khuếch đại quang edfa

Đồ án này sẽ đề cập sơ bộ đến các loại bộ khuếch đại quang, đặc biệt giới thiệu kỹ bộ khuếch đại quang EDFA cùng các đặc tính cũng như ưu điểm của nó, việc sử dụng EDFA trong hệ thống th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KHOA TIN HỌC VÀ ỨNG DỤNG

TRƯỜNG CĐ CNTT hữu nghị Việt Hàn

Học phần: Thông tin quang

- Mã số: CUD080

- Số Tín chỉ: 3

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT

Đề tài: Khuếch đại quang EDFA.

1 Thông tin sinh viên:

Tên sinh viên: Nguyễn Tri Giảng

Ngành: Tin học viễn thông

Gần đây đã thực hiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang

mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào Kỹ thuật mới này cho phép khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như: hạn chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp… làm cho kỹ thuật truyền dẫn trên cáp sợi quang càng tỏ rõ tính ưu việt của nó

Đứng trước vấn đề này em đã chọn đề tài: “Khuếch đại quang EDFA”

3 Ý nghĩa thực tiễn:

Thời gian gần đây cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học

kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực, người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại quang trực tiếp gọi là kỹ thuật khuếch đại quang Điều đó có nghĩa là không phải thực hiện quá trình biến đổi quang - điện - quang phức tạp Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được các hạn chế của lặp về băng tần, nhiễu điện, mức xuyên âm, phổ khuếch đại vv Việc sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sẽ làm tăng cự ly truyền dẫn của các hệ thống thông tin sợi quang, đặc biệt là các tuyến cáp quang biển, từ đó sẽ phát triển một hệ thống thông tin quang toàn cầu

Để khuếch đại quang, người ta đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều loại bộ khuếch đại quang khác nhau: bộ khuếch đại quang pha tạp đất hiếm, loại laser bán dẫn, loại khuếch đại Raman sợi, loại TWA vv Trong thiết kế việc lựa chọn tùy theo đặc tính của từng loại Đồ án này sẽ đề cập sơ bộ đến các loại bộ khuếch đại quang, đặc biệt giới thiệu kỹ bộ khuếch đại quang EDFA cùng các đặc tính cũng như ưu điểm của nó, việc sử dụng EDFA trong hệ thống thông tin sợi quang hiện nay Đây là bộ khuếch đại được dùng trong phần thiết kế đồ của

đồ án, nó cũng được dùng nhiều nhất trong các tuyến thông tin quang hiện nay

4 Đề cương chi tiết:

1 Sợ quang pha trộn EDFA

2 Sơ đồ nguyên lý

3 Cấu trúc cơ bản.

4 Nguyên lý hoạt động

1 Dải khuếch đại

đặc điểm của các chủng loại khuếch đại quang

lý hoạt động của

EDFA

Nguyên lý khuếch đại quang và III Nguyên lý hoạt động của EDFA

tính của EDFA

Hoàn thành phần IV Các đặc tính của EDFA

Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò quan trọng trong các mạng viễn thông quang học do chúng bù lại những suy hao tín hiệu trong quá trình lan truyền trên sợi quang cũng như suy hao do các bộ kết nối và mối hàn tại các nút mạng

Về cơ bản có hai loại khuếch đại quang sợi là khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm và khuếch đị quang sợi raman Đối với khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm, vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Do đó, khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier) còn được gọi là khuếch đại sợi pha tạp DFA (Doped - Fiber Amplifier)

Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các Laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi

Chúng gồm có các loại phổ biến như sau: YDFA (pha tạp Ytterbium), PDFA (pha tạp Praseodymium), TDFA (pha tạp Thulium) và EDFA(pha tạp Erbium) Mỗi loại bộ khuếch đại thích hợp với một vùng bước sóng hoạt động khác nhau và các giá trị cụ thể được cho trong bảng như sau:

Bảng: Băng thông của các bộ khuếch đại sợi pha tạp đất hiếm và khuếch đại quang sợi raman

 Ứng dụng của khuếch đại quang.

