KD quang

II. Khuếch đại quang 1. KháI quát chung Như ta đã nghiên cứu ở các chương trước, khoảng cách truyền dẫn của hệ thống thông tin quang bị hạn chế bởi tiêu hao và tán xạ của sợi quang. Với hệ thống thông tin đường dài thì hạn chế này được khắc phục bằng việc tái tạo lại tín hiệu quang tại các trạm lặp (Repeater) thực hiện các quá trình: - Biến đổi O/E và E/O - Trạm lặp có nhiệm vụ KĐ, chuẩn lại thời gian, táI tạo lại dạng tín hiệu địên sau đó biến đổi E/O để truyền lên đường dây. Trong thời gian gần đây với sự phát triển của KH và công nghệ thông tin người ta đã thực hiện quá trình KĐ trực tiếp tín hiệu ánh sáng mà không cần qua một quá trình biến đổi nào và được gọi là khuếch đại quang. Hiện nay người ta đã nghiên cứu và hoàn thiện được nhiều loại khuếch đại quang khác nhau: - Khuếch đại Laser bán dẫn (LSA - Semiconductor Laser Amplifiers). - Khuếch đại sợi Raman (FRA - Fiber Raman Amplifiers). - Khuếch đại sợi Brillouin (FBA - Fiber Brilloum Amplifiers). - Khuếch đại sợi Erbium (EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifiers). Bài:4 khuếch đại quang II. Khuếch đại quang 1. KháI quát chung 2. Yêu cầu kỹ thuật và các tham số cơ bản a. Yêu cầu kỹ thuật cơ bản Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản của nó bao gồm: - Hệ số khuếch đại đủ lớn để bù lại công suất tổn hao do sợi quang của đoạn khuếch đại phía trước gây ra. - Công suất ra bão hoà không méo lớn, yêu cầu này nhằm đảm bảo cho việc kéo dài khoảng khuếch đại của hệ thống. - Phổ tần khuếch đại rộng để thực hiện khuếch đại tín hiệu của hệ thống quang đa kênh. - Tạp âm của bộ khuếch đại nhỏ - Cấp nguồn đơn giản, công suất tiêu thụ nguồn nhỏ, có thể sử dụng nhiều loại nguồn cung cấp tại chỗ, từ xa có độ tin cậy cao, đặc biệt là sử dụng pin mặt trời. Ngoài các yêu cầu kỹ thuật cơ bản đã nêu trên các bộ khuếch đại đường dây còn có những yêu cầu cụ thể khác như kích thước gọn nhẹ, độ bền cao, thuận tiện trong lắp đặt và khai thác sử dụng .v.v. Bài:4 khuếch đại quang II. Khuếch đại quang 1. KháI quát chung 2. Yêu cầu kỹ thuật và các tham số cơ bản b. Các tham số cơ bản a. Phổ và độ rộng băng tần khuếch đại: - Phổ tần khuếch đại là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào tần số: g(). Yêu cầu hệ số khuếch đại trong băng tần công tác phải đồng đều, méo biên độ tần số nhỏ. - Độ rộng băng tần khuếch đại GBW (Gain Band Width): g thường được xác định bởi độ rộng băng tần tương ứng với một nửa giá trị lớn nhất của g(). b. Lượng khuếch đại bão hoà: Lượng khuếch đại bão hoà được xác định từ sự phụ thuộc của lượng khuếch đại vào công suất ra. - Khi công suất ra rất nhỏ hơn công suất ra bão hòa thì bộ khuếch đại làm việc ở chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ. - Khi công suất ra so sánh được với công suất bão hoà thì hệ số khuếch đại bị suy giảm. Công