MỤC LỤC

Mục Lục.................................................................................................................1

Danh mục các từ viết tắt........................................................................................3

Danh mục hình vẽ..................................................................................................6

Danh mục bảng biểu..............................................................................................8

Lời nói đầu.............................................................................................................9

Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin quang..................................................11

1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang.........................................11

1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang.................................12

1.2.1 Bộ phát quang.............................................................................................13

1.2.2 Bộ thu quang...............................................................................................13

1.2.3 Cáp sợi quang.............................................................................................13

1.2.4 Các thành phần khác...................................................................................14

1.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang................................................14

1.3.1 Cấu tạo sợi quang.......................................................................................14

1.3.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang...........................................................15

1.4. Phân loại sợi quang.....................................................................................17

1.4.1 Phân loại theo phương pháp truyền sóng...................................................17

1.4.2 Phân loại theo chỉ số chiết suất...................................................................18

1.5. Các thông số của sợi quang.........................................................................18

1.5.1 Suy hao.......................................................................................................18

1.5.2 Tán sắc........................................................................................................23

1.6. Ưu nhược điểm của sợi quang.....................................................................24

1.6.1 Ưu điểm......................................................................................................24

1.6.2 Nhược điểm................................................................................................25

Chương 2 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDF..................................26

2.1. Vai trò của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang.....................26

2.2. Tổng quan về khuếch đại quang...................................................................26

2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang......................................................................26

1

2.2.2 Phân loại các bộ khuếch đại quang.............................................................29

2.2.3 Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang.............................................30

2.2.4 Khuếch đại quang dùng laser bán dẫn........................................................32

2.2.5 Các bộ khuếch đại quang sợi......................................................................35

2.3. Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA.........................................41

2.3.1 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA.......................................41

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA................................................................43

2.3.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm.......................................................................45

2.3.4 Hệ số khuếch đại của EDFA......................................................................50

2.3.5 Tính toán hệ số khuếch đại của EDFA.......................................................55

2.3.6 Phổ khuếch đại của EDFA.........................................................................57

2.3.7 Tạp âm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA..............................58

CHƯƠNG 3: Ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông

tin quang WDM...................................................................................................63

3.1. Ứng dụng của khuếch đại quang..................................................................63

3.2. Các ứng dụng trong hệ thống thông tin quang số.........................................64

3.3. Ứng dụng trong các hệ thống tương tự.........................................................66

3.4. Các ứng dụng trong mạng nội hạt (LAN).....................................................68

3.5. Ứng dụng trên hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM...

68

3.5.1 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM............................................69

3.5.2 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM........................................................71

3.5.3 Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM..................................73

3.5.4 EDFA thế hệ mới cho hệ thống WDM.......................................................75

Kết luận...............................................................................................................76

Tài liệu tham khảo...............................................................................................79

2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ

ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch

đại

AWG Array Wave Grating Cách tử AWG

BA Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất đầu

phát

CPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha

DC Dispersion Compensator Bộ bù tán sắc

DCF Dispersion Compensator Fiber Sợi bù tán sắc

DCG Dispersion Compensator Grating Cách tử bù tán sắc

DCM Dispersion Compensator Module Module bù tán sắc

DEM Dispersion Equalization Module Module điều chỉnh tán sắc

DEMUX DEMultiplexing Bộ tách kênh

DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển

DXC Digital Cross Connect Bộ đấu chéo số

EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang Erbium

EDSFA Erbium-Doped Silicon-based

Fiber Amplifier

Khuếch đại quang Erbium

dựa trên nền bán dẫn Silic

EDTFA Erbium-Doped Tellurite Fiber

Amplifier

Khuếch đại quang Erbium

trên nền bán dẫn Tellurium

FBG Fiber Bragg Grating Cách tử sợi Bragg

FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng

LA Line Amplifier Bộ khuếch đại đường truyền

LASER Light Amplication by Stimulate Emission of Radiation

LD Laser Diode Điốt phát quang laser

LOA Line Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang đường

3

truyền

MAN Metropolitan Area Network Mạng nội thị

MOR Multi-wavelength Optical

Repeater

Trạm lặp đa kênh quang

MUX Multiplexing Bộ ghép kênh

NDSF Non-Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển bằng

không

NF Noise Figure Hệ số tạp âm

NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shifted

Fiber

Sợi tán sắc dịch chuyển khác

không

OA Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang

OAM Optical Amplifier Module Module khuếch đại quang

OC Optical Channel Kênh quang

ODEMUX Optical DEMultiplexing Bộ tách kênh quang

ODU Optical Demultiplexing Unit Đơn vị tách kênh quang

OL Optical Line Đường truyền quang

OM Optical Multiplex Bộ ghép kênh quang

OMU Optical Multiplexing Unit Đơn vị ghép kênh quang

OMUX Optical Multiplexing Bộ ghép kênh quang

OPM Optical Performance Monitor Thiết bị giám sát mạng quang

OSC Optical Supervisor/Service

Channel

Kênh giám sát quang

OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

OTPM Optical Translator Port Module Module cổng chuyển đổi

quang

OTU Optical Translator Unit Đơn vị chuyển đổi quang

OXC Optical Cross Connect Bộ nối chéo quang

PA Pre-Amplifier Bộ tiền khuếch đại

4

PDL Polarization Dependence Loss Suy hao phụ thuộc phân cực

PLC Planar Lightwave Circuit Vi mạch quang

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

REG Regenerator Trạm lặp (3R)

SNR Signal To Noise Ratio Tỷ số Tín hiệu/Tạp âm

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin

SMF Single-Mode Fiber Sợi quang đơn mode

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman

SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi cáp quang đơn mode

chuẩn

WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng

WT Wavelength Transponder Chuyển đổi bước sóng

XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

DANH MỤC HÌNH VẼ

5

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin....................................11

Hình 1.2: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thông tin quang..............................12

Hình 1.3: Cấu tạo sợi quang................................................................................14

Hình 1.4 : Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng..............................................15

Hình 1.5 : Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang................................16

Hình 1.6: Sơ đồ phác thảo bộ khuếch đại laser bán dẫn......................................19

Hình 1.7: Cấu trúc các loại SLA.........................................................................19

Hình 1.8: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát.....................................................20

Hinh 1.9: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS..........................................................21

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman......................................22

Hình 1.11 : Sơ đồ phác họa hiện tượng SBS.......................................................22

Hình 1.12: Cấu trúc của EDFA...........................................................................23

Hình 1.13: Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium.........................................24

Hình 2.1: Các loại dịch chuyển giữa các mức năng lượng..................................27

Hình 2.2: Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang...............................29

Hình 2.3: Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA.........................33

Hình 2.4: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát.....................................................35

Hình 2.5: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS..........................................................36

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman........................................37

Hình 2.7: Sơ đồ phác họa hiện tượng SBS..........................................................38

Hình 2.8: Cấu trúc của EDFA.............................................................................42

Hình 2.9: Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium...........................................42

Hình 2.10: Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong lõi sợi EDF..........................44

Hình 2.11: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép.................................48

Hình 2.12: Cấu hình bơm thuận..........................................................................49

Hình 2.13: Cấu hình bơm ngược.........................................................................49

Hình 2.14: Cấu hình bơm hai hướng...................................................................50

Hình 2.15: Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào công suất bơm EDFA.............51

Hình 2.16: Quan hệ giữa độ dài EDF, bước sóng bơm với độ khuếch đại..........51

6

Hình 2.17:Độ khuếch đại EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào với ba

công suất bơm khác nhau....................................................................................52

Hình 2.18: Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với

các công suất bơm khác nhau..............................................................................54

Hình 2.19: Độ dốc khuếch đại.............................................................................55

Hình 2.20: Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA..............................................57

Hình 2.21: Tạp âm phách tín hiệu-tự phát...........................................................61

Hình 2.22: Tạp âm phách tự phát- tự phát giữa các thành phần phổ ASE..........62

Hình 2.23: Sự phản xạ quang tạo ra nhiễu giao thoa nhiều luồng.......................62

Hình 3.1: Ứng dụng EDFA làm tiền khuếch đại PA...........................................64

Hình 3.2: ứng dụng EDFA làm khuếch đại công suất BA..................................65

Hình 3.3: Ứng dụng EDFA làm khuếch đại đường truyền LA...........................65

Hình 3.4: Mạng tổng thể phát quảng bá CATV dựa trên các hệ thống có EDFA..

