báo cáo luận văn KHẢO sát một số TÍNH CHẤT của NHIỄU TRONG bộ KHUẾCH đại QUANG sợi PHA tạp ERBIUM

khảo sát một số tính chất của nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium... Với lí do nh trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là: Khảo sát một số tính chất của nhiễu trong bộ

khảo sát một số tính chất của

nhiễu trong bộ khuếch đại quang

sợi pha tạp Erbium

Mở đầu

Các bộ khuếch đại quang là các thiết

bị bù suy hao có hiệu quả nhất cho sợi quang Các thiết bị này có thể khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không thông qua sự biến đổi quang - điện, điện -

erbium EDFA (Erbium - doped fiber amplifier) có sức hấp dẫn nhất vì chúng

sóng mà ở đó suy hao sợi gần nh là nhỏ

nghiên cứu về đặc tính của nhiễu và đạt

đ ợc nhiều kết quả quan trọng

Trên cơ sở các kết quả đạt đ ợc, có thể khảo sát một số tính chất của nhiễu, từ đó tìm bộ thông số tối u cho bộ khếch đại EDFA Với lí do nh trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là: Khảo sát một số tính chất của

nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium.

Néi dung cña luËn v¨n ® îc tr×nh bµy víi bè côc gåm:

• KÕt luËn chung

• Tµi liÖu tham kh¶o

1.1 Mét sè tÝnh chÊt quang phæ cña

ion Er 3+

1.1.1 C¸c møc n¨ng l îng cña ion Er 3+

Møc thÊp nhÊt

2 9

2 9

2 11

2 13

2 15

pha t¹p erbium

TiÕt diÖn hÊp thô hiÖu dông ® îc x¸c

.

( )λα

I

1n

c8

1

e

e 4

rad

2 0

e

λλ

τ

βπ

=λσ

+ Ph ¬ng ph¸p cña Mac Cumber

h T

a e

=νσ

1.2 Khuếch đại quang

Hình 1.5 Nguyên lí khuếch đại quang

( ) ( ) I ( )z ; ( 1 8 )

h

z

I h

p , p

s

as p

p

ap s

p exc

ν

σ + ν

, p , p

s

es p

p

ep s

p rel

τ

+ ν

σ + ν

σ

= τ

Thay (1.8), (1.9) vµo (1.7), ta

cã:

)10.1(

.Ahcp

)(

p)(

N)pP

(N

s s es as

p p ep ap

t s s as p

p ap 2

+τλσ

+σ+τλσ

+σ

τλ

σ+λ

σ

=

(p , p )N ( )z W (p , p , )N ( Z ); ( 1 7 ) W

0 dt

dN

2 s

p rel 1

s p exc

1.3 Cấu trúc và hoạt động của bộ

khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

1.3.1 Cấu trúc của bộ khuếch đại

quang sợi pha tạp Erbium

.

Đầu ra

.

1.3.2 Hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

15

4 I

2 13

4 I

2 11

4 I

2 9

4 I

2 9

4 F

2 3

4 S

2 11

m 54 ,

m 65 ,

0 à

m 80 ,

m 98 ,

m 53 ,

1 à

Hình 1.14. Một số mức năng l ợng đối với ion

Er hoá trị 3

1.4 Kết luận ch ơng I

Trong ch ơng này đã nêu đ ợc một số

nguyên lí khuếch đại quang Cấu trúc và hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium làm cơ sở cho các nghiên cứu chính của luận văn

2.1 Nhiễu quang trong bộ khuếch

đại quang sợi pha tạp Erbium

h

Psp,min = ν −

) 2 2 (

B ) 1 G

( h N m

PASE = t sp ν − 0

2.1.1 Công suất

nhiễuCông suất nhiễu tối thiểu tại đầu ra

[7]:

Ch ơng II nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi

pha tạp Erbium

) 6 2

( N

N

N b

a

a N

1 2

2 sp

− η

.NN

NN

1 as 2

es

2 es sp

σ

−σ

h N

Psp = sp ν − 0

)4.2(

B)1G

(hN2

Công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch

đại quang [7]:

2.3 HÖ sè nhiÔu

)12.2(

.SNR

SNRNF

.G

1B

Gh

PNF

0

ASE +ν

.G

1e

2

I)RIN

()

2

BB

(BeGI2

IGB

2 ASE 0

=

,

Ph

2.5 Kết luận ch ơng II

Trong ch ơng này đã trình bày khái niệm nhiễu quang và nhiễu c ờng độ trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium Trình bày khái niệm hệ số nhiễu

và biểu thức tính hệ số nhiễu theo hai ph

ơng pháp: ph ơng pháp quang và ph ơng pháp điện

Hình 3.1. Hệ số nhiễu phụ thuộc vào độ dài sợi

0 1 2 3 4 5 6 7 8

3.1 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số

nhiễu vào độ dài sợi

Ch ơng III Khảo sát một số tính chất của hệ số nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi

Với các công suất bơm không đổi lớn hơn

3.2 Khảo sát sự phụ thuộc hệ số nhiễu vào công suất tín hiệu đầu vào

Độ dài sợi 10m, b ớc sóng bơm

980nm

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 0

1 2 3 4 5 6 7

Công suất tín hiệu đầu vào (dBm)

