Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn ERBIUM

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. Tiếp theo, đồ án sẽ trình bày về EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng và cuối cùng là hệ thông tin sợi quang IMDD đường dài sử dụng các EDFA mắc chuỗi để thay thế cho các trạm lặp.

Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 35 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG PHA TRỘN ERBIUM 3.1 Mục đích chương: Trong thời gian vừa qua, hầu hết tuyến thông tin quang truyền thống, cự ly truyền dẫn dài tới mức mà suy hao vượt q cơng suất dự phịng, mức phân bổ suy hao khơng đủ để thỏa mãn yêu cầu phía thu, cần phải sử dụng trạm lặp Các trạm lặp có nhiệm vụ khuếch đại quang đường truyền Đây trình biến đổi tín hiệu quang yếu đầu vào lặp thành tín hiệu điện, khuếch đại lên, chỉnh lại thời gian, dạng tín hiệu sau biến đổi lại thành tín hiệu quang, lúc khuếch lên nhiều lần, đầu phát vào đường truyền Thời gian gần với phát triển ngày nhanh khoa học kỹ thuật nhiều lĩnh vực, người ta thực trình khuếch đại quang trực tiếp gọi kỹ thuật khuếch đại quang Điều có nghĩa khơng phải thực trình biến đổi quang - điện - quang phức tạp Kỹ thuật khuếch đại quang đời khắc phục hạn chế lặp băng tần, nhiễu điện, mức xuyên âm, phổ khuếch đại vv Việc sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang làm tăng cự ly truyền dẫn hệ thống thông tin sợi quang, đặc biệt tuyến cáp quang biển, từ phát triển hệ thống thơng tin quang tồn cầu Để khuếch đại quang, người ta nghiên cứu đưa vào ứng dụng nhiều loại khuếch đại quang khác nhau: 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 loại Đồ án đề cập sơ đến loại khuếch đại quang, đặc biệt giới thiệu kỹ khuếch đại quang EDFA đặc tính ưu điểm nó, việc sử dụng EDFA hệ thống thông tin sợi quang Đây khuếch đại dùng phần thiết kế đồ đồ án, dùng nhiều tuyến thông tin quang Tiếp theo, đồ án trình bày EDFA hệ thống ghép kênh theo bước sóng Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 36 cuối hệ thông tin sợi quang IM-DD đường dài sử dụng EDFA mắc chuỗi để thay cho trạm lặp 3.2 Các loại khuếch đại quang: Bảng 3.1 Các đặc điểm chủng loại khuếch đại quang Loại thiết bị Ngun lý Cơng suất bãohịa lối ra(dBm) Băng tần khuếch đại Mức tạp âm Suy hao ghép vào sợi Phân cực tín hiệu Hệ số khuếch đại Dịng/cơng suất bơm Khuếch đại laser FP-LD Khuếch đại quang sợi Khuếch đại Raman Khuếch đại Brillouin Khuếch đại Laser TWLD Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy mơi trường Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy mơi trường Tán xạ Raman kích thích Tán xạ Brillouin kích thích Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy mơi trường 11 20 - (1-3)Ghz (0,5-4)Thz 1Thz 50 Mhz >5 Thz (6-9) dB (3-5) dB - - 5,2 dB lớn nhỏ nhỏ nhỏ lớn TE-mode độc lập Tín hiệu/bơm Tín hiệu/bơm TE-mode (25-30)dB (40-50)dB ~50dB ~30dB (20-30)dB 10mA 20-100mW ~vài W ~vài W ~100mW Nguyên lý hoạt động khuếch đại quang sợi - pha tạp: Các chất kích tạp chất nhạy cảm dùng để pha tạp sợi dẫn quang với mức độ tập trung khác chất có chứa ion đất Cơ chế hoạt động sợi quang pha tạp đất để trở thành để trở thành khuếch đại theo hình 3.1 Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium E2 