Khuyếch đại quang sợt tạp erbium
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (907.91 KB, 116 trang )
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội
-------------------------------------
Luận văn thạc sĩ khoa học
Khuếch đại quang sợi pha
tạp erbium
Chuyên ngành : xử lý thông tin và truyền thông
Hà thị phơng
Ngời hớng dẫn khoa học: ts. Ngô quỳnh thu
Hà nội 2007
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn đợc xây dựng hoàn toàn
là do bản thân tôi nghiên cứu và thực hiện dựa trên sự hớng dẫn của cô giáo
hớng dân và tham khảo các tài liệu đã đợc trích dẫn.
Tác giả luận văn
Hà Thị Phơng
-1-
Mục lục
Mục lục
Danh mục hình
Mở đầu
Chơng 1: Tính chất quang của thuỷ tinh pha tạp đất hiếm ........1
1.1.
Cấu hình nguyên tử của các ion đất hiếm. ............................................ 13
1.2.
Các tính chất cơ bản của ion Er3+.......................................................... 15
1.2.1.
Cấu hình nguyên tử của nguyên tố Erbium ................................ 15
1.2.2.
Tiết diện hiệu dụng. .................................................................... 16
1.2.3.
Thời gian sống. ........................................................................... 18
1.2.4.
Độ rộng vạch và sự mở rộng vạch. ............................................. 21
1.2.5.
Phổ hấp thụ và bức xạ của Er3+ ................................................... 23
1.3.
Hiệu ứng tơng tác Er3+- Er3+ ................................................................ 25
1.4.
Khảo sát các dải bơm. ........................................................................... 29
1.4.1.
Khảo sát chung ........................................................................... 29
1.4.2.
Dải bơm 800nm: ......................................................................... 30
1.4.3.
Dải bơm 980nm .......................................................................... 31
1.4.4.
Dải bơm 1480nm ........................................................................ 31
Chơng 2 : Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium ...............................33
2.1.Cơ sở khuếch đại quang sợi pha tạp Er ..................................................... 33
2.1.1.Hệ phơng trình tốc độ.................................................................... 33
2.1.2. Sự khuếch đại bức xạ tự phát.......................................................... 37
2.1.3. Hệ phơng trình truyền dẫn trong khuếch đại................................ 39
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-2-
2.2. Các đặc trng của khuếch đại quang sợi pha tạp Er................................. 42
2.2.1. Phổ ASE.......................................................................................... 42
2.2.2. Tăng ích .......................................................................................... 43
2.2.3. Thông số tạp âm (Noise Figure)..................................................... 47
2.3. ứng dụng của bộ khuếch đại EDFA trong mạng truyền dẫn quang. ........ 49
2.3.1. Bộ khuếch đại công suất................................................................. 49
2.3.2. Khuếch đại trên tuyến .................................................................... 50
2.3.3. Bộ tiền khuếch đại. ......................................................................... 51
Chơng 3: Mô phỏng một số đặc trng của bộ khuếch đại
quang sợi pha tạp Er..............................................................................................52
3.1. Giới thiệu về mô phỏng và phần mềm mô phỏng .................................... 52
3.2. Mô phỏng bộ khuếch đại quang EDFA................................................... 54
3.2.1. Xây dựng hệ phơng trình rút gọn ................................................. 56
3.2.2. Các thông số đầu vào của bộ khuếch đại EDFA. .......................... 58
3.3. Kết quả mô phỏng. ................................................................................... 59
3.3.1. Sự phụ thuộc vào công suất bơm. ................................................... 61
3.3.2. Sự phụ thuộc của chiều dài sợi quang. ........................................... 64
3.3.3. Sự phụ thuộc vào công suất tín hiệu. .............................................. 66
