Bài giảng: Mạng truyền tải quang Chương 2 Khuếch đại quang

Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang - CHƯƠNG KHUẾCH ĐẠI QUANG 2.1- GIỚI THIỆU CHUNG Trong hệ thống thông tin quang, cự li truyền bị giới hạn suy hao sợi quang Đối với hệ thống thông tin quang cự ly dài, để bù suy hao thường sử dụng trạm lặp quang - điện, tín hiệu quang chuyển thành tín hiệu điện, tái tạo xung chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền Các trạm lặp phức tạp giá thành cao hệ thống quang WDM Một giải pháp khác để bù suy hao dùng khuếch đại quang, để khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà khơng u cầu chuyển đổi miền điện So với trạm lặp quang - điện, khuếch đại quang có ưu điểm sau: - Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang - Không phụ thuộc vào tốc độ bit phương thức điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống đơn giản - Khuếch đại đồng thời nhiều kênh bước sóng khác hệ thống quang Hầu hết khuếch đại quang khuếch đại ánh sáng tới thơng qua phát xạ kích thích, giống laser Tuy nhiên, khuếch đại quang sợi khơng có hồi tiếp quang Nguyên lý khuếch đại quang sử dụng lượng bơm quang điện để thực đảo mật độ Nói chung, hệ số khuếch đại quang phụ thuộc không vào tần số (hoặc bước sóng) tín hiệu quang tới, mà phụ thuộc vào cường độ ánh sáng bơm bên khuếch đại Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại quang vào tần số cường độ tín hiệu quang nhiều hay phụ thuộc vào mơi trường khuếch đại 2.1.1 Các tham số 2.1.1.1 Hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại (G) định nghĩa là: G = Pout / Pin (2.1) G (dB) = 10 log (Pout / Pin) (2.2) đó, Pin Pout công suất đầu vào đầu khuếch đại quang [mW] Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng 45 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang Hệ số khuếch đại tham số quan trọng khuếch đại Nó đặc trưng cho khả khuếch đại công suất ánh sáng khuếch đại Tuy vậy, hệ số khuếch đại bị giới hạn chế bão hòa khuếch đại Điều làm giới hạn công suất quang cực đại khuếch đại 2.1.1.2 Độ rộng băng tần khuếch đại Hệ số khuếch đại khuếch đại quang không với tất tần số tín hiệu quang vào Nếu đo hệ số khuếch đại G tín hiệu quang tần số khác nhận đáp ứng tần số quang khuếch đại G(f) Đây độ rộng băng tần khuếch đại khuếch đại quang Độ rộng băng tần khuếch đại khuếch đại quang B o xác định điểm -3dB so với hệ số khuếch đại đỉnh khuếch đại Giá trị B o xác định băng thơng tín hiệu truyền khuếch đại quang Do đó, ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống thông tin quang sử dụng chúng 2.1.1.3 Cơng suất bão hòa Khi hoạt động chế độ tín hiệu nhỏ, cơng suất quang đầu tăng tuyến tính với công suất quang đầu vào theo hệ số khuếch đại G: P out = G.Pin Tuy nhiên, công suất đầu tăng Bằng thực nghiệm, cho thấy tất khuếch đại quang, công suất đầu vào P in tăng đến mức đó, hệ số khuếch đại G bắt đầu giảm Kết công suất đầu khơng tăng tuyến tính với tính hiệu đầu vào mà đạt trạng thái bão hòa Sự thay đổi tín hiệu quang đầu so với cơng suất quang đầu vào minh họa hình 2.1a Pout G