Khảo sát các thông số đặc trưng của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm.docx

Vùng tín hiệu quang
Hình 1.1: Sơ đồ khối khuếch đại lặp bằng các bộ biến đổ O/E và E/O
O – E: quang → điện
E – O: điện → quang
λ
λ
O - E
E - O
Amp
Sợi quang
Sợi quang
Vùng tín hiệu quang
Vùng tín hiệu điện
Bộ thu quang
Bộ khuếch đại điện
Bộ chuyển đổi quang

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
EDFA
Nguồn bơm laser(λ=980 hoặc 1480nm)
Tín hiệu vào yếu
Tín hiệu ra khuếch đại
Bộ cách ly quang
Bộ cách ly quang
Bộ ghép quang
Sợi quang

Sợi quang
Hình 1.3: Một bộ khuếch đại EDFA bao gồm: sợi quang, 1 sợi quang pha tạp Er
3+
,
1 bơm quang học, 1 bộ ghép quang, và 2 bộ cách quang ở 2 đầu
Sợi quang pha tạp Er
3+
(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
G
4
Năng lượng
Hinh 2.1: Sơ đồ sự tách mức năng lượng của ion Er
3+
do tương tác điện tử - điện tử và tương tác điện tử - trường tinh thể
1480
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
2
H
11/2
4
F
9/2
4
I
9/2
4
I
11/2
4
I
13/2
4
I
15/2

2
H
9/2


4
F
5/2

4
F
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+
Hình 2.3: Nguyên lý khuếch đại quang bằng phát xạ cưỡng bức trong
môi trường đảo mật độ của sợi quang pha tạp Er
3+
4
I
11/2
4
I
13/2
Các nguyên tử Erbium bị kích thích lên mức năng lượng cao
−1μs
Bức xạ kích thích
λ=1520 ÷ 1620 nm
Các nguyên tử Erbium tại mức năng lượng thấp
λ=980nm
λ=1480nm
Các nguyên tử Er tại mức
siêu bền (−10ms)
4
I
15/2
Hình 2.3: Nguyên lý khuếch đại quang bằng phát xạ cưỡng bức trong
môi trường đảo mật độ của sợi quang pha tạp Er
3+
1450

1500
1550
1600
0,6
Bước sóng λ(nm)
Tiết diện hấp thụ (pm
2
)
Hình 2.4: Tiết diện hấp thụ của Er
3+
trong các thủy tinh nền khác nhau nhau nhau
1
2
3
4
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
2
-P
2
O
5
với Al/Ge = 1:33
4 SiO
2
-Al
2
0
3
-P
2
O
5
0,5

0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
1450
1500
1550
1600
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Bước sóng λ(nm)
Tiết diện bức xạ (pm
2
)
Hình 2.5: Tiết diện bức xạ của Er
3+
trong các thủy tinh nền khác nhau
1
2
3
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
2
-P
2
O

5
với Al/Ge = 1:33
4 SiO
2
-Al
2
0
3
-P
2
O
5
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)
400
800

600
1000
1200
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+
Bước sóng λ(nm)
1400
1450
1500
1550
1600
1650
6
5
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
2
H
11/2

4
S
3/2
4
F
9/2
4
I
9/2
4
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
950
1240
1440
1550
0,1
1
10
100
Suy hao α(dB/km)
800
1000
1200
1400
1600
1800
Bước sóng λ(nm)
Tán xạ
Rayleigh
1300
Hấp thụ cực tím
Hấp thụ
hồng
ngoại

Hấp thụ do dẫn sóng
Hình 2.10: Sự suy hao tín hiệu trong sợi quang
Vỏ bảo vệ
Lớp chiết suất n
2
Đường kính 125μm
Lớp chiết suất n
1
Lỡi pha tạp Er
+3
Đường kính 3μm
Hình 2.11: Cấu tạo sợi quang đơn mốt pha tạp Er
+
3
1480
1500
1520
1540
1560
1580
1600
2
3
4
1
Bước sóng λ(nm)
Cường độ (a.u)
1 Al/P Silica
2 Ca/Ge/Al/P Silica
3 P Silica

