báo cáo luận văn KHẢO sát một số TÍNH CHẤT của NHIỄU TRONG bộ KHUẾCH đại QUANG sợi PHA tạp ERBIUM

kh¶o s¸t mét sè tÝnh chÊt cña
nhiÔu trong bé khuÕch ®¹i quang
sîi pha t¹p Erbium


Mở đầu

Các bộ khuếch đại quang là các thiết
bị bù suy hao có hiệu quả nhất cho sợi
quang. Các thiết bị này có thể khuếch đại
trực tiếp tín hiệu quang mà không thông
qua sự
đổiđại
quang
- điện,
điện
Bộ biến
khuếch
quang
sợi pha
tạpquang
erbiumnào.
EDFA (Erbium - doped fiber
amplifier) có sức hấp dẫn nhất vì chúng
hoạt động ở gần bớc sóng 1,55àm, vùng bớc
sóng mà ở đó suy hao sợi gần nh là nhỏ
nhất. Vũ Văn San và một số tác giả khác đã
nghiên cứu về đặc tính của nhiễu và đạt
đợc nhiều kết quả quan trọng.

Trên cơ sở các kết quả đạt đợc, có thể
khảo sát một số tính chất của nhiễu, từ đó
tìm bộ thông số tối u cho bộ khếch đại
EDFA. Với lí do nh trên, chúng tôi chọn đề
tài nghiên cứu là:
Khảo sát một số tính chất của
nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi
pha tạp Erbium.


Nội dung của luận văn đợc trình bày với bố cục
gồm:
Mở đầu
Chơng 1: Tổng quan về bộ khuếch đại quang
sợi pha tạp Erbium
Chơng 2: Nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi
pha tạp Erbium
Chơng 3: Khảo sát một số tính chất của hệ số
nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp
Erbium.
Kết luận chung
Tài liệu tham khảo


Chơng I
Tổng quan về bộ khuếch đại quang sợi
pha tạp erbium
1.1. Một số tính chất quang phổ của
3+
1.1.1.

Các mức
năng
l
ợng
của
ion
Er
ion Er3+
4
F9
0,65àm
2

4

4

4

I9

0,80àm

2

I11
I13

0,98àm

2

1,53àm

2

Bơm1,48àm
4

I15

Mức thấp
nhất

2

Hình 1.1. Một số mức năng lợng đối với ion
3+


1.1.3. Tiết diện hấp thụ hiệu dụng

Tiết diện hấp thụ hiệu dụng đợc xác
định bằng biểu thức(sau
) [6]:

a ( ) =
(1.1)
N
trong đó:

là hệ số hấp thụ (cm-1);
( )
N là số lợng ion trong một đơn vị thể
tích (cm3).
1.1.4. Tiết diện bức xạ hiệu dụng
+ Phơng pháp Ladenbugr - Fuchtbauer (FL)
1
1 4 Ie ( )
.e ( ) =


.
(1.3)
2
8c0 n rad Ie d
+ Phơng pháp của Mac Cumber
e ( ) = a ( ) e

( T ) h
KT



.

(1.4)


1.2. Khuếch đại quang

1.2.1. Nguyên lí khuếch đại
quang
3
2
1
a.
Bơm

b. Bức xạ cỡng bức

c. Bức xạ tự
phát

Hình 1.5. Nguyên lí khuếch đại quang

1.2.2. Sự nghịch
đảo
Gọi mật
N1, Nđộ
2 là các mật độ c trú của các
ion ở mức cơ bản và ở mức khuếch đại.
Gọi Nt là mật độ ion, ta có:
N t = N1 ( z ) + N 2 ( z ) ;
(1.6)


dN 2
= 0 = Wexc ( p p , ps ) N1 ( z ) − Wrel ( p p , ps , τ) N 2 ( Z); (1.7)
dt

σ ap

σ as
Wexc ( p p , p s ) =
Ip ( z) +
Is ( z );
hν p
hν s
σ ep

σ es
1
Wrel ( p p , p s , τ) =
Ip ( z) +
Is ( z ) + .
hν p
hν s
τ

Thay (1.8), (1.9) vµo (1.7), ta
cã:
(σap Ppλ p + σas ps λ s ) N t τ
N2 =
.
(σap + σep )p pλ p τ + (σas + σes )psλ s τ + Ahc

(1.8)
(1.9)

(1.10)

1.3. CÊu tróc vµ ho¹t ®éng cña bé
khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium
1.3.1. CÊu tróc cña bé khuÕch ®¹i
quang sîi pha t¹p Erbium
Bé c¸ch ly
§Çu
vµo

EDF

WDM
.

Laser b¬m
LD

H×nh 1.
11.