3.3.4. Thông số tạp âm. ............................................................................ 68
3.3.5. Sự phụ thuộc vào nồng độ .............................................................. 71
3.4. Kết quả Thực nghiệm và so sánh với mô phỏng ...................................... 73
3.4.1. Cấu hình bộ khuếch đại quang EDFA............................................ 73
3.4.2. Cấu hình bơm song công ................................................................ 74
3.4.3. So sánh giữa các cấu hình bơm ...................................................... 75
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-3-
3.5. Các kết quả thực nghiệm. ......................................................................... 75
3.5.1. Sơ đồ thí nghiệm............................................................................. 75
3.5.2. Kết quả thí nghiệm. ........................................................................ 77
3.6. So sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng............................................. 87
Phụ lục
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-4-
Danh mục hình
Hình 1.1 Sơ đồ sự tách mức năng lợng của ion Er do tơng tác điện tử-điện
tử và tơng tác điện tử-trờng tinh thể..2
Hình 1.2 Cấu trúc mức năng lợng ca Er3+4
Hình 1.3 Tiết diện hấp thụ của Erbium trong các thuỷ tinh nền khác nhau..6
Hình 1.4 Tiết diện bức xạ của Erbium trong các thuỷ tinh nền trong hình 1.3.6
Hỡnh 1.5 S dp tt do nng trong thu tinh silica v CPG (calcium
metaphosphate).....9
Hình 1.6 So sánh phổ bức xạ của ion Er3+ trong các nền khác nhau..............10
Hình 1.7 Phổ hấp thụ của sợi thuỷ tinh gốc silica pha tạp Er3+......................12
Hình 1.8 So sánh phổ hấp thụ và bức xạ của ion Er3+ pha tạp trong sợi thuỷ
tinh silica.12
Hình 1.9 Các cơ chế truyền năng lợng ion-ion.15
Hình 1.10 Quá trình chuyển đổi ngợc đối với ion Er3+.16
Hỡnh.1.11 ESA di bm 800 nm t mc siờu bn 4I13/2+...............................18
Hình2.1 Sơ đồ hệ 3 mức năng lợng....22
Hình 2.2 Đồ thị sự phụ thuộc của công suất ASE (đồng hớng và ngợc
hớng) theo vị trí trên sợi. Sợi quang pha tạp dài 14m đợc bơm với bớc sóng
980nm công suất 20mW..26
Hình 2.3 Sự phụ thuộc của tăng ích vào công suất bơm bớc sóng tín hiệu là
1550nm và bớc sóng bơm 980nm 980nm29
Hình 2.4 Phổ ASE đồng hớng (hình a) và ngợc hớng (hình b) Công suất
bơm là 4, 6, 8, 15 và 20 mW tại bớc sóng 980 nm ...31
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-5-
Hình 2.5 Phổ tín hiệu ra..32
Hình2.6 Sự thay đổi tăng ích, công suất bơm, độ dài bộ khuếch đại và công
suất tín hiệu đầu ra..33
Hình 2.7 Sự thay đổi tăng ích theo bớc sóng (hình a) và theo công suất tín
hiệu đầu vào (hình b)..34
Hình 2.8 Sự phụ thuộc của hệ số tạp âm theo tăng ích (hình a) và theo công
suất bơm (hình b).36
Hình 2.9 Khuếch đại công suất...38
Hình 2.10 Bộ khuếch đại trên tuyến39
Hình 2.11 Bộ tiền khuếch đại..39
Hình 3.1 Công suất tín hiệu và công suất bơm tại lối ra của EDFA có chiều
dài sợi là 10m..48
Hình 3.2 Hệ số khuếch đại Gain qua bộ EDFA..48
Hình 3.3 Phổ công suất ASE của bộ khuếch đại.....49
Hình 3.4 Hệ số khuếch đại với công suất bơm thay đổi..50
Hình 3.5a Phổ công suất ASE với công suất bơm là 20mW....51
Hình 3.5b Phổ công suất ASE với công suất bơm là 50mW....51
Hình 3.6 Công suất tín hiệu qua bộ EDFA với độ dài sợi quang là 8m..52
Hình 3.7 Công suất tín hiệu qua bộ EDFA với độ dài sợi quang là 20m....53
Hình 3.8 Hệ số khuếch đại của bộ EDFA với chiều dài sợi là 20m....54
Hình 3.9 Hệ số khuếch đại qua bộ khuếch đại có chiều dài sợi 10m với công
suất tín hiệu đa vào thay đổi.....55
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-6-
Hình 3.10 Nhiễu NF trong bộ khuếch đại EDFA chiều dài sợi là 20m, công
suất bơm thay đổi....57
Hình 3.11 Công suất ASE qua bộ khuếch đại có chiều dài sợi 20m...57
Hình 3.12 Phổ ASE của bộ khuếch đại với công suất bơm 25mW, chiều dài sợi
10m..................................................................................................................58
Hình 3.13 Hệ số khuếch đại qua bộ EDFA với nồng độ pha tạp N=1,2.1024
ion/m3...............................................................................................................59
