II Kỹ thuật khuếch đại quang
d. Cấu trúc cải tiến đặc tính khác
Để cải thiện đặc tính của EDFA, một số cấu trúc biến đổi có sự thay đổi chút ít về cấu hình của EDFA:
+ Trong cấu hình này, đầu tiên là cấu hình thay đổi độ dài EDF để thu đ−ợc độ khuếch đại cao hơn.
+ Ph−ơng pháp thứ ba để tăng độ khuếch đại của EDFA là đặt thêm vào độ dài EDF một bộ lọc quang băng thông hẹp.
Với bộ khuếch đại EDFA tham số quan trọng nhất là độ dài của sợi pha tap Erbium EDF. Độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu của EDFA đều bị ảnh h−ởng mạnh từ độ dài sợi EDF rồi sau đó là cấu hình bơm. Để thiết kế đ−ợc một bộ khuếch đại EDFA có hiệu quả cao nhất cần tối −u hoá độ dài EDF.
5.4 Tối −u hoá độ dài sợi pha tạp Erbium (EDF).
Mục đích chính của thiết kế tối −u EDFA là lựa chọn độ dài EDF để có độ khuếch đại cao. Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc chủ yếu vào độ dài EDF, và dự báo độ khuếch đại là phức tạp do bản chất phân bố hai h−ớng của bộ khuếch đại. Ta có thể coi EDFA nh− một chuỗi của nhiều bộ khuếch đại quang nhỏ ghép lại với nhau có độ dài tăng dần. Vậy độ khuếch đại G thực đ−ợc cấu thành từ toàn bộ phần tử khuếch đại g(z) dọc theo trục z của EDF và có thể viết nh− sau: ( )zdz g G L ∫ = 0 exp (9)
ở đây L là độ dài của EDF. Trong các tham số của EDF th−ờng có phổ hấp thụ và bức xạ kích thích thu đ−ợc từ sợi thuỷ tinh pha tạp Erbium. Phổ khuếch đại g*(λ) và phổ suy hao α(λ) đo đ−ợc xác định từ:
( ) ( ) ( )N g* λ =σe λ Γ λ t (10) ( )λ a( ) ( )λ λ Nt α =σ Γ (11) Trong đó σe: tiết diện bức xạ σa: Tiết diện hấp thụ
Γ(λ) : Là hệ số chồng lấn giữa tr−ờng mode qua tích luỹ ion Erbium ( ) ( b2 a2) / exp 1− − = Γλ (12) a: là bán kính lõi sợi b: bán kính phủ Er3+ Nt: mật độ ion Erbium
Khi ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu truyền trong cùng một h−ớng dọc theo sợi và bức xạ tự phát không đáng kể, công suất tín hiệu Ps đ−ợc thay đổi khi đi qua lat EDF là:
( )P P P s s s g z dz d α − = (13)
αs: là hệ số suy hao của sợi
Hệ số khuếch đại g(z) là khác nhau giữa tích luỹ ion ở mức trên và mức d−ới và có thể đ−ợc viết nh− sau:
( ) ( ) ( ) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = N N N N g t t z g * λ 2 α λ 1 (14) Trong đó :
N2: mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái siêu bền( hoặc tích luỹ ở mức trên –4I13/2)
N1: mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái nền( hoặc tích luỹ ở mức trên –4I152)
Mật độ của Er3+ là Nt=N1+N2: ánh sáng bơm có thể đ−ợc phân tích t−ơng tự.
