthon sợi sẽ thay đổi dần dọc thep trục sợi, và kích cỡ mode truyền dẫn cũng thay đổi.Đây là biện pháp đầy sức thuyết phục để giảm suy hoa ghép nối do sự không trùngkhớp về trường mode gây ra Trong thực tế, các phương pháp để thực hiện kỹ thuậtnày là khuếch tán các vật liệu pha tạp trong sợi thông qua quá trình sử lý nhiệt TEC(Thermally Expanded Core) hoặc vuốt thon đường kính theo một tỷ lệ giữa lõi và vỏphản xạ là hằng số

Hình 1.2 Cấu trúc hình học của lõi pha tạp ErbiumHình 1.2 mô tả cấu hình của sợi TEC, đường kính lõi tăng dần và đường kínhtrường mode của ánh sáng được truyền cũng được mở rộng Biện pháp này cho ra tần

số chuẩn hóa là không thay đổi dọc theo sợi và đường kính ngoài của sơi TEC khôngđổi so với phương pháp vuốt thon Trong sợi TEC, sự thay đổi suy hao không đáng kểthì tỷ lệ mở rộng lõi là 2 với độ dài vuốt thon là hơn 2 mm Khi tỷ lệ mở là 3, độ dàivuốt thon lớn hơn 5mm thì có thể đạt được suy hao bằng 0 dB

Hình 1.3 Sơ đồ của sợi TEC được vuốt GaussianCác cấu trúc khác nhau của các thành phần khác nhau như là nguồn laser bơm,thiết bị WDM, bộ ghép quang, và bộ cách ly được dùng trong EDFA được mô tả chitiết trong nhiều tài liệu và sách.

b Nguyên lý hoạt động

Khuếch đị sơi quang hiện nay chủ yếu vẫn dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt làEDFA ( Erbium Doped Fiber Amplifier) Trong sợi EDF, các nguyên tử Erbium hóatrị ba Er+3 là các phần tử tích cực trong bộ khuếch đại quang có chức năng khuếch đạiánh sáng Năng lượng và sự chuyển tiếp quang có liên quan tới các ion Erbium hóa trị

ba Những ký hiệu trên phía bên phải của hinhflaf các số lượng tử dùng chung gán chotừng chuyển tiếp Các số này có dạng 2S+1Lj, ở đây S là số lượng tử quay, L là độnglượng góc quỹ đạo,và j là động lượng góc tổng (L+S) L bằng một trong những giá trị

1, 2, 3, 4, 5, 6, …, được ký hiệu bằng chữ cái S, P, D, G, H, I Biểu đồ LSI này đượcdùng dưới dạng chữ nghĩa để chỉ các mức năng lượng ion, số các đường “Stark-Split”

là (2j+1)/2 cho mỗi mức

Nguyên lý khuếch đại được thực hiện nhờ cơ chế bước xạ như sau:

Hình 1.4 Giản đồ năng lượng của Erbium

Đối với các mức năng lượng như đã mô tả ở trên, hoạt động cơ bản của bộkhuếch đại quang EDFA được mô tả như sau Quá trình bước xạ này xảy ra trongEDFA nhình chung có thể được phân cấp thành bước xạ kích thích và bước xạ tự phát.Khi các ion Erbium Er3+ được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh

sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ ở các mức năng lượng cao hơn cho tới khi nótiến tới trạng thái siêu bền (trạng thái 4I13/2) Tins hiệu quang tới đầu vào sợi EDFtương tác với với các ion Erbium đã được kích thích và được phân bố dọc theo lõi sợi.Quá trình bước xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng quangnhư tín hiệu tới, à chính vì thế mà ta thu được cường độ ánh sáng tín hiệu đầu ra EDFlớn hơn đầu vào Như vậy, đã đạt được quá trình khuếch đại trong EDFA Các ion đãđược kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân ra tự phát tới trạng tháinền với hắng số thời gian xấp sỉ 10 ms Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emision) cópha và hướng ngẫu nhiên Thông thường thì có ít hơn 1 % SE được giữ lại trong modesợi quang, và nó trở thành một nguồn tạp âm Tạp âm này sẽ được khuếch đại và tao rabước xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emision) Ở trạng tháinền, khi có sự hấp thụ photon bơm hoạt động trở lại, quá trình này sẽ lặp đi lặp lại.ASE sẽ làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu qua bộ khuếch đại quang.

