nghiên cứu bộ khuếch đại quang và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang wdm

Để tìmhiểu về công nghệ chứa đựng nhiều ưu điểm và tiềm năng này, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu bộ khuếch đại quang và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang WDM ” Nội dung của đề

MỤC LỤC

Mục Lục 1

Danh mục các từ viết tắt 3

Danh mục hình vẽ 6

Danh mục bảng biểu 8

Lời nói đầu 9

Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin quang 11

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 11

1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 12

1.2.1 Bộ phát quang 13

1.2.2 Bộ thu quang 13

1.2.3 Cáp sợi quang 13

1.2.4 Các thành phần khác 14

1.3 Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang 14

1.3.1 Cấu tạo sợi quang 14

1.3.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang 15

1.4 Phân loại sợi quang 17

1.4.1 Phân loại theo phương pháp truyền sóng 17

1.4.2 Phân loại theo chỉ số chiết suất 18

1.5 Các thông số của sợi quang 18

1.5.1 Suy hao 18

1.5.2 Tán sắc 23

1.6 Ưu nhược điểm của sợi quang 24

1.6.1 Ưu điểm 24

1.6.2 Nhược điểm 25

Chương 2 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDF 26

2.1 Vai trò của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang 26

2.2 Tổng quan về khuếch đại quang 26

2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang 26

2.2.2 Phân loại các bộ khuếch đại quang 29

2.2.3 Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang 30

2.2.4 Khuếch đại quang dùng laser bán dẫn 32

2.2.5 Các bộ khuếch đại quang sợi 35

2.3 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA 41

2.3.1 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA 41

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 43

2.3.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm 45

2.3.4 Hệ số khuếch đại của EDFA 50

2.3.5 Tính toán hệ số khuếch đại của EDFA 55

2.3.6 Phổ khuếch đại của EDFA 57

2.3.7 Tạp âm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA 58

CHƯƠNG 3: Ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông tin quang WDM 63

3.1 Ứng dụng của khuếch đại quang 63

3.2 Các ứng dụng trong hệ thống thông tin quang số 64

3.3 Ứng dụng trong các hệ thống tương tự 66

3.4 Các ứng dụng trong mạng nội hạt (LAN) 68

3.5 Ứng dụng trên hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM

68 3.5.1 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 69

3.5.2 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 71

3.5.3 Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM 73

3.5.4 EDFA thế hệ mới cho hệ thống WDM 75

Kết luận 76

Tài liệu tham khảo 79

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ

ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch

đại

phátCPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha

DC Dispersion Compensator Bộ bù tán sắc

DCF Dispersion Compensator Fiber Sợi bù tán sắc

DCG Dispersion Compensator Grating Cách tử bù tán sắc

DCM Dispersion Compensator Module Module bù tán sắc

DEM Dispersion Equalization Module Module điều chỉnh tán sắc

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển

EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang ErbiumEDSFA Erbium-Doped Silicon-based

Fiber Amplifier

Khuếch đại quang Erbiumdựa trên nền bán dẫn SilicEDTFA Erbium-Doped Tellurite Fiber

Amplifier

Khuếch đại quang Erbiumtrên nền bán dẫn Tellurium

LASER Light Amplication by Stimulate Emission of Radiation

LOA Line Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang đường

truyềnMAN Metropolitan Area Network Mạng nội thị

Repeater

Trạm lặp đa kênh quang

NDSF Non-Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển bằng

không

NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shifted Sợi tán sắc dịch chuyển khác

Fiber không

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quangOAM Optical Amplifier Module Module khuếch đại quang

ODEMUX Optical DEMultiplexing Bộ tách kênh quang

ODU Optical Demultiplexing Unit Đơn vị tách kênh quang

OMU Optical Multiplexing Unit Đơn vị ghép kênh quangOMUX Optical Multiplexing Bộ ghép kênh quang

OPM Optical Performance Monitor Thiết bị giám sát mạng quangOSC Optical Supervisor/Service

Channel

Kênh giám sát quang

OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

OTPM Optical Translator Port Module Module cổng chuyển đổi

quangOTU Optical Translator Unit Đơn vị chuyển đổi quangOXC Optical Cross Connect Bộ nối chéo quang

PDL Polarization Dependence Loss Suy hao phụ thuộc phân cựcPLC Planar Lightwave Circuit Vi mạch quang

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

SNR Signal To Noise Ratio Tỷ số Tín hiệu/Tạp âm

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫnSPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi cáp quang đơn mode

chuẩn

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng

WT Wavelength Transponder Chuyển đổi bước sóng

XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin 11

Hình 1.2: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thông tin quang 12

Hình 1.3: Cấu tạo sợi quang 14

Hình 1.4 : Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng 15

Hình 1.5 : Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 16

Hình 1.6: Sơ đồ phác thảo bộ khuếch đại laser bán dẫn 19

Hình 1.7: Cấu trúc các loại SLA 19

Hình 1.8: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát 20

Hinh 1.9: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS 21

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman 22

Hình 1.11 : Sơ đồ phác họa hiện tượng SBS 22

Hình 1.12: Cấu trúc của EDFA 23

Hình 1.13: Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium 24

Hình 2.1: Các loại dịch chuyển giữa các mức năng lượng 27

Hình 2.2: Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang 29

Hình 2.3: Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA 33

Hình 2.4: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát 35

Hình 2.5: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS 36

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman 37

Hình 2.7: Sơ đồ phác họa hiện tượng SBS 38

Hình 2.8: Cấu trúc của EDFA 42

Hình 2.9: Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium 42

Hình 2.10: Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong lõi sợi EDF 44

Hình 2.11: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép 48

Hình 2.12: Cấu hình bơm thuận 49

Hình 2.13: Cấu hình bơm ngược 49

Hình 2.14: Cấu hình bơm hai hướng 50

Hình 2.15: Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào công suất bơm EDFA 51

Hình 2.16: Quan hệ giữa độ dài EDF, bước sóng bơm với độ khuếch đại 51

Hình 2.17:Độ khuếch đại EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào với ba công suất bơm khác nhau 52

Hình 2.18: Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với các công suất bơm khác nhau 54

Hình 2.19: Độ dốc khuếch đại 55

Hình 2.20: Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA 57

Hình 2.21: Tạp âm phách tín hiệu-tự phát 61

Hình 2.22: Tạp âm phách tự phát- tự phát giữa các thành phần phổ ASE 62

Hình 2.23: Sự phản xạ quang tạo ra nhiễu giao thoa nhiều luồng 62

Hình 3.1: Ứng dụng EDFA làm tiền khuếch đại PA 64

Hình 3.2: ứng dụng EDFA làm khuếch đại công suất BA 65

Hình 3.3: Ứng dụng EDFA làm khuếch đại đường truyền LA 65

Hình 3.4: Mạng tổng thể phát quảng bá CATV dựa trên các hệ thống có EDFA

67 Hình 3.5: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang đơn hướng 70

Hình 3.6: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang hai hướng 71

Hình 3.7: EDFA sử dụng trong hệ thống WDM 73

Hình 3.8: Phổ của tín hiệu quang ở đầu ra hệ thống 74

Hình 3.9: Cấu hình EDTFA 75

Hình 3.10: Ứng dụng của EDFA băng C và băng L trong hệ thống WDM 76

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: So sánh đặc tính cơ bản của các bộ khuếch đại quang 41Bảng 2: So sánh hai bước sóng bơm 980nm và 1480nm 47Bảng 3: Liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 56

