TRN HOÀI NAM
B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO
TRƯỜNG ĐẠI HC BÁCH KHOA HÀ NI
---------------------------------------
TRN HOÀI NAM
CHUYÊN NGÀNH : K THUT
ĐIN T VIN THÔNG
NGHIÊN CU ĐẶC TÍNH VÀ CÁC YU T NH HƯỞNG LÊN
H S KHUCH ĐẠI CA CÁC B KHUCH ĐẠI QUANG
LUN VĂN THC SĨ K THUT
K THUT ĐIN T VIN THÔNG
KHOÁ 2009
Hà Ni – Năm 2012
B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO
TRƯỜNG ĐẠI HC BÁCH KHOA HÀ NI
---------------------------------------
TRN HOÀI NAM
NGHIÊN CU ĐẶC TÍNH VÀ CÁC YU T NH HƯỞNG LÊN H S
KHUCH ĐẠI CA CÁC B KHUCH ĐẠI QUANG
Chuyên ngành : K thut Đin t vin thông
LUN VĂN THC SĨ K THUT
K THUT ĐIN T VIN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DN KHOA HC :
T.S BÙI VIT KHÔI
Hà Ni – Năm 2012
Nghiên cu đặc tính và các yếu t nh hưởng lên h s khuếch đại ca các B khuếch đại quang
Hc viên: Trn Hoài Nam – Lp Đin t 2 – CH09 1
MC LC
DANH SÁCH CÁC T VIT TT ................................................................. ..................... 3
M ĐẦU ............................................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1. TNG QUAN V K THUT KHUCH ĐẠI QUANG ............................. 6
1.1 Gii thiu chung v h thng thông tin quang ............................................................. 6
B phát quang ................................................................................................................ 6
B chia quang ................................................................................................................ 6
Trm lp ......................................................................................................................... 6
B thu quang .................................................................................................................. 6
B ni quang .................................................................................................................. 6
1.2 B lp và b khuếch đại quang .................................................................................... 7
1.3 Nguyên lý khuếch đại quang ....................................................................................... 8
1.4 B khuếch đại quang bán dn và b khuếch đại quang si ......................................... 9
1.5 Các loi khuếch đại quang khác ................................................................................ 10
1.6 Phân loi các b khuếch đại quang theo chc năng................................................... 11
1.7 Các thông s đánh giá các b khuếch đại quang ...................................................... 13
1.7.1 Độ li (Gain) ....................................................................................................... 13
1.7.2 Băng thông độ li (Gain Bandwidth) .................................................................. 13
1.7.3 Công sut đầu ra bão hòa (Saturation Output Power) ........................................ 14
1.7.4 H s tp âm ....................................................................................................... 14
1.7.5 Độ nhy phân cc ............................................................................................... 15
1.8 Xu hướng s dng b khuếch đại quang trong h thng thông tin quang ................ 15
CHƯƠNG 2. CÁC B KHUCH ĐẠI QUANG ............................................................... 17
2.1 B khuếch đại quang bán dn .................................................................................... 17
2.1.1 Nguyên tc hot động ca các b khuếch đại quang bán dn ............................. 17
2.1.2 Độ li .................................................................................................................. 18
2.1.2.1 Độ li ca b khuếch đại Febry - Perot ........................................................... 18
2.1.2.2 Độ li ca b khuếch đại sóng chy ................................................................ 20
2.1.2.3 So sánh độ li ca b khuếch đại Febry – Perot và độ li ca b khuếch đại
sóng chy ..................................................................................................................... 21
2.1.2.4 Bão hòa độ li .................................................................................................. 22
2.1.3 Băng thông ca b khuếch đại quang bán dn ......... ........................ ................... 24
2.1.3.1 Băng thông ca b khuếch đại Febry - Perot ................................................... 24
2.1.3.2 Băng thông ca b khuếch đại sóng chy ........................................................ 24
2.1.3.3 So sánh băng thông ca b khuếch đại Febry - Perot và băng thông ca b
