Bộ giáo dục và đào tạo TRờng đại học vinh phan thị bích thảo khảo sát một số tính chất của nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium Luận văn thạc sĩ vật lý Vinh - 2007 Mục lục 1 - Lời cảm ơn 1 - Các chữ viết tắt 2 - Mở đầu 3 Chơng I: Tổng quan về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 6 1.1. Một số tính chất quang phổ của ion Er 3+ 6 1.2. Khuếch đại quang 10 1.3. Cấu trúc và hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 17 1.4. Kết luận chơng 1 24 Chơng II: nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 25 2.1. Nhiễu quang trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 25 2.2. Nhiễu cờng độ trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 28 2.3. Hệ số nhiễu 32 2.4. Kĩ thuật xây dựng đồ thị 35 2.5. Kết luận chơng II 36 Chơng III: Khảo sát một số tính chất của hệ số nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 37 3.1. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào độ dài sợi 38 3.2. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào công suất tín hiệu đầu vào 38 3.3. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào công suất bơm 39 3.4. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào sự nghịch đảo mật độ 40 3.5. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào hệ số khuếch đại 42 3.6. Khảo sát sự phụ thuộc của tỉ số G/NF vào G 43 3.7. Khảo sát sự phụ thuộc của tỉ số G/NF vào NF 44 3.8. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào công suất bơm và công suất tín hiệu đầu vào 45 3.9. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào công suất bơm và độ dài sợi 46 3.10. Chọn bộ thông số tối u cho bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 46 3.11. Kết luận chơng III 48 Kết luận chung 49 Tài liệu tham khảo 50 lời cảm ơn Luận văn đợc hoàn thành dới sự hớng dẫn của thầy giáo TS. Dơng Công 2 Hiệp. Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đối với ngời thầy hớng dẫn của mình - ngời đã đặt vấn đề, hớng dẫn và giúp đỡ tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy, cô giáo trong khoa Vật Lí và khoa đào tạo Sau đại học trờng Đại học Vinh, những ngời đã giúp tác giả tiếp thu đợc nhiều kiến thức bổ ích trong học tập cũng nh trong quá trình thực hiện luận văn. Tác giả cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả Các chữ viết tắt 3 ASE Amplified Spontaneous Emission Bức xạ tự phát đợc khuếch đại EDF Erbium Doped Fiber Sợi pha tạp Erbium EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium LD Laser Diode Điot laze MPI Multipath Interference Nhiễu giao thoa nhiều luồng NA Numerical Apeture Khẩu độ số OAR Opticaly Amplified Receiver Bộ thu khuếch đại OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi OSA Optical Spectrum Analyser Máy phân tích phổ quang RIN Relative Intensity Noise Nhiễu cờng độ tơng đối SE Spontaneous Emission Bức xạ tự phát SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh nhiều bớc sóng Mở đầu Trên các tuyến thông tin quang truyền thống, khi cự ly truyền dẫn dài suy hao tuyến vợt quá giá trị cho phép thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đờng truyền. Các trạm lặp ở đây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các quá trình biến đổi quang - điện, điện - quang. Các trạm lặp này đã đợc ứng dụng khá rộng rãi và đợc lắp hầu hết các tuyến thông tin quang trong thời 4 gian vừa qua. Thời gian gần đây, với sự phát triển của khoa học và công nghệ quang, ngời ta đã thực hiện đợc quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng mà không cần qua quá trình biến đổi về điện nào, đó là kĩ thuật khuếch đại quang. Kĩ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục đợc nhiều hạn chế của các trạm lặp nh về băng tần, cấu trúc phức tạp, tính phụ thuộc vào dạng tín hiệu, cấp nguồn, ảnh hởng của nhiễu điện từ, . 