TỔ NG QUAN V Ề KHU ẾCH ĐẠ I QUANG
T ổ ng quan v ề khu ếch đạ i quang
1.1.1 Nguyên lý khu ếch đại quang
Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích, mà không có sự cộng hưởng trong quá trình khuếch đại.
Hiện tượng phát xạ kích thích (Stimulated Emission) là một trong ba hiện tượng quang điện quan trọng, có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin quang Các hiện tượng này được minh họa rõ ràng trong hình 1.1.
Hình 1.1 Các hi ện tượng biến đổi quang điện (a) H ấp thụ, (b) Phát xạ tự phát, (c) Phát xạ kích thích
Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf12, tương đương với độ chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái Khi đó, điện tử chuyển xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và phát ra một photon mới có năng lượng giống như photon kích thích ban đầu Kết quả là từ một photon ban đầu, có hai photon được tạo ra, tất cả đều có cùng phương truyền, phân cực, pha và tần số, tạo nên hiện tượng khuếch đại ánh sáng Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn và khuếch đại quang sợi, cũng như trong công nghệ laser Tuy nhiên, khác với laser, các bộ khuếch đại quang không có hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng.
Bộ khuếch đại quang có khả năng tạo ra ánh sáng kết hợp ngay cả khi không có tín hiệu quang đầu vào, dẫn đến việc phát sinh nhiễu trong quá trình khuếch đại Mặc dù nó có thể tăng cường công suất tín hiệu ánh sáng đầu vào, nhưng không sản sinh ra tín hiệu quang kết hợp ở ngõ ra.
Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi một photon có năng lượng hf12 được hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp, chỉ khi năng lượng của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái của điện tử Khi hấp thụ xảy ra, điện tử nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao, dẫn đến suy hao tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang Quá trình này đồng thời diễn ra với phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực của bộ khuếch đại.
Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử chuyển từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1, phát ra năng lượng dưới dạng photon ánh sáng Quá trình này diễn ra tự nhiên do trạng thái năng lượng cao không bền vững Sau một khoảng thời gian gọi là thời gian sống, điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng bền vững Thời gian sống của điện tử khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu.
Phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng nhưng không mang lại độ lợi khuếch đại trong khuếch đại quang Hiện tượng này xảy ra tự phát, không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đầu vào, dẫn đến việc vẫn có năng lượng ánh sáng xuất hiện ở ngõ ra Tuy nhiên, ánh sáng từ phát xạ tự phát thiếu tính kết hợp, khác với ánh sáng từ phát xạ kích thích Do đó, phát xạ tự phát được coi là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang.
16 nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise)
1.1.2 Các k ỹ thuật khuếch đại quang
Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn như hình 1.2
Hình 1.2 Mô hình t ổng quát của một bộ khuếch đại quang
Trong bộ khuếch đại quang, ánh sáng được khuếch đại trong vùng tích cực, với độ lợi phụ thuộc vào năng lượng từ nguồn bơm bên ngoài Tính chất của nguồn bơm thay đổi theo loại khuếch đại quang, tức là theo cấu tạo của vùng tích cực Dựa trên cấu tạo này, khuếch đại quang được chia thành hai loại chính.
Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier):
- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn
Cấu trúc của vùng tích cực trong bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) tương tự như vùng tích cực trong laser bán dẫn Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạng thái dưới mức ngưỡng phát xạ.
- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện
Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier):
- Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Do đó, OFA còn được gọi là
- Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại
Tùy thuộc vào loại đất hiếm được sử dụng trong lõi sợi quang, bước sóng bơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ có sự khác biệt Một số loại OFA tiêu biểu bao gồm
+ EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530nm - 1565nm
+ PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280nm - 1340nm
+ TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440nm - 1520nm
+ NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900nm, 1065nm, 1400nm
Trong các loại bộ khuếch đại quang, EDFA (Bộ khuếch đại sợi quang Erbium) hiện đang được sử dụng phổ biến nhất nhờ vào những ưu điểm vượt trội về đặc tính kỹ thuật so với SOA (Bộ khuếch đại bán dẫn quang) EDFA cũng cung cấp vùng ánh sáng khuếch đại rộng, giúp cải thiện hiệu suất truyền dẫn trong các hệ thống quang học.
