a. Giới thiệu chung
Như đã biết rằng, khuyếch đại quang thực hiện khuếch đại trục tiếp tín hiệu quang và vì thế cho phép tăng quỹ công suất quang trên hệ thống thông tin quang. Như vậy sự có mặt của các thiết bị khuếch đại quang trên tuyến truyền dẫn đã làm thay đổi dặc tính hệ thông. Rõ ràng rằng khi mà hệ thông thông tin quang được lắp đặt thêm các thiết bị khuếch đại quang, nó sẽ trở thành hệ thông mới có những đặc điểm khác với hệ thống không sử dụng khuếch đại quang. Khi đó sẽ có những câu hỏi đặt ra cho việc xác định cấu hình hệ thông va cần phải xem xét các yếu tố tác động trên toàn hệ thông.
Trong hệ thống thông tin quang, để đánh giá hệ thống thì người ta thường dựa vào tín hiệu thu quang vì thiết bị thu sẽ phản ánh toàn bộ dặc tính hệ thông. Như vậy, tiện cho việc xem xét hệ thống có khuếch đại quang, cách tốt nhất là ta hãy quy về việc khảo sát bộ thu có khuếch đại quang OAR(optically amplified receiver ). Điều này có nghĩa rằng trong hệ thống khuếch đại quang sợi,ta coi bộ khuếch đại quang là thuộc về
điện eNR(electrical SNR), và từ đó xác dịnhđộ nhạy thu cũng như đặc tính BER của hệ thông.
Các đặc tính nhiễu thấp của chúng là rất quan trọng để xây dựng cấu hình tối ưu của hệ thống thông tin quang được khuếch đại quang. Nếu ta coi bộ khuếch đại quang nằm trong thiết bị thu quang thì việc khảo sát thông tin quang thông qua bộ thu OAR và được diễn giải như sau. Trong bộ thu OAR, vì bộ khuếch đại quang (OA) đã được dùng trong hệ thống, cho nên không chỉ dong photo tín hiệu được khuếch đại, mà nhiễu phất xạ tự phát của bộ khuếch đại quang cũng được thêm vào nhiễu tổng. Bản chất ngẫu nhiên của tín hiệu đến các quá tring Gaussian của nhiễu cộng với tín hiệu có biên độ nỏ đã làm cho quá trình phân tích hệ thông phức tạp lên rất nhiều. Trong các yếu tố quan trọng nhất của ánh sáng vật lý đi tới bộ tách sóng photo, tồn tại thực tế là số photon hoặc các lượng tử năng lượng là không xác định. Sự khuếch đại ánh sáng của bộ khuếch đại quang cần được hiểu đúng hơn là quá trình nhận thêm photon và nó làm tăng tính không chắc chắn về số lượng các lượng tử. Đây cũng chính là lý do để biết rằng có một tính ngẫu nheein để kết hợp với bức xạ kích thích và vì quá trình bức xạ tự phát đã phát ra nhiễu phụ. Như vậy, các thành phần nhiễu luôn luôn là các yếu tố quan trong nhất nhưng lại rất phức tạp trong khi xét đến ảnh hưởng của nó trong hệ thống có khuếch đại quang .trong đó , điểm bắt đầu của quá trình nghieen cứu tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cũng như độ nhạy của thu ại là các thành phần nhiễu , và chung ần được phải làm sáng tỏ ngay từ đầu. Trong phần nay, chúng tôi sẽ trình bày và phân tích về SNR, vốn là một trong các tham số quyết định chất lượng hệ thống truyền dẫn.
b. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện của hệ thống có khuếch đại quang.
Để xét cấu hình của hệ thống được thuận tiện, ta hãy khảo sát sự kết hợp bộ khuếch đại quang sợi OFA(Opitical Fiber Amplifier) và bộ thu quang photodiode p-i- n. ITU-T đã xác định thiết bị bao gồm bộ tiền khuếch đại OFA được tích hợp với bộ thu quang như là một thiết bị phụ. Khi suy hao giữa OFA và bộ thu quang không đáng kể, sự tích hợp này được gọi là bộ thu khuếch đại quang OAR. Việc phân cấp hệ thống phụ OFA đã được xác định trong các khuên nghị G.662 và G.663, và sơ đồ mắc xen OFA trong OAR được mô tả như trong hình 1.23. Với xác định này, điểm tham chiếu R chỉ được xác định cho đặc tính của tham số đầu vào OAR ở trước OFA. Bộ tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier) được sử dụng trong OAR thường là bộ EDFA có nhiễu rất thấp và khuếch đại cao. Đây là sự khác nhau đáng chú ý khi so sánh với bộ khuếch đại công suất quang BA vì nó phải thu tín hiệu rất yếu và bị méo sau khi truyền dọc theo sợi quang .
