Luận văn thạc sĩ về tối ưu hóa khuếch đại quang sợi pha tạp Er EDFA cho băng tần C

Luận văn thạc sĩ phân tích vnu uet tối ưu hóa khuếch đại quang sợi pha tạp er edfa cho băng tần c bằng phương pháp mô hình hóa, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Thu Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Văn Hội
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Tối Ưu Hóa Khuếch Đại Quang Sợi Pha Tạp Er (EDFA) Cho Băng Tần C Bằng Phương Pháp Mô Hình Hóa Và So Sánh Thực Nghiệm
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• 1. CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT QUANG CỦA THỦY TINH PHA TẠP ĐẤT HIẾM
• 1.1. Cấu hình nguyên tố của các ion đất hiếm
• 1.2. Các tính chất cơ bản của ion Er3+
• 1.3. Tiết diện hiệu dụng
• 1.4. Tiết diện bức xạ của Erbium trong các thủy tinh nền
• 1.5. Thời gian sống
• 1.6. Đề rừng vạch và sự mờ rừng vạch
• 2. CHƯƠNG 2: BÉ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM (EDFA)
• 2.1. Nguyên lý hoạt động và các đặc trưng của EDFA
• 2.2. Xây dựng phương trình tốc độ
• 2.3. Các ống dòng của bé EDFA trong hệ thống thông tin
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG EDFA
• 3.1. Giới thiệu về mô phỏng và phần mềm mô phỏng
• 3.2. Xây dựng phương trình rót gần
• 3.3. Kết quả mô phỏng
• 3.4. So sánh giữa các cấu hình bơm
• 3.5. Các kết quả thực nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA EDFA TRONG THỰC NGHIỆM
• 4.1. So sánh với kết quả mô phỏng để kiểm chứng lý thuyết
• 4.2. Phân tích sự khác biệt cấu hình sợi trong thực nghiệm và mô phỏng
• 4.3. Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về tối ưu hóa khuếch đại quang sợi pha tạp Er EDFA cho băng tần C

Khuếch đại quang sợi pha tạp Er (EDFA) đã trở thành một phần quan trọng trong công nghệ truyền dẫn quang học hiện đại. Với khả năng khuếch đại tín hiệu quang mà không làm suy giảm chất lượng, EDFA đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông quang. Bài viết này sẽ đi sâu vào các phương pháp tối ưu hóa EDFA cho băng tần C, giúp nâng cao hiệu suất và khả năng truyền tải dữ liệu.

1.1. Khái niệm về khuếch đại quang sợi pha tạp Er

Khuếch đại quang sợi pha tạp Er là một công nghệ sử dụng các ion Erbium trong sợi quang để khuếch đại tín hiệu quang. Công nghệ này cho phép tăng cường tín hiệu mà không làm giảm chất lượng, nhờ vào khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng của ion Er3+.

1.2. Lịch sử phát triển của EDFA trong truyền thông quang

EDFA được phát triển lần đầu tiên vào năm 1987 và đã nhanh chóng trở thành một công nghệ chủ chốt trong các hệ thống truyền thông quang. Sự ra đời của EDFA đã mở ra một kỷ nguyên mới cho khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao và khoảng cách xa.

II. Vấn đề và thách thức trong tối ưu hóa EDFA cho băng tần C

Mặc dù EDFA mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu suất của nó. Các vấn đề như suy hao tín hiệu, độ ồn và khả năng tương thích với các hệ thống khác cần được giải quyết để đảm bảo hiệu quả tối đa.

2.1. Suy hao tín hiệu trong hệ thống EDFA

Suy hao tín hiệu là một trong những vấn đề lớn nhất trong các hệ thống truyền thông quang. Việc tối ưu hóa cấu hình của EDFA có thể giúp giảm thiểu suy hao và cải thiện chất lượng tín hiệu.

2.2. Độ ồn và ảnh hưởng đến hiệu suất EDFA

Độ ồn trong EDFA có thể ảnh hưởng đến tỷ lệ tín hiệu trên độ ồn (SNR), làm giảm chất lượng tín hiệu. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp giảm độ ồn là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của EDFA.

III. Phương pháp tối ưu hóa EDFA cho băng tần C

Có nhiều phương pháp khác nhau để tối ưu hóa EDFA, bao gồm việc điều chỉnh cấu hình sợi quang, tối ưu hóa nồng độ ion Er, và cải thiện các thông số hoạt động của EDFA. Những phương pháp này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến suy hao và độ ồn.

3.1. Tối ưu hóa nồng độ ion Er trong EDFA

Nồng độ ion Er trong sợi quang có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của EDFA. Việc điều chỉnh nồng độ này có thể giúp tối ưu hóa khả năng khuếch đại và giảm thiểu độ ồn.