LỜI NÓI ĐẦU

Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưavào khai thác trên mạng viễn thông mọi người đều thừa nhận rằng phương thứctruyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải cácdịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại, các hệ thốngthông tin quang với những ưu điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao Đã

có sức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác các hệ thống thông tin quangkhông chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục vàtrung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng củamạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại vàtương lai

Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta đã thấy những thay đổi lớn trongngành công nghiệp viễn thông Ngành công nghiệp viễn thông đã phát triển vượtbậc cho ra đời nhiều loại hình dịch vụ mới đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng caocủa con người Hiện nay, số lượng người sử dụng các dịch vụ viễn thông ngàycàng tăng nhanh Xu hướng phát triển của viễn thông là các loại hình mạng vớidung lượng cao, băng thông rộng, phạm vi hoạt động lớn và có khả năng chốngnhiễu, bảo mật tốt Để làm được điều này mạng truyền dẫn cần phải có sự pháttriển mạng cả về qui mô và trình độ công nghệ

Một trong những nhân tố quan trọng tạo nên bước phát triển đột phá choviễn thông quốc tế là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang và côngnghệ ghép kênh theo bước sóng quang Hệ thống thông tin quang với nhiều ưuđiểm vượt trội, hiện đang là loại dịch vụ được sử dụng phổ biến, nó ngày càngđược phát triển hoàn thiện và có thể đáp ứng được mọi loại hình dịch vụ hiện tại

và tương lai Trong đó việc ra đời và ứng dụng của các bộ khuếch đại trên miềntín hiệu quang dần thay thế các bộ khuếch đại điện trước đó Gần đây đã thựchiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phảithông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào Điều đáng chú ý là bộkhuếch đại quang trộn đất hiếm Erbium EDFA có thể khuếch đại toàn bộ bướcsóng quang trong dải 1525 – 1575 nm mà không cần phải tách từng bước sóng.Tốc độ bit của tuyến đã đạt 100Gb/s và tích BL là 910 Tb/s-km vào năm 2000

Bộ khuếch đại quang EDFA được ứng dụng trên các hệ thống thông tin quangghép kênh theo bước sóng WDM Trong các hệ thống tuyến tính số các bộEDFA có thể được sử dụng làm các bộ tiền khuếch đại PA, các bộ khuếch đạicông suất BA hoặc khuếch đại đường truyền LA Theo các tiêu chuẩn này thiết

bị khuếch đại quang sợi OFA được đặt dọc theo tuyến quang Ngoài ra bộkhuếch đại EDFA còn được ứng dụng trọng nhiều hệ thống khác Trong tươnglai, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hứa hẹn sẽ phát triển hệthống thông tin quang trở nên mạnh mẽ hơn, ngày càng phát triển hơn Để tìmhiểu về công nghệ chứa đựng nhiều ưu điểm và tiềm năng này, em đã thực hiện

đề tài “Nghiên cứu bộ khuếch đại quang và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang WDM ”

Nội dung của đề tài gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về thông tin quang và các bộ khuếch đại quang

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang,nội dung là sự phát triển của hệ thống thông tin quang, và sơ lược về thông tinquang

Chương 2: Khuếch đại quang sợi EDFA

Chương 2 ta đi vào tìm hiểu về các bộ khuếch đại quang sợi, đặc biệt là bộkhuếch đại quang sợi EDFA sẽ được trình bày chi tiết.

Chương 3: Ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông

tin quang WDM

Chương cuối là các ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA, khảnăng phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trên hệ thống thông tinquang WDM

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG VÀ BỘ

KHUẾCH ĐẠI QUANG

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang

Từ xa xưa loài người đã biết truyền tín hiệu, thông tin bằng khói, lửa, …Qua quá trình phát triển các hình thức truyền thông tin ngày càng phát triển trởnên phong phú và hiện đại hơn Ngày nay, thông tin quang nổi lên như là một hệthống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó được phát triển rất nhanh trên mạng lướiviến thông ở nhiều quốc gia trên thế giới Thông tin quang là kỹ thuật truyền tinbằng ánh sang Tại máy phát, thông tin dưới dạng tín hiệu điện được chuyểnthành tín hiệu ánh sang và phát vào đường truyền (sợi quang) Tại máy thu, tínhiệu quang sẽ được biến đổi ngược lại thành tín hiệu điện Về mặt nguyên tắc hệthống thông tin quang cũng tương tự như các hệ thống thông tin khác bao gồmcác thành phần cơ bản như trong hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin.

Thiết

bị thu

Nơi t/h đến

Các hệ thống thông tin khác nhau phân biệt chủ yếu dựa vào môi trườngtruyền Đối với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền chính là sợi quang.

Sự phát triển của hệ thống thông tin quang cũng gắn liền với sự ra đời của sợiquang Vào năm 1960 việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đã mở

ra một thời kì mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụngdải tần số ánh sáng Đây có thể xem là xuất phát điểm của sự ra đời các hệ thốngthông tin quang

Sau năm 1960 các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiếnhành các hoạt động nghiên cứu và phát triển Các công nghệ mới về giảm suyhao truyền dẫn, tăng dải thông về laser bán dẫn được phát triển thành công.Theo bảng 1 thì độ tốn thất của sợi quang đã được giảm đến 0.18 dB/km Dựatrện các công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn giờ đây đã có thể gửi một khốilượng lớn các tín hiệu âm thanh, dữ liệu đến các địa điểm cách xa hàng 100kmbằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần đến các bộ tái tạo.Hiện nay, các hoạt động nghiên cứu nghiêm chỉnh đang được tiến hành tronglĩnh vực được gọi là photon học - là một lĩnh vực tối quan trọng đối với tất cảcác hệ thống thông tin quang, có khả năng phát hiện, xử lý, trao đổi và truyềndẫn thông tin bằng phương tiện ánh sáng Photon học có khả năng sẽ được ứngdụng rộng dãi trong lĩnh vực điện tử và viễn thông trong thế kỷ 21

1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang

Hình 1.2: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thông tin quang

Hệ thống truyền dẫn quang bao gồm các phần tử phát xạ ánh sáng (nguồnsáng), các sợi quang (môi trường truyền dẫn) và các phần tử thu để nhận ánhsáng truyền qua sợi quang (hình 1.2) Dưới đây là các thành phần chính và chứcnăng của hệ thống thông tin quang sợi

1.2.1 Bộ phát quang

Các phần tử chính được chọn để sử dụng là Điôt Laser (LD), Điôt phátquang (LED) và Laser bán dẫn do chúng có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, hiệusuất cao, bảo đảm độ tin cậy, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tươngxứng với kích thước lõi sợi, khả năng điều chế tần số trực tiếp tại các tần số cao

Bộ phát quang là thành phần quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang.Nguồn phát quang thực chất là bộ biến đổi điện – quang Đây là hệ thống thựchiện chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang trước khi truyền đi trên sợidẫn quang, bằng cách đưa nguồn tín hiệu điện vào thực hiện bức xạ quang.Trong thông tin quang cũng có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vàophần tử bức xạ quang Các hệ thống thông tin quang hiện nay phổ biến làm việctheo nguyên lý điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng, một số nơi đã sử dụng hệ

thống có áp dụng kỹ thuật điều chế gián tiếp bằng điều biên, điều pha hoặc điềutần nguồn phát quang.

