Tài liệu Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống truyền dẫn quang, thiết bị truy nhập băng thông rộng và ứng dụng vào mạng viễn thông thế hệ mới (ngn) ở việt nam

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10 "NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG" BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG, THIẾT BỊ TRUY NHẬP BĂNG THÔNG RỘNG VÀ ỨNG DỤNG VÀO MẠNG VIỄN THÔNG THẾ HỆ MỚI (NGN) Ở VIỆT NAM” Mã số: KC.01-06/06-10 Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Khoa học vật liệu Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Phạm Văn Hội 8189 Hà nội – 2009 BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10 "NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG" BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG, THIẾT BỊ TRUY NHẬP BĂNG THÔNG RỘNG VÀ ỨNG DỤNG VÀO MẠNG VIỄN THÔNG THẾ HỆ MỚI (NGN) Ở VIỆT NAM” Mã số: KC.01-06/06-10 Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài (ký tên) PGS.TS. Phạm Văn Hội Ban chủ nhiệm chương trình (ký tên) (ký tên và đóng dấu) PGS.TS. Nguyễn Quang Liêm Bộ Khoa học và Công nghệ (ký tên và đóng dấu khi gửi lưu trữ) Hà nội – 2009 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 MỤC LỤC Trang Mở đầu 1 Chương 1. Các kết quả nghiên cứu công nghệ chế tạo khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium ...........................................................................3 1.1. Tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu cho công nghệ chế tạo khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA)..................... 3 1.2. Sơ lược về tính chất quang của ion Erbium trong thủy tinh…………5 1.3. Hệ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium …………………………..12 1.4. Tính chất quang của thủy tinh pha tạp Erbium nồng độ cao………...19 1.5. Vai trò của thủy tinh nền và các ion đồng pha tạp ………………….22 1.6. Tạp âm trong khuếch đại quang EDFA …………………………….26 1.7. Các phương trình tính toán cho EDFA……………………………...31 1.8. Kết quả nghiên cứu thiết kế nguồn bơm cho EDFA………………..36 1.9. Kết quả nghiên cứu công nghệ chế tạo EDFA trong khuôn khổ đề tài…………………………………………………….51 1.10. Kết quả thử nghiệm thiết bị EDFA trên mạng thông tin quang thực tế………………………………………………………..68 1.11. Tài liệu tham khảo chương 1………………………………………. 73 Chương 2. Kết quả nghiên cứu chế tạo khuếch đại quang bán dẫn ..............77 2.1. Tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu cho công nghệ chế tạo khuếch đại quang bán dẫn (SOA)..........................................77 2.2. Tóm tắt cơ sở lý thuyết cho khuếch đại quang trong bán dẫn.............78 2.3. Nguyên lý thiết kế linh kiện khuếch đại quang bán dẫn SOA.............86 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 2.4. Kết quả thiết kế và chế tạo phần điện tử cho SOA..............................92 2.5. Kết quả thiết kế và chế tạo phần mềm điều khiển cho SOA...............97 2.6. Kết quả thử nghiệm SOA trong điều kiện Phòng Thí Nghiệm...........99 2.7. Kết quả chế tạo và đo đạc các thông số cơ bản của SOA..................106 2.8. Tài liệu tham khảo chương 2.............................................................114 Chương 3. Các kết quả nghiên cứu về các bộ phát và thu tín hiệu quang tốc độ STM1-STM16.................................................................115 3.1. Sơ lược cơ sở vật lý của bộ phát tín hiệu quang trong mạng viễn thông quang sợi..............................................................115 