3.1.2.1. Nguồn bơm quang
Để kích thích các hạt mang lên mức năng lượng cao hơn để có phát xạ kích thích, cần phải có một nguồn bơm quang ngoài, hoạt động ở tần số cao hơn tần số của tín hiệu cần khuếch đại. Hình (3.3) mô tả biểu độ năng lượng của Er3+
. Mức đất được kí hiệu là 4
I15/2 mức gần ổn định (mức phát xạ kích thích) kí hiệu là 4I13/2. Sự chênh lệch
năng lượng giữa hai mức này gây ra sự phát xạ tự phát ở bước sóng 1530nm.
Để bơm các hạt mang từ mức đất lên mức gần ổn định, người ta sử dụng các nguồn bơm ở các bước sóng 1450nm, 980nm, 800nm. Nó kích hoạt các điện tử lên các mức tương ứng là 4
I13/2, 4I11/2, 4I9/2. Các điện tử được kích hoạt ở 4I11/2 hay 4I9/2 sẽ nhanh chóng dịch chuyển xuống mức gần ổn định 4
I13/2 vì thời gian sống của chúng ở các trạng thái này ngắn. Ở nguồn bơm 1450nm, do ảnh hưởng của hiệu ứng Stark làm cho cả 2 mức gần ổn định 4
I13/2 và mức cơ bản 4I15/2 bao gồm một vài mức riêng biệt như hình vẽ (3.4).
Các hạt mang được kích thích từ dải thấp hơn của mức cơ bản lên dải cao hơn của mức gần ổn định. Theo luật cân bằng nhiệt hay luật phân bố Boltzmann, các hạt
mang sẽ nhanh chóng dịch chuyển xuống dải thấp hơn của 4 I13/2
Hình 3.3. Giản đồ năng lương của Er3+qe
Hình 3.4. Bơm 1540nm, do ảnh hưởng Stark nên xảy ra sự tách biệt trong mức
cơ bản và mức gần ổn định ra nhiều mức nhỏ riêng biệt Hiệu suất bơm được xác định nhờ phổ hấp thụ của các con Er3+
Nhận xét phổ hấp thụ của Er3+
ta thấy bước sóng hấp thụ tỷ lệ thuận với độ chênh lệch giữa các mức năng lượng so với mức đất như chỉ ra trên hình 3 .4.
Nguồn bơm và tín hiệu được ghép với nhau bằng bộ ghép bước sóng (WDM). Thiết bị ghép ở đây dùng các thấu kính để ghép ánh sáng vào và ánh sáng ra của sợi.
Nó bao gồm các gương và bộ lọc tích hợp. Trong các bộ ghép bước sóng này, năng lượng bơm và tín hiệu tổn hao khoảng < 0.5 dB.
Bảng 3.1. so sánh các công nghệ ghép bước sóng
Tham số Hàn sợi Điện môi Cách tử
Suy hao xen, Db <0.2 <0.1 <3.0
Độ nhạy phân cực, dB <0.2 Không Không
Giá thành Thấp Trung bình Trung bình
Độ ổn định nhiệt, mm/0C
0.005 0.05 0.007
Chế tạo Đơn giản Công nghệ cao Công nghệ cao
Kích thước, nm 10*10*80 8*8*60 10*10*80
Sự hồi tiếp từ hiện tượng phản xạ ở 2 mặt của bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại cao có thể sinh ra dao động và làm giảm khả năng chống nhiễu của hệ thống. Nếu đặt vào đường truyền này một bộ cách li quang (Isolator) thì có thể triệt tiêu được sự phản xạ này. Các bộ cách li quang thường làm giảm ánh sáng phản xạ đi khoảng 35 dB trong khi đó chỉ tổn hao cho tín hiệu truyền qua là 1 dB.
* Nguồn bơm quang dọc cho các EDFA:
Khác với các nguồn bơm cho các bộ khuếch đại quang bán dẫn, nguồn bơm quang cho các EDFA cùng hướng với các tín hiệu ánh sáng bên trong.
