Thứ Ba, 20 tháng 12, 2011

Khuếch đại quang sợi pha tạp Pr (PDFA), Nd (NDFA)
















1. đặt vấn đề

Thông tin quang sợi đã phát triển mạnh trong các hệ thống viễn thông trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Việc tăng khả năng truyền dẫn và mở rộng khoảng cách truyền dẫn chỉ có thể giải quyết hiệu quả bằng các hệ thống truyền dẫn mới sử dụng các công nghệ như SDH hoặc ATM kết hợp với các linh kiện truyền thu kiểu mới như các bộ khuếch đại quang học. Khuếch đại tín hiệu quang bằng cách sử dụng các sợi quang pha đất hiếm đã mở ra những khả năng giảm giá thành tuyến truyền dẫn trong các mạng vùng hoặc các mạng đường trục bằng việc tăng khoảng cách các trạm lặp hoặc đa kênh truyền trên các mạng địa phương có sẵn. Các bộ khuếch đại quang sợi bằng sợi dẫn quang pha tạp erbium (EDFA) ở bước sóng 1550nm đã được sử dụng rộng rãi trong các tuyến thông tin cáp quang đường dài hoặc các mạng vòng lớn. Tuy nhiên, đại đa số các tuyến cáp quang đã được lắp đặt trên khắp thế giới cũng như ở nước ta đều sử dụng các loại sợi dẫn quang phù hợp với bước sóng truyền dẫn 1300nm, do ở bước sóng 1550nm độ tán sắc của sợi khá cao đã hạn chế dung lượng và khoảng cách truyền tín hiệu quang. Việc tìm kiếm các loại sợi dẫn quang pha đất hiếm có khả năng khuếch đại quang tại bước sóng 1300nm để sử dụng trong các mạng viễn thông cáp quang đã lắp đặt đang trở thành vấn đề thời sự trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu công nghệ thông tin quang trên thế giới. Các kết quả nghiên cứu gần đây nhất về quang phổ phát xạ của thuỷ tinh pha đất hiếm đã cho thấy các ion đất hiếm Praseodymium và Neodymium trong các gốc thuỷ tinh silica hoặc fluoride có khả năng khuếch đại quang tại bước sóng 1310-1340nm. Khi các ion Pr và Nd được pha tạp cùng với các ion Al hoặc Ge thì ta có thể thay đổi khả năng hấp thụ và phát xạ của chúng, do đó có thể điều khiển được quá trình bơm và hệ số khuếch đại của sợi quang. Trong bài này sẽ trình bầy vài nét sơ lược về các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Pr, Nd và các ứng dụng của nó trong thông tin quang. Tuy khả năng khuếch đại quang của các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Nd, Pr còn thấp so với loại EDFA nhưng chúng đang mở ra một hướng mới trong quá trình hoàn thiện các mạng thông tin cáp quang có sẵn.

1.Nguyên lý của khuếch đại quang sợi.

Các sợi dẫn quang pha ion đất hiếm như erbium, praseodymium, neodymium.... tạo ra các môi trường truyền dẫn và khuếch đại quang cho các loại laser rắn. Các nguyên tố đất hiếm trong nhóm Lanthanide có các cấu trúc điện tử phù hợp với các vật liệu tích cực trong vùng hoạt tính của laser. Các ion đất hiếm có khả năng hấp thụ photon trong dải phổ rất rộng và có các mức năng lượng kích thích siêu bền để có hiệu ứng laser, do đó có khả năng khuếch đại quang. Hình 1 biểu diễn các mức năng lượng của praseodymium và neodymium trong khoảng khuếch đại quang cần quan tâm. Ðối với Er, mức 4I15/2 là mức hấp thụ cơ bản và mức 4I13/2 là mức kích thích siêu bền; đối với Pr, mức 3H4 là mức hấp thụ cơ bản và mức 1G43P0là mức kích thích siêu bền; đối với Nd mức năng lượng 4I9/2 là mức hấp thụ cơ bản và mức 4F3/2 là mức kích thích siêu bền. Ðể khuếch đại quang ở bước sóng 1300nm, trong các thuỷ tinh pha Pr, ta sử dụng các chuyển tiếp phát xạ từ các mức siêu bền 1G4 xuống 3H5 (1G4-3H5), trong thuỷ tinh pha Nd, ta sử dụng các chuyển tiếp phát xạ 4F3/2-4I13/2. Các quá trình bức xạ cưỡng bức xảy ra rất nhanh (cỡ femto hoặc pico giây), do đó các khuếch đại quang sợi rất thích hợp cho các thiết bị thông tin quang tốc độ cao hoặc xung cực ngắn.