3.2. Thiết kế các bộ phát tín hiệu quang tốc độ từ 155Mb/s đến 2,5 Gb/s.....................................................................................126 3.3. Sơ lược cơ sở vật lý của bộ thu tín hiệu quang trong mạng viễn thông quang sợi........................................................................138 3.4. Thiết kế bộ thu tín hiệu thông tin quang tốc độ STM 1 – STM4) bằng chương trình chuyên dụng.......................................148 Chương 4. Các kết quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập toàn quang NxE1.........................................................156 4.1. Thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập mạng quang 4xE1.................156 4.2. Thiết kế và chế tạo thiết bị truy nhập mạng quang 16xE1...............167 4.3. Các kết quả nghiên cứu thiết kế và xây dựng tuyến thông tin quang tốc độ STM1 (155Mb/s) có sử dụng truy nhập tòan quang..............177 4.4. Tài liệu tham khảo chương 4...........................................................177 Chương 5. Kết quả đạt được của đề tài.......................................................178 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 5.1. Các sản phẩm dạng 1 của đề tài......................................................178 5.2. Sản phẩm dạng II trong đề tài.........................................................183 5.3. Các sản phẩm dạng III (công bố KHCN và đào tạo) của đề tài......184 VI. Kết luận và kiến nghị 6.1. Kết luận...........................................................................................185 6.2. Kiến nghị.........................................................................................186 Lời cảm ơn.....................................................................................................187 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại ESA Excited State Absorption Hấp thụ ở trạng thái kích thích WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng DWDM Dense Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước Multiplexing sóng mật độ cao ED Electric dipole Lưỡng cực điện MD Magnetic dipole Lưỡng cực từ FWHM Full Width At Half Maximum Độ bán rộng tại nửa cực đại EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi pha tạp Er EYDFA Erbium Ytterbium Doped Fiber Bộ khuếch đại bộ pha tạp Er- Yb Amplifier IO Integrated Optics Quang tổ hợp MCVD Modified Chemical Vapor Lắng đọng pha hơi hóa Deposition học cải biến RE Rare Earth Đất hiếm SiO2 Silica Thủy tinh SiO2 SiO2-Al2O3 Silica-Alumina Thủy tinh SiO2-Al2O3 DFB laser Distributed Feedback Laser Laser phản hồi phân bố DBR laser Distributed Bragg Reflector Laser Laser phản xạ Bragg phân bố SOA Semiconducter optical Amplifier Khuếch đại quang bán dẫn Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Bảng 1.2. Bảng 1.3. Bảng 1.4. Bảng 1.5. Bảng 1.6. Chức năng và điện áp hoạt động của các chân kết nối giữa module EDFA và mạch chủ của hệ thống thông tin quang Công suất tín hiệu ra Pra và hệ số khuếch đại G của sợi pha tạp C1400 khi thay đổi công suất bơm (bơm đồng hướng) Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại khi thay đổi công suất bơm cho sợi ISOGAIN I-6 tại bước sóng 1552 nm Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi ISOGAIN I-6 tại bước sóng 1533,5 nm và 1557,5 nm Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi HCO-4000 chiều dài 3,6 mét khi thay đổi công suất bơm Kết quả thí nghiệm thay đổi công suất tín