VII: Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM
2: Đặc tính của EDFA
2.2: Đặc tính tạp âm nhiễu
Trong sợi pha tạp Erbium, các photon bức xạ tự phát có pha và hướng ngẫu nhiên. Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang, lan truyền dọc theo li sợi v được khuếch đại thành các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu quang. Tạp âm của EDFA chủ yếu có 4 loại:
- Tạp m tn hạt của tín hiệu quang;
- Tạp âm tán hạt bức xạ tự phát bị khuếch đại (ASE); - Tạp m phch giữa quang phổ ASE v tín hiệu;
Trong 4 tạp m trên có 2 loại tạp âm thứ 3 và thứ 4 có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt tạp âm thứ 3 là nhân tố quang trọng quyết định tính năng của EDFA.
Ngồi ra cịn cĩ nhiễu bắn cĩ nguồn gốc pht sinh thời gian đến của các photon tại bộ tách quang không giống nhau và do tốc độ chuển động và số lượng các hạt tải điện qua tiếp giáp P-N của bộ tách quang thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian. Bộ khuếch đại quang đặt trước diode tách quang nên nó là một trong các nguồn sinh ra nhiễu bắn.
Nguồn gốc của nhiễu trong các bộ khuếch đại quang:
Gọi Nm(0), Nm(L) là mật độ photon ở ng vo v tại ng ra của bộ khuếch đại, G là hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại.
Mật độ photon ở ng ra của bộ khuếch đại được cho như sau:
Nm(L) = GNm(0) + nsp(G - 1)
Trong vế phải của (2.1), thành phần thứ nhất tương ứng với tín hiệu được khuếch đại, cịn thnh phần thứ 2 tương ứng với phát xạ tự phát được khuếch đại hay nhiễu ở ng ra của bộ khuếch đại. Ta tính tốn cơng suất nhiễu tại ng ra cho mode ny v tính số mode trong dải tần số ru để thu được công suất nhiễu ở ng ra trong băng thông ru xung quang tần số u khi đó hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại là G:
PASE = nsp(G-1)huDu
Phương trình l phương trình cơ bản trong việc tính nhiễu trong hệ thống
khuếch đại quang, nó cũng được dùng nhiều trong phần tính toán thiết kế của đồ án. Một chú ý quan trọng l biểu thức tính PASE trong phương trình cần nhn thm một hệ số mt để thu được tổng công suất nhiễu ASE.
Nhiễu tại ng ra bộ khuếch đại quang:
Trong các hệ thống thông tin ánh sáng dùng các bộ khuếch đại quang, tín hiệu quang được biễn đổi sang tín hiệu điện ở cuối đường truyền. Các bộ tách sóng sẽ biến đổi các photon thành electron, phát xạ tự phát tồn tại trong bộ khuếch đại quang sẽ gây ra sự gia tăng đối với tín hiệu điện, đó được xem như là nhiễu, nó hoàn toàn ngẫu nhiên chứ không chứa thông tin. Điện trường tổng cộng ở bộ tách sóng bằng tổng các trường của ánh sáng phát xạ tự phát và ánh sáng tín hiệu:
rrr
E tot = E sig + E spont
Dịng photodiode được tạo ra tại ng thu:
r2r2r r*r* ræeö
I » E sig + E spont + E sig E spont + E sig E spont ç ÷ è hv ø
Thành phần đầu tiên là cường độ tín hiệu. Các thành phần tiếp theo tương ứng với nhiễu. Thành phần thứ 2 tương ứng với sản phẩm của điện trường phát xạ tự phát với bản thân nó và gọi là thành phần nhiễu pha tự phát - tự phát (sp - sp). Thành
phần cịn lại l sản phẩm của điện trường tín hiệu và điện trường phát xạ tự phát, được gọi là thành phần nhiễu pha tín hiệu - tự phát (s - sp). Dấu (*) để chỉ các thành phần phức bù.
Ch ý: Để tính phổ công suất của mỗi thành phần ta sẽ đi phân tích Fourier của mỗi thành phần, phần này đồ án sẽ tính kỹ hơn ở chương sau trong trường hợp EDFA được sử dụng làm bộ khuếch đại đường truyền (LA).
Tính tỷ số nhiễu NF (Noise Figure)
Trong bộ khuếch đại quang, tỷ số nhiễu được đưa ra nhằm đánh giá chất lượng của bộ khuếch đại quang. Nó được định nghĩa:
SNRIN
NF=
SRNOUT
Với SRNin, SRNout: Tỷ số tín hiệu trn nghiễu ở đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại. Qua quá trình tính tốn NF được cho như sau:
G -1 1 nsp (G -1) e(2B0 - Be ) 2(G -1)nspeB0
NF = 2nsp+++ 2 GGG IsG2 I s
2
Từ (3.6) ta thấy khi G>>1, công suất đầu vào cao và băng thông quang đủ nhỏ thì NF ~ 2nsp. Trong trường hợp lý tưởng, nsp=1 và do đó NF=2(dB). Các bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium có thể đạt được tỷ số nhiễu giới hạn là 3dB.
3.3.1.3 Đặc tính công suất ra:
Với bộ khuếch đại quang lý tưởng không kể công suất vào cao bao nhiêu, tín hiệu quang đề được khuếch đại theo tỷ lệ như nhau. Nhưng thực tế không phải như vậy, khi công suất vào tăng lên, bức xạ bị kích thích tăng nhanh, giảm số hạt chuyển động ngược lại, quang bức xạ bị kích thích yếu đi, dẫn đến bo hịa tăng ích, công suất phát có xu hướng ổn định. Bo hịa tăng ích là đặc tính là hệ số khuếch đại giảm khi tín hiệu vào tăng. Đặc tính bo hịa tăng ích là đặc tính vô cùng quan trọng do ccông suất đầu ra của bộ khuếch đại liên quan đến cự ly truyền dẫn và cự ly trạm lặp hoặc làm tăng số đầu ra trong cấu hình phn phối sợi quang. Hình 3.10 thể hiện mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra trong EDFA.