LUẬN VĂN: NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMAN CƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG KHUẾCH ĐẠI QUANG

Chia sẻ: Nguyễn Thị Bích Ngọc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

116
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng như các hệ thống thông tin khác, thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung. Đây là nguyên lý mà loài người đã sử dụng ngay từ thời kỳ khai sinh ra các hình thức thông tin

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN: NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMAN CƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG KHUẾCH ĐẠI QUANG

I H C QU C GIA HÀ N I TRƯ NG I H C CÔNG NGH Lê Tu n Linh NGHIÊN C U KHU CH I RAMAN CƯ NG B C NG D NG TRONG KHU CH I QUANG KHOÁ LU N T T NGHI P I H C H CHÍNH QUY Ngành: V t lý k thu t HÀ N I - 2011
I H C QU C GIA HÀ N I TRƯ NG I H C CÔNG NGH Lê Tu n Linh NGHIÊN C U KHU CH I RAMAN CƯ NG B C NG D NG TRONG KHU CH I QUANG KHOÁ LU N T T NGHI P I H C H CHÍNH QUY Ngành: V t lý k thu t Cán b hư ng d n: PGS.TS. Ph m Văn H i Cán b ng hư ng d n: TS.Bùi Huy HÀ N I - 2011
L i c m ơn Khoá lu n t t nghi p này là k t qu nghiên c u trong nhi u tháng n l c c a b n thân em dư i s hư ng d n, giúp c a r t nhi u ngư i Qua b n khoá lu n này cho phép em bày t lòng bi t ơn chân thành, sâu s c nh t n PGS.TS Ph m Văn H i và TS. Bùi Huy ã t n tình hư ng d n, giúp em hoàn thành khoá lu n t t nghi p. Em cũng r t bi t ơn các cán b và anh ch hi n ang công tác t i phòng V t li u và ng d ng Quang s i, vi n Khoa h c v t li u: anh Th Anh, anh Thanh H i … ã quan tâm, giúp và t o m i i u ki n v cơ s v t ch t cũng như thi t b cho vi c nghiên c u và hoàn thành khoá lu n này. Em cũng xin g i lòng bi t ơn sâu s c n các th y cô cùng các cán b công tác t i khoa V t lý k thu t và công ngh nano ã ào t o cho em không ch v ki n th c chuyên môn mà c v k năng s ng, h c t p và làm vi c. Khoá lu n này cũng là m t l i c m ơn sâu s c t i nh ng ngư i thân c a em- nh ng ngư i luôn bên c nh quan tâm em giúp em hoàn thành khoá lu n. Hà N i 20/05/11 Sinh viên Lê Tu n Linh
Tóm t t n i dung Tán x Raman là quá trình tán x không àn h i, x y ra do s tương tác c a ánh sáng v i môi trư ng v t ch t trong s i quang. Tán x Raman bao g m tán x Raman t phát và tán x Raman kích thích SRS. M t m t tán x Raman gây nh hư ng x u n quá trình truy n tín hi u trong s i quang, làm tăng nhi u trong h th ng thông tin quang nhưng m t khác tán x Raman cũng có nh ng nh hư ng tích c c, n i b t nh t là kh năng khu ch i tín hi u quang. B i v y, ngay t khi m i ư c phát hi n, tán x Raman ã thu hút ư c r t nhi u s quan tâm, nghiên c u. Tán x Raman kích thích(SRS) chính là cơ s phát tri n các b khu ch i quang Raman. Các b khu ch i quang Raman có r t nhi u ưu i m so v i nh ng lo i khu ch i quang ã ư c s d ng trư c ó và r t phù h p v i các h th ng WDM ang ư c tri n khai hi n nay. Các b khu ch i quang Raman ư c coi là l i gi i cho bài toán khu ch i quang trong các h th ng truy n d n quang dung lư ng l n, c ly dài và r t dài. Nh n th c ư c t m quan tr ng cũng như ý nghĩa to l n c a b khu ch i quang Raman, dư i s hư ng d n c a PGS.TS. Ph m Văn H i và TS. Bùi Huy, em ã t p trung nghiên tài “tán x Raman và ng d ng trong khu ch i thông tin quang”. Nh ng k t qu trong khoá lu n là nh ng k t qu bư c u ti n t i nh ng nghiên c u sâu hơn nh m ưa n nh ng ng d ng trong th c t .
