Khuếch đại quang sợi EDFA & ứng dụng trong hệ thống thông tin quang

được coi như là một môi trường truyền dẫn lý tưởng mà không có một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế được. Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự li xa, không bị ảnh hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao… phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục, trung kế và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Gần đây đã thực hiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào. Kỹ thuật mới này cho phép khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như: hạn chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp… làm cho kỹ thuật truyền dẫn trên cáp sợi quang càng tỏ rõ tính ưu việt của nó. Đứng trước vấn đề này được sự hướng dẫn tận tình của GS.TS Trần đức hân và Th.S trần quốc dũng em đã chọn đề tài:”Khuếch đại quang sợi EDFA và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang”. Nội dung đồ án tốt nghiệp bao gồm các chương sau: Chương 1: Khuếch đại quang sợi Chương này trình bày chủ yếu về khuếch đại quang sợi EDFA và các ưu điểm nổi bật của nó trong hệ thống thông tin quang. Đồng thời trình bày nguyên lý hoạt động, kết cấu cơ bản, kết cấu tối ưu của EDFA và phân tích các nhiễu sinh ra khi hệ thống sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại quang theo hai chiều. Trong chương này cũng trình bày các điểm chủ yếu của khuếch đại băng rộng sử dụng khuếch đại quang sợi và các kỹ thuật mở rộng dải tần khuếch đại trên cơ sở khuếch đại quang sợi EDFA. Chương 2: Phân tích các đặc điểm kỹ thuật, tính toán các tham số của bộ khuếch đại quang sợi EDFA ở đây em trình bày về các phương trình khuếch đại của EDFA và các đại lượng: Hệ số tạp âm, công suất bơm ngưỡng, công suất bão hòa tín hiệu, tính toán chúng trên những tham số cho trước. Chương 3: Các ứng dụng PA, LA, BA của EDFA Chương này trình bày về EDFA khi áp dụng trong tuyến thông tin quang ở các vị trí cụ thể PA, BA, LA và tính toán các tham số như tỷ số tín hiệu trên nhiễu và công suất bù BER trong từng trường hợp. Chương 4: áp dụng khuếch đại quang sợi EDFA vào hệ thống thông tin quang. Chương này trình bày về các ứng dụng của EDFA trong tuyến truyền dẫn một kênh quang, trong tuyến WDM, mạng truy nhập quang, trong cáp quang truyền hình, trong cáp quang biển. Chương 1 Khuếch đại quang sợi Khuếch đại quang, ưu điểm và xu hướng phát triển Vào năm 1957, một nhóm nhà nghiên cứu khoa học gồm K.Shimoda, H.Takahasi và C.H Towner khi nghiên cứu về lý thuyết cơ học lượng tử đã có mầm mống về ý tưởng khuếch đại quang: Nếu có một tập hợp các hạt có thể được tạo nên mà trong đó các phần tử ở mức trên nhiều hơn các phần tử ở mức dưới. Thì khi đó, chùm photon qua môi trường như thế sẽ bị khuếch đại nhiều hơn là bị hấp thụ. Hiện tượng này, cho phép xây dựng một bộ khuếch đại quang với mức nhiễu lý tưởng. Từ đó đến nay, ý tưởng đó đã thành hiện thực, thậm chí đã được ứng dụng trong kỹ thuật thông tin quang tốc độ cao với khoảng cách hàng ngàn cây số. Cho tới nay, khuếch đại quang bao gồm: khuếch đại laser SLA, khuếch đại quang sợi (EDFA, TDFA, …) khuếch đại theo hiệu ứng phi tuyến RAMAN (FRA), khuếch đại quang theo hiệu ứng phi tuyến BRILLOUIN (FBA). Sự ứng dụng bộ khuếch đại trong hệ thống số tạo ra sự phát triển mới trong hệ thống truyền dẫn số, biểu hiện chủ yếu trên các mặt sau: Thay thế bộ chuyển tiếp tái sinh trong hệ thống truyền dẫn hiện có. Trong hệ thống cáp quang biển ứng dụng khuếch đại quang sợi cho phép nâng cao cự ly truyền dẫn và giảm số bộ chuyển tiếp. Do ghép kênh nhiều bước sóng là truyền dẫn nhiều bước sóng trên một sợi quang. Dùng bộ khuếch đại sợi quang đồng thời khuếch đại được tất cả các bước sóng trong băng sóng, cung cấp tăng ích cho nhiều kênh tín hiệu và không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu phân cực, không phát sinh xuyên nhiễu, trong các hệ thống truyền dẫn cao tốc nhiều kênh tín hiệu làm cho khuếch đại sợi quang là một bộ kiện then chốt của WDN, giá thành chế tạo cũng ngày một thấp. Trong mạng truy nhập sợi quang xuất hiện các phương thức: sợi quang đến nhà (FTTH), sợi quang đến phòng làm việc (FTTO), sợi quang đến toà nhà (FTTB)… Điều kiện kho khăn là đầu cuối sợi quang bị phân nhánh quá nhiều, đối với mạng không nguồn, qua vài lần phân nhánh công suất quang thuê bao thu được rất thấp (mỗi lần phân nhánh công suất quang giảm đi 3 dB), làm cho đầu cuối không thể làm việc được. Do đó cần khuếch đại trước mỗi nút để bù suy hao làm cho FTTH trở lên khả thi hơn. Nguyên lý hoạt động của EDFA Trong lớp lõi của sợi quang thạch anh nếu trộn vào một ít nguyên tố đất hiếm như Er, Pr… sẽ hình thành loại sợi quang đặc biệt, loại sợi quang này có thể khuếch đại tín hiệu dưới sự kích thích của bơm quang nên gọi là khuếch đại sợi quang. Hiện nay sử dụng rộng rãi là bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA) có ưu điểm như độ tăng ích đầu ra là cao, băng tần rộng, tạp âm thấp, đặc tính tăng ích không có quan hệ với phân cực, trong suốt đối với tốc độ số… Hình 1.1: Cấu tạo cơ bản của EDFA Cấu tạo cơ bản của EDFA: Bộ phối ghép quang có tác dụng gộp tín hiệu quang và tín hiệu quang bơm làm một, thường dùng bộ ghép kênh. Trong bộ ghép kênh, các thấu kính có tác dụng để ghép ánh sáng vào và ánh sáng ra, nó bao gồm các gương và bộ lọc tích hợp. Năng lượng bơm và tín hiệu tổn hao khoảng 0.5 dB. Bộ cách ly quang có tác dụng hạn chế quang phản xạ để đảm bảo bộ khuếch đại làm việc ổn định. Các bộ cách ly quang thường giảm ánh sáng phản xạ khoảng 30 dB, trong đó tổn hao tín hiệu truyền là 1 dB. EDFA thường dùng hai bộ cách ly quang. Bộ thứ nhất ở đầu vào dùng để loại bỏ nhiễu gây ra do truyền phát cùng chiều của bộ khuếch đại. Bộ thứ hai ở đầu ra bảo vệ cho linh kiện không bị phản xạ ngược chiều từ đoạn dưới. Quá trình khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+ được giải thích như sau: Erbium là một nguyên tố đất hiếm có các mức năng lượng như sau: Hình 1.2: Giản đồ năng lượng của sợi quang pha tạp Er3+ Er3+ ở trạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lượng thấp nhất (trạng thái cơ bản), khi bơm quang vào Er3+ hấp thụ năng lượng của quang bơm rồi chuyển tiếp lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm có các bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao cũng có hạt chuyển lên cũng khác nhau. Mức năng lượng chia thành một dải năng lượng, trước tiên hạt Erbium chuyển tới đỉnh của dải năng lượng và nhanh chóng chuyển từ trạng thái kích thích sang trạng thái tạm ổn định qua quá trình chuyển tiếp không bức xạ. Thời gian chuyển tiếp không bức xạ rất nhỏ t =1ms. Khi chuyển sang trạng thái tạm thời có thời gian sống khoảng 10 ms, do không ngừng bơm quang nên số hạt không ngừng tăng gây lên sự đảo mật độ. Khi tín hiệu đi qua đoạn sợi quang pha tạp Erbium các hạt ở trạng thái tạm thời chuyển tiếp lên trạng thái cơ bản bằng hình thức bức xạ bị thích và sinh ra photon giống hệt dẫn đến sự khuếch đại không ngừng tín hiệu quang trong quá trình truyền dẫn trên sợi quang pha tạp Erbium. Trong quá trình các hạt Erbium bức xạ kích thích có một phần nhỏ được chuyển sang trạng thái cơ bản bằng hình thức bức xạ tự phát, băng tần được mở rất rộng và các quang tử hỗn độn không ngừng được khuếch đại trong quá trình truyền dẫn từ đó hình thành tạp âm bức xạ tự phát ASE và tiêu hao một phần công suất bơm. Do đó cần phải lắp thêm bộ lọc quang để giảm bớt tạp âm ASE trong hệ thống. Hiệu suất bơm ở 980 nm và 1480 nm cao hơn các bước sóng khác vì vậy được ứng dụng rộng rãi. Tạp âm trong bộ khuếch đại EDFA. Tạp âm trong bộ khuếch đại quang là một vấn đề quan trọng trong hệ thống thông tin quang. Đặc tính tạp âm là một trong các tham số chính liên quan đến quá trình truyền dẫn trên toàn bộ hệ thống như cự ly truyền dẫn và tốc độ bit. Có hai nguồn tạp âm chính là tạp âm quang và tạp âm cường độ 1.3.1 Tạp âm quang trong bộ khuếch đại EDFA Các photon bức xạ tự phát có hướng và pha ngẫu nhiên. Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang. Do các photon được giữ lại này lan truyền dọc bên trong của sợi nên chúng lại được khuếch đại. Quá trình này sẽ tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE. Để xác định được thành phần nhiễu nhỏ nhất của bộ khuếch đại thi công suất nhiễu tối thiểu tại đầu ra bộ khuếch đại được viết như sau: (1.1) Trong đó B là một nửa của toàn bộ băng tần B0 của bộ khuếch đại quang. Giả thiết độ khuếch đại G là lớn, tín hiệu đầu vào lớn thì công suất tạp âm đầu ra của bộ khuếch đại quang nhỏ nhất tương ứng với khuếch đại photon trong băng tần B. Từ (biểu thức 1.1 ) có thể xác định được công suất PASE tổng được lấy trên toàn bộ các mốt của sợi quang đưa ra trong băng tần B0 là: (1.2) Trong đó mt là số mốt lan truyền ngang của quá trình phân cực. Psp là công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch đại quang. Trong các bộ khuếch đại quang sợi thực tế thường có hai mode lan truyền phân cực trong quá trình bức xạ tự phát hay mt =2. Hệ số bức xạ tự phát Nsp được viết như sau: (1.3) Với ; và N1, N2 là hàm của trục z hướng theo trục của sợi. Tạp âm của bộ khuếch đại quang N(z) khi không có tín hiệu đầu vào được xác định như sau: (1.4) Với G là một hàm số của z. Trong trường hợp nghịch đảo tích luỹ môi trường là âm và NSP < 0 nhưng công suất nhiễu vẫn luôn dương và bằng Trong trường hợp ở mức ngưỡng nghịch đảo của môi trường , NSP không xác định, thực tế công suất nhiễu được xác định bằng trong đó L là độ dài sợi EĐF. Trong trường hợp môi trường nghịch đảo là dương ta có NSP > 1 (công suất tạp âm dương) Trường hợp nghịch đảo môi trường hoàn toàn, khi mà toàn bộ các nguyên tử ở trạng thái kích thích, tức là N1=0, thì Nsp tiến đến giá trị nhỏ nhất (=1). Trong trường hợp này công suất tạp âm đầu ra tiến đến giá trị tạp âm lượng tử được khuếch đại: Như vậy, tạp âm đầu ra bộ khuếch đại quang đạt giá trị nhỏ nhất khi đạt được nghịch đảo tích luỹ hoàn toàn trong môi trường khuếch đại. Giá trị Nsp gần = 1 là giá trị nhỏ nhất có thể thu được. Giá trị này có thể đạt được khi bơm mạnh ở vùng bước sóng 980 nm. 1.3.1 Tạp âm cường độ trong bộ khuếch đại EDFA. Khi có công suất quang từ nguồn phát thì sẽ phát ra dòng photon ban đầu IPh(t): (1.5) Tạp âm cường độ là một yếu tố làm giới hạn đáng kể năng lực của các hệ thống thông tin quang. Bộ tách sóng quang biến đổi tạp âm cường độ trực tiếp thành tạp âm điện. Các loại tạp âm cường độ thường được xem xét trong hệ thống là: tạp âm lượng tử, tạp âm phách giữa tín hiệu và bức xạ tự phát, tạp âm phách giữa bức xạ tự phát với bức xạ tự phát, tạp âm phản xạ. a. Tạp âm lượng tử: Tạp âm lượng tử có nguồn gốc phát sinh là do tính không chắc chắn về thời gian đến của các điện tử hoặc các photon tại bộ tách sóng. Khi tạp âm trội là tạp âm lượng tử nó được xem xét như là giới hạn tạp âm lượng tử. Cả tín hiệu từ Laser phát và ASE đều tham gia vào tạp âm lượng tử. Vì vậy, tạp âm lượng tử trong trường hợp này bao gồm cả tạp âm lượng tử từ tín hiệu đầu vào được khuếch đại và tạp âm lượng tử bức xạ tự phát được khuếch đại. b. Tạp âm phách tín hiệu tự phát Tạp âm phách tín hiệu - tự phát là do có sự giao thoa giữa tín hiệu quang và bức xạ tự phát được khuếch đại ASE gây ra giao động cường độ. Không thể tránh khỏi tạp âm này trong hệ thống sử