Hình 3.5. Hai loại bơm (a)bơm dọc (b) bơm ngang
Như minh hoạ trên hình 3.5 khi hướng bơm vuông góc với hướng truyền lan, như trong bộ khuếch đại bán dẫn, nó được gọi là bơm ngang. Khi hướng bơm song song với hướng ánh sáng tới thì gọi là bơm dọc. Khi đó tốc độ bơm là lớn nhất tại đầu vào của bộ khuếch đại. Nhưng khi công suất bơm được truyền từ nguồn bơm vào tín hiệu, tốc độ bơm giảm dần dọc theo hướng truyền ánh sáng.
Thực hiện bơm có thể phân loại theo các phương thức khác nhau là: Bơm cùng chiều (đưa tín hiệu quang và bơm quang vào sợi quang trộn Erbium trên cùng một chiều, còn gọi là bơm phía trước), bơm ngược chiều (tín hiệu quang và bơm quang đưa vào sợi quang trộn Erbium từ hai hướng khác nhau), bơm 2 chiều (đồng thời bơm cùng chiều và ngược chiều). Hình (3.6) mô tả tính năng của 3 phương thức bơm:
Hình 3.6. Tính năng của 3 phương thức bơm
Ta thấy rằng độ dốc tương ứng của cùng chiều, ngược chiều và hai chiều là 61%, 76% và 77% do vậy trong điều kiện bơm như nhau thì bơm cùng chiều có công suất ra thấp nhất.
3.1.2.2. Hệ số khuếch đại
Hệ số khuếch đại công suất ra và nhiễu khuếch đại là các đặc tính quan trọng nhất của EDFA trong hệ thống thông tin. Đặc tính này biểu thị năng lực khuyếch đại của bộ khuy ếch đại, được định nghĩa là
out sp s
Hình 3.7. Phổ khuếch đại của EDFA ở bước sóng bơm 980nm
Hệ số khuếch đại của EDFA lớn hay nhỏ có quan hệ với nhiều yếu tố thường là 15- 40 dB. Quan hệ giữa hệ số khuếch đại với nồng độ trộn Er3+ trong sợi quang cho thấy rằng khi nồng độ Erbium vượt quá một trị số cho phép nhất định thì tăng ích giảm, nguyên nhân là khi có quá nhiều Er3+
sẽ gây tích tụ dẫn đến hiện tượng tiêu hao quang, do đó cần khống chế lượng Erbium trộn vào.
Hình 3.8. Quan hệ giữa hệ số khuếch đai và nồng độ trộn Er3+
Dải tần khuếch đại của EDFA khá lớn do độ rộng của các dải năng lượng. Độ rộng của dải năng lượng gây ra bởi các hiện tượng vật lý, bao gồm hiệu ứng Stark. Hiệu ứng này làm phân chia các mức năng lượng chính thành nhiều mức năng lượng con. Hình (3.7) biểu diễn đồ thị của hệ số khuếch đại như 1 hàm của bước sóng. Dạng của hệ số khuếch đại không bằng phẳng nên nó không những khuếch đại các bước sóng khác nhau một cách không đồng đều mà còn gây ra lượng tích luỹ của ASE lớn ở đỉnh của dạng hệ số khuếch đại, thậm chí có thể làm bão hoà hệ số khuếch đại.
G
Hình 3.9 Miêu tả sự thay đổi hệ số khuếch đại, mức nhiễu, công suất bão hòa
Dạng của hệ số khuếch đại không bằng phẳng. có đỉnh vào khoảng 1530nm, gây ra vấn đề đáng kể trong hệ thống đa bước sóng khi có nhiều bộ khuếch đại nối tiếp nhau dọc theo đường truyền. Hiện nay cũng có nhiều giải pháp cho vấn đề này. Một phương pháp là tự nó sửa lại dạng thiết kế của bộ khuếch đại bằng cách sử dụng những
vật liệu khác như thuỷ tinh florua. Các phương pháp khác sử dụng bộ cân bằng hệ số khuếch đại thông qua bộ suy giảm có thể điều khiển được hay bộ lọc nghịch đảo.