khuếch đại sóng chy ................................................................................................... 25
2.1.4 Xuyên âm ............................................................................................................ 26
2.1.5 Độ li ph thuc phân cc .................................................................................. 28
2.1.6 Nhiu ............................................................................................... .................... 30
2.1.6.1 Phát x t phát được khuếch đại (ASE) ........................................................... 31
2.1.6.2 Nhiu quang và nhiu đin .............................................................................. 33
2.1.7 Ưu đim và hn chế ca b khuếch đại quang bán dn ...................................... 34
2.1.8 ng dng ca b khuếch đại quang bán dn ...................................................... 34
2.2 B khuếch đại si pha tp erbium .............................................................................. 35
2.2.1 Nguyên tc hot động ca các b khuếch đại quang si pha tp erbium ........... 35
2.2.2 Biu đồ mc năng lượng ..................................................................................... 37
Nghiên cu đặc tính và các yếu t nh hưởng lên h s khuếch đại ca các B khuếch đại quang
Hc viên: Trn Hoài Nam – Lp Đin t 2 – CH09 2
2.2.3 Bơm ..................................................................................................................... 38
2.2.4 Băng C và băng L ............................................................................................... 41
2.2.5 Độ li trong si pha tp erbium .......................................................................... 42
2.2.5.1 Định nghĩa ........................................................................................................ 42
2.2.5.2 Đặc đim .......................................................................................................... 43
2.2.5.3 Bão hòa độ li .................................................................................................. 44
2.2.5.4 Độ li là hàm ca độ dài si tích cc và ti ưu độ dài ca si ........................ 44
2.2.6 Nhiu trong si pha tp erbium .......................................................................... 45
2.2.7 Độ li và tp âm trong si pha tp erbium là hàm ca các tham s b khuếch
đại si pha tp erbium .................................................................................................. 47
2.2.8 Các thành phn ca module b khuếch đại si pha tp erbium .......................... 48
2.2.8.1 Si pha tp erbium ........................................................................................... 49
2.2.8.2 Diode laser bơm ............................................................................................... 52
2.2.8.3 Nhng thành phn khác ca b khuếch đại si pha tp erbium ...................... 52
2.2.9 Các loi khuếch đại quang si khác .................................................................... 53
2.2.10 Ưu đim và hn chế ca b khuếch đại si pha tp erbium ............................. 54
2.2.11 ng dng ca b khuếch đại si pha tp erbium .............................................. 55
2.3 B khuếch đại Raman ................................................................................................ 55
2.3.1 Hin tượng tán x kích thích Raman .................................................................. 55
2.3.2 Nguyên lý và đặc đim ca khuếch đại Raman .................................................. 56
2.3.3 So sánh đặc đim ca b khuếch đại si pha tp erbium và b khuếch đại kích
thích Raman ................................................................................................................. 59
2.3.4 Khuếch đại Raman trong truyn dn WDM băng rng ...................................... 62
2.3.5 Khuếch đại Raman trong các h thng WDM hai chiu .................................... 65
Chương 3. MÔ PHNG HOT ĐỘNG CA CÁC B KHUCH ĐẠI QUANG BNG
PHN MM OPTISYSTEM .............................................................................................. 68
3.1 Gii thiu phn mm OptiSystem .............................................................................. 68
3.2 B khuếch đại quang bán dn .................................................................................... 69
3.2.1 Độ li ca b khuếch đại sóng chy ................................................................... 69
3.2.2 Bão hòa độ li ..................................................................................................... 70
3.2.3 Hiu ng trn bn bước sóng khi dùng b khuếch đại quang bán dn ............... 72
