Khuyếh đại quang sợi và ứng dụng trong truyền dẫn quang wdm

Trang 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Trang 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Trang 3 cÌc chứ viết t¾t ASE Amplified Spontanous Emission Bực xỈ tỳ phÌt cọ khuếch ẼỈi APD Avalanche Photodiod

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

LuËn V¨n Th¹c SÜ Khoa Häc CHUYÊ N NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN TH ÔNG

Hµ Néi - 2005

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205090961000000

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

LuËn V¨n Th¹c SÜ Khoa Häc CHUYÊ N NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN TH ÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS – TS ĐỖ XUÂN THỤ

Hµ Néi - 2005

các chữ viết tắt

ASE Amplified Spontanous Emission Bức xạ tự phát có khuếch đại

EDFA Ebrium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp

Ebrium ESA Excited State Absorption Hấp thụ trạng kích thích

GSA Ground State Absorption Hấp thụ trạng thái nền

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

OAR Optical Amplifier Receiver Bộ thu khuếch đại quang

PDFA Paraseody Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp

Ebrium

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích

TDFA Thulium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp

Thulium

WDM Wavelength Division Mutiplexing Ghép kênh theo bớc sóng

Lời mở đầu

Sự phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin và truyền thông đã đem lại cho con ngời rất nhiều lợi ích thiết thực trong cuộc sống Nó thu hẹp khoảng cách của mọi ngời trên thế giới, nó làm cho con ngời xích lại gần nhau hơn Cùng với các ngành khoa học khác, công nghệ viễn thông đã và đang có những tiến bộ vợt bậc kể từ khi phát minh hệ thống điện tín và điện thoại, hệ thống viễn thông đợc xem là thiết yếu của một xã hội phát triển đồng thời tạo

ra tiền đề phát triển các ngành công nghiệp khác Vì vậy các phơng tiện cần thiết cho viễn thông đang ngày càng trở nên phức tạp hơn và có khuynh hớng

kỹ thuật cao nhằm đáp ứng nhu cầu tăng nhanh về các dịch vụ có chất lợng cao và dịch vụ viễn thông tiên tiến Trong đó phải kể đến những đóng góp mà thông tin quang đã đem lại cho loài ngời

Sự ra đời của công nghệ thông tin quang đã phát triển lên một bớc mới trong công nghệ viễn thông tạo đà cho phát triển các ngành kinh tế khác Trong thời gian gần đây các hệ thống thông tin quang đã chiếm lĩnh hầu hết các tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lới viễn thông toàn cầu và đợc coi là phơng thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vợt biển và xuyên lục địa Trong thời gian tới, để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do bùng

nổ thông tin trong xã hội, mạng truyền dẫn phải có sự phát triển mạnh cả về qui mô và trình độ công nghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng gồm các hệ thống truyền dẫn quang hiện đại Các hệ thống thông tin quang này đòi hỏi phải có tốc độ cao, công nghệ tiên tiến Đây cũng là nhu cầu rất cần thiết cho mạng lới ở nớc ta trong giai đoạn phát triển mới

Để triển khai lắp đặt các hệ thống thông tin quang có hiệu quả, bảo đảm chất lợng truyền dẫn trong thời gian khai thác dài, công việc thiết kế tuyến là hết sức quan trọng Khi xây dựng các tuyến truyền dẫn tốc độ cao, cự ly xa và trong trờng hợp thiết kế các tuyến sử dụng công nghệ WDM hay tuyến thông tin quang hiện đại thì các tuyến này thờng hay sử dụng các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là EDFA và Raman

Với những kiến thức đợc học và sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo

PGS-TS Đỗ Xuân Thụ, tôi xin trình bầy một số hiểu biết của mình về các bộ khuếch

đại quang sợi, nghiên cứu ảnh hởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ số SNR trong khuếch đại Raman và chơng trình mô phỏng

Luận văn đợc đợc chia làm các chơng:

Chơng I: Tổng quan về khuếch đại quang sợi

Chơng II: Nghiên cứu ảnh hởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ

số SNR trong khuếch đại Raman

Chơng III: Chơng trình mô phỏng

Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn này chắc chắn còn nhiều thiếu sót Vì vậy, tôi rất mong nhận đợc sự thông cảm, góp ý từ thầy cô và các bạn

Ngoài ra, để hoàn thành luận văn này tôi cũng đã nhận đợc đợc sự giúp đỡ rất nhiều từ các thầy, cô giáo và đồng nghiệp Đặc biệt là GS-TS Trần

Đức Hân

Tôi xin chân thành cám ơn mọi sự giúp đỡ quý báu đó./

Chơng I

Tổng quan về Khuếch đại quang sợi

1.1.Khuếch đại quang sợi EDFA

1.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động:

a/Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc một EDFA Trên đây là cấu trúc của một khuếch đại quang sợi EDFA Bơm Laser có

thể hoạt động ở hai bớc sóng 980 nm hoặc 1480 nm thì hiệu suất bơm là

hiệu quả nhất Các bộ cách ly quang (Isolator) có nhiệm vụ chống phản xạ tín

hiệu, chỉ cho phép truyền dẫn quang đơn hớng WDM coupler dùng để ghép

tín hiệu bớc sóng bơm và tín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium

Các thành phần chính cấu tạo nên EDFA gồm có sợi đợc pha tạp

Erbium EDF (Erbium Dopped Fiber) thờng có độ dài khoảng 10 m; laser

bơm LD; bộ ghép bớc sóng quang (coupler) WDM và bộ cách ly quang

(Isolator) Từ các thành phần cấu trúc thiết bị nh vậy ngời ta đã tạo ra nhiều

loại EDFA với các công nghệ và thể thức khác nhau Để thu đợc bộ khuếch

đại thì phải cung cấp năng lợng quang cho sợi pha tạp Erbium Nguồn năng

lợng để cung cấp năng lợng cho bộ khuếch đại quang đợc gọi là năng

lợng bơm Công suất quang từ nguồn bơm này thờng có bớc sóng 980 nm

hoặc 1480 nm, công suất bơm từ 10 mW đến 100 mW Các diode laser LD

dùng làm nguồn bơm đợc cấu tạo phù hợp với cấu hình và bớc sóng bơm

Khi mà hệ thống đợc bơm ở bớc sóng 980 nm thì loại LD bơm thờng là

loại có vùng tích cực với cấu trúc giếng lợng tử InGaAs Vùng InGaAs là lớp rất mỏng đợc đặt xen vào giữa các lớp vỏ có các tham số tinh thể khác nhau Nếu hệ thống đợc bơm ở bớc sóng 1480 nm thì LD bơm thuộc loại laser Fabry-Perot dị thể chôn có cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/ InP Bộ ghép bớc sóng WDM sẽ thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và áng sáng bơm vào sợi pha tạp Erbium hoặc trong một số trờng hợp nó lại tách các tín hiệu này Các bộ cách ly quang có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống chẳng hạn nh phản xạ Rayleigh từ các bộ nối quang hay các phản xạ ngợc lại từ bộ khuếch đại Việc giảm phản xạ này phải đạt tới mức chấp nhận đợc Vì thế các bộ cách ly quang có thể làm tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu Sợi pha tạp Erbium EDF là thành phần quan trọng nhất của EDFA và loại sợi này gọi là sợi tích cực Các ion Erbium đợc nằm ở vùng trung tâm lõi của EDF, vùng này đợc pha tạp với nồng độ từ 100-2000 ppm Erbium Các sợi EDF thờng có lõi nhỏ hơn và khẩu độ số NA cao hơn so với sợi đơn mode tiêu chuẩn Đờng kính của vùng tâm lõi EDF vào khoảng 5 m và là nơi àcờng độ của ánh sáng bơm và tín hiệu cao nhất Lớp vỏ thuỷ tinh với chỉ số chiết suất thấp hơn đợc bao quanh vùng lõi để hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng

và cho ra lực cơ khoẻ hơn để bảo vệ sợi EDF khỏi bị tác động từ bên ngoài

Đờng kính ngoài của lớp vỏ này khoảng 125 àm Ngoài cùng là vỏ bọc ngoài thêm để bảo vệ sợi có chức năng ngăn cản tác động từ bên ngoài sợi và đờng kính tổng cộng của nó vào khoảng 250 m Chỉ số chiết suất của vỏ bọc ngoài àcao hơn lớp vỏ phản xạ cũng nhằm để loại bỏ ánh sáng không mong muốn (các mode bậc cao hơn) lan truyền bên trong vỏ phản xạ Ngoài sự khác biệt là

có sự pha tạp Erbium trong vùng lõi, cấu trúc của EDF giống với cấu trúc của sợi đơn mode tiêu chuẩn hoặc tán sắc dịch chuyển tơng ứng với các khuyến nghị G.652 hoặc G.653 của ITU-T

Do lõi sợi nhỏ hơn và độ mở số NA cao hơn sợi tiêu chuẩn, việc hàn nối trong quá trình lắp ráp các module khuếch đại quang sợi thực tế là một vấn đề quan trọng [77] Cấu trúc sợi pha tạp Erbium có NA cao cho ta có thể tạo ra

đợc EDFA đặc tính khuếch đại hiệu quả cao Tuy nhiên, cấu trúc EDF nh vậy sẽ giảm đờng kính trờng mode và dẫn tới tăng suy hao hàn nối giữa sợi tích cực và sợi truyền dẫn thụ động Để khắc phục điều này, các đầu sợi đợc

áp dụng kỹ thuật vuốt thon để có đờng kính trờng mode tăng cục bộ ở biện pháp này, phân bố chỉ số chiết suất của đoạn vuốt thon sợi sẽ thay đổi dần dọc theo trục sợi, và kích cỡ mode truyền dẫn cũng thay đổi Đây là biện pháp đầy

Hình 1.2 Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium.

