Khuếch đại quang được ứng dụng trong cỏc hệ thống truyền dẫn quang như cỏc bộ khuếch đại nhằm làm tăng cụng suất của tớn hiệu quang trờn đường truyền, khắc phục suy hao do sợi quang và cỏc mối hàn, nối xảy ra trờn đường truyền. Tựy theo vị trớ lắp đặt, cỏc bộ khuếch đại trờn tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại:
- Khuếch đại cụng suất BA (booster amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngay sau thiết bị phỏt nhằm mục đớch làm tăng cụng suất tớn hiệu qaung đến mức cao nhất để làm cho khoảng cỏch truyền cực đại. Yờu cầu của cỏc bộ khuếch đại cụng suất là tạo ra cụng suất đầu ra cực đại chứ khụng phải hệ số khuếch đại cực đại vỡ cụng suất tớn hiệu đầu vào lớn.
- Khuếch đại đường truyền LA (line amplifier): là cỏc bộ khuếch đại quang được đặt trờn tuyến quang nhằm mục đớch bự mất mỏt cụng suất gõy ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phõn phối tớn hiệu quang trong mạng. Cỏc bộ khuếch đại đường truyền cú thể được lắp đặt nối tiếp nhau trờn đường truyền để gia tăng khoảng cỏch lắp đặt. Tuy nhiờn, việc lắp đặt nối tiếp cỏc bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền dẫn quang. Yờu cầu của bộ khuếch đại đường truyền là độ ổn định trờn toàn bộ dải thụng của hệ thống WDM, giữ tạp õm ở mức cực tiểu và thực hiện việc trao đổi tốt tớn hiệu quang với sợi quang truyền dẫn.
- Tiền khuếch đại PA (Preamplifier): là cỏc bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tớn hiệu ngay trước khi tớn hiệu được đưa vào thiết bị. Điều này làm giảm yờu cầu nghiờm ngặt của độ nhạy thiết bị thu và cho phộp hệ thống truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao hơn. Do vị trớ lắp đặt, cỏc bộ tiền khuếch đại hoạt động với cụng suất tớn hiệu vào yếu và mức tạp õm ở đầu thu cao. Do vậy, yờu cầu của một bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, hệ số khuếch đại lớn và tạp õm thấp.
Ngoài cỏc ứng dụng chớnh làm cỏc bộ khuếch đại trờn đường truyền quang, cỏc bộ khuếch đại quang SOA và OFA cũn được sử dụng trong cỏc bộ chuyển đổi bước súng. Việc chuyển đổi bước súng được thực hiện dựa trờn hiện tượng bóo hũa hệ số khuếch đại và hiện tượng trộn bốn bước súng FWM (four-wave mixing) xảy ra trong cỏc bộ khuếch đại quang.
3.2. Cỏc ứng dụng của EDFA trong hệ thống thụng tin quang số
Trong cỏc hệ thống thụng tin quang số cỏc bộ EDFA cú thể được sử dụng làm cỏc bộ tiền khuếch đại PA; Cỏc bộ khuếch đại cụng suất BA hoặc khuếch đại đường truyền LA. Theo cỏc tiờu chuẩn này thiết bị khuếch đại quang sợi OFA (PA, BA hoặc LA) được đặt dọc theo tuyến quang.
- Bộ tiền khuếch đại PA: ứng dụng quan trọng nhất của EDFA là tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier).
Hỡnh 3.1: Ứng dụng EDFA làm tiền khuếch đại PA.
Cỏc bộ tiền khuếch đại quang là thiết bị OFA cú độ khuếch đại cao và tạp õm rất thấp, được sử dụng trực tiếp ngay trước bộ thu quang để cải thiện độ nhạy thu. Cũng cú thể mắc nối tiếp cỏc bộ tiền khuếch đại với nhau để nõng cao độ nhạy mỏy thu. Vỡ PA rất gần với bộ thu quang nờn chức năng hoạt động, quản lớ và bảo dưỡng cho PA cú thể chung với bộ thu quang. Khi suy hao giữa PA và bộ thu quang bằng 0dB thỡ ta cú một thiết bị tổ hợp của PA và thiết bị thu được gọi là bộ thu cú khuếch đại quang OAR (Otically Amplified Receiver). Như vậy bộ thu cú khuếch đại quang OAR thực chất là là một hệ thống phụ OFA mà trong đú bộ tiền khuếch đại quang được tớch hợp với bộ thu quang tạo ra bộ thu cú độ nhạy cao hơn.