(1530nm - 1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).[2]
1.1.3 Các k ỹ thuật khuếch đại quang khác
Ngoài SOA và OFA, còn có các loại khuếch đại quang khác sử dụng hiệu ứng phi tuyến để khuếch đại, như Raman và Brillouin Những loại khuếch đại này cho phép xây dựng phân tán, thay vì gom lại sự khuếch đại quang của tín hiệu Lợi ích của chúng bao gồm khả năng truyền dẫn và khuếch đại đồng thời từ các thành phần giống nhau trong sợi quang Hơn nữa, việc thay thế linh kiện có thể thực hiện ở khoảng cách xa nguồn bơm, cho phép điều khiển và cung cấp khuếch đại từ trung tâm quản lý Những linh kiện này hứa hẹn mang đến nhiều triển vọng mới cho kỹ thuật khuếch đại quang.
Bộ khuếch đại Raman có ba dạng chính: tập trung, phân phối và rời rạc Hiện nay, cấu hình phổ biến là các bộ khuếch đại lai EDFA/Raman, trong đó bộ khuếch đại Raman giúp bù đắp cho sự thiếu hụt độ lợi bước sóng trong khoảng từ 1570nm đến 1630nm.
Một ứng dụng quan trọng của bộ khuếch đại Raman phân tán là giảm thiểu các hiệu ứng có hại do độ lợi cao của bộ khuếch đại EDFA gây ra Để tăng khoảng cách giữa hai bộ khuếch đại gần nhau, cần bơm ánh sáng công suất cao vào sợi quang ngay sau khi khuếch đại, dẫn đến một số hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang Việc sử dụng bộ khuếch đại Raman thay thế sẽ cho phép tăng khoảng cách giữa các EDFA.
B ộ khu ếch đạ i quang s ợ i EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier)
1.2.1 C ấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của EDFA
EDFA, hay khuếch đại quang sợi, là một thiết bị quan trọng trong hệ thống truyền dẫn quang học Nó được cấu tạo như một hộp đen với ít nhất hai cửa quang, bao gồm cửa đầu vào và cửa đầu ra, cùng với phần nối điện để cấp nguồn Các cửa quang có thể sử dụng sợi không được kết cuối hoặc được kết nối bằng các bộ nối quang, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn tín hiệu.
Hình 1.3 Khu ếch đại quang sợi như một thiết bị hai cửa
Tín hiệu quang cần được khuếch đại sau khi truyền qua EDFA, và để hiểu rõ hơn về chức năng này, cấu trúc cùng các thành phần cơ bản của EDFA được trình bày trong hình 1.4.
Hình 1.4 Cấu trúc của EDFA
Các thành phần chính của EDFA bao gồm sợi pha tạp Erbium (EDF), laser bơm LD, bộ ghép bước sóng quang WDM và bộ cách ly quang Với các thành phần này, nhiều loại EDFA đã được phát triển với công nghệ và hình thức khác nhau Để tạo ra bộ khuếch đại, cần cung cấp năng lượng quang cho sợi pha tạp Erbium, được gọi là năng lượng bơm Nguồn năng lượng bơm thường có bước sóng 980nm hoặc 1480nm, với công suất từ 10mW đến 100mW Các diot laser LD được thiết kế phù hợp với cấu hình và bước sóng bơm, đặc biệt khi hệ thống hoạt động ở bước sóng 980nm.
LD bơm thường sử dụng cấu trúc giếng lượng tử InGaAs với vùng InGaAs rất mỏng, xen kẽ giữa các lớp vỏ có tham số tinh thể khác nhau Khi hệ thống được bơm ở bước sóng 1480nm, LD bơm sẽ là laser Fabry-Perot dị thể chôn với cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/InP Bộ ghép bước sóng WDM sẽ kết hợp ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào sợi pha tạp.
Erbium có khả năng tách các tín hiệu quang và giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống, như phản xạ Rayleigh từ các bộ nối quang và phản xạ ngược từ bộ khuếch đại Việc giảm phản xạ này cần đạt mức chấp nhận được để nâng cao đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu.
Sợi pha tạp Erbium EDF là thành phần quan trọng nhất của EDFA, được gọi là sợi tích cực với nồng độ ion Erbium từ 100 đến 2000ppm trong vùng trung tâm lõi Các sợi EDF có lõi nhỏ hơn và số khẩu độ NA cao hơn so với sợi đơn mode tiêu chuẩn, với đường kính vùng tâm lõi khoảng 5μm, nơi cường độ ánh sáng bơm và tín hiệu đạt mức cao nhất Lớp vỏ thủy tinh có chỉ số chiết suất thấp hơn bao quanh lõi, tạo cấu trúc dẫn sóng vững chắc và bảo vệ sợi EDF khỏi tác động bên ngoài, với đường kính ngoài của lớp vỏ khoảng 125μm Vỏ bọc ngoài bổ sung thêm chức năng bảo vệ và ngăn cản tác động từ môi trường vào sợi.