Hình 1.2 mô tả cấu hình của sợi TEC, đờng kính lõi tăng dần và đờng kính trờng mode của ánh sáng đợc truyền cũng đợc mở rộng Biện pháp này cho ra tần số chuẩn hoá là không thay đổi dọc theo sợi và đờng kính ngoài của sợi TEC không đổi so với phơng pháp vuốt thon Trong sợi TEC,

sự thay đổi suy hao là không đáng kể khi tỷ lệ mở rộng lõi là 2 với độ dài vuốt thon là hơn 2mm Khi tỷ lệ mở là 3, độ dài vuốt thon lớn hơn 5 mm thì có thể

đạt đợc suy hao bằng 0 dB

Hình 1.3 Sơ đồ của sợi TEC đ-ợc vuốt Gaussian

Các cấu trúc khác nhau của các thành phần khác nhau nh là nguồn laser bơm, thiết bị WDM, bộ ghép quang, và bộ cách ly đợc dùng trong EDFA

đợc mô tả chi tiết trong nhiều tài liệu và sách

b/Nguyên lý hoạt động

2a max 2a o

2L

Lõi pha tạp 1000 2000 ppm ∼ ữ Erbium có đờng kính 3 6 ữ àm

Vỏ Silica có đờng kính ∼125 m à

Vỏ có đờng kính 250 ∼ àm.

•

Vùng có mật độ cao Er.

Khuyếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu vẫn dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là EDFA ( Erbium Doped Fiber Amplifier) Trong sợi EDF, các nguyên tử Erbium hoá trị ba Er3+ là các phần tử tích cực trong bộ khuếch đại quang có chức năng khuếch đại ánh sáng Năng lợng và sự chuyển tiếp quang có liên quan tới các ion Erbium hoá trị ba Những ký hiệu trên phía bên phải của hình là các số lợng tử dùng chung gán cho từng chuyển tiếp Các số này có dạng 2S+1Lj, ở đây s là số lợng tử quay, L là động lợng góc quỹ đạo,

và j là động lợng góc tổng (L+S) L bằng một trong những giá trị 1, 2, 3, 4, 5, 6, , đợc ký hiệu bằng các chữ cái S, P, D, F, G, H, I Biểu đồ LSI này đợc dùng dới dạng chữ nghĩa để chỉ các mức năng lợng ion, số các đờng

“Stark-Split” là (2j+1)/2 cho mỗi mức

Nguyên lý khuếch đại đợc thực hiện nhờ cơ chế bức xạ nh sau:

Hình 1.4 Giản đồ năng lợng của Erbium

Hình 1.4 Giản đồ năng lợng của Erbium

Đối với các mức năng lợng nh đã mô tả ở trên, hoạt động cơ bản của

bộ khuếch đại quang EDFA đợc mô tả nh sau Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể đợc phân cấp thành bức xạ kích thích và bức xạ tự phát Khi các ion Erbium Er3+ đợc kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ ở các mức năng lợng cao hơn cho tới khi nó tiến tới trạng thái siêu bền (trạng thái 4I13/2) Tín hiệu quang tới đầu vào sợi EDF tơng tác với các ion Erbium đã đợc kích thích và đợc phân bố dọc theo lõi sợi Quá trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hớng quang nh là tín hiệu tới, và chính vì

thế mà ta thu đợc cờng độ ánh sáng tín hiệu tại đầu ra EDF lớn hơn đầu vào Nh vậy, đã đạt đợc quá trình khuếch đại trong EDFA Các ion đã đợc kích thích mà không tơng tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền với hằng số thời gian xấp sỉ 10 ms Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emision)

có pha và hớng ngẫu nhiên Thông thờng thì có ít hơn 1% SE đợc giữ lại trong mode sợi quang, và nó trở thành một nguồn tạp âm Tạp âm này sẽ đợc khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát đợc khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emision) ở trạng thái nền, khi có sự hấp thụ photon bơm hoạt

động trở lại, quá trình này sẽ tự lặp lại ASE sẽ làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu qua bộ khuếch đại quang

1.1.2.Phổ khuếch đại của EDFA

Phổ khuếch đại của EDFA là tham số quan trọng vì băng tần khuếch đại

là một tham số trọng yếu để xác định băng truyền dẫn Đặc tính này đã đợc nghiên cứu với các sợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các EDFA.Trong các kết quả thí nghiệm thu đợc bằng cách pha tạp Al và (hoặc)

P trong lõi của sợi thuỷ tinh pha Er3+ sẽ có tác dụng mở rộng phổ khuếch đại Gần đây ngời ta cũng tìm thấy rằng pha tạp Al có thể thu đợc mức khuếch

đại rất cao trong một mặt phẳng trải trong vùng bớc sóng 1540 nm đến 1560

nm Bằng cách thay đổi vật liệu chủ trong sợi thuỷ tinh silica sang thuỷ tinh Fluoride gốc ZnF4 và thủy tinh Fluorophosphate cũng hứa hẹn mở rộng và làm phẳng đợc băng tần khuếch đại Đặc biệt sợi EDF gốc Fluoride cho ra đợc vùng khuếch đại bằng phẳng trong dải bớc sóng từ 1530 nm đến 1560 nm Hình 1.5 đã thể hiện các phổ khuếch đại tiêu biểu của sợi thủy tinh pha tạp Ge/Er và pha tạp Al/P/Er Phổ của sợi pha tạp Ge/Er có mặt cắt gồm hai

đỉnh tại 1536 nm và 1552 nm Trong khi đó phổ khuếch đại của sợi pha Al/P/Er có một vùng khuếch đại rộng nằm trong khoảng 1545 nm đến 1560

nm mặc dù nó có một đỉnh khuếch đại nhô lên tại vùng xung quanh 1530nm Ngoài ra, phổ khuếch đại của EDFA có thể đợc dịch tới vùng bớc sóng dài hơn khi sử dụng độ dài EDF là tơng đối dài Khi tăng độ dài EDF, phổ khuếch đại có thể thu đợc trong khoảng bớc sóng từ 1570 nm đến 1620 nm Tại vùng bớc sóng cao hơn 1620 nm, khuếch đại tín hiệu sẽ giảm do quá trình ASE (dịch chuyển từ 4I9/2 tới 4I13/2) và giới hạn trên của phổ khuếch đại

đợc quyết định bởi ASE này

Hình 1.5 Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA

Thông thờng thì phổ khuếch đại đợc đo bằng việc quét bớc sóng tín hiệu với một nguồn tín hiệu đơn Tuy nhiên, phổ đợc thay đổi khi công suất tín hiệu đầu vào đợc thay đổi Phổ trở nên phẳng khi công suất tín hiệu đầu vào là cao Mức công suất tín hiệu đầu vào là một tham số quan trọng và phổ thờng đợc đo dới các điều kiện tín hiệu nhỏ Đầu ra quang của EDFA phụ thuộc vào bớc sóng vì độ khuếch đại thay đổi theo các đặc tính bớc sóng của sợi pha tạp Erbium EDF Hình 1.5 a) và b) mô tả phổ đầu ra tiêu biểu của một EDFA tơng ứng cho các trờng hợp không có và có tín hiệu đầu vào Khi không có tín hiệu đầu vào, chỉ có bức xạ tự phát đợc khuếch đại ASE (Amplifer Spontaneous Emission) Băng tần bức xạ tự phát đợc xác định tại giá trị công suất ở vai của phổ giảm đi 3 dB Tuy nhiên, việc xác định này không đợc chỉ ra trên các thiết bị đo tiêu biểu nh là máy phân tích phổ quang OSA (Optical Spectrum Analyzer) Nh vậy giá trị này chỉ đợc chỉ ra nh là một giá trị tiêu biểu mà không có các giá trị nhỏ nhất hay lớn nhất

1.1.3.Các ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang

a/ Cấu trúc thiết bị EDFA trong thông tin quang

+ Các cấu hình EDFA tiêu chuẩn:

Trong hệ thống thông tin quang các bộ khuếch đại quang sợi Erbium EDFA thờng ở dới dạng cấu trúc modul Ngoài ra, EDFA đợc kết hợp với các thiết bị khác nh bộ phát quang hoặc thu quang tuỳ thuộc và các ứng dụng

b) Phổ đầu ra có tín hiệu đầu vào

Vì có nhiều các thành phần đợc xen vào dọc theo phần truyền dẫn tín hiệu của EDFA nên có những suy hao xen lẫn cần đợc tính đến Nh vậy, khuếch đại G của EDFA phải chịu thiệt thòi công suất bao gồm: suy hao sợi EDF; suy hao của WDM; suy hao các bộ cách ly; suy hao bộ lọc quang và các suy hao ghép nối giữa sợi EDF và sợi thụ động tiêu chuẩn Hơn nữa, các thành phần này cũng làm tăng hệ số nhiễu NF của EDF Suy hao xen của coupler WDM và suy hao ghép nối giữa sợi tiêu chuẩn và EDF để bơm ánh sáng sẽ làm giảm công suất bơm vào sợi EDF Điều này làm giảm khuếch đại tín hiệu

G và công suất đầu ra, làm tăng NF trong EDF Trong thực tế vì EDF tối u có

đờng kính trờng mode nhỏ và chỉ số chiết suất cao hơn so với sợi tiêu chuẩn, việc hàn nối thông thờng sẽ có một suy hao đáng kể