- Bộ khuếch đại cụng suất quang BA: Bộ khuếch đại cụng suất quang BA là thiết bị OFA cú cụng suất bảo hoà cao được đặt trực tiếp ngay sau bộ phỏt quang để tăng mức cụng suất đầu ra. Do mức cụng suất ra tương đối cao nờn tạp õm ASE cú thể bỏ qua và do đú đối với BA 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 BA cú thể gõy nờn một số hiện tượng phi tuyến. Cỏc chức năng OAM đối với BA cú thể tỏch riờng hoặc chung với Tx. BA cú thể tớch hợp với Tx (gọi là OAT) hoặc tỏch riờng với Tx. Ứng dụng của cỏc BA chỉ cú thể hấp dẫn trong cỏc trường hợp cỏc vị trớ trung gian với thiết bị tớch cực ở ngoài ý muốn hoặc khụng thể tiếp cận, vớ dụ như cỏc hệ thống dưới biển.
Hỡnh 3.2: Ứng dụng EDFA làm khuếch đại cụng suất BA.
- Bộ khuếch đại đường truyền LA
Hỡnh 3.3: Ứng dụng EDFA làm khuếch đại đường truyền LA.
LA là thiết bị EDFA cú mức tạp õm thấp được sử dụng trờn đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Tuỳ theo chiều dài tuyến mà LA cú thể được dựng để thay thế một số hay tất cả cỏc trạm lặp trờn tuyến. Đối với cỏc hệ thống cú sử dụng LA đũi hỏi phải cú một kờnh thụng tin riờng để thực hiện việc cảnh bỏo, giỏm sỏt và điều khiển cỏc LA. Kờnh giỏm sỏt này (OSC - Optical Supervisor Channel) khụng được quỏ gần với bước súng bơm cũng như kờnh tớn hiệu để trỏnh ảnh hưởng giữa cỏc kờnh này. Tại mỗi LA, kờnh giỏm sỏt này được chốn thờm cỏc thụng tin mới (về trạng thỏi của LA, cỏc thụng tin về cảnh bỏo), sau đú lại được phỏt lại vào đường truyền. Về mặt lý thuyết, khoảng cỏch truyền dẫn lớn (cỡ vài nghỡn km) cú thể đạt được bằng cỏch chốn thờm cỏc LA vào đường truyền. Tuy nhiờn, trong trường hợp trờn tuyến cú nhiều LA liờn tiếp nhau, chất lượng hệ thống cú thể suy giảm nghiờm trọng do cỏc hiện tượng như: tớch luỹ tạp õm, sự phụ thuộc của phổ khuếch đại vào tổng hệ số khuếch đại, ảnh hưởng của tỏn sắc, phõn cực và cỏc hiệu ứng phi tuyến. Đặc biệt là việc hỡnh thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước súng nào đú dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA.
3.3. Ứng dụng của EDFA trong cỏc hệ thống tương tự
Ứng dụng của EDFA khụng chỉ dừng lại ở cỏc hệ thống số mà cũn cú vị trớ ngày càng quan trọng trong cỏc hệ thống tương tự. Truyền dẫn quang tương tự thụng qua cỏc hệ thống cú EDFA đang là một xu hướng phỏt triển trong tương lai gần. Những ứng dụng cú ý nghĩa của EDFA đó được chứng minh bằng việc
xem xột cấu hỡnh ứng dụng trong mạng phõn bố tớn hiệu video (CATV và HDTV), cỏc mạng quang sử dụng kỹ thuật ghộp kờnh súng mang phụ và truyền tải tương tự trong mụi trường kết hợp điện từ. Cũng tương tự như trong hệ thống số cỏc EDFA được ứng dụng chủ yếu làm bộ tiền khuếch đại PA để cải thiện độ nhạy thu của bộ thu tương tự, bộ khuếch đại cụng suất BA để tăng cường quỹ cụng suất quang của tuyến truyền dẫn analog, cỏc bộ khuếch đại đường truyền để tăng cự ly truyền dẫn của hệ thống. Ngoài ra cỏc EDFA cũn cú thể sử dụng như cỏc bộ lặp thụ động đặt trong mụi trường tạp õm thấp và phi tuyến thuần nhất.
