Các thông số trong các linh kiện khuếch đại bán dẫn bao gồm : hệ số khuếch đại,dải thông khuếch đại, công suất ra bão hoà, hệ số tạp âm
Hệ số khuếch đại (Gain):
Hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở đầu ra chia cho công suất quang ở đầu vào.
G = (3.16)
G (dB ) = 10 log[ ] (3.17)
Trong đó: G là hệ số khuếch đại tín hiệu của bộ khuếch đại quang.
Pin, Pout tương ứng là công suất tín hiệu ánh sáng ở đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang (mW).
Dải thông khuếch đại (Gain Bandwidth):
in out P P in out P P
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang không bằng nhau cho tất cả các tần số của tín hiệu quang vào. Đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) thể hiện sự phụ thuộc hệ số khuếch đại G của các tín hiệu quang vào tần số.
Dải thông khuếch đại của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi điểm -3 dB so với hệ số khuếch đại đỉnh của bộ khuếch đại. Giá trị B0 xác định dải thông của các tín hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại quang. Do đó, ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúng như các bộ lặp hay bộ tiền khuếch đại.
Công suất ra bão hoà (Saturation Output Power):
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở đầu ra sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ở đầu vào theo hệ số khuếch đại: Pout = G.Pin. Tuy nhiên, công suất ở đầu ra không thể tăng mãi được. Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất cả các bộ khuếch đại quang, khi công suất đầu vào Pin tăng đến một mức nào đó, hệ số khuếch đại G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở đầu ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ở đầu vào nữa mà đạt trạng thái bão hòa. Công suất ở đầu ra tại điểm ở hệ số khuếch đại giảm đi 3dB được gọi là công suất ra bão hòa Psat,out.
Công suất ra bão hoà Psat,out của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất đầu ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó có thể hoạt động được. Thông thường, một bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão hòa cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng.
Hệ số tạp âm (Noise Figure) :
Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra tạp âm. Nguồn tạp âm chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát. Vì sự phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ tự phát cũng ngẫu nhiên. Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền của các photon tín hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và biên độ. Bên cạnh đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ được khuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía đầu ra. Do đó, tại
đầu ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được Pout bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại và công suất tạp âm phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission ).
Pout = G.Pin + PASE (3.18) Ảnh hưởng của tạp âm đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ số tạp âm NF (Noise Figure ), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR (Signal to Noise Ratio) do tạp âm của bộ khuếch đại thêm vào. Hệ số NF được cho bởi công thức sau:
NF = (3.19)
Trong đó, SNRin, SNRout là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại.
Hệ số tạp âm NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Giá trị nhỏ nhất của NF có thể đạt được là 3dB. Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số tạp âm tối thiểu này được gọi là đang hoạt động ở giới hạn lượng tử.
Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đại quang còn được đánh giá dựa trên các thông số sau:
- Độ nhạy phân cực: là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại vào phân cực của tín hiệu.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với hệ số khuếch đại và dải thông độ lợi. - Xuyên nhiễu.
3.4.1. Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er (EDFA)a. Cấu trúc của bộ EDFA a. Cấu trúc của bộ EDFA
Bộ khuếch đại quang sợi EDFA được cấu trúc bởi một đoạn quang sợi pha tạp Erbium cùng các thành phần cần thiết khác. Các thành phần này gồm các thành phần thiết bị ghép thụ động WDM, bộ cách ly quang Isolator, Laser bơm… Ta có thể mô tả một bộ EDFA thục tế như hình 3.14
out in
SNR SNR
Hình 3.14. Cấu trúc điển hình của bộ khuếch đại quang sợi EDFA.
Thành phần chính của bộ khuếch đại quang sợi EDFA là :
Sợi pha tạp Erbium EDF (erbium doped fiber):
Là thành phần quan trọng nhất của EDFA, sợi này còn được gọi là sợi tích cực. Cấu trúc sợi gồm các thành phần như trong hình 3.15.
Hình 3.15. Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium.
Trong cấu trúc lõi sợi pha tạp Erbium các ion Erbium nằm ở vùng trung tâm của lõi EDF, vùng này thường được pha tạp với nồng độ từ 1000 tới 2000ppm Erbium. Đường kính của vùng tâm lõi EDF khoảng 5µm và là nơi tập trung cường độ ánh sáng bơm cũng như tín hiệu vào.
Lớp vỏ thủy tinh có chỉ số chiết suất thấp hơn được bao quanh vùng lõi để hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng. Đường kính ngoài của lớp này khoảng 125µm.
Lớp vỏ bọc ngoài cùng để bảo vệ sợi, có chức năng ngăn cản tác động từ bên ngoài vào sợi. Chỉ số chiết suất của lớp vỏ bọc ngoài cao hơn lớp vỏ phản xạ nhằm loại bỏ ánh sáng không mong muốn (các mode bậc cao hơn lan truyền bên
trong vỏ phản xạ). Như vậy ngoài sự pha trộn Erbium thì cấu trúc sợi này cũng tương tự như sợi đơn mode tiêu chuẩn hay sợi tán sắc dịch chuyển DSF tương ứng với các khuyến nghị G.652 hay G.653 của ITU-T đang dùng trong các hệ thống thông tin quang.
Laser bơm LD:
Cung cấp nguồn năng lượng cho EDFA hoạt động để thực hiện khuếch đại tín hiệu. Nguồn năng lượng này gọi là năng lượng bơm hay nguồn bơm. Nguồn bơm thường có bước sóng 980 hoặc 1480nm, công suất bơm tiêu biểu là từ 10 tới 100 mW. Các diode được dùng làm nguồn bơm thường có cấu tạo phù hợp với cấu hình và bước sóng bơm. Ví dụ khi bơm ở 980nm thì loại LD bơm thường là loại có vùng tích cực với cấu trúc giếng lượng tử InGaAs còn khi bơm ở bước sóng 1480nm thì LD bơm thuộc loại Fabry-perot dị thể có cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/InP.
Các bộ phận khác:
- Bộ ghép bước sóng WDM: thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào sợi pha tạp Erbium.
- Các bộ cách li có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống như phản xạ Reyleigh từ các bộ nối quang hay phản xạ ngược từ các bộ khuếch đại khác, làm tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu.