Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống truyền dẫn quang, thiết bị truy nhập băng thông rộng và ứng dụng vào mạng viễn thông thế hệ mới (NGN) ở việt nam

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10
"NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG"




BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI
“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN
QUANG, THIẾT BỊ TRUY NHẬP BĂNG THÔNG RỘNG VÀ ỨNG DỤNG
VÀO MẠNG VIỄN THÔNG THẾ HỆ MỚI (NGN) Ở VIỆT NAM”
Mã số: KC.01-06/06-10

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Khoa học vật liệu
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Phạm Văn Hội





8189


Hà nội – 2009

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10
"NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG"


BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI
“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN
QUANG, THIẾT BỊ TRUY NHẬP BĂNG THÔNG RỘNG VÀ ỨNG DỤNG
VÀO MẠNG VIỄN THÔNG THẾ HỆ MỚI (NGN) Ở VIỆT NAM”
Mã số: KC.01-06/06-10

Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài

(ký tên) (ký tên và đóng dấu)





PGS.TS. Phạm Văn Hội PGS.TS. Nguyễn Quang Liêm

Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ

(ký tên) (ký tên và đóng dấu khi gửi lưu trữ)

Hà nội – 2009
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10



MỤC LỤC
Trang

Mở đầu 1

Chương 1. Các kết quả nghiên cứu công nghệ chế tạo khuếch đại quang
sợi pha tạp Erbium 3
1.1. Tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu cho công nghệ
chế tạo khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 3
1.2. Sơ lược về tính chất quang của ion Erbium trong thủy tinh…………5
1.3. Hệ khuế
ch đại quang sợi pha tạp Erbium ………………………… 12
1.4. Tính chất quang của thủy tinh pha tạp Erbium nồng độ cao……… 19
1.5. Vai trò của thủy tinh nền và các ion đồng pha tạp ………………….22
1.6. Tạp âm trong khuếch đại quang EDFA …………………………….26
1.7. Các phương trình tính toán cho EDFA…………………………… 31
1.8. Kết quả nghiên cứu thiết kế nguồn bơm cho EDFA……………… 36
1.9. Kết quả nghiên cứu công nghệ chế tạo EDFA trong
khuôn khổ đề tài…………………………………………………….51
1.10. Kết quả thử nghiệm thiết bị EDFA trên mạng thông tin
quang thực tế……………………………………………………… 68
1.11. Tài liệu tham khảo chương 1………………………………………. 73

Chương 2. Kết quả nghiên cứu chế tạo khuếch đại quang bán dẫn 77
2.1. Tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu cho công nghệ
chế tạo khuếch đại quang bán dẫn (SOA) 77
2.2. Tóm tắt cơ sở lý thuyết cho khuếch đại quang trong bán dẫn 78
2.3. Nguyên lý thiết kế linh kiện khuếch đại quang bán dẫn SOA 86
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10



2.4. Kết quả thiết kế và chế tạo phần điện tử cho SOA 92
2.5. Kết quả thiết kế và chế tạo phần mềm điều khiển cho SOA 97
2.6. Kết quả thử nghiệm SOA trong điều kiện Phòng Thí Nghiệm 99
2.7. Kết quả chế tạo và đo đạc các thông số cơ bản của SOA 106
2.8. Tài liệu tham khảo chương 2 114

Chương 3. Các kết quả
nghiên cứu về các bộ phát và thu tín hiệu quang
tốc độ STM1-STM16 115
3.1. Sơ lược cơ sở vật lý của bộ phát tín hiệu quang trong
mạng viễn thông quang sợi 115
3.2. Thiết kế các bộ phát tín hiệu quang tốc độ từ 155Mb/s
đến 2,5 Gb/s 126
3.3. Sơ lược cơ sở vật lý của bộ thu tín hiệu quang trong mạng
viễn thông quang sợi 138
3.4.
Thiết kế bộ thu tín hiệu thông tin quang tốc độ STM 1
– STM4) bằng chương trình chuyên dụng 148

Chương 4. Các kết quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị
truy nhập toàn quang NxE1 156

4.1. Thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập mạng quang 4xE1 156
4.2. Thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập mạng quang 16xE1 167
4.3. Các kết quả nghiên cứu thiết kế và xây dựng tuyến thông tin quang
t
ốc độ STM1 (155Mb/s) có sử dụng truy nhập tòan quang 177
4.4. Tài liệu tham khảo chương 4 177

Chương 5. Kết quả đạt được của đề tài 178
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10



5.1. Các sản phẩm dạng 1 của đề tài 178
5.2. Sản phẩm dạng II trong đề tài 183
5.3. Các sản phẩm dạng III (công bố KHCN và đào tạo) của đề tài 184

VI. Kết luận và kiến nghị
6.1. Kết luận 185
6.2. Kiến nghị 186
Lời cảm ơn 187

Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt

ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại
ESA Excited State Absorption Hấp thụ ở trạng thái kích thích
WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng
DWDM Dense Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước
Multiplexing sóng mật độ cao
ED Electric dipole Lưỡng cực điện
MD Magnetic dipole Lưỡng cực từ
FWHM Full Width At Half Maximum Độ bán rộng tại nửa cực đại
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi pha tạp Er
EYDFA Erbium Ytterbium Doped Fiber Bộ khuếch đại bộ pha tạp Er- Yb
Amplifier
IO Integrated Optics Quang tổ hợp