Để phân tích bộ thu khuếch đại quang, ta coi OAR như một thiết bị hai phần mà trong đó các thành phần tín hiệu và nhiễu của khuếch đại quang và bộ thu quang có tương tác với nhau. Vì bộ OFA được đặt trước bộ thu quang OR (optical receiver), nó và bộ thu công suất tín hiệu quang Ps tại đầu vào của bộ thu khuếch đại quang, và bộ thu quang p-i-n sẽ thu công suất tín hiệu quang Pin đến từ đầu ra OFA tại đầu vào bộ thu p-i-n, sự thể hiện của OAR có thể được diễn tả thông qua đặc tính của OFA và bộ thu quang. Như sẽ thảo luận ở chương này về các tham số đặc tính của bộ thu quang p- i-n, sự thể hiện qua OAR có thể được diễn tả thông qua đặc tính của OFA tại đầu vào
băng cao tần điện Be, nhiễu nhiệt Nth,,nhiễu tín hiệu tự phát Ns-sp, nhiễu phách tự phát - tự phát Nsp-sp , và nhiễu lượng tử Nsh. Bộ khuếch đại quang được mô tả có băng tần quang B0, khuếch đại G, và hệ số phát xạ tự phát Nsp. Thông Thường có bộ lọc quang F được đặt ở sau bộ khuếch đại quang để chặn bớt nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE. Suy hao L giữa bộ khuếch đại quang và bộ thu quang trong OAR thường rất nhỏ. Vấn đề quan trọng bây giờ là xác định các thành phần nhiễu lượng tử và nhiễu phách
Để phân tích nhiễu lượng tử cho bộ khuếch đại quang OAR, ta có thể sử dụng tích chất thống kê trong tách sóng quang lượng tử theo như, và hãy xem xét quá trình phất ra cá điện tử photo trong trường hợp tín hiệu được khuếch đại với độ khuếch đại G của EDFA. Như đã thảo luận về nhiễu cường độ (nhiễu dòng photo), nhiễu lượng tử bao gồm nhiều lượng tử của tín hiệu được khuếch đại và nhiễu phát xạ tự phát được khuếch dại ASE. Như vậy nếu gọi mt là số mode ngang (mode được phân cực ) của bộ phận khuếch đại quang từ đó viết ra dòng photo trung bình của nhiễu lượng tử cho bộ thu khuếch đại quang là:
Ish= GIs +mtIsp (1.12)
Với Is là dòng photo tín hiệu điện trung bình , Isp là dòng nhiễu phát xạ tự phát. Như vậy, công suất nhiễu lượng tử (hoặc biến đổi nhiễu lượng tử )σsh2
của bộ thu khuếch đại quang dựa trên nhiễu lượng tử tín hiệu và nhiễu lượng tử phát xạ tự phát là:
Nsh = 2eBe(GIs +mtIsp) (1.13)
Với Be là băng tần điện của bộ thu, e là điện tích điện tử. Ở đây đã sử dụng điều chế thực tế là những biến đổi công suất diện như bình phương của dòng.
Hinh 1.24. Modul cơ bản của bộ thu quang sử dụng khuếch đại quang. Trong bộ thu khuếch đại quang, nhìn chung nhiễu nhiệt (cũng còn gọi là Johnson hoặc nhiễu Nypuist ) là nhiễu trội trong bộ thu photodiode p-i-n. Vì vậy, dòng nhiễu nhiệt được coi như là sự thể hiện của bộ thu trong OAR và được viết là:
4 B e th L k TB N R
Với kB là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối, RL là điện trở tải và Be là băng tần điện(băng tần nhieeux hiệu dụng Δf). của bộ thu. Từ nhiễu tổng được khuyến
4 2 ( ) B e total e s t s sp sp sp s sp L k TB N eB GI m I N N R (1.15)
Với Ns-sp và Nsp-sp tương ứng là các công suất nhiễu phách tự phát- tự phát ; nhiễu xạ được coi là rất nhỏ và bỏ qua. Trong biểu thức (39), các thành phần nhiễu lượng tử và nhiễu nhiệt là hoàn toàn rõ ràng. Nhưng nhiễu phách tín hiệu - tự phát -tự phát là các thành phần rất phức tạp. Cúng không thể xác định thông qua phương pháp phân tích lượng tử này được. Tính toán chặt chẽ cho mật độ phổ công suất thông qua lý thuyết tách sóng quang lượng tử là không dễ dàng. Việc xác định các yếu tố này đòi hỏi có một lượng kiến thức về mật độ phổ công suất trong khoảng băng tần tách sóng (0,Be ) của nhiễu phách tương ứng. Vì thế ta có thể sử dụng một lý thuyết gọi là bán cổ điển
