Tạp âm của bộ khuếch ñại quang là một vấn ñề quan trọng trong các hệ thống thông tin quang. Đặc tính tạp âm thể hiện là một trong các tham số chính liên quan tới ñặc tính truyền dẫn trên toàn bộ hệ thống như cự ly truyền dẫn và tốc ñộ bit lớn
nhất. Các ñặc tính tạp âm của EDFA còn ñang ñược tiếp tục nghiên cứu. Hầu hết các trường hợp nghiên cứu về ñặc tính tạp âm của EDFA ñều quan tâm tới ñặc tính của chế ñộ tín hiệu nhỏ ñể có thể áp dụng cho các bộ tiền khuếch ñại trong các tuyến thông tin ñiểm – ñiểm, trường hợp mà tạp âm thấp ñược coi là tham số quan trọng, tạp âm trong bộ khuếch ñại quang gồm : Tạp âm quang (tạp âm trường quang) tạp âm cường ñộ (tạp âm dòng photo).
2.2.3.1 Tạp âm quang trong bộ khuếch ñại EDFA.
Tạp âm quang là tham số quan trọng nhất liên quan tới các ñặc tính nhiễu trong các hệ thống ñược khuếch ñại quang, như trên ñã thảo luận về các ion Erbium trong sợi EDF ở trên. Các photon bức xạ tự phát có hướng và pha ngẫu nhiên, một số các photon bức xạ tự phát ñược giữ lại ở các mode của sợi quang. Vì các photon ñược giữ lại này lan truyền dọc bên trong của sợi, chúng lại ñược khuếch ñại. Quá trình này sẽ tạo ra bức xạ tự phát ñược khuếch ñại ASE, ñể xác ñịnh ñược thành phần nhiễu nhỏ nhất của bộ khuếch ñại và tính không chắc chắn về tín hiệu ñầu ra thỏa mãn nguyên lý Heisenberg, công suất nhiễu tối thiểu tại ñầu ra bộ khuếch ñại ñược viết như sau :
Psp_min = hv(G-1)B (2.4)
Trong ñó B là một nửa toàn bộ băng tần Bo của bộ khuếch ñại quang. Giả thiết rằng sự thăng giáng của tín hiệu tồn tại là do tác ñộng của nhiễu trắng. Độ khuếch ñại G, và tín hiệu là lớn, thì công suất nhiễu ñầu ra bộ khuếch ñại quang có thể ñạt nhỏ
nhất sẽ tương ứng với sự khuếch ñại của một photon trong băng tần B. Từ biểu thức
(2.4), có thể xác ñịnh ñược công suất ASE tổng PASE ñược lấy trên toàn bộ các mode mà sợi quang ñưa ra trong băng tần Bo như là :
PASE = m1Nsphv(G - 1)Bo (2.5)
Với m1 là số mode lan truyền (ngang) của quá trình phân cực, Psp = Nsphv(G- 1)Bo ñược gọi là công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch ñại quang. Trong các bộ
xạ tự phát. Hệ số bức xạ tự phát Nspñược viết như sau : 1 2 2 N N N N a e e sp σ σ σ − = (2.6) Trong biểu thức trên, σeσα là tiết diện bức xạ kích thích và tiết diện bức xạ hấp thụ nhưñã nói ở trên ; N2,N1 tương ứng là các mật ñộ tích lũy trung bình ở trạng thái siêu bền (mức trên) và nền (mức ñất), ñể cho ñơn giản ta ñặt η =σe/σαvà N1,N2 là hàm của trục z hướng dọc theo sợi, thì nhiễu của bộ khuếch ñại quang N(z) xuất hiện khi không có tín hiệu ñầu vào ñược viết từ biểu thức (2.6) như sau :
) 1 ( 1 2 2 − − = G N N N Nz η η (2.7)
Với G là một hàm số của z, trong trường hợp nghịch ñảo tích lũy môi trường là âm, tức là ηN2 - N1<0, khuếch ñại G sẽ nhỏ hơn 1 và Nsp là âm nhưng công suất nhiễu ở biểu thức (2.5) luôn dương và bằng Psp . Trong trường hợp ở mức ngưỡng của nghịch ñảo môi trường, tức là ηN2 - N1 = 0 , Nsp không xác ñịnh, nhưng thực tế công suất nhiễu lại ñược xác ñịnh và bằng Psp = ηN2L trong ñó L là ñộ dài sợi EDF. Ở
trường hợp môi trường nghịch ñảo là dương, tức là ηN2 - N1 > 0 ta có Nsp > 1
Trường hợp nghịch ñảo môi trường hoàn toàn, khi mà toàn bộ các nguyên tử ở
trạng thái kích thích, tức là N1 = 0, thì hệ số bức xạ tự phát Nsp tiến tới giá trị nhỏ
nhất của nó là bằng 1. Trong trường hợp này, công suất nhiễu ñầu ra giảm tới giá trị
nhiễu lượng tử ñược khuếch ñại PN_min = hv(G-1)B . Như vậy, có thể nói rằng nhiễu
ñầu ra bộ khuếch ñại quang nhỏ nhất thu ñược khi ñạt ñược nghịch ñảo tích lũy hoàn toàn trong môi trường khuếch ñại, trong thực tế hệ số bức xạ tụ phát Nsp là một sự
xác ñịnh chất lượng ñối với nghịch ñảo tích lũy. Giá trị Nsp gần bằng 1 là giá trị thấp nhất có thể thu ñược, giá trị này có thể ñạt ñược khi bơm mạnh ở vùng bước sóng 980nm.
