VII: Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM
3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA:
Hệ số tạp âm được định nghĩa là tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu quang đầu vào/tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu quang đầu ra, theo lý thuyết thì hệ số tạp âm của EDFA là khoảng 3 dB, hệ số tạp âm tăng tỷ lệ theo số lượng bộ khuếch đại được sử dụng trên tuyến và sự chênh lệch khoảng cách đoạn sợi quang giữa các bộ khuếch đại, thường khống chế độ dài đoạn sợi quang giữa hai bộ khuếch đại liên tiếp là 80 ~ 120 km, để đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm.
Nhiễu tự phát được khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission) gây nên tạp âm lớn trong các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là trong trường hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền. Tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía trước sẽ được khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang thứ hai. Sự khuếch đại và tích lũy tạp âm này sẽ làm cho tỷ số S/N bị giảm nghiêm trọng. Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống dưới mức cho phép. Tuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào quá cao thì tín hiệu này kết hợp với ASE có thể gây nên hiện tượng bão hoà ở bộ khuếch đại.
Chương IV: CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG WDM
I. Công nghệ bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA
Cấu trúc tiêu biểu của bộ EDFA được chỉ ra như hình vẽ 3.2. EDFA cú thành phần chỡnh gồm một đoạn ngắn cáp quang có lừi pha tạp khoảng 0,1% Erbium. Erbium là một nguyờn tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Đoạn sợi pha tạp Erbium được ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thường cú chiều dài khoảng 10 - 20m. Ngoài ra EDFA cũn cú một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống.
Hình 3.2 Cấu tạo của một EDFA
Biểu đồ mức năng lượng của ion Erbium được mô tả như hỡnh vẽ 3.3. Er3+ ở trạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lượng thấp nhất, khi bơm quang hạt Erbium hấp thụ năng lượng rồi chuyển tiếp lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên cũng khác nhau. Sự dịch chuyển điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra photon, photon này bức xạ có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát (sự phân hủy tự nhiên của các ion mà không có bất cứ một động tác nào chen vào) hay kích thích (do sự có mặt của các photon có chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển, kích thích sự phát xạ và tạo ra photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng). Trong quá trỡnh bức xạ kớch thớch, nú tạo ra số photon cựng pha cựng hướng với photon tới, như vậy là đó tạo ra được quá trỡnh khuếch đại trong EDFA. Bức xạ tự phát tạo ra các photon cùng pha và hướng ngẫu nhiên, điều này gây ra nhiễu trong EDFA gọi là nhiễu do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE). Tuy nhiên thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao khoảng 10ms đủ để đảm bảo thay vỡ nhiễu bức xạ gõy ra do bức xạ tự phỏt thỡ hầu hết cỏc ion Erbium đợi để khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ tự kích thích.
Hình 3.3 Giản đồ năng lượng Erbium
Hình 3.4 so snh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông thường dùng trong truyền dẫn. Sự hấp thụ quang xảy ra trong các loại cáp thông thường là thấp trong dải bước sóng tập trung khoảng 1550nm, nơi mà hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km có nghĩa là 5% ánh sáng truyền qua bị hấp thụ trong 1km. Ngược lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100ppm ở trong li cĩ thể gy ra sự hấp thụ 2dB/km ở cng bước sóng bơm.
Hình 3.4 Phổ hấp thụ của sợi quang thơng thường và sợi quang Erbium
Laser bơm trong EDFA là laser bán dẫn thông thường và được gọi là nguồn bơm. Nguồn bơm có thể bơm ở nhiều bước sóng nhưng hiệu quả cao nhất là ở hai bước sóng 980nm và 1480nm. Khi sử dụng EDFA thì chỉ cần một nguồn bơm có công suất nhỏ từ 10 đến 100mW là đủ để công suất ra lớn theo yêu cầu, điều này giảm nguồn nuôi lên hệ thống EDFA có cấu trúc nhỏ nhẹ, linh hoạt. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nĩ được bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Hiện tại thì bước sóng bơm 1480nm được sử dụng rộng ri hơn vì chng cĩ sẵn v độ tin cậy cao hơn. Nếu tăng được độ ổn định của laser diode có bước sóng 980nm thì chng cĩ thể được chọn làm nguồn bơm.