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

Trong môi trường SiO2 vô định hình do tương tác với mạng nền, các mức năng lượng của ion 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 truyền nhiều 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 sóng 1480nm có thể dùng để bơm tạo môi trường đảo mật độ.Tuy nhiên sự tách mức của mức kích thích và mức cơ bản lại không đồng đều dẫn đến phổ khuếch đại tín hiệu trong vùng 1525nm đến 1565nm không đồng đều. Đây cũng là một khó khăn trong việc truyền nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang. 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 dịch chuyển giữa hai trạng thái (mức năng lượng) của một ion mô tả xác suất chuyển dời xảy ra đối với 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 suất chuyển 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 diện hiệu dụng có thứ nguyên là diện tích. Tổng công suất Pabs của ánh sáng tới có tần số ω bị hấp thụ bởi một photon được cho bởi: (2.1) với I là cường độ ánh sáng chiếu tới photon đó. Chia cả 2 vế cho năng lượng của một photon ħω, ta thu được lượng photon bị hấp thụ trong một đơn vị thời gian: (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 Pem bức xạ từ một photon khi ánh sáng tới có cường độ I sẽ là: (2.3) Một cách trực giác, tiết diện hấp thụ σ12 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 σ21 cũng được hiểu một cách tương tự. Như vậy nếu coi N1 là mức năng lượng thấp còn N2 là mức năng lượng cao hơn thì sự thay đổi công suất của một tập hợp của các photon đồng nhất sẽ là: (2.4) Cần chú ý rằng xác suất hấp thụ hay bức xạ tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu tới chứ không phải là công suất của ánh sáng. Có nghĩa là, ánh sáng chiếu tới được tập trung vào một vùng 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 năng lượng của nó sẽ bị tách ra thành các mức con do tác dụng của trường tinh thể. Chính điều này đã dẫn đến sự khác nhau trong phân bố Boltzman, làm cho tiết diện hấp thụ và bức xạ của ion Er3+ là khác nhau. Hình 2.4 và 2.5 mô tả các tiết diện hấp thụ và bức xạ của ion Er3+ được tính trong miền phổ 1550nm của nó trong các thủy tinh nền khác nhau. Việc tính toán các tiết diện hấp thụ và bức xạ tại các tần số cụ thể sẽ cho thông tin hữu ích trong việc chế tạo các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+. Trong hệ thống khuếch đại 3 mức, tỷ lệ giữa tiết diện hấp thụ và bức xạ tại một tần số cụ thể nào đó sẽ mang tính quyết định cho việc xác định độ khuếch đại tại tần số đó. 1450 1500 1550 1600 0,6 Bước sóng λ(nm) Tiết diện hấp thụ (pm2) Hình 2.4: Tiết diện hấp thụ của Er3+ trong các thủy tinh nền khác nhau nhau nhau 1 2 3 4 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 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 1450 1500 1550 1600 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Bước sóng λ(nm) Tiết diện bức xạ (pm2) Hình 2.5: Tiết diện bức xạ của Er3+ trong các thủy tinh nền khác nhau 1 2 3 4 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 Thời gian sống Thời gian sống của một mức tỷ lệ nghịch với xác suất trên một đơn vị thời gian để một ion thoát khỏi mức kích thích đó. Sự phân rã mật độ của các ion tại một mức kích thích sẽ giảm theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian chính bằng thời gian sống. Thời gian sống của một nguyên tố đất hiếm được xét theo hai kiểu phân rã: bức xạ và không bức xạ. (2.5) - thời gian sống tổng cộng - thời gian sống bức xạ - thời gian sống không bức xạ Thời gian sống bức xạ quy định dịch chuyển phát xạ từ các mức kích thích xuống các mức thấp hơn nên nó liên quan tới phổ huỳnh quang. Thời gian sống bức xạ thường cỡ μs. Thời gian sống không bức xạ phụ thuộc bản chất của thủy tinh nền và liên kết giữa các dao động của ion trong mạng tinh thể với các trạng thái của ion đất hiếm. Quá trình chuyển dời không bức xạ từ mức kích thích có kèm theo sự bức xạ của một vài phonon. Số phonon tham gia càng nhiều thì xác suất chuyển dời càng nhỏ. Xác suất chuyển dời không bức xạ giảm theo hàm 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 các quá trình hấp thụ. Sự tham gia của các phonon được thể hiện ở nhiều quá trình hấp thụ ngay cả khi bức xạ chiếu tới không nằm trong vùng phổ hấp thụ của ion đất hiếm mà người ta quan sát được. Thủy tinh nền Thời gian sống (ms) Silicate 14.7 Phosphate 8.5 Fluorophosphate 8.0 Fluoride 10.3 Thời gian sống tại mức 4I13/2 của ion Er3+ trong các thủy tinh nền khác nhau được cho trong bảng trên. Thủy tinh pha phosphate có chiết suất cao hơn các thủy tinh silica cơ bản, do đó làm tăng tiết diện bức xạ. Chính vì vậy nó làm giảm thời gian sống tại mức 4I13/2. Tốc độ chuyển dời tại các mức cao của ion Er3+ như mức 4I11/2 và các mức cao hơn nữa lớn hơn rất nhiều do các tốc độ chuyển dời không bức xạ của chúng. Thí dụ tôc độ chuyển dời khỏi mức 4I11/2 là 105 s−1 với thủy tinh nền silica và là 104 s-1 với chất nền là phosphate. Như vậy, thời gian sống của các mức này thường đều rất ngắn, chỉ cỡ ưs. Trong Er3+ mức 4S3/2 cho bức xạ xanh với thời gian sống cỡ 1μs. 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Nồng độ ion Er3+(mol%) Thời gian sống 4I13/2(s) 0,1 0,01 0,001 0,0001 silica CPG Hình 2.6: Sựu dập tắt do nồng độ trong thủy tinh silica và CPG (calcium metaphosphate) Khi Er3+ được pha tạp nồng độ cao, một số hiệu ứng có thể xuất hiện làm dập tắt các trạng thái 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 (calcium metaphosphate). CPG là loại thủy tinh tốt hơn silica, nó hạn chế rất nhiều hiện tượng tụ đám. Khi pha tạp ở nồng độ cao cũng có thể xảy ra hiện tượng truyền năng lượng giữa các ion do va chạm tạo ra các tâm bị dập tắt. 