Trong thực tế các mode modul EDFA với vùng bơm hiệu quả 980 nm và

1480 nm đã đợc thực hiện tốt nhờ việc chế tạo thành công các modul phát

WDM

LD Bơm Tín hiệu vào

Cách ly

LD Bơm

Tín hiệu ra

WDM

quang LD có đuôi sợi ra Từ kết quả này các đặc tính khuếch đại của modul EDFA đợc cải thiện đáng kể Một số các chức năng tiên tiến khác đợc thêm vào nh tự động điều khiển khuếch đại AGC (Automatic Gain Control) và tự

động điều khiển công suất APC (Automatic Power Control) để có đợc các ứng dụng ổn định trong các hệ thống thông tin quang sợi thực tế Các modul EDFA đã đợc phát triển trong các hệ thống thông tin quang analog và digital Ngoài ra còn có các cấu hình khác phù hợp với các yêu cầu ứng dụng khác nhau đợc triển khai từ các dạng này

+ Các cấu hình EDFA cải tiến:

- Các bộ khuếch đại quang sợi phản xạ và hai hớng:

Từ các modul đơn hớng và hai hớng các dạng cải tiến của nó đã đợc

đa ra với các cấu hình khác nhau Trong các EDFA phản xạ có loại dụng cụ gọi là gơng, cách tử đợc đặt tại đầu ra của EDFA để phản xạ cả ánh sáng bơm và tín hiệu nh sáng bơm và tín hiệu đi qua EDFA hai lần sẽ cho ra độ ákhuếch đại thực tăng lên Các EDFA hai hớng cho phép tín hiệu truyền cả hai hớng So với các EDFA bơm xuôi tiêu chuẩn thì ở hình.1.7 a), thì hình 1.7 b) minh họa cho ánh sáng bơm đợc phản xạ trong EDFA nhờ một gơng lỡng sắc Trong hình 1.7 c) thì cả ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm đợc phản xạ trong nhờ một gơng băng rộng Hình 1.7 d) đợc phát triển từ hình 1.7 c) với sự thêm bộ lọc ASE Các bộ vòng quang OC (Optic Circulator) trong các cấu hình ở hình 1.7 c), d) có thể đợc thay thế bằng các bộ coupler 3

EDF

LD Bơm

Tín hiệu vào

EDF

LD Bơm

Tín hiệu vào

Tín hiệu ra

Các cấu hình này có thể cho ra khuếch đại tín hiệu tăng rất cao gần gấp

đôi so với cấu hình chuẩn, do đó có sự khuếch đại đúp ở EDFA phản xạ tín hiệu Khi đó EDFA phản xạ cả bơm và tín hiệu cho ra sự cải thiện hệ số khuếch đại lớn nhất, có thể khoảng từ 7,5 dB/mw đến 22,5 dB/mw Tuy nhiên, các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng hệ số nhiễu trong các cấu hình này luôn cao hơn hệ số nhiễu trong các cấu hình chuẩn Các giá trị của hệ số nhiễu trong các cấu hình 1.7 c), d) thờng là cao hơn cấu hình chuẩn vào khoảng 1,5

dB cho cả hai bớc sóng bơm 980 nm và 1480 nm

Các cấu hình EDFA hai hớng thờng có u điểm hơn so với cấu hình phản xạ Các hệ thống truyền dẫn đơn hớng có các bộ cách ly quang có thể

đợc chuyển thành các hệ thống hai hớng và tơng tác (lẫn nhau) bằng cách

sử dụng các đôi sợi quang Hình 1.8 mô tả cấu trúc ba cấu hình cơ bản cho các ứng dụng hai hớng Cấu trúc đơn giản nhất đợc minh họa trong hình 1.8 a)

Đây là một EDFA đợc bơm hai hớng để đạt đợc các đặc tính nhiễu và bão hoà đồng dạng trong cả hai hớng mà không có bộ cách ly Các tín hiệu quang

ở đầu vào tại cả hai đầu EDFA và vì vậy cấu hình này cũng đợc coi là cấu hình hai hớng tín hiệu Vì nó không sử dụng các bộ cách ly nên mức bù công suất phải đợc tính và độ khuếch đại của EDFA bị giới hạn ở mức thấp hơn 18

dB Hơn thế nữa mức bù công suất nh vậy sẽ dẫn đến giá thành đắt khi phải

sử dụng nguồn công suất bão hoà rất cao

WDM EDF

Coupler

Coupler

Hình 1.8 Cấu hình hai hớng cơ bản của EDFA Các cấu hình 1.8 b) và c) đợc dựa trên nguyên tắc truyền dẫn tín hiệu hai hớng Hình 1.8 b) sử dụng các bộ coupler chia kết hợp 3 dB sẽ có suy - hao tín hiệu 4 dB Hình 1.8 c) sử dụng các bộ vòng quang độc lập phân cực để chia và kết hợp hai tín hiệu ngợc nhau Nếu nh các bộ vòng quang OC là lý tởng, cấu hình này sẽ có u điểm là không có sự mất mát do hệ số nhiễu và suy hao phụ xảy ra và không đòi hỏi phải dùng các bộ cách ly

- Tự động điều chỉnh khuếch đại và công suất:

Trong các hệ thống thông tin có sử dụng các bộ khuếch đại quang, các

ảnh hởng phi tuyến của EDFA đối với tín hiệu đầu vào lớn sẽ dẫn đến sự biến đổi công suất ngoài ý muốn và điều này sẽ làm suy giảm tỷ số lỗi bit của

hệ thống Trong các hệ thống sử dụng nhiều bộ khuếch đại quang mắc chuỗi nối tiếp, ảnh hởng của bão hoà khuếch đại tại bất kỳ trạng thái EDFA nào cũng đặc biệt có hại vì các chuỗi bộ khuếch đại đợc thiết kế để hoạt động tại mức thông suốt tín hiệu một cách chính xác

Trong các hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng WDM, công suất tổng từ sự xếp chồng của vài kênh quang có thể thay đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian Điều này cũng gây ra trôi công suất tín hiệu và sự điều chế trong kênh tần số thấp ngoài ý muốn Trong các hệ thống có EDFA sự nhạy cảm phân cực nhỏ của các thành phần quang sẽ tích luỹ dọc theo chuỗi và trôi phân cực tín hiệu có thể dẫn tới thay đổi suy hao hệ thống trong thời gian ngắn Ngoài ra sự già hoá theo thời gian của các diode laser bơm trong các EDFA cũng có thể dẫn tới tăng dần suy hao tín hiệu Nh vậy, thực hiện việc điều chỉnh khuếch đại là cần thiết và giải pháp cho các vấn

đề ở trên là tự động điều chỉnh khuếch đại AGC (Automatic Gain Control)

WDM

EDF

OC OC

AGC duy trì độ khuếch đại của EDFA ở mức cố định trong thời gian có sự xáo trộn trôi tín hiệu hoặc thay đổi suy hao hệ thống AGC cũng có thể thể hiện chức năng quan trọng của quá trình tuyến tính hoá độ khuếch đại Điều này có thể đạt đợc nhờ quá trình tự động điều chỉnh công suất APC ( Automatic Power Control) AGC có chức năng cố định độ khuếch đại và sự thay đổi công suất tín hiệu đầu ra và sự thay đổi độ khuếch đại AGC đòi hỏi

ba chức năng sau:

- Tách những biến đổi công suất tín hiệu tơng ứng với mức chuẩn nào

đó

- Phát tín hiệu lỗi

- Lu giữ các điều kiện đầu khi không có lỗi

Ba chức năng này có thể đợc thực hiện bằng quang điện Chúng ta có thể tham khảo hai giải pháp là AGC có điều khiển bơm và điều khiển tín hiệu Các AGC có điều khiển bơm sẽ thực hiện nén bão hoà khuếch đại bằng việc tăng bơm; còn AGC có điều khiển tín hiệu thì duy trì mức bão hoà nh một hằng số Cả hai đều đa ra tuyến tính hoá độ khuếch đại EDFA, tức là:

Psout/Psin= G = hằng số

- Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại:

Cân bằng phổ khuếch đại là rất quan trọng đối với các ứng dụng EDFA trong hệ thống đa kênh quang WDM Nh ta đã biết băng tần khuếch đại là không đồng đều về phổ và thể hiện một vài gợi sóng, những sự khác nhau về

độ khuếch đại thờng xảy ra ở các kênh quang có khoảng cách bớc sóng lớn Trong các hệ thống thông tin quang sử dụng chuỗi dài các bộ khuếch đại quang trên đờng truyền, ngay cả những sự khác nhau nhỏ về phổ khuếch đại cũng có thể dẫn tới những khác biệt lớn về công suất tín hiệu thu đợc Điều này gây ra sự khác nhau lớn về BER giữa các tín hiệu thu đợc tới mức thậm trí không thể chấp nhận đợc Đối với một vài kênh quang đợc ghép sự khác biệt công suất có thể xảy ra ở đầu ra hệ thống do sự bù khuếch đại không đủ dọc theo chuỗi các bộ khuếch đại Ngoài ra bức xạ tự phát đợc khuếch đại ASE đợc phát trong vùng khuếch đại cao nhất (gần với đỉnh tại bớc sóng 1,53 àm), các bộ EDFA không đợc cân bằng sẽ sinh ra bão hoà khuếch đại

đồng đều, điều này gây ảnh hởng tới các kênh WDM tại các bớc sóng dài hơn Nh vậy thì việc cân bằng khuếch đại cũng là một điều mong muốn đối với các hệ thống analog cho méo cấp hai sinh ra do sự nghiên khuếch đại

