Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o

Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi

-------------------------------------

LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

KhuÕch ®¹i quang sîi pha

t¹p erbium

Chuyªn ngµnh : xö lý th«ng tin vµ truyÒn th«ng

Hµ thÞ ph−¬ng

Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: ts. Ng« quúnh thu

Hµ néi 2007

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan nh÷ng kÕt qu¶ trong luËn v¨n ®−îc x©y dùng hoµn toµn

lµ do b¶n th©n t«i nghiªn cøu vµ thùc hiÖn dùa trªn sù h−íng dÉn cña c« gi¸o

h−íng d©n vµ tham kh¶o c¸c tµi liÖu ®· ®−îc trÝch dÉn.

T¸c gi¶ luËn v¨n

Hµ ThÞ Ph−¬ng

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-1-

Môc lôc

Danh môc h×nh

Më ®Çu

Ch−¬ng 1: TÝnh chÊt quang cña thuû tinh pha t¹p ®Êt hiÕm........1

1.1. CÊu h×nh nguyªn tö cña c¸c ion ®Êt hiÕm. ............................................13

1.2. C¸c tÝnh chÊt c¬ b¶n cña ion Er

.......................................................... 15

1.2.1. CÊu h×nh nguyªn tö cña nguyªn tè Erbium ................................15

1.2.2. TiÕt diÖn hiÖu dông..................................................................... 16

1.2.3. Thêi gian sèng. ...........................................................................18

1.2.4. §é réng v¹ch vµ sù më réng v¹ch. ............................................. 21

1.2.5. Phæ hÊp thô vµ bøc x¹ cña Er

...................................................23

1.3. HiÖu øng t−¬ng t¸c Er

- Er

................................................................25

1.4. Kh¶o s¸t c¸c d¶i b¬m. ........................................................................... 29

1.4.1. Kh¶o s¸t chung ...........................................................................29

1.4.2. D¶i b¬m 800nm: .........................................................................30

1.4.3. D¶i b¬m 980nm .......................................................................... 31

1.4.4. D¶i b¬m 1480nm ........................................................................31

Ch−¬ng 2 : KhuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium ...............................33

2.1.C¬ së khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er ..................................................... 33

2.1.1.HÖ ph−¬ng tr×nh tèc ®é.................................................................... 33

2.1.2. Sù khuÕch ®¹i bøc x¹ tù ph¸t.......................................................... 37

2.1.3. HÖ ph−¬ng tr×nh truyÒn dÉn trong khuÕch ®¹i................................ 39

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-2-

2.2. C¸c ®Æc tr−ng cña khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er................................. 42

2.2.1. Phæ ASE.......................................................................................... 42

2.2.2. T¨ng Ých..........................................................................................43

2.2.3. Th«ng sè t¹p ©m (Noise Figure)..................................................... 47

2.3. øng dông cña bé khuÕch ®¹i EDFA trong m¹ng truyÒn dÉn quang......... 49

2.3.1. Bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt.................................................................49

2.3.2. KhuÕch ®¹i trªn tuyÕn ....................................................................50

2.3.3. Bé tiÒn khuÕch ®¹i. .........................................................................51

Ch−¬ng 3: M« pháng mét sè ®Æc tr−ng cña bé khuÕch ®¹i

quang sîi pha t¹p Er..............................................................................................52