hiệu vào trên các sợi C1400 Bảng 1.7. Hệ số khuếch đại G của EDFA sử dụng sợi ISOGAIN I-6 khi thay đổi công suất tín hiệu vào Pvào Bảng 1.8. Công suất tín hiệu ra và hệ số khuếch đại của sợi HCO-4000 chiều dài 3,6 mét khi thay đổi công suất tín hiệu vào Bảng 1.9. Công suất tín hiệu ASE phụ thuộc vào công suất bơm của sợi C1400 chiều dài 6 mét Bảng 1.10. Công suất ASE của sợi ISOGAIN I-6, chiều dài 12 mét Bảng 1.11. Hệ số tạp âm của các EDFA sử dụng sợi pha tạp C1400 có chiều dài L khác nhau khi thay đổi công suất bơm Bảng 1.12. Các thông số chính của thiết bị EDFA đã chế tạo Bảng 3.1. Danh mục các linh kiện cho bộ phát STM16 Bảng 3.2. Danh mục các linh kiện điện tử cho khối thu và phát của modul STM1,4 49 55 57 58 59 60 61 62 63 64 66 70 138 155 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 Bảng 4.1. Bảng 4.2. Bảng 5.1. Bảng 5.2. Bảng 5.3. Bảng 5.4. Bảng 5.5 Bảng 5.6. Bảng 5.7. Các thông số của bộ truy nhập toàn quang 4 x E1 Các thông số của bộ truy nhập toàn quang 16 x E1 Phần Quang tử của EDFA Phần Điện tử của EDFA Phần Quang tử của SOA Phần Điện tử của SOA Các thông số chính của bộ phát tín hiệu quang STM1,4 Các thông số chính của bộ thu tín hiệu quang STM1,4 Các thông số chính của thiết bị NxE1: 165 175 178 179 179 180 181 181 182 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Các mức Stark của ion Er3+ pha tạp trong thủy tinh Hình 1.2. Các chuyển dời phát xạ huỳnh quang từ mức 4I13/2 về mức 4I15/2 Hình 1.3. 4 7 4 Các chuyển dời hấp thụ (Absorption) từ mức I15/2 lên mức I13/2 8 9 Hình 1.4. Phổ tiết diện hấp thụ và phát xạ từ thực nghiệm (a) và từ lý thuyết mở rộng thuần nhất (b) 11 Hình 1.5. Mặt cắt ngang của sợi pha tạp Er3+ 12 Hình 1.6. Cường độ hấp thụ và phát xạ theo bước sóng của sợi pha tạp Er 13 Hình 1.7. Cấu hình hệ EDFA bơm đồng hướng 14 Hình 1.8. Công suất bơm và công suất tín hiệu trong cấu hình bơm đồng hướng 14 Hình 1.9. Cấu hình hệ EDFA bơm ngược hướng 15 Hình 1.10. Công suất bơm và công suất tín hiệu trong cấu hình bơm ngược hướng 16 Hình 1.11. Cấu hình hệ EDFA bơm song công 16 Hình 1.12. Các chuyển dời chuyển đổi ngược 20 Hình 1.13. Phổ phát xạ của ion Er3+ trong thủy tinh silica với các đồng pha tạp khác nhau 23 Hình 1.14. Tiết diện phát xạ của các loại thủy tinh khác nhau pha tạp Er3+ 24 Hình 1.15. Sơ đồ chuyển dời giữa các mức năng lượng của ion Yb3+ và Er3+ 25 Hình 1.16. Phổ phát xạ của Er3+ với bước sóng kích thích λ = 975nm 26 Hình 1.17. Sự thay đổi dạng phổ ASE phụ thuộc công suất quang bơm 27 Hình 1.18. Minh họa phương pháp tính hệ số tạp âm NF bằng thực nghiệm 30 Hình 1.19. Mô hình 3 mức năng lượng của hệ EDFA 32 Hình 1.20. Sơ đồ bên trong của module laser bán dẫn họ SDLO 2564 980nm 37 Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý của mạch ổn định nhiệt độ 38 Hình 1.22. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển dòng điện qua diode laser 40 Hình 1.23. Sơ đồ phần cứng của mạch điều khiển hệ EDFA 43 Hình 1.24. Sơ đồ hoạt động của chương trình hệ thống 45 Hình 1.25. Sơ đồ mạch điện của hệ điều khiển module EDFA 47 Hình 1.26. Sơ đồ mạch điện tử của bộ khuếch đại quang EDFA 48 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 Hình 1.27. Sơ đồ các linh kiện quang tử trong bộ khuếch đại EDFA 48 Hình 1.28. Kết quả theo dõi các thông số của EDFA trên màn hình vi tính 50 Hình 1.29. Máy phân tích quang phổ ADVANTEST Q8384 52 Hình 1.30. Sự thay đổi công suất quang theo dòng bơm của laser SDLO 53 Hình 1.31. Phổ tín hiệu lối ra