E3 E1 37 E2 Phân rã λ bơm E3 E4 Phân rã λ bơm Phân rã E1 a) b) Hình 3.1 Cơ chế xạ ba mức a) bốn mức b) Khi điện tử trạng thái E kích thích từ nguồn xạ có bước sóng phù hợp, hấp thụ lượng chuyển tới mức cao E2, từ mức phân rã trực tiếp xuống trạng thái theo cách xạ phát photon Hoặc có mức lượng thấp E thả khơng xạ tới mức đó, từ điện tử phân rã xuống mức lượng E (hình 3.1 a) hay E4 (hình 3.1 b) thơng qua q trình xạ tự phát, lượng dư thu nhờ phát photon có bước sóng dài bước sóng kích thích Nếu thời gian sống mức E đủ dài để điện tử nguồn bơm kích thích xảy nghịch đảo độ tích lũy Đây điều kiện để có số điện tử mức siêu bền E3 nhiều mức tới (E1 hay E4) Một photon có mức lượng tương đương với chênh lệch mức E3 E1 (đối với mức) hay E3 E4 (đối với mức) kích thích điện tử mức E rơi xuống mức E1 hay E4 phát thêm photon, photon pha hướng với photon tới (hiện tượng gọi xạ kích xạ kích thích photon) Bức xạ làm xuất thêm photon pha hướng với photon tới, điều có nghĩa ánh sáng khuếch đại Trong hình 3.1 cịn lưu ý điều kiện khơng kích thích, hầu hết điện tử trạng thái E 1, nên thơng thường giá trị ngưỡng laser bốn mức thấp so với laser ba mức Có nhiều ion đất có dải huỳnh quang, cho khả xạ kích thích, điều tạo ứng dụng khuếch đại tín hiệu quang Đáng ý Nd3+ có dải xạ 1,06µm 1,32µm; Er3+ có dải xạ 1,55µm 2,7µm Ngồi cịn có Ho3+ xạ 2,08µm Tm3+ cho xạ Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 38 2,3µm Hiện sử dụng rộng rãi khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA) có nhiều ưu điểm tăng ích đưa cao, băng tần rộng, tạp âm thấp phù hợp với bước sóng suy hao có sẵn sợi quang 3.3 Bộ khuếch đại EDFA Cấu trúc tiêu biểu EDFA hình vẽ 3.2 EDFA có thành phần chình gồm đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium Erbium ngun tố đất có tính quang tích cực Đoạn sợi pha tạp Erbium ký hiệu EDF (Erbium - Doper Fiber) thường có chiều dài khoảng 10 - 20m Ngồi EDFA cịn có laser bơm để cung cấp lượng cho đoạn EDF, ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống Bộ ghép WDM Bộ cách ly Vào Sợi quang pha tạp Erbium Bộ lọc quang Ra Laser bơm Hình 3.2 Cấu tạo EDFA Biểu đồ mức lượng ion Erbium mô tả hình vẽ 3.3 Er 3+ trạng thái khơng bị tín hiệu quang kích thích, mức lượng thấp nhất, bơm quang hạt Erbium hấp thụ lượng chuyển tiếp lên mức lượng cao Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, mức lượng cao có hạt chuyển lên mức lượng cao Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, mức lượng cao có hạt chuyển lên khác Sự dịch chuyển điện tử từ mức lượng cao xuống mức lượng phát photon, photon xạ tượng xạ tự phát (sự Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 39 phân hủy tự nhiên ion mà khơng có động tác chen vào) hay kích thích (do có mặt photon có chứa lượng lượng dịch chuyển, kích thích phát xạ tạo photon tỷ lệ với số photon chùm sáng) Trong trình xạ kích thích, tạo số photon pha hướng với photon tới, tạo trình khuếch đại EDFA Bức xạ tự phát tạo photon pha hướng ngẫu nhiên, điều gây nhiễu EDFA gọi nhiễu xạ tự phát khuếch đại (ASE) Tuy nhiên thời gian sống điện tử mức lượng cao khoảng 10ms đủ để đảm bảo thay nhiễu xạ gây xạ tự phát hầu hết ion Erbium đợi để khuếch đại tín hiệu xạ tự kích thích Mức kích thích Phân rã khơng