MCVD Modified Chemical Vapor Lắng đọng pha hơi hóa
Deposition học cải biến
RE Rare Earth Đất hiếm
SiO
2
Silica Thủy tinh SiO
2

SiO
2
-Al
2
O
3
Silica-Alumina Thủy tinh SiO
2
-Al
2
O
3

DFB laser Distributed Feedback Laser Laser phản hồi phân bố
DBR laser Distributed Bragg Reflector Laser Laser phản xạ Bragg phân bố
SOA Semiconducter optical Amplifier Khuếch đại quang bán dẫn

Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10






DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 1.1. Chức năng và điện áp hoạt động của các chân kết nối giữa module
EDFA và mạch chủ của hệ thống thông tin quang 49
Bảng 1.2. Công suất tín hiệu ra P
ra
và hệ số khuếch đại G của sợi pha tạp
C1400 khi thay đổi công suất bơm (bơm đồng hướng) 55
Bảng 1.3. Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại khi thay đổi công suất
bơm cho sợi ISOGAIN I-6 tại bước sóng 1552 nm 57
Bảng 1.4. Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi ISOGAIN I-6
tại bước sóng 1533,5 nm và 1557,5 nm 58
Bảng 1.5. Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi HCO-4000
chiều dài 3,6 mét khi thay đổi công suất bơm 59
Bảng 1.6. Kết quả thí nghiệm thay đổi công suất tín hiệu vào trên các sợi
C1400 60
Bảng 1.7. Hệ số khuếch đại G của EDFA sử dụng sợi ISOGAIN I-6 khi
thay đổi công suất tín hiệu vào P
vào
61
Bảng 1.8. Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi HCO-4000

chiều dài 3,6 mét khi thay đổi công suất tín hiệu vào 62
Bảng 1.9. Công suất tín hiệu ASE phụ thuộc vào công suất bơm của sợi
C1400 chiều dài 6 mét 63
Bảng 1.10. Công suất ASE của sợi ISOGAIN I-6, chiều dài 12 mét 64
Bảng 1.11. Hệ số tạp âm của các EDFA sử dụng sợi pha tạp C1400 có chiều
dài L khác nhau khi thay đổi công suất bơm 66
Bảng 1.12. Các thông số chính của thiết bị EDFA
đã chế tạo 70
Bảng 3.1. Danh mục các linh kiện cho bộ phát STM16 138
Bảng 3.2. Danh mục các linh kiện điện tử cho khối thu và phát của
modul STM1,4 155
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10


Bảng 4.1. Các thông số của bộ truy nhập toàn quang 4 x E1 165
Bảng 4.2. Các thông số của bộ truy nhập toàn quang 16 x E1 175
Bảng 5.1. Phần Quang tử của EDFA 178
Bảng 5.2. Phần Điện tử của EDFA 179
Bảng 5.3. Phần Quang tử của SOA 179
Bảng 5.4. Phần Điện tử của SOA 180
Bảng 5.5 Các thông số chính của bộ phát tín hiệu quang STM1,4 181
Bảng 5.6. Các thông số chính của bộ thu tín hiệu quang STM1,4 181
Bảng 5.7. Các thông số chính của thiết bị NxE1: 182

Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang

Hình 1.1. Các mức Stark của ion Er
3+
pha tạp trong thủy tinh 7
Hình 1.2. Các chuyển dời phát xạ huỳnh quang từ mức

4
I
13/2
về mức
4
I
15/2
8
Hình 1.3. Các chuyển dời hấp thụ (Absorption) từ mức
4
I
15/2
lên mức
4
I
13/2
9
Hình 1.4. Phổ tiết diện hấp thụ và phát xạ từ thực nghiệm (a) và từ lý thuyết
mở rộng thuần nhất (b) 11
Hình 1.5. Mặt cắt ngang của sợi pha tạp Er
3+
12
Hình 1.6. Cường độ hấp thụ và phát xạ theo bước sóng của sợi pha tạp Er 13
Hình 1.7. Cấu hình hệ EDFA bơm đồng hướng 14
Hình 1.8. Công suất bơm và công suất tín hiệu trong cấu hình bơm đồng hướng 14
Hình 1.9. Cấu hình hệ EDFA bơm ngược hướng 15
Hình 1.10. Công suất bơm và công suất tín hiệu trong cấu hình bơm ngược hướng 16
Hình 1.11. Cấu hình hệ EDFA bơm song công 16
Hình 1.12. Các chuyển dời chuyển đổi ngược 20
Hình 1.13. Phổ phát xạ của ion Er

