Bộ khuếch đại quang

a. Hiệu ứng SPM

2.9 Bộ khuếch đại quang

Khi cha có khuếch đại quang, việc tăng dung lợng bằng giải pháp ghép bớc sóng cha thực sự chứng tỏ tính kinh tế của mình so với các giải pháp tăng dung lợng khác. Đó là do để thực hiện khuếch đại điện (tại các trạm lặp) phải tách tất cả các kênh bớc sóng (nhờ thiết bị DEMUX), biến đổi các kênh bớc sóng này thành tín hiệu điện, khuếch đại từng kênh, biến đổi thành tín hiệu quang sau đó mới lại thực hiện ghép các bớc sóng lại với nhau (nhờ thiết bị MUX). Nh vậy, không những làm cho số lợng thiết bị trên tuyến tăng lên rất nhiều mà còn làm giảm quỹ công suất của tuyến (do suy hao của các thiết bị tách/ghép bớc sóng là tơng đối lớn). Sự ra đời của bộ khuếch đại sợi quang pha Erbium (EDFA) đã làm giảm số trạm lặp trên tuyến rất nhiều, với khả năng khuếch đại đồng thời nhiều bớc sóng, EDFA đặc biệt thích hợp với các hệ thống DWDM.

 EDFA có ba kết cấu cơ bản

- Bơm cùng chiều: Tín hiệu quang và tín hiệu bơm đợc đa vào sợi quang pha Erbium trên cùng một hớng. Hình 2.16. Bơm cùng chiều Đầu vào tín hiệu quang Bộ phối ghép quang Đầu ra tín hiệu quang Bơm quang Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang EDF Bộ lọc quang

- Bơm ngợc chiều: Tín hiệu quang và tín hiệu bơm đợc đa vào sợi quang pha Erbium từ hai hớng khác nhau, còn gọi là bơm sau.

Hình 2.17. Bơm ngợc chiều

- Bơm hai chiều: Kết cấu đồng thời bơm cùng chiều và ngợc chiều.

Hình 2.18. Bơm hai chiều

 EDFA có ba ứng dụng chính là: Khuếch đại công suất (BA), tiền khuếch đại

(PA) và khuếch đại đờng truyền (LA).

- BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn đợc sử dụng ngay sau bộ phát (Tx) để tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất ra tơng đối cao nên BA không có các yêu cầu nghiêm ngặt đối với nhiễu và bộ lọc quang. Tuy nhiên với mức công suất cao, việc sử dụng BA có thể gây nên một số hiệu ứng phi tuyến. Các chức năng khai thác, quản lý và bảo dỡng (OAM) đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với thiết bị phát quang. BA có thể tích hợp với Tx (gọi là OAT), hoặc tách riêng với Tx. - PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, đợc sử dụng ngay trớc bộ thu (Rx) để tăng độ nhạy thu. Sử dụng PA, độ nhạy thu đợc tăng lên đáng kể. Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Rx. Để đạt mức tạp âm thấp, ng- ời ta thờng sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp (nên sử dụng loại bộ lọc có khả năng điều chỉnh bớc sóng trung tâm theo bớc sóng của nguồn phát). PA có thể thích hợp với Rx (gọi là OAR), hoặc tách riêng với Rx.

- LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp đợc sử dụng trên đờng truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Tuỳ theo chiều dài tuyến mà LA có thể đợc dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến. Đối với các hệ

Đầu vào tín hiệu quang Bộ phối ghép quang Đầu ra tín hiệu quang Bơm quang Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang EDF Bộ lọc quang Đầu vào tín hiệu quang Bộ phối ghép quang Đầu ra tín hiệu quang Bơm quang Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang EDF Bộ lọc quang Bơm quang Bộ phối ghép quang

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 (OSC). Kênh giám sát này không đợc quá gần với bớc sóng bơm cũng nh kênh tín hiệu để tránh ảnh hởng giữa các kênh này. Tại mỗi LA, kênh giám sát này đợc chèn thêm các thông tin mới (về trạng thái của LA, các thông tin về cảnh báo), sau đó lại đợc phát lại vào đờng truyền. Về mặt lý thuyết, khoảng cách truyền dẫn lớn (cỡ vài nghìn km) có thể đạt đợc bằng cách chèn thêm các LA vào đờng truyền. Tuy nhiên, trong trờng hợp trên tuyến có nhiều LA liên tiếp nhau chất lợng hệ thống có thể suy giảm nghiêm trọng do các hiện t- ợng nh: Tích luỹ tạp âm, ảnh hởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến. Đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bớc sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ của LA.

Một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống DWDM là phổ khuếch đại không đồng đều (đợc chỉ ra trong hình 2.19), các bớc sóng khác nhau sẽ đợc khuếch đại với các hệ số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại b - ớc sóng 1530 nm. Hơn nữa, trong trờng hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quang bớc sóng 1558 nm. Nh vậy với nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (có thể là từ 35 nm giảm xuống còn 10 nm hoặc nhỏ hơn nữa, tuỳ thuộc vào số bộ khuếch đại quang mắc liên tiếp nhau).

Hình 2.19. Phổ khuếch đại của EDFA

Hiện nay, có các phơng pháp cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA là:

Bước sóng (nm) Đ ộ lợ i ( dB )

Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu đỉnh khuếch đại xung quanh bớc sóng 1530 nm và xung quanh bớc sóng 1558 nm (trong trờng hợp có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền).

Điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bớc sóng sao cho tại đầu thu mức công suất của tất cả các bớc sóng này là nh nhau.

Ngoài ra, trong trờng hợp sử dụng EDFA liên tiếp trên đờng truyền cần phải xem xét đến tạp âm trong các bộ khuếch đại quang, tạp âm trong bộ khuếch đại quang phía trớc sẽ đợc khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang phía sau. Sự khuếch đại và tích luỹ tạp âm này làm cho tỷ số S/N của hệ thống suy giảm nghiêm trọng. Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống dới mức cho phép. Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá cao thì tín hiệu này kết hợp với tạp âm có thể gây hiện tợng bão hoà ở bộ khuếch đại.

 Bơm Laser

Một thành phần quan trọng của bộ EDFA là bơm laser (thiết bị cung cấp nguồn năng lợng mà bộ khuếch đại cộng vào với tín hiệu). Năng lợng bơm đợc phân chia vào giữa tất cả các kênh trong bộ EDFA. Do đó khi số lợng các kênh tăng lên thì công suất bơm laser cũng phải tăng. Các bộ EDFA có khả năng xử lý đợc nhiều kênh thờng đợc thiết kế để sử dụng nhiều hơn một bơm laser.

Cả laser 980 nm và 1480 nm đều phù hợp với việc bơm EDFA bởi vì cả hai b ớc sóng này tơng ứng với các mức năng lợng ion kích thích và do đó đợc sợi quang pha Erbium hấp thụ dễ dàng. Các hệ thống có nhiều kênh và các bộ tiền khuếch đại PA thích hợp với bơm laser ở bớc sóng 980 nm vì các laser này có tạp âm thấp hơn tại các bớc sóng 1480 nm. Tuy nhiên, bớc sóng1480 nm lại cho phép công suất cao hơn và giá thành thấp hơn. Việc chọn lựa hai bớc sóng này là rất khó khăn bởi vì việc bơm laser phải đợc lựa chọn lúc đầu khi xây dựng mạng, trớc khi biết số lợng kênh cuối cùng trong mạng.

Một bộ EDFA bơm một trạng thái có thể cho công suất đầu ra lớn nhất khoảng +16 dBm. Cả hai máy bơm có thể đợc dùng đồng thời để có công suất đầu ra cao nhất, máy bơm EDFA kép có thể cung cấp công suất +26 dBm trong vùng bơm công suất cao nhất. Vùng thấp hơn, gần hệ số tạp âm giới hạn lợng tử cần cho các ứng dụng tiền khuếch đại có thể có đợc bằng việc thiết kế khuếch đại quang nhiều tầng.