3.1. Giíi thiÖu vÒ m« pháng vµ phÇn mÒm m« pháng .................................... 52

3.2. M« pháng bé khuÕch ®¹i quang EDFA...................................................54

3.2.1. X©y dùng hÖ ph−¬ng tr×nh rót gän ................................................. 56

3.2.2. C¸c th«ng sè ®Çu vµo cña bé khuÕch ®¹i EDFA........................... 58

3.3. KÕt qu¶ m« pháng. ................................................................................... 59

3.3.1. Sù phô thuéc vµo c«ng suÊt b¬m.................................................... 61

3.3.2. Sù phô thuéc cña chiÒu dµi sîi quang. ........................................... 64

3.3.3. Sù phô thuéc vµo c«ng suÊt tÝn hiÖu............................................... 66

3.3.4. Th«ng sè t¹p ©m. ............................................................................ 68

3.3.5. Sù phô thuéc vµo nång ®é .............................................................. 71

3.4. KÕt qu¶ Thùc nghiÖm vµ so s¸nh víi m« pháng ...................................... 73

3.4.1. CÊu h×nh bé khuÕch ®¹i quang EDFA............................................ 73

3.4.2. CÊu h×nh b¬m song c«ng................................................................ 74

3.4.3. So s¸nh gi÷a c¸c cÊu h×nh b¬m ...................................................... 75

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-3-

3.5. C¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm.......................................................................... 75

3.5.1. S¬ ®å thÝ nghiÖm............................................................................. 75

3.5.2. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm. ........................................................................ 77

3.6. So s¸nh kÕt qu¶ thùc nghiÖm víi m« pháng............................................. 87

Phô lôc

KÕt luËn

Tµi liÖu tham kh¶o

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-4-

Danh môc h×nh

H×nh 1.1 S¬ ®å sù t¸ch møc n¨ng l−îng cña ion Er do t−¬ng t¸c ®iÖn tö-®iÖn

tö vµ t−¬ng t¸c ®iÖn tö-tr−êng tinh thÓ……………..…………………………2

H×nh 1.2 CÊu tróc møc n¨ng l−îng của Er

…………………………………4

H×nh 1.3 TiÕt diÖn hÊp thô cña Erbium trong c¸c thuû tinh nÒn kh¸c nhau…..6

H×nh 1.4 TiÕt diÖn bøc x¹ cña Erbium trong c¸c thuû tinh nÒn trong h×nh 1.3.6

Hình 1.5 Sự dập tắt do nồng độ trong thuỷ tinh silica và CPG (calcium

metaphosphate)………………………………...……………………………..9

H×nh 1.6 So s¸nh phæ bøc x¹ cña ion Er

trong c¸c nÒn kh¸c nhau..............10

H×nh 1.7 Phæ hÊp thô cña sîi thuû tinh gèc silica pha t¹p Er

......................12

H×nh 1.8 So s¸nh phæ hÊp thô vµ bøc x¹ cña ion Er3+ pha t¹p trong sîi thuû

tinh silica…………………………………………………………………….12

H×nh 1.9 C¸c c¬ chÕ truyÒn n¨ng l−îng ion-ion…………………………….15

H×nh 1.10 Qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi ng−îc ®èi víi ion Er

