Trong một bộ khuếch đại quang, quỏ trỡnh khuếch đại xảy ra trong một mụi trường gọi là vựng tớch cực. Tựy theo cấu tạo của vựng tớch cực, cú thể chia khuếch đại quang thành hai loại chớnh:
• Khuếch đại quang bỏn dẫn loại SOA
- Vựng tớch cực được cấu tạo bằng vật liệu bỏn dẫn
- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tớn hiệu quang là dũng điện • Khuếch đại quang sợi OFA
- Vựng tớch cực là sợi quang được pha đất hiếm. Do đú OFA cũn được gọi là DFA (Doped-Fiber Amplifier)
- Nguồn bơm là năng lượng ỏnh sỏng được cung cấp bởi cỏc laser cú bước súng phỏt quang nhỏ hơn bước súng của tớn hiệu cần khuếch đại.
- Một số loai OFA tiờu biểu:
+ EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier):1530-1565nm
+ PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280-1340nm + TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440-1520nm
+ NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier):900nm, 1065nm hoặc 1400nm.
3.7.3. Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA). 3.7.3.1. Cỏc cấu trỳc EDFA.
Cấu trỳc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) được minh họa trờn hỡnh 3.2 Trong đú bao gồm:
Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra quỏ trỡnh khuếch đại (vựng tớch cực) của EDFA. Cấu tạo của sợi quang pha ion Er3+ được minh họa như trờn hỡnh 3.3.
Trong đú, vựng lừi trung tõm (cú đường kớnh từ 3 - 6 μm) của EDF được pha trộn ion Er3+ là nơi cú cường độ súng bơm và tớn hiệu cao nhất. Việc pha cỏc ion Er3+ trong vựng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tớn hiệu với cỏc ion erbium lớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn.
Lớp bọc (cladding) cú chiết suất thấp hơn bao quanh vựng lừi.
Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bỏn kớnh sợi quang tổng cộng là 250 μm. Lớp phủ này cú chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dựng để loại bỏ bất kỳ ỏnh sỏng khụng mong muốn nào lan truyền trong sợi quang...
Laser bơm (pumping laser): cung cấp năng lượng ỏnh sỏng để tạo ra trạng thỏi nghịch đảo nồng độ trong vựng tớch cực. Laser bơm phỏt ra ỏnh sỏng cú bước súng 980nm hoặc 1480nm.
WDM Coupler: Ghộp tớn hiệu quang cần khuếch đại và ỏnh sỏng từ laser bơm vào trong sợi quang. Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phộp ghộp cỏc tớn hiệu cú bước súng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm.
Bộ cỏch ly quang (Optical isolator): ngăn khụng cho tớn hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phớa đầu phỏt hoặc cỏc tớn hiệu quang trờn đường truyền phản xạ ngược về EDFA.
3.7.3.2 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA
a) Giản đồ phõn bố năng luợng của Er3+.
Giản đồ phõn bố năng lượng của Er3+ trong sợi silica được minh họa trong hỡnh 3.4 Theo đú, cỏc ion Er3+ cú thể tồn tại ở nhiều vựng năng lượng khỏc nhau được ký hiệu: 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 4H11/2.
trong đú:
- Vựng 4I15/2 cú mức năng lượng thấp nhất, được gọi là vựng nền (ground-state band)
- Vựng 4I13/2 được gọi là vựng giả bền (mestable band) vỡ cỏc ion Er3+ cú thời gian sống (lifetime) tại vựng này lõu (khoảng 10ms) trước khi chuyển xuống vựng nền. Thời gian sống này thay đổi tựy theo loại tạp chất được pha trong lừi của EDF.