Hình 3.2. Hệ số nhiễu phụ thuộc vào công suất

tín hiệu đầu vào

+ Khi công suất tín hiệu đầu vào tăng hơn

hơn

-15dBm thì hệ số nhiễu gần nh không

đổi

3.3 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số

nhiễu vào công suất bơm

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0

5 10 15 20 25 30 35

Hình 3.3 Hệ số nhiễu phụ thuộc công suất bơm

với các công suất tín hiệu đầu vào và độ dài sợi khác

nhau

3.4 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số

nhiễu vào sự nghịch đảo mật độ

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

3.5 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào hệ số khuếch đại

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hình 3.5b. Hệ số nhiễu phụ thuộc vào hệ số

khuếch đại (tr ờng hợp G >1)

+ Hệ số nhiễu tăng dần khi hệ số

khuếch đại tăng

+ Khi hệ số khuếch đại cao thì hệ số nhiễu đạt đến một giá trị giới hạn

Sự nghịch đảo mật độ càng mạnh thì giới hạn hệ số nhiễu càng thấp Nh vậy ở trạng thái nghịch đảo mật độ hoàn toàn

= 0 thì giới hạn hệ số nhiễu là 3dB Vậy NF

= 3dB là giới hạn nhỏ nhất của hệ số nhiễu khi hệ số khuếch đại cao

Giới hạn hệ số nhiễu

0 20 40 60 80 100

-40

-30

-20 -10

0 10

sè nhiÔu th× c«ng suÊt b¬m lín h¬n 10mW, c«ng suÊt tÝn hiÖu ®Çu vµo nhá h¬n -15dBm

3.8 Kh¶o s¸t sù phô thuéc cña hÖ sè

nhiÔu vµo c«ng suÊt b¬m vµ c«ng suÊt

tÝn hiÖu ®Çu vµo

3.9 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào công suất bơm và độ dài sợi

Bơm tại b ớc sóng 980nm, công suất tín hiệu đầu vào -20dBm

0 20

40 60

0 20

40 60

80 100

0 5 10 15 20 25 30

nh không đổi

3.10 Chọn bộ thông số tối u cho bộ

khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0

5 10 15 20 25 30 35 40

Hình 3.10. Hệ số khuếch đại phụ thuộc công

suất bơm

Giả sử bộ khuếch đại EDFA có độ dài

L = 10m Để có công suất tín hiệu đầu vào

là -20dBm, thì vùng công suất để tối thiểu

Vậy bộ thông số tối u cho bộ khuếch

đại EDFA có độ dài sợi 10m, công suất tín hiệu đầu vào -20dBm là: công suất bơm từ 20mW đến 100mW, hệ số khuếch đại đạt

đ ợc vào khoảng từ 15,5dB đến 18,5dB, hệ

số nhiễu vào khoảng từ 3,3dB đến 3,6dB

- Để hạn chế nhiễu thì độ dài sợi pha tạp của EDFA là lớn hơn hoặc bằng 10m, công suất tín hiệu đầu vào nhỏ hơn -15dBm, công suất bơm từ 10mW đến 100mW.

- Hệ số nhiễu nhỏ nhất khi đạt đ ợc trạng thái nghịch đảo mật độ hoàn toàn

3.11 Kết luận ch ơng III

- Tìm đ ợc bộ thông số tối u cho bộ khuếch

đại EDFA có độ dài sợi 10m, công suất tín hiệu đầu vào -20dBm là: công suất bơm từ 20mW đến 100mW, hệ số khuếch đại đạt

đ ợc vào khoảng từ 15,5dB đến 18,5dB, hệ

số nhiễu vào khoảng từ 3,3dB đến 3,6dB

- Giới hạn nhỏ nhất của hệ số nhiễu khi hệ

số khuếch đại lớn là 3dB

Với mục đích góp phần nghiên cứu sâu hơn lí thuyết về nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium, nhằm tìm ra bộ số tối u để hạn chế nhiễu, luận văn đã đ ợc thực hiện với các kết quả chính nh sau:1. Trình bày đ ợc một số tính chất

đại quang, cấu trúc và hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium.2. Trình bày nhiễu quang và nhiễu c ờng độ trong bộ khuếch đại quang sợi pha

mối liên hệ giữa hệ số nhiễu, nghịch đảo mật độ và hệ số khuếch đại Mối liên hệ giữa hệ số nhiễu, độ dài sợi, công suất tín hiệu đầu vào và công suất bơm

kết luận chung

Giới hạn nhiễu nhỏ nhất khi hệ số khuếch đại lớn là 3dB.

Hệ số nhiễu nhỏ nhất khi đạt đ ợc trạng thái nghịch đảo mật độ hoàn toàn (tất cả các nguyên tử đều ở trạng thái kích thích)

Để thu đ ợc hệ số khuếch đại lớn và

hệ số nhiễu nhỏ thì các bộ khuếch đại EDFA nên có độ dài sợi lớn hơn hoặc bằng 10m, công suất bơm từ 10mW đến 100mW, công suất tín hiệu đầu vào nhỏ hơn -15dBm

số nhiễu vào độ dài sợi, công suất tín hiệu

đầu vào, công suất bơm, nghịch đảo mật độ, hệ số khuếch đại và thu đ ợc các kết quả sau:

5 Từ các kết quả thu đ ợc chọn ra bộ thông số tối u cho bộ khuếch đại EDFA có

độ dài sợi 10m, công suất tín hiệu đầu vào -20dBm là: công suất bơm từ 20mW

đến 100mW, hệ số khuếch đại đạt đ ợc vào khoảng từ 15,5dB đến 18,5dB, hệ số nhiễu vào khoảng từ 3,3dB đến 3,6dB

tµi liÖu tham kh¶o

[6] Bernard Jacquier, Linh kiÖn tÝch cùc

Wiley & Sons, Inc.