xạ Mức siêu bền Bơm lượng λ=980nm Tín hiệu khuếch đại Mức Hình 3.3 Giản đồ lượng Erbium Hình 3.4 so sánh đáp ứng quang Erbium với sợi dẫn quang thông thường dùng truyền dẫn Sự hấp thụ quang xảy loại cáp thơng thường thấp dải bước sóng tập trung khoảng 1550nm, nơi mà hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km có nghĩa 5% ánh sáng truyền qua bị hấp thụ 1km Ngược lại tập trung Erbium vào khoảng 100ppm lõi cóHấp gây thể thụ khuếch hấp thụ 2dB/km bước sóng bơm đại sợi Erbium (dB/km) Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 2,0 40 2,0 Suy hao sợi thường (dB/km) 1,0 1,0 0,2 0,2 0,1 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Bước sóng (µm) 1,5 1,6 0,1 1,7 Hình 3.4 Phổ hấp thụ sợi quang thông thường sợi quang Erbium Laser bơm EDFA laser bán dẫn thông thường gọi nguồn bơm Nguồn bơm bơm nhiều bước sóng hiệu cao hai bước sóng 980nm 1480nm Khi sử dụng EDFA cần nguồn bơm có cơng suất nhỏ từ 10 đến 100mW đủ để công suất lớn theo yêu cầu, điều giảm nguồn nuôi lên hệ thống EDFA có cấu trúc nhỏ nhẹ, linh hoạt Độ tin cậy đặc điểm quan trọng laser bơm bơm cho khoảng cách dài để tránh làm nhiễu tín hiệu Hiện bước sóng bơm 1480nm sử dụng rộng rãi chúng có sẵn độ tin cậy cao Nếu tăng độ ổn định laser diode có bước sóng 980nm chúng chọn làm nguồn bơm 3.3.1 Đặc tính khuếch đại EDFA: Các đặc tính EDFA đặc tính tăng ích, đặc tính cơng suất đặc tính âm 3.3.1.1 Đặc tính tăng ích (đặc tính khuếch đại): Đặc tính tăng ích biểu thị khả khuếch đại khuếch đại, định nghĩa tỷ số công suất công suất vào Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào cơng suất bước sóng bơm: Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 41 Nhiều kết nghiên cứu cho kết luận hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất bước sóng bơm đặt bước sóng bơm 980nm 1480nm cho hiệu cao 40 (980:1530) (980:1550) (1480:1530) 30 Hệ số khuếch đại (dB) 20 (1480:1550) 10 0 10 20 30 40 Công suất bơm (mW) Hình 3.5 Hệ số khuếch đại hàm công suất bơm với 14m chiều dài sợi Silico Al-Ge pha tạp Erbium bơm bước sóng 980nm 1480nm Theo hình 3.5 hệ số khuếch đại EDFA có khả khuếch đại cao tín hiệu bước sóng 1530nm 1550nm Nhận xét: + Với cơng suất bơm cao, bước sóng 980nm cho hệ số khuếch đại cao so với bước sóng bơm 1480nm, điều có nghĩa bước sóng 980nm đạt nghịch đảo mật độ cao so với bước sóng 1480nm + Với công suất bơm cao, hệ số khuếch đại bước sóng 1530nm cao so với bước sóng 1550nm Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi phương thức bơm: Hình 3.6 biểu thị mối quan hệ chiều dài sợi quang Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 1530nm tín hiệu 42 1550nm tín hiệu 40 40 Hệ 1480nm 30 1480nm Hệ 30 số 980nm số 20 20 980nm k/đại k/đại 10 10 (dB) (dB) 00 -10 10 20 30 40 Chiều dài khuếch đại (m) 00 50 10 -10 20 30 40 50 60 Chiều dài khuếch đại (m) 70 Hình 3.6(a) Hệ số khuếch đại tín hiệu 1530nm 1550nm, bước sóng bơm 980nm 1480nm với công suất bơm 40 mW công suất tín hiệu điện -40dB 1530nm tín hiệu 1550nm tín hiệu 30 30 Hệ 1480nm 20 số Hệ 1480nm 20 số 10 980nm k/đại k/đại (dB) 0 -10 980nm 10 10 20 30 40 50 Chiều dài khuếch đại (m) (dB) -10 10 20 30 40 50 Chiều dài khuếch đại (m) Hình 3.6(b) Hệ số khuếch đại tín hiệu 1530nm 1550nm, bước sóng bơm 980nm 