Kh¶o s¸t c¸c th«ng sè ®Æc trng cña khuÕch ®¹i
quang sợi pha t¹p ®Êt hiÕm Er
3
+
(Erbium
Doped Fiber Amplifiers -
EDFAs)
Mục lục

Phần mở đầu
Chương I: Giới thiệu chung về khuếch đại quang.........................................................1
1.1 Vai trò và ứng dụng của khuếch đại quang........................................................................1
1.1.1 Vai trò của khuếch đại quang..................................................................................1
1.1.2 Ứng dụng của khuếch đại quang............................................................................3
1.2 Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er
3+
(EDFA)........................................................3
1.3 Những vấn đề chọn để giải quyết.......................................................................................4
Phần tổng quan
Chương II: Sợi quang pha tạp đất hiếm Er
3+
.................................................................5
2.1 Những tính chất của ion đất hiếm Er
3+
...............................................................................5
2.1.1 Tính chất quang của các ion đất hiếm.....................................................................5
2.1.2 Nguyên tố Erbium (Er)...........................................................................................6
2.1.3 Tiết diện hiệu dụng.................................................................................................8
2.1.4 Thời gian sống......................................................................................................10
2.2 Phổ hấp thụ và phát xạ của ion Er
3+

3.2.5 Thông số tạp âm....................................................................................................31
3.3 Các cấu hình bơm cho khuếch đại quang EDFA..............................................................33
3.3.1 Bơm đồng hướng..................................................................................................33
3.3.2 Bơm ngược hướng................................................................................................34
3.3.3 Bơm song công.....................................................................................................34
3.4 Những ưu, nhược điểm của bộ khuếch đại quang EDFA................................................35
3.5 Các ứng dụng của khuếch đại EDFA trong mạng truyền dẫn quang...............................36
3.5.1 Khuếch đại công suất ...........................................................................................37
3.5.2 Khuếch đại trên tuyến...........................................................................................37
3.5.3 Tiền khuếch đại.....................................................................................................38
Phần mở đầu
______________________________________________________________________________
Chương I
Giới thiệu chung về khuếch đại quang
1.1 Vai trò và ứng dụng của khuếch đại quang
1.1.1 Vai trò của khuếch đại quang
Ánh sáng đã thu hút sự quan tâm của chúng ta ngay từ thời kỳ sơ khai của lịch sử loài
người. Ánh sáng cho phép chúng ta nhìn thấy nhiều thứ, đặc biệt là những hiện tượng hấp
dẫn như: cầu vồng, những màu sắc ấn tượng vào lúc bình minh phát ra từ mặt trời… Bởi
vậy, không có gì là tình cờ khi ánh sáng cũng gây được sự quan tâm đặc biệt của rất nhiều
nhà khoa học. Từ xa xưa, con người đã cố gắng để hiểu về ánh sáng qua nhiều thế kỷ, và
đã thu được những kiến thức nhất định. Ngày nay, chúng ta biết rằng ánh sáng là một dạng
sóng điện từ, như sóng radio. Nó là đối tượng của rất nhiều định luật vật lý về truyền dẫn
và tương tác.
Con người từ xưa đã biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin bằng những cách rất
thô sơn như: đốt lửa, sử dụng gương để phản xạ ánh sáng mặt trời… Với sự phát triển của
khoa học hiện đại, chúng ta đã có thể chế tạo những hệ thống thông tin quang có khả năng
truyền thông tin đi rất xa và chính xác bằng cách đưa tín hiệu ánh sáng đi trong những sợi
dẫn sóng hay sợi quang.
Thông tin quang đã phát triển rất nhanh trong những năm cuối của thể kỷ XX. Tốc độ

Amp
Sợi quang
Sợi quang
Vùng tín hiệu quang
Vùng tín hiệu điện
Bộ thu quang
Bộ khuếch đại điện
Bộ chuyển đổi quang
Để có thể truyền được tín hiệu xa hàng trăm km, mức công suất quang
phải được điều chế một cách định kỳ. Những bộ khuếch đại quang là chìa khoá cho việc
đó, chúng khôi phục lại tín hiệu quang đã bị suy hao. Bởi vậy, khoảng cách truyền tín hiệu
ngày càng được tăng lên.