…………….………16

Hình.1.11 ESA ở dải bơm 800 nm từ mức siêu bền

13/2+

...............................18

H×nh2.1 S¬ ®å hÖ 3 møc n¨ng l−îng…………………………………..……..22

H×nh 2.2 §å thÞ sù phô thuéc cña c«ng suÊt ASE (®ång h−íng vµ ng−îc

h−íng) theo vÞ trÝ trªn sîi. Sîi quang pha t¹p dµi 14m ®−îc b¬m víi b−íc sãng

980nm c«ng suÊt 20mW………………………………………………….….26

H×nh 2.3 Sù phô thuéc cña t¨ng Ých vµo c«ng suÊt b¬m b−íc sãng tÝn hiÖu lµ

1550nm vµ b−íc sãng b¬m 980nm 980nm…………………………………29

H×nh 2.4 Phæ ASE ®ång h−íng (h×nh a) vµ ng−îc h−íng (h×nh b) C«ng suÊt

b¬m lµ 4, 6, 8, 15 vµ 20 mW t¹i b−íc sãng 980 nm ………………………...31

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-5-

H×nh 2.5 Phæ tÝn hiÖu ra……………………………………………………..32

H×nh2.6 Sù thay ®æi t¨ng Ých, c«ng suÊt b¬m, ®é dµi bé khuÕch ®¹i vµ c«ng

suÊt tÝn hiÖu ®Çu ra…………………………………………………………..33

H×nh 2.7 Sù thay ®æi t¨ng Ých theo b−íc sãng (h×nh a) vµ theo c«ng suÊt tÝn

hiÖu ®Çu vµo (h×nh b)………………………………………………………..34

H×nh 2.8 Sù phô thuéc cña hÖ sè t¹p ©m theo t¨ng Ých (h×nh a) vµ theo c«ng

suÊt b¬m (h×nh b)…………………………………………………………….36

H×nh 2.9 KhuÕch ®¹i c«ng suÊt……………..……………………………….38

H×nh 2.10 Bé khuÕch ®¹i trªn tuyÕn…………………………………………39

H×nh 2.11 Bé tiÒn khuÕch ®¹i………………….…………………………….39

H×nh 3.1 C«ng suÊt tÝn hiÖu vµ c«ng suÊt b¬m t¹i lèi ra cña EDFA cã chiÒu

dµi sîi lµ 10m…………………………………………………………….….48

H×nh 3.2 HÖ sè khuÕch ®¹i Gain qua bé EDFA…………..…………………48

H×nh 3.3 Phæ c«ng suÊt ASE cña bé khuÕch ®¹i……………...……………..49

H×nh 3.4 HÖ sè khuÕch ®¹i víi c«ng suÊt b¬m thay ®æi……………………..50

H×nh 3.5a Phæ c«ng suÊt ASE víi c«ng suÊt b¬m lµ 20mW………………....51

H×nh 3.5b Phæ c«ng suÊt ASE víi c«ng suÊt b¬m lµ 50mW………………....51

H×nh 3.6 C«ng suÊt tÝn hiÖu qua bé EDFA víi ®é dµi sîi quang lµ 8m……..52

H×nh 3.7 C«ng suÊt tÝn hiÖu qua bé EDFA víi ®é dµi sîi quang lµ 20m…....53

H×nh 3.8 HÖ sè khuÕch ®¹i cña bé EDFA víi chiÒu dµi sîi lµ 20m……...….54

H×nh 3.9 HÖ sè khuÕch ®¹i qua bé khuÕch ®¹i cã chiÒu dµi sîi 10m víi c«ng

suÊt tÝn hiÖu ®−a vµo thay ®æi………………………………...……………..55

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-6-

H×nh 3.10 NhiÔu NF trong bé khuÕch ®¹i EDFA chiÒu dµi sîi lµ 20m, c«ng

suÊt b¬m thay ®æi…………………………………………………...……….57

H×nh 3.11 C«ng suÊt ASE qua bé khuÕch ®¹i cã chiÒu dµi sîi 20m………...57

H×nh 3.12 Phæ ASE cña bé khuÕch ®¹i víi c«ng suÊt b¬m 25mW, chiÒu dµi sîi

10m..................................................................................................................58

H×nh 3.13 HÖ sè khuÕch ®¹i qua bé EDFA víi nång ®é pha t¹p N=1,2.10

ion/m

...............................................................................................................59

H×nh 3.14 Phæ c«ng suÊt ASE qua bé EDFA cã nång ®é 1,2.10

..................60

H×nh 3.15. S¬ ®å cÊu h×nh b¬m ®ång h−íng……...………………………….61

H×nh 3.16 S¬ ®å cÊu h×nh b¬m ng−îc h−íng…………..…………………….62

H×nh 3.17. S¬ ®å cÊu h×nh b¬m song c«ng…………..………………………62

H×nh 3.18. S¬ ®å thÝ nghiÖm khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er ………….…64