1.2.2 Bộ thu quang

Các thành phần chính được chọn để sử dụng là điốt quang kiểu thác (APD)

và điôt quang PIN Phần thu quang thực chất là tiếp nhận ánh sáng từ sợi quangđưa đến thực hiện biến đổi trở lại tín hiệu điện và người ta còn gọi phần tử này

là bộ biến đổi quang điện Tín hiệu quang qua bộ biến đổi quang điện, tạo ra tínhiệu điện trước khi đưa vào mạch điều khiển (bộ chuyển đổi tín hiệu) phục hồilại tín hiệu như đã phát ở trạm trước

1.2.3 Cáp sợi quang

Các thành phần chính được chọn để sử dụng là sợi quang đa mode chỉ sốbước, sợi quang đa mode chỉ số lớp và sợi quang đơn mode Cáp sợi quang gồmcác sợi dẫn quang là bằng thủy tinh dùng để truyền dẫn ánh sáng và các lớp vỏbao bọc xung quanh để bảo vệ sợi Cáp sợi quang được dùng để nối hệ thốngtruyền dẫn từ đầu phát đến đầu thu

- Trạm lặp: Được sử dụng để thu tín hiệu quang, khôi phục lại tín hiệu, khử

bỏ tạp âm tích lũy trên đường truyền rồi khuếch đại sau đó phát tín hiệu đi tiếp.Mục đích làm tăng cự ly truyền dẫn

- Khuếch đại quang: thực hiện khuếch đại trực tiếp ánh sáng hay tín hiệunhằm tăng cự ly truyền dẫn

1.3 Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang

1.3.1 Cấu tạo sợi quang

Hình 1.3 : Cấu tạo của sợi quang.

Trong đó: Core là lõi sợi quang

Cladding là lớp vỏ sợi quang

Buffer coating là vỏ bảo vệ (lớp phủ)

Sợi quang giống như một dây dẫn hình trụ trong suốt có tác dụng truyềndẫn ánh sáng Sợi quang có ba lớp, lớp trong cùng là lõi sợi hình trụ được làmbằng vật liệu thủy tinh có chiết suất n1 Bao quanh lõi là lớp vỏ để phản xạ ánhsáng Lớp vỏ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 < n1 Lớp vỏ có thể làthủy tinh hoặc vật liệu trong suốt Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động dođiều kiện bên ngoài, sợi quang còn được đặt thêm một lớp nữa đó là vỏ bảo vệsợi quang (lớp phủ) Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vàosợi, gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị lượn sóng, kéo dãn hoặc cọ sát

bề mặt Lớp vỏ này được gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp

1.3.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang

Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang là dựa vào hiện tượng phản

xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môitrường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn Để tìm hiểu về

sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang ta đi tìm hiểu hai định luật cơ bản củaánh sáng là định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị đổi hướng khi truyền qua mặtphân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau

Phản xạ là hiện tượng tia sáng truyền đi bị phản xạ lại môi trường ban đầukhi gặp bề mặt phản xạ.

Ta xét một ví dụ như sau: Một tia sáng truyền từ môi trường thứ nhất cóchiết suất n1 sang môi trường thứ hai có chiết suất n2 trong đó n1 > n2 (hình 1.4)

Hình 1.4: Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng.

Tia sáng tới mặt phân cách của hai môi trường một phần bị phản xạ, mộtphần bị khúc xạ theo các góc và các tia như ở hình 1.4

Theo định luật phản xạ ánh sáng: Góc phản xạ bằng góc tới: θ = β

Mặt khác tia khúc xạ tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng: n1.sinθ = n2.sinα

Do n1 > n2 nên θ < α Nếu tăng góc tới θ thì góc khúc xạ tăng theo tới một giá trịnào đó mà góc tới θ = θ0 thì góc khúc xạ α = 900 Khi đó tia khúc xạ song songvới mặt mặt phân cách hai môi trường Lúc này θ0 là giá trị tới hạn của góc tới(gọi là góc tới hạn) Lúc này không còn tia khúc xạ nữa Hiện tượng này gọi làhiện tượng phản xạ toàn phần

Góc tới hạn

1

2 0

- Ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn (có chiết suất lớn) sangmôi trường kém chiết quang (có chiết suất nhỏ hơn)

- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.

Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng để truyền dẫn ánh sáng trongsợi quang, nhờ sự phản xạ ánh sáng liên tục trong sợi quang mà thông tin đượctruyền đi từ đầu này tới đầu kia

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần như trên, sợi quang được chế tạogồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất n1 và một lớp vỏ bằng thủy tinh có chiếtsuất n2, với n1 > n2 Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phầnnhiều lần trên mặt tiếp giáp giữa lớp lõi và lớp vỏ (hình 1.5) Do đó ánh sáng cóthể truyền được trong sợi dọc theo cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một

độ cong có giới hạn

Hình 1.5: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.

Góc tới hạn giữa lõi và vỏ sợi quang là θo, do vậy, góc tiếp nhận ánh sángtới hạn θio sẽ thỏa mãn điều kiện:

no.sin θio = n1.sin θro = n1.sin (900 – θo) = n1 cosθo

NA n

n n

n n

n

1

2 2 1

0

2 1

NA i   (1.3)

NA được gọi là độ mở số của sợi quang, θio là góc tiếp nhận ánh sáng cựcđại, nó sẽ tạo thành một hình nón, trong đó các tia sáng đi vào tiết diện của sợiquang với góc θi > θio nằm ngoài hình nó sẽ không truyền trong sợi quang mà đi

ra ngoài vỏ sợi quang Như vậy, chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nón khitruyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi và lớp vỏ, khi đó

tia sáng đi theo đường dích dắc Nếu gọi  là độ lệch chiết suất tương đối giữa

lõi và lớp vỏ thì:

1

2 1

2 1 1

2 2

2

n

n n n n n

1.4 Phân loại sợi quang

Có nhiều loại sợi quang, nó được phân loại theo nhiều cách khác nhau.Dưới đây là 2 cách phân loại chính

1.4.1 Phân loại theo phương pháp truyền sóng

Theo phương pháp truyền sóng thì sợi quang được chia thành hai loại chính

là sợi đơn mode SM (single mode) và sợi đa mode MM (multi mode)