3.1.3. Bão hoà hệ số khuếch đại.
Hệ số khuếch đại của một EDFA gần như không phụ thuộc vào công suất tín hiệu với điều kiện công suất bơm đủ lớn để tốc độ bơm lớn hơn nhiều so với tốc độ phát xạ kích thích.Trường hợp này gọi là hệ số khuếch đại không bão hoà hay chế độ tín hiệu nhỏ. Điều này được hiểu là vùng khuếch đại tín hiệu nhỏ tương ứng với các mức công suất đầu vào, nơi mà độ khuếch đại tín hiệu không làm giảm độ khuếch đại của bộ khuếch đại. Để xác định vùng khuếch đại tín hiệu nhỏ người ta thường dựa vào nhiễu đầu vào hiệu dụng Pn,ef của bộ khuếch đại
Pe,ef 2hv B0 ~ 30nW/nm đối với 1550nm
Với hv là năng lượng photon và B0 là băng tần quang của bộ khuếch đại. Nhiễu đầu vào hiệu dụng được khuếch đại lên từ bộ khuếch đại và sẽ thu được công suất nhiễu đầu ra của bộ khuếch đại. Vì công suất tín hiệu đầu vào là lớn đáng kể so với công suất nhiễu đầu vào, cho nên nó có vai trò lớn trong việc xác định mức nghịch đảo phía trên N2 Khi công suất đầu vào mà nhỏ so với Pn,ef ảnh hưởng của nó lên bộ khuếch đại sẽ không đáng kể, và bộ khuếch đại sẽ hoạt động trong vùng tín hiệu nhỏ.
Với 1 cấu trúc sợi quang cho trước (có pha tạp), và 1 công suất bơm cho trước, tồn tại 1 chiều dài sợi quang tối ưu mà ở chiều dài đó, hệ số khuếch đại lớn nhất. Đối với những chiều dài nhỏ hơn chiều dài tối ưu, công suất bơm không được tận dụng một cách tối đa. Với chiều dài lớn hơn mức tối ưu, công suất bơm bị "hút" ở một số nơi dọc theo sợi quang, và tiếp tục bị suy giảm. Chiều dài tối ưu thường vào khoảng hàng chục mét. Hệ số khuếch đại chế độ tín hiệu nhỏ max của EDFA là 30 40 dB.
Các bộ khuếch đại sẽ bị bão hoà hệ số khuếch đại khi công suất tín hiệu tăng. Trong trường hợp bão hoà, tín hiệu nhận năng lượng từ bơm khi nó truyền xuống sợi quang lớn đến mức tốc độ phát xạ kích thích có thể so sánh được với tốc độ bơm. Tín hiệu đầu vào càng lớn, hệ số không bão hoà càng cao, sự bão hoà càng xảy ra sớm. Khi sự bão hoà tăng, hệ số khuếch đại giảm. Công suất đầu ra bão hoà Psatout được định
nghĩa là công suất đầu ra tại đó hệ số khuếch đại bị giảm đi 3dB so với chế độ khuếch đại tin hiệu nhỏ. out
sat
P thường bằng hàng trăm mW. Cần lưu ý rằng ASE cũng góp phần
vào sự bão hoà trong EDFA. Khi tín hiệu vào rất nhỏ, thì chính ASE gây bão hoà trước tiên. Trường hợp này gọi là tự bão hoà hệ số khuếch đại.