4 Silica
Hình 2.12: So sánh phổ bức xạ của ion Er
3+
trong các thủy tinh nền khác nhau
1
2
3
Φ
p
σ
p
Φ
s
σ
s
Г
32
Г
21
Hình 3.1: Sơ đồ hệ 3 mức năng lượng
0
2
4
6
8
10
12
14
0.0
0.5

1.0
1.5
ASE đồng hướng
ASE ngược hướng
Vị trí theo chiều dài sợi (m)
Công suất ASE (mW)
Hình 3.2: Đồ thị sự phụ thuộc của công suất ASE (đồng hướng và ngược hướng) theo vị trí trên sợi quang dài 14m được bơm bằng bước sóng 980nm với công suất 20mW
Bước sóng λ(nm)Cường độ (a.u)
I
signal out
I
signal out
0
2
4
6
8
10
0
10
20
30
40
50
-40
-30
-20
-10
0
10

0
10
20
30
40
-10
0
10
20
30
40
-10
0
10
20
30
40
-10
-20
-15
-10
-5
0
5
2
4
6
8
10
0

Hệ số khuếch đại G(dB)
Công suất bơm P
p
(mW)
Công suất bơm (mW)
(a)
Độ dài sợi khuếch đại L(m)
(b)
Công suất tín hiệu đầu ra (dBm)
(c)
Công suất tín hiệu đầu ra (dBm)
(d)
Hình 3.4: Sự thay đổi hệ số khuếch đại, công suất bơm, độ dài bộ khuếch đại và công suất tín hiệu lối ra
L=20m
15
10
5
P
p
=1mW
2
3
4
5
8
7
6
P
p
=1mW

2
3
4
5
6 7 8 9
10
G=25dB
20
15
10
5
Hệ số khuếch đại G(dB)
Hệ số khuếch đại G(dB)
Bước sóng λ(nm)
(a)
1500
1520
1540
1560
1580
P
p
=4mW
6
8
40
15
-50
-40
-30

-20
-10
0
Công suất tín hiệu đầu vào P
in
(dBm)
(b)
10
15
20
25
30
35
G(dB)
20
0
40
G(dB)
Hình 3.5: Sự thay đổi tăng ích
theo bước sóng
theo công suất tín hiệu đầu vào
Hình 3.6: Phổ ASE với công suất bơm là 4, 6, 8, 15 và 20mW
(a) đồng hướng
(b) ngược hướng
1500
1520
10
-6
4
6

1540
1560
1580
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
-0
8
20
15
Bước sóng λ(nm)
(b)
Công suất ASE (mW)
1500
1520
10
-6
4
6
1540
1560
1580

10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
-0
8
20
15
Bước sóng λ(nm)
(a)
Công suất ASE (mW)
Hệ số khuếch đại G(dB)
(a)
0
5
10
15
20
Công suất bơm P
p
(mW)
(b)
NF(dB)

Hình 3.7: Sự phụ thuộc của thông số tạp âm theo:
tăng ích
công suất bơm
25
3
4
5
6
7
NF(dB)
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
0
10
20
30
40
Nguồn bơm
Bộ cách ly quang
Tín hiệu vào
Bộ ghép quang
Bộ cách ly quang
Tín hiệu ra
Sợi quang pha tạp đất hiếm
Hình 3.8: Cấu hình bơm đồng hướng
P
P

