Hướng dẫn sử dụng optisystem. mô phỏng EDFA Cuộc sống ngày càng phát triển, thông tin liên lạc ngày càng trở nên quan trọng và là một phần không thể thiếu được trong đời sống của con người. Để đáp ứng nhu cầu của con người ngày càng cao, thông tin quang ra đời và nhanh chóng trở thành hệ thống có những tính năng ưu việt vượt bậc hơn hẳn những hệ thống thông tin hữu tuyến trước nó. Khả năng truyền dẫn lớn, tốc độ cao, suy hao nhỏ và không bị ảnh hưởng của sóng điện từ là những ưu điểm của hệ thống thông tin quang. Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống quang đường dài, phổ biến trong các loại khuếch đại quang là bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier EDFA). EDFA 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. Với hệ thống WDM, khuếch đại tín hiệu cho phép khuếch đại đồng thời các kênh quang trong toàn bộ dải bước sóng. Do đó bộ khuếch đại quang sợi chính là giải pháp cho sự phát triển của tất các mạng quang dung lượng lớn và có khoảng cách truyền lớn.
Trang 1là một phần không thể thiếu được trong đời sống của con người Để đáp ứng nhu cầu củacon người ngày càng cao, thông tin quang ra đời và nhanh chóng trở thành hệ thống cónhững tính năng ưu việt vượt bậc hơn hẳn những hệ thống thông tin hữu tuyến trước nó.Khả năng truyền dẫn lớn, tốc độ cao, suy hao nhỏ và không bị ảnh hưởng của sóngđiện từ là những ưu điểm của hệ thống thông tin quang
Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống quangđường dài, phổ biến trong các loại khuếch đại quang là bộ khuếch đại quang sợi pha tạpErbium (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA) EDFA đã thực hiện thành công việckhuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trìnhbiến đổi về điện nào Với hệ thống WDM, khuếch đại tín hiệu cho phép khuếch đại đồngthời các kênh quang trong toàn bộ dải bước sóng Do đó bộ khuếch đại quang sợi chính làgiải pháp cho sự phát triển của tất các mạng quang dung lượng lớn và có khoảng cáchtruyền lớn
Do vậy, em chọn đề tài này để có cơ hội tìm hiểu kĩ hơn về các kỹ thuật khuếch đạiđang được sử dụng trong hệ thống thông tin quang ngày nay, đặc biệt là kỹ thuật khuếchđại quang sử dụng bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium - EDFA ( Erbium DopedFiber Amplifier )
Em xin chân thành cảm ơn ThS.Nguyễn Văn Lành đã tận tình giúp đỡ trong quátrình hoàn thành đề tài này
Trang 2CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
1.1 Giới thiệu về khuếch đại quang
Trong truyền dẫn thông tin quang, suy hao của sợi quang sẽ làm hạn chế khoảngcách truyền dẫn Để khắc phục điều đó, tăng khoảng cách truyền dẫn, trước đây người ta
sử dụng các trạm lặp quang điện Trong các trạm lặp quang điện, quá trình khuếch đại tínhiệu được thực hiện qua nhiều bước Đầu tiên, tín hiệu quang tới sẽ được chuyển thànhtín hiệu điện Sau đó, tín hiệu điện này sẽ được khuếch đại nhờ các mạch khếch đại điện
và được chuyển lại thành tín hiệu quang để truyền đi tiếp trên sợi quang Vậy, quá trìnhkhuếch đại này được diễn ra trong miền điện
Các trạm lặp quang điện này được sử dụng trong hệ thống truyền dẫn một bướcsóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, khi sử dụng trong hệ thống truyềndẫn quang đa bước sóng, rất nhiều trạm lặp sẽ được sử dụng để khuếch đại tín hiệu tạicác bước sóng khác nhau Điều này làm tăng độ phức tạp của hệ thống WDM
Giải pháp khắc phục nhược điểm trên của trạm lặp quang điện là sử dụng bộ khuếchđại quang Trong các bộ khuếch đại quang, tín hiệu ánh sáng sẽ được khuếch đại trực tiếptrong miền quang Đặc biệt, nó có thể khuếch đại nhiều tín hiệu ở nhiều bước sóng khácnhau trên cùng một sợi quang
Trang 3Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang:
Hình 1.1: Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang
Trong đó:
- Active medium ( vùng tích cực ): vùng xảy ra quá trình khuếch đại
- Pump Source ( nguồn bơm ): nguồn kích thích để xảy ra quá trình khuếch đại.Khuếch đại SOA thì đây là nguồn điện Khuếch đại OFA thì đây là nguồn sáng
1.2 Phân loại khuếch đại quang
1.2.1 Khuếch đại quang bán dẫn SOA
Trang 4Hình 1.2: Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA.