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 sử dụng các phương trình tính toán tiết diện lý thuyết. Tuy nhiên quá trình tính toán rất phức tạp do môi trường thủy tinh là vật liệu vô định hình. Khi pha tạp Er3+ vào thủy tinh, tương tác của các ion Er3+ với mạng không đều nhau, đồng thời sự tách mức ở mức năng lượng trên và mức năng lượng dưới do hiệu ứng Stark cũng không giống nhau. Các mức năng lượng được tách thành nhiều vạch phân bố sít nhau, nên phổ hấp thụ và phát xạ phân bố trong một vùng rộng. 400 800 600 1000 1200 1400 1600 0 2 4 6 8 10 Bước sóng λ(nm) Hấp thụ (dB/m) Hình 2.7: Phổ hấp thụ của sợi thủy tinh gốc pha tạp Er3+ 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 trạng thái này ion Er3+ phục hồi nhanh không bức xạ về trạng thái 4I13/2 (là trạng thái siêu bền với thời gian sống cỡ 10ms), sau đó chúng trở về trạng thái cơ bản và phát ra photon có bước sóng 1530nm, 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 với dịch chuyển từ trạng thái cơ bản 4I15/2 lên 4I13/2. Hiện nay, cả hai bước sóng 980nm và 1480nm thường được sử dụng làm bước sóng bơm cho khuếch đại quang. Người ta đã đo và so sánh phổ hấp thụ và phổ phát xạ của thủy tinh pha tạp Er3+ trong vùng bước sóng cần nghiên cứu cho khuếch đại quang sợi (từ 1400nm đến 1650nm) được biểu diễn qua hình 2.8. Bước sóng λ(nm) 1400 1450 1500 1550 1600 1650 6 5 4 3 2 1 Tiết diện σ(10-21cm2) Hình 2.8: Phổ hấp thụ và phát xạ của ion Er3+ trong thủy tinh silica trong vùng bước sóng 1400nm đến 1650nm. Hấp thụ Phát xạ Từ phổ hấp thụ và phát xạ đươc vẽ chung trên một đồ thị, ta thấy vùng bước sóng từ 1540nm đến 1650nm có tiết diện phát xạ lớn hơn tiết diện hấp thụ, nên vùng này sẽ có hiệu ứng khuếch 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 đó người ta tìm cách pha tạp thêm các chất khác nhau (như Al, P…) để làm phẳng phổ trong vùng này. 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 các bước sóng bơm, điều đầu tiên cần quan tâm là các dịch chuyển khuếch đại có đạt được yêu cầu hay không, tiếp đến là hiệu suất và khả năng sử dụng các nguồn bơm. Hấp thụ trạng thái kích thích (Excited State Absorption – ESA) tại bước sóng bơm cúng là một yếu tố đặc biệt quan trọng, 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 bơm 800nm. 2H11/2 4S3/2 4F9/2 4I9/2 4I11/2 4I13/2 4I15/2 Hình 2.9: Quá trình hấp thụ trạng thái kích thích ASE ở dải bơm 800nm tại mức siêu bền 4I13/2 Photon 800nm Photon 800nm Khi một ion Er3+ ở trạng thái cơ bản (trạng thái nển) hấp thụ một photon tới có bước sóng 800nm để chuyển lên trạng thái 4I9/2. Trong mạng thủy tinh nền silica, nó nhanh chóng dịch chuyển không phát xạ xuống mức siêu bền 4I13/2 thông qua quá trình tạo ra các phonon. Tại đây nó có thể hấp thụ một photon 800nm thứ hai để chuyển lên mức 2H11/2. Trong các sợi thủy tinh oxit thông thường, từ trạng thái 2H11/2 ion Er3+ nhanh chóng chuyển xuống trạng thái 4I13/2 cũng bằng quá trình bức xạ nhiều phonon. Như vậy có nghĩa là phần lớn năng lượng bơm bị chuyển thành nhiệt. Do đó ESA trở thành quá thành quá trình tiêu tán năng lượng nghiêm trọng. Thực nghiệm cho thấy có những dải bơm ESA rất mạnh nhưng cũng có những dải bơm hầu như không có ESA. Thông thường người ta thường sử dụng hai dải bước sóng 980nm và 1480nm để kích thích các 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 dụng đối với ion Er3+. 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 bơm này, 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 vì hấp 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. Dải bơm 980nm Dịch chuyển 4I15/2 → 4I11/2 tương ứng với một đỉnh dải hấp thụ giữa 970 và 980nm. Dịch chuyển này rất hữu ích cho các thiết bị sợi hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm. Các bộ khuếch đại 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 của tín 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 mức kích thích 4I13/2 ở bước sóng này. Đối với thủy tinh ôxit, phát xạ cưỡng bức tại bước sóng bơm cũng không đáng kể do thời gian sống ở mức 4I11/2 là rất ngắn. Đối với thủy tinh flouride, dải tần này 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 với thủy tinh flouride để bơm tạo các dịch chuyển 4I11/2 → 4I15/2 (980nm), cũng như quá trình chuyển đổi ngược bắt đầu từ mức 4I11/2. Khi năng lượng bơm lớn ion Er3+ sau khi hấp thụ một photon 980nm để chuyển từ trạng thái cơ bản lên mức 4I11/2, tại mức này tồn tại một xác suất nhỏ để ion Er3+ hấp thụ một photon nữa 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 từ mức 4S3/2 xuống mức cơ bản phát ra ánh sáng màu xanh ở dải tần 540nm đặc trưng cho huỳnh quang ở vùng khả kiến của Er3+. Còn đối với thủy tinh flouride do trạng thái 4I11/2 là trạng thái siêu bền nên dải bơm này không phù hợp để bơm trực tiếp cho các phát xạ xung quanh vùng 1550nm do dịch chuyển từ mức 4I11/2 xuống mức cơ bản chủ yếu là phát xạ. Dải bơm 1480nm Các bộ khuếch đại Erbium và laser hoạt động trong vùng bước sóng 1500nm có thể được kích thích trực tiếp lên mức kích thích 4I13/2 là trạng thái siêu bền của khuếch đại bằng dải bơm gần 1480nm. Với dải bơm này không hề có ESA từ trạng thái siêu bền 4I13/2. Do bước sóng bơm rất gần với bước sóng phát laser nên hiệu suất nghiêng lượng tử giới hạn () rất cao và cao hơn tại bước sóng bơm 980nm. Tuy nhiên hiệu suất khuếch đại lại nhỏ hơn ở 980nm do tiết diện hấp thụ tại bước sóng 1480nm nhỏ hơn tại 980nm. Vì vậy ngưỡng bơm tại 1480nm cao hơn tại 980nm. Các nguồn bơm thường được dùng các laser diode InGaAs có thời gian sống khá 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 mức kích thích 4I13/2 nên năng lượng photon sẽ bị chuyển thành nhiệt. Như vậy hiệu suất bơm sẽ bị giảm đi. Với bước sóng bơm 