1.1.2 Phổ khuếch đại của EDFA.

Phổ khuếch đại của EDFA là tham số quan trọng vì băng tần khuếch đại là mộttham số trọng yếu để các định băng truyền dẫn Đặc tính này được nghiên cứu với cácsợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các EDFA Trong các kết quảthí nghiệm thu được bằng cách pha tạp Al và (hoặc) P trong lõi của sợi thủy tinh pha

Er3+ sẽ có tác dụng mở rộng phổ khuếch đại gần đây người ta cũng tìm thấy rằng phatạp chất Al có thể thu được mức khuếch đại rất cao trong một mặt phẳng trải trongvùng bước sóng 1540 nm đến 1560 nm Bằng cách thay đổi vật liệu chủ trong sợi thủytinh silica sang thủy tinh Fluoride gốc ZnF4 và thủy tinh Fluorophosphate cũng hứahẹn và mở rộng và làm phẳng được băng tần khuếch đại bằng phẳng trong dải bướcsóng từ 1530 nm đến 1560 nm

Hình 1.5 đã thể hiện các phổ khuếch đại tiêu biểu của sợi thủy tinh pha tạp Ge/

Er và pha tạp Al/P/Er Phổ của sợi tạp Ge/Er có mặt cắt gồm hai đỉnh 1536 nm và

1552 nm Trong khi đó phổ khuếch đại của sợi pha Al/P/Er có một vùng khuếch đạirộng nằm trong khoảng 1545 nm đến 1560 nm mặc dù có một đỉnh khuếch đại nhô lêntại vùng xung quang 1530 nm Ngoài ra, phổ khuếch đại EDFA có thể dịch tới vùngbước sóng dài hơn khi sử dụng độ dài EDF là tương đối dài Khi tăng độ dài EDF, phổkhuếch đại có thể thu được trong khoảng bước sóng từ 1570 nm đến 1620 nm Tạivùng bước sóng cao hơn 1620 nm, khuếch đại tín hiệu sẽ giảm do quá trình ASE (dịchchuyển 4I9/2 tới 4I13/2) và giới hạn trên của phổ khuếch đại được quyết định bởi ASEnày

Hình 1.5 Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFAThông thường thì phổ khuếch đại được đo bằng việc quét bước sóng tín hiệuvới một nguồn tín hiệu đơn Tuy nhiên, phổ được thay đổi khi công suất tín hiệu đầuvào được thay đổi Phổ trở nên phẳng khi công suất tín hiệu đâu vào là cao Mức côngsuất tín hiệu đâu vào là một tham số quan trọng và phổ thường được đo dưới điều kiệntín hiệu nhỏ Đầu ra quang của EDFA phụ thuộc vào bước sóng vì độ khuếch đại thayđổi theo các đặc tính bước sóng của sợi pha tap Erbium EDF Hình 1.5 a) và 1.5 b)miêu ta phổ ra tiêu biểu của một EDFA tương ứng cho các trường hợp có và không cótín hiệu đầu vào Khi không có tín hiệu đầu vào, chỉ có bước xạ tự phát được khuếchđại ASE (Amplifer Spontaneous Emision) Bằng tần bước xạ tự phát được xác định tạigiá trị công suất ở vai của phổ giảm đi 3 dB Tuy nhiên, việc xác định này không đượcchỉ ra trên các thiết bị đo tiêu biểu như là máy phân tích phổ quang OSA (OpticalSpectrum Analyzer) Như vậy giá trị này được chỉ ra như là một giá trị tiêu biểu màkhông có các giá trị nhỏ nhất hay lớn nhất,

