CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM
CHƯƠNG 3: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN
3.5 Ưu điểm của khuếch đại Raman
Trong phần này, ta xét hai ưu điểm của khuếch đại Raman trong hệ thống truyền dẫn. Trước hết nó được sử dụng để cải thiện hệ số nhiễu của hệ thống; thứ hai là làm phẳng hệ số khuếch đại phẳng. Tất cả ưu điểm có thể áp dụng cho bất kỳ sợi quang truyền dẫn nào.
3.5.1 Cải thiện hệ số nhiễu
Hệ số tạp âm (NF) của một bộ khuếch đại là tỉ số gi a SNR của tín hiệu đầu vào và SNR của tín hiệu đầu ra. Tham số này mô tả sự suy giảm chất lượng tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại. Trong các hệ thống sử dụng khuếch đại Raman, thông số NFeq (hệ số khuếch đại tạp âm tương đương) mô tả hệ số tạp âm của bộ khuếch đại đặt tại phía thu của chặng (khi không có khuếch đại Raman) để cung cấp cùng SNR với trường hợp sử dụng khuếch đại Raman phân tán. Hai hệ thống tương đương được chỉ ra trong sơ đồ hình 3.18. Suy hao trong băng hình 3.18b là SL; do đó độ lợi là G = (SL)-1, và hệ số nhiễu của băng không bơm là SL(không thêm nhiễu vì NF = Pin/ Pout). Biểu thức đã biết cho hệ số nhiễu cho hai bộ khuếch đại bậc thang là NFsys= NF1 + (NF2– 1)/ G1. Trong đó NF1 (NF2) là hệ số nhiễu của bộ khuếch đại đầu tiên (thứ hai) và G1 là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại đầu tiên.
69 Cho hệ thống tương đương trong hình 3.18b:
NFsys = NFeq L
S
(3.46)
Phương trình hệ số nhiễu của hệ thống khuếch đại Raman cũng giống hệ thống tương đương, ta thấy rằng:
NFeq= L NF
S
R hoặc NFdBeq = NFdBR - (SL)dB, (3.47) trong đó chỉ số trên dB cho biết biến đã được biểu diễn bằng dB.
Hình 3.18 Hệ thống khuếch đại Raman phân bố [6]
(a) Sơ đồ của hệ thống khuếch đại Raman phân bố (b) Hệ thống tương đương của băng truyền dẫn và
bộ khuếch đại sợi Er pha tạp
Qua công thức trên ta thấy NFeq[dB] có thể nhỏ hơn 0 khi mà NFR[dB] <
αsL[dB]. Trong thực tế thì sẽ ít khi xảy ra trường hợp này, tuy nhiên điều đó cũng mô tả ưu điểm vượt trội của bộ khuếch đại Raman về hệ số tạp âm (NF). Thông thường các bộ khuếch đại đều gây ra tạp âm cho hệ thống và làm giảm chất lượng hệ thống. Nếu trường hợp lý tưởng, tín hiệu lan truyền dọc theo sợi quang không bị suy hao và không cần khuếch đại thì giá trị NF sẽ bằng 1. Còn trường hợp xấu nhất, khi mà tín hiệu lan truyền trong sợi quang bị suy hao nhiều và cần được khuếch đại
70
với hệ số khuếch đại lớn và khi đó công suất bơm cũng yêu cầu lớn. Khi đó phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) sẽ xuất hiện trong bộ khuếch đại. Ngoài ra khi mà công suất tín hiệu đưa vào bộ khuếch đại thấp thì ASE sẽ lấn át tín hiệu này và được khuếch đại nhiều hơn. Điều này dẫn tới SNR ở đầu ra sẽ thấp và NF sẽ cao lên. Nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng nhiều bộ khuếch đại rời rạc, khi hệ số khuếch đại được phân bố dọc theo sợi càng đều thì sẽ yêu cầu hệ số khuếch đại của từng bộ khuếch đại thấp hơn. Đây là lý do tại sao khuếch đại phân tán cho phép hiệu năng tốt hơn khuếch đại rời rạc, nếu hệ số khuếch đại dọc theo sợi càng đều thì hiệu năng được cải thiện càng lớn ở các bộ khuếch đại phân tán.