980nm và 1480nm hầu như không có hiện tượng ESA. Đây là hai bước sóng của các laser bán dẫn thông dụng hiện nay, nên chúng thường được dùng để bơm cho các 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 phải chính xác. Còn bước sóng 1480nm cho hiệu suất bơm cao hơn và có thể dùng để bơm từ xa cho các bộ khuếch đại trên tuyến. Nhưng tạp âm sinh ra do bước sóng này lại lớn hơn bước sóng 980nm. Nên ngày nay, người ta thường kết hợp cả hai bước sóng bơm này để đạt được hiệu quả tốt nhất. Suy hao tín hiệu quang trong sợi thủy tinh SiO2 950 1240 1440 1550 0,1 1 10 100 Suy hao α(dB/km) 800 1000 1200 1400 1600 1800 Bước sóng λ(nm) Tán xạ Rayleigh 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 Hấp thụ ánh sáng trong sợi quang làm suy hao tín hiệu trên đường truyền. Các nghiên cứu cho thấy có ba vùng cửa sổ thông tin là 800nm, 1300nm và 1500nm có độ hấp thụ nhỏ nhất. Suy hao do hấp thụ gồm nhiều nguyên nhân khác nhau như tán xạ Rayleigh, hấp thụ hồng ngoại SiO2, 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: (2.6) (2.7) (2.8) : công suất tín hiệu quang (mW) : hệ số suy hao quang (dB/km) : chiều dài sợi quang (km) Hệ số suy hao nhỏ nhất trong sợi quang tính theo lý thuyết là = 0,15dB/km, trên thực tế đã có sợi quang có = 0,18dB/km tại bước sóng = 1,55μm. Ta sẽ xét một số nguyên nhân chính gây ra mất mát tín hiệu trong sợi quang: Hấp thụ do vật liệu: SiO2 hấp thụ mạnh tại vùng bước sóng 1,7μm (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 ÷ 1,6μm các loại tạp chất này hầu như đã được loại tuyệt đối ra khỏi vật liệu SiO2 để kéo sợi quang. Tạp chất OH¯ từ môi trường rất khó loại hết ra khỏi sợi quang, OH¯ có các đỉnh hấp thụ mạnh tại 0,95μm, 1,24μm và 1,34μm. Tạp chất OH¯ hiện nay còn chiếm ~10−8 trong vật liệu SiO2. Một vài tạp chất GeO2, P2O5 và B2O3 để làm thay đổi chiết suất của sợi quang cũng gây ra háp thụ quang phụ. Tán xạ Rayleigh: do phân bố không hoàn hảo của mật độ phân tử của chất trong toàn khối. 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 năng lượng 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: . Hiệu ứng này gây nhiễu trong các hệ thống thông tin quang đa bước sóng. Các cải tiến công nghệ chế tạo làm chất lượng sợi quang ngày càng tốt hơn, nhưng sự suy hao tín hiệu vẫn đáng kể, nên ta phải có các bộ khuếch đại trên đường truyền. Trong đó khuếch đại 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). 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 các nồng độ khác nhau. Nồng độ pha tạp về nguyên tắc là càng cao càng tốt để giảm chiều dài sợi khuếch đại. Tuy nhhiên thực tế các ion đất hiếm có độ hòa tan thấp trong môi trường thủy tinh silica, 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 các bước sóng này tăng ích của bộ khuếch đại đạt đến 20 ÷ 35dB khi hấp thụ 10 ÷ 20mW công suất bước 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 lõi dẫn sáng đường kính 50μm, đường kính lớp vỏ 125μm, khẩu độ số NA=0,2 ÷ 0,25. Trong lõi dẫn sáng người ta pha tạp ion Er3+ tại tâm sợi quang. Đường kính vùng pha tạp từ 1,5 ÷ 30μm. 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 lõi dẫn sáng đường kính 9μm, đường kính lớp vỏ 125μm. Đường kính vùng pha tạp từ 2 ÷ 3μm. Nồng độ pha tạp ion Er3+ từ nồng độ thấp ρ 1000ppm. Các loại sợi pha tạp cao hiện nay dùng khuếch đại quang trong thông tin có ρ = 2500ppm. Vỏ bảo vệ Lớp chiết suất n2 Đường kính 125μm Lớp chiết suất n1 Lỡi pha tạp Er+3 Đường kính 3μm Hình 2.11: Cấu tạo sợi quang đơn mốt pha tạp Er+3 Cấu tạo sợi quang pha tạp Er3+ có kích thước giống như sợi quang truyền tín hiệu, nên việc hàn nối các sợi với nhau đều dễ dàng. Sự phụ thuộc của sợi SiO2 vào nồng độ và thành phần pha tạp Er3+ Erbium là nguyên tố khó pha tạp vào thủy tinh nên khi pha tạp Er3+ nồng độ cao sẽ xuất hiện hiện tượng tụ đám và hiệu suất khuếch đại giảm do tương tác ion - ion giữa hai ion gần nhau, người ta pha tạp thêm Al để làm tăng độ hòa tan của Er3+ trong silica (SiO2 - Al2O3 - Er3+ ). Cường độ phát xạ lớn nhất với mẫu chỉ pha tạp Er3+ là 3% trọng lượng. Khi đưa thêm Al3+ vào, vạch phát xạ chính bị mở rộng ra và cường độ phát xạ tăng lên nhiều lấn so với mẫu có cùng nồng độ Er3+. Như vậy sự phân bố các vị trí Er3+ trong thủy tinh SiO2 - Al2O3 rộng hơn trong thủy tinh SiO2, nguyên nhân là do các ion Al3+ đã hình thành một lớp bao bọc phía ngoài ion oxy và kéo dãn liên kết Er - O, làm yếu đi liên kết này tạo điều kiện đưa thêm các ion Er3+ khác vào. 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 2 3 4 1 Bước sóng λ(nm) Cường độ (a.u) 1 Al/P Silica 2 Ca/Ge/Al/P Silica 3 P Silica 4 Silica Hình 2.12: So sánh phổ bức xạ của ion Er3+ trong các thủy tinh nền khác nhau Hình 2.12 là phổ bức xạ của ion Er3+ trong các mạng nền khác nhau. Quan sát hình vẽ, chúng ta có thể thấy mạng nền có ảnh hưởng lớn tới độ rộng vách bức xạ của Er3+. Để tăng độ hấp thụ năng lượng bơm trong thủy tinh silica pha tạp Er3+, có thể đồng thời pha tạp các ion khác như Yb3+. Các ion Yb3+ giúp truyền năng lượng bơm, nên hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng lên. Chương III Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier) Cơ sở của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ Nguyên lý của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo mật độ có cơ chế vật lý giống như laser, tuy nhiên không yêu cầu có phản hồi quang bằng gương phản xạ trong buồng cộng hưởng giống như laser. Vì vậy, để tạo được trạng thái đảo mật độ trong môi trường hoạt tính bằng phương pháp bơm quang học, chúng ta cần phải xét đến mô hình khuếch đại quang sử dụng 3 mức hoặc 4 mức năng lương. Các bộ khuếch đại EDFA tuân theo sơ đồ 3 mức. Hệ phương trình tốc độ Xét hệ ba mức