EDFA (Ebrium Doped Fiber Amplifier) là bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang có pha trộn nguyên tố đất hiếm Ebrium với nồng độ ít hơn 0,1%; nguồn bơm laser để kích thích các ion Er3+; ngoài ra còn có các bộ phối ghép, bộ cách ly... EDFA thường được gọi là bộ khuếch đại quang sợi (nguyên lý hoạt động và cấu tạo cụ thể sẽ được đề cập ở chương 4). Việc nghiên cứu chế tạo thành công bộ khuếch đại EDFA và ứng dụng chúng vào trong mạng WDM đã làm cho công nghệ WDM phát triển nhanh tróng. Cho đến nay, hầu như tất cả các hệ thống WDM dù là hệ thống thử nghiệm hay hệ thống thương mại đều sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA. EDFA được sử dụng tại đầu phát (gọi là bộ khuếch đại công suất) để bù vào tổn hao của bộ ghép kênh bước sóng, nâng cao công suất đưa vào sợi quang (vì bộ ghép kênh bước sóng có tổn hao cố hữu không thể khắc phục được, mà tổn hao này sẽ tăng nhanh tróng theo số kênh tín hiệu được ghép). Ở đầu thu, để bù vào tổn hao, nâng cao độ nhạy máy thu cũng cần bố trí bộ khuếch đại quang sợi (gọi là bộ tiền khuếch đại). Khi dùng bộ khuếch đại sợi quang làm bộ khuếch đại đường dây, cự ly truyền dẫn được nâng lên.
Tuy nhiên khi sử dụng EDFA trong mạng WDM cần lưu ý một số vấn đề sau: 1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA:
Hiện nay băng tần khuếch đại của EDFA đạt 35 ~ 40 nm, độ bằng phẳng của tăng ích trong băng tần không hoàn toàn lý tưởng, do công suất truyền dẫn của các kênh tín hiệu có thể biến đổi lên xuống, làm cho các kênh tín hiệu ứng với mỗi bước sóng khác nhau được khuếch đại với các mức độ khác nhau. Để đạt được độ đồng nhất về phổ khuếch đại đối với mọi bước sóng cần được khuếch đại, các bộ khuếch đại sử dụng bộ lọc để làm suy giảm nhiều hơn đối với các kênh bước sóng có mức sông suất vào lớn hơn, nhằm đạt được độ cân bằng về khuếch đại giữa các kênh. Thế nhưng công suất ra yêu cầu vẫn phải lớn cho toàn bộ băng được khuếch đại, do vậy phải yêu cầu có một công suất bơm đủ lớn để đạt được sự hài hoà về độ phẳng khuếch đại giữa các kênh
đại. Nếu đặt ở đầu ra của bộ khuếch đại thì sẽ có sự lãng phí về công suất bơm, nếu đặt ở đầu vào bộ khuếch đại thì lại làm tăng hệ số tạp âm của thiết bị.
Nếu một số kênh bước sóng nào đó đã đi qua các bộ định tuyến, OADM... thì công suất của kênh đó sẽ khác với công suất của các kênh khác tại đầu vào bộ khuếch đại. Nhưng yêu cầu tại đầu ra của bộ khuếch đại là công suất của các kênh được khuếch đại phải xấp xỉ nhau và không được phụ thuộc vào mức công suất vào của từng kênh hay số kênh được khuếch đại, để đảm bảo tỉ số S/N của hệ thống. Do đó các bộ khuếch đại sử dụng trong hệ thống WDM cần phải có độ khuếch đại điều chỉnh được mà không gây ảnh hưởng chéo lên các kênh khác.
