Khuếch đại quang

mơc lơc I Tỉng quan vỊ hƯ thèng th«ng tin quang II Kü thuËt khuếch đại quang 10 Giới thiệu sơ lợc kỹ thuật khuếch đại quang 10 Các tiêu chuẩn hệ thống sử dụng khuếch đại 13 Khuếch đại laser bán dẫn (SLA) 15 3.1 Bộ khuếch đại Febry- Perot 17 a Dải thông 3dB 18 b Sù b·o hoµ hƯ sè khuếch đại 19 3.2 Bộ khuếch đại sóng chạy TWA 20 a Dải thông 3dB 20 b Hệ số khuếch đại bÃo hoà 20 c Xuyên âm 20 Khuếch đại quang sợi 22 Nghiên cứu khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 23 5.1 Cấu trúc cña modul EDFA 23 5.2 Nguyên lý hoạt động EDFA 27 Thuật ngữ viết tắt AGC AP APC ASE BA BER DCF DSF EDF EDFA Automatic Gain Control Apotaption Function Automatic Power Control Amplifier Spontaneous Emission Booster amplifier Bit Error Rate Dispersion Compensation Fiber Dispersion Shifted Fiber Erbium DopedFiber Erbium DopedFiber Amplifier FPA ICI LA NF OA OAN ODN OFA OFDM Febry- Perot amplifier Interchannel interferent Line amplifier Noise Figure Optical amplifier optical access network Optical Distribution Network Optical Fiber Amplifier Optical Frequency Division Multiplexing ONU OLT OTDM OXC OI PA PON SLA SONET TWA WADM WC WDM Optical Network Unit Optical Line Termination Optical Time Division Multiplexing Optical Cross Connection Optical Isolation Pre- amplifier Passive Optical Network Semiconductor Laser Amplifier Synchronous Optical Network Travel Wavelength amplifier Wavelengh Add-Drop Multiplexer Wavelength conersion Wavelength Division Multiplexer Tự động điều chỉnh khuếch đại Chức thiết lập Tự động điều chỉnh công suất Khuếch đại xạ tự phát Khuếch đại công suất Tỷ lệ lỗi bít Sợi bù tán sắc Sợi quang tán sắc dịch chuyển Sợi quang pha tạp Erbium Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium Khuếch đại Febry- Perot Nhiễu xuyên kênh Khuếch đại đờng truyền Hình ảnh nhiễu Khuếch đại quang Mạng truy nhập quang Mạng phân phối quang Khuếch đại quang sợi Ghép kênh phân chia theo tần số Khối mạng quang Đầu cuói đờng quang Ghép kênh phân chia theo thêi gian KÕt nèi chÐo quang Bé c¸ch ly quang Tiền khuếch đại Mạng quang thụ động Khuếch đại laser bán dẫn Mạng quang đồng Khuếch đại sóng chạy Bộ xen tách kênh theo bớc sóng Bộ chuyển đổi bớc sóng Ghép kênh phân chia theo bớc sóng Chơng I : Kỹ Thuật khuếch đại quang sợi I Tổng quan vỊ hƯ thèng th«ng tin quang Th«ng tin quang có tổ chức hệ thống tơng tự hệ thống thông tin khác thành phần hệ thống thông tin quang tuân thủ theo hệ thống thông tin chung Đây nguyên lý mà loài ngời đà sử dụng từ thời kỳ khai sinh hình thức thông tin , tín hiệu cầu truyền đợc phát vào môi trờng truyền dẫn tơng ứng, đầu thu thu lại tín hiệu cầu truyền Đối với hệ thống thông tin quang môi trờng truyền dẫn sợi dẫn quang ,nó thực truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tia từ phía phát tới phía thu Vào năm 1960, việc phát minh Laserddeer làm nguồn phát quang đa mở thời kỳ có ý nghÜa rÊt to lín lÞch sư cđa kü thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng Theo lý thuyết cho phép thực thông tin với lợng kênh lớn vợt nhiều lần hệ thống Viba có Hàng loạt thực nghiệm thông tin bầu khí đợc tiến hành sau