a. Tạp õm quang trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA
Tạp õm quang ở đõy muốn núi đến phổ tạp õm quang được đo bằng mỏy phõn tớch phổ quang. Tạp õm quang là tham số quan trọng nhất liờn quan tới cỏc đặc tớnh tạp õm trong cỏc hệ thống cú khuếch đại quang. Khụng bao giờ cú bộ khuếch đại quang lý tưởng, cú nghĩa là luụn tồn tại tạp õm trong cỏc bộ khuếch đại quang. Như đó biết khi nghiờn cứu về cỏc ion Erbium trong sợi EDF của EDFA. Khi cỏc photon bức xạ cú hướng và pha ngẫu nhiờn được giữ lại trong cỏc mode của sợi quang (thường khụng quỏ 1%) chỳng sẽ trở thành một nguồn tạp õm. Tạp õm này sẽ được khuếch đại và sẽ làm suy giảm tỉ số tớn/tạp của tớn hiệu qua bộ khuếch đại (bức xạ tự phỏt được khuếch đại - ASE). Cụng suất tạp õm nhỏ nhất tại đầu ra bộ khuếch đại được xỏc định như sau:
Psp.min = h (G -1)B (2.11) Trong đú: B là một nửa băng tần của bộ khuếch đại quang. h là năng lượng photon. Cụng suất tạp õm đầu ra bộ khuếch đại cú thể đạt được nhỏ nhất sẽ tương ứng với sự khuếch đại của một photon trong băng tần B, bằng một nửa băng tần bộ khuếch đại B0.
Từ cụng thức trờn cú thể xỏc định được cụng suất ASE tổng được lấy ra trờn toàn bộ cỏc mode mà sợi quang đưa ra trong băng tần B0 như sau:
Ở đõy mt là số cỏc mode lan truyền của quỏ trỡnh phõn cực. PASE là cụng suất bức xạ tự phỏt của bộ khuếch đại quang.
Trong cỏc bộ khuếch đại quang thực tế nhất là EDFA tiờu biểu thường cú hai mode lan truyền phõn cực trong bức xạ tự phỏt (mt = 2). Vỡ vậy cụng suất ASE tổng là:
PASE = 2Nsp.h .(G - 1).B0 (2.13) Hệ số bức xạ tự phỏt Nsp được xỏc định như sau:
= (2.14)
Trong đú , lần lượt là tiết diện bức xạ kớch thớch và tiết diện hấp thụ của sợi quang. N1 , N2 lần lượt là mật độ tớch lũy điện tớch ở trạng thỏi nền và ở trạng thỏi siờu bền. Để đơn giản gọi a = , b = là cỏc hàm số của z (vỡ ,
là hàm của trục z hướng dọc theo sợi). Ta cũng giả thiết cỏc hệ số a, b là cỏc hằng số khụng phụ thuộc vào độ dài khuếch đại tức là trong mụi trường bơm đồng dạng ta cú thể viết như sau:
= = (2.15)
Ở đõy = / . Từ hệ số bức xạ tự phỏt ta tớnh được hệ số tạp õm của bộ khuếch đại N(z) xuất hiện trong khi khụng cú tớn hiệu đầu vào được cho như sau:
N(z) = (G - 1) = (G - 1) (2.16)
Kết quả trờn chỉ ra rằng với hệ số khuếch đại G >> 1 thỡ số photon đầu ra ASE trung bỡnh sẽ tương đương với hệ số khuếch đại của cỏc photon mà nú thể hiện một tạp õm đầu ra tương đương.
+ Trong trường hợp nghịch đảo tớch lũy (mụi trường) là õm, tức là
< 0, hệ số khuếch đại G sẽ nhỏ hơn 1 và là õm nhưng cụng suất
tạp õm luụn dương và bằng: =| |(G - 1). (2.17)
+ Trong trường hợp ở mức ngưỡng của nghịch đảo mụi trường, tức là: = 0 thỡ khụng xỏc định nhưng cụng suất tạp õm vẫn được xỏc
định và bằng: = L (2.18)
+ Trong trường hợp nghịch đảo mụi trường là dương,tức là > 0
thỡ .
Trường hợp nghịch đảo mụi trường hoàn toàn, khi mà toàn bộ cỏc nguyờn tử ở trạng thỏi kớch thớch, tức là = 0 thỡ hệ số bức xạ tự phỏt tiến tới giỏ trị nhỏ nhất của nú là 1. Trong trường hợp này cụng suất tạp õm đầu ra giảm tới giỏ trị tạp õm lượng tử được khuếch đại = h (G - 1)B. Như vậy cú thể thấy rằng tạp õm đầu ra bộ khuếch đại quang nhỏ nhất thu được khi đạt được nghịch đảo tớch lũy hoàn toàn trong mụi trường khuếch đại.