- Vựng 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 4H11/2 là cỏc vựng năng lượng cao, được gọi là vựng kớch thớch hay vựng bơm (pumping band). Thời gian cỏc ion Er3+ cú trạng thỏi
Hỡnh 3.4. Giản đồ năng lượng của ion Er3+
năng lượng trong cỏc vựng này rất ngắn (khoảng 1 μs). Sự chuyển đổi năng lượng của cỏc ion Er3+ cú thể xảy ra trong cỏc trường hợp sau:
- Khi cỏc ion Er3+ ở vựng nền nhận một mức năng lượng bằng độ chờnh lệch năng lượng giữa vựng nền và vựng năng lượng cao hơn, chỳng sẽ chuyển lờn vựng cú mức năng lượng cao hơn (sự hấp thụ năng lượng)
- Khi cỏc ion Er3+ chuyển từ cỏc vựng năng lượng cao xuống vựng năng lượng thấp hơn sẽ xảy ra hai trường hợp sau:
+ Phõn ró khụng bức xạ (nonradiative decay): năng lượng được giải phúng dưới dạng photon tạo ra sự dao động phõn tử trong sợi quang
+ Phỏt xạ ỏnh sỏng (radiation): năng lượng được giải phúng dưới dạng photon Độ chờnh lệch năng lượng giữa vựng giả bền (4I13/2) và vựng nền (4I15/2) - 0.775eV (tương ứng với năng lượng của photon cú bước súng 1600nm) tớnh từ đỏy vựng giả bền đến đỉnh của vựng nền
- 0.814eV (1527 nm) tớnh từ đỏy vựng giả bền đến đỏy của vựng nền - 0.841 eV (1477nm) tớnh từ đỉnh vựng giả bền đến đỏy của vựng nền
Mật độ phõn bố năng lượng của cỏc ion Er3+ trong vựng giả bền khụng đều nhau: cỏc ion Er3+ cú khuynh hướng tập trung nhiều ở cỏc mức năng lượng thấp. Điều
Hỡnh 3.5. Phổ hấp thụ (absorption spectrum) và độ lợi (gain spectrum) của EDFA cú lừi pha Ge
này dẫn đến khả năng hấp thụ và phỏt xạ photon của ion Erbium thay đổi theo bước súng. Phổ hấp thụ (absortion spectrum) và phổ độ lợi (gain spectrum) của EDFA cú lừi pha Ge được biểu diễn trờn hỡnh 3.5
b. Nguyờn lý hoạt động của EDFA
Nguyờn lý khuếch đại của EDFA được dựa trờn hiện tượng phỏt xạ kớch thớch Quỏ trỡnh khuếch đại tớn hiệu quang trong EDFA cú thể được thực hiện theo cỏc bước như sau (xem hỡnh 3.6):
Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, cỏc ion Er3+ ở vựng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ cỏc photon (cú năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lờn trạng thỏi năng lượng cao hơn ở vựng bơm (pumping band) (1)
Tại vựng bơm, cỏc ion Er3+ phõn ró khụng bức xạ rất nhanh (khoảng 1μs) và chuyển xuống vựng giả bền (2)
Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, cỏc ion Er3+ ở vựng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ cỏc photon (cú năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thỏi năng lượng cao hơn ở đỉnh của vựng giả bền (3).
Cỏc ion Er3+ trong vựng giả bền luụn cú khuynh hướng chuyển xuống vựng năng lượng thấp (vựng cú mật độ điện tử cao). Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms),
Hỡnh 3.6. Quỏ trỡnh khuếch đại tớn hiệu xảy ra EDFA với hai bước súng bơm 980 nm và 1480 nm
nếu khụng được kớch thớch bởi cỏc photon cú năng lượng thớch hợp (phỏt xạ kớch thớch) cỏc ion Er3+ sẽ chuyển sang trạng thỏi năng lượng thấp hơn ở vựng nền và phỏt xạ ra photon (phỏt xạ tự phỏt). Khi cho tớn hiệu ỏnh sỏng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau:
- Cỏc photon tớn hiệu bị hấp thụ bởi cỏc ion Er3+ ở vựng nền (6). Tớn hiệu ỏnh sỏng bị suy hao
- Cỏc photon tớn hiệu kớch thớch cỏc ion Er3+ ở vựng giả bền (7). Hiện tượng phỏt xạ kớch thớch xảy ra. Khi đú, cỏc ion Er3+ bị kớch thớch sẽ chuyển trạng thỏi năng lượng từ mức năng lượng cao ở vựng giả bền xuống mức năng lượng thấp ở vựng nền và phỏt xạ ra photon mới cú cựng hướng truyền, cựng phõn cực, cựng pha và cựng bước súng. Tớn hiệu ỏnh sỏng được khuếch đại. Độ rộng giữa vựng giả bền và vựng nền cho phộp sự phỏt xạ kớch thớch (khuếch đại) xảy ra trong khoảng bước súng 1530 nm – 1565nm. Đõy cũng là vựng bước súng hoạt động của EDFA. Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chúng tại cỏc bước súng lớn hơn 1565 nm và bằng 0 dB tại bước súng 1616 nm.
