CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI

CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI CHƢƠNG I MỞ ĐẦU Thông tin quang sợi phát triển mạnh hệ thống viễn thông giới Việt Nam Việc tăng khả truyền dẫn mở rộng khoảng cách truyền dẫn giải hiệu hệ thống truyền dẫn sử dụng công nghệ SDH ATM kết hợp với linh kiện truyền thu kiểu khuếch đại quang học Các khuếch đại quang sợi sợi dẫn quang pha tạp erbium (EDFA) bước sóng 1550nm sử dụng rộng rãi tuyến thông tin cáp quang đường dài mạng vòng lớn.Các hệ thống thông tin quang lắp đặt thành công mạng đường trục phần lớn gọi đường dài Việt Nam qua mạng cáp sợi quang Sự phát triển có nhờ có sợi quang suy hao cực bé hoàn thiện laser bán dẫn đặc tính phổ, đặc tính điều chế, độ tin cậy đặc tính liên kết Các hệ thống thông tin quang tốc độ bít cực cao đáp ứng yêu cầu ngày tăng lưu lượng thông tin đa phương tiện Công ngh ệ then chốt bao gồm kỹ thuật khuếch đại quang bù tán sắc nhằm tăng cự ly thông tin.Trong khuôn khổ tập em xin giới thiệu kỹ thuật khuếch đại quang sợi (Erbium-doped Fiber Amplifier, Raman Fiber Amplifier, Brillouin Fiber Amplifier ) CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI CHƢƠNG II CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI I KHUẾCH ĐẠI QUANG Nguyên lý khuếch đại quang a Hiện tượng phát xạ kích thích Hiện tượng phát xạ kích thích xảy điện tử trạng thái lượng cao bị kích thích photon khác chuyển xuống mức lượng thấp Quá trình phát photon có lượng với lượng, phương truyền, phân cực, pha tần số với photon kích thích ban đầu Hay nói cách khác trình khuếch đại ánh sáng thực b Hiện tượng hấp thụ Hiện tượng hấp thụ xảy photon có lượng hf12 bị hấp thụ điện tử trạng thái lượng thấp Quá trình xảy lượng hf12 với độ chênh lệch lượng trạng thái lượng cao trạng thái lượng thấp điện tử Hay nói cách khác nguyên nhân gây suy hao tín hiệu quang qua khuếch đại quang c Hiện tượng phát xạ tự phát xạ Hiện tượng phát xạ tự phát xạ, điện tử chuyển trạng thái lượng từ mức lượng cao E2 xuống mức lượng thấp E1 phát lượng sạng photon ánh sáng Quá trình xảy cách tự nhiên trạng thái lượng E2 trạng thái lượng bền vững điện tử Hình 1: Mô hình tổng quát khuếch đại quang CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Phân loại khuếch đại quang Trong khuếch đại quang, trình khuếch đại xảy môi trường gọi vùng tích cực Tùy theo cấu tạo vùng tích cực, chia khuếch đại quang thành hai loại chính: + Khuếch đại quang bán dẫn loại SOA dòng điện Vùng tích cực cấu tạo vật liệu bán dẫn Nguồn cung cấp lượng để khuếch đại tín hiệu quang + Khuếch đại quang sợi OFA Vùng tích cực sợi quang pha đất Do OFA gọi DFA (Doped-Fiber Amplifier) Nguồn bơm lượng ánh sáng cung cấp laser có bước sóng phát quang nhỏ bước sóng tín hiệu cần khuếch đại - Một số loai OFA tiêu biểu:  EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier):1530-1565nm  PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280-1340nm  TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440-1520nm  NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier):900nm, 1065nm 1400nm Các thông số kỹ thuật khuếch đại quang a Độ lợi (Gain) Độ lợi khuếch đại quang tỷ số công suất quang ngõ chia cho công suất quang ngõ vào G = Pin/Pout &nbs p; (2.1) G(dB) = 10.log[Pin/Pout] (2.2) CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Trong đó: G: Độ lợi tín hiệu khuếch đại quang Pin, Pout: công suất tín hiệu ánh sáng ngõ vào ngõ khuếch đại quang (mW) Độ lợi thông số quan trọng khuếch đại Nó đặc trưng cho khả khuếch đại công suất ánh sáng khuếch đại Tuy vậy, độ lợi khuếch đại bị giới hạn chế bão hòa độ lợi Điều làm giới hạn công suất quang cực đại khuếch đại b Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth) Độ lợi khuếch đại quang không cho tất tần số tín hiệu quang vào Nếu đo độ lợi G tín hiệu quang với tần số khác nhau, đáp ứng tần số quang khuếch đại G(f) đạt Đây phổ độ lợi khuếch đại quang Băng thông độ lợi khuếch đại quang Bo xác định điểm 3dB so với độ lợi đỉnh khuếch đại Giá trị Bo xác định băng thông tín hiệu truyền khuếch đại quang Do đó, ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống thông tin quang sử dụng chúng lặp hay tiền khuếch đại c Công suất ngõ bảo hòa (Saturation Output Power) Khi hoạt động chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ngõ tăng tuyến tính với công suất quang ngõ vào theo hệ số độ lợi G: Pout = G.Pin