Do bão hoà là 1 hiệu ứng phi tuyến, nó gây ra khá nhiều phức tạp khi có nhiều tín hiệu được khuếch đại. Vấn đề là hệ số khuếch đại bão hoà đối với bất kì tín hiệu nào cũng phụ thuộc vào công suất kết hợp của các tín hiệu khác cũng như công suất của chính nó. Điều này gây ra “đánh cắp" công suất từ các tín hiệu khác. Một hiệu rằng có lợi của bão hoà là một phần nhỏ của nó trong mỗi bộ khuếch đại của một chuỗi liên tiếp các bộ khuếch đại dẫn đến sự tự điều chỉnh lại
Hình. 3.10. Đặc tuyến vào ra của EDFA
Nhiều hiệu ứng phi tuyến khác là kết quả của hiện tượng đánh cắp công suất này, nhưng trong khoảng thời gian ngắn hơn. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại ở một thời điểm tức thời nào đó là 1 hàm của mật độ trạng thái kích thích N2 (N2 bị làm suy giảm nhanh chóng bởi sự phát xạ kích thích khi có xuất hiện một tín hiệu).
Sự thăng giáng hệ số khuếch đại gây ảnh hưởng đến mọi tín hiệu được khuếch đại, và do đó có thể gây ra xuyên âm không mong muốn. Những hiệu ứng này chỉ có ý nghĩa khi hệ số khuếch đại động, tức là hệ số khuếch đại có thể thay đổi nhanh như sự thay đổi của tín hiệu. Để giải thích hệ số khuếch đại động trong EDFA ta dựa trên giả thuyết tốc độ thay đổi của hệ số khuếch đại tỷ lệ nghịch với thời gian sống ở trạng thái kích thích , xấp xỉ 10ms. Tuy nhiên, thực tế tính nhất thời của hệ số khuếch đại trong EDFA xảy ra trong khoảng thời gian hàng trăm s và không thể sự đoán được nếu chỉ
dựa vào khoảng thời gian sống.
Trong trường hợp bất kỳ, các số này chỉ ra rằng sự thăng giáng tín hiệu trong khoảng thời gian lớn hơn 100 s sẽ gây xuyên âm không đáng kể trong EDFA. Nghĩa
là tốc độ tối thiểu xấp xỉ 10 KHz để tránh xuyên nhiễu (hay 1 tín hiệu WDM phải hoạt động xấp xỉ 10 Kb/s thì tránh được hiệu ứng tần số phách). Sự mất xuyên nhiễu ở tốc độ lớn hơn 10 Kb/s là 1 trong những ưu điểm quan trọng của EDFA so với SOA.
3.1.3.1. Hấp thụ và bức xạ giữa các phần:
Để đánh giá hiệu suất nguồn bơm quang, ta đưa ra một tham số gọi là tham số hấp thụ a. Với Pp là Công suất bơm, Ni là mật độ điện tử ở trạng thái cơ bản (El), khi đó tốc độ bơm là WpNi, với: a p 1 p p P W s hf A (3.2)
trong đó hfp là năng lượng photon của nguồn bơm ở tần số fp; A là tiết diện lõi của sợi EDFA. Từ biểu thức trên tạp âm thấy rằng thành phần hấp thụ a lớn dẫn đến
hiệu suất bơm cao. Hình 3.11 sau đây cho thấy đặc tuyến của hệ số hấp thụ theo bước sóng của Er+3
ở bước sóng 1540nm.
Tuy nhiên, do nguồn bơm dọc nên Pp cũng phụ thuộc về mặt không gian. Ở một hằng số hấp thụ a nhất định, nguồn công suất bơm giảm trên một đoạn vi phân dz
theo biểu thức:
a p 1
dP z P N dz (3.3)
Ngoài thành phần hấp thụ quyết định tốc độ bơm còn có thành phần khác là thành phần bức xạ giữa các thành phần e nó xác định tính chất khuếch đại (mức độ khuếch
đại), đặc biệt nếu là hằng số khuếch đại thì:
e 2 1
g N N (3.4)