dụng EDFA, và tạp âm này là thành phần lớn nhất của tổng tạp âm trong các hệ thống thông tin được khuếch đại quang. Mật độ phổ công suất của tạp âm phách tín hiệu-tự phát: (1.6) Với Is là dòng photon tín hiệu trung bình Tương tự thành phần dòng tạp âm phát xạ tự phát được viết là: Trong đó: h là hiệu suất lượng tử e là điện tích điện tử n(0) là số photon trung bình vào bộ khuếch đại. c. Tạp âm phách tự phát-tự phát Tạp âm phách tự phát-tự phát là phách giữa các thành phần phổ khác nhau của bức xạ tự phát ASE dẫn đến tạp âm cường độ. Các cặp thành phần tần số sẽ gây ra một hay nhiều phách ở tần số khác. Vì thế mà toàn bộ phổ ASE sẽ đóng góp vào tạp âm phách cường độ tự phát-tự phát. Số các cặp phách sẽ giảm đi khi băng tần quang giảm hay tạp âm phách tự phát-tự phát sẽ giảm khi co hẹp băng tần quang. Mật độ phổ công suất của tạp âm phách tự phát-tự phát: (1.7) Như vậy giảm tuyến tính theo f và bị triệt tiêu tại f = Bo. Cả hai thành phần mật độ phổ đều tồn tại với fÊBo và bằng 0 khi f > Bo. Như vậy, tổng công suất tạp âm phách rơi vào trong băng tần điện Be (của bộ tách sóng quang) được viết như sau: d. Tạp âm phản xạ (tạp âm giao thoa nhiều luồng) Trong bộ khuếch đại quang thường có sự phản xạ tại hai đầu sợi EDF. Quá trình này tạo ra sự biến đổi giao thoa của nhiều pha thành tạp âm cường độ. Nó làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tại bộ thu quang. Trong thực tế tạp âm phản xạ quang có thể được bỏ qua nếu ánh sáng tín hiệu đến bộ khuếch đại quang là hoàn toàn kết hợp để cho giá trị tạp âm phản xạ nref bằng không. 1.4 Các đặc tính kỹ thuật của bộ khuếch đại EDFA 1.4.1 Đặc tính tăng ích Đặc tính này biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, được định nghĩa là: Tăng ích của EDFA lớn hay nhỏ có quan hệ với nhiều yếu tố thường là 15-40 dB. Quan hệ giữa tăng ích với nồng độ pha Er3+ trong sợi quang Hình 1.3 Quan hệ giữa tăng ích với nồng độ pha Er3+ trong sợi quang Ta thấy 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 pha vào. b .Quan hệ giữa tăng ích tín hiệu và công suất bơm quang Hình 1.4 Quan hệ giữa tăng ích tín hiệu và công suất bơm quang Hệ số tăng ích khi đưa tín hiệu nhỏ lớn hơn khi đưa tín hiệu lớn vào. Giả thiết định nghĩa tăng ích bằng không thì công suất bơm quang là công suất giới hạn bơm Pth. Khi công suất PP thỏa mãn PP/Pth > 3 thì tăng ích của bộ khuếch đại bão hòa tức là công suất bơm tăng rất nhiều mà tăng ích không đổi, lúc này hiệu suất tăng ích của bộ khuếch đại (độ dốc của đường cong) sẽ giảm khi công suất bơm tăng. Quan hệ giữa tăng ích và chiều dài sợi quang pha Erbium Hình1.5 Quan hệ giữa tăng ích và chiều dài sợi quang trộn Erbium Lúc đầu tăng ích tăng theo chiều dài sợi quang pha tạp erbium đến khi sợi quang dài quá một độ dài nhất định thì tăng ích giảm dần, do đó có một độ dài tối ưu để tăng ích đạt tối đa. Nhưng cần chú ý, độ dài này độ dài này chỉ có thể là độ dài tăng ích lớn nhất, mà không phải là độ dài tốt nhất của sợi quang pha tạp erbium vì còn liên quan đến nhiều đặc tính khác như đặc tính tạp âm…Ngoài ra tăng ích còn phụ thuộc vào điều kiện bơm (gồm bước sóng bơm và công suất bơm). Hiện nay nay sử dụng củ yếu bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm. Hình 1.6 Quan hệ giữa G và L khi công suất tín hiệu đầu vào tăng 1.4.2 Đặc tính công suất ra Bộ khuếch đại quang lý tưởng không kể công suất vào cao bao nhiêu, tín hiệu quang thường được khuếch đại theo tỷ lệ như nhau, nhưng bộ khuếch đại EDFA thực tế không phải như vậy. Khi công suất vào tăng lên, bức xạ kích thích tăng nhanh, làm giảm nhanh nồng độ hạt ở mức trên giảm số hạt chuyển ngược lại, quang bức xạ bị kích yếu đi dẫn đến bão hòa tăng ích, công suất ra có xu hướng ổn định. Để có được công suất đầu ra lớn nhất thường