2.6.1. Kết cấu cơ bản của EDFA.
Căn cứ theo phƣơng thức bơm của EDFA chia thành 3 kết cấu cơ bản: bơm cùng chiều, bơm ngƣợc chiều và bơm hai chiều.
2.6.1.1. Bơm cùng chiều.
Tín hiệu quang và bơm quang đƣa vào sợi quang trộn erbium trên cùng một chiều, hay còn gọi là bơm phía trƣớc.
Opt ical input signal Amplified optical signal EDFA Transmission fiber Erb ium-doped fib er
Transmission fiber Residual pumping light Splice Splice Pumping light Pump laser WDM coupler WDM coupler Isolator and filter
Hình 2. 15. Kết cấu của EDFA bơm cùng chiều. 2.6.1.2. Bơm ngƣợc chiều.
Tín hiệu quang và bơm quang đƣa vào sợi quang trộn erbium từ hai hƣớng khác nhau.
Transmission fiber
Erb ium-doped fib er
Transmission fiber EDFA Splice Splice WDM coupler Residual pumping light WDM coupler Pumping light Pump laser Isolator and filter
Hình 2. 16. Kết cấu EDFA bơm ngƣợc chiều. 2.6.1.3. Bơm hai chiều.
48 Opt ical input signal Amplified optical signal EDFA Transmission fiber WDM coupler Transmission fiber
Erb ium-doped fib er
Splice Splice Pumping light Pumping light Pump laser Pump laser WDM coupler Isolator and filter
Hình 2. 17. Kết cấu EDFA bơm hai chiều. 2.6.2. So sánh các đặc tính của ba phƣơng thức bơm.
2.6.2.1. Công suất của tín hiệu đầu ra và công suất bơm.
Hình 2. 18. Quan hệ giữa công suất tín hiệu đầu ra và công suất bơm.
Trên hình vẽ, ta thấy độ dốc tƣơng ứng của cùng chiều, ngƣợc chiều và hai chiều là 61 %, 76% và 77% do vậy trong điều kiện bơm nhƣ nhau thì bơm cùng chiều có công suất ra thấp nhất.
2.6.2.2. Đặc tính bão hòa ở đầu ra.
EDFA bơm cùng chiều có đầu ra bão hòa là nhỏ nhất, công suất ra của EDFA kiểu bơm hai chiều là lớn nhất và tính năng của bộ khuếch đại và chiều của tín hiệu đầu vào không có liên quan, nhƣng tổn hao phối ghép tƣơng đối lớn, và tăng thêm một nguồn bơm làm cho giá thành lên cao.
2.6.3. Kết cấu EDFA tối ƣu.
Với các ứng dụng khác nhau yêu cầu tính năng cũng khác nhau, trên cơ sở kết cấu cơ bản các nhà khoa học đã cải tiến và tối ƣu hóa nó.
49 2.6.3.1. Bơm kiểu phản xạ. Tín hiệu quang vào Tín hiệu quang ra Bộ mạch vòng Bộ phân tách chùm Nguồn bơm quang Gƣơng phản xạ
Hình 2. 19. Sơ đồ EDFA bơm kiểu phản xạ.
Tín hiệu quang ở đầu vào đi qua bộ tách chùm vào EDF, đƣợc khuếch đại lần thứ nhất thông qua kính phản xạ và đƣợc EDF khuếch đại lần thứ hai và đƣa ra. Bộ mạch vòng quang có tác dụng đảm bảo tín hiệu quang truyền theo một hƣớng và có độ cách ly tƣơng đối cao. Phƣơng pháp này là dùng công suất bơm tƣơng đối nhỏ để có đƣợc tăng ích tƣơng đối cao.
2.6.3.2. EDFA băng rộng.
Nhằm giải quyết tăng ích không bằng phẳng của EDFA trong phạm vi khuếch đại và ứng dụng WDM. Các nhà khoa học đã thay đổi thành phần trộn sợi quang, làm cho các tín hiệu nhiều bƣớc sóng đƣợc khuếch đại nhƣ nhau. Một phƣơng pháp khác là dùng bộ cách ly sóng, hấp thụ trị số đỉnh của công suất ở điểm tăng ích lớn nhất, từ đó đạt đƣợc mục đích làm phẳng tăng ích mở rộng băng tần.