Nếu công suất của kênh đưa vào biến đổi, thậm chí mất hẳn công suất trên một hoặc vài kênh thì công suất bơm (pump) của EDFA sẽ được phân phối lại cho các kênh còn lại, dẫn đến tăng ích của các kênh đó ở đầu ra sẽ biến đổi nhảy vọt, nếu công suất của các kênh còn lại này có giá trị lớn hơn công suất ngưỡng thu lớn nhất (Pthu max) thì thông tin sẽ bị mất. Cho nên EDFA trong hệ thống WDM phải có chức năng điều chỉnh tăng ích. Điều này đòi hỏi các bộ khuếch đại quang phải có tính năng mới đó là hệ số khuếch đại G sẽ là một hàm đa biến với các biến số là bước sóng và công suất vào của các bước sóng đó. Hàm này sẽ được thiết kế, điều khiển bằng phần mềm , có đáp ứng thời gian thực đối với các thông số của bộ khuếch đại... Khi tất cả các kênh đầu vào có mức tín hiệu như nhau, phần mềm “nhúng” trong bộ khuếch đại sẽ tự đông nhận biết và phát ra những tín hiệu điều khiển để đạt được mức khuếch đại không đổi. Khi có đột biến mức tín hiệu đầu vào, phần mềm sẽ phải có đáp ứng điều khiển một vài các thông số của thiết bị để đạt được sự hiệu chỉnh mức khuếch đại phù hợp, làm sao để đầu ra bộ khuếch đại vẫn có được độ phẳng và đồng nhất mức công suất ra.
Với sự gia tăng số bước sóng được chuyển qua và được khuếch đại (đã lên tới 160 kênh) thì số bơm laser cần thiết để đảm bảo yêu cầu về công suất cho một lượng lớn các kênh sẽ càng nhiều, mỗi bơm laser đó đều cần được giám sát về dòng bơm, nhiệt
độ làm việc..., và luôn cần được giám sát, hiệu chỉnh để đạt được độ bằng phẳng của phổ khuếch đại .
2. Tăng ích bằng phẳng của EDFA:
EDFA được sử dụng vào trong hệ thống WDM có bước sóng của các kênh tín hiệu khác nhau nên, thay vì chỉ khuếch đại một tín hiệu như các hệ thống khuếch đại quang sợi SONET/SDH trước đây; thì nay, vẫn một sợi khuếch đại quang erbium đó phải được chia sẻ cho toàn bộ các kênh bước sóng của hệ thống truyền dẫn WDM. Những kênh bước sóng này là độc lập với nhau, thế nhưng sự độc lập đó đã bị “tổn thương” bởi sự “cạnh tranh” giữa các kênh bước sóng đối với số lượng giới hạn các photon được bơm vào bộ khuếch đại. Kênh bước sóng nào kích thích được nhiều photon từ mưc siêu bền xuống mức cơ bản của chúng thì sẽ đạt được độ khuếch đại lớn nhất. Thế nhưng, kênh bước sóng này cũng gặp nhiều phức tạp như: xác suất kích thích photon của các kênh bước sóng khác, mức độ đảo ngược mật độ, cường độ của tín hiệu, độ dài của sợi erbium. Bình thường để tối ưu hoá các tham số này đã là khó, nhưng đối với hệ thống truyền dẫn WDM, mọi thứ thực sự trở nên rất khó khăn.
Rõ ràng là đối với các ứng dụng WDM, cần phải đạt được độ khuếch đại và mức tập âm đều nhau cho mọi kênh bước sóng qua module khuếch đại. Các module này phải được thiết kế sao cho đáp ứng phổ khuếch đại của nó đối với từng kênh bước sóng không bị ảnh hưởng bởi đầu vào (công suất hay bước sóng) của các kênh bước sóng cùng được truyền dẫn trên sợi. Nếu không, chỉ cần một sự thay đổi của một kênh bước sóng cũng sẽ dẫn đến những ảnh hưởng ngoài mong muốn về độ khuếch đại và mức tạp âm NF của các kênh bước sóng còn lại, và do đó, hoạt động của hệ thống sẽ có vấn đề.
Nói cách khác tất cả các kênh bước sóng phải được khuếch đại độc lập và đồng nhất. Với những yêu cầu kỹ thuật này, module khuếch đại sợi quang trong hệ thống WDM sẽ phải thích ứng với các chỉ tiêu kỹ thuật nghiêm ngặt về độ bằng phẳng của
Do đặc tính khuếch đại không đều, thế hệ đầu tiên của các hệ thống truyền dẫn WDM đã phải lựa chọn hoạt động tại vùng đỏ của băng C, xung quanh bước sóng từ 1540 nm đến 1565 nm. Sự ra tăng nhu cầu về số lượng bước sóng đã thúc đẩy các nhà sản xuất “đặt” các kênh bước sóng mới vào vùng “khó khăn” xung quanh bước sóng 1532 nm, mà tại đó không chỉ có mức tạp âm cao (tại vùng này có tỉ số bức xạ, hấp thụ thấp), mà hơn nữa độ nhấp nhô của phổ khuếch đại cũng lớn hơn nhiều so với các vùng bước sóng còn lại của băng.