3.2. Cải thiện cấu hình sợi quang cho EDFA

Cấu hình sợi quang cũng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của EDFA. Việc thiết kế sợi quang với các đặc tính quang học tối ưu có thể giúp nâng cao khả năng khuếch đại và giảm thiểu suy hao.

IV. Ứng dụng thực tiễn của EDFA trong truyền thông quang

EDFA đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông quang, từ mạng cáp quang đến các hệ thống truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất truyền tải mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

4.1. EDFA trong mạng cáp quang

Trong mạng cáp quang, EDFA được sử dụng để khuếch đại tín hiệu quang, giúp truyền tải dữ liệu qua khoảng cách xa mà không làm giảm chất lượng tín hiệu.

4.2. Ứng dụng EDFA trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao

EDFA cũng được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ lên đến hàng gigabit mỗi giây, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

V. Kết luận và tương lai của EDFA trong công nghệ quang học

EDFA đã chứng minh được vai trò quan trọng của mình trong công nghệ truyền thông quang. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của EDFA hứa hẹn sẽ còn nhiều tiềm năng hơn nữa trong việc cải thiện hiệu suất và khả năng truyền tải dữ liệu.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ EDFA

Công nghệ EDFA đang tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến mới, từ cấu hình sợi quang đến các phương pháp tối ưu hóa hiệu suất. Những xu hướng này sẽ giúp EDFA ngày càng hoàn thiện hơn.

5.2. Tương lai của EDFA trong các hệ thống truyền thông quang

Với sự gia tăng nhu cầu về băng thông và tốc độ truyền tải, EDFA sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền thông quang trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ lưu lượng dữ liệu và dịch vụ băng thông rộng đặt ra thách thức lớn cho hạ tầng viễn thông toàn cầu. Từ năm 1991, các thử nghiệm truyền dẫn sử dụng bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) đã chứng minh khả năng truyền tải tốc độ 2,5 Gbit/s qua 21.000 km và 5 Gbit/s qua 14.300 km. Tuy nhiên, trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) ở vùng 1550 nm, tín hiệu vẫn chịu suy hao công suất đáng kể khi truyền dẫn qua cự ly trên 100 km, trong khi các bộ lặp quang - điện - quang truyền thống bộc lộ nhược điểm nghẽn cổ chai và chi phí khai thác cao.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là tối ưu hóa hệ số tăng ích Gain, kiểm soát hệ số tạp âm NF và hạn chế bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) cho bộ khuếch đại EDFA ở băng tần C từ 1530 nm đến 1565 nm. Luận văn thực hiện tại Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2005 tập trung mô hình hóa hệ phương trình tốc độ 2 mức rút gọn trên phần mềm Matlab và đối sánh với kết quả thực nghiệm. Mục tiêu cụ thể là xác định chiều dài sợi tối ưu 8 đến 9 mét, hạ công suất bơm ngưỡng xuống dưới 0,5 mW và đạt hệ số tăng ích cực đại 39,86 dB (tương đương mức khuếch đại công suất gần 10.000 lần). Kết quả nghiên cứu tạo tiền đề vững chắc cho việc thiết kế, chế tạo các mô-đun EDFA hiệu năng cao phục vụ mạng truyền dẫn quang đường dài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu phát triển dựa trên lý thuyết bức xạ cưỡng bức của Einstein và nguyên lý nghịch đảo độ tích lũy hạt trong môi trường quang học. Cấu trúc năng lượng của ion Er3+ gồm 3 mức được rút gọn thành hệ 2 mức gồm mức cơ bản 4I15/2 và mức siêu bền 4I13/2, xuất phát từ việc thời gian chuyển mức phi bức xạ từ 4I11/2 xuống 4I13/2 diễn ra rất nhanh trong khoảng vài micro giây.

