L ỜI NĨI ĐẦU
4. 3.1 Tổng quan về EDFA
4. 3. 1. 1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA:
Thiết bị EDFA là một dạng của thiết bị khuyếch đại quang sợi OFA (Optical Fibre Amplifier). Cấu tạo của nĩ bao gồm một sợi quang được pha tạp thêm nguyên tố đất hiếm Erbium. Sợi quang sau khi được pha tạp sẽ thay đổi cấu trúc phân tử và trong bản thân sợi quang xuất hiện các mức năng lượng mà tại đĩ Electron được tập trung tại đĩ trong những điều kiện phù hợp. Các mức năng lượng
đĩ được mơ tả cụ thể trong sơđồ sau :
khoảng 0. 1% Erbium. Nguyên lý hoạt động của nĩ như sau : khi các ion Erbium nhận được năng lượng từ nguồn laser bơm (các bước sĩng bơm cĩ thể là 1480 nm hay 980 nm tuỳ theo cấu trúc của EDFA) các điện tử của nĩ được bơm tới mức năng lượng cao hơn chẳng hạn như từ E1 lên E2, E2 là trạng thái khơng bền nên
điện tử sẽ phân rã xuống mức năng lượng thấp hơn là E4.
Nếu thời gian điện tử sống ở mức E3 đủ lớn để các điện tử được nguồn bơm kích thích tập trung lại ở mức năng lượng này thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo mật độ: cĩ nghĩa là mật độ điện tử nằm trên mức năng lượng E2 lớn hơn mật độ của chúng nằm trên mức năng lượng cơ bản E1. Lúc này trong sợi quang sẽ cĩ hiện tượng bức xạ tự phát : điện tử sẽ tự phân huỷ từ mức năng lượng kích thích E2 về mức năng lượng cơ bản E1, quá trình này sẽ giải phĩng ra một photon cĩ tần sốγ = (E2 – E1)/ h hoặc bức xạ kích thích khi điện tửđược kích thích bởi một photon cĩ năng lượng hγ = E2- E1 nĩ cũng sẽ nhảy về mức cơ bản và sinh ra một photon cĩ năng lượng
đúng bằng hγ. Hiện tượng phát xạ kích thích này được ứng dụng làm bộ khuyếch
đại EDFA, khi các photon của tín hiệu quang được đưa vào sợi EDFA trong sợi sẽ
xuất hiện hiện tượng phát xạ kích thích và tín hiệu được khuyếch đại. Các hệ thống EDFA trong thực tếđược mơ tả trong hình sau :
Hình 4. 16: Cấu trúc modul EDFA thực tế
4. 3. 1. 2 Tăng độ cân bằng cho khuyếch đại EDFA
Kể từ khi ra đời vào năm 1987 cho tới nay, EDFA đã cĩ những bước phát triển mạnh mẽ và liên tục được hồn thiện. EDFA đặc biệt phù hợp với các hệ thống truyền dẫn quang WDM bởi nĩ làm việc tại bước sĩng 1550 nm với hệ số khuyếch
đại cao, cơng suất ra lớn và nhiễu thấp. Nĩ cũng được ứng dụng cho các bộ
khuyếch đại Raman …
Tuy nhiên đối với các ứng dụng trong hệ thống truyền dẫn quang WDM, EDFA cũng cĩ những hạn chế đĩ là do cấu trúc mức năng lượng, EDFA cĩ hệ số khuyếch
đại khơng đều nhau đối với các bước sĩng khác nhau của hệ thống WDM, điều này dẫn đến các hệ thống WDM sử dụng khuyếch đại EDFA cĩ chất lượng của các kênh tín hiệu khơng đều nhau ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, do vậy sự cân bằng phổ khuyếch đại của một bộ khuyếch đại rất cần thiết cho việc cân bằng năng lượng giữa các kênh nhằm tránh lỗi các tín hiệu được truyền qua hệ thống truyền dẫn quang. Đã cĩ một số phương pháp sử dụng cho các bộ cân bằng EDFA (các bộ
cân bằng này cĩ thể là cân bằng trong hoặc cân bằng ngồi). Các phương pháp cân bằng trong tạo ra sự thay đổi của các thuộc tính phổ hấp thụ của sợi và phổ ánh sáng truyền qua sợi bằng cách sử dụng các kĩ thuật co –doping đối với các ion. Các phương pháp dựa trên cơ sở các thiết bị lọc được thiết kế với phổ lọc phụ thuộc vào phổ khuyếch đại của EDFA. Các dạng bộ lọc này hiện đã được mơ tả và thực nghiệm. Các dạng thiết bị này cĩ thể được phân chia làm hai loại : đĩ là thiết bị
active (chủ động) với khả năng cấu hình lại do đĩ nĩ cĩ khả năng thay đổi đặc tính phổ tuỳ thuộc vào các hiệu ứng bão hồ, dạng thiết bị passive (thụ động) cĩ đặc tính phổ hồn tồn cốđịnh khơng cĩ khả năng thay đổi.