Tín hiệu vào yếu

Tín hiệu ra khuếch đại
Dòng bơm
Khuếch đại quang
Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ khuếch đại lặp bằng khuếch đại quang
1.1.2 Ứng dụng của khuếch đại quang
______________________________________________________________________________
Có 4 ứng dụng chính của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang là:
• Khuếch đại công suất (booster) để tăng công suất quang vào đường truyền.
• Khuếch đại trên tuyến (in line) để thay thế các bộ lặp quang - điện trên tuyến quang
sợi khoảng cách lớn.
• Tiền khuếch đại cho bộ thu quang để tăng công suât tín hiệu quang vào bộ thu.
• Khuếch đại công suất phân bố cho các mạng rẽ nhánh.
Cần chú ý rằng khuếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã suy hao trong tuyến
truyền dẫn. Do khuếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc và các hiệu ứng
quang phi tuyến, cho nên truyền thông tin quang sử dụng khuếch đại quang vẫn bị hạn chế

______________________________________________________________________________
Sợi quang pha tạp Er
3+
Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm (Rare Earth Doped Fiber Amplifier) là một
thành tựu lớn của công nghệ thông tin quang trong những năm cuối thế kỷ ΧΧ.. Các ion
đất hiếm họ Lantan (Lanthanide) được pha tạp vào lõi sợi quang sẽ đóng vai trò là môi
trường khuếch đại quang. Trong đó Erbium là nguyên tố được đặc biệt chú ý vì chúng có
khả năng khuếch đại quang ở vùng bước sóng 1550nm là cửa sổ thông tin thứ 3 của sợi
quang thủy tinh SiO
2
. Tại vùng bước sóng này, suy hao trong sợi quang SiO
2
là nhỏ nhất.
Có thể nói rằng chưa có một công nghệ nào được ứng dụng vào thực tiễn nhanh như
khuếch đại quang sợi pha tạp Er
3+
.
Đến nay, các bộ khuếch đại quang EDFA được sử dụng rất rộng rãi trong mạng truyền
thông cáp quang và đặc biệt trong các hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM. Có
thể nói rằng bộ khuếch đại quang EDFA đã tạo ra bước nhảy vọt trong công nghệ viễn
thông cáp quang dung lượng lớn bằng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng.
Khuếch đại quang sợi EDFA có băng tần khuếch đại khá rộng, có thể khuếch đại đồng
thời hàng trăm bước sóng trong dải 1525÷1600nm. Đặc biệt khuếch đại quang sợi EDFA
không nhạy với phân cực của chùm sáng tới, do đó có thể sử dụng rất dễ dàng trong mọi
tuyến truyền dẫn quang sợi.
1.3 Những vấn đề chọn để giải quyết
Mục tiêu đặt ra đối với luận văn này gồm:
 Khảo sát sự ổn định của nguồn bơm laser DFB tại bước sóng 980nm cho các bộ
khuếch đại quang pha tạp đất hiếm Er
3+

các nguyên tố trong họ Actini không có đồng vị đủ bền phù hợp với yêu cầu của các thiết bị
nói trên.
Chúng ta biết rằng, cấu tạo của nguyên tử gồm một hạt nhân được bao quanh bởi các lớp
điện tử. Thông thường, các lớp điện tử này được lấp đầy theo thứ tự sao cho các lớp vỏ sẽ có
bán kính tăng dần. Tuy nhiên, đến vị trí nguyên tử thứ 57 (Z = 57) thì quy luật này bị phá vỡ.
Ở nguyên tử thứ 57, lớp 5s và 5p (5s
2
5p
6
) được lấp đầy trước sau đó các điện tử mới tiếp tục
lấp đầy lớp 4f. Thay vì có bán kính lớn hơn lớp 5s và 5p, lớp 4f có bán kính nhỏ hơn hai lớp
này nên nó bị bao bọc bởi các lớp này. Do các nguyên tố thuộc họ Lantan có số nguyên tử từ
58 đến 71 nên chúng đều tuân theo quy luật trên. Đây là đặc tính quan trọng nhất của các
nguyên tố đất hiếm được gọi là sự co lại của họ Lantan.
Hầu hết các nguyên tố đất hiếm đều tồn tại dưới dạng ion đặc biệt là ion hoá trị III bởi
đây là dạng ổn định nhất của chúng. Các nguyên tố đất hiếm trung hòa đều có cấu hình điện tử
4f
N
6s
2
hoặc 4f
N ־1
5 d6s
2
, quá trình ion hóa xảy ra đầu tiên là khử 2 điện tử yếu ở lớp 6s, sau đó
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
là khử tiếp điện tử tại lớp 4f hoặc 5d. Do vậy các ion đất hiếm họ Lantan hóa trị ba đều có một
lõi Xenon (1s
2

hiệu ứng Stark (hình 2.1). Do vậy quang phổ của lớp vỏ 4f gồm nhiều vạch trong một dải khá
rộng. Các mức năng lượng của ion đất hiếm hoàn toàn có thể tính được khi giải phương trình
Schrodinger trong trường tinh thể.
(4f)
2
3
F
4
3
F
3
3
F
3
H
3
F
2
3
H
6
3
H
5
3
H
4
1
G
1