của EDFA sợi C1400 dài 5 mét 54 Hình 1.32. Hệ số khuếch đại của sợi pha tạp C1400 chiều dài 6 mét, bơm đồng hướng tại hai bước sóng tín hiệu 1533,5 nm và 1557,5 nm 56 Hình 1.33. Phổ tín hiệu lối ra của EDFA sử dụng sợi HCO-4000, chiều dài 3,6 mét 59 Hình 1.34. Phổ ASE của sợi C1400, chiều dài 6 mét, bơm đồng hướng với công suất bơm khác nhau 63 Hình 1.35. Phổ tín hiệu lối ra của sợi HCO-4000, chiều dài 3,6 mét khi có và không có tín hiệu vào 65 Hình 1.36. Hệ số tạp âm của các EDFA sử dụng sợi pha tạp C1400 với chiều dài 5 mét, 6 mét, 8 mét và 10 mét 67 Hình 1.37. Sự phụ thuộc của công suất tín hiệu ra và hệ số tạp âm vào công suất bơm cho sợi pha tạp HCO-4000 chiều dài 3,6 mét 68 Hình 1.38. Thiết bị EDFA chế tạo đã lắp ráp trên tuyến thông tin quang 69 Hình 1.39. Thiết bị EDFA đang hoạt động trên tuyến tốc độ 2,5 Gb/s 72 Hình 1.40. Kết quả theo dõi tỷ số lỗi bit trong tuyến thông tin quang có sử dụng EDFA 72 Hình 2.1. Sơ đồ vùng năng lượng trong chất bán dẫn có pha tạp suy biến 81 Hình 2.2. Sơ đồ chuyển tiếp p-n khi không có thiên áp (a) và khi có thiên áp (b) Sơ đồ chuyển tiếp p-n có cấu trúc dị thể ở trạng thái cân bằng nhiệt không có thiên áp (trên) và khi có thiên áp thuận (dưới) Hình 2.4. Sơ đồ mạch điện của modul SOA 84 Hình 2.3. 84 93 Hình 2.5a,b. a) Sơ đồ bố trí linh kiện dùng cho lắp ráp b) Sơ đồ mạch in mặt trên của card điện tử Hình 2.6a,b. a) Sơ đồ mạch in mặt dưới của card điện tử b) Sơ đồ lỗ chân linh 94 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 kiện trong card điện tử Hình 2.7. Mạch in chế tạo và tấm toả nhiệt cho card điện tử 95 96 Hình 2.8. Card điện tử nuôi và điều khiển cho SOA sau khi lắp ráp các linh kiện Quang tử 96 Hình 2.9. Thiết bị SOA sau khi đã được chế tạo hoàn chỉnh 98 Hình 2.10. Phổ ASE trên lý thuyết (1) và thực nghiệm (2) 100 Hình 2.11. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại SOA vào công suất quang tín hiệu lối ra Hình 2.12. Sơ đồ đo đặc trưng độ khuếch đại của khuếch đại quang bán dẫn 102 103 Hình 2.13. Đường đặc trưng độ khuếch đại phụ thuộc dòng bơm của module SOA tại các giá trị tín hiệu vào 104 Hình 2.14. Độ khuếch đại phụ thuộc theo nhiệt độ hoạt động của SOA 105 Hình 2.15. Độ khuếch đại phụ thuộc theo độ ẩm của môi trường 106 Hình 2.16. Hình ảnh bên trong của module SOA trong quá trình ghép nối quang 106 Hình 2.17. Minh hoạ sơ đồ đo đặc trưng công suất ASE sử dụng máy đo Diode 109 Hình 2.18. Sơ đồ đo phổ ASE 109 Hình 2.19. Sơ đồ đo đặc trưng độ khuếch đại của khuếch đại quang bán dẫn 110 Hình 2.20. Đặc trưng công suất ASE phụ thuộc dòng hoạt động của SOA 111 Hình 2.21. Phổ bức xạ tự phát ASE của module SOA 111 Hình 2.22. Đặc trưng độ khuếch đại phụ thuộc công suất lối ra 112 Hình 2.23. Đặc trưng độ khuếch đại phụ thuộc dòng bơm 113 Hình 3.1. Cấu trúc của laser bán dẫn và bộ cộng hưởng Faby-Perot của laser 117 Hình 3.2. Các mode dao động trong buồng cộng hưởng của laser 118 Hình 3.3. Sơ đồ laser bán dẫn cấu trúc dị thể kép (DHL) 120 Hình 3.4. Cấu trúc laser dị thể chôn (BH-laser diode) 121 Hình 3.5. Cấu trúc laser DFB (trái) và laser DBR (phải) 122 Hình 3.6. Đường đặc trưng P-I của laser 1,3µm ở các nhiệt độ khác nhau 126 Hình 3.7. Sơ đồ khối của hệ thu phát quang trên đường trục thông tin 127 Hình 3.8. Cấu trúc của laser FP 128 Hình 3.9. Phổ phát xạ của laser FP 128 Hình 3.10. Đặc trưng IP của laser bán dẫn 129 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 Hình 3.11. Điều chế trực tiếp 130 Hình 3.12. Điều chế