Sợi pha tạp Erbium (EDF) có đường kính khoảng 250μm, với chỉ số chiết suất của lớp vỏ ngoài cao hơn lớp vỏ phản xạ, nhằm loại bỏ ánh sáng không mong muốn bên trong Cấu trúc của EDF tương tự như sợi đơn mode tiêu chuẩn, với sự pha tạp Erbium trong vùng lõi, phù hợp với các khuyến nghị Rec.G-652 hoặc G-653 của ITU-T, được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang Hình 1.5 minh họa cấu trúc hình học của sợi pha tạp Erbium.
Hình 1.5 C ấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium
Việc hàn nối trong quá trình lắp ráp các modul khuếch đại quang sợi là rất quan trọng do lõi sợi nhỏ hơn và độ mở số NA cao hơn so với sợi tiêu chuẩn Cấu trúc sợi quang pha tạp Erbium với NA cao cho phép tạo ra EDFA có hiệu suất khuếch đại cao, nhưng lại làm giảm đường kính trường mode, dẫn đến tăng suy hao hàn nối giữa sợi tích cực và sợi truyền dẫn thụ động Để khắc phục tình trạng này, kỹ thuật vuốt thon được áp dụng để tăng cục bộ đường kính trường mode, với sự thay đổi dần dọc theo trục sợi của phân bố chỉ số chiết suất Phương pháp này giúp giảm suy hao ghép nối do sự không trùng khớp về trường mode gây ra, và có thể thực hiện thông qua khuếch tán vật liệu pha tạp bằng xử lý nhiệt TEC hoặc vuốt thon đường kính sợi theo tỷ lệ giữa lõi và vỏ phản xạ là hằng số.
Hình 1.6 minh họa cấu hình của sợi TEC, trong đó đường kính lõi tăng dần và đường kính trường mode của ánh sáng cũng được mở rộng Biện pháp này đảm bảo tần số chuẩn hóa không thay đổi dọc theo sợi và kích thước ngoài của sợi TEC.
Phương pháp vuốt thon cho thấy sự ổn định với tỷ lệ mở rộng lõi là 2, khi độ dài vuốt thon vượt quá 2mm, sự thay đổi suy hao là không đáng kể Đặc biệt, khi tỷ lệ mở là 3 và độ dài vuốt thon lớn hơn 5mm, có thể đạt được suy hao bằng 0dB.
Hình 1.6 Sơ đồ của sợi TEC được vuốt Gaussian
Các thành phần quan trọng trong EDFA bao gồm nguồn laser bơm, thiết bị WDM, bộ ghép coupler quang và bộ cách ly, mỗi cấu trúc đều có vai trò riêng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Trong sợi EDF, các nguyên tử Erbium hóa trị ba (Er³⁺) đóng vai trò là các phần tử tích cực trong bộ khuếch đại quang, có chức năng khuếch đại ánh sáng Năng lượng và chuyển tiếp quang liên quan đến các ion Erbium được mô tả trong hình 1.7, với các ký hiệu bên phải là số lượng tử gán cho từng chuyển tiếp, có dạng 2S+1 L j Trong đó, s là số lượng tử quay, L là động lượng góc quỹ đạo và j là động lượng góc tổng, với các giá trị được ký hiệu bằng các chữ cái S, P, D, F, G, H, I Biểu đồ LSI được sử dụng để ám chỉ các mức năng lượng ion, với số lượng đường Stark-Split là (2j+1)/2 cho mỗi mức.
Hình 1.7 Bi ểu đồ năng lượng đối với ion Erbium có hóa trị ba
Sự hấp thụ photon laser bơm kích thích ion lên trạng thái năng lượng cao hơn, dẫn đến việc ion tiêu tốn năng lượng và phát xạ photon rào chắn Xu hướng phát xạ photon tăng theo dải cấm năng lượng, và quá trình chuyển dịch 4 I13/2- I 4 15/2 trong thủy tinh Silica là quá trình phát xạ trội, tạo ra đặc tính khuếch đại tốt trong vùng bước sóng từ 1,5μm đến 1,6μm.
Từ hình 1.8 và các kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã xác định đặc tính hấp thụ của ion Erbium để xem xét các bước sóng có khả năng bơm chúng Các bước sóng 1480nm, 980nm, 800nm, 670nm và 521nm đều có khả năng kích thích ion Erbium Tất cả những bước sóng này đã được áp dụng thành công trong các bộ khuếch đại EDFA.