L i cam oan Tôi xin cam oan n i dung trong b n án t t nghi p này là k t qu trong công trình nghiên c u c a riêng tôi dư i s hư ng d n c a PGS.TS Ph m Văn H i và TS. Bùi Huy. T t c các s li u ư c công b là hoàn toàn trung th c và chưa t ng ư c công b t i các tài li u, n ph m nào khác. Các s li u tham kh o khác u có ch d n rõ ràng v ngu n g c xu t x và ư c nêu trong ph n ph l c cu i khoá lu n. Hà N i ngày 20 tháng 5 năm 2011 Lê Tu n Linh
M cl c Chương 1. T ng quan v khu ch i quang……………………………………..1 1.1 Vài nét v h th ng thông tin quang……………………………………...1 1.1.1.L ch s phát tri n c a h th ng thông tin quang…………..…………….1 1.1.2.Các thành ph n cơ b n c a h th ng thông tin quang…………...............2 1.1.3. Ưu i m c a h th ng thông tin quang…………………………………3 1.2 T ng quan v khuy ch i quang…………………………………………4 1.2.1 Nguyên lý c a khu ch i quang……………………………………….5 1.2.2 ng d ng c a khu ch i quang……………………………………….7 1.2.3 Các thông s chính c a khu ch i quang……………………………...8 1.2.3.1 H s l i,h s khu ch i…………………………………..........8 1.2.3.2 Băng thông l i,băng thông khu ch i………………………..…9 1.2.3.3 Công su t ngõ ra bão hoà…………………………………………...10 1.2.3.4 H s nhi u…………………………………………………….........11 1.3 Phân lo i khu ch i quang……………………………………………......12 1.3.1 Khuy ch i quang bán d n……………………………………………..12 1.3.2 Khu ch i quang s i OFA(EDFA)……………………………………...14 Chương 2. Hi u ng tán x Raman và b khu ch i quang s i Raman……...16 2.1 Hi u ng tán x Raman……………………………………………..…..….16 2.2 Hi u ng tán x Raman cư ng b c (SRS)………………………………...18 2.3 Khu ch i quang Raman …………………………………………………20 2.3.1 Khu ch i quang Raman……………………………………………….20 2.3.2 l i băng thông gr c a ph Raman trong s i th y tinh Silica tinh khi t và trong s i nh y quang, s i bù tán s c DCF………………………………….22 2.3.3 Mô hình c a b khu ch i quang Raman……………………………...24 2.3.4 D i r ng c a khu ch i quang Raman…………………………………25 2.4 nh hư ng c a tán x Raman trong h th ng WDM……………………26 Chương 3 K t qu và th o lu n…………………………………………………..30 3.1 Các thi t b và linh ki n s d ng trong th c nghi m…………………….30 3.2 Các sơ thi t l p cho th c nghi m………………………………………32 3.3 Các k t qu th c nghi m và th o lu n……………………………………33 K t lu n…………………………………………………………………………….40 Tài li u tham kh o…………………………………………………………………41
Chương 1. T ng quan v khu ch i quang 1.1 Vài nét v h th ng thông tin quang 1.1.1 L ch s phát tri n c a h th ng thông tin quang Thông tin quang có t ch c h th ng cũng như các h th ng thông tin khác, thành ph n cơ b n nh t c a h th ng thông tin quang luôn tuân th theo m t h th ng thông tin chung. ây là nguyên lý mà loài ngư i ã s d ng ngay t th i kỳ khai sinh ra các hình th c thông tin. Tín hi u c n truy n ư c phát vào môi trư ng truy n d n tương ng và u thu s thu l i tín hi u c n truy n. i v i h th ng thông tin quang thì môi trư ng truy n d n ây chính là s i quang. S i quang th c hi n truy n ánh sáng mang tín hi u thông tin t phía phát t i phía thu. Vào năm 1960, vi c phát minh ra laser làm ngu n phát quang ã m ra m t th i kỳ m i có ý nghĩa to l n trong l ch s c a k thu t thông tin s d ng d i t n ánh sáng. Thông tin b ng tia laser xuyên qua không trung xu t hi n nhưng ch u nh hư ng c a th i ti t, máy phát và ph i nhìn th y nhau, tia laser nguy hi m cho m t ngư i…nên vi c s d ng b h n ch . Laser bán d n xu t hi n vào năm 1962 cùng v i s i quang giá thành h l n u tiên ư c ch t o vào năm 1970 làm cho thông tin quang tr thành hi n th c. Ánh sáng ư c ghép t laser bán d n vào s i quang và truy n trong s i quang theo nguyên lý ph n x n i toàn ph n nên kh c ph c ư c các như c i m c a thông tin b ng tia laser. Trong nh ng năm 1970 laser bán d n GaAs/GaAlAs phát vùng h ng ngo i g n 0.8µm ã ư c ch t o và s d ng cho thông tin quang s i. Năm 1980 các h th ng thông tin quang s i th h u tiên ư c ưa vào ho t ng (t c 45Mb/s và kho ng cách l p 10km). u nh ng năm 80, h th ng thông tin quang th h th hai s d ng laser 1310nm b t u ư c s d ng. Th i gian u, t c bít ch t 100Mb/s do tán s c s i a mode. Khi s i ơn mode ư c ưa vào s d ng, t c bít ã ư c tăng lên r t cao. Năm 1987, h th ng thông tin quang 1310nm có t c bít 1.7Gb/s v i kho ng cách l p 50km ã có m t trên th trư ng. Th h th ba c a các h th ng thông tin quang s i ho t ng vùng sóng 1.55µm v it c bít 2.5Gb/s và kho ng cách l p 60 ÷ 70km. Khi s d ng các lo i s i quang bù tán s c và làm ph ng tán s c, kho ng cách l p s tăng lên. Th h th tư c a thông tin cáp quang là s d ng khuy ch i quang tăng kho ng cách l p và ghép nhi u bư c sóng trong m t s i quang tăng t c bít trong s i quang. Khuy ch i quang s i pha t p Erbium (EDFA) có kh năng bù công su t cho suy hao quang trong các kho ng cách l n hơn 100km. Năm 1991 l n u tiên h th ng thông tin 1