1480nm với cơng suất bơm 10 mW cơng suất tín hiệu điện -40dB Lúc đầu khả tăng ích tăng lên chiều dài sợi quang tăng, sau sợi quang dài độ dài định, tăng ích giảm dần, có độ dài định để đạt khả khuếch đại tối đa Ngoài hệ số khuếch đại phụ thuộc vào phương thực bơm chiều hay ngược chiều với tín hiệu hình vẽ 3.7 G(dB) 30 20 10 Bơm ngược chiều Bơm chiều Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 10 43 15 Hình 3.7 Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi phương thức bơm 3.3.1.2 Đặc tính tạp âm nhiễu: Trong sợi pha tạp Erbium, photon xạ tự phát có pha hướng ngẫu nhiên Một số photon xạ tự phát giữ lại mode sợi quang, lan truyền dọc theo lõi sợi khuếch đại thành nguồn tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu quang Tạp âm EDFA chủ yếu có loại: - Tạp âm tán hạt tín hiệu quang; - Tạp âm tán hạt xạ tự phát bị khuếch đại (ASE); - Tạp âm phách quang phổ ASE tín hiệu; - Tạp âm phách quang phổ ASE Trong tạp âm có loại tạp âm thứ thứ có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt tạp âm thứ nhân tố quang trọng định tính EDFA Ngồi cịn có nhiễu bắn có nguồn gốc phát sinh thời gian đến photon tách quang không giống tốc độ chuển động số lượng hạt tải điện qua tiếp giáp P-N tách quang thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian Bộ khuếch đại quang đặt trước diode tách quang nên nguồn sinh nhiễu bắn Vào N2 hυ Ra Nguồn gốc nhiễu khuếch đại quang: Mật độ phát xạ p(υ) Gp(υ)+phát xạ tự phát Gọi Nm(0), Nm(L) mật độ photon ngõ khuếch đại khuếch vào ngõ đại, G hệ số khuếch đại chung khuếch đại Hình 3.8 Sự tương tác ánh sáng tần số υ với khuếch đại hai mức với hệ số khuếch đại G tần số υ Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 44 Mật độ photon ngõ khuếch đại cho sau: Nm(L) = GNm(0) + nsp(G - 1) (3.1) Trong vế phải (2.1), thành phần thứ tương ứng với tín hiệu khuếch đại, cịn thành phần thứ tương ứng với phát xạ tự phát khuếch đại hay nhiễu ngõ khuếch đại Ta tính tốn cơng suất nhiễu ngõ cho mode tính số mode dải tần số ρυ để thu công suất nhiễu ngõ băng thông ρυ xung quang tần số υ hệ số khuếch đại khuếch đại G: PASE = nsp(G-1)hυ∆υ (3.2) Phương trình (2.2) phương trình việc tính nhiễu hệ thống khuếch đại quang, dùng nhiều phần tính tốn thiết kế đồ án Một ý quan trọng biểu thức tính PASE phương trình (2.2) cần nhân thêm hệ số mt để thu tổng công suất nhiễu ASE 10 Hệ Bơm ngược chiều Hệ số tạp số tạp âm Bơm chiều 10 ASE Công suất -10 (dbm) -20 -30 ASE+ âm (dBm) (dBm) Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 10 12 14 Chiều dài (m) 45 -50 -40 -30 -20 -10 -0 Cơng suất vào tín hiệu (dBm) Hình 3.9 Hệ số tạp âm EDFA Hình 3.9 cho thấy ảnh hưởng phương thức bơm khác hệ số tạp âm, sợi quang trồn Erbium tương đối dài hệ số tạp âm bơm ngược chiều cao với bơm chiều Nhiễu ngõ khuếch đại quang: Trong hệ thống thông tin ánh sáng dùng khuếch đại quang, tín hiệu quang biễn đổi sang tín hiệu điện cuối đường truyền Các tách sóng biến đổi photon thành electron, phát xạ tự phát tồn khuếch đại quang gây gia tăng tín hiệu điện, xem nhiễu, hồn tồn ngẫu nhiên không chứa thông tin Điện trường tổng cộng tách sóng tổng trường ánh sáng phát xạ tự phát ánh sáng tín hiệu:    E tot = E sig + E spont (3.3) Dòng photodiode tạo ngõ thu: [ ( )] 2 2  * *   e  I ≈ E sig + E spont + E sig E spont + E sig E spont    hv  (3.4) Thành phần cường độ tín hiệu Các thành phần tương ứng với nhiễu Thành phần thứ tương ứng với sản phẩm điện trường phát xạ tự phát với thân gọi thành phần nhiễu pha tự phát - tự phát (sp sp) Thành phần lại sản phẩm điện trường tín hiệu điện trường phát xạ tự phát, gọi thành phần nhiễu pha tín hiệu - tự phát (s - sp) Dấu (*) để thành phần phức bù Chú ý: Để tính phổ cơng suất thành phần ta phân tích Fourier thành phần, phần đồ án tính kỹ chương sau trường hợp EDFA sử dụng làm khuếch đại đường truyền (LA) Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 46 Tính tỷ số nhiễu NF (Noise Figure) Trong khuếch đại quang, tỷ số nhiễu đưa nhằm đánh giá chất lượng khuếch đại quang Nó định nghĩa: SNRIN NF= (3.5) SRNOUT Với SRNin, SRNout: Tỷ số tín hiệu nghiễu đầu vào đầu khuếch đại Qua q trình tính tốn NF cho sau: G − 1 nsp ( G − 1) e(2 B0 − Be ) 2(G − 1)n sp eB0 NF = 2n sp + + + G G G Is G2Is (3.6) Từ (3.6) ta thấy G>>1, công suất đầu vào cao băng thông quang đủ nhỏ NF ~ 2nsp Trong trường hợp lý tưởng, nsp=1 NF=2(dB) Các khuếch đại quang pha tạp Erbium đạt tỷ số nhiễu giới hạn 3dB 3.3.1.3 Đặc tính cơng suất ra: Với khuếch đại quang lý tưởng không kể cơng suất vào cao bao nhiêu, tín hiệu quang đề khuếch đại theo tỷ lệ Nhưng thực tế vậy, công suất vào tăng lên, xạ bị kích thích tăng nhanh, giảm số hạt chuyển động ngược lại, quang xạ bị kích thích yếu đi, dẫn đến bão hịa tăng ích, cơng suất phát có xu hướng ổn định Bão hịa tăng ích đặc tính hệ số khuếch đại giảm tín hiệu vào tăng Đặc tính bão hịa tăng ích đặc tính vơ quan trọng ccông suất đầu khuếch đại liên quan đến cự ly truyền dẫn cự ly trạm lặp làm tăng số đầu cấu hình phân phối sợi quang Hình 3.10 thể mối quan hệ đầu vào đầu EDFA 20 Công suất C C: Bơm chiều 10 (dBm) B B: Bơm ngược hướng A A: Bơm hướng Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium -20 -10 47 Cơng suất vào (dBm) Hình 3.10 Mối quan hệ đầu vào đầu EDFA 3.3.2 EDFA hệ thống ghép kênh theo bước sóng: Đặc điểm bật hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM khả tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng khu vực tổn hao thấp sợi quang đơn mode Những năm gần cơng nghệ WDM có đột phá lớn Sở dĩ công nghệ WDM phát triển nhanh chóng việc nghiên cứu thành cơng ứng dụng khuếch đại quang pha tạp Erbium EDFA Để nâng cao chất lượng hệ thống truyền dẫn WDM, kỹ thuật khuếch đại quang dụng hệthống WDM cần phải đảm bảo yêu cầu sau: + Băng tần đủ tăng ích phẳng, hệ số tạp âm thấp công suất đưa cao Đặc biệt tăng ích phẳng yêu cầu đặc biệt hệ thống truyền dẫn WDM EDFA + Phổ khuếch đại đồng tất kênh bước sóng + Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu kênh + EDFA phải có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại 2,2 tất kênh 1,8 3.3.2.1 Sự phân bố bước sóng quang hệ thống WDM: 1,4 Suy hao (dB/km) 1,0 0,6 0,2 Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 1000 1200 1400 Bước sóng (nm) 1600 48 1800 Hình 3.11 Đường cong suy hao sợi quang Hình 3.11 biểu diễn đường cong suy hao sợi quang cửa sổ 1310nm 1550nm Hiện tất khuếch đại quang nói chung dùng phổ tần tổn hao thấp sợi quang có tăng ích 1530 ÷ 1565 tức tất kênh tín