III. Linh kiện thu quang (tách sóng quang)
Kỹ thuật khuếch đại quang
WDMBộ cách ly Coupler Bộ cách ly
Bộ cách ly Coupler Bộ cách ly Output EDFA Laser bơm Laser bơm Input Bơm Tín hiệu Công suất
4.3.3 Các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA.
A) Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang sợi.
Hệ số khuếch đại công suất ra và nhiễu khuếch đại là các đặc tính quan trọng nhất của EDFA trong việc dùng nó trong hệ thống thông tin. Hệ số khuếch đại. Có nghĩa là tỷ số giữa công suất tín hiệu ra và công suất tín hiệu vào ở bớc sóng 1530nm và 1550nm mà tại đó EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất. Công suất bơm tối thiểu cần thiết để đạt đợc hệ số khuếch đại cao nhất chính là mấu chốt của việc sử dụng EDFA vào thực tiễn. Với công suất nh vậy thì khả năng của một diot laser bán dẫn hoạt động với hàng trăm mA dòng một chiều là vừa đủ.
Sự bão hoà xảy ra khi công suất tín hiệu lớn trong EDFA là giảm hệ số khuếch đại, bởi vậy nó giới hạn công suất ra của bộ khuếch đại. Sự bão hoà hệ số khuếch đại này xuất hiện khi công suất tín hiệu tăng lên một lợng lớn và gây ra bức xạ kích thích ở một tỷ lệ cao và do đó làm giảm sự nghịch đảo độ tích luỹ, điều đó có nghĩa là có cá ion Erbium kích thích giảm một cách đáng kể. Đối với các hệ thống laser ba mức, công suất bão hoà tín hiệu ra (công suất tín hiệu ra mà ở đó hệ số khuếch đại bị giảm đi 3dB, đối với khi khuếch đại tín hiệu nhỏ) tỷ lệ với sông suất hạn chế do công suất bơm và công suất tín hiệu ra bị hạn chế bởi công suất bão hoà.
Công suất tín hiệu ra bị giới hạn do công suất sẵn có. Các bộ khuếch đại bão hoà cao có thể đổi photon bơm thành photon tín hiệu với hiệu suất đạt đợc v- ợt 90%. Bộ khuếch đại quang làm giả chất lợng của tín hiệu do nhiễu gây ra do có bức xạ kích thích đợc khuếch đại lên. Trong các bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao lý tởng, chỉ số nhiễu (tỷ lệ tín hiệu nhiễu ở đầu vào chia cho tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đầu ra là) 3dB, đối với EDFA thì chỉ số nhiễu đã tiến gần tới giới hạn lợng tử. Trong các bộ khuếch đại bão hoà có độ nghịch đảo thấp thì chỉ số nhiễu có thể trở nên xấu hơn (ảnh hởng nhiều đến chất lợng tốc độ hơn).
Bảng 4.2 biểu thị các loại sợi SiO2/GeO2 và SiO2/Al2O3 có thể cho phép tạo ra bộ khuếch đại quang sợi có hiệu quả cao.
Loại sợi NA Bớc sóng bơm λbơm (nm) Công suất bơm Pbơm(mW) Hệ số khuếch đại G(dB) G/Pbơm (DB/mW)
SiO2/GeO 2 SiO2/GeO 2 SiO2/Al2O 3 SiO2/Al2O 3 SiO2/Al2O 3 SiO2/GeO 2 SiO2/GeO 2 SiO2/Al2O 3 0,16 0,16 0,18 0,14 0,14 0,2 0,3 0,12 532 980 514 514 528 665 807 1490 25 10,5 100 100 100 100 20 14 34 24 22 16 31 26 8 2 1,35 2,2 0,22 0,16 0,31 0,26 0,4 0,14
B) Các mẫu lý thuyết và thiết kế tối u.
Các mẫu lý thuyết dựa trên ba mức nh ở hình 4.5. Mộu ba mức đã đợc dùng để phân tích thiết kế tối u cho EDFA. Trong hệ thống Erbium 3 mức, các ion nằm ở trạng thái cơ bản làm giả khả năng của EDFA vì chúng hấp thụ công suất tín hiệu.