Hình 1.8 Đặc tính hấp thụ của sợi thủy tinh pha tạp Erbium
Các bộ khuếch đại quang được phân loại thành hệ thống hai, ba hoặc bốn mức Hệ thống hai mức thường được coi là một EDFA bơm tới mức băng 4 I 13/2, trong khi hệ thống ba mức được tạo ra khi bơm tại 980nm, cho phép năng lượng ion phân rã nhanh mà không phát xạ từ mức 4 I 11/2 đến trạng thái siêu bền 4 I 13/2 Để hạn chế sự tải hấp thụ tín hiệu, các bộ khuếch đại hai và ba mức cần được thiết kế hợp lý do sự tồn tại của quá trình hấp thụ trạng thái nền ở bước sóng tín hiệu Hệ thống bốn mức, mở rộng từ hệ thống ba mức, không gặp phải vấn đề tái hấp thụ trạng thái nền, giúp cải thiện đặc tính của bộ khuếch đại.
23 Đối với các mức năng lượng như đã mô tả ở trên, hoạt động cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA được mô tả như sau :
Khu ếch đạ i quang s ợ i TDFA
1.3.1 C ấu trúc và nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang sợi TDFA dựa vào cơ chế hấp thụ và bức xạ năng lượng Laser Thulium hoạt động nhờ bơm cộng hưởng, được phát hiện lần đầu tiên với laser đỏ bơm dịch chuyển trạng thái từ mức 3 H6 lên mức 3 F6 Sau đó, bơm laser diode được sử dụng để đạt dao động ở 2,3 µm, gần với bước sóng có suy giảm nhỏ nhất trong sợi florua với độ suy hao cực thấp Do đó, hoạt động của các bộ khuếch đại và laser ở bước sóng này rất quan trọng cho hệ thống thông tin quang trong tương lai Thêm vào đó, Tm có thể được bơm bởi laser diode công suất cao, tương tự như AlGaAs, nhờ vào sự hấp thụ mạnh của Tm ở gần 790nm.
Hình 1.21 Giản đồ năng lượng của Thulium
Các nguồn laser hoạt động gần vùng ánh sáng hồng ngoại hứa hẹn nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y học, đặc biệt là trong việc phát hiện phân tử khí Thulium là một lựa chọn tiềm năng cho các ứng dụng này, với bước sóng phát ra nằm trong khoảng từ 1,6 đến 2,1 µm, bao trùm các dải hấp thụ của hơi nước (1,88 µm và 1,91 µm), nước tinh thể (1,94 µm) và CO2 (1,96 µm; 2,01 µm; 2,06 µm).
Các sợi florua kim loại nặng pha tạp Thulium có thể hoạt động trên một trong
3 bước súng riờng biệt từ cỏc mức như 3 H ,4 2,3àm tới mức 3 H4,1,8àm tới mức 3 F3 và tại 0,82àm tới mức 6 H3
1.3.1.2 Cấu trúc a Laser tại 2,3àm
Các thí nghiệm laser sử dụng Thulium trên kích thước thủy tinh ZBLAN dài khoảng 1,5cm với nồng độ 1% mol Tm Mẫu được bơm bằng Laser alexandrite tại 785nm với độ rộng xung 200ns và dao động 2,25µm, dẫn đến sự hấp thụ bước sóng 875nm, kích thích mức 3H4 từ mức 3H6 Sự phân rã từ mức 3H5 tạo ra bức xạ 2,25µm, với thời gian tồn tại của mức laser này là 1,1ms, trong khi mức 3H5 có thời gian tồn tại ngắn hơn, chỉ khoảng 10µs Do đó, bức xạ 2,25µm không tự kết thúc, và mức 3F4 cũng bị giới hạn ở 12ms mà không tự kết thúc Mức ngưỡng cho bức xạ 2,25µm là 2mJ, nhưng khi năng lượng hấp thụ đạt 3mJ, bức xạ laser ở 1,88µm xuất hiện, tương ứng với sự chuyển trạng thái từ mức 3F4 về mức 3H6, nhờ vào sự giảm mạnh số lượng mức 3H5 giải phóng tới mức 3F4.