Pout, sat 3dB Pin a) Pin,sat Pout b) Pout,sat Hình 2.1 a) Cơng suất đầu liên quan với công suất đầu vào b) Hệ số khuếch đại liên quan với cơng suất quang đầu Hình 2.1b biểu diễn thay đổi hệ số khuếch đại G theo công suất quang đầu Pout Công suất đầu điểm G giảm dB gọi cơng suất bão hòa Psat, out Cơng suất bão hòa Psat, out khuếch đại quang cho biết công suất đầu lớn mà khuếch đại quang hoạt động Thơng thường, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông 46 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao có cơng suất bão hòa cao nghịch đảo nồng độ cao trì dải cơng suất vào rộng 2.1.1.4 Hệ số nhiễu 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 đầu Do đó, đầu khuếch đại công suất quang thu Pout bao gồm cơng suất tín hiệu khuếch đại công suất nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại (ASE) Pout = G.Pin + PASE (2.3) Ảnh hưởng nhiễu khuếch quang biểu diễn hệ số nhiễu (NF), mô tả lượng suy giảm tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) sau qua khuếch đại Hệ số NF cho công thức sau: NF = SNRin SNRout NF (dB) = 10 log (2.4) SNRin SNRout (2.5) đó, SNRin, SNRout tỷ số tín hiệu nhiễu đầu vào đầu khuếch đại [mW] 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 2.1.2 Phân loại Cấu tạo chung khuếch đại quang biểu diễn hình 2.2 Trong khuếch đại quang, trình khuếch đại ánh sáng diễn mơi trường gọi vùng tích cực Các tín hiệu quang khuếch đại vùng tích cực với hệ số khuếch đại lớn hay nhỏ tùy thuộc vào lượng cung cấp từ nguồn bên gọi chung nguồn bơm Các nguồn bơm có tính chất tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác, phụ thuộc vào cấu tạo vùng tích cực Tùy theo cấu tạo vùng tích cực, chia khuếch đại quang thành hai loại chính: Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông 47 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang Hình 2.2 - Mơ hình tổng qt khuếch đại quang 2.1.2.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA - Vùng tích cực cấu tạo vật liệu bán dẫn - Cấu trúc vùng tích cực SOA tương tự vùng tích cực laser bán dẫn Điểm khác biệt SOA laser SOA hoạt động trạng thái mức ngưỡng phát xạ - Nguồn cung cấp lượng để khuếch đại tín hiệu quang dòng điện 2.1.2.2 Khuếch đại quang sợi OFA - Vùng tích cực sợi quang pha đất Do đó, OFA gọi DFA - Nguồn bơm lượng ánh sáng cung cấp laser có bước sóng phát quang nhỏ bước sóng tín hiệu cần khuếch đại - Tùy theo loại đất pha lõi sợi quang, bước sóng bơm nguồn bơm vùng ánh sáng khuếch đại OFA thay đổi Một số loại OFA tiêu biểu: + EDFA - Bộ khuếch đại sợi pha Erbium: 1530nm – 1565nm + PDFA - Bộ khuếch đại sợi pha Praseodymium: 1280nm – 1340nm + TDFA - Bộ khuếch đại sợi pha Thulium: 1440nm -1520nm + NDFA- Bộ khuếch đại sợi pha Neodymium: 900nm, 1065nm 1400nm Trong loại OFA này, EDFA sử dụng phổ biến có nhiều ưu điểm đặc tính kỹ thuật so với SOA có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM Chi tiết EDFA trình bày phần 2.3 chương Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông 48 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang Cả hai loại khuếch