Đối với bơm ở dải hấp thụ 980nm, tích luỹ da tạp 4I11/2 là không đáng kể. Sự hiếm của mức bơm thoả mãn danh định khi tốc độ phân ra không bức xạ từ mức bơm Wnr lớn hơn nhiều tốc độ bơm Wpump :
( ) A h p p a p pump P W = σν λ Ư (15)
Trong đó : Pp : Công suất bơm
νp: Tần số bơm. A: Diện tích tr−ờng mode
ở đây, giả thiết mật độ ion Er3+ là hằng số trong vùng bán kính EDF r<b là bán kính lõi pha tạp Erbium và bằng 0 với r>b. Các mật độ tín hiệu và bơm đ−ợc xem là đồng nhất trong lõi pha tạp. Diode laser bơm (LD) là LD đơn mode. Bơm đơn mode đ−ợc tập trung tại tần số γ=γp. Công suất bơm phải cao hơn ng−ỡng bơm. ( ) ( )λ λ τ σ γ p th A h P = Γ â (16)
τ: Là thời gian tồn tại tự phát của ion ở trạng thái giả bền. Tín hiệu tỏng tr−ờng hợp này tập trung ở γs. Công suất tín hiệu bão hoà đ−ợc cho bởi:
( )λ σ ( ) ( )λ λ τ σe s γa s s p sat A h P = + Γ (17)
Qua đó ta thấy công suất bơm sẽ giảm dọc theo sợi. Nếu độ dài EDF là quá dài, một phần nào đó của sợi sẽ bơm d−ới ng−ỡng nghịch đảo và nó tái hấp thụ tín hiệu. EDF mà quá ngắn sẽ hấp thụ quá ít công suất bơm. Độ dài tối −u tăng theo công suất bơm và giảm theo sự tăng công suất tín hiệu. Từ hình vẽ đã chỉ ra độ khuếch đại EDFA phụ thuộc vào độ dài bộ khuếch đại cho cả bơm ở 980nm và 1480nm. Kết quả cho thấy rằng bơm ở 980nm cho hệ số khuếch đại cao hơn ở 1480nm. Hệ số khuếch đại tăng khi công suất bơm tăng. Để thu đ−ợc cùng giá trị độ khuếch đại, độ dài khuếch đại tối −u khi bơm ở 1480nm thì dài hơn ở 980nm. Sự khác nhau này là do hệ số hấp thụ khoẻ hơn khi bơm ở 980nm so với khi bơm ở 1480nm. Để biết tai sao chỉ có λ=980nm và λ=1480nm đ−ợc sử dụng làm b−ớc sóng bơm. Ta sẽ nghiên cứu các thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại EDFA
5.5 Các thông số kỹ thuật của modul EDFA a. Công suất bơm và b−ớc sóng bơm. a. Công suất bơm và b−ớc sóng bơm.
Nh− đã đ−ợc giải thích ở trên, có một vài vùng b−ớc sóng bơm cho phép kích thích các ion Erbium. Đặc tính khuếch đại của sợi EDFA đ−ợc bơm ở mỗi vùng bơm đ−ợc nghiên cứu d−ới dạng hệ số khuếch đại, tỷ lệ phần cắt ngang bức xạ kích thích bơm và phần cắt ngang hấp thụ bơm, hiệu suất biến đổi công suất, và các đặc tính nhiễu. Nhìn chung độ khuếch đại lúc đầu cũng tăng mạnh với hàm mũ theo sự tăng của công suất bơm và rồi ngả thấp xuống khi công suất bơm v−ợt qúa một giá trị nào đó nh− đ−ợc minh hoạ ở hình 1.8. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có đơn vị là dB/mW là một đ−ờng nghiêng lớn nhất tiếp tuyến với đ−ờng cong khuếch đại đi qua gốc tọa độ nh− đ−ợc chỉ ra ở đ−ờng chấm chấm trong hình vẽ.
Cả hai loại b−ớc sóng bơm 1480nm và 980nm đều đ−ợc dùng tốt trong các EDFA
B−ớc sóng bơm 1480nm đ−ợc dùng trong EDFA vì một số lý do sau:
- Tính sẵn có của công suất bơm cao có từ các diode laser bán dẫn hoạt động tại b−ớc sóng này.
- Hiệu suất công suất tốt vì có sự khác nhau nhỏ giữa b−ớc sóng 1480nm và 1550nm.
- Khi bơm cho EDFA từ xa, suy hao sợi sẽ thấp hơn.
- Phổ hấp thụ băng rộng yêu cầu tính chính xác về b−ớc sóng laser bơm ít nghiêm ngặt hơn.
B−ớc sóng bơm 980nm cho ra đặc tính nhiễu của EDFA tốt hơn, khuếch đại tín hiệu trong các hệ thống nhiều kênh quang ít bị méo hơn, và thiết bị này ít nhạy cảm với nhiệt độ cao hơn so với b−ớc sóng bơm 1480nm. Nh−ng nó cũng yêu cầu tính chính xác về b−ớc sóng bơm chặt chẽ hơn. Việc so sánh b−ớc sóng bơm 980nm và 1480nm dựa trên quan hệ giữa độ dài sợi EDF và khuếch đại tín hiệu cho cả hai b−ớc sóng ở cùng một công suất bơm đã đ−ợc nghiên cứu. Nhìn chung bơm ở 980nm có hiệu quả hơn bơm ở 1480nm và ta
có thể xây dựng đ−ợc bộ EDFA có độ khuếch đại cao hơn với độ dài EDF ngắn hơn bằng việc sử dụng b−ớc sóng bơm 980nm.
b. Khuếch đại trong EDFA
Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang đ−ợc xác định nh− sau:
s sp out P P P G ( − ) = (18)
Trong đó Ps và Pout t−ơng ứng là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang. Ngoài khuếch đại, bộ khuếch đại quang cũng phát ra ASE và ở đây Psp là công suất nhiễu đ−ợc phát từ bộ khuếch đại quang nằm trong băng tần quang (hay còn đ−ợc gọi là băng tần phát xạ tự phát đ−ợc khuếch đại).
Việc xác định độ khuếch đại trong bộ khuếch đại quang sợi là một quá trình phức tạp do bản chất phân bố hai h−ớng của nó. Để thu đ−ợc độ khuếch đại thực của bộ khuếch đại, phần cắt ngang (hay mặt cắt) bức xạ kích thích σe
và phần cắt ngang hấp thụ σa là các yếu tố quan trọng cần đ−ợc xem xét. Độ khuếch đại thực của bộ khuếch đại quang sợi có thể xác định tùy thuộc vào mức biến đổi trung bình của tích lũy ion Erbium. Mức nghịch đảo trung bình đ−ợc thiết lập bằng các mức bơm và tín hiệu. Độ khuếch đại sẽ phụ thuộc vào công suất bơm, đây là một hình ảnh có ý nghĩa đối với các EDF khác nhau.
• Khuếch đại quang tín hiệu nhỏ
Khuyến nghị G.661 ITU-T đã xác định độ khuếch đại tín hiệu nhỏ là độ khuếch đại khi nó hoạt động trong chế độ tuyến tính, nơi mà nó hoàn toàn không phụ thuộc vào công suất quang tín hiệu đầu vào, tại mức công suất quang và tín hiệu bơm đã cho. Điều này đ−ợc hiểu là vùng khuếch đại tín hiệu nhỏ t−ơng ứng với các mức công suất đầu vào, nơi mà độ khuếch đại tín hiệu không làm giảm độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang. Để xác định vùng
khuếch đại tín hiệu nhỏ, ng−ời ta th−ờng dự báo bằng nhiễu đầu vào hiệu dụng Pn,eff của bộ khuếch đại.
Pn,eff ≈ 2hνB0∼ 30nW/nm đối với λ=1550nm
ở đây hν là năng l−ợng photon và B0 là băng tần quang của bộ khuếch đại quang. Nhiễu đầu vào hiệu dụng đ−ợc khuếch đại lên từ độ khuếch đại và sẽ thu đ−ợc công suất nhiễu đầu ra của bộ khuếch đại. Độ khuếch đại tín hiệu nhỏ là tham số quan trọng trong việc xác định vị trí của bộ EDFA trên tuyến. Nếu nh− công suất tín hiệu lớn sẽ làm giảm độ khuếch đại thực, và dẫn đến làm giảm quỹ công suất của tuyến thông tin quang.