67

Hình 3.5: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang đơn hướng.....................................70

Hình 3.6: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang hai hướng .....................................71

Hình 3.7: EDFA sử dụng trong hệ thống WDM.................................................73

Hình 3.8: Phổ của tín hiệu quang ở đầu ra hệ thống...........................................74

Hình 3.9: Cấu hình EDTFA.................................................................................75

Hình 3.10: Ứng dụng của EDFA băng C và băng L trong hệ thống WDM........76

DANH MỤC BẢNG BIỂU

7

Bảng 1: So sánh đặc tính cơ bản của các bộ khuếch đại quang.........................41

Bảng 2: So sánh hai bước sóng bơm 980nm và 1480nm...................................47

Bảng 3: Liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch.....................................56

LỜI NÓI ĐẦU

8

Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa

vào khai thác trên mạng viễn thông. mọi người đều thừa nhận rằng phương thức

truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải các

dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú. và hiện đại của nhân loại, các hệ thống

thông tin quang với những ưu điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao. Đã

có sức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác. các hệ thống thông tin quang

không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục và

trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của

mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và

tương lai.

Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta đã thấy những thay đổi lớn trong

ngành công nghiệp viễn thông. Ngành công nghiệp viễn thông đã phát triển vượt

bậc cho ra đời nhiều loại hình dịch vụ mới đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cao

của con người. Hiện nay, số lượng người sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày

càng tăng nhanh. Xu hướng phát triển của viễn thông là các loại hình mạng với

dung lượng cao, băng thông rộng, phạm vi hoạt động lớn và có khả năng chống

nhiễu, bảo mật tốt. Để làm được điều này mạng truyền dẫn cần phải có sự phát

triển mạng cả về qui mô và trình độ công nghệ

Một trong những nhân tố quan trọng tạo nên bước phát triển đột phá cho

viễn thông quốc tế là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang và công

nghệ ghép kênh theo bước sóng quang. Hệ thống thông tin quang với nhiều ưu

điểm vượt trội, hiện đang là loại dịch vụ được sử dụng phổ biến, nó ngày càng

được phát triển hoàn thiện và có thể đáp ứng được mọi loại hình dịch vụ hiện tại

và tương lai. Trong đó việc ra đời và ứng dụng của các bộ khuếch đại trên miền

tín hiệu quang dần thay thế các bộ khuếch đại điện trước đó. 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. Điều đáng chú ý là bộ

khuếch đại quang trộn đất hiếm Erbium EDFA có thể khuếch đại toàn bộ bước

9

sóng quang trong dải 1525 – 1575 nm mà không cần phải tách từng bước sóng.

Tốc độ bit của tuyến đã đạt 100Gb/s và tích BL là 910 Tb/s-km vào năm 2000.

Bộ khuếch đại quang EDFA được ứng dụng trên các hệ thống thông tin quang

ghép kênh theo bước sóng WDM. Trong các hệ thống tuyến tính số các bộ

EDFA có thể được sử dụng làm các bộ tiền khuếch đại PA, các bộ khuếch đại

công suất BA hoặc khuếch đại đường truyền LA. Theo các tiêu chuẩn này thiết

bị khuếch đại quang sợi OFA được đặt dọc theo tuyến quang. Ngoài ra bộ

khuếch đại EDFA còn được ứng dụng trọng nhiều hệ thống khác. Trong tương

lai, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hứa hẹn sẽ phát triển hệ

thống thông tin quang trở nên mạnh mẽ hơn, ngày càng phát triển hơn. Để tìm

hiểu về công nghệ chứa đựng nhiều ưu điểm và tiềm năng này, em đã thực hiện

đề tài “Nghiên cứu bộ khuếch đại quang và ứng dụng trong hệ thống thông

tin quang WDM ”

Nội dung của đề tài gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về thông tin quang và các bộ khuếch đại quang

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang,

nội dung là sự phát triển của hệ thống thông tin quang, và sơ lược về thông tin

quang.

Chương 2: Khuếch đại quang sợi EDFA

Chương 2 ta đi vào tìm hiểu về các bộ khuếch đại quang sợi, đặc biệt là bộ

khuếch đại quang sợi EDFA sẽ được trình bày chi tiết.

Chương 3: Ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông

tin quang WDM.

Chương cuối là các ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA, khả

năng phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trên hệ thống thông tin

quang WDM.

CHƯƠNG 1

10

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG VÀ BỘ

KHUẾCH ĐẠI QUANG

1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang

Từ xa xưa loài người đã biết truyền tín hiệu, thông tin bằng khói, lửa, …

Qua quá trình phát triển các hình thức truyền thông tin ngày càng phát triển trở

nên phong phú và hiện đại hơn. Ngày nay, thông tin quang nổi lên như là một hệ

thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó được phát triển rất nhanh trên mạng lưới

viến thông ở nhiều quốc gia trên thế giới. Thông tin quang là kỹ thuật truyền tin

bằng ánh sang. Tại máy phát, thông tin dưới dạng tín hiệu điện được chuyển

thành tín hiệu ánh sang và phát vào đường truyền (sợi quang). Tại máy thu, tín

hiệu quang sẽ được biến đổi ngược lại thành tín hiệu điện. Về mặt nguyên tắc hệ

thống thông tin quang cũng tương tự như các hệ thống thông tin khác bao gồm

các thành phần cơ bản như trong hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin.

Các hệ thống thông tin khác nhau phân biệt chủ yếu dựa vào môi trường

truyền. Đối với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền chính là sợi quang.

Sự phát triển của hệ thống thông tin quang cũng gắn liền với sự ra đời của sợi

quang. Vào năm 1960 việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đã mở

ra một thời kì mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng

dải tần số ánh sáng. Đây có thể xem là xuất phát điểm của sự ra đời các hệ thống

thông tin quang.

Sau năm 1960 các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến

hành các hoạt động nghiên cứu và phát triển. Các công nghệ mới về giảm suy

hao truyền dẫn, tăng dải thông về laser bán dẫn được phát triển thành công.

11

Nguồn tín hiệu

Thiết bị phát

Môi trường

Thiết bị thu

Nơi t/h đến

Theo bảng 1 thì độ tốn thất của sợi quang đã được giảm đến 0.18 dB/km. Dựa

trện các công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn giờ đây đã có thể gửi một khối

lượng lớn các tín hiệu âm thanh, dữ liệu đến các địa điểm cách xa hàng 100km

bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần đến các bộ tái tạo.

Hiện nay, các hoạt động nghiên cứu nghiêm chỉnh đang được tiến hành trong

lĩnh vực được gọi là photon học - là một lĩnh vực tối quan trọng đối với tất cả

các hệ thống thông tin quang, có khả năng phát hiện, xử lý, trao đổi và truyền

dẫn thông tin bằng phương tiện ánh sáng. Photon học có khả năng sẽ được ứng

dụng rộng dãi trong lĩnh vực điện tử và viễn thông trong thế kỷ 21.

1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang

Hình 1.2: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thông tin quang.