quang có EDFA ư c th nghi m truy n tín hi u s t c 2.5Gb/s trên kho ng cách 21000km và 5Gb/s trên kho ng cách 14300km. Năm 1996 h th ng thông tin quang qu c t dư i bi n ã ư c l p t, năm 1997 ư ng cáp quang vòng quanh thê gi i dư i bi n dài 27300km ã ư c ưa vào ho t ng k t n i nhi u nư c châu Âu, châu Á v i t c 5Gb/s và vài nơi t i 10Gb/s. S d ng công ngh ghép nhi u bư c sóng trên m t s i quang (WDM) làm tăng dung lư ng thông tin quang m t cách áng k . Trong năm 1996 ã th nghi m tuy n truy n d n 20 bư c sóng quang v i t c bít c a t ng bư c sóng là 5Gb/s trên kho ng cách 9100km, t c bít c a tuy n ã t 100Gb/s. Năm 2000 h th ng TPC-6 xuyên i Tây Dương có t c bít 100Gb/s ã ư c ưa vào ho t ng. Th h th năm c a h th ng thông tin quang d a trên cơ s gi i quy t v n tán s c trong s i quang. Khuy ch i quang ã gi i quy t r t hoàn h o s suy hao trong s i nhưng không gi i quy t ư c v n tán s c. Gi i pháp t t nh t gi i quy t v n tán s c là s d ng hi u ng Soliton quang. Hi u ng Soliton quang là hi u ng phi tuy n trong s i quang. Chúng d a trên cơ s tương tác bù tr tán s c c a các thành ph n quang trong m t xung quang c c ng n ư c truy n trong s i quang không có suy hao. Năm 1994 h Soliton th nghi m truy n tín hi u 10Gb/s trên kho ng cách 35000km và 15Gb/s trên kho ng cách 24000km. Năm 1996 h th ng WDM có 7 bư c sóng truy n Soliton trên kho ng cách 9400km v i t c bít 70Gb/s. Ngày nay, các m ng thông tin hoàn toàn quang ang ư c nghiên c u m nh m nh m tăng hơn n a t c thông tin. Các h th ng thông tin quang ã ư c ng d ng r ng rãi trên th gi i. Chúng áp ng ư c c tín hi u tương t và s . Chúng cho phép truy n d n t t c các tín hi u d ch v băng h p và băng r ng, áp ng m i nhu c u c a m ng s hoá liên k t a d ch v (ISDN). S lư ng cáp quang hi n nay ư c l p t trên th gi i v i s lư ng l n, m it c truy n d n v i các c ly khác nhau, các c u trúc m ng a d ng. Nhi u nư c l y cáp quang làm môi trư ng truy n d n chính cho m ng vi n thông. Các h th ng thông tin quang s là mũi t phá v t c , c ly truy n d n và c u trúc linh ho t cho d ch v vi n thông c p cao. 1.1.2 Các thành ph n cơ b n c a h th ng thông tin quang H th ng thông tin quang s i cũng gi ng như h th ng thông tin quang khác bao g m b n thành ph n cơ b n là máy phát quang, máy thu quang, môi trư ng truy n và tín hi u thông tin (tín hi u l i vào, tín hi u l i ra như trên hình 1.1). Tín hi u Tín hi u l i vào l i ra Máy phát Môi trư ng Máy thu quang truy n quang Hình 1.1. Các thành ph n cơ b n c a m t h th ng thông tin quang 2
Vai trò c a b phát quang là bi n i tín hi u i n thành tín hi u quang và ưa tín hi u quang vào s i quang. Linh ki n chính c a b phát quang là ngu n phát quang: h th ng thông tin quang s i thư ng s d ng các b ngu n phát quang bán d n là di t phát quang (LED) và laser bán d n. Môi trư ng truy n d n quang chia làm hai lo i: truy n trong s i quang và truy n trong không gian. tăng kho ng cách truy n b gi i h n b i s suy hao trong s i quang ngư i ta có th s d ng các b l p ho c các b khuy ch i quang s i. B l p có nhi m v thu tín hi u quang, bi n i quang - i n (O/E), s a l i xung i n, khuy ch i tín hi u và bi n i i n - quang (E/O) tr l i. Nh ng h th ng thông tin quang hi n i ch y u s d ng các b khuy ch i quang s i pha Erbium (EDFA),b khu ch i Raman.. các b khuy ch i Raman khuy ch i tr c ti p tín hi u quang và có nhi u ưu vi t so v i các b l p. Tín hi u quang u phía bên kia c a h th ng ư c thu b i máy thu quang. Vai trò c a b thu quang là chuy n i tín hi u quang thành tín hi u i n và ph c h i các s li u ã truy n qua h thông thông tin quang. Linh ki n ch y u trong b thu quang là các photodiode có c u trúc