2.6.4. EDFA khuếch đại tín hiệu theo hai chiều.
50
EDFA khuếch đại theo hai chiều, cấu tạo bao gồm hai nhánh EDF mắc song song, trên hai nhánh này khuếch đại tín hiệu theo hai chiều ngƣợc nhau dựa theo chiều của hai bộ truyền tín hiệu ở hai phía.
2.7. Các bộ khuếch đại quang sợi băng rộng.
Raman 132 nm
E-Band S-Band C-Band L-Band U-Band
1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 1660 nm 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 1660 nm Raman 100 nm Raman 40 nm Raman 18 nm Raman + TDFA 53 nm
Dist. Raman + Fluoride EDFA 83 nm Dist. Raman + Fluoride EDFA 80 nm TDFA 35 nm TDFA 37 nm Tellurite EDFA 76 nm Tellurite EDFA 62 nm EDFA 52 nm EDFA 47 nm
Hình 2. 21. Sơ đồ vùng bƣớc sóng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang.
2.7.1. Bộ khuếch đại sợi quang trộn Praseodymium (Pr) PDFA.
PDFA làm việc ở bƣớc sóng 1310 nm có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc mở rộng dung lƣợng và nâng cấp đƣờng dây thông tin hiện có. Hiện nay, đã nghiên cứu chế tạo PDFA tạp âm thấp, hiệu xuất cao nhƣng hiệu xuất bơm của nó không cao, làm việc không ổn định, tăng ích nhạy cảm với nhiệt độ, cho lên chƣa đƣợc sử dụng ở thực tế. Đã chế tạo đƣợc PDFA có tạp âm nhỏ, công suất cao, tăng ích tín hiệu lớn nhất và hệ số tạp là 40,6 dB và 5dB. Khi công suất đầu vào là 0 dBm, công suất đầu ra là 20,1 dBm.
2.7.2. EDFA trộn nhôm (Al).
Để đạt đƣợc tăng ích bằng phẳng của EDFA, phƣơng pháp phổ biến nhất hiện nay là pha tạp nhôm cùng với Ebrium trong lõi. Nhƣ vậy có thể thay đổi thành
51
phần thủy tinh, làm thay đổi sự phân bố cấp năng lƣợng khuếch đại Er mở rộng tần số có thể khuếch đại. Việc trộn nhôm vào EDF có thể mở rộng khu bƣớc sóng tới 1550 nm, nếu nâng cao thêm nồng độ trộn nhôm, bất kể là đối với công suất tín hiệu nhỏ hay lớn đều nâng cao tăng ích ở 1540 nm, đó là giảm sai số tăng ích, làm cho tăng ích bằng phẳng.
2.7.3. EDFA pha tạp Flo.
Bộ khuếch đại quang sợi Ebrium-Flo (F-EDFA) là bộ khuếch đại quang lấy chất Flo là vật liệu chính và sợi quang trộn Ebrium làm chủ thể. Công suất ASE của bộ khuếch đại này dao động trong đoạn sóng 1530-1560 nm thấp hơn dao động trong EDFA, có thể đảm bảo cân bằng tăng ích ở 30 nm. F-EDFA đã đƣợc dùng trong hệ thống truyền dẫn, do F-EDFA có tăng ích bằng phẳng rất tốt nên tiềm lực ứng dụng trong hệ thống truyền dẫn nhiều bƣớc sóng tƣơng đối lớn. Nhƣng, do bộ khuếch đại sợi quang trộn Ebrium thạch anh chƣa đƣợc nghiên cứu về tính bền vững lâu dài của nó, sợi quang Flo hút nƣớc, không thể kết nối nóng chảy với sợi quang thạch anh, cần phải nối bằng phƣơng pháp cơ học.
Hình 2. 22. Công suất ASE theo bƣớc sóng trong bộ EDFA sợi quang Flo.