Hệ thống truyền dẫn quang bao gồm các phần tử phát xạ ánh sáng (nguồn

sáng), các sợi quang (môi trường truyền dẫn) và các phần tử thu để nhận ánh

sáng truyền qua sợi quang (hình 1.2). Dưới đây là các thành phần chính và chức

năng của hệ thống thông tin quang sợi.

1.2.1 Bộ phát quang

12

Các phần tử chính được chọn để sử dụng là Điôt Laser (LD), Điôt phát

quang (LED) và Laser bán dẫn do chúng có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, hiệu

suất cao, bảo đảm độ tin cậy, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương

xứng với kích thước lõi sợi, khả năng điều chế tần số trực tiếp tại các tần số cao.

Bộ phát quang là thành phần quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang.

Nguồn phát quang thực chất là bộ biến đổi điện – quang. Đây là hệ thống thực

hiện chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang trước khi truyền đi trên sợi

dẫn quang, bằng cách đưa nguồn tín hiệu điện vào thực hiện bức xạ quang.

Trong thông tin quang cũng có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vào

phần tử bức xạ quang. Các hệ thống thông tin quang hiện nay phổ biến làm việc

theo nguyên lý điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng, một số nơi đã sử dụng hệ

thống có áp dụng kỹ thuật điều chế gián tiếp bằng điều biên, điều pha hoặc điều

tần nguồn phát quang.

1.2.2 Bộ thu quang

Các thành phần chính được chọn để sử dụng là điốt quang kiểu thác (APD)

và điôt quang PIN. Phần thu quang thực chất là tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang

đưa đến thực hiện biến đổi trở lại tín hiệu điện và người ta còn gọi phần tử này

là bộ biến đổi quang điện. Tín hiệu quang qua bộ biến đổi quang điện, tạo ra tín

hiệu điện trước khi đưa vào mạch điều khiển (bộ chuyển đổi tín hiệu) phục hồi

lại tín hiệu như đã phát ở trạm trước.

1.2.3 Cáp sợi quang

Các thành phần chính được chọn để sử dụng là sợi quang đa mode chỉ số

bước, sợi quang đa mode chỉ số lớp và sợi quang đơn mode. Cáp sợi quang gồm

các sợi dẫn quang là bằng thủy tinh dùng để truyền dẫn ánh sáng và các lớp vỏ

bao bọc xung quanh để bảo vệ sợi. Cáp sợi quang được dùng để nối hệ thống

truyền dẫn từ đầu phát đến đầu thu.

1.2.4 Các thành phần khác

13

Ngoài các thành phần chính ở trên, trong hệ thống thông tin quang sợi còn

có các thành phần phụ sau:

- Bộ chia quang: Dùng để chia các tín hiệu quang cho các thiết bị khác khi

cần thiết.

- Bộ nối quang: Dùng để đấu nối cáp sợi quang với các thành phần chính

trong hệ thống truyền dẫn.

- Trạm lặp: Được sử dụng để thu tín hiệu quang, khôi phục lại tín hiệu, khử

bỏ tạp âm tích lũy trên đường truyền rồi khuếch đại sau đó phát tín hiệu đi tiếp.

Mục đích làm tăng cự ly truyền dẫn.

- Khuếch đại quang: thực hiện khuếch đại trực tiếp ánh sáng hay tín hiệu

nhằm tăng cự ly truyền dẫn.

1.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang

1.3.1 Cấu tạo sợi quang

Hình 1.3 : Cấu tạo của sợi quang.

Trong đó: Core là lõi sợi quang.

Cladding là lớp vỏ sợi quang.

Buffer coating là vỏ bảo vệ (lớp phủ).

Sợi quang giống như một dây dẫn hình trụ trong suốt có tác dụng truyền

dẫn ánh sáng. Sợi quang có ba lớp, lớp trong cùng là lõi sợi hình trụ được làm

bằng vật liệu thủy tinh có chiết suất n1. Bao quanh lõi là lớp vỏ để phản xạ ánh

sáng. Lớp vỏ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 < n1. Lớp vỏ có thể là

thủy tinh hoặc vật liệu trong suốt. Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do

điều kiện bên ngoài, sợi quang còn được đặt thêm một lớp nữa đó là vỏ bảo vệ

14

sợi quang (lớp phủ). Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào

sợi, gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị lượn sóng, kéo dãn hoặc cọ sát

bề mặt. Lớp vỏ này được gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp.

1.3.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang

Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang là dựa vào hiện tượng phản

xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môi

trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn. Để tìm hiểu về

sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang ta đi tìm hiểu hai định luật cơ bản của

ánh sáng là định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng.

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị đổi hướng khi truyền qua mặt

phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau.

Phản xạ là hiện tượng tia sáng truyền đi bị phản xạ lại môi trường ban đầu

khi gặp bề mặt phản xạ.

Ta xét một ví dụ như sau: Một tia sáng truyền từ môi trường thứ nhất có

chiết suất n1 sang môi trường thứ hai có chiết suất n2 trong đó n1 > n2 (hình 1.4).

Hình 1.4: Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng.

Tia sáng tới mặt phân cách của hai môi trường một phần bị phản xạ, một

phần bị khúc xạ theo các góc và các tia như ở hình 1.4.

15

Theo định luật phản xạ ánh sáng: Góc phản xạ bằng góc tới: θ = β

Mặt khác tia khúc xạ tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng: n1.sinθ = n2.sinα

Do n1 > n2 nên θ < α. Nếu tăng góc tới θ thì góc khúc xạ tăng theo tới một giá trị

nào đó mà góc tới θ = θ0 thì góc khúc xạ α = 900. Khi đó tia khúc xạ song song

với mặt mặt phân cách hai môi trường. Lúc này θ0 là giá trị tới hạn của góc tới

(gọi là góc tới hạn). Lúc này không còn tia khúc xạ nữa. Hiện tượng này gọi là

hiện tượng phản xạ toàn phần.

Góc tới hạn hay (1.1)

Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:

- Ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn (có chiết suất lớn) sang

môi trường kém chiết quang (có chiết suất nhỏ hơn).

- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.

Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng để truyền dẫn ánh sáng trong

sợi quang, nhờ sự phản xạ ánh sáng liên tục trong sợi quang mà thông tin được

truyền đi từ đầu này tới đầu kia.

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần như trên, sợi quang được chế tạo

gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất n1 và một lớp vỏ bằng thủy tinh có chiết

suất n2, với n1 > n2. Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần

nhiều lần trên mặt tiếp giáp giữa lớp lõi và lớp vỏ (hình 1.5). Do đó ánh sáng có

thể truyền được trong sợi dọc theo cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một

độ cong có giới hạn.

Hình 1.5: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.

Góc tới hạn giữa lõi và vỏ sợi quang là θo, do vậy, góc tiếp nhận ánh sáng

tới hạn θio sẽ thỏa mãn điều kiện:

16

no.sin θio = n1.sin θro = n1.sin (900 – θo) = n1. cosθo

(1.2)

Do chiết suất không khí là nên (1.3).

NA được gọi là độ mở số của sợi quang, θio là góc tiếp nhận ánh sáng cực

đại, nó sẽ tạo thành một hình nón, trong đó các tia sáng đi vào tiết diện của sợi

quang với góc θi > θio nằm ngoài hình nó sẽ không truyền trong sợi quang mà đi

ra ngoài vỏ sợi quang. Như vậy, chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nón khi

truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi và lớp vỏ, khi đó

tia sáng đi theo đường dích dắc. Nếu gọi là độ lệch chiết suất tương đối giữa

lõi và lớp vỏ thì: .