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 - quang nào. Cho tới nay có khá nhiều bộ khuếch đại quang đợc nghiên cứu: khuếch đại laser bán dẫn SLA, khuếch đại sợi pha tạp, khuếch đại Raman sợi và khuếch đại Brillouin sợi. Có hai loại khuếch đại quang thông dụng là khuếch đại laser bán dẫn và khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplified). Điều quan trọng của OFA là việc sử dụng các phần tử đất hiếm nh là một môi trờng khuếch đại nhờ việc pha lõi sợi trong quá trình chế tạo. Có nhiều ion đất hiếm khác nhau nh erbium, holmium, neodymium, samarium, thulium, . có thể đợc sử dụng để chế tạo bộ khuếch đại quang sợi hoạt động ở bớc sóng khác nhau từ m5,35,0 àữ . Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium EDFA (Erbium - doped fiber amplifier) có sức hấp dẫn nhất vì chúng hoạt động ở gần bớc sóng m55,1 à , vùng bớc sóng mà ở đó suy hao sợi gần nh là nhỏ nhất. Các đặc trng của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium nh dải truyền, hệ số khuếch đại, sự bão hoà và nhiễu đã đợc nhiều tác giả nghiên cứu. Trong đó nhiễu liên quan đến tín hiệu đợc khuếch đại là một chủ đề quan trọng trong hệ thống thông tin quang. Các đặc tính của nhiễu đợc thể hiện qua một số tham số mấu chốt xác định hiệu quả và chất lợng truyền dẫn thông tin trên toàn bộ hệ thống nh cự li truyền dẫn, tốc độ bít lớn nhất, tích số của tốc độ và cự ly [2, 7]. Vũ Văn San và một số tác giả khác đã nghiên cứu về đặc tính của nhiễu. 5 Có thể tóm tắt một số kết quả chính nh sau: 1. Hệ số nhiễu của bộ khuếch đại biểu thị sự suy giảm của tỉ lệ giữa tín hiệu và nhiễu tạo bởi bộ khuếch đại đạt giữa đầu vào và đầu ra . )RatioNoiseSignal( )RatioNoiseSignal( SNR SNR NF out in out in == 2. Chứng minh hệ số nhiễu phụ thuộc vào hệ số khuếch đại G và hệ số nghịch đảo mật độ SP N nh sau: . G 1G N2 G 1 NF SP += Bài toán đặt ra: Trên cơ sở các kết quả đã nghiên cứu ở trên, chúng ta có thể khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào độ dài sợi, công suất tín hiệu đầu vào, công suất bơm, sự nghịch đảo mật độ, hệ số khuếch đại. Từ đó tìm đợc bộ thông số tối u cho 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 khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium. Nội dung của luận văn đợc trình bày với bố cục gồm: mở đầu, chơng 1, chơng 2, chơng 3, kết luận chung và tài liệu tham khảo. Chơng 1: Tổng quan về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium. Trình bày một số tính chất quang phổ của ion Er 3+ , các cơ sở của khuếch đại quang và cấu trúc, hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium. Chơng 2: Nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium. Nghiên cứu các đặc tính nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium. Chơng 3: Khảo sát một số tính chất của hệ số nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào độ dài sợi, công suất tín hiệu đầu vào, công suất bơm, sự nghịch đảo mật độ, hệ số khuếch đại. Từ đó tìm đợc bộ thông số tối u cho bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium. 6 Kết luận chung: Tổng hợp các kết quả nghiên cứu đợc và rút ra kết luận, phơng pháp giảm nhiễu đến mức thấp nhất. Phơng pháp nghiên cứu: - Phân tích, tổng hợp tài liệu; - Ngôn ngữ lập trình Matlab. Chơng I Tổng quan về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 1.1. Một số tính chất quang phổ của ion Er 3+ 1.1.1. Các mức năng lợng của ion Er 3+ Ngời ta phát hiện ra rằng các ion Er 3+ có trạng thái siêu bền với thời gian tồn tại lên đến cỡ 10ms, hơn nữa mức siêu bền này cao hơn mức trạng thái năng lợng thấp nhất và mức chênh lệch này ứng với một photon có độ dài bớc sóng 7 cỡ m53,1 à và đây là bớc sóng có độ suy hao nhỏ nhất trong cáp quang. Một vài mức năng lợng quan trọng của ion Er 3+ đợc thể hiện trên hình 1.1 [10, 11]. Các kí hiệu bên trái của hình 1.1 chỉ các mức năng lợng ion. Các số này có dạng: J 1S2 L + trong đó: S là số lợng tử spin; L là mômen quỹ đạo, .,6,5,4,3,2,1,0L = đợc kí hiệu bằng các chữ cái .,I,H,G,F,D,P,S ; J là mômen toàn phần: SLJ += . Trên hình 1.1, các mức