• Khuếch đại b∙o hoà
Đặc tính khuếch đại bão hoà của EDFA là một tham số quan trọng. Công suất tín hiệu thu đ−ợc ở đầu ra bộ khuếch đại quang là một giá trị đặc biệt hấp dẫn vì nó có liên quan tới cự ly truyền dẫn và cự ly khoảng lặp của các hệ thống truyền dẫn dài, và nó làm tăng số đầu ra trong cấu hình phân bố sợi quang. EDFA th−ờng hoạt động tại các mức tín hiệu đầu vào đủ lớn để tạo ra sự bão hoà khuếch đại. Sự bão hoà độ khuếch đại đ−ợc xem nh− là sự giảm độ khuếch đại trong lúc công suất tín hiệu tăng. Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang có thể đ−ợc viết nh− sau:
( ) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡− − = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − = sat out sat in P P G G G P P G G G 0exp 1 0exp 1 (19)
ở đây G0 là độ khuếch đại tín hiệu nhỏ nh− đã đề cập ở trên. Công suất bão hoà Psat tại b−ớc sóng xác định là công suất đ−ợc yêu cầu để nghịch đảo một lớp (lát cắt) của sợi pha tạp Erbium đủ để thu đ−ợc sự truyền thông tín hiệu quang, hoặc nói một cách khác là đủ để cho độ khuếch đại bằng không.
• Độ nghiêng của khuếch đại.
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của EDFA trong thông tin quang sợi là việc sử dụng nó trong các hệ thống ghép kênh quang. Trong các hệ thống ghép kênh theo b−ớc sóng WDM với cự ly xa, phổ khuếch đại của bộ khuếch đại phải duy trì phẳng để tránh sự trội lên về công suất của một kênh nào đó. Sự thay đổi hoặc nghiêng trong phổ khuếch đại xảy ra khi các kênh ghép b−ớc sóng đ−ợc thêm vào hoặc rẽ xuống trong chùm tín hiệu WDM sẽ làm giảm đặc tính của hệ thống thông tin dài. ở đây, sự nghiêng độ khuếch đại đ−ợc xác định nh− là tỷ số của sự biến đổi khuếch đại tại b−ớc sóng đo đ−ợc với sự thay đổi khuếch đại tại b−ớc sóng chuẩn, nơi mà các thay đổi khuếch đại đ−ợc tạo ra do có sự biến đổi điều kiện đầu vào. Ngoài độ nhiêng khuếch đại, một khái niệm khác nữa cũng đ−ợc quan tâm ở đây là độ dốc khuếch đại. Cần phải phân biệt giữa độ dốc khuếch đại tĩnh và độ dốc khuếch đại động. Điểm khác nhau giữa độ dốc tĩnh và động là do có sự thay đổi về mức nghịch đảo bộ khuếch đại phát sinh từ sự thay đổi b−ớc sóng của tín hiệu đầu vào bão hoà mạnh.
• Phổ khuếch đại của EDFA.
Phổ khuếch đại của EDFA là tham số quan trọng vì băng tần khuếch đại là một tham số trọng yếu để xác định băng truyền dẫn. Đặc tính này đã đ−ợc nghiên cứu với các sợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các EDFA.Bằng cách thay đổi vật liệu chủ trong sợi thuỷ tinh Silica sang thuỷ tinh Flouride gốc ZrF4 và thuỷ tinh fluorophospate cũng hứa hẹn mở rộng và làm phẳng đ−ợc băng tần khuếch đại. Đặc biệt sợi EDF gốc flouride cho ra đ−ợc
vùng khuếch đại phẳng trong dải b−ớc sóng từ 1530nm đến 1560nm. Ngoài ra, khi tăng độ dài EDF, phổ khuếch đại có thể thu đ−ợc trong khoảng b−ớc sóng từ 1570nm đến 1620nm.
c. Nhiễu trong bộ khuếch đại EDFA.