Tỷ lệ mà ở đó Erbium đợc tăng cờng lên trạng thái kích thích tỷ lệ với c- ờng độ bơm ( có nghĩa là công suất bơm trên một đơn vị diện tích). Để cực đại hoá tỷ lệ các ion bơm trong khi giảm công suất bơm thì đòi hỏi cả công suất bơm và các nguyên tử Erbium cần phải đợc giới hạn trong một vùng tiết diện ngang có thể. Một số mẫu cụ thể đã chỉ ra rằng điều này có thể thực hiện một cách có hiệu quả bằng cách tăng độ chênh lệch chỉ số chiết suất của lõi và lớp vỏ sợi bằng cách giảm kích thớc của ruột Erbium. Đỗi với EDFA thì sự khác biệt chỉ số chiết suất là 0,04 (lớn hơn 10 lần so với sợi quang đơn mode chuẩn) và đ- ờng kính lõi là 2àm (nhỏ hơn 4 lần so với sợi quang đơn mode chuẩn) có mode quang rất nhỏ đờng cong hệ số khuếch đại chỉ rõ yêu cầu công suất bơm thấp thì hiệu suất sử dụng EDFA cao.
Sự tập trung Erbium vào việc lựa chọn các chất thêm vào trong lõi EDFA là rất quan trọng. Ví dụ nh bằng cách thêm Al (nhôm) vào trong lõi thì nó mở rộng và làm phẳng phổ khuếch đại. Nếu Erbium đợc tập trung với nồng độ càng cao thì hệ số khuếch đại của EDFA càng lớn ứng với mỗi đơn vị độ dài của đoạn
sợi EDFA cần phải sử dụng càng ngắn. Nếu sự tập trung của Erbium là quá cao ( lớn hơn
Đối với lõi có nhôm hoặc là đối với lõi có pha Germanium) thì chúng sẽ kết cụm lại với nhau làm giảm tính năng của sợi.
C) Dải đông khuyếch đại, nhiễu xuyên âm và độ nhạy phân cực của EDFA.
Tín hiệu thông tin trong hệ thống truyền dẫn sóng ánh sáng đợc gửi đi bằng cách điều biến công suất bức xạ từ laser bán dẫn. Yêu cầu của các thiết bị đặt giữa bộ phát và bộ thu quang là không đợc gây méo tín hiệu. Sự méo tín hiệu gây ra do các bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại biến đổi. EDFA có thể làm triệt tiêu sự dao động của hệ số khuếch đại. Bởi vì thời gian phân huỷ ngẫu nhiên ở trạng thái kích thích có thời gian sống rất dài, sự bão hoà hệ số khuếch đại rất thấp. Điển hình là phải mất 0,1 tới 1ms để làm giảm hệ số khuếch đại sau khi tín hiệu bão hoà đợc đa vào trong EDFA. Vì khoảng thời gian này là quá dài so với chu kỳ xung trong các tín hiệu Gêgabít và sự điều biến tín hiệu trong các hệ thống analog, cho nên EDFA làm méo tín hiệu và nhiễu xuyên âm rất bé.
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang không bị ảnh hởng của sự phân cực tín hiệu vào. Mặt khác tín hiệu có thể bị méo và nhiễu nhiều hơn khi có độ phân cực trong sợi quang truyền dẫn bị biến đổi ngẫu nhiên với thời gian. Hệ số khuếch đại không phụ thuộc vào độ phân cực của khuếch đại là do sự phân bố đối xứng tròn của sợi dẫn quang và hớng ngẫu nhiên của các ion Erbium trong sợi quang.
D) Nguồn bơm và các thiết bị thụ động cho EDFA.
Nguồn bơm có hiệu quả cao ở cả hai bớc sóng 980 và 1480nm. Để có hệ số khuếch đại hơn 20 dB thì cần tạo ra nguồn bơm từ 10 đến 100 mW để đảm bảo cho công suất ra đủ lớn. Chỉ số nhiễu lợng tử giới hạn là 3dB đạt đợc ở bớc sóng 980nm. Nhng đối với bớc sóng 1480nm thì chỉ số nhiễu là vào khoảng 4dB vì sự hấp thụ bơm và độ rộng băng tín hiệu là nh nhau nhng sự bức xạ kích thích do ánh sáng bơm đã giới hạn sự nghịch đảo tích luỹ.
