II Kỹ thuật khuếch đại quang
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.