3.7.4. Yờu cầu đối với nguồn bơm
a. Bước súng bơm
Với cỏc vựng năng lượng được nờu trong phần (3.6.3 a), ỏnh sỏng bơm cú thể được sử dụng tại cỏc bước súng khỏc nhau 650 nm (4F9/2), 800 nm (4I9/2 ), 980 nm (4I11/2), 1480 nm (4I13/2). Tuy nhiờn, khi bước súng bơm càng ngắn thỡ cỏc ion Er3+ phải trải qua nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng trước khi trở về vựng nền và phỏt xạ ra photon ỏnh sỏng. Do đú, hiệu suất bơm khụng cao, năng lượng bơm sẽ bị hao phớ qua việc tạo ra cỏc phonon thay vỡ photon. Vỡ vậy, trờn thực tế, ỏnh sỏng bơm sử dụng cho EDFA chỉ được sử dụng tại hai bước súng 980nm và 1480nm. Trong EDFA, điều kiện để cú khuếch đại tớn hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng độ bằng cỏch sử dụng nguồn bơm để bơm cỏc ion erbium lờn trạng thỏi kớch thớch. Cú hai cỏch thực hiện quỏ trỡnh này: bơm trực tiếp tại bước súng 1480 nm hoặc bơm giỏn tiếp ở bước súng 980 nm.
Phương phỏp bơm giỏn tiếp (bơm ở 980 nm): Trong trường hợp này, ion erbium liờn tục được chuyển tiếp từ vựng năng lượng 4I15/2 thấp lờn vựng năng lượng cao 4I11/2, sau đú cỏc ion sẽ phõn ró xuống vựng 4I13/2 nhưng khụng phỏt xạ. Từ vựng này, khi cú ỏnh sỏng kớch thớch thỡ cỏc ion sẽ phỏt xạ bước súng mong muốn (từ 1550 đến 1600 nm) khi chuyển từ vựng năng lượng 4I13/2 xuống vựng 4I15/2. Đõy chớnh là hệ thống ba mức. Thời gian sống của ion erbium ở mức 4I11/2 khoảng 1μs trong khi ở 4I13/2 thỡ tới 10ms. Với thời gian sống dài, vựng 4I15/2 được gọi là vựng ổn định. Vỡ vậy, cỏc ion được bơm lờn mức cao, sau đú nhanh chúng rơi xuống vựng 4I13/2 và tồn tại ở đú trong một khoảng thời gian tương đối dài tạo nờn sự nghịch đảo về nồng độ.Với phương phỏp bơm trực tiếp (1480 nm): cỏc ion erbium chỉ hoạt động trong hai vựng năng lượng 4I13/2 và 4I15/2. Đõy là hệ thống 2 mức. Cỏc ion erbium liờn tục được chuyển từ vựng năng lượng nền 4I15/2 lờn vựng năng lượng kớch thớch 4I13/2 nhờ năng lượng bơm. Vỡ thời gian tồn tại ở mức này dài nờn chỳng tớch lũy tại đõy tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Nguồn bơm cú hiệu quả cao ở cả hai bước súng 980 và 1480 nm. Để cú hệ số khuếch đại hơn 20 dB thỡ chỉ cần tạo ra nguồn bơm
cú cụng suất nhỏ hơn 5 mW, nhưng vẫn cần phải cú nguồn bơm từ 10 đến 100 mW để đảm bảo cho cụng suất ra đủ lớn. Chỉ số nhiễu lượng tử giới hạn là 3 dB đạt được ở bước súng 980 nm. Đối với bước súng 1480 nm thỡ chỉ số nhiễu là vào khoảng 4 dB vỡ tiết diện ngang phỏt xạ tại1480 nm cao hơn tại 980 nm và sự bức xạ kớch thớch do nguồn bơm đó giới hạn sự nghịch đảo tớch luỹ tại 1480nm. Do đú, bước