Các dạng thiết bị active bao gồm : các bộ lọc acousto- optic tunable, Strain- tuneable sử dụng FBG, micro mechanical và bộ lọc quang tích hợp sử dụng cơng nghệ planar. Các dạng thiết bị thụ động Passive bao gồm các dạng : các thiết bị
LPG, FBG, và các bộ lọc sử dụng sợi kích thích pha Samarium.
Tất cả các thiết bị trên đều cĩ các thuộc tính đĩ là khả năng cân bằng khuyếch
đại và giảm suy hao xen (insertion loss). Cấu hình của EDFA sử dụng bộ lọc như
Hình 4. 17: Cấu hình bộ lọc đặt ngồi EDFA
Hình 4. 18: Cấu hình bộ lọc đặt giữa EDFA
Việc lựa chọn cấu hình cũng như loại thiết bị dùng để cân bằng khuyếch đại cho hệ thống EDFA phụ thuộc vào nhiều yếu tố như yêu cầu của hệ thống WDM đang sử dụng, yêu cầu về các thuộc tính kĩ thuật như là suy hao, xuyên âm …. Tuy vậy, trong các hệ thống thực tế hiện nay các thiết bị cân bằng dùng FBG hiện đang rất phát triển và cĩ nhiều ứng dụng rộng rãi và tỏ ra rất phù hợp với các hệ thống WDM bởi độ tin cậy cao và chi phí sản xuất rẻ.
4. 3. 2 Ứng dụng của FBG trong bộ cân bằng khuyếch đại EDFA
Hình 4. 19: EDFA khơng sử dụng và cĩ sử dụng FBG
Hình (4. 19) mơ tả cấu hình EDFA cĩ sử dụng bộ cân bằng và khơng sử dụng bộ
cân bằng khuyếch đại. Trong cấu hình sử dụng bộ cân bằng khuyếch đại, cách tử
Bragg được đặt ngay trước sợi quang pha Erbium nhằm mục đích phản xạ gần như
tồn bộ nhiễu khuyếch đại tự phát ASE quay trở lại sợi EDF nhằm giảm bão hồ gây nên bởi tín hiệu, do vậy đã làm tăng dải biến thiên cơng suất đầu vào. Xét riêng từng cấu hình và so sánh hệ số khuyếch đại của chúng, ta thấy :
• Đối với trường hợp khơng sử dụng FBG:
Theo định nghĩa, hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại là tỉ số cơng suất giữa
đầu ra và đầu vào : (λ) (λ) (λ) out in P G P = (4.5)
đĩ cơng suất ra out(λ)
P là tổng cơng suất của tín hiệu đã được khuyếch đại Ps (λ) và tổng cơng suất ASE trung bình trên cả hai hướng thuận ngược PASE±(λ) :
out(λ) out(λ) (λ) (λ) in(λ) (λ)
s ASE s ASE
P =P +P ± =G P +P ± (4.6)
Như vậy hệ số khuyếch đại của EDFA được tính như sau :
(λ) (λ) (λ) (λ) out ASE in s P P G P ± − = (4.7) Ởđây in(λ) s
P là cơng suất của tín hiệu vào. Ảnh hưởng của gia tăng cơng suất tín hiệu vào in(λ)
s
P đối với hệ số khuyếch đại của EDFA được đặc tả bởi đường cong G(λ)= f ( in(λ)
s