Vùng tích cực được cấu tạo từ vật liệu bán dẫn, được đặt giữa hai lớp bán dẫn n và
p Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang bán dẫn SOA tương tự vùngtích cực của laser bán dẫn Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ởtrạng thái dưới mức ngưỡng phát xạ Điều này xảy ra khi dòng điện phân cực Ibias nhỏ hơndòng điện ngưỡng Ith của laser hoặc hệ số phản xạ của hai mặt phản xạ của vùng tích cựcnhỏ
Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện phân cực.Dựa trên hệ số phản xạ của hai mặt phản xạ ở lớp tích cực mà SOA được chia làmhai loại Loại thứ nhất, khuếch đại Fabry-Perot FPA ( Fabry-Prot Amplifier) có hệ sốphản xạ cao Với cấu trúc hốc cộng hưởng có hệ số phản xạ cao, quá trình hồi tiếp, chọnlọc tần số xảy ra Kết quả là FPA có độ lợi cao nhưng phổ độ lợi khuếch đại lại nhấp nhô,làm giảm băng thông đường truyền Để khắc phục hạn chế này, người ta đặt hai lớpchống phản xạ có hệ số phản xạ R = 0 tại hai đầu của vùng tích cực để không cho quátrình phản xạ xảy ra trong bộ khuếch đại Khi đó, tín hiệu qua SOA chỉ được khuếch đại
Trang 5một lần Đây là cấu trúc của loại thứ hai của khuếch đại SOA: khuếch đại sóng chạyTWA ( Traveling Wave Amplifier ).
1.2.2 Khuếch đại quang sợi OFA
Hình 1.3: Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi OFA
Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm
Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được phát ra bởi laser có bước sóng phátquang nhỏ hơn bước sóng cần khuếch đại
Một số loại OFA tiêu biểu:
- EDFA ( Erbium- Doped fiber Amplifier) : 1530 nm – 1565 nm
- PDFA ( Praseodymium- Doped fiber Amplifier): 1280 nm – 1340 nm
- TDFA( Thulium- Doped fiber Amplifier): 1440 nm – 1520 nm
- NDFA( Neodymium- Doped fiber Amplifier): 900 nm, 1065 nm hoặc 1400 nm.Trong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến nhất vì có nhiều ưu điểm
và có vùng ánh sáng khuếch đại ( 1530 nm – 1565 nm ) phù hợp với dải tần hoạt độngcủa hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao
1.2.3 Khuếch đại Raman
Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích Tán xạ Ramankích thích là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ năng lượng của một photon , sau đó tạo ramột photon có năng lượng khác
Để có khuếch đại Raman thì phải tạo ra sự nghịch đảo nồng độ Điều này đạt đượcbằng cách cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang bằng một laser bơm cóbước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu Khi đó, các nguyên tử của sợi quang sẽ hấpthụ năng lượng bơm để chuyển lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn Khi có tín hiệuđến, các nguyên tử đang ở mức năng lượng cao sẽ bị kích thích và chuyển về trạng thái
có mức năng lượng, đồng thời giải phóng ra một năng lượng dưới dạng photon ánh sáng
Trang 6có cùng bước sóng ( dài hơn bước sóng bơm) và cùng pha với tín hiệu đến Do đó, tínhiệu đã được khuếch đại.
Hình 1.4: Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman
Trong cấu trúc của bộ khuếch đại Raman, sợi quang là nơi xảy ra quá trình khuếchđại Nhưng khác với khuếch đại quang sợi OFA, sợi quang này có thể là một sợi quangbình thường, không cần sử dụng sợi quang đặc biệt ( pha thêm các ion khác )
1.3 Nguyên lý khuếch đại quang
Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trênhiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếchđại
Hình 1.5 Các hiện tượng biến đổi quang điệnHiện tượng hấp thụ xảy ra khi một photon có năng lượng là hf12 bị hấp thụ bởi mộtđiện tử khác có mức năng lượng thấp Khi đó, điện tử này sẽ chuyển lên mức năng lượngcao hơn Hiện tượng này chỉ xảy ra khi năng lượng hf12 bằng với độ chênh lệch nănglượng giữa trạng thái cao và trạng thái thấp của điện tử ( Eg = E2 – E1 ) Đây chính lànguyên nhân gây ra suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang Quá trình
Trang 7này xảy ra đồng thởi với hiện tượng phát xạ kích thích và hiện tượng phát xạ tự pháttrong vùng tích cực của bộ khuếch đại.
Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử ở trạng thái năng lượng cao
E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa
trái thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử ( Eg= E2 – E1 ) Khi đóđiện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn vàtạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu.Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra haiphoton ( photon ban đầu và photon được tạo ra ) có cùng phương truyền, cùng pha vàcùng tần số Tới đây, quá trình khuếch đại ánh sáng đã được thực hiện Hiện tượng nàyđược ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn ( SOA ) và khuếch đại quang sợi (OFA )
Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từmức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượngbằng Eg = E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng Quá trình này xảy ra mà không cần
có tín hiệu quang đưa vào, bởi vì các điện tử ở trạng thái mức năng lượng giả bền khôngtồn tại được lâu theo xu hướng nó phải nhảy về trạng thía bền và phát ra ánh sáng
Mặc dù hiện tượng phát xạ tự phát vẫn tạo ra các photon ánh sáng nhưng trongkhuếch đại quang, hiện tượng này không tạo ra độ lợi khuếch đại Nguyên nhân là do cácphoton tạo ra bởi phát xạ tự phát không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kíchthích Ngoài ra, hiện tượng này xảy ra không phụ thuôc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào bộkhuếch đại Nếu không có ánh sáng tín hiệu thu vào, vẫn có năng lượng ánh sáng đượctạo ra ở ngõ ra bộ khuếch đại Do vây, hiện tượng phát xạ tự phát được xem là nguyênnhân chính gây ra nhiễu trong các bộ khuếch đại Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát
xạ tự phát được khuếch đại ASE ( Amplified Spontaneous Emission noise )
1.4 Ứng dụng của khuếch đại quang
Trang 8Việc áp dụng các kỹ thuật khuếch đại vào các hệ thống truyền dẫn quang nhằm mụcđích làm tăng công suất của tín hiệu quang, khắc phục các suy hao do sợi quang và cácmối hàn, nối xảy ra trên đường truyền, đảm bảo tín hiệu tới đầu thu trên ngưỡng độ nhạycủa máy thu.
Tùy vào vị trí lắp đặt mà các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chialàm ba loại: khuếch đại công suât, khuếch đại đường dây và tiền khuếch đại
1.4.3 Khuếch đại công suất
Hình 1.6: Mô hình bộ khuếch đại quang có vai trò là khuếch đại công suất
Khuếch đại công suất là bộ khuếch đại quang được sử dụng ngay sau thiết bị phátnhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu quang lên mức cao nhất để làm cho khoảngcách truyền cực đại Yêu cầu của bộ khuếch đại công suất là tạo ra công suất đầu ra cựcđại chứ không phải là độ lợi cực đại vì công suất ngõ vào lớn
1.4.4 Khuếch đại đường dây
Hình 1.7: Mô hình bộ khuếch đại quang có vai trò là khuếch đại đường dây.Khuếch đại đường dây là bộ khuếch đại 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 phân phốitín hiệu quang trong mạng Các bộ khuếch đại đường dây có thể lắp đặt nối tiếp nhau trênđường truyền để gia tăng khoảng cách lắp đặt 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 thựchiện trao đổi tốt tín hiệu quang với sợi quang trên dẫn
1.4.3 Tiền khuếch đại
Trang 9Hình 1.8: Mô hình bộ khuếch đại quang có vai trò là tiền khuếch đại.