Tuy nhiên, công suất ngõ tăng Bằng thực nghiệm, người ta thấy tất khuếch đại quang, công suất ngõ vào Pin tăng đến mức đó, độ lợi G bắt đầu giảm Kết công suất ngõ không tăng tuyến tính với tính hiệu ngõ mà đạt trạng thái bảo hòa Công suất ngõ điểm độ lợi giảm dB gọi công suất bảo hòa Psat, out Công suất bảo hòa Psat, out khuếch đại quang cho biết công suất ngõ lớn mà khuếch đại quang hoạt động Thông thường, khuếch đại quang có độ lợi cao có công suất bão hòa cao nghịch đảo nồng độ cao trì dãi công suất vào rộng CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI d Hệ số nhiễu (Noise Figure) Giống khuếch đại điện, khuếch đại quang tạo nhiễu Nguồn nhiễu khuếch đại quang phát xạ tự phát Vì phát xạ tự phát kiện ngẫu nhiên, pha photon phát xạ tự phát ngẫu nhiên Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền photon tín hiệu, chúng tương tác với photon tín hiệu gây nên dao động pha biên độ Bên cạnh đó, lượng phát xạ tự phát tạo khuếch đại chúng truyền qua khuếch đại phía ngõ Do đó, ngõ khuếch đại công suất quang thu Pout bao gồm công suất tín hiệu khuếch đại công suất nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) Pout = G.Pin + PASE (2.3) Ảnh hưởng nhiễu khuếch quang biểu diễn hệ số nhiễu NF (Noise Figure), mô tả suy giảm tỷ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) nhiễu khuếch đại thêm vào Hệ số NF cho công thức sau: NF =SNRin /SNRout (2.4) Trong đó, SNRin, SNRout tỷ số tín hiệu nhiễu ngõ vào ngõ khuếch đại Hệ số nhiễu NF khuếch đại nhỏ tốt Giá trị nhỏ NF đạt 3dB Những khuếch đại thỏa mãn hệ số nhiễu tối thiếu gọi hoạt động giới hạn lượng tử Ngoài bốn thông số kỹ thuật nêu trên, khuếch đại quang đánh giá dựa thông số sau: - Độ nhạy phân cực (Polarization sensitivity) phụ thuộc độ lợi khuếch đại vào phân cực tín hiệu - Ảnh hưởng nhiệt độ độ lợi băng thông độ lợi, - Xuyên nhiễu (crosstalk) CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Ứng dụng khuếch đại quang Khuếch đại quang ứng dụng các hệ thống truyền dẫn quang khuếch đại nhằm làm tăng công suất tín hiệu quang đường truyền, khắc phục suy hao sợi quang mối hàn, nối xảy đường truyền Tùy theo vị trí lắp đặt, khuếch đại tuyến truyền dẫn quang chia làm ba loại: a Khuếch đại công suất (Booster Amplifier) Là khuếch đại quang đặt sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu quang đến mức cao để làm cho khoảng cách truyền cực đại Yêu cầu khuếch đại công suất tạo công suất đầu cực đại độ lợi cực đại công suất tín hiệu ngõ vào lớn b Khuếch đại đường dây (In-line Amplifier): Là khuếch đại quang đặt tuyến quang nhằm mục đích bù mát công suất gây suy hao sợi, suy hao kết nối suy hao việc phân phối tín hiệu quang mạng Các khuếch đại đường dây lắp đặt nối tiếp đường truyền để gia tăng khoảng cách lắp đặt Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp khuếch đại quang làm giảm hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống truyền dẫn quang.Vấn đề trình bày phần 2.5 Yêu cầu khuếch đại đường dây độ ổn định toàn dải thông hệ thống WDM, giữ nhiễu mức cực tiểu thực việc trao đổi tốt tín hiệu quang với sợi quang truyền dẫn c Tiền khuếch đại (Preamplifier): Là khuếch đại quang đặt trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu trước tín hiệu đưa vào thiết bị Điều làm giảm yêu nghiêm ngặt độ nhạy thiết bị thu cho phép hệ thống truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao Do vị trí lắp đặt, tiền khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu mức nhiễu đầu thu cao Do vậy, yêu cầu tiền khuếch đại độ nhạy lớn, độ lợi lớn nhiễu thấp Ngoài ứng dụng làm khuếch đại đường truyền quang, khuếch đại quang SOA OFA sử dụng chuyển đổi bước sóng Việc chuyến đổi bước sóng thực dựa tượng bảo hòa độ lợi tượng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing) xảy khuếch đại quang CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI II BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM (EDFA) Các cấu trúc EDFA Hình 2: Cấu trúc tổng quát khuếch đại EDFA Cấu trúc khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) minh họa hình Trong bao gồm: Sợi quang pha ion đất Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): nơi xảy trình khuếch đại (vùng tích cực) EDFA Cấu tạo sợi quang pha ion Er3+ minh họa hình Hình 3: Mặt cắt ngang loại sợi quang pha Erbium Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ - μm) EDF pha trộn ion Er3+ nơi có cường độ sóng bơm tín hiệu cao Việc pha ion Er3+trong vùng cung cấp chồng lắp lượng bơm tín hiệu với ion Erbium lớn dẫn đến khuếch đại tốt - Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp bao quanh vùng lõi Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng cộng 250 μm Lớp phủ có chiết suất lớn so với lớp bọc dùng để loại bỏ ánh sáng không mong muốn lan truyền sợi quang - CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Nếu không kể đến chất pha erbium, cấu trúc EDF giống sợi đơn mode chuẩn viễn thông Ngoài ra, EDF chế tạo các loại vật liệu khác sợi thủy tinh flouride (flouride-based glass fiber) sợi quang thủy tinh đa vật liệu (multicomponent glass fiber) Laser bơm (pumping laser): cung cấp lượng ánh sáng để tạo trạng thái nghịch đạo nồng độ vùng tích cực Laser bơm phát ánh sáng có bước sóng 980nm 1480nm WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại ánh sáng từ laser bơm vào sợi quang Loại coupler sử dụng WDM coupler cho phép ghép tín hiệu có bước sóng 980/1550nm 1480/1550nm - Bộ cách ly quang (Optical isolator): ngăn không cho tín hiệu quang khuếch đại phản xạ ngược phía đầu phát tín hiệu quang đường truyền phản xạ ngược EDFA - Lý thuyết khuếch đại EDFA a Giản đồ phân bố luợng Er3+ Hình 4: Giản đồ phân bố lượng ion Er 3+ sợi silicac Giản đồ phân bố lượng Er3+ sợi silica minh họa hình Theo đó, ion Er3+ tồn nhiều vùng lượng khác ký hiệu: 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 4H11/2 Trong đó: Vùng 4I15/2 có mức lượng thấp nhất, gọi vùng (ground-state band) CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Vùng 4I13/2 gọi vùng giả bền (mestable band) ion Er3+ có thời gian sống (lifetime) vùng lâu (khoảng 10ms) trước chuyển xuống vùng Thời gian sống thay đổi tùy theo loại tạp chất pha lõi EDF Vùng 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 4H11/2 vùng lượng cao, gọi vùng kích thích hay vùng bơm (pumping band) Thời gian ion Er3+ có trạng thái lượng vùng ngắn (khoảng μs) Sự chuyển đổi lượng ion Er3+ xảy trường hợp sau: Khi ion Er3+ vùng nhận mức lượng độ chênh lệch lượng vùng vùng lượng cao hơn, chúng chuyển lên vùng có mức lượng cao (sự hấp thụ lượng) Khi ion Er3+ chuyển từ vùng lượng cao xuống vùng lượng thấp xảy hai trường hợp sau:  Phân rã không xạ (nonradiative decay): lượng giải phóng dạng photon tạo dao động phân tử sợi quang  Phát xạ ánh sáng (radiation): lượng giải phóng dạng photon Độ chênh lệch lượng vùng giả bền (4I13/2) vùng (4I15/2): - 0.775eV (tương ứng với lượng photon có bước sóng 1600nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đỉnh vùng - 0.814eV (1527 nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đáy vùng - 0.841 eV (1477nm) tính từ đỉnh vùng giả bền đến đáy vùng Hình 5: Phổ hấp thụ (absorption spectrum) phổ độ lợi (gain spectrum EDFA có lõi pha Ge CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Mật độ phân bố lượng ion Er3+ vùng giả bền không nhau: ion Er3+ có khuynh hướng tập trung nhiều mức lượng thấp Điều dẫn đến khả hấp thụ phát xạ photon ion Erbium thay đổi theo bước sóng Phổ hấp thụ (absortion spectrum) phổ độ lợi (gain spectrum) EDFA có lõi pha Ge biểu diễn hình b Nguyên lý hoạt động EDFA Nguyên lý khuếch đại EDFA dựa tượng phát xạ kích thích Quá trình khuếch đại tín hiệu quang EDFA thực theo bước sau (xem hình 6): Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, ion Er3+ vùng hấp thụ lượng từ photon (có lượng Ephoton =1.27eV) chuyển lên trạng thái lượng cao vùng bơm (pumping band) (1) Tại vùng bơm, ion Er3+ phân rã không xạ nhanh (khoảng 1μs) chuyển xuống vùng giả bền (2) Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, ion Er3+ vùng hấp thụ lượng từ photon (có lượng Ephoton =0.841eV) chuyển sang trạng thái lượng cao đỉnh vùng giả bền (3) Hình 6: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy EDFA với hai bước sóng bơm 980nm 1480 nm Các ion Er3+ vùng giả bền có khuynh hướng chuyển xuống vùng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4) Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), không kích thích photon có lượng thích hợp (phát xạ kích thích) ion Er3+ chuyển sang trạng thái lượng thấp vùng phát xạ photon (phát xạ tự phát) (5) Khi cho tín hiệu ánh sáng vào EDFA, xảy đồng thời hai tượng sau: Các photon tín hiệu bị hấp thụ ion Er3+ vùng (6) Tín hiệu ánh sáng bị suy hao; - 10 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Các photon