Khuếch đại quang được ứng dụng trong các các hệ thống truyền dẫn quang như các bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc phục suy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền Tùy theo vị trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại:

được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại Yêu cầu của các bộ khuếch đại công suất là tạo ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độ lợi cực đại vì công suất tín hiệu ngõ vào lớn

2 Khuếch đại đường dây (In-line Amplifier): là các bộ khuếch đại

quang được đặt trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng Các bộ khuếch đại đường dây có thể được lắp đặt nối tiếp nhau trên đường truyền để gia tăng khoảng cách lắp đặt

Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ số SNR (Signal Noise Ratio - tỷ số tín hiệu trên tạp âm) ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền dẫn quang Yêu cầu của bộ khuếch đại đường dây là độ ổn định trên toàn bộ dải thông của hệ thống WDM, giữ nhiễu ở mức cực tiểu và thực hiện việc trao đổi tốt tín hiệu quang với sợi quang truyền dẫn

3 Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt

ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tín hiệu được đưa vào thiết bị Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao

Do vậy, yêu cầu của một bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, độ lợi lớn và nhiễu thấp Ngoài các ứng dụng chính làm các bộ khuếch đại trên đường truyền quang, các bộ khuếch đại quang SOA và OFA còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi bước sóng Việc chuyến đổi bước sóng được thực hiện dựa trên hiện tượng bảo hòa độ lợi và hiện tượng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing) xảy ra trong các bộ khuếch đại quang.

II Nguyên lý khuếch đại quang:

1 Phát xạ:

a Hiện tượng phát xạ kích thích.

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng

lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg= E2 – E1) Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu

Từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo

ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp, coherent, của ánh sáng) Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện

Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (OSA) và khuếch đại quang sợi (OFA).Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser.

b Hiện tượng hấp thụ.

một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp Quá trình này chỉ xảy ra khi năng

lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1)

Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao Hay nói cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang Quá trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại

c Hiện tượng phát xạ tự phát xạ.

Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng

lượng bền vững của điện tử

Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong khuếch đại quang, phát xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại

Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E1 được kích thích từ một nguồn bức

xạ có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển tới mức cao hơn

không bức xạ tới mức đó, từ đây điện tử có thể phân rã xuống mức năng lượng

năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích

thích thì có thể xảy ra sự nghịch đảo độ tích lũy Đây là điều kiện để có số điện

giữa E3 và E4 (đối với 4 mức) thì nó sẽ kích thích các điện tử ở mức E3 rơi xuống

photon tới (hiện tượng này gọi là bức xạ kích thích của các photon) Bức xạ làm xuất hiện thêm các photon cùng pha và cùng hướng với các photon tới, điều này

có nghĩa là ánh sáng đã được khuếch đại

III Nguyên lý hoạt động:

Mặc dù việc sử dụng các ion đất hiếm làm môi trường khuếch đại trong các

bộ khuếch đại quang đã được đề cập vào đầu những năm 1964, tuy nhiên EDFA vẩn chưa được ứng dụng trong thực tế cho đến khi sợi quang pha tạp có suy hao thấp ra đời

Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy

ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA

trộn ion là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất

• Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng cộng là 250 μm.

Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang pha tạp EDFA được biểu diễn như hình trên, bao gồm một đoạn ngắn sợi được pha tạp bằng các ion Erbium

tích cực làm tác nhân cho sự phát xạ cưỡng bức Để kích thích các hạt mang của

năng lượng quang vào sợi thông qua một bộ ghép trực tiếp Nguồn bơm là một Laser Diode hoạt động ở bước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại Thông thường là ở bước sóng bơm 980 nm hoặc 1480 nm Sợi EDF được nối ghép với sợi quang bình thường và có thể ghép với các thiết bị khác

Nguồn bơm ngoài

Đoạn sợi quang pha tạp Er 3+

Hình 4.1 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại EDFA

Hình 4.1 trình bày cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang sợi EDFA Nó gồm sợi pha tạp Erbium, Laser bơm LD, bộ ghép bước sóng quang WDM và bộ cách li quang Sợi pha tạp Erbium (EDF – Erbium Dopped Fiber) thường có độ

