2.3.1. Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại.
Hầu hết các bộ khuếch đại quang đều đƣợc thực hiện thông qua hiệu ứng bức xạ kích thích. Khuếch đại đạt đƣợc khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm quang, hay bơm điện để đảo lộn mật độ. Nhìn chung khuếch đại quang không chỉ phụ thuộc vào bƣớc sóng truyền mà còn phụ thuộc vào cƣờng độ bơm, mật độ hạt có trong vật liệu. Nếu coi vật liệu là đồng nhất, ta có công thức sau:
(2.1) Trong đó g0 là giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω0 là
tần số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu đƣợc khuếch đại Ps là công suất
bão hoà . Công suất bão hoà Ps phụ thuộc vào các tham số của môi trƣờng khuếch
đại. Hệ số T2 trong công thức (2.1) đƣợc gọi là thời gian hồi phục phân cực, thƣờng
nhỏ hơn 1 ps. Công thức (2.1) có thể dùng mô tả các đặc tính quan trọng của bộ khuếch đại nhƣ là băng tần độ lợi, hệ số khuếch đại và công suất đầu ra bão hoà. Ở chế dộ chƣa bão hoà, coi P/Ps <<1, khi đó công thức (2.1) trở thành:
(2.2) Từ công thức này có thể nhận thấy, hệ số độ lợi lớn nhất khi tần số khuếch đại ω = ω0 tần số trung tâm.
Nếu gọi Pin, Pout lần lƣợt là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại.
Thì hệ số khuếch đại là:
29
Hệ số khuếch đại là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại. Nó đặc trƣng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hoà khuếch đại. Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại.
Mặt khác ta lại có công thức sau
(2.4) Suy ra:
P(z) = Pin exp(gz) (2.5)
Với P(z) là công suất tín hiệu tại vị trí z so với đầu vào.
Giả sử khoảng rộng của bộ khuếch đại là L, khi đó Pout = P(L). Suy ra hệ số
khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là:
G(ω) = = = (2.6)
Dễ dàng nhận thấy rằng, g(ω) đạt giá trị lớn nhất tại ω = ω0 nên G(ω) cũng
đạt giá trị lớn nhất tại ω0. Và giá trị hai hệ số này cũng đều giảm khi (ω-ω0 ) tăng,
Ta có biểu đồ sau:
30
2.3.2. Băng thông độ lợi.
Băng thông độ lợi đƣợc định nghĩa là = 2/T2 hay là:
(2.7)
Nhƣ vậy, nếu với bộ khuếch đại quang bán dẫn có T2 = 60fs.
Bộ khuếch đại băng rộng thích hợp với các hệ thống viễn thông thông tin quang, vì độ lợi của cả băng tần gần nhƣ là hằng số, thậm chí cả khi đó là tín hiệu đa kênh.
Băng tần khuếch đại đƣợc định nghĩa là một FWHM (full width at half
maximum - độ rộng xung tại nửa giá trị cực đại), và liên quan với theo công thức sau:
(2.8) Với G0 = exp (g0L). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dễ dàng nhận thấy, băng tần khuếch đại nhỏ hơn băng tần độ lợi, và sự khác biệt này còn tuỳ thuộc vào độ lợi khuếch đại.
2.3.3. Công suất ngõ ra bão hoà.
Độ lợi bão hoà
Độ bão hoà của độ lợi phụ thuộc vào giá trị g(ω) trong công thức (2.1). Thấy
rằng, khi P tiến tới Ps thì giá trị g giảm dần, đồng thời hệ số khuếch đại G cũng giảm
theo độ tăng của công suất tín hiệu. Chúng ta coi giá trị đỉnh xảy ra khi ω = ω0. Theo 2.1 và 2.4, chúng ta có:
(2.9)
Xét phƣơng trình với chiều dài bộ khuếch đại là L, và coi P0 = Pin và
P(L) = GPin = Pout , từ đó ta có công thức:
G = G0 exp(- (2.10)
Dễ dàng nhận thấy, G bắt đầu giảm dần từ giá trị đỉnh G0 khi giá trị Pout đạt
31
Hình 2. 5. Sự phụ thuộc của công suất ra (theo Ps) theo G (theo G0).
Công suất ngõ ra bão hoà (Saturation Output Power)
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến
tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số G: Pout = G.Pin. Tuy nhiên, công suất
ngõ ra không thể tăng mãi đƣợc. Bằng thực nghiệm, ngƣời ta thấy rằng trong tất cả
các bộ khuếch đại quang, khi công suất ngõ vào Pin tăng đến một mức nào đó, hệ số
G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bão hoà.
