KHUẾCH ĐẠI QUANG

Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 72 - CHƯƠNG V KHUẾCH ĐẠI QUANG Độ dài của hệ thống thông tin quang sợi bị hạn chế bởi hai yếu tố: mất mát công suất quang khi truyền trong sợi quang và tán sắc tín hiệu quang. Trong các đường thông tin quang truyền thống có khoảng cách lớn, mất mát quang được kh ắc phục bằng các trạm lặp quang-điện tử, trong đó tín hiệu quang đã suy giảm được biến đổi th ành tín hiệu điện và bơm vào bộ phát lại để phục hồi tín hiệu quang và truyền tiếp tục. Các bộ tái lặp tín hiệu quang bằng quang-điện tử đã tr ở nên phức tạp và đắt tiền khi chúng ta sử dụng kỹ thuật ghép nhiều bước sóng WDM trong sợi quang. Từ năm 1980, vấn đề khuếch đại quang trực tiếp bằng các linh kiện quang đã được nghiên cứu và trong những 90 các đường trục thông tin quang đ ã sử dụng các bộ khuếch đại quang trực tiếp một cách rộng rãi. Trong năm 1996 các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng trong các tuyến cáp biển xuyên Đại Tây Dương và Thái Bình Dương. Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về khuếch đại quang trực tiếp và nghiên cứu hai loại khuếch đại quang trực tiếp đang được sử dụng rộng rãi là khuếch đại quang bán d ẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er +3 (EDFA). §1. Cơ sở lý thuyết của khuếch đại quang Khuếch đại ánh sáng trực tiếp bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo mật độ phân bố hạt tải có cơ chế vật lý giống như laser, tuy nhiên khuếch đại quang không yêu cầu có phản hồi quang bằng phản xạ trong bộ cộng hưởng như laser. Để có trạng thái đảo mật độ phân bố trong môi trường, ta luôn luôn cần có các nguồn bơm (quang hoặc điện). Hệ số tăng ích quang trong môi trường khuếch đại phụ thuộc vào tần số (hoặc bước sóng) của tín hiệu quang tới vì cường độ chùm sáng nội tại các vị trí trong bộ khuếch đại là khác nhau. Sự phụ thuộc của hệ số tăng ích quang vào tần số và cường độ liên hệ chặt chẽ với bản thân môi trường khuếch đại quang. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 73 - Để đơn giản chúng ta giả thiết có môi trường khuếch đại là một hệ 2 mức năng lượng mở rộng đồng nhất. Hệ số tăng ích g(ω) trong môi trường khuếch đại được tính bằng biểu thức:     0 2 2 0 2 1 S g g P T P        (5.1) t rong đó: g o là giá trị tăng ích cực đại, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω o là t ần số của chuyển dời nguyên tử, P là công suất quang của chùm sáng tới và P s là công suất bão hòa của bộ khuếch đại. P s phụ thuộc vào các thông số của môi trường khuếch đại như:  T 1 là thời gian phát xạ huỳnh quang và  e là tiết diện chuyển dời của nguyên tử kích thích. Thời gian phát xạ huỳnh quang T 1 cũng được gọi là thời gian phục hồi mật độ hạt tải. T 1 có giá trị trong khoảng 100ps÷10ms phụ thuộc vào môi trường khuếch đại.  T 2 là thời gian phục hồi dipole (dipole relaxation time) thường có giá trị rất nhỏ (T 2 < 1ps). Bi ểu thức (5.1) có thể sử dụng để tính toán các đặc trưng quan trọng của khuếch đại quang như: băng tần khuếch đại, thông số khuếch đại v à công suất ra bão hòa. §2. Phổ tăng ích và băng tần Ta xét trường hợp 1 S P P  là trường hợp không bão hòa của khuếch đại. Biểu thức (5.1) khi bỏ qua S P P sẽ là:     0 2 2 0 2 1 g g T       (5.2) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 74 - Ta thấy g(ω) cực đại khi ω=ω o . Khi ω ≠ ω o tăng ích giảm trên theo quy luật áp dụng cho hệ hai mức mở rộng đồng nhất. Băng tần tăng ích được xác định bằng độ rộng của phổ tăng ích g(ω) tại điểm giữa giá trị cực đại (FWHM). Với phổ Lorentz, băng tần tăng ích 2 2 g T    . Thay .2 g g       , ta có: 2 1 . g T     (5.3) Thí d ụ: Δν g ~3THz cho khuếch đại quang bán dẫn khi T 2 ~ 0,1ps (Δλ ≈ 22,5nm). Khuếch đại với băng tần rộng rất có ích cho các hệ thống thông tin quang đa bước sóng. Hệ số khuếch đại G (thông số khuếch đại) được xác định bởi: ra vao P G P  (5.4) Ta có th ể tính G theo hướng khác: ( ) dP gP z dz  (5.5) trong đó P(z) là công suất quang tại toạ độ z tính từ lối vào bộ khuếch đại. P(0) = P vào ta có: P(z) = P vào exp(g.z) (5.6) P(z) = P ra , z = L độ dài bộ khuếch đại     expG g L        (5.7) G(ω) giảm nhanh hơn g(ω) khi 0    tăng dần. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 75 - Băng tần khuếch đại Δν A tại điểm giữa cực đại G(ω) liên hệ với băng tần tăng ích Δν g là: 1 2 0 ln 2 ln 2 A g G                        (5.8) trong đó   0 0 expG g L §3. Tăng ích bão hòa Công suất ra của bộ khuếch đại phụ thuộc vào g(ω) theo biểu thức (5.1), g(ω) giảm khi P tăng gần bằng P o , ta có hệ số khuếch đại G giảm vói sự tăng của công suất quang tới, hiện tượng này gọi là tăng ích bão hòa. Xét trường hợp ω=ω o , ta có: 0 1 S g P dP P dz P   P(0) = P vào P(L) = P ra = GP vào 0 0,5 1 -4 -2 0 2 4 Tăng ích g(ω) Δω g Phân bố tăng ích Lorentz g(ω) và hệ số khuếch đại G(ω) cho hệ hai mức mở rộng đồng nhất G(ω) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 76 - Ta có 0 1 exp ra S P G G G G P           (5.9) Công su ất ra bão hòa của bộ khuếch đại S ra P được xác định khi G giảm xuống 2 lần (3dB) so với 0 G ( 0 2 G G  ), ta có: 0 0 ln 2 2 S ra S G P P G   (5.10) G o >>2 trên thực tế, do đó:   ln 2 . 0,69 S ra S S P P P  §4. Tạp âm khuếch đại Trong các bộ khuếch đại quang, thành phần phát xạ ngẫu nhiên cũng sẽ được khuếch đại cùng tín hiệu, do đó sẽ làm tăng thêm tạp âm. Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR được xác định thông qua thông số hình ảnh nhiễu (Noise Figure – NF) theo bi ểu thức sau:     vao n ra SRN F SRN  (5.11) T rong đó SNR được xác định theo công suất điện được tạo thành bởi chuyển đổi tín hiệu quang th ành dòng điện. Nhìn chung F n phụ thuộc vào thông số của bộ thu quang, đặc biệt là tạp âm nhiệt trong bộ thu quang. Để đơn giản cho việc phân tích F n của bộ thu quang lý tưởng, ta coi tạp âm shot là chủ yếu trong bộ thu quang. Xét bộ khuếch đại với tăng ích G: P ra =GP vào , tỷ lệ SNR của tín hiệu vào là:   2 2 2 2 2 . vao vao vao S vao I RP P SRN q RP f b f        (5.12) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 77 - Trong đó vao I RP là dòng quang điện trung bình, 4 q R   là tỷ số tương thích của bộ thu quang lý tưởng với η = 1.   2 2 S vao q RP f    là tạp âm shot khi dòng tối I d = 0. Δf là băng tần của bộ thu. Để tính tỷ lệ SNR lối ra của tín hiệu đã khuếch đại, chúng ta cần phải đưa thêm phần đóng góp của phát xạ ngẫu nhiên vào tạp âm bộ thu. Mật độ phổ của tạp âm phát xạ ngẫu nhiên cảm ứng (spontaneous-emission induced noise) là m ột hằng số (tạp âm trắng) và có thể tính theo công thức sau:     1 SP SP S G n h     (5.13) trong đó ν là tần số quang. Thông số SP n gọi là yếu tố phát xạ ngẫu nhiên (hoặc yếu tố đảo mật độ): 2 2 1 SP N n N N   (5.14) N 1 , N 2 là mật độ nguyên tử tại trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích. Phát xạ ngẫu nhiên đã đóng góp thêm nhiễu loạn vào công suất khuếch đại vì phát xạ ngẫu nhiên luôn đi kèm với tín hiệu khuếch đại. Dòng quang điện