1.2 Khuếch đại quang sợi TDFA

1.2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động.

a Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang sợi TDFA cũng được thực hiện nhờ

cơ chế hấp thụ và bức xạ năng lượng như hình 1.33 Sự hoạt động của laser Thulium

sử dụng bơm cộng hưởng được báo cáo lần đầu tiên với một laser đỏ bơm dịch chuyểntrạng thái từ mức 3H6 lên mức 3F6 Sau đó bơm laser diode được sử dụng để đạt tới daođộng ở 2,3 Bước sóng này gần với bước sóng có sự suy giảm nhỏ nhất trong sợiflorua suy hao cực thấp,vì vậy hoạt động của các bộ khuếch đại và laser gần bước sóngnày là một điều mong muốn đối với hệ thống thông tin quang trong tương lai.Hơnnữa,Tm có thể được bơm bời laser diode công suất cao,giống như AlGaAs vì sự hấpthụ trạng thái đất mạnh của Tm gần 790nm

Hình 1.33 Giản đồ năng lượng của Thulium.

Các nguồn laser hoạt động trong lân cận ánh sáng hồng ngoại có thể được mongđợi để tìm ra các ứng dụng trong các vùng,giống như khả năng phán đoán phân tử Gastrong y học.Thulium là một đề xuất cho các ứng dụng như vậy,bởi vì nó được phát ra

từ các bước sóng sấp xỉ ở giữa 1,6 và 2,1 và do đó bao phủ dải của hơi nước (1,88

4

H từ mức trạngthái 3

6

H Sau đó sự phân rã từ mức 3

5

H làm tăng bức xạ 2,25 (như hình 1.33) Sựtồn tại của mức laser trên là 1,1ms,trong khi sự tồn tại mức thấp hơn 3

5

H ngắn hơnđáng kể,điển hình ít hơn 10 Do đó bức xạ 2,25 không tự kết thúc,Sự tồn tại củamức 3

4

F cũng được giới hạn ở 12ms không tự kết thúc.Mức ngưỡng đối với bức xạ2,25 •m là 2mJ,nhưng khi năng lượng hấp thụ tới mức 3mJ bức xạ laser tại 1,88 •m

xuất hiện tương ứng với chuyển trạng thái từ mức3

4

F về mức 3

6

H Điều này là nhờ sựgiảm mạnh số lượng mức3

5

H giải phóng tới mức 3

4

F Nhà khoa Esterowitz đã quan sát dao động laser tại 2,3 •m trong sợi florua50cm sử dụng laser alexandrite hoạt động ở 786nm và tần số bơm là 10Hz.Khởi đầucủa xung dao động laser xuất hiện tại 1 ngưỡng bơm năng lượng là 25 2,25 J đượcphóng vào sợi.Sự tồn tại của mức laser trên là 1,55 ms,Theo Esterowitz thì trong hệthống 4 mức cũng giống như thế.Sự hoạt động CW xảy ra tại 16mW vì ngưỡng côngsuất bơm cho bởi xung năng lượng.Sự kích thích tiếp theo sử dụng một mảng diodelaser tại 787nm dẫn tới sự hoạt đọng CW tại 2,29 •m với một ngưỡng là 6mW,Thậtđáng tiếc lõi của sợi này là elip và sự suy hao cách tử sẽ là cao khoảng 100-200dB//km tại 0,63 •m Do đó sự cải thiện chất lượng sợi sẽ làm tăng hơn nhiều so vớithực hiện laser.Hai nhà khoa học Allen và Esterowitz đã bơm các sợi tương tự với mộtlaser diode GaAlas tại 790nm và quan sát các ngưỡng của 4mW và độ dốc sấp xỉ 10đối với công suất bơm nhỏ hơn 10mW được bơm.Công suất đạt sấp xỉ 1mW nhưng sựbão hòa xuất hiện ở vào khoảng 13mW hoặc hơn công suất bơm.Độ bão hòa gần như

là nguyên nhân chính bởi vì sự giảm số lượng mức3

5

H tới mức tồn tại dài 3

4

F Mẫungưỡng trên của mức 3

là công suất bão hòa

là ngưỡng trên của công suất bơm

là tổng hợp ionHơn nữa , được cho bởi công thức:

