Chuyên đề Thông tin quang - Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium

MỤC LỤC Lời nói đầu 2 Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA 3 Phân bố năng lượng của Er3+ 4 Nguyên lý hoạt động của EDFA 5 Nguyên lý hoạt động của EDFA 5 Yêu cầu nguồn bơm 6 Các modul tiêu chuẩn của EDFA 6 Kết luận 7 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, thông tin quang phát triển mạnh ở Việt Nam và hầu hết các quốc gia trên thế giới. Để các tuyến cáp quang phát huy hiệu quả và truyền đi cự ly xa thì phải có bộ khuếch đại phù hợp. Bộ khuếch đại quang sợi ra đời đã thay thế được các trạm lặp phải thực hiện qua trình biến đổi quang - điện và điện - quang và quá trình khuếch đại tín hiệu phải thực hiện trên miền điện. Bộ khuếch đại quang sợi EDFA thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện. Nó đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như về băng tần, cấu trúc phức tạp, ảnh hưởng của nhiễu điện từ... Chính vì điều đó em đã lựa chọn đề tài “Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium”. Nhưng do khuôn khổ của của bài viết và kiến thức còn hạn chế nên khi nghiên cứu về kỹ thuật quang tiên tiến này em không thể tránh khỏi những thiếu sót trong chuyên đề. Kính mong nhận được những ý kiến chỉ bảo của thầy, cô giáo để em được hoàn thiện hơn nữa về kiến thức của mình. Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo đã chỉ bảo và giúp đỡ em thực hiện đề tài này. Sinh viên thực hiện Kiều Khắc Cường BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM 1. Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM bao gồm các thành phần: Sợi pha tạp Erbium, bộ ghép quang theo buớc sóng WDM, các bộ cách li quang, nguồn bơm laser. Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang Laser bơm WDM WDM EDF Hình 1: Sơ đồ cấu trúc của bộ khuếch đại EDFA Chức năng của các thành phần cấu trúc nên bộ khuếch đại EDFA Sợi pha tạp Erbium: Đây là thành phần quan trọng nhất của bộ khuếch đại EDFA, được cấu tạo bởi một sợi quang có pha tạp Erbium, chiều dài của sợi quang này dài từ vài mét đến vài chục mét. Sợi này gọi là sợi tích cực vì chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu như có kích thích phù hợp. Cấu tạo sợi EDF được mô tả như hình vẽ. Vùng cường độ cao có pha Er3+ Vùng lõi pha với Ge có d=3-6µm Chỉ số chiết suất ∆n=0,01-0,05 Lớp bọc silica d=125µm Lớp phủ d=250µm Hình 2: Cấu trúc hình học lõi sợi pha tạp Erbium Cấu trúc sợi EDF giống như sợi đơn mode tiêu chuẩn trong Viễn thông. Vùng lõi trung tâm: Đây đoạn sợi có lõi SiO2 hoặc SiO2 – AL2O3 được pha trộn Er3+ với nồng độ từ 100÷2000ppm có đường kính từ 3÷6µm. Đây là nơi có cường độ bơm và tín hiệu cao nhất. Lớp bọc: Lớp này có chiết suất thấp hơn bao xung quanh lõi và có đường kính 125µm tạo thành cấu trúc ống dẫn sóng và tăng độ bền cơ học. Lớp phủ: Lớp này có đường kính 250µm bao quanh lớp bọc và có chiết suất lớn hơn so với bọc để loaị bỏ các ánh sáng không mong muốn truyền trong vỏ. Ngồn bơm Laser: Là các Laser công suất cao được làm Laser bơm cung cấp năng lượng quang cho EDF. Bước sóng hoạt động của Laser bơm là 980nm hoặc 1480nm. Công suất bơm thường từ 10mW÷80mW. Bộ ghép bước sóng WDM: Dùng để ghép ánh sáng tín hiệu với ánh sang từ nguồn bơm vào trong sợi quang. Bộ WDM cho phép ghép các ánh sáng tín hiệu có bước sóng 1550nm với ánh sang nguồn bơm là 980nm hoặc 1480nm. Bộ cách ly quang: Có tác dụng làm giảm phản xạ từ tín hiệu ánh sáng