Sợi đơn mode là sợi cho phép nhiều mode truyền trong nó

Sợi đa mode là sợi cho phép nhiều mode truyền trong nó

Các sợi đơn mode đều là những sợi có đường kính rất nhỏ vì điều kiện đơnmode của sợi quang là sợi phải có đường kính nhỏ hơn một giá trị xác định(tương ứng với bước sóng cắt), nếu bước sóng truyền vào nhỏ hơn đường kínhthì không còn là sợi đơn mode

1.4.2 Phân loại theo chỉ số chiết suất

Theo sự biến đổi chỉ số chiết suất sợi quang phân thành hai loại:

- Sợi có chiết suất nhảy bậc SI (step index): là loại sợi có chiết suất biến đổi

từ lõi ra đến vỏ theo những bậc thẳng xác định

- Sợi có chiết suất biến đổi đều GI (Grade index): Là sợi có chiết suất biếnđổi giảm dần từ vỏ vào lõi

1.5 Các thông số của sợi quang

Hai thông số quan trọng của môi trường truyền dẫn là suy hao và tán sắc

1.5.1 Suy hao

a Định nghĩa: Công suất quang truyền tải trong sợi cũng giảm dần theo cự

ly với qui luật hàm số mũ tương ứng như tín hiệu điện Biểu thức của hàm sốtruyền công suất có dạng: z

e P z

P( ) ( 0 ) 10





 (1.5)Trong đó: P(0) là công suất ở đầu sợi (z = 0)

P(z) là công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi

P

P dB

Trong đó: P1= P(0): công suất đưa vào sợi

P2= P(1) là công suất ở cuối sợi

Hệ số suy hao trung bình ( / ) (( ))

km L

dB A km



Trong đó: A là suy hao sợi

L là chiều dài sợi

b Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang

Công suất ánh sáng truyền trên sợi quang bị suy hao do sự hấp thụ của vậtliệu chế tạo sợi quang, sự tán xạ ánh sáng khi gặp các bất đồng nhất và sự khúc

xạ ánh sáng ra lớp vỏ tại chỗ sợi bị uốn cong quá mức

Suy hao do hấp thụ: sự hấp thụ của các tạp chất kim loại

Các tạp chất kim loại trong thủy tinh là một trong những nguông hấp thụnăng lượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp là sắt, đồng, mangan, choromiun,cobra, niken

Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bướcsóng ánh sáng truyền qua nó Với tạp chất một phần triệu thì độ hấp thụ của vàitạp chất như hình dưới

Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có thủy tinhthật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9)

Hình 1.6: Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại.

Sự hấp thụ của ion OH: Các liên kết giữa SiO2 và các ion OH của nước cònsót lại trong vật liệu khi chế tạo sợi quang cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụđáng kể Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm và1400nm (hình 1.7) Như vậy, độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân suyhao sợi quang

Hình 1.7: Sự suy hao hấp thụ của ion OH (với nồng độ 10 -6 ).

Sự hấp thụ bằng tia cực tím và hồng ngoại:

Ngay cả khi sợi quang được chế tạp từ thủy tinh có độ tinh khiết cao, sựhấp thụ vẫn xảy ra Bản than thủy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùngcực tím và hồng ngoại Độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng như hình 1.8

Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụngcác bước sóng dài trong thông tin quang

Hình 1.8: Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại.

Suy hao do tán xạ gồm:

+ Tán xạ Rayleigh: Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặpnhững chỗ bất đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xêp các phần tử thủy tinh,các khuyết tật như bọt khí, các vết nứt sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ Khi kíchthước của vùng bất đồng nhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì chúngtrở thành những nguồn điểm để tán xạ Tia sáng khi gặp những chỗ bất đồngnhất này sẽ bị tán xạ ra nhiều hướng, trong đó chỉ một phần năng lượng ánhsáng tiếp tục truyền theo hướng cũ phần còn lại truyền theo các hướng khácthậm chí truyền ngược lại nguồn quang Độ tiêu hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệnghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng (  4

 ) nên giảm nhanh về phía bướcsóng dài như hình 1.9

Hình 1.9: Suy hao do tán xạ Rayleigh.

Ở bước sóng 850nm, suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silica khoảng 1dB/km-2dB/km, ở bước sóng 1600nm suy hao chỉ khoảng 0.3dB/km và ở bước sóng1550nm suy hao này còn thấp nữa

+ Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo:

Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp vỏ, tiasáng sẽ bị tán xạ Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạkhác nhau Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp vỏ

và suy hao dần

+ Suy hao bị uốn cong:

- Vi uốn cong: khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏthì suy hao của sợi cũng tăng lên Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lếch trụckhi đi qua những chỗ vi uốn cong đó Một cách chính xác hơn, sự phân bốtrường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ uốn cong và dẫn tới sự phát xạ nănglượng ra khỏi sợi Đặc biệt là sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn congnhất là về phía bước sóng dài

- Uốn cong: khi sợi bị uốn cong, góc tới của tia sáng tại chỗ bị uốn cong

sẽ nhỏ hơn góc tới hạn nên một phần tia sáng bị khúc xạ ra ngoài lớp vỏ và bịsuy hao Bán kính uốn cong càng nhỏ đi thì suy hao càng tăng (hình 1.10)

Hình 1.10: Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính cong R.

c Phổ suy hao của sợi quang

Vì các suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng làm việc, nên suyhao tổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng gọi là phổ suy hao củasợi quang Hình 1.11 mô tả phổ suy hao của sợi trong các giai đoạn thời giankhác nhau

Hình 1.11: Phổ suy hao của sợi quang trong các giai đoạn thời gian khác nhau.

Từ phổ suy hao trên ta thấy sợi quang có ba vùng bước sóng có suy haothấp cho phép truyền ánh sáng gọi là ba cửa sổ truyền dẫn của sợi

+ Cửa sổ quang 1: có bước sóng   ( 800  900 )nm

+ Cửa số quang 2: có bước sóng   ( 1270  1370 )nm

+ Cửa sổ quang 3: có bước sóng   ( 1500  1600 )nm

1.5.2 Tán sắc

Tương tự như tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng bịbiến dạng Hiện tượng này được gọi là tán sắc Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệuanalog và làm các xung lân cận bị chồng lần trong tín hiệu digital Sự tán sắclàm hạn chế cự ly và tốc độ bit của đường truyền dẫn quang

Hình 1.12: Dạng xung vào và ra.

a Định nghĩa độ tán sắc: Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu D,

đơn vị (s) được xác định bởi công thức: 2 2

0 i

D   

Trong đó: τ i , τ 0 là độ rộng của xung vào và xung ra, đơn vị là (s)

Độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị ns/km hoặc ps/km sợi ứngvới mỗi nm của bề rộng phổ của nguồn quang lúc đó đơn vị được tính làps/nm.km

b Các nguyên nhân gây ra tán sắc: sợi quang đa mode có đầy đủ các

thành phần tán sắc như sau:

- Tán sắc mode (mode dispersion): do năng lượng của ánh sáng phân tánthành nhiều mode, mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thờigian truyền khác nhau

- Tán sắc thể (chromatic dispersion) bao gồm: tán sắc chất liệu (materialdispersion) và tán sắc ống dẫn sóng(waveguide dispersion)

Tán sắc thể: nguyên nhân do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải làđơn sắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định Mỗi bước sóng lại có vận tốctruyền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau.