Để xác định các thành phần sông suất nhiễu phách, lý thuyết bán cổ điển mô tả rằng ánh sáng ở đầu ra bộ khuếch đại quang dược thực hiện như là sự mô tả xếp chồng của tín hiệu cổ điển và trường nhiễu điện với các biên độ xác định, và nhiễu có pha ngẫu nhiên. Để đơn giản cho việc phân tích , ta giả thiết rằng các hệ số ghếp là bằng 1, độ khuếch đại G của bộ khuếch dại quang là đồng đều trên băng tần quang B0 . Khi đó, kết quả thu được cho mật độ phổ công suất nhiễu phách được cho như là :
Đối với nhiễu phách tín hiệu - tự phát:
2 2 0 1 ( ) 4( ) ( 1) 4 s sp s sp s sp e f P N h G G GI I n B (1.16.) và đồng dạng trong khoảng tần (0,B0/2). Đối với nhiễu phách tự phát -tự phát:
2 2 0 0 ( ) 2 sp (1 ) sp sp I f B B (1.17)
và giảm tuyến tính với tần số khi triệt tiêu tại f=B0 . Hình 1.25 mô tả sự thay đổi mật độ công suất hiễu điiện của nhiễu phách tín hiệu -tự phát và nhiễu phách tự phát -tự phát.
Cả hai mạt độ phổ đều tồn tại với f B0 và bằng không khí khi f>B0. Như vậy, các công suất nhiễu phách tổng rơi vào băng tần điện Be được viết như sau:
2 0 4 e s sp s sp s sp B N GI I B (1.18) và 2 2 0 2 0 2 ( ) 2 e e sp sp sp sp sp B B N I B B (1.19)
Hình 1.25. Các mật độ phổ công suất điện của các nhiễu phách.
Với các thành phần nhiễu như trên, tổng các thành phần công suất nhiễu điện bộ tách sóng có thể được viết từ biểu thức (39) như là:
2 0 0 0 0 4 1 2 ( ) 4 e 2 e ( X) B e total s t sp s sp t sp L B B k TB N eB GI m I I I m I B B B n R (1.20)
Đây là tổng của các thành phần nhiễu điện trong quá trình tách sóng không bao hàm nhiễu xạ. Ta có thẻ thấy rằng các thành phần nhiễu lượng tử tăng tỷ lệ với độ khuếch đại G của bộ khuếch đại, trong đó nhiễu lượng tử tín hiệu tỷ lệ với tín hiệu được khuếch đại và nhiễu lượng tử tự phát là một hằng số. Nhiễu phách tín hiệu-tự phát là một hằng số. Nhiễu phách tín hiệu - tự phát và nhiễu phách tự phát - tự phát tăng tỷ lệ với bình phương khuếch đại G. Như vậy chúng có thể trở thanh lớn khi độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang tăng. Trong khi đó nhiễu bộ thu p-i-n là một hằng số. Nó không phụ thuộc vào cả độ khuếch đại G và tín hiệu quang tại đầu vào OAR.
Để xem xét các thành phần nhiễu một cách chi tiết, chúng tôi thực hiện tính toán mô phỏng các thành phàn nhiễu tại thiết bị một cách chi tiết, chung tôi thực hiện tính toán mô phỏng các thành phần nhiễu tại thiết bị thu quang sử dụng khuếch đại EDFA cho hệ thống 10Gbit/s được thực hiện như ở các hình 1.26. Số liệu dùng để tính toán như sau : công suất tín hiệu đầu vào là -28dBm, bước sóng tín hiệu là 1548nm, hệ số nhiễu NF bằng 4dB, băng tần quang 0,5nm , băng tần điện 7.5GHz, điện trở tải 50 , dòng bộ thu 1,56ηA. Cũng trong các kết quả mô phỏng này, giả thiết rằng hiệu suất lượng tử Ƞ=1, các hệ số ghép đầu vào và đầu ra của EDFA Ƞin=Ƞout=1, và suy hao quang giữa EDFA và bộ thu L=0dB. Với các kết quả tính toán này, có thể thấy rằng các điều kiện khuếch đại thấp với G<10dB, nhiễu tổng chủ yếu phụ thuộc vào các nhiễu nhiệt bộ thu(nhiễu bộ thu ) và nhiễu phách tín hiệu - tự phát. Trong khoảng 10 G 20dB, nhiễu tổng chủ yếu chỉ 10 G 20dB phụ thuộc vào nhiễu phách tín hiệu - tự phát và nhiễu thu. Trong khoảng nhiễu tổng chủ yếu phụ thuộc vào nhiễu phách tín hiệu tự phát. Khi độ khuếch đại 20<G 30dB, nhiễu tổng chủ yếu phụ thuộc
Hình 1.26. Các thành phần công suất nhiễu điện của 10Gbit/s OAR với Be = 7,5 Gbit/s, B0 = 0.5 nm, NF = 4 dB.