3+
trong thủy tinh silica với các đồng
pha tạp khác nhau 23
Hình 1.14. Tiết diện phát xạ của các loại thủy tinh khác nhau pha tạp Er
3+
24
Hình 1.15. Sơ đồ chuyển dời giữa các mức năng lượng của ion Yb
3+
và Er
3+
25
Hình 1.16. Phổ phát xạ của Er
3+
với bước sóng kích thích λ = 975nm 26
Hình 1.17. Sự thay đổi dạng phổ ASE phụ thuộc công suất quang bơm 27
Hình 1.18. Minh họa phương pháp tính hệ số tạp âm NF bằng thực nghiệm 30
Hình 1.19. Mô hình 3 mức năng lượng của hệ EDFA 32
Hình 1.20. Sơ đồ bên trong của module laser bán dẫn họ SDLO 2564 980nm 37
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý của mạch ổn định nhiệt độ 38
Hình 1.22. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển dòng điện qua diode laser 40
Hình 1.23. Sơ
đồ phần cứng của mạch điều khiển hệ EDFA 43
Hình 1.24. Sơ đồ hoạt động của chương trình hệ thống 45
Hình 1.25. Sơ đồ mạch điện của hệ điều khiển module EDFA 47
Hình 1.26. Sơ đồ mạch điện tử của bộ khuếch đại quang EDFA 48
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10


Hình 1.27. Sơ đồ các linh kiện quang tử trong bộ khuếch đại EDFA 48
Hình 1.28. Kết quả theo dõi các thông số của EDFA trên màn hình vi tính 50

Hình 1.29. Máy phân tích quang phổ ADVANTEST Q8384 52
Hình 1.30. Sự thay đổi công suất quang theo dòng bơm của laser SDLO 53
Hình 1.31. Phổ tín hiệu lối ra của EDFA sợi C1400 dài 5 mét 54
Hình 1.32. Hệ số khuếch đại của sợi pha tạp C1400 chiều dài 6 mét, bơm
đồng hướng tại hai bước sóng tín hiệu 1533,5 nm và 1557,5 nm 56
Hình 1.33. Phổ tín hiệu lối ra của EDFA sử dụng sợi
HCO-4000, chiều dài 3,6 mét 59
Hình 1.34. Phổ ASE của sợi C1400, chiều dài 6 mét, bơm đồng hướng với
công suất bơm khác nhau 63
Hình 1.35. Phổ tín hiệu lối ra của sợi HCO-4000, chiều dài 3,6 mét khi có
và không có tín hiệu vào 65
Hình 1.36. Hệ số tạp âm của các EDFA sử dụng sợi pha tạp C1400 với chiều dài
5 mét, 6 mét, 8 mét và 10 mét 67
Hình 1.37. Sự phụ thuộc của công suất tín hiệu ra và hệ số tạp âm vào
công suất bơm cho sợi pha tạp HCO-4000 chiều dài 3,6 mét 68
Hình 1.38. Thiết bị EDFA chế tạo đã lắp ráp trên tuyến thông tin quang 69
Hình 1.39. Thiết bị EDFA đang hoạt động trên tuyến tốc độ 2,5 Gb/s 72
Hình 1.40. Kết quả theo dõi tỷ số lỗi bit trong tuyến thông tin quang
có sử dụng EDFA 72
Hình 2.1. Sơ đồ vùng năng lượng trong chất bán dẫn có pha tạp suy biến
81
Hình 2.2. Sơ đồ chuyển tiếp p-n khi không có thiên áp (a) và khi
có thiên áp (b) 84
Hình 2.3. Sơ đồ chuyển tiếp p-n có cấu trúc dị thể ở trạng thái cân bằng nhiệt
không có thiên áp (trên) và khi có thiên áp thuận (dưới) 84
Hình 2.4. Sơ đồ mạch điện của modul SOA 93
Hình 2.5a,b. a) Sơ đồ bố trí linh kiện dùng cho lắp ráp b) Sơ đồ mạch in mặt trên
của card điện tử 94
Hình 2.6a,b. a) Sơ đồ mạch in mặt dưới của card điện tử b) Sơ
đồ lỗ chân linh

Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10


kiện trong card điện tử 95
Hình 2.7. Mạch in chế tạo và tấm toả nhiệt cho card điện tử 96
Hình 2.8. Card điện tử nuôi và điều khiển cho SOA sau khi lắp ráp các linh kiện
Quang tử 96
Hình 2.9. Thiết bị SOA sau khi đã được chế tạo hoàn chỉnh 98
Hình 2.10. Phổ ASE trên lý thuyết (1) và thực nghiệm (2) 100
Hình 2.11. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại SOA vào công suất quang
tín hiệu lối ra 102
Hình 2.12. Sơ đồ đo đặc trưng độ khuếch đại của khuếch đại quang bán dẫn 103
Hình 2.13. Đường đặc trưng độ khuếch đại phụ thuộc dòng bơm của module
SOA tại các giá trị tín hiệu vào 104
Hình 2.14. Độ khuếch đại phụ thuộc theo nhiệt độ hoạt động của SOA 105
Hình 2.15. Độ khuếch đại phụ thuộc theo độ ẩm của môi trường 106
Hình 2.16. Hình ảnh bên trong của module SOA trong quá trình ghép nối quang 106
Hình 2.17. Minh hoạ sơ đồ đo đặc trưng công suất ASE sử dụng máy đo Diode 109
Hình 2.18. Sơ đồ đo phổ ASE 109
Hình 2.19. Sơ đồ đo đặc trưng độ khuếch đại của khuếch đại quang bán dẫn 110
Hình 2.20. Đặc trưng công suất ASE phụ thuộc dòng hoạt động của SOA 111
Hình 2.21. Phổ bức xạ tự phát ASE của module SOA 111
Hình 2.22. Đặc trưng độ khuếch đại phụ thuộc công suất lối ra 112
Hình 2.23. Đặc trưng độ khuếch đại phụ thuộc dòng bơm 113
Hình 3.1. Cấu trúc của laser bán dẫ
n và bộ cộng hưởng Faby-Perot của laser 117
Hình 3.2. Các mode dao động trong buồng cộng hưởng của laser 118
Hình 3.3. Sơ đồ laser bán dẫn cấu trúc dị thể kép (DHL) 120
Hình 3.4. Cấu trúc laser dị thể chôn (BH-laser diode) 121
Hình 3.5. Cấu trúc laser DFB (trái) và laser DBR (phải) 122