Hình 3.14 Phổ công suất ASE qua bộ EDFA có nồng độ 1,2.1024..................60
Hình 3.15. Sơ đồ cấu hình bơm đồng hớng....61
Hình 3.16 Sơ đồ cấu hình bơm ngợc hớng...62
Hình 3.17. Sơ đồ cấu hình bơm song công..62
Hình 3.18. Sơ đồ thí nghiệm khuếch đại quang sợi pha tạp Er .64
Hình 3.19. Công suất tín hiệu lối ra sau bộ khuếch đại EDFA nồng độ thấp
chiều dài sợi là 12m66
Hình 3.20 Hệ số khuếch đại G và nhiễu tạp âm NF của bộ khuếch đại pha tạp
nồng độ thấp độ dài sợi là 12m...67
Hình 3.21 Công suất tín hiệu lối ra sau bộ khuếch đại pha tạp nồng độ cao
chiều dài sợi là 6m..68
Hình 3.22: Công suất tín hiệu lối ra sau bộ khuếch đại pha tạp nồng độ cao
với độ dài sợi 2,5m..69
Hình 3.23 Hệ số khuếch đại G và thông số tạp âm NF sợi nồng độ thấp EDFA
nồng độ 800 ppm, độ dài sợi 12 m có thông số tạp âm NF> 7,5 dB, G=22
dB....71
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-7-
Hình 3.24 Hệ số khuếch đại G và thông số tạp âm NF sợi nồng độ cao EDFA
nồng độ 2500 ppm, độ dài sợi 6 m có thông số tạp âm NF =3,4 dB, G = 30
dB.....................................................................................................................71
Hình 3.25 EDFA nồng độ 2500ppm, độ dài sợi 2,5 m có thông số tạp âm
NF =4,5 dB, G = 22,4dB.................................................................................72
Hình 3.26 Phổ ASE của các bộ EDFA với nồng độ Er khác nhau bơm bằng
bớc sóng 980 nm công suất 100 mW.............................................................73
Hình 3.27 Phổ khuếch đại của EDFA với độ dài và nồng độ pha tạp khác
nhau tại bớc sóng tín hiệu 1552 nm khi bơm bão hoà ( Pbơm = 150 mW)......74
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-8-
Mở đầu
Thông tin quang sợi đã có những bớc phát triển nhảy vọt trong vài
thập kỉ gần đây và có những tác động mạnh mẽ trong nhiều mặt của kỹ thuật
viễn thông. Đặc biệt là trong truyền dẫn, thông tin quang sợi đóng một vai trò
chủ đạo đáp ứng đợc nhu cầu về băng thông, cũng nh đảm bảo đợc những
yêu cầu về chất lợng truyền dẫn. Các hệ thống thông tin quang có u điểm
nổi bật so với thông tin cáp kim loại thờng nh suy hao truyền dẫn thấp,
dung lợng truyền cao, ít bị ảnh hởng nhiễu từ bên ngoài và có độ tin cậy và
khả năng bảo mật thông tin cao là sự hấp dẫn mạnh của các nhà khai thác viễn
thông, các nhà khoa học.
Tuy nhiên trong những năm gần đây, trớc sự phát triển mạnh mẽ của
các dịch vụ thoại, phi thoại mà đặc biệt là Internet và các dịch vụ băng thông
rộng khác nhau, nhu cầu về băng thông đối với từng thuê bao tăng lên, tạo ra
một sự bùng nổ về dung lợng. Điều này đặt lên vai những nhà cung cấp dịch
vụ đờng trục những thách thức mới. Việc sử dụng kĩ thuật TDM để nâng cao
dung lợng đờng truyền cũng là một khả năng có thể đáp ứng đợc phần nào
song nó cũng gặp phải những hạn chế do bản thân kĩ thuật này gây ra.
Một lựa chọn khác cho các nhà cung cấp để tăng dung lợng của hệ
thống thông tin đó là sử dụng công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo
bớc sóng trên một sợi quang (WDM). Kỹ thuật này thực hiện việc ghép các
tín hiệu quang có bớc sóng khác nhau và truyền đi trên một sợi quang duy
nhất, vì thế có thể tăng dung lợng truyền dẫn mà không cần phải tăng tốc độ
của từng kênh trên mỗi bớc sóng.
Khi tín hiệu ánh sáng đợc truyền trong cáp quang sẽ bị suy hao do
nhiều nguyên nhân nh sự hấp thụ ánh sáng trong sợi, ánh sáng đi ra khỏi sợi
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-9-
do biến dạng ở các đoạn cong... nên ta phải khuếch đại năng lợng cho nó ở
những khoảng cách nhất định để đảm bảo tín hiệu đủ mạnh đến nơi thu. Trớc
đây, ngời ta thờng sử dụng các bộ khuếch đại lặp bằng các biến đổi tín hiệu
quang thành tín hiệu điện, tín hiệu điện đợc khuếch đại và biến đổi ngợc
thành tín hiệu quang để truyền đi. Việc biến đổi tín hiệu điện thành dạng tín
hiệu quang thờng tạo ra tắc nghẽn trong sợi quang và làm hạn chế độ rộng
băng tần lẫn chất lợng của tín hiệu đợc truyền đi. Với công nghệ WDM,
việc khuếch đại tín hiệu dùng các bộ khuếch đại lặp bằng quang điện tử gặp
rất nhiều khó khăn về giá thành và kỹ thuật khi lắp ráp và điều khiển các bộ
tách và ghép các kênh truyền tại các bộ khuếch đại lặp.