dùng công suất đầu vào 3 dB, nghĩa là công suất đầu ra tương ứng khi tăng ích bão hòa giảm 3 dB. Tham số này rất quan trọng nó thể hiện khả năng đưa ra lớn nhất của EDFA. Đặc tính đầu ra bão hòa của EDFA có quan hệ với công suất bơm quang và chiều dài sợi quang pha tạp erbium. Công suất bơm càng lớn, công suất đưa ra bão hòa 3 dB càng lớn. Hình 1.7 Đặc tính bão hòa tăng ích của EDFA. 1.4.3 Đặc tính tạp âm Trong tín hiệu quang tại đầu ra của bộ khuếch đại EDFA ngoài tín hiệu còn có bức xạ tự phát cũng được khuếch đại tạo lên nguồn tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu quang. Tạp âm của EDFA có bốn loại chủ yếu: Tạp âm tan hạt của tín hiệu quang, tạp âm tan hạt của quang bức xạ tự phát được khuếch đại; tạp âm phách giữa các quang phổ ASE và tín hiệu; tạp âm phách giữa các quang phổ ASE. Trong bốn loại tạp âm trên, hai loại sau có ảnh hưởng lớn nhất, nhất là tạp âm thứ ba quyết định tính năng quan trọng của EDFA. Đánh giá đặc tính tạp âm của EDFA qua hệ số tạp âm. Nó có quan hệ mật thiết với tần phổ ASE truyền cùng chiều và tăng ích của bộ khuếch đại. Khi công suất tín hiệu quang tăng càng nhanh tức là sự chuyển ngược số hạt càng cao, thì ASE đầu ra càng nhỏ. ảnh hưởng của các phương thức bơm khác nhau đối với hệ số tạp âm: Hình 1.8: ảnh hưởng của các phương thức bơm khác nhau đối với hệ số tạp âm Đối với bước sóng bơm khác nhau hệ số tạp âm sẽ hơi bị lệch. EDFA bơm ở bước sóng 980 nm có hệ số tạp âm tốt hơn EDFA bơm 1480 nm ước chừng 1-2 dB. Lý thuyết đã chứng minh đối với bất kỳ bộ khuếch đại quang sợi nào sử dụng bức xạ kích thích để khuếch đại, giá trị hệ số tạp âm nhỏ nhất là 3 dB, giới hạn này được gọi là giới hạn lượng tử của hệ thống tạp âm. Đối với bơm 980 nm, hệ số tạp âm cơ bản đạt tới giới hạn đó, trị số ước bằng 3.2-3.4 dB mà bơm 1480 nm thì hệ số tạp âm nhỏ nhất ước bằng 4 dB. Hiện nay trên thị trường đã có EDFA đạt tăng ích trên 30 dB. Hệ số tạp âm là 3-4 dB, công suất đầu ra của EDFA là 10-17 dBm, tại giao diện 1550 nm có băng tần 20-40 nm, do đó được sử dụng rộng rãi trong hệ thống nhiều kênh. 1.5. Kết cấu cơ bản và kết cấu tối ưu của EDFA 1.5.1 Kết cấu cơ bản của EDFA Bên trong của EDFA dựa vào phương thức bơm chia thành 3 kết cấu cơ bản: bơm cùng chiều, bơm ngược chiều và bơm hai chiều. a. Bơm cùng chiều Kết cấu này đưa tín hiệu quang và bơm quang vào sợi quang trộn erbium trên cùng một chiều, hay còn gọi là bơm phía trước. Hình 1.9 Kết cấu của EDFA bơm cùng chiều b.Bơm ngược chiều Đây là kết cấu của tín hiệu quang và bơm quang đưa vào sợi quang trộn erbium từ hai hướng khác nhau Hình 1.10 Kết cấu EDFA bơm ngược chiều c. Bơm hai chiều Đây là kết cấu đồng thời bơm ngược chiều và cùng chiều Hình 1.11 Kết cấu EDFA bơm hai chiều 1.5.2 So sánh tính năng của ba phương thức bơm a.Công suất của tín hiệu đàu ra và công suất bơm Hình 1.12 Quan hệ giữa công suất tín hiệu đầu ra và công suất bơm Từ hình vẽ ta thấy 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. b.Đặc tính tạp âm Hình 1.13 Đặc tính tạp âm của ba phương thức bơm Do công suất đầu ra tăng lên số hạt chuyển ngược lại giảm, vì vậy trong khu vực chưa bão hòa, hệ số tạp âm của EDFA kiểu bơm cùng chiều là nhỏ nhất nhưng ở khu vực bão hòa thì có thay đổi. Hình 2.14 Quan hệ giữa NF với chiều dài sợi quang NF của bộ khuếch đại quang khi tăng chiều dài đối với bơm cùng chiều là ổn định nhất. c. Đặc tính bão hòa ở đầu ra EDFA kiểu bơm cùng chiều có đầu ra bão hòa là bé nhất, công suất ra của EDFA kiểu bơm hai chiều là lớn nhất và tính năng của bộ khuếch đại và chiều của tín hiệu đầu vào không có liên quan, nhưng tổn hao phối ghép tương đối lớn, và tăng thêm một nguồn bơm làm cho giá thành lên cao. 1.5.3 Kết cấu của EDFA tối ưu Với các ứng dụng khác nhau yêu cầu tính năng của