Bơm mạnh
Tín hiệu khi bơm mạnh
Bơm yếu
Ngưỡng khuếch đại N
o
Tín hiệu khi bơm yếu
L (chiều dài sợi)
Hình 3.9: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài sợi
Nguồn bơm
Bộ cách ly quang
Tín hiệu vào
Bộ ghép quang
Bộ cách ly quang
Tín hiệu ra
Sợi quang pha tạp đất hiếm
Hình 3.10: Cấu hình bơm ngược hướng
P
P
Ngưỡng khuếch đại N
o
L (chiều dài sợi)
Hình 3.11: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài sợi
Tín hiệu
Bơm
Nguồn bơm
Bộ cách ly quang
Tín hiệu vào
Bộ ghép quang
Bộ cách ly quang
Tín hiệu ra

Sợi quang pha tạp đất hiếm
Hình 3.12: Cấu hình bơm song công
Bộ ghép quang
Nguồn bơm
P
P
Ngưỡng khuếch đại N
o
L (chiều dài sợi)
Hình 3.13: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài sợi
Tín hiệu
Bơm
1525
1530
1535
1540
1545
1550
1555
1560
1565
12
14
16
18
20
22
10
Sau khi qua 1 bộ EDFA
Sau khi qua 13 bộ EDFA

Hình 3.14: Phổ tăng ích không đồng đều trong vùng bước sóng 1550nm
Đầu phát
Đầu thu
Hình 3.15: Khuếch đại công suất
Đầu phát
Đầu thu
Hình 3.16: Khuếch đại trên tuyến
Đầu phát
Đầu thu
Hình 3.17: Khuếch đại công suất
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+
...............................................................................12
2.3 Khảo sát các dải bơm thích hợp cho Er
3+
.......................................................................13
2.3.1 Dải bơm 800nm.................................................................................................14
2.3.2 Dải bơm 980nm.................................................................................................15
2.3.3 Dải bơm 1480nm...............................................................................................15
2.4 Suy hao tín hiệu quang trong sợi thủy tinh SiO
2
............................................................16
2.5 Cấu tạo sợi quang pha tạp đất hiếm Er
3+
........................................................................18
2.6 Sự phụ thuộc của sợi quang vào nồng độ và thành phần pha tạp Er
3+
............................19
Chương III: Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er
3+
(EDFA)............................20
3.1 Cơ sở của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er

3+
..................................................20
3.1.1 Hệ phương trình tốc độ......................................................................................20
3.1.2 Hệ phương trình truyền dẫn trong khuếch đại....................................................23
3.1.3 Khuếch đại bức xạ tự phát ASE.........................................................................23
3.2 Những thông số đặc trưng của một bộ khuếch đại quang EDFA...................................25
3.2.1 Phổ tăng ích và băng tần...................................................................................25
3.2.2 Hệ số khuếch đại................................................................................................26
3.2.3 Tăng ích bão hòa................................................................................................29
3.2.4 Phổ ASE............................................................................................................30
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 và
khoảng cách truyển đã tăng lên rất nhanh trong vòng khoảng 20 năm, từ ứng dụng sợi đa mốt
cho đến sợi đơn mốt, từ tốc độ bit 45Mb/s với khoảng cách lặp 10km ở những năm 1980 đã
lên đến 100Gb/s với khoảng cách hàng ngàn km đã đưa vào hoạt động trong năm 2000.
Các hệ thống thông tin quang có ưu điểm vượt trội so với thông tin cáp kim loại như suy
hao truyền dẫn thấp, dung lượng truyền cao, ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ và hoạt động tin
cậy hơn.
Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra đối với các hệ thống thông tin quang là khi tín hiệu ánh
sáng truyền đi trong một sợi quang, nó sẽ bị suy hao (suy hao công suất ). Chính vì vậy, độ dài
của hệ thống thông tin quang sợi bị hạn chế bởi hai yếu tố: mất mát quang trong sợi quang và
tán sắc quang. Do đó, đối với những sợi quang có độ dài rất lớn, tín hiệu quang bị suy hao trở
nên rất yếu và không còn có thể nhận được tín hiệu ở đầu thu (photodiode), nên tín hiệu thu
được sẽ có tỷ lệ bit lỗi lớn.
Trước đây, trong các đường thông tin quang khoảng cách lớn mất mát quang đựơc khắc
phục bằng các trạm lặp quang - điện tử, trong đó tín hiệu quang đã suy giảm được biến đổi
thành tín hiệu điện (O/E) sau đó tín hiệu điện này được khuếch đại lên rồi lại được phục hồi
thành tín hiệu quang (E/O) và tiếp tục truyền đi. Các bộ tái lặp tín hiệu quang bằng quang -
điện tử đã trở nên phức tạp và đắt tiền khi chúng ta sử dụng kỹ thuật ghép nhiều bước sóng
trên cùng một sợi quang (Wavelength Division Multiplexing - WDM ). Chính vì vậy, việc
nghiên cứu để khuếch đại tín hiệu quang một cách trực tiếp ngày một phát triển và được ứng
dụng rất rộng rãi.
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.
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 về
khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra.
Sử dụng khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM có ý
nghĩa công nghệ quan trọng vì khuếch đại quang có thể khuếch đại tất cả các bước sóng tới
trong băng tần khuếch đại Δf.