và v t li u ch t o thích h p cho băng t n và bư c sóng c n thu. 1.1.3 Ưu i m c a h th ng thông tin quang • Dung lư ng l n: Các s i quang có kh năng truy n nh ng lư ng l n thông tin. V i công ngh hi n nay trên hai s i quang có th truy n ư c ng th i 60.000 cu c àm tho i. M t cáp s i quang (có ư ng kính ngoài 2 cm) có th ch a ư c kho ng 200 s i quang, s tăng ư c dung lư ng ư ng truy n lên 6.000.000 cu c àm tho i. So v i các phương ti n truy n d n b ng dây thông thư ng, m t cáp l n g m nhi u ôi dây có th truy n ư c 500 cu c àm tho i. M t cáp ng tr c có kh năng v i 10.000 cu c àm tho i và m t tuy n viba hay v tinh có th mang ư c 2000 cu c g i ng th i. • Kích thư c và tr ng lư ng nh : So v i m t cáp ông có cùng dung lư ng, cáp s i quang có ư ng kính nh hơn và kh i lư ng nh hơn nhi u. Do ó d l p t hơn, c bi t nh ng v trí có s n dành cho cáp. • Không b nhi u i n: Truy n d n b ng s i quang không b nh hư ng b i nhi u i n t (EMI) hay nhi u t n s vô tuy n (RFI) và nó không t o ra b t kỳ s nhi u n i t i nào. S i quang có th cung c p m t ư ng truy n “s ch” nh ng môi trư ng kh c nghi t nh t. Các công ty i n l c s d ng cáp quang, d c theo các ư ng dây i n cao th cung c p ư ng thông tin rõ ràng gi a các tr m bi n áp. Cáp s i quang cũng không b xuyên âm. Th m chí dù ánh sáng b b c x ra t m t s i quang thì nó không th thâm nh p vào s i quang khác ư c. • Tính cách i n: S i quang là m t v t cách i n. S i th y tinh này lo i b nhu c u v các dòng i n cho ư ng thông tin. Cáp s i quang làm b ng ch t i n môi thích h p không ch a v t d n i n và có th cho phép cách i n hoàn toàn cho nhi u ng d ng. Nó có th lo i b ư c nhi u gây b i các dòng i n ch y vòng dư i t hay nh ng trư ng h p nguy hi m gây b i s phóng i n trên các ư ng dây thông tin như sét hay nh ng tr c tr c v i n. ây th c s là m t phương ti n an toàn thư ng ư c dùng nơi c n cách i n. 3
• Tính b o m t: S i quang cung c p b o m t thông tin cao. M t s i quang không th b trích l y tr m thông tin b ng các phương ti n i n thông thư ng như s d n i n trên b m t hay c m ng i n t , và r t khó trích l y thông tin d ng tín hi u quang. Các tia sáng truy n lan tâm s i quang và r t ít ho c không có tia nào thoát kh i s i quang ó. Th m chí n u ã trích vào s i quang ư c r i thì nó có th b phát hi n nh ki m tra công su t ánh sáng thu ư c t i u cu i. Trong khi các tín hi u thông tin v tinh và viba có th d dàng thu gi i mã ư c. • tin c y cao và d b o dư ng: S i quang là m t phương ti n truy n d n ng nh t và không gây ra hi n tư ng pha- inh. Nh ng tuy n cáp quang ư c thi t k thích h p có th ch u ng ư c nh ng i u ki n v nhi t và m kh c nghi t và th m chí có th ho t ng dư i nư c. S i quang có th i gian ho t ng lâu, kho ng 20 – 30 năm. Yêu c u v b o dư ng i v i m t h th ng cáp quang là ít hơn so v i yêu c u c a m t h th ng thông thư ng do c n ít b l p i n hơn trong m t tuy n thông tin. • Tính linh ho t: Các h th ng thông tin quang u kh d ng cho h u h t các d ng thông tin s li u, tho i và video. Các h th ng này u có th tương thích v i các chu n RS.232, RS422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet, tho i 2/4 dây, tín hi u E/M, video t ng h p và còn nhi u n a. • Tính m r ng: Các h th ng s i quang ư c thi t k thích h p có th d dàng ư c m r ng khi c n thi t. M t h th ng dùng cho t c s li u th p, ví d T1 (I 544 Mb/s) có th ư c nâng c p tr thành m t h th ng t c s li u cao hơn, OC-12 (622 Mb/s), b ng cách thay i các thi t b i n t . H th ng cáp s i quang có th v n ư c gi nguyên như cũ. • S tái t o tín hi u: Công ngh ngày nay cho phép th c hi n nh ng ư ng truy n thông b ng cáp quang dài trên 70 km trư c khi c n tái t o tín hi u, kho ng cách này còn có th tăng lên t i 150 km nh s d ng các b khu ch i laze. Trong tương lai, công ngh có th m r ng kho ng cách này lên t i 200 km và có th 1000 km. Chi phí ti t ki m ư c do s d ng ít các b l p trung gian và vi c b o dư ng chúng có th là khá l n. Ngư c l i, các h th ng cáp i n thông thư ng c vài km có th ã c n có m t b l p. Suy hao th p: s phát tri n c a s i quang qua nhi u năm ã t ươck k t qu trong vi c ch t o s i quang có suy hao r t th p. S i quang ư c ch t o v i suy hao 0.2dB/km và c tính này tr thành l i th chính c a thông tin quang. i u này thu n l i cho vi c t b khuy ch i cho m i kho ng cách trên ư ng truy n mà không c n chuy n sang tín hi u i n bư c trung gian, do ó gi m ư c giá thành và c ph c t p c a h th ng. 1.2 T ng quan v khuy ch i quang i v i tín hi u quang, khi kho ng cách truy n d n l n, s suy gi m tín hi u là không th tránh kh i. Suy hao c a s i quang là nguyên nhân gi i h n c ly truy n c a các h th ng thông tin quang. Gi i h n v suy hao ư c kh c ph c b ng cách s d ng các tr m l p quang i n (optoelectronic repeater). Trong các tr m l p quang i n này, quá 4