Một số kết thu đợc nhng tiÕc r»ng chi phÝ qu¸ tèn kÐm, kinh phÝ tËp trung vào sản xuất thiết bị để vợt qua đợc cản trở điều kiện thời tiết (ma, tuyết ) gây lớn, vậu cha thu hút đợc ý mạng lới Các sợi dẫn quang lần đợc chế tạo suy hao lớn (khoảng 1000ds/Km),đà tạo đợc mô hình hệ thống có xu hớng linh hoạt khả thi Tiếp theo KAO,Hockman Werts năm 1966 đà nhận thấy suy hao cua sợi quang tạp chất có vật liệu chế tạo Những nhận định đà đợc sáng tỏ Kapron,Keck Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20ds/Km vào năm 1970 Suy hao cho phép tạo cự ly truyền dẫn tơng đơng với hệ thống truyền dẫn cáp đồng Với cố gắng sợi dẫn quang có suy hao nhỏ lần lợt đời Đầu năm 1980, hệ thống thông tin sợi dẫn quang đà đợc phổ biến rộng với vùng bớc sóng làm việc 1300nm Và sợi dẫn quang đà đạt tới mức suy hao nhỏ khoảng 0,154ds/Km bớc sóng dài 1550nm cho thấy phát triển mạnh mẽ công nghệ sợi quang hai thập niên qua Giá trị suy hao đà gần đạt tới mức tính toán lý thuyết cho sợi quang đơn mốt 0,14ds/Km Cùng với sợi quang, công nghệ chế tạo nguồn phát thu quang đà tạo hệ thống thông tin quang với u điểm trội hẳn so với hệ thống thông tin kim loại là: - Suy hao truyền dẫn - Băng tần truyền dẫn lớn - Không bị ảnh hởng nhiều điện từ - Có tính bảo mật tín hiệu thông tin - Có kích thớc trọng lợng nhỏ - Sợi có tính cách điện tốt - Tin cậy linh hoạt - Sợi đợc chế tạo từ vật liệu có sẵn Do u điểm mà hệ thống thông tin quang đợc áp dụng rộng rải mạng lới Chúng xây dựng làm tuyến đờng trục trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài, truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt đáp ứng môi trờng lắp đặt từ nhà, cấu hình thiết bị xuyên lục địa, vợt đại dơng Các hệ thống thông tin quang phù hợp cho truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dới dạng ghép kênh nào, tiêu chuẩn từ Châu Âu Bắc Mỹ Nhật Bản Ngoài luồng tốc độ có tiêu chuẩn phát triển năm gần gọi SONET (Synchronous Optical Network), tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn khác, xác ®Þnh cÊu tróc khung ®ång bé ®Ĩ gưi mét l−u lợng ghép kênh số sợi quang Hiện hệ thống thông tin quang đà đợc ứng dụng rộng rÃi giới, chúng đáp ứng đợc tín hiệu tơng tự (Analog) số (digital), chúng cho phép truyền dẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp băng rộng, đáp ứng nhu cầu mạng số hóa liên kết đa dịch vụ (ISDN) Số lợng cáp quang đợc lắp đặt giới với số lợng lớn, đủ tốc độ truyền dÉn víi c¸c cù ly kh¸c nhau, c¸c cÊu tróc mạng đa dạng Nhiều nớc lấy cáp quang làm môi trờng truyền dẫn cho mạng viễn thông Các hệ thống thông tin quang mũi đột phá tốc độ, cự ly truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao * Bảng tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu Nhật Bản Phân cấp Khối Bắc Mỹ Tốc độ bit Số kênh Mbit/s thoại 1,544 24 6,312 Khối Châu Âu Tốc độ bit Nhật Bản Số kênh Tốc độ bit Số kênh thoại Mbit/s tho¹i 2,048 30 1,544 24 96 8,448 120 6,312 96 Mbit/s 44,736 672 34,368 480 32,064 480 274,176 4032 139,264 1920 97,728 1440 274,176 4032 565,184 7680 396,200 5760 - Cấu trúc thành phần tuyến truyền dẫn quang Nhìn chung, hệ thống thông tin quang thờng