Bé c¸ch ly

.
Mèi hµn

§Çu ra


1.3.2. Hoạt động của bộ khuếch đại

quang sợi pha tạp Erbium
S3
4

4

4

4

F9

I9

4

2

0,54àm
Không bức xạ

0,65àm

2

0,80àm

2

I11

I13

I15

0,98àm
2

Siêu bền

1,53àm

2

2

Tự phát

4

0,52àm

2

1500-1600nm

H11

Khuếch đại

4

Trạng thái nền

Hình 1.14. Một số mức năng lợng đối với ion
Er hoá trị 3


1.4. Kết luận chơng I
Trong chơng này đã nêu đợc một số
tính chất quang phổ của ion Er 3+,
nguyên lí khuếch đại quang. Cấu trúc và
hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi
pha tạp erbium làm cơ sở cho các nghiên
cứu chính của luận văn.


Ch¬ng II
nhiÔu trong bé khuÕch ®¹i quang sîi
pha t¹p Erbium
2.1. NhiÔu quang trong bé khuÕch
®¹i quang sîi pha t¹p Erbium
2.1.1. C«ng suÊt
nhiÔu
C«ng
C«ng suÊt nhiÔu tèi thiÓu t¹i ®Çu ra
bé khuÕch ®¹i Psp, min ®îc t×m ra nh sau
[7]:
P
= hν( G − 1) B.
(2.1)

sp , min

PASE = m t N sp hν(G − 1)B0 .

(2.2)


Công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch
đại quang
P [7]:
= N h( G 1) B .
(2.3)
sp

sp

0

PASE = 2 N sp h(G 1)B0 .

(2.4)

2.1.2. Hệ số bức xạ tự
phát
es N 2
N sp =
.
(2.5)
es N 2 as N1
Gọia = es N 2 , b = as N1

; và giả thiết
rằng a, b là hằng số. Khi đó hệ số bức xạ
tự phát của bộ khuếch đại quang là [7]:
a
N 2
N sp =
=
(2.6)
a b N 2 N1
es
= .
(2.7)
với:
as


2.3. HÖ sè nhiÔu
SNR in
2.3.1. HÖ sè
NF =
.
SNR out
nhiÔu:
2.3.2. Ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh hÖ
2.3.2.1.
Ph¬ng ph¸p
sè nhiÔu
quang:
PASE
1

NF =
+ .
GhνB0 G
2.3.2.2. Ph¬ng ph¸p
®iÖn:
I ASE
I 2ASE
Be
(RIN)I s 1
NF =
+
(B0 − ) +
+ .
2
2GB0 2eGIs B0
2
2e
G
trong
®ã:

I ASE

ηe
ηe
Ps .
=
PASE , Is =
hν
hν

(2.12)

(2.13)

(2.15)


2.5. Kết luận chơng II
Trong chơng này đã trình bày khái
niệm nhiễu quang và nhiễu cờng độ
trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp
Erbium. Trình bày khái niệm hệ số nhiễu
và biểu thức tính hệ số nhiễu theo hai ph
ơng pháp: phơng pháp quang và phơng
pháp điện.


Chơng III
Khảo sát một số tính chất của hệ số
nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi
pha tạp Erbium
3.1. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số
nhiễu vào độ dài sợi
Công suất tín hiệu
đầu
vào
- 20dBm, bơm tại bớc
sóng 980nm.

H
ệ
s
ốn
h
iễ
u(d
B
)

8
7

Pp = 3mW

6
5

5mW

4

10mW

3

60mW

2
1

0

0

10

20

30

40

50

60

Đ ộ dài sợ i (m)

Hình 3.1. Hệ số nhiễu phụ thuộc vào độ dài
dà


Với các công suất bơm không đổi lớn hơn
10mW
thì:
+ Hệ số nhiễu tăng nhanh nếu độ
dài sợi nhỏ hơn 10m.
+ Hệ số nhiễu tăng chậm và tiến
đến một giá trị giới hạn nào đó nếu độ
dài sợi lớn hơn 10m.

3.2. Khảo sát sự phụ thuộc hệ số nhiễu
vào công suất tín hiệu đầu vào
Độ dài sợi 10m, bớc sóng bơm
980nm
7

Hệ
s
ốn
h
iễ
u(d
B
)

Pp = 10mW

6

Pp = 20mW
Pp = 30mW

5
4
3
2
1
0

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Công suất tí
n hiệ
uđ
ầu vào (dBm)

Hình 3.2. Hệ số nhiễu phụ thuộc vào công suất

tín hiệu đầu vào

+ Khi công suất tín hiệu đầu vào tăng

hơn
+ Khi
suất
tín tăng
hiệu nhanh.
đầu vào nhỏ
-15dBm
thìcông
hệ số
nhiễu
hơn
-15dBm thì hệ số nhiễu gần nh không