Hình 3.6. Đường đặc trưng P-I của laser 1,3µm ở các nhiệt độ khác nhau 126
Hình 3.7. Sơ đồ khối của hệ thu phát quang trên đường trục thông tin 127
Hình 3.8. Cấu trúc của laser FP 128
Hình 3.9. Phổ phát xạ của laser FP 128
Hình 3.10. Đặc trưng IP của laser bán dẫn 129
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10


Hình 3.11. Điều chế trực tiếp 130
Hình 3.12. Điều chế từ bên ngoài 130
Hình 3.13. Sơ đồ điện tử của mođul phát STM1,4 131
Hình 3.14. Mạch in của modul phát STM1-4 132
Hình 3.15. Đặc trưng cấu trúc và phổ của laser DFB 133
Hình 3.16. Cấu trúc của chip laser 2MOE5816 và 4MOE5496 134
Hình 3.17. Sơ đồ khối điều khiển công suất phát laser 136
Hình 3.18. Sơ đồ khối cho mạch phát STM16 137
Hình 3.19. Bản mạch in (4 lớp) của hệ thu phát tích hợp STM16 138
Hình 3.20. Sơ đồ chuyển tiếp p-n của bộ thu quang bán dẫn 141
Hình 3.21. Hình dáng xung quang điện của bộ thu quang bán dẫn 143
Hình 3.22. Sơ đồ chuyển tiếp p-i-n của bộ thu quang bán dẫn 144
Hình 3.23. Sơ đồ của bộ thu quang bán dẫn APD 146
Hình 3.24. Sơ đồ khối của hệ thu phát quang trên đường trục thông tin 149
Hình 3.25. Sơ đồ cấu trúc của PIN – Detector 150
Hình 3.26. Cấu trúc cơ bản của đầu thu APD 151
Hình 3.27. Cấu trúc đầu thu PIN kèm khuyếch đại quang 152
Hình 3.28. Sơ đồ mạch điện tử Modul thu quang STM1,4 154
Hình 3.29. PCB – Receiver 155
Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống E1 156
Hình 4.2. Các phân cấp PDH theo tiêu chuẩn Châu Âu và Bắc Mỹ 157
Hình 4.3. Giản đồ ghép theo thời gian 158

Hình 4.4. Cấu trúc khung chèn E2 159
Hình 4.5. Sơ đồ khối thiết bị PDH 4E1 160
Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý tổng thể OPTIMUX-4E1 161
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp luồng OPTIMUX-4E1 162
Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý khối biến áp OPTIMUX-4E1 162
Hình 4.9. Sơ đồ nguyên lý khối ghép/tách luồng OPTIMUX-4E1 163
Hình 4.10. Sơ đồ nguyên lý khối xử lý E2 OPTIMUX-4E1 163
Hình 4.11. Sơ đồ nguyên lý khối thu phát quang OPTIMUX-4E1 164
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10


Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn OPTIMUX-4E1 165
Hình 4.13. Cấu hình mạng chung 166
Hình 4.14a,b Một số sơ đồ ứng dụng thiết bị theo cấu trúc điểm-điểm 166
Hình 4.14c. Một số sơ đồ ứng dụng thiết bị theo cấu trúc điểm-điểm 167
Hình 4.15. Giản đồ ghép theo thời gian 167
Hình 4.16. Cấu trúc khung chèn E2 168
Hình 4.17. Cấu trúc khung chèn E3 169
Hình 4.18. Sơ đồ khối thiết bị PDH 16E1 170
Hình 4.19. Sơ đồ khối giao tiếp luồng 170
Hình 4.20. Sơ đồ khối khối thu phát quang 172
Hình 4.21. Sơ đồ nguyên lý khối ghép tách kênh và xử lí tín hiệu ghép
kênh bằng FPGA 173
Hình 4.22. Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp luồng 173
Hình 4.23. Sơ đồ nguyên lý khối thu phát quang 174
Hình 4.24. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 174
Hình 4.25. Sử dụng thiết bị theo cấu hình điểm-điểm 176
Hình 4.26. Sử dụng thiết bị theo cấu hình ring có xen/rẽ 176
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