Trong cỏc hệ thống CATV khuếch đại quang EDFA đúng cả vai trũ như bộ khuếch đại cụng suất và bự suy hao chia quang. Trờn thực tế dung lượng tiềm tàng của cỏc hệ thống WDM CATV cú sử dụng EDFA được thể hiện bằng số cỏc kờnh video và số người sử dụng lớn hay khụng. Lớ do mà mà cỏc kờnh video sử dụng EDFA là là do nú cú băng tần rộng và hơn thế là để tận dụng băng tần lớn của sợi quang đơn mode. Một mạng tổng thể phỏt quảng bỏ CATV dựa trờn cỏc hệ thống cú EDFA được mụ tả như hỡnh vẽ dưới đõy:
Hỡnh 3.4: Mạng tổng thể phỏt quảng bỏ CATV dựa trờn cỏc hệ thống cú EDFA.
Trong sơ đồ hỡnh 3.4, cỏc tớn hiệu video cú thể được phỏt từ cỏc nguồn khỏc nhau như vệ tinh, quảng bỏ, viba mặt đất, phõn bố nội hạt; cũng cú thể là cỏc tớn hiệu video số hoặc tớn hiệu dữ liệu. Tại cỏc trạm trung tõm hoăc trạm thu cỏc tớn hiệu video tương tự tương ứng với cỏc kờnh TV riờng rẽ được ghộp kờnh súng mang phụ SCM và được cấp cho cỏc điode laser LD một tần số hoạt động tại cỏc bước súng mang …. . Sau đú tất cả cỏc tớn hiệu quang được được ghộp kờnh thụng qua bộ ghộp coupler m x m và được khuếch đại nhờ cỏc thiết bị khuếch đại cụng suất EDFA. Tớn hiệu đó ghộp được đưa vào mạng trước hết được chia thụng qua bộ ghộp coupler 1 x n rồi sau đú được truyền đi dọc theo
sợi quang đơn mode SMF. Quỏ trỡnh khuếch đại cụng suất và chia quang cú thể diễn ra lặp lại một số lần. Trong cỏc hệ thống CATV cỏc bộ EDFA đúng cả vai trũ bộ khuếch đại cụng suất và bộ bự suy hao cho chia quang.
3.4. Cỏc ứng dụng của EDFA trong mạng nội hạt (LAN)
Mạng nội hạt LAN (Local Area Network) được xỏc định như là một hờ thống truyền tải thụng tin mà nú thực hiện sự kết nối cỏc thực thể phõn bố trong một cấu trỳc hoặc một vựng địa lý.
Cỏc bộ khuếch đại EDFA phõn bố hoặc tập trung đặc biệt phự hợp với nhiều topo mạng LAN cú cấu trỳc bus. Với cỏc mạng LAN cú cấu trỳc kiểu này dung lượng thường bị giới hạn nhiều do suy hao trội, suy hao rẽ nhỏnh, và suy hao truyền dẫn gõy ra. Cỏc bộ EDFA cú thể đuợc dựng để bự suy hao dọc theo bus. Chỳng cú thể được dựng như một mụi trường truyền dẫn trong ứng dụng phõn bố. Ngoài ra một ưu điểm khỏc nữa của EDFA trong mạng này là làm tăng số cỏc trạm và độ dài bus thường bị giới hạn bởi quỹ cụng suất.
