2.5.1. Đặc tính tăng ích.
Biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, đƣợc định nghĩa là:
Pout Psp Ps
G /
Tăng ích lớn hay nhỏ có quan hệ với nhiều yếu tố thƣờng là 15 - 40 dB.
Quan hệ giữa tăng ích với nồng độ pha Er3+
43
Nồng độ Er3+
G
Hình 2. 10. Quan hệ giữa tăng ích với nồng độ pha Er3+ trong sợi quang.
Khi nồng độ Erbium vƣợt quá một trị số cho phép nhất định thì tăng ích
giảm, nguyên nhân là khi có quá nhiều Er3+
sẽ gây tích tụ dẫn đến hiện tƣợng tiêu hao quang, do đó cần khống chế lƣợng Erbium pha vào.
Quan hệ giữa tăng ích tín hiệu và công suất bơm quang.
Hình 2. 11. Quan hệ giữa độ lợi tín hiệu và công suất bơm quang.
Khi đƣa tín hiệu nhỏ vào, hệ số tăng ích lớn hơn khi đƣa tín hiệu lớn vào. Giả thiết định nghĩa tăng ích bằng không thì công suất bơm quang là công suất giới hạn bơm Pth. Khi công suất PP thỏa mãn PP/Pth > 3 thì tăng ích của bộ khuếch đại bão hòa, tức là công suất bơm tăng rất nhiều mà tăng ích không đổi, lúc này hiệu suất tăng ích của bộ khuếch đại (độ dốc của đƣờng cong) sẽ giảm khi công suất bơm tăng.
44
Quan hệ giữa tăng ích và chiều dài sợi quang pha Erbium.
Hình 2. 12. Quan hệ giữa G và chiều dài sợi quang trộn Erbium tại bƣớc sóng bơm 1480 nm.
Lúc đầu tăng ích tăng theo chiều dài sợi quang pha tạp erbium tăng, đến khi sợi quang dài quá độ dài nhất định thì tăng ích giảm dần, vì vậy có một độ dài tối ƣu để tăng ích đạt tối đa. Độ dài này chỉ là độ dài tăng ích lớn nhất, mà không phải là độ dài tốt nhất của sợi quang pha tạp erbium vì còn liên quan đến nhiều đặc tính khác nhƣ đặc tính tạp âm…Ngoài ra tăng ích còn phụ thuộc vào điều kiện bơm (gồm bƣớc sóng và công suất bơm). Hiện nay, chủ yếu sử dụng bƣớc sóng bơm 980 nm và 1480 nm.
Hình 2. 13. Hệ số khuếch đại phụ thuộc chiều dài sợi và phƣơng thức bơm. 2.5.2. Đặc tính công suất ra.
Tín hiệu quang thƣờng đƣợc khuếch đại theo tỷ lệ nhƣ nhau đối với bộ khuếch đại quang lý tƣởng không kể công suất vào cao bao nhiêu, nhƣng thực tế bộ khuếch đại EDFA không phải nhƣ vậy. Khi công suất vào tăng lên, bức xạ kích
45
thích tăng nhanh, làm giảm nhanh nồng độ hạt ở mức trên giảm số hạt chuyển ngƣợc lại, quang bức xạ bị kích yếu đi dẫn đến bão hòa tăng ích, công suất ra có xu hƣớng ổn định.
Để có đƣợc công suất đầu ra lớn nhất thƣờng dùng công suất đầu vào 3 dB, nghĩa là công suất đầu ra tƣơng ứng khi tăng ích bão hòa giảm 3 dB. Tham số này rất quan trọng nó thể hiện khả năng đƣa ra lớn nhất của EDFA.
Đặc tính đầu ra bão hòa của EDFA có quan hệ với công suất bơm quang và chiều dài sợi quang pha tạp erbium. Công suất bơm càng lớn, công suất đƣa ra bão hòa 3 dB càng lớn.
2.5.3. Đặc tính tạp âm.
Tại đầu ra của bộ khuếch đại EDFA, tín hiệu quang ngoài tín hiệu còn có bức xạ tự phát cũng đƣợc khuếch đại tạo lên nguồn tạp âm ảnh hƣởng đến tín hiệu quang. Tạp âm của EDFA có bốn loại chủ yếu: Tạp âm tan hạt của tín hiệu quang, tạp âm tan hạt của quang bức xạ tự phát đƣợc khuếch đại; tạp âm phách giữa các quang phổ ASE và tín hiệu; tạp âm phách giữa các quang phổ ASE. Trong bốn loại tạp âm trên, hai loại sau có ảnh hƣởng lớn nhất, nhất là tạp âm thứ ba quyết định tính năng quan trọng của EDFA.
Đánh giá đặc tính tạp âm của EDFA qua hệ số tạp âm, SNRin SNRout
46
nó có quan hệ mật thiết với tần phổ ASE truyền cùng chiều và tăng ích của bộ khuếch đại. Khi công suất tín hiệu quang tăng càng nhanh tức là sự chuyển ngƣợc số hạt càng cao, thì ASE đầu ra càng nhỏ.
Ảnh hƣởng của các phƣơng thức bơm khác nhau đối với hệ số tạp âm:
Hình 2. 14. Ảnh hƣởng của các phƣơng thức bơm đối với hệ số tạp âm.
Đối với bƣớc sóng bơm khác nhau hệ số tạp âm sẽ hơi bị lệch. EDFA bơm ở bƣớc sóng 980 nm có hệ số tạp âm tốt hơn EDFA bơm 1480 nm ƣớc chừng 1 - 2 dB. Lý thuyết đã chứng minh đối với bất kỳ bộ khuếch đại quang sợi nào sử dụng bức xạ kích thích để khuếch đại, giá trị hệ số tạp âm nhỏ nhất là 3 dB, giới hạn này đƣợc gọi là giới hạn lƣợng tử của hệ thống tạp âm. Đối với bơm ở bƣớc sóng 980 nm, hệ số tạp âm cơ bản đạt tới giới hạn đó, trị số ƣớc bằng 3.2 - 3.4 dB mà bơm ở bƣớc sóng 1480 nm thì hệ số tạp âm nhỏ nhất ƣớc bằng 4 dB. Do công suất đầu ra tăng lên số hạt chuyển ngƣợc lại giảm, vì vậy trong khu vực chƣa bão hòa, hệ số tạp âm của EDFA kiểu bơm cùng chiều là nhỏ nhất nhƣng ở khu vực bão hòa thì có thay đổi. NF của bộ khuếch đại quang khi tăng chiều dài đối với bơm cùng chiều là ổn định nhất.
Hiện nay trên thị trƣờng đã có EDFA đạt tăng ích trên 30 dB. Hệ số tạp âm là 3 - 4 dB, công suất đầu ra của EDFA là 10 - 17 dBm, tại cửa sổ 1550 nm có băng tần 20 - 40 nm, do đó đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống nhiều kênh.
47
2.6. Kết cấu cơ bản và kết cấu tối ƣu của EDFA. 2.6.1. Kết cấu cơ bản của EDFA. 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),