Để xác định tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện eSNR, trước hết ta biết rằng tín hiệu tại đầu vào bộ thu photodiode p-i-n đã được bộ thu khuếch đại quang nhân lên G. Mặt khác, các hệ số ghép giữa OFA và sợi truyền dẫn, giữa OFA và bộ thu, và suy hao quang giữa OFA và bộ thu nên được xem xét. Như vậy, sau tách sóng quang luật bình phương, công suất tín hiệu thu được của bộ thu khuếch đại quang được viết là:
S = (GIsLηinηout)2
Với ηin và ηout tương ứng là các hệ số ghép đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang, L là suy hao giữa bộ khuếch đại quang và bộ thu, Is là dòng phôt tín hiệu tương đương tại đầu vào bộ khuếch đại quang có thể được diễn giải tương ứng với các bit “1” và “0” thu được như là Is(1) = 2RPsr/(r+1) và Is(0) = 2RPs/(r+l), với Ps là công suất tín hiệu trung bình tại đầu vào bộ khuếch đại quang, R là hệ số biến đổi dòng, và r là tỷ số phân biệt. Các thành phần nhiễu đã được phân tích ở trên cũng bị ảnh hưởng từ các hệ số ghép và suy hao L. Vì thế, khi tính toán thực tế cần phải tính các tham số này, Như vậy có thể viết lại cho thành phần nhiễu lượng tử và các nhiễu phách như sau [42]:
Nsh = 2eBeηoutL(GIsηin + mtIsp) Ns-sp = 4 0 e B B ηin 2 outL2GIsIsp 2 2 2 0 2 2 2 e e sp sp t out sp B B N m L I B B
Trong trường hợp này, nhiễu nhiệt không chịu tác động của suy hao L và các hệ số ghép ở trên. Nếu như nhiễu lượng tử có thể bỏ qua vì nó thường rất nhỏ như đã thể hiện ở hình 1.26, và giả thiết rằng suy hao giữa bộ khuếch đại quang và bộ thu là 0 dB đối với OAR, các hệ số ghép ban đầu avof và đầu ra bộ khuếch đại là lớn nhất. Như vậy, có thể viết tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện eSNR cho bộ thu khuếch đại quang là:
2 2 2 0 2 2 0 0 eS 4 4 2 2 s sp e s B e e e sp t L P NR P B P k TB hv B B P m B B G R eG B G
Hình 1.27 là kết quả tính toán mô phỏng cho các eSNR của các bộ thu quang OAR tại tốc độ 10 Gbit/s. Các giá trị của các tham số đặc tính cho cả bộ khuếch đại quang và bộ thu quang p-i-n bao gồm cả các giá trị lý tưởng (bộ thu A) và các giá trị tiêu biểu (bộ thu B, C). Vì thế các giá trị này có thể được dùng để tham khảo tốt cho các bộ thu OAR thực tế. Từ các kết quả tính toán trong hình này, có thể thấy rằng: tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện eSNR tăng tỷ lệ với độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang dưới chế độ khuếch đại thấp: bắt đầu tăng chậm khi độ khuếch đại tăng trong khoảng 15 ≤ G ≤ 30 dB. Trong vùng G lớn hơn 30 dB, eSNR tiến tới giới hạn trên eSRN lớn
nhất và trở nên bão
Độ nhạy thu của các hệ thống thông tin quang mà không có các bộ khuếch đại quang đã được thể hiện tốt ở tốc độ bit BER = 109. Trong khi đố việc xác định độ nhạy thu của các hệ thống sử dụng các bộ khuếch đại quang là rất khó, vì độ nhạy thu ở đây được xác định tại tỷ lệ lỗi bit nhỏ tới 10-12
đến 10-13. Như đã biết rõ rằng, sử dụng các bộ khuếch đại quang làm các bộ tiền khuếch đại là để cải thiện độ nhạy thu của các hệ thống tách sóng trực tiếp tín hiệu. Điều không may là nhiễu trội trong OAR là nhiễu bức xạ tự phát được khuếch đại ASE lại thêm vào với nhiễu tổng, làm cho việc tính toán độ nhạy thu càng them phức tạp. Đã có một số phương pháp báo cáo về phân tích chế độ nhạy thu của hệ thống này, nhưng nhìn chung đều là các phương pháp tính toán