Trong một hệ thống thông tin quang, các tín hiệu quang từ bên phát bị suy hao bởi sợi quang khi lan truyền qua sợi. Các thành phần quang khác, như các bộ ghép kênh và các bộ ghép cũng gây ra suy hao. Sau một vài khoảng cách, suy hao tích lũy làm cho tín hiệu bị yếu đi đến mức không tách sóng được. Do vậy cường độ tín hiệu phải được khôi phục lại trước khi tách sóng. Trước khi các bộ khuếch đại quang ra đời, sự lựa chọn duy nhất là tái tạo lại các tín hiệu, nghĩa là nhận tín hiệu và phát lại nó. Quá trình này được thực hiện bằng các bộ lặp tái sinh. Một bộ lặp chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khôi phục và sau đó chuyển lại thành tín hiệu quang để truyền tiếp. Điều này làm hạn chế tính trong suốt và tăng chi phí bảo trì của hệ thống thông tin.
Kỹ thuật khuếch đại quang mang lại nhiều thuận lợi hơn các bộ lặp. Bộ khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc độ bit và các định dạng tín hiệu. Một hệ thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ dàng nâng cấp hơn, ví dụ như đến một tốc độ bit cao hơn mà không cần phải thay thế các bộ khuếch đại. Hơn nữa, các bộ khuếch đại quang có một băng thông khá lớn nên có thể được dùng khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM. Nếu không với mỗi bước sóng ta phải có một bộ lặp. Điều này cho thấy các bộ khuếch đại quang thật sự cần thiết cho các hệ thống ghép kênh theo bước sóng, đặc biệt là DWDM như thế nào.
Ở đây ta sẽ xem xét hai dạng cơ bản: EDFA (erbium – doped fiber amplifiers )
và SOA (semiconductor optical amplifiers)
5.1. EDFA
EDFA hoạt động trong tầm từ 1530 nm đến 1560 nm. EDFA gồm một đoạn silica mà phần lõi được cho vào các nguyên tử ion Er3+ cuả nguyên tố đất hiếm Ebiri. Ở đầu cuối sợi quang, một laser phát đi một tín hiệu (pump signal) vào sợi. Để kết hợp ngõ ra của laser với một tín hiệu vào (data signal), một bộ ghép phụ thuộc bước sóng được đặt trước đoạn cáp. Thông thường, một bộ cách ly được dùng trước ngõ vào hoặc ngõ ra của bộ khuếch đại để ngăn sự phản xạ vào trong bộ khuếch đại.
Tín hiệu bơm kích thích các nguyên tử Er3+ đến một mức năng lượng cao hơn. Sự chuyển dịch mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra một photon, được gọi là bức xạ tự phát nếu như không có bất cứ một tác động nào khác chen vào; hoặc bức xạ kích thích do sự có mặt của các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển. Thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao vào khoảng 10 ns đảm bảo cho các ion Er3+ đợi để được khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ kích thích. Khi tín hiệu dữ liệu được truyền vào EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kích thích, do vậy nó khuếch đại công suất tín hiệu.
Hầu hết các EDFA được bơm bằng laser với bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm. Bước sóng 980 nm cho hiệu suất độ lợi quanh 10 dB/mW, trong khi bước sóng 1480
pump laser original data signal
coupler
erbium doped fiber
amplified data signal
không đồng đều. Độ lợi phổ EDFA được vẽ trong hình 4.8. Ngoài ra, các bộ khuếch đại cũng khuếch đại nhiễu như tín hiệu và vùng tích cực của bộ khuếch đại cũng tự động phát ra các photon, làm hạn chế hiệu suất của bộ khuếch đại.
Một số phương pháp làm phẳng độ lợi của EDFA đã được nghiên cứu như sử dụng bộ lọc quanh tần số 1530 nm để nén đỉnh trong vùng này. Tuy nhiên khi có nhiều EDFA được ghép liên tầng, một đỉnh khác xuất hiện quanh bước sóng 1560 nm, lúc đó bộ lọc ở tần số 1560 nm được sử dụng. Một phương pháp khác là hiệu chỉnh công suất phát ngõ vào để cho công suất trên mọi bước sóng nhận được ở bên thu như nhau. Cách này được áp dụng trong mạng vòng Ring WDM.
5.2. SOA
Hình 4.9 chỉ ra sơ đồ khối của bộ khuếch đại quang bán dẫn. Về cơ bản, SOA là một mối nối p-n. Lớp giữa được hình thành ở mối nối hoạt động như là một vùng tích cực. Ánh sáng được khuếch đại do sự phát xạ kích thích khi nó lan truyền qua vùng tích cực này. Đối với một bộ khuếch đại, hai đầu cuối của vùng tích cực được phủ một lớp không phản xạ để loại bỏ gợn sóng trong độ lợi bộ khuếch đại.
Xét một tần số quang fc thoả mãn: h fc > Eg , trong đó Eg là khe năng lượng của vật liệu bán dẫn. Tần số quang nhỏ nhất (hay bước sóng lớn nhất) có thể được khuếch đại tương ứng với khe năng lượng này. Khi thế hiệu dịch gửi đến tăng lên, các electron đi vào vùng p chiếm các mức năng lượng cao hơn từng nấc và các tín hiệu với bước sóng nhỏ hơn có thể được khuếch đại.
1520 1530 1540 1550 1560 1570 20 20 45 40 50 35 30 25 Gain (dB) Wavelength (nm) Hình 4.8: Độ lơi phổ EDFA
Hai dạng laser bán dẫn cơ bản là Fabry-Perot amplifier và Traveling-wave amplifier (TWA). Sự khác nhau chính giữa hai loại này là tính phản xạ của hai gương đầu cuối. Tính phản xạ của Fabry-Perot khoảng 30%, của TWA khoảng 0.01%. Tính phản xạ cao hơn trong Fabry-Perot gây ra cộng hưởng trong bộ khuếch đại làm cho dải thông hẹp khoảng 5 GHz. Vì vậy TWA thích hợp hơn Fabry-Perot cho các mạng WDM.
Ngày nay các bộ khuếch đại bán dẫn có thể đạt được độ lợi 25 dB với một độ lợi bão hoà là 10 dBm, độ nhạy phân cực là 1dB và phạm vi băng thông 40 nm.
Một thuận lợi của các bộ khuếch đại bán dẫn là khả năng tích hợp chúng vào các thành phần khác.