Nhà khoa học Esterowitz đã nghiên cứu dao động laser ở bước sóng 2,3 µm trong sợi florua dài 50 cm, sử dụng laser alexandrite với bước sóng 786 nm và tần số bơm 10 Hz Xung dao động laser bắt đầu xuất hiện khi đạt ngưỡng bơm năng lượng 25 µJ, với thời gian tồn tại của mức laser là 1,55 ms Theo Esterowitz, hệ thống 4 mức hoạt động tương tự, trong đó hoạt động liên tục (CW) xảy ra ở công suất 16 mW, do ngưỡng công suất bơm từ xung năng lượng Sự kích thích tiếp theo được thực hiện bằng một mảng diode.
Laser 48 tại 787nm hoạt động CW tại 2,29µm với ngưỡng 6mW, nhưng lõi sợi elip gây suy hao cao khoảng 100-200dB/km tại 0,63µm Việc cải thiện chất lượng sợi sẽ mang lại lợi ích lớn hơn so với việc thực hiện laser Hai nhà khoa học Allen và Esterowitz đã bơm các sợi tương tự bằng laser diode GaAlAs tại 790nm, ghi nhận ngưỡng 4mW và độ dốc khoảng 10 với công suất bơm dưới 10mW Công suất đạt khoảng 1mW, nhưng sự bão hòa xảy ra ở khoảng 13mW hoặc cao hơn công suất bơm, với độ bão hòa là nguyên nhân chính do sự giảm số lượng mức 3H5 xuống mức tồn tại dài 3F4 Mẫu ngưỡng của mức 3F4 N(F) 3 4 có thể đạt được như sau.
P sat là công suất bão hòa
P p là ngưỡng trên của công suất bơm
Hơn nữa P sat được cho bởi công thức:
P = hν A/ σ τ sat p ( ) P (1.25) Trong đó: hνplà năng lượng phton bơm (2,5x10 J -19 )
A là đướng kớnh lừi sợi (7,5àm) σ p là đoạn xuyên qua hấp thụ bơm τ là thời gian tồn tại của mức 3 F 4
Thay các giá trị gần đúng vào trong công thức sẽ được công suất bão hòa gần đúng là 13mW
Sự dao động của laser súng tiếp diễn đã được ghi nhận tại 2,32 âm với ngưỡng 31mW, độ dốc hiệu suất đạt 3,8% và công suất đầu ra cực đại là 2,2mW, trong khi giới hạn công suất bơm là 200mW Khác với kết quả của Allen và Esterowitz, độ bão hòa của công suất đầu ra không xuất hiện trong nghiên cứu này, điều này có thể liên quan đến việc lựa chọn nguồn bơm với bước sóng 677,4nm thay vì 790nm.
Mức 3 F3 có 49 nguyên nhân kích thích, với tỷ số phân nhánh từ mức 3 F2 sang mức 3 H4 thấp Điều này cho thấy việc sử dụng bơm 790nm để tăng hiệu suất là đơn giản hơn, vì nó được bơm vào trong mức 3 H4.
Smart đã không thành công trong việc tạo dao động laser bằng bơm diode laser do ngưỡng cao và công suất bơm thấp (khoảng 100mW) Thay vào đó, họ đã sử dụng Ti: Laser sapphire làm nguồn bơm, phù hợp với các bước sóng kích thích trong dải hấp thụ 3 H - H6 3 4 Họ quan sát dao động laser tại 2,305 µm với ngưỡng khoảng 115mW và hiệu suất dốc 18,8% Trong báo cáo của Allen và Esterowitz, không quan sát thấy độ bão hòa của công suất đầu ra, và họ cho rằng hiện tượng này là do bức xạ laser từ mức 3 F4 về mức 3 H6 (bức xạ 1,88 µm), khiến số lượng mức 3 F4 thay đổi nhanh chóng về trạng thái đất McAeavey đã thành công trong việc thực hiện bơm diode laser, báo cáo công suất đầu ra 2mV với hiệu suất dốc cao tại 2,31 µm bằng bơm laser diode công suất thấp hoạt động tại 785nm.
Dao động laser tại 1,88 âm đã được xác nhận với công suất đầu ra 1,3mW khi bơm bằng laser ion Krypton ở 676,4nm Ngưỡng công suất bơm là 50mW và hiệu suất dốc đạt 3,3% Bức xạ 1,9 âm kích thích sự chuyển dịch từ mức 3F4 sang mức 3H6 Các nhà khoa học nhận thấy rằng đường cong có thể thay đổi đáng kể và đã phát triển đường cong Florua khi laser được bơm vượt ngưỡng 1,7 lần, với hoạt động laser có thể dao động trong khoảng từ 1,84 âm đến 1,94 âm.
