II Kỹ thuật khuếch đại quang
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).
Trong tr−ờng hợp ở mức ng−ỡng cảu nghịch đảo môi tr−ờng, tức là : 0
1 2−N =
N
η , Nsp không xác định, nh−ng thực tế công suất nhiễu lại đ−ợc xác định và bằng Psp=ηN2L1 trong đó L là độ dài sợi EDF, ở tr−ờng hựop môi tr−ờng nghịch đảo là lớn hơn 0, tức là ηN2−N1>0 ta có Nsp >1.
Tr−ờng hợp nghịch đảo môi tr−ờng hoàn toàn, khi mà toàn bộ các nguyên tử ở trạng thái kích thích tức là Nt=0, thì hệ số bức xạ tự phát Nsp tiến tới giá trị nhỏ nhất cuả nó là bằng 1. Trong tr−ờng hợp này công suất nhiễu đàu ra giảm tới giá trị nhiễu l−ợng tử đ−ợc khuếch đại : Psp,min=hv(G−1)B. Nh− vậy có thể nói rằng nhiễu đầu ra của bộ khuếch đại quang nhỏ nhất thu đ−ợc khi đạt đ−ợc nghịch đảo tích luỹ hoàn toàn trong môi tr−ờng khuếch đại. Trong thực tế hệ số bức xạ tụ phát Nsp là một sự xác định chất l−ợng đối với nghịch đảo tích luỹ. Giá trị Nsp gần bằng 1 là giá trị thấp nhất có thể thu đ−ợc. Giá trị này có thể đạt đ−ợc khi bơm mạnh ở vùng có b−ớc sóng 980nm.
• Nhiễu c−ờng độ trong bộ khuếch đại EDFA:
Nh− đã biết, c−ờng độ ánh sáng đến đ−ợc bộ tách sóng quang biến đổi thành dòng điện. Dòng photon ban đầu Iph(t) sẽ đ−ợc phát ra trong bộ tách sóng quang khi có một công suất quang P(t) từ nguồn phát đi tới.
) ( ) ( ) ( P t h e t RP t Iph ν η = =
Nhiễu c−ờng độ là một yếu tố trội làm giới hạn đáng kể năng lực của các hệ thống thông tin quang.Vì bộ tách sóng quang biến đổi nhiễu c−ờng độ trực tiếp thành nhiễu điện. Các loại nhiễu c−ờng độ th−ờng đ−ợc xem xét trong hệ thống là: nhiễu l−ợng tử ( nhiễu bắn phá), nhiễu phách giữa tín hiệu và bức xạ tự phát, nhiễu phách giữa bức xạ tự phát với bức xạ tự phát và nhiễu phản xạ
- Nhiễu l−ợng tử
Nhiễu l−ợng tử có nguồn gốc phát sinh là do tính không chắc chắn về thời gian đến của các điện tử hoặc các photon tại bộ tách sóng. Khi nhiễu trội là nhiễu l−ợng tử, nó đ−ợc coi nh− là giới hạn nhiễu bắn hoặc nhiễu l−ợng tử. Cả tín hiệu từ Laser phát và ASE đâu tham giavào nhiễu l−ợng tử. Vì vậy, nhiễu l−ợng tử ttrong tr−ờng hợpnày bao gồm cả nhiễu l−ợng tử từ tín hiệu đầu vào đ−ợc khuếch đại và nhiễu l−ợng tử từ bức xạ tự phát đ−ợc khuếch đại.
- Nhiễu phách tín hiệu-tự phát:
Nhiễu phách tín hiệu-tự phát là do có sự giao thoa giữa tín hiệu quang và bức xạ tự phát đ−ợc khuếch đại ASE gây ra dao động c−ờng độ. Ta không thể tránh khỏi các nhiễu này trong các hệ thống sử dụng EDFA và nhiễu này là nhiễu tham gia đầu tiên vào tổng nhiễu trong các hệ thống thông tin đ−ợc khuếch đại quang. Nhiễu phách này t−ơng tự nh− ở trong tr−ờng hợp phách hai tần số trong bộ trộn Heterodyne để phát ra một tần số khác. Do tính trộn này phụ thuộc phân cực nên tín hiệu sẽ chỉ phách với các thành phần ASE cùng phân cực tín hiệu. Nh−ng ASE th−ờng là không phân cực, vì thế chỉ có một nữa tham gia vào mật độ nhiễu phách tín hiệu – tự phát.
Hinh 2.17 mô tả nhiễu phách này:
- Nhiễu phách tự phát-tự phát.
Nhiễu phách tự phát-tự phát là phách giữa các thành phần phổ khác nhau của bức xạ tự phát SE và dẫn đến nhiễu c−ờng độ. Toàn bộ phổ ASE sẽ đóng góp vào nhiễu phách c−ờng độ tự phát-tự phát. Nếu nh− ASE là không phân cực, ASE ở một trong hai phân cực trực giao sẽ đóng góp vào nhiễu phách tự phát-tự phát tổng. Trong hình 2.18, tổng số các cặp phách có thể giảm đi khi mà băng tần quang giảm.
B0 λs B−ớc sóng λ Nhiễu phách Tín hiệu-tự phát Tín hiệu đ−ợc khuếch đại ASE Phổ q ua n g
Hình 1.16 Nhiễu phách tín hiệu-tự phát giữa tín hiệu đ−ợc khuếch đại và các thành phần phổ của ASE.
- Nhiễu phản xạ (nhiễu giao thoa nhiều luồng)
Trong bộ khuếch đại quang th−ờng có sự phản xạ tại hai đầu sợi EDF. Quá trình này tạo ra sự biến đổi của nhiễu pha laser thành nhiễu c−ờng độ. Nhiễu c−ờng độ nh− vậy sẽ làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tại bộ thu quang. Nhiễu đã đ−ợc biến đổi đ−ợc biết nh− là nhiễu giao thoa nhiều luồng hoặc MPI (Multipath Interference) hoặc có thể đ−ợc gọi là nhiễu quá mức. Các tham số quan trọng xác định biên độ của MPI là các mức phản xạ, độ khuếch đại quang, độ rộng phổ tín hiệu và trễ thời gian giữa hai phản xạ. Khi các phân cực của luồng quang bị trễ và không trễ là đồng bộ với nhau, nó sẽ tạo ra nhiễu c−ờng độ t−ơng đối RIN (Relative Intensity Noise) tồi nhất và giao thoa trung bình gần nh− là ở dạng bậc hai. Nh−ng nhiễu phản xạ có thể đ−ợc bỏ qua nếu nh− ánh sáng đi tới bộ khuếch đại quang là hoàn toàn kết hợp để cho tham số nhiễu phản xạ nref bằng không.