=

Trong đó:

là năng lượng phton bơm (2,5 J)

A là đướng kính lõi sợi (7,5 •m )

là đoạn xuyên qua hấp thụ bơm

là thời gian tồn tại của mức 3

việc lựa chọn nguồn bơm :677,4 nm so với 790nm.Bước sóng bơm cũ là nguyên nhânkích thích vào trong mức 3

3

F Tỉ số phân nhánh của mức 3

3

F :sự chuyển dịch từ mức3

6

H - 3

4

H Họ đã quan sát daođộng laser tại 2,305 •m với một ngưỡng sấp xỉ 115mW và hiệu suất dốc 18,8 Tạiđây không thể quan sát độ bão hòa của công suất đầu ra trong báo cáo của Allen vàEsterowitz.Hai ông cho rằng hiện tượng này là do bức xạ laser từ mức 3

Dao động laser tại 1,88 µm đã được chứng minh bằng một công suất đầu ra 1,3

mW bằng cách bơm một laser ion Krypton tại 676,4 nm Ngưỡng của công suất bơm

là 50 mW và hiệu suất dốc là 3,3 % Bức xạ 1,9 µm làm tăng dịch chuyển từ mức 3F4

về mức 3H6 Các nhà khoa học nhận thấy rằng đường cong có thể thay đổi nhiều hay ít

và đã tạo ra đường cong Florua khi laser được bơm trên giá trị ngưỡng 1,7 lần và hoạtđộng laser đó có thể thay đổi ở giữa 1,84 µm và 1,94 µm

Nhà khoa học Carter đã sử dụng bơm laser diode tại 795 nm để đạt được hoạtđộng CW tại 1,972 µm với một ngưỡng công suất phóng là 40 mW ( hoặc công suấthấp thụ là 20mW) và một hiệu suất có độ dốc là 0,3 % khi gương phát nhỏ hơn 1%.Công suất ra lớn nhất từ laser diode là xấp xỉ 100mW cong xuống 200 mW Thật thú

vị khi thấy đầu ra 1,972 µm đã rơi ra ngoài dải thay đổi từ 1,84 – 1,94 µm Tổng quát,

có thể thấy rằng dải thay đổi trong 1 ma trận Florua là hẹp hơn trong silica (1,78-2,056µm) Hiệu suất độ dốc thấp (0,3%) ở đây đã tăng lên từ tỉ số phân nhánh nhỏ đối vớiphân rã ion T thành mức 3F4 từ mức 3H4 Điều này là nhờ sự phân rã đa photonkhông bức xạ tỉ lệ thấp từ mức 3H4 tới mức 3H5 trong sợi thủy tinh floruazirconate Xấp xỉ 90% ion T kích thích ở mức 3H4 phân rã bức xạ tới trạng thái đất 3H6, do

đó chỉ 10% phân rã tới mức laser 3F4 Bởi vậy ngưỡng của dao động laser được tănglên bằng một hệ số 10 và độ dốc hiệu suất giảm bằng một hệ số tương tự Tuy nhiên,mức ngưỡng có thể giảm bằng cách sử dụng sợi đơn mode

Độ dốc hiệu suất có thể được cải thiện bằng cách sử dụng kỹ thuật tập trung Tmcao hơn hoặc bằng cách cho hoạt động đồng thời tại 1,9 µm và 2,5 µm Phương phápthứ nhất cho phép một kỹ thuật phục hồi ngang để tạo một khoảng trống giữa các ion