đại quang SOA EDFA hoạt động dựa tượng phát xạ kích thích Ngồi ra, loại khuếch đại quang khác sử dụng nhiều hệ thống WDM khuếch đại Raman Loại khuếch đại sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng Tuy nhiên, nguyên lý khuếch đại khuếch đại Raman dựa ảnh hưởng phi tuyến sợi quang (hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS) tượng phát xạ kích thích Chi tiết loại khuếch đại trình bày 2.2- KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA) 2.2.1 Cấu trúc nguyên lý khuếch đại tín hiệu Cấu trúc nguyên lý hoạt động khuếch đại quang bán dẫn SOA tương tự laser bán dẫn Nghĩa dựa vào hệ thống hai dải lượng chất bán dẫn trình biến đổi quang điện: hấp thụ, phát xạ tự phát phát xạ kích thích Trong đó, tín hiệu quang khuếch đại dựa tượng phát xạ kích thích xảy vùng tích cực SOA Vùng tích cực đặt hai lớp bán dẫn loại n p (xem hình 2.3) Nguồn bơm bên ngồi cung cấp dòng điện phân cực Dòng phân cực I Vùng tích cực Pin Pout R2 R1 Hình 2.3 Cấu trúc khuếch đại quang bán dẫn SOA Do có cấu trúc nguyên lý hoạt động tương tự với laser bán dẫn nên SOA gọi khuếch đại laser bán dẫn SLA Sự khác SOA laser bán dẫn SOA hoạt động mức ngưỡng dao động Điều kiện xảy dòng điện phân cực I bias < dòng điện ngưỡng Ith laser hoặc/và hệ số phản xạ hai mặt phản xạ vùng tích cực nhỏ Khi đó, q trình phản xạ, cộng hưởng tự phát xạ ánh sáng khơng xảy SOA phân thành hai loại dựa vào hệ số phản xạ hai mặt phản xạ lớp tích cực Loại thứ nhất, khuếch đại Fabry-Perot FPA có hệ số phản xạ cao (có thể lên tới 32%) Cấu trúc FPA tương tự laser Fabry-Perot hoạt động với dòng phân cực I bias> Pp,sat Hệ số nhiễu (dB) Hệ số khuếch đại (dB) Với mức nhiễu tương đối thấp, EDFA lựa chọn lý tưởng cho hệ thống thông tin quang WDM Dù vậy, nhiễu khuếch đại làm giới hạn chất lượng hệ thống thông tin quang đường dài sử dụng nhiều khuếch đại EDFA Vấn đề nhiễu trở nên nghiêm trọng hệ thống hoạt động vùng tán sắc zero sợi quang Khi hiệu ứng phi tuyến làm tăng nhiễu khuếch đại giảm phổ tín hiệu Ngồi ra, nhiễu khuếch đại gây nên rung pha định thời Vần đề trình phần sau Chiều dài sợi khuếch đại (m) Chiều dài sợi khuếch đại (m) Hình 2.15- (a) Hệ số nhiễu NF (b) Hệ số khuếch đại EDFA chiều dài sợi quang thay đổi số giá trị công suất bơm PP/Psat Nhiễu ASE không giới hạn tỉ lệ SNR hệ thống sử dụng khuếch đại quang, mà đặt giới hạn khác ứng dụng khác khuếch đại quang tuyến thông tin sợi quang Chẳng hạn, xem xét vài khuếch đại quang ghép tầng dọc theo khoảng truyền dẫn lặp tuyến tính để bù suy hao sợi quang Cơng suất nhiễu ASE P noise phần công suất đầu P out khuếch đại chuỗi khuếch đại trở thành đầu vào khuếch đại Do P noise khuếch đại khuếch đại Do bão hoà hệ số khuếch đại phụ thuộc vào tổng công suất đầu vào, nhiễu ASE từ đầu tầng trước chuỗi khuếch đại lớn đến mức làm bão hồ khuếch đại phía sau Nếu phản xạ đầu đầu vào khuếch đại thấp, ASE phát xạ theo hướng ngược đầu vào từ khuếch đại thuộc tầng sau vào khuếch đại phía trước, làm tăng bão hồ gây ASE Với khuếch đại quang sợi, tạo thành nhiễu ASE dẫn đến tự dao động dọc theo