H×nh 3.19. C«ng suÊt tÝn hiÖu lèi ra sau bé khuÕch ®¹i EDFA nång ®é thÊp

chiÒu dµi sîi lµ 12m…………………………………………………………66

H×nh 3.20 HÖ sè khuÕch ®¹i G vµ nhiÔu t¹p ©m NF cña bé khuÕch ®¹i pha t¹p

nång ®é thÊp ®é dµi sîi lµ 12m…………………………….………………..67

H×nh 3.21 C«ng suÊt tÝn hiÖu lèi ra sau bé khuÕch ®¹i pha t¹p nång ®é cao

chiÒu dµi sîi lµ 6m……………………………………….………………….68

H×nh 3.22: C«ng suÊt tÝn hiÖu lèi ra sau bé khuÕch ®¹i pha t¹p nång ®é cao

víi ®é dµi sîi 2,5m………………………………………….……………….69

H×nh 3.23 HÖ sè khuÕch ®¹i G vµ th«ng sè t¹p ©m NF sîi nång ®é thÊp EDFA

nång ®é 800 ppm, ®é dµi sîi 12 m cã th«ng sè t¹p ©m NF> 7,5 dB, G=22

dB………………………………………………………………………..…..71

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-7-

H×nh 3.24 HÖ sè khuÕch ®¹i G vµ th«ng sè t¹p ©m NF sîi nång ®é cao EDFA

nång ®é 2500 ppm, ®é dµi sîi 6 m cã th«ng sè t¹p ©m NF =3,4 dB, G = 30

dB.....................................................................................................................71

H×nh 3.25 EDFA nång ®é 2500ppm, ®é dµi sîi 2,5 m cã th«ng sè t¹p ©m

NF =4,5 dB, G = 22,4dB.................................................................................72

H×nh 3.26 Phæ ASE cña c¸c bé EDFA víi nång ®é Er kh¸c nhau b¬m b»ng

b−íc sãng 980 nm c«ng suÊt 100 mW.............................................................73

H×nh 3.27 Phæ khuÕch ®¹i cña EDFA víi ®é dµi vµ nång ®é pha t¹p kh¸c

nhau t¹i b−íc sãng tÝn hiÖu 1552 nm khi b¬m b·o hoµ ( P

b¬m

= 150 mW)......74

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-8-

Më ®Çu

Th«ng tin quang sîi ®· cã nh÷ng b−íc ph¸t triÓn nh¶y vät trong vµi

thËp kØ gÇn ®©y vµ cã nh÷ng t¸c ®éng m¹nh mÏ trong nhiÒu mÆt cña kü thuËt

viÔn th«ng. §Æc biÖt lµ trong truyÒn dÉn, th«ng tin quang sîi ®ãng mét vai trß

chñ ®¹o ®¸p øng ®−îc nhu cÇu vÒ b¨ng th«ng, còng nh− ®¶m b¶o ®−îc nh÷ng

yªu cÇu vÒ chÊt l−îng truyÒn dÉn. C¸c hÖ thèng th«ng tin quang cã −u ®iÓm

næi bËt so víi th«ng tin c¸p kim lo¹i th−êng nh− suy hao truyÒn dÉn thÊp,

dung l−îng truyÒn cao, Ýt bÞ ¶nh h−ëng nhiÔu tõ bªn ngoµi vµ cã ®é tin cËy vµ

kh¶ n¨ng b¶o mËt th«ng tin cao lµ sù hÊp dÉn m¹nh cña c¸c nhµ khai th¸c viÔn

th«ng, c¸c nhµ khoa häc.

Tuy nhiªn trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, tr−íc sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña

c¸c dÞch vô tho¹i, phi tho¹i mµ ®Æc biÖt lµ Internet vµ c¸c dÞch vô b¨ng th«ng

réng kh¸c nhau, nhu cÇu vÒ b¨ng th«ng ®èi víi tõng thuª bao t¨ng lªn, t¹o ra

mét sù bïng næ vÒ dung l−îng. §iÒu nµy ®Æt lªn vai nh÷ng nhµ cung cÊp dÞch

vô ®−êng trôc nh÷ng th¸ch thøc míi. ViÖc sö dông kÜ thuËt TDM ®Ó n©ng cao

dung l−îng ®−êng truyÒn còng lµ mét kh¶ n¨ng cã thÓ ®¸p øng ®−îc phÇn nµo

song nã còng gÆp ph¶i nh÷ng h¹n chÕ do b¶n th©n kÜ thuËt nµy g©y ra.

