Hệ số khuếch đại của EDFA

Hệ số khuếch đại là một trong những tham số quan trọng của bộ khuếch đại EDFA. Hệ số khuếch đại của EDFA được xem là tỉ số giữa cụng suất tớn hiệu ra và cụng suất tớn hiệu vào chủ yếu tại hai bước súng 1530nm và 1550nm là hai bước súng mà tại đú EDFA phụ thuộc nhiều vào cỏc tham số của bộ khuếch đại như: cụng suất bơm, cụng suất tớn hiệu vào, chiều dài bộ khuếch đại, bỏn kớnh lừi sợi Erbium… sau đõy ta sẽ xem xột một số tham số anh hưởng đú.

a. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào cụng suất và bước súng bơm

Nhỡn chung độ khuếch đại tớn hiệu lỳc đầu tăng mạnh (theo hàm mũ) theo chiều tăng của cụng suất bơm. Độ tăng nay giảm dần khi cụng suất bơm đạt tới một giới hạn nào đú. Chế độ sau cựng hệ số khuếch đại hầu như khụng tăng cho dự cú tăng cụng suất bơm. Trường hợp này tương ứng khi mà hầu hết cỏc ion Er3+ được kớch thớch tơi mức 4I13/2 dọc theo toàn bộ độ dài sợi. Hệ số khuếch đại lớn nhất của bộ khuếch đại (đơn vị dB/mW) là một đường thẳng qua gốc tọa độ tiếp tuyến với đường cong khuếch đại như hỡnh 2.15. Từ hỡnh 2.15, ta thấy sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào độ dài sợi EDF. Độ dài sợi tăng thỡ hệ số khuếch đại cũng tăng do số ion Er3+ được kớch thớch nhiều hơn.

Hỡnh 2.15: Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào cụng suất bơm EDFA.

Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào bước súng bơm được nghiờn cứu chủ yếu với hai bước súng bơm là 980nm và 1480nm.

Hỡnh 2.16: Quan hệ giữa độ dài EDF, bước súng bơm với hhẹ số khuếch đại.

Hỡnh 2.16 mụ tả quan hệ giữa độ dài EDF, bước súng bơm và hệ số khuếch đại tớn hiệu tại cụng suất bơm 20mW.

Từ hỡnh vẽ ta thấy với cựng mức tớn hiệu đầu vào (-35dB) để thu được giỏ trị hệ số khuếch đại như nhau thỡ độ dài khuếch đại tối ưu khi bơm ở bước súng 1480nm dài hơn khi bơm ở bước súng 980nm hay núi cỏch khỏc cựng một độ dài sợi, cựng cụng suất bơm thỡ bơm ở bước súng 980nm cú hiệu quả hơn bơm ở

1480nm. Tức là bơm ở bước súng 980nm cho phộp tạo ra bộ khuếch đại EDFA cú hệ số khuếch đại cao hơn với độ dài sợi EDF là ngắn nhất. Tuy nhiờn thực tế phần tiết diện phổ hấp thụ bơm ở bước súng 980nm lại hẹp so với ở bước súng 1480nm, điều này đũi hỏi việc điều khiển bước súng laser phỏt ở vựng 980nm cần đặc biệt quan tõm khi xõy dụng bộ EDFA ổn định.

b. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào cụng suất tớn hiệu quang

Để xem xột sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào cụng suất tớn hiệu ta xột với cỏc chế độ khuếch đại của EDFA

- Chế độ khuếch đại tớn hiệu nhỏ

Hệ số khuếch đại tớn hiệu nhỏ là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại khi nú hoạt động trong chế độ tuyến tớnh nơi mà nú hoàn toàn khụng phụ thuộc vào cụng suất quang tớn hiệu đầu vào tại cụng suất bơm đó cho. Điều này cú nghĩa là vựng tớn hiệu nhỏ tương ứng với cỏc mức cụng suất tớn hiệu đầu vào mà sự khuếch đại tớn hiệu khụng làm giảm hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang EDFA.

Hỡnh 2.17: Hệ số khuếch đại EDFA phụ thuộc vào cụng suất tớn hiệu đầu vào với ba cụng suất bơm khỏc nhau.

Từ hỡnh 2.17, ta thấy khi cụng suất tớn hiệu vào nhỏ thỡ hệ số khuếch đại đạt giỏ trị lớn nhất Gmax (ứng với một giới hạn cụng suất tớn hiệu đầu vào nhất

định). Khi cụng suất tớn hiệu đầu vào tiếp tục tăng vượt qua giới hạn ở trờn thỡ hệ số khuếch đại giảm dần. Lỳc này bộ khuếch đại chuyển sang làm việc ở chế độ bóo hũa do khi cụng suất tớn hiệu đầu vào lớn sẽ kớch thớch toàn bộ cỏc ion Er3+ ở trạng thỏi kớch thớch về trạng thỏi cơ bản nờn khi đó hết thỡ dự cú tiếp tục tăng cụng suất tớn hiệu đầu vào thỡ cũng khụng tăng được số ion Er3+ ở trạng thỏi kớch thớch về trạng thỏi cơ bản tức là cụng suất đầu ra khụng tăng được (đó bóo hũa) tương ứng hệ số khuếch đại sẽ giảm.