Cân bằng khuếch đại có nghĩa là làm cho khuếch đại đồng đều ở các kênh quang riêng rẽ Làm phẳng khuếch đại nghĩa là tạo ra đợc băng tần phổ khuếch đại đều nhau Nh vậy khi ở trờng hợp ứng dụng hai kênh cân bằng khuếch đại có thể đợc thực hiện nhờ các biện pháp đơn giản nh sau:

- Với một EDFA có độ dài L đã cho, công suất bơm có thể đợc chọn để các bộ khuếch đại trong các vùng đỉnh và vai gần các bớc sóng 1,53 àm và 1,54 àm là chính xác bằng nhau.Vì sự khác biệt là do ảnh hởng của sự tái hấp thụ tín hiệu ở bớc sóng ngắn Một cách cân bằng khuếch đại khác là đặt các kênh quang tại các bớc sóng mà nó cho ra các bộ khuếch đại bằng nhau

ở điều kiện bơm lớn nhất

- Phơng pháp thứ hai để cân bằng và làm phẳng khuếch đại là sử dụng các bộ lọc quang thụ động Phơng pháp này dựa trên việc sử dụng đỉnh băng tần hoặc bộ lọc có điều chỉnh gần với đỉnh khuếch đại Việc kết hợp của truyền dẫn có bộ lọc phụ thuộc bớc sóng và khuếch đại EDFA sẽ tạo ra đợc

độ phẳng phổ khuếch đại thực Việc cân bằng khuếch đại cho EDFA cũng có thể đạt đợc bằng cách sử dụng bộ lọc quang tích cực Trong các bộ lọc tích hợp âm thoa quang có điều chỉnh AOTF (Acoustic Optic Tunable Filters), truyền dẫn tại bớc sóng đã cho có thể đợc điều khiển bằng việc điều chỉnh tần số trung tâm và công suất của tín hiệu RF điều khiển Bằng cách điều khiển AOTF với một số bớc sóng mang phụ RF việc điều khiển truyền dẫn

có thể đạt đợc đồng thời cho các bớc sóng quang khác nhau

- Các cấu trúc EDFA cải tiến đặc tính khác

Để cải thiện đặc tính của bộ khuếch đại EDFA, có một số các cấu trúc biến đổi có sự thay đổi chút ít về cấu hình của EDFA Trong các cấu hình này,

đầu tiên cần phải kể tới là cấu hình thay đổi độ dài sợi pha tạp erbium EDF để thu đợc độ khuếch đại cao hơn Tuy nhiên cần phải chú ý tới nhiễu của EDFA, vì công suất bơm cao thờng đợc sử dụng ở cấu trúc này

Phơng pháp thứ hai là EDFA đợc tách độ dài EDF thành hai phần bằng

bộ cách ly S.Yamashita và T.Okoshi, O Lumholt và các tác giả đã phân tích

lý thuyết và tiến hành thực nghiệm về vấn đề này Trong phơng pháp này, một bộ cách ly đợc đặt ở giữa sợi pha tạp Erbium để chặn nhiễu ASE Phơng pháp này tạo ra đợc khuếch đại tăng và làm giảm hệ số nhiễu NF của EDFA Hình 8.34 chỉ ra nguyên lý làm giảm NF và loại trừ ASE bằng bộ cách

ly

Hình 1.9 chỉ ra cấu trúc bộ khuếch đại EDFA áp dụng phơng pháp này Bằng việc sử dụng bộ cách ly quang hoặc bộ lọc thì ta có thể cải thiện

đợc độ nhạy thu Tuy nhiên, vị trí của cả bộ cách ly và bộ lọc trong hai phơng pháp này cần đợc khẳng định Từ các thí nghiệm ở trên, kết quả đã chỉ ra rằng vị trí tối u của bộ cách ly quang là vào khoảng 25% đến 40% độ dài sợi tính từ đầu vào cho cả các bộ khuếch đại đợc bơm cùng và hai hớng

Vị trí tối u của bộ lọc quang đợc tìm ra là ở khoảng 42% tính từ đầu vào độ dài tổng của bộ khuếch đại

ASE ngợc

Bộ lọc WDM C1

a)

b)

c)

Hình 1.11 Các ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi

- Bộ khuếch đại công suất quang

BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn đợc sử dụng ngay sau Tx

để tăng mức công suất tín hiệu Do mức công suất ra tơng đối cao nên tạp âm ASE có thể bỏ qua và do đó đối BA không đòi hỏi phải có các yêu cầu nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm Tuy nhiên, với mức công suất ra cao việc sử dụng BA có thể gây nên một số hiện tợng phi tuyến Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx BA có thể tích hợp với Tx ( gọi là OAT) hoặc tách riêng với Tx

- Bộ tiền khuếch đại quang

PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp đợc sử dụng ngay trớc bộ thu Rx để tăng độ nhạy thu Sử dụng PA bộ nhạy thu đợc tăng lên đáng kể Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx Để đạt

đợc mức tạp âm ASE thấp ngời ta thờng sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp ( nên sử dụng các bộ lọc có khả năng điều chỉnh bớc sóng trung tâm theo

EDFA

PA

Thu quang Phát quang

EDFA

BA

Thu quang Phát quang

EDFA

LA

Thu quang Phát quang

bớc sóng của nguồn phát) PA có thể tích hợp với Rx ( gọi là OAR) hoặc tách riêng với Rx

- Bộ khuếch đại đờng truyền

LA là loại thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp đợc sử dụng trên đờng truyền ( giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp Tuỳ theo chiều dài tuyến mà LA có thể đợc dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến Đối với các hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA Kênh giám sát này ( OSC- Optical Supervisor chanel) không đợc quá gần với sóng bơm cũng nh kênh tín hiệu để tránh ảnh hởng giữa các kênh này Tại mỗi

LA kênh giám sát này đợc chèn thêm các thông tin mới về trạng thái của LA

và các thông tin về cảnh báo sau đó lại đợc phát lại vào đờng truyền Về mặt lý thuyết khoảng cách truyền dẫn lớn ( cỡ vài nghìn Km ) có thể đạt đợc bằng cách chèn thêm các LA vào đờng truyền Tuy nhiên trong trờng hợp trên tuyến có nhiều LA liên tiếp nhau chất lợng hệ thống có thể suy giảm nghiêm trọng do các hiện tợng nh: tích luỹ tạp âm, sự phụ thuộc của phổ khuếch đại vào tổng hệ số khuếch đại, ảnh hởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến Đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bớc sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA

Do đặc điểm khác nhau của các loại thiết bị khuếch đại quang nên mức

u tiên sử dụng đối với từng loại cũng khác nhau:

- LA đòi hỏi phải có một kênh giám sát riêng hơn nữa thêm các điểm trung gian vào trên đờng truyền cũng làm cho việc bảo dỡng trở nên phức tạp hơn Do đó mức u tiên sử dụng đối với LA là thấp nhất, chỉ trong trờng hợp khi dùng cả BA và PA mà vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về quỹ công suất thì mới sử dụng LA

- Đơn giản nhất là sử dụng BA và PA để tăng quỹ công suất Tuy nhiên

do cấu hình của PA phức tạp hơn BA ( vì phải sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp để loại bỏ bớt tạp âm ASE ) nên giữa BA và PA thì BA vẫn đợc u tiên

sử dụng hơn

Việc sử dụng các thiết bị khuếch đại quang (BA,PA,LA) sẽ tăng quỹ công suất lên đáng kể Với phổ khuếch đại tơng đối rộng ( khoảng 35 nm), khả năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc độ và dạng tín hiệu, sử dụng khuếch đại quang rất thuận lợi trong việc nâng cấp tuyến nh tăng tốc độ hoặc thêm kênh bớc sóng

Nhìn chung, sử dụng khuếch đại quang có thể bù lại suy hao trong hệ thống, nh vậy các hệ thống trớc đây bị hạn chế về suy hao thì nay có thể lại

bị hạn chế về tán sắc Trong trờng hợp đó phải sử dụng một số phơng pháp

để giảm bớt ảnh hởng của tán sắc, ví dụ nh sợi bù tán sắc hay sử dụng các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài

Một trong các hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch

đại không đồng đều, các bớc sóng khác nhau sẽ đợc khuếch đại với các hệ

số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại bớc sóng 1530

nm Hơn nữa, trong trờng hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quanh bớc sóng 1558 nm Nh vậy, với nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại có thể là từ 35 nm xuống còn 10 nm hoặc hơn nữa tùy thuộc vào số

bộ khuếch đại quang liên tiếp nhau

Ngoài ra trong trờng hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền, một vấn đề nữa cần quan tâm xem xét là tạp âm ASE trong bộ khuếch

đại quang phía trớc sẽ đợc khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang phía sau Sự khuếch đại và tích lũy tạp âm này sẽ làm cho tỷ số S/N của hệ thống bị suy giảm nghiêm trọng Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE

có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống dới mức cho phép Tuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào là quá cao thì tín hiệu này kết hợp với ASE có thể gây hiện tợng bão hòa ở bộ khuếch đại

Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng một số phơng pháp sau:

- Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại : xung quanh bớc sóng 1530 nm và xung quanh bớc sóng 1558 nm trong trờng hợp có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền

- Hoặc điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bớc sóng sao cho tại

đầu thu, mức công suất của tất cả các bớc sóng này là nh nhau

Một cải tiến quan trọng trong việc san phẳng và mở rộng khuếch đại của

bộ khuếch đại quang đó là sự ra đời của bộ khuếch đại có tên là EDTFA ( Erbium Doped Tellurite based Fiber Amplifier ) Sơ đồ cấu hình nh sau:

