TÌM HIỂU các LOẠI KHUẾCH đại QUANG

TÌM HIỂU CÁC LOẠI KHUẾCH ĐẠI QUANG THÀNH VIÊN NHĨM NGUYỄN HÀ TÍN – N17DCVT085 NGUYỄN THANH SƠN – N17DCVT080 PHẠM NHẬT TƠNG – N17DCVT089 PHAN HỒNG NAM – N17DCVT062 TRẦN VĂN TRỌNG – N17DCVT110 1.ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG ƯU ĐIỂM • Bộ khuếch đại quang khuếch đại tín hiệu quang trực tiếp mà khơng cần chuyển đổi quang điện điện • Một khuếch đại quang lý tưởng hỗ trợ hoạt động đa kênh dải bước sóng rộng tốt, cung cấp mức tăng phẳng dải khuếch đại động lớn • Có cơng suất đầu bão hịa cao • Độ nhiễu thấp triệt tiêu hiệu thời • Hỗ trợ tốc độ bit định dạng tín hiệu • Hỗ trợ tồn vùng bước sóng • Tăng khả liên kết sợi quang cách sử dụng WDM • Cung cấp khả tất mạng quang, không liên kết điểm-điểm 1.ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG NHƯỢC ĐIỂM • Bộ khuếch đại khơng phải thiết bị hoàn hảo Chúng tạo tiếng ồn bổ sung, tiếng ồn tích tụ tín hiệu qua nhiều khuếch đại dọc theo đường chất tương tự khuếch đại Hình dạng phổ mức khuếch đại, cơng suất đầu hoạt động thoáng qua khuếch đại quan trọng NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG • Ngun lí khuếch đại quang khuếch đại thực dựa tượng phát xạ kích thích khơng có cộng hưởng xảy q trình khuếch đại • Hiện tượng phát xạ kích thích: tượng biết đổi quang điện ứng dụng thơng tin quang Có tượng-: tượng hấp thụ, phát xạ tự nhiên,phản xạ kích thích NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG Hiện tượng phát xạ kích thích: Xảy điện tử trạng thái lượng cao E2 bị kích thích photon có lượng hf12 với độ chênh lệch lượng trạng thái lượng cao trạng thái lượng thấp điện tử (Eg= E2 – E1) Khi đó, điện tử chuyển từ trạng thái lượng cao xuống trạng thái lượng thấp tạo photon có lượng với lượng photon kích thích ban đầu Như vậy, từ photon ban đầu sau khi xảy tượng phát xạ kích thích tạo hai photon (photon ban đầu photon tạo ra) có phương truyền, phân cực, pha tần số (tính kết hợp, coherent, ánh sáng) Hay nói cách khác, q trình khuếch đại ánh sáng thực Hiện tượng ứng dụng khuếch đại quang bán dẫn (OSA) khuếch đại quang sợi (OFA) NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG Hiện tượng phát xạ kích thích ứng dụng việc chế tạo laser Tuy nhiên, điểm khác biệt laser khuếch đại quang khuếch đại quang không xảy tượng hồi tiếp cộng hưởng Vì xảy trình hồi tiếp cộng hưởng laser, khuếch đại quang tạo ánh sáng kết hợp riêng cho dù khơng có tín hiệu quang ngõ vào Nguồn ánh sáng xem nhiễu xảy khuếch đại Do vậy, khuếch đại quang làm tăng cơng suất tín hiệu ánh sáng đưa vào ngõ vào khuếch đại không tạo tín hiệu quang kết hợp riêng ngõ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG Hiện tượng hấp thụ xác định : điện tử mức lượng nhỏ E1 tiến hành hấp thụ photon có lượng hf.Điều có nghĩa thực tính tốn chênh lệch lượng điện tử mức lượng cao thấp Năng lượng hf photon trùng với mức chênh lệch thù bị điện tử hấp thụ (Eg= E2 – E1).Quá trình hấp thụ diễn photon có mức lượng hf truyền tồn lượng sang điện tử đó, để điện tử chuyển lên mức lượng cao NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG Hiện tượng phát xạ tự phát: xảy điện tử chuyển trạng thái lượng từ mức lượng cao E2 xuống mức lượng thấp E1 phát lượng Eg= E2 – E1 dạng photon ánh sáng Quá trình xảy cách tự nhiên trạng thái lượng cao E2 trạng thái lượng bền vững điện tử Sau khoảng thời gian gọi thời gian sống (life time) điện tử mức lượng cao, điện tử tự động chuyển trạng