nó cũng khác nhau, do đó trên cơ sở kết cấu cơ bản các nhà khoa học đã cải tiến thêm một bước và tối ưu hóa nó. a.Bơm kiểu phản xạ Hình 1.15 Sơ đồ EDFA bơm kiểu phản xạ Tín hiệu quang ở đầu vào đi qua bộ tách chùm vào EDF, được khuếch đại lần thứ nhất thông qua kính phản xạ và được EDF khuếch đại lần thứ hai và đưa ra. Bộ mạch vòng quang có tác dụng đảm bảo tín hiệu quang truyền theo một hướng và có độ cách ly tương đối cao. Đặc điểm của phương pháp này là dùng công suất bơm tương đối nhỏ để có được tăng ích tương đối cao. b.EDFA băng rộng Để giải quyết vấn đề tăng ích không bằng phẳng của EDFA trong phạm vi khuếch đại và ứng dụng WDM. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng có thể cải thiện độ bằng phẳng của tăng ích EDFA bằng cách thay đổi thành phần trộn sợi quang, làm cho các tín hiệu nhiều bước sóng được khuếch đại như nhau. Một phương pháp khác là dùng bộ cách ly sóng, hấp thụ trị số đỉnh của công suất ở điểm tăng ích lớn nhất, từ đó đạt được mục đích làm phảng tăng ích mở rộng băng tần. EDFA khuếch đại tín hiệu theo hai chiều Hình 1.16 Sơ đồ của EDFA hai chiều EDFA có thể khuếch đại theo hai chiều, cấu tạo bao gồm hai nhánh EDF mắc song song, trên hai nhánh này khuếch đại tín hiệu theo hai chiều ngược nhau dựa theo chiều của hai circulator ở hai phía. 1.6. Khuếch đại quang băng rộng Hình 1.17: Sơ đồ vùng bước sóng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang 1.6.1. Bộ Khuếch đại sợi quang trộn Praseodymium(Pr) PDFA PDFA làm việc ở bước sóng 1310 nm có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc mở rộng dung lượng và nâng cấp đường dây thông tin hiện có (G652). Hiện nay đã nghiên cứu chế tạo PDFA tạp âm thấp, hiệu xuất cao nhưng hiệu xuất bơm của nó không cao, làm việc không ổn định, tăng ích nhạy cảm với nhiệt độ, cho lên chưa được sử dụng ở thực tế. Đã chế tạo được PDFA có tạp âm nhỏ, công suất cao, tăng ích tín hiệu lớn nhất và hệ số tạp là 40,6 dB và 5dB. Khi công suất đầu vào là 0 dBm, công suất đầu ra là 20,1 dBm. 1.6.2. EDFA trộn nhôm(Al) Để EDFA có tăng ích bằng phẳng, các nhà công nghệ đã thử nhiều phương pháp cải thiện đặc tính của EDFA. Phương pháp phổ biến nhất hiện nay là pha tạp nhôm cùng với Ebrium trong lõi. Như vậy có thể thay đổi thành phần thủy tinh, làm thay đổi sự phân bố cấp năng lượng khuếch đại Er mở rộng tần số có thể Khuếch đại. Thông qua việc trộn nhôm vào EDF có thể mở rộng khu bước sóng tới 1550 nm. Nếu nâng cao thêm nồng độ trộn nhôm, bất kể là đối với công suất tín hiệu nhỏ hay lớn đều nâng cao tăng ích ở 1540 nm, đó là giảm sai số tăng ích, làm cho tăng ích bằng phẳng. Ví dụ một công ty nghiên cứu chế tạo ra EDFA pha tạp nhôm đã sử dụng bộ lọc lưới quang chu kì dài cho hệ thống WDM. ở băng tần sử dụng 40 nm có độ tăng ích bằng phẳng 22 dB hệ số tạp âm nhỏ hơn 4dB. Trong băng tần 40nm từ 1528,1nm đến 1568,1nm phạm vi bằng phẳng của độ tăng ích là 1dB. Trong băng tần 37nm từ 1529nm đến 1566nm, phạm vi bằng phẳng của độ tăng ích là 0,7dB. 1.6.3. EDFA Flo Bộ Khuếch đại quang sợi pha tạp Ebrium-Flo (F-EDFA) là bộ khuếch đại quang lấy chất Flo là vật liệu chính và sợi quang trộn Ebrium làm chủ thể. Công suất ASE của bộ Khuếch đại này dao động trong đoạn sóng 1530-1560nm thấp hơn dao động trong EDFA, có thể đảm bảo cân bằng tăng ích ở 30nm. F-EDFA đã được dùng trong hệ thống truyền dẫn. Do F-EDFA có tăng ích bằng phẳng cố hữu rất tốt cho nên tiềm lực ứng dụng trong hệ thống truyền dẫn nhiều bước sóng tương đối lớn. Nhưng do với bộ khuếch đại sợi quang trộn Ebrium thạch anh chưa được nghiên cứu về tính bền vững lâu dài của nó. Sợi quang Flo hút nước, không thể kết nối nóng chảy với sợi quang thạch anh, cần phải nối bằng phương pháp cơ học. Hình 1.18 Công suất ASE theo bước sóng trong bộ EDFA