2.2.3.2 Tạp âm cường ñộ trong bộ khuếch ñại EDFA.
Như ñã giới thiệu về bộ thu quang ở trên, bộ tách sóng quang sẽ phát ra dòng photon ban ñầu Iph(t) khi có một công suất quang P(t) từ nguồn phát ñi tới :
( ) ( ) P(t) hv e t pP t Iph η = = (2.8) Tạp âm cường ñộ là một yếu tố trội làm giới hạn ñáng kể năng lực của các hệ
thống thông tin quang. Bộ tách sóng quang biến ñổi tạp âm cường ñộ trực tiếp thành tạp âm ñiện. Các loại tạp âm cường ñộ thường ñược xem xét trong hệ thống là : nhiễu lượng tử hay nhiễu bắn (shot noise), nhiễu phách giữa tín hiệu và bức xạ tự phát với bức xạ tự phát (gọi là nhiễu phách tự phát – tự phát) và nhiễu phản xạ.
2.2.3.2.1 Nhiễu lượng tử.
Nhiễu lượng tử có nguồn gốc phát sinh là do tính không chắc chắn về thời gian
ñến của các ñiện tử hoặc các photon tại bộ tách sóng. Khi nhiễu trội là nhiễu lượng tử, nó ñược coi như là giới hạn nhiễu bắn hoặc là giới hạn lượng tử, cả tín hiệu laser phát và ASE ñều tham gia vào nhiễu lượng tử. Vì vậy nhiễu lượng tử trong trường hợp này gồm cả nhiễu lượng tử từ tín hiệu ñầu vào ñược khuếch ñại và nhiễu lượng tử từ bức xạ tự phát ñược khuếch ñại.
2.2.3.2.2 Nhiếu phách tín hiệu – tự phát.
ñại và các thành phần phổ của ASE.
Nhiễu phách tín hiệu – tự phát là do có sự giao thoa giữa tín hiệu quang và bức xạ tự phát ñược khuếch ñại ASE gây ra dao ñộng cường ñộ. Ta không thể tránh khỏi nhiễu này trong các hệ thống sử dụng EDFA và nhiễu này ñược coi là thành phần lớn nhất của tổng nhiễu trong các hệ thống thông tin ñược khuếch ñại quang, nhiễu phách này tương tự như ở trong trường hợp phách hai tần số trong bộ trộn heterodyne ñể
phát ra một tần số khác. Do tính trộn này phụ thuộc vào phân cực, nên tín hiệu sẽ chỉ
phách với các thành phần ASE cùng phân cực tín hiệu. Nhưng ASE thường là không phân cực, vì thế chỉ một nửa tham gia vào mật ñộ nhiễu phách tín hiệu – tự phát.
Hình 2.6 mô tả quá trình phách này.
2.2.3.2.3 Nhiễu phách tự phát- tự phát.
Nhiễu phách tự phát – tự phát là phách giữa các thành phần phổ khác nhau của bức xạ tự phát SE và dẫn ñến nhiễu cường ñộ. Trong hình 2.7, mỗi một cặp các thành phần phổ ASE phát ra một « tone » (âm sắc) phách cường ñộ tại tần số khác của nó. Vì thế mà toàn bộ phổ ASE sẽñóng góp vào nhiễu phách cường ñộ tự phát – tự phát. Nếu như ASE không phân cực, ASE sẽ ở một trong hai phân cực trực giao sẽ tham gia vào tổng nhiễu phách tự phát – tự phát. Ởñây tổng số các cặp phách có thể có sẽ
giảm ñi khi mà băng tần quang giảm.
ASE.
2.2.3.2.4 Nhiễu phản xạ (nhiễu giao thoa nhiều luồng).
Trong bộ khuếch ñại quang thường có sự phản xạ tại hai ñầu sợi EDF. Quá trình này tạo ra sự biến ñổi giao thoa của nhiễu pha laser thành nhiễu cường ñộ. Nhiễu cường ñộ như vậy sẽ làm giảm tỷ lệ số tín hiệu trên tạp âm tại bộ thu quang. Nhiễu ñã
ñược biến ñổi như vậy ñược gọi là nhiễu giao thoa nhiều luồng MPI(Multipath Interference). Các tham số quan trọng xác ñịnh biên ñộ của MPI là các mức phản xạ,
ñộ khuếch ñại quang, ñộ rộng phổ tín hiệu và trễ thời gian giữa hai phản xạ. Trong thực tế nhiễu phản xạ có thể ñược bỏ qua nếu như ánh sáng tín hiệu ñến bộ khuếch
ñại quang là hoàn toàn kết hợp ñể cho giá trị nhiễu phản xạ nref bằng không.