1.2 Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er
3+
(EDFA)
Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er
3+
( Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA ) là
phương pháp khuếch đại quang trực tiếp trên đường truyền mà không cần qua một bộ lặp
quang - điện tử nào.
Một bộ khuếch đại quang được chế tạo dựa trên nguyên tắc khuếch đại ánh sáng trực
tiếp bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo mật độ có cơ chế vật lý giống như laser,
tuy nhiên khuếch đại quang không yêu cầu có phản hồi quang bằng gương phản xạ trong
buồng cộng hưởng như laser. (hình 1.4)
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+
(EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier) như
đường đặc tuyến P – I, sự ổn định nhiệt độ và dòng bơm của laser.
 Khảo sát đặc điểm và dạng phổ khuếch đại bức xạ tự phát ASE của các bộ khuếch
đại quang EDFA.
 Khảo sát các thông số đặc trưng của các bộ khuếch đại quang EDFA có nồng độ và

chiều dài sợi pha tạp khác nhau như: hệ số tăng ích G, băng tần khuếch đại Δλ, công suất
ra bão hòa và thông số tạp âm NF.
Khuôn khổ của luận văn không đề cập đến những vấn đề như thiết kế, lắp ráp mạch điện
tử hay viết phần mềm trên máy vi tính để khảo sát các thông số của laser bơm, mà chỉ chú
trọng đến các yếu tố ảnh hưởng tới khuếch đại quang EDFA.
Trong quá trình thực hiện luận văn này, mặc dù đã có những cố gắng song không thể
tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và của
quý độc giả.
Phần tổng quan
Chương II
Sợi quang pha tạp đất hiếm Er
3+
2.1 Những tính chất của ion đất hiếm Er
3+
2.1.1 Tính chất quang của các ion đất hiếm
Các nguyên tố đất hiếm được chia ra làm 2 nhóm, mỗi nhóm có 14 nguyên tố:
• Nhóm I: họ Lantan (Lanthanide) được đặc trưng bởi lớp 4f được lấp đầy, bắt đầu với
nguyên tố Cerium (Ce, Z = 58) và kết thúc là nguyên tố Lutetium (Lu, Z = 71).
• Nhóm II: họ Actini (Actinide) được đặc trưng bởi lớp 5f được lấp đầy, từ Thorium (Th,
Z = 90) cho đến Lawrencium (lr, Z=103).
Mặc dù những nguyên tố này có chung nhiều tính chất điện, nhưng chỉ có họ Lantan là được
đề cập đến vì chúng có một vai trò rất quan trọng trong các bộ khuếch đại và laser, còn 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
5d6s
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
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2