Bộ khuếch đại sợi quang Flo chỉ có thể bơm ở 1480 nm, làm cho hệ số tạp âm thấp nhất so với bộ khuếch đại sợi quang trộn erbium thạch anh bơm ở 980 nm âm thấp nhất so với bộ khuếch đại sợi quang trộn erbium thạch anh bơm ở 980 nm cao hơn 1dB. Một số thiết kế sử dụng bộ khuếch đại sợi quang trộn erbium thạch anh bơm quang 980 nm làm một tầng trong khuếch đại nhiều tầng để giải quyết vấn
52
đề này. Khắc phục nhƣợc điểm trên thì bộ khuếch đại sợi quang trộn Flo có tiềm lực lớn.
2.7.4. EDFA băng rộng trộn tellurium.
Sợi quang tellurium có hiệu suất khúc xạ cao, có thể cung cấp tiết diện phát xạ kích thích lớn hơn Flo và thạch anh. Ở bƣớc sóng 1600 nm tiết diện phát xạ bị
kích thích của Er3+
tellurium gấp đôi của Flo và thạch anh. Hơn nữa, tuổi thọ bức xạ của vật liệu tellurium ngắn, không đến 1/2 trị số tƣơng ứng của sợi quang Flo và thạch anh, tiết diện phản xạ bị kích thích của nó về cũng nhỏ, cho nên bộ khuếch đại ứng dụng sợi quang trộn Erbium tellurium có thể khuếch đại băng rộng.
Sử dụng sợi quang này chế tạo bộ khuếch đại quang tăng ích bằng phẳng, băng tần có thể khuếch đại rất rộng. Đã nghiên cứu và chế tạo EDFA tellurium khuếch đại tín hiệu băng rộng ở khu vực bƣớc sóng 1550nm, có thể đạt băng rộng lớn nhất là 80nm gấp đôi giá trị tốt nhất của EDFA. Trong khu vực bƣớc sóng là 1530-1610nm có đƣợc độ tăng ích trên 20 dB, tăng ích bằng phẳng đạt 1,5dB. Đặc tính băng rộng của bộ khuếch đại tellurium có sức hấp dẫn cực lớn đối với hệ thống WDM.
EDFA pha tạp Si và Flo không thể khuếch đại đƣợc tín hiệu vƣợt quá bƣớc sóng 1627nm, mà EDFA tellurium có thể làm việc với bƣớc sóng 1634nm, đó là ƣu điểm của EDFA tellurium.
53
2.7.5. Bộ khuếch đại quang sợi Raman.
Giai đoạn nghiên cứu tiếp theo của bộ khuếch đại sợi quang là bộ khuếch đại Raman. Hiệu ứng Raman là tác dụng tƣơng hỗ phi tuyến phát sinh khi truyền dẫn tín hiệu công suất cao trong sợi quang, nó là tán xạ quang tử phi đàn hồi do kích thích phân tử (thanh tử) của môi chất gây ra. Tác dụng lẫn nhau giữa quang - thanh tử dẫn đến di tần của dây Stockes (khác với tần số tín hiệu quang), chọn sợi quang và tần số bơm thích hợp có thể điều chỉnh dây Stockes đến tần số tín hiệu đƣợc khuếch đại. Vấn đề chính của bộ khuếch đại Raman là loại bơm cần thiết, và làm sao có đƣợc hiệu ứng Raman ở cấp số lƣợng cao khi bản thân dây khuếch đại làm thành một khoang cộng hƣởng. Hiện nay tăng ích của bộ khuếch đại sợi quang đối với tín hiệu nhỏ là 30dB, công suất ra bão hòa là +25dBm, rất thích hợp để dùng làm bộ khuếch đại công suất.
2.7.6. Bộ khuếch đại sợi quang bán dẫn SOA.
EDFA là công nghệ khuếch đại quang chủ yếu hiện nay, ngay trong thời kì đầu nghiên cứu phát triển thông tin sợi quang ngƣời ta đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo SOA, nhƣng do bị ảnh hƣởng bởi các nhân tố tạp âm, phân cực…tính năng của nó không đạt yêu cầu thực tế. SOA có bẫy lƣợng tử biến đổi có các ƣu điểm nhƣ kết cấu đơn giản có thể sản xuất hàng loạt, giá thành hạ, tuổi thọ cao, tiêu hao công suất nhỏ…lại thêm dễ tổ hợp với các bộ phận khác, có thể chế tạo đƣợc bộ khuếch đại băng rộng có đoạn sóng là 1310 và 1550nm, bao trùm cửa sổ ứng dụng của EDFA, PDFA. Hiện nay việc nghiên cứu cơ cấu của nó đã đƣợc coi trọng và sẽ dần dần đƣợc ứng dụng.
54
2.7.7. EDFA mắc song song.
Hình 2. 24. Sơ đồ kết cấu song song của EDFA.
Mắc hai EDFA nhƣ sơ đồ trên ta có thể mở rộng băng tần khuếch đại về phía bƣớc sóng dài và có dải tần rộng lên tới 60-80 nm rất thích hợp trong các hệ thống WDM tốc độ rất cao.
EDFA nhánh thứ nhất có phổ khuếch đại nằm ở băng C (1350-1560nm), EDFA nhánh thứ hai có phổ khuếch đại nằm ở băng sóng l (1570-1600nm).
Bộ khuếch đại sợi quang thứ nhất gồm hai tầng EDFA mắc nối tiếp nhau (two stage amplifier) tầng thứ nhất bơm ở bƣớc sóng 980nm nhằm mục đích tạo nhiều ASE ban đầu thấp, độ khuếch đại cao. Tầng thứ hai đƣợc bơm ở bƣớc sóng 1480nm để tạo độ ổn định cao, công suất ra cao. Mặt nữa, tầng thứ hai dùng sợi quang trộn Flo trên nền EDF nên chỉ bơm với bƣớc sóng 980nm để tạo nhiễu ASE ban đầu thấp. Cách thiết kế nhƣ thế này sẽ tạo đƣợc phổ khuếch đại ở băng C khá bằng phẳng.
Tầng thứ hai sử dụng sợi quang EDF trộn silica, cũng đƣợc thiết kế theo kiểu hai tầng kế tiếp.
55
2.8. Giải pháp kĩ thuật cho tuyến truyền dẫn sử dụng khuếch đại quang sợi.
Thiết bị khuếch đại quang sợi cho phép thiết lập các tuyến truyền dẫn quang linh hoạt hơn với quỹ công suất quang cao, khoảng cách truyền dẫn dài hơn. Bên cạnh những ƣu điểm của khuếch đại quang sợi, chúng ta cần phải xem xét các hiệu ứng phi tuyến, tán sắc, hiệu ứng phân cực và nhiễu tích lũy. Việc ứng dụng công nghệ mới này vào các tuyến truyền dẫn nhƣ thế nào còn phụ thuộc vào phạm vi ứng dụng và chất lƣợng truyền dẫn trong từng trƣờng hợp cụ thể. Những nghiên cứu hiện nay đang tập trung xem xét hai vấn đề chủ yếu của khuếch đại quang là:
Nhiễu tích lũy (noise acummlation).
Điều chỉnh tán sắc (dispersion accommodate).
Khả năng phát huy hiệu quả bộ khuếch đại quang sợi, hoàn toàn phụ thuộc vào các giải pháp kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích để khắc phục hai vấn đề chủ yếu trên.
2.8.1. Nhiễu tích lũy.
Trong các hệ thống sử dụng nhiều bộ khuếch đại quang OFA, nhiễu tự phát ASE từ các bộ OFA đƣợc khuếch đại lên nhiều lần nhƣ tín hiệu ánh sáng. Do bức xạ ASE đƣợc khuếch đại tại mỗi bộ OFA và công suất tín hiệu so với mức nhiễu sẽ giảm tƣơng ứng theo, công suất nhiễu có thể vƣợt qua công suất tín hiệu.
Nhƣ vậy, nhiễu ASE đƣợc tích lũy nằm ở cả trong và ngoài dải tần tín hiệu. Nhiễu tích lũy ASE làm giảm hệ số khuếch đại của OSA và tỉ số S/N của hệ thống, trên thực tế, do vì nhiều phách (beat noise) liên quan tới ASE là yếu tố chính làm giảm tỉ số S/N. Nhiễu phách tăng tỉ lệ với số bộ OFA, nhƣ vậy lỗi bít BER cũng tăng theo số lƣợng các bộ OFA.