Hình 3.11. Phổ hấp thụ của Er ở bước sóng 1540 nm
3.1.3.2. Các phương trình tốc độ hạt mang và khuếch đại.
Do mức gần ổn định 4
I13/2 có thời gian tồn tại lớn hơn các mức trên nó trong giản
đồ năng lượng của Er3+
có thể coi gần đúng như một hệ thống 2 mức. Phương trình tốc độ hạt mang như sau:
2 2 1 p 1 s 2 1 sp t N N N W N W N N t (3.5)
Thành phần thứ nhất: WpNl là tốc độ bơm từ mức thấp lên mức cao. Thành phần thứ hai: Ws(N2-Nl) là tốc độ bức xạ kích thích.
Thành phần thứ ba: 2 sp
N
là tốc độ tái hợp tự phát từ trạng thái năng lượng cao xuống thấp. Hằng số thời gian áp thường là 10ms.
Bảng sau đây mô tả các giá trị tham số tiêu biểu của EDFA, giá trị này thường phụ thuộc rất lớn vào các vật liệu pha tạp:
Tham số Giá trị điển hình
Tsp 10msec a 2.5*10-21cm2@980nm 1.8*10-21cm2@1480nm e 5*10-21cm2@1540nm Nt= N1+N2 8*1018cm-3 Dải thông bức xạ 30nm (FWHM)
Trong trạng thái bền vững thì (3.5) cho: p sp 2 1 t p s sp W 1 / N N N W 2W 1 / (3.6) Nt = N1+N2 là mật độ hạt mang tổng
Khi tốc đô bơm đủ lớn hay Wp W và s Wp 1/ sp Khi đó: N2-N1 Nt Khi đó hệ số khuếch đại xấp xỉ là
e 2 1 e t
g N N N g * (3.7)
g* là giới hạn trên của hệ số khuếch đại trung bình. Từ biểu thức (3.6) và (3.7) ta có: p SP p s SP 1 W g g * 1 W 2W (3.8)
Với giả thiết công suất bơm không đổi.
Do nguồn bơm là dọc nên tốc độ bơm Wp phụ thuộc về mặt không gian.
p a 1 p dP N P dz (3.9) Và: in in e 2 1 in dP gP N N P dz (3.10) Suy ra: s SP P a t p P S SP W 1 / dP N P dz W 2W 1 / (3.11) P SP 0 in in in p S SP s Sat W 1 / g dP g * P P dz W 2W 1 / 1 W / W (3.12)
Vì WSat giảm khi Wp giảm theo hướng truyền ánh sáng, ảnh hưởng của bão hoà khuếch đại mạnh hơn ở đầu ra của bộ khuếch đại. Khi Wp 1/ SPhay N2<Nl hệ số khuếch đại có thể âm.
3.1.3.3. Độ đài tối ưu của EDFA:
Chiều dài EDFA và độ khuếch đại có quan hệ được biểu diễn theo hình vẽ (3.12). Ta có nhận xét: Lúc đầu hệ số khuếch đại tăng theo chiều dài sợi quang trộn Erbium nhưng sau đó sợi quang dài quá một độ dài nhất định thì hệ số khuếch đại sẽ giảm dần,
do đó có một độ dài tối ưu để tăng ích đạt tối đa. Nhưng cần chú ý, độ dài này chỉ có thể là độ dài tăng ích lớn nhất, mà không phải là độ dài tốt nhất của sợi quang trộn Erbium, vì còn liên quan đến nhiều đặc tính khác như đặc tính tạp âm....Ngoài ra tăng ích còn phụ thuộc đến điều kiện bơm (bao gồm bước sóng bơm và công suất bơm). Hiện nay sử dụng chủ yếu bước sóng bơm 980nm và 1480nm.
Hình 3.12. độ dài sợi EDF
Dễ tính chiều dài tối ưu của EDFA ta lý luận như sau:
p a SP a t p P 0 2 L ln N hf A (3.13)
Để tăng L tạp âm có thể tăng công suất nguồn bơm.