Tiền khuếch đại là các bộ khuếch đại được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằmkhuếch đại tín hiệu ngay trước khi tín hiệu được đưa vào thiết bị Điều này giúp làm giảmyêu cầu nghiêm ngặt về độ nhạy của thiết bị thu và cho phép hệ thống truyền dẫn quanghoạt động ở tốc độ bit cao hơn Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại sẽ hoạt động vớicông suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao Do vậy, yêu cầu của bộ tiềnkhuếch đại là độ nhạy lớn, độ lợi lớn, nhiễu thấp
Trang 10CHƯƠNG 2: BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
2.1 Cấu trúc của bộ khuếch đại quang EDFA
Hình 2.1: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA
Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi EDFA bao gồm:
- Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium : là nơi xảy ra quá trình khuếch đại( vùng tíchcực của EDFA) Cấu tạo của sợi quang pha ion Er3+:
Hình 2.2: Mặt cắt ngang của sợi quang pha ion Er3+.Vùng lõi trung tâm( có đường kính từ 3 - 6 µm) của sợi được pha trộn ion Er3+ là nơi
có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất Nếu không kể đến chất pha Erbium thì cấutrúc của sợi quang này giống với cấu trúc của sợi quang đơn mode chuẩn
Trang 11- Laser bơm: cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo nên sự nghịch đảo nồng độ trongvùng tích cực Bước sóng ánh sáng do laser bơm phát ra thường dùng là 980 nm hoặc
2.2 Giản đồ năng lượng
Hình 2.3: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3+ trong sợi silica
Trang 12Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3+ trong sợi silica được minh họa ở hình 2.3Theo đó, các ion Er3+ có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau:
- Các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng của các photon từ nguồn bơm vào
để chuyển lên trạng thái cao hơn ở vùng bơm (pumping band )
- Tại đây, các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh và chuyển về vùng giả nền
- Sau khoảng thời gian sống, nếu không được kích thích bởi các photon có nănglượng thích hợp thì các ion Er3+ sẽ phát xạ tự phát, phát ra photon và chuyển về trạng tháinền
- Khi ánh sáng đi qua bộ khếch đại EDFA sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng:
Trang 13+ Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er3+ ở vùng nền Tín hiệu ánh sáng bịsuy hao.
+ Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả nền Hiện tượng phát xạkích thích xảy ra Khi đó, các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển trạng thái từ mức nănglượng cao ở vùng giả nền xuống mức năng lượng thấp ở vùng nền và phát xạ ra photonmới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng bước sóng Khi đó, tín hiệuqua bộ khuếch đại EDFA sẽ được khếch đại
2.4 Yêu cầu về nguồn bơm
Trong EDFA, điều kiện để khuếch đại được tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng
độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion lên trạng thái kích thích
2.4.1 Bước sóng bơm
Dựa vào giản đồ năng lượng khi bước sóng bơm càng ngắn thì ion Er3+ phải trảiqua nhiều giai đoạn trước khi trở về vùng nền và phát xạ ra photon ánh sáng Do đó, hiệusuất bơm không cao Vì vậy, trên thực tế EDFA chỉ sử dụng bước sóng 980 nm và 1480
nm
Chỉ số nhiễu lượng tử ở bước sóng 1480nm cao hơn ở bước sóng 980nm vì tiếtdiện ngang phát xạ tại 1480nm cao hơn tại 980nm và sự bức xạ tại nguồn bơm đã giớihạn sự nghịch đảo tích lũy tại 1480nm
2.4.2 Công suất bơm
Trang 14Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion Er3+ bị kích thích bởi tín hiệu cầnkhuếch đại và làm cho hệ số khếch đại tăng lên Tuy nhiên, do số lượng ion Er3+ trong sợiquang có hạn nên hệ số khếch đại không thể tăng lên mãi được.