Nhà khoa học Carter đã sử dụng bơm laser diode ở bước sóng 795nm để đạt được hoạt động liên tục (CW) tại 1,972nm, với ngưỡng công suất phát là 40mW (hoặc công suất hấp thụ 20mW) và hiệu suất có độ dốc 0,3% khi gương phát nhỏ hơn 1%.
Công suất tối đa của laser diode đạt khoảng 100mW, có thể lên đến 200mW Đáng chú ý, đầu ra 1,972 âm lại nằm ngoài dải thay đổi từ 1,84 - 1,94 âm So với silica, dải thay đổi trong ma trận Florua hẹp hơn, chỉ từ 1,78 đến 2,056 âm Hiệu suất độ dốc thấp (0,3%) ở đây gia tăng từ tỷ số phân nhánh nhỏ đối với phân rã ion m3+ lên mức 3F4 từ mức 3H4, nhờ vào quá trình phân rã.
Trong sợi thủy tinh fluorozirconate, 50 đa photon không bức xạ tỉ lệ thấp từ mức 3 H4 tới mức 3 H5, với khoảng 90% ion m 3+ kích thích ở mức 3 H4 phân rã bức xạ tới trạng thái đất 3 H6, chỉ 10% phân rã tới mức laser 3 F4 Điều này dẫn đến ngưỡng dao động laser tăng lên gấp 10 lần và độ dốc hiệu suất giảm tương tự Tuy nhiên, ngưỡng có thể giảm bằng cách sử dụng sợi đơn mode, trong khi độ dốc hiệu suất có thể được cải thiện thông qua kỹ thuật tập trung.
Tm có thể hoạt động đồng thời ở các bước sóng 1,9 µm và 2,5 µm, với phương pháp đầu tiên cho phép phục hồi ngang, tạo khoảng trống giữa các ion Tm Quá trình này liên quan đến sự bức xạ từ ion ở mức 3H4 xuống mức 3F4, được hấp thụ bởi ion Tm lân cận đã được kích thích từ trạng thái đất (3H6) Điều này làm tăng hiệu suất bơm vì có hai ion ở mức laser cao hơn cho mỗi photon bơm Phương pháp thứ hai sử dụng dao động laser đồng thời tại 1,9 µm và 2,3 µm, làm tăng tỉ lệ chuyển đổi 3H4 sang 3F5 và tăng sự phân rã về mức 3F4 Qua việc điều chỉnh các gương trong buồng cộng hưởng laser, đã quan sát được dao động laser ở 2,305 µm và 1,942 µm, với laser tại 1,942 µm có độ dốc hiệu suất tăng 8,3% và ngưỡng công suất khoảng 115 mW Tuy nhiên, tác giả không thể loại trừ khả năng rằng việc tăng độ dốc hiệu suất có thể làm giảm suy hao trong buồng cộng hưởng.
Dao động laser tại bước sóng 1,51 µm được nghiên cứu sử dụng sợi pha tạp đơn mode, làm lạnh đến 77 độ K và bơm bằng ánh sáng 647,1 nm Quá trình hoạt động laser này diễn ra thông qua kỹ thuật hấp thụ đa photon, trong đó một photon 647,1 nm kích thích chuyển trạng thái từ mức 3H6 lên mức 3F3 Khi không có kích thích tiếp theo, xảy ra hiện tượng giải phóng không bức xạ từ mức 3F3 về mức 3H4 và hấp thụ một photon bơm (ESA) vào mức 1D2 Cuối cùng, sự phân rã từ mức 1D2 về mức 1G4 là bức xạ.
51 xạ và làm tăng bức xạ 1,51àm Cụng suất đầu ra đó đạt được trờn 6mW d Laser tại 1,48 àm
Laser hoạt động ở bước sóng 1,48 µm trong sợi đơn mode được bơm ở 676,4 nm, với bức xạ 1,48 µm phát sinh từ hệ thống 4 mức, chủ yếu từ sự chuyển dịch từ mức 3H4 lên mức 3F4 Quá trình hấp thụ photon bơm kích thích chuyển từ trạng thái 3H6 lên mức 3F3, mà ở trạng thái cân bằng với mức 3F2 Sự phân rã không bức xạ từ 3F3 về 3H4 sau đó dẫn đến bức xạ từ 3H4 về 3F4, làm tăng bức xạ 1,48 µm Sự tồn tại ngắn hơn của mức cao hơn (1 ms) so với mức thấp (10 ms) dẫn đến sự tự kết thúc của quá trình chuyển đổi Hiệu suất này giải thích cho ngưỡng công suất cao 40 mW và độ dốc hiệu suất thấp Tuy nhiên, hiệu suất laser có thể cải thiện đáng kể bằng cách giảm thời gian tồn tại của mức thấp hơn (3F4) và điều chỉnh gương để tạo điều kiện cho cộng hưởng dao động ở 1,9 µm dựa trên sự chuyển dịch.