Mét lùa chän kh¸c cho c¸c nhµ cung cÊp ®Ó t¨ng dung l−îng cña hÖ

thèng th«ng tin ®ã lµ sö dông c«ng nghÖ truyÒn dÉn quang ghÐp kªnh theo

b−íc sãng trªn mét sîi quang (WDM). Kü thuËt nµy thùc hiÖn viÖc ghÐp c¸c

tÝn hiÖu quang cã b−íc sãng kh¸c nhau vµ truyÒn ®i trªn mét sîi quang duy

nhÊt, v× thÕ cã thÓ t¨ng dung l−îng truyÒn dÉn mµ kh«ng cÇn ph¶i t¨ng tèc ®é

cña tõng kªnh trªn mçi b−íc sãng.

Khi tÝn hiÖu ¸nh s¸ng ®−îc truyÒn trong c¸p quang sÏ bÞ suy hao do

nhiÒu nguyªn nh©n nh− sù hÊp thô ¸nh s¸ng trong sîi, ¸nh s¸ng ®i ra khái sîi

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-9-

do biÕn d¹ng ë c¸c ®o¹n cong... nªn ta ph¶i khuÕch ®¹i n¨ng l−îng cho nã ë

nh÷ng kho¶ng c¸ch nhÊt ®Þnh ®Ó ®¶m b¶o tÝn hiÖu ®ñ m¹nh ®Õn n¬i thu. Tr−íc

®©y, ng−êi ta th−êng sö dông c¸c bé khuÕch ®¹i lÆp b»ng c¸c biÕn ®æi tÝn hiÖu

quang thµnh tÝn hiÖu ®iÖn, tÝn hiÖu ®iÖn ®−îc khuÕch ®¹i vµ biÕn ®æi ng−îc

thµnh tÝn hiÖu quang ®Ó truyÒn ®i. ViÖc biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn thµnh d¹ng tÝn

hiÖu quang th−êng t¹o ra t¾c nghÏn trong sîi quang vµ lµm h¹n chÕ ®é réng

b¨ng tÇn lÉn chÊt l−îng cña tÝn hiÖu ®−îc truyÒn ®i. Víi c«ng nghÖ WDM,

viÖc khuÕch ®¹i tÝn hiÖu dïng c¸c bé khuÕch ®¹i lÆp b»ng quang ®iÖn tö gÆp

rÊt nhiÒu khã kh¨n vÒ gi¸ thµnh vµ kü thuËt khi l¾p r¸p vµ ®iÒu khiÓn c¸c bé

t¸ch vµ ghÐp c¸c kªnh truyÒn t¹i c¸c bé khuÕch ®¹i lÆp.

V× vËy ng−êi ta t×m c¸ch ®Ó t¹o ra c¸c thiÕt bÞ cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i

quang trùc tiÕp b»ng c¸c linh kiÖn quang. Sîi quang pha t¹p ®Êt hiÕm cã kh¶

n¨ng khuÕch ®¹i quang trùc tiÕp trªn ®−êng truyÒn. Trong ®ã, sîi quang pha

t¹p Erbium (Er) ®−îc nghiªn cøu rÊt nhiÒu. KhuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p ®Êt

hiÕm Er cã kh¶ n¨ng bï suy hao trong c¸c kho¶ng c¸ch lín h¬n 100km. Bé

khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er (Erbium Doped Fiber Amplifier _ EDFA)

®−îc nghiªn cøu thµnh c«ng trong phßng thÝ nghiÖm n¨m 1987 vµ trë thµnh

th−¬ng phÈm n¨m 1990. N¨m 1991, lÇn ®Çu tiªn hÖ thèng th«ng tin quang cã

EDFA ®−îc thö nghiÖm truyÒn tÝn hiÖu sè cã tèc ®é 2,5 Gbit/s trªn kho¶ng

c¸ch 21000km vµ 5 Gbit/s trªn kho¶ng c¸ch 14300km.