Hình 1.12 Cấu trúc EDTFA

Về bản chất thì EDTFA giống nh EDFA hay EDSFA, chỉ khác là EDSFA dựa trên nền bán dẫn Silic còn EDTFA dựa trên nền bán dẫn Tellurium EDTFA cho phép mở rộng phổ khuếch đại lên tới 90 nm từ bớc sóng 1530 nm đến 1620 nm

1.1.4 Các tham số đặc tính kỹ thuật ảnh hởng đến hệ

thống thông tin quang EDFA

a/ Công suất bơm và bớc sóng bơm trong EDFA

Nh giải thích trong phần Cấu trúc và nguyên lý hoạt động, có một vài vùng bớc sóng bơm cho phép kích thích các ion Erbium Đặc tính khuếch đại của sợi Erbium EDF đợc bơm ở mỗi vùng bơm đợc so sánh dới dạng hệ số khuếch đại, tỷ lệ phần tiết diện bức xạ kích thích bơm và phần tiết diện hấp thụ bơm, hiệu suất biến đổi công suất và các đặc tính nhiễu

Hình 1.13 mô tả quan hệ giữa khuếch đại tín hiệu và công suất bơm Độ

khuếch đại lúc đầu tăng mạnh với hàm mũ với sự tăng của công suất bơm và rồi hạ thấp xuống Hình này cũng chỉ ra sự phụ thuộc hệ số khuếch đại tín hiệu vào độ dài sợi Độ dài sợi mà tăng sẽ dẫn tới hệ số khuếch đại tăng

Hiệu suất biến đổi công suất là một tham số thông dụng để áp dụng chủ yếu cho EDFA khuếch đại công suất BA vì nó có liên quan đến các đặc tính bão hoà của EDFA Tham số này thờng đợc sử dụng trong thiết kế modul

để xác định công suất tín hiệu đầu ra thu đợc từ modul EDFA với công suất bơm sẵn có trong modul và đợc xác định là:

Epc(%) = (PSout - PSin)x100/PPin (1.1) Trong đó PSout ,PSin và PPin tơng ứng là công suất tín hiệu đầu ra, công suất tín hiệu đầu vào và công suất bơm vào sợi pha tạp Erbium EDF Giá trị lớn nhất của Epc đợc cho đối với bớc sóng tín hiệu λs và bớc sóng bơm λp

là:

Epcmax(%) = (λp /λs )x100 (1.2) Vì vậy hiệu suất biến đổi công suất lớn nhất Epc sẽ tăng khi bớc sóng bơm tiến tới bớc sóng tín hiệu

Hình 1.13 Sự phụ thuộc bộ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA Cả hai loại bớc sóng bơm 1480 nm và 980 nm đều đợc dùng tốt trong EDFA Tuỳ từng điều kiện cụ thể mà có thể sử dụng bớc sóng bơm 1480 nm hay 980 nm Thực hiện tính toán để tìm độ khuếch đại G với các bớc sóng bơm khác nhau và so sánh bơm 1480 nm với 980 nm dựa trên quan hệ giữa độ dài sợi EDF và khuếch đại tín hiệu cho cả hai bớc sóng ở cùng một công suất bơm Kết quả nh hình 1.14.Từ kết quả này và tham khảo các kết quả thí nghiệm ta thấy rằng bơm ở 980 nm có hiệu quả hơn bơm ở 1480 nm

Độ dài sợi =10m

= 10,2 dB/mW

Sợi: Thuỷ tinh pha- Ge/Al/Er Bớc sóng tín hiệu: 0,98àm Bớc sóng bơm: 1,534àm Công suất tín hiệu vào: -43 dBm

Hình 1.14 Quan hệ giữa độ dài EDF và khuếch đại tín hiệu

b/ Khuếch đại trong bộ khuếch đại pha tạp Erbium

Công suất và bớc sóng bơm có liên quan tới khuếch đại của bộ khuếch

đại quang sợi OFA (Optic Fiber Amplifer) Độ khuếch đại là một trong những tham số cơ bản nhất và nó thể hiện khả năng làm tăng công suất tín hiệu truyền trong OFA Độ khuếch đại G của bộ khuếch đại quang đợc xác định nh sau:

G = (Pout - Psp)/Ps (1.3) Trong đó Ps và Pout tơng ứng là các công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang.Ngoài khuếch đại, bộ khuếch đại quang cũng phát ra ASE

và ở đây Psp là công suất nhiễu đợc phát từ bộ khuếch đại quang nằm trong băng tần quang

Việc xác định độ khuếch đại quang sợi là một quá trình phức tạp do bản chất phân bố hai hớng cảu nó Để thu đợc độ khuếch đại thực của bộ khuếch đại thì cần phải xác định đợc phần tiết diện bức xạ kích thích δe và tiết diện hấp thụ δa là các yếu tố rất quan trọng

Hình 1.15 mô tả đỉnh trong các phần mặt cắt ngang hấp thụ và bức xạ là gần với 1530 và phổ hấp thụ có phần dịch về phía các bớc sóng ngắn hơn Xu hớng dịch về phía các bớc sóng ngắn hơn là đặc trng tiêu biểu của các nguyên tố đất hiếm

a) Khuếch đại G phụ thuộc

độ dài sợi EDF

Độ dài sợi EDF (m)

1480nm, Pp=6mW 1480nm, Pp=7mW 980nm, Pp=6mW 980nm, Pp=7mW

b) Khuếch đại G phụ thuộc độ dài sợi EDF với các cấu hình bơm khác nhau

Hình 1.15 Phổ tiết diện bức xạ và hấp thụ giữa các mức 4I13/2 và 4I15/2

- Khuếch đại tín hiệu nhỏ

Khuếch đại tín hiệu nhỏ là độ khuếch đại của bộ khuếch đại khi nó hoạt

động trong chế độ tuyến tính, tại nơi mà nó hoàn toàn không phụ thuộc vào công suất quang tín hiệu đầu vào tại mức công suất quang tín hiệu và bơm đã cho Để xác định vùng khuếch đại tín hiệu nhỏ, ngời ta thờng dự báo bằng nhiễu đầu vào hiệu dụng Pn,eff của bộ khuếch đại

Pn,eff = 2hν.B0 ≈ 30 nw/nm đối với λ = 1550 nm Trong đó h là năng lợng photon và Bν 0 là băng tần quang cảu bộ khuếch

đại quang Nhiễu đầu vào hiệu dụng đợc khuếch đại lên từ độ khuếch đại và

ta sẽ thu đợc công suất đầu ra của bộ khuếch đại Độ khuếch đại tín hiệu nhỏ

là tham số quan trọng trong việc xác định vị trí của các thiết bị EDFA trên tuyến Nếu nh công suất tín hiệu lớn sẽ làm giảm độ khuếch đại thực và dẫn

đến giảm quỹ công suất của tuyến thông tin quang

Độ khuếch đại của bộ khuếch đại đợc thể hiện nh ở hình 1.16 minh hoạ nh là một hàm của công suất đầu vào Các đờng cong này có thể giúp ta xác định phân biệt đợc vùng công suất đầu vào tín hiệu nhỏ

Hình 1.16 Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào

với 4 công suất bơm khác nhau

- Khuếch đại bão hoà

Đặc tính khuếch đại bão hoà của EDFA là một tham số quan trọng Công suất tín hiệu đầu ra thu đợc ở đầu ra bộ khuếch đại quang là một giá trị đặc biệt hấp dẫn vì nó liên quan tới các cự ly truyền dẫn và cự ly khoảng lặp của các hệ thống truyền dẫn dài và nó làm tăng cửa sổ các đầu ra trong cấu hình phân bố sợi quang EDFA thờng hoạt động ở các mức tín hiệu đầu vào đủ lớn

để tạo ra sự bão hoà khuếch đại Sự bão hoà độ khuếch đại đợc xem nh là

sự giảm khuếch đại trong lúc công suất tín hiệu tăng nh thể hiện ở hình 1.16

Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang có thể đợc viết nh sau:

G = G0exp[(1 G) P- in/Psat] (1.4) Trong đó G0 là độ khuếch đại tín hiệu nhỏ Công suất bão hoà Psat tại bớc sóng xác định là công suất đủ để cho độ khuếch đại bằng 0 Công suất bão hoà đợc viết:

Psat = Ahν σ/ aτsp (1.5) Trong đó A là mode trờng tích điện, τsp ≈10 ms là thời gian sống của ion tự phát ở trạng thái giả bền

Hình 1.17 minh hoạ độ khuếch đại tín hiệu đợc vẽ nh một hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với các công suất ở nơi mà độ khuếch đại giảm đi 3

dB so với giá trị cha bão hoà Đây là công suất đầu ra mà tại đó độ khuếch

đại của bộ khuếch đại giảm đi 50% giá trị tín hiệu nhỏ của nó Cũng trong

Độ dài sợi =10m

= 10,2 dB/mW

Sợi: Thuỷ tinh pha- Ge/Al/Er Bớc sóng tín hiệu: 0,98àm Bớc sóng bơm: 1,534àm Công suất tín hiệu vào: -43 dBm

Trong các cấu trúc EDFA, bơm ngợc sẽ thu đợc PCE cao nhất với mọi

độ dài EDF Nh vậy bơm ngợc đợc áp dụng cho độ dài EDF tối u khi xây dựng thiết bị khuếch đại công suất BA để đạt đợc công suất đầu ra cao hơn