sợi quang fluoride Mặt khác bộ Khuếch đại sợi quang Flo chỉ có thể bơm ở 1480nm, làm cho hệ số tạp âm ít nhất so với bộ Khuếch đại sợi quang trộn erbium thạch anh cao bơm ở 980 nm cao hơn 1dB. Trong một số thiết kế, sử dụng bộ Khuếch đại sợi quang trộn erbium thạch anh bơm quang 980nm làm một tầng trong Khuếch đại nhiều tầng để giải quyết vấn đề này. Khi khắc phục khuyết điểm trên thì bộ Khuếch đại sợi quang trộn Flo có tiềm lực lớn. 1.6.4. EDFA băng rộng trộn tellurium. Hiệu suất khúc xạ của sợi quang tellurium cao, có thể cung cấp tiết diện phát xạ kích thích lớn hơn Flo và thạch anh. ở bước sóng 1600nm tiết diện phát xạ bị kích thích của Er3+ tellurium gấp đôi của Flo và thạch anh. Hơn nữa tuổi thọ bức xạ của vật liệu tellurium ngắn, không đến 1/2 trị số tương ứng của sợi quang Flo và thạch anh, tiết diện phản xạ bị kích thích của nó về cũng nhỏ, cho nên bộ Khuếch đại ứng dụng sợi quang trộn Erbium tellurium có thể Khuếch đại băng rộng. Dùng sợi quang này chế tạo ra bộ Khuếch đại quang tăng ích bằng phẳng, băng tần có thể khuếch đại rất rộng, so với bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium băng tần dịch về phía bước sóng dài. EDFA tellurium do một công ty nghiên cứu chế tạo đã khuếch đại tín hiệu băng rộng ở khu vực bước sóng 1550nm, có thể đạt băng rộng lớn nhất là 80nm gấp đôi giá trị tốt nhất của EDFA. Trong khu vực bước sóng là 1530-1610nm có được độ tăng ích là trên 20 dB, tăng ích bằng phẳng đạt được 1,5dB. Đặc tính băng rộng của bộ khuếch đại tellurium có sức hấp dẫn cực lớn đối với hệ thống WDM. EDFA dựa vào Si và Flo không thể khuếch đại được tín hiệu vượt quá bước sóng 1627nm, mà EDFA tellurium có thể làm việc với bước sóng 1634nm, đó là ưu điểm của EDFA tellurium. Hình 1.19. Phổ khuếch đại của EDFA tellurium. 1.6.5. Bộ khuếch đại quang sợi Raman Giai đoạn nghiên cứu thứ hai của bộ khuếch đại sợi quang là bộ khuếch đại Raman. Nói khái quát hiệu ứng Raman là tác dụng tương hỗ phi tuyến phát sinh khi truyền dẫn tín hiệu công suất cao trong phương tiện sợi quang, nó là tán xạ quang tử phi đàn hồi do kích thích phân tử (thanh tử) của môi chất gây ra. Tác dụng lẫn nhau giữa quang – thanh tử dẫn đến di tần của dây Stockes (khác với tần số tín hiệu quang), chọn phương tiện sợi quang và tần số bơm thích hợp, có thể điều chỉnh dây Stockes đến tần số tín hiệu được khuếch đại. Vấn đề chính của bộ khuếch đại Raman là loại bơm cần thiết, thứ hai là làm sao có được hiệu ứng Raman ở cấp số lượng cao khi bản thân dây khuếch đại làm thành một khoang cộng hưởng. Hiện nay tăng ích của bộ khuếch đại sợi quang đối với tín hiệu nhỏ là 30dB, công suất ra bão hòa là +25dBm, rất thích hợp để dùng làm bộ khuếch đại công suất. Bộ khuếch đại sợi quang bán dẫn SOA. EDFA là công nghệ khuếch đại quang chủ yếu hiện nay, ngay trong thời kì đầu nghiên cứu phát triển thông tin sợi quang người ta đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo SOA, nhưng do bị ảnh hưởng bởi các nhân tố tạp âm, phân cực…tính năng của nó không đạt yêu cầu thực tế. SOA có bẫy lượng tử biến đổi có các ưu điểm như kết cấu đơn giản có thể sản xuất hàng loạt, giá thành hạ, tuổi thọ cao, tiêu hao công suất nhỏ…lại thêm dễ tổ hợp với các bộ phận khác, có thể chế tạo được bộ khuếch đại băng rộng có đoạn sóng là 1310 và 1550nm, bao trùm cửa sổ ứng dụng của EDFA, PDFA. Hiện nay việc nghiên cứu cơ cấu của nó đã được coi trọng và sẽ dần dần được ứng dụng. EDFA mắc song song(Parallel type EDFA) Hình 1.20 Sơ đồ kết cấu của Parallel type EDFA Nếu mắc hai EDFA song song với nhau như sơ đồ trên ta có thể mở rộng băng tần khuếch đại về phía bước sóng dài và có dải tần rộng lên tới 60-80 nm rất thích hợp trong các hệ thống WDM tốc độ rất cao. EDFA nhánh thứ nhất có phổ khuếch đại nằm ở băng