phù hợp cho việc truyền dẫn tín hiệu số hầu hết trình phát triển hệ thống thông tin quang theo hớng Theo quan niệm thống đó, ta xét cấu trúc tuyến thông tin gồm thành phần sau: - Phần phát quang - Cáp sợi quang - Phần thu quang Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điện điều khiển liên kết với Cáp quang bao gồm sợi dẫn quang lớp bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trờng bên Phần thu quang tách sóng quang mạch khuếch đại, tái tạo tín hợp thành Ngoài thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang có nối quang Counetor, mối hàn, nối quang, chia quang trạm lặp Tất tạo nên tuyến thông tin quang hoàn chỉnh Bộ phát quang Tín hiệu điện vào Bộ nối quang Nguồn phát quang Mạch điều khiển Mối hàn sợi Sợi dẫn quang Trạm lặp Bộ chia quang Thu quang Mạch điện Các thiết bị khác Phát quang Bộ thu quang Tín hiệu điện Đầu thu quang Khuếch đại quang Chuyển đổi tín Khuếch đại Hình 1.1: Sơ ®å tỉng quan tun th«ng tin quang II Kü tht khuếch đại quang Giới thiệu sơ lợc kỹ thuật khuếch đại quang Nh ta đà biết, tun th«ng tin quang trun thèng cù ly trun dẫn dài tới mức phân bổ suy hao không thoả mÃn, suy hao vợt tuyến công suất dự phòng cần phải có trạm lặp để khuếch đại tín hiệu đờng truyền Các trạm lặp thực khuếch đại tín hiệu thông qua 10 trình biến đổi quang - điện điện quang Nh− vËy cã nghÜa lµ tÝn hiƯu quang rÊt u truyền xa đợc đợc trạm lặp thu lại biến đổi thành tín hiệu điện, sau tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian tái tạo, tái tạo lại dạng tín hiệu điện lại biến đổi tín hiệu quang đủ lớn để truyền lên đờng truyền Với phát triển khoa học công nghệ, ngời ta thực đợc trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua trình biến đổi tín hiệu điện, gọi kỹ thuật khuếch đại quang Kỹ thuật khuyếch đại quang vừa đời đà khắc phục đợc nhiều hạn chế trạm lặp nh băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hởng nhiễu điện việc phát triển ứng dụng khuếch đại quang vào hệ thống thông tin quang đa ý tởng lớn cho trình phát triển tuyến thông tin hoàn toàn ding khuếch đại quang từ tiến tới phát triển mạng toàn quang Khuếch đại quang đợc đặt phần khác cua rhệ thống thông tin Tuỳ thuộc vào vùng lắp đặt khuếch đại tuyến truyền dẫn mà khuếch đại quang đợc sử dụng nh : + Khuếch đại công suất + Khuếch đại đờng truyền + Khuếch đại thu Khuếch đại công suất : Bộ khuếch đại đặt sau nguồn sáng để khuếch đại công suất tín hiệu truyền Nó đợc sử dụng nguồn sáng có công xuất bị giới hạn Khuếch đại thu: Ngợc với khuếch đại công suất, khuếch đại công suất tín hiệu thu yếu trớc vào tách sóng Khuếch đại đờng truyền: khoảng cách truyền dài số khuếch đại đờng truyền phải đợc sử dụng Trong trờng hợp này, khuếch đại quang đợc đặt có chu kì tuyến truyền dẫn Đối với sợi quang Soliton xung ánh sáng đợc truyền không cần mở rộng, khuếch đại ®−êng trun ®−ỵc sư dơng ®Ĩ cung cÊp mét møc công suất nhỏ cho sợi quang phi tuyến 11 Có nhiều xu hớng nghiên cứu khuếch đại quang, thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính: + Các khuếch đại Laser bán dẫn SLA + Các khuếch đại quang sợi OFA Đặc điểm khuếch đại quang đợc thể qua bảng sau: Thuộc tính Khuếch đại Laser FPA Khuếch đại Laser TWA Khuếch đại quang sợi Nguyên lý Bức xạ từ nghịch đảo Bức xạ từ nghịch đảo Bức xạ từ nghịch đảo độ tích luỹ môi trờng độ tích luỹ môi trờng độ tích luỹ môi trờng Công suất 11 1-3G >5T 0.5-4T HƯ sè t¹p 6-9 5.2 3-5 ©m dB Suy hao ghÐp Lín Lín Nhá TE-mode TE-mode TE-mode 25-30 20-30 40-50 b·o hoµ lèi (dB) Băng tần khuếch đại (Hz) vào sợi Phân cực tín hiệu Hệ số khuếch đại tuyến tính dB 12 Bớc sóng công tác 1.3- 1.3- 1.55àm Dòng/ công suất 1.55àm 10mA 100mA bơm 1.521.57àm 20100mW Nhiễu xuyên Lớn Lớn Bỏ qua kênh Các tiêu chuẩn hệ thống sử dụng khuếch đại : Nh ta đà biết công suất bÃo hoà nhiễu xuyên kênh u tè quan träng c¸c hƯ thèng sư dơng khuếch đại quang Dới số tiêu chuẩn thiết kế khuếch đại quang: Khuếch đại công suất cao: Đạt đợc công suất cao mục đích việc thiết kế khuếch đại quang Tuỳ theo công suất đầu vào mà công suất đạt đợc 10-30dB Nhng khuếch đại bÃo hoà làm giảm độ khuếch đại công suất đầu vào tăng Hiệu suất bơm cao: công suất bơm theo nhu cầu tỉ lệ với độ khuếch đại yêu cầu Để đạt đợc độ khuếch đại lớn công suất bơm nhỏ phỉa có hiệu suất bơm cao Yêu cầu dẫn tới sụ phát triển khuếch đại quang sợi pha tạp đất EDFA, EDFA vợt trội hệ trớc chúng dựa sở hiệu ứng tán xạ Raman kích thích Một EDFA điển hình có hiệu suất bơm từ 6-10dB/mW Hiệu ứng bÃo hoà thấp: khuếch đại bÃo hoà không đáng quan tâm khuếch đại bán dẫn nhng quan trọng khuếch đại quang sợi Băng tần rộng: khuếch đại quang khuếch đại băng tần rộng điều mong muốn lý quan trọng: thứ đợc sử dụng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu bớc sóng khác Điều quan träng víi kü tht ghÐp kªnh theo b−íc 13 sãng WDM Thứ là, băng tần rộng, độ khuếch đại khuếch đại nhạy cảm bớc sóng tín hiệu vào Điều cho phép hệ thống truyền dẫn tránh đợc trôi bớc sóng Không phụ thuộc vào sụ phân cực: nói chung, khuếch đại công suất cũgn phụ thuộc vào phân cực ánh sáng vào Đây nguyên nhân gây hệ số giam cầm lỗ trống khác độ phân cực khác Để khắc phục vấn đề hai khuếch đại đợc kết hợp với nh sau: Hình 1.2: Khuếch đại không phụ thuộc phân cực sử dụng khuếch đại riêng biệt cho bớc sóng phân cực trực giao Nhiễu bổ sung thấp: xạ phát bên kênh khuếch đại nên khuếch đại quang làm tăng thêm nhiều tín hiệu vào Hơn nữa, độ khuếch đại khuếch đại, nhiễu xạ phát đợc khuếch đại Nhiễu nhiễu xạ phát, thêm vào mức suy hao nhỏ dB Do khuếch đại không đợc thiết kế phù hợp mức suy hao công suất làm cho nhiễu ASE tăng lên Xuyên kênh thấp: khuếch đại quang đợc sử dụng để khuếch đại nhiều tín hiệu vào bớc sóng khác nhau, nhiễu xuyên kênh quan trọng để chắn nhiễu từ tín hiệu sang tín hiệu khác Nếu hệ số khuếch đại khuếch đại không phụ thuộc vào tổng công suất tín hiệu vào sữ nhiễu xuyên kênh ICI (Interchannel interferent) xuyên kênh (crosstalk) Tuy nhiên, 14 khuếch đại bÃo hoà nên độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất tín hiệu vào Kết là, công suất kênh giảm, kênh khác có công suất lớn dẫn đến ICI xuyên kênh Thực tế, công suất trung bình tín hiệu vào không đổi, có công suất tức thời chúng thay đổi cờng độ điều chế Vì vậy, độ khuếch đại khuếch đại không tăng tức theo