1 2.2 Suyhao do tán xạ
3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt ựộng
Ba dạng cấu trúc khác nhau của EDFA ựược mô tả qua hình (3.1). Sợi quang có pha trộn nguyên tố EDFA ựược ghép nối với sợi quang thông thường và có thể ghép với các thiết bị khác. Ánh sáng bơm ựược kết hợp với tắn hiệu và nhờ sử dụng bộ ghép bước sóng quang WDM trên hệ thống. Ánh sáng bơm ựược truyền dọc theo sợi có pha tạp Ethium và bị hấp thụ khi các ion Erbium ựược ựưa lên trạng thái kắch thắch. Khi tắn hiệu ựược truyền vào EDFA, nó kắch thắch sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kắch thắch, do vậy nó khuếch ựại công suất tắn hiệu.
EDFA là một thiết bị ựược bơm quang học, do ựó năng lượng ựược cung cấp bởi một nguồn quang (một LD), ựể phun năng lượng vào sợi quang pha tạp ở bước sóng phù hợp với các ựặc tắnh của Erbium (980 hoặc l,480nm). Việc bơm có thể thực hiện theo hướng thuận (hình a), hướng ngược (hình b hoặc theo cả 2 hướng hình c). Khuếch ựại xảy ra bởi sự truyền năng lượng từ sóng bơm ựến sóng tắn hiệu khi nó truyền
xuống sợi quang pha tạp. Với hình (a) kết cấu này ựưa tắn hiệu quang và bơm quang vào sợi quang trộn Erbium trên cùng một chiều, còn gọi là bơm phắa trước. Còn bơm ngược thì tắn hiệu quang và bơm quang ựưa vào sợi quang trộn Erbium từ hai hướng khác nhau. Hình (c) là kết cấu ựồng thời bơm cùng chiều và ngược chiều EDFA hoạt ựộng thông qua hệ thống 3 mức năng lượng. Hình vẽ (3.2) miêu tả quá trình này.
Các mức El, E2, E3, tương ứng là mức ựất, mức gần ổn ựịnh và mức bơm. Mật ựộ của con Er3+ ựược biểu thị bởi các Nl, N2, N3 trong ựó Nl> N2> N3 khi hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt (không bơm). Khi bơm, những mật ựộ này thay ựổi do các ion di chuyển qua lại giữa các mức năng lượng, kèm theo sự phát xạ hoặc hấp thụ photon ở các tần số ựược xác ựịnh bởi sự sai khác giữa các mức năng lượng. Bước sóng λ ựối với mỗi chuyển ựổi ựược cho bởi quan hệ lượng tử: λ =hc / E∆ , trong ựó
h là hằng số Planck và E∆ là sự sai khác giữa các mức năng lượng. Trong thực tế,ba
mức trong sơ ựồ trên là các dải hẹp, do ựó mỗi chuyển ựổi thực tế ựược kết hợp với một dải bước sóng.
Hai bước sóng bơm ựiển hình ựược sử dụng trong EDFA là 980nm và 1,480nm. Như chỉ ra ở hình trên, bằng cách hấp thụ năng lượng từ một cái bơm 980nm, các con Er+3 ở trạng thái ựất nhảy lên ựến trạng thái E3. Tốc ựộ mà ở ựó xảy ra những dịch chuyển này tỷ lệ thuận với Nhịp trong ựó Pp là công suất bơm. Các con ựược kắch thắch này lại phân rã một cách tự phát xuống trạng thái gần ổn ựịnh E2 Và dịch chuyển này ở tốc ựộ lớn hơn nhiều so với dịch chuyển từ mức El ựến mức E3 điều này có nghĩa là ở trạng thái ổn ựịnh dưới tác ựộng của bơm, mật ựộ lớn ở mức ựất giảm xuống và tắch luỹ lớn ở mức E2 Quá trình này ựược gọi là sự ựảo mật ựộ bởi vì lúc này ta có N2>Nl, ngược với trường hợp ổn ựịnh nhiệt. Tốc ựộ chuyển ựổi từ mức E2 xuống mức El rất chậm so với các chuyển ựổi khác, do vậy thời gian sống, τ, ở mức E2 (là nghịch ựảo của tốc ựộ chuyển ựổi xuống mức El) rất lâu (xấp xỉ 10ns). Hoạt ựộng bơm tương tự có thể xảy ra ở bước sóng 1480 nm. Trong trường hợp này các con nhảy trực tiếp ựến ngưỡng trên của dải E2 các nguồn bơm laser bán dẫn tin cậy ựược phát triển ở cả 2 bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm. EDFA thường sử dùng 2 bộ cách ly quang. Bộ thứ nhất ở ựầu vào, dùng ựể loại bỏ can nhiễu có thể gây ra do truyền bá tự phát ngược chiều của bộ khuếch ựại; bộ thứ hai ở ựầu ra, bảo vệ cho linh kiện không bị phản xạ ngược chiều từ ựoạn dưới.
Hình 3.1: Các cấu trúc cơ bản của bộ khuếch ựại quang EDFA
Hình 3.2: Các mức năng lượng trong EDFA