súng bơm 980 nm được ứng dụng cho cỏc bộ khuếch đại tạp õm thấp. Hệ số độ lợi tại bước súng bơm 980 nm cao hơn tại 1480 nm tại cựng cụng suất bơm. Do đú, để đạt được cựng một hệ số độ lợi thỡ cụng suất bơm tại 1480 nm phải cao hơn tại 980 nm. Vỡ ụng suất bơm ở 1480 nm lớn hơn nờn cụng suất ngừ ra lớn hơn, do đú bơm ở bước súng 1480nm được ứng dụng cho cỏc bộ khuếch đại cụng suất. Ngoài ra, bước súng bơm 1480 nm được truyền trong sợi quang với suy hao thấp. Do đú, nguồn bơm laser cú thể đặt xa bộ khuếch đại. Hiện nay, bơm bước súng 1480 nm được sử dụng rộng rói hơn vỡ chỳng sẵn cú hơn và độ tin cậy cao hơn. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vỡ nú dựng để bơm cho khoảng cỏch dài và để trỏnh làm nhiễu tớn hiệu. Cỏc thiết bị khuếch đại cụng suất đũi hỏi cụng suất bơm cao nhất và độ ổn định của chỳng là mấu chốt trong quỏ trỡnh nghiờn cứu phỏt triển chỳng. Nếu tăng được độ ổn định của laser cú bước súng 980 nm thỡ cú thể chỳng sẽ được chọn làm nguồn bơm. Một số EDFA được bơm tại cả hai bước súng để tận dụng ưu điểm của cả hai bước súng.
Cụng suất bơm càng lớn thỡ sẽ cú nhiều ion erbium bị kớch thớch để trao đổi năng lượng với tớn hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng lờn. Tuy nhiờn, hệ số khuếch đại khụng thể tăng mói theo cụng suất bơm vỡ số lượng cỏc ion erbium được cấy vào sợi là cú giới hạn. Ngoài ra, khi cụng suất bơm tăng lờn thỡ hệ số nhiễu sẽ giảm. Điều này sẽ được trỡnh bày trong phần tớnh hệ số nhiễu của EDFA. c. Hướng bơm
Bộ khuếch đại EDFA cú thể được bơm theo ba cỏch:
Bơm thuận (codirectional pumping): nguồn bơm được bơm cựng chiều với hướng truyền tớn hiệu.
Bơm ngược (counterdirectional pumping): nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướng truyền tớn hiệu.
Bơm hai chiều (dual pumping): sử dụng hai nguồn bơm và được theo hai chiều ngược nhau
Hướng bơm thuận cú ưu điểm nhiễu thấp vỡ nhiễu khỏ nhạy cảm với độ lợi mà độ lợi tớn hiệu cao nhất khi cụng suất tớn hiệu vào thấp nhất. Trong khi đú, hướng bơm ngược cung cấp cụng suất ra bóo hoà cao nhưng cú hệ số nhiễu cao hơn bơm thuận. Do vậy, người ta đề nghị sử dụng cả hai laser bơm cú bước súng bơm khỏc nhau. Việc bơm tại bước súng 1480 nm thường được sử dụng theo chiều ngược với hướng truyền tớn hiệu và bơm tại 980 nm theo hướng thuận để sử dụng tốt nhất ưu điểm của mỗi loại bơm. Bơm tại 1480 nm cú hiệu suất lượng tử cao hơn nhưng cú hệ số nhiễu cao hơn, trong khi bơm tại bước súng 980 nm cú thể cung cấp một hệ số nhiễu gần mức giới hạn lượng tử. Hệ số nhiễu thấp phự hợp cho cỏc ứng dụng tiền khuếch đại.