980
800
670
532
514
485
450
440
410
1660
540
850
1220
1720
640
980
1540
2750
2
P
3/2
2
G
7/2
4
G
11/2
4
F
3/2

7/2

4
S
3/2
35
30
25
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
20
15
10
5
0
Các dịch chuyển hấp thụ
(tính theo nm)
Các dịch chuyển phát xạ
(tính theo nm)
Năng lượng (10
3
cm
-1
)
Hình 2.2: Sơ đồ các mức năng lượng và các trạng thái dịch chuyển của ion Er
3+
4
I
11/2
4

laser bước sóng 980nm, các ion Er
3+
sẽ được kích thích lên mức
4
I
11/2
. Và sau một thời gian rất
ngắn cỡ vài μs, chúng sẽ dịch chuyển không bức xạ xuống mức
4
I
13/2
với thời gian sống tại
mức này lớn gấp hàng vạn lần thời gian sống tại mức
4
I
11/2
. Điều này cho phép chúng ta tạo ra
sự nghịch đảo độ tích lũy giữa 2 mức
4
I
13/2
và mức cơ bản
4
I
15/2
(mức nển).
Trong môi trường SiO
2
vô định hình do tương tác với mạng nền, các mức năng lượng của
ion Er

2
), xác suất
chuyển dời hấp thụ của một photon từ mức 1 lên mức 2 sẽ tỷ lệ với tiết diện hấp thụ σ
12
, tương
tự xác suất chuyển dời bức xạ từ mức 2 xuống mức 1 sẽ tỷ lệ với tiết diện bức xạ σ
21
. Tiết diện
hiệu dụng có thứ nguyên là diện tích.
Tổng công suất P
abs
của ánh sáng tới có tần số ω bị hấp thụ bởi một photon được cho bởi:
IP
abs 12
σ
=
(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:
( )
ωσ
ω
σ
Φ==
1212

I
N
abs

absem 121212
σσ
−=−=∆

(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: σ
12
= σ
21
. Tuy nhiên, trong trường hợp của các ion Er
3+
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 Er
3+
là khác nhau.
Hình 2.4 và 2.5 mô tả các tiết diện hấp thụ và bức xạ của ion Er
3+
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 Er
3+
. 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.

-GeO
2
-P
2
O
5
với Al/Ge = 1:10
3 SiO
2
-Al
2
0
3
-GeO
2
-P
2
O
5
với Al/Ge = 1:33
4 SiO
2
-Al
2
0
3
-P
2
O
5

4
0,7
1 SiO
2
-GeO
2
-P
2
O
5
2 SiO
2
-Al
2
0
3
-GeO
2
-P
2
O
5
với Al/Ge = 1:10
3 SiO
2
-Al
2
0
3
-GeO

- thời gian sống tổng cộng
R
τ
- thời gian sống bức xạ
NR
τ
- 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
4
I
13/2
của ion Er
3+

mức
4
S
3/2
cho
bức xạ xanh với thời gian sống cỡ 1μs.
0,001 0,01 0,1 1 10 100
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Nồng độ ion Er
3+
(mol%)
Thời gian sống
4
I
13/2
(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 Er
3+
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
4
I

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 Er
3+
Quan sát hình 2.7, ta thấy một đỉnh hấp thụ rất quan trọng của Er
3+
tại bước sóng 980nm.
Hấp thụ này tương ứng với dịch chuyển từ trạng thái cơ bản
4
I
15/2
lên trạng thái
4
I
11/2
. Từ trạng
thái này ion Er
3+
phục hồi nhanh không bức xạ về trạng thái
4

4
3
2
1
Tiết diện σ(10
-21
cm
2
)
Hình 2.8: Phổ hấp thụ và phát xạ của ion Er
3+
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 Er
3+
.
Phổ phát xạ có hai đỉnh ở bước sóng 1530nm và 1557nm do sự tách mức năng lượng
4
I
15/2
và
4
I
13/2
không đồng đều. Vì đường cong phát xạ không bằng phẳng trong vùng cửa sổ
_______________________________________________________________________

I
11/2
4
I
13/2
4
I
15/2
Hình 2.9: Quá trình hấp thụ trạng thái kích thích ASE ở dải bơm 800nm tại mức siêu bền
4
I
13/2
Photon 800nm
Photon 800nm
Khi một ion Er
3+
ở trạng thái cơ bản (trạng thái nển) hấp thụ một photon tới có bước sóng
800nm để chuyển lên trạng thái
4
I
9/2
. Trong mạng thủy tinh nền silica, nó nhanh chóng dịch
chuyển không phát xạ xuống mức siêu bền
4
I
13/2
thông qua quá trình tạo ra các phonon. Tại đây
nó có thể hấp thụ một photon 800nm thứ hai để chuyển lên mức
2
H