từ bên ngoài 130 Hình 3.13. Sơ đồ điện tử của mođul phát STM1,4 131 Hình 3.14. Mạch in của modul phát STM1-4 132 Hình 3.15. Đặc trưng cấu trúc và phổ của laser DFB 133 Hình 3.16. Cấu trúc của chip laser 2MOE5816 và 4MOE5496 134 Hình 3.17. Sơ đồ khối điều khiển công suất phát laser 136 Hình 3.18. Sơ đồ khối cho mạch phát STM16 137 Hình 3.19. Bản mạch in (4 lớp) của hệ thu phát tích hợp STM16 138 Hình 3.20. Sơ đồ chuyển tiếp p-n của bộ thu quang bán dẫn 141 Hình 3.21. Hình dáng xung quang điện của bộ thu quang bán dẫn 143 Hình 3.22. Sơ đồ chuyển tiếp p-i-n của bộ thu quang bán dẫn 144 Hình 3.23. Sơ đồ của bộ thu quang bán dẫn APD 146 Hình 3.24. Sơ đồ khối của hệ thu phát quang trên đường trục thông tin 149 Hình 3.25. Sơ đồ cấu trúc của PIN – Detector 150 Hình 3.26. Cấu trúc cơ bản của đầu thu APD 151 Hình 3.27. Cấu trúc đầu thu PIN kèm khuyếch đại quang 152 Hình 3.28. Sơ đồ mạch điện tử Modul thu quang STM1,4 154 Hình 3.29. PCB – Receiver 155 Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống E1 156 Hình 4.2. Các phân cấp PDH theo tiêu chuẩn Châu Âu và Bắc Mỹ 157 Hình 4.3. Giản đồ ghép theo thời gian 158 Hình 4.4. Cấu trúc khung chèn E2 159 Hình 4.5. Sơ đồ khối thiết bị PDH 4E1 160 Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý tổng thể OPTIMUX-4E1 161 Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp luồng OPTIMUX-4E1 162 Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý khối biến áp OPTIMUX-4E1 162 Hình 4.9. Sơ đồ nguyên lý khối ghép/tách luồng OPTIMUX-4E1 163 Hình 4.10. Sơ đồ nguyên lý khối xử lý E2 OPTIMUX-4E1 163 Hình 4.11. Sơ đồ nguyên lý khối thu phát quang OPTIMUX-4E1 164 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn OPTIMUX-4E1 165 Hình 4.13. Cấu hình mạng chung 166 Hình 4.14a,b Một số sơ đồ ứng dụng thiết bị theo cấu trúc điểm-điểm 166 Hình 4.14c. Một số sơ đồ ứng dụng thiết bị theo cấu trúc điểm-điểm 167 Hình 4.15. Giản đồ ghép theo thời gian 167 Hình 4.16. Cấu trúc khung chèn E2 168 Hình 4.17. Cấu trúc khung chèn E3 169 Hình 4.18. Sơ đồ khối thiết bị PDH 16E1 170 Hình 4.19. Sơ đồ khối giao tiếp luồng 170 Hình 4.20. Sơ đồ khối khối thu phát quang 172 Hình 4.21. Sơ đồ nguyên lý khối ghép tách kênh và xử lí tín hiệu ghép kênh bằng FPGA 173 Hình 4.22. Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp luồng 173 Hình 4.23. Sơ đồ nguyên lý khối thu phát quang 174 Hình 4.24. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 174 Hình 4.25. Sử dụng thiết bị theo cấu hình điểm-điểm 176 Hình 4.26. Sử dụng thiết bị theo cấu hình ring có xen/rẽ 176 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 MỞ ĐẦU Mạng thông tin quang sợi (TTQ) của Việt nam hiện đang được mở rộng và hiện đại hóa rất nhanh theo từng năm. Các mạng thông tin quang đường trục của các Hãng khai thác viễn thông lớn trong nước đều đã nâng dung lượng truyền-thu lên hàng chục Gigabít/giây khi sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM. Gần đây nhất, mạng TTQ của VietTel đã được nâng cấp lên dung lượng đến 400 Gb/s sử dụng ghép 40 bước sóng trong một sợi quang với tốc độ bít mỗi bước sóng đạt 10 Gb/s. Khi mạng TTQ đường trục đã sử dụng các công nghệ hiện đại vào bậc nhất trên thế giới, vấn đề nghiên cứu làm chủ các cơ chế vận hành của mạng, bảo trì và sửa chữa các thiết bị sử dụng trong mạng và từng bước tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo các thiết bị và linh kiện thông tin quang phục vụ cho các mạng nhánh sẽ mở rộng trong thời gian tới đã trở