Một EDFA được bơm bằng một nguồn bơm cú thể cung cấp cụng suất đầu ra cực đại khoảng +16 dBm trong vựng bóo hoà hoặc hệ số nhiễu từ 5-6 dB trong vựng tớn hiệu nhỏ. Cả hai bước súng bơm được sử dụng đồng thời cú thể cung cấp cụng suất đầu ra cao hơn; một EDFA được bơm kộp cú thể cung cấp cụng suất ra tới +26 dBm trong vựng cụng suất bơm cao nhất cú thể đạt được. Hỡnh 3.7 thể hiện một EDFA được bơm kộp.
Giỏ trị cỏc đặc tớnh của bộ khuếch đại EDFA được trỡnh bày trong bảng trờn
3.7.5. Phổ khuếch đại
Phổ độ lợi của EDFA được trỡnh bày trong hỡnh 3.5 là tớnh chất quan trọng nhất của EDFA khi xỏc định cỏc kờnh tớn hiệu được khuếch đại trong hệ thống WDM. Hỡnh dạng của phổ khuếch đại phụ thuộc vào bản chất của sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al) và nồng độ tạp chất được pha trong lừi của sợi quang.
Hỡnh 3.5 cho thấy phổ độ lợi của EDFA cú lừi pha Ge khỏ rộng. Tuy nhiờn, phổ độ lợi này khụng bằng phẳng. Điều này sẽ dẫn đến việc hệ số khuếch đại khỏc nhau đối với cỏc bước súng khỏc nhau. Nếu độ lợi của cỏc kờnh tớn hiệu khụng đồng nhất, nhất là sau khi qua nhiều tầng EDFA, sai số độ lợi này sẽ tớch luỹ tuyến tớnh đến mức khi tới đầu thu kờnh bước súng cú độ lợi cao làm cho đầu vào mỏy thu quỏ tải. Ngược lại, kờnh tớn hiệu cú độ lợi nhỏ thỡ tỉ số SNR khụng đạt yờu cầu. Sự làm phẳng độ lợi là cần thiết để loại bỏ sự khuếch đại mộo cỏc tớn hiệu qua cỏc EDFA đường truyền ghộp tầng.
Một số biện phỏp được sử dụng để khắc phục sự khụng bằng phẳng của phổ độ lợi: Chọn lựa cỏc bước súng cú độ lợi gần bằng nhau. WDM làm việc ở dải súng băng C (1530 – 1565 nm). Trong dải bước súng này chọn 40 bước súng làm bước súng cụng tỏc của WDM. Cỏc bước súng này cú độ lợi gần bằng nhau.
Cụng nghệ cõn bằng độ lợi: dựng bộ cõn bằng (equalizer) hấp thụ bớt cụng suất ở bước súng cú độ lợi lớn và bộ khuếch đại để tăng cụng suất của bước súng cú độ lợi nhỏ.
Thay đổi thành phần trộn trong sợi quang: dựng sợi quang trộn thờm nhụm, photpho nhụm hay flo cựng với erbium sẽ tạo nờn bộ khuếch đại cú băng tần được mở rộng và phổ khuếch đại bằng phẳng hơn.
Ngoài ra, phổ độ lợi của EDFA cũn phụ thuộc vào chiều dài của sợi EDF. Lý do là vỡ trạng thỏi nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc theo chiều dài của sợi quang khi cụng suất bơm thay đổi. Bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565 nm). Tuy nhiờn, độ lợi của sợi pha tạp cú đuụi trải rộng đến khoảng 1605 nm. Điều này kớch thớch sự phỏt triển của cỏc hệ thống hoạt động ở băng L từ 1565 đến 1625 nm. Nguyờn lý hoạt động của EDFA băng L giống như EDFA băng C. Tuy nhiờn, cú sự khỏc nhau trong việc thiết kế EDFA cho băng C và băng L. Cỏc phần tử bờn trong bộ khuếch đại quang như bộ cỏch ly (isolator) và bộ ghộp (coupler) phụ thuộc vào bước súng nờn chỳng sẽ khỏc nhau trong băng C và băng L. Sự so sỏnh cỏc tớnh chất của EDFA trong băng C và băng L