Khóa luận Nghiên cứu khuếch đại Raman cưỡng bức ứng dụng trong khuếch đại quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Tuấn Linh NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMAN CƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG KHUẾCH ĐẠI QUANG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Tuấn Linh NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMAN CƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG KHUẾCH ĐẠI QUANG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Văn Hội Cán bộ đồng hướng dẫn: TS.Bùi Huy HÀ NỘI - 2011 Lời cảm ơn Khoá luận tốt nghiệp này là kết quả nghiên cứu trong nhiều tháng nỗ lực của bản thân em dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ của rất nhiều người Qua bản khoá luận này cho phép em bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất đến PGS.TS Phạm Văn Hội và TS. Bùi Huy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Em cũng rất biết ơn các cán bộ và anh chị hiện đang công tác tại phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, viện Khoa học vật liệu: anh Thế Anh, anh Thanh Hải …đã quan tâm, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất cũng như thiết bị cho việc nghiên cứu và hoàn thành khoá luận này. Em cũng xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô cùng các cán bộ công tác tại khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ nano đã đào tạo cho em không chỉ về kiến thức chuyên môn mà cả về kỹ năng sống, học tập và làm việc. Khoá luận này cũng là một lời cảm ơn sâu sắc tới những người thân của em- những người luôn ở bên cạnh quan tâm em giúp đỡ em hoàn thành khoá luận. Hà Nội 20/05/11 Sinh viên Lê Tuấn Linh Tóm tắt nội dung Tán xạ Raman là quá trình tán xạ không đàn hồi, xảy ra do sự tương tác của ánh sáng với môi trường vật chất trong sợi quang. Tán xạ Raman bao gồm tán xạ Raman tự phát và tán xạ Raman kích thích SRS. Một mặt tán xạ Raman gây ảnh hưởng xấu đến quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang, làm tăng nhiễu trong hệ thống thông tin quang nhưng mặt khác tán xạ Raman cũng có những ảnh hưởng tích cực, nổi bật nhất là khả năng khuếch đại tín hiệu quang. Bởi vậy, ngay từ khi mới được phát hiện, tán xạ Raman đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu. Tán xạ Raman kích thích(SRS) chính là cơ sở để phát triển các bộ khuếch đại quang Raman. Các bộ khuếch đại quang Raman có rất nhiều ưu điểm so với những loại khuếch đại quang đã được sử dụng trước đó và rất phù hợp với các hệ thống WDM đang được triển khai hiện nay. Các bộ khuếch đại quang Raman được coi là lời giải cho bài toán khuếch đại quang trong các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, cự ly dài và rất dài. Nhận thức được tầm quan trọng cũng như ý nghĩa to lớn của bộ khuếch đại quang Raman, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Phạm Văn Hội và TS. Bùi Huy, em đã tập trung nghiên đề tài “tán xạ Raman và ứng dụng trong khuếch đại thông tin quang”. Những kết quả trong khoá luận là những kết quả bước đầu để tiến tới những nghiên cứu sâu hơn nhằm đưa đến những ứng dụng trong thực tế. 5 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan nội dung trong bản đồ án tốt nghiệp này là kết quả trong công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Văn Hội và TS. Bùi Huy. Tất cả các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố tại các tài liệu, ấn phẩm nào khác. Các số liệu tham khảo khác đều có chỉ dẫn rõ ràng về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phần phụ lục cuối khoá luận. Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2011 Lê Tuấn Linh Mục lục Lê Tuấn Linh ...............................................................................................................................1 HÀ NỘI - 2011 ..............................................................1 Lê Tuấn Linh ...............................................................................................................................2 HÀ NỘI - 2011 .......................................................................................................................2 HÀ NỘI - 2010 .......................................................................................................................2 Lời cảm ơn ..................................................................................................................................3 Tóm tắt nội dung ........................................................................................................................4 Mục lục .......................................................................................................................................7 1.1 Vài nét về hệ thống thông tin quang ................................................................................8 1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang ............................................................8 1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang ....................................................9 1.1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang ........................................................................10 1.2 Tổng quan về khuyếch đại quang ....................................................................................11 1.2.2 Ứng dụng của khuyếch đại quang ................................................................................14 1.3 Phân loại khuếch đại quang ...........................................................................................18 1.