1

MỞ ĐẦU
Mng thông tin quang si (TTQ) ca Vit nam hin ang c m rng và
hin i hóa rt nhanh theo tng nm. Các mng thông tin quang ng trc
ca các Hãng khai thác vin thông ln trong nc u ã nâng dung lng
truyn-thu lên hàng chc Gigabít/giây khi s dng công ngh ghép kênh theo
bc sóng WDM. Gn ây nht, mng TTQ ca VietTel ã c nâng cp lên
dung lng n 400 Gb/s s dng ghép 40 bc sóng trong mt si quang vi
tc
 bít mi bc sóng t 10 Gb/s. Khi mng TTQ ng trc ã s dng
các công ngh hin i vào bc nht trên th gii, vn  nghiên cu làm ch
các c ch vn hành ca mng, bo trì và sa cha các thit b s dng trong
mng và tng bc tin ti làm ch công ngh ch to các thit b và linh kin
thông tin quang phc v cho các mng nhánh s
m rng trong thi gian ti ã
tr nên rt cp thit.
 tài vi mc tiêu nghiên cu công ngh ch to mt s linh kin và thit b
c bn cho các tuyn thông tin quang SDH-STM1 vi tc  155Mb/s, trong ó
thit b truy nhp toàn quang cp lung NxE1và khuch i quang là các thit b
d kin có nhu cu s dng cao trong quá trình phát trin và m rng mng
TTQ nhánh. Trong tình hình công ngh ch
 to thit b TTQ  trong nc cha
c phát trin, các mc tiêu nghiên cu công ngh ch to thit b ca  tài
KC.01-06/06-10 có kh nng mang li hiu qu tt, c bit có ý ngha quan
trng cho các mng thông tin quang phc v an ninh quc phòng là các mng
thông tin yêu cu có  bo mt cao.
 tài có 4 mc tiêu c th nhm nghiên cu công ngh ch to mt s
linh
kin, thit b thu phát tín hiu quang, truy nhp mng quang và khuch i

quang s dng trong tuyn thông tin quang SDH th nghim vi tc  155
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

2
Mb/s.  tài ã phân công c th các ni dung nghiên cu công ngh cho các
c quan tham gia  tài, c th nh sau:
+ Vin Khoa hc vt liu, Vin Khoa hc và Công ngh Vit nam chu trách
nhim nghiên cu công ngh ch to thit b khuch i quang, bao gm c
khuch i quang si pha tp Erbium (EDFA) và khuch i quang bán dn
(SOA), áp ng c các yêu cu s dng trên tuyn thông tin quang hin t
i
vi tc  t 155 Mb/s n 2,5 Gb/s. Kt hp vi Cc K thut, B T lnh
Thông tin kho sát và a tuyn thông tin quang th nghim SDH-STM1(tc
 155 Mb/s) vào hot ng.
+ Trung tâm Quang in t, Vin ng dng công ngh, B Khoa hc và Công
ngh chu trách nhim nghiên cu công ngh ch to mô-un thu phát tín hiu
quang tc  155-622 Mb/s s dng trong các thit b truy nh
p toàn quang,
bc u tìm hiu thit k các mô-un thu phát tín hiu quang tc  2,5 Gb/s.
+ Cc K thut, B T lnh Thông tin Liên lc, B Quc phòng chu trách
nhim nghiên cu công ngh ch to thit b truy nhp quang 4xE1 và 8xE1 s
dng trong mng toàn quang
+ Cc K thut, BTLTTLL xây dng tuyn thông tin quang th nghim SDH-
STM1  dài n 70 km, Vin KHVL kt hp kho sát và a tuyn thông tin
quang th nghi
m vào hot ng.
Báo cáo tng kt này s trình bày các kt qu nghiên cu chính ã t c
ca  tài theo các ni dung ã c phân công cho các n v tham gia  tài.
Các c ch vt lý và công ngh ca các thit b, linh kin quang-in t và
quang t và các nghiên cu chi tit v công ngh ch to thit b và linh kin ã

ng ký và t c s trình bày  các phn chuyên  s
n phm ca  tài.



Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

3
CHƯƠNG 1
CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO KHUẾCH ĐẠI
QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM

I.1. Tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu cho công nghệ chế tạo khuếch
đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA)
Nguyên lý hot ng ca các b khuch i quang nói chung u da trên các
c s vt lý sau:
• Có môi trng khuch i quang (P
ra
> P
vào
);
• Có ngun bm (in, quang…).
Hin nay có ba loi khuch i quang ang s dng trong các mng thông tin
quang si là: khuch i quang si pha tp Erbium (Erbium Doped Fiber
Amplifier – EDFA), khuch i quang bán dn (Semiconductor Optical
Amplifier – SOA) và khuch i quang s dng môi trng tán x Raman
cng bc (Raman Optical Amplifier –ROA).
Trên c s vt lý, môi trng khuch i quang u phi tuân th các yêu cu
sau ây :
+ Tc  bc x c

ng bc ti bc sóng khuch i R
stim
() phi ln hn tc
 hp th R
abs
() ti bc sóng ó.
+  có iu kin R
stim
() > R
abs
(), mt  nguyên t N
2
trên mc nng
lng kích thích E
2
phi ln hn mt  nguyên t N
1
 mc nng lng c bn
E
1
. Trng thái phân b ion trong môi trng này c gi là trng thái o mt
 phân b.  môi trng có trng thái o mt  phân b, ta phi phá v
trng thái cân bng nhit bng phng pháp s dng h 3 hoc 4 mc nng
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