thái lượng thấp (trạng thái lượng bền vững) Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống điện tử khác CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN Độ lợi (Gain):Độ lợi khuếch đại quang tỷ số công suất quang ngõ chia cho cơng suất quang ngõ vào • G: Độ lợi tín hiệu khuếch đại quang • Pin, Pout: cơng 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 cơng 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 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN Băng thơng độ lợi (Gain Bandwidth) • Độ lợi khuếch đại quang không cho tất tần số tín hiệu quang vào • Băng thơng 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 BÙ TÁN SẮC Giải pháp bù sau Sử dụng kỹ thuật điện để bù tán sắc GVD máy thu Ý nghĩa khoa học đằng sau phương pháp tín hiệu quang bị suy giảm GVD, làm phẳng cáctrong hiệu ứng tánchiều sắc điện nếuphục sợi thực trị tuyến tính Nótế L dài sợi, phảitửkhơi tín hiệu thuvai thành dạngmột gốc hệ Kỹthống thuật thực để bù tán thống Tuy nhiên sử sử dụng máyđểthu coherent thường không tương đốisắc dễ bù tánhệsắc, nếuquang máy coherent thu heterodyne dụng tách tín hiệu Trước tiên, thực bù tán sắc biến điện tử thực tế nhiều máy thu tách trựcsố tiếp Mộtgian số kỹωthuật bù máy tế thuBộ heterodyne đổilàtín hiệu quang thành tín hiệu vi ba tần trung if phi tuyến triển khai cho phép khơi phục tín hiệu bị suy biến tán sắc Đối với mạch bù điện trì biên độ pha thơng tin Bộ lọc thơng dải vi ba có đáp ứng xung tử tuyến tính khơng thể bù GVD tất thông tin pha bị trình tách trực tiếp chitách phốiquang hàm truyền đáp ứng đạt: theo cường độ quang Kết là, khơng có kỹ thật bù tuyến tính để khơi phục tín hiệu mà bị trải ngồi khe bit phân bổ BÙ TÁN SẮC BÙ TÁN SẮC Suy hao DCF (trái); tán sắc chênh lệch DCF 80 km sợi đơn mode (phải) BÙ TÁN SẮC Như vậy, nguyên tắc hoạt động, DCF sợi quang có tán sắc với độ dốc âm Giá trị Dλ0 (ps/nm.km) âm chiều dài LDCF ngắn Thông số quan trọng bù sợi đơn mode thơng thường có tán sắc lớn Chiều dài ngắn đồng nghĩa với thiết bị gọn ảnh hưởng phi tuyến từ DCF nhỏ BÙ TÁN SẮC Thông số độ dốc S (ps/nm2 km) DCF Thông số quan trọng cần bù tán sắc cho băng thơng rộng hệ thống ghép nhiều bước sóng WDM Thực tế, hàm DDCF khơng thể giống hồn tồn hàm Dfiber Kết tổng số khác không, gọi giá trị tán sắc chênh lệch (residual dispersion) Giả sử cần giữ cho tán sắc sau bù nhỏ ngưỡng cho trước Vùng bước sóng có giá trị tán sắc chênh lệch nhỏ ngưỡng băng thông DCF Tỷ lệ S Dλ0 gọi độ dốc tán sắc tương đối (relative dispersion slope – RDS) Giá trị RDS sợi quang DCF gần sợi quang bù tán sắc tốt BÙ TÁN SẮC Ngồi thơng số trên, cần lưu ý thêm hai thơng số độ suy hao tính phi tuyến DCF Để hiểu hai thông số này, cần xem xét cấu trúc DCF Như biết, tán sắc sợi đơn mode chủ yếu gồm hai thànhphần tán sắc vật liệu tán sắc ống dẫn sóng Trong đó, tán sắc ống dẫn sóng có độ dốc âm Tuy nhiên, độ dốc âm nhỏ độ dốc dương tán sắc vật liệu nên tổng tán sắc sợi có độ dốc dương Đối với DCF, tán sắc ống dẫn sóng tăng thêm nhiều lần cách thay đổi cấu trúc sợi quang BÙ TÁN SẮC Như vậy, nguyên tắc hoạt động, DCF sợi quang có tán sắc với độ dốc âm Giá trị Dλ0 (ps/nm.km) âm chiều dài LDCF ngắn Thơng số quan trọng bù sợi đơn mode thông thường có tán sắc lớn Chiều dài ngắn đồng nghĩa với thiết bị gọn ảnh hưởng phi tuyến từ DCF nhỏ BÙ TÁN SẮC Cấu trúc phổ biến cấu trúc ba vòng Trong phần lõi có chiết suất cao tạo thành từ SiO pha thêm Ge Phần rãnh có chiết