Công suất bơm tăng thì hệ số nhiễu sẽ giảm
Hình 2.6: Phương pháp bơm nghịch
2.4.3.2 Bơm hai chiều
Sử dụng hai nguồn bơm được bơm theo hai chiều khác nhau
Trang 15Hình 2.7: Phương pháp bơm hai chiều
*So sánh các hướng bơm
Hướng bơm thuận có ưu điểm là nhiễu thấp
Hướng bơm ngược cung cấp công suất ra bão hòa lớn
2.5 Các đặc tính kỹ thuật của bộ khuếch đại quang EDFA
- L: chiều dài sợi quang pha ion Erbium
- , : lần luợt là tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ của ion Erbium tại bước sóng tínhiệu
Gọi , lần lượt là nồng độ ion Erbium ở mức năng lượng nền và mức năng lượngkích thích trung bình Khi đó:
= ( 2.3 )
Trang 16Độ lợi của bộ EDFA phụ thuộc vào:
- Nồng độ ion Er3+: Nồng độ ion Er3+ trong EDFA tăng thì khả năng chúng chuyểnlên mức năng lượng cao càng nhiều, do đó hệ số khuếch đại tăng
- Phụ thuộc vào chiều dài sợi: Khi chiều dài sợi ngắn thì tín hiệu không đượckhuếch đại nhiều Việc tăng chiều dài sợi sẽ làm tăng độ lợi Tuy nhiên, với mỗi côngsuất bơm chỉ đáp ứng cho một giá trị chiều dài sợi Nếu vượt quá trị này, tín hiệu suy haodần và do đó làm giảm độ lợi
- Phụ thuộc vào công suất bơm: công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion erbium
bị kích thích hơn Tuy vậy, vì số lượng các ion erbium cấy vào sợi là có hạn, nên độ lợikhông tăng mãi theo công suất bơm được
- Phụ thuộc vào công suất tín hiệu đến: khi công suất vào tăng, bức xạ kích thíchtăng nhanh, số ion Er3+ chuyển từ mức cao xuống mức thấp tăng nhanh, làm yếu đi khảnăng bức xạ của ion Er3+ dẫn đến độ lợi giảm Sẽ có một mức giới hạn mà công suất tínhiệu vào tăng nhưng công suất ra không tăng nữa được gọi là công suất bão hòa
Thông thường, độ lợi của bộ EDFA vào khoảng 20 – 40 dB tùy theo ứng dụng củaEDFA là bộ khuếch đại công suất, khuếch đại đường dây hay tiền khuếch đại
Trang 172.5.2 Phổ khuếch đại
Mật độ phân bố năng lượng của các ion Er3+ trong vùng giả nền không đều nhau:các ion Er3+ có khuynh hướng tập trung nhiều ở các mức năng lượng thấp Điều này dẫnđến khả năng hấp thụ và phát xạ photon của ion Erbium thay đổi theo bước sóng Phổ hấpthụ ( absortion spectrum ) và phổ độ lợi ( gain spectrum ) của EDFA có lõi pha Ge đượcbiểu diễn trên hình 2.8
Hình 2.8: Phổ độ lợi và phổ hấp thụ của EDFA có lõi GeỨng với mỗi bước sóng tín hiệu khác nhau thì độ lợi của bộ EDFA sẽ khác nhaudẫn đến phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng
Bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở băng C (1530nm – 1565nm) Tuy nhiên, độ lợi
cả sợi pha tạp trải rộng đến khoảng 1605nm Điều này dẫn đến sự ra đời của bộ EDFAhoạt động ở băng L (1565nm – 1625nm)
So sánh bộ EDFA hoạt động ở băng C và băng L:
Phổ độ lợi Ít bằng phẳng hơn Bằng phẳng hơn
Bảng 2.1: So sánh bộ EDFA hoạt động ở băng C và băng L
Trang 18Phổ khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào nồng độ ion Er3+ và chiều dài sợi quang.( vì trạng thái nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc sợi quang).
2.5.3 Công suất ra bão hòa
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến tínhvới công suất quang ngõ vào Pout = G.Pin Tuy nhiên, công suất ngõ ra không thể tăng mãiđược Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng, khi công suất ngõ vào Pin tăng đền một mứcnào đó thì độ lợi G bắt đầu giảm Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tínhvới công suất ngõ vào mà đạt trạng thái bão hòa
Hình 2.9: a Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào
b Độ lợi khuếch đại theo công suất quang ngõ ra
Sự bão hòa xảy ra khi công suất tín hiệu vào EDFA lớn gây ra sự giảm hệ sốkhuếch đại Khi công suất tín hiệu vào tăng làm cho bức xạ kích thích của ion Er3+ xảy ramạnh Khi đó, nồng độ ion Er3+ ở trạng thái kích thích sẽ giảm Hệ quả là công suất tínhiệu ngõ ra bị hạn chế bởi sự bão hòa công suất Công suất ra bão hòa Pout,sat được địnhnghĩa là tín hiệu ra mà ở đó hệ số khuếch đại giảm đi 3 dB so với khi khuếch đại tín hiệunhỏ
Công suất ra bão hòa phụ thuộc vào:
- Công suất bơm: tăng tuyến tính theo công suất bơm
- Bước sóng của tín hiệu: nồng độ ion Er3+ phân bố tại vùng giả nền không bằngnhau
2.5.4 Nhiễu trong bộ khuếch đại quang EDFA
2.5.4.1 Nhiễu phát xạ tự phát
Trong bộ khuếch đại EDFA, ngoài quá trình hấp thụ và phát xạ kích thích cònxảy ra hiện tượng phát xạ tự phát Phát xạ tự phát chính là nguồn nhiễu chính trong bộ
Trang 19khuếch đại EDFA Năng lượng của phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ được khuếch đại khichúng truyền qua bộ khuếch đại về phía ngõ ra Do đó, tại ngõ ra của bộ khuếch đạiEDFA thu được công suất Pout bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại và côngsuất nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE
Pout = G.Pin + PASE ( 2.6 )Xét các bộ khuếch đại EDFA được ghép tầng dọc theo một khoảng cách truyềndẫn để bù suy hao sợi quang Công suất ngõ vào bộ khuếch đại sẽ bao gồm cả công suấttín hiệu và công suất nhiễu ASE của bộ khuếch đại trước đó Do sự công suất ra bão hòaphụ thuộc vào công suất vào nên công suất nhiễu ASE từ đầu ra của các tầng trước đó cóthể lớn tới mức nó sẽ làm bão hòa các bộ khuếch đại phía sau
2.6 Ưu điểm và khuyết điểm của bộ khuếch đại quang EDFA
2.6.1 Ưu điểm
Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao
Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống
Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển
Phổ độ lợi EDFA không bằng phẳng
Băng tần hiện nay bị giới hạn trong băng C và băng L
Trang 20Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại làm hạn chế cự ly truyền dẫn.
Trang 21CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OPTICSYSTEM V7.0
3.1 Giới thiệu về phần mềm Opticsystem
Ngày nay, các hệ thống thông tin quang ngày càng trở nên phức tạp Để phân tích,thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải sử dụng công cụ mô phỏng
OpticSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang Phần mềm này cókhả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa nhiều loại tuyến thông tin quang,dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế Bên cạnh đó,phần mềm cũng có thể dễ dàng mở rộng do người sử dụng có thể đưa thêm các phần tử tựđịnh nghĩa vào
Phần mềm có giao diện thân thiện, khả năng hiển thị trực quang
3.2 Các thành phần chính của Opticsystem
3.2.1 Thư viện các phần tử
Hình 3.1: Thư viện các phần tử trong OpticsystemOpticsystem có một thư viện các phần tử phong phú đã được mô hình hóa giốngnhư các thiết bị trong thực tế Bao gồm:
- Thư viện nguồn quang ( Transmitters Library )
Trang 22- Thư viện sợi quang ( Optical Fibers Library ).
- Thư viện các bộ khuếch đại (quang, điện) ( Amplifiers Library )
- Thư viện các bộ MUX, DEMUX
- Thư viện các bộ lọc (quang, điện) ( Filters Library )
- Thư viện các phần tử FSO (Free Space Optics)
- Thư viện các phần tử truy nhập ( Cable Acess Library )
- Thư viện các phần tử thụ động (quang, điện) (Passive Library)
- Thư viện các phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện) ( Signal Processing Library )
- Thư viện các phần tử mạng quang ( Netword Library )
- Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện ( Visualizer Library )
Ngoài các phần tử được định nghĩa sẵn Opticsystem còn có:
- Các phần tử Measured components Với các phần tử này, Opticsystem cho phépnhập các tham số được đo từ các thiết bị thực của các nhà cung cấp khác nhau
- Các phần tử do người sử dụng tự định nghĩa (User-defined Components)
3.2.2 Tích hợp các công cụ phần mềm của optiwave
Opticsystem cho phép người sử dụng kết hợp với các công cụ khác của optiwavenhư: OptiAmplifier, OptiBPM, OptiGrating, WDM_Phasar và OptiFiber để thiết kế ởmức phần tử
3.2.3 Các công cụ hiển thị
Optisystem có đầy đủ các thiết bị đo quang, đo điện Cho phép hiển thị tham số,dạng, chất lượng tín hiệu tại mọi điểm trên hệ thống
Thiết bị đo quang:
Thiết bị phân tích phổ
Thiết bị đo công suất