Như vậy trong chế độ khuếch đại tớn hiệu nhỏ hệ số khuếch đại là một hằng số. Chế độ này cú nhược điểm là tạp õm lớn, do cụng suất tớn hiệu vào nhỏ khụng kớch thớch được hết cỏc ion Er3+ ở trạng thỏi gần ổn định trở về trạng thỏi cơ bản vỡ vậy làm cho số ion Er3+ trở về trạng thỏi cơ bản một cỏch tự phỏt tăng lờn làm tăng cụng suất tạp õm ASE ở đầu ra. Khi cụng suất tớn hiệu vào quỏ bộ, thỡ đầu ra EDFA cụng suất tạp õm cú thể so sỏnh được với cụng suất tớn hiệu đó khuếch đại làm cho tỉ số tớn/tạp ở đầu ra EDFA suy giảm rất lớn.

- Chế độ khuếch đại bóo hũa

Khi cụng suất tớn hiệu đầu vào tăng sẽ làm tăng cỏc ion Er3+ ở trạng thỏi gần ổn định về trạng thỏi cơ bản. Tuy nhiờn ở một cụng suất bơm nhất định thỡ chỉ cú một lượng nhất định cỏc ion Er3+ bị kớch thớch nhảy lờn mức năng lượng cao do đú tương ứng với nú cũng chỉ cần một lượng photon tớn hiệu vào vừa đủ để kớch thớch toàn bộ cỏc ion Er3+ ở mức năng lượng cao về trạng thỏi cơ bản. Vỡ vậy khi tớn hiệu đầu vào dự cú tăng hơn nữa thỡ cụng suất ra vẫn giữ nguyờn và hệ số khuếch đại bị giảm đi. Chế độ này gọi là chế độ khuếch đại tớn hiệu bóo hũa. Sự bóo hũa khụng chỉ làm giảm hệ số khuếch đại của EDFA mà cũn làm hạn chế cụng suất ra. Ưu điểm của chế độ này là tạp õm đầu ra nhỏ do hầu hết cỏc ion Er3+ ở mức năng lượng cao đó được cỏc photon tớn hiệu vào kớch thớch để chuyển về trạng thỏi cơ bản nờn cú rất ớt cỏc ion Er3+ chuyển về trạng thỏi cơ bản một cỏch tự phỏt tức là cụng suất tạp õm ASE ở đầu ra rất nhỏ.

Mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại với cụng suất tớn hiệu đầu ra thể hiện trờn hỡnh 2.18. Ta thấy khi cụng suất tớn hiệu đầu ra EDFA gần đạt tới giỏ trị bóo

hũa thỡ hệ số khuếch đại giảm rất nhanh tức là cụng suất tớn hiệu ra phụ thuộc vào cụng suất tớn hiệu bóo hũa (là cụng suất mà ở đú hệ số khuếch đại bị giảm 3dB so với hệ số khuếch đại trong chế độ khuếch đại tớn hiệu nhỏ). Cụng suất tớn hiệu bóo hũa lại phụ thuộc vào cụng suất bơm. Cụng suất bơm càng cao thỡ cụng suất tớn hiệu bóo hũa cũng càng cao. Muốn tăng cụng suất ra phải tăng cụng suất bóo hũa tức là tăng cụng suất bơm. Tuy nhiờn cũng khụng thể tăng cụng suất bơm lờn quỏ lớn do hạn chế của nguồn bơm và bước súng bơm.

Hỡnh 2.18: Độ khuếch đại tớn hiệu là hàm số của cụng suất tớn hiệu đầu ra với cỏc cụng suất bơm khỏc nhau.

c. Độ nghiờng và độ dốc khuếch đại

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của EDFA trong thụng tin quang sợi là việc sử dụng nú trong cỏc hệ thống ghộp kờnh quang. Trong cỏc hệ thống ghộp kờnh theo bước súng WDM với cự ly xa, phổ khuếch đại của bộ khuếch đại phải duy trỡ phẳng để trỏnh sự trội lờn về cụng suất của một kờnh nào đú. Sự thay đổi hoặc nghiờng trong phổ khuếch đại xảy ra khi cỏc kờnh ghộp bước súng được thờm vào hoặc rẽ bớt trong chựm tớn hiệu WDM sẽ làm giảm đặc tớnh của cỏc hệ thống thụng tin cú cự ly dài. Ở đõy, sự nghiờng độ khuếch

đại được xỏc định như là tỉ số của sự biến đổi hệ số khuếch đại tại bước súng đo được với sự thay đổi hệ số khuếch đại tại bước súng chuẩn.

Hỡnh 2.19: Độ dốc khuếch đại.

Một khỏi niệm khỏc nữa cũng được quan tõm ở đõy là độ dốc khuếch đại. Cần phải phõn biệt giữa độ dốc khuếch đại tĩnh và độ dốc khuếch đại động. Điểm khỏc nhau giữa độ dốc tĩnh và động là do cú sự thay đổi về mức nghịch đảo bộ khuếch đại phỏt sinh từ sự thay đổi bước súng của tớn hiệu đầu vào bóo hũa mạnh.