Hình 1.18 Hiệu suất biến đổi công suất nh một hàm của độ dài EDF

với hai loại cấu hình bơm

- Độ nghiêng và độ dốc khuếch đại

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của EDFA trong thông tin quang là việc sử dụng nó trong hệ thống ghép kênh quang Trong các hệ thống ghép kênh theo bớc sóng WDM với cự ly xa, phổ khuếch đại của bộ khuếch

đại quang phải duy trì phẳng để tránh sự trôi lên về công suất của một kênh nào đó Sự thay đổi hoặc nghiêng trong phổ khuếch đại xảy ra khi các kênh của hệ thống thông tin dài Sự nghiêng độ khuếch đại đợc xác định nh là tỷ

số của sự biến đổi khuếch đại tại bớc sóng đo đợc với sự thay đổi khuếch

đại tại bớc sóng chuẩn, nơi mà các thay đổi khuếch đại đợc tạo ra do có sự biến đổi ở điều kiện đầu vào

Ngoài độ nghiêng khuếch đại thì độ dốc khuếch đại cũng đợc quan tâm

Độ dốc khuếch đại là tham số quan trọng và cần phải phân biệt giữa độ dốc khuếch đại tĩnh và độ dốc khuếch đại động Độ dốc khuếch đại tĩnh ms đợc xác định nh sau:

ms (λ0) = [Gs(λ0+∆λ) - Gs(λ0-∆λ ] ∆λ) /2 (1.6)Trong đó Gs(λ0±∆λ) là độ khuếch đại tại bớc sóng tín hiệu bão hoà do bớc sóng tín hiệu bão hoà bị điều chỉnh đi (λ0±∆λ)

Độ dốc khuếch đại động md đợc xác định nh sau:

md (λ0) = [Gp(λ0+∆λ) - Gp(λ0-∆λ ] ∆λ) /2 (1.7) Trong đó Gp(λ0±∆λ) là độ khuếch đại của một cực dò tín hiệu nhỏ tại bớc bớc sóng (λ0±∆λ) Cực dò là để đặc trng cho độ dốc khuếch đại động

nó có thể là một laser có khả năng điều chỉnh bớc sóng liên tục để cho ra công suất đầu ra thấp hoặc nguồn phát quang băng rộng

- Phổ khuếch đại của EDFA.

Phổ khuếch đại của EDFA là một tham số quan trọng vì băng tần khuếch

đại là một tham số trọng yếu để xác định băng truyền dẫn Đặc tính này đã

đợc điều tra với các sợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các EDFA Bằng cách thay đổi vật liệu chủ trong sợi từ thuỷ tinh silica sang thuỷ tinh Fluoride gốc ZrF4 và thuỷ tinh Fluoropho spate sẽ hứa hẹn mở rộng

và làm phẳng đợc băng tần khuếch đại Ngoài ra, phổ khuếch đại của EDFA

c/ Nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Nhiễu trong trong tín hiệu khuếch đại quang là một chủ đề quan trọng trong hệ thống thông tin quang Các đặc tính nhiễu thể hiện một tham số quan trọng chủ chốt mà nó xác định đặc tính trên toàn bộ hệ thống nh cự ly truyền dẫn và tốc độ bit lớn nhất Để thuận tiện cho việc xem xét thiết kế tuyến, ta phân tích nhiễu thành các dạng đặc trng Có hai phần là nhiễu quang và nhiễu cờng độ

- Nhiễu quang trong EDFA

Nhiễu quang là tham số quan trọng nhất liên quan tới các đặc tính nhiễu trong các hệ thống sử dụng khuếch đại quang Độ khuếch đại G đã đợc thảo luận nhng bên cạnh đó luôn luôn tồn tại nhiễu Vì thế mà trên thực tế không bao giờ có bộ khuếch đại quang lý tởng, điều đó có nghĩa là sẽ không tồn tại

bộ khuếch đại mà không có nhiễu và nó ảnh hởng trực tiếp đến thiết kế tuyến

Các photon đợc bức xạ tự phát có hớng và pha ngẫu nhiên Một số các photon bức xạ tự phát đợc giữ lại ở các mode của sợi quang Vì các photon

đợc giữ lại này lan truyền dọc theo bên trong của sợi chúng lại đợc khuếch

đại, quá trình này sẽ tạo ra bức xạ tự phát đợc khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission) Trong các bộ khuếch đại quang sợi thực tế EDFA thờng có 2 mode lan truyền phân cực trong bức xạ tự phát và công suất ASE tổng là:

PASE = 2NSPh (G-1)Bν 0 (1.8) Trong đó h là năng lợng photon, G là độν khuếch đại của bộ khuếch đại quang sợi

Sự trôi công suất bơm dọc theo sợi pha tạp Erbium sẽ tạo ra nghịch đảo

N2 cũng thay đổi Khi sử dụng bớc sóng bơm là 1480 nm, nghịch đảo hoàn toàn có thể xảy ra đạt đợc về bơm và tín hiệu là cùng chung trạng thái nền và kích thích Bộ khuếch đại quang sợi đựoc bơm với bớc sóng 1480 nm là bộ

khuếch đại có hệ số bức xạ tự phát NSP cao hơn Điều này làm tăng trực tiếp hình ảnh nhiễu trong bộ khuếch đại và NSP có thể đợc gọi là hệ số nhiễu tự phát

- Nhiễu cờng độ trong EDFA

Nh trong phần trớc đã giới thiệu, cờng độ ánh sáng đến đợc bộ tách sóng quang biến đổi thành dòng điện Dòng photon ban đầu Iph(t) sẽ đợc phát

ra trong bộ tách sóng quang khi có một công suất quang P(t) từ nguồn phát đi tới

Tín hiệu đợc khuếch đại

Nhiễu phách tín hiệu- tự phát Phổ

quang

- Nhiễu phách tự phát - tự phát

Nhiễu phách tự phát tự phát là phách giữa các thành phần phổ khác - nhau của bức xạ tự phát SE dẫn đến nhiễu cờng độ Toàn bộ phổ ASE sẽ

đóng góp vào nhiễu phách cờng độ tự phát tự phát Nếu nh ASE là không - phân cực, ASE ở một trong hai phân cực trực giao sẽ đóng góp vào nhiễu phách tự phát tựu phát tổng Nh trong hình 1.20, tổng số các cặp phách có - thể nó sẽ giảm đi khi mà băng tần quang giảm

Hình 1.20 Nhiễu phách tín hiệu tự phát giữa các thành phần phổ ASE-

- Nhiễu phản xạ (nhiễu giao thoa, nhiễu luồng)

Các phản xạ quang trong bộ khuếch đại quang thờng làm giảm khuếch

đại và vì thế làm giảm quỹ công suất của tuyến truyền dẫn Quá trình phản xạ quang này tạo ra sự biến đổi giao thoa của nhiễu pha laser thành nhiễu cờng

độ Nhiễu cờng độ nh vậy sẽ làm giảm tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR tại bộ thu quang Nhiễu biến đổi đợc biết nh là nhiễu giao thoa nhiều luồng hoặc MPI (Multipath Interference) hoặc còn gọi là nhiễu quá mức

Các tham số quan trọng xác định biên độ của MPI là các mức phản xạ,

độ khuếch đại quang, độ rộng phổ tín hiệu và trễ thời gian giữa hai phản xạ Khi các phân cực của các chùm luồng quang bị trễ là đồng bộ với nhau nó sẽ tạo ra nhiễu cờng độ tơng đối RIN (Relatine Intensity Noise) tồi nhất và pha giao thoa trung bình gần nh là ở dạng bậc hai Độ khuếch đại quang có thể làm tăng mạnh các tác động của các phản xạ nhỏ

- Hình ảnh nhiễu

Hình ảnh nhiễu NF (Noise Figure) của bộ khuếch đại quang là một hình

ảnh minh hoạ đặc trng có ý nghĩa xác định lợng suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR sau khi qua bộ khuếch đại Hình ảnh nhiễu mà lớn sẽ bất lợi cho

λ

ASE

B 0 Bớc sóng

Nhiễu phách tự phát-tự phát Phổ

quang

đặc tính của hệ thống Nó tạo ra tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm thu đợc kém, tăng Jitter trong các hệ thống truyền dẫn Soliton và tăng tích luỹ ASE dọc theo tuyến truyền dẫn có nhiều bộ khuếch đại quang sợi mắc nối tiếp

Trong các hệ thống thông tin quang Analog, nhiễu pha do biến đổi nhiễu cờng độ do các phản xạ quang bên trong cũng là yếu tố chính tham gia vào hình ảnh nhiễu Hình ảnh nhiễu là sự suy giảm tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm do truyền tín hiệu lợng tử thông qua bộ khuếch đại quang sợi OFA và đợc tính bằng dB Nh vậy hình ảnh nhiễu đợc xác định bởi công thức sau:

NF = SNRin/SNRout (1.10) Trong đó hình ảnh nhiễu đợc tính là dB Các SNR đợc xem xét tại đầu

ra của bộ tách sóng quang lý tởng mà nó có khả năng biến đổi từ photon của

ánh sáng tới thành dòng điện (hiệu suất lợng tử η = 1) Hình 1.21 minh hoạ

về hình ảnh nhiễu Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR đầu vào đợc xác định thông qua việc sử dụng một nguồn phát lý tởng và bộ thu lý tởng Sau đó bộ khuếch đại quang đợc mắc xen rẽ vào và SNR đầu ra đợc xác định Biểu thức trên sẽ đợc dùng để tính toán hình ảnh nhiễu bộ khuếch đại quang