năng lượng như hình 3.1: 1 2 3 Φpσp Φsσs Г32 Г21 Hình 3.1: Sơ đồ hệ 3 mức năng lượng Với mức 1 là mức cơ bản (mức nền) có độ tích luỹ là N1 tương ứng với trạng thái 4I15/2 trong cấu trúc năng lượng của Er3+. Mức 2 là mức kích thích (mức siêu bền) có độ tích luỹ là N2, tương ứng với trạng thái 4I13/2. Thời gian sống tại mức này là rất lớn, lớn hơn rất nhiều so với các trạng thái trên. Mức 3 là mức bơm (mức trung gian) có độ tích luỹ là N3 tương ứng với trạng thái 4I11/2 đây là mức trung gian để tạo nghịch đảo phân bố mật độ giữa mức 2 và mức 1. Khi các nguyên tử nhận năng lượng từ nguồn bơm bên ngoài có tần số bơm thích hợp, chúng sẽ bị kích thích lên mức 3. Do thời gian sống tại mức 3 rất ngắn nên chúng sẽ dịch chuyển rất nhanh xuống mức 2 thông qua dịch chuyển phonon. Thời gian sống của các nguyên tử tại mức 2 rất dài, cỡ ms nên chúng có thể tồn tại khá lâu tại mức này và vì vậy chúng có thể tạo ra nghịch đảo độ tích luỹ so với mức 1. Khi một nguyên tử tại mức kích thích 2 này tương tác với một photon tín hiệu tới, nó sẽ nhảy xuống mức 1 và bức xạ ra một photon có tần số và pha giống hệt như photon tới (bức xạ kích thích). Đây chính là nguyên lý để chế tạo các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+. Ta có hệ phương trình tôc độ cho hệ ba mức năng lương trên như sau: (3.1) (3.2) (3.3) là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1 lên mức 3 (số photon trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích), tưong ứng với bơm. là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1 lên mức 2, tương ứng với tín hiệu. là xác suất dịch chuyển không phát xạ từ mức 3 xuống mức 2 (coi dịch chuyển phát xạ từ mức 2 xuống mức 3 là rất bé). là xác suất dịch chuyển phát xạ từ mức 2 xuống mức 1, nếu là thời gian sống tại mức 2 ta sẽ có: (3.4) Với và lần lượt là tiết diện hấp thụ từ mức 1 lên mức 3 và tiết diện bức xạ từ mức 2 xuống mức 1. Ở trạng thái dừng, ta có: (3.5) Tổng độ tích luỹ tại 3 mức là: (3.6) Từ phương trình (3.1), ta có độ tích luỹ tại mức 3 là: (3.7) Do tốc độ phân rã từ mức 3 xuống mức 2 rất nhanh, nhanh hơn rất nhiều tôc độ tác động của nguồn bơm, nên độ tích luỹ ở mức 3 gần như là bằng 0 vì vậy ta sẽ coi toàn bộ độ tích luỹ chỉ gồm có mức 1 và 2. Thay (5.7) vào phương trình (5.2) ta sẽ được: (3.8) Sử dụng phương trình (5.6) ta sẽ thu được nghịch đảo độ tích lũy: (3.9) Từ phương trình trên ta thấy điều kiện để có nghịch đảo độ tích luỹ là . Tại điều kiện ngưỡng ứng với , ta sẽ có thông lượng tối thiều cho tốc độ bơm: (3.10) Trong trường hợp cường độ tín hiệu rất nhỏ và tốc độ phân rã lớn hơn nhiều so với tốc độ bơm , ta có phân số đảo mật độ: (3.11) với (3.12) Khi phân số đảo mật độ là âm, chuyển dời do hấp thụ sẽ lớn hơn chuyển dời do bức xạ, tín hiệu sẽ bị suy hao. Ngược lại nếu phân số đảo mật độ là dương thì tín hiệu đi qua sợi quang sẽ được khuếch đại. Từ công thức về cường độ bơm (năng lượng trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian) được cho bởi , ta có cường độ bơm ngưỡng: (3.12) Từ phương trình trên ta thấy rằng tiết diện hấp thụ càng cao tức là xác suất hấp thụ photon bơm càng lớn thì số photon bơm cần thiết để đảm bảo lượng photon được hấp thụ đạt ngưỡng sẽ thấp đi hay sẽ thấp đi. Thêm vào đó, thời gian sống tại mức 2 càng dài tức là năng lượng tích lại ở mức 2 càng lâu thì lưọng photon cần bơm trong một đơn vị thời gian để giữ được năng lượng ở lại mức 2 (hay để tạo được nghịch đảo độ tích luỹ) sẽ giảm bớt. Vì vậy, điều kiện để có ngưỡng bơm thấp sẽ là: Tiết diện hấp thụ lớn Thời gian sống tại mức kích thích lớn (một điểm hết sức thuận lợi của sợi quang pha tạp Er3+ là chúng có thời gian sống tại mức kích thích 4I13/2 rất lớn, cỡ 10ms). Hệ phương trình truyền dẫn trong khuếch đại Sử dụng sơ đồ 3 mức năng lượng như ở phần trên, mật độ tích luỹ (số lượng ion trong một đơn vị thể tích) tại các mức 1, 2 và 3 lần lượt là N1, N2, và N3, ta sẽ xét sóng tín hiệu và sóng bơm truyền theo cùng một hướng dọc theo trục z của sợi quang lần lượt có cưòng độ là và . (3.13) (3.14) Sự thay đổi của sóng tín hiệu và sóng bơm khi đi qua một đoạn vô cùng nhỏ dz la: (3.15) (3.16) Từ đó, ta thu được sự tăng cường cường độ tín hiệu: (3.17) Và sự suy hao cường độ bơm: (3.18) Từ đây, ta thấy rõ ràng tín hiệu chỉ có thể được khuếch đại khi: (3.19) Các phương trình trên xác định tính chất của EDFA tại mức độ đơn giản nhất. Khuếch đại bức xạ tự phát Sự khuếch đại bức xạ tự phát (Amplified Spontaneous Emission – ASE) trong khuếch đại quang xuất hiện do các ion nằm ở trạng thái kích thích tự động giải phóng năng lượng để chuyển xuống mức năng lượng cơ bản bằng cách phát ra các photon và các photon này không có tính kết hợp với các photon tín hiệu. Các photon sinh ra từ bức xạ tự phát này được khuếch đại bằng cách truyền trong sợi quang và kích thích thêm nhiều photon mới bức xạ ra từ các ion ở trạng thái kích thích. Các photon mới này sẽ có cùng một mode giống hệt như photon bức xạ tự phát ban đầu. Nó sẽ lấy đi các photon mà đáng ra chúng phải tham gia vào quá trình bức xạ kích thích cùng với photon tín hiệu. Quá trình này có thể xuất hiện tại bất cứ tần số nào trong phổ huỳnh quang của chuyển dời khuếch đại và rõ ràng chúng sẽ làm giảm khả năng khuếch đại tín hiệu. Để tính công suất ASE tại đầu ra của sợi quang, đầu tiên ta cần tính được công suất bức xạ tự phát tại một điểm cho trước trong sợi quang. Với sợi đơn mode mà bức xạ tự phát xảy ra ở cả hai mode phân cực độc lập tại tần số ν, ta có công suất của một photon được sinh ra do bức xạ tự phát trong dải hẹp Δν là: = 2hν.