3.3 B khuếch đại quang si pha tp erbium ................................................................... 75
3.3.1 Độ li b khuếch đại si pha tp erbium không bng phng ............................. 75
3.3.2 Làm phng độ li trong h thng s dng b khuếch đại si pha tp erbium .... 77
3.3.3 Bão hòa độ li ..................................................................................................... 80
3.3.4 Công sut bơm ti thiu để độ li cao nht ........................................................ 82
3.3.5 B khuếch đại si pha tp erbium dùng làm booster .......................................... 83
3.3.6 B khuếch đại si pha tp erbium dùng làm b khuếch đại in-line .................... 86
3.3.7 B khuếch đại si pha tp erbium dùng làm b tin khuếch đại ........................ 89
3.3.8 Ti ưu độ li ca b tin khuếch đại nh mt độ pha tp ion erbium ................ 91
KT LUN ............................................................................... ........................................... 95
TÀI LIU THAM KHO ................................................................................................... 96
Nghiên cu đặc tính và các yếu t nh hưởng lên h s khuếch đại ca các B khuếch đại quang
Hc viên: Trn Hoài Nam – Lp Đin t 2 – CH09 3
DANH SÁCH CÁC T VIT TT
Thut ng Tiếng Anh Tiếng Vit
ASE Amplified Spontaneous
Emission
Phát x t phát được khuếch đại
BER Bit Error Ratio T l li bit
CATV Ca
b
le Television Truyn hình cáp
DRA Distributed Raman Amplifie
r
B khuếch đại Raman phân b
DSF Dispersion Shifted Fiber Si dch tán sc
DXC Digital Cross Connect B kết ni chéo s
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier B khuếch đại si pha tp
erbium
FOA Fiber Optical Amplifie
r
B khuếch đại quang si
FPA Fabry – Perot Amplifie
r
B khuếch đại Febry – Perot
FWM Four Wave Mixing T
r
n 4 bước sóng
LD Laser Diode Diode lase
r
MFD Mode Field Diameter Đường kính trường mode
NA Numerical Aperture Khu độ s
OADM Optical Add Drop Multipexer B xen r sóng quang
PON Passive Optical Network Mng quang th động
SDH Synchronous Digital Hierachy Cu trúc đồng b s
SNR Signal to Noise Ratio T s tín hiu trên nhiu
SOA Semicondutor Optical Amplifie
B khuếch đại quang bán
d
n
SONET Synchronous Optic Network Mng quang đồng b
SRS Stimulated Raman Scattering Tán x Raman kích thích
TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thi
gian
TE Transverse Electric Sóng đin ngang
TM Transverse Magnetic Sóng t ngang
TWA Travelling Wave Amplifie
r
B khuếch đại sóng chy
WDM Wavelength Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo bước
sóng
Nghiên cu đặc tính và các yếu t nh hưởng lên h s khuếch đại ca các B khuếch đại quang
Hc viên: Trn Hoài Nam – Lp Đin t 2 – CH09 4
M ĐẦU
Ngay t xa xưa con người đã biết s dng ánh sáng để truyn thông tin. Qua
thi gian dài ca lch s phát trin nhân loi, các hình thc thông tin phong phú dn
và ngày càng được phát trin thành nhng h thng thông tin hin đại như ngày nay,
to cho mi nơi trên thế gii có th liên lc vi nhau mt cách thun li và nhanh
chóng. Cách đây 20 năm, t khi các h thng thông tin cáp si quang được chính
thc đưa vào khai thác trên mang vin thông, mi ng
ười đều tha nhn rng phương
thc truyn dn quang đã th hin kh năng to ln trong vic chuyn ti các dch v
vin thông ngày càng phong phú và hin đại ca nhân loi. Trong vòng 10 năm tr
li đây, cùng vi s tiến b vượt bc ca ca công ngh đin t - vin thông, công
ngh quang si và thông tin quang đã có nhng tiến b v
ượt bc. Các nhà sn xut
đã chế to ra nhng si quang đạt ti giá tr suy hao rt nh, giá tr suy hao 0,154
dB/km ti bước sóng 1550 nm đã cho thy s phát trin mnh m ca công ngh si
quang trong hơn hai thp niên qua. Cùng vi đó là s tiến b ln trong công ngh
chế to các ngun phát quang và thu quang, để t đó to ra các h thng thông tin
quang vi nhiu ưu đi
m tri hơn so vi các h thng thông tin cáp kim loi. Dưới
đây là nhng ưu đim ni tri ca môi trung truyn dn quang so vi các môi
trường truyn dn khác, đó là:
o Suy hao truyn dn nh
o Băng tn truyn dn rt ln
o Không b nh hưởng ca nhiu đin t
o Có tính bo mt tín hiu thông tin cao
o Có kích thước và trng lượng nh
o Si có tính cách đin tt
o Độ tin cy cao
o Si được chế to t vt liu rt sn có
Chính bi các lý do trên mà h thng thông tin quang đã có sc hp dn
mnh m các nhà khai thác vin thông. Các h thng thông tin quang không nhng
ch phù hp vi các tuyến thông tin xuyên lc địa, tuyến đường trc, và tuyến trung
Nghiên cu đặc tính và các yếu t nh hưởng lên h s khuếch đại ca các B khuếch đại quang
Hc viên: Trn Hoài Nam – Lp Đin t 2 – CH09 5
kế mà còn có tim năng to ln trong vic thc hin các chc năng ca mng ni ht
vi cu trúc tin cy và đáp ng mi loi hình dch v hin ti và tương lai.