Nhiễu trong tín hiệu khuếch đại quang là một chủ đề quan trọng trong các hệ thống thông tin quang. Các đặc tính nhiễu thể hiện là một tham số chủ chốt mà nó xác định đặc tính trên toàn bộ hệ thống nh− cự ly truyền dẫn và tốc độ bít lớn nhất. Có hai dạng nhiễu đặc tr−ng là: nhiễu quang (hay còn đ−ợc gọi là nhiễu tr−ờng quang), và nhiễu c−ờng độ (hay còn đ−ợc gọi là nhiễu dòng photo).
• Nhiễu quang trong bộ khuếch đại EDFA.
Nhiễu quang là tham số quan trọng nhất liên quan tới các đặc tính nhiễu trong các hệ thống sử dụng khuếch đại quang. Nh− đã xem xét về các ion Er3+ trong sợi EDF ở trên. Các photon bức xatj phát có h−ớng và pha ngẫu nhiên. Một số các photon bức xạ tự phát đ−ợc giữ lại ở các mode của sợi dẫn quang. Vì các photon đ−ợc giữ lại này lan truyền dọc bên trong sợi, chúng lại đ−ợc khuếch đại. Quá trình này tạo ra bức xạ tự phát đ−ợc khuếch đại ASE. Để xác định thành phần nhiễu nhỏ nhất của bộ khuếch đại và tính không chắc chắn về tín hiệu đầu ra thoả mãn nguyên lý Heisenberg, công suất nhiễu tối thiểu đầu ra bộ khuếch đại Psp,min đ−ợc xác định:
Psp hv(G 1)B
min
, = − (20)
Với B là một nữa băng tần B0 của bộ khuếch đại quang. Giả thiết rằng sự thăng giáng của tín hiệu tồn tại là do tác động của nhiễu trọng. Độ khuếch đại G và tín hiệu lớn thì công suất đầu ra của bộ khuếch đại quang là có thể đạt đ−ợc nhỏ nhất sẽ t−ơng ứng với sự khuếch đại của một photon trong băng tần B:
(G 1)B0 h
N
PASE =mt sp ν − (21)
( )B
N
P hvG
sp
sp= −1 0 (22)
Đ−ợc gọi là công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch đại quang.
Từ biểu thức trên có thể xác định đ−ợc công suất ASE tổng PASE đ−ợc lấy trên toàn bộ các mode mà sợi quang đ−a ra trong băng tần B0. Trong các bộ khuếch đại quang sợi thực tế, tiêu biểu th−ờng có hai mode lan truyền phân cực trong bức xạ tự phát. Hệ số bức xạ tự phát đ−ợc viết nh− sau:
N N N N a e e sp 1 2 2 σ σ σ − = (23)
σe, σa : tiết diện bức xạ kích thích và tiết diện hấp thụ.
N1, N2 : t−ơng ứng là các mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái siêu bền ( mức trên) và nền (mức đất).
Để cho đơn giản ta đặt :
σ σ
η
a e
= và N2 và N1 là hàm của trục Z dọc theo sợi thì nhiễu của bộ khuếch đại quang N(z) khi không có tín hiệu đầu vào đ−ợc viết nh− sau: ( ) ( 1) 1 2 2 − − = G z N N N N η η (23)
Với G là một hàm số của Z trong tr−ờng hợp nghịch đảo tích luỹ môi tr−ờng là âm, tức là ηN2−N1<0, khuếch đại G sẽ nhỏ hơn 1 và Nsp là âm, nh−ng công suất nhiễu PASE luôn d−ơng và bằng Psp= Nsp(1−G).