Tm lân cận Kỹ thuật này giống như quá trình chuyển đổi năng lương đã được mô tảtrước đây Theo cách này sự bức xạ từ một ion trong mức 3H4 kích thích phân rã vềmức 3F4 được hấp thụ bằng một ion Tm liền kề Đó là ion đã được kích thích từ trạng

thái đất (3H6) lên mức laser cao hơn (3F4) Vì vậy hai ion cuối cùng trong mức lasertrên đối với mỗi photon bơm được hấp thụ nên hiệu suất bơm được tăng lên Ở phươngpháp thứ 2, sử dụng dao động laser đồng thời tại 1,9 µm và 2,3 µm, bơm n lần trênmức ngưỡng làm tăng tỉ lệ nhánh của chuyển đổi 3H4 – 3H5 và tăng sự phân rã về mức

3F4 bởi một hệ số n Bằng sự thay đổi các gương ở trong buồng cộng hưởng laser,Smart đã quan sát được dao động laser ở cả 2,305 µm và 1,942 µm Laser tại 1,942 µm

đã có một độ dốc hiệu suất tăng 8,3% và một ngưỡng sấp xỉ 115 mW của công suấtphóng Tuy nhiên các tác giả không thể loại trừ khả năng khi mà tăng độ dốc hiệu suất

có thể làm giảm suy hao của buồng cộng hưởng

d Laser tại 1,51 µm.

Dao động laser được quan sát tại 1,51 µm sử dụng sợi pha tạp đơn mode đượclàm lạnh tới 77 độ K và được bơm tại 647,1 nm Hoạt động laser tại 1,51 µm xảy ra do

kỹ thuật hấp thụ đa photon, nhờ sự hấp thụ ban đầu của một photon 647,1 nm gây nên

sự kích thích từ trạng thái đất 3H6 lên mức 3F3 Khi không có sự kích thích sau đó xuấthiện sự giải phóng không bức xạ từ mức 3F3 về mức 3H4 và hấp thụ 1 photon bơm(ESA) vào trong mức 1D2 Sự phân rã từ mức 1D2 về mức 1G4 là bức xạ và làm tăngbức xạ 1,51 µm Công suất đầu ra đã đạt được trên 6 mW

e Laser tại 1,48 µm.

Allain đã minh họa dao động laser ở 1,48 µm trong sợi đơn mode được bơm ở676,4 nm Bức xạ ở 1,48 µm xuất hiện từ hệ thống 4 mức, đặc biệt từ sự dịch chuyển

3H4 lên mức 3F4 Sự hấp thụ của photon bơm là nguyên nhân kích thích từ trạng thái đất

3H6 tới mức 3F3 ( mức ở trạng thái cân bằng với mức 3F2) Sự phân rã không bức xạ từ

3F3 vè 3H4 được theo sau bởi bức xạ từ 3H4 về 3F4 , làm tăng bức xạ 1,48 µm Khi sự tồntại của mức cao hơn (1ms) là ngắn hơn mức thấp (10ms) thì sự chuyên đổi này sẽ tựkết thúc Hiệu suất này là lý do của ngưỡng mức công suất cao 40mW và độ dốc hiệusuất thấp Tuy nhiên , hiệu suất của laser này có thể được cải thiện đáng kể bằng cáchgiảm thời gian tồn tại của mức thấp hơn (3F4) và làm thay đổi gương để cho phép cộnghưởng dao động ở 1,9 µm dực trên sự dich chuyển 3F4 về mức 3H6 Cộng hưởng daođộng thực tế đã làm giảm số lượng mức thấp hơn 3F4, do đó làm tăng độ dốc hiệu suấtcủa laser CW 1,48µm lên 1,6 % Mức ngưỡng là 63 mW và công suất đầu ra lớn nhất

là 0,2 mW Bước song biến đổi trong dải này từ 1,46 đến 1,51 µm Bức xạ laser vàtrải phổ florua là hơi khác vì tín hiệu ESA xuất hiện hoạt động trên bước sóng ngắncủa phổ laser Tín hiệu ESA là rất giống dịch chuyển từ mức 3F3 về mức 1G4 do sựkhác nhau năng lượng giữa hai mức này