năng lợng cũng đợc đặt tên bởi các bớc sóng của photon tạo ra trong bớc chuyển tiếp từ mức năng lợng đó xuống mức năng lợng thấp nhất. Trong một EDFA, khuếch đại đợc thực hiện đối với các tín hiệu có b- ớc sóng trong vùng lân cận m53,1 à . Mỗi mức năng lợng đợc thể hiện trên hình 1.1 là một tập hợp của các mức năng lợng lân cận. Cơ chế bơm trong hầu hết các thiết bị hiện tại chủ yếu sử dụng laser bán dẫn có bớc sóng m48,1 à hoặc m98,0 à . Cơ chế bơm hoạt động ở bớc sóng m48,1 à đợc thực hiện bằng cách kích thích các ion Er 3+ từ mức năng lợng gần với mức thấp nhất lên gần mức đỉnh của dải năng lợng ứng với bớc sóng m53,1 à , và từ đó nó trở lại mức năng lợng thấp hơn. 8 Hình 1.1. Một số mức năng lượng đối với ion Er 3+ 2 15 4 I Mức thấp nhất 2 13 4 I m53,1 à 2 11 4 I m98,0 à 2 9 4 I m80,0 à Bơm 2 9 4 F m65,0 à Ngoài ra còn có các mức năng lợng hấp thụ khác. Tất cả các mức hấp thụ có mức năng lợng cao hơn trạng thái siêu ổn định của EDFA và mỗi mức hấp thụ này đều sử dụng vào mục đích bơm của EDFA. 1.1.2. Các cơ chế bức xạ cơ bản Xét các chuyển dịch điện tử có thể xảy ra giữa các mức năng lợng khi có sự tơng tác giữa một tia sáng và một nguyên tử. Lúc này, chỉ những quá trình bức xạ (trao đổi photon) là đợc tính đến. Nguyên tử đợc coi nh một hệ có hai mức năng lợng E i với mật độ c trú n i . Ba cơ chế cơ bản đợc xem xét là: hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cỡng bức [4,10]. 1.1.2.1. Quá trình hấp thụ Quá trình hấp thụ của một nguyên tử có hai mức năng lợng đợc thể hiện trên hình 1.2. Hiện tợng này xẩy ra khi nguyên tử ở trạng thái năng lợng thấp va chạm với một photon có năng lợng đúng bằng độ chênh lệch năng lợng giữa hai mức. Trong trờng hợp này photon sẽ bị hấp thụ và nguyên tử sẽ đợc kích thích lên trạng thái có năng lợng cao hơn. Trong thực tế bản chất sóng của photon là ở chỗ photon và nguyên tử không bao giờ chạm nhau theo nghĩa thông thờng. Trong quá trình tơng tác hấp thụ, trờng quang học sẽ mất đi một lợng tử năng l- ợng (hf). Photon này có thể tới từ một mode bất kì có tần số nằm trong độ rộng băng tần của chuyển tiếp, cho dù có phần lớn là các photon có các tần số gần vạch trung tâm hơn là ở hai biên của quang phổ. Đồng thời với một photon bị hấp thụ thì một nguyên tử từ mức năng lợng thấp sẽ đợc kích thích lên trạng thái 9 hf m E Hình 1.2. Qúa trình hấp thụ của nguyên tử n E có mức năng lợng cao hơn. Vì vậy hiện tợng hấp thụ này tuân theo định luật bảo toàn năng lợng và định luật bảo toàn xung lợng. 1.1.2.2. Quá trình phát xạ tự phát Hiện tợng phát xạ tự phát là khuynh hớng tự nhiên của tất cả các nguyên tử trở lại trạng thái có mức năng lợng thấp hơn. Trong quá trình này, nguyên tử ở trạng thái năng lợng cao sẽ tự động trở về trạng thái năng lợng thấp và phát ra một photon có năng lợng đúng bằng độ chênh lệch năng lợng giữa hai mức. Hiện tợng phát xạ tự phát đợc thể hiện trên hình 1.3. Các photon phát xạ tự phát phát ra cùng xác suất đối với tất cả các mode ánh sáng trong bề rộng vạch chuyển tiếp của nguyên tử. Các photon phát ra có pha ngẫu nhiên và có hớng nằm trong lân cận của trờng quang học tới, và vì vậy phát xạ tự phát là nguồn gây nhiễu trong hệ thống thông tin cáp sợi quang. 1.1.2.3. Quá trình phát xạ kích thích Phát xạ kích thích đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình khuếch đại quang học. Vào năm 1917, lần đầu tiên Einstein đã đa ra lí thuyết phát xạ kích thích dựa trên kết quả đạt đợc từ ứng dụng của nguyên lí cân bằng vào sự cân bằng của hệ thống nhiệt động. Hiện tợng phát xạ kích thích là kết quả của việc các nguyên tử bị kích thích bởi trờng quang học tới và nó nhảy từ trạng thái năng lợng cao xuống trạng thái năng lợng thấp và phát ra một photon có năng lợng thích hợp. Phát xạ kích thích đợc tạo ra bởi tơng tác trực tiếp giữa photon và các nguyên tử ở trạng thái năng lợng cao. Quá trình đợc thể hiện trên hình 1.4. 10 hf m E Hình 1.3. Qúa trình phát xạ tự phát n E