Laser diot bán dẫn dùng để bơm cho EDFA có thể bức xạ hàng trăm mW ở cả hai bớc sóng 980 và 1480nm. Đối với các diot laser thì chỉ cần điện áp tiếp xúc nhỏ và bởi vậy làm giảm nguồn nuôi theo yêu cầu. Hiện tại thì bơm bớc sóng 1480nm đợc sử dụng rộng rãi hơn vì chúng sẵn có hơn và độ tin cậy cao hơn. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó dùng để bơm cho
319/ 19/ 10 cm−
khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Các thiết bị công suất đòi hỏi công suất bơm cao nhất và độ ổn định của chúng là mấu chốt trong quá trình nghiên cứu và phát triển chúng. Nừu tăng đợc độ ổn định của laser diot có bớc sóng 980nm tì có thể chúng sẽ đợc chọn làm nguồn bơm.
Nguồn bơm và tín hiệu đợc ghép với nhau bằng bộ ghép bớc sóng đợc chỉ ra trên hình 4.6. Thiết bị ghép ở đây dùng các thấu kính để ghép ánh sáng vào và ánh sáng ra của sợi. Nó bao gồm các gơng và bộ lọc tích hợp. Trong các bộ ghép bớc sóng (WDM) này, năng lợng bơm và tín hiệu tổn hao khoảng <0,5dB.
Bảng 5.3 so sánh các công nghệ ghép bớc sóng.
Tham số Hàn sợi Điện môi Cách tử
Suy hao xen,dB < 0,2dB < 0,1dB < 0,3dB
Độ nhạy phân cực, dB < 0,2dB Không Không
Giá thành Thấp Trung bình Trung bình
Độ ổn định nhiệt,nm/°C 0,005 0,05 0,007
Chế tạo Đơn giản Công nghệ cao Công nghệ cao
Kích thớc 10ì10ì80 8ì8ì60 10ì10ì80
Sự hồi tiếp từ hiện tợng phản xạ ở hai mặt của các bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao có thể sinh ra sự dao động và làm giảm khả năng chống nhiễu của hệ thống. Nếu đặt vào trong đờng truyền này một bộ cách ly quang (Isolator) nh ta đã chỉ ra ở hình 5.6 thì có thể làm triệt tiêu sự phản xạ này. Các bộ cách ly quang thờng làm giảm ánh sáng phản xạ đi khoảng 35dB trong khi đó chỉ tổn hao cho tín hiệu truyền qua là 1dB.
E) Hệ thống sử dụng EDFA.
Dựa vào khả năng và kinh tế mà ngời ta quyết định đặt bộ khuếch đại quang vào chỗ nào trong hệ thống. Tính kinh tế của hệ thống hầu nh quyết định việc lắp đặt và sử dụng khuếch đại quang cần phải rẻ hơn so với việc áp dụng các công nghệ khác, nếu không khuếch đại quang sẽ không đợc dùng trên hệ thống thông tin quang.
Khi đợc ứng dụng trên hệ thống, EDFA cần một số các dịch vụ và kênh giám sát, theo dõi làm cho chúng trở nên linh hoạt và mềm dẻo đối với các trạm lặp ở xa. Các bộ khuếch đại quang ở đây có thể đợc dùng làm các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát hoặc đóng vai trò nh bộ tiền khuếch đại ở đầu thu hay làm khuếch đại trung gian ( trạm lặp) trên đờng truyền quang.
Khi là bộ khuếch đại công suất ở phía phát thì công suất là 16 dB, và khi là tiền khuếch đại, độ nhạy ở phía thu đạt đợc là (-41dB). EDFA có thể thay thế các trạm lặp thông thờng trên đờng trên và có những đặc điểm sau:
• EDFA không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi (bộ biến
đổi O/E và E/O). Nh vậy mạch sẽ trở nên linh hoạt hơn.
• EDFA có cấu trúc rất nhỏ nên có thể lắp đặt nhiều EDFA trong
cùng một trạm. Nh vậy sẽ làm cho hệ thống trở nên linh hoạt hơn.