nên rất cấp thiết. Đề tài với mục tiêu nghiên cứu công nghệ chế tạo một số linh kiện và thiết bị cơ bản cho các tuyến thông tin quang SDH-STM1 với tốc độ 155Mb/s, trong đó thiết bị truy nhập toàn quang cấp luồng NxE1và khuếch đại quang là các thiết bị dự kiến có nhu cầu sử dụng cao trong quá trình phát triển và mở rộng mạng TTQ nhánh. Trong tình hình công nghệ chế tạo thiết bị TTQ ở trong nước chưa được phát triển, các mục tiêu nghiên cứu công nghệ chế tạo thiết bị của đề tài KC.01-06/06-10 có khả năng mang lại hiệu quả tốt, đặc biệt có ý nghĩa quan trọng cho các mạng thông tin quang phục vụ an ninh quốc phòng là các mạng thông tin yêu cầu có độ bảo mật cao. Đề tài có 4 mục tiêu cụ thể nhằm nghiên cứu công nghệ chế tạo một số linh kiện, thiết bị thu phát tín hiệu quang, truy nhập mạng quang và khuếch đại quang sử dụng trong tuyến thông tin quang SDH thử nghiệm với tốc độ 155 1 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 Mb/s. Đề tài đã phân công cụ thể các nội dung nghiên cứu công nghệ cho các cơ quan tham gia đề tài, cụ thể như sau: + Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam chịu trách nhiệm nghiên cứu công nghệ chế tạo thiết bị khuếch đại quang, bao gồm cả khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) và khuếch đại quang bán dẫn (SOA), đáp ứng được các yêu cầu sử dụng trên tuyến thông tin quang hiện tại với tốc độ từ 155 Mb/s đến 2,5 Gb/s. Kết hợp với Cục Kỹ thuật, Bộ Tư lệnh Thông tin khảo sát và đưa tuyến thông tin quang thử nghiệm SDH-STM1(tốc độ 155 Mb/s) vào hoạt động. + Trung tâm Quang điện tử, Viện Ứng dụng công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ chịu trách nhiệm nghiên cứu công nghệ chế tạo mô-đun thu phát tín hiệu quang tốc độ 155-622 Mb/s sử dụng trong các thiết bị truy nhập toàn quang, bước đầu tìm hiểu thiết kế các mô-đun thu phát tín hiệu quang tốc độ 2,5 Gb/s. + Cục Kỹ thuật, Bộ Tư lệnh Thông tin Liên lạc, Bộ Quốc phòng chịu trách nhiệm nghiên cứu công nghệ chế tạo thiết bị truy nhập quang 4xE1 và 8xE1 sử dụng trong mạng toàn quang + Cục Kỹ thuật, BTLTTLL xây dựng tuyến thông tin quang thử nghiệm SDHSTM1 độ dài đến 70 km, Viện KHVL kết hợp khảo sát và đưa tuyến thông tin quang thử nghiệm vào hoạt động. Báo cáo tổng kết này sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu chính đã đạt được của đề tài theo các nội dung đã được phân công cho các đơn vị tham gia đề tài. Các cơ chế vật lý và công nghệ của các thiết bị, linh kiện quang-điện tử và quang tử và các nghiên cứu chi tiết về công nghệ chế tạo thiết bị và linh kiện đã đăng ký và đạt được sẽ trình bày ở các phần chuyên đề sản phẩm của đề tài. 2 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 CHƯƠNG 1 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM I.1. Tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu cho công nghệ chế tạo khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) Nguyên lý hoạt động của các bộ khuếch đại quang nói chung đều dựa trên các cơ sở vật lý sau: • Có môi trường khuếch đại quang (Pra > Pvào); • Có nguồn bơm (điện, quang…). Hiện nay có ba loại khuếch đại quang đang sử dụng trong các mạng thông tin quang sợi là: khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier – EDFA), khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier – SOA) và khuếch đại quang sử dụng môi trường tán xạ Raman cưỡng bức (Raman Optical Amplifier –ROA). Trên cơ sở vật lý, môi trường khuếch đại quang đều phải tuân thủ các yêu cầu sau