Để chặn bớt nhiễu, cách có hiệu quả là sử dụng bộ lọc băng thông quang

Bộ lọc băng thông quang thờng đợc ghép với đầu ra của EDFA để chặn bớt nhiễu phách tín hiệu - tự phát trong trờng hợp bất kỳ một bộ khuếch đại quang nào đó đợc dùng làm tiền khuếch đại cho bộ thu quang và sự kết hợp giữa bộ tiền khuếch đại với bộ lọc quang và bộ thu đợc gọi là bộ thu đợc khuếch đại quang OAR (Optically Amplifed Recciver)

Hình 1.21 Hình ảnh nhiễu dới dạng nguồn phát và bộ thu lý tởng

Phân tích phổ lý tởng

Bộ thu lý tởng

Không suy hao

Kết nối đầu vào

Bộ thu lý tởng

Kết nối đầu vào và

đầu ra bộ khuếch đại

Nguồn lý

tởng

P S , λ

SNR out G,N

Hình ảnh nhiễu NF đợc xác định từ nhiễu tự phách tín hiệu- tự phát sẽ không chỉ phụ thuộc vào băng bơm mà còn phụ thuộc vào công suất bơm, bớc sóng bơm và cấu hình bơm

Hệ số tạp âm bên trong của bộ khuếch đại quang sẽ không bao gồm yếu

tố ghép đầu vào và đầu ra bộ khuếch đại Hệ số nhiễu bên trong đợc tính cho bản thân chính bộ khuếch đại quang, và nh vậy đầu vào và đầu ra nên đợc tính ngay tại các điểm sát sau đầu vào và sát trớc đầu ra của EDF tơng ứng (ở bên trong hai điểm nối giữa EDF, WDM và bộ cách ly) Vì thế, NF bên

trong đợc xác định là NF in (dB) ≡ 10 log10 (2N SP) Đối với bộ khuếch đại

quang sợi, P ASE = 2N SP hν(G in - B1) o , ở đây G in là độ khuếch đại bên trong của bộ khuếch đại quang sợi, ta có NF bên trong đợc viết là:

0 10

1 log

10

B G

h

P dB

NF

in

ASE in

−

=

ν (1.11)

d/ Các đặc tính phụ thuộc nhiệt độ của EDFA

Đặc tính phụ thuộc vào nhiệt độ cũng quan trọng trong các ứng dụng thực tiễn của EDFA trong các hệ thống thông tin quang Sự khuếch đại tín hiệu phụ thuộc vào nhiệt độ đã đợc nghiên cứu trong cả hai bớc sóng bơm

980 nm và 1480 nm Đặc trng này thừa nhận rằng đó là do sự thay đổi của phần tiết diện bức xạ σe và hấp thụ σa của ánh sáng mang tín hiệu và ánh sáng bơm Sự phân bố phụ thuộc vào nhiệt độ của tích lũy ion Er3+ ở mức siêu bền

4I13/2 và mức nền 4I15/2 đã gây ra những biến đổi trong từng phần tiết diện ngang Ngời ta nhận thấy rằng phần tiết diện thay đổi tuyến tính với nhiệt độ

Sự phụ thuộc khuếch đại tín hiệu vào nhiệt độ đợc thể hiện ở hình 1.22

Độ khuếch đại tín hiệu bị giảm khi nhiệt độ tăng lên Ta cũng thấy rằng các thay đổi về khuếch đại tín hiệu phụ thuộc mạnh vào độ dài sợi, bớc sóng bơm, và bớc sóng tín hiệu Các bộ khuếch đại EDFA đợc bơm ở bớc sóng

1480 nm sẽ nhạy cảm với nhiệt độ hơn là bơm ở 980 nm do thực tế là đặc tính phụ thuộc nhiệt độ khi bơm ở 1480 nm lớn hơn là bơm tại 980 nm cho cả hai bớc sóng tín hiệu, vì có một giá trị xác định của tiết diện ngang bức xạ σe,p

tại bớc sóng bơm 1480 nm, và giá trị này rất nhạy cảm với nhiệt độ sợi

Hình 1.22 Khuếch đại tín hiệu phụ thuộc vào nhiệt độ

Các đặc tính phụ thuộc vào nhiệt độ của EDFA cho các hệ thống ghép kênh quang cũng đã đợc nghiên cứu J.H.Lee và các tác giả đã đa ra các kết quả thực nghiệm của họ sau khi điều tra cho cả hai bớc sóng bơm 980 nm và 1480nm Kết quả thực nghiệm này đã chỉ ra rằng bơm ở bớc sóng 1480nm nhạy cảm với nhiệt độ hơn là bơm ở bớc sóng 980 nm

1.1.5.ảnh hởng của khuếch đại quang EDFA trong Hệ thống thông tin quang

a) Giới thiệu chung

Nh đã biết rằng, khuếch đại quang thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang và vì thế cho phép tăng quỹ công suất quang trên hệ thống thông tin quang Nh vậy sự có mặt của các thiết bị khuếch đại quang trên tuyến truyền dẫn đã làm thay đổi đặc tính hệ thống thông qua tín hiệu truyền trên sợi quang đã đợc khuếch đại và nhiễu của hệ thống Rõ ràng rằng khi mà hệ thống thông tin quang đợc lắp đặt thêm các thiết bị khuếch đại quang, nó sẽ trở thành hệ thống mới có những đặc điểm khác với hệ thống không sử dụng khuếch đại quang Khi đó sẽ có nhiều câu hỏi đặt ra cho việc xác định cấu hình hệ thống và cần phải xem xét các yếu tố tác động trên toàn bộ hệ thống

Trong hệ thống thông tin quang, để đánh giá hệ thống thì thờng ngời ta dựa vào tín hiệu phía thu quang vì thiết bị thu sẽ phản ánh toàn bộ đặc tính hệ thống Nh vậy, để tiện cho việc xem xét hệ thống có khuếch đại quang, cách tốt nhất là ta hãy quy về việc khảo sát bộ thu có khuếch đại quang OAR (optically amplified receiver) Điều này có nghĩa rằng trong hệ thống sử dụng khuếch đại quang sợi, ta coi bộ khuếch đại quang là thuộc về thiết bị thu quang dù cho nó có thể cách xa thiết bị thu quang photodiode, trên cơ sở đó khảo sát sự tơng tác các tham số trong hệ thống Các tham số quan trọng nhất ở đây là tín hiệu và các thành phần nhiễu Chúng cho phép xác định tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện eSNR (electrical SNR), và từ đó xác định độ nhạy thu cũng nh đặc tính BER của hệ thống

Các đặc tính nhiễu thấp của chúng là rất quan trọng để xây dựng cấu hình tối u của hệ thống thông tin quang đợc khuếch đại quang Nếu ta coi

bộ khuếch đại quang nằm ở trong thiết bị thu quang thì việc khảo sát hệ thống

sẽ thông qua bộ thu OAR và đợc diễn giải nh sau Trong một bộ thu OAR, vì bộ khuếch đại quang (OA) đã đợc dùng trong hệ thống, cho nên không chỉ dòng photo tín hiệu đợc khuếch đại, mà nhiễu phát xạ tự phát của bộ khuếch

đại quang cũng đợc thêm vào nhiễu tổng Bản chất ngẫu nhiên của tín hiệu

đến và các quá trình Gaussian của nhiễu cộng với tín hiệu có biên độ nhỏ đã làm cho quá trình phân tích hệ thống phức tạp lên rất nhiều Trong các yếu tố quan trọng nhất của ánh sáng vật lý đi tới bộ tách sóng photo, tồn tại một thực

tế là số các photon hoặc các lợng tử năng lợng là không xác định Sự khuếch đại ánh sáng của bộ khuếch đại quang cần đợc hiểu đúng hơn là một quá trình nhận thêm photon và nó làm tăng tính không chắc chắn về số lợng các lợng tử Đây cũng là lý do để biết rằng có một tính ngẫu nhiên kết hợp với bức xạ kích thích và vì quá trình bức xạ tự phát đã phát ra nhiễu phụ Nh vậy, các thành phần nhiễu luôn luôn là các yếu tố quan trọng nhất nhng lại rất phức tạp trong khi xét đến ảnh hởng của nó trong hệ thống có khuếch đại quang Trong khi đó, điểm bắt đầu của quá trình nghiên cứu về tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cũng nh độ nhạy thu lại là các thành phần nhiễu, và chúng cần phải đợc làm sáng tỏ ngay từ đầu Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày và phân tích về eSNR của bộ thu khuếch đại quang OAR Nh vậy, trớc tiên là phải tìm đợc các thành phần nhiễu và tín hiệu của hệ thống Từ đó tiến hành xác định tỷ số eSNR, vốn là một trong các tham số quyết định chất lợng hệ thống truyền dẫn

b)Tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện của hệ thống có khuếch đại quang

Để xét cấu hình của hệ thống đợc thuận tiện, ta hãy khảo sát sự kết hợp

bộ khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier) và bộ thu quang photodiode p-i-n ITU T đã xác định thiết bị bao gồm bộ tiền khuếch đại OFA -

đợc tích hợp với bộ thu quang nh là một hệ thống phụ Khi suy hao giữa OFA và bộ thu quang không đáng kể, sự tích hợp này đợc gọi là bộ thu khuếch đại quang OAR Việc phân cấp các hệ thống phụ OFA đã đợc xác

định trong các khuyến nghị G.662 và G.663, và sơ đồ mắc xen OFA trong OAR đợc mô tả nh ở trong hình 1.23 Với xác định này, điểm tham chiếu R chỉ đợc xác định cho đặc tính của các tham số đầu vào OAR ở trớc OFA