4
lng (trong các môi trng phân t) hoc bng phng pháp pha tp suy bin
nng trong bán dn và s dng chuyn tip p-n.
+ Các ion Erbium có h các mc nng lng
4

I
15/2
;
4
I
13/2
;

4
I
11/2
;

4
I
9/2
, trong ó
chuyn di phát x gia mc siêu bn
4
I
13/2

và mc c bn
4
I
15/2
cho hiu sut
phát x cao, phù hp vi vùng có suy hao quang thp nht trong si quang
(1550nm),vì vy ion Erbium c nghiên cu và ng dng rt rng rãi trong
khuch i quang và laser cho thông tin quang.

+ Si quang là môi trng truyn dn quang lý tng hin nay vi h s suy
hao thp ( < 0,2 dB/km ti bc sóng 1550 nm), vì vy si quang pha tp
Erbium c nghiên cu ch to t ngay thi im phát hin phát x mnh ca
ion Erbium ti vùng sóng 1550 nm (n
m 1987).
+ H s khuch i quang ph thuc vào nng  các tâm hot tính quang trong
môi trng, vì vy vi nng  càng cao ta nhn c h s khuch i càng
ln. Tuy nhiên, a s các ion t him trong h Lanthanide có  hoà tan rt
thp trong thu tinh SiO
2
, vì vy khi pha tp mnh chúng s t ám (clustering)
và gây ra hiu ng dp tt phát x (quenching) làm gim h s khuch i ca
môi trng khuch i.
+ Xu hng tìm kim các công ngh làm tng nng  Er pha tp trong thu
tinh SiO
2
nhng không có t ám ã c nghiên cu t nhng nm 90 ca th
k trc, và hin nay vn ang tip tc tin hành.
Nghiên cu công ngh ch to khuch i quang s dng trong mng thông tin
quang nói chung u phi thu c các thông s ch yu sau ây :
• H s khuch i G ca thit b;
• Bng tn khuch 
i trong di bc sóng  (hoc tn s ν);
• Công sut ra bão hoà P
sat
output
ca khuch i;
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

5

• Thông s tp âm (Noise Figure –NF) ca b khuch i;
Ngoài ra, khuch i quang hot ng trong tuyn thông tin quang thc cn nêu
c các thông s hot ng theo yêu cu thc t sau ây:
+  n nh ca khuch i trong quá trình hot ng;
+ Thi gian hot ng (thi gian sng danh nh) ca b khuch i;
+ Kim soát và iu hành b khuch i trong mt mng thông tin chung;
+ Giá thành bo trì, sa cha, thay th và tng thích ca thit b.
Các yêu cu v khuch i quang ã nêu  trên s là i tng nghiên cu chi
tit ca  này này vi mc tiêu hoàn thin công ngh ch to EDFA s dng
trên tuyn thông tin quang theo tiêu chun ITU-G662.
I.2. Sơ lược về tính chất quang của ion Erbium trong thủy tinh

Do si quang ch to bng vt liu thy tinh, vì vy các nghiên cu v thy
tinh pha tp Erbium ã c quan tâm nghiên cu ngay t thi im nghiên cu
phát trin EDFA. Vn  nghiên cu thy tinh không nm trong ni dung ca
 tài này, tuy nhiên  nghiên cu công ngh ch to EDFA có hiu qu cao
rt cn có các kin thc v tính cht quang ca ion Erbium trong thy tinh, c
bit là thy tinh SiO
2
là vt liu ch yu cho ch to si quang thông tin.
I.2.1. Các mức năng lượng của ion Er
3+
tự do
Cu hình in t ca ion Er
3+
là [Xe] 4f
11
, s in t trên lp 4f là 11, các
ion Er
3+

có bán kính qu o ca các in t lp 5s
2
và 5p
6
nm bên ngoài bán
kính qu o ca lp 4f. Tng tác ca ánh sáng vi ion Er
3+
ch liên quan n
các in t hóa tr thuc lp 4f, nhng vi s che chn ca các in t nm bên
ngoài thuc lp 5s
2
và 5p
6
nên các ion Er
3+
tng tác khá yu vi trng tinh
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

6
th. T ó các ion Er
3+
có tính ion t do khá rõ rt và tính cht quang ca ion
Er
3+
ít ph thuc vào vt liu nn.
Do ion Er
3+
tng tác yu vi vt liu nn, nên ta có th xem chúng là ion
t do và trng tinh th ca vt liu nn tham gia nh mt nhiu lon bé,
Hamiltonian ca ion Er

3+
t do là H
ion t do
= H
trng trung tâm
+ H
lc tnh in
+ H
spin –
qu o
, s hng H
lc tnh in
mô t tng tác Coulomb ca các in t lp 4f và s
hng H
spin – qu o
mô t tng tác spin - qu o ca các in t, hai s hng
H
lc tnh in
và H
spin – qu o
s quyt nh cu trúc các mc nng lng ca ion
Er
3+
t do.
Khi cha xét n trng tinh th, các mc nng lng ca ion Er
3+
t do
là
4
I

