M Ở ĐẦ U 4
B ộ phát quang 6
2.2.1 Nguyên t ắ c ho ạ t độ ng c ủ a các b ộ khu ế ch đạ i quang s ợ i pha t ạ p erbium 35
erbium
Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium thường được dùng trong các hệ thống thông tin sợi quang WDM hiện nay. Hình 2.2.1.1(a) và (b) mô tả 2 đặc điểm đặc biệt của một bộ khuếch đại quang. Trong đó một đoạn quang hoạt động như một môi trường tích cực được pha tạp nhiều (nặng) các ion erbium (Er). Năng lượng ngoài được bơm là năng lượng quang, không phải là điện như bộ khuếch đại quang bán dẫn.
Hình 2.2.1.1 Các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium
(a) Bơm cùng chiều (b) Bơm ngược chiều
Bơm được thực hiện với một diode laser phát ra ánh sáng mạnh ở bước sóng khác với bước sóng của tín hiệu thông tin. Tín hiệu được truyền trong vùng lân cận của 1550nm nhưng laser bơm phát ra ở 980nm hoặc 1480nm hoặc cả hai. Tia thông tin quang và tia bơm được đưa vào trong cùng một sợi quang bởi một bộ ghép. Hai tia này truyền cùng nhau trong vùng bị pha tạp của sợi, trong đó tín hiệu thông tin
Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang
Một tín hiệu bơm có thể truyền cùng chiều với tín hiệu thông tin, như trong hình 2.2.1.1 (a), hoặc nó có thể truyền theo hướng ngược lại, như trong hình 2.2.1.1 (b). Bơm truyền cùng hướng có đặc điểm là nhiễu thấp và công suất ra thấp, trong khi bơm ngược chiều cho công suất ra cao hơn nhưng nhiễu cũng lớn hơn. Trong các bộ khuếch đại trên thị trường, ta thường thấy bơm hai chiều đồng thời cùng hướng và ngược hướng.
Một bộ tách bỏ đi ánh sáng bơm thừa khỏi sợi truyền dẫn. Bộ cách ly (isolator) ngăn không cho ánh sáng phản xạ ngược xâm nhập vào sợi bộ khuếch đại, nếu không ánh sáng này cũng sẽ được khuếch đại, có thể biến bộ khuếch đại thành một laser và tăng mức nhiễu. Thành phần nữa là một bộ lọc có nhiệm vụ tách bất cứ phần công suất ánh sáng dư thừa nào khỏi tín hiệu thông tin.
Khuếch đại trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium xảy ra qua cơ chế của phát xạ kích thích. Năng lượng từ tín hiệu bơm kích thích các ion erbium lên dải năng lượng cao. Tín hiệu thông tin kích thích sự chuyển các ion bị kích thích về dải năng lượng thấp hơn. Những sự chuyển đổi này dẫn tới sự phát xạ các photon cùng năng lượng – đó là, cùng bước sóng – mà tín hiệu đầu vào có. Vì một bộ khuếch đại pha tạp erbium có băng thông độ lợi khá rộng, nó có thể khuếch đại nhiều bước sóng (nhiều kênh) đồng thời. Các tín hiệu được khuếch đại (các kênh cách nhau về bước sóng) và nhiễu của một EDFA được chỉ ra trong hình 2.2.1.2
Hình 2.2.1.2 Các kênh WDM được khuếch đại.
Bộ khuếch đại sợi thường là một thiết bị một chiều, như trong hình 2.2.1.3. Tuy nhiên, một bộ khuếch đại sinh ra tạp âm của chính nó (thêm vào với khuếch đại
Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang
nhiễu đến cùng tín hiệu) và nhiễu này truyền theo cả 2 hướng trong sợi. Đây là nguyên nhân khiến người ta phải dùng bộ cách ly quang (isolator) ở cổng vào của bộ khuếch đại quang sợi
Hình 2.2.1.3 Tín hiệu và nhiễu trong bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium.
2.2.2 Biểu đồ mức năng lượng
Vì hoạt động của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dựa trên cơ chế phát xạ kích thích, nên trước hết chúng ta xét biểu đồ mức năng lượng của một môi trường tích cực. Các ion erbium tự do ở rời rạc ở các mức năng lượng. Khi các ion erbium kết hợp vào trong một sợi silica, mỗi mức năng lượng của nó chia thành một số mức gần nhau do đó chúng ta có thể xem chúng là một dải năng lượng
Trong một EDFA, phân các mức năng lượng thành các dải năng lượng là có lợi. Đầu tiên và trước nhất, nó cho bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium khả năng khuếch đại không chỉ một bước sóng đơn mà là một tập các bước sóng. Thứ hai, nó loại trừ nhu cầu tinh chỉnh (fine-tune) một bước sóng bơm.
Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang
Các mức (dải) năng lượng quan trọng nhất của ion erbium kết hợp vào một sợi silica được chỉ ra trong hình 2.2.2.1 Sự chuyển đổi giữa mức (2) (dải trung gian) và mức (1) (dải thấp hơn) xảy ra ở một tập các bước sóng xung quanh 1550 nm, trong đó sợi silica cho mức suy hao tối thiểu. Sự trùng hợp ngẫu nhiên này khiến bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium được sử dụng rộng rãi. Trong hình 2.2.2.1, ta thấy độ rộng của các dải năng lượng xác định khả năng của EDFA khuếch đại khoảng bước sóng từ 1500nm tới hơn 1600 nm.