0,1% Erbium Để thu được độ khuếch đại thì phải cung cấp năng lượng quang gọi là năng lượng bơm cho sự pha tạp Erbium Các diode laser LD được dùng làm nguồn bơm cung cấp năng lượng này với công suất bơm 10 mW đến 100

mW và bước sóng bơm 980 nm hoặc 1480 nm Bộ ghép bước sóng WDM thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào sợi pha tạp Erbium Các bộ cách li có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống chẳng hạn như phản

xạ Rayleigh từ các bộ nối quang hoặc các phản xạ ngược lại từ bộ khuếch đại

Do đó các bộ cách li làm tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu

Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể được phân cấp thành bức xạ kích thích và bức xạ tự phát

Hình 4.3 Giản đồ năng lượng của Ion Er3+

(GSA: Hấp thụ trạng thái đất, ESA: Hấp thụ trạng thái kích thích)

năng lượng thấp nhất) được ký hiệu là 4I15/2, mức 4I13/2 là mức siêu bền tức là mức

truyền dọc theo sợi có pha tạp Erbium Thông qua sự hấp thụ năng lượng của

sẽ chuyển từ trạng thái đất lên các trạng thái có mức năng lượng tương ứng là

4I13/2, 4I11/2, 4I9/2… Các ion ở các mức 4I11/2, 4I9/2… sẽ nhanh chóng phân rã không phát xạ và chuyển xuống trạng thái siêu bền (trạng thái ở mức năng lượng 4I13/2)

và phân bố dọc theo lõi sợi sẽ xảy ta quá trình bức xạ kích thích Quá trình này

sẽ tạo ra các phôtôn phụ có cùng pha và hướng như là tín hiệu tới, chính vì thế

mà ta thu được cường độ ánh sáng tín hiệu tại đầu ra EDF lớn hơn đầu vào Đây chính là quá trình khuếch đại EDFA Các ion đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát xuống trạng thái đất Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emission) có pha và hướng ngẫu nhiên Thông thường có

ít hơn 1% được giữ lại trong mode quang nên nó trở thành nguồn nhiễu quang Nhiễu này cũng sẽ được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplifire Spontaneous Emission) Ở trạng thái đất, khi có sự hấp thụ phôtôn bơm hoạt động trở lại ASE làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu trong quá trình truyền tín hiệu

Hình 4.3 Quá trình bơm tại bước sóng 1450 nm và phát xạ tại

bước sóng 1530 nm

Hình 4.3 biểu diễn quá trình bơm tại bước sóng 1450 nm và phát xạ tại bước sóng 1530 nm Do hiệu ứng Stark, ở trạng thái nền và siêu bền tồn tại nhiều mức năng lượng Ở điều kiện cân bằng nhiệt, cả hai trạng thái đều có mật

độ hạt mang điện cao hơn nằm ở dải thấp hơn của chúng Do tốc độ bơm và bức

xạ kích thích đều tỉ lệ với độ chênh lệch mật độ hạt mang điện của 2 mức nên bơm xảy ra giữa dải thấp của trạng thái nền và dải cao của trạng thái siêu bền tương ứng với bước sóng 1450 nm, và bức xạ xảy ta giữa dải thấp của trạng thái siêu bền và dải cao của trạng thái nền, tương ứng với bước sóng 1530 nm

việc bơm công suất các bước sóng dưới 700 nm có hiệu suất hấp thụ cao hơn nhưng rất khó tìm một nguồn laser bán dẫn tốt hoạt động tại bước sóng này Do

đó, trong thực tế chỉ dùng được các nguồn bơm có bước sóng 800 nm, 980 nm,

1470 nm Ngoài ra, do có sự hấp thụ trang thái kích thích (ESA – Excited-Sate Absorption) từ 4I13/2 đến 2H11/2 như biểu diễn trong hình 4.3, nên việc bơm lại bước sóng 800 nm không hiệu quả Vì thế người ta chỉ bơm tại bước sóng 980

nm và 1470 nm Thông thường, các Laser bán dẫn tại 1470 nm phổ biến hơn và được dùng nhiều trong các hệ thống EDFA ban đầu Tuy nhiên, bơm tại bước sóng 980 nm cho hiệu quả bơm cao hơn (khoảng 10 dB/mW) so với bơm 1470

nm (khoảng 6 dB/mW) Thêm vào đó, bơm 980 nm có nhiễu khuếch đại nhỏ hơn vì thế các laser bơm hoạt động tại bước sóng 980 nm ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sợi quang có mắc các EDFA Để khắc phục khuyết điểm tổn hao trên sợi lớn hơn khi dùng bơm tại bước sóng 980 nm so với