F4 về mức 3 H6 Cộng hưởng dao động thực tế đã làm giảm số lượng mức thấp hơn
Khu ếch đạ i quang s ợ i PDFA
1.4.1 C ấu trúc và nguyên lý hoạt động
Nghiên cứu về khuếch đại và laser sợi thủy tinh HMF đã chỉ ra rằng các ion đất hiếm như Er3+ và Tm3+ đóng vai trò quan trọng Gần đây, dao động laser đã được phát hiện trong sợi thủy tinh HMF pha tạp Praseodymium (Pr3+) Mặc dù Pr3+ có nhiều đường dịch chuyển, chỉ hai dịch chuyển tại 885nm và 910nm cho thấy dao động laser trong vùng hồng ngoại, với mỗi dịch chuyển có mức ngưỡng và dải điều chỉnh riêng Đặc điểm của sợi bao gồm đường kính lõi là 12µm, chiều dài 60cm và chỉ số khúc xạ 0,013 Sợi này được pha tạp 1200ppm và bơm ở bước sóng 476,5nm bằng laser argon-ion.
Hình 1.23 Giản đồ năng lượng của Pr 3+
Sự hấp thụ photon có bước sóng 476,5 nm kích thích mức năng lượng 3 P0, như thể hiện trong hình 1.23 Năng lượng giữa mức 3 P0 và 3 P1 khác nhau, với tỷ lệ phân bố của hai mức này theo định luật Maxwell - Boltzmann là khoảng 95% cho mức 3 P0 và 5% cho mức 3 P1 Phân bố này tạo ra phổ fluorua quan sát được, trong đó mỗi đường bức xạ xuất phát từ các mức năng lượng khác nhau.
P0 được bổ sung bởi một đường yếu hơn, thể hiện qua đường dịch chuyển xanh từ mức 3 P1 Thời gian tồn tại của cả hai mức này là 15 âm Bức xạ tại các bước sóng 885 và 910nm phát sinh từ mức này.
Tại mức P0 và P1, đường 885nm chỉ có hai bước sóng phát ra là 880 và 886nm, khiến cho các bức xạ khác chỉ phản ánh cấu trúc Giản đồ phản chiếu từ các gương đầu ra làm tăng công suất ra nhưng không có lợi cho mức ngưỡng công suất cao hơn Tuy nhiên, tình huống này có thể được cải thiện bằng cách sử dụng sợi đơn mode với mức suy hao thấp hơn.
Kết quả quan trọng nhất từ các nghiên cứu về sợi thủy tinh HMF pha tạp đất hiếm là sự phát triển của khuếch đại quang sợi pha tạp Praseodymium (PDFA), hoạt động ở cửa sổ viễn thụng thứ hai tại 1,31 µm, nơi mà tỏn sắc của silica là nhỏ nhất Hầu hết các hệ thống thông tin sợi quang hiện nay hoạt động trong cửa sổ này, do đó, nhu cầu về một bộ khuếch đại quang hiệu suất cao trong vùng này là rất lớn PDFA hoạt động dựa trên sự dịch chuyển từ mức 4G đến mức 3H5 của Pr3+ Trong một trung tâm silica chuẩn, sự dịch chuyển này bị chấm dứt không bức xạ, dẫn đến việc khuếch đại không có giá trị Tuy nhiên, nhờ vào năng lượng photon thấp hơn của thủy tinh HMF, các dịch chuyển hoạt động và Florua hóa từ dịch chuyển này đã được cải thiện, cho thấy hiệu suất lượng tử đo được khả quan hơn.
Sợi ZBLAN pha tạp với Pr cho thấy độ khuếch đại ấn tượng, với Ohishi chứng minh rằng bộ khuếch đại PDFA đạt được độ tăng ích 30,1dB tại 1,039µm và độ bão hòa công suất đầu ra là 13dBm với 500 ppm Pr trong sợi dài 23m Hệ số tăng ớch là 0,04dB/mW Miyajima đã nâng cao độ khuếch đại lên 38,2dB tại 1,31µm trong sợi ZBLAN pha tạp 2000ppm Pr, sử dụng công suất bơm 300mW tại 1,017µm Sợi này có chiều dài khoảng 8m, đường kính lõi 2,3µm, và hệ số khuếch đại là 0,21dB/mW tại công suất bơm 100mW.
