Cỏc thành phần chớnh gồm cú:
Sợi quang pha tạp erbium dài từ 10 ữ 30 m, Laser bơm, bộ ghộp bước súng WDM và cỏc bộ cỏch ly quang.
Hỡnh 3.18. Cấu trỳc của EDFA.
Laser bơm cú nhiệm vụ cung cấp năng lượng để tạo nghịch đảo nồng độ ion erbium trong sợi quang. Cụng suất bơm thường từ 10m đến 100m . Bước súng bơm 980nm, hoặc 1480nm. Bộ ghộp bước súng WDM thực hiện ghộp tớn hiệu quang và súng bơm vào sợi quang. Cỏc bộ cỏch ly cú tỏc dụng làm giảm ỏnh sỏng phản xạ từ hệ thống như phản xạ Rayleigh, phản xạ từ cỏc bộ nối quang và phản xạ ngược từ bộ khuếch đại. Cỏc sợi EDF ( Erbium Doped Fiber ) thường cú lừi ( Core ) nhỏ hơn và khẩu độ số NA ( Numerical Aperture ) lớn hơn so với cỏc sợi đơn mode tiờu chuẩn. Ngoài sự pha tạp erbium trong lừi sợi ra, cấu trỳc của EDF giống như cấu trỳc của sợi đơn mode tuõn theo khuyến nghị Rec G652 hoặc G653 của ITU-T [ 37 ] [ 38 ].
Nguyờn lý hoạt động của bộ khuếch đại EDFA được giải thớch dựa vào hệ giản đồ năng lượng của ion Erbium ( Hỡnh 3-19 ).
Trong giản đồ năng lượng cỏc mức năng lượng được chỉ thị bằng cỏc số hạng của ion2S+1Lj, ở đõy S là số lượng tử Spin L là số lượng tử quỹ đạo và j là số lượng tử động lượng tổng. Khi L = 1, 2, 3, 4, 5 thỡ sẽ nhận cỏc ký hiệu là S, P, D, F,H, I, J, K,. .. Khi được bơm, cỏc ion sẽ hấp thụ năng lượng bơm đú và từ mức cơ bản dịch chuyển lờn cỏc mức năng lượng cao hơn tức là cỏc mức kớch thớch. Với ion erbium thỡ cỏc mức kớch thớch ứng với cỏc bước súng bơm 1480nm, 980nm, 800nm, 670nm và 511nm. Trong thực tế chỳng đóđược dựng để bơm cho EDFA. Cỏc mức kớch thớch đú bị phõn ró khụng bức xạ rất nhanh xuống trạng thỏi siờu bền 4I13/2 với hằng số thời gian xấp xỉ 10msec. Bức xạ kớch thớch tức là bức xạ cú tỏc dụng khuếch đại tớn hiệu quang được thực hiện ở dịch chuyển 4I13/2→4I15/2 Những tham số cơ bản của bộ khuếch đại EDFA gồm: Cụng suất và bước súng bơm, hệ số khuếch đại, tạp õm của bộ khuếch đại.
EDF
Laser bơm
InputBộ cách ly WDM Bộ cách lyOutput
Hỡnh 3.19. Giản đồ năng lượng của ion erbium.
Người ta thường dựng bước súng bơm 1480nm vỡ:
- Hiện nay đó cú những Laser bỏn dẫn phỏt ở bước súng 1480nm và cho ra cụng suất bơm lớn.
- Bước súng bơm 1480nm lại gần bước súng tớn hiệu 1550nm nờn hiệu suất bơm rất cao.
- Khi bơm cho EDFA từ xa thỡ suy hao sợi sẽ rất thấp vỡ bước súng này nằm trong vựng phổ suy hao thấp của sợi quang.
- Phổ hấp thụ rộng nờn yờu cầu về độ chớnh xỏc của bước súng bơm khụng chặt chẽ lắm.
- Cũn bước súng bơm 980nm sẽ cho đặc tớnh tạp õm của EDFA tốt hơn, khuếch đại bằng phẳng hơn và ít nhạy cảm hơn với nhiệt độ so với bước súng bơm 1480nm [9], [20], [59], nhưng lại yờu cầu về bước súng bơm chớnh xỏc hơn do phổ hấp thụ hẹp hơn.
