Nguồn bơm và cấu hình bơm cho EDFA

5.1. Nguồn bơm

Nguồn bơm cho EDFA có nhiệm vụ cung cấp ánh sáng bơm thích hợp để kích thích các Ion Er3+ ở mức cơ bản lên mức năng lượng cao hơn để thực hiện việc khuếch đại quang. Để đảm bảo công suất đầu ra đủ lớn, yêu cầu nguồn bơm phải có công suất từ 5

÷

Sơ đồ mức năng lượng của Er3+ và các giải bước sóng bơm tương ứng được trình bày trên Hình 2.18.

Hình 2.18 Sơ đồ các mức năng lượng của Er3+và các bước sóng bơm tương ứng

Từ Hình 2.18 ta thấy các bước sóng 520, 660, 800, 980 và 1480 nm đều có thể được sử dụng làm bước sóng bơm cho EDFA, tuy nhiên hai bước sóng bơm được sử dụng nhiều nhất là 980nm và 1480 nm.

Các nguồn bơm có bước sóng nhỏ hơn 700 nm rất khó chế tạo, công suất không cao, nên trong thực tế không sử dụng các bước sóng bơm dưới 700 nm.

Nguồn bơm 800 nm có công suất lớn, nhưng hiệu suất bơm thấp do sự hấp thụ trạng thái kích thích ESA. ESA là hiện tượng xảy ra khi một Ion Er3+

đang ở trạng thái gần ổn định (mức 4I13/2) lại hấp thụ một photon bơm hoặc một photon tín hiệu và chuyển lên một mức năng lượng cao hơn, do đó làm giảm hiệu suất bơm. Vì vậy bước sóng bơm 800 nm cũng ít sử dụng.

Các nguồn bơm Laser diode bán dẫn ở bước sóng 980 nm và 1480 nm có thể cho công suất bức xạ hàng trăm mW. Các Laser diode bán dẫn có đặc điểm là chỉ cần điện áp tiếp xúc nhỏ, do đó giảm được nguồn nuôi yêu cầu.

Nguồn bơm 1480 nm được sử dụng rất rộng rãi vì loại Laser diode này rất sẵn và độ tin cậy cao. Độ tin cậy là vấn đề đặc biệt quan trọng trong trường hợp dùng để bơm ở khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Ngoài ra nguồn bơm 1480 nm có ưu điểm là phổ hấp thụ rộng nên không cần đòi hỏi chính xác bước sóng Laser bơm. Hệ số khuếch đại 20

÷

÷

÷

Do đó hiện nay nguồn bơm 980 nm là nguồn bơm chủ yếu vì hiệu suất khuếch đại cao. Hệ số khuếch đại trên 40 dB có thể đạt được chỉ với công suất bơm 20mW. Tạp âm của bộ khuếch đại bơm tại 980 nm rất nhỏ, hệ số tạp âm gần với giá trị tới hạn là 3dB. Vì vậy các nguồn bơm ở bước sóng 980 và 1480nm là các nguồn bơm chủ yếu cho các bộ khuếch đại EDFA.

Nguồn bơm và tín hiệu được ghép với nhau bằng bộ ghép bước sóng được chỉ ra trên hình 2.10. Thiết bị ghép ở đây dùng các thấu kính để ghép ánh sáng vào và ánh sáng ra của sợi. Nó bao gồm các gương và bộ lọc tích hợp. Trong các bộ ghép bước sóng WDM này, năng lượng bơm và tín hiệu tổn hao khoảng < 0,5dB.

Sự hồi tiếp từ hiện tượng phản xạ ở hai mặt bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao có thể sinh ra sự dao động và làm giảm khả năng chống nhiễu của hệ thống. Nếu đặt vào trong đường truyền một bộ cách ly quang như ở Hình 2.10. Thì có thể làm triệt tiêu sự phản xạ này. Các bộ cách ly quang thường làm giảm ánh sáng phản xạ đi khoảng 35dB trong khi đó chỉ tổn hao cho tín hiệu truyền qua là 1dB.

Tham số Hàn sợi Điện môi Cách tử

Suy hao xen (dB) < 0,2 < 0,1 < 3,0dB

Độ nhạy phân cực

(dB) ^{< 0,2 Không Không}

Giá thành Thấp Trung bình Trung bình

Độ ổn định nhiệt

(nm/0C) ^{0,005 0,05 0,007}

Chế tạo

Đơn giản Công nghệ cao ^{Công nghệ} cao Kích thước (mm) 10 x 10 x 80 8 x8 x 60 10 x 10 x 80

Bảng 2.1 So sánh các công nghệ ghép bước sóng

5.2. Cấu hình bơm cho EDFA

* Cấu hình bơm một chiều

Hình 2.19 Cấu hình bơm đồng hướng

Cấu hình này có đặc điểm là cho tạp âm nhỏ và nó có thể được sử dụng làm bộ khuếch đại cho máy thu.

- Cấu hình bơm ngược hướng

Hình 2.20 Cấu hình bơm ngược hướng

Cấu hình này cho công suất tín hiệu đầu ra cao và có thể sử dụng làm bộ khuếch đại công suất.

* Cấu hình bơm hai chiều

Hình 2.21 Cấu hình bơm hai chiều

Cấu hình bơm hai chiều có thể sử dụng làm các bộ khuếch đại lặp.

Đối với cấu hình bơm một chiều, ánh sáng bơm yếu đi khi nó truyền dọc theo sợi Erbium(vì bước sóng bơm là bước sóng có suy hao lớn). Do đó sự đảo mật độ và tăng ích giảm theo khoảng cách từ phía nguồn bơm. Ví dụ cấu hình bơm đồng hướng có tăng ích lớn nhất ở phía đầu vào và giảm dần về phía đầu ra ngược với cấu hình bơm ngược hướng. Bên cạnh đó hai cấu hình bơm này có phát xạ tự phát ASE khác nhau. Cấu hình bơm một chiều có độ tin cậy không cao.

Đối với cấu hình bơm hai chiều, độ bão hoà khuếch đại gần như đồng đều. Cho nên công suất tín hiệu không bị thay đổi lên xuống, nhờ vậy tín hiệu thu được là trung thực. Sử dụng cấu hình bơm này cho độ tin cậy hệ thống cao. Mặt khác do được bơm từ hai phía nên cấu hình này cho phép sử dụng đoạn sợi trộn Erbium dài hơn, do đó có được hệ số khuếch đại cao hơn cấu hình bơm một chiều.

Tuy nhiên cấu hình bơm hai chiều có các thiết bị chế tạo phức tạp hơn, dẫn đến giá thành hệ thống sử dụng cấu hình này cao hơn so với hệ thống sử dụng cấu hình bơm một chiều.