Ngoài ra còn có các kỹ thuật khuếch đại quang khác nh khi khuếch đại quang sợi pha Praseodymium (PDFA), trong đó Praseo dymium thay thế Erbium để khuếch đại tín hiệu trong vùng bớc sóng 1310 nm. Nó cho phép nhiễu thấp mặc dù không hiệu quả về mặt năng lợng nh EDFA. Mặc dù sợi quang có sự suy hao lớn hơn ở vùng bớc sóng 1310 nm so với vùng bớc sóng 1550 nm, tán sắc thấp hơn ở vùng bớc sóng 1310 nm và có thể cho công suất laser cao hơn. Tuy nhiên, sợi quang pha Praseodymium nhỏ hơn nhiều sợi quang tiêu chuẩn. Điều này gây ra suy hao tại các mối ghép bởi vì khó mà có đợc ghép nối cơ khí chính xác mà không kèm theo chi phí rất cao. Do vậy, việc sử dụng bộ khuếch đại này còn rất hạn chế. Một loại khuếch đại khác cũng dùng việc cấy ghép thêm hoạt chất là bộ khuếch đại quang sợi pha Thulium (TDFA). Ưu điểm của nó là công suất đầu ra bão hoà cao, hệ số khuếch đại không phụ thuộc phân cực và hệ số tạp âm thấp.

Mặc dù EDFA đã có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng quang hiện nay, nhng chúng vẫn cha thể đáp ứng đợc hết các yêu cầu về độ rộng băng phổ và độ phẳng của phổ khuếch đại.

Nhìn chung, chúng có độ rộng phổ hầu hết khoảng 35 nm (từ 1530 ữ1565 nm), nên gọi băng phổ này là băng C. Với những công nghệ mới ra đời trong thị trờng WDM nh: Các module laser DFB độ rộng phổ cực hẹp, các module quang mới (sợi tán sắc san bằng, tán sắc dịch chuyển O),... tất cả đều đòi hỏi tới một xu hớng vô cùng về độ rộng băng phổ tần khuếch đại.

Điều này đòi hỏi phải cho ra đời các EDFA thế hệ mới với phổ rộng hơn. Sự ra đời của EDFA băng L (băng rộng) đã phá bỏ rào cản về băng tần và mở ra một cửa sổ truyền dẫn WDM mới tại vùng bớc sóng 1590 nm. Loại thiết bị khuếch đại mới này đã giúp giảm thiểu đi các vấn đề nảy sinh đối với mạng truyền dẫn WDM dùng sợi tán sắc dịch chuyển, mà ở đó, vấn đề xuyên kênh tăng rất nhanh bởi tán sắc và khoảng cách kênh bớc sóng gần nhau tại vùng bớc sóng 1550 nm. Nó cũng tạo thêm một cửa sổ truyền dẫn mới với 80 kênh bớc sóng và khoảng cách kênh bớc sóng là 50 GHz cho hệ thống truyền dẫn DWDM.

Nh trên đã phân tích, những tham số quan trọng của một module EDFA là độ khuếch đại G và mức tạp âm NF. Không thể tránh khỏi việc các bộ khuếch đại gây ra nhiễu và tích lũy dọc theo hệ thống. Độ suy giảm tỷ số SNR gây ra bởi các bộ khuếch đại cần đợc xem xét một cách nghiêm ngặt, đặc biệt là khi khuếch đại tín hiệu thấp. Một bộ khuếch đại có mức tạp âm NF bằng 4 dB sẽ gây ra sự suy giảm tỷ

số SNR bằng một nửa so với sự suy giảm gây ra bởi bộ khuếch đại có mức tạp âm 7 dB. Khi đó, do nhiều yếu tố về chất lợng hệ thống, một module khuếch đại cho hệ thống truyền dẫn DWDM sẽ có thể thêm module bù tán sắc, module xen rẽ.