4p
6
4d
10
5s
2
5p
6
) và N điện tử lớp 4f. Nhờ sự che chắn của các điện tử lớp 5s
và 5p nên các tính chất của lớp vỏ 4f gần như được giữ nguyên trong nguyên tử khi pha trong các
môi trường thủy tinh hoặc tinh thể.
Thông thường các nguyên tử trong chất bán dẫn hoặc kim loại nhường điện tử của chúng
cho môi trường nên có phổ năng lượng trải rất rộng. Tuy nhiên, phổ của ion đất hiếm pha tạp
trong các chất cách điện như thủy tinh hay tinh thể lại có phổ năng lượng bao gồm một dãy các
vạch hẹp. Nguyên nhân là do các lớp điện tử 4f gần như vẫn giữ được cấu trúc trạng thái như
trong các nguyên tử đất hiếm. Cấu hình 4f gồm nhiều trạng thái do tương tác giữa các điện tử.
Hơn nữa, dưới tác dụng của trường tinh thể nền, các mức điện tử của lớp vỏ 4f tiếp tục bị tách
thành rất nhiều vạch làm cho các mức năng lượng của lớp 4f tiếp tục bị tách ra do 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.
2.1.2 Nguyên tố Erbium (Er)
Erbium (Z=68) là một nguyên tố đất hiếm tiêu biểu thuộc dãy Lantan nên nó có các tính chất
đặc trưng của dãy. Do Er
3+
làm việc trong vùng bước sóng 1500nm (là cửa sổ thứ 3 của thông tin
quang) nhờ dịch chuyển
4
I
13/2

−
4
I
15/2
nên nó được ứng dụng rộng rãi cho hoạt động của laser và
khuếch đại quang. Khi pha tạp vào thủy tinh silica SiO
2
, các ion Er
3+
có các mức năng lượng như
hình 2.2.
Đặc trưng quan trọng của ion Er
3+
ở đây là nó có mức
4
I
13/2
là mức siêu bền (mức kích thích),
với thời gian sống của các hạt tải tại mức này lên đến 10ms, trong khi thời gian sống của các hạt
tải tại mức
4
I
11/2
(mức bơm) chỉ cỡ vài μs. Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm 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
3+
được mở rộng thành các vùng hẹp do hiệu ứng Stark (tách vạch trong từ trường). Vì vậy
mà ta có rất nhiều mức năng lượng gần nhau được sử dụng, điều này rất cần thiết khi truyền nhiều
tín hiệu trong sợi quang thông tin ứng dụng công nghệ WDM.
Cũng nhờ sự tách mức này, các vạch nằm trên của mức kích thích
4

I
13/2
, ở vùng bước sóng
1480nm có thể dùng để bơm tạo môi trường đảo mật độ.Tuy nhiên sự tách mức của mức kích
thích và mức cơ bản lại không đồng đều dẫn đến phổ khuếch đại tín hiệu trong vùng 1525nm đến
1565nm không đồng đều. Đây cũng là một khó khăn trong việc truyền nhiều bước sóng trên cùng
một sợi quang.
2.1.3 Tiết diện hiệu dụng
Tiết diện hiệu dụng xác định khả năng hấp thụ hoặc bức xạ ánh sáng của một ion. Chúng có
liên hệ với các hệ số Einstein. Hiểu một cách đơn giản, tiết diện hiệu dụng trong một dịch chuyển
giữa hai trạng thái (mức năng lượng) của một ion mô tả xác suất chuyển dời xảy ra đối với đồng
thời cả quá trình hấp thụ hoặc bức xạ ánh sáng.
Với hai trạng thái cho trước 1 và 2 có năng lượng tương ứng là E
1
và E
2
(E
1
<E
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:

(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:
(2.2)
với Φ(ω) là thông lượng photon trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Tương
tự, ta có tổng công suất ánh sáng P
em
bức xạ từ một photon khi ánh sáng tới có cường độ I sẽ là:

(2.3)
Obj102
Obj101
Obj100
Một cách trực giác, tiết diện hấp thụ σ
12
có thể được hiểu là vùng diện tích có khả năng chặn
chùm ánh sáng chiếu tới bằng cách “bắt” các photon đi qua nó. Tiết diện phát xạ σ
21
cũng được
hiểu một cách tương tự. Như vậy nếu coi N
1
là mức năng lượng thấp còn N
2
là mức năng lượng
cao hơn thì sự thay đổi công suất của một tập hợp của các photon đồng nhất sẽ là:
(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.