Ba khái niệm vật lý then chốt được áp dụng bao gồm: tiết diện hiệu dụng hấp thụ và phát xạ đặc trưng cho xác suất tương tác photon (đạt khoảng 2 * 10^-21 cm^2 tại bước sóng bơm 980 nm); thời gian sống của mức siêu bền 4I13/2 kéo dài xấp xỉ 10 ms (10^-2 s) tạo điều kiện tích lũy hạt thuận lợi; và tạp âm bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR. Hệ số tạp âm NF có giới hạn lượng tử lý thuyết nhỏ nhất là 3 dB. Ngoài ra, mật độ ion Erbium trong lõi sợi quang silica được xác lập ở mức 1,8 * 10^24 ion/m^3.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu kết hợp giữa các hằng số vật lý chuẩn của sợi silica pha tạp Er3+ và dữ liệu đo phổ thực nghiệm tại phòng thí nghiệm chuyên ngành. Phương pháp phân tích chủ đạo là giải số hệ phương trình vi phân truyền dẫn phi tuyến kết hợp phương trình tốc độ bằng thuật toán tích phân trên phần mềm Matlab. Dải phổ khảo sát từ 1400 nm đến 1600 nm được chia thành các khoảng bước sóng nhỏ delta-nu để tính toán phân bố Gain và ASE dọc theo chiều dài sợi z.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 3 cấu hình chiều dài sợi quang (8 m, 10 m, 20 m), 5 mức công suất bơm biến thiên từ 20 mW đến 50 mW (cụ thể là 20 mW, 25 mW, 30 mW, 35 mW, 40 mW, 50 mW) và 2 mức nồng độ pha tạp Er3+. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích theo cấu hình linh kiện quang thực tế nhằm đánh giá độc lập từng tham số ảnh hưởng. Phần mềm Matlab được lựa chọn nhờ khả năng giải hệ vi phân chính xác với sai số dưới 1%, giúp tiết kiệm chi phí thử nghiệm phần cứng trước khi chế tạo mô-đun thực tế. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và đo đạc hoàn tất trong năm 2005.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, chiều dài sợi quang pha tạp Er tối ưu được xác định nằm trong khoảng 8 đến 9 mét. Với sợi dài 8 mét ở công suất bơm 30 mW, công suất tín hiệu lối ra đạt đỉnh 0,012 mW từ mức tín hiệu vào 0,001 mW (tăng trưởng gấp 12 lần). Khi chiều dài tăng lên 20 mét dưới cùng mức bơm, công suất ra giảm sút mạnh do đoạn sợi sau 10 mét không đủ năng lượng bơm duy trì nghịch đảo hạt và chuyển sang hấp thụ ngược tín hiệu.

Thứ hai, hệ số tăng ích Gain đạt cực đại 39,86 dB tại bước sóng 1530 nm với sợi dài 10 mét khi cấp nguồn bơm 30 mW, tương đương mức khuếch đại công suất gần 10.000 lần. Việc tăng công suất bơm từ 25 mW lên 40 mW giúp Gain tăng nhanh theo hàm mũ ở vùng tín hiệu nhỏ trước khi tiệm cận vùng bão hòa 40 dB.

Thứ ba, công suất tạp âm ASE tăng tỷ lệ thuận với công suất bơm quang. Tại mức bơm 20 mW, công suất ASE đồng hướng ghi nhận ở mức -5,0 dB và ASE ngược hướng đạt -5,7 dB; khi tăng bơm lên 50 mW, ASE đồng hướng tăng lên -4,5 dB (tăng khoảng 10% năng lượng nhiễu) và ASE ngược hướng đạt -5,4 dB. Hệ số tạp âm NF của mô-đun được kiểm soát ổn định ở mức 8,7 dB tại điểm hoạt động danh định.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tăng ích cao bắt nguồn từ tiết diện bức xạ lớn tại cửa sổ 1530 nm kết hợp thời gian chuyển mức phi bức xạ nhanh cỡ micro giây. Sự suy giảm Gain ở sợi dài 20 mét là do công suất bơm suy kiệt dọc trục z làm mất trạng thái nghịch đảo mật độ hạt. So sánh với các công bố quốc tế, kết quả mô phỏng trên Matlab có sai số dưới 5% so với thực nghiệm, đồng thời khẳng định bước sóng bơm 980 nm ưu việt hơn bước sóng 800 nm nhờ triệt tiêu hoàn toàn hiệu ứng hấp thụ trạng thái kích thích (ESA).

Dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa sinh động qua biểu đồ đường cong tăng ích Gain theo chiều dài sợi từ 0 đến 20 mét và bảng tổng hợp tương quan công suất ASE đồng hướng, ngược hướng theo 5 mức công suất bơm (20 mW đến 50 mW), giúp xác định chính xác ranh giới bão hòa tạp âm và tối ưu hóa điểm công tác.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa chiều dài sợi quang pha tạp Erbium trong quy trình chế tạo. Kỹ sư phần cứng cần cắt gọt chính xác chiều dài sợi trong khoảng 8,0 đến 8,5 mét nhằm đạt hệ số tăng ích trên 35 dB và triệt tiêu hiện tượng hấp thụ ngược, áp dụng ngay trong chu kỳ sản xuất 3 tháng tới.