ViÖc nghiªn cøu c¸c th«ng sè ®Æc tr−ng cña EDFA sÏ gióp chóng ta lùa

chän chÝnh x¸c c¸c s¶n phÈm cña c¸c nhµ cung cÊp, tèi −u hãa ®−îc m¹ng

l−íi, n©ng cao chÊt l−îng dÞch vô cung cÊp, còng nh− gi¶m ®−îc chi phÝ trong

viÖc chÕ t¹o EDFA vµ x©y dùng hÖ thèng truyÒn dÉn.

C¸c nhµ nghiªn cøu EDFA vÒ lý thuyÕt tËp trung vµo nghiªn cøu

nguyªn lý khuÕch ®¹i sö dông hÖ nhiÒu møc hoÆc nghiªn cøu c¸c hÖ thèng

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-10-

trong ®ã cã EDFA. Bé khuÕch ®¹i EDFA cã kh¶ n¨ng t¹o ra hiÖu øng khuÕch

®¹i ë vïng b−íc sãng 1550nm. C¸c th«ng sè quan träng nhÊt cña khuÕch ®¹i

cã thÓ kÓ ®Õn ë ®©y lµ hÖ sè khuÕch ®¹i G, b¨ng tÇn khuÕch ®¹i ∆ω (hoÆc ∆λ),

th«ng sè t¹p ©m NF (Noise Figure) vµ c«ng suÊt ra b·o hoµ P

, nhiÔu ph¸t x¹

tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i ASE (Amplified Spontaneous Emission) cña bé

khuÕch ®¹i. Phæ c«ng suÊt ASE cung cÊp c¸c th«ng tin h÷u Ých vÒ c¸c ®Æc tÝnh

ho¹t ®éng cña EDFA ë c¸c chÕ ®é b¬m, c«ng suÊt tÝn hiÖu vµ nång ®é pha t¹p

Er kh¸c nhau. NF ®Æc tr−ng cho phÐp ®o sù suy gi¶m SNR (Signal Noise

Ratio) tõ ®Çu vµo ®Õn ®Çu ra cña hÖ thèng. ChÝnh v× vËy, viÖc kh¶o s¸t c¸c

th«ng sè nµy trªn c¬ së m« pháng ho¹t ®éng cña EDFA gãp phÇn quan träng

thèng. Tõ ®ã ta hoµn toµn cã thÓ dù ®o¸n vµ h¹n chÕ nh÷ng ¶nh h−ëng cña

nhiÔu lªn tÝn hiÖu truyÒn dÉn.

LuËn v¨n nµy tËp trung vµo m« pháng EDFA víi s¬ ®å hÖ thèng khuÕch

®¹i víi 3 møc n¨ng l−îng nh−ng ®· ®−îc rót gän thµnh hÖ 2 møc, víi tÝn hiÖu

khuÕch ®¹i ë b−íc sãng 1550nm, tÝn hiÖu b¬m ë b−íc sãng 980nm; kh¶o s¸t

nh− chiÒu dµi cña sîi quang, nång ®é pha t¹p Er trong sîi vµ c«ng suÊt tÝn

hiÖu b¬m, c«ng suÊt tÝn hiÖu cÇn khuÕch ®¹i lªn c¸c ®Æc tr−ng cña EDFA. MÆt

kh¸c, luËn v¨n còng ®· tiÕn hµnh ®o ®¹c trong phßng thÝ nghiÖm , tÝnh to¸n vµ

®−a ra mét sè kÕt qu¶ thùc nghiÖm vÒ c¸c th«ng sè quan träng cña EDFA nh−:

tr×nh khuÕch ®¹i quang, tõ ®ã ®−a ra mét sè tÝnh to¸n thiÕt kÕ tèi −u cho c¸c

hÖ thèng th«ng tin sö dông EDFA.

Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu cña luËn v¨n lµ lý thuyÕt m« pháng kÕt hîp

víi kÕt qu¶ thùc nghiÖm, ®Ó cã thÓ so s¸nh vµ kiÓm chøng lý thuyÕt vÒ bé

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-11-

khuÕch ®¹i trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang thùc tÕ. Ch−¬ng tr×nh m«

mét phÇn mÒm chuyªn dông rÊt m¹nh trong lÜnh vùc m« pháng, thùc hiÖn m«

pháng s¬ ®å hÖ n¨ng l−îng 2 møc cña khuÕch ®¹i, qu¸ tr×nh hÊp thô vµ bøc x¹

t¹i møc 1 vµ 2, víi thêi gian chuyÓn møc n¨ng l−îng t−¬ng ®èi nhá cho phÐp

tÝnh to¸n, xö lý vµ kh¶o s¸t c¸c th«ng sè cña bé khuÕch ®¹i quang EDFA:

C«ng suÊt tÝn hiÖu lèi ra, hÖ sè khuyÕch ®¹i cña EDFA, phæ c«ng suÊt ASE, vµ

Ch−¬ng 1 giíi thiÖu vÒ tÝnh chÊt quang cña thñy tinh pha t¹p ®Êt hiÕm

víi mét lo¹i nguyªn tè ®Êt hiÕm ®iÓn h×nh ®−îc sö dông réng r·i trong c¸c bé

khuÕch ®¹i quang lµ Erbium.

Ch−¬ng 2 tr×nh bµy vÒ bé khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium

trong ch−¬ng 3 vµ c¸c øng dông cña bé EDFA trong hÖ thèng th«ng tin.

bé EDFA trong c¸c phßng thÝ nghiÖm. Tõ nh÷ng kÕt qu¶ thu ®−îc cã thÓ ®¸nh

gi¸ vµ ®−a ra c¸c ®iÒu kiÖn tèi −u cña EDFA. KÕt qu¶ kh¶o s¸t c¸c th«ng sè vµ

®Æc tr−ng cña EDFA trong thùc nghiÖm . Tõ nh÷ng kÕt qu¶ nµy tiÕn hµnh so

s¸nh víi kÕt qu¶ m« pháng ®Ó kiÓm chøng kÕt qu¶ lý thuyÕt. Tuy nhiªn trong

khu«n khæ h¹n chÕ cña ®Ò tµi, cÊu h×nh cña sîi sö dông trong thùc nghiÖm

kh«ng ®−îc hoµn toµn gièng víi sîi sö dông trong m« pháng nªn còng chØ

kiÓm chøng ®−îc mét phÇn nµo ®ã kÕt qu¶ lý thuyÕt.

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-12-

Cuèi cïng lµ kÕt luËn vµ mét sè ®Ò xuÊt h−íng nghiªn cøu trong t−¬ng

lai øng dông c«ng nghÖ EDFA.

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-13-

Ch−¬ng 1: TÝnh chÊt quang cña thuû tinh pha

t¹p ®Êt hiÕm

C¸c ion ®Êt hiÕm cã nh÷ng tÝnh chÊt quang rÊt ®Æc biÖt, lµ c¬ së ®Ó h×nh

thµnh vµ ph¸t triÓn c¸c laser sîi, laser khèi còng nh− c¸c khuyÕch ®¹i quang

sö dông c¸c ion nµy. Nh÷ng tÝnh chÊt quang ®Æc biÖt nµy lµ do sù kh¸c biÖt

cña líp vá 4f cña chóng trong tinh thÓ vµ trong thuû tinh. Trong ch−¬ng nµy,

chóng ta sÏ kh¶o s¸t lÇn l−ît c¸c tÝnh chÊt nguyªn tö c¬ b¶n vµ c¸c tÝnh chÊt

quang t−¬ng øng cña ion ®Êt hiÕm nãi chung vµ cña ion Er nãi riªng.

1.1. CÊu h×nh nguyªn tö cña c¸c ion ®Êt hiÕm.

C¸c nguyªn tè ®Êt hiÕm ®−îc chia lµm 2 nhãm, mçi nhãm gåm 14

nguyªn tè.

Hä Lanthan víi sè nguyªn tè tõ 57 ®Õn 71.

Hä Actini víi sè nguyªn tè tõ 89 ®Õn 103.