do phát xạ ngẫu nhiên đóng góp là ΔI:   1 2 2 cos vao SP I R GP P    Trong đó 2 SP SP P S f  là công suất phát xạ ngẫu nhiên trong băng tần khuếch đại Δf v à θ là độ lệch pha ngẫu nhiên. Giả thiết các nguồn tạp âm khác được bỏ qua, sự thay đổi của dòng quang điện sẽ là:    2 4 vao SP RGP RS f    (5.15) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 78 - Trong đó cos 2 θ có giá trị trung bình là 1 2 . T ỷ số SNR của tín hiệu ra (tín hiệu đã khuếch đại) là:   2 2 2 4 4 vao vao ra vao SP SP I RGP GP SNR RGP RS f S f       (5,16) Ta s ẽ có hình ảnh của nhiễu F n của bộ khuếch đại là:     2 1 2 . 2 4 1 . vao SP n SP vao SP P n G h f F n GP G G n h f          (5.17) Công th ức (5.17) chỉ ra rằng tỷ lệ tín hiệu-nhiễu (SNR) của bộ khuếch đại có bậc là 3dB cho bộ khuếch đại lý tưởng khi η sp =1. Các bộ khuếch đại quang trong th ực tế có F n = 6÷8dB. §5. Các ứng dụng của khuếch đại quang trong hệ thống Có 4 ứng dụng chính của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang là: a) Khu ếch đại công suất (booster) để tăng công suất quang vào đường truyển; b) Khu ếch đại trên tuyến (in-line) để thay thế các bộ lặp quang-điện trên tuy ến quang sợi khoảng cách lớn; c) Tiền khuếch đại cho bộ thu quang để tăng công suât tín hiệu quang vào bộ thu; d) Khu ếch đại công suất phân bố cho các mạng rẽ nhánh. Cần chú ý rằng khuếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã suy hao trong tuy ến truyền dẫn. Do khuếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc và các hi ệu ứng quang phi tuyến, cho nên tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng n êu trên tạo ra. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 79 - Sử dụng khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM có ý nghĩa công nghệ quan trọng vì khuếch đại quang có thể khuếch đại tất cả các bước sóng tới trong băng tần khuếch đại Δf. §6. Khuếch đại quang bán dẫn Mọi loại laser đều hoạt động như các bộ khuếch đại quang trước khi đạt đến ngưỡng phát laser. Khuếch đại quang bán dẫn (SOA – Semiconductor Optical Amplifier) đã được nghiên cứu ngay từ khi phát minh ra laser bán dẫn (1962), tuy nhiên đến năm 1980 SOA mới được phát triển để ứng dụng. 6.1. Thiết kế bộ khuếch đại quang bán dẫn Có thể nói, khuếch đại quang bán dẫn là các laser bán dẫn không có bộ cộng hưởng. Bộ khuếch đại quang n ày gọi là khuếch đại sóng chạy (traveling-wave) v ới nghĩa là tín hiệu khuếch đại có hướng về phía trước mà thôi (không có phản hồi). Laser bán dẫn sử dụng các cạnh tinh thể là gương phản xạ trong bộ cộng hưởng (R ≈ 30%). Khi d òng bơm laser bán dẫn ở dưới ngưỡng phát, nó hoạt động như một bộ khuếch đại, tuy nhi ên các thành phần phản xạ trên gương vẫn tham gia vào quá trình khuếch đại. Ta gọi trường hợp này là khuếch đại quang Fabry-Perot (FP - amplifier). Hệ số khuếch đại G FP (ν) có thể được tính bằng công thức của giao thoa kế Fabry-Perot với bộ cộng hưởng R 1 , R 2 :            1 2 2 2 1 2 1 2 1 1 1 4 sin FP m L R R G G G R R G R R                    (5.18) R 1 , R 2 - hệ số phản xạ trên 2 gương, ν m là tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng Fabry-Perot và Δν L là khoảng cách giữa các mốt dọc (ta cũng gọi là vùng phổ trống của bộ cộng hưỏng Fabry-Perot). H ệ số khuếch đại G cho ánh sáng chỉ một lần đi qua bộ khuếch đại được tính là     expG g L        ta thấy G FP giảm đến G(ω) khi R 1 =R 2 =0. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 80 - Xét công thức (5.18), G FP (ν) là các giá trị “đỉnh” khi ν=ν m (m=1,2 .m) và giảm đột ngột giữa các ν m . Băng tần khuếch đại được tính trong trường hợp G FP giảm một nửa (3dB) từ giá trị “đỉnh” khi ta xét dãy (ν – ν m ) thay đổi.   1 2 1 1 2 1 2 1 2 sin 4 L A G R R G R R                   (5.19) T rong đó 2 L g c n L    n g - chiết suất nhóm có tính đến tán sắc. L - độ dài buồng cộng hưởng. c - vận tốc ánh sáng. Từ (5.19) ta thấy Δν A <Δν L (Δν L ~100GHz và Δν A <10GHz), do đó khuếch đại FP với băng tần khuếch đại nhỏ không thích hợp với hệ thống thông tin quang. Khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy có thể chế tạo từ laser bán dẫn khi ta huỷ hai gương phản xạ của laser. Muốn huỷ hai gương phản xạ này, ta có thể phủ lên chúng lớp chống phản xạ. Để cho SOA có băng tần khuếch dại lớn ta cần có R 1 ≈R 2 <0,1%. Điểu này có thể chứng minh như sau: Giá trị   2 max 1 2 1 FP G G R R  và   2 min 1 2 1 FP G G R R  , t ỷ số: 2 1 2 max min 1 2 1 1 FP FP G R R G G G G R R              (5.20) N ếu ΔG<2 là điều kiện để băng tần khuếch đại phụ thuộc vào phổ tăng ích. (ΔG>2 băng tần khuếch đại phụ thuộc vào cộng hưởng trong buồng cộng hưởng), ta có: 1 2 0,17G R R  (5.21) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 81 - 6.2. Các thông số của bộ khuếch đại SOA Điều kiện 1 2 0,17G R R  được đáp ứng với G=1000, ta có 4 1 2 1,7.10R R   . Trong th ực tế, các bộ khuếch đại SOA có độ rộng phổ khuếch đại khoảng 70nm tại -3dB trong dải phổ 1,5μm. Chúng ta xét một số thông số quan trọng của SOA trong các mục dưới đây 6.2.1. Tăng ích bão hòa Tăng ích đỉnh được giả thiết sẽ tăng dần theo mật độ hạt tải N như sau:     0 g g N N N V     (5.22) T rong đó Г là yếu tố chặn, σ g là tăng ích vi phân, V là thể tích vùng hoạt tính và N o là giá trị mật độ của hạt tải cần thiết để môi trường trở nên trong suốt với bước sóng. Tăng ích giảm đi khi yếu tố chặn Г tính đến sự d ãn nở của các mốt dẫn sóng vượt ra khỏi vùng tăng ích. Mật độ hạt tải N thay đổi theo dòng bơm I, ta có công thức cho tốc độ thay đổi N là:   0g C m N N dN I N P dt q h         (5.23) P - công su ất quang tín hiệu tới. τ c - thời gian sống của hạt tải. σ m - diện tích của mốt dẫn sóng. Trong trường hợp ch ùm tới là liên tục hoặc là xung với độ rộng lớn hơn τ c , trạng thái dừng của N có thể xác định khi 0 dN dt  , ta tính được N. Thay giá trị N ở trạng thái dừng vào công thức (5.22), ta được: [...]... bộ phân bố truyền hình cáp quang Bộ khuếch đại EDFA là một thành phần không thể thiếu tron gcác mạng truyền thông cáp quang phân bố đến tận nhà trong tương lai * Khuếch đại quang EDFA còn được sử dụng để khuếch đại nhiều lần trong tuyến cáp quang đường dài Thí nghiệm đã cho kết quả tốt với tuyến cáp quang có 100 bộ khuếch đại EDFA với khoảng các lặp 100km và hệ số khuếch đại là 35dB (toàn tuyến 10.000km)... §7 Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Khuếch đại quang trong sợi pha tạp đất hiếm là một thành tựu lớn của công nghệ thông tin quang trong những năm cuối thế kỷ ΧΧ Có thể nói rằng nói rằng chưa có một công nghệ nào được ứng dụng vào thực tiễn nhanh như khuếch đại quang sợi pha tạp Er+3 Năm 1987 thành công trong việc chế tạo các sợi quang pha tạp Erbium và có các kết quả đầu tiên về khuếch đại quang. .. thuật ghép kênh theo bước sóng Khuếch đại quang sợi EDFA có băng tần khuếch đại khá rộng, có thể khuếch đại đồng thời hàng trăm bước sóng trong dải 1525÷1600nm Đặc biệt khuếch - 83 - Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS Phạm Văn Hội đại quang sợi EDFA không nhạy với phân cực của chùm sáng tới, do đó có thể sử dụng rất dễ dàng trong mọi tuyến truyền dẫn quang sợi Các ion đất hiếm họ Lanthanide... đưa khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) bơm bằng laser bán dẫn bước sóng 980nm vào sử dụng trong hệ thống thông tin quang sợi đường dài Đến nay, các bộ khuếch đại quang EDFA được sử dụng rất rộng rãi trong mạng truyền thông cáp quang và đặc biệt trong các hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM Có thẻ nói rằng bộ khuếch đại quang EDFA đã tạo ra bước nhảy vọt trong công nghệ viễn thông cáp quang. .. bơm Khuếch đại quang sợi EDFA có thể thiết kế hướng bơm theo 3 cấu hình sau: a) Bơm đồng hướng: tín hiệu khuếch đại và chùm sáng bơm đồng hướng b) Bơm ngược hướng: tín hiệu khuếch đại và chùm sáng bơm ngược hướng c) Bơm song công: chùm sáng bơm vào vùng khuếch đại bằng cả hai hướng Mỗi cấu hình bơm có tính ưu việt riêng của mình Cấu hình bơm đồng hướng có hệ số khuếch đại cao khi bộ khuếch đại làm việc... phương trình cơ bản để tính sự tăng trưởng của công suất tín hiệu khuếch đại trong EDFA trong cả hai trường hợp khuếch đại tín hiệu nhỏ và khuếch đại tín hiệu lớn Các kết quả lý thuyết từ các phương trình trên rất phù hợp với kết quả thực nghiệm khi bỏ qua khuếch đại phát xạ ngẫu nhiên Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào độ dài bộ khuếch đại L khi ta có dòng bơm cố định bởi lý do khi độ dài L lớn hơn giá... khác nhau sẽ có hệ số khuếch đại khác nhau Ta có thể khắc phục hiện tượng này bằng các bộ khuếch đại EDFA hai tầng sử dụng hiệu ứng tăng ích phụ thuộc công suất tín hiệu vào của từng kênh bước sóng §8 Ứng dụng EDFA trong hệ thống thông tin quang * EDFA có thể ứng dụng làm tiền khuếch đại tín hiệu quang trước khi tín hiệu đó vào bộ thu tách quang- điện Các bộ thu quang có tiền khuếch đại là EDFA đã đạt... sóng 1,55μm , suy hao quang trong sợi SiO2 là nhỏ nhất Khuếch đại quang sợi EDFA lần đầu tiên được sử dụng để tăng công suất quang cho mạng truyển hình cáp quang đến nhiều thuê bao (1992), và sử dụng trong mạng cáp biển xuyên đại dương và lục địa năm 1996 với tốc độ bit 5Gb/s Hiện nay, khuếch đại quang sợi EDFA được sử dụng trong tất cả hệ thống WDM 7.1 4 Yêu cầu về bơm cho khuếch đại F 9/2 0.65 4 I 9/2... đường truyền quang lớn hơn 300km, ta cần phải sử dụng khuếch đại quang trong tuyến (in-line) Một số thí nghiệm cho thấy có thể truyền 2,5Gb/s không cần bộ lặp trên khoảng cách lớn hơn 500km khi sử dụng 2 bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong tuyến với laser bơm từ xa bằng công suất lớn (laser 1,48μm với công suất vài trăm mW) * Khuếch đại quang EDFA được sử dụng trong các mạng thông tin quang cục bộ kiểu... bước sóng 1,48μm Tạp âm trong bộ khuếch đại sẽ được tích luỹ dần khi ta sử dụng nhiều - 91 - Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS Phạm Văn Hội tầng khuếch đại trong tuyến thông tin quang đường dài, vì thế chúng sẽ hạn chế độ dài của tuyến đường trục 7.5 Ứng dụng EDFA trong hệ thống đa bước sóng WDM Đặc tính vượt trội của EDFA là chúng ta có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng trong dải . về khuếch đại quang trực tiếp và nghiên cứu hai loại khuếch đại quang trực tiếp đang được sử dụng rộng rãi là khuếch đại quang bán d ẫn (SOA) và khuếch đại. bộ khuếch đại quang bán dẫn Có thể nói, khuếch đại quang bán dẫn là các laser bán dẫn không có bộ cộng hưởng. Bộ khuếch đại quang n ày gọi là khuếch đại