2.1.4 Thời gian sống
Thời gian sống của một mức tỷ lệ nghịch với xác suất trên một đơn vị thời gian để một ion
thoát khỏi mức kích thích đó. Sự phân rã mật độ của các ion tại một mức kích thích sẽ giảm theo
quy luật hàm mũ với hằng số thời gian chính bằng thời gian sống. Thời gian sống của một nguyên

tố đất hiếm được xét theo hai kiểu phân rã: bức xạ và không bức xạ.
(2.5)
Obj103
Obj105
Obj104
- thời gian sống tổng cộng
- thời gian sống bức xạ
- 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+

trong các thủy tinh nền khác nhau được cho trong
bảng trên. Thủy tinh pha phosphate có chiết suất cao hơn các thủy tinh silica cơ bản, do đó làm
tăng tiết diện bức xạ. Chính vì vậy nó làm giảm thời gian sống tại mức
4
I
13/2
.
Tốc độ chuyển dời tại các mức cao của ion Er
3+
như mức
4
I
11/2
và các mức cao hơn nữa lớn
hơn rất nhiều do các tốc độ chuyển dời không bức xạ của chúng. Thí dụ tôc độ chuyển dời khỏi
mức
4
I
11/2
là 10
5
s
−1
với thủy tinh nền silica và là 10
4
s
-1
với chất nền là phosphate. Như vậy, thời
gian sống của các mức này thường đều rất ngắn, chỉ cỡ ưs. Trong Er
3+

mức
4
S
3/2
cho bức xạ xanh
với thời gian sống cỡ 1μs.
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
13/2
của Er
3+
như
Obj107
Obj106
một hàm theo nồng độ của Er
3+
trong sợi thủy tinh và thủy tinh CPG (calcium metaphosphate).
CPG là loại thủy tinh tốt hơn silica, nó hạn chế rất nhiều hiện tượng tụ đám. Khi pha tạp ở nồng
độ cao cũng có thể xảy ra hiện tượng truyền năng lượng giữa các ion do va chạm tạo ra các tâm bị
dập tắt.
2.2 Phổ hấp thụ và phát xạ của ion Er
3+
Để xác định phổ hấp thụ hay phát xạ của của vật liệu silica pha tạp Er
3+
, chúng ta có thể sử
dụng các phương trình tính toán tiết diện lý thuyết. Tuy nhiên quá trình tính toán rất phức tạp do

môi trường thủy tinh là vật liệu vô định hình. Khi pha tạp Er
3+
vào thủy tinh, tương tác của các
ion Er
3+
với mạng không đều nhau, đồng thời sự tách mức ở mức năng lượng trên và mức năng
lượng dưới do hiệu ứng Stark cũng không giống nhau. Các mức năng lượng được tách thành
nhiều vạch phân bố sít nhau, nên phổ hấp thụ và phát xạ phân bố trong một vùng rộng.
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
I
13/2
(là trạng thái siêu bền với thời gian
sống cỡ 10ms), sau đó chúng trở về trạng thái cơ bản và phát ra photon có bước sóng 1530nm,
bước sóng được sử dụng trong laser sợi và khuếch đại sợi.
Ngoài ra, còn một đỉnh hấp thụ khác cũng rất hay được sử dụng là 1480nm, tương ứng với

