Các bộ khuếch đại quang là các thiết bị bù suy hao có hiệu quả nhất cho sợi quang. Các thiết bị này có khả năng khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không thông qua sự biến đổi quang-điện hoặc điện-quang nào. Hiện nay có hai loại khuếch đại quang tiêu biểu đang đ−ợc sử dụng trong hệ thống WDM là khuếch đại sợi pha tạp mà loại chủ yếu và thông dụng nhất là pha đất hiếm Erbium (Er+) và khuếch đại Raman.
(a). Khuếch đại quang sợi EDFA Nguyên lý hoạt động
Khuếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là EDFA (Erbium - Dopped Fiber Amplifier). Nguyên lý khuếch đại đ−ợc thực hiện nhờ cơ chế bức xạ trong ba mức hoặc bốn mức nh− hình:
Hình 1.10. Cơ chế bức xạ trong ba mức (a) và trong bốn mức (b)
EDFA có cấu trúc là một đoạn sợi quang mà lõi của chúng đ−ợc cấy Er3+ với nồng độ ít hơn 0,1%. Khi một nguồn bơm photon b−ớc sóng 980nm hoặc 1480nm đ−ợc bơm vào lõi sợi đặc biệt này, các ion Er3+ sẽ hấp thụ các photon đó một điện tử của nó chuyển mức năng l−ợng từ mức cơ bản E1 lên mức kích thích E2; do tồn tại một mức năng l−ợng siêu bền E3 ở giữa nên các điện tử này chuyển xuống mức năng l−ợng E3 theo cơ chế phân rã không bức xạ (thả không bức xạ xuống E3), sau một
λ bơm λ bơm E2 E2 E3 E 3 E4 E1 E1 b) a) Phân rã Phân rã Phân rã
khoảng thời gian 10ns, điện tử đ−ợc kích thích này rơi trở lại mức E1, và phát xạ ra photon.
Hiện t−ợng bức xạ bình th−ờng có thể là bức xạ tự phát (là cơ chế bình th−ờng khi điện tử nhảy mức năng l−ợng) hoặc bức xạ sẽ xảy ra mạnh theo cơ chế bức xạ kích thích; tức là do sự có mặt của các photon mang năng l−ợng bằng với năng l−ợng dịch chuyển mức của các điện tử (trong EDFA thì đó là photon của tín hiệu đ−ợc khuếch đại) sẽ kích thích sự phát xạ và tạo ra thêm nhiều photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng. Rất may là bức xạ này lại ở vùng b−ớc sóng 1550nm. Nhờ vậy, tín hiệu đ−ợc khuếch đại khi đi qua sợi pha tạp Erbium.
Hình 1.11. Cấu trúc của khuếch đại quang sợi EDFA
Hình 1.11 là cấu trúc của một khuếch đại quang sợi EDFA, bơm laser có thể hoạt động ở hai b−ớc sóng 980nm hoặc 1480nm thì hiệu suất bơm hiệu quả nhất. Các bộ cách ly quang có nhiệm vụ chống phản xạ tín hiệu, chỉ cho phép truyền dẫn quang đơn h−ớng. WDM Coupler dùng để ghép tín hiệu b−ớc sóng bơm và tín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium
Tín hiệu quang WD Isolat WD Isolat Ta Coupl WDM Isolat WD Isolat Ta coupl Ta coupl Pump laser 980, Tín hiệu quang vào
Có ba ứng dụng chính của EDFA, đó là: Khuếch đại công suất (Booster Amplifier-BA), tiền khuếch đại (Pre-amplifier-PA) và khuếch đại đ−ờng truyền (Line Amplifier-LA)
- BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn đ−ợc sử dụng ngay sau Tx để tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất ra t−ơng đối cao nên tạp âm ASE có thể bỏ qua và do đó đối với BA không đòi hỏi phải có các yêu cầu nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm. Tuy nhiên, với mức công suất ra cao, việc sử dụng BA có thể gây nên một số hiện t−ợng phi tuyến. Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx. BA có thể tích hợp với Tx hoặc tách riêng với Tx.
- PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, đ−ợc sử dụng ngay tr−ớc bộ thu Rx để tăng độ nhạy thu. Sử dụng PA, độ nhạy thu đ−ợc tăng lên đáng kể. Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Rx. Để đạt đ−ợc mức tạp âm ASE thấp, ng−ời ta th−ờng sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp (nên sử dụng các loại bộ lọc có khả năng điều chỉnh b−ớc sóng trung tâm theo b−ớc sóng của nguồn phát). PA có thể tích hợp với Rx hoặc tách riêng với Rx.
- LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp đ−ợc sử dụng trên đ−ờng truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Tuỳ theo chiều dài tuyến mà LA có thể đ−ợc dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến. Đối với các hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA. Kênh giám sát này (OSC - Optical Supervisor Channel) không đ−ợc quá gần với sóng bơm cũng nh− kênh tín hiệu để tránh ảnh h−ởng giữa các kênh này. Tại mỗi LA, kênh giám sát này đ−ợc chèn thêm các thông tin mới (về trạng thái của LA, các thông tin về cảnh báo), sau đó lại đ−ợc phát lại vào đ−ờng truyền. Về mặt lý thuyết, khoảng cách truyền dẫn lớn (cỡ vài nghìn km) có thể đạt đ−ợc bằng cách chèn thêm các LA vào đ−ờng truyền. Tuy nhiên, trong tr−ờng hợp trên tuyến có nhiều LA liên tiếp nhau, chất l−ợng hệ thống có thể suy giảm nghiêm trọng do các hiện t−ợng nh−: tích luỹ tạp âm, sự phụ thuộc của phổ khuếch đại vào tổng hệ số khuếch đại, ảnh h−ởng của tán sắc, phân cực và
các hiệu ứng phi tuyến. Đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một b−ớc sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA.
So với thiết bị đầu cuối thông th−ờng, việc sử dụng các thiết bị khuếch đại quang (BA, LA, PA) sẽ tăng quỹ công suất lên đáng kể. Với phổ khuếch đại t−ơng đối rộng (khoảng 35nm), khả năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc độ và dạng tín hiệu, sử dụng khuếch đại quang rất thuận lợi trong việc nâng cấp tuyến (tăng tốc độ hoặc thêm kênh b−ớc sóng).
Nhìn chung, sử dụng khuếch đại quang có thể bù lại suy hao trong hệ thống, nh− vậy những hệ thống tr−ớc đây bị hạn chế về suy hao thì nay có thể lại bị hạn chế về tán sắc. Trong tr−ờng hợp đó, phải sử dụng một số ph−ơng pháp để giảm bớt ảnh h−ởng của tán sắc, ví dụ nh− sử dụng sợi bù tán sắc hay sử dụng các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài.
Do đặc điểm khác nhau của các loại thiết bị khuếch đại quang nên mức −u tiên sử dụng đối với từng loại cũng có khác nhau:
- LA đòi hỏi phải có một kênh giám sát riêng, hơn nữa thêm các điểm trung gian vào trên đ−ờng truyền cũng làm cho việc bảo d−ỡng trở nên phức tạp hơn. Do đó, mức −u tiên sử dụng đối với LA là thấp nhất, chỉ trong tr−ờng hợp khi mà dùng cả BA và PA mà vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về quỹ công suất thì mới sử dụng LA.
- Đơn giản nhất là sử dụng BA và PA để tăng quỹ công suất. Tuy nhiên, do cấu hình của PA phức tạp hơn BA (vì phải sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp để loại bỏ bớt tạp âm ASE) nên giữa BA và PA thì BA vẫn đ−ợc −u tiên sử dụng hơn.
Một trong các hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại không đồng đều, các b−ớc sóng khác nhau sẽ đ−ợc khuếch đại với các hệ số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại b−ớc sóng 1530nm. Hơn nữa, trong tr−ờng hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quanh b−ớc sóng 1558nm. Nh− vậy, với nhiều EDFA liên tiếp trên đ−ờng truyền, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (có thể là từ 35nm giảm xuống còn 10nm hoặc hơn nữa tuỳ thuộc vào số bộ khuếch đại liên tiếp nhau).
Hiện nay, để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng một số ph−ơng pháp sau:
- Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại xung quanh b−ớc sóng 1530nm, và xung quanh b−ớc sóng 1558nm (trong tr−ờng hợp có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đ−ờng truyền).
- Điều chỉnh mức công suất đầu vào của các b−ớc sóng sao cho tại đầu thu mức công suất của tất cả các b−ớc sóng này là nh− nhau.
Ngoài ra, trong tr−ờng hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đ−ờng truyền, một vấn đề nữa cũng cần phải xem xét là tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang: tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía tr−ớc sẽ đ−ợc khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang phía sau. Sự khuếch đại và tích luỹ tạp âm này sẽ làm cho tỷ số S/N của hệ thống bị suy giảm nghiêm trọng. Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống d−ới mức cho phép. Tuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào là quá cao thì tín hiệu này kết hợp với ASE có thể gây hiện t−ợng bão hoà ở bộ khuếch đại.
(b) Khuếch đại Raman
Bộ khuếch đại Raman sợi lợi dụng hiệu ứng tán xạ kích thích xảy ra trong sợi thuỷ tinh Silica khi có một chùm sáng bơm công suất lớn truyền qua nó. Trong tr−ờng hợp SRS, photon của sóng bơm truyền năng l−ợng của nó để tạo ra một photon khác có năng l−ợng bị giảm tại tần số thấp hơn (tán xạ không đàn hồi), năng l−ợng còn lại đ−ợc môi tr−ờng hấp thụ d−ới dạng dao động phân tử (các phonon quang). Các bộ khuếch đại Raman sợi này đ−ợc bơm bằng quang. Chi tiết về bộ khuếch đại Raman chúng ta sẽ tiến hành nghiên cứu ở ch−ơng 3.