P ). Trong chế độ năng lượng tín hiệu vào nhỏ, đường cong này là tuyến tính nhưng trong chế độ tín hiệu vào lớn đường cong này là phi tuyến và xảy ra hiện tượng bão hồ khuyếch đại. Theo quy định, bão hồ xảy ra khi độ khuyếch
đại của EDFA giảm xuống 3 dB dưới giá trị chưa bão hồ Gmax, hay nĩi cách khác hệ số khuyếch đại của EDFA giảm xuống một nửa [4]. Quan hệ này như sau:
max G ( ) ( ) ( ) 2 out in sat sat P λ P λ = λ (4.8) hoặc: max ( , ) G ( , ) ( , ) 3( ) out in sat sat P λ dB = λ dB +P λ dB − dB (4.9)
Hai tham số Gmax và in( )
sat
P λ hoặc out( )
sat
P λ tương ứng với mỗi cơng suất bơm sẽ quyết định dải rộng thay đổi cơng suất tín hiệu đầu vào của EDFA trong giới hạn: ( ) in s P λ < in( ) sat P λ hoặc out( ) s P λ < out( ) sat P λ (4.10) . Đối với trường hợp EDFA sử dụng FBG:
Trong trường hợp sử dụng FBG, thành phần cơng suất nhiễu ASE hướng ngược
( )
AES P− λ
sẽ bị FBG ngăn chặn và phản xạ ngược trở lại sợi EDF. Khi đĩ cơng suất nhiễu ASE phản xạ bởi FBG ngược trở lại sợi EDF xác định như sau:
ef( ) ( ) ( )
ASE r FBG ASE
P λ R λ P− λ
− = (4.11)
Trong đĩ RFBG(λ) là độ phản xạ của FBG. Sau khi thành phần ASE phản xạ
ngược trở lại từ FBG PASE−ref( )λ nĩ lại trở thành truyền cùng hướng với ánh sáng tín hiệu, khi đĩ cơng suất đầu vào inef( )
r P λ và đầu ra efout( ) r P λ được xác định như sau: ef( ) ef( ) ef( ) ef( ) ( ) ( ) in in in r s r ASE r s r FBG ASE P λ P λ P λ P λ R λ P− λ − − − = + = + ef ( ) ef( ) ef( ) ( ) ef( ) ( ) out out in r s r ASE r FBG r ASE P λ P λ P± λ G λ P λ P± λ − − = + = + (4.12) ef( ) in s r P− λ và outef( ) s r
P− λ là cơng suất tín hiệu đầu vào và đầu ra khi sử dụng FBG. Từ
phương trình (13), (14), (15) suy ra hệ số khuyếch đại trong trường hợp sử dụng FBG như sau: ef ef FBG in in ef ef (λ) (λ) (λ) (λ) G ( ) (λ) (λ) ( ) ( ) out out r ASE r ASE r s r FBG ASE P P P P P P R P λ λ λ ± ± − − − − = = + (4.13)
Phương trình cho thấy tín hiệu đầu vào EDFA cĩ thêm thành phần nhiễu ASE bị
phản xạ ngược trở lại bởi FBG, do vậy hệ số khuyếch đại sẽ bị giảm xuống.
Để cân bằng khuyếch đại của EDFA, biện pháp đơn giản và hiệu quả là dựa trên cơ sở sử dụng FBG ở đầu vào sợi EDF để phản xạ (tới trên 99%) thành phần nhiễu ASE trở lại sợi EDF (như thể hiện trên hình vẽ ). Từ các biểu thức tốn học
đã xác định và cân bằng hệ số khuyếch đại của EDFA đĩ là cơng suất nhiễu ASE hướng ngược PAES− ( )λ .