Δν (3.20) Công suất ASE tổng cộng tại một điểm z trên sợi sẽ bằng tổng công suất ASE từ các phần trước và công suất nhiễu riêng . Công suất nhiễu riêng này sẽ kích thích bức xạ của các ion Er3+ từ trạng thái kích thích và tỷ lệ với tích , trong đó là tiết diện bức xạ tại tần số ν, là mật độ tích luỹ tại mức kích thích. Phương trình truyền công suất ASE dọc theo sợi quang sẽ là: (3.21) với là tiết diện hấp thụ tại tần số ν. 0 2 4 6 8 10 12 14 0.0 0.5 1.0 1.5 ASE đồng hướng ASE ngược hướng Vị trí theo chiều dài sợi (m) Công suất ASE (mW) Hình 3.2: Đồ thị sự phụ thuộc của công suất ASE (đồng hướng và ngược hướng) theo vị trí trên sợi quang dài 14m được bơm bằng bước sóng 980nm với công suất 20mW Trên thực tế, quá trình ASE có thể truyền theo cả 2 hướng dọc theo sợi, cùng hướng hoặc ngược hướng với ánh sáng bơm. Hình 3.2 cho thấy công suất ASE tổng cộng đồng hướng và ngược hướng theo độ dài sợi quang pha tạp Er3+ là khác nhau. Công suất ASE ra đồng hướng tại z = L nhỏ hơn công suất ASE ra ngược hướng tại z = 0 vì tại đầu sợi độ tích luỹ cao hơn tại cuối sợi do công suất bơm tại đầu sợi mạnh hơn. Những thông số đặc trưng của một bộ khuếch đại quang EDFA Phổ tăng ích và băng tần Như đã giới thiệu, một bộ khuếch đại quang EDFA hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch đại bức xạ cưỡng bức để tạo được môi trường đảo mật độ. Để tạo được trạng thái đảo mật độ trong môi trường khuếch đại, ta luôn cần có các nguồn bơm (quang hoặc điện). Với môi trường đảo mật độ, nếu thiết kế đúng buồng cộng hưởng, hệ thống sẽ phát laser. Tuy nhiên, những bộ khuếch đại quang không yêu cầu có phản hồi quang bằng phản xạ trong buồng cộng hưởng như laser. Hệ số tăng ích quang trong môi trường khuếch đại phụ thuộc vào tần số (hay bước sóng) của tín hiệu quang tới và cường độ chùm ánh sáng khuếch đại tại các điểm khác nhau của bộ khuếch đại quang. Để đơn giản, chúng ta giả thiết môi trường khuếch đại là một hệ hai mức năng lượng mở rộng đồng nhất. Hệ số tăng ích trong môi trường khuếch đại được tính bằng biểu thức sau: (3.22) Trong đó là giá trị tăng ích cực đại, là tấn số của tín hiệu quang tới, là tấn số chuyển dời nguyên tử, là công suất quang của chùm sáng tới và là công suất bão hòa của bộ khuếch đại. phụ thuộc vào các thông số của môi trường khuếch đại như thời gian phát xạ huỳnh quang (flourescence time) và tiết diện dịch chuyển của nguyên tử kích thích. là thời gian phục hồi lưỡng cực (dipole relaxtion time) thường có giá trị rất nhỏ (<1ps). Thời gian phát xạ huỳnh quang cũng được gọi là thời gian phục hồi mật độ hạt tải. có giá trị trong khoảng 100ps ÷ 10ms phụ thuộc vào môi trường khuếch đại. Biểu thức (3.22) có thể sử dụng để tính toán các đặc trưng quan trọng của khuếch đại quang như băng tần khuếch đại, hệ số khuếch đại và công suất ra bão hòa. Ta xét trường hợp bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở chể độ không bão hòa, nghĩa là trên toàn bộ khuếch đại. Khi đó ta có thể bỏ qua tỷ số trong biểu thức (3.1): (3.23) Ta thấy đạt giá trị cực đại khi tần số ánh sáng tới trùng với tần số dịch chuyển nguyên tử. Khi tăng ích giảm tuân theo quy luật hàm Lorentz là quy luật áp dụng cho hệ hai mức năng lượng mở rộng đồng nhất. Băng tần tăng ích được xác định bằng độ rộng của phổ tăng ích tại điểm giữa giá trị cực đại (FWHM – Full Width at Half Maximum). Với phổ Lorentz, băng tần tăng ích được cho bởi: hay: (3.24) Khuếch đại với băng tần rộng rất có ích cho các hệ thống thông tin quang đa bước sóng. Hệ số khuếch đại G (thông số khuếch đại) được xác định bởi: (3.25) với và lần lượt là công suất của tín hiệu tại đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại. Ta cũng có thể tính G theo hướng khác: (3.26) với là công suất quang tại điểm z tính từ đầu vào. Khi tín hiệu vào bộ khuếch đại là nhỏ ta có phân bố năng lượng bơm dọc theo sợi xem như đồng đều với khi đó ta có công suất tín hiệu quang tăng theo quy luật hàm mũ: (3.27) Chú ý rằng với là chiều dài sợi quang pha tạp Er3+, thay vào biểu thưc (3.25) ta sẽ thu được công thức của hệ số khuếch đại như sau : (3.28) Ở đây ta thấy cả hệ số khuếch đại G và hệ số tăng ích g đều phụ thuộc tường minh vào tần số ánh sáng tới và đạt cực đại khi và giảm khi . Tuy nhiên, giảm nhanh hơn . Băng tần khuếch đại cũng được định nghĩa là độ rộng của phổ khuếch đại tại điểm giữa giá trị cực đại và liên hệ với băng tần tăng ích như sau : (3.29) với là giá trị cực đại của hệ số khuếch đại. Hệ số khuếch đại Như đã biết, hệ số khuếch đại G là tỷ số giữa công suất tín hiệu lối ra trên tín hiệu lối vào, và được tính theo đơn vị dB: (3.30) Hệ số khuếch đại quang trong môi trường khuếch đại phụ thuộc vào tần số của tín hiệu quang tới, cường độ chùm sáng khuếch đại tại các điểm khác nhau của bộ khuếch đại quang và chiều dài sợi quang pha tạp Er3+ Bước sóng λ(nm) Cường độ (a.u) Isignal out Isignal out Hình 3.3: Phổ tín hiệu ra 0 2 4 6 8 10 0 10 20 30 40 50 -40 -30 -20 -10 0 10 0 10 20 30 40 -10 0 10 20 30 40 -10 0 10 20 30 40 -10 -20 -15 -10 -5 0 5 2 4 6 8 10 0 Hệ số khuếch đại G(dB) Công suất bơm Pp(mW) Công suất bơm (mW) (a) Độ dài sợi khuếch đại L(m) (b) Công suất tín hiệu đầu ra (dBm) (c) Công suất tín hiệu đầu ra (dBm) (d) Hình 3.4: Sự thay đổi hệ số khuếch đại, công suất bơm, độ dài bộ khuếch đại và công suất tín hiệu lối ra L=20m 15 10 5 Pp=1mW 2 3 4 5 8 7 6 Pp=1mW 2 3 4 5 6 7 8 9 10 G=25dB 20 15 10 5 Hệ số khuếch đại G(dB) Hệ số khuếch đại G(dB) Hệ số khuếch đại là một trong những thông số quan trọng của bộ khuếch đại EDFA. Hình 3.4 minh hoạ cho ta một loạt sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào các thông số khác nhau. Hình 3.4a biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất bơm với một số độ dài sợi cố định. Hệ số khuếch đại lúc đầu tăng nhanh theo quy luật hàm mũ đối với công suất bơm, sau đố tốc dộ tăng của G sẽ nhỏ dần khi công suất bơm vượt quá ngưỡng xác định bão hòa. Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào độ dài L của bộ khuếch đại khi dòng bơm là một dải cố định được chỉ ra trên hình 3.4b. Khi độ dài L lớn hơn một giá trị tối ưu nào đó đối với công suất bơm thì đoạn sợi thừa sẽ không được bơm đủ và trong bộ khuếch đại sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ tín hiệu đã khuếch đại trong đoạn trước. Hình 3.4c đưa ra sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại bão hòa vào công suất tín hiệu ra với công suất bơm cố định của bộ khuếch đại dài 15m. Sự bão hòa của công suất sẽ tăng theo sự tăng của công suất bơm. Hình 3.4d mô tả sự phụ thuộc của công suất bơm vào công suất tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại dài 15m với hệ số khuếch đại trong khoảng 5 ÷ 25dB. Những đường cong này giúp nhà thiết kế xác định công suất bơm cần thiết để có được tăng ích của bộ khuếch đại và công suất tín hiệu ra xác định. Bước sóng λ(nm) (a) 1500 1520 1540 1560 1580 Pp=4mW 6 8 40 15 -50 -40 -30 -20 -10 0 Công suất tín hiệu đầu vào Pin(dBm) (b) 10 15 20 25 30 35 G(dB) 20 0 40 G(dB) Hình 3.5: Sự thay đổi tăng ích theo bước sóng theo công suất tín hiệu đầu vào Hình 3.5a mô tả sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào bước sóng tín hiệu với các công suất bơm khác nhau. Khi được bơm mạnh, hệ số khuếch đại đạt được cao nhất tại bước sóng 1530nm. Việc nghiên cứu sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại theo bước sóng là rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống ghép kênh theo nhiều bước sóng (WDM). Hình 3.5b cho thấy sự phụ thuộc của tăng ích vào công suất tín hiệu đầu vào. Đường cong này giúp xác định vùng khuếch đại tín hiệu nhỏ cho hệ số khuếch đại lớn nhất. Tăng ích bão hòa Tăng ích bão hòa công suất ra của bộ khuếch đại phụ thuộc vào theo biểu thức (3.22), giảm khi công suất tín hiệu tăng gần bằng . Như vậy, ta sẽ có hệ số khuếch đại G giảm khi công suất quang của tín hiệu tới đạt tới một ngưỡng nào đó. Hiện tượng này gọi là sự tăng ích bão hòa. Xét trường hợp tấn số ánh sáng tới , từ đó thay biểu thức của từ phương trình (3.22) vào phương trình (3.26) ta sẽ thu được sự biến thiên công suất tín hiệu dọc theo sợi quang pha tạp Er3+ như sau: (3.31) Sử dụng các điều kiện và chúng ta thu được biểu thức cho hệ số khuếch đại khi tín hiệu vào có công suất lớn: (3.32) Phương trình (3.32) cho thấy hệ số khuếch đại G giảm từ giá trị chưa bão hòa (cũng là giá trị cực đại của nó) khi công suất tín hiệu ra gần bằng với. Một tính chất thu được từ thực nghiệm là công suất của tín hiệu ra bão hòa được định nghĩa là công suất ra khi hệ số khuếch đại G giảm một nửa (tức là giảm đi 3dB) từ giá trị chưa bão hòa của nó. Như vậy, khi bão hòa ta có , thay vào phương trình (3.32) ta có: (3.33) Công suất ra bão hòa nhỏ hơn công suất bão hòa khoảng 30%.. Thực vậy, qua thực nghiệm người ta thấy do >>2 (=1000 hay 30dB) nên . Chúng ta không nên nhầm lẫn giữa với là một thông số bên trong của một bộ EDFA không phụ thuộc vào công suất vào, ra hay độ dài sợi khuếch đại. Công suất ra bão hòa là một thông số quan trọng của bộ EDFA. Khi thiết kế các bộ khuếch đại quang, ta thường tính toán ở mức khuếch đại bão hòa, để giảm thiểu năng lượng dư thừa trong sợi. Vì năng lượng dư thừa sẽ tạo nên nhiễu do khuếch đại bức xạ tự phát (Amplified Spontaneous Emission – ASE). Phổ ASE Phổ của khuếch đại bức xạ tự phát ASE có dạng gần giống với phổ của hệ số khuếch đại nên nó cung cấp các thông tin có ích về các đặc tính của bộ EDFA. Dạng phổ ASE sẽ phụ thuộc theo công suất bơm, đặc biệt là tại vị trí bước sóng 1530nm. Ban đầu khi công suất bơm thấp, nghịch đảo độ tích lũy còn yếu thì đỉnh phổ ASE tại bước sóng 1530nm rất thấp do xác suất hấp thụ và bức xạ là gần nhau (theo phổ hấp thụ và bức xạ của ion Er3+). Khi tăng dòng bơm, nghịch đảo độ tích lũy ngày càng tăng lên và đạt tới chế độ bão hòa thì đỉnh phổ ASE tại vị trí bước sóng 1530nm sẽ cao dần lên và khi tới chế độ bão hòa thì nó đạt cực đại tại vị trí cao nhất. Điều này là do tại chế dộ bão hòa, xác suất bức xạ tại bước sóng 1530nm là lớn nhất. Hình 3.6: Phổ ASE với công suất bơm là 4, 6, 8, 15 và 20mW (a) đồng hướng (b) ngược hướng 1500 1520 10-6 4 6 1540 1560 1580 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10-0 8 20 15 Bước sóng λ(nm) (b) Công suất ASE (mW) 1500 1520 10-6 4 6 1540 1560 1580 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10-0 8 20 15 Bước sóng λ(nm) (a) Công suất ASE (mW) Hình 3.6 cho thấy sự thay đổi dạng phổ ASE theo công suất bơm. Với ASE đồng hướng, ta có thể thấy rõ được sự dịch đỉnh phổ của ASE tại vị trí bước sóng 1530nm nhưng với ASE ngược hướng thì lại khác. Với ASE ngược hướng, chỉ cần một công suất bơm rất nhỏ cũng có thể tạo được nghịch đảo độ tích lũy khá tốt tại đầu sợi. Chình vì vậy đỉnh phổ ASE ngược hướng tại bước sóng 1530nm đều nhô cao. Phổ ASE sẽ yếu đi khi cường độ tín hiệu quang trong sợi mạnh lên. Vì vậy điểm cần lưu ý khi thiết kế bộ khuếch đại EDFA cần thiết kế sao cho nó hoạt động ở chế độ gần bão hòa. Khi có tín hiệu ở lối vào bộ khuếch đại, lối ra luôn có nhiễu do ASE làm xấu đi chất lượng của tín hiệu. Với chế độ bơm thích hợp và tín hiệu vào đủ lớn thì nhiễu ASE sẽ yếu đi. Đó chính là thông số tối ưu cần quan tâm khi tính toán và khảo sát. Với các nguồn nhiễu trong mạch điện tử có nhiều cách để lọc bỏ nhiễu, nhưng đối với nguồn nhiễu ASE ta không có biện pháp để lọc bỏ đi được. Đặc biệt nếu trên tuyến có quá nhiều bộ khuếch đại EDFA thì nhiễu ASE sẽ tích lũy dần và tín hiệu sẽ không dùng được nữa. Thông số tạp âm EDFA là thiết bị đặt trên đường truyền tín hiệu, nên yêu cầu không