trình khuy ch i tín hi u quang ư c th c hi n qua nhi u bư c. u tiên tín hi u quang s ư c bi n i thành dòng i n b i các b thu quang (optical receiver) s d ng linh ki n tách sóng quang như PIN hay PAD. Dòng quang i n thu ư c s ư c tái t o l i d ng xung, nh th i và khuy ch i b i các m ch ph c h i tín hi u và m ch khuy ch i. Sau ó, tín hi u i n s ư c bi n i thành tín hi u quang thông qua các ngu n quang trong b phát quang (optical transmitter) và ư c truy n i trong s i quang. Như v y, quá trình khuy ch i tín hi u ư c th c hi n trên mi n i n. Hình 1.2. B l p quang i n Các tr m l p quang i n ã ư c s d ng ph bi n trong các h th ng truy n d n quang m t bư c sóng như h th ng truy n d n quang SDH. Tuy nhiên, khi s d ng cho các h th ng truy n d n a bư c song như h th ng WDM, r t nhi u tr m l p quang i n c n ư c s d ng khuy ch i và tái t o các kênh quang có bư c sóng khác nhau. i u này làm tăng ph c t p cũng như tăng giá thành c a h th ng truy n d n quang WDM. Cùng v i s phát tri n c a khoa h c công ngh , ngư i ta th c hi n ư c quá trình khuy ch i tr c ti p tín hi u quang mà không c n ph i thông qua quá trình bi n i v tín hi u i n, ó g i là k thu t khuy ch i quang (Optical Amplifier). K thu t khuy ch i quang ra i ã kh c ph c ư c nhi u h n ch c a tr m l p. So v i các tr m l p, các b khuy ch i quang có các ưu i m sau: - Khuy ch i tr c ti p tín hi u quang, không có m ch tái t o th i gian hay m ch ph c h i (các b bi n i E/O ho c O/E). Do ó khuy ch i quang s tr nên linh ho t hơn. - Không ph thu c vào t c bít và phương pháp i u ch tín hi u nên nâng c p h th ng ơn gi n hơn. - Khuy ch i nhi u tín hi u có bư c sóng khác nhau cùng truy n trên m t s i quang. Vi c nghiên c u khuy ch i quang ngày càng phát tri n và ư c ng d ng r ng rãi. Có nhi u xu hư ng nghiên c u v b khuy ch i quang, và trong th i gian qua các nghiên c u thành công ch y u t p trung vào hai lo i chính: - Khuy ch i quang bán d n SOA (Optical Semiconductor Amplifier) - Khuy ch i quang s i pha t p Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier) 5
Tuy nhiên, do yêu c u nâng c p m ng thông tin quang DWDM lên hàng trăm kênh, vi c nghiên c u phát tri n các lo i khu ch i quang khác ã ư c y m nh, trong ó khu ch i quang trên cơ s hi u ng tán x Raman cư ng b c (ROA) ư c c bi t quan tâm trên th gi i. 1.2.1 Nguyên lý b khu ch i quang Nguyên lý khu ch i quang d a trên nguyên lý phát x kích thích và không có c ng hư ng trong khu ch i. Hi n tư ng phát x kích thích là m t trong ba hi n tư ng bi n i quang i n ư c ng d ng trong thông tin quang.Các hi n tư ng này ư c minh ho trong hình: Hình 1.3. Các hi n tư ng bi n i quang i n Hi n tư ng h p th x y ra khi có ánh sáng t i có năng lư ng Ev =hf12 tác ng vào v t li u có r ng vùng c m Eg =E2-E1 b ng nhauEv=Eg). Khi ó, i n t s nh n năng lư ng và ư c nh y lên m c năng lư ng cao hơn. ây chính là nguyên nhân chính gây ra hi n tư ng suy hao cho tín hi u quang. Hi n tư ng phát x t phát x y ra khi m t i n t m c năng lư ng cao chuy n xu ng m c năng lư ng th p, ng th i phát ra m t photon có m c năng lư ng Ev b ng l n d i c m Eg. M i m t v t li u s có m t th i gian s ng khác nhau, khi h t th i gian s ng nó s th c hi n b c x t phát. ây chính là nguyên nhân gây ra nhi u c a b khu ch i. Hi n tư ng phát x kích thích x y ra khi có m t ánh sáng có năng lư ng photon Ev chính b ng năng lư ng d i c m Eg. Khi ó, m t i n t m c năng lư ng cao s b chuy n xu ng m c năng lư ng th p hơn và phát ra photon có cùng pha v i ánh sáng kích thích. ây chính là nguyên lý khu ch i c a b khu ch i quang. Có th d dàng nh n th y r ng, hi n tư ng b c x t phát có th x y ra b t ký lúc nào, và s gây ra nhi u cho b khu ch i, ư c g i là nhi u t phát(ASE). Hi n tư ng h p th thì s gây ra suy y u b khu ch i. Như v y, n u m t năng lư ng trong v t li u khu ch i là th p s gây ra hi n tư ng h p th l n. i u ó d n n, n u mu n khu ch i l n chúng ta ph i th c hi n o m t h t. 6