• Công suất nguồn nuôi nhỏ nên khi áp dụng cho các tuyến thông
tin quang vợt biển, cáp sẽ có cấu trúc nhỏ và nhẹ hơn cáp thông thờng.
• Hạ giá thành của hệ thống do cấu trúc đơn giản của EDFA, cáp có trọng lợng nhỏ, kéo dài khoảng lặp và nâng cao dung lợng truyền dẫn.
ở hình 5.7 biểu diễn một hệ thống truyền dẫn quang có tốc độ 2,5Gbit/s với cự ly 318km có sử dụng EDFA. Các nhà khai thác rất quan tâm tới khả năng kinh tế của EDFA. Nh ta đã biết các kênh hoạt động ở bớc sóng 1550nm thì có thể đạt tốc độ lên đến 2,5Gbit/s. Vì EDFA có khả năng khuếch đại nhiều bớc sóng trong cùng một sợi cho nên có khả năng tăng dung lợng tốc độ khi sử dụng kỹ thuật ghép bớc sóng quang (WDM) tới 10 đến 20Gbit/s. Nh vậy EDFA có thể thay thể cho nhiều trạm lặp (mỗi trạm lặp thông thờng chỉ khuếch đại một bớc sóng) đồng thời tại một kênh có thể dùng kỹ thuật WDM.
Đối với mạng nội hạt thì khuếch đại quang đợc dùng để phục hồi tín hiệu bị suy hao khi đi qua các bộ rẽ quang, bộ lọc. Hiện nay cáp truyền hình (CATV) đợc sử dụng trong cự ly khoảng 10 đến 20km. Chất lợng phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn, với việc áp dụng các bộ khuếch đại quang thì cự ly này có thể lên tới 40km vì cáp truyền hình truyền dẫn tín hiệu tơng tự nên nó yêu cầu cao về tạp âm và méo tín hiệu. EDFA có thể thoả mãn yêu cầu đó của cáp truyền hình với phổ khuếch đại phẳng, công suất bão hoà cao, tạp âm và mức xuyên âm thấp.
Tính u việt của bộ khuếch đại quang sợi EDFA thể hiện rõ nét trong hệ thống quang biển. Khả năng ứng dụng của khuếch đại quang vào hệ thống cáp quang dới biển đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trong nhiều năm nay. Ta đã biết rằng khi tăng tốc độ bít trong hệ thống cáp quang dới biển đòi
hỏi phải thiết kế trạm lặp và thiết bị đầu cuối. Nhng nếu sử dụng trong hệ thống khuếch đại quang thì chỉ có thiết bị đầu cuối trên mặt đất là phải cải tiến còn lại phần cáp quang biển thì vẫn giữ nguyên. Điều này đã làm cho cáp quang biển trở nên “mềm dẻo” hơn khi thiết kế và vận hành.
Chơng V
Kỹ thuật ghép kênh quang
Trong kỹ thuật truyền dẫn số, chúng ta đã quen với kỹ thuật ghép kênh tín hiệu điện, các luồng tín hiệu ở cấp thấp sẽ đợc ghép lại với nhau để tạo nên các luồng tín hiệu cấp cao hơn. Trong vài năm trờ lại đây, công nghệ thông tin quan đã đạt đợc nhiều tiến bộ đáng kể. Trong nhng tiến bộ đã đạt đợc, phải kể đến kỹ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền trên sợi dẫn quang. ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có một quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đờng truyền đạt tới một mức nào đó ngời ta đã thấy các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc đột ruyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng chực Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng đợc xung tín hiệu cực ký hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Do đó, kỹ thuật ghép kênh quang đã ra đời cùng khắc phục đ-
ợc nhứng hạn chế trên. Các phần tử quang trọng thiết bị sẽ đóng vai trò chủ đạo trong việc thay thế hoạt động của các phần tử điện ở các vị trí xung yếu đòi hỏi kỹ thuật sử lý tín hiệu nhanh. Kỹ thuật ghép kênh quang là ghép bớc sóng quang (WDM - Wavelenghth Division Multiplexing), ghép kênh quang theo tần số (OFDM - Optical Frequency Division Multiplexing) và ghép kênh quang theo thời gian (OTDM - Optical Time Division Multiplexing).