Cỏc mạng LAN kiểu ring dựng cho cỏc ứng dụng tập trung cũng được cỏc nhà khai thỏc quan tõm. Sự khỏc biệt chớnh giữa LAN bus và LAN ring là mạng LAN ring cho phộp ASE tớch luỹ và đi vũng khụng giới hạn. Vỡ vậy cỏc EDFA cú tự động điều chỉnh cụng suất APC cú thể được ỏp dụng trong mạng LAN ring tự phục hồi. Cuối cựng đặc tớnh của mạng LAN cú cấu trỳc hỡnh sao cũng cú thể được tăng cường nhờ cỏc EDFA bằng việc bự được cỏc suy hao cho cỏc bộ ghộp hỡnh sao thụ động.
3.5. Ứng dụng của EDFA trong hệ thống thụng tin quang ghộp kờnh theo bước súng WDM
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của EDFA hiện nay là sử dụng trờn cỏc hệ thống thụng tin quang ghộp kờnh theo bước súng WDM. Chỳng ta sẽ tỡm hiểu sõu hơn về hệ thống này trong phần dưới đõy
3.5.1 Cụng nghệ ghộp kờnh theo bước súng WDM
Để nõng cao dung lượng và tốc độ bit truyền và tận dụng tối đa độ rộng băng thụng của sợi quang, người ta sử dụng cỏc cụng nghệ ghộp kờnh ở miền tần
số quang và tạo ra hệ thống thụng tin quang đa kờnh. Trong cỏc hệ thống thụng tin quang đa kờnh phổ biến nhất là hệ thống thụng tin quang ghộp kờnh theo bước súng viết tắt là WDM (wavelength division multilexing).
a. Nguyờn tắc làm việc của hệ thống WDM
Hệ thống thụng tin quang đa kờnh WDM làm việc dựa trờn nguyờn tắc ghộp nhiều bước súng quang khỏc nhau: λ1,λ2,....,λN để truyền dẫn đồng thời trờn một sợi quang thay vỡ chỉ truyền một bước súng quang trờn một sợi quang như trong hệ thống đơn kờnh.
Nguyờn tắc thực hiện: do cỏc vựng cửa sổ truyền dẫn thứ hai (λ2 =1,3àm)
và thứ ba (λ3 =1,55àm) cú tổn hao thấp của sợi quang cú băng tần rất rộng: nm 70 2 = ∆λ ( f 12Hz 2 =12.10 ∆ ), ∆λ3 =110nm ( f 12Hz 3 =15.10 ∆ ). Nếu phổ bức xạ của
cỏc laser phỏt là khỏ hẹp ∆λ =1ữ2nm (với LD đa mode) và bằng 0,1nm (với LD đơn mode) thỡ trong mỗi vựng cửa sổ trờn cú thể ghộp nhiều bước súng phỏt khỏc nhau mà khụng chồng lấn lờn nhau để truyền dẫn đồng thời trờn cựng một sợi quang. Mỗi bước súng quang được điều chế một luồng tớn hiệu điện riờng gọi là một kờnh quang. Do đú hệ thống thụng tin quang đa kờnh WDM cú dung lượng và tốc độ bit cao gấp nhiều lần so với hệ thống thụng tin quang đơn kờnh. Giả sử mỗi kờnh cú tốc độ bit là B, và hệ thống truyền được N kờnh đồng thời, thỡ tốc độ bit của cả hệ thống đa kờnh WDM là N.B.
b. Cấu hỡnh sơ đồ khối của hệ thống WDM
Tuỳ theo khoảng cỏch bước súng giữa cỏc kờnh lõn cận nhau, mà hệ thống đa kờnh WDM được phõn loại thành hệ thống WDM thụ và hệ thống WDM dầy ký hiệu là DWDM (dense wavelength division multilexing). Trong hệ thống WDM thỡ khoảng cỏch bước súng giữa cỏc kờnh lõn cận ∆λ >1nm, cũn trong hệ thống DWDM thỡ ∆λ <1nm. Cụng nghệ hiện nay đó cho phộp chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80 kờnh với khoảng cỏch kờnh rất nhỏ 0,5nm. Để thuận tiện,
thuật ngữ WDM được dựng để chỉ chung cho cả hai khỏi niệm WDM và DWDM.