Nhiễu tích lũy trong các hệ thống có sử dụng bộ lọc sẽ giảm đi khi qua các bộ lọc, nhƣng bức xạ ASE nằm trong băng tần tín hiệu thì vẫn tăng tỉ lệ với số bộ OFA. Giải pháp để hạn chế tối đa ảnh hƣởng của nhiễu tích lũy là giảm khoảng cách giữa các bộ OFA trong khi vẫn duy trì khuếch đại để bù suy hao trên đƣờng truyền.
56
Có hai giải pháp làm giảm bức xạ ASE:
Dùng bộ lọc quang.
Sử dụng hiệu ứng tự lọc.
Hiệu ứng tự lọc sử dụng trong các truyền dẫn có sử dụng từ vài chục bộ OFA trở lên. Hiệu ứng này điều chỉnh bƣớc sóng tín hiệu thành bƣớc sóng tự lọc để cho nhiễu ASE thu đƣợc tại bộ tách sóng bị suy giảm giống nhƣ sử dụng bộ lọc băng hẹp. Để sử dụng phƣơng pháp này khoảng cách giữa các bộ OFA đƣợc rút ngắn lại và chọn hệ số khuếch đại OFA nhỏ để cho mức nhiễu ASE ban đầu thấp. Với hệ thống chỉ sử dụng một vài bộ OFA thì phƣơng pháp tự lọc phát huy hiệu quả thấp.
Hiệu ứng tự lọc phụ thuộc vào dạng phổ tín hiệu, tiết diện ngang bức xạ và hấp thụ, mức độ nghịch đảo độ tích lũy của OFA. Bƣớc sóng tự lọc có thể thay đổi đƣợc khi biến đổi thành phần chế tạo EDFA, công suất quang nối vào, suy hao giữa các bộ khuếch đại và bƣớc sóng bơm cũng nhƣ chiều dài sợi EDFA. Để có hiệu quả nhất cần phải làm trùng ba bƣớc sóng: Bƣớc sóng tín hiệu, bƣớc sóng có hệ số tán sắc tối ƣu, bƣớc sóng tự lọc. Một phƣơng pháp khác có thể cải thiện tỉ số S/N ở phía thu đó là phƣơng pháp sửa lỗi trƣớc FEC (Forward error correcting). Thực ra đây là phƣơng pháp sửa lỗi bit BER trong truyền số liệu. Mỗi quan hệ giữa tỉ số lỗi bit BER và S/N nhƣ sau: 1/2 (0,354( )1/2) N S erfc BER Trong đó hàm số: Erfc(x) = ( 1/2) 2 x ex Với x = 0,354(S/N)
Trên cơ sở đã biết tỉ số S/N, ta có thể tính đƣợc độ nhạy thu đƣợc cải thiện trong trƣờng hợp dùng FEC theo công thức sau.
Với giả thiết ta chỉ tính nhiễu nhiệt của bộ thu quang:
p = (1/p) {4.K.T.f(S/N)/R1}1/2
K là hằng số Bozman. T là nhiệt độ Kenvin.
57
p là độ nhạy thu A/W.
P là công suất quang thu đƣợc W.
f là giải thông. Rt là giải điện trở tải.
2.8.2. Điều chỉnh tán sắc.
Vấn đề tán sắc đƣờng truyền đã hạn chế khả năng ứng dụng của OFA trên mạng lƣới viễn thông. Chúng ta sẽ nghiên cứu một số giải pháp khắc phục tán sắc một cách có hiệu quả.
Dùng cáp quang có độ tán sắc dịch chuyển theo khuyến nghị G.653 của
CCITT, trong đó hệ số tán sắc là 3ps/nm/km tại bƣớc sóng = 1550nm.
Dùng cáp sợi quang đơn mode theo khuyến nghị G.652 của CCITT, có hệ số
tán sắc là 20 ps/nm/km tại bƣớc sóng = 1550nm nhƣng cần phải lƣu ý tới
một số điều kiện về giao diện quang theo khuyến nghị G.957 của ITU-T, chẳng hạn độ rộng phổ nguồn laser phải nhỏ hơn 1nm. Đây là giải pháp có