Vì vậy ngời ta tìm cách để tạo ra các thiết bị có khả năng khuếch đại
quang trực tiếp bằng các linh kiện quang. Sợi quang pha tạp đất hiếm có khả
năng khuếch đại quang trực tiếp trên đờng truyền. Trong đó, sợi quang pha
tạp Erbium (Er) đợc nghiên cứu rất nhiều. Khuếch đại quang sợi pha tạp đất
hiếm Er có khả năng bù suy hao trong các khoảng cách lớn hơn 100km. Bộ
khuếch đại quang sợi pha tạp Er (Erbium Doped Fiber Amplifier _ EDFA)
đợc nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm năm 1987 và trở thành
thơng phẩm năm 1990. Năm 1991, lần đầu tiên hệ thống thông tin quang có
EDFA đợc thử nghiệm truyền tín hiệu số có tốc độ 2,5 Gbit/s trên khoảng
cách 21000km và 5 Gbit/s trên khoảng cách 14300km.
Việc nghiên cứu các thông số đặc trng của EDFA sẽ giúp chúng ta lựa
chọn chính xác các sản phẩm của các nhà cung cấp, tối u hóa đợc mạng
lới, nâng cao chất lợng dịch vụ cung cấp, cũng nh giảm đợc chi phí trong
việc chế tạo EDFA và xây dựng hệ thống truyền dẫn.
Các nhà nghiên cứu EDFA về lý thuyết tập trung vào nghiên cứu
nguyên lý khuếch đại sử dụng hệ nhiều mức hoặc nghiên cứu các hệ thống
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-10-
trong đó có EDFA. Bộ khuếch đại EDFA có khả năng tạo ra hiệu ứng khuếch
đại ở vùng bớc sóng 1550nm. Các thông số quan trọng nhất của khuếch đại
có thể kể đến ở đây là hệ số khuếch đại G, băng tần khuếch đại (hoặc ),
thông số tạp âm NF (Noise Figure) và công suất ra bão hoà Ps, nhiễu phát xạ
tự phát đợc khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) của bộ
khuếch đại. Phổ công suất ASE cung cấp các thông tin hữu ích về các đặc tính
hoạt động của EDFA ở các chế độ bơm, công suất tín hiệu và nồng độ pha tạp
Er khác nhau. NF đặc trng cho phép đo sự suy giảm SNR (Signal Noise
Ratio) từ đầu vào đến đầu ra của hệ thống. Chính vì vậy, việc khảo sát các
thông số này trên cơ sở mô phỏng hoạt động của EDFA góp phần quan trọng
trong việc nghiên cứu phân tích hệ thống cũng nh các ứng dụng trong hệ
thống. Từ đó ta hoàn toàn có thể dự đoán và hạn chế những ảnh hởng của
nhiễu lên tín hiệu truyền dẫn.
Luận văn này tập trung vào mô phỏng EDFA với sơ đồ hệ thống khuếch
đại với 3 mức năng lợng nhng đã đợc rút gọn thành hệ 2 mức, với tín hiệu
khuếch đại ở bớc sóng 1550nm, tín hiệu bơm ở bớc sóng 980nm; khảo sát
các đặc trng khuếch đại, tạp âm trong EDFA và ảnh hởng của các thông số
nh chiều dài của sợi quang, nồng độ pha tạp Er trong sợi và công suất tín
hiệu bơm, công suất tín hiệu cần khuếch đại lên các đặc trng của EDFA. Mặt
khác, luận văn cũng đã tiến hành đo đạc trong phòng thí nghiệm , tính toán và
đa ra một số kết quả thực nghiệm về các thông số quan trọng của EDFA nh:
hệ số khuếch đại, thông số tạp âm NF, công suất ASE phát sinh trong quá
trình khuếch đại quang, từ đó đa ra một số tính toán thiết kế tối u cho các
hệ thống thông tin sử dụng EDFA.
Phơng pháp nghiên cứu của luận văn là lý thuyết mô phỏng kết hợp
với kết quả thực nghiệm, để có thể so sánh và kiểm chứng lý thuyết về bộ
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-11-
khuếch đại trong các hệ thống thông tin quang thực tế. Chơng trình mô
phỏng thực hiện trên máy tính sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab. Đây là
một phần mềm chuyên dụng rất mạnh trong lĩnh vực mô phỏng, thực hiện mô
phỏng sơ đồ hệ năng lợng 2 mức của khuếch đại, quá trình hấp thụ và bức xạ
tại mức 1 và 2, với thời gian chuyển mức năng lợng tơng đối nhỏ cho phép
tính toán, xử lý và khảo sát các thông số của bộ khuếch đại quang EDFA:
Công suất tín hiệu lối ra, hệ số khuyếch đại của EDFA, phổ công suất ASE, và
thông số tạp âm NF. Nội dung của luận văn đợc cấu trúc làm 3 chơng.
Chơng 1 giới thiệu về tính chất quang của thủy tinh pha tạp đất hiếm
với một loại nguyên tố đất hiếm điển hình đợc sử dụng rộng rãi trong các bộ
khuếch đại quang là Erbium.
Chơng 2 trình bày về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium
(EDFA), nguyên lý hoạt động và các đặc trng của nó, đồng thời xây dựng hệ
phơng trình tốc độ làm cơ sở để xây dựng chơng trình mô phỏng thực hiện
trong chơng 3 và các ứng dụng của bộ EDFA trong hệ thống thông tin.