3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA:
Hệ số tạp âm được định nghĩa là tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu quang đầu vào/tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu quang đầu ra, theo lý thuyết thì hệ số tạp âm của EDFA là khoảng 3 dB, hệ số tạp âm tăng tỷ lệ theo số lượng bộ khuếch đại được sử dụng trên tuyến và sự chênh lệch khoảng cách đoạn sợi quang giữa các bộ khuếch đại, thường khống chế độ dài đoạn sợi quang giữa hai bộ khuếch đại liên tiếp là 80 ~ 120 km, để đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm.
Nhiễu tự phát được khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission) gây nên tạp âm lớn trong các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là trong trường hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền. Tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía trước sẽ được khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang thứ hai. Sự khuếch đại và tích lũy tạp âm này sẽ làm cho tỷ số S/N bị giảm nghiêm trọng. Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống dưới mức cho phép. Tuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào quá cao thì tín hiệu này kết hợp với ASE có thể gây nên hiện tượng bão hoà ở bộ khuếch đại.
Chương IV: CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG WDM
I. Công nghệ bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA
Cấu trúc tiêu biểu của bộ EDFA được chỉ ra như hình vẽ 3.2. EDFA cú thành phần chỡnh gồm một đoạn ngắn cáp quang có lừi pha tạp khoảng 0,1% Erbium. Erbium là một nguyờn tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Đoạn sợi pha tạp Erbium được ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thường cú chiều dài khoảng 10 - 20m. Ngoài ra EDFA cũn cú một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống.
Hình 3.2 C u t o c a m t EDFAấ ạ ủ ộ
Biểu đồ mức năng lượng của ion Erbium được mô tả như hỡnh vẽ 3.3. Er3+ ở trạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lượng thấp nhất, khi bơm quang hạt Erbium hấp thụ năng lượng rồi chuyển tiếp lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên cũng khác nhau. Sự dịch chuyển điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra photon, photon này bức xạ có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát (sự phân hủy tự nhiên của các ion mà không có bất cứ một động tác nào chen vào) hay kích thích (do sự có mặt của các photon có chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển, kích thích sự phát xạ và tạo ra photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng). Trong quá trỡnh bức xạ kớch thớch, nú tạo ra số photon cựng pha cựng hướng với photon tới, như vậy là đó tạo ra được quá trỡnh khuếch đại trong EDFA. Bức xạ tự phát tạo ra các photon cùng pha và hướng ngẫu nhiên, điều này gây ra nhiễu trong EDFA gọi là nhiễu do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE). Tuy nhiên thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao khoảng 10ms đủ để đảm bảo thay vỡ nhiễu bức xạ gõy ra do bức xạ tự phỏt thỡ hầu hết cỏc ion Erbium đợi để khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ tự kích thích.
Hình 3.3 Gi n ả đồ ă n ng lượng Erbium
Hình 3.4 so snh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông thường dùng trong truyền dẫn. Sự hấp thụ quang xảy ra trong các loại cáp thông thường là thấp trong dải bước sóng tập trung khoảng 1550nm, nơi mà hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km có nghĩa là 5% ánh sáng truyền qua bị hấp thụ trong 1km. Ngược lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100ppm ở trong li cĩ thể gy ra sự hấp thụ 2dB/km ở cng bước sóng bơm.