Hệ số khuyếch đại đối với cơng suất tín hiệu đầu vào phụ thuộc vào đặc tính khuyếch đại tính hiệu của EDFA. Trong chế độ khuyếch đại tín hiệu nhỏ (hay khuyếch đại chưa bảo hồ), hệ số khuyếc đại G thay đổi tuyến tính với cơng suất tín hiệu đầu vào hầu như ít thay đổi trong một phạm vi xác định. Trong chế độ
khuyếch đại của EDFA đối với cơng suất tín hiệu đầu vào và chiều dài khuyếch đại như thể hiện trên hình vẽ dưới tương ứng với bước sĩng tín hiệu 1550 nm, 11 m chiều dài sợi EDF, cơng suất bơm 145 mW, trong các trường hợp khơng sử dụng FBG và sử dụng FBG băng hẹp (NB-FBG)/ FBG băng rộng (BB-FBG).
`
Hình 4. 20: Đặc tuyến thực nghiệm độ khuyếch đại của EDFA phụ thuộc cơng suất tín hiệu đầu vào tại bước sĩng 1550 nm
Nhận xét:
Trong trường hợp khơng sử dụng FBG: hệ số khuyếc đại hay nĩi cách khác độ
khuyếch đại của EDFA giữ ổn định (hầu như khơng thay đổi, thể hiện ở đoạn bằng phẳng trên đường đặc tuyến) khi cơng suất tín hiệu đầu vào cịn nhỏ trong phạm vi từ - 40 dB dến – 16 dB (nghĩa là khoảng biến thiên cơng suất tín hiệu đầu vào 24 dB); khi cơng suất tín hiệu đầu vào vượt giá trị cơng suất tín hiệu đầu vào bảo hồ
( 16 )
in sat
P − dBm thì hệ số khuyếch đại giảm xuống nhanh và gây mất ổn định khuyếch
suất tín hiệu đầu ra tăng lên tương ứng nhưng theo phương trình (9) quan hệ tỷ lệ
thay đổi giữa cơng suất tín hiệu đầu vào và đầu ra vẫn cịn nằm trong phạm vi cho phép mà khơng gây nên tình trạng thay đổi hệ số khuyếch đại, do đĩ đoạn đặc tuyến khuyếch đại bằng phẳng cho đến khi cơng suất tín hiệu đầu vào tăng lên tới giới hạn bảo hồ khuyếch đại, khi này tốc độ bức xạ cưỡng bức gây ra bởi cơng suất tín hiệu cao xấp xỉ với tốc độ bơm; nếu cơng suất tín hiệu vào tiếp tục tăng lên, cơng suất tín hiệu ra tăng lên chậm dần rồi đạt tới trạng thái bão hồ gây nên bởi ASE, từ phương trình (9) khi cơng suất đầu ra tăng lên chậm dần rồi hầu như khơng tăng (bão hồ), nhưng cơng suất tín hiệu đầu vào vẫn tăng lên đã dẫn tới hệ số
khuyếch đại suy giảm, làm cho đoạn đặc tuyến khuyếch đại bị dốc xuống.