1470 nm, người ta tăng cường công suất bơm đến các EDFA nhằm bù lượng tổn hao này

Dải khuếch đại là dải bước sóng mà EDFA có thể khuếch đại được Hình 5.30 cho thấy hình dạng và vị trí của dải khuếch đại được xác định như một hàm theo bước sóng Dải khuếch đại của EDFA tương đối bằng phẳng giữa 1530 nm

và 1565 nm (được quy ước là băng C) Đối với dải khuếch đại giữa 1570 nm và

1600 nm được gọi là dải L Hiện nay, hầu hết EDFA đang được sử dụng ở băng

C với bước sóng bơm 980 nm

Hình 5.30 Dải khuếch đại của EDFA

2 Độ khuếch đại:

hệ thống khuếch đại quang hai mức trong đó 4I15/2 là mức nền và 4I13/2 là mức cao Phương trình biểu diễn tốc độ thay đổi hạt mang điện có thể biểu diễn như sau:

trang thái thấp lên trạng thái cao, thành phần thứ hai WS(N2-N1) là tốc độ bức xạ

sp

N

Giá trị của các thông số còn lại cho trong bảng sau:

−

WP>>WS và WP>>1/τSP, N2-N1=Nt Trong trường hợp này, hệ số khuếch đại của

(5.17) trên suy ra độ khuếch đại của EDFA được biểu diễn như biểu thức sau:

=

Hình 5.31 Độ khuếch đại EDFA thay đổi theo

chiều dài sợi và công suất bơm

Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào cấu hình bơm Có ba cấu hình bơm cho bộ khuếch đại EDFA: bơm cùng hướng (so với hướng tín hiệu), bơm ngược hướng và bơm theo cả hai hướng Bơm cùng hướng đạt được nghịch đảo tích lũy mạnh ở đầu sợi, điều này hạn chế hiện tượng bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) và như vậy giảm đc nhiễu của bộ khuếch đại Tuy nhiên, kiểu bơm này làm hạn chế hiệu suất chuyển đổi (sự chuyển đổi phôtôn bơm thành phôtôn tín hiệu) bởi hiện tượng ASE ở cuối sợi Loại bơm ngược hướng tạo công suất đầu ra và hiệu suất chuyển đổi rất cao Ngược lại, ASE thường suất hiện ở đầu sợi (sự nghịch đảo tích lũy khi không có sóng bơm); điều này giải thích tại sao sơ đồ này có hiệu năng không tốt lắm, nhất là từ quan điểm nhiễu Trong thực tế, người ta thường dùng phương pháp bơm hai hướng, nó tận dụng

đc các ưu điểm của mỗi kiểu bơm trong các cấu hình trên Hơn nữa, do mức nghịch đảo tích lũy hầu như không đổi trên toàn bộ chiều dài sợi nên giảm thiểu

đc nhiễu

Hiệu ứng bão hòa độ khuếch đại có thể được minh họa trong hình 5.31, qua

đó ta thấy khi công suất bơm tăng thì độ khuếch đại tặng theo Tuy nhiên, khi độ dài của sợi EDF tăng đến một mức nào đó, tương ứng với một công suất bơm

khi tốc độ bơm quá nhỏ nên không còn tạo ra nghịch đảo tích lũy được nữa Từ hình vẽ ta cũng thấy, chiều dài tối ưu như thay đổi tuyến tính với công suất bơm

Hình 5.32 Độ khuếch đại của EDFA là hàm của công suất tín hiệu đầu ra ứng

với các mức bơm khác nhau

Sự bão hòa độ khuếch đại cũng đc thể hiên trong hình 5.32, minh họa sự thay đổi sự thay đổi độ khuếch đại công suất theo tín hiệu ra Khi công suất tín hiệu ra tăng trong một phạm vi nhất định thì độ khuếch đại vẩn không đổi, nghĩa

là lúc đó có mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra Tuy nhiên, khi tín hiệu ra tăng đến một giới hạn nào đó thì độ khuếch đại bắt đầu giảm, thể

Công suất tín hiệu ra (dBm)