Trong các liên kết quang, tín hiu đưc truyn đi theo si và b suy hao bi
nhiu nguyên nhân. Nếu suy hao vượt quá công sut d phòng thì đòi hi tín hiu
trước khi đến bên thu cn phi được khuếch đại. Có hai cách
để khuếch đại tín hiu:
b lp và khuếch đại quang. Tuy các b lp có mt s ưu đim nhưng t chúng
không th đưc dùng để thiết lp các liên kết WDM và các mng. Do đó, s chuyn
đổi t các liên kết TDM sang các liên kết WDM và t các liên kết thành các mng
quang không th thc hin mà không có các b khuếch đại quang. Trong nhiu năm
gn đây các b khuếch đại quang đã đượ
c phát trin. Có hai loi khuếch đại quang
chính là khuếch đại quang bán dn và khuếch đại quang si. Loi được ưa chung
nht là khuếch đại quang si pha tp erbium EDFA. B khuếch đại này đã m cánh
ca cho s trin khai các h thng thông tin quang WDM. Bên cnh đó các b
khuếch đại quang bán dn và nhng loi khác cũng được dùng và nhiu loi còn
đang trong giai đon nghiên cu. Kh năng ca m
t b khuếch đại ph thuc vào
rt nhiu yếu t kết hp. Ni dung ca lun văn này trình bày v k thut khuếch
đại quang, đặc đim ca các b khuếch đại, các yếu t nh hưởng ca 3 loi b
khuếch đại là b khuếch đại quang bán dn, b khuếch đại quang si pha tp và b
khuếch đại Raman và mô ph
ng các b khuếch đại quang trong các tuyến truyn
dn s dng công c phn mm OptiSystem.
Em xin chân thành cm ơn thy giáo – T.S Bùi Vit Khôi, người đã trc tiếp
hướng dn, giúp đỡ em rt tn tình trong thi gian làm lun văn, đồng thi em cũng
xin cm ơn các thy cô giáo trong khoa Đin t - Vin thông trường Đại hc Bách
Khoa Hà Ni đã giúp cho em tiếp thu được nhng kiến thc cơ bn trong quá trình
hc tp để em có th hoàn thành lun văn tt nghip ca mình.
Hà Ni, tháng 3 năm 2012
Hc viên
Trn Hoài Nam
Nghiên cu đặc tính và các yếu t nh hưởng lên h s khuếch đại ca các B khuếch đại quang
Hc viên: Trn Hoài Nam – Lp Đin t 2 – CH09 6
Ngu
n phát
quang
Mch điu
khin
Tín hiu
đin vào
B phát quang
Si dn
quang
B chia
Các thiết b khác
Thu
quang
Phát
quang
Trm lp
Khu
ế
ch đại
quang
Đầu thu
quang
Khôi phc
tín hiu
Khuếch đại
B thu quang
Mch đin
Tín hiu
đin ra
B ni
CHƯƠNG 1. TNG QUAN V K THUT KHUCH ĐẠI
QUANG
1.1 Gii thiu chung v h thng thông tin quang
H thng thông tin quang tng quát gm có phn phát quang, cáp si quang và
phn thu quang. Phn phát quang được cu to t ngun phát tín hiu quang và các
mch đin điu khin liên kết vi nhau. Cáp si quang gm có các si dn quang và
các lp v bc xung quanh để bo v si quang khi tác động có hi t môi trường
bên ngoài. Phn thu quang do b tách sóng quang và các mch khuếch đại, tái to
tín hiu hp thành. Ngoài các thành phn ch
yếu này, tuyến thông tin quang còn có
các b ni quang (connector), các mi hàn, b chia quang các trm lp và b
khuếch đại quang; tt c to nên mt tuyến thông tin quang hoàn chnh.
Hình 1.1 Các thành phn chính ca tuyến truyn dn cáp si quang
Khi khong cách truyn dn khá dài, ti mt c ly nào đó, tín hiu quang
trong si b suy hao khá nhiu thì cn thiết phi có trm lp quang đặt trên tuyến.
Nghiên cu đặc tính và các yếu t nh hưởng lên h s khuếch đại ca các B khuếch đại quang
Hc viên: Trn Hoài Nam – Lp Đin t 2 – CH09 7
Cu trúc ca thiết b trm lp quang gm có thiết b phát và thiết b thu ghép quay
phn đin vào nhau. Thiết b thu trm lp s thu tín hiu quang yếu ri tiến hành
biến đổi thành tín hiu đin, khuếch đại tín hiu này, sa dng và đưa vào thiết b
phát quang. Thiết b phát quang thc hin biến đổi tín hiu đin thành tín hiu
quang ri l
i phát tiếp vào đường truyn. Nhng năm gn đây, các b khuếch đại
quang đã được s dng để thay thế mt phn các thiết b trm lp quang.
Nhu cu
thc tế này khiến rt nhiu nghiên cu đã và đang được thc hin nhm to ra các
b khuếch đại vi nhng đặc đim ngày càng tt hơn.