Công suất ra bão hoà của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất
ngõ ra lớn nhất mà bộ khuếch đại đó có thể hoạt động đƣợc. Thông thƣờng, một bộ khuếch đại quang có khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão hoà cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể đƣợc duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng.
Từ công thức 2.10, chúng ta xem xét đến công suất ngõ ra bão hoà, là công
suất lớn nhất tạo đƣợc ở cổng ra, ký hiệu là . Có thể nhận thấy rằng, giá trị độ
lợi này đạt đƣợc khi độ lợi khuếch đại giảm từ 2 đến 3 dB, tƣơng ứng với giá trị G
=G0/2. Khi đó, ta có công thức:
32
2.3.4. Hệ số nhiễu.
Cũng giống nhƣ các hệ thống thông tin quang khác, bộ khuếch đại này cũng có nhiễu. Nguyên lý của bộ khuếch đại là dựa trên nguyên lý bức xạ kích thích. Nhƣng trong quá trình khuếch đại, có rất nhiều các điện tử hết thời gian sống, chuyển đổi từ mức năng lƣợng cao xuống mức năng lƣợng thấp, hay từ dải dẫn sang dải hoá trị, đây chính là bức xạ tự phát. Bức xạ này, khi có phƣơng cùng luồng điện tử, sẽ gây ảnh hƣởng lên biên độ và pha của tín hiệu. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiện tƣợng nhiễu xạ tự phát ASE. Do vậy, công suất đầu ra gồm có công suất vào khuếch đại và công suất bức xạ tự phát:
Pout = G.Pin+PASE (2.12) Ảnh hƣởng nhiễu đối với bộ khuếch đại quang đƣợc biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF, mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp tại đầu ra và đầu vào:
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
SNFout SNRin
NF
Hay NF = SNRin (dB) - SNFout (dB). (2.13) Ngƣời ta cũng chứng minh đƣợc rằng, giá trị hằng số nhiễu tính cụ thể theo công thức sau:
NF = 2nsp 2nsp (2.14)
Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ càng tốt, và giá trị nhỏ nhất có thể đạt đƣợc là 3dB. Tại giá trị này, chúng ta gọi là giá trị lƣợng tử.
2.4. Phân loại khuếch đại quang.
Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng đƣợc thực hiện trong vùng tích cực. Các tín hiệu quang đƣợc khuếch đại trong vùng tích cực với độ lớn hay nhỏ thì phụ thuộc vào năng lƣợng đƣợc cung cấp từ nguồn bơm bên ngoài. Tuỳ theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính là: Khuếch đại quang bán dẫn SOA và khuếch đại quang sợi OFA.
Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực đƣợc cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn. Nguồn cung cấp năng lƣợng để khuếch đại tín hiệu là dòng điện.
33
Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là sợi quang đƣợc pha đất hiếm. Nguồn cung cấp năng lƣợng là laser có bƣớc sóng phát quang nhỏ hơn bƣớc sóng của tín hiệu cần khuếch đại.
Một trong những loại OFA tiêu biểu là EDFA. EDFA có nhiều ƣu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA. Ta sẽ chủ yếu tập trung nghiên cứu vào EDFA ở phần tới.
Ngoài ra, còn có một loại khuếch đại đƣợc sử dụng nhiều trong các hệ thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman. Khuếch đại Raman cũng sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng.
SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên phát xạ kích thích còn khuếch đại Raman dựa trên ảnh hƣởng phi tuyến của sợi quang (hiện tƣợng tán xạ Raman kích thích SRS) hơn là hiện tƣợng phát xạ kích thích.
2.4.1. Khuếch đại quang bán dẫn.
Hình 2. 6. Sơ đồ khối một SOA.
Khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) là hệ khuếch đại tín hiệu quang với môi trƣờng khuếch đại sử dụng vật liệu bán dẫn. Hệ khuếch đại này có cấu trúc tƣơng tự nhƣ những diode laser Fabry-Perot, nhƣng đƣợc trang bị thêm các lớp chống phản xạ ở hai gƣơng của môi trƣờng khuếch đại (hệ số phản xạ nhỏ hơn 0.001%) để tránh cộng hƣởng tạo nên hiệu ứng laser.
Hoạt động của SOA dựa vào nguyên lý khuếch đại sóng chạy (traveling- wave) trong vùng điện tích không gian nằm giữa 2 vùng bán dẫn loại p và loại n.
34
Khi có dòng điện bơm cho SOA, các điện tử sẽ đƣợc bơm vào vùng dẫn (bán dẫn loại n) và lỗ trống bơm vào vùng hóa trị (bán dẫn loại p). Photon đến có bƣớc sóng thích hợp sẽ kích thích điện tử và lỗ trống tái hợp trong miền điện tích không gian và sẽ phát xạ thêm một photon nữa có cùng tần số và pha với photon đến, nhƣ vậy tín hiệu quang đã đƣợc khuếch đại.
Các hệ khuếch đại quang bán dẫn đƣợc làm từ hợp chất bán dẫn nhƣ GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP, các vật liệu này có thể khuếch đại quang trong vùng bƣớc sóng từ 0.85 µm đến 1.6 µm. Bƣớc sóng khuếch đại của SOA phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm và có thể thay đổi tùy theo loại vật liệu bán dẫn. Các loại khuếch đại quang bán dẫn dùng trong thông tin quang sợi là loại có phổ khuếch đại trong vùng bƣớc sóng 1310 nm và 1550 nm.
Những ƣu điểm của SOA:
- Băng tần khuếch đại khá rộng 40 nm – 80 nm. - Kích thƣớc nhỏ gọn và dễ bảo trì.
Nhƣợc điểm của SOA:
- Đặc điểm của SOA là vùng không gian khuếch đại dẫn sóng có chiều dài khá bé (cỡ mm) nên khó đạt đƣợc hệ số khuếch đại cao (G < 16 dB).
- Công suất tín hiệu quang lối ra thấp (P < 10 dBm). - Hệ số tạp âm NF khá cao (NF ~ 7 - 10 dB ).
- Nhạy cảm với phân cực ánh sáng của tín hiệu quang, nên công suất quang lối ra không ổn định.
- Các hiệu ứng phi tuyến nhƣ hiện tƣợng xuyên kênh, trộn 4 sóng xảy ra khá mạnh. Transmitter Booster Amp Receiver Preamp Fiber In-line Amp
35
Các ứng dụng cơ bản của SOA trong các hệ thống thông tin quang có thể phân thành ba loại: khuếch đại công suất để tăng công suất phát của laser, khuếch đại đƣờng truyền để bù suy hao truyền dẫn của sợi quang và tiền khuếch đại để cải thiện độ nhậy thu.
2.4.2. Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+
, có thể tóm tắt nhƣ sau:
- Ion Er3+ có sơ đồ các mức năng lƣợng nhƣ hình 8, quá trình khuếch đại
quang của thủy tinh pha tạp Er3+
chủ yếu liên quan đến 3 mức năng lƣợng bên dƣới của ion Er3+, đó là các mức 4 I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2. 2 P3/2 4 S3/2 4 F9/2 4 I9/2 4 I11/2 4 I13/2 4 I15/2 0.55 mm 2.9 mm 1 .5 5 m m 9 8 0 nm 1 .4 5 m m
Hình 2. 8. Sơ đồ các mức năng lƣợng của ion Er3+ tự do.
- Đặc điểm rất quan trọng là mức năng lƣợng 4I13/2 có thời gian sống rất lớn
(τ ~ 10 ms) so với thời gian sống của các mức 4I11/2 và 4I9/2 (τ ~ μs). Khi kích thích
thủy tinh pha tạp erbium bằng laser có bƣớc sóng 980 nm hoặc 810 nm, các ion Er3+
sẽ chuyển dời từ mức cơ bản 4
I15/2 lên mức năng lƣợng 4I11/2 hoặc 4I9/2, vì thời gian
sống của ion Er3+
ở trạng thái mức năng lƣợng 4I11/2 và 4I9/2 rất bé nên các ion Er3+ sẽ
nhanh chóng chuyển dời không phát xạ về mức kích thích 4
36
- Thời gian sống của ion Er3+ ở mức 4I13/2 lớn hơn hàng ngàn lần so với các
mức bên trên, nên khi bơm với mật độ năng lƣợng đủ lớn chúng ta dễ dàng tạo đƣợc
trạng thái nghịch đảo mật độ phân bố giữa mức 4
I13/2 và mức cơ bản 4I15/2.
- Khi một photon có bƣớc sóng trong vùng 1550 nm đi vào vùng dẫn sóng
thủy tinh pha tạp Er3+
có nghịch đảo mật độ trạng thái giữa hai mức 4I13/2 và 4I15/2,
hiện tƣợng phát xạ cƣỡng bức sẽ xảy ra. Photon tới sẽ kích thích ion Er3+
chuyển
dời từ mức 4
I13/2 về mức cơ bản 4I15/2, chuyển dời này phát xạ thêm một photon nữa
có cùng bƣớc sóng và pha với photon tới, đây chính là nguyên lý khuếch đại quang
của thủy tinh pha tạp Er3+
.
Khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp ion Er3+ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
đã góp phần rất lớn trong phát triển thông tin quang sợi vì vùng bƣớc sóng khuếch đại phù hợp với cửa sổ thông tin thứ 3 (1530 nm – 1610 nm) đang đƣợc sử dụng, hiện nay có rất nhiều các
nghiên cứu cơ bản về tính chất quang của thủy tinh pha tạp Er3+
nhằm chế tạo đƣợc các hệ khuếch đại quang có chất lƣợng ngày càng hoàn thiện.
Khuếch đại quang Raman (Raman Optical Amplifier: ROA): dựa trên cơ sở tán xạ Raman cƣỡng bức trong môi trƣờng có tán xạ Raman mạnh. Môi trƣờng tán xạ Raman là sợi quang có pha tạp Ge với nồng độ cao và có cấu trúc dẫn sóng phức tạp (sợi quang bù tán sắc - DCF). Khác với khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium, yêu cầu đối với ROA là nguồn bơm có công suất cao (vài trăm miliwatt trở lên) và sợi quang có độ dài từ vài kilômét đến vài chục kilômét. Khuếch đại quang Raman sử dụng trong hệ thống thông tin quang chủ yếu dựa vào sóng Stoke phát ra từ tán xạ Raman trên các phân tử trong sợi quang. Do sóng Stoke từ tán xạ Raman yếu, vì vậy sợi quang cần phải có độ dài lớn (hàng chục kilômét) để tích luỹ sóng Stoke dọc theo sợi quang. Đây là điều khác biệt rất cơ bản giữa ROA và EDFA.
EDFA có thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1 % Erbium. Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Đoạn sợi pha tạp Erbium đƣợc ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thƣờng có chiều dài khoảng 10 - 20m. Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lƣợng cho đoạn EDF, một bộ ghép bƣớc sóng WDM để ghép bƣớc sóng ánh
37
sáng tín hiệu và bƣớc sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống.
2.4.3. Nguyên lý hoạt động của EDFA.
Trong lớp lõi của sợi quang thạch anh nếu trộn vào một ít nguyên tố đất hiếm nhƣ Er, Pr… sẽ hình thành loại sợi quang đặc biệt, loại sợi quang này có thể khuếch đại tín hiệu dƣới sự kích thích của bơm quang nên gọi là khuếch đại sợi quang.
Hiện nay sử dụng rộng rãi là bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA) có ƣu điểm nhƣ độ tăng ích đầu ra là cao, băng tần rộng, tạp âm thấp, đặc tính tăng ích không có quan hệ với phân cực, trong suốt đối với tốc độ số…
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. 9. Cấu tạo cơ bản của EDFA 2.4.3.1. Cấu tạo cơ bản của EDFA:
Bộ phối ghép quang có tác dụng gộp tín hiệu quang và tín hiệu quang bơm làm một, thƣờng dùng bộ ghép kênh. Trong bộ ghép kênh, các thấu kính có tác dụng để ghép ánh sáng vào và ánh sáng ra, nó bao gồm các gƣơng và bộ lọc tích hợp. Năng lƣợng bơm và tín hiệu tổn hao khoảng 0.5 dB.
Bộ cách ly quang có tác dụng hạn chế quang phản xạ để đảm bảo bộ khuếch đại làm việc ổn định. Các bộ cách ly quang thƣờng giảm ánh sáng phản xạ khoảng 30 dB, trong đó tổn hao tín hiệu truyền là 1 dB. EDFA thƣờng dùng hai bộ cách ly quang. Bộ thứ nhất ở đầu vào dùng để loại bỏ nhiễu gây ra do truyền phát cùng chiều của bộ khuếch đại. Bộ thứ hai ở đầu ra bảo vệ cho linh kiện không bị phản xạ ngƣợc chiều từ đoạn dƣới.
Quá trình khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+
đƣợc giải thích nhƣ sau: Erbium
là một nguyên tố đất hiếm có các mức năng lƣợng nhƣ hình 8. Er3+