đây : + Tốc độ bức xạ cưỡng bức tại bước sóng khuếch đại Rstim (λ) phải lớn hơn tốc độ hấp thụ Rabs (λ) tại bước sóng đó. + Để có điều kiện Rstim (λ) > Rabs (λ), mật độ nguyên tử N2 trên mức năng lượng kích thích E2 phải lớn hơn mật độ nguyên tử N1 ở mức năng lượng cơ bản E1. Trạng thái phân bố ion trong môi trường này được gọi là trạng thái đảo mật độ phân bố. Để môi trường có trạng thái đảo mật độ phân bố, ta phải phá vỡ trạng thái cân bằng nhiệt bằng phương pháp sử dụng hệ 3 hoặc 4 mức năng 3 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 lượng (trong các môi trường phân tử) hoặc bằng phương pháp pha tạp suy biến nặng trong bán dẫn và sử dụng chuyển tiếp p-n. + Các ion Erbium có hệ các mức năng lượng 4I15/2; 4I13/2 ; 4I11/2; 4I9/2 ..., trong đó chuyển dời phát xạ giữa mức siêu bền 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2 cho hiệu suất phát xạ cao, phù hợp với vùng có suy hao quang thấp nhất trong sợi quang (1550nm),vì vậy ion Erbium được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi trong khuếch đại quang và laser cho thông tin quang. + Sợi quang là môi trường truyền dẫn quang lý tưởng hiện nay với hệ số suy hao thấp (α < 0,2 dB/km tại bước sóng 1550 nm), vì vậy sợi quang pha tạp Erbium được nghiên cứu chế tạo từ ngay thời điểm phát hiện phát xạ mạnh của ion Erbium tại vùng sóng 1550 nm (năm 1987). + Hệ số khuếch đại quang phụ thuộc vào nồng độ các tâm hoạt tính quang trong môi trường, vì vậy với nồng độ càng cao ta nhận được hệ số khuếch đại càng lớn. Tuy nhiên, đa số các ion đất hiếm trong họ Lanthanide có độ hoà tan rất thấp trong thuỷ tinh SiO2, vì vậy khi pha tạp mạnh chúng sẽ tụ đám (clustering) và gây ra hiệu ứng dập tắt phát xạ (quenching) làm giảm hệ số khuếch đại của môi trường khuếch đại. + Xu hướng tìm kiếm các công nghệ làm tăng nồng độ Er pha tạp trong thuỷ tinh SiO2 nhưng không có tụ đám đã được nghiên cứu từ những năm 90 của thế kỷ trước, và hiện nay vẫn đang tiếp tục tiến hành. Nghiên cứu công nghệ chế tạo khuếch đại quang sử dụng trong mạng thông tin quang nói chung đều phải thu được các thông số chủ yếu sau đây : • Hệ số khuếch đại G của thiết bị; • Băng tần khuếch đại trong dải bước sóng ∆λ (hoặc tần số ∆ν); • Công suất ra bão hoà Psatoutput của khuếch đại; 4 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 • Thông số tạp âm (Noise Figure –NF) của bộ khuếch đại; Ngoài ra, khuếch đại quang hoạt động trong tuyến thông tin quang thực cần nêu được các thông số hoạt động theo yêu cầu thực tế sau đây: + Độ ổn định của khuếch đại trong quá trình hoạt động; + Thời gian hoạt động (thời gian sống danh định) của bộ khuếch đại; + Kiểm soát và điều hành bộ khuếch đại trong một mạng thông tin chung; + Giá thành bảo trì, sửa chữa, thay thế và tương thích của thiết bị. Các yêu cầu về khuếch đại quang đã nêu ở trên sẽ là đối tượng nghiên cứu chi tiết của đề này này với mục tiêu hoàn thiện công nghệ chế tạo EDFA sử dụng trên tuyến thông tin quang theo tiêu chuẩn ITU-G662. I.2. Sơ lược về tính chất quang của ion Erbium trong thủy tinh Do sợi quang chế tạo bằng vật liệu thủy tinh, vì vậy các nghiên cứu về thủy tinh pha tạp Erbium đã được quan tâm nghiên cứu ngay từ thời điểm nghiên cứu phát triển EDFA. Vấn đề nghiên cứu thủy tinh không nằm trong nội dung của đề tài này, tuy nhiên để nghiên cứu công nghệ chế tạo EDFA có hiệu quả cao rất cần có các kiến thức về tính chất quang của ion Erbium trong thủy tinh, đặc biệt là thủy tinh SiO2 là vật liệu chủ yếu cho chế tạo sợi quang thông tin. I.2.1. Các mức năng lượng của ion Er3+ tự do Cấu hình điện tử của ion Er3+ là [Xe] 4f11, số điện tử trên lớp 4f là 11, các ion Er3+ có bán kính quỹ đạo của các điện tử lớp 5s2 và 5p6 nằm bên ngoài bán kính quỹ đạo của lớp 4f. Tương tác của ánh sáng với ion Er3+ chỉ liên quan đến các điện tử hóa trị thuộc lớp 4f, nhưng với sự che chắn của các điện tử nằm bên ngoài thuộc lớp 5s2 và 5p6 nên các ion Er3+ tương tác khá yếu với trường tinh 5 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 thể. Từ đó các ion Er3+ có tính ion tự do khá rõ rệt và tính chất quang của ion Er3+ ít phụ thuộc vào vật liệu nền. Do ion Er3+ tương tác yếu với vật liệu nền, nên ta có thể xem chúng là ion tự do và trường tinh thể của vật liệu nền tham gia như một nhiễu loạn bé, Hamiltonian của ion Er3+ tự do là Hion tự do = Htrường trung tâm + Hlực tĩnh điện + Hspin – quỹ đạo, số hạng Hlực tĩnh điện mô tả tương tác Coulomb của các điện tử lớp 4f và số hạng Hspin – quỹ đạo mô tả tương tác spin - quỹ đạo của các điện tử, hai số hạng Hlực tĩnh điện và Hspin – quỹ đạo sẽ quyết định cấu trúc các mức năng lượng của ion Er3+ tự do. Khi chưa xét đến trường tinh thể, các mức năng lượng của ion Er3+ tự do là 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S3/2, 2H11/2 được phân bố như trên hình 1. Do số điện tử trên lớp 4f là lẻ nên moment toàn phần J của ion Er3+ luôn luôn là bán nguyên, độ suy biến của mỗi mức năng lượng là g = 2J+1. Chúng ta sẽ nghiên cứu chi tiết hơn các chuyển dời phát xạ giữa hai mức 4 I15/2 và 4I13/2 liên quan đến quá trình khuếch đại quang trong vùng bước sóng 1550 nm. Trước hết là chuyển dời phát xạ do lưỡng cực điện (electric dipole: ED) giữa hai mức 4I13/2 và 4I15/2 của ion Er3+ là bị cấm, bởi vì toán tử lưỡng cực điện có đối xứng lẻ, trong khi đó cả hai trạng thái 4I13/2 và 4I15/2 đều có đối xứng chẵn do cùng có moment quỹ đạo L = 6. Tuy nhiên do tương tác của ion Er3+ với trường tinh thể, với sự đóng góp của các dao động đối xứng lẻ của mạng thủy tinh và sự pha trộn các hàm sóng của điện tử lớp 4f với điện tử thuộc lớp khác (như 5d), khả năng chuyển dời phát xạ lưỡng cực điện có thể xảy ra nhưng với xác suất bé. Như vậy tương tác của photon với ion Er3+ pha tạp trong thủy tinh sẽ xảy ra theo các dạng: phát xạ lưỡng cực từ (magnetic dipole: MD), phát xạ tứ cực điện (electric quadrupole: EQ) và phát xạ lưỡng cực điện (ED) với xác suất bé. 6 Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước mã số KC.01-06/06-10 Hình 1.1. Các mức Stark của ion Er3+ pha tạp trong thủy tinh. Cường độ chuyển dời lưỡng cực điện lớn hơn các chuyển dời khác rất nhiều, tỉ lệ của các cường độ chuyển dời ED:MD:EQ là 1:10-5:10-6. Bởi vì chuyển dời phát xạ lưỡng cực điện từ mức 4I13/2 về mức cơ bản 4I15/2 có xác suất bé nên thời gian sống của ion Er3+ nằm ở mức 4I13/2 rất lớn τ ~ 10 ms. I.2.2. Sự tách mức do hiệu ứng Stark khi pha tạp Er3+ trong thủy tinh Khi pha tạp ion Er3+ vào thủy tinh, tương tác của ion với trường tinh thể là khá yếu so với tương tác tĩnh điện và tương tác spin – quỹ đạo. Nhiễu loạn do trường tinh thể làm cho các mức năng lượng của ion Er3+ tự do khử suy biến và tách thành các mức con nằm gần nhau như sơ đồ trên hình 1.1, các mức con có năng lượng cách nhau cỡ 50 cm-1 và thường được gọi là các mức Stark. Trong lĩnh vực khuếch đại quang vùng bước sóng 1550 nm chúng ta chỉ quan tâm nghiên cứu sự tách mức của hai mức 4I15/2 và 4I13/2. Theo lý thuyết, khi 7