Tán sắc mode là do ảnh hưởng của việc truyền theo nhiều đường Hiệntượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode

Hình 1.13: Hệ số tán sắc mode (d mod ) thay đổi theo chiết suất.

Sự phụ thuộc của hệ số tán sắc mode là dmod vào số mũ trong hàm chiết

suất n được biểu diễn trên hình 1.13 Qua đó ta thấy dmod đạt cực tiểu khi n xấp

xỉ 2 và dmod tăng khá nhanh khi n có giá trị khác 2 về hai phía

1.6 Ưu nhược điểm của sợi quang

1.6.1 Ưu điểm

Trong thông tin quang sợi quang, các ưu điểm sau của sợi quang được sửdụng một cách hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thấp và băng thông lớn Thêmvào đó, chúng có thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng(nhỏ), không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnhhưởng của nhiễm cảm ứng sóng điện từ Trong thực tế sợi quang là phương tiệntruyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất đang có hiện nay

Trước hết, vì có băng thông lơn nên nó có thể truyền một khối lượng thôngtin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp thông qua một

hệ thống có cự ly đến 100 Ghz-km Tương ứng bằng cách sử dụng sợi quang,một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể được truyền đếnnhững địa điểm cách xa hàng 100 km mà không cần đến các bộ tái tạo

Thứ hai, sợi quang nhỏ nhẹ và không có xuyên âm Do vậy, chũng có thểđược lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thủy, máy bay và các tòa nhà cao tầngkhông cần phải lắp thêm các đường ống và cống cáp

Thứ ba, vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phí dẫn nên chúngkhông chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và của xung điện từ Vìvậy, chúng có thể sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn Điều đó cónghĩa là nó có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môitrường phản ứng hạt nhân

Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát và chất dẻo – lànhững thứ rẻ hơn đồng nhiều nên nó kinh tế hơn cáp đồng trục nhiều Giá thànhcủa sợi quang sẽ giảm nhanh một khi công nghệ mới được đưa ra Ngoài ra, như

đã đề cập ở trên, do đặc trưng là có độ tổn thất thấp giá thành lắp đặt ban đầucũng như giá thành bảo dưỡng và sửa chữa thấp bởi vì chúng cần ít các bộ táitạo hơn

Ngoài những ưu điểm đã nêu trên, sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao,tuổi thọ dài và có khả năng đề kháng môi trường lớn Nó cũng dễ bảo dưỡng,sửa chữa và có độ tin cậy cao Hơn nữa, nó không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dàikhi cần và có thể chế tạo với giá thành thấp Trong bảng 1.2 chúng ta tổng hợpcác ưu điểm trên Nhờ những ưu điểm này, sợi quang được sử dụng cho cácmạng lưới điện thoại, số liệu/ máy tính, và phát thanh truyền hình (dịch vụ băngrộng) và sẽ được sử dụng cho ISDN, điện lực, các ứng dụng y tế và quân sự,cũng như các thiết bị đo

1.6.2 Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội như trên thì hệ thống thông tin quangcòn có những nhược điểm sau:

- Hiệu suất ghép nguồn quang vào sợi thấp

- Không thể truyền mã lưỡng cực

- Hàn nối sợi quang khó khăn, yêu cầu kỹ thuật cao

- Nếu có khí ẩm, nước lọt vào trong cáp thì sợi quang chóng bị lão hóa, suyhao tăng lên, mối hàn quang nhanh bị hỏng

Những nhược điểm này phần lớn mang tính khách quan và có thể giảiquyết được bằng khoa học công nghệ Tuy nhiên với những ưu điểm vượt trộithì hệ thống thông tin quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và phát triểnnhanh vì những lợi ích thiết thực trong cuộc sống con người

CHƯƠNG 2

KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA

2.1 Vai trò của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang

Như ta đã biết trên các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự li truyềndẫn dài dẫn đến suy hao lớn Khi suy hao truyền dẫn vượt quá giới hạn cho phépthì phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền Nguyên tắchoạt động của các trạm lặp là thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các quátrình biến đổi quang - điện, điện - quang Điều này có nghĩa là khi tín hiệuquang rất yếu không thể truyền đi xa được nữa thì các trạm lặp sẽ thu lại và biếnđổi thành tín hiệu điện sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian, tái tạolại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi trở lại dạng tín hiệu quang để tiếp tụctruyền đi Các trạm lặp này đã được ứng dụng rất rộng rãi và được lắp đặt ởnhiều nơi trên thế giới

Gần đây với sự phát triển của khoa học trong công nghệ thông tin quang,người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng màkhông cần phải qua quá trình biến đổi quang điện nào Điều này có được là nhờ

kỹ thuật khuếch đại quang Các bộ khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được

những hạn chế cơ bản của các trạm lặp như: băng tần, cấu trúc phức tạp, tínhphụ thuộc vào dòng tín hiệu, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện… Nhờ việc

áp dụng các bộ khuếch đại quang vào trong hệ thống thông tin quang đang mở

ra nhiều ý tưởng lớn cho quá trình phát triển hệ thống thông tin dùng khuếch đạiquang từ đó tiến tới các mạng quang hóa hoàn toàn, cho phép mở rộng các dịch

vụ đa truy nhập với tốc độ cao

2.2 Tổng quan về khuếch đại quang

2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang

Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiệndựa trên hiện tượng bức xạ kích thích của Eistein

a Hấp thụ b Phát xạ tự phát c Phát xạ kích thích

Hình 2.1: Các loại dịch chuyển giữa các mức năng lượng.