Trong [ 6 ], [ 7 ] đó so sỏnh bơm 1480nm và 980nm theo độ khuếch đại và độ dài sợi cho cả hai bước súng bơm 1480 và 980nm, Nhỡn chung, bơm ở bước súng 980nm cú hiệu quả hơn bơm ở bước súng 1480nm, và cú thể xõy dựng được bộ khuếch đại EDFA cú hệ số khuếch đại lớn hơn với chiều dài sợi quang ngắn hơn. Đồng thời phải chỳ ý rằng bước súng bơm 980nm phải được điều khiển một cỏch chớnh xỏc do phổ hấp thụ rất hẹp.
3.1.3.2. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang sợi EDFA.
4I13/2 2H11/2 4S3/2 4F9/2 4I9/2 4I11/2 4I15/2 520nm 550nm 650nm 800nm 980nm 1480nm 1530nm τ=10msec τ=0,001msec
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang sợi EDFA được xỏc định như sau.
(3-33) Trong đú Poutvà Pin là cụng suất ra và cụng suất vào của bộ khuếch đại, cũn Psp là cụng suất tạp õm do bức xạ tự phỏt gõy nờn. Thường cú 1% cụng suất bức xạ tự phỏt được giữ lại bởi cỏc mode của sợi quang và tạo thành tạp õm của bộ khuếch đại và gọi là tạp õm ASF ( Amplified Spontaneous Emission ). Mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại G và cụng suất tớn hiệu vào được biểu diễn trờn hỡnh 3.20 [22], [57]:
Hỡnh 3.20. Hệ số khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào cụng suất tớn hiệu vào.
Khuyến nghị G661 của ITU-T đó xỏc định hệ số khuếch đại tớn hiệu nhỏ là độ khuếch đại khi nú hoạt động trong chế độ tuyến tớnh, tức là khi hệ số khuếch đại khụng phụ thuộc vào cụng suất tớn hiệu vào nếu cụng suất bơm giữ khụng đổi [38], [39].
Khuếch đại bóo hoà là một chế độ cụng tỏc quan trọng của bộ khuếch đại EDFA. Chế độ bóo hoà độ khuếch đại được xem như hệ số khuếch đại giảm trong khi cụng suất tớn hiệu vào tăng ( xem hỡnh3.20). Hệ số khuếch đại cú thể được viết dưới dạng một hàm của tỷ số cụng suất quang ra Pout với cụng suất bóo hoà Psat[ 22 ] như sau:
(3-34) -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 G[dB] Pin[dBm] 30 20 10 0
Trong đú G0 là hệ số khuếch đại tớn hiệu nhỏ.
Psat cụng suất bóo hoà là cụng suất cần cú để tạo được nghịch đảo nồng độ erbium đủ để thu được tớn hiệu quang, tức là đủ để cho độ khuếch đại giảm đi 3dB so với giỏ trị chưa bóo hoà.
Độ bằng phẳng của đặc tuyến khuếch đại phụ thuộc tần số cũng là một tham số quan trọng vỡ bộ khuếch đại EDFA thường được sử dụng trong hệ thống ghộp kờnh theo bước súng nhằm trỏnh sự khuếch đại trội cho một kờnh nào đú. Độ bằng phẳng khuếch đại được xỏc định bằng tỷ số của sự biến đổi hệ số khuếch đại tại bước súng chuẩn, tại đú cỏc thay đổi vờ hệ số khuếch đại tạo ra do cú sự biến đổi điều kiện đầu vào.
3.1.3.3. Phổ khuếch đại của EDFA.
Phổ khuếch đại của EDFA là một tham số quan trọng vỡ nú ảnh hưởng tới băng tần truyền dẫn, và tốc độ truyền dẫn. Bằng cỏch pha tạp Al và P trong lừi sợi thuỷ tinh pha erbium sẽ làm mở rộng phổ khuếch đại từ 1549nm đến 1560 nm. Bằng cỏch thay đổi từ sợi thuỷ tinh Silice sang sợi thuỷ tinh Fluoride gốc ZrF4 và thuỷ tinh Fluorophosphate sẽ vừa mở rộng phổ vừa làm bằng phẳng hệ số khuếch đại từ 1530nm đến 1560nm. Khi tăng độ dài EDF thỡ phổ khuếch đại cú thể thu được trong khoảng bước súng từ 1570nm đến 1620nm [ 22 ] [ 38 ].