tuyến truyền dẫn sợi quang phản xạ có mặt Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 66 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang dọc theo đường truyền Mặc dù phản xạ nhỏ, khoảng truyền dài với số lượng lớn khuếch đại lặp tuyến tính, cơng suất ASE tích tụ dọc theo chuỗi khuếch đại kích hoạt dao động Để tối thiểu hoá ảnh hưởng này, cách ly quang nối dọc theo liên kết sợi quang để giảm ASE hướng ngược, điều ngăn cản hệ thống sử dụng cho truyền dẫn song hướng Thêm vào suy giảm hoạt động mặt cơng suất, hỗn tạp pha tín hiệu phát xạ tự phát gây ảnh hưởng nhiễu tần số nhiễu biên độ, đặc biệt nhiễu pha phản xạ giao diện quang Vì tín hiệu tới khuếch đại quang có lượng nhiễu pha trải rộng phổ nguồn laser làm tăng nhiễu khuếch đại Điều làm suy giảm hoạt động hệ thống thông tin quang 2.3.3- Ứng dụng EDFA Trong phần trước hết cần xem xét việc sử dụng tiền khuếch đại EDFA đầu thu tập trung vào thiết kế hệ thống cự ly dài sử dụng chuỗi khuếch đại quang Các khuếch đại quang sử dụng để cải thiện độ nhạy máy thu quang nhờ khuếch đại trước tín hiệu quang làm cho đủ mạnh bỏ qua nhiễu nhiệt so với nhiễu phát sinh tiền khuếch đại Kết độ nhạy máy thu cải thiện 10 dB ÷ 20 dB sử dụng tiền khuếch đại EDFA Trong năm 1990 thí nghiệm đạt kết cần 152 photon/bit cho hệ thống quang hoạt động tốc độ bít (0,6 ÷ 2,5) Gbit/s Trong thí nghiệm khác, độ nhạy máy thu – 37,2 dBm (147 photon/ bit) thực tốc độ bít 10 Gbit/s Có khả sử dụng hai tiền khuếch đại nối tiếp nhau; độ nhạy máy thu cải thiện 18,8 dB nhờ kỹ thuật Thực nghiệm vào năm 1992 đạt độ nhạy kỷ lục -38,8 dBm (102 photon/ bit) 10 Gbit/s sử dụng hai EDFA Giảm độ nhạy bị hạn chế thấp 1,2 dB tín hiệu truyền 45 km sợi dịch tán sắc Tính độ nhạy máy thu cần bao gồm tất nguồn nhiễu dòng máy thu Tính quan trọng khởi đầu thiết kế tiền khuếch đại quang ảnh hưởng ASE đến tín hiệu Do kết hợp tự nhiên phát xạ tự phát, tín hiệu khuếch đại bị nhiễu tín hiệu vào Dòng tạo diode tách quang viết dạng: I = R G E s + E sp + i s + iT Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông (2.19) 67 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang R đáp ứng diode tách quang, G hệ số khuếch đại khuếch đại, Es trường tín hiệu, Esp trường quang kết hợp với ASE, is iT dòng thăng dáng phát sinh nhiễu nổ nhiễu nhiệt máy thu Trị số trung bình dòng nhiễu bao gồm: I = R ( GPs + Psp ) Ps = E s (2.20) tín hiệu quang đầu vào tiền khuếch đại P sp công suất nhiễu ASE bổ sung vào tín hiệu có biên độ là: Psp = E sp = S sp ∆ν sp (2.21) Ssp mật độ phổ ∆ν sp độ rộng băng tần hiệu dụng phát xạ tự phát nằm băng tần khuếch đại băng tần lọc lọc quang đặt sau khuếch đại Chú ý Esp biểu thức (2.19) bao gồm ASE có phân cực trực giao với tín hiệu nên khơng thể phách với tín hiệu Nhiễu dòng ∆I bao gồm thăng giáng bắt nguồn từ nhiễu nổ, nhiễu nhiệt nhiễu ASE Nhiễu dòng ASE có nguồn gốc từ phách E s Esp phách ASE với Để hiểu khái niệm phách rõ hơn, ý ASE có điện trường Esp băng tần rộng viết dạng: E sp = ∫ S sp exp( φ n − iω n t )dω n (2.22) φ n pha thành phần phổ nhiễu tần số ω n