khuếch đại về phía phát và các tín hiệu quang trên đường truyền về bộ khuếch đại EDFA. 2. Phân bố năng lượng của Er3+ Các nguyên tử Erbium hoá trị 3 (Er3+) là những nguyên tố tích cực trong bộ khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu ánh sáng dựa vào hiện tượng phát xạ kích thích của Er3+. Sự phân bố năng lượng của Er3+ được mô tả như sau: Trạng thái nền Vùng bơm Khuếch đại 1550 - 1660 Tự phát Siêu bền Không bức xạ 520nm 543nm 650nm 800nm 980nm 1550nm 1480nm 2H11/2 4S3/2 4F9/2 4I9/2 4I13/2 4I11/2 4I15/2 Hình 3: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3+ Các ion Er3+ tồn tại ở các vùng năng lượng khác nhau: Vùng 4I15/2: gọi là vùng nền, có mức năng lượng thấp nhất Vùng 4I13/2: Vùng này gọi là vùng siêu bền, các ion Er3+ có thời gian sống ở vùng này khoảng 10ms (lâu hơn các vùng khác). Tại vùng này, mật độ phân bố năng lượng của các ion Er3+ là không đều nhau. Ở các vùng có mức năng lượng thấp thì các ion Er3+ có xu hướng tập trung nhiều hơn. Mà mức năng lượng lại phụ thuộc vào bước sóng. Do vậy khả năng hấp thụ photon và phát xạ photon của ion Er3+ thay đổi theo bước sóng. Vùng 4I11/2 đến vùng 2H11/2: được gọi là vùng bơm, đây là các vùng có mức năng lượng cao và thời gian sống của các ion Er3+ ở vùng này rất ngắn, chỉ khoảng 1µs. Khi có nguồn bơm, các ion Er3+ sẽ nhận năng lượng từ các photon và chúng sẽ chuyển lên vùng có năng lượng cao hơn (tuỳ thuộc vào mức năng lượng mà các ion Er3+ nhận được tương ứng với độ chênh lệch năng lượng giữa vùng năng lượng cao hơn so với vùng nền). Ví dụ: Khi sóng bơm có bước sóng là 1480nm có mức năng lượng của photon là 0,841eV thì các ion Er3+ sẽ chuyển từ vùng nền đến đỉnh của trạng thái siêu bền. Sau khi các ion Er3+ chuyển lên vùng có mức năng lượng cao hơn tương ứng thì luôn có xu hướng chuyển về vùng có mật độ điện tử cao (vùng năng lượng thấp). Khi các ion Er3+ chuyển từ vùng năng lượng cao xuống vùng năng lượng thấp thì xảy ra hiện tượng: Phân rã không bức xạ và bức xạ ra ánh sáng. 3. Nguyên lý hoạt động của EDFA 3.1.Nguyên lý hoạt động của EDFA Các quá trình xảy ra bức xạ xaye ra trong EDFA có thể được phân cấp thành bức xạ kích thích và bức xạ tự phát. Sau khi các ion Er3+ chuyển từ trạng thái nền lên vùng năng lượng cao hơn thông qua sự hấp thụ năng lượng photon từ ánh sáng nguồn bơm, nó sẽ không phát xạ từ các mức năng lượng cao hơn cho đến khi tiến tới vùng siêu bền 4I13/2. Ánh sáng tín hiệu đi sẽ đi đến với các ion Er3+ đã được kích thích. Quá trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra những photon phụ có cùng pha và hướng quang như tín hiệu tới. Như vậy ánh sáng tín hiệu đã được khuyếch đại. Các ion Er3+ đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tín hiệu sẽ phân rã tự phát về trạng thái nền. Phát xạ tự phát có pha và hướng ngẫu nhiên và nó trở thành nguồn nhiễu quang. Ở đầu ra của bộ khuyếch đại nhiễu này cũng được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát khuếch đại Chúng ta xét cụ thể nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại tại nguồn bơm có bước sóng 980nm và 1480nm: Khi bộ khuếch đại sử dụng nguồn bơm 980nm (Hệ thống 3 mức): Các ion Er3+ sẽ nhận nặng lượng của nguồn bơm và chuyển lên vùng trạng thái năng lượng cao hơn là vùng 4I11/2. Tại vùng này các ion Er3+ bức xạ rất nhanh (khoảng 1µs) rồi chuyển xuống vùng siêu bền 4I13/2. Khi bộ khuếch đại sử dụng nguồn bơm 1480nm: Các ion Er3+ sẽ nhận nặng lượng của nguồn bơm và chuyển lên vùng trạng thái năng lượng cao hơn là đỉnh vùng siêu bền 4I13/2. Lúc này, khi ánh sáng tín hiệu đi vào sợi EDF thì một phần photon bị hấp thị bởi các ion Er3+ ở vùng nền dẫn đến ánh sáng bị suy hao. Một phần các photon của ánh sáng tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng siêu bền. Các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển từ vùng siêu bền xuống vùng nền và phát ra photon mới có cùng pha cùng chiều, cùng bước sóng với ánh sáng tín hiệu. Vùng bước sóng hoạt động của bộ khuếch đại EDFA là từ 1430nm đến 1565nm 3.2.Yêu cầu nguồn bơm Theo giản đồ phân bố năng lượng của Erbium, nguồn bơm cho bộ khuếch đại EDFA có thể sử dụng ở các bước sóng 650nm, 800nm, 980nm và 1480nm. Nhưng ta thấy nếu sử dụng nguồn bơm ở các bước sóng 650nm, 800nm thì hiệu suất bơm không cao do các ion Er3+ phải trải qua 4 đến 5 giai đoạn chuyển đổi mức năng lượng để bức xạ ra các photon ánh sáng. Do vậy nguồn bơm cho bộ khuếch đại EDFA chỉ sử dụng ở bước sóng 980nm và 1480nm. Tuỳ thuộc vào múc đích sử dụng bộ khuếch đại mà người ta sử dụng nguồn bơm có bước sóng phù hợp. Đối với bước sóng 980nm thường được sử dụng cho bộ tiền khuếch đại, bước sóng 1480nm thường được sử dụng cho bộ khuếch đại công suất 4. Các modul tiêu chuẩn của EDFA Trong thực tế EDFA được phân thành ba loại chính theo các cấu hình bơm gọi là các modul tiêu chuẩn. Đó là cấu hình bơm xuôi, bơm ngược và bơm hai hướng (hai chiều) như hình vẽ: Cấu hình bơm xuôi Cấu hình khuếch đại bơm đồng hướng có đặc điểm là hướng ánh sáng bơm và hướng ánh sáng tín hiệu cùng chiều nên có tạp âm thấp. Tuy nhiên công suất lối ra có thể bị suy giảm do hấp thụ ngược. Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang Laser bơm WDM WDM EDF Tín hiệu quang vào Tín hiệu quang ra Hình 3: Cấu hình bơm xuôi Cấu hình bơm ngược Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang Laser bơm WDM EDF Tín hiệu quang vào Tín hiệu quang ra Hình 4: Cấu hình bơm ngược Hướng ánh sáng bơm và hướng ánh sáng tín hiệu ngược hướng nhau. Công suất quang lối ra của cấu hình này là cao, không bị ảnh hưởng bởi hấp thụ ngược và rất tiện lợi trong việc tăng cường công suất tìn hiệu vào tuyến cáp quang, nhưng tạp âm khá lớn do khuếch đại bức xạ tự phát (ASE – Amplifed Spontaneous Emission). Cấu hình bơm hai hướng Khi kết hợp cả hai cấu hình trên ta sẽ được các ưu điểm nổi bật như công suất quang ở lối ra cao và tạp âm tương đối thấp Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang Laser bơm WDM EDF Tín hiệu quang vào Tín hiệu quang ra Laser bơm WDM 5. Kết luận Khuếch đại quang sợi EDFA là một trõng kỹ thuật thông tin quan tiên tiến và rất quan trọng trong hệ thống thông tin quang. Do có nhiều ưu điểm nổi trội mà các bộ khuếch đại quang sợi đã nhanh chóng được đưa vào sử dụng trong mạng lưới Viễn thông. Chúng cho phép kéo dài cự li truyền đẫn rất nhiều và làm tăng tốc độ bít đường truyền. Một bộ khuếch đại quang sợi có thể thay thế hàng loạt các trạm lặp làm giảm các trạm thiết bị trên tuyến, đơn giản hoá cấu trúc hệ thống và giảm giá thành đầu tư trên toàn tuyến. Tài liệu tham khảo 1/ Kỹ thuật Thông tin quang 2 – THS: Đỗ văn Việt Em 2/ Khuếch đại quang sợi và khả năng ứng dụng trên mạng viện thông (Kết quả NCKH và CN năm 1994) - Vũ Tuấn Lâm 3/ Khảo sát sự phụ thuộc các đặc trưng khuếch đại của bộ khuếch đại quang sợi Erbium ở bước sóng kích thích 140nm – Nguyên Quý Tuấn -Trường ĐHSP Đại học Đà nẵng (năm 2010)