Hình 3.4 Ph h p th c a s i quang th ng thổ ấ ụ ủ ợ ơ ường và s i quang Erbiumợ
Laser bơm trong EDFA là laser bán dẫn thông thường và được gọi là nguồn bơm. Nguồn bơm có thể bơm ở nhiều bước sóng nhưng hiệu quả cao nhất là ở hai bước sóng 980nm và 1480nm. Khi sử dụng EDFA thì chỉ cần một nguồn bơm có công suất nhỏ từ 10 đến 100mW là đủ để công suất ra lớn theo yêu cầu, điều này giảm nguồn nuôi lên hệ thống EDFA có cấu trúc nhỏ nhẹ, linh hoạt. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nĩ được bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Hiện tại thì bước sóng bơm 1480nm được sử dụng rộng ri hơn vì chng cĩ sẵn v độ tin cậy cao hơn. Nếu tăng được độ ổn định của laser diode có bước sóng 980nm thì chng cĩ thể được chọn làm nguồn bơm.
2: Đặc tính của EDFA2.1: Đặc tính khuếch đại 2.1: Đặc tính khuếch đại
Đặc tính tăng ích biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, định nghĩa là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào.
H s khu ch ệ ố ế đại ph thu c vào công su t và bụ ộ ấ ước sóng b m:ơ
Nhiều kết quả nghiên cứu đã cho kết luận rằng hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm và nếu đặt bước sóng bơm tại 980nm và 1480nm là cho hiệu quả cao nhất.
Công suất bơm (mW)
Hình 3.5. H s khu ch ệ ố ế đại là m t hàm c a công su t b m v i 14m chi u dài c a s i Silico Al-Ge pha t pộ ủ ấ ơ ớ ề ủ ợ ạ
Erbium đượ ơ ạ ước b m t i b c sóng 980nm và 1480nm
2.2: Đặc tính t p âm nhi uạ ễ
Trong sợi pha tạp Erbium, các photon bức xạ tự phát có pha và hướng ngẫu nhiên. Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang, lan truyền dọc theo li sợi v được khuếch đại thành các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu quang. Tạp âm của EDFA chủ yếu có 4 loại:
- Tạp m tn hạt của tín hiệu quang;
Trong 4 tạp m trên có 2 loại tạp âm thứ 3 và thứ 4 có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt tạp âm thứ 3 là nhân tố quang trọng quyết định tính năng của EDFA.
Ngồi ra cịn cĩ nhiễu bắn cĩ nguồn gốc pht sinh thời gian đến của các photon tại bộ tách quang không giống nhau và do tốc độ chuển động và số lượng các hạt tải điện qua tiếp giáp P-N của bộ tách quang thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian. Bộ khuếch đại quang đặt trước diode tách quang nên nó là một trong các nguồn sinh ra nhiễu bắn.
Ngu n g c c a nhi u trong các b khu ch ồ ố ủ ễ ộ ế đại quang:
Gọi Nm(0), Nm(L) là mật độ photon ở ng vo v tại ng ra của bộ khuếch đại, G là hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại.
Mật độ photon ở ng ra của bộ khuếch đại được cho như sau:
Nm(L) = GNm(0) + nsp(G - 1)
Trong vế phải của (2.1), thành phần thứ nhất tương ứng với tín hiệu được khuếch đại, cịn thnh phần thứ 2 tương ứng với phát xạ tự phát được khuếch đại hay nhiễu ở ng ra của bộ khuếch đại. Ta tính tốn cơng suất nhiễu tại ng ra cho mode ny v tính số mode trong dải tần số ρυ để thu được công suất nhiễu ở ng ra trong băng thông ρυ xung quang tần số υ khi đó hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại là G:
PASE = nsp(G-1)huDu
Phương trình l phương trình cơ bản trong việc tính nhiễu trong hệ thống
khuếch đại quang, nó cũng được dùng nhiều trong phần tính toán thiết kế của đồ án. Một chú ý quan trọng l biểu thức tính PASE trong phương trình cần nhn thm một hệ số mt để thu được tổng công suất nhiễu ASE.
Nhi u t i ng ra b khu ch ễ ạ ộ ế đại quang:
Trong các hệ thống thông tin ánh sáng dùng các bộ khuếch đại quang, tín hiệu quang được biễn đổi sang tín hiệu điện ở cuối đường truyền. Các bộ tách sóng sẽ biến đổi các photon thành electron, phát xạ tự phát tồn tại trong bộ khuếch đại quang