1.2.2 ng d ng c a khuy ch i quang Hình 1.4. Các ng d ng khu ch i a) Khu ch i công su t(Booster Amplifier) b) Khu ch i trên tuy n (in-line amplif er) c) B ti n khu ch i(Preamplifier) Khu ch i quang ư c ng d ng trong các h th ng truy n d n quang như các b khu ch i nh m làm tăng công su t c a tín hi u quang trên ư ng truy n, kh c ph c suy hao do s i quang và các m i hàn, n i x y ra trên ư ng truy n. Tuỳ theo v trí l p t, các b khu ch i trên tuy n truy n d n quang ư c chia làm ba lo i: Khu ch i công su t (Booster Amplifier): là b khu ch i quang ư c t ngay sau thi t b phát nh m m c ích làm tăng công su t quang n m c cao nh t làm cho kho ng cách truy n c c i. Yêu c u c a các b khu ch i công su t là t o ra công su t u ra c c i ch không ph i l i c c i vì công su t tín hi u ngõ vào l n. Khu ch i trên tuy n (In-line Amplifier): là b khu ch i quang ư c t ngay trên tuy n quang nh m m c ích bù m t mát công su t gây ra b i suy hao s i, suy hao do k t n i và suy hao do vi c phân ph i tín hi u quang trong m ng. Các b khu ch i ư ng dây có th ư c l p t n i ti p nhau trên ư ng truy n làm gia tăng kho ng cách l p t. Tuy nhiên, vi c l p t n i ti p các b khu ch i quang s làm gi m h s SNR nh hư ng n ch t lư ng c a h th ng truy n d n quang. Ti n khu ch i (Preamplifier): là các b khu ch i quang ư c t ngay trư c thi t b thu quang nh m khu ch i tín hi u ngay trư c khi tin hi u ư c ưa vào thi t b . 7
i u này làm gi m yêu c u nghiêm ng t c a b nh y thi t b thu và cho phép h th ng truy n d n quang ho t ng v i t c bit cao hơn. Do v trí l p t, các b ti n khu ch i ho t ng v i công su t tín hi u vào y u và m c nhi u u thu cao. Do v y, yêu c u c a b ti n khu ch i là nh y l n, h s G trung bình nhưng thông s nhi u ph i r t th p. Khu ch i quang Raman có thông s nhi u nh , vì v y chúng luôn ư c s d ng cho ti n khu ch quang. Tuy nhiên khuy ch i quang ch bù ư c công su t quang ã b suy hao trong tuy n truy n d n. Do khuy ch i quang không c i thi n ư c các t p âm, tán s c và các hi u ng quang phi tuy n, cho nên tuy n thông tin quang s d ng khuy ch i quang v n b h n ch v kho ng cách do các hi u ng nêu trên t o ra. S d ng khuy ch i quang trong h th ng thông tin quang a bư c sóng WDM có ý nghĩa công ngh quan tr ng vì khuy ch i quang có th khuy ch i t t c các bư c sóng t i trong băng t n khuy ch i. 1.2.3 Các thông s chính c a s i quang 1.2.3.1 H s l i, h s khu ch i H u h t các b khu ch i quang u ư c th c hi n thông qua hi u ng b c x kích thích. Khu ch i t ư c khi b khu ch i quang th c hi n bơm quang, hay bơm i n o l n m t . Nhìn chung khu ch i quang không ch ph thu c vào bư c sóng truy n mà còn ph thu c vào cư ng bơm,m t h t có trong v t li u. Chúng ta coi v t li u là ng nh t, ta có ư c phương trình sau: (1.1) Trong ó g0 là giá tr nh c a l i, ω là t n s c a tín hi u quang t i, ω0 là t n s truy n trung tâm, P là công su t c a tín hi u ư c khu ch i Ps là công su t bão hoà . Công su t bão hoà Ps ph thu c vào các tham s c a môi trư ng khu ch i. H s T2 trong phương trình 1.1 ư c g i là th i gian h i ph c phân c c, thư ng nh hơn 1 ps. Phương trình 1.1 có th dùng mô t các c tính quan tr ng c a b khu ch i như là băng t n l i, h s khu ch i và công su t u ra bão hoà. ch d chưa bão hoà, coi P/Ps
G= (1.3) H s khu ch i là m t thông s quan tr ng c a b khuy ch i. Nó c trưng cho kh năng khuy ch i công su t ánh sáng c a b khuy ch i. Tuy nhiên, h s khu ch i c a m t b khuy ch i b gi i h n b i các cơ ch bão hoà khu ch i. i u này làm gi i h n công su t quang ra c c i c a b khuy ch i. M t khác ta l i có công th c sau (1.4) Suy ra: P(z) = Pin exp(gz) (1.5) V i P(z) là công su t tín hi u t i v trí z so v i u vào. Gi s kho ng r ng c a b khu ch i là L, khi ó Pout =P(L). Suy ra h s khu ch i c a tín hi u quang có dài L là: G(ω)= = = (1.6) D dàng nh n th y r ng, g(ω) t giá tr l n nh t t i ω=ω0 nên G(ω) cũng t giá tr l n nh t t i ω0. Và giá tr hai h s này cũng u gi m khi (ω-ω0 ) tăng, Ta có bi u sau: Hình 1.5. M i tương quan h s khu ch i và h s l i 1.2.3.2Băng thông l i Băng thông l i ư c nh nghĩa là =2/T2 hay là: (1.7) Như v y, n u v i b khu ch i quang bán d n có T2 =60fs. B khu ch i băng r ng thích h p v i các h th ng vi n thông thông tin quang, vì l ic a c băng t n g n như là h ng s , th m chí c khi ó là tín hi u a kênh. Băng t n khu ch 9