công suất tín hiệu vào khuếch đại công suất phải không đổi điều chế cờng độ Bộ EDFA dáp ứng đợc điều kiện hạt mang điện tồn lâu trạng thái kích thích siêu bền Bớc sóng công tác phù hợp: nh ta đà biÕt cã hai b−íc sãng quan träng sư dơng truyền dẫn quang 1300nm 1550nm Tại bớc sóng 1300nm tán sắc sợi nhỏ 1550nm suy hao sợi nhỏ Vì khuếch đại giải đợc vấn đề suy hao nên ngời ta thờng sử dụng khuếch đại bớc sóng 1300nm Nói chung vấn đề sử dụng khuếch đại bán dẫn làm từ hợp chất nhóm III V Nhng EDFA khuếch đại bớc sóng ánh sáng xung quanh bớc sóng 1550nm dải lợng Erbium Suy hao nối thấp: khuếch đại quang đợc sử dụng tuyến thông tin quang, nã bỉ sung thªm suy hao bé nèi Suy hao nối thấp đạt dợc sử dụng kết nối tốt khuếch đại quang sợi quang Để hiểu rõ khuếch đại quang, ta tìm hiểu loại khuếch đại quang sau: Khuếch đại laser bán dẫn (SLA) Các khuếch đại laser bán dẫn có cấu trúc dựa cấu trúc laser bán dẫn thông thờng, có độ sâu rộng vùng tích cực W, độ dày d, dài L số chiết suất N Tính phản xạ bề mặt đầu vào đầu R1 R2 Thiết bị đợc định thiên dới mức ngỡng phát ®Ĩ tr¸nh dao ®éng laser xt hiƯn C¸c vá chèng phản xạ đợc áp dụng vào mặt laser để giảm tính phản 15 xạ Điều làm tăng băng tần khuếch đại tạo đặc tính truyền dẫn phụ thuộc vào thay đổi dòng điện thiên áp, nhiệt độ tính phân cực ánh sáng đầu vào Pout W Hình 1.3: Sơ đồ phác thảo khuếch đại Laser bán dẫn Hai loại khuếch đại SLA khuếch đại Fabry-Perot (FPA) khuếch đại sóng chạy(TWA) Với FPA, hai mặt tinh thể đợc chia tách hoạt động nhngững gơng đầu cuối, phản chiếu phần tạo thành hốc FabryPerot Hệ số phản xạ mặt xấp xỉ khoảng 32% Nhng thay đổi đợc nhờ thay đổi độ rộng màng chất điện môi đợc thêm vào Tín hiệu ánh sáng tới đợc kết hợp hốc đợc khuếch đại liên tiếp nhiều lần gơng phát xạ lại với cờng độ cao Cấu trúc khuếch đại sóng chạy TWA giống hệt FPA ngoại trừ mặt đầu cuối hốc đợc phủ lớp chống phản xạ ngăn cản hồi tiếp bên Do đó, tín hiệu ánh sáng qua thiết bị đợc khuếch đại lần, đợc phát mạnh đầu cuối Do bản, TWA FPA với hệ số phản xạ gơng đầu cuối hai mặt tiến tới 16 Dòng Dòng ánh sáng vào ánh sáng vào Lớp chống phản xạ Hình 1.4 :Cấu trúc loại SLA a Cấu trúc FPA b Cấu trúc TWA 3.1 Bộ khuếch đại Febry- Perot Hình 2.2a mô tảacaus tạo đơn giản khuếch đại FebryPerot Và giả sử hệ số khuếch đại công suất qua lần chuyển tiếp Gs Cờng độ trờng ánh sáng tới hớng vào FPA Ei t1Ei vào hèc Sau mét lÇn di chun qua bé khch đại có chiều dài L, tín hiệu ban đầu t1E1 đợc khuếch đại nhờ môi trờng khuếch đại thành t1 - jkL s êE e gơng bên phải có độ suốt i t2, biên độ tín hiểua sau lần di chuyên r t1t2 - jkL êE e Tín i hiệu phản xạ có biên độ trở lại gơng bên trái, biên độ -2 jkL tr G Ee is Sau phản xạ gơng bên trái, sóng phản xạ -2 jkL đợc khuếch đại thêm lần nhờ môi trờng trr G Ee is khuếch đại vµ ë -2 jkL trr t rG Ee 1 2 s i đầu -2 jkL Điều lặp lại tất Ee gơng bên phải t sóng phản x¹, chóng ta thÊy r»ng tr−êng sÏ bao gåm vô số thành phần đà đợc truyền dẫn Nếu giả sử thời gian qua hốc nhỏ 17 khoảng thời gian trờng tín hiệu tới Ei , trờng Et tổng hợp tất thành phần đà đợc truyền dẫn Ta có: (1 ) : cấp số nhân víi argument( r rrG