Chơng 3 xây dựng chơng trình mô phỏng EDFA dựa vào việc giải hệ
phơng trình vi phân rút gọn từ hệ 3 mức năng lợng trong chơng 2. Luận
văn cũng tiến hành xây dựng 1 giao diện để thuận lợi hơn trong việc ứng dụng
bộ EDFA trong các phòng thí nghiệm. Từ những kết quả thu đợc có thể đánh
giá và đa ra các điều kiện tối u của EDFA. Kết quả khảo sát các thông số và
đặc trng của EDFA trong thực nghiệm . Từ những kết quả này tiến hành so
sánh với kết quả mô phỏng để kiểm chứng kết quả lý thuyết. Tuy nhiên trong
khuôn khổ hạn chế của đề tài, cấu hình của sợi sử dụng trong thực nghiệm
không đợc hoàn toàn giống với sợi sử dụng trong mô phỏng nên cũng chỉ
kiểm chứng đợc một phần nào đó kết quả lý thuyết.
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-12-
Cuối cùng là kết luận và một số đề xuất hớng nghiên cứu trong tơng
lai ứng dụng công nghệ EDFA.
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-13-
Chơng 1: Tính chất quang của thuỷ tinh pha
tạp đất hiếm
Các ion đất hiếm có những tính chất quang rất đặc biệt, là cơ sở để hình
thành và phát triển các laser sợi, laser khối cũng nh các khuyếch đại quang
sử dụng các ion này. Những tính chất quang đặc biệt này là do sự khác biệt
của lớp vỏ 4f của chúng trong tinh thể và trong thuỷ tinh. Trong chơng này,
chúng ta sẽ khảo sát lần lợt các tính chất nguyên tử cơ bản và các tính chất
quang tơng ứng của ion đất hiếm nói chung và của ion Er nói riêng.
1.1. Cấu hình nguyên tử của các ion đất hiếm.
Các nguyên tố đất hiếm đợc chia làm 2 nhóm, mỗi nhóm gồm 14
nguyên tố.
Họ Lanthan với số nguyên tố từ 57 đến 71.
Họ Actini với số nguyên tố từ 89 đến 103.
Các nguyên tố thuộc họ Lanthan có những tính chất quang đặc biệt do
cấu trúc nguyên tử của nó thể hiện ngay trong cấu trúc của lớp vỏ 4f. Vì vậy
phần lớn các ứng dụng trong sợi quang đều đợc sử dụng pha tạp các nguyên
tố thuộc họ Lanthan.
Cấu tạo của nguyên tử gồm một hạt nhân đợc bao quanh bởi các lớp
điện tử. Các lớp điện tử này đợc lấp đầy theo thứ tự và nhìn chung các lớp vỏ
sẽ có bán kính tăng dần. Tuy nhiên, đến vị trí nguyên tử thứ 57 thì quy luật
này bị phá vỡ. ở nguyên tử thứ 57, lớp 5s và 5p (5s25p6) bị lấp đầy trớc sau đó
các điện tử sẽ 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[17].
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-14-
Hầu hết các nguyên tố đất hiếm đều tồn tại dới dạng ion, đặc biệt là ion
hoá trị III (Ln3+). Các nguyên tố đất hiếm trung hoà đều có cấu hình nguyên tử
4fN6s2 hoặc 4fN-15d6s2. Quá trình ion hoá này xảy ra đầu tiên là khử 2 điện tử
yếu ở lớp 6s, sau đó khử tiếp điện tử tại lớp 4f hoặc 5d. Do vậy các ion đất
hiếm họ Lanthan hoá trị ba đều có một lõi (Xenon) và N điện tử tại lớp 4f.
Nhờ sự che chắn của các điện tử lớp 5s và 5p nên các tính chất của lớp vỏ 4f
gần nh đợc giữ nguyên trong nguyên tử khi pha trong các môi trờng thuỷ
tinh hoặc tinh thể.
Thông thờng các nguyên tử trong chất bán dẫn hoặc kim loại nhờng
điện tử của chúng cho môi trờng nên có phổ năng lợng trải rất rộng. Tuy
nhiên, phổ của ion đất hiếm pha tạp trong các chất cách điện nh thuỷ tinh
hay tinh thể lại có phổ năng lợng bao gồm một dãy các vạch hẹp [18].