tích phân mở rộng tồn băng tần khuếch đại (hoặc lọc) Khi sử dụng E s = Ps exp( φ s − iω s t ) thành phần giao thoa biểu thức (2.19) bao gồm hai phận dẫn tới thăng dáng dòng dạng: i sig − sp = R ∫ ( GPs S sp ) 1/ cos θ1 dω n , i sp − sp = ∫ ∫S sp cos θ dω n dω n′ (2.23) θ1 = ( ω s − ω n ) t + φ n − φ s θ = ( ω n − ω n′ ) t + φ n′ − φ n hai pha ngẫu nhiên thay đổi nhanh Hai pha đóng góp vào nhiễu dòng phách E s với Esp phách Esp với Lấy trung bình theo pha ngẫu nhiên, phương sai tổng σ = ( ∆I ) thăng dáng dòng viết: 2 σ = σ T2 + σ s2 + σ sig − sp + σ sp − sp (2.24) σ T2 đặc trưng cho nhiễu nhiệt số hạng lại là: σ s2 = 2q[ R ( GPs + Psp ) ]∆f (2.25) 2 σ sig − sp = R GPs S sp ∆f (2.26) Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông 68 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang σ sp − sp = R S sp2 ∆ν opt ∆f (2.27) ∆ν opt độ rộng băng tần lọc quang ∆f độ rộng băng tần điện nhiễu máy thu BER có xác định nhờ biểu thức: BER = ( erfc Q / 2 ) (2.28) với tham số Q xác định theo biểu thức sau: Q= I1 − I RG ( Prec ) = σ1 + σ σ1 + σ (2.29) Biểu thức (2.29) có nhờ giả thiết tỷ số phân biệt không (I 0= 0) cho I = RGP1 = RG ( Prec ) với Prec độ nhạy máy thu giá trị BER cho trước (Q = 6khiBER = 10 ) Dòng nhiễu RMS σ −9 σ có từ biểu thức (2.24) đến (2.29) nhờ đặt Ps = P1 = Prec Ps= tương ứng Phân tích xem xét cách đơn giản nhờ so sánh biên độ số hạng khác biểu thức (2.23) Nhằm mục đích này, sử dụng R = ηq / hν viết biểu thức (2.24) – (2.26) dạng hệ số nhiễu Fn khuếch đại: σ s2 = p 2ηGPs ∆f / hν (2.30) 2 σ sig − sp = 2( qηG ) Fn Ps ∆f / hν (2.31) σ sp2 − sp = ( qηGFn ) ∆ν opt ∆f (2.32) RPs bỏ qua biểu thức (2.25) đóng góp nhiễu nổ bỏ qua So sánh biểu thức (2.30) với (2.31) σ s bỏ qua so sánh với σ sig − sp ηGFn nhỏ Nhiễu nhiệt σ T2 bỏ qua so sánh với số hạng trội Các dòng nhiễu σ σ lấy xấp xỉ sau: 2 σ = (σ sig − sp + σ sp − sp ) 1/ , σ = σ sp − sp (2.33) Độ nhạy máy thu có cách thay biểu thưc (2.33) vào biểu thức (2.32) sử dụng biểu thức (2.30) , (2.31) với Ps = Prec để tìm Prec Kết là: [ Prec = hνFn ∆f Q + Q( ∆ν opt / ∆f ) 1/ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng ] (2.34) 69 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang Độ nhạy máy thu viết dạng số lượng trung bình photon/ bit N p nhờ sử dụng Prec = N p hνB Đặt ∆f = B / giá trị điển hình độ rộng băng tần máy thu N p cho biểu thức: Np = [ 1/ Fn Q + Q( 2∆ν opt / B ) ] (2.35) Biểu thức (2.35) cách biểu diện đơn giản độ nhạy máy thu Nó thể phải sử dụng khuếch đại có hệ số nhiễu nhỏ; độ nhạy máy thu giảm Fn tăng Nó rõ lọc quang cải thiện độ nhạy máy thu sử dụng ∆ν opt Hình 2.16 thể N p hàm ∆ν opt / B hầu Độ nhạy máy thu, hết giái trị hệ số nhiễu Fn lấy Q=6 , giá trị yêu cầu để thực BER = 10-9 Độ rộng băng tần lọc, Hình 2.16- Độ nhạy máy thu phụ thuộc độ rộng băng tần lọc số trị số Fn Độ rộng băng tần quang tối thiểu phải tốc độ bít để tránh nghẽn tín hiệu Giá trị tối thiểu Fn khuếch đại lý tưởng Vì sử dụng Q=6 , độ nhạy máy thu tốt từ biểu thức (2.35) N p = 44,5 photon/ bit Giá trị so sánh với N p = 10 máy