III. Linh kiện thu quang (tách sóng quang)
Kỹ thuật khuếch đại quang
5.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA.
EDFA đợc trình diễn vào năm 1987 và nó đợc liên tục hoàn thiện một cách nhanh chóng, tới nay nó đã đợc khai thác ở nhiều tuyến thông tin quang: chúng đợc dùng để thay thế các trạm lặp thông thờng (có biến đổi Quang – Điện và Điện – Quang) trong nhiều trờng hợp nh:
Các bộ khuếch đại tăng cờng để tăng công suất truyền dẫn và do đó tăng đợc cự ly truyền dẫn hoặc là để bù vào những tổn hao trong khả năng truyền dẫn.
Dùng làm các bộ tiền khuếch đại để tăng độ nhạy thu. ở đây, các trạm lặp đợc đặt trớc bộ thu quang để tăng cờng độ của tín hiệu vào bộ tách sóng. Nh vậy độ nhạy thu sẽ tăng lên và giải pháp này rất có hiệu quả trong các hệ thống truyền dẫn khoảng cách xa.
EDFA làm việc ở bớc sóng 1550nm với hệ số khuếch đại cao, công suất ra lớn và nhiễu thấp. Để cho các EDFA hoạt động trên các hệ thống thông tin quang thì cần có một nguồn bơm. Các diot laser bán dẫn công suất cao là các nguồn bơm thức tế để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA. EDFA là một đoạn cáp mà có thể nối liền với các sợi dẫn quang truyền dẫn với suy hao do hàn nối tiếp xúc không quá 1dB.
Hệ số khuếch đại của EDFA không bị ảnh hởng do phân cực của ánh sáng. Bởi vì hệ số bão hoà xảy ra trong EDFA trong một khoảng thời gian khá dài do đó không tạo ra nhiễu xuyên âm khi truyền tín hiệu với tốc độ cao. Sau đây ta sẽ đề cập đến các đặc tính của EDFA mà làm cho chúng có ý nghĩa thực tiễn trong hệ thống thông tin quang.
EDFA bao gồm một đoạn ngắn sợi cáp quang mà lõi của chúng đợc pha trộn ít hơn 0,1% Erbium, là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Nh đã chỉ ra ở hình 3.6, các ion Eribium đợc bơm tới một mức năng lợng phía trên do sự hấp thụ ánh sáng từ một nguồn bơm. Chẳng hạn ở bớc sóng 1480nm. Sự dịch chuyển của điện tử từ mức năng lợng cao này xuống mức năng lợng cơ bản phát ra một photon, photon này đợc bức xạ có thể là do hiện tợng bức xạ tự phát ( sự phân huỷ tự nhiên của các ion kích thích mà không có bất cứ một tác động khác nào chen vào) hay bức xạ kích thích (do sự có mặt của các photon có chứa năng lợng bằng năng lợng dịch chuyển, kích thích sự phát xạ và tạo thêm các photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng). Các photon tín hiệu trong EDFA kích thích sự ”tái định c” ở trạng thái kích thích và khuếch đại tín hiệu. Thời gian sống của điện tử ở mức năng lợng cao vào khoảng 10ns đảm bảo rằng thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ion Erbium đợi để đợc khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ kích thích.
Hình 5.4 so sánh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông th- ờng dùng trong truyền dẫn. Sự hấp thụ quang xảy ra trong các loại cáp thông th- ờng là thấp ở dải bớc sóng tập trung vào khoảng 1550nm nơi mà sự hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km; có nghĩa là khoảng 5% lợng ánh sáng truyền qua bị hấp thụ trong 1km. Ngợc lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100 phần triệu ở trong lõi có thể gây ra sự hấp thụ là khoảng 2dB/mét ở bớc sóng bơm.
Suy hao sợi thư ờng (dB/ km) Hấp thụ khuếch đại sợi Erbium (dB/m) 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,0 2,0 0,2 0,1 0,1 0,2 1,0 2,0
Hình 5.4 Phổ hấp thụ của sợi quang thông thường và sợi quang Erbium Mức kích thích Phân rã không bức xạ Mức siêu bền Tín hiệu được khuếch đại Tín hiêu tới Signal photon Bơm năng lư
ợng
λ =980nm
Sự hấp thụ ánh sáng bơm kích thích các ion Erbium mà chúng tích trữ năng lợng sẽ xảy ra cho đến khi có một photon tín hiệu kích thích sự chuyển đổi thành một ion tín hiệu khác một cách lý tởng. Nh ở hình 5.5 và hình 5.6 đã chỉ ra sợi Erbium có thể đợc bơm với vài bớc sóng khác nhau; ở đây, sự hấp thụ các vùng bớc sóng 980nm và 1480nm là có hiệu quả nhất.
Hình 5.6 chỉ ra cấu trúc của một tổ hợp EDFA. Sợi quang có pha trộn nguyên tố Erbium đợc nối ghép với sợi quang bình thờng và có thể ghép với các thiết bị khác.
ánh sáng bơm đợc kết hợp với tín hiệu vào nhờ sử dụng bộ ghép bớc
sóng quang WDM trên hệ thống. ánh sáng bơm đợc truyền dọc theo sợi có pha Erbium và hấp thụ khi các ion Erbium đợc đa về trạng thái kích thích.
Khi tín hiệu đợc truyền vào bộ EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kích thích, do vậy nó khuếch đại công suất tín hiệu.