Trong trường hợp sử dụng FBG (cấu hình sử dụng BB-FBG hoặc NB-FBG): hệ
số khuyếch đại của EDFA hầu như khơng thay đổi khi cơng suất tín hiệu đầu vào thay đổi (phạm vi rộng hơn so với khi khơng sử dụng FBG) từ -40 dBm tới -2 dBm (khoảng biến thiên cơng suất tín hiệu đầu vào 38 dB); khi cơng suất tín hiệu đầu vào tương đối lớn và đạt giá trị bão hồ in ef( 2 )
sat r
P − − dBm hệ số khuyếch đại bắt đầu thay đổi; khi cơng suất tín hiệu vượt giá trị bão hồ in ef
sat r
P − hệ số khuyếch đại giảm xuống. Điều này giải thích như sau: do tác dụng phản xạ lại phần cơng suất nhiễu ASE hướng ngược PASE− , sau khi bọ phản xạ bởi FBG, thành phần ASE này sẽ
truyền cùng hướng truyền tín hiệu, khi đĩ nĩ lại trở thành ASE hướng thuận (PASE - ref+ ), do đĩ ánh sáng tín hiệu bị hấp thụ một phần, cho nên đã làm giảm bão hồ khuyếch đại gây nên bởi tín hiệu khuyếch đại hay nĩi cách khác cơng suất tín hiệu
đầu ra vẫn tiếp tục tăng lên khi cơng suất tín hiệu vào tăng (so với trường hợp khơng sử dụng FBG), theo các phương trình hệ số khuyếch đại của EDFA vẫn khơng thay đổi (đoạn đặc tuyến bằng phẳng mở rộng hơn) khi cơng suất tín hiệu
đầu vào tăng lên cho tới khi cơng suất tín hiệu đầu vào tăng lên tới giới hạn bão hồ (-2dBm), kể cả cĩ sự gĩp phần thêm vào của cơng suất ASE phản xạ ngược trở lại FBG; nếu cơng suất tín hiệu đầu vào tiếp tục tăng lên, cơng suất tín hiệu đầu ra tăng lên chậm dần rồi đạt tới trạng thái bão hồ, từ phương trình (13) khi cơng suất đầu ra tăng lên chậm dần rồi hầu như khơng tăng, nhưng cơng suất tín hiệu đầu vào vẫn
khuyếch đại suy giảm (đoạn đặc tuyến khuyếch đại dốc xuống).
Hệ số khuyếch đại của EDFA cao nhất trong trường hợp khơng sử dụng FBG và giảm xuống trong trường hợp sử dụng FBG (BB-FBG hoặc NB-FBG). Sự suy giảm hệ số khuyếch đại của EDFA khi sử dụng FBG so với khi khơng sử dụng FBG là do: trong cấu hình sử dụng FBG để phản xạ nhiễu ASE ngược trở lại sợi EDF, như đã phân tích ở trên, nhiễu ASE bị phản xạ ngược trở lại sợi EDF bởi FBG trở thành cùng chiều với hướng truyền tín hiệu, cho nên tác động làm suy giảm cơng suất tín hiệu đầu vào và giảm bão hồ khuyếch đại gây nên bởi tín hiệu được khuyếch đại; theo phương trình (9), (13), (16), thành phần cơng suất nhiễu ASE hướng ngược
ASE
P− đã phản xạ ngược trở lại sợi EDF bởi FBG và tham gia vào hướng truyền tín hiệu như một tín hiệu đầu vào của EDFA, vì vậy hệ số khuyếch đại của EDFA khi sử dụng FBG do đĩ cĩ thêm thành phần cơng suất PASE−ref( )λ đã thấp hơn so với khơng sử dụng FBG.
4. 4 Một số ứng dụng khác của FBG 4. 4. 1 Ứng dụng trong cảm biến 4. 4. 1 Ứng dụng trong cảm biến
Cách tử Bragg quang là một trong những sự phát triển thú vị nhất trong lĩnh vực nghiên cứu các hệ thống cảm biến sợi quang trong những năm gần đây. Các dạng FBG như FBG thơng thường, FBG chu kì biến đổi tuyến tính, FBG dịch pha … đều cĩ thể sử dụng trong các hệ thống cảm biến.
Các dạng cảm biến đặc thù ứng dụng cách tử Bragg quang đĩ là nhiệt độ và sức căng. Điều này cĩ nghĩa là chúng ta cĩ thể dùng FBG để giám sát trạng thái về
nhiệt độ hoặc sức căng của mơi trường hay giám sát cả hai yếu tố này cùng lúc. Cách tử quang bước sĩng kép sử dụng để nhận biết các ảnh hưởng của nhiệt độ và sức căng được tìm ra tại phịng thí nghiệm M. G. Xu et al.
Hơn nữa, FBG cho thấy các đáp ứng bước sĩng rất tốt đối với nhiệt độ và sức căng mà chúng ta cĩ thể sử dụng để điều chỉnh một cách chính xác các bước sĩng trong các phần tử chuyển đổi tín hiệu cảm biến.
FBG cĩ khả năng phản xạ cao với bước sĩng hẹp tại bước sĩng Bragg của nĩ
λG, thơng thường hiệu suất phản xạ của FBG cĩ thể lớn hơn 75%. Với hiệu suất