C¸c nguyªn tè thuéc hä Lanthan cã nh÷ng tÝnh chÊt quang ®Æc biÖt do

cÊu tróc nguyªn tö cña nã thÓ hiÖn ngay trong cÊu tróc cña líp vá 4f. V× vËy

phÇn lín c¸c øng dông trong sîi quang ®Òu ®−îc sö dông pha t¹p c¸c nguyªn

tè thuéc hä Lanthan.

®iÖn tö. C¸c líp ®iÖn tö nµy ®−îc lÊp ®Çy theo thø tù vµ nh×n chung c¸c líp vá

sÏ cã b¸n kÝnh t¨ng dÇn. Tuy nhiªn, ®Õn vÞ trÝ nguyªn tö thø 57 th× quy luËt

nµy bÞ ph¸ vì. ë nguyªn tö thø 57, líp 5s vµ 5p (5s

) bÞ lÊp ®Çy tr−íc sau ®ã

c¸c ®iÖn tö sÏ tiÕp tôc lÊp ®Çy líp 4f. Thay v× cã b¸n kÝnh lín h¬n líp 5s vµ

5p, líp 4f cã b¸n kÝnh nhá h¬n hai líp nµy nªn nã bÞ bao bäc bëi c¸c líp

nµy[17].

LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc chuyªn ngµnh Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng niªn kho¸ 2005 - 2007

-14-

HÇu hÕt c¸c nguyªn tè ®Êt hiÕm ®Òu tån t¹i d−íi d¹ng ion, ®Æc biÖt lµ ion

ho¸ trÞ III (Ln

). C¸c nguyªn tè ®Êt hiÕm trung hoµ ®Òu cã cÊu h×nh nguyªn tö

N’

hoÆc 4f

N’-1

5d6s

. Qu¸ tr×nh ion ho¸ nµy x¶y ra ®Çu tiªn lµ khö 2 ®iÖn tö

yÕu ë líp 6s, sau ®ã khö tiÕp ®iÖn tö t¹i líp 4f hoÆc 5d. Do vËy c¸c ion ®Êt

hiÕm hä Lanthan ho¸ trÞ ba ®Òu cã mét lâi (Xenon) vµ N ®iÖn tö t¹i líp 4f.

Nhê sù che ch¾n cña c¸c ®iÖn tö líp 5s vµ 5p nªn c¸c tÝnh chÊt cña líp vá 4f

gÇn nh− ®−îc gi÷ nguyªn trong nguyªn tö khi pha trong c¸c m«i tr−êng thuû

tinh hoÆc tinh thÓ.

Th«ng th−êng c¸c nguyªn tö trong chÊt b¸n dÉn hoÆc kim lo¹i nh−êng

®iÖn tö cña chóng cho m«i tr−êng nªn cã phæ n¨ng l−îng tr¶i rÊt réng. Tuy

nhiªn, phæ cña ion ®Êt hiÕm pha t¹p trong c¸c chÊt c¸ch ®iÖn nh− thuû tinh

hay tinh thÓ l¹i cã phæ n¨ng l−îng bao gåm mét d·y c¸c v¹ch hÑp [18].

th¸i nh− trong c¸c nguyªn tö ®Êt hiÕm. CÊu h×nh 4f gåm rÊt nhiÒu tr¹ng th¸i

do t−¬ng t¸c gi÷a c¸c ®iÖn tö. H¬n n÷a, d−íi t¸c dông cña tr−êng tinh thÓ nÒn,

c¸c møc ®iÖn tö cña líp vá 4f tiÕp tôc bÞ t¸ch thµnh rÊt nhiÒu v¹ch lµm cho c¸c

møc n¨ng l−îng cña líp 4f tiÕp tôc bÞ t¸ch ra do hiÖu øng Stark. Do vËy quang

2S+1

C¸c møc Star

H×nh 1.1 S¬ ®å sù t¸ch møc n¨ng l−îng cña ion Er do t−¬ng

t¸c ®iÖn tö-®iÖn tö vµ t−¬ng t¸c ®iÖn tö-tr−êng tinh thÓ