tín hiệu kích thích ion Er3+ vùng giả bền (7) Hiện tượng phát xạ kích thích xảy Khi đó, ion Er3+ bị kích thích chuyển trạng thái lượng từ mức lượng cao vùng giả bền xuống mức lượng thấp vùng phát xạ photon có hướng truyền, phân cực, pha bước sóng Tín hiệu ánh sáng khuếch đại - Độ rộng vùng giả bền vùng cho phép phát xạ kích thích (khuếch đại) xảy khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm Đây vùng bước sóng hoạt động EDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng bước sóng lớn 1565 nm dB bước sóng 1616 nm - Yêu cầu nguồn bơm a Bước sóng bơm Với vùng lượng nêu phần 2.a, ánh sáng bơm sử dụng bước sóng khác 650 nm (4F9/2), 800 nm (4I9/2 ), 980 nm (4I11/2), 1480 nm (4I13/2) Tuy nhiên, bước sóng bơm ngắn ion Er3+ phải trải qua nhiều giai đoạn chuyển đổi lượng trước trở vùng phát xạ photon ánh sáng Do đó, hiệu suất bơm không cao, lượng bơm bị hao phí qua việc tạo phonon thay photon Vì vậy, thực tế, ánh sáng bơm sử dụng cho EDFA sử dụng hai bước sóng 980nm 1480nm Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu đạt nghịch đảo nồng độ cách sử dụng nguồn bơm để bơm ion erbium lên trạng thái kích thích Có hai cách thực trình này: bơm trực tiếp bước sóng 1480 nm bơm gián tiếp bước sóng 980 nm Phương pháp bơm gián tiếp (bơm 980 nm): trường hợp này, ion erbium liên tục chuyển tiếp từ vùng lượng 4I15/2 thấp lên vùng lượng cao 4I11/2, sau ion phân rã xuống vùng 4I13/2 không phát xạ Từ vùng này, có ánh sáng kích thích ion phát xạ bước sóng mong muốn (từ 1550 đến 1600 nm) chuyển từ vùng lượng 4I13/2 xuống vùng 4I15/2 Đây hệ thống ba mức Thời gian sống ion erbium mức 4I11/2 khoảng 1μs 4I13/2 tới 10ms Với thời gian sống dài, vùng 4I15/2 gọi vùng ổn định Vì vậy, ion bơm lên mức cao, sau nhanh chóng rơi xuống vùng 4I13/2 tồn khoảng thời gian tương đối dài tạo nên nghịch đảo nồng độ Với phương pháp bơm trực tiếp (1480 nm): ion erbium hoạt động hai vùng lượng 4I13/2 4I15/2 Đây hệ thống mức Các ion erbium liên tục chuyển từ vùng lượng 4I15/2 lên vùng lượng 11 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI kích thích 4I13/2 nhờ lượng bơm Vì thời gian tồn mức dài nên chúng tích lũy tạo nghịch đảo nồng độ Nguồn bơm có hiệu cao hai bước sóng 980 1480 nm Để có hệ số khuếch đại 20 dB cần tạo nguồn bơm có công suất nhỏ mW, cần phải có nguồn bơm từ 10 đến 100 mW để đảm bảo cho công suất đủ lớn Chỉ số nhiễu lượng tử giới hạn dB đạt bước sóng 980 nm Đối với bước sóng 1480 nm số nhiễu vào khoảng dB tiết diện ngang phát xạ tại1480 nm cao 980 nm xạ kích thích nguồn bơm giới hạn nghịch đảo tích luỹ 1480nm Do đó, bước sóng bơm 980 nm ứng dụng cho khuếch đại tạp âm thấp Hệ số độ lợi bước sóng bơm 980 nm cao 1480 nm công suất bơm Do đó, để đạt hệ số độ lợi công suất bơm 1480 nm phải cao 980 nm Vì ông suất bơm 1480 nm lớn nên công suất ngõ lớn hơn, bơm bước sóng 1480nm ứng dụng cho khuếch đại công suất Ngoài ra, bước sóng bơm 1480 nm truyền sợi quang với suy hao thấp Do đó, nguồn bơm laser đặt xa khuếch đại Hiện nay, bơm bước sóng 1480 nm sử dụng rộng rãi chúng sẵn có độ tin cậy cao Độ tin cậy đặc điểm quan trọng laser bơm dùng để bơm cho khoảng cách dài để tránh làm nhiễu tín hiệu Các thiết bị khuếch đại công suất đòi hỏi công suất bơm cao độ ổn định chúng mấu chốt trình nghiên cứu phát triển chúng Nếu tăng độ ổn định laser có bước sóng 980 nm chúng chọn làm nguồn bơm Một số EDFA bơm hai bước sóng để tận dụng ưu điểm hai bước sóng Bảng 1: So sánh hai bước sóng bơm 980nm 1480nm b Công suất bơm Công suất bơm lớn có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổi lượng với tín hiệu cần khuếch đại làm cho hệ số khuếch đại tăng lên 12 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Tuy nhiên, hệ số khuếch đại tăng theo công suất bơm số lượng ion erbium cấy vào sợi có giới hạn Ngoài ra, công suất bơm tăng lên hệ số nhiễu giảm Điều trình bày phần tính hệ số nhiễu EDFA c Hướng bơm Bộ khuếch đại EDFA bơm theo ba cách: Bơm thuận (codirectional pumping): nguồn bơm bơm chiều với hướng truyền tín hiệu - Bơm ngược (counterdirectional pumping): nguồn bơm bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu - Bơm hai chiều (dual pumping): sử dụng hai nguồn bơm theo hai chiều ngược - Hướng bơm thuận có ưu điểm nhiễu thấp nhiễu nhạy cảm với độ lợi mà độ lợi tín hiệu cao công suất tín hiệu vào thấp Trong đó, hướng bơm ngược cung cấp công suất bão hoà cao có hệ số nhiễu cao