Pervical đã nỗ lực làm tăng hiệu suất của sợi laser 1,48 µm bằng cách pha tạpthủy tinh bới Terbium Sử dụng sợi pha tạp với 0,1 % Tm và 1% Tb tác giả đã thấyđươc mức ngưỡng nhỏ nhất 5,5 mW và với độ dốc hiệu suất cao nhất 16% , tươngđương với biến đổi photon hiệu suất 30%.Hiệu suất đầu ra khá thấp là vì cuộc đấutranh năng lượng giữa Thinium và Terbium mà kết quả ở trong bức xạ xanh do sự biếnđổi ngược

1.3 Khuếch đại quang sợi PDFA.

1.4 Khuếch đại Raman.

1.4.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động.

Khuếch đại Raman xuất hiện từ sự chuyển từ mức năng lượng cao xuống mứcnăng lượng thấp của một pho ton ánh sáng tại một bước sóng nhất định Trong truyềnthông thì giá trị bước sóng này ở lân cận 1500 nm

Độ rộng dải khuếch đại là trên 40 THz với đỉnh chính xấp xỉ là 13,2 THz Dảikhuếch đại thay đổi cùng với phổ bom và giá trị định của khuếch đại là tỉ lệ nghịch vớibước sóng bơm

Bộ khuếch đại Raman sợi lợi dụng tán xa có kích thích SRS (Stimulated RamanScattering) xảy ra trong sợi thủy tinh silic khi có một chùm sóng bơm khoẻ truyền qua

nó Về cơ bản thì SRS khác với bức xạ kích thích Khi có bức xạ kích thích, ruộtphoton tới sẽ kích thích bức xạ của một photon giống hệt mà không mất năng lượngcủa nó Trong trường hợp SRS, photon bơm đi tới sẽ cho năng lượng của nó để tạo ramột photon khác có năng lượng bị giảm tại tần số thấp hơn (tán xạ không đàn hồi);năng lượng còn lại được môi trường hấp thụ dưới dạng dao động phân tử (các phononquang) Các bộ khuếch đại Raman sợi này phải được bơm bằng quang để tạo ra đượckhuếch đại, điều này ngược với SLA là sử dụng bơm điện

Đường cong đồ thị phổ khuếch đại Raman được minh họa trong hình vẽ dướiđây :

Hình 1.55 Phổ khuếch đại Raman

Khuếch đại Raman có một vài ưu điểm cơ bản Thứ nhất, khuếch đại Ramantồn tại trong mọi sợi, điều này cung cấp một lợi ích về phương tiện nâng cao chấtlượng từ các thiết bị đầu cuối Thứ hai, khuếch đại là sự cộng hưởng, điều này cónghĩa là khuếch đại có giá trị trên toàn bộ vùng có thể nhìn thấy của dãy sợi từ xấp xỉ0,3 đến 2 µm Ưu điểm thứ ba của khuếch đại Raman đó là phổ khuếch đại có thểđược phù hợp bằng cách điều chỉnh các bước sóng bơm Ví dụ, nhiều đường bơm cóthể được sử dụng để tăng dải rộng quang và phân bố bơm quyết định độ phẳng khuếchđại Một ưu điểm khác của khuếch đại Raman đó là một bộ khuếch đại băng khá rộngvới dải rộng lớn hơn 5 THz và hệ số khuếch đại là khá phẳng trên một dải bước sóngrộng.