hiệu hệ thống WDM phải nằm băng tần Tuy nhiên để phát triển đầy đủ tài nguyên bước sóng, khuếch đại quang lý tưởng phải có đủ băng tần tăng ích Khoảng băng tần tăng ích sử dụng 20 - 40nm thỏa mãn cho hệ thống ghép kênh - 32 kênh tín hiệu Do muốn tăng băng tần để lợi dụng tài nguyên bước sóng cần phải có khuếch đại kiểu Ngoài việc lựa chọn khoảng cách tần số phải thỏa mãn số lượng bước sóng khơng q nhiều để đảm bảo cho việc điều khiển giám sát, tất bước sóng phải nằm đường cong tăng ích EDFA làm cho tăng ích đồng phạm vi tồn bước sóng 3.3.2.2 Sự biến đổi tăng ích cơng nghệ điều chỉnh tăng ích EDFA: Sự biến đổi tăng ích: Yêu cầu đặc biệt hệ thống truyền dẫn WDM EDFA tăng ích phẳng (Gain Flatting) Trong hệ thống WDM, cơng suất đưa vào biến đổi chí hẳn vài kênh, tăng ích cơng suất đưa kênh lại biến đổi nhảy vọt, công suất bơm EDFA phân phối lại kênh lại, dẫn đến tắc nghẽn đường dây Cho nên EDFA hệ thống WDM phải có chức kìm hãm tăng ích Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 49 Trong hệ thống WDM yêu cầu độ tăng ích phẳng khuếch đại phải hạn chế 1dB Các cơng nghệ điều chỉnh tăng ích: Những biện pháp khắc phục vấn đề tăng ích EDFA không phẳng gây ra: Chọn lựa khu vực tăng ích phẳng EDFA: Giai đoạn hệ thống WDM thực tế phần lớn làm việc đoạn sóng 1548 ~ 1560nm Căn vào khuyến nghị ITU-T đoạn sóng chọn 16 bước sóng làm bước sóng cơng tác hệ thống WDM Trong đoạn sóng tăng ích EDFA tương đối phẳng, thực yêu cầu tăng ích Cơng nghệ tăng ích cân bằng: Cơng nghệ cân tăng ích sử dụng đặc tính tổn hao cân đặc tính tăng ích bước sóng khuếch đại ngược loại bỏ khơng phẳng tăng ích Bộ cân sử dụng chủ yếu lọc quang tiêu chuẩn, lọc màng mỏng nhiều lớp, lưới sợi quang đường dẫn sóng phẳng Sử dụng cơng nghệ cân tăng ích làm giảm khả sai lệch tăng ích lớn Ví dụ truyền dẫn tín hiệu 32 kênh WDM sai lệch tăng ích khuếch đại ước chừng 5dB, có cân tăng ích có sử dụng lọc quang tiêu chuẩn thích ứng với 8, 16, 32 kênh WDM sai lệch tăng ích 0,28dB, đảm bảo độ phẳng tăng ích Hệ số khuếch đại (dBm) 1500 1520 1540 1560 Bước sóng (λ) 1500 1520 1540 1560 Bước sóng (λ) a) 1500 1520 1540 1560 Bước sóng (λ) Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium Sợi quang EDF Bộ cách ly quang Bộ phối ghép quang 50 Sợi quang EDF Bộ phối ghép quang Bộ lọc cân Bơm quang Bộ cách ly quang Bơm quang b) Hình 3.12 Nguyên lý hoạt động cơng nghệ cân tăng ích a) Đồ thị biểu diễn b) Sơ đồ khối 3.3.2.3 Điều khiển giám sát EDFA hệ thống WDM: Khác với hệ thống SDH thơng thường, hệ thơng WDM có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA nên tăng thêm nhu cầu giám sát quản lý EDFA; yêu cầu hệ thống WDM phải có hệ thống điều khiển giám sát, thường dùng cách truyền dẫn tín hiệu bước sóng *Cơng nghệ điều khiển giám sát bước sóng ngồi băng: Đối với hệ thống ghép kênh sử dụng khuếch đại đường dây cần thêm tín hiệu điều khiển giám sát kênh, tín hiệu có tỷ lệ lỗi bit vừa đủ thấp để tách nhập chuyển tiếp hay khuếch đại quang ITU-T khuyến nghị nên dùng bước sóng định để làm kênh tín hiệu điều khiển giám sát, bước sóng nằm ngồi băng tần truyền dẫn dịch vụ, chọn 1310nm, 1410nm, 1510nm, ưu tiên chọn 1510±10nm * Công nghệ điều khiển giám sát bước sóng băng: Cơng nghệ điều khiển giám sát bước sóng