CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
2.3 Phân loại khuếch đại quang
Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện trong vùng tích cực. Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lớn hay nhỏ thì phụ thuộc vào năng lượng được cung cấp từ nguồn bơm bên ngoài. Tuỳ theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính là: Khuếch đại quang bán dẫn SOA và khuếch đại quang sợi OFA.
Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn. Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu là dòng điện.
Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm. Nguồn cung cấp năng lượng là laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại. Một trong nh ng loại OFA tiêu biểu là EDFA.
EDFA có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA.
Ngoài ra, còn có một loại khuếch đại được sử dụng nhiều trong các hệ thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman. Khuếch đại Raman cũng sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng.
SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên phát xạ kích thích còn khuếch đại Raman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang (hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích.
2.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn
34
Hình 2.6 Sơ đồ khối một SOA [2]
Khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) là hệ khuếch đại tín hiệu quang với môi trường khuếch đại sử dụng vật liệu bán dẫn. Hệ khuếch đại này có cấu trúc tương tự như nh ng diode laser Fabry-Perot, nhưng được trang bị thêm các lớp chống phản xạ ở hai gương của môi trường khuếch đại (hệ số phản xạ nhỏ hơn 0.001%) để tránh cộng hưởng tạo nên hiệu ứng laser.
Hoạt động của SOA dựa vào nguyên lý khuếch đại sóng chạy (traveling- wave) trong vùng điện tích không gian nằm gi a 2 vùng bán dẫn loại p và loại n.
Khi có dòng điện bơm cho SOA, các điện tử sẽ được bơm vào vùng dẫn (bán dẫn loại n) và lỗ trống bơm vào vùng hóa trị (bán dẫn loại p). Photon đến có bước sóng thích hợp sẽ kích thích điện tử và lỗ trống tái hợp trong miền điện tích không gian và sẽ phát xạ thêm một photon n a có cùng tần số và pha với photon đến, như vậy tín hiệu quang đã được khuếch đại.
Các hệ khuếch đại quang bán dẫn được làm từ hợp chất bán dẫn như GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP, các vật liệu này có thể khuếch đại quang trong vựng bước súng từ 0.85 àm đến 1.6 àm. Bước súng khuếch đại của SOA phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm và có thể thay đổi tùy theo loại vật liệu bán dẫn. Các loại khuếch đại quang bán dẫn dùng trong thông tin quang sợi là loại có phổ khuếch đại trong vùng bước sóng 1310 nm và 1550 nm.
Ưu điểm của SOA:
- Băng tần khuếch đại khá rộng 40 nm – 80 nm.
- Kích thước nhỏ gọn và dễ bảo trì.
Nhược điểm của SOA:
- Đặc điểm của SOA là vùng không gian khuếch đại dẫn sóng có chiều dài khá bé (cỡ mm) nên khó đạt được hệ số khuếch đại cao (G < 16 dB).
- Công suất tín hiệu quang lối ra thấp (P < 10 dBm).
- Hệ số tạp âm NF khá cao (NF ~ 7 - 10 dB ).
- Nhạy cảm với phân cực ánh sáng của tín hiệu quang, nên công suất quang lối ra không ổn định.
35
- Các hiệu ứng phi tuyến như hiện tượng xuyên kênh, trộn 4 sóng xảy ra khá mạnh.
Hình 2.7 Các ứng dụng cơ bản của SOA [2]
Các ứng dụng cơ bản của SOA trong các hệ thống thông tin quang có thể phân thành ba loại: khuếch đại công suất để tăng công suất phát của laser, khuếch đại đường truyền để bù suy hao truyền dẫn của sợi quang và tiền khuếch đại để cải thiện độ nhậy thu.
2.3.2 Khuếch đại quang sợi EDFA
Nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+, có thể tóm tắt như sau:
Ion Er3+ có sơ đồ các mức năng lượng như hình 1.9, quá trình khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+ chủ yếu liên quan đến 3 mức năng lượng bên dưới của ion Er3+, đó là các mức 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2.
36
Hình 2.8 Sơ đồ các mức năng lượng của ion Er3+ tự do [2]
Đặc điểm rất quan trọng là mức năng lượng 4I13/2 có thời gian sống rất lớn (τ
~ 10 ms) so với thời gian sống của các mức 4I11/2 và 4I9/2 (τ ~ μs). Khi kích thích thủy tinh pha tạp erbium bằng laser có bước sóng 980 nm hoặc 810 nm, các ion Er3+
sẽ chuyển dời từ mức cơ bản 4I15/2 lên mức năng lượng 4I11/2 hoặc 4I9/2, vì thời gian sống của ion Er3+ ở trạng thái mức năng lượng 4I11/2 và 4I9/2 rất bé nên các ion Er3+ sẽ nhanh chóng chuyển dời không phát xạ về mức kích thích 4I13/2.
Thời gian sống của ion Er3+ ở mức 4I13/2 lớn hơn hàng ngàn lần so với các mức bên trên, nên khi bơm với mật độ năng lượng đủ lớn chúng ta dễ dàng tạo được trạng thái nghịch đảo mật độ phân bố gi a mức 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2.
Khi một photon có bước sóng trong vùng 1550 nm đi vào vùng dẫn sóng thủy tinh pha tạp Er3+ có nghịch đảo mật độ trạng thái gi a hai mức 4I13/2 và 4I15/2, hiện tượng phát xạ cưỡng bức sẽ xảy ra. Photon tới sẽ kích thích ion Er3+ chuyển dời từ mức 4I13/2 về mức cơ bản 4I15/2, chuyển dời này phát xạ thêm một photon n a có cùng bước sóng và pha với photon tới, đây chính là nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+.
Khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp ion Er3+ đã góp phần rất lớn trong phát triển thông tin quang sợi vì vùng bước sóng khuếch đại phù hợp với cửa sổ thông tin thứ 3 (1530 nm – 1610 nm) đang được sử dụng, hiện nay có rất nhiều các nghiên cứu cơ bản về tính chất quang của thủy tinh pha tạp Er3+ nhằm chế tạo được các hệ khuếch đại quang có chất lượng ngày càng hoàn thiện.
Ưu điểm của EDFA:
- Cấu hình đơn giản, nhỏ gọn.
- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại tín hiệu WDM.
- Công suất nguồn nhỏ.
Nhược điểm của EDFA:
- Phổ độ lợi không bằng phẳng.
- Giới hạn trong băng tần C, L.
- Nhiễu tích lũy.
37 2.3.3 Khuếch đại Raman
Khuếch đại quang Raman (Raman Optical Amplifier - ROA) dựa trên cơ sở tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường có tán xạ Raman mạnh. Môi trường tán xạ Raman là sợi quang có pha tạp Ge với nồng độ cao và có cấu trúc dẫn sóng phức tạp (sợi quang bù tán sắc –DCF). Khác với khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium, yêu cầu đối với ROA là nguồn bơm có công suất cao (vài trăm mW trở lên) và sợi quang có độ dài từ vài km đến vài chục km. Khuếch đại quang Raman sử dụng trong hệ thống thông tin quang chủ yếu dựa vào sóng Stoke phát ra từ tán xạ Raman trên các phân tử trong sợi quang. Chi tiết về khuếch đại Raman sẽ được mô tả trong chương tiếp theo.
38