Trên thực tế: do đó: (1.4)

1.4. Phân loại sợi quang

Có nhiều loại sợi quang, nó được phân loại theo nhiều cách khác nhau.

Dưới đây là 2 cách phân loại chính.

1.4.1 Phân loại theo phương pháp truyền sóng

Theo phương pháp truyền sóng thì sợi quang được chia thành hai loại chính

là sợi đơn mode SM (single mode) và sợi đa mode MM (multi mode).

Sợi đơn mode là sợi cho phép nhiều mode truyền trong nó.

Sợi đa mode là sợi cho phép nhiều mode truyền trong nó.

Các sợi đơn mode đều là những sợi có đường kính rất nhỏ vì điều kiện đơn

mode của sợi quang là sợi phải có đường kính nhỏ hơn một giá trị xác định

(tương ứng với bước sóng cắt), nếu bước sóng truyền vào nhỏ hơn đường kính

thì không còn là sợi đơn mode.

1.4.2 Phân loại theo chỉ số chiết suất

Theo sự biến đổi chỉ số chiết suất sợi quang phân thành hai loại:

17

- Sợi có chiết suất nhảy bậc SI (step index): là loại sợi có chiết suất biến đổi

từ lõi ra đến vỏ theo những bậc thẳng xác định.

- Sợi có chiết suất biến đổi đều GI (Grade index): Là sợi có chiết suất biến

đổi giảm dần từ vỏ vào lõi.

1.5. Các thông số của sợi quang

Hai thông số quan trọng của môi trường truyền dẫn là suy hao và tán sắc.

1.5.1 Suy hao

a. Định nghĩa: Công suất quang truyền tải trong sợi cũng giảm dần theo cự

ly với qui luật hàm số mũ tương ứng như tín hiệu điện. Biểu thức của hàm số

truyền công suất có dạng:

(1.5)

Trong đó: P(0) là công suất ở đầu sợi (z = 0)

P(z) là công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi

α là hệ số suy hao

Hệ số suy hao của sợi được tính theo công thức:

Trong đó: P1= P(0): công suất đưa vào sợi.

P2= P(1) là công suất ở cuối sợi.

Hệ số suy hao trung bình

Trong đó: A là suy hao sợi

L là chiều dài sợi

b. Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang

18

Công suất ánh sáng truyền trên sợi quang bị suy hao do sự hấp thụ của vật

liệu chế tạo sợi quang, sự tán xạ ánh sáng khi gặp các bất đồng nhất và sự khúc

xạ ánh sáng ra lớp vỏ tại chỗ sợi bị uốn cong quá mức.

Suy hao do hấp thụ: sự hấp thụ của các tạp chất kim loại

Các tạp chất kim loại trong thủy tinh là một trong những nguông hấp thụ

năng lượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp là sắt, đồng, mangan, choromiun,

cobra, niken.

Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước

sóng ánh sáng truyền qua nó. Với tạp chất một phần triệu thì độ hấp thụ của vài

tạp chất như hình dưới.

Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có thủy tinh

thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9).

Hình 1.6: Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại.

Sự hấp thụ của ion OH: Các liên kết giữa SiO2 và các ion OH của nước còn

sót lại trong vật liệu khi chế tạo sợi quang cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ

đáng kể. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm và

1400nm (hình 1.7). Như vậy, độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân suy

hao sợi quang.

19

Hình 1.7: Sự suy hao hấp thụ của ion OH (với nồng độ 10-6).

Sự hấp thụ bằng tia cực tím và hồng ngoại:

Ngay cả khi sợi quang được chế tạp từ thủy tinh có độ tinh khiết cao, sự

hấp thụ vẫn xảy ra. Bản than thủy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng

cực tím và hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng như hình 1.8.

Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng

các bước sóng dài trong thông tin quang.

Hình 1.8: Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại.

Suy hao do tán xạ gồm:

+ Tán xạ Rayleigh: Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp

những chỗ bất đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xêp các phần tử thủy tinh,

các khuyết tật như bọt khí, các vết nứt sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ. Khi kích

thước của vùng bất đồng nhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì chúng

20

trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Tia sáng khi gặp những chỗ bất đồng

nhất này sẽ bị tán xạ ra nhiều hướng, trong đó chỉ một phần năng lượng ánh

sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ phần còn lại truyền theo các hướng khác

thậm chí truyền ngược lại nguồn quang. Độ tiêu hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ

nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng ( ) nên giảm nhanh về phía bước

sóng dài như hình 1.9.

Hình 1.9: Suy hao do tán xạ Rayleigh.

Ở bước sóng 850nm, suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silica khoảng

1dB/km-2dB/km, ở bước sóng 1600nm suy hao chỉ khoảng 0.3dB/km và ở bước

sóng 1550nm suy hao này còn thấp nữa.

+ Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo:

Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp vỏ, tia

sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ

khác nhau. Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp vỏ

và suy hao dần.

+ Suy hao bị uốn cong:

- Vi uốn cong: khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ

thì suy hao của sợi cũng tăng lên. Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lếch trục

khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó. Một cách chính xác hơn, sự phân bố

trường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng

21

lượng ra khỏi sợi. Đặc biệt là sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong

nhất là về phía bước sóng dài.

- Uốn cong: khi sợi bị uốn cong, góc tới của tia sáng tại chỗ bị uốn cong

sẽ nhỏ hơn góc tới hạn nên một phần tia sáng bị khúc xạ ra ngoài lớp vỏ và bị

suy hao. Bán kính uốn cong càng nhỏ đi thì suy hao càng tăng (hình 1.10).

Hình 1.10: Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính cong R.

c. Phổ suy hao của sợi quang

Vì các suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng làm việc, nên suy

hao tổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng gọi là phổ suy hao của

sợi quang. Hình 1.11 mô tả phổ suy hao của sợi trong các giai đoạn thời gian

khác nhau.

Hình 1.11: Phổ suy hao của sợi quang trong các giai đoạn thời gian khác nhau.

22

Từ phổ suy hao trên ta thấy sợi quang có ba vùng bước sóng có suy hao

thấp cho phép truyền ánh sáng gọi là ba cửa sổ truyền dẫn của sợi.

+ Cửa sổ quang 1: có bước sóng .

+ Cửa số quang 2: có bước sóng

+ Cửa sổ quang 3: có bước sóng

1.5.2 Tán sắc

Tương tự như tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng bị

biến dạng. Hiện tượng này được gọi là tán sắc. Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu

analog và làm các xung lân cận bị chồng lần trong tín hiệu digital. Sự tán sắc

làm hạn chế cự ly và tốc độ bit của đường truyền dẫn quang.

Hình 1.12: Dạng xung vào và ra.

a. Định nghĩa độ tán sắc: Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu D,

đơn vị (s) được xác định bởi công thức:

Trong đó: τi , τ0 là độ rộng của xung vào và xung ra, đơn vị là (s)

Độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị ns/km hoặc ps/km sợi ứng

với mỗi nm của bề rộng phổ của nguồn quang lúc đó đơn vị được tính là

ps/nm.km.

b. Các nguyên nhân gây ra tán sắc: sợi quang đa mode có đầy đủ các

thành phần tán sắc như sau:

23

- Tán sắc mode (mode dispersion): do năng lượng của ánh sáng phân tán

thành nhiều mode, mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời

gian truyền khác nhau.

- Tán sắc thể (chromatic dispersion) bao gồm: tán sắc chất liệu (material

dispersion) và tán sắc ống dẫn sóng(waveguide dispersion).

Tán sắc thể: nguyên nhân do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là

đơn sắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định. Mỗi bước sóng lại có vận tốc

truyền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau.

Tán sắc mode là do ảnh hưởng của việc truyền theo nhiều đường. Hiện

tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode.

Hình 1.13: Hệ số tán sắc mode (dmod) thay đổi theo chiết suất.

Sự phụ thuộc của hệ số tán sắc mode là dmod vào số mũ trong hàm chiết

suất n được biểu diễn trên hình 1.13. Qua đó ta thấy dmod đạt cực tiểu khi n xấp

xỉ 2 và dmod tăng khá nhanh khi n có giá trị khác 2 về hai phía.

1.6. Ưu nhược điểm của sợi quang

24

1.6.1 Ưu điểm

Trong thông tin quang sợi quang, các ưu điểm sau của sợi quang được sử

dụng một cách hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thấp và băng thông lớn. Thêm

vào đó, chúng có thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng

(nhỏ), không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh

hưởng của nhiễm cảm ứng sóng điện từ. Trong thực tế sợi quang là phương tiện

truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất đang có hiện nay.

Trước hết, vì có băng thông lơn nên nó có thể truyền một khối lượng thông

tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp thông qua một

hệ thống có cự ly đến 100 Ghz-km. Tương ứng bằng cách sử dụng sợi quang,

một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể được truyền đến

những địa điểm cách xa hàng 100 km mà không cần đến các bộ tái tạo.

Thứ hai, sợi quang nhỏ nhẹ và không có xuyên âm. Do vậy, chũng có thể

được lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thủy, máy bay và các tòa nhà cao tầng

không cần phải lắp thêm các đường ống và cống cáp.

Thứ ba, vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phí dẫn nên chúng

không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và của xung điện từ. Vì

vậy, chúng có thể sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn. Điều đó có

nghĩa là nó có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi

trường phản ứng hạt nhân.

Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát và chất dẻo – là

những thứ rẻ hơn đồng nhiều nên nó kinh tế hơn cáp đồng trục nhiều. Giá thành

của sợi quang sẽ giảm nhanh một khi công nghệ mới được đưa ra. Ngoài ra, như

đã đề cập ở trên, do đặc trưng là có độ tổn thất thấp giá thành lắp đặt ban đầu

cũng như giá thành bảo dưỡng và sửa chữa thấp bởi vì chúng cần ít các bộ tái

tạo hơn.

Ngoài những ưu điểm đã nêu trên, sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao,

tuổi thọ dài và có khả năng đề kháng môi trường lớn. Nó cũng dễ bảo dưỡng,

sửa chữa và có độ tin cậy cao. Hơn nữa, nó không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài

25

khi cần và có thể chế tạo với giá thành thấp. Trong bảng 1.2 chúng ta tổng hợp

các ưu điểm trên. Nhờ những ưu điểm này, sợi quang được sử dụng cho các

mạng lưới điện thoại, số liệu/ máy tính, và phát thanh truyền hình (dịch vụ băng

rộng) và sẽ được sử dụng cho ISDN, điện lực, các ứng dụng y tế và quân sự,

cũng như các thiết bị đo.

1.6.2 Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội như trên thì hệ thống thông tin quang

còn có những nhược điểm sau:

- Hiệu suất ghép nguồn quang vào sợi thấp.

- Không thể truyền mã lưỡng cực.

- Hàn nối sợi quang khó khăn, yêu cầu kỹ thuật cao.

- Nếu có khí ẩm, nước lọt vào trong cáp thì sợi quang chóng bị lão hóa, suy

hao tăng lên, mối hàn quang nhanh bị hỏng.

Những nhược điểm này phần lớn mang tính khách quan và có thể giải

quyết được bằng khoa học công nghệ. Tuy nhiên với những ưu điểm vượt trội

thì hệ thống thông tin quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và phát triển

nhanh vì những lợi ích thiết thực trong cuộc sống con người.

CHƯƠNG 2

KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA

2.1. Vai trò của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang

Như ta đã biết trên các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự li truyền

dẫn dài dẫn đến suy hao lớn. Khi suy hao truyền dẫn vượt quá giới hạn cho phép

thì phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền. Nguyên tắc

hoạt động của các trạm lặp là thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các quá

trình biến đổi quang - điện, điện - quang. Điều này có nghĩa là khi tín hiệu

quang rất yếu không thể truyền đi xa được nữa thì các trạm lặp sẽ thu lại và biến

đổi thành tín hiệu điện sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian, tái tạo

lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi trở lại dạng tín hiệu quang để tiếp tục

26

truyền đi. Các trạm lặp này đã được ứng dụng rất rộng rãi và được lắp đặt ở

nhiều nơi trên thế giới.

Gần đây với sự phát triển của khoa học trong công nghệ thông tin quang,

người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng mà

không cần phải qua quá trình biến đổi quang điện nào. Điều này có được là nhờ

kỹ thuật khuếch đại quang. Các bộ khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được

những hạn chế cơ bản của các trạm lặp như: băng tần, cấu trúc phức tạp, tính

phụ thuộc vào dòng tín hiệu, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện… Nhờ việc

áp dụng các bộ khuếch đại quang vào trong hệ thống thông tin quang đang mở

ra nhiều ý tưởng lớn cho quá trình phát triển hệ thống thông tin dùng khuếch đại

quang từ đó tiến tới các mạng quang hóa hoàn toàn, cho phép mở rộng các dịch

vụ đa truy nhập với tốc độ cao.

2.2 Tổng quan về khuếch đại quang

2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang

Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện

dựa trên hiện tượng bức xạ kích thích của Eistein.

a. Hấp thụ b. Phát xạ tự phát c. Phát xạ kích thích

Hình 2.1:. Các loại dịch chuyển giữa các mức năng lượng.

Theo Eistein, khi nguyên tử của một môi trường vật chất tích cực ở trạng

thái cân bằng nhiệt động học với môi trường xung quanh thì các điện tử hóa trị

của nó nằm ở mức năng lượng thấp E1, lúc này có thể xảy ra ba loại dịch chuyển

giữa mức năng lượng thấp E1 (mức cơ bản) và mức năng lượng cao E2 (mức

kích thích) như mô tả trên hình 2.1.

- Dịch chuyển hấp thụ (Absorption), hình 2.1.a xảy ra khi điện tử chuyển từ

mức cơ bản E1 lên mức năng lượng cao hơn E2 khi nguyên tử hấp thụ một

27

photon có năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng ( 12 EEh ). Số lượng

dịch chuyển hấp thụ phụ thuộc vào số điện tử ở mức năng lượng E1 và số photon

có năng lượng h .

- Dịch chuyển bức xạ tự phát (Sponateous Emission), hình 2.1.b, xảy ra khi

một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức

năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượng 12 EEh dưới dạng một

photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng

lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử. Sau một

khoảng thời gian được gọi là thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao,

các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái

năng lượng bền vững ). Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống của điện

tử sẽ khác nhau.

Cho dù hiện tượng bức xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng nhưng trong

khuếch đại quang, bức xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại. Nguyên nhân

là do hiện tượng này xảy ra một cách tự phát không phụ thuộc vào tín hiệu ánh

sáng đưa vào bộ khuếch đại. Nếu không có ánh sáng tín hiệu đưa vào, vẫn có

năng lượng ánh sáng được tạo ra ở đầu ra của bộ khuếch đại. Ngoài ra, ánh sáng

do bức xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp. Do vậy, bức xạ tự phát được xem

là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang. Loại nhiễu này

được gọi là nhiễu bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Sponateous

Emission noise).

- Dịch chuyển bức xạ kích thích, hình 2.1.c, xảy ra khi một điện tử đang ở

trạng thái năng lượng cao E2 (trạng thái kích thích) bị kích thích bởi một photon

có năng lượng h bằng độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng

cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử ( 12 EEh ). Khi đó, điện tử sẽ

chuyển từ trạng thái năng lượng cao E2 xuống trạng thái năng lượng thấp E1 và

bức xạ ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích

ban đầu. Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng bức xạ kích

thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng

28

phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp của ánh

sáng). Sau đó các photon này lại kích thích gây ra sự dịch chuyển kích thích đối

với các điện tử khác đang ở trạng thái kích thích, kết quả là tạo ra một chùm

photon có tính kết hợp. Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại của ánh sáng

được thực hiện. Hiện tượng bức xạ kích thích được ứng dụng trong các bộ

khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (OFA).

Hiện tượng bức xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser.

Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trong

các bộ khuếch đại quang không xảy ra hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng. Vì

nếu xảy ra quá trình hồi tiếp và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại

quang sẽ tạo ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không có tín hiệu

quang ở đầu vào. Nguồn ánh sáng này được xem là nhiễu xảy ra trong các bộ

khuếch đại. Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh

sáng được đưa vào đầu vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết

hợp của riêng nó ở đầu ra.

2.2.2 Phân loại các bộ khuếch đại quang

Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn như

hình 2.2.

Hình 2.2: Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang.

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn

ra trong một môi trường được gọi là vùng tích cực (Active medium). Các tín

29

hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tuỳ

thuộc vào năng lượng được cung cấp từ một nguồn bơm bên ngoài gọi chung là

nguồn bơm (Pump Source). Các nguồn bơm này có tính chất như thế nào tuỳ

thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác phụ thuộc vào cấu tạo của

vùng tích cực. Tuỳ theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang

làm hai loại chính như sau:

Khuếch đại quang bán dẫn SOA ( Optical Semiconductor Amplifier)

- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn.

- Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laser

bán dẫn. Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở

trạng thái dưới mức ngưỡng phát xạ.

- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện.

Khuếch đại quang sợi OFA ( Optical Fiber Amplifier )

- Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm. Do đó, OFA còn được gọi

là DFA ( Doped-Fiber Amplifier )

- Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước

sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại.

- Tuỳ theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm

của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi.

Một số OFA tiêu biểu:

EDFA( Erbium-Doped Fiber Amplifier ):1530nm - 1565nm

PDFA( Praseodymium-Doped Fiber Amplifier ): 1280nm - 1340nm

TDFA ( Thulium-Doped Fiber Amplifier ): 1440nm - 1520nm

NDFA( Neodymium-Doped Fiber Amplifier ): 900nm, 1065nm hoặc 100nm

Trong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến nhất hiện nay vì có

nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại

(1530nm - 1565nm ) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh

theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).

30

2.2.3 Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang

a) Hệ số khuếch đại (Gain)

Hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất

quang ở đầu ra chia cho công suất quang ở đầu vào.

G = in

out

P

P (2.1)

G (dB ) = 10 log[in

out

P

P] (2.2)

Trong đó: G là hệ số khuếch đại tín hiệu của bộ khuếch đại quang.

Pin, Pout tương ứng là công suất tín hiệu ánh sáng ở đầu vào và đầu ra

của bộ khuếch đại quang (mW).

b) Dải thông khuếch đại (Gain Bandwidth)

Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang không bằng nhau cho tất cả các

tần số của tín hiệu quang vào. Đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) thể

hiện sự phụ thuộc hệ số khuếch đại G của các tín hiệu quang vào tần số.

Dải thông khuếch đại của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi điểm -

3 dB so với hệ số khuếch đại đỉnh của bộ khuếch đại. Giá trị B0 xác định dải

thông của các tín hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại quang. Do đó,

ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúng

như các bộ lặp hay bộ tiền khuếch đại.

c) Công suất ra bão hoà (Saturation Output Power)

Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở đầu ra sẽ tăng

tuyến tính với công suất quang ở đầu vào theo hệ số khuếch đại: Pout = G.Pin. Tuy

nhiên, công suất ở đầu ra không thể tăng mãi được. Bằng thực nghiệm, người ta

thấy rằng trong tất cả các bộ khuếch đại quang, khi công suất đầu vào P in tăng

đến một mức nào đó, hệ số khuếch đại G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở

đầu ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ở đầu vào nữa mà đạt trạng thái

31

bão hòa. Công suất ở đầu ra tại điểm ở hệ số khuếch đại giảm đi 3dB được gọi là

công suất ra bão hòa Psat,out.

Công suất ra bão hoà Psat,out của một bộ khuếch đại quang cho biết công

suất đầu ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó có thể hoạt động được. Thông

thường, một bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão

hòa cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải công

suất vào và ra rộng.

d) Hệ số tạp âm (Noise Figure)

Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra tạp

âm. Nguồn tạp âm chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát. Vì

sự phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ tự phát

cũng ngẫu nhiên. Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền

của các photon tín hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự

dao động về pha và biên độ. Bên cạnh đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra

cũng sẽ được khuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía đầu ra. Do

đó, tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được Pout bao gồm cả công

suất tín hiệu được khuếch đại và công suất tạp âm phát xạ tự phát được khuếch

đại ASE (Amplified Spontaneous Emission ).

Pout = G.Pin + PASE (2.3)

Ảnh hưởng của tạp âm đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ

số tạp âm NF (Noise Figure ), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR

(Signal to Noise Ratio) do tạp âm của bộ khuếch đại thêm vào. Hệ số NF được

cho bởi công thức sau:

NF = out

in

SNR

SNR (2.4)

Trong đó, SNRin, SNRout là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu vào và đầu ra

của bộ khuếch đại.

32

Hệ số tạp âm NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Giá trị nhỏ nhất

của NF có thể đạt được là 3dB. Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số tạp âm tối

thiểu này được gọi là đang hoạt động ở giới hạn lượng tử.

Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đại

quang còn được đánh giá dựa trên các thông số sau:

- Độ nhạy phân cực: là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại của bộ khuếch

đại vào phân cực của tín hiệu.

- Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với hệ số khuếch đại và dải thông độ lợi.

- Xuyên nhiễu.

2.2.4. Khuếch đại quang dùng laser bán dẫn

a. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang bán dẫn SOA

(Semiconductor Optical Amplifier) tương tự như laser bán dẫn. Nghĩa là cũng

dựa vào hệ thống hai dải năng lượng của chất bán dẫn và các quá trình hấp thụ,

bức xạ tự phát và bức xạ kích thích. Trong đó, tín hiệu quang được khuếch đại

dựa trên hiện tượng bức xạ kích thích xảy ra trong vùng tích cực của SOA. Vùng

tích cực có độ rộng W, độ dày d, chiều dài L, và chỉ số chiết suất N, được đặt

giữa hai lớp bán dẫn loại n và p (hình 2.3). Các bề mặt chống phản xạ được ứng

dụng vào laser để giảm tính phản xạ của nó. Điều này làm tăng băng tần khuếch

đại và tạo ra các đặc tính truyền dẫn ít phụ thuộc vào sự thay đổi của dòng điện

thiên áp, nhiệt độ, và tính phân cực của ánh sáng. Nguồn bơm bên ngoài được

cung cấp bởi dòng điện phân cực.

33

Hình 2.3 Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA.

Sự khác nhau chính giữa SOA và laser bán dẫn là SOA hoạt động dưới

mức ngưỡng dao động. Điều kiện này xảy ra khi dòng điện phân cực Ibias < dòng

điện ngưỡng Ith của laser và hệ số phản xạ của hai mặt phản xạ của vùng tích cực

nhỏ. Khi đó, quá trình phản xạ, cộng hưởng và tự phát xạ ánh sáng sẽ không xảy

ra.

SOA có thể được phân thành hai loại chính dựa vào hệ số phản xạ của hai

mặt phản xạ của lớp tích cực. Loại thứ nhất, Fabry-Perot FPA (Fabry-Perot

Amplifier) có hệ số phản xạ cao (có thể lên tới 32 %). Cấu trúc của FPA cũng

tương tự như laser Fabry-Perot nhưng hoạt động với dòng phân cực Ibias < Ith.

với cấu trúc hốc cộng hưởng có hệ số phản xạ cao, quá trình hồi tiếp, chọn lọc

tần số xảy ra. Kết quả là, FPA có hệ số khuếch đại cao nhưng phổ khuếch đại

nhấp nhô, không đều. Điều này, làm giảm dải thông khuếch đại của FPA. để

khắc phục hạn chế trên của FPA, hai lớp chống phản xạ AR (anti-reflection) có

hệ số phản xạ R = 0, được đặt tại hai đầu của vùng tích cực để không cho quá

trình phản xạ xảy ra bên trong bộ khuếch đại. Khi đó, tín hiệu vào SOA sẽ được

khuếch đại khi chỉ đi qua một lần (được gọi là single pass) xuyên qua vùng tích

cực của bộ khuếch đại mà không có hồi tiếp về. Đây chính là cấu trúc của loại

SOA thứ hai: khuếch đại sóng chạy TWA (Traveling Wave Amplifier). Trên

thực tế, hệ số phản xạ ở hai đầu của vùng tích cực của TWA không hoàn toàn

bằng 0 mà có giá trị rất nhỏ từ 0.1% đến 0.01%.

34

b. Ưu, nhược điểm và ứng dụng của SOA

+ Ưu điểm:

- Hệ số khuếch đại cao: G = (25 30)dB.

- Kích thước nhỏ, có thể tích hợp với các linh kiện quang bán dẫn khác.

- Dải thông lớn, có thể lên tới 100 nm, rộng hơn so với EDFA.

- Có thể thực hiện khuếch đại tín hiệu ở cả hai cửa sổ ánh sáng 1300 nm và

1550 nm.

+ Nhược điểm:

- Công suất ra bão hoà thấp (khoảng 5mW) hạn chế khả năng của SOA khi

được sử dụng làm bộ khuếch đại công suất.

- Hệ số tạp âm cao (5 7)dB ảnh hưởng đến chất lượng của SOA khi được

sử dụng làm bộ tiền khuếch đại và khuếch đại đường dây.

- Phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu quang tới.

- Nhiễu xuyên kênh lớn do các hiệu ứng phi tuyến hiệu ứng trộn bốn bước

sóng FWM ( Four wave mixing) và hiệu ứng bão hoà khuếch đại chéo.

- Phổ khuếch đại có dạng gợn sóng do sự không hoàn hảo của lớp chống

phản xạ tạo nên.

- Kém ổn định do hệ số khuếch đại chịu ảnh hưởng của nhiệt độ.

+ Ứng dụng:

Với các đặc tính kỹ thuật trên, SOA có nhiều nhược điểm so với EDFA khi

được dùng làm khuếch đại quang. Do đó, cho dù SOA được nghiên cứu và chế

tạo từ trước EDFA, nhưng SOA không được sử dụng làm bộ khuếch đại quang

trong hệ thống WDM cũng như các hệ thống truyền dẫn quang khác hiện nay.

Thay vào đó, dựa trên các hiệu ứng phi tuyến đáp ứng nhanh của SOA, SOA

được dùng trong các ứng dụng khác của hệ thống thông tin quang như bộ biến

đổi bước sóng (wavelength convertor), phục hồi xung clock (clock recovery) và

các ứng dụng xử lý tín hiệu quang (optical signal processing applications).

Khuếch đại TWA có thể dùng làm bộ tiền khuếch đại (đặt ở phía trước

photodiode) để cải thiện độ nhạy máy thu.

35

Coupler

2.2.5. Các bộ khuếch đại quang sợi

Các bộ khuếch đại quang sợi được nghiên cứu rất sớm từ những năm 60

nhưng do hạn chế về công nghệ nên không được phát triển trong những năm

trước đây. Ngày nay các bộ khuếch đại quang sợi được phát triển rất mạnh mẽ

và được ứng dụng rất rộng rãi.

Các kiểu khuếch đại quang sợi khác nhau có đặc tuyến làm việc khác nhau.

Trong các bộ khuếch đại này dải thông khuếch đại và bước sóng trung tâm được

xác định bởi cấu trúc nguyên tử của sợi quang và các chất kích tạp chứ không

phải hình dạng cơ khí. Do đó ảnh hưởng của sự thay đổi của nhiệt độ, sự làm già

và công suất bơm trong bộ khuếch đại quang sợi là không đáng kể so với trong

SLA. Một bộ khuếch đại quang sợi tổng quát được mô tả như hình 2.4.

Hình 2.4: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát.

Môi trường khuếch đại bao gồm một sợi đơn mode được nối với một bộ

ghép lưỡng sắc. Bộ ghép có suy hao nhỏ ở cả bước sóng tín hiệu và bước sóng

bơm. Sự kích thích sảy ra qua việc bơm ánh sáng bơm vào môi trường khuếch

đại có tín hiệu ánh sáng cần khuếch đại truyền qua, ánh sáng được khuếch đại

phát ra từ đầu kia của môi trường khuếch đại.

Các bộ khuếch đại quang sợi gồm có khuếch đại Raman, khuếch đại

Brillouin và khuếch đại quang sợi trộn đất hiếm được ứng dụng rất rộng rãi

trong các hệ thống thông tin quang như các bộ khuếch đại công suất ở máy phát

bộ khuếch đại lặp trong tuyến và bộ tiền khuếch đại ở máy thu.

a. Khuếch đại Raman

36

Bộ khuếch đại Raman sử dụng tán xạ kích thích Raman SRS (stimulated

Raman scattering) xảy ra trong các sợi silica khi một chùm ánh sáng bơm có

cường độ lớn truyền qua nó. SRS khác phát xạ kích thích ở một khía cạnh cơ

bản, trong trường hợp phát xạ kích thích, photon tới kích thích phát xạ một

photon giống nó mà không làm mất năng lượng của mình. Trong hiện tượng

SRS, một phần năng lượng của photon bơm sẽ làm cho phân tử bị kích thích (tạo

ra các photon quang) và một phần tạo nên các photon thứ cấp có năng lượng

thấp hơn và tần số cũng thấp hơn. Do đó khuếch đại quang Raman phải được

bơm ánh sáng để có sự khuếch đại, ngược lại với SOA được bơm bằng năng

lượng điện. SRS là một hiện tượng phi tuyến không cộng hưởng, nó không yêu

cầu sự chuyển đổi mật độ tích lũy giữa các mức năng lượng.

Hình 2.5: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS.

Chùm ánh sáng bơm và chùm tín hiệu có tần bước sóng và được đưa

vào sợi thông qua một bộ ghép chọn lọc theo bước sóng. Năng lượng được

chuyển từ chùm ánh sáng bơm sang chùm tín hiệu thông qua hiện tượng SRS

khi hai chùm cùng truyền lan dọc theo sợi. Các chùm ánh sáng bơm và chùm tín

hiệu cũng có thể được đưa vào theo cách truyền lan ngược chiều nhau trong sợi.

37

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman (ánh sáng bơm có thể

truyền lan cùng chiều hoặc ngược chiều với tín hiệu).

Hệ số khuếch đại Raman phụ thuộc vào các yếu tố như chiều dài sợi, tổn

hao của sợi quang và đường kính lõi sợi theo công thức:

(2.5)

Trong đó: là độ tăng ích công suất Raman,

Aeff , Leff là diện tích lõi sợi hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng của sợi,

k: hệ số đặc trưng cho sự xáo trộn phân cực ánh sáng bơm và tín hiệu,

là công suất của ánh sáng bơm.