2S+1
LJ
Các mức Stark
4f
Hình 1.1 Sơ đồ sự tách mức năng lợng của ion Er do tơng
tác điện tử-điện tử và tơng tác điện tử-trờng tinh thể
Nguyên nhân là do các lớp điện tử 4f gần nh vẫn giữ đợc cấu trúc trạng
thái nh trong các nguyên tử đất hiếm. Cấu hình 4f gồm rất nhiều trạng thái
do tơng tác giữa các điện tử. Hơn nữa, dới tác dụng của trờng tinh thể nền,
các mức điện tử của lớp vỏ 4f tiếp tục bị tách thành rất nhiều vạch làm cho các
mức năng lợng của lớp 4f tiếp tục bị tách ra do hiệu ứng Stark. Do vậy quang
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-15-
phổ của lớp vỏ 4f gồm rất nhiều vạch trong một dải khá rộng. Các mức năng
lợng của ion đất hiếm hoàn toàn có thể tính đợc khi ta giải phơng trình
Schrodinger trong trờng tinh thể[17].
1.2. Các tính chất cơ bản của ion Er3+.
1.2.1. Cấu hình nguyên tử của nguyên tố Erbium
Er3+ đợc dùng cho hoạt động của laser và khuếch đại ở vùng bớc sóng
1500nm nhờ chuyển dời 4I13/2 -4I15/2. Khi pha tạp, các ion Er3+ có các mức năng
lợng nh hình 1.2 với mức 4I15/2 là mức cơ bản[18]. Các đỉnh tơng ứng với
các chuyển dời giữa các mức cơ bản 4I15/2 và các mức cao hơn. Hai vùng bơm
chủ yếu là 1480nm và 980nm. Đặc điểm nổi bật của ion Er là tại mức năng
lợng 4I13/2 có thời gian sống rất dài, khoảng 10ms và nó là một mức siêu biền.
Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laser 980nm , các ion Er đợc kích
thích lên mức 4I11/2 và sau thời gian cỡ às chúng chuyển dời không phát xạ
xuống mức 4I13/2. Thời gian sống dài trong mức này cho phép tạo nghịch đảo
độ tích luỹ giữa mức 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2 nhờ đó ta mới có hoạt động của
laser và khuếch đại giữa hai mức này.
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-16-
4
Năng lợng (103 cm-1)
20
4
F9/2
4
I9/2
4
I11/2
10
4
I13/2
0.4
0.5
0.6
0.8
1.0
1.5
Bớc sóng(àm)
G11/2
F9/2+4G9/2+4H9/2
4
F
4 3/2
F5/2
4
F7/2
4
H +4G11/2
4 11/2
S3/2
4
4
I15/2
0
Hình 1.2 Cấu trúc mức năng lợng c a Er3+
1.2.2. Tiết diện hiệu dụng.
Tiết diện hiệu dụng đặc trng cho khả năng ion hấp thụ hoặc bức xạ. Tiết
diện hiệu dụng của một chuyển dời giữa hai mức năng lợng của một ion thể
hiện xác suất chuyển dời xuất hiện với đồng thời cả bức xạ và hấp thụ. Với 2
trạng thái 1 và 2 cho trớc có năng lợng E1 và E2 (E1
xạ sẽ tỷ lệ với tiết diện bức xạ 21. Tổng công suất ánh sáng hấp thụ Pabs từ ánh
sáng tới có tần số cho bởi:
Pabs = 12 I
(1.1)
I là cờng độ ánh sáng tới. Chia cả hai vế cho năng lợng photon, tốc độ
hấp thụ:
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-17-
N abs = 12
I
= 12( )
h
(1.2)
trong đó () là thông lợng photon trong một đơn vị thời gian.
Tơng tự, tổng công suất bức xạ kích thích của ion với cờng độ ánh
sáng tới I đợc cho bởi:
Pem = 21 I
(1.3)
Một cách trực giác, tiết diện hiệu dụng có thể đợc hiểu là một dạng tiết
diện mà các photon trong vùng giao giữa thông lợng ánh sáng và tiết diện
này sẽ bị bắt bởi các ion. Tiết diện bức xạ cũng đợc hiểu tơng tự nh vậy
Ta thấy các xác suất hấp thụ và bức xạ tỷ lệ với cờng độ ánh sáng chứ
không phải là công suất ánh sáng. Vì vậy, nếu ánh sáng đợc tập trung vào
trong một vùng có diện tích nhỏ thì xác suất hấp thụ và bức xạ sẽ tăng lên.
Hình 1.3 và hình 1.4 mô tả các tiết diện hấp thụ và bức xạ đợc tính
trong miền phổ 1550nm của Er trong các nền thuỷ tinh khác nhau.
Việc tính toán các tiết diện hấp thụ và bức xạ tại tần số cụ thể sẽ cho
thông tin hữu ích trong việc chế tạo bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Er. Trong
hệ thống khuếch đại ba mức, tỷ lệ giữa tiết diện hấp thụ và bức xạ tại một tần
số cụ thể nào đó sẽ có tính quyết định cho việc xác định độ khuếch đại tại tần
số đó[10].