3.5.2 Cải thiện hệ số phẳng
Trong hệ thống truyền dẫn đa bước sóng thì việc phân bổ công suất tại các bước sóng đều nhau là rất quan trọng. Sự thay đổi về khuếch đại cho các bước sóng khác nhau khi qua bộ khuếch đại quang sẽ mô tả độ phẳng khuếch đại. Nếu tín hiệu tại một bước sóng mà không được khuếch đại một cách tương ứng, khi nó được truyền qua nhiều bộ khuếch đại sẽ có công suất tăng rất nhanh (siêu tuyến tính- superlinearly) và sẽ ảnh hưởng tới hệ số khuếch đại của các kênh khác. Tuy nhiên khi đó hệ thống sẽ bị hạn chế bởi các kênh có hệ số khuếch đại thấp. Một giải pháp khắc phục là đặt các thành phần gây suy hao phụ thuộc vào bước sóng trong các bộ khuếch đại với đặc tính phổ phù hợp.
Trong các hệ thống sử dụng khuếch đại Raman, các bộ khuếch đại cho phép đạt được độ phẳng khuếch đại này mà không cần các thành phần gây suy hao phụ thuộc vào bước sóng như trên nhờ vào việc sử dụng kiểu bơm đa bước sóng (nhiều nguồn bơm với các bước sóng bơm khác nhau). Đối với mỗi loại sợi quang vị trí khuếch đại Raman (phổ khuếch đại Raman) thì phụ thuộc vào bước sóng bơm, mức khuếch đại thì tỷ lệ thuận với công suất bơm và dạng đồ thị đường cong khuếch đại Raman thì không phụ thuộc vào bước sóng bơm mà phụ thuộc vào độ dịch tần số (độ trênh lệch gi a bước sóng bơm và bước sóng tín hiệu). Do đó, nếu sử dụng kiểu bơm nhiều bước sóng thì sẽ đạt được độ phẳng khuếch đại tốt nhất.
71
Trong hệ thống viễn thông đa bước sóng một điều quan trọng là tất cả các bước sóng tín hiệu có nguồn quang tương tự nhau. Sự biến thiên trong độ lợi của mỗi bước sóng khác nhau sau khi đi qua một bộ khuếch đại đều được tham chiếu đến độ lợi phẳng. Nếu tín hiệu tại một bước sóng không tỷ lệ với khuếch đại, khi nó đi qua một vài bộ khuếch đại, nó sẽ tăng tương đối với kênh khác làm giảm độ lợi cho kênh khác. Tuy nhiên hệ thống sẽ bị giới hạn bởi kênh với độ khuếch đại thấp nhất. Kết quả, sau mỗi bộ khuếch đại phổ khuếch đại nói chung là phẳng. Gần như là chèn phần tử tổn hao vào bước sóng phụ thuộc trong bộ khuếch đại với mẫu phổ tương ứng. Khuếch đại Raman đưa ra khả năng đạt được điều này mà không cần phần tử tổn hao.
Bước sóng bơm và độ khuếch đại được yêu cầu tại mỗi bước sóng có thể xác nhận bằng phép cộng logarit mẫu độ khuếch đại tại bước sóng bơm riêng lẻ. Hình 3.19 chỉ ra mẫu độ khuếch đại riêng lẻ theo xếp chồng logarit. Ta có thể thấy rằng phần lớn độ khuếch đại là do bước sóng bơm lớn nhất. Tuy nhiên, công suất bơm yêu cầu không thể đạt được một cách dễ dàng từ sự tính toán số lượng nguồn bơm cần thiết để sinh ra một giá trị của độ khuếch đại Raman. Đó là bởi vì trong khuếch đại Raman đa nguồn bơm thì bơm bước sóng ngắn khuếch đại bơm bước sóng dài.
Tác động này cũng chỉ ra trong hình 3.19, mà đường cong đánh dấu là “bơm – bơm” dốc hơn 3 dB trong phổ khuếch đại khi khuếch đại Raman bơm liên kết được xét.
72
Hình 3.19 Độ khuếch đại được tổng hợp từ các bước sóng riêng lẻ [3]
Sự tương tác bơm – bơm cũng tác động vào sự phát triển công suất bơm như chỉ ra trong hình 3.20. Nó chỉ ra sự giảm của công suất bơm trong băng 25km của sợi quang dịch tán sắc khi công suất là 100mW tại mỗi bước sóng bơm. Công suất tại bước sóng bơm lớn nhất tăng khi nó nhận độ khuếch đại Raman từ bước sóng bơm khác. Mặc dù hầu hết độ khuếch đại được cung cấp bởi bước sóng dài nhưng công suất bơm tại bước sóng này tương đối kém. Như bước sóng và công suất bơm đã chỉ ra trong hình 3.21, độ khuếch đại 12 dB có thể thu được với độ khuếch đại biến thiên ít hơn 0,5 dB từ 1525 tới 1595nm.
Hình 3.20 Các công suất bơm khác nhau trong hệ thống khuếch đại Raman [3]
73
Hình 3.21 So sánh gi a công suất bơm phát và độ khuếch đại cung cấp bởi mỗi bước sóng bơm [3]