dịch chuyển từ trạng thái cơ bản
4
I
15/2
lên
4
I
13/2
. Hiện nay, cả hai bước sóng 980nm và 1480nm
thường được sử dụng làm bước sóng bơm cho khuếch đại quang.
Người ta đã đo và so sánh phổ hấp thụ và phổ phát xạ của thủy tinh pha tạp Er
3+
trong vùng
bước sóng cần nghiên cứu cho khuếch đại quang sợi (từ 1400nm đến 1650nm) được biểu diễn
qua hình 2.8.
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 thông tin 1525
÷ 1565nm nên hệ số khuếch đại quang sẽ không đồng đều cho các kênh khác nhau. Do đó người

ta tìm cách pha tạp thêm các chất khác nhau (như Al, P…) để làm phẳng phổ trong vùng này.
2.3 Khảo sát các dải bơm thích hợp cho Er
3+
Laser và các bộ khuếch đại sợi được bơm bằng cách sử dụng mọi dải hấp thụ gần của Er
3+
và
nằm ở các bước sóng lớn hơn 450nm (514, 532, 667, 800, 980, 1480nm). Khi lựa chọn các bước
sóng bơm, điều đầu tiên cần quan tâm là các dịch chuyển khuếch đại có đạt được yêu cầu hay
không, tiếp đến là hiệu suất và khả năng sử dụng các nguồn bơm. Hấp thụ trạng thái kích thích
(Excited State Absorption – ESA) tại bước sóng bơm cúng là một yếu tố đặc biệt quan trọng, nó
có thể có lợi hoặc có hại tuỳ theo mục đích sử dụng.
Hình 2.9 mô tả một thí dụ vể quá trình hấp thụ trạng thái kích thích ESA ở dải bơm 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
11/2
. Trong các sợi thủy tinh oxit

thông thường, từ trạng thái
2
H
11/2
ion Er
3+
nhanh chóng chuyển xuống trạng thái
4
I
13/2
cũng bằng
quá trình bức xạ nhiều phonon. Như vậy có nghĩa là phần lớn năng lượng bơm bị chuyển thành
nhiệt. Do đó ESA trở thành quá thành quá trình tiêu tán năng lượng nghiêm trọng. Thực nghiệm
cho thấy có những dải bơm ESA rất mạnh nhưng cũng có những dải bơm hầu như không có ESA.
Thông thường người ta thường sử dụng hai dải bước sóng 980nm và 1480nm để kích thích
các ion Er
3+
cho ứng dụng khuếch đại và laser trong vùng tín hiệu 1550nm. Ngoài ra còn có thể
sử dụng dải bơm 800nm cho các ứng dụng ESA. Sau đây ta sẽ khảo sát các dải bơm thông dụng
đối với ion Er
3+
.
2.3.1 Dải bơm 800nm
Khi bơm ở dải bước sóng 800nm, các ion Er
3+
cơ bản sẽ bị kích thích lên trạng thái
4
I
9/2
(

4
I
15/2
→
4
I
9/2
). Nguồn bơm thường được dùng để bơm tại bước sóng này là laser diode AlGaAs có công
suất khá cao và giá thành rẻ. Trạng thái
4
I
9/2
ở thủy tinh silica lẫn thủy tinh flouride đều có thời
gian sống ngắn, và bức xạ ra nhiều phonon. Nếu không có hiện tượng ESA ở dải bơm này, thì nó
có thể đươc sử dụng cho các dịch chuyển phát xạ bắt đầu từ
4
I
13/2
với thủy tinh silica và
4
I
11/2
với
thủy tinh flouride.
Nói chung dải bơm này không phù hợp cho các ứng dụng cần kích thích từ mức cơ bản vì
hấp thụ ở trạng thái cơ bản khá yếu trong khi hấp thụ ESA từ mức
4
I
13/2
với thủy tinh silica và