Thứ hai, tối ưu hóa chế độ điều khiển nguồn laser bơm 980 nm. Kỹ thuật viên vận hành cần duy trì công suất laser diode ổn định ở dải 30 mW đến 35 mW, hướng tới mục tiêu khống chế hệ số tạp âm NF dưới 8,5 dB và đạt hiệu suất chuyển đổi lượng tử trên 85%, hoàn thành hiệu chuẩn trong 6 tháng.

Thứ ba, tích hợp các khối EDFA đa tầng trên tuyến truyền dẫn WDM. Doanh nghiệp viễn thông cần bố trí các bộ khuếch đại đường truyền cách nhau 80 km đến 100 km, đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR toàn tuyến vượt ngưỡng 25 dB trên cự ly 1.000 km, lộ trình triển khai kéo dài 12 tháng.

Thứ tư, xây dựng công cụ phần mềm tự động hóa tính toán tham số quang. Nhóm nghiên cứu cần đóng gói thuật toán Matlab thành giao diện trực quan, giúp giảm sai số dự báo suy hao xuống dưới 2% và rút ngắn 50% thời gian thiết kế mô-đun mới trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư thiết kế phần cứng quang viễn thông: Nắm vững tham số tiết diện tương tác 4,8 * 10^-25 m^2 và thời gian sống huỳnh quang 10 ms để chế tạo các khối EDFA băng C nhỏ gọn đạt chuẩn công nghiệp.

Thứ hai, chuyên gia quy hoạch và vận hành mạng viễn thông đường trục: Ứng dụng quy chuẩn sợi dài 8 đến 9 mét và công suất bơm 30 mW để bố trí trạm lặp cho các tuyến truyền dẫn cáp quang cự ly trên 100 km.

Thứ ba, giảng viên và học viên cao học ngành Điện tử Viễn thông: Sử dụng mô hình giải tích 2 mức rút gọn và thuật toán mô phỏng số trên Matlab làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu học thuật chuyên sâu.

Thứ tư, doanh nghiệp tích hợp hệ thống mạng quang: Khai thác quy trình kiểm chuẩn phổ ASE và hệ số tạp âm NF ở mức 8,7 dB để đánh giá chất lượng thiết bị thương mại, giúp tiết kiệm 15% chi phí đầu tư hạ tầng.

Câu hỏi thường gặp

Nguồn laser bơm bước sóng 980 nm có ưu thế gì so với bước sóng 800 nm? Laser bơm 980 nm sở hữu tiết diện hấp thụ lớn đạt 2 * 10^-21 cm^2 và hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng hấp thụ trạng thái kích thích (ESA) từ mức siêu bền 4I13/2 như ở dải 800 nm. Nhờ vậy, hệ thống đạt hiệu suất lượng tử lên tới 90% và giảm công suất bơm ngưỡng xuống dưới 0,5 mW.

Tại sao chiều dài sợi quang vượt quá 9 mét lại làm suy giảm độ tăng ích của EDFA? Khi sợi dài quá 9 mét, công suất bơm bị suy hao trên đường truyền và không đủ để duy trì nghịch đảo mật độ hạt ở đoạn cuối sợi. Phần sợi dư thừa này sẽ chuyển thành môi trường hấp thụ ngược tín hiệu quang 1530 nm đã khuếch đại, khiến công suất đầu ra sụt giảm nghiêm trọng.

Tạp âm bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) ảnh hưởng thế nào đến chất lượng truyền dẫn? Bức xạ ASE chiếm dụng các photon phát xạ hữu ích và làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR. Trên các tuyến truyền dẫn dài gồm nhiều trạm lặp, tạp âm ASE tích lũy làm hệ số tạp âm NF tăng vượt ngưỡng 8,7 dB, gây méo dạng xung ánh sáng và phát sinh lỗi bit.

Cách hạn chế tạp âm khi vận hành bộ khuếch đại quang ở chế độ bão hòa? Người vận hành cần duy trì công suất bơm ở mức tối ưu từ 30 mW đến 35 mW và cấp mức tín hiệu vào phù hợp. Việc tăng công suất bơm vượt ngưỡng bão hòa không làm tăng thêm Gain mà chỉ khiến công suất nhiễu ASE đồng hướng tăng vọt lên trên -4,5 dB.

Mô hình hai mức năng lượng rút gọn có đảm bảo độ chính xác so với thực tế không? Mô hình đảm bảo độ tin cậy cao vì thời gian chuyển mức phi bức xạ từ 4I11/2 xuống 4I13/2 chỉ mất vài micro giây, làm cho mật độ ion tại mức 3 xấp xỉ bằng không. Sai số giữa tính toán mô phỏng trên Matlab và đo đạc thực nghiệm luôn được khống chế dưới mức 5%.

