- 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. - Thông tin quang sợi đã có những bước 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 sợi quang đóng một vai trò chủ đạo đáp ứng được nhu cầu về băng thông, cũng như đảm bảo được những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn. - Các hệ thống thông tin quang có ưu điểm nổi bật so với thông tin cáp kim loại thường nhưsuy hao truyền dẫn thấp, dung lượng truyền cao, ít bị ảnh hưởng nhiễu từ bên ngoài và có độ tin cậy và khả năng bảo mật thông tin cao là sự hấp dẫn mạnh các nhà khai thác viễn thông, các nhà khoa học.. - Việc sử dụng kĩ thuật TDM để nâng cao dung lượng đường truyền cũng là một khả năng có thể đáp ứng được 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 lượng của hệ thống. - thông tin đó là sử dụng công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng trên một sợi quang (WDM). - Kỹ thuật này thực hiện việc ghép các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau và truyền đi trên một sợi quang duy nhất, vì thế có thể tăng dung lượng truyền dẫn mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng.. - Khi tín hiệu ánh sáng được truyền trong cáp quang sẽ bị suy hao do nhiều. - nên ta phải khuếch đại năng lượng cho nó ở những khoảng cách nhất định để đảm bảo tín hiệu đủ mạnh đến nơi thu. - Trước đây, người ta thường sử dụng các bộ khuếch đại lặp bằng các biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, tín hiệu điện được khuếch đại và biến đổi ngược thành tín hiệu quang để truyền đi. - Việc biến đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang thường tạo ra tắc nghẽn trong sợi quang và làm hạn chế độ rộng băng tần lấn chất lượng của tín hiệu được 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 người 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 đường truyền. - Trong đó, sợi quang pha tạp Erbium (Er) được 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) được nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm năm 1987 và trở thành thương phẩm năm 1990. - Năm 1991, lần đầu tiên hệ thống thông tin quang có EDFA được thử nghiệm truyền tín hiệu số có tốc độ. - Việc nghiên cứu các thông số đặc trưng của EDFA sẽ giúp chúng ta lựa chọn chính xác các sản phẩm của các nhà cung cấp, tối ưu hóa được mạng lưới, nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp, cũng nhưgiảm được 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 trong đó có EDFA.. - Bộ khuếch đại EDFA có khả năng tạo ra hiệu ứng khuếch đại ở vùng bước 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 Δω (hoặc Δλ), thông số tạp âm NF (Noise Figure) và công suất ra bão hoà Ps, nhiễu phát xạ tự phát được 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 trưng cho phép đo sự suy giảm SNR 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 nhưcác ứng dụng trong hệ thống. - Từ đó ta hoàn toàn có thể dự đoán và hạn chế những ảnh hưởng 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 lượng nhưng đã được rút gọn thành hệ 2 mức, với tín hiệu khuếch đại ở bước sóng 1550nm, tín hiệu bơm ở bước sóng 980nm. - khảo sát các đặc trưng khuếch đại, nhiễu trong EDFA và ảnh hưởng của các thông số nhưchiều dài của sợi quang, nồng độ pha tạp Er trong sợi và công suất tín hiệu bơm, tín hiệu cần khuếch đại lên các đặc trưng của EDFA. - Mặt khác, luận văn cũng đã tiến hành đo đạc trong phòng thí nghiệm, tính toán và đưa ra một số kết quả thực nghiệm về các thông số quan trọng của EDFA như: hệ số khuếch đại, nhiễu tạp âm NF, công suất ASE phát sinh trong quá trình khuếch đại quang, từ đó đưa ra một số tính toán thiết kế tối ưu cho các hệ thống thông tin sử dụng EDFA.. - Phương 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 khuếch đại trong các hệ thống thông tin quang thực tế. - Chương 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 lượng 2 mức của khuếch đại, quá trình hấp thụ và bức xạ tại mức 1 và 2, với thời gian chuyển mức năng lượng tương 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. - Chương 1 giới thiệu về tính chất quang của thủy tinh pha tạp đất hiếm với. - một loại nguyên tố đất hiếm điển hình được sử dụng rộng rãi trong các bộ khuếch đại quang là Erbium.. - Chương 2 trình bày về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA),. - nguyên lý hoạt động và các đặc trưng của nó, đồng thời xây dựng hệ phương trình tốc độ làm cơ sở để xây dựng chương trình mô phỏng thực hiện trong chương 3 và các ứng dụng của bộ EDFA trong hệ thống thông tin.. - Chương 3 xây dựng chương trình mô phỏng EDFA dựa vào việc giải hệ. - Từ những kết quả thu được có thể đánh giá và đưa ra các điều kiện tối ưu của EDFA.. - Chương 4 Kết quả khảo sát các thông số và đặc trưng 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 được hoàn toàn giống với sợi sử dụng trong mô phỏng nên cũng chỉ kiểm chứng được một phần nào đó kết quả lý thuyết.. - Cuối cùng là kết luận và một số đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai ứng dụng công nghệ EDFA.. - Chương 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 nhưcác 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 chương này, chúng ta sẽ khảo sát lần lượt các tính chất nguyên tử cơ bản và các tính chất quang tương ứng của ion đất hiếm nói chung và của ion Er nói riêng.. - Cấu hình nguyên tử của các ion đất hiếm.. - Các nguyên tố đất hiếm được 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 được sử dụng pha tạp các nguyên tố thuộc họ Lanthan.. - ở nguyên tử thứ 57, lớp 5s và 5p (5s25p6) bị lấp đầy trước sau đó các điện tử sẽ tiếp tục lấp đầy lớp 4f. - Hầu hết các nguyên tố đất hiếm đều tồn tại dưới dạng ion, đặc biệt là ion hoá. - Các nguyên tố đất hiếm trung hoà đều có cấu hình nguyên tử 4fN’6s2 hoặc 4fN’-15d6s2. - 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 nhưđược giữ nguyên trong nguyên tử khi pha trong các môi trường thuỷ tinh hoặc tinh thể