15/2
,

4
I
13/2
,

4
I
11/2
,
4
I
9/2
,
4
F
9/2
,
4
S
3/2
,
2
H
11/2
c phân b nh trên hình 1. Do s
in t trên lp 4f là l nên moment toàn phn J ca ion Er
3+

luôn luôn là bán
nguyên,  suy bin ca mi mc nng lng là g = 2J+1.
Chúng ta s nghiên cu chi tit hn các chuyn di phát x gia hai mc
4
I
15/2
và
4
I
13/2
liên quan n quá trình khuch i quang trong vùng bc sóng
1550 nm.
Trc ht là chuyn di phát x do lng cc in (electric dipole: ED)
gia hai mc
4
I
13/2
và
4
I
15/2
ca ion Er
3+
là b cm, bi vì toán t lng cc in
có i xng l, trong khi ó c hai trng thái
4
I
13/2
và
4

I
15/2
u có i xng chn
do cùng có moment qu o L = 6. Tuy nhiên do tng tác ca ion Er
3+
vi
trng tinh th, vi s óng góp ca các dao ng i xng l ca mng thy
tinh và s pha trn các hàm sóng ca in t lp 4f vi in t thuc lp khác
(nh 5d), kh nng chuyn di phát x lng cc in có th xy ra nhng vi
xác sut bé.
Nh vy tng tác ca photon vi ion Er
3+
pha tp trong thy tinh s xy
ra theo các dng: phát x lng cc t (magnetic dipole: MD), phát x t cc
in (electric quadrupole: EQ) và phát x lng cc in (ED) vi xác sut bé.
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

7

Hình 1.1. Các mức Stark của ion Er
3+
pha tạp trong thủy tinh.
Cng  chuyn di lng cc in ln hn các chuyn di khác rt
nhiu, t l ca các cng  chuyn di ED:MD:EQ là 1:10
-5
:10
-6
. Bi vì
chuyn di phát x lng cc in t mc
4
I
13/2
v mc c bn
4
I
15/2
có xác sut
bé nên thi gian sng ca ion Er
3+
nm  mc
4
I
13/2
rt ln  ~ 10 ms.
I.2.2. Sự tách mức do hiệu ứng Stark khi pha tạp Er
3+
trong thủy tinh
Khi pha tp ion Er
3+

vào thy tinh, tng tác ca ion vi trng tinh th
là khá yu so vi tng tác tnh in và tng tác spin – qu o. Nhiu lon do
trng tinh th làm cho các mc nng lng ca ion Er
3+
t do kh suy bin và
tách thành các mc con nm gn nhau nh s  trên hình 1.1, các mc con có
nng lng cách nhau c 50 cm
-1
và thng c gi là các mc Stark.
Trong lnh vc khuch i quang vùng bc sóng 1550 nm chúng ta ch
quan tâm nghiên cu s tách mc ca hai mc
4
I
15/2
và
4
I
13/2
. Theo lý thuyt, khi
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

8
pha tp ion Er
3+
trong thy tinh, mc
4
I
15/2
có th tách thành ti a là J +1/2 = 8
mc con và mc

4
I
13/2
có th tách thành J +1/2 = 7 mc con.
Tuy nhiên tùy theo tính cht i xng ca mng nn mà s kh suy bin
có th xy ra hoàn toàn hoc ch xy ra mt phn, do ó s mc Stark ca mi
mc nng lng còn ph thuc vào tính i xng ca loi vt liu nn.
S mc Stark ca mc
4
I
13/2
và
4
I
15/2
trong các loi thy tinh pha tp Er
3+

khác nhau nh silicate, fluoride, aluminosilicate và fluorophosphate ã c
kho sát bng phng pháp o ph hunh quang  nhit  thp.
Kt qu xác nh s mc Stark ca thy tinh aluminosilicate pha tp Er
3+

cng nh chuyn di hp th và phát x gia các mc này c trình bày nh
trên hình 1.2 và hình 1.3.

Hình 1.2. Các chuyển dời phát xạ huỳnh quang từ mức
4
I
13/2
về mức
4
I
15/2
.
Kt qu o ph hunh quang  nhit  thp cho thy các mc Stark có
nng lng cách nhau E c 50 cm
-1
.
 iu kin nhit  phòng, thc nghim cho thy rng chuyn di gia
các mc Stark s có quang ph không hoàn toàn n sc, quang ph s c
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

9
m rng bi hai quá trình, ó là m rng thun nht (homogenous broadening)
và m rng không thun nht (inhomogenous broadening).



Hình 1.3. Các chuyển dời hấp thụ (Absorption) từ mức
4

I
15/2
lên mức
4
I
13/2
.
I.2.3. Hiệu ứng mở rộng các mức năng lượng thuần nhất

Trong hiu ng m rông các mc nng lng thun nht (gi tt là quá
trình m rng thun nht), các mc Stark c phân b theo nhit ,  trng
thái cân bng nhit ng, phân b theo nng lng ca mc Stark tuân theo
phân b Bose – Einstein.