 




 

Hình 1. Sơ đồ mức năng lượng của các ion Pr, Nd sử dụng trong khuếch đại quang ở các bước sóng từ 1060 đến 1340nm.


Các mức năng lượng chỉ ra trên Hình 1 có thể thay đổi khi pha tạp các ion khác cùng với nguyên tố đất hiếm hoặc trong các loại thuỷ tinh khác nhau.

Khi đồng pha tạp các ion Al, Ge...các quá trình chuyển giao năng lượng giữa các nguyên tử kích thích xảy ra kèm theo quá trình phát xạ phonon cho phép nâng cao khả năng tập trung mật độ các nguyên tử kích thích trong mức kích thích siêu bền, do đó có thể tăng hệ số khuếch đại quang ở các bước sóng thích hợp.

Hình 2 trình bày sơ đồ cấu tạo bộ khuếch đại quang sợi pha đất hiếm. Các nguồn kích có bước sóng trong khoảng 488-860nm sử dụng laser argon, laser He-Ne, laser bán dẫn GaAsP, GaAlAs với công suất từ vài miliwatt đến vài trăm miliwatt. Laser bán dẫn là các nguồn bơm thích hợp nhất đối với các bộ khuếch đại quang sợi pha đất hiếm. Các laser bán dẫn bước sóng 650, 670, 780, và 810-860nm với các công suất khác nhau từ 5mW đến vài chục mW đã được thử nghiệm để bơm vào sợi quang pha tạp Nd, Pr. Tín hiệu quang lối vào ở bước sóng 1310nm được khuếch đại thông qua bức xạ cưỡng bức trong các sợi quang pha Nd từ mức 4F3/2 xuống mức 4I13/2 hoặc sợi quang pha Pr từ mức 1G4 xuống mức 3H5.

 



kdai1.jpg (13445 bytes)

 

NDDF: Sợi pha tạp Nd3+.WDM: Bộ ghép kênh phân chia theo bước sóng.
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý của khuếch đại quang sợi pha đất hiếm dùng làm bộ tăng công suất quang trên đường truyền.


Các ion Nd, Pr hoạt động như các ion tích cực ở các bước sóng trong khoảng 810-1010nm hoặc các bước sóng ngắn hơn. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng các ion Nd có hiệu ứng phát xạ cao ở bước sóng 1060nm, do đó xác suất chuyển tiếp phát xạ ở bước sóng 1310-1340 khá nhỏ.


Bộ khuếch đại sợi pha tạp Pr.


Bộ khuếch đại sợi fluoride pha tạp Pr3+ dùng trong những hệ thống truyền dẫn quang 1,3m sử dụng sợi đơn mốt 1,3m m tiêu chuẩn và thường được cài đặt trong hệ thống mặt đất. Những thực nghiệm truyền dẫn quang analog và digital gần đây sử dụng những PDFA đã được chứng minh là thành công. Những kết quả gần đây đã cho thấy rằng những PDFA có thể cải thiện lớn hoạt động của những hệ thống hoạt động trong dải 1,3mm.Do hiệu suất lượng tử của chuyển dời kích thích 1,3m m là thấp, để có tăng ích cao thì cần một nguồn bơm công suất cao hoạt động xung quanh 1,02m m, tương ứng với kích thích 3H4-1G4. Bước sóng bơm không bị hạn chế mạnh do dải hấp thụ rộng của sự kích thích, do đó có thể dùng nguồn bơm 1,05m m. Thực tế, hay dùng nguồn bơm laser Nd:YLF vì nó có thể phát xạ công suất bơm cao hơn 1W, và laser Yb:YAG thích hợp để cấu trúc những PDFA hiệu quả. Lược đồ bơm là rất quan trọng để có được PDFA có hoạt động khuếch đại tốt như tăng ích cao, công suất đầu ra bão hoà cao và hệ số tạp âm thấp. Hình 3 minh hoạ một modun PDFA có hai khối khuếch đại.