Theo Eistein, khi nguyên tử của một môi trường vật chất tích cực ở trạngthái cân bằng nhiệt động học với môi trường xung quanh thì các điện tử hóa trịcủa nó nằm ở mức năng lượng thấp E1, lúc này có thể xảy ra ba loại dịch chuyểngiữa mức năng lượng thấp E1 (mức cơ bản) và mức năng lượng cao E2 (mứckích thích) như mô tả trên hình 2.1

- Dịch chuyển hấp thụ (Absorption), hình 2.1.a xảy ra khi điện tử chuyển từmức cơ bản E1 lên mức năng lượng cao hơn E2 khi nguyên tử hấp thụ mộtphoton có năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng (h E2  E1) Số lượngdịch chuyển hấp thụ phụ thuộc vào số điện tử ở mức năng lượng E1 và số photon

có năng lượng h

- Dịch chuyển bức xạ tự phát (Sponateous Emission), hình 2.1.b, xảy ra khimột điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mứcnăng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượng h E2  E1 dưới dạng một

photon ánh sáng Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái nănglượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử Sau mộtkhoảng thời gian được gọi là thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao,các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng tháinăng lượng bền vững ) Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống của điện

do bức xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp Do vậy, bức xạ tự phát được xem

là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang Loại nhiễu nàyđược gọi là nhiễu bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified SponateousEmission noise)

- Dịch chuyển bức xạ kích thích, hình 2.1.c, xảy ra khi một điện tử đang ởtrạng thái năng lượng cao E2 (trạng thái kích thích) bị kích thích bởi một photon

có năng lượng h bằng độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượngcao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (h E2  E1) Khi đó, điện tử sẽchuyển từ trạng thái năng lượng cao E2 xuống trạng thái năng lượng thấp E1 vàbức xạ ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thíchban đầu Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng bức xạ kíchthích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùngphương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp của ánhsáng) Sau đó các photon này lại kích thích gây ra sự dịch chuyển kích thích đốivới các điện tử khác đang ở trạng thái kích thích, kết quả là tạo ra một chùmphoton có tính kết hợp Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại của ánh sángđược thực hiện Hiện tượng bức xạ kích thích được ứng dụng trong các bộkhuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (OFA)

Hiện tượng bức xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser.Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trongcác bộ khuếch đại quang không xảy ra hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng Vìnếu xảy ra quá trình hồi tiếp và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đạiquang sẽ tạo ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không có tín hiệuquang ở đầu vào Nguồn ánh sáng này được xem là nhiễu xảy ra trong các bộkhuếch đại Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánhsáng được đưa vào đầu vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kếthợp của riêng nó ở đầu ra.

2.2.2 Phân loại các bộ khuếch đại quang

Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn nhưhình 2.2

Hình 2.2: Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang.

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn

ra trong một môi trường được gọi là vùng tích cực (Active medium) Các tínhiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tuỳthuộc vào năng lượng được cung cấp từ một nguồn bơm bên ngoài gọi chung lànguồn bơm (Pump Source) Các nguồn bơm này có tính chất như thế nào tuỳthuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác phụ thuộc vào cấu tạo củavùng tích cực Tuỳ theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quanglàm hai loại chính như sau:

Khuếch đại quang bán dẫn SOA ( Optical Semiconductor Amplifier)

- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn

- Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laserbán dẫn Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ởtrạng 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 DFA ( Doped-Fiber Amplifier )

- Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bướcsóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại

- Tuỳ theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơmcủa nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi Một số OFA tiêu biểu:

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 hoặc 100nmTrong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến nhất hiện nay vì cónhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại(1530nm - 1565nm ) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênhtheo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

2.2.3 Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang

a) Hệ số khuếch đại (Gain)

Hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suấtquang ở đầu ra chia cho công suất quang ở đầu vào

G =

in

out

P P

(2.1)

Trong đó: G là hệ số khuếch đại tín hiệu của bộ khuếch đại quang.

Pin, Pout tương ứng là công suất tín hiệu ánh sáng ở đầu vào và đầu racủa bộ khuếch đại quang (mW)

b) Dải thông khuếch đại (Gain Bandwidth)

Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang không bằng nhau cho tất cả cáctần số của tín hiệu quang vào Đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) thểhiện sự phụ thuộc hệ số khuếch đại G của các tín hiệu quang vào tần số

Dải thông khuếch đại của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi điểm

-3 dB so với hệ số khuếch đại đỉnh của bộ khuếch đại Giá trị B0 xác định dảithông của các tín hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại quang Do đó,ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúngnhư các bộ lặp hay bộ tiền khuếch đại

c) Công suất ra bão hoà (Saturation Output Power)

Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở đầu ra sẽ tăngtuyến tính với công suất quang ở đầu vào theo hệ số khuếch đại: Pout = G.Pin Tuynhiên, công suất ở đầu ra không thể tăng mãi được Bằng thực nghiệm, người tathấy rằng trong tất cả các bộ khuếch đại quang, khi công suất đầu vào Pin tăngđến một mức nào đó, hệ số khuếch đại G bắt đầu giảm Kết quả là công suất ởđầu ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ở đầu vào nữa mà đạt trạng tháibão hòa Công suất ở đầu ra tại điểm ở hệ số khuếch đại giảm đi 3dB được gọi làcông suất ra bão hòa Psat,out

Công suất ra bão hoà Psat,out của một bộ khuếch đại quang cho biết côngsuất đầu ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó có thể hoạt động được Thôngthường, một bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao sẽ có công suất ra bãohòa cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải côngsuất vào và ra rộng

d) Hệ số tạp âm (Noise Figure)

Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra tạp

âm Nguồn tạp âm chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát Vì

sự phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ tự phátcũng ngẫu nhiên Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyềncủa các photon tín hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sựdao động về pha và biên độ Bên cạnh đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo racũng sẽ được khuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía đầu ra Do

đó, tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được Pout bao gồm cả côngsuất tín hiệu được khuếch đại và công suất tạp âm phát xạ tự phát được khuếchđại ASE (Amplified Spontaneous Emission )

Pout = G.Pin + PASE (2.3)Ảnh hưởng của tạp âm đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ

số tạp âm NF (Noise Figure ), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR(Signal to Noise Ratio) do tạp âm của bộ khuếch đại thêm vào Hệ số NF đượccho bởi công thức sau:

Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đạiquang còn được đánh giá dựa trên các thông số sau:

- Độ nhạy phân cực: là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại của bộ khuếchđại vào phân cực của tín hiệu

- Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với hệ số khuếch đại và dải thông độ lợi

- Xuyên nhiễu

2.2.4 Khuếch đại quang dùng laser bán dẫn

a Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang bán dẫn SOA(Semiconductor Optical Amplifier) tương tự như laser bán dẫn Nghĩa là cũngdựa vào hệ thống hai dải năng lượng của chất bán dẫn và các quá trình hấp thụ,bức xạ tự phát và bức xạ kích thích Trong đó, tín hiệu quang được khuếch đạidựa trên hiện tượng bức xạ kích thích xảy ra trong vùng tích cực của SOA Vùngtích cực có độ rộng W, độ dày d, chiều dài L, và chỉ số chiết suất N, được đặtgiữa hai lớp bán dẫn loại n và p (hình 2.3) Các bề mặt chống phản xạ được ứngdụng vào laser để giảm tính phản xạ của nó Điều này làm tăng băng tần khuếchđại và tạo ra các đặc tính truyền dẫn ít phụ thuộc vào sự thay đổi của dòng điệnthiên áp, nhiệt độ, và tính phân cực của ánh sáng Nguồn bơm bên ngoài đượccung cấp bởi dòng điện phân cực

Hình 2.3 Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA.