1)/)exp( −−
=
kT
g
n
i
i
i
µε
(1.1)
Vi k là hng s Boltzmann, T là nhit  tuyt i, µ là hóa th ca h,
g
i
là  suy bin ca mc i và 
i
là nng lng. Ti nhit  phòng, theo phân

b Bose – Einstein t s trng thái gia 2 mc Stark cách nhau E ~ 50cm
-1

là
exp(E/kT) = 0,78. T s này khá ln nên  trng thái cân bng nhit các mc
Stark bao ph ln nhau, do ó ph chuyn di phát x và hp th gia hai mc
4
I
13/2
và
4
I
15/2
c m rng và phân b liên tc trong vùng bc sóng 1430 nm
n 1650 nm.
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

10
Quá trình m rng thun nht gi nh rng cu trúc mng ca các ion
Er
3+
trong thy tinh là ging nhau, do ó các ion Er
3+
u có các mc Stark
trùng nhau. Tuy nhiên trng tinh th ti các ion Er
3+
là không ging nhau, nên
quang ph ca ion Er
3+
pha tp trong thy tinh còn có nh hng ca hiu ng

m rng không thun nht.
I.2.4. Quá trình mở rộng mức năng lượng không thuần nhất
Ph tit din hp th và tit din phát x ca thy tinh pha tp Er
3+
t
thc nghim có dng nh trên hình 4a, nhng khi s dng lý thuyt m rng
thun nht  tính toán các ph này nó s có dng nhiu nh nh hình 4b. S
khác bit gia lý thuyt và thc nghim này c gii thích do s tham gia ca
mt quá trình khác, ó là s m rng không thun nht. Quá trình này do cu
trúc không ng u ca mng nn, c bit là cu trúc thy tinh, s
mt trt t
trong cu trúc mng nn làm cho nng lng các mc Stark không trùng nhau.
Vi tit din hp th và tit din phát x thc nghim ca thy tinh
aluminosilicate pha tp Er
3+
, da vào lý thuyt m rng ng nht và không
ng nht Desurvire ã tính c  m rng ca các nh ph vi mng nn
này là 
H
~ 
I
~ 11.5 nm. Các m rng này tng ng vi khong cách nng
lng xp x 50 cm
-1
, nh vy m rng thun nht 
H
và m rng không thun
nht 
I
u cùng c vi nng lng do tách mc Stark.

 mt s loi vt liu thy tinh pha tp Er
3+
nng  cao,  m rng
không thun nht là khá ln. S m rng không thun nht ch ph thuc vào
tính cht ca vt liu mà không liên quan n nhit .
Vi hai dng m rng ph nêu trên, ph hp th và ph phát x ca thy
tinh pha tp erbium s phân b liên tc trong vùng bc sóng t 1430 nm n
1650 nm.

Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

11

Hình 1.4. Phổ tiết diện hấp thụ và phát xạ từ thực nghiệm (a)
và từ lý thuyết mở rộng thuần nhất (b).
I.2.5. Xác định giá trị thực nghiệm của tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạ

Tit din hp th 
a
() và tit din phát x 
e
() là hai thông s quan
trng  tính toán quá trình khuch i quang và thng c xác nh t thc
nghim. Vic o trc tip hai giá tr tit din hp th và tit din phát x rt khó
khn, trong khi ó o ph hp th và ph phát x ca thy tinh pha tp Er
3+

theo n v tng i d dàng hn. Do ó tit din hp th và tit din phát x
thng c tính theo công thc Fuchtbauer–Ladenburg:

)(
8
)(
2
4
λ
λτπ
λ
λσ
a
a
eff
s
a
I
cn ∆
= (1.2)
Vi c là vn tc ánh sáng, n là chit sut thy tinh,  là thi gian sng ca
mc kích thích,
a
eff
λ
∆ là  rng hiu dng ca ph hp th, c nh ngha
Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10

12
theo công thc
∫
=∆
λλλ

dI
a
a
eff
)( , trong ó I
a
() là ph hp th theo n v tng
i, c chun hóa v giá tr ca nh ph bng 1.
Tng t, tit din phát x cng có mi liên h vi ph phát x I
e
()
chun hóa v giá tr ca nh ph bng 1 nh trên.
)(
8
)(
2
4
λ
λτπ
λ
λσ
e
e
eff
s
e
I
cn ∆
= (1.3)
Nh vy da vào các công thc (1.2) và (1.3) chúng ta có th tính c

d dàng các tit din 
a
và 
e
qua vic o dng ph I
a
() và I
e
().
I.3. Hệ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

I.3.1. Các thông số của sợi quang pha tạp Erbium

Cu to ca si thy tinh pha tp Erbium


Hình 1.5 Mặt cắt ngang của sợi pha tạp Er
3+
.
Các si quang pha tp erbium hin nay là loi si n mt có ng kính
lõi dn sóng 9 µm, vùng pha tp ion Er
3+
nm  tâm ca si có ng kính c 3
µm (hình 1.5). Các thông s ca si thy tinh pha tp Er
3+
gm có:
- Nng  pha tp, loi thy tinh và các nguyên t ng pha tp.
-  hp th bc sóng bm (Absorption at Pump Wavelength), giá tr này
ph thuc vào nng  pha tp ca si.