bơm thuận Do vậy, người ta đề nghị sử dụng hai laser bơm có bước sóng bơm khác Việc bơm bước sóng 1480 nm thường sử dụng theo chiều ngược với hướng truyền tín hiệu bơm 980 nm theo hướng thuận để sử dụng tốt ưu điểm loại bơm Bơm 1480 nm có hiệu suất lượng tử cao có hệ số nhiễu cao hơn, bơm bước sóng 980 nm cung cấp hệ số nhiễu gần mức giới hạn lượng tử Hệ số nhiễu thấp phù hợp cho ứng dụng tiền khuếch đại Một EDFA bơm nguồn bơm cung cấp công suất đầu cực đại khoảng +16 dBm vùng bão hoà hệ số nhiễu từ 5-6 dB vùng tín hiệu nhỏ Cả hai bước sóng bơm sử dụng đồng thời cung cấp công suất đầu cao hơn; EDFA bơm kép cung cấp công suất tới +26 dBm vùng công suất bơm cao đạt Hình thể EDFA bơm kép Hình 7: Cấu hình khuếch đại EDFA bơm kép 13 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Giá trị đặc tính khuếch đại EDFA trình bày bảng Bảng 2: Bảng so sánh EDFA hoạt động băng C băng L Phổ khuếch đại Phổ độ lợi EDFA trình bày hình tính chất quan trọng EDFA xác định kênh tín hiệu khuếch đại hệ thống WDM Hình dạng phổ khuếch đại phụ thuộc vào chất sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al) nồng độ tạp chất pha lõi sợi quang Hình cho thấy phổ độ lợi EDFA có lõi pha Ge rộng Tuy nhiên, phổ độ lợi không phẳng Điều dẫn đến việc hệ số khuếch đại khác bước sóng khác Nếu độ lợi kênh tín hiệu không đồng nhất, sau qua nhiều tầng EDFA, sai số độ lợi tích luỹ tuyến tính đến mức tới đầu thu kênh bước sóng có độ lợi cao làm cho đầu vào máy thu tải Ngược lại, kênh tín hiệu có độ lợi nhỏ tỉ số SNR không đạt yêu cầu Sự làm phẳng độ lợi cần thiết để loại bỏ khuếch đại méo tín hiệu qua EDFA đường truyền ghép tầng Một số biện pháp sử dụng để khắc phục không phẳng phổ độ lợi: Chọn lựa bước sóng có độ lợi gần WDM làm việc dải sóng băng C (1530 – 1565 nm) Trong dải bước sóng chọn 40 bước sóng làm bước sóng công tác WDM Các bước sóng có độ lợi gần Công nghệ cân độ lợi: dùng cân (equalizer) hấp thụ bớt công suất bước sóng có độ lợi lớn khuếch tăng công suất bước sóng có độ lợi nhỏ Thay đổi thành phần trộn sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm nhôm, photpho nhôm hay flo với erbium tạo nên khuếch đại có băng tần mở rộng phổ khuếch đại phẳng Ngoài ra, phổ độ lợi EDFA phụ thuộc vào chiều dài sợi EDF Lý trạng thái nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc theo chiều dài sợi quang công suất bơm thay đổi 14 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Bộ khuếch đại EDFA hoạt động băng C (1530-1565 nm) Tuy nhiên, độ lợi sợi pha tạp có đuôi trải rộng đến khoảng 1605 nm Điều kích thích phát triển hệ thống hoạt động băng L từ 1565 đến 1625 nm Nguyên lý hoạt động EDFA băng L giống EDFA băng C Tuy nhiên, có khác việc thiết kế EDFA cho băng C băng L Các phần tử bên khuếch đại quang cách ly (isolator) ghép (coupler) phụ thuộc vào bước sóng nên chúng khác băng C băng L Sự so sánh tính chất EDFA băng C băng L thể bảng Hình 2.15 trình bày cấu trúc khuếch đại băng L làm phẳng độ lợi khoảng bước sóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng Tầng bơm bước sóng 980nm hoạt động EDFA truyền thống (sợi quang dài 20-30nm) có khả cung cấp độ lợi khoảng bước sóng 1530-1570 nm Ngược lại, tầng thứ hai có sợi quang dài 200m bơm hai chiều sử dụng laser 1480nm Một isolator đặt hai tầng cho phép nhiễu ASE truyền từ tầng thứ sang tầng thứ ngăn ASE truyền ngược tầng thứ Với cấu trúc nối tiếp vậy, khuếch đại hai tầng cung cấp độ lợi phẳng vùng băng thông rộng trì mức nhiễu thấp Hình 8: Cấu hình khuếch băng L làm phẳng độ lợi khoảng bước song 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tần Các tính chất EDFA a Độ lợi L  ( e ) ( a ) G exp   ( N ( z)  N ( z)  dz  s s s   (5.5) Độ lợi EDFA tính theo phương trình sau: Trong đó: 15 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI - N2(z), N1(z): mật độ ion erbium trạng thái kích thích trạng thái vị trí z đoạn sợi quang pha erbium - L: chiều dài sợi pha erbium -  s: tiết diện ngang hấp thụ phát xạ ion erbium bước sóng tín hiệu Phương trình (5.5) cho thấy độ lợi liên quan đến nghịch đảo nồng độ trung bình Gọi Ni, nồng độ ion Erbium mức lượng mức lượng kích thích trung bình Khi đó, tính theo công thức sau: 1L N   N ( z)dz L (5.6) 1L N   N ( z)dz L (5.7) Phương trình (5.5) viết lại cách đơn giản sau: Từ phương trình ta thấy độ lợi tín hiệu sau qua sợi quang phụ thuộc vào nghịch đảo nồng độ ion erbium trung bình sợi quang mà không phụ thuộc vào chi tiết dạng nghịch đảo hàm vị trí dọc theo chiều dài sợi quang Trong phương trình (5.6), (5.7) có hai tham số N1(z) N2(z) hàm theo vị trí z dọc theo sợi quang cho bởi:  s( a )  s N2 ( z)  hf s A  ( s( a )   s( e )  s hf s A Ps ( z )  Ps ( z )   (pa )  p hf p A Pp ( z )  ( (pa )   (pe ) ) p hf p A N (5.8) Pp ( z ) N1 ( z )  N  N2 ( z ) (5.9) Trong đó:  τ : thời gian sống ion erbium trạng thái kích thích 4I13/2  Ps(z): công suất tín hiệu vị trí z sợi quang  Pp(z): công suất bơm vị trí z sợi quang  Γs : hệ số chồng lắp bước sóng tín hiệu 16 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI  Γp : hệ số chồng lắp bước sóng bơm  A : diện tích tiết diện ngang hiệu dụng  fs : tần số tín hiệu  fp : tần số bơm  N : mật độ ion erbium tổng cộng   s( a ) ,  s( e ) , : tiết diện ngang hấp thụ phát xạ bước sóng tín hiệu   (pa ) ,  (pe ) : tiết diện ngang hấp thụ phát xạ bước sóng bơm  h : số Planck; h = 6,625.10-34 J.s  Từ công thức (5.8) ta thấy hệ số khuếch đại EDFA phụ thuộc vào yếu tố sau: Phụ thuộc vào nồng độ ion Er3+ : Khi nồng độ Er3+trong sợi quang EDFA tăng khả chúng chuyển lên mức lượng cao nhiều, hệ số khuếch đại tăng Nhưng nồng độ Er3+ tăng cao gây tích tụ dẫn đến tượng tiêu hao quang làm cho hệ số khuếch đại giảm Phụ thuộc vào công suất tín hiệu đến công suất bơm quang: Khi công suất vào tăng, xạ bị kích tăng nhanh, nghĩa ion Er3+ mức lượng cao trở mức lượng nhiều làm giảm nồng độ số ion Er3+ mức lượng cao, làm yếu khả xạ ion Er3+khi tín hiệu quang đưa tới, hệ số khuếch đại giảm Sẽ có mức giới hạn mà công suất tín hiệu vào tăng công suất không tăng gọi công suất bão hoà Phụ thuộc vào chiều dài sợi: Khi chiều dài sợi ngắn tín hiệu không khuếch đạnhiều độ lợi tín hiệu nhỏ Ngược lại, chiều dài tăng lên tín hiệu đượckhuếch đại nhiều hơn, độ lợi lớn Tuy nhiên, chiều dài dài so vớcông suất bơm độ lợi tín hiệu bị giảm chiều dài lớn mà công suất bơm lạkhông đáp ứng hết chiều dài sợi tín hiệu bị suy hao dần làm giảm độ lợi Phụ thuộc vào công suất bơm: Công suất bơm lớn có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổi lượng với tín hiệu cần khuếch đại làm cho hệ sốkhuếch đại tăng lên Tuy nhiên, hệ số khuếch đại tăng theo công suấ bơm số lượng ion erbium cấy vào sợi có giới hạn Do vậy, tùy theo ứng dụng EDFA, yếu tố hiệu chỉnh sau cho độ lợi EDFA đạt giá trị yêu cầu với hiệu suất cao Thông thường, 17 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI độ lợi EDFA vào khoảng 20 - 40 dB tuỳ theo ứng dụng EDFA khuếch đại công suất, khuếch đại đường truyền hay tiền khuếch đại b Công suất bão hoà (Output saturation power) Sự bão hoà xảy công suất tín hiệu vào EDFA lớn gây giảm hệ số khuếch đại Vì vậy, giới hạn công suất khuếch đại Sự bão hoà hệ số khuếch đại xuất công suất tín hiệu tăng cao gây phát xạ kích thích tỷ lệ cao làm giảm nghịch đảo nồng độ Điều có nghĩa số ion erbium trạng thái kích thích giảm cách đáng kể Hệ là, công suất tín hiệu ngõ bị hạn chế bão hoà công suất Công suất bảo hòa Pout, sat định nghĩa tín hiệu mà hệ số khuếch đại bị giảm dB so với khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 9: Đồ thị biểu diễn công suất bão hòa tăng tuyến tính theo công suất bơm vào bước sóng bơm 975 nm bước sóng tín hiệu 1555nm 1532nm Công suất bão hoà số mà tăng lên tuyến tính với công suất bơm (xem hình 9) Công suất bão hoà xác định công suất tín hiệu ngõ mà độ lợi độ lợi tín hiệu nhỏ trừ dB Như cách xác định độ lợi tín hiệu nhỏ ta suy điểm bão hoà từ xác định công suất bão hoà Công suất bão hoà thay đổi tùy theo bước sóng tín hiệu mật độ ion Er3+ phân bố vùng lượng giả bền không Hình 2.16 cho thấy công suất bảo hòa 1.55 μm cao 1.53 μm với công suất bơm Ƣu khuyết điểm EDFA a Ưu điểm: Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn công suất cao - Cấu hình đơn giản: hạ giá thành hệ thống - Cấu trúc nhỏ gọn: lắp đặt nhiều EDFA trạm, dễ vận chuythay 18 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI - Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi áp dụng cho tuyến thông tin quang biển - Không có nhiễu xuyên kênh khuếch đại tín hiệu WDM khuếch đbán dẫn - Hầu không phụ thuộc vào phân cực tín hiệu b Khuyết điểm: - Phổ độ lợi EDFA không phẳng - Băng tần hiên bị giới hạn băng C băng L - Nhiễu tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN (RA) III Nguyên lý hoạt động Khuếch đại Raman dựa tượng tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering) Tán xạ Raman kích thích tượng nguyên tử hấp thụ lượng photon, sau tạo photon có lượng khác Vì vậy, tán xạ Raman kích thích định nghĩa tượng photon thứ cấp sinh kích thích từ nguồn bên Để có khuếch đại Raman phải tạo nghịch đảo nồng độ Điều đạt cách cung cấp lượng cho nguyên tử sợi quang từ laser bơm có bước sóng thấp bước sóng tín hiệu Khi đó, nguyên tử sợi quang hấp thụ lượng bơm có lượng cao (bước sóng ngắn) chuyển lên mức lượng cao Khi có tín hiệu đến, kích thích nguyên tử mức lượng cao chuyển sang trạng thái lượng thấp giải phóng lượng dạng photon ánh sáng có bước sóng (dài bước sóng bơm) pha với tín hiệu đến Do đó, tín hiệu khuếch đại (xem hình 10) Dựa giản đồ lượng trên, tần số ánh sáng bơm fbơm tần số ánh sáng khuếch đại fkhuếch đại xác định sau: 19 fbơm = (E3 – E1)/h (5.10) fkhuếch đại = (E2 – E1)/h (5.11) CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Hình 10: Sơ đồ chuyển lượng khuếch đại Raman Trong đó: h số Plank; E1, E2, E3 lượng trạng thái lượng cao (transition state), trạng thái lượng trung gian (vibration state) trạng thái lượng thấp (ground state) nguyên tử sợi quang Không giống nguyên lý khuếch đại EDFA, khuếch đại Raman không cần sợi quang riêng đặc biệt (pha trộn ion Er3+) Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang khuếch đại dọc theo toàn chiều dài sợi quang silic bình thường Cấu trúc khuếch đại Raman minh họa hình 11 Hình 11: Cấu trúc khuếch đại Raman Sợi quang: nơi xảy trình khuếch đại Sợi quang sợi quang truyền tín hiệu sợi SMF, DSF, …Trong khuếch đại quang không cần sử dụng sợi quang đặc biệt (pha ion Erbium) khuếch đại EFDA Bộ ghép (Coupler): dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với sóng bơm Laser bơm (Pump laser): dùng để cung cấp lượng cho nguyên tử sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích, giúp tạo nghịch đảo nồng độ Bộ cách ly (Isolator): đặt hai đầu khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệu phản xạ hai đầu khuếch đại Đồng thời giúp loại trừ nhiễu ASE theo hướng ngược phía đầu vào gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào Độ rộng băng tần hệ số khuếch đại Hình 12 biểu diễn thay đổi độ lợi khuếch đại Raman theo độ chênh lệch bước sóng tín hiệu nguồn bơm Qua cho thấy, hệ số khuếch đại Raman tăng tuyến tính với độ chênh lệch bước sóng tín hiệu 20 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI nguồn bơm (wavelength offset), đạt giá trị đỉnh 100 nm giảm nhanh chóng sau Trong hình cho thấy, băng thông độ lợi khuếch đại Raman đạt từ 45-50nm Hình 12: Hệ số độ lợi Raman thay đổi theo độc chênh lệch bước sóng tín hiệu nguồn bơm (wavelength offset) Nếu dải tần tín hiệu cần khuếch đại Raman lớn băng thông độ lợi khuếch đại Raman (giả sử 40nm), cần phải sử dụng nhiều nguồn bơm khác Mỗi nguồn bơm có bước sóng cách khoảng 40nm (bằng với băng thông độ lợi) Khi đó, dải tần lớn tín hiệu khuếch đại cách hiệu quả.Tuy nhiên, đặc tính khuếch đại khuếch đại Raman khoảng bước sóng bơm, băng thông độ lợi tổng cộng có dạng gợn sóng Với ưu điểm băng thông độ lợi lớn, khuếch đại Raman quan tâm đến ứng dụng thông tin quang Tuy nhiên hiệu suất độ lợi khuếch đại Raman không cao Để đạt hệ số khuếch đại lớn, cần phải sử dụng công suất bơm tương đối cao Ƣu khuyết điểm khuếch đại Raman So với loại khuếch đại quang khác, khuếch đại Raman có ưu điểm sau: Tạp âm nhiễu thấp Cấu trúc đơn giản, không cần sợi đặc biệt Dễ chọn băng tần Có thể đạt băng thông rộng nhờ kết hợp vài laser bơm Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm khuếch đại Raman có nhược điểm sau: 21 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Xuyên âm kênh tín hiệu tượng tán xạ Raman kích thích SRS Đây hiệu hứng phi tuyến sợi quang gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM Hệ số khuếch đại thấp Hiệu suất khuếch đại thấp so với EDFA: khuếch đại Raman cần công suất bơm lớn để đạt giá trị độ lợi CHƢƠNG KẾT LUẬN Phần chúng em trình bày xong vấn đề khuếch đại quang sợi (Erbium-doped Fiber Amplifier, Raman Fiber Amplifier, Brillouin Fiber Amplifier ) Đó phần quan trọng chuyền dẫn quang.Do kiến thức hạn hẹp thời gian tìm hiểu chưa thật nhiều viết có nhiều khiếm khuyết chúng em mong thầy giáo có góp ý đánh giá để chúng em hoàn thành tốt viết mình.Chúng em xin chân thành cảm ơn bảo giúp đỡ thầy 22 [...]