1.2 B lp và b khuếch đại quang
Các b lp (repeater) đã được s dng ph biến trong các h thng truyn
dn quang mt bước sóng. Trong các b lp này, đầu tiên, tín hiu quang s được
biến đổi thành dòng đin bi các b thu quang (optical receiver) s dng linh kin
tách sóng quang như PIN hay APD. Dòng quang đin thu được s được tái to li
dng xung, định thi và khuếch đại bi các mch phc hi tín hiu và mch khu
ếch
đại. Sau đó, tín hiu đin s được biến đổi thành tín hiu quang thông qua các
ngun quang trong b phát quang (optical transmitter) và được truyn đi trong si
quang. Như vy, quá trình khuếch đại tín hiu được thc hin trên min đin. Các
trm lp quang đin đã được s dng ph biến trong các h thng truyn dn
quang mt bước sóng như h thng truyn d
n quang SDH. Tuy nhiên, khi s
dng cho các h thng đa bước sóng như WDM, rt nhiu trm lp cn được s
dng để khuếch đại vào tái to các kênh quang có bước sóng khác nhau. Điu này
làm tăng độ phc tp cũng như tăng giá thành ca h thng truyn dn quang WDM.
Mt gii pháp cho vn đề này là s dng b khuếch đại quang. Ánh sáng
được khuếch đại trc tiếp trong mi
n quang mà không phi biến đổi t min quang
sang min đin ri ngược li. So vi b lp (repeater) thì b khuếch đại quang có
nhiu ưu đim như khuếch đại trc tiếp trong min quang, không ph thuc vào tc
độ bit và phương thc điu chế tín hiu, khuếch đại được nhiu tín hiu có bước
sóng khác nhau cùng truyn trên mt si quang.
Nghiên cu đặc tính và các yếu t nh hưởng lên h s khuếch đại ca các B khuếch đại quang
Hc viên: Trn Hoài Nam – Lp Đin t 2 – CH09 8
E
2
E
2
E
2
h
f
12
h
f
12
h
f
12
E
1
h
f
12
(
ng
ph
a
)
E
1
E
1
a.
Hp
th
(Absorption
)
b.
Phát
x
t
ph
át
(Spontaneous
emission)
c.
Phát
x
kích
t
hích
(Stim
ulat
ed
e
mission)
1.3 Nguyên lý khuếch đại quang
Ta biết rng có 3 hin tượng quang đin đó là:hp th (Absorption), phát x
t phát
(
Spontaneous emission
) và
Phát x kích thích (Stimulated emission).
Hình 1.3 Các hin tượng biến đổi quang đin (a) Hp th (b). Phát x t phát (c).
Phát x kích thích
Hin tượng hp th, hình 1.3(a), xy ra khi mt photon có năng lượng hf
12
b hp th bi mt đin t trng thái năng lượng thp. Quá trình này ch xy ra
khi năng lượng hf
12
ca photon bng vi độ chênh lch n
ăng lượng gia trng thái
năng lượng cao và trng thái năng lượng thp ca đin t (E
g
= E
2
– E
1
). Khi xy
ra hin tượng hp th, đin t s nhn năng lượng t photon chuyn lên trng
thái năng lượng cao. Hay nói cách khác, hin tượng hp th là nguyên nhân gây
suy hao cho tín hiu quang khi đi qua b khuếch đại quang.Quá trình này xy ra
đồng thi vi hai hin tượ
ng phát x t phát và phát x kích thích trong môi
trường tích cc (active medium) ca b khuếch đại.
Hin tượng phát x t phát,hình 1.3(b), xy ra khi mt đin t chuyn
trng thái năng lượng t mc năng lượng cao E
2
xung mc năng lượng thp E
1
và phát ra mt năng lượng E
g
= E
2
–E
1
dưới dng mt photon ánh sáng. Quá trình
này xy ra mt cách t nhiên vì trng thái năng lượng cao E
2
không phi là trng
thái năng lượng bn vng ca đin t. Sau mt khong thi gian được gi là thi
gian sng (life time) ca đin t mc năng lượng cao,các đin t s t động
chuyn v trng thái năng lượng thp hơn (trng thái năng lượng bn vng).
Tùy theo loi vt liu khác nhau, thi gian s
ng ca đin t s khác nhau.
Nghiên cu đặc tính và các yếu t nh hưởng lên h s khuếch đại ca các B khuếch đại quang
Hc viên: Trn Hoài Nam – Lp Đin t 2 – CH09 9
Hin tượng phát x kích thích, hình 1.3(c), xy ra khi mt đin t đang
trng thái năng lượng cao E
2
b kích thích bi mt photon có năng lượng hν
12
bng vi độ chênh lch năng lượng gia trng thái năng lượng cao và trng thái
năng lượ