C (1350-1560nm) EDFA nhánh thứ hai có phổ khuếch đại nằm ở băng sóng l (1570-1600nm). Bộ khuếch đại sợi quang thứ nhất gồm hai tầng EDFA mắc nối tiếp nhau (two stage amplifier) tầng thứ nhất bơm ở bước sóng 980nm nhằm mục đích tạo nhiều ASE ban đầu thấp, độ khuếch đại cao. Tầng thứ hai được bơm ở bước sóng 1480nm để tạo độ ổn định cao, công suất ra cao. Mặt nữa, tầng thứ hai dùng sợi quang trộn Flo trên nền EDF nên chỉ bơm với bước sóng 980nm để tạo nhiễu ASE ban đầu thấp. Cách thiết kế như thế này sẽ tạo được phổ khuếch đại ở băng C khá bằng phẳng. Tầng thứ hai sử dụng sợi quang EDF trộn silica, cũng được thiết kế theo kiểu hai tầng kế tiếp. Hình 1.21 Phổ khuếch đại của bộ khuếch đại EDFA song song 1.7 Các giải pháp kĩ thuật cho các tuyến truyền dẫn có sử dụng khuếch đại quang sợi. Thiết bị khuếch đại quang sợi cho phép thiết lập cấu hình các tuyến truyền dẫn quang mới linh hoạt hơn với quỹ công suất quang cao, khoảng cách giữa các trạm lặp dài hơn. Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm không thể phủ nhận được của khuếch đại quang, chúng ta cần phải xét các hiệu ứng phi tuyến, tán sắc và hiệu ứng phân cực và nhiễm tích lũy khi xuất hiện. Khi ứng dụng công nghệ mới này vào mạng viễn thông, ảnh hưởng của việc ứng dụng công nghệ mới này vào các tuyến truyền dẫn như thế nào còn phụ thuộc vào phạm vi ứng dụng và chất lượng truyền dẫn trong từng trường hợp cụ thể. Hai vấn đề chủ yếu mà các nghiên cứu hiện nay đang quan tâm khi xem xét đến khuếch đại quang là: Nhiễu tích lũy ( noise acummlation) Điều chỉnh tán sắc (dispersion accommodate) Khả năng phát huy hiệu quả trong bộ khuếch đại quang sợi hoàn toàn phụ thuộc vào các giải pháp kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích để khắc phục hai vấn đề chủ yếu như nói trên. 1.7.1 Tạp âm tích lũy Trong các hệ thống có sử dụng nhiều bộ khuếch đại quang OFA, nhiễu tự phát ASE từ các bộ OFA được khuếch đại lên nhiều lần như tín hiệu ánh sáng. Do bức xạ ASE được khuếch đại tại mỗi bộ OFA và công suất tín hiệu so với mức nhiễu sẽ giảm tương ứng theo. Công suất nhiễu có thể vượt qua công suất tín hiệu. Như vậy nhiễu ASE được tích lũy nằm ở cả trong và ngoài dải tần tín hiệu. Nhiễm tích lũy ASE làm giảm hệ số khuếch đại của OSA và tỉ số S/N của hệ thống chính là vì nhiều phách (beat noise) liên quan tới ASE là yếu tố chính làm giảm tỉ số S/N trên thực tế. Nhiễm phách tăng tỉ lệ với số bộ OFA, như vậy lỗi bít BER cũng tăng theo số lượng các bộ OFA. Mặc dù nhiều tích lũy trong các hệ thống có sử dụng bộ lọc sẽ giảm đi khi qua các bộ lọc nhưng bức xạ ASE nằm trong băng tần tín hiệu thì vẫn tăng tỉ lệ với số bộ OFA. Như vậy giả pháp để hạn chế tối đa ảnh hưởng của nhiễu tích lũy là giảm khoảng cách giữa các bộ OFA trong khi vẫn duy trì khuếch đại để bù suy hao trên đường truyền. Có hai giải pháp làm giảm bức xạ ASE: Dùng bộ lọc quang Dùng hiệu ứng tự lọc Hiệu ứng tự lọc sử dụng trong các bộ truyền dẫn có sử dụng từ vài chục bộ OFA trở lên. Hiệu ứng này điều chỉnh bước sóng tín hiệu thành bước sóng tự lọc để cho nhiễm ASE thu được tại bộ tách sóng bị suy giảm giống như sử dụng bộ lọc băng hẹp. Để sử dụng phương pháp này khoảng cách giữa các bộ OFA được rút ngắn lại và chọn hệ số khuếch đại OFA nhỏ để cho mức nhiễu ASE ban đầu thấp. Với hệ thống chỉ sử dụng một vài bộ OFA thì phương pháp tự lọc phát huy hiệu quả thấp. Hiệu ứng tự lọc phụ thuộc vào dạng phổ tín hiệu, tiết diện ngang bức xạ và hấp thụ, mức độ nghịch đảo độ tích lũy của OFA. Bước sóng tự lọc có thể thay đổi được khi biến đổi thành phần chế tạo EDFA, công suất quang nối vào, suy hao giữa các bộ khuếch đại và bước sóng bơm cũng như chiều dài sợi EDFA. Để thực hiện có hiệu quả nhất cần phải làm trùng ba bước sóng: Bước sóng tín hiệu, bướ._.