Tuy nhiên, khuếch đại Raman cũng có một số nhược điểm Thứ nhất, so vớikhuếch đại EDFA thì khuếch đại Raman có hiệu suất bơm kém tại nguồn tín hiệu thấp.Thứ hai, khuếch đại Raman đòi hỏi một sợi khuếch đại quang dài hơn Tuy nhiênnhược điểm này có thể được giảm đi bằng cách kết hợp khuếch đại bù và tán sắc trongmột sợi quang Nhược điểm thứ ba của khuếch đại Raman là thời gian đáp ứng nhanh,điều này là cơ hội nảy sinh các nguồn nhiễu mới Cuối cùng là mối quan tâm về sự bấtlợi không tuyến tính trong bộ khuếch đại đối với các kênh tín hiệu trong hệ thốngWDM

xạ tự phát Raman và có thể đo lường được bằng thực nghiệm Ở mức độ cơ bản hơn,

gì liên quan đến phần ảo của độ diện cảm phi tuyến cấp 3 x3

Thông thường gR Phụ thuộc vào thành phần lõi sợi quang và có thể thay

đổi rất lớn nếu pha thêm tạp chất vào lõi sợi Hình 1.3.l biểu diễn gR của sợi silic theo

độ dịch tầm ở bước sóng bơm λp- 1 µm Nếu bước sóng bơm khác 1µm, có thể tínhđược gR bằng cách lấy nghịch đảo sự phụ thuộc của gR vào λp

Điểm đáng chú ý nhất trong phổ khuếch đại Raman của sợi silic và gR kéo dàitrong một phạm vi tần số rất rộng (đạt tới 40THz) với đỉnh khuếch đại gần độ dịch tần13THz Điều này xảy ra là do tính phi tinh thể tự nhiên của thủy tinh silic Trong cácvật liệu vô hình như silic tần số dao động phân tử trái rộng thành nhiều dải chồng chéolên nhau và trở thành một dải liên tục kết quả là khác hẳn với các phương tiện truyềndẫn trước đây (có phổ khuếch đại Raman nằm trong một đổi tần số hẹp), phổ khuếchđại Raman của sợi silic liên tục và trải dài trong một phạm vi rất rộng Chính vì đặcđiểm nay mở sợi quang có thể làm việc như một bộ khuếch đại dải rộng.

Để hiểu quá trình SRS xảy ra như thế nào, ta xét một chùm sóng bơm liên tụclan truyền bên trong sợi ở tần số ωp Nếu tần số của chùm dò ở tần số ωsđược đưa vàođầu vào sợi quang cùng với sóng bơm, nó sẽ được khuếch đại bại khuếch đại Ramanvới điều kiện là độ lệch tần ωp – ωsnằm bên trong phổ khuếch đại Raman như trên hình1.56 Nếu chỉ có một mình sóng bơm được đưa vào đầu sợi quang, tán xạ tự phátRaman sẽ sinh ra một tín hiệu yếu hoạt động như là sóng dò và được khuếch đại trongquá trình truyền dẫn Bởi vì các tín hiệu sinh ra do tán xạ tự phát Raman nằm trongmiền phổ khuếch đại Raman nên chúng dược khuếch đại Tuy nhiên tần số nào có độdịch tần (dịch từ tần số bơm) ứng vời giá trị lớn nhất của gì sẽ được khuếch đại nhanhnhất đối với độ dịch tần giảm xuống cỡ 13.2THz (440cm) Nếu công suất bơm vượtquá một giá trị ngưỡng, thành phần tần số này được khuếch đại có dạng quy luật củahàm mũ Chính vì vậy thành phần tần số Stoke được sinh ra do SRS phụ thuộc vào giátrị đỉnh trong phổ khuếch đại Raman Độ dịch tần này được gọi là dịch chuyển Ramanhay dịch chuyển Stoke

a Ngưỡng Raman

Để tìm ngưỡng Raman, ta quan tâm đến sự tương tác giữa sóng Stoke và sóngbơm Trong trường hợp sóng là liên tục, sự tương tác này được khống chế bởi cặpphương trình sau:

s s s p R

s g I I I dz