3.3. Cỏc bộ khuếch đại quang 39
3.3.1. Cụng nghệ EDFA 4 0-
3.3.1.1 Tổng quan về cụng nghệ EDFA
Khuếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu dựng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplifier) [3,4]. Bộ khuếch đại EDFA ra đời làm cho cụng nghệ truyền dẫn sợi quang phỏt triển nhanh chúng. Cho đến nay, EDFA đó đƣợc đƣa vào khai thỏc và sử dụng ở hầu hết cỏc hệ thống thụng tin quang, chỳng đƣợc dựng để thay thế cỏc trạm lặp thụng thƣờng trong cỏc trƣờng hợp nhƣ:
Cỏc bộ khuếch đại tăng cƣờng để tăng cụng suất truyền dẫn và do đú tăng đƣợc cự ly truyền dẫn hoặc là để bự vào những tổn hao trong hệ thống truyền dẫn.
Dựng làm cỏc bộ tiền khuếch đại để tăng độ nhạy thu. Ở đõy cỏc trạm lặp đƣợc đặt trƣớc cỏc bộ thu quang để tăng cƣờng độ của tớn hiệu vào bộ tỏch súng. Nhƣ vậy độ nhạy thu sẽ đƣợc tăng lờn và giải phỏp này rất cú hiệu quả trong cỏc hệ thống truyền dẫn khoảng cỏch xa.
EDFA làm việc ở bƣớc súng 1550nm với hệ số khuếch đại cao, cụng suất ra lớn và nhiễu thấp. Để cho cỏc EDFA hoạt động trờn cỏc hệ thống thụng tin quang thỡ cần cú một nguồn bơm. Cỏc diode laser bỏn dẫn cụng
suất cao là cỏc nguồn bơm thực tế để cung cấp nguồn ỏnh sỏng cho EDFA. EDFA là một đoạn sợi quang đặc biệt mà cú thể nối liền với cỏc sợi dẫn quang truyền dẫn với suy hao do hàn nối tiếp xỳc khụng quỏ 1dB.
Hệ số khuếch đại của EDFA khụng bị ảnh hƣởng do phõn cực của ỏnh sỏng. Bởi vỡ bóo hũa xảy ra trong EDFA tồn tại một thời gian khỏ dài do đú khụng tạo ra nhiễu xuyờn õm khi truyền tớn hiệu tốc độ cao.
3.3.1.2 Nguyờn lý hoạt động của EDFA
Nguyờn lý khuếch đại đƣợc thực hiện nhờ cơ chế bức xạ trong 3 mức hoặc 4 mức nhƣ hỡnh 3.25:
Er3+ Mức kích thích E2
Mức siêu bền E3
Tín hiệu tới đ-ợc khuếch đại Phân rã không bức xạ Mức cơ bản E1 λ=980nm; λ=1480nm photon bơm λ photon tới
Hỡnh 3. 25: Giản đồ năng lượng của Erbium
EDFA bao gồm một đoạn ngắn sợi cỏp quang mà lừi của chỳng đƣợc pha trộn ớt hơn 0,1% erbium, là một nguyờn tố đất hiếm cú tớnh năng quang tớch cực. Cỏc ion erbium đƣợc bơm tới một mức năng lƣợng phớa trờn do sự hấp thụ ỏnh sỏng từ một nguồn bơm, chẳng hạn bơm ở bƣớc súng ỏnh sỏng 1480nm. Sự chuyển dịch của ion từ mức năng lƣợng cao này xuống mức năng lƣợng cơ bản phỏt ra một photon, photon này đƣợc bức xạ cú thể là do hiện tƣợng bức xạ tự phỏt hay là bức xạ kớch thớch. Cỏc photon tớn hiệu trong EDFA kớch thớch “sự tỏi định cƣ” ở trạng thỏi kớch thớch và khuếch đại tớn hiệu. Thời gian sống của ion ở mức năng lƣợng cao vào khoảng 10 ms đảm bảo rằng thay vỡ nhiễu bức xạ gõy ra bởi bức xạ tự phỏt thỡ hầu hết cỏc ion erbium đợi để đƣợc khuếch đại tớn hiệu bằng bức xạ kớch thớch.
Sự hấp thụ ỏnh sỏng bơm kớch thớch cỏc ion erbium mà chỳng tớch trữ năng lƣợng cho đến khi một cỏch lý tƣởng là cú một photon tớn hiệu kớch
thớch sự chuyển đổi nú thành một ion tớn hiệu khỏc. Sự hấp thụ cỏc bƣớc súng 980nm và 1480nm là cú hiệu quả nhất. Sợi quang cú pha trộn nguyờn tố erbium đƣợc nối ghộp với sợi quang bỡnh thƣờng và cú thể ghộp với cỏc tớn hiệu khỏc. Bơm ỏnh sỏng đƣợc kết hợp với tớn hiệu vào và cú sử dụng bộ ghộp bƣớc súng. Ánh sỏng bơm đƣợc truyền dọc theo sợi cú pha Erbium và bị hấp thụ khi cỏc ion Erbium đƣợc đƣa lờn trạng thỏi kớch thớch.
Khi tớn hiệu đƣợc truyền vào bộ EDFA nú kớch thớch sự phỏt xạ của ỏnh sỏng từ cỏc ion ở trạng thỏi kớch thớch vỡ vậy nú khuếch đại cụng suất tớn hiệu.
input isolator Coupler isolator output
Laser Diode Tín hiệu vào Tín hiệu ra Bơm b-ớc sóng 980nm hay 1480 nm EDFA
Hỡnh 3. 26: Cấu trỳc cơ sở của bộ khuếch đại EDFA
Dựa vào đƣờng đặc tớnh phổ khuếch đại của nú ta thấy nguồn laser bơm ở bƣớc súng 980nm hoặc 1480nm thỡ hiệu suất bơm là hiệu quả nhất. Cỏc bộ cỏch li quang cú nhiệm vụ chống phản xạ tớn hiệu, chỉ cho phộp truyền dẫn quang đơn hƣớng. Coupler WDM dựng để ghộp tớn hiệu bƣớc súng bơm và tớn hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium.
1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 0 5 10 15 20 25 Gain (dB) Wavelength (nm) Typical Gain Curve
3.3.1.3 Phõn loại EDFA
Dựa vào vị trớ trong hệ thống DWDM và nguồn ỏnh sỏng bơm, EDFA đƣợc phõn loại nhƣ sau:
Dựa vào vị trớ
Dựa vào vị trớ trong mạng quang, EDFA đƣợc chia thành: khuếch đại cụng suất (OBA - Optical Booster Amplifier), khuếch đại đƣờng dõy (OLA - Optical Line Amplifier) và tiền khuếch đại (OPA - Optical Pre Amplifier).
OBA là thiết bị EDFA cú cụng suất bóo hoà lớn đƣợc sử dụng ngay sau ghộp kờnh hoặc nguồn phỏt quang của thiết bị chuyển tiếp để tăng mức cụng suất tớn hiệu nhằm mục đớch mở rộng khoảng cỏch truyền tải của mạng. Do mức cụng suất ra tƣơng đối cao nờn tạp õm ASE cú thể bỏ qua và do đú đối với OBA khụng đũi hỏi phải cú cỏc yờu cầu nghiờm ngặt trong việc sử dụng cỏc bộ lọc tạp õm. Tuy nhiờn, với mức cụng suất ra cao, việc sử dụng OBA cú thể gõy nờn một số ảnh hƣởng phi tuyến.
OLA là thiết bị EDFA cú mức tạp õm thấp đƣợc sử dụng trờn đƣờng truyền ở giữa hai đoạn sợi quang để tăng chiều dài khoảng lặp. Tuỳ theo chiều dài tuyến mà OLA cú thể đƣợc dựng để thay thế một số hay tất cả cỏc trạm lặp trờn tuyến. Đối với cỏc hệ thống cú sử dụng OLA đũi hỏi phải cú một kờnh thụng tin riờng để thực hiện việc cảnh bỏo, giỏm sỏt và điều khiển cỏc OLA. Kờnh giỏm sỏt này (OSC - Optical Supervise Channel) khụng đƣợc quỏ gần với bƣớc súng bơm cũng nhƣ kờnh tớn hiệu để trỏnh ảnh hƣởng giữa cỏc kờnh này. Tại mỗi OLA, kờnh giỏm sỏt này đƣợc chốn thờm cỏc thụng tin mới (về trạng thỏi của OLA, cỏc thụng tin về cảnh bỏo), sau đú đƣợc phỏt lại vào đƣờng truyền. Về mặt lý thuyết, khoảng cỏch truyền dẫn lớn (cỡ vài nghỡn km) cú thể đạt đƣợc bằng cỏch chốn thờm cỏc OLA vào đƣờng truyền. Tuy nhiờn, trong trƣờng hợp trờn tuyến cú nhiều OLA liờn tiếp nhau, chất lƣợng hệ thống cú thể suy giảm nghiờm trọng do cỏc hiện tƣợng nhƣ: tớch luỹ tạp õm, sự phụ thuộc của phổ khuếch đại vào tổng hệ số khuếch đại, ảnh hƣởng của tỏn sắc, phõn cực và cỏc hiệu ứng phi tuyến. Đặc biệt là việc hỡnh thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bƣớc súng nào đú dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của OLA.
bộ thu nhằm mục đớch khuếch đại cỏc tớn hiệu nhỏ bị suy hao trờn đƣờng dõy, khuếch đại cụng suất tớn hiệu quang trƣớc khi đƣa vào bộ thu quang để đỏp ứng đƣợc độ nhạy thu của thiết bị. Sử dụng OPA, độ nhạy thu đƣợc tăng thờm đỏng kể. Để đạt đƣợc mức tạp õm ASE thấp, ngƣời ta thƣờng sử dụng cỏc bộ lọc quang băng hẹp.
So với thiết bị đầu cuối thụng thƣờng, việc sử dụng cỏc thiết bị khuếch đại quang (OBA, OLA, OPA) sẽ tăng quỹ cụng suất lờn đỏng kể. Với phổ khuếch đại tƣơng đối rộng (khoảng 35nm), khả năng khuếch đại khụng phụ thuộc vào tốc độ và dạng tớn hiệu, sử dụng khuếch đại quang rất thuận lợi trong việc nõng cấp tuyến (tăng tốc độ, hoặc thờm kờnh bƣớc súng).
Nhỡn chung, sử dụng khuếch đại quang cú thể bự lại suy hao trong hệ thống, nhƣ vậy những hệ thống trƣớc đõy bị hạn chế về suy hao thỡ nay cú thể lại bị hạn chế về tỏn sắc. Trong trƣờng hợp đú, phải sử dụng một số phƣơng phỏp để giảm bớt ảnh hƣởng của tỏn sắc, vớ dụ nhƣ sử dụng sợi bự tỏn sắc hay cỏc nguồn phỏt cú độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài...
Dựa vào ỏnh sỏng bơm vào
Hiện nay, cỏc nguồn bơm laser sử dụng bƣớc súng 980 nm và 1480 nm vỡ tại đõy cho hiệu suất bơm cao nhất.
Nguồn bơm ỏnh sỏng loại 980 nm cú NF thấp hơn (NF: Noise Figure: tỉ lệ giữa SNR tại đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại EDFA), loại 1480 nm thỡ cú NF cao hơn, vỡ vậy cụng suất đầu ra cú thể lớn hơn (cao hơn nguồn bơm loại 980 nm khoảng 3dB).
Trong cỏc ứng dụng thực tế của OLA, cả 8 kờnh của hệ thống WDM sử dụng nguồn bơm loại 980 nm, bởi vỡ cỏc hệ thống WDM dựng sợi quang chuẩn G.652 cú đặc tớnh giới hạn tỏn sắc khỏc với giới hạn tổn hao. Nếu sử dụng nguồn bơm loại 1480 nm thỡ cụng suất của hệ thống sẽ bị suy giảm nhanh. Tuy nhiờn, với cỏc hệ thống WDM 16 kờnh ngƣời ta lại sử dụng nguồn bơm loại 1480 nm. Cả hai loại này hiện đều đang đƣợc sử dụng nhằm cải thiện hệ số NF và tăng cụng suất đầu ra.
3.3.1.4 Cỏc phƣơng phỏp khuếch đại EDFA
Bơm lase
WDM Coupler
Bộ cách li quang Bộ cách li quang
Sợi quang pha tạp Erbium
Hỡnh 3. 28: Khuếch đại EDFA một tầng
Laser bơm phỏt xạ hai bƣớc súng chớnh là 980 nm hoặc 1480 nm, trong đú laser phỏt xạ bƣớc súng 980 nm cú chất lƣợng khuếch đại tốt hơn nhƣng giỏ thành cao hơn laser 1480 nm. Khi dũng photon laser bơm đi qua sợi quang pha Ebirum thỡ bị cỏc ion hấp thụ năng lƣợng, cỏc photon nhảy lờn trạng thỏi cú năng lƣợng cao hơn. Khi tớn hiệu quang đi qua, cỏc điện tử này nhảy về trạng thỏi ban đầu phỏt ra cỏc photon cú mức năng lƣợng tƣơng ứng bƣớc súng thuộc cửa sổ 1550nm.
Những vấn đề gặp phải khi sử dụng EDFA một tầng
Yờu cầu khuếch đại núi chung và khuếch đại EDFA đối với hệ thống truyền dẫn DWDM đa kờnh là hệ số khuếch đại đối với mọi kờnh là nhƣ nhau (tức là cụng suất tớn hiệu mỗi kờnh đầu ra bộ khuếch đại là nhƣ nhau). Gọi là đồng hệ số khuếch đại.
Hệ số khuếch đại lại phụ thuộc vào tốc độ đảo mật độ. Để đảm bảo đồng hệ số khuếch đại thỡ tốc độ đảo mật độ đƣợc điều chỉnh nằm trong khoảng 70%. Tuy nhiờn, khi xột toàn bộ dải băng tần C gặp phải một đỉnh khuếch đại nằm tại bƣớc súng 1532 nm. Đú cũng chớnh là nguyờn nhõn mà toàn bộ dải băng tần C nếu dựng khuếch đại EDFA một tầng sẽ khụng thu đƣợc đồng hệ số khuếch đại. Tuy nhiờn nếu kết hợp một bộ lọc cú đặc tuyến ngƣợc lại với phổ khuếch đại thỡ băng tần C vẫn đƣợc đảm bảo đồng hệ số khuếch đại nhƣ trờn hỡnh 3.29
Hỡnh 3. 29: Khuếch đại EDFA với băng tần C sử dụng bộ lọc
Đối với băng L cú hệ số khuếch đại nhỏ và tƣơng đối bằng phẳng. Nếu sử dụng khuếch đại một tầng phải tăng cụng suất dũng bơm lờn rất nhiều. Khi tăng cụng suất dũng bơm gặp thỡ một trở ngại lớn là trạng thỏi đảo mật độ của cỏc ion nhanh chúng đạt đến trạng thỏi bóo hũa làm giảm hệ số khuếch đại.
Một nhƣợc điểm khi sử dụng EDFA đơn tầng là phải sử dụng nhiều tầng khuếch đại khỏc nhau trờn tuyến quang. Khi đú tạp õm ASE là tạp õm chớnh trong thụng tin quang DWDM đƣợc sinh ra bởi bộ khuếch đại EDFA. Qua nhiều tầng khuếch đại khỏc nhau, cụng suất tạp õm cũng đƣợc nhõn lờn nhiều lần, làm ảnh hƣởng đến OSNR của hệ thống. Một giải phỏp để hạn chế những nhƣợc điểm của bộ khuếch đại một tầng là xõy dựng bộ khuếch đại hai tầng.
Bộ khuếch đại EDFA hai tầng
Bộ khuếch đại quang hai tầng khụng cú sự thay đổi lớn so với bộ khuếch đại quang một tầng vỡ nú kết hợp hai bộ khuếch đại quang một tầng, nhƣng thật ra kỹ thuật ghộp kết hợp này khụng những giảm đƣợc nhiễu mà cũn tăng đƣợc cụng suất quang phỏt ra, giảm bớt số lƣợng bộ khuếch đại quang làm việc độc lập.
Bơm lase 980 nm
WDM Coupler
Bộ cách li quang Bộ cách li quang
Sợi quang pha tạp Erbium
WDM Coupler
Bơm lase 1480 nm
Hỡnh 3. 30: Khuếch đại EDFA hai tầng
Ở tầng thứ nhất, bộ khuếch đại quang cú chức năng nhƣ một bộ tiền khuếch đại (OPA), bƣớc súng bơm là 980 nm mà NF xấp xỉ 4 dB ở tầng 1. Hiệu suất bơm của bƣớc súng 980 nm cao hơn so với bƣớc súng 1480 nm. Do đú, cụng suất quang ra của EDFA bơm ở bƣớc súng 980 nm cú thể đạt cao nhƣ của EDFA bơm ở bƣớc súng 1480 nm trong khi lại cú NF nhỏ hơn. Tuy nhiờn ở tầng một đƣợc thiết kế nhƣ OPA nờn cụng suất ra khụng cần lớn lắm, chủ yếu cần NF nhỏ.
Ở tầng thứ hai đƣợc thiết kế nhƣ một bộ khuếch đại cụng suất (OBA), bƣớc súng bơm 1480 nm (hoặc 980nm). Cụng suất quang đầu ra OBA cú thể đạt cực đại +17 dBm với NF < 6dB. Nếu lắp thờm một modul bơm phụ nữa (bơm kộp) thỡ cụng suất quang đầu ra cú thể đạt +20dBm. Giữa hai tầng cũn trang bị thờm bộ lọc nhiễu giỳp cho đặc tuyến EDFA đƣợc bằng phẳng trong cả băng thụng.
3.3.1.5 Cỏc vấn đề truyền dẫn trong khuếch dại EDFA
Hiện nay sự kết hợp của bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium DWDM cú sử dụng sợi quang tỏn sắc khỏc khụng (NZ-DSF) và tổ hợp quang tử đang trở thành hƣớng cụng nghệ chủ yếu của tuyến thụng tin cao tốc đƣờng dài trờn thế giới.
Để đảm bảo chất lƣợng truyền dẫn của hệ thống DWDM, EDFA sử dụng trong hệ thống cần cú băng tần đủ lớn, tăng ớch bằng phẳng, hệ số tạp õm thấp và cụng suất đƣa ra cao. Quan trọng nhất là tăng ớch bằng phẳng vỡ đõy là yờu cầu đặc biệt của hệ thống truyền dẫn DWDM đối với EDFA.
Về nguyờn tắc, trờn 2 cửa sổ (1310nm, 1550nm) tiờu hao thấp của sợi quang đều cú thể ghộp kờnh bƣớc súng, cũn bộ khuếch đại quang sợi hiện nay đó hoàn thiện chỉ thớch ứng với đoạn bƣớc súng 1550nm, đồng thời việc nghiờn cứu phỏt triển hệ thống ghộp kờnh cũng chỉ giới hạn ở đoạn bƣớc súng 1550nm. Bộ khuếch đại quang sợi núi chung hiện nay thƣờng dựng trong phạm vi phổ tần tăng ớch là 1530nm - 1560 nm, tức là tất cả cỏc kờnh tớn hiệu của hệ thống DWDM đều phải ở trong băng tần này. Để phỏt triển đầy đủ tài nguyờn bƣớc súng, bộ khuếch đại sợi quang lý tƣởng phải cú đủ băng tần tăng ớch.
Tăng ớch bằng phẳng
Yờu cầu đặc biệt của hệ thống truyền dẫn DWDM đối với EDFA là tăng ớch bằng phằng GF. Núi chung EDFA tăng ớch trong băng tần làm việc cú lờn xuống nhất định, trong khi cỏc EDFA đều cú hỡnh dạng phổ tăng ớch gần giống nhau, do đú khi cú nhiều EDFA sử dụng nhiều tầng thỡ khụng thể cho phộp tăng ớch trong băng lờn xuống.
Độ bằng phẳng của tăng ớch trong băng của EDFA (GF) là hiệu số của tăng ớch ở điểm tăng ớch bƣớc súng lớn nhất và điểm tăng ớch bƣớc súng nhỏ nhất (ΔGF) trong toàn bộ băng thụng tăng ớch cú thể sử dụng.
Trong hệ thống DWDM, GF của bộ khuếch đại phải hạn chế trong phạm vi 1dB và càng nhỏ càng tốt. Để khắc phục vấn đề do tăng ớch của EDFA khụng bằng phẳng gõy ra cú thể dựng mấy biện phỏp sau:
- Chọn lựa khu vực tăng ớch bằng phẳng của EDFA; - Cụng nghệ cõn bằng tăng ớch;
- Nghiờn cứu chế tạo bộ khuếch đại quang sợi cú tăng ớch bằng phẳng. Hệ số tạp õm và cụng suất ra bóo hoà
Về bản chất, hệ thống truyền dẫn sợi quang DWDM kết hợp EDFA là một hệ thống truyền dẫn tƣơng tự, chất lƣợng truyền dẫn tớn hiệu của hệ thống tuỳ thuộc tỷ lệ tớn hiệu trờn tạp õm của tớn hiệu sau khi truyền dẫn, do đú hệ số tạp õm của EDFA là một chỉ tiờu quan trọng. Hệ số tạp õm của EDFA tuỳ thuộc cỏc nhõn tố nhƣ tạp õm bức xạ tự phỏt của EDFA, tổn hao nội bộ của cỏc bộ kiện (nhƣ bộ cỏch ly, bộ ghộp kờnh bƣớc súng …), hiệu suất phối ghộp, cụng suất bơm…
Để giảm bớt giỏ thành của hệ thống DWDM khi kết hợp cựng EDFA và tiện cho quản lý, trong trƣờng hợp hệ số suy giảm của phƣơng tiện đƣờng dõy đó xỏc định, hy vọng là mỗi EDFA đạt tới khoảng cỏch lớn nhất. Điều này cần