... state) của các nguyên tử trong sợi quang Không giống như nguyên lý khuếch đại của EDFA, khuếch đại Raman không cần một sợi quang riêng và đặc biệt (pha trộn ion Er3+) Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang được khuếch đại dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi quang silic bình thường Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman được minh họa trong hình 11 Hình 11: Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman Sợi quang: là... Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép 13 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Giá trị các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA được trình bày trong bảng 2 Bảng 2: Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và băng L 4 Phổ khuếch đại Phổ độ lợi của EDFA được trình bày trong hình 5 là tính chất quan trọng nhất của EDFA khi xác định các kênh tín hiệu được khuếch đại trong hệ thống WDM Hình dạng của phổ khuếch đại phụ... trình khuếch đại Sợi quang này cũng là sợi quang truyền tín hiệu như sợi SMF, DSF, …Trong khuếch đại quang không cần sử dụng sợi quang đặc biệt (pha ion Erbium) như bộ khuếch đại EFDA Bộ ghép (Coupler): dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với sóng bơm Laser bơm (Pump laser): dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích, giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ Bộ. .. cạnh những ưu điểm đó bộ khuếch đại Raman cũng có những nhược điểm như sau: 21 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Xuyên âm giữa các kênh tín hiệu do hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS Đây là một trong các hiệu hứng phi tuyến của sợi quang có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM Hệ số khuếch đại thấp Hiệu suất khuếch đại thấp hơn so với EDFA: khuếch đại Raman cần một công... hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng lên 12 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Tuy nhiên, hệ số khuếch đại không thể tăng mãi theo công suất bơm vì số lượng các ion erbium được cấy vào sợi là có giới hạn Ngoài ra, khi công suất bơm tăng lên thì hệ số nhiễu sẽ giảm Điều này sẽ được trình bày trong phần tính hệ số nhiễu của EDFA c Hướng bơm Bộ khuếch đại EDFA có thể được bơm theo ba cách: Bơm... thông độ lợi lớn, khuếch đại Raman được quan tâm đến trong các ứng dụng thông tin quang Tuy nhiên hiệu suất độ lợi của khuếch đại Raman không cao Để đạt được hệ số khuếch đại lớn, cần phải sử dụng công suất bơm tương đối cao 3 Ƣu khuyết điểm của khuếch đại Raman So với các loại khuếch đại quang khác, khuếch đại Raman có những ưu điểm sau: Tạp âm nhiễu thấp Cấu trúc đơn giản, không cần sợi đặc biệt Dễ... đó, tín hiệu đã được khuếch đại (xem hình 10) Dựa trên giản đồ năng lượng trên, tần số ánh sáng bơm fbơm và tần số ánh sáng được khuếch đại fkhuếch đại được xác định như sau: 19 fbơm = (E3 – E1)/h (5.10) fkhuếch đại = (E2 – E1)/h (5.11) CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI Hình 10: Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman Trong đó: h là hằng số Plank; E1, E2, E3 là năng lượng của các trạng thái năng lượng... offset) Nếu dải tần của các tín hiệu cần khuếch đại Raman lớn hơn băng thông độ lợi của khuếch đại Raman (giả sử 40nm), cần phải sử dụng nhiều nguồn bơm khác nhau Mỗi nguồn bơm có bước sóng cách nhau khoảng 40nm (bằng với băng thông độ lợi) Khi đó, dải tần lớn của các tín hiệu có thể được khuếch đại một cách hiệu quả.Tuy nhiên, do đặc tính khuếch đại của khuếch đại Raman và do khoảng của các bước sóng bơm,... và bộ khuếch đại để tăng công suất của bước sóng có độ lợi nhỏ Thay đổi thành phần trộn trong sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm nhôm, photpho nhôm hay flo cùng với erbium sẽ tạo nên bộ khuếch đại có băng tần được mở rộng và phổ khuếch đại bằng phẳng hơn Ngoài ra, phổ độ lợi của EDFA còn phụ thuộc vào chiều dài của sợi EDF Lý do là vì trạng thái nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc theo chiều dài của sợi. .. cấy vào sợi là có giới hạn Do vậy, tùy theo ứng dụng của EDFA, các yếu tố trên sẽ được hiệu chỉnh sau cho độ lợi của EDFA đạt giá trị yêu cầu với hiệu suất cao nhất Thông thường, 17 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI độ lợi của EDFA vào khoảng 20 - 40 dB tuỳ theo ứng dụng của EDFA là bộ khuếch đại công suất, khuếch đại đường truyền hay tiền khuếch đại b Công suất ra bão hoà (Output saturation power) Sự bão hoà