Diện tích lõi sợi hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng được cho bởi:

Trong đó: reff là bán kính lõi sợi hiệu dụng,

αp là tổn hao truyền dẫn trong sợi ở bước sóng bơm,

Leff là chiều dài thực của sợi,

Hệ số khuếch đại Raman tăng khi sợi có tổn hao nhỏ và đường kính lõi sợi

được giảm đi. Bởi vậy công suất ánh sáng bơm yêu cầu cho bộ khuếch đại

Raman phải lớn, đây là nhược điểm của bộ khuếch đại này.

38

Nhưng dải thông khuếch đại của bộ khuếch đại này trong khoảng 20nm tới

30nm nên bộ khuếch đại Raman rất hấp dẫn cho các ứng dụng trong hệ thống

ghép kênh theo bước sóng WDM.

b. Bộ khuếch đại Brillouin

Bộ khuếch đại Brillouin sử dụng hiện tượng tán xạ kích thích Brillouin

SBS (Stimulated Brillouin Scattering). Trong bộ khuếch đại này, một phần lớn

công suất bơm quang được chuyển thành công suất tín hiệu qua hiện tượng SBS.

Mỗi photon bơm trong quá trình tán xạ Brillouin sẽ tạo nên một photon thứ cấp

ở tần số thấp hơn và một photon âm thanh. Điều đó tạo ra sự dịch tần số ánh

sáng và nó biến thiên theo góc tán xạ. Hiện tượng SBS chỉ xảy ra khi ánh sáng

bơm ngược hướng với tín hiệu.

SBS là một phương thức khuếch đại phi tuyến rất hiệu quả, nó có thể có hệ

số khuếch đại cao với một công suất bơm nhỏ cỡ 1mW. Ngoài ra nó còn có đặc

điểm là tần số của ánh sáng bơm rất gần với tần số tín hiệu.

Hình 2.7: Sơ đồ phác hoạ hiện tượng SBS.

Sự dịch tần số , tương ứng với tần số âm thanh phải thoả mãn hệ

thức tán sắc:

(2.6)

Trong đó: là vectơ sóng âm thanh

39

, : tương ứng là các vectơ của chùm sáng bơm và tín hiệu

: Là góc giữa tia sáng bơm và tia sáng tín hiệu

: Là vận tốc âm thanh trong sợi

Trong công thức trên, thường coi và thường được áp dụng trong

thực tế. = 0 khi = 0, tức là khi ánh sáng bơm và tín hiệu truyền lan cùng

chiều. đạt max khi = 1800 (ánh sáng bơm và tín hiệu truyền lan ngược

chiều nhau). Do đó SBS chỉ xảy ra khi cho ánh sáng bơm bơm lan truyền ngược

với tín hiệu, khi đó sự dịch tần là: . Độ dịch tần Brillouin cho bởi

→ với .

Trong đó: là chiết suất hiệu dụng của sợi

là bước sóng ánh sáng bơm

Với sợi Silica thông thường thì = 5.96Km/s, =1.45 khi đó

ở bước sóng bơm =1.55. Trong phòng thí nghiệm bằng cách bơm một sóng

laser liên tục với công suất trong phạm vi 5 đến 10mW thì có thể nhận được độ

lợi lớn hơn 18dB. Tuy nhiên, yêu cầu một sự lệnh tần 11GHz phải được duy trì

giữa ánh sáng bơm và tín hiệu để đảm bảo hiện tượng SBS không bị giảm sút.

Do đó bộ khuếch đại Brillouin có phạm vi ứng dụng rất hạn chế.

Mặt khác dải thông của bộ khuếch đại rất hẹp chỉ cỡ 50MHz với sợi Silica

tinh khiết và cỡ 100÷200MHz với sợi trộn Germanium trong lõi sợi. Do đó

không được ứng dụng làm các bộ khuếch đại dải rộng ứng dụng trong các hệ

thống thông tin quang nhiều kênh cũng như khuếch đại các xung hẹp.

Nhưng dải thông hẹp của bộ khuếch đại brillouin có thể có ích trong việc

hình thành các bộ lọc điều hưởng trong các hệ thống thông tin quang ghép kênh

theo bước sóng WDM. Nó có thể dùng làm bộ chọn kênh bằng cho phép khuếch

đại từng kênh riêng biệt mà không khuếch đại các kênh riêng biệt.

c. Bộ khuếch đại quang trộn đất hiếm EDFA

40

Các bộ khuếch đại quang trộn đất hiếm là các bộ khuếch đại quang sợi mới,

trong đó sử dụng các ion đất hiếm làm môi trường khuếch đại. Các ion đất hiếm

được trộn vào lõi sợi trong quá trình sản xuất với tỉ lệ nhất định và được bơm

ánh sáng để thực hiện khuếch đại ánh sáng. Các bộ khuếch đại quang sợi trộn

đất hiếm đã được nghiên cứu từ rất sớm(1964) nhưng chúng chỉ thực sự được

quan tâm từ những năm 1988 khi công nghệ sản xuất và đặc tuyến hóa sợi quang

trộn đất hiếm có tổn hao nhỏ trở nên hoàn hảo. Các đặc tuyến của bộ khuếch đại

như bước sóng và dải thông được quyết định bởi các chất kích tạp trong sợi

silica. Có nhiều loại tạp chất có thể dùng để trộn vào trong sợi như Erbium,

holomium, neodymium, samarium… với sợi silica tiêu chuẩn thì ở cửa sổ thứ

hai 1310nm tán sắc gần như bằng 0 tuy nhiên tổn hao lại lớn. Còn ở bước sóng

1550nm thì tổn hao sợi là nhỏ nhất nhưng tán sắc lại không bằng 0. Ban đầu sợi

quang tiêu chuẩn này được dùng chủ yếu ở vùng cửa sổ thứ hai. Để đạt được suy

hao và tán sắc nhỏ nhất người ta sản xuất sợi dịch chuyển điểm tán sắc bằng

không lên vùng cửa sổ 1550nm, sợi này được gọi là sợi dịch chuyển tán sắc DSF

(Dispersion shifted Fiber). Mặc dù vậy lại nảy sinh vấn đề khi dịch chuyển điểm

tán sắc bằng 0 lên vùng cửa sổ này thì tính phi tuyến của sợi quang lại tăng khi

truyền tín hiệu với công suất cao vào sợi nhất là trong các hệ thống WDM. Vì

vậy để thỏa mãn cả ba yêu cầu về suy hao, tán sắc và tính phi tuyến của sợi,

người ta sản xuất sợi quang giữ tán sắc ở vùng bước sóng 1550 nm rất nhỏ

nhưng không bằng 0, gọi là sợi không dịch chuyển tán sắc về 0 ZNDSF (Zero

Non Dispersion Shifted Fiber).

Các bộ khuếch đại quang sợi trộn đất hiếm Erbium EDFA là bộ khuếch đại

gây được sự quan tâm nhiều nhất trong thời gian gần đây vì nó làm việc ở vùng

bước sóng 1550nm. EDFA được ra đời từ những năm 1987 và thực sự được phát

triển mạnh từ năm 1990. Nguyên lí làm việc và các tham số cơ bản của bộ

khuếch đại này sẽ được nghiên cứu ở phần sau. Bảng 2.1 thể hiện kết quả so

sánh các đặc tính cơ bản của các bộ khuếch đại quang được nghiên cứu.

41

TT LOẠIKHUYẾCH ĐẠI

ĐẶC ĐIỂM

CÁC THAM SỐ CƠ BẢN

Hệ số Hệ số Giải Nguồn KĐ tạp âm thông bơm (dB) (dB) KĐ

ỨNG DỤNG