thu lý tưởng hoạt động giới hạn nhiễu lưỡng tử Tất nhiên N p = 10 thực thực tế nhiễu nhiệt; thông thường N p lớn 1000 máy thu khuếch đại Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông 70 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang quang Phân tích phần rõ N p < 100 thực khuếch đại quang sử dụng làm tiền khuếch đại tín hiệu thu bị giảm nhiễu phát xạ tự phát Đường phổ hẹp laser ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu Cải thiện độ nhạy máy thu thực sử dụng EDFA hoạt động khuếch đại công suất để tăng khoảng cách truyền dẫn tuyến quang điểm nối điểm nội thị đảo Mặt khác EDFA hoạt động khuếch đại công suất thường sử dụng để tăng công suất tới mức cao 100 mW Vào năm 1992, tín hiệu 2,5 Gbit/s truyền khoảng cách 318 km nhờ kỹ thuật Tốc độ bít tăng tới Gbit/s truyền sử dụng hai EDFA để khuếch đại cơng suất tín hiệu từ - đến 15,5 dBm ( khoảng 35 mW) Mức công suất đủ lớn nên SBS trở thành vấn đề SBS loại trừ thơng qua điều pha sóng mang quang nên mở rộng độ rộng đường sóng mang tới 200 MHz lớn Điều chế trực tiếp laser gây dịch tần nới rộng phổ tín hiệu Thực nhgiệm vào năm 1996 truyền tín hiệu 10 Gbit/s khoảng cách 442 km sử dụng khuếch đại đường bơm từ xa 2.4- BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN (RA) 2.4.1- Cấu trúc nguyên lý khuếch đại tín hiệu Khơng giống ngun lý khuếch đại EDFA, khuếch đại Raman không cần sợi quang pha ion Er 3+ riêng 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 2.17 Hình 2.17- 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 RA không cần sử dụng sợi quang đặc biệt (pha ion Erbium) khuếch đại EFDA Coupler dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với bước sóng bơm Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 71 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang Laser bơm 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 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 Khuếch đại Raman dựa tượng tán xạ Raman kích thích 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 ngồi 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 ngun 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 2.18) Hình 2.18 - Sơ đồ chuyển lượng khuếch đại Raman Dựa giản đồ lượng trên, tần số ánh sáng bơm f bơm tần số ánh sáng khuếch đại fkhuếch đại xác định sau: fbơm = (E3 – E1)/h (2.36) fkhuếch đại = (E2 – E1)/h (2.37) đó: h số Plank; E 1, E2, E3 lượng trạng thái chuyển dịch, trạng thái trung gian trạng thái nguyên tử sợi quang Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 72 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang 2.4.2 Các tham số 1) Hệ số khuếch đại Hình 2.19 biểu diễn thay đổi hệ số khuếch đại 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 nguồn bơm, đạt giá trị đỉnh 100 nm giảm nhanh chóng sau Trong hình cho thấy, băng thông khuếch đại khuếch đại Raman đạt từ 45 nm đến 50 nm Hình 2.19- Hệ số khuếch đại khuếch đại Raman thay đổi theo độ chênh lệch bước sóng tín hiệu nguồn bơm 2) Nguồn bơm Nếu dải tần tín hiệu cần khuếch đại Raman lớn băng thông khuếch đại