Sự khác nhau chính giữa SOA và laser bán dẫn là SOA hoạt động dướimức ngưỡng dao động Điều kiện này xảy ra khi dòng điện phân cực Ibias < dòngđiện ngưỡng Ith của laser và hệ số phản xạ của hai mặt phản xạ của vùng tích cựcnhỏ Khi đó, quá trình phản xạ, cộng hưởng và tự phát xạ ánh sáng sẽ không xảyra

SOA có thể được phân thành hai loại chính dựa vào hệ số phản xạ của haimặt phản xạ của lớp tích cực Loại thứ nhất, Fabry-Perot FPA (Fabry-Perot

Amplifier) có hệ số phản xạ cao (có thể lên tới 32 %) Cấu trúc của FPA cũngtương tự như laser Fabry-Perot nhưng hoạt động với dòng phân cực Ibias < Ith.với cấu trúc hốc cộng hưởng có hệ số phản xạ cao, quá trình hồi tiếp, chọn lọctần số xảy ra Kết quả là, FPA có hệ số khuếch đại cao nhưng phổ khuếch đạinhấp nhô, không đều Điều này, làm giảm dải thông khuếch đại của FPA đểkhắc phục hạn chế trên của FPA, hai lớp chống phản xạ AR (anti-reflection) có

hệ số phản xạ R = 0, được đặt tại hai đầu của vùng tích cực để không cho quátrình phản xạ xảy ra bên trong bộ khuếch đại Khi đó, tín hiệu vào SOA sẽ đượckhuếch đại khi chỉ đi qua một lần (được gọi là single pass) xuyên qua vùng tíchcực của bộ khuếch đại mà không có hồi tiếp về Đây chính là cấu trúc của loạiSOA thứ hai: khuếch đại sóng chạy TWA (Traveling Wave Amplifier) Trênthực tế, hệ số phản xạ ở hai đầu của vùng tích cực của TWA không hoàn toànbằng 0 mà có giá trị rất nhỏ từ 0.1% đến 0.01%

b Ưu, nhược điểm và ứng dụng của SOA

+ Ưu điểm:

- Hệ số khuếch đại cao: G = (2530)dB

- Kích thước nhỏ, có thể tích hợp với các linh kiện quang bán dẫn khác

- Dải thông lớn, có thể lên tới 100 nm, rộng hơn so với EDFA

- Có thể thực hiện khuếch đại tín hiệu ở cả hai cửa sổ ánh sáng 1300 nm và

1550 nm

+ Nhược điểm:

- Công suất ra bão hoà thấp (khoảng 5mW) hạn chế khả năng của SOA khi

được sử dụng làm bộ khuếch đại công suất

- Hệ số tạp âm cao (57)dB ảnh hưởng đến chất lượng của SOA khi được

sử dụng làm bộ tiền khuếch đại và khuếch đại đường dây

- Phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu quang tới

- Nhiễu xuyên kênh lớn do các hiệu ứng phi tuyến hiệu ứng trộn bốn bướcsóng FWM ( Four wave mixing) và hiệu ứng bão hoà khuếch đại chéo

34

- Phổ khuếch đại có dạng gợn sóng do sự không hoàn hảo của lớp chốngphản xạ tạo nên.

- Kém ổn định do hệ số khuếch đại chịu ảnh hưởng của nhiệt độ

+ Ứng dụng:

Với các đặc tính kỹ thuật trên, SOA có nhiều nhược điểm so với EDFA khiđược dùng làm khuếch đại quang Do đó, cho dù SOA được nghiên cứu và chếtạo từ trước EDFA, nhưng SOA không được sử dụng làm bộ khuếch đại quangtrong hệ thống WDM cũng như các hệ thống truyền dẫn quang khác hiện nay.Thay vào đó, dựa trên các hiệu ứng phi tuyến đáp ứng nhanh của SOA, SOAđược dùng trong các ứng dụng khác của hệ thống thông tin quang như bộ biếnđổi bước sóng (wavelength convertor), phục hồi xung clock (clock recovery) vàcác ứng dụng xử lý tín hiệu quang (optical signal processing applications).Khuếch đại TWA có thể dùng làm bộ tiền khuếch đại (đặt ở phía trướcphotodiode) để cải thiện độ nhạy máy thu

2.2.5 Các bộ khuếch đại quang sợi

Các bộ khuếch đại quang sợi được nghiên cứu rất sớm từ những năm 60nhưng do hạn chế về công nghệ nên không được phát triển trong những nămtrước đây Ngày nay các bộ khuếch đại quang sợi được phát triển rất mạnh mẽ

và được ứng dụng rất rộng rãi

Các kiểu khuếch đại quang sợi khác nhau có đặc tuyến làm việc khác nhau.Trong các bộ khuếch đại này dải thông khuếch đại và bước sóng trung tâm đượcxác định bởi cấu trúc nguyên tử của sợi quang và các chất kích tạp chứ khôngphải hình dạng cơ khí Do đó ảnh hưởng của sự thay đổi của nhiệt độ, sự làm già

và công suất bơm trong bộ khuếch đại quang sợi là không đáng kể so với trongSLA Một bộ khuếch đại quang sợi tổng quát được mô tả như hình 2.4

Hình 2.4: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát.

Môi trường khuếch đại bao gồm một sợi đơn mode được nối với một bộghép lưỡng sắc Bộ ghép có suy hao nhỏ ở cả bước sóng tín hiệu và bước sóngbơm Sự kích thích sảy ra qua việc bơm ánh sáng bơm vào môi trường khuếchđại có tín hiệu ánh sáng cần khuếch đại truyền qua, ánh sáng được khuếch đạiphát ra từ đầu kia của môi trường khuếch đại

Các bộ khuếch đại quang sợi gồm có khuếch đại Raman, khuếch đạiBrillouin và khuếch đại quang sợi trộn đất hiếm được ứng dụng rất rộng rãitrong các hệ thống thông tin quang như các bộ khuếch đại công suất ở máy phát

bộ khuếch đại lặp trong tuyến và bộ tiền khuếch đại ở máy thu

a Khuếch đại Raman

Bộ khuếch đại Raman sử dụng tán xạ kích thích Raman SRS (stimulatedRaman scattering) xảy ra trong các sợi silica khi một chùm ánh sáng bơm cócường độ lớn truyền qua nó SRS khác phát xạ kích thích ở một khía cạnh cơbản, trong trường hợp phát xạ kích thích, photon tới kích thích phát xạ mộtphoton giống nó mà không làm mất năng lượng của mình Trong hiện tượngSRS, một phần năng lượng của photon bơm sẽ làm cho phân tử bị kích thích (tạo

ra các photon quang) và một phần tạo nên các photon thứ cấp có năng lượngthấp hơn và tần số cũng thấp hơn Do đó khuếch đại quang Raman phải đượcbơm ánh sáng để có sự khuếch đại, ngược lại với SOA được bơm bằng nănglượng điện SRS là một hiện tượng phi tuyến không cộng hưởng, nó không yêucầu sự chuyển đổi mật độ tích lũy giữa các mức năng lượng

Hình 2.5: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS.