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-18-
1
2
3
4
Tiết diện hấp thụ (pm2)
0.6
0.5
1 SiO2-GeO2-P2O5
2 SiO2-Al203-GeO2-P2O5
với Al/Ge = 1:10
3 SiO2-Al203-GeO2-P2O5
với Al/Ge = 1:33
4 SiO2-Al203-P2O5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
1450
1500
1550
1600
Bớc sóng (nm)
Hình 1.3 Tiết diện hấp thụ của Erbium trong các thuỷ tinh nền khác nhau
1
0.7
2
Tiết diện bức xạ (pm2)
0.6
3
4
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
1450
1500
1550
1600
Bớc sóng (nm)
Hình 1.4 Tiết diện bức xạ của Erbium trong các thuỷ tinh nền trong hình 1.3
1.2.3. Thời gian sống.
Thời gian sống của một mức tỷ lệ nghịch với xác suất m ion đó thoát
khỏi mức kích thích trong một đơn vị thời gian. Sự phân rã độ tích luỹ của một
tập hợp các ion kích thích tại một mức cho trớc sẽ giảm theo hm mũ với
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-19-
hằng số thời gian chính bằng thời gian sống. Thời gian sống của nguyên tố đất
hiếm đợc xét theo hai cách phân rã: bức xạ v không bức xạ.
1
=
1
r
+
1
nr
(1.5)
trong đó là thời gian sống tổng cộng
r là thời gian sống bức xạ
nr là thời gian sống không bức xạ
Thời gian sống bức xạ quy định chuyển dời bức xạ từ các mức kích thích
xuống các mức thấp hơn nên nó liên quan tới phổ huỳnh quang. Thời gian
sống bức xạ thờng cỡ às.
Thời gian sống không bức xạ phụ thuộc bản chất tinh thể nền và liên kết
giữa các dao động của ion trong mạng tinh thể với các trạng thái của ion đát
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 lợng thấp nhất
xảy ra.
Các phonon quang không chỉ tham gia trong các quá trình bức xạ, mà nó
còn tham gia vào các quá trình hấp thụ. Sự tham gia của các phonon đựơc 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 ngời ta quan sát đợc.
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-20-
Thuỷ tinh nền
Thòi gian sống (ms)
Silicate
14.7
Phosphate
8.5
Fluorophosphate
8.0
Fluoride
10.3
Bảng1.1 Thời gian sống của mức 4I13/2 của Er3+ trong các thuỷ tinh nền
khác nhau
Thời gian sống của mức 4I13/2 của ion Er3+ trong các thuỷ tinh nền khác
nhau đợc cho trong bảng 1.1. Thuỷ tinh pha phosphate có chiết suất cao hơn
các thuỷ tinh silicate cơ bản do đó lm tăng tiết diện bức xạ hiệu dụng. Chính
vì vậy nó làm giảm thời gian sống của mức 4I13/2.
Tốc độ chuyển dời tại các mức cao hơn của Er3+ nh mức 4I11/2 v các
mức cao hơn nữa lớn hơn rất nhiều do các tốc độ chuyển dời không bức xạ của
chúng. Thí dụ tốc độ chuyển dời khỏi mức 4I11/2 l 105s-1 với thuỷ tinh nền
silicate v là 106s-1 với chất nền phosphate. Nh vậy, thời gian sống của các
mức này thờng đều rất ngắn cỡ às. Trong Er3+ mức 4S3/2 cho bức xạ xanh với
thời gian sống cỡ 1às.
Khi Er đợc pha tạp nồng độ cao, một số hiệu ứng có thể xuất hiện làm
dập tắt các trạng thái kích thích (dập tắt do nồng độ). Hình 5 cho thấy rõ
trạng thái này tại trạng thái 4I13/2 của Er nh một hàm theo nồng độ Er và thuỷ
tinh CPG (calcium metaphosphate). CPG là loại thuỷ tinh tốt hơn Silica, nó
hạn chế rất nhiều hiện tợng tụ đám. Khi pha tạp ở nồng độ cao cũng có thể
xảy ra hiện tợng truyền năng lợng giữa các ion do va chạm tạo ra các tâm
bị dập tắt[18].
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
Thi gian sng mc 4I13/2(s)
-21-
0,1
0,01
silica
CPG
0,001
0,0001
0,001 0,01
0,1
1
10
Nng ion Er3+(mol%)
100
Hỡnh 1.5 S dp tt do nng trong thu tinh silica v CPG (calcium
metaphosphate)
1.2.4. Độ rộng vạch và sự mở rộng vạch.
Độ rộng vạch của chuyển dời chứa nhiều phân bố từ các ảnh hởng khác
nhau. Với chuyển dời trong hai trạng thái riêng của ion đất hiếm thì độ rộng
vạch sẽ bao gồm cả sự mở rộng đồng nhất v mở rộng không đồng nhất.
Sự mở rộng đồng nhất (hay sự mở rộng tự nhiên) xuất hiện do thời gian
sống v thời gian biến đổi pha của các trạng thái v phụ thuộc vào cả hai quá
trình bức xạ và không bức xạ. Thời gian sống và thời gian biến đổi pha càng
tăng thì sự mở rộng đồng nhất càng tăng.