 



kdai2.jpg

 

Bộ khuếch đại này có tăng ích cao 40,6dB, công suất đầu ra bão hoà 20,1dB. Mỗi khối chứa một sợi fluoride pha tạp Pr3+, một laser Nd:YLF, một bộ ghép WDM và một hệ số tạp âm thấp 5dB và một bộ cách quang. D n của sợi là 2,5% và suy hao tán xạ thấp hơn 0,02dB/m. Nồng độ Pr là 1000ppm. Công suất tối đa của laser Nd:YLF khoảng 650mW. Suy hao ghép và suy hao phản xạ là 0,4dB và 60dB một cách tương ứng. Một bộ cách quang có suy hao chèn 0,5dB và có một bộ cách quang được chèn vào giữa hai khối. Bộ cách ly này ngăn cản những phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) truyền ngược trở lại và bất cứ sự tương tác giữa hai laser Nd:YLF.

Khả năng ứng dụng của khuếch đại quang ở bước sóng 1300nm.

Ðặc trưng quan trọng của các bộ khuếch đại quang sợi là công suất bão hoà lối ra rất lớn (>17dBm), hệ số khuếch đại cao (>30dB) và băng tần rất rộng (3-5THz). Các bộ khuếch đại quang sợi có thể sử dụng như là các nguồn khuếch đại tăng cường trên tuyến truyền dẫn, các tiền khuếch đại quang hoặc các bộ lặp quang. Khi sử dụng khuếch đại quang sợi như các nguồn khuếch đại tăng cường trên tuyến, đặc trưng công suất bão hoà cao cần được khai thác triệt để, còn các bộ tiền khuếch đại quang hoặc lặp lại quang yêu cầu tối ưu hoá đặc trưng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N ratio). Có hai nguyên nhân cơ bản hạn chế sự truyền ánh sáng trong sợi quang là suy hao công suất quang và tán sắc trong sợi quang. Các bộ EDFA có độ khuếch đại quang rất lớn ở bước sóng 1550nm, nhưng tại bước sóng này các sợi quang silica thông thường có độ tán sắc khá lớn làm nhoè các xung tín hiệu quang khi truyền ở khoảng cách lớn, do đó hạn chế dung lượng truyền trong cáp. Các bộ khuếch đại quang pha tạp Nd, Pr có thể khắc phục được nhược điểm này của EDFA do bước sóng khuếch đại 1300nm có độ tán sắc bằng 0 trong sợi dẫn quang silica, tuy nhiên hiện nay hệ số khuếch đại quang của các sợi này còn khá nhỏ trong các vật liệu silica. Một số nghiên cứu nhằm vào đối tượng các thuỷ tinh nặng kiểu fluoride (thí dụ: ZBLAN) pha tạp đất hiếm có hệ số khuếch đại cao hơn nhiều, tuy nhiên công nghệ chế tạo các loại sợi thuỷ tinh trên còn rất nhiều khó khăn và chưa hoàn thiện như công nghệ chế tạo sợi Silica. Các bộ khuếch đại quang sử dụng thuỷ tinh silica có thể có những tiến bộ đặc biệt khi sử dụng các ion đồng pha tạp như Al, Ge, F....để chuyển giao năng lượng kích thích hoặc để tạo các mức năng lượng siêu bền mới trong vùng hoạt tính.

Kết luận.

Khuếch đại quang sợi pha đất hiếm hứa hẹn sẽ mang lại hiệu quả to lớn trong các mạng thông tin đường dài, thông tin khu vực và các mạng thông tin đa dịch vụ trong tương lai. Vì vậy, việc tìm hiểu và nghiên cứu các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Nd, Pr là cần thiết nhằm phục vụ cho chiến lược phát triển mạng viễn thông hiện đại của quốc gia.

Tài liệu tham khảo.

Kajuo Fujiura, Terutoshi Kanamori, NTT Opto-Electronics Laboratories, Fluoride optical fiber amplifiers. 
George Guekos, Swiss Federal institute of Technology, Semiconductor optical amplifiers.


0 nhận xét:

Đăng nhận xét