i ư c nh nghĩa là m t FWHM(full width at half maximum- r ng xung t i n a giá tr c c i), và liên quan v i theo công th c sau: (1.8) V i G0 = exp(g0L). D dàng nh n th y, băng t n khu ch i nh hơn băng t n l i, và s khác bi t này còn tuỳ thu c vào l i khu ch i. 1.2.3.3 Công su t ngõ ra bão hoà l i bão hoà bão hoà c a l i ph thu c vào giá tr g(ω) trong phương trình 1.1. D dàng nh n th y r ng, khi P ti n t i Ps thì giá tr g gi m d n, ng th i h s khu ch i G cũng gi m theo tăng c a công su t tín hi u. Chúng ta coi giá tr nh x y ra khi ω=ω0 . Theo 1.1 và 1.4, chúng ta có: (1.9) Xét phương trình v i chi u dài b khu ch i là L, và coi P0=Pin và P(L)=GPin =Pout , t ó ta có phương trình: G=G0 exp ( ) (1.10) D dàng nh n th y, G b t u gi m d n t giá tr nh G0 khi giá tr Pout tg n t i giá tr công su t bão hoà Ps mô t trong hình 1.4. Hình 1.6. S ph thu c c a công su t ra (theo Ps) theo G(theo G0) 10
Công su t ngõ ra bão hoà (Saturation Output Power) Khi ho t ng ch tín hi u nh , công su t quang ngõ ta s tăng tuy n tính v i công su t quang ngõ vào theo h s G: Pout = G.Pin. Tuy nhiên, công su t ngõ ra không th tăng mãi ư c. B ng th c nghi m, ngư i ta th y r ng trong t t c các b khuy ch i quang, khi công su t ngõ vào Pin tăng n m t m c nào ó, h s G b t u gi m. K t qu là công su t ngõ ra không còn tăng tuy n tính v i tín hi u ngõ ra n a mà t tr ng thái bão hoà. Công su t ra bão hoà c a m t b khuy ch i quang cho bi t công su t ngõ ra l n nh t mà b khuy ch i ó có th ho t ng ư c. Thông thư ng, m t b khuy ch i quang có khu ch i cao s có công su t ra bão hoà cao b i vì s ngh ch o n ng cao có th ư c duy trì trong m t d i công su t vào và ra r ng. T công th c 1.10, chúng ta xem xét n công su t ngõ ra bão hoà,là công su t l n nh t t o ư c c ng ra, ký hi u là . Có th nh n th y r ng, giá tr l i này t ư c khi l i khu ch i gi m t 2 n 3 dB, tương ng v i giá tr G=G0/2. Khi ó, ta có công th c: = (1.11) 1.2.3.4 H s nhi u Cũng gi ng như các h th ng thông tin quang khác, b khu ch i này cũng có nhi u. Nguyên lý c a b khu ch i là d a trên nguyên lý b c x kích thích. Nhưng trong quá trình khu ch i, có r t nhi u các i n t h t th i gian s ng, chuy n i t m c năng lư ng cao xu ng m c năng lư ng th p, hay t d i d n sang d i hoá tr , ây chính là b c x t phát. B c x này, khi có phương cùng lu ng i n t , s gây nh hư ng lên biên và pha c a tín hi u. Hi n tư ng này ư c g i là hi n tư ng nhi u x t phát ASE. Do v y, công su t c a ra g m có công su t vào khu ch i và công su t b c x t phát: Pout=G.Pin+PASE (1.12) nh hư ng nhi u i v i b khu ch i quang ư c bi u di n b i h s nhi u NF, mô t s suy gi m t s tín hi u trên t p t i u ra và u vào: SNRin NF = SNFout Hay NF=SNRin(dB)-SNFout(dB) (1.13) Ngư i ta cũng ch ng minh ư c r ng, giá tr h ng s nhi u tính c th theo công th c sau: NF=2nsp 2nsp (1.14) 11
H s nhi u NF c a b khu ch i càng nh càng t t,và giá tr nh nh t có th t ư c là 3dB. T i giá tr này,chúng ta g i là giá tr lư ng t . 1.3 Phân lo i khu ch i quang Trong m t b khu ch i quang ,quá trình khu ch d i ánh sáng ư c th c hi n trong vùng tích c c. Các tín hi u quang ư c khu ch i trong vùng tích c c v i l n hay nh thì ph thu c vào năng lư ng ư c cung c p t ngu n bơm bên ngoài. Tuỳ theo c u t o c a vùng tích c c, có th chia khu ch i quang thành hai lo i chính là: Khu ch i quang bán d n SOA và khu ch i quang s i OFA. Trong khu ch i quang bán d n SOA, vùng tích c c ư c c u t o b ng v t li u bán d n. Ngu n cung c p năng lư ng khu ch i tín hi u là dòng i n. Trong khu ch i s i quang OFA, vùng tích c c là s i quang ư c pha t hi m. Ngu n cung c p năng lư ng là laser có bư c sóng phát quang nh hơn bư c sóng c a tín hi u c n khu ch i . M t trong nh ng lo i OFA tiêu bi u là EDFA. EDFA có nhi u ưu i m v c tính ký thu t so v i SOA. Ta s ch y u t p trung nghiên c u vào EDFA ph n t i. Ngoài ra, còn có m t lo i khu ch i ư c s d ng nhi u trong các h th ng WDM hi n nay là khu ch i Raman. Khu ch i Raman cũng s d ng s i quang làm vùng tích c c khu ch i ánh sáng. SOA và EDFA u ho t ng d a trên phát x kích thích còn khu ch i Raman d a trên nh hư ng phi tuy n c a s i quang(hi n tư ng tán x Raman kích thích SRS) hơn là hi n tư ng phát x kích thích. 