4
I
9/2
với thủy tinh flouride mạnh hơn nhiều.
2.3.2 Dải bơm 980nm
Dịch chuyển
4
I
15/2
→
4
I
11/2
tương ứng với một đỉnh dải hấp thụ giữa 970 và 980nm. Dịch
chuyển này rất hữu ích cho các thiết bị sợi hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm. Các bộ khuếch
đại được bơm ở dải sóng này không những đạt được hệ số khuếch đại và hiệu suất khuếch đại ổn
định mà còn thu được thông số tạp âm giới hạn lượng tử vào khoảng 3dB, công suất ra của tín
hiệu lớn hơn rất nhiều 500mW và hiệu suất chuyển đổi lượng tử đạt cỡ 90%. Kết quả này là do
tiết diện hấp thụ của ion Er
3+
tại dải sóng này là lớn, cộng thêm do không hề có ESA tại mức kích
thích
4
I
13/2
ở bước sóng này. Đối với thủy tinh ôxit, phát xạ cưỡng bức tại bước sóng bơm cũng
không đáng kể do thời gian sống ở mức
4
I
11/2

là rất ngắn. Đối với thủy tinh flouride, dải tần này
không thích hợp để bơm cho dịch chuyển 1500nm do bức xạ trực tiếp từ trạng thái
4
I
11/2
xuống
trạng thái cơ bản rất lớn. Các thiết bị dựa trên hiệu ứng chuyển đổi ngược từ trạng thái
4
I
13/2
không
thể bơm ở 980nm do không có ESA ở dải tần này. Đây là dải có lợi nhất đối với thủy tinh flouride
để bơm tạo các dịch chuyển
4
I
11/2
→
4
I
15/2
(980nm), cũng như quá trình chuyển đổi ngược bắt đầu
từ mức
4
I
11/2
.
Khi năng lượng bơm lớn ion Er
3+
sau khi hấp thụ một photon 980nm để chuyển từ trạng thái
cơ bản lên mức

4
I
11/2
, tại mức này tồn tại một xác suất nhỏ để ion Er
3+
hấp thụ một photon nữa để
chuyển lên mức
4
F
7/2
. Từ mức
4
F
7/2
nó sẽ nhanh chóng tích thoát xuống các mức
2
H
11/2
và
4
S
3/2
. Sau
đó nó sẽ tiếp tục thoát xuống các mức khác từ hai mức này. Trong đó chuyển dời từ mức
4
S
3/2
xuống mức cơ bản phát ra ánh sáng màu xanh ở dải tần 540nm đặc trưng cho huỳnh quang ở
vùng khả kiến của Er
3+

. Còn đối với thủy tinh flouride do trạng thái
4
I
11/2
là trạng thái siêu bền nên
dải bơm này không phù hợp để bơm trực tiếp cho các phát xạ xung quanh vùng 1550nm do dịch
chuyển từ mức
4
I
11/2
xuống mức cơ bản chủ yếu là phát xạ.
2.3.3 Dải bơm 1480nm
Các bộ khuếch đại Erbium và laser hoạt động trong vùng bước sóng 1500nm có thể được
kích thích trực tiếp lên mức kích thích
4
I
13/2
là trạng thái siêu bền của khuếch đại bằng dải bơm
gần 1480nm. Với dải bơm này không hề có ESA từ trạng thái siêu bền
4
I
13/2
. Do bước sóng bơm
rất gần với bước sóng phát laser nên hiệu suất nghiêng lượng tử giới hạn () rất cao và cao hơn tại
bước sóng bơm 980nm. Tuy nhiên hiệu suất khuếch đại lại nhỏ hơn ở 980nm do tiết diện hấp thụ
tại bước sóng 1480nm nhỏ hơn tại 980nm. Vì vậy ngưỡng bơm tại 1480nm cao hơn tại 980nm.
Các nguồn bơm thường được dùng các laser diode InGaAs có thời gian sống khá dài, tuy nhiên
công nghệ chế tạo phức tạp hơn các laser InAlAs 980nm.
 Ưu điểm và nhược điểm của các bước sóng bơm:
Obj108