Bộ tiền khuếch đại quang PA (Pre-Amplifier) đợc sử dụng trong OAR thờng là bộ EDFA có nhiễu rất thấp và khuếch đại cao Đây là sự khác nhau

đáng chú ý khi so với bộ khuếch đại công suất quang BA vì nó phải thu tín hiệu rất yếu và bị méo sau khi truyền dọc theo sợi quang

Hình 1.23 Sơ đồ xen OFA trong bộ thu khuếch đại quang

Để phân tích bộ thu khuếch đại quang, ta coi OAR nh một thiết bị hai phần mà trong đó các thành phần tín hiệu và nhiễu của khuếch đại quang và

bộ thu quang có tơng tác với nhau Vì bộ OFA đợc đặt trớc bộ thu quang

OR (optical receiver), nó thu công suất tín hiệu quang P s tại đầu vào của bộ thu khuếch đại quang, và bộ thu quang p-i-n sẽ thu công suất tín hiệu quang

P in đến từ đầu ra OFA tại đầu vào bộ thu p-i-n Nh sẽ thảo luận ở chơng này

về các tham số đặc tính của bộ thu quang p-i-n, sự thể hiện của OAR có thể

đợc diễn tả thông qua đặc tính của OFA và bộ thu quang Nh vậy, sơ đồ mẫu modul cơ bản của OAR có thể đợc minh hoạ nh trong hình 1.24 Ta

giả thiết bộ thu quang đợc đặc trng bởi công suất đầu vào P in, băng tần điện

B e , nhiễu nhiệt N th , nhiễu phách tín hiệu - tự phát N s-sp, nhiễu phách tự phát -

tự phát N sp-sp , và nhiễu lợng tử N sh Bộ khuếch đại quang đợc mô tả có băng

tần quang B o , khuếch đại G, và hệ số phát xạ tự phát N sp Thông thờng thì có một bộ lọc quang F đợc đặt ở sau bộ khuếch đại quang để chặn bớt nhiễu

OR

R C

OFA

phát xạ tự phát đợc khuếch đại ASE Suy hao L giữa bộ khuếch đại quang và

bộ thu quang trong OAR thờng là rất nhỏ Vấn đề quan trọng bây giờ là xác

định các thành phần nhiễu lợng tử và nhiễu phách

Để phân tích nhiễu lợng tử cho bộ thu khuếch đại quang OAR, ta có thể

sử dụng tính chất thống kê trong tách sóng quang lợng tử theo nh, và hãy xem xét quá trình phát ra các điện tử photo trong trờng hợp tín hiệu đợc khuếch đại với độ khuếch đại G của EDFA Nh đã thảo luận về nhiễu cờng

độ (nhiễu dòng photo), nhiễu lợng tử bao gồm nhiễu lợng tử của tín hiệu

đợc khuếch đại và nhiễu phát xạ tự phát đợc khuếch đại ASE Nh vậy nếu

gọi m t là số các mode ngang (mode đợc phân cực) của bộ khuếch đại quang

từ đó viết ra dòng photo trung bình của nhiễu lợng tử cho bộ thu khuếch đại quang là:

sp t s

với B e là băng tần điện của bộ thu, e là điện tích điện tử ở đây đã sử dụng

điều chế thực tế là những biến đổi công suất điện nh là bình phơng của dòng

Hình 1.24 Modul cơ bản của bộ thu quang sử dụng khuếch đại quang

Trong bộ thu khuếch đại quang, nhìn chung nhiễu nhiệt (cũng còn gọi là

nhiễu Johnson hoặc nhiễu Nyquist) là nhiễu trội trong bộ thu photodiode

p-i-n Vì vậy, dòng nhiễu nhiệt đợc coi nh là sự thể hiện của nhiễu bộ thu trong OAR và đợc viết là:

L

e B th R

TB k

G, B o , N sp

Với k B là hằng số Boltzmam, T là nhiệt độ tuyệt đối, R L là điện trở tải và

B e là băng tần điện (băng tần nhiễu hiệu dụng ∆f) của bộ thu Từ nhiễu tổng

đợc khuyến nghị trong G.663 ITU T, ta có thể viết tổng công suất nhiễu điện của bộ tách sóng là:

L

e B sp sp sp s sp t s e

TB k N

N I

m GI eB

Với N s-sp và N sp-sp tơng ứng là các công suất nhiễu phách tín hiệu tự - phát và công suất nhiễu phách tự phát tự phát; nhiễu phản xạ đợc coi là rất - nhỏ và bỏ qua Trong biểu thức (39), các thành phần nhiễu lợng tử và nhiễu nhiệt là hoàn toàn rõ ràng Nhng nhiễu phách tín hiệu tự phát và nhiễu - phách tự phát tự phát là các thành phần rất phức tạp Chúng không thể xác -

định thông qua phơng pháp phân tích lợng tử này đợc Tính toán chặt chẽ cho mật độ phổ công suất thông qua lý thuyết tách sóng quang lợng tử là không dễ dàng Việc xác định các yếu tố này đòi hỏi có một kiến thức về mật

độ phổ công suất trong khoảng băng tần tách sóng (0,B e) của nhiễu phách tơng ứng Vì thế, ta có thể sử dụng một lý thuyết gọi là bán cổ điển

Để xác định các thành phần công suất nhiễu phách, lý thuyết bán cổ điển mô tả rằng ánh sáng ở đầu ra bộ khuếch đại quang đợc thực hiện nh là sự xếp chồng của trờng tín hiệu cổ điển và trờng nhiễu điện với các biên độ xác định, và nhiễu có pha ngẫu nhiên Để đơn giản cho việc phân tích, ta giả thiết rằng các hệ số ghép là bằng 1, độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang G

là đồng đều trên băng tần quang B o , và công suất tín hiệu đầu vào P s tại tần số

ω = 2πν đợc đặt ở tâm băng tần B o Khi đó, kết quả thu đợc cho hai mật độ phổ công suất nhiễu phách đợc cho nh là:

Đối với nhiễu phách tín hiệu tự phát:-

o sp

s sp

sp sp

f B

I

(

2 2

và giảm tuyến tính với tần số tới khi triệt tiêu tại f = B o Hình 1.25 mô tả sự thay đổi mật độ công suất nhiễu điện của nhiễu phách tín hiệu - tự phát và nhiễu phách tự phát tự phát.-

Cả hai mật độ phổ đều tồn tại với f ≤ B o và bằng không khi f > B o Nh

vậy, các công suất nhiễu phách tổng rơi vào băng tần điện B e đợc viết nh sau:

sp s o

e sp

s sp

o sp o

e sp

sp sp sp

B B I B

B

Hình 1.25 Các mật độ phổ công suất điện của các nhiễu phách

Với các thành phần nhiễu nh ở trên, tổng các thành phần công suất nhiễu

điện bộ tách sóng có thể đợc viết từ biểu thức (39) nh là:

L

e B e

o sp o

e t sp s o

e sp

t s e total

RTB k B

B I B

B m I

GI B

B I

m GI eB

2 2

4 ) (

+

Đây là tổng của các thành phần nhiễu điện trong quá trình tách sóng không bao hàm nhiễu phản xạ Ta có thể thấy rằng các thành phần nhiễu lợng tử tăng tỷ lệ với độ khuếch đại G của bộ khuếch đại, trong đó nhiễu lợng tử tín hiệu tỷ lệ với tín hiệu đợc khuếch đại và nhiễu lợng tử tự phát là một hằng số Nhiễu phách tín hiệu - tự phát và nhiễu phách tự phát - tự phát

tăng tỷ lệ với bình phơng khuếch đại G Nh vậy chúng có thể trở thành lớn

σ

2 sp sp−

σ

2 sp s−

khi độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang tăng Trong khi đó nhiễu bộ thu

p-i-n là một hằng số Nó không phụ thuộc vào cả độ khuếch đại G và tín hiệu

quang tại đầu vào OAR

Để xem xét các thành phần nhiễu một cách chi tiết, chúng tôi thực hiện tính toán mô phỏng các thành phần nhiễu tại thiết bị thu quang sử dụng khuếch đại EDFA cho hệ thống 10 Gbit/s đợc thể hiện nh ở các hình 1.26

Số liệu dùng để tính toán nh sau: công suất tín hiệu đầu vào là -28 dBm, bớc sóng tín hiệu là 1548 nm, hệ số nhiễu NF bằng 4 dB, băng tần quang 0,5 nm, băng tần điện 7,5 GHz, điện trở tải 50 , dòng bộ thu là 1,56 A Cũng trong Ω àcác kết quả mô phỏng này, giả thiết rằng hiệu suất lợng tử η = 1, các hệ số ghép đầu vào và đầu ra của EDFA ηin = ηout = 1, và suy hao quang giữa EDFA

và bộ thu = 0dB Với các kết quả tính toán này, có thể thấy rằng các điều L

kiện khuếch đại thấp với G < 10dB, nhiễu tổng chủ yếu phụ thuộc vào các nhiễu nhiệt bộ thu (nhiễu bộ thu) và nhiễu phách tín hiệu - tự phát Trong khoảng 10 ≤ G ≤ 20dB, nhiễu tổng vẫn còn phụ thuộc vào các nhiễu phách tín hiệu - tự phát và nhiễu bộ thu Trong khoảng 20 < G ≤ 30dB, nhiễu tổng chủ yếu chỉ phụ thuộc vào nhiễu phách tín hiệu - tự phát Khi độ khuếch đại G > 30dB, nhiễu tổng phụ thuộc vào các thành phần nhiễu phách tín hiệu - tự phát