khuếch đại Raman (giả sử 40nm), cần phải sử dụng nhiều nguồn bơm khác Mỗi nguồn bơm có bước sóng cách khoảng 40nm (bằng băng thơng khuếch đại) Khi đó, dải tần lớn tín hiệu khuếch đại cách hiệu (hình 2.20-a) Tuy nhiên, đặc tính khuếch đại khuếch đại Raman khoảng bước sóng bơm, băng thơng khuếch đại tổng cộng có dạng gợn sóng hình 2.20-b Với ưu điểm băng thơng khuếch đại lớn, khuếch đại Raman quan tâm đến ứng dụng thông tin quang Tuy nhiên hiệu suất khuếch đại khuếch đại Raman không cao Để đạt hệ số khuếch đại lớn, cần phải sử dụng công suất bơm tương đối cao Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 73 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Nguồn bơm #1 #2 Gợn sóng hệ số khuếch đại Nguồn bơm Dải tần sử dụng #3 40 nm Chương 2- Khuếch đại quang #1 (a) #2 40 nm #3 (b) Hình 2.20 - (a) Với khoảng cách nguồn bơm 40nm, kênh nằm dải tần rộng khuếch đại; (b) Gợn sóng hệ số khuếch đại khuếch đại Raman khoảng cách cách nguồn bơm 2.5 SO SÁNH CÁC LOẠI BỘ KHUẾCH ĐẠI 2.5.1 Ưu khuyết điểm khuếch đại SOA 2.5.1.1 Ưu điểm - Hệ số khuếch đại lớn (25-30dB) - Kích thước nhỏ, tích hợp với linh kiện quang bán dẫn khác - Dải thông lớn, lên tới 100 nm, rộng so với EDFA - Có thể thực khuếch đại tín hiệu hai cửa sổ ánh sáng 1300nm 1550 nm 2.5.1.2 Khuyết điểm - Công suất bão hòa thấp (khoảng 5mW) hạn chế khả SOA sử dụng làm khuếch đại công suất - Hệ số nhiễu cao (5-7 dB) ảnh hưởng đến chất lượng SOA sử dụng làm tiền khuếch đại khuếch đại đường dây - Phụ thuộc vào phân cực tín hiệu quang tới - Xuyên nhiễu kênh lớn hiệu ứng phi tuyến: hiệu ứng trộn bước sóng FWM hiệu ứng bão hòa hệ số khuếch đại chéo - Phổ khuếch đại có dạng gợn sóng khơng hồn hảo lớp chống phản xạ tạo - Kém ổn định hệ số khuếch đại chịu ảnh hưởng nhiệt độ 2.5.2 Ưu khuyết điểm khuếch đại EDFA 2.5.2.1 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 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 74 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang - Cấu trúc nhỏ gọn: lắp đặt nhiều EDFA trạm, dễ vận chuyển thay - Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi áp dụng cho tuyến thông tin quang vượt biển - Khơng có nhiễu xun kênh khuếch đại tín hiệu WDM khuếch đại quang bán dẫn - Hầu không phụ thuộc vào phân cực tín hiệu 2.5.2.2 Khuyết điểm - Phổ khuếch đại EDFA không phẳng - Băng tần bị giới hạn băng C băng L - Nhiễu tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn 2.5.3 Ưu khuyết điểm khuếch đại Raman 2.5.3.1 Ưu điểm So với loại khuếch đại quang khác, khuếch đại Raman có ưu điểm sau: - Nhiễu thấp - Cấu trúc đơn giản, không cần sợi đặc biệt - Dễ chọn băng tần - Có thể đạt băng thơng rộng nhờ kết hợp vài laser bơm 2.5.3.2 Khuyết điểm Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm, khuếch đại Raman có nhược điểm sau: - Xuyên nhiễu kênh tín hiệu tượng tán xạ Raman kích thích SRS Đây hiệu ứng 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 hệ số khuếch đại 2.6- KẾT LUẬN Các khuếch đại quang, đặc biệt khuếch đại quang sợi, đóng vai trò quan trọng hệ thống thông tin quang cự ly dài tốc độ bit cao Bởi khuếch đại quang khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, có khả khuếch đại đồng thời nhiều kênh quang hệ thống WDM Trong loại khuếch đại quang khuếch đại quang sợi pha erbium (EDFA) sử dụng phổ biến Bộ khuếch đại quang sợi loại sử dụng lĩnh vực như: Bộ tiền Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông 75 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang khuếch nâng cao độ nhạy máy thu, khuếch đại công suất lặp quang Cả ba vị trí EDFA đưa đến kết cự ly tuyến thông tin quang tăng lên đáng kể Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng 76 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1- Nhiệm vụ khuếch đại quang (OA) hệ thống WDM là: a Ngăn khơng cho tín hiệu quang phản xạ phía máy phát b Bù suy hao đường truyền c Bù tán sắc đường truyền 2- Trạng thái nghịch đảo nồng độ SOA thực cách: a Sử dụng khoang cộng hưởng Fabry-Perot b Sử dụng dòng điện phân cực thuận c Bơm ánh sáng có bước sóng 1480nm 3- Mơi trường xảy trình khuếch đại EDFA là: a Khoang cộng hưởng Fabry-Perot b Sợi quang pha Erbium c Chất bán dẫn 4- Độ rộng băng tần khuếch đại EDFA từ: a 980nm đến 1480nm b 1480nm đến 1550nm c 1530nm đến 1565nm 5- Ưu điểm khuếch đại Raman so với khuếch đại quang sợi EDFA là: a Hệ số khuếch đại lớn b Linh động việc chọn băng tầng khuếch đại c Sử dụng laser bơm có cơng suất nhỏ 6- Sử dụng kỹ thuật khuếch đại Raman với nguồn bơm có bước sóng 1450nm 1520nm khuếch đại tín hiệu quang có bước sóng là: a 1310nm 1550nm b Trong băng C c Trong băng C băng L 7- Nguyên nhân gây nhiễu ASE khuếch đại quang do: a Hiện tượng trộn bốn sóng quang (FWM) b Hiện tượng phát xạ tự phát Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông 77 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang” Chương 2- Khuếch đại quang c Xuyên nhiễu tín hiệu nguồn bơm 8- So với khuếch đại đường dây, khuếch đại cơng suất có đặc điểm: a Nhiễu nhỏ b Cơng suất đầu bảo hồ lớn c Băng thông khuếch đại nhỏ 9- Cho Pin cơng suất tín hiệu đầu vào; G P ASE hệ số khuếch đại công suất nhiễu ASE khuếch đại Hãy xác định công suất quang thu đầu ra, Pout, khuếch đại 10- Cho Pin, Pout cơng suất tín hiệu đầu vào đầu ra; N in, Nout công suất nhiễu đầu vào đầu ra; G PASE hệ số khuếch đại công suất nhiễu ASE khuếch đại Hãy xác định hệ số nhiễu NF (Noise Figure) khuếch đại Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 78 ... chia khuếch đại quang thành hai loại chính: Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 47 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang Chương 2- Khuếch đại quang Hình 2. 2 - Mơ hình tổng qt khuếch đại quang 2. 1 .2. 1.. .Bài giảng: “Mạng truyền tải quang Chương 2- Khuếch đại quang Hệ số khuếch đại tham số quan trọng khuếch đại Nó đặc trưng cho khả khuếch đại công suất ánh sáng khuếch đại Tuy vậy, hệ số khuếch. .. đầu lớn mà khuếch đại quang hoạt động Thơng thường, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 46 Bài giảng: “Mạng truyền tải quang Chương 2- Khuếch đại quang khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao có