CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
1.4. Cơ chế của khuếch đại quang sợi EDFA
1.4.3. Khuếch đại quang sợi EDFA
1.4.3.1. Nguyên lý của bộ khuếch đại quang sợi EDFA
Khuếch đại quang pha sử dụng các sợi quang pha tạp các nguyên tố đất hiếm là một hiện tượng dựa trên sự phát xạ cưỡng bức của photon. Điều này xảy ra khi các ion đất hiếm phân rã từ mức năng lượng cao đến các mức năng lượng thấp. Có thể quan sát dựa trên Hình 1.12.
Q trình chuyển dời này được kích thích bởi một photon ngẫu nhiên từ tín hiệu vào mà nó được khuếch đại. Photon được kích thích sẽ có chung bước sóng và pha với photon ngẫu nhiên đó. Chúng sẽ đồng bộ và liền mạch với nhau. Đây được gọi là hiệu ứng laser. Trong khuếch đại quang sợi, nguồn cấp sẽ là một nguồn quang học (laser) và được gọi là bơm. Một số lượng lớn các ion được kích thích sẽ là yếu tố để đạt được độ khuếch đại rất lớn. Bước sóng của tín hiệu và bơm dựa vào sự hấp thụ và phát xạ của ion được pha tạp vao. Để có được sự khếch đại thì sự phát xạ phải lớn hơn sự hấp thụ tại bước sóng của tín hiệu.
Hình 1.13 : Phổ cross-section phát xạ và hấp thụ của EDFA
Có thể thấy ở Hình 1.13 thì tại bước sóng 1550nm, sự phát xạ lớn hơn sự hấp thụ, vì thế tín hiệu sẽ được khuếch đại. Mặt khác, tại bước sóng bơm 1480nm, ion Er3+ chỉ hấp thụ vì thế việc bơm sẽ đạt được hiệu quả.
Nhìn vào giản đồ mức năng lượng ở hình Hình 1.14, có thể thấy được ion Er3+ nó có nhiều hơn 2 mức năng lượng. Mức năng lượng thấp nhất là mức đất (ground level), mức tiếp theo sẽ là mức siêu bền (metastable level), nó rất ổn định và có thời gian sống trung bình của một ion erbium là 10ms. Mức thứ ba lại ngược lại, khi ion erbium được bơm đến mức này thì nó sẽ lập tức trở lại mức siêu bền mà không phát xạ bất cứ photon nào. Đây được gọi là q trình phân rã khơng phát xạ.
Hình 1.14: Giản đồ mức năng lượng [6]. Có hai phương pháp để bơm ion erbium lên mức siêu bền đó là:
- Sử dụng bơm tại bước sóng bơm 980nm: điều này được nghiên cứu bởi vì hấp thụ của erbium tại 980nm cao hơn tại 1500nm, vì thế hiệu quả bơm sẽ cao hơn. Tuy nhiên suy hao trong sợi silicate tại 980nm là khá lớn.
- Sử dụng bơm tại bước sóng 1460 – 1500 nm: Bước sóng tín hiệu tối ưu cho DEDFA đã được tìm thấy là 1554 nm khi sử dụng bước sóng bơm 1480 nm. Hiện nay, hầu hết EDFA đang sử dụng có bước sóng bơm 980nm.
1.4.3.2. Cấu hình hệ thống EDFA a) EDFA một chặng
- Single Pass: Bộ EDFA Single Pass (SP-EDFA) bao gồm một hoặc hai bộ bơm laser diode và cũng có một hoặc hai bộ WDM để tổng hợp ánh sáng với bơm cơng suất. Cấu hình này rất linh hoạt và có thể thu được độ lợi trong khoảng 15.5 đến 31.5dB.
- Double Pass: Bộ double pass EDFA cơ bản (DP-EDFA) là một trạng thái mà tín hiệu sẽ đi quan hai lần thông qua bộ khuếch đại EDFA như Hình1.15. Theo như lý thuyết thì độ lợi sẽ tăng gấp đâu so với single pass. Cấu hình double pass sử dụng bộ EDFA thương mại cho các ứng dụng S-band cũng như khuếch đại phát xạ tự phát.
Hình 1.15: (a) EDFA một chặng single pass (b) EDFA một chặng double pass
b) EDFA hai chặng
Cấu hình EDFA hai chặng có thể có double pass, triple pass hoặc quadruple pass như trong Hình 1.16
- Double pass: Trong một số nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng có thể với cơng suất đầu vào thấp khoảng -30dBm có thể đạt được độ lợi lên tới 32.64dB và NF nhỏ hơn 5dB.
- Triple pass: Chặng đầu tiên của EDFA sẽ khuếch đại cả băng tần C và L, và chặng thứ hai chỉ khuếch đại băng tần L.
- Quadruple pass: Với công suất vào là -50dBm có thể đạt được NF là 7dB tại 1550nm. Cấu hình được trình bày như Hình 1.16.
Hình 1.16: (a) EDFA hai chặng double pass (b) EDFA hai chặng triple pass (c) EDFA hai chặng quadruple pass
c) EDFA ba chặng
Cấu hình EDFA ba chặng bao gồm ba bộ single pass ba lần trên cấu hình EDA như được thể hiện ở Hình 1.17. Các nghiên cứu về lý thuyết dã được thực hiện trước đây với hai bơm, ba chặng EDFA L-band và dựa trên các mơ hình số đáng tin cậy.