suất nhỏ SiO2 pha thêm F Phần vịng chung quanh rãnh có chiết suất cao chút SiO2 pha thêm Ge với mật độ thấp Với cấu tạo này, mode HE11 lan lõi nhiều làm cho tán sắc ống dẫn sống mạnh Kết là, tán sắc tổng cộng có độ dốc âm Cấu trúc ba vòng chiết suất DCF BÙ TÁN SẮC Tuy nhiên, cách làm khiến suy hao DCF tăng lên Do cấu trúc yêu cầu thay đổi chiết suất lớn, sai số chế tạo dễ xảy suy hao cấu trúc không đồng tăng cao DCF thường có suy hao từ 0.4 -0.7 dB/km Ngoài ra, mode HE11 lan cladding nhiều hơn, suy hao uốn cong tăng cao Do sợi quang bù tán sắc cần cuộn tròn để giảm kích thước, DCF có suy hao khoảng 5-10 dB tùy vào chiều dài sợi BÙ TÁN SẮC Nếu diện tích lõi DCF lớn suy hao giảm sợi DCF khơng cịn đơn mode Ngược lại diện tích lõi DCF nhỏ suy hao tăng lên thông số Dλ0 âm chiều dài DCF giảm Thơng thường, diện tích lõi DCF khoảng nửa diện tích lõi sợi đơn mode Với lõi diện tích nhỏ này, mật độ cơng suất quang lõi DCF cao sợi đơn mode Kết hiệu ứng phi tuyến sợi DCF tán xạ Raman, tán xạ Brillouin, SPM XPM tăng lên Trong đó, SPM XPM có tác động mạnh Để giảm phi tuyến DCF, công suất truyền vào DCF bắt buộc phải giảm xuống BÙ TÁN SẮC Sợi chirp cách tử Bragg (CFBG) • Về nguyên tắc hoạt động, CFBG nhằm tạo tán sắc với độ dốc âm • CFBG thay đổi quãng đường di chuyển bước sóng Trong mơi trường truyền dẫn ánh sáng, chiết suất môi trường thay đổi với khoảng cách chu kỳ thay đổi Λ bước sóng λBragg thỏa điều kiện phản xạ ngược lại Do cấu tạo chiết suất thay đổi tương tự thiết bị cách tử ánh sáng vật lý cổ điển nên sợi quang có cấu trúc cịn gọi sợi cách tử Bragg (fiber Bragg grating) • Giả sử sợi quang có hai vùng cách tử có chu kỳ thay đổi Λ1 Λ2 khác nhau, hai bước sóng λBragg1 λBragg2 phản xạ ngược vùng Λ1 Λ2 tương ứng Do phản xạ khác vị trí, quãng Cấu trúc sợi chirp tửSự Bragg đường di chuyển phản xạ λBragg1 λBragg2 kháccách khác biệt quãng đường dẫn đến khác biệt độ trễ Nếu vị trí vùng Λ1 Λ2 thiết kế cho bước sóng ngắn có độ trễ thấp bước sóng dài, độ dốc tán sắc âm BÙ TÁN SẮC Sợi chirp cách tử Bragg (CFBG) Trên thực tế, phương pháp đơn giản cải tiến để giảm chiều dài thiết bị Thay tạo nhiều đoạn cách tử cho bước sóng, khoảng cách cách tử tăng tuyến tính Như vậy, có vơ số bước sóng bị phản xạ cấ u trúc này, với bước sóng ngắn phản xạ gần Λshort bước sóng dài phản xạ gần Λlong Do khoảng cách cách tử tăng tuyến tính, sợi có cấu trúc có tên sợi chirp cách tử Bragg (chirp fiber Bragg grating - CFBG) BÙ TÁN SẮC Sợi chirp cách tử Bragg (CFBG) Băng thơng phản xạ CFBG tính theo công thức: BÙ TÁN SẮC Sợi chirp cách tử Bragg (CFBG) Số lượng cách tử Ng chiều dài sợi Lg có liên hệ với băng thơng theo cơng thức: Trong đó, λBragg bước sóng trung tâm băng thông BÙ TÁN SẮC Sợi chirp cách tử Bragg (CFBG) • Giá trị tán sắc CFBG tính theo cơng thức ... chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn 4 SO SÁNH CÁC LOẠI KHUẾCH ĐẠI QUANG SOA • Bộ khuếch đại quang bán dẫn loại khuếch đại quang sử dụng chất bán dẫn để cung cấp mơi trường khuếch đại.  Chúng... đại dọc theo đường chất tương tự khuếch đại Hình dạng phổ mức khuếch đại, cơng suất đầu hoạt động thống qua khuếch đại quan trọng NGUN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG • Ngun lí khuếch đại quang. ..1.ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG ƯU ĐIỂM • Bộ khuếch đại quang khuếch đại tín hiệu quang trực tiếp mà không cần chuyển đổi quang điện điện • Một khuếch đại quang lý tưởng hỗ trợ hoạt