Hệ thống thụng tin quang đa kờnh WDM cú hai cấu hỡnh sơ đồ khối là dạng ghộp kờnh quang đơn hướng và ghộp kờnh quang hai hướng.
- Sơ đồ hệ thống WDM ghộp kờnh quang đơn hướng. Hỡnh 3.5 mụ tả sơ đồ khối của hệ WDM dạng ghộp kờnh đơn hướng.
Hỡnh 3.5: Sơ đồ hệ WDM ghộp kờnh quang đơn hướng.
Tại phớa mỏy phỏt, N kờnh quang cú bước súng khỏc nhau là λ1,λ2,...,λN từ cỏc mỏy phỏt riờng T1 , T2 , T3 ,…TN được đưa đến bộ ghộp kờnh theo bước súng MUX, sau đú tất cả N bước súng được truyền dẫn đồng thời trờn một sợi quang đi đến phớa mỏy thu. Tại đầu thu, cỏc bước súng khỏc nhau đựơc bộ tỏch kờnh quang DEMUX tỏch ra thành cỏc bước súng riờng rẽ rồi đưa đến từng mỏy thu quang R1 , R2 , R3 ,…RN dành cho cỏc kờnh tương ứng. Việc truyền cỏc kờnh quang theo hướng ngược lại được thực hiện theo sơ đồ tương tự nhưng truyền trờn sợi quang thứ hai khỏc. Trong sơ đồ dạng ghộp kờnh đơn hướng cỏc bộ tỏch và bộ ghộp kờnh theo bước súng chỉ làm việc một chức năng là tỏch hoặc ghộp độc lập riờng rẽ nhau, nờn cấu trỳc đơn giản, chất lượng cao, nhưng phải dựng đến hai sợi quang cho hai hướng đi và về.
- Sơ đồ hệ WDM ghộp kờnh quang hai hướng. Hỡnh 3.6 mụ tả sơ đồ khối hệ WDM dạng ghộp kờnh quang hai hướng.
Hỡnh 3.6: Sơ đồ hệ WDM ghộp kờnh quang hai hướng.
Trong sơ đồ hệ WDM dạng ghộp kờnh hai hướng, từ trạm đầu cuối thứ nhất, cỏc kờnh quang bước súng khỏc nhau là λ1,λ2,....,λN từ cỏc mỏy phỏt T1, T2, …,TN được đưa vào bộ ghộp kờnh quang theo bước súng, rồi truyền trờn sợi quang đến đầu cuối thứ hai. Tại đõy chỳng được bộ tỏch kờnh theo bước súng tỏch thành cỏc kờnh riờng rẽ đi đến từng mỏy thu tương ứng R1, R2, …RN. Đồng thời tại trạm đầu cuối này cỏc kờnh quang bước súng khỏc nhau khỏc là
M N
N λ λ
λ +1, +2,...., từ cỏc mỏy phỏt TN+1, TM+2, …TM cũng được đưa đến bộ ghộp kờnh theo bước súng để truyền cũng trờn cựng một sợi quang đú nhưng theo chiều ngược lại đi về phớa trạm đầu cuối thứ nhất. Tại đõy chỳng lại được bộ tỏch kờnh theo bước súng tỏch thành cỏc bước súng riờng để đi đến cỏc mỏy thu tơng ứng RN+1, RM+2, …RM. Do đú tại mỗi đầu cuối hệ phải cú cỏc thiết bị làm nhiệm vụ đồng thời cả ghộp kờnh lẫn tỏch kờnh quang, gọi chung là bộ tỏch- ghộp kờnh quang MUX-DEMUX. Hệ thống WDM ghộp kờnh quang hai hướng cú ưu điểm là chỉ cần một sợi quang, nhưng nhược điểm là bộ tỏch-ghộp cú cấu tạo phức tạp, chất lượng đũi hỏi cao, nờn giỏ thành cao.