Kết luận

• Hoàn thiện mô hình toán học giải hệ phương trình vi phân tốc độ 2 mức rút gọn và phương trình truyền dẫn quang phi tuyến trên phần mềm Matlab.
• Xác định chiều dài sợi quang pha tạp Er tối ưu trong khoảng 8 đến 9 mét, mang lại hệ số tăng ích cực đại 39,86 dB với công suất bơm danh định 30 mW.
• Định lượng chi tiết đặc tính phổ tạp âm ASE đồng hướng từ -5,0 dB đến -4,5 dB, kiểm soát hệ số tạp âm NF thực tế ở ngưỡng 8,7 dB.
• Chứng minh khả năng bù suy hao trực tiếp cho các tuyến truyền dẫn quang WDM cự ly trên 100 km tại cửa sổ bước sóng 1550 nm.
• Cung cấp bộ thông số kỹ thuật chuẩn hóa giúp các đơn vị sản xuất tiết kiệm hơn 15% chi phí chế tạo mô-đun EDFA thương mại.

Đóng góp chính của công trình là xây dựng phương pháp mô phỏng số chính xác kết hợp kiểm chứng thực nghiệm chặt chẽ cho bộ khuếch đại EDFA băng C. Kế hoạch tiếp theo trong 12 tháng tới là mở rộng mô hình tối ưu sang băng tần L từ 1565 nm đến 1625 nm và thử nghiệm sợi pha tạp nồng độ cao. Quý đối tác, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm vui lòng kết nối với nhóm tác giả để tiếp cận trọn bộ mã nguồn mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm chi tiết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

§¹i häc quèc gia Hµ Néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ NguyÔn thu trang Tèi −u hãa khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er (EDFA) cho b¨ng tÇn C b»ng ph−¬ng ph¸p m« h×nh ho¸ vμ so s¸nh thùc nghiÖm LuËn v¨n th¹c sÜ Hµ Néi – 2005 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] §¹i häc quèc gia Hµ Néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ NguyÔn thu trang Tèi −u hãa khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er (EDFA) cho b¨ng tÇn C b»ng ph−¬ng ph¸p m« h×nh ho¸ vμ so s¸nh thùc nghiÖm Ngµnh : §iÖn Tö ViÔn Th«ng Chuyªn ngµnh : Kü thuËt v« tuyÕn ®iÖn tö vµ th«ng tin liªn l¹c M· sè: 2.00 LuËn v¨n th¹c sÜ Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: PGS. Ph¹m v¨n Héi Hµ Néi, 3 – 2005 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Môc lôc Lêi c¶m ¬n Môc lôc.4 Ch−¬ng 1: TÝnh chÊt quang cña thuû tinh pha t¹p ®Êt hiÕm. CÊu h×nh nguyªn tö cña c¸c ion ®Êt hiÕm. C¸c tÝnh chÊt c¬ b¶n cña ion Er3+.

CÊu h×nh nguyªn tö cña nguyªn tè Erbium. TiÕt diÖn hiÖu dông. Thêi gian sèng. §é réng v¹ch và sù më réng v¹ch.

Phæ hÊp thô vµ bøc x¹ cña Er3+. HiÖu øng t−¬ng t¸c Er3+- Er3+. C¬ së khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er. HÖ ph−¬ng tr×nh tèc ®é.

Sù khuÕch ®¹i bøc x¹ tù ph¸t. HÖ ph−¬ng tr×nh truyÒn dÉn trong khuÕch ®¹i. C¸c ®Æc tr−ng cña khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er. Th«ng sè t¹p ©m (Noise Figure).

øng dông cña bé khuÕch ®¹i EDFA trong m¹ng truyÒn dÉn quang. Bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt. KhuÕch ®¹i trªn tuyÕn. Bé tiÒn khuÕch ®¹i.40 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Giíi thiÖu vÒ m« pháng vµ phÇn mÒm m« pháng. M« pháng bé khuÕch ®¹i quang EDFA. X©y dùng hÖ ph−¬ng tr×nh rót gän. C¸c th«ng sè ®Çu vµo cña bé khuÕch ®¹i EDFA.

KÕt qu¶ m« pháng. Sù phô thuéc vµo c«ng suÊt b¬m. Sù phô thuéc cña chiÒu dµi sîi quang. Sù phô thuéc vµo c«ng suÊt tÝn hiÖu.

Th«ng sè t¹p ©m. Sù phô thuéc vµo nång ®é. CÊu h×nh bé khuÕch ®¹i quang EDFA. CÊu h×nh b¬m mét chiÒu (®¬n c«ng).

CÊu h×nh b¬m song c«ng. So s¸nh gi÷a c¸c cÊu h×nh b¬m. C¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm.

KÕt qu¶ kh¶o s¸t víi EDFA cã nång ®é thÊp. KÕt qu¶ kh¶o s¸t víi EDFA cã nång ®é cao. Kh¶o s¸t t¹p ©m vµ hÖ sè t¨ng Ých. Kh¶o s¸t phæ ASE vµ b¨ng tÇn t¨ng Ých cña EDFA.

So s¸nh kÕt qu¶ thùc nghiÖm víi m« pháng.71 Tµi liÖu tham kh¶o.75 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Më ®Çu Th«ng tin quang sîi ®· cã nh÷ng b−íc ph¸t triÓn nh¶y vät trong vµi thËp kØ gÇn ®©y vµ cã nh÷ng t¸c ®éng m¹nh mÏ trong nhiÒu mÆt cña kü thuËt viÔn th«ng. §Æc biÖt lµ trong truyÒn dÉn, th«ng tin sîi quang ®ãng mét vai trß chñ ®¹o ®¸p øng ®−îc nhu cÇu vÒ b¨ng th«ng, còng nh− ®¶m b¶o ®−îc nh÷ng yªu cÇu vÒ chÊt l−îng truyÒn dÉn. C¸c hÖ thèng th«ng tin quang cã −u ®iÓm næi bËt so víi th«ng tin c¸p kim lo¹i th−êng nh− suy hao truyÒn dÉn thÊp, dung l−îng truyÒn cao, Ýt bÞ ¶nh h−ëng nhiÔu tõ bªn ngoµi vµ cã ®é tin cËy vµ kh¶ n¨ng b¶o mËt th«ng tin cao lµ sù hÊp dÉn m¹nh c¸c nhµ khai th¸c viÔn th«ng, c¸c nhµ khoa häc. Tuy nhiªn trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, tr−íc sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c¸c dÞch vô tho¹i, phi tho¹i mµ ®Æc biÖt lµ Internet vµ c¸c dÞch vô b¨ng th«ng réng kh¸c nhau, nhu cÇu vÒ b¨ng th«ng ®èi víi tõng thuª bao t¨ng lªn, t¹o ra mét sù bïng næ vÒ dung l−îng.

§iÒu nµy ®Æt lªn vai nh÷ng nhµ cung cÊp dÞch vô ®−êng trôc nh÷ng th¸ch thøc míi. ViÖc sö dông kÜ thuËt TDM ®Ó n©ng cao dung l−îng ®−êng truyÒn còng lµ mét kh¶ n¨ng cã thÓ ®¸p øng ®−îc phÇn nµo song nã còng gÆp ph¶i nh÷ng h¹n chÕ do b¶n th©n kÜ thuËt nµy g©y ra. Mét lùa chän kh¸c cho c¸c nhµ cung cÊp ®Ó t¨ng dung l−îng cña hÖ thèng th«ng tin ®ã lµ sö dông c«ng nghÖ truyÒn dÉn quang ghÐp kªnh theo b−íc sãng trªn mét sîi quang (WDM). Kü thuËt nµy thùc hiÖn viÖc ghÐp c¸c tÝn hiÖu quang cã b−íc sãng kh¸c nhau vµ truyÒn ®i trªn mét sîi quang duy nhÊt, v× thÕ cã thÓ t¨ng dung l−îng truyÒn dÉn mµ kh«ng cÇn ph¶i t¨ng tèc ®é cña tõng kªnh trªn mçi b−íc sãng.

Khi tÝn hiÖu ¸nh s¸ng ®−îc truyÒn trong c¸p quang sÏ bÞ suy hao do nhiÒu nguyªn nh©n nh− sù hÊp thô ¸nh s¸ng trong sîi, ¸nh s¸ng ®i ra khái sîi do biÕn d¹ng ë c¸c ®o¹n cong. nªn ta ph¶i khuÕch ®¹i n¨ng l−îng cho nã ë nh÷ng kho¶ng c¸ch nhÊt ®Þnh ®Ó ®¶m b¶o tÝn hiÖu ®ñ m¹nh ®Õn n¬i thu. Tr−íc ®©y, ng−êi ta th−êng sö dông c¸c bé khuÕch ®¹i lÆp b»ng c¸c biÕn ®æi tÝn hiÖu quang thµnh tÝn hiÖu ®iÖn, tÝn hiÖu ®iÖn ®−îc khuÕch ®¹i vµ biÕn ®æi ng−îc thµnh tÝn hiÖu quang ®Ó truyÒn ®i. ViÖc biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn thµnh d¹ng tÝn hiÖu quang th−êng t¹o ra t¾c nghÏn trong sîi quang vµ lµm h¹n chÕ ®é réng b¨ng tÇn lÊn chÊt l−îng cña tÝn hiÖu ®−îc truyÒn ®i Víi c«ng nghÖ WDM, viÖc khuÕch ®¹i tÝn hiÖu dïng c¸c bé khuÕch ®¹i lÆp b»ng LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] quang ®iÖn tö gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n vÒ gi¸ thµnh vµ kü thuËt khi l¾p r¸p vµ ®iÒu khiÓn c¸c bé t¸ch vµ ghÐp c¸c kªnh truyÒn t¹i c¸c bé khuÕch ®¹i lÆp.

V× vËy ng−êi ta t×m c¸ch ®Ó t¹o ra c¸c thiÕt bÞ cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i quang trùc tiÕp b»ng c¸c linh kiÖn quang. Sîi quang pha t¹p ®Êt hiÕm cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i quang trùc tiÕp trªn ®−êng truyÒn. Trong ®ã, sîi quang pha t¹p Erbium (Er) ®−îc nghiªn cøu rÊt nhiÒu. KhuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p ®Êt hiÕm Er cã kh¶ n¨ng bï suy hao trong c¸c kho¶ng c¸ch lín h¬n 100km.

Bé khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA) ®−îc nghiªn cøu thµnh c«ng trong phßng thÝ nghiÖm n¨m 1987 vµ trë thµnh th−¬ng phÈm n¨m 1990. N¨m 1991, lÇn ®Çu tiªn hÖ thèng th«ng tin quang cã EDFA ®−îc thö nghiÖm truyÒn tÝn hiÖu sè cã tèc ®é 2,5Gbit/s trªn kho¶ng c¸ch 21000km vµ 5Gbit/s trªn kho¶ng c¸ch 14300km. ViÖc nghiªn cøu c¸c th«ng sè ®Æc tr−ng cña EDFA sÏ gióp chóng ta lùa chän chÝnh x¸c c¸c s¶n phÈm cña c¸c nhµ cung cÊp, tèi −u hãa ®−îc m¹ng l−íi, n©ng cao chÊt l−îng dÞch vô cung cÊp, còng nh− gi¶m ®−îc chi phÝ trong viÖc chÕ t¹o EDFA vµ x©y dùng hÖ thèng truyÒn dÉn. C¸c nhµ nghiªn cøu EDFA vÒ lý thuyÕt tËp trung vµo nghiªn cøu nguyªn lý khuÕch ®¹i sö dông hÖ nhiÒu møc hoÆc nghiªn cøu c¸c hÖ thèng trong ®ã cã EDFA.

Bé khuÕch ®¹i EDFA cã kh¶ n¨ng t¹o ra hiÖu øng khuÕch ®¹i ë vïng b−íc sãng 1550nm. C¸c th«ng sè quan träng nhÊt cña khuÕch ®¹i cã thÓ kÓ ®Õn ë ®©y lµ hÖ sè khuÕch ®¹i G, b¨ng tÇn khuÕch ®¹i Δω (hoÆc Δλ), th«ng sè t¹p ©m NF (Noise Figure) vµ c«ng suÊt ra b·o hoµ Ps, nhiÔu ph¸t x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i ASE (Amplified Spontaneous Emission) cña bé khuÕch ®¹i. Phæ c«ng suÊt ASE cung cÊp c¸c th«ng tin h÷u Ých vÒ c¸c ®Æc tÝnh ho¹t ®éng cña EDFA ë c¸c chÕ ®é b¬m, c«ng suÊt tÝn hiÖu vµ nång ®é pha t¹p Er kh¸c nhau. NF ®Æc tr−ng cho phÐp ®o sù suy gi¶m SNR tõ ®Çu vµo ®Õn ®Çu ra cña hÖ thèng.

ChÝnh v× vËy, viÖc kh¶o s¸t c¸c th«ng sè nµy trªn c¬ së m« pháng ho¹t ®éng cña EDFA gãp phÇn quan träng trong viÖc nghiªn cøu ph©n tÝch hÖ thèng còng nh− c¸c øng dông trong hÖ thèng. Tõ ®ã ta hoµn toµn cã thÓ dù ®o¸n vµ h¹n chÕ nh÷ng ¶nh h−ëng cña nhiÔu lªn tÝn hiÖu truyÒn dÉn. LuËn v¨n nµy tËp trung vµo m« pháng EDFA víi s¬ ®å hÖ thèng khuÕch ®¹i víi 3 møc n¨ng l−îng nh−ng ®· ®−îc rót gän thµnh hÖ 2 møc, víi tÝn hiÖu khuÕch ®¹i ë b−íc sãng 1550nm, tÝn hiÖu b¬m ë b−íc sãng 980nm; kh¶o s¸t c¸c ®Æc tr−ng khuÕch ®¹i, nhiÔu trong EDFA vµ ¶nh h−ëng cña c¸c th«ng sè nh− chiÒu dµi cña sîi LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] quang, nång ®é pha t¹p Er trong sîi vµ c«ng suÊt tÝn hiÖu b¬m, tÝn hiÖu cÇn khuÕch ®¹i lªn c¸c ®Æc tr−ng cña EDFA. MÆt kh¸c, luËn v¨n còng ®· tiÕn hµnh ®o ®¹c trong phßng thÝ nghiÖm, tÝnh to¸n vµ ®−a ra mét sè kÕt qu¶ thùc nghiÖm vÒ c¸c th«ng sè quan träng cña EDFA nh−: hÖ sè khuÕch ®¹i, nhiÔu t¹p ©m NF, c«ng suÊt ASE ph¸t sinh trong qu¸ tr×nh khuÕch ®¹i quang, tõ ®ã ®−a ra mét sè tÝnh to¸n thiÕt kÕ tèi −u cho c¸c hÖ thèng th«ng tin sö dông EDFA.

Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu cña luËn v¨n lµ lý thuyÕt m« pháng kÕt hîp víi kÕt qu¶ thùc nghiÖm, ®Ó cã thÓ so s¸nh vµ kiÓm chøng lý thuyÕt vÒ bé khuÕch ®¹i trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang thùc tÕ. Ch−¬ng tr×nh m« pháng thùc hiÖn trªn m¸y tÝnh sö dông phÇn mÒm m« pháng Matlab. §©y lµ mét phÇn mÒm chuyªn dông rÊt m¹nh trong lÜnh vùc m« pháng, thùc hiÖn m« pháng s¬ ®å hÖ n¨ng l−îng 2 møc cña khuÕch ®¹i, qu¸ tr×nh hÊp thô vµ bøc x¹ t¹i møc 1 vµ 2, víi thêi gian chuyÓn møc n¨ng l−îng t−¬ng ®èi nhá cho phÐp tÝnh to¸n, xö lý vµ kh¶o s¸t c¸c th«ng sè cña bé khuÕch ®¹i quang EDFA: C«ng suÊt tÝn hiÖu lèi ra, hÖ sè khuyÕch ®¹i cña EDFA, phæ c«ng suÊt ASE, vµ th«ng sè t¹p ©m NF. Néi dung cña luËn v¨n ®−îc cÊu tróc lµm 4 ch−¬ng.

Ch−¬ng 1 giíi thiÖu vÒ tÝnh chÊt quang cña thñy tinh pha t¹p ®Êt hiÕm víi mét lo¹i nguyªn tè ®Êt hiÕm ®iÓn h×nh ®−îc sö dông réng r·i trong c¸c bé khuÕch ®¹i quang lµ Erbium. Ch−¬ng 2 tr×nh bµy vÒ bé khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium (EDFA), nguyªn lý ho¹t ®éng vµ c¸c ®Æc tr−ng cña nã, ®ång thêi x©y dùng hÖ ph−¬ng tr×nh tèc ®é lµm c¬ së ®Ó x©y dùng ch−¬ng tr×nh m« pháng thùc hiÖn trong ch−¬ng 3 vµ c¸c øng dông cña bé EDFA trong hÖ thèng th«ng tin. Ch−¬ng 3 x©y dùng ch−¬ng tr×nh m« pháng EDFA dùa vµo viÖc gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n rót gän tõ hÖ 3 møc trong ch−¬ng 2. LuËn v¨n còng tiÕn hµnh x©y dùng mét giao diÖn ®Ó thuËn lîi h¬n trong viÖc øng dông bé EDFA trong c¸c phßng thÝ nghiÖm.

Tõ nh÷ng kÕt qu¶ thu ®−îc cã thÓ ®¸nh gi¸ vµ ®−a ra c¸c ®iÒu kiÖn tèi −u cña EDFA. Ch−¬ng 4 KÕt qu¶ kh¶o s¸t c¸c th«ng sè vµ ®Æc tr−ng cña EDFA trong thùc nghiÖm. Tõ nh÷ng kÕt qu¶ nµy tiÕn hµnh so s¸nh víi kÕt qu¶ m« pháng ®Ó kiÓm chøng kÕt qu¶ lý thuyÕt. Tuy nhiªn trong khu«n khæ h¹n chÕ cña ®Ò tµi, cÊu h×nh cña LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.