Kể từ đó, có những cải thiện đáng kể về chất lượng sợi, khẩu độ số NA và sự cô đặc Pr đạt mức cao nhất Các nghiên cứu vẫn tiếp tục tập trung vào đặc tính chất liệu và nâng cao hiệu suất của PDFA Nishida đã chỉ ra rằng sự thay đổi trong thành phần cấu tạo HMF là một trong những bước tiến quan trọng nhất Nghiên cứu cho thấy độ khuếch đại đạt được với hệ số khuếch đại đơn là 0,36 dB/mW trong sợi Florua PbF2.
InF3, khẩu độ số NA cao pha tạp Pr Hiệu suất phổ trong sợi này gấp 2 lần sợi ZBLAN (6,1% so với 3,4% ở sợi thủy tinh cơ bản ZnF4)
1.4.2 Các đặc trưng khuếch đại cơ bản
Khác với EDFA, phổ khuếch đại của PDFA không liên tục mà có đỉnh tại 1,3 µm, tạo ra cửa sổ viễn thông từ 1,29 µm đến 1,33 µm, không phụ thuộc vào công suất tín hiệu và công suất bơm Độ rộng phổ 3dB sẽ giảm khi công suất bơm tăng và công suất tín hiệu vào giảm Do đó, việc đánh giá độ dài PDF là rất quan trọng để đạt được độ khuếch đại cao và băng thông rộng.
Hình 1.24 ảnh hưởng của độ dài tới độ khuếch đại và độ rộng dải khuếch đại
Hình 1.24 minh họa mối quan hệ giữa độ khuếch đại tín hiệu và độ rộng dải khuếch đại 3dB Độ khuếch đại tín hiệu tăng lên theo độ dài cho đến khi đạt độ dài tối ưu, sau đó giảm nhẹ do suy hao điện tử của PDF Ngược lại, độ rộng dải khuếch đại giảm dần khi độ dài tăng Cuối cùng, sợi pha tạp Pr 3+ trong modul khuếch đại PDFA cần được điều chỉnh đến độ dài tối ưu dựa trên các tham số cần thiết để đạt hiệu suất cao nhất.
1.4.2.2 Độ bão hòa khuếch đại
Công suất bão hòa khuếch đại giảm từ 12 xuống 10 và 9,5 dBm khi bước sóng tín hiệu tăng từ 1,29 µm lên 1,31 µm và 1,33 µm, với tín hiệu ESA trong khoảng này nhỏ hơn 10 lần so với đoạn xuyên qua kích thích, cho thấy tác động của tín hiệu ESA lên tín hiệu khuếch đại là không đáng kể Hiệu suất chuyển đổi công suất và độ dốc hiệu suất là những tham số quan trọng trong việc đánh giá sự bão hòa của bộ PDFA Các nghiên cứu trước đây chỉ ra hiệu suất chuyển đổi công suất đạt 36% tại bước sóng bơm 1010 nm và 21% tại 1047 nm, trong khi hiệu suất chuyển đổi công suất lớn nhất có thể lên tới khoảng 80%.
1.4.2.3 Hình ảnh nhiễu (Noise Figure)
Nếu không có tín hiệu ESA và GSA trong PDF, giá trị NF tốt nhất của bộ khuếch đại này sẽ đạt 3dB, tương ứng với bộ khuếch đại quang lý tưởng.
Dịch chuyển kích thích 57 là một hiện tượng quan trọng, nhưng sợi pha tạp Pr 3+ chịu ảnh hưởng từ các yếu tố như ESA và GSA Bỏ qua sự suy hao cách tử PDF, công thức NF có thể được diễn đạt một cách rõ ràng hơn.
Hỡnh ảnh nhiễu NF = 3,4dB tại cỏc bước súng nhỏ hơn 1,31 àm Giữa cỏc mức
NF khác nhau 0,4dB và giá trị giới hạn là 3dB do suy hao cách tử của sợi PDF
Tại các bước súng lớn hơn 1,31 dB NF, tình hình trở nên xấu hơn do sự gia tăng bước sóng tín hiệu, dẫn đến đoạn xuyên tín hiệu ESAσ45 và đoạn xuyên GSAσ41, như đã được trình bày trong phần thứ 2 và thứ 3 của mẫu số trong công thức tính NF.