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn. ........................................................................................19 Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA) .....................................................................................20 2.1 Hiệu ứng tán xạ Raman ...................................................................................................22 2.2 Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (SRS) ......................................................................25 2.3 Khuếch đại quang Raman .............................................................................................26 2.3.1 Khuếch đại quang Raman. ...........................................................................................26 2.3.2 Độ lợi băng thông gr của phổ Raman trong sợi thủy tinh Silica tinh khiết và trong sợi nhạy quang , sợi bù tán sắc DCF ...........................................................................................29 ...................................................................................................................................35 Chương 3 Kết quả và thảo luận .........................................................................35 3.1 Các thiết bị và linh kiện sử dụng trong thực nghiệm ......................................................35 3.2 Sơ đồ thiết lập cho thực nghiệm .....................................................................................38 3.3 Các kết quả thực nghiệm và thảo luận ............................................................................38 ...................................................................................................................................................41 ...............................................................................................................................42 Hình 3.10. Hệ số khuếch đại khi có tán xạ Raman cưỡng bức theo ..........................42 chiều dài sợi quang ....................................................................................................................42 Nhìn vào đồ thị ta có thể rút ra nhận xét :nguồn tín hiệu rõ ràng là được khuếch đại và hệ số khuếch đại này có giá trị tăng dần đến 26 km nó đạt giá trị lớn nhất nhưng hệ số khuếch đại G nhỏ, không đạt được giá trị lớn như mong đợi. Điều này có thể giải thích như sau: ................42 Khi công suất quang của Laser bơm không đổi, các photon của laser bơm chỉ có thể truyền cho một số lượng phân tử nhất định để chúng dao động và tạo ra hiệu ứng Raman cưỡng bức. Khi tăng chiều dài sợi quang, đồng thời giữ nguyên giá trị công suất bơm, tức là chúng ta đã tăng số lượng các phân tử trong môi trường tán xạ trong khi không tăng năng lượng kích thích, do vậy mà cường độ của tán xạ Raman cưỡng bức giảm xuống dẫn đến hệ số khuếch đại giảm. Mặt khác do hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức yêu cầu nguồn bơm công suất cao thì mới đạt được giá trị tối ưu trong khi nguồn laser bơm tối đa chỉ đạt 200mW vẫn là nhỏ để có thể đạt giá trị G cao hơn. Một điểm quan trọng khác là tán xạ Raman cưỡng bức sẽ xảy ra mạnh nhất với ∆λ=80-100nm, do vậy khảo sát với laser đơn mốt sẽ có hiện tượng chênh bước sóng giữa bước sóng được khuếch đại với bước sóng cần được khuếch đại. Điều này có thể giảm thiểu bằng cách khảo sát với nguồn tín hiệu là laser đa mốt ở phần dưới đây. ................42 Tài liệu tham khảo .....................................................................................................................47 ..................................................................................................................................................48 Chương 1. Tổng quan về khuếch đại quang 1.1 Vài nét về hệ thống thông tin quang 1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng như các hệ thống thông tin khác, thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung. Đây là nguyên lý mà loài người đã sử dụng ngay từ thời kỳ khai sinh ra các hình thức thông tin. Tín hiệu cần truyền được phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng và đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trường truyền dẫn ở đây chính là sợi quang. Sợi quang thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu. Vào năm 1960, việc phát minh ra laser làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng. Thông tin bằng tia laser xuyên qua không trung xuất hiện nhưng chịu ảnh hưởng của thời tiết, máy phát và phải nhìn thấy nhau, tia laser nguy hiểm cho mắt người…nên việc sử dụng bị hạn chế. Laser bán dẫn xuất hiện vào năm 1962 cùng với sợi quang giá thành hạ lần đầu tiên được chế tạo vào năm 1970 làm cho thông tin quang trở thành hiện thực. Ánh sáng được ghép từ laser bán dẫn vào sợi quang và truyền trong sợi quang theo nguyên lý phản xạ nội toàn phần nên khắc phục được các nhược điểm của thông tin bằng tia laser. Trong những năm 1970 laser bán dẫn GaAs/GaAlAs phát ở vùng hồng ngoại gần 0.8μm đã được chế tạo và sử dụng cho thông tin quang sợi. Năm 1980 các hệ thống thông tin quang sợi thế hệ đầu tiên được đưa vào hoạt động (tốc độ 45Mb/s và khoảng cách lặp 10km). Đầu những năm 80, hệ thống thông tin quang thế hệ thứ hai sử dụng laser 1310nm bắt đầu được sử dụng. Thời gian đầu, tốc độ bít chỉ đạt 100Mb/s do tán sắc sợi đa mode. Khi sợi đơn mode được đưa vào sử dụng, tốc độ bít đã được tăng lên rất cao. Năm 1987, hệ thống thông tin quang 1310nm có tốc độ bít 1.7Gb/s với khoảng cách lặp 50km đã có mặt trên thị trường. Thế hệ thứ ba của các hệ thống thông tin quang sợi hoạt động ở vùng sóng 1.55μm với tốc độ bít 2.5Gb/s và khoảng cách lặp 60 ÷ 70km. Khi sử dụng các loại sợi quang bù tán sắc và làm phẳng tán sắc, khoảng cách lặp sẽ tăng lên. Thế hệ thứ tư của thông tin cáp quang là sử dụng khuyếch đại quang để tăng khoảng cách lặp và ghép nhiều bước sóng trong một sợi quang để tăng tốc độ bít trong sợi quang. Khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng bù công suất cho suy hao quang trong các khoảng cách lớn hơn 100km. Năm 1991 lần đầu tiên hệ thống thông tin quang có EDFA được thử nghiệm truyền tín hiệu số tốc độ 2.5Gb/s trên khoảng cách 21000km và 5Gb/s trên khoảng cách 14300km. Năm 1996 hệ thống thông tin quang quốc tế dưới biển đã được lặp đặt, năm 1997 đường cáp quang vòng 8 quanh thê giới dưới biển dài 27300km đã được đưa vào hoạt động kết nối nhiều nước ở châu Âu, châu Á với tốc độ 5Gb/s và ở vài nơi tới 10Gb/s. Sử dụng công nghệ ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang (WDM) làm tăng dung lượng thông tin quang một cách đáng kể. Trong năm 1996 đã thử nghiệm tuyến truyền dẫn 20 bước sóng quang với tốc độ bít của từng bước sóng là 5Gb/s trên khoảng cách 9100km, tốc độ bít của tuyến đã đạt 100Gb/s. Năm 2000 hệ thống TPC-6 xuyên Đại Tây Dương có tốc độ bít 100Gb/s đã được đưa vào hoạt động. Thế hệ thứ năm của hệ thống thông tin quang dựa trên cơ sở giải quyết vấn đề tán sắc trong sợi quang. Khuyếch đại quang đã giải quyết rất hoàn hảo sự suy hao trong sợi nhưng không giải quyết được vấn đề tán sắc. Giải pháp tốt nhất để giải quyết vấn đề tán sắc là sử dụng hiệu ứng Soliton quang. Hiệu ứng Soliton quang là hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang. Chúng dựa trên cơ sở tương tác bù trừ tán sắc của các thành phần quang trong một xung quang cực ngắn được truyền trong sợi quang không có suy hao. Năm 1994 hệ Soliton thử nghiệm truyền tín hiệu 10Gb/s trên khoảng cách 35000km và 15Gb/s trên khoảng cách 24000km. Năm 1996 hệ thống WDM có 7 bước sóng truyền Soliton trên khoảng cách 9400km với tốc độ bít 70Gb/s. Ngày nay, các mạng thông tin hoàn toàn quang đang được nghiên cứu mạnh mẽ nhằm tăng hơn nữa tốc độ thông tin. Các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Chúng đáp ứng được cả tín hiệu tương tự và số. Chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng mọi nhu cầu của mạng số hoá liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặt trên thế giới với số lượng lớn, đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều nước lấy cáp quang làm môi trường truyền dẫn chính cho mạng viễn thông. Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu trúc linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao. 1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang Hệ thống thông tin quang sợi cũng giống như hệ thống thông tin quang khác bao gồm bốn thành phần cơ bản là máy phát quang, máy thu quang, môi trường truyền và tín hiệu thông tin (tín hiệu lối vào, tín hiệu lối ra như trên hình 1.1). Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin quang Vai trò của bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào sợi quang. Linh kiện chính của bộ phát quang là nguồn phát quang: hệ thống thông tin quang sợi thường sử dụng các bộ nguồn phát quang bán dẫn là diốt phát quang (LED) và laser bán dẫn. Môi trường truyền dẫn quang chia làm hai loại: truyền trong sợi quang và truyền trong không gian. Để tăng khoảng cách truyền bị giới hạn bởi sự suy hao trong sợi quang người ta có thể sử dụng các bộ lặp hoặc các bộ 9 Máy phát quang Môi trường truyền Máy thu quang Tín hiệu lối vào Tín hiệu lối ra khuyếch đại quang sợi. Bộ lặp có nhiệm vụ thu tín hiệu quang, biến đổi quang - điện (O/E), sửa lại xung điện, khuyếch đại tín hiệu và biến đổi điện - quang (E/O) trở lại. Những hệ thống thông tin quang hiện đại chủ yếu sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi pha Erbium (EDFA),bộ khuếch đại Raman.. các bộ khuyếch đại Raman khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang và có nhiều ưu việt so với các bộ lặp. Tín hiệu quang ở đầu phía bên kia của hệ thống được thu bởi máy thu quang. Vai trò của bộ thu quang là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và phục hồi các số liệu đã truyền qua hệ thông thông tin quang. Linh kiện chủ yếu trong bộ thu quang là các photodiode có cấu trúc và vật liệu chế tạo thích hợp cho băng tần và bước sóng cần thu. 1.1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang • Dung lượng lớn: Các sợi quang có khả năng truyền những lượng lớn thông tin. Với công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời 60.000 cuộc đàm thoại. Một cáp sợi quang (có đường kính ngoài 2 cm) có thể chứa được khoảng 200 sợi quang, sẽ tăng được dung lượng đường truyền lên 6.000.000 cuộc đàm thoại. So với các phương tiện truyền dẫn bằng dây thông thường, một cáp lớn gồm nhiều đôi dây có thể truyền được 500 cuộc đàm thoại. Một cáp đồng trục có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại và một tuyến viba hay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc gọi đồng thời. • Kích thước và trọng lượng nhỏ: So với một cáp đông có cùng dung lượng, cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn nhiều. Do đó dễ lắp đặt hơn, đặc biệt ở những vị trí có sẵn dành cho cáp. • Không bị nhiễu điện: Truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ (EMI) hay nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và nó không tạo ra bất kỳ sự nhiễu nội tại nào. Sợi quang có thể cung cấp một đường truyền “sạch” ở những môi trường khắc nghiệt nhất. Các công ty điện lực sử dụng cáp quang, dọc theo các đường dây điện cao thế để cung cấp đường thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp. Cáp sợi quang cũng không bị xuyên âm. Thậm chí dù ánh sáng bị bức xạ ra từ một sợi quang thì nó không thể thâm nhập vào sợi quang khác được. • Tính cách điện: Sợi quang là một vật cách điện. Sợi thủy tinh này loại bỏ nhu cầu về các dòng điện cho đường thông tin. Cáp sợi quang làm bằng chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cho phép cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như sét hay những trục trặc về điện. Đây thực sự là một phương tiện an toàn thường được dùng ở nơi cần cách điện. • Tính bảo mật: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao. Một sợi quang không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang. Các tia sáng truyền lan ở tâm sợi quang và rất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quang đó. Thậm chí nếu đã trích vào sợi quang được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu được tại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu thông tin vệ tinh và viba có thể dễ dàng thu để giải mã được. 10 • Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: Sợi quang là một phương tiện truyền dẫn đồng nhất và không gây ra hiện tượng pha-đinh. Những tuyến cáp quang được thiết kế thích hợp có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt và thậm chí có thể hoạt động ở dưới nước. Sợi quang có thời gian hoạt động lâu, khoảng 20 – 30 năm. Yêu cầu về bảo dưỡng đối với một hệ thống cáp quang là ít hơn so với yêu cầu của một hệ thống thông thường do cần ít bộ lặp điện hơn trong một tuyến thông tin. • Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video. Các hệ thống này đều có thể tương thích với các chuẩn RS.232, RS422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp và còn nhiều nữa. • Tính mở rộng: Các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp có thể dễ dàng được mở rộng khi cần thiết. Một hệ thống dùng cho tốc độ số liệu thấp, ví dụ T1 (I 544 Mb/s) có thể được nâng cấp trở thành một hệ thống tốc độ số liệu cao hơn, OC- 12 (622 Mb/s), bằng cách thay đổi các thiết bị điện tử. Hệ thống cáp sợi quang có thế vẫn được giữ nguyên như cũ. • Sự tái tạo tín hiệu: Công nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đường truyền thông bằng cáp quang dài trên 70 km trước khi cần tái tạo tín hiệu, khoảng cách này còn có thể tăng lên tới 150 km nhờ sử dụng các bộ khuếch đại laze. Trong tương lai, công nghệ có thể mở rộng khoảng cách này lên tới 200 km và có thể 1000 km. Chi phí tiết kiệm được do sử dụng ít các bộ lắp trung gian và việc bảo dưỡng chúng có thể là khá lớn. Ngược lại, các hệ thống cáp điện thông thường cứ vài km có thể đã cần có một bộ lặp. Suy hao thấp: sự phát triển của sợi quang qua nhiều năm đã đạt đươck kết quả trong việc chế tạo sợi quang có độ suy hao rất thấp. Sợi quang