 ứng dụng

Có ba ứng dụng chính của EDFA là: Khuếch đại công suất BA, tiền khuếch đại PA và khuếch đại đờng truyền LA (nh chỉ ra trong hình 2.20).

So với thiết bị đầu cuối thông thờng, việc sử dụng các thiết bị khuếch đại quang (BA, LA, PA) sẽ tăng quỹ công suất lên đáng kể. Với phổ khuếch đại tơng đối rộng (khoảng 35 nm) 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 bớc sóng).

Hình 2.20. Các loại ứng dụng chính của EDFA sử dụng trên mạng

Nhìn chung, sử dụng khuếch đại quang có thể bù lại suy hao trong hệ thống và nh vậy những hệ thống trớc đây bị hạn chế về suy hao thì nay có thể lại bị hạn chế về tán sắc. Trong trờng hợp đó, phải sử dụng một số phơng 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 đờng truyền cũng làm cho việc bảo dỡng trở lên phức tạp hơn. Do đó, mức u tiên sử dụng đối với LA là thấp nhất, chỉ trong trờng hợp khi mà dùng cả BA và PA mà vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về quỹ công suất thì mới yêu cầu sử dụng LA trong hệ thống. Tx Rx Tx Rx Tx Rx Thu quang Phát quang PA BA 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 đợc u tiên sử dụng hơn.

Một trong các hạn chế của EDFA đối với hệ thống DWDM là phổ khuếch đại không đồng đều, các bớc sóng khác nhau sẽ đợc khuếch đại với các hệ số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại bớc sóng 1530 nm. Hơn nữa, trong trờng hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quanh bớc sóng 1558 nm. Nh vậy, với nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại.

 Hiện nay, để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng một số phơng pháp sau:

- Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại: Xung quanh bớc sóng 1558 nm (trong trờng hợp có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền).

- Hoặc điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bớc sóng sao cho tại đầu thu, mức công suất của tất cả các bớc sóng này là nh nhau. Ngoài ra, trong trờng hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền, một vấn đề nữa cũng cần phải xem xét là tạp âm ASE trong các bộ khuếch đại quang: Tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía trớc sẽ đợc 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 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 dới 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 tợng bão hoà ở bộ khuếch đại.

Chơng 3

Các phép đo trong hệ thống DWDM

Hệ thống thông tin quang DWDM có rất nhiều cấu hình khác nhau tuỳ thuộc vào các ứng dụng và tốc độ của hệ thống. Để phục vụ cho mục đích nghiên cứu, tìm hiểu các phép đo trong hệ thống thông tin quang DWDM khuyến nghị G.692 đa ra sơ đồ một hệ thống tham khảo nh chỉ ra trong hình 3.1.

Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống DWDM tham khảo dùng cho các phép đo

- S1 …Sn là các điểm tham chiếu cho sợi quang tại các connector quang đầu ra của máy phát cho các kênh tơng ứng 1 n.…

- RM1 R… Mn là các điểm tham chiếu trong sợi quang trớc đầu vào connector quang của OM/OA cho các kênh tơng ứng 1 n.…

- MPI-S là điểm tham chiếu trong sợi quang ngay sau connector đầu ra OM/OA. - S’ là điểm tham chiếu ngay sau connector đầu ra của OA.

- R’ là điểm tham chiếu trong sợi quang ngay trớc connector đầu vào của OA.

- MPI-R là điểm tham chiếu trên sợi quang ngay trớc connector của đầu vào thiết bị OA/OD.

- SD1 S… Dn là các điểm tham chiếu tại các connector đầu vào quang của thiết bị OA/OD.

- R1 R… n là các điểm tham chiếu tại các đầu vào connector của máy thu quang.

OM/ OA Rxn Rx2 Rx1 O/E/O …λn O/E/O O/E/O Khuyếch đại quang Giao diện tách/ghép bư ớc sóng Đầu ra

bộ phát Đầu vào bộ thu

Đo kiểm tra