3.3. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số
nhiễu vào công suất bơm
Hệ
s
ốnhiễ
u(dB)

35

Ps = -5dBm, L = 30m
30

Ps = -20dBm, L = 10m
Ps = -35dBm, L = 5m

25
20
15
10
5
0

Hình 3.3. Hệ số nhiễu phụ thuộc công suất bơm
với
các công suất tín hiệu đầu vào và độ dài sợi khác
+ Hệ số nhiễu giảmnhau
mạnh khi công suất bơm
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Công suất bơm (mW)

nhỏ hơn 10mW.
+ Hệ số nhiễu hầu nh không thay đổi khi
công suất bơm lớn hơn 10mW.
Nh vậy khi cung cấp cho EDFA một công
suất bơm lớn hơn 10mW thì sẽ cho hệ số
nhiễu nhỏ và ổn định.


3.4. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số
nhiễu vào sự nghịch đảo mật độ
Hệs
ốnhiễ
u (dB)

20
G = 5

18

G = 10
16

G = 30

14
12
10
8
6
4
2
0

0

0.5

1

1.5

N1/N2

Hình 3.4b. Hệ số nhiễu phụ thuộc vào nghịch
đảotăng
mật độ
1)
+ Hệ số nhiễu
khi(G

sự>nghịch
đảo mật

độ càng yếu.
+ Hệ số nhiễu đạt giá trị nhỏ nhất khi N1


3.5. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số
nhiễu vào hệ số khuếch đại
Hệsố nhiễ
u (dB)

10

N1/N2 =0
N1/N2 =0.5
N1/N2 =0.8

9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Hệsố khuế
ch đ
ại

Hình 3.5b. Hệ số nhiễu phụ thuộc vào hệ số
khuếch đại (trờng hợp G >1)

+ Hệ số nhiễu tăng dần khi hệ số
khuếch
+ Khi hệđại
số tăng.

khuếch đại cao thì hệ số
nhiễu đạt đến một giá trị giới hạn.


N1/N2

0

0,5

0,8

Giới hạn hệ số nhiễu
3
5
6
(dB)
Sự nghịch đảo mật độ càng mạnh thì
giới hạn hệ số nhiễu càng thấp. Nh vậy ở
trạng thái nghịch đảo mật độ hoàn toàn
thì giới hạn hệ số nhiễu là thấp nhất. Khi N1
= 0 thì giới hạn hệ số nhiễu là 3dB. Vậy NF
= 3dB là giới hạn nhỏ nhất của hệ số nhiễu
khi hệ số khuếch đại cao.


3.8. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số
nhiễu vào công suất bơm và
công
suất

Từ đồ thị hình
tín hiệu đầu vào
3.8 ta thấy: hệ số
30
25

N
F
(
d
B
)

20
15
10
5
0
-40

nhiễu càng nhỏ khi
công suất bơm càng
lớn và công suất tín
hiệu đầu vào càng
nhỏ. Để tối thiểu hệ
số nhiễu thì công
suất bơm lớn hơn
10mW, công suất tín
Pp (mW)
Ps(dBm)

hiệu đầu vào nhỏ
Hình 3.8. Hệ số nhiễu phụ
hơn -15dBm.
-30

-20

-10

0

10

100

80

60

40

20

0

thuộc và công suất tín hiệu đầu
vào và công suất bơm


3.9. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số

nhiễu vào công suất bơm và độ dài sợi
Bơm tại bớc sóng 980nm, công suất
tín hiệu đầu vào -20dBm.
30

NF (dB)

25
20
15
10
5
0
60
40

L (m)

20
0

100

80

60

40

20

0

Pp (mW)

Hình 3.9. Hệ số nhiễu phụ thuộc công suất
bơm và3.9
độ cho
dài sợi
Đồ thị hình
thấy: nếu độ

dài sợi lớn hơn 10m và công suất bơm lớn
hơn khoảng 10mW thì hệ số nhiễu gần
nh không đổi.


Hệ
s
ốkhuế
chđ
ại (dB)

3.10. Chọn bộ thông số tối u cho bộ
khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium
40
35

L = 20m, Ps = -15dBm

30
L = 15m, Ps = -25dBm

25
20

L = 10m, Ps = -20dBm

15
10

L = 5m, Ps = -35dBm
5
0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Công suất bơm (mW)

Hình 3.10. Hệ số khuếch đại phụ thuộc công
suất bơm

Để đạt đợc hệ số khuếch đại lớn hơn
10dB khi thực hiện công suất bơm từ
10mW đến 100mW thì độ dài sợi pha tạp
của EDFA vào khoảng 10m trở lên.