Trong thực tế hệ số bức xạ tự phỏt là một sự xỏc định đối với nghịch đảo lũy thừa của bộ khuếch đại. Giỏ trị gần bằng 1 là giỏ trị thấp nhất cú thể thu được. Giỏ trị này cú thể đạt được khi bơm mạnh ở vựng bước súng 980nm (thường = 1ữ4) tương đương với nghịch đảo gần như hoàn toàn ( 0)
trong bộ khuếch đại. Nghịch đảo hoàn toàn, nơi mà = sẽ tạo ra hệ số tạp õm quang bộ nhất.
Sự trụi cụng suất bơm dọc theo sợi pha tạp Erbium sẽ tạo ra nghịch đảo cũng thay đổi. Vỡ vậy hệ số bức xạ tự phỏt phụ thuộc vào sẽ thay đổi theo chiều dài sợi pha tạp. Khi sử dụng bước súng bơm 1480nm thỡ nghịch đảo hoàn toàn khụng thể xảy ra vỡ bơm và tớn hiệu là cựng chung trạng thỏi nền và trạng thỏi kớch thớch. Cỏc photon khụng chỉ được hấp thụ mà cũn tham gia bức xạ kớch thớch. Do đú sẽ khụng cú bất kỡ một khuếch đại nào cú bức xạ hoàn toàn trong trường hợp này và bộ khuếch đại quang được bơm ở bước súng 1480nm là bộ khuếch đại cú hệ số bức xạ cao hơn. Điều này làm tăng trực tiếp hệ số tạp õm trong bộ khuếch đại và đựợc gọi là hệ số tạp õm tự phỏt. Trong quỏ trỡnh tớnh toỏn hệ số tạp õm, nhiều khi cú thể sử dụng mật độ phổ ASE (W/Hz) trong
điều kiện đơn phõn cực h (G - 1).
Từ đõy ta thấy khi độ khuếch đại là đủ lớn thỡ ASE trở nờn đỏng kể. Điều này tạo nờn sự bóo hũa khuếch đại do ASE gõy ra. Vỡ vậy EDFA cũn cú thể ứng dụng như cỏc nguồn tạp õm trong một số trường hợp.
b. Tạp õm cường độ trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium
Tạp õm cường độ đề cập đến sự thăng giỏng về cụng suất hoặc dũng cú liờn quan tới tớn hiệu quang. Loại tạp õm này cú băng tần tiờu biểu tới hàng chục Ghz. Phổ của tạp õm cường độ ỏm chỉ phổ cụng suất của cường độ quang trước khi tỏch súng. Ta sẽ nghiờn cứu một số loại tạp õm cường độ.
- Tạp õm lượng tử:
Nguồn tạp õm phỏt sinh là do tớnh khụng chắc chắn về thời gian đến của cỏc điện tử hoặc cỏc photon tại bộ tỏch súng. Cả tớn hiệu và ASE đều tham gia vào tạp õm. Vỡ súng mang đi tới bộ tỏch súng bao gồm cả tớn hiệu và tạp õm cho nờn cả cụng suất tớn hiệu quang và cụng suất bức xạ tự phỏt ASE đều được thu. Do đú, tạp õm lượng tử trong trường hợp này gồm cả tạp õm lượng tử từ tớn hiệu đầu vào được khuếch đại và tạp õm lượng tử từ bức xạ tự phỏt được khuếch đại.
Tạp õm phỏch tớn hiệu-tự phỏt là do cú sự giao thoa giữa tớn hiệu quang và bức xạ tự phỏt được khuếch đại ASE gõy ra dao động cường độ. Tạp õm này khụng thể trỏnh khỏi khi sử dụng EDFA và nú tham gia đầu tiờn vào tổng tạp õm trong cỏc hệ thống thụng tin cú sử dụng khuếch đại quang. Hỡnh dưới đõy thể hiện quỏ trỡnh phỏch này.
Hỡnh 2.21: Tạp õm phỏch tớn hiệu-tự phỏt.
- Tạp õm phỏch tự phỏt-tự phỏt:
Tạp õm phỏch tự phỏt-tự phỏt là phỏch giữa cỏc thành phần phổ khỏc nhau của thành phần bức xạ tự phỏt ASE dẫn đến tạp õm cường độ. Hỡnh (3-15) mụ tả mỗi một cặp cỏc thành phần phổ ASE phỏt ra một õm sắc phỏch cường độ tại tần số khỏc nhau. Vỡ vậy toàn bộ phổ ASE sẽ đúng gúp vào tạp õm phỏch cường độ tự phỏt-tự phỏt. Nếu như ASE là khụng phõn cực, ASE ở một trong hai phõn cực trực giao sẽ tham gia vào tổng tạp õm phỏch tự phỏt-tự phỏt.
- Tạp õm do phản xạ (tạp õm giao thoa nhiều luồng)
Cỏc phản xạ quang trong bộ khuếch đại quang tạo ra sự biến đổi giao thoa của tạp õm pha laser thành tạp õm cường độ. Tạp õm cường độ sẽ làm suy giảm tỉ số tớn hiệu trờn tạp õm SNR tại bộ thu quang (hỡnh 2.23).
Hỡnh 2.23: Sự phản xạ quang tạo ra tạp õm giao thoa nhiều luồng.
CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA TRONG HỆ THỐNG THễNG TIN QUANG WDM