suất ra bão hoà của bộ khuếch đại là công suất đầu ra mà hệ số khuếch đại giảm đi hai lần. c. Tạp âm của bộ khuếch đại: Tất cả các bộ khuếch đại đều bị giảm tỷ số tín/ tạp do phát xạ tự sinh cộng thêm vào tín hiệu trong quá trình khuếch đại. Để đánh giá mức độ giảm tỷ số tín/tạp (SNR) người ta sử dụng hệ số tạp âm: Fn = (SNR) vào/(SNR) ra - Đối với các bộ khuếch đại đường dây yêu cầu tạp âm khuếch đại phải đủ nhỏ, giảm tác hại của hiện tượng tích luỹ tạp âm trên tuyến. Bài:4 khuếch đại quang II. Khuếch đại quang 3. Khuếch đại quang bằng sợi EDFA. a. Đặc điểm của sợi EDFA Kỹ thuật khuếch đại quang sợi mà đặc biệt là kỹ thuật khuếch đại quang sợi EDFA tạo ra một bước nhảy vọt trong kỹ thuật thông tin sợi quang. Với kỹ thuật EDFA cho phép khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi nào. Khuếch đại quang sợi nói chung mà EDFA nói riêng có những đặc tính ưu việt như: - Lượng khuếch đại lớn (G > 40db). - Công suất ra không méo lớn (P > 100mW). - Tương thích với cáp sợi quang. - Không nhạy cảm và ảnh hưởng phân cực. - Loại trừ được nhiễu xuyên kênh. Hệ thống thông tin quang có sử dụng EDFA công tác tại cửa sổ 1,55àm. Có tạp âm nhỏ được coi là lý tưởng, khả năng này của EDFA hơn hẳn mà không một kỹ thuật khuếch đại quang nào hiện nay có thể so sánh kịp. EDFA được sử dụng linh hoạt trong hệ thống thông tin quang như bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ, (khuếch đại trung gian trên tuyến hoặc bộ tiền khuếch đại để tăng độ nhạy máy thu). Bài:4 khuếch đại quang II. Khuếch đại quang 2. Yêu cầu kỹ thuật và các tham số cơ bản c. Các đặc điểm chung của các loại KĐQ Loại Thiết bị KĐ Laser FP-LD KĐ Laser TW- LD KĐ quang sợi KĐ Raman KĐ Bri llouin Nguyên lý Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môI trường Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môI trư ờng Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môI trư ờng Bức xạ Raman được kích thích Tán xạ Bri llouin được kích thích Công suất bảo hòa đầu ra (dB) 8 9 11 20 - Băng tần KĐ(Hz) (1-3) Ghz >5Thz (0,5-4)Thz 1Thz 50Mhz Mức tạp âm (dB) 6-9 5,2 3-5 - - Suy hao ghép vào sợi Lớn Lớn Nhỏ Nhỏ Nhỏ Phân cực tín hiệu TE- mode TE- mode Độc lập Tín hiệu/ bơm Tín hiệu/ bơm Hệ số KĐ tuyến tính (dB) 25-30 20-30 40-50 50 30 Dòng công suất bơm 10mA 100mA 20mA-100mA VàI W VàI W Bài:4 khuếch đại quang II. Khuếch đại quang 3. Khuếch đại quang bằng sợi EDFA. b. Cấu tạo của sợi EDFA - EDFA là một đoạn sợi quang ngắn mà lõi của nó được pha trộn Erbium với tỉ lệ nhỏ hơn 0,1%. - Đây là một nguyên tố đất hiếm có đặc tính quang tích cực. Các Ion Erbium được bơm tới mức năng lượng cao hơn do sự hấp thụ ánh sáng từ một nguồn bơm (ví dụ tại bước sóng = 1,480àm). - Nguồn bơm này là một Laser bán dẫn đơn mode công suất lớn có thể bức xạ ra tới hàng trăm mW và có độ tin cậy cao. c. Nguyên lý: * Phổ hấp thụ năng lượng của sợi quang Erbium (dB/Km) (àm) 20 10 0,2 0,1 1,00,9 1,1 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Sợi Errbium Sợi Thường 1,48 0,98 Bài:4 khuếch đại quang II. Khuếch đại quang 3. Khuếch đại quang bằng sợi EDFA. c. Nguyên lý Bơm năng lư ợng =980 (1480)nm P h â n r ã k h ô n g b ứ c x ạ Tín hiệu quang tới Tín hiệu quang đư ợc KĐ Mức siêu bền Mức cơ bản Giản đồ năng lượng của Erbium Bài:4 khuếch đại quang II. Khuếch đại quang 3. Khuếch đại quang bằng sợi EDFA. c. Nguyên lý Sơ đồ cấu trúc của một Module EDFA Bài:4 khuếch đại quang II. Khuếch đại quang 3. Khuếch đại quang bằng sợi EDFA. c. Nguyên lý d. Các đặc tính của EDFA. * Đặc tính bơm - Khả năng khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào sơ đồ bơm cũng như các chất kích hoạt (Ge và Alumina) chế tạo lõi sợi quang (trộn lẫn với Erbium). - Đặc tính bơm có hiệu quả cao khi dùng các Laser bán dẫn làm việc ở gần bước sóng 0,98 và 1,48àm. - Hệ số khuếch đại của EDFA có thể đạt (30 ữ40)db khi dùng LD bơm với công suất vài mW ở bước sóng 0,98àm hoặc 1,48àm. * Phổ KĐại - Phổ khuếch đại của EDFA bị ảnh hưởng đáng kể bởi đặc tính vô định hình của Silíc và sự có mặt của các chất kích hoạt khác bên trong lõi sợi. - Dạng phổ khuếch đại được coi là đồng đều trong cả băng tần công tác và được xác định bởi thời gian hồi phục của lưỡng cực . Về mặt toán học phổ khuếch đại của EDFA được xác định theo công thức: Trong đó f( o ) là hàm phân bố phụ thuộc vào sự có mặt của các chất hoạt tính trộn trong lõi sợi. . ( ) ( ) ( ) g g f d eff o o o = , Bài:4 khuếch đại quang II. Khuếch đại quang 3. Khuếch đại quang bằng sợi EDFA. c. Nguyên lý d. Các đặc tính của EDFA. * Tạp âm khuếch đại: - Đây là tham số cơ bản hạn chế khả năng sử dụng EDFA. Tạp âm của EDFA cũng được đánh giá thông qua hệ số tạp âm Fn: Trong đó: G: Hệ số khuếch đại. SP: Hệ số phát xạ tự sinh. - Hệ số phát xạ tự sinh SP phụ thuộc vào mật độ tương đối N 1 và N 2 của trạng thái kích thích: Do EDFA làm việc trên cơ sở sơ đồ bơm ba mức N 1 0 nên SP >1 Tạp âm của EDFA phụ thuộc vào chiều dài sợi quang làm EDFA (L) và công suất bơm (P P ) ( ) SP SP n 2 G 1G2 F = ( ) SP N N N = 2 2 1 Bài:4 khuếch đại quang [...]...Bµi:4 khuÕch ®¹i quang Hướng dẫn nghiên cứu 1 Tại sao lại thực hiện ghép kênh quang? 2 Có các phương pháp ghép kênh quang nào? Nguyên lý của các phương pháp đó 3 Cấu tạo và trình bày nguyên lý hoạt động của các thiết bị ghép kênh quang đã được giới thiệu 4 Mục đích khếch đại quang là gì? Các loại khếch đại quang? Trình bày KĐ quang EDFA . ghép kênh quang đã được giới thiệu. 4. Mục đích khếch đại quang là gì? Các loại khếch đại quang? Trình bày KĐ quang EDFA. Bµi:4 khuÕch ®¹i quang . khuếch đại quang II. Khuếch đại quang 3. Khuếch đại quang bằng sợi EDFA. b. Cấu tạo của sợi EDFA - EDFA là một đoạn sợi quang