Sự mở rộng không đồng nhất đợc xác định theo các vị trí biến đổi khác
nhau trong toàn bộ các vị trí mà ion có thể chiếm giữ. Các dịch chuyển năng
lợng và phổ huỳnh quang sẽ bị mở rộng do sự biến đổi của môi trờng riêng
của các ion. Các vạch không đồng nhất thực tế là chồng chập của các vạch mở
rộng đồng nhất. Trờng hợp mở rộng vạch đồng nhất, vạch thu đợc sẽ bão
hoà đồng đều cũng nh độ tích luỹ giảm (nh dới ảnh hởng của tín hiệu
mạnh). Trong khi độ tích luỹ có thể bị ảnh hởng một cách địa phơng trong
trờng hợp mở rộng không đồng nhất.
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-22-
Các ion trong tinh thể còn có một cơ chế mở rộng khác là sự mở rộng do
tách mức Stark. Khi số lợng các thành phần Stark càng lớn thì sự mở rộng
càng lớn. Sự mở rộng bằng tổng sự tách mức của các mức đa tạp và độ rộng
của các chuyển dời giữa các mức đa tạp. Nếu sự phân bố lại độ tích luỹ giữa
các mức đủ nhanh, tức là nhanh hơn thời gian để tín hiệu có thể tơng tác
đợc với các ion thì chuyển dời tổng cộng sẽ có đặc trng của mở rộng đồng
nhất.
Cờng độ (a.u)
1
2
3
4
1
2
Al/P Silica
Ca/Ge/Al/P Silica
P Silica
Silica
3
4
1480
1500
1520
1540
1560
1580
1600
Bớc sóng (nm)
Hình 1.6 So sánh phổ bức xạ của ion Er3+ trong các nền khác nhau
Phổ của Er trong vùng 1500nm phụ thuộc vào chất nền. Các đỉnh trong
phổ sẽ có dạng khác nhau tuỳ thuộc vào vị trí chính xác của các mức Stark .
Hình1.6 là phổ bức xạ của ion Er3+ trong các mạng nền khác nhau. Quan sát
hình vẽ 1.6, chúng ta có thể thấy đợc mạng nền có ảnh hởng lớn đối với độ
rộng vạch bức xạ của Er3+[5].
Do mở rộng đồng nhất tại nhiệt độ phòng lớn nên bản chất chuyển dời tại
bớc sóng 1550nm là vạch mở rộng đồng nhất. Hơn nữa, tại nhiệt độ phòng sự
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
-23-
phân bố lại giữa các mức theo Stark do nhiệt độ diễn ra rất nhanh cỡ vài ps. Vì
vậy với xung bơm có thời gian cỡ nh vậy (thông thờng xung bơm liên tục)
thì phổ chuyển dời không đặc trng cho sự thay đổi bức xạ bơm hoặc tín hiệu.
Tuy nhiên vẫn xuất hiện sự mở rộng không đồng nhất và hiệu ứng đốt cháy
phổ (hole burning) cho dù là rất nhỏ. Sự đốt cháy này có ảnh hởng không
tốt trong các hệ thống WDM, cờng độ tín hiệu của mỗi kênh sẽ ảnh hởng
tới phổ khuếch đại trong các kênh bên cạnh khi tín hiệu đủ lớn. Độ rộng phổ
làm hạn chế mật độ ghép kênh trong thông tin đờng dài.
Nh vậy đặc trng mở rộng vạch rất quan trọng khi xét các tính chất
khuếch đại bão hoà và khuếch đại trong hệ thống ghép kênh theo bớc sóng.
Đối với một dịch chuyển mở rộng đồng nhất, một bớc sóng đã cho sẽ tơng
tác với tất cả ion với xác suất bằng nhau, do đó một bớc sóng bơm bất kì tạo
ra đố khuếch đại phổ nh nhau.
1.2.5. Phổ hấp thụ và bức xạ của Er3+
Phổ hấp thụ của Er3+ pha tạp trong sợi thuỷ tinh đợc biểu diễn trên
hình 1.7.
Các dải hấp thụ khác nhau trong phổ tơng ứng với các dịch chuyển hấp
thụ từ mức cơ bản lên các trạng thái kích thích của ion Er3+.
Từ phổ hấp thụ chúng ta thấy một đỉnh hấp thụ rất quan trọng của ion
Er3+ tại bớc sóng 980nm. Hấp thụ này tơng ứng với dịch chuyển từ trạng
thái cơ bản 4I15/2 lên trạng thái 4I11/2. Từ trạng thái này ion Er3+ phục hồi nhanh
không bức xạ về trạng thái 4I13/2, sau đó trở về trạng thái cơ bản và phát xạ
photon có bớc sóng 1530 nm, bớc sóng đợc sử dụng cho laser sợi và
khuếch đại sợi.
Luận văn tốt nghiệp cao học chuyên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông niên khoá 2005 - 2007