Chùm ánh sáng bơm và chùm tín hiệu có tần bước sóng P và S đượcđưa vào sợi thông qua một bộ ghép chọn lọc theo bước sóng Năng lượng đượcchuyển từ chùm ánh sáng bơm sang chùm tín hiệu thông qua hiện tượng SRSkhi hai chùm cùng truyền lan dọc theo sợi Các chùm ánh sáng bơm và chùm tínhiệu cũng có thể được đưa vào theo cách truyền lan ngược chiều nhau trong sợi

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman (ánh sáng bơm có thể

truyền lan cùng chiều hoặc ngược chiều với tín hiệu).

Hệ số khuếch đại Raman phụ thuộc vào các yếu tố như chiều dài sợi, tổnhao của sợi quang và đường kính lõi sợi theo công thức:

L P g G

eff

eff p R S

.

exp (2.5)

Trong đó: gR là độ tăng ích công suất Raman,

Aeff , Leff là diện tích lõi sợi hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng của sợi,

k: hệ số đặc trưng cho sự xáo trộn phân cực ánh sáng bơm và tín hiệu,

P P là công suất của ánh sáng bơm

Diện tích lõi sợi hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng được cho bởi:

A eff   r eff

p eff

Trong đó: reff là bán kính lõi sợi hiệu dụng,

αp là tổn hao truyền dẫn trong sợi ở bước sóng bơm,

Leff là chiều dài thực của sợi,

Hệ số khuếch đại Raman tăng khi sợi có tổn hao nhỏ và đường kính lõi sợiđược giảm đi Bởi vậy công suất ánh sáng bơm yêu cầu cho bộ khuếch đạiRaman phải lớn, đây là nhược điểm của bộ khuếch đại này

Nhưng dải thông khuếch đại của bộ khuếch đại này trong khoảng 20nm tới30nm nên bộ khuếch đại Raman rất hấp dẫn cho các ứng dụng trong hệ thốngghép kênh theo bước sóng WDM

b Bộ khuếch đại Brillouin

Bộ khuếch đại Brillouin sử dụng hiện tượng tán xạ kích thích BrillouinSBS (Stimulated Brillouin Scattering) Trong bộ khuếch đại này, một phần lớncông suất bơm quang được chuyển thành công suất tín hiệu qua hiện tượng SBS.Mỗi photon bơm trong quá trình tán xạ Brillouin sẽ tạo nên một photon thứ cấp

ở tần số thấp hơn và một photon âm thanh Điều đó tạo ra sự dịch tần số ánhsáng và nó biến thiên theo góc tán xạ Hiện tượng SBS chỉ xảy ra khi ánh sángbơm ngược hướng với tín hiệu

SBS là một phương thức khuếch đại phi tuyến rất hiệu quả, nó có thể có hệ

số khuếch đại cao với một công suất bơm nhỏ cỡ 1mW Ngoài ra nó còn có đặcđiểm là tần số của ánh sáng bơm rất gần với tần số tín hiệu

Hình 2.7: Sơ đồ phác hoạ hiện tượng SBS

Sự dịch tần số    s p, tương ứng với tần số âm thanh phải thoả mãn hệthức tán sắc:

 k A.V A  2V A k p sin(  / 2 ) (2.6)

Trong đó: k A k p  k s là vectơ sóng âm thanh

k p,k s: tương ứng là các vectơ của chùm sáng bơm và tín hiệu  : Là góc giữa tia sáng bơm và tia sáng tín hiệu

V A : Là vận tốc âm thanh trong sợi

Trong công thức trên, thường coi k p k s và thường được áp dụng trongthực tế  = 0 khi  = 0, tức là khi ánh sáng bơm và tín hiệu truyền lan cùngchiều  đạt max khi  = 1800 (ánh sáng bơm và tín hiệu truyền lan ngượcchiều nhau) Do đó SBS chỉ xảy ra khi cho ánh sáng bơm bơm lan truyền ngượcvới tín hiệu, khi đó sự dịch tần là:  B 2V k A P Độ dịch tần Brillouin cho bởi

V n v



2

 với

p p

n k



 2

Trong đó: n là chiết suất hiệu dụng của sợi

p là bước sóng ánh sáng bơm

Với sợi Silica thông thường thì V A= 5.96Km/s, n=1.45 khi đó v B  11 1GHz

ở bước sóng bơm P=1.55 Trong phòng thí nghiệm bằng cách bơm một sóng

laser liên tục với công suất trong phạm vi 5 đến 10mW thì có thể nhận được độlợi lớn hơn 18dB Tuy nhiên, yêu cầu một sự lệnh tần 11GHz phải được duy trìgiữa ánh sáng bơm và tín hiệu để đảm bảo hiện tượng SBS không bị giảm sút.

Do đó bộ khuếch đại Brillouin có phạm vi ứng dụng rất hạn chế

Mặt khác dải thông của bộ khuếch đại rất hẹp chỉ cỡ 50MHz với sợi Silicatinh khiết và cỡ 100÷200MHz với sợi trộn Germanium trong lõi sợi Do đókhông được ứng dụng làm các bộ khuếch đại dải rộng ứng dụng trong các hệthống thông tin quang nhiều kênh cũng như khuếch đại các xung hẹp

Nhưng dải thông hẹp của bộ khuếch đại brillouin có thể có ích trong việchình thành các bộ lọc điều hưởng trong các hệ thống thông tin quang ghép kênhtheo bước sóng WDM Nó có thể dùng làm bộ chọn kênh bằng cho phép khuếchđại từng kênh riêng biệt mà không khuếch đại các kênh riêng biệt

c Bộ khuếch đại quang trộn đất hiếm EDFA

Các bộ khuếch đại quang trộn đất hiếm là các bộ khuếch đại quang sợi mới,trong đó sử dụng các ion đất hiếm làm môi trường khuếch đại Các ion đất hiếmđược trộn vào lõi sợi trong quá trình sản xuất với tỉ lệ nhất định và được bơmánh sáng để thực hiện khuếch đại ánh sáng Các bộ khuếch đại quang sợi trộnđất hiếm đã được nghiên cứu từ rất sớm(1964) nhưng chúng chỉ thực sự đượcquan tâm từ những năm 1988 khi công nghệ sản xuất và đặc tuyến hóa sợi quangtrộn đất hiếm có tổn hao nhỏ trở nên hoàn hảo Các đặc tuyến của bộ khuếch đạinhư bước sóng và dải thông được quyết định bởi các chất kích tạp trong sợisilica Có nhiều loại tạp chất có thể dùng để trộn vào trong sợi như Erbium,holomium, neodymium, samarium… với sợi silica tiêu chuẩn thì ở cửa sổ thứhai 1310nm tán sắc gần như bằng 0 tuy nhiên tổn hao lại lớn Còn ở bước sóng1550nm thì tổn hao sợi là nhỏ nhất nhưng tán sắc lại không bằng 0 Ban đầu sợiquang tiêu chuẩn này được dùng chủ yếu ở vùng cửa sổ thứ hai Để đạt được suyhao và tán sắc nhỏ nhất người ta sản xuất sợi dịch chuyển điểm tán sắc bằngkhông lên vùng cửa sổ 1550nm, sợi này được gọi là sợi dịch chuyển tán sắc DSF