1.3.1 Khuy ch i quang bán d n. Hình 1.7. Sơ kh i m t SOA Khu ch i quang bán d n (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) là h khu ch i tín hi u quang v i môi trư ng khu ch i s d ng v t li u bán d n. H khu ch i này có c u trúc tương t như nh ng diode laser Fabry-Perot, nhưng ư c trang b thêm các 12
l p ch ng ph n x hai gương c a môi trư ng khu ch i (h s ph n x nh hơn 0.001%) tránh c ng hư ng t o nên hi u ng laser. Ho t ng c a SOA d a vào nguyên lý khu ch i sóng ch y (traveling-wave) trong vùng i n tích không gian n m gi a 2 vùng bán d n lo i p và lo i n. Khi có dòng i n bơm cho SOA, các i n t s ư c bơm vào vùng d n (bán d n lo i n) và l tr ng bơm vào vùng hóa tr (bán d n lo i p). Photon n có bư c sóng thích h p s kích thích i n t và l tr ng tái h p trong mi n i n tích không gian và s phát x thêm m t photon n a có cùng t n s và pha v i photon n, như v y tín hi u quang ã ư c khu ch i. Các h khu ch i quang bán d n ư c làm t h p ch t bán d n như GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP, các v t li u này có th khu ch i quang trong vùng bư c sóng t 0.85 µm n 1.6 µm. Bư c sóng khu ch i c a SOA ph thu c vào r ng vùng c m và có th thay i tùy theo lo i v t li u bán d n. Các lo i khu ch i quang bán d n dùng trong thông tin quang s i là lo i có ph khu ch i trong vùng bư c sóng 1310 nm và 1550 nm. Nh ng ưu i m c a SOA: - Băng t n khu ch i khá r ng 40 nm – 80 nm. - Kích thư c nh g n và d b o trì. Như c i m c a SOA: - c i m c a SOA là vùng không gian khu ch i d n sóng có chi u dài khá bé (c mm) nên khó t ư c h s khu ch i cao (G < 16 dB). - Công su t tín hi u quang l i ra th p (P < 10 dBm). - H s t p âm NF khá cao (NF ~ 7 - 10 dB ). - Nh y c m v i phân c c ánh sáng c a tín hi u quang, nên công su t quang l i ra không n nh. - Các hi u ng phi tuy n như hi n tư ng xuyên kênh, tr n 4 sóng x y ra khá m nh. Hình 1.8. Các ng d ng cơ b n c a SOA Các ng d ng cơ b n c a SOA trong các h th ng thông tin quang có th phân thành ba lo i: khu ch i công su t tăng công su t phát c a laser, khu ch i ư ng 13
truy n bù suy hao truy n d n c a s i quang và ti n khu ch i c i thi n nh y thu. 1.3.2 Khu ch i quang s i OFA (EDFA) Nguyên lý khu ch i quang c a th y tinh pha t p Er3+, có th tóm t t như sau: - Ion Er3+ có sơ các m c năng lư ng như hình 1.9, quá trình khu ch i quang c a th y tinh pha t p Er3+ ch y u liên quan n 3 m c năng lư ng bên dư i c a ion Er3+, ó là các m c 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2. Hình 1.9. Sơ các m c năng lư ng c a ion Er3+ t do - c i m r t quan tr ng là m c năng lư ng 4I13/2 có th i gian s ng r t l n (τ ~ 10 ms) so v i th i gian s ng c a các m c 4I11/2 và 4I9/2 (τ ~ µs). Khi kích thích th y tinh pha t p erbium b ng laser có bư c sóng 980 nm ho c 810 nm, các ion Er3+ s chuy n d i t m c cơ b n 4I15/2 lên m c năng lư ng 4I11/2 ho c 4I9/2, vì th i gian s ng c a ion Er3+ tr ng thái m c năng lư ng 4I11/2 và 4I9/2 r t bé nên các ion Er3+ s nhanh chóng chuy n d i không phát x v m c kích thích 4I13/2. - Th i gian s ng c a ion Er3+ m c 4I13/2 l n hơn hàng ngàn l n so v i các m c bên trên, nên khi bơm v i m t năng lư ng l n chúng ta d dàng t o ư c tr ng thái ngh ch o m t phân b gi a m c 4I13/2 và m c cơ b n 4I15/2. - Khi m t photon có bư c sóng trong vùng 1550 nm i vào vùng d n sóng th y tinh pha t p Er3+ có ngh ch o m t tr ng thái gi a hai m c 4I13/2 và 4I15/2, hi n tư ng phát x cư ng b c s x y ra. Photon t i s kích thích ion Er3+ chuy n d i t m c 4I13/2 v m c cơ b n 4I15/2, chuy n d i này phát x thêm m t photon n a có cùng bư c sóng và pha v i photon t i, ây chính là nguyên lý khu ch i quang c a th y tinh pha t p Er3+. 14