được làm méo dạng tín hiệu và phát sinh tạp âm lớn, hệ số khuếch đại không phụ thuộc nhiều vào bước sóng và độ phân cực của tín hiệu vào. Trong thông tin quang thành phần nhiễu chủ yếu do các bộ khuếch đại quang, với khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+ thành phần nhiễu chủ yếu là do ASE và sự thay đổi cường độ quang ở lối ra của bộ khuếch đại. Thành phần ASE là do bản chất vật lý của hệ thống, sự ổn định cường độ quang phát ra do chất lượng của bộ laser bơm. Tạp âm của bộ khuếch đại được đánh giá qua thông số hình ảnh nhiễu (Noise Figure – NF) theo biểu thức sau: (3.34) Trong đó SNR là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (Signal Noise Ratio – SNR). SNR được tính theo công suất điện hình thành do tín hiệu quang chuyển thành dòng điện. Nói chung NF phụ thuộc vào các thông số của bộ thu quang. Nếu một bộ khuếch đại có tăng ích G với công suất đầu ra và đầu vào được cho bởi công thức . Ta có tỷ số tín hiệu trên tạp âm lối vào là : (3.35) Với h là hằng số Planck (h = 6,625.10−34Js), ν là tần số tín hiệu quang và là băng tần bộ thu. Để tính SNR ở lối ra của bộ khuếch đại ta cần tính thêm thành phần tạp âm do phát xạ ngẫu nhiên. Mật độ phổ của tạp âm phát xạ ngẫu nhiên là một hằng số (tạp âm trắng) có thể tính theo công thức sau: (3.36) Trong đó được gọi là yếu tố khuếch đại ngẫu nhiên hay yếu tố đảo mật độ đươc cho bởi: (3.37) Với N1 và N2 lần lượt là mật độ nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích. Nếu ảnh hưởng của các nguồn tạp âm khác là rất nhỏ ta có thể tính được SNR ở lối ra như sau: (3.38) Thay các phương trình (3.35) và (3.38) vào (3.34) ta thu được hình ảnh nhiễu của bộ khuếch đại là: (3.39) Khi bơm bằng bước sóng 1480nm, hình ảnh tạp âm NF thường lớn hơn so với bơm bằng bước sóng 980nm. Nguyên nhân là do bước sóng bơm rất gần bước sóng phát nên không thể đạt được trạng thái đảo mật độ hoàn toàn. Thông số tạp âm thường được biểu diễn qua đơn vị decibel (dB). Các bộ khuếch đại trong thực tế có NF = 4 ÷ 8dB. Khi trên tuyến có nhiều bộ khuếch đại nối tiếp nhau, NF sẽ tích lũy và ngày càng tăng, làm tín hiệu xấu đi. Do tạp âm trong các bộ khuếch đại quang chủ yếu sinh ra do khuếch đại bức xạ tự phát ASE, ta có: hνΔν (3.40) Thay (3.40) vào (3.39) ta có thể tính NF bằng biểu thức sau: (3.41) hay (3.42) Trong đó, là công suất ASE, là năng lượng photon, G là tăng ích của bộ khuếch đại và là dải thông tương đương với độ rộng phổ của tín hiệu. Hệ số khuếch đại G(dB) (a) 0 5 10 15 20 Công suất bơm Pp(mW) (b) NF(dB) Hình 3.7: Sự phụ thuộc của thông số tạp âm theo: tăng ích công suất bơm 25 3 4 5 6 7 NF(dB) 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0 10 20 30 40 Người ta xác định trong vùng tăng ích cao G>>1, thông số tạp âm luôn lớn hơn một giá trị xác định gọi là giới hạn lượng tử. Giới hạn nhỏ nhất này bằng 3dB. Như vậy, thông số tạp âm tỷ lệ nghịch với tăng ích của bộ khuếch đại. Khi hệ số khuếch đại càng lớn thì tạp âm càng nhỏ (hình 3.7a). Điều này tương đương với việc khi chúng ta tăng công suất bơm thì tạp âm sẽ nhỏ dần (hình 3.7b). Tuy nhiên, khi công suất bơm vượt quá ngưỡng xác định bão hòa và tăng ích G đã đạt cực đại thì thông số tạp âm tăng rất nhanh. Khi ở chế độ bão hòa, công suất bơm dư thừa sẽ chỉ làm tăng nhiễu ASE mà không làm khuếch đại tín hiệu thêm nữa. Chính vì vậy việc xác định công suất bơm bão hòa là rất cần thiết, nó vừa giúp tránh lãng phí nguồn bơm, vừa làm giảm thiểu tối đa tạp âm. Các cấu hình bơm cho khuếch đại quang EDFA Bơm đồng hướng Nguồn bơm Bộ cách ly quang Tín hiệu vào Bộ ghép quang Bộ cách ly quang Tín hiệu ra Sợi quang pha tạp đất hiếm Hình 3.8: Cấu hình bơm đồng hướng Cấu hính khuếch đại quang bơm đồng hướng có đặc điểm là sóng bơm và sóng tín hiệu cùng chiều nên có tạp âm thấp. Tuy nhiên công suất lối ra có thể bị suy giảm do hấp thụ ngược. P P Bơm mạnh Tín hiệu khi bơm mạnh Bơm yếu Ngưỡng khuếch đại No Tín hiệu khi bơm yếu L (chiều dài sợi) Hình 3.9: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài sợi Bơm ngược hướng Nguồn bơm Bộ cách ly quang Tín hiệu vào Bộ ghép quang Bộ cách ly quang Tín hiệu ra Sợi quang pha tạp đất hiếm Hình 3.10: Cấu hình bơm ngược hướng Sóng bơm và sóng tín hiệu ngược hướng nhau. Ưu điểm của cấu hình này là công suất quang lối ra cao, không bị ảnh hưởng của hấp thụ ngược và rất tiện lợi trong việc tăng cường công suất tín hiệu vào tuyến cáp quang. Nhược điểm của cấu hình này là tạp âm khá lớn do khuếch đại bức xạ tự phát (ASE – Amplifed Spontaneous Emission) P P Ngưỡng khuếch đại No L (chiều dài sợi) Hình 3.11: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài sợi Tín hiệu Bơm Bơm song công Nguồn bơm Bộ cách ly quang Tín hiệu vào Bộ ghép quang Bộ cách ly quang Tín hiệu ra Sợi quang pha tạp đất hiếm Hình 3.12: Cấu hình bơm song công Bộ ghép quang Nguồn bơm Khi kết hợp cả hai cấu hình trên ta sẽ có được các ưu điểm nổi bật như công suất quang ở lối ra cao và tạp âm tương đối thấp. P P Ngưỡng khuếch đại No L (chiều dài sợi) Hình 3.13: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài sợi Tín hiệu Bơm Nguồn bơm laser cho sợi quang pha tạp Er3+ trong dải phổ 1525 ÷ 1565nm là loại laser bán dẫn phát ở bước sóng 9803nm. Với những yêu cầu cho trước như mức tín hiệu, mức tăng ích, yêu cầu tạp âm, dòng bơm.v.v… ta cần có chiều dài sợi tối ưu để có thể đạt được hệ số khuếch đại tốt nhất theo yêu cầu. Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài L của bộ khuếch đại: với dòng bơm cố định, đoạn sợi pha tạp thừa ra sẽ không được bơm đủ và đoạn này sẽ hấp thụ mạnh tín hiệu, làm yếu đi hệ số khuếch đại rất nhiều. Giá trị tối ưu của L phụ thuộc nhiều vào công suất bơm và nồng độ của Er3+ pha tạp cao hay thấp. Những ưu, nhược điểm của bộ khuếch đại quang EDFA Đặc tính vượt trội của EDFA là chúng có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng trong dải phổ 1525 ÷ 1565nm, trong khuếch đại EDFA thời gian sống τ2 của ion Er3+ trên mức kích thích 4I13/2 là khá lớn (~ 10ms), chính vì vậy độ xuyên kênh của các bước sóng là khá bé (~ 10KHz), điều này rất phù hợp với hệ thống thông tin đa bước sóng (WDM – Wavelength Division Multiplexing). Hệ số khuếch đại của các bộ EDFA khá cao có thể đạt đến 30dBm, các bộ khuếch đại EDFA thường gọn nhẹ và hoạt động ổn định, giúp cho công tác bảo trì dễ dàng, rất cần thiết khi khuếch đại trên tuyến. Hiệu ứng xuyên kênh giữa các bước sóng phụ thuộc vào hoạt động bão hòa của bộ khuếch đại. Do tăng ích bão hòa của một kênh còn phụ thuộc vào công suất của các kênh lân cận. Do đó để tránh xuyên kênh bão hòa, ta thường để bộ khuếch đại hoạt động ở chế độ không bão hòa. Ngoài ra, xuyên kênh giữa các bước sóng còn do sự không đồng nhất của phổ tăng ích của EDFA, phổ phát xạ của Er3+ có hai đỉnh tại các bước sóng 1530 và 1560nm. 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 12 14 16 18 20 22 10 Sau khi qua 1 bộ EDFA Sau khi qua 13 bộ EDFA Hình 3.14: Phổ tăng ích không đồng đều trong vùng bước sóng 1550nm Vì phổ tăng ích không đồng đều nên người ta dùng nhiều biện pháp để làm phẳng phổ, như bố trí bước sóng bơm, hướng bơm, cường độ bơm và dùng các bộ lọc truyền qua theo tần số. Với các ưu điểm trên EDFA được dùng rất nhiều trong thông tin quang sợi. Tuy nhiên nó vẫn còn một số nhược điểm là chỉ bù được sự suy hao quang trong sợi mà không giải quyết được vấn đề tán sắc và các hiệu ứng quang phi tuyến, đồng thời sự tích lũy của tạp âm qua nhiều bộ khuếch đại sẽ hạn chế số bộ EDFA trên tuyến không thể quá lớn (<100 bộ). Các ứng dụng của khuếch đại EDFA trong mạng truyền dẫn quang Các bộ khuếch đại quang EDFA có thể được lắp đặt tại nhiều vị trí khác nhau trong hệ thống truyền dẫn. Tuỳ vào từng vị trí mà EDFA có các ứng dụng khác nhau như: Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier) để khuếch đại tín hiệu phát từ laser ở phía máy phát. Bộ tiền khuếch đại (PreAmplifier) để tăng độ nhạy ở phía máy thu. Bộ khuếch đại trên tuyến (In – line Amplifier) để bù suy hao đã bị mất mát trên đường truyền. Khuếch đại công suất Đầu phát Đầu thu Hình 3.15: Khuếch đại công suất Khuếch đại công suất để tăng cường công suất quang vào đường truyền. Trong trường hợp này, EDFA có công suất bão hòa cao và được đặt ngay sau nguồn phát nhằm khuếch đại công suất tín hiệu truyền đi. Bộ khuếch đại này được sử dụng trong trường hợp nguồn quang phát đi bị hạn chế về mặt công suất. Ta có thể đạt được công suất phát quang lớn dễ dàng nhờ các bộ EDFA. Tuy nhiên, trong trường hợp EDFA có hệ số khuếch đại lớn thì có thể dẫn tới hiệu ứng phi tuyến sợi làm mất mát công suất hệ thống. Đặc tính phi tuyến sợi trở thành vấn để đáng lưu ý cho tất cả các hệ thống có dung lượng cao và các tuyến không tram lặp cự ly xa. Cách bố trí này giảm nhẹ công suất phát của laser điều chế tín hiệu. Khuếch đại trên tuyến Đầu phát Đầu thu Hình 3.16: Khuếch đại trên tuyến Với đường truyền tốc độ thấp ảnh hưởng của tán sắc không lớn, tham số cần quan tâm đối với hệ thống truyền dẫn là suy hao của sợi. Khi truyền dẫn thông tin trên những khoảng cách rất dài, nếu như chỉ sử dụng bộ khuếch đại công suất hay bộ tiền khuếch đại sẽ không đảm bảo. Trong trường hợp này người ta phải sử dụng các bộ EDFA làm các bộ khuếch đại trên tuyến. Các bộ khuếch đại trên tuyến sẽ được bố trí thành chuỗi cách đều nhau trên toàn tuyến. Với các bộ khuếch đại trên tuyến, các xung ánh sáng có thể lan truyền mà không bị biến dạng, duy trì được mức công suất tối thiểu nhằm khắc phục ảnh hưởng của các hiệu ứng quang phi tuyến. Vì ASE sinh ra trong các bộ EDFA và tham gia vào hệ số khuếch đại nên ta cần duy trì tại đầu vào của từng bộ EDFA một công suất tín hiệu đủ lớn. Về mặt lý thuyết ta có thể sử dụng các bộ khuếch đại trên tuyến để kéo dài khoảng cách truyền dẫn lên đến hàng nghìn km. Tuy nhiên, nếu ta sử dụng nhiều bộ khuếch đại trên tuyến thì chất lượng truyền dẫn của hệ thống sẽ suy giảm do tạp âm tích lũy, do các hiệu ứng phân cực, tán sắc tích lũy và các hiệu ứng phi tuyến khác. Một trong các ưu điểm của các bộ khuếch đại EDFA được sử dụng cho lắp đặt trên tuyến là nó được lắp đặt dễ dàng và rất dễ bảo trì. Các bộ khuếch đại trên tuyến có thể tính toán để đặt ở vị trí thuận tiện trên tuyến thông tin, để dễ điều khiển hoạt động và cung cấp nguồn điện. Một số trường hợp như cáp quang trong lòng biển, người ta cũng nghiên cứu bơm cho EDFA từ xa nhờ laser bước sóng 1480nm. Tiền khuếch đại Đầu phát Đầu thu Hình 3.17: Khuếch đại công suất Bộ tiền khuếch đại thực hiện khuếch đại phía trước đầu thu. Nó khuếch đại những tín hiệu có công suất nhỏ ngay trước đầu thu quang để nâng cao độ nhạy đầu thu. Tín hiệu trước khi vào bộ khuếch đại này thường là yếu vì bị suy hao trên đường truyền. Khi công suất quang đến đầu thu tín hiệu quá yếu dưới ngưỡng hoạt động của đầu thu tín hiệu, người ta cũng dùng khuếch đại quang EDFA. Thực tế, khi EDFA được thương mại trên thị trường, người ta ứng dụng nó có hiệu quả cho các tuyến thông tin tốc độ cao nhiều Gigabite và cự ly xa không trạm lặp. Với các ứng dụng như vậy, hệ thống thông tin yêu cầu có công suất phát lớn và độ nhạy đầu thu cao. Đối với EDFA loại này, chúng ta không cấn quan tâm đến hiện tượng bão hòa. Tuy nhiên tín hiệu trước khi đưa vào EDFA bao gồm cả tạp âm do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) nên cần giảm tối đa công suất tín hiệu vào nhằm đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR – Signal Noise Ratio).