băng chọn bước sóng băng tần tăng ích EDFA 1532±4nm để làm tín hiệu điều khiển giám Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 51 sát Ưu điểm lợi dụng tăng ích EDFA Lúc tốc độ truyền dẫn hệ thống điều khiển giám sát nâng lên đến 155Mbit/s * Công nghệ điều khiển giám sát bước sóng kết hợp ngồi băng: Ngồi sử dụng thêm phương thức kết hợp tín hiệu điều khiển giám sát ngồi băng tùy theo lớp hệ thống truyền dẫn 3.3.3 Các vị trí đặt EDFA tuyến cáp sợi quang: + Trường hợp BA (đặt sau máy phát): Cho tỷ số eSNR lớn trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát điều khiển Tuy nhiên, công suất ngõ không cao 15dBm điều kiện kết nối với sợi quang Điều giới hạn độ khuếch đại EDFA công suất phát + Trường hợp PA (đặt trước máy thu): Có thể cho cơng suất đến máy thu lớn Tuy nhiên, nhiễu đầu EDFA có giá trị lớn đầu vào máy thu bị suy giảm Điều giới hạn tỷ số eSNR + Trường hợp PA (đặt đường truyền): Ở trường hợp này, ta tăng cơng suất phát hệ số khuếch đại EDFA cách hợp lý để đạt cơng suất tín hiệu eSNR thích hợp 66 60 54 48 42 36 30 24 18 12 06 BA (trước máy phát) Ptx = -2,5dBm G = 15dB PA (trước máy thu) Ptx = 8dBm G = 15dB PA (trên đường truyền) Ptx = 8dBm G = 15dB Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 52 250 270 290 (km) Hình 3.13 eSNR thay đổi theo khoảng cách trường hợp LA-BA-PA 3.3.4 Các ưu điểm EDFA: + EDFA khơng có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi nên mạch trở nên linh hoạt + EDFA có cấu trúc nhỏ nên lắp đặt nhiều EDFA trạm, làm cho hệ thống linh hoạt + Có thể hạ thấp giá thành hệ thống có cấu trúc đơn giản EDFA, cáp có trọng lượng nhỏ nâng cao khoảng cách lặp dung lượng truyền dẫn 3.4 Kết luận chương: Đối với khuếch đại sợi quang EDFA, bước sóng bơm 1480nm cho hiệu tốt bước sóng tín hiệu dùng phổ biến 1550nm Trong tương lai giải vấn đề độ tin cậy bước sóng 980nm sử dụng bước sóng EDFA có cơng suất nguồn ni nhỏ nên áp dụng cho tuyến thơng tinquang vượt biển, cáp có cấu trúc nhỏ hơn, nhẹ cáp thông thường Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 53 EDFA có tạp âm vàmức xun âm thấp, cơng suất bão hòa cao, phổ khuếch đại tương đối phẳng dùng hệ thống cáp truyền hình (CATV) Các hệ thống thơng tin sợi quang đường dài sử dụng chuỗi EDFA truyền dẫn Cự ly truyền dẫn đạt xa nhờ sử dụng EDFA, có nhiễu thấp độ khuếch đại cao Việc sử dụng chuỗi EDFA để thay trạm lặp hệ thống thông tin sợi quang đường dài, đặc biệt hệ thống cáp quang biển, phù hợp cho đặc điểm hẳn Vấn đề đặt việc tính tốn vị trí đặt EDFA ảnh hưởng nhiễu tích lũy từ EDFA tới đặc tính BER máy thu; chương xem xét tính tốn vấn đề _ ... Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium Sợi quang EDF Bộ cách ly quang Bộ phối ghép quang 50 Sợi quang EDF Bộ phối ghép quang Bộ lọc cân Bơm quang Bộ cách ly quang Bơm quang b)... ngõ khuếch đại khuếch vào ngõ đại, G hệ số khuếch đại chung khuếch đại Hình 3.8 Sự tương tác ánh sáng tần số υ với khuếch đại hai mức với hệ số khuếch đại G tần số υ Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại. .. trung Erbium vào khoảng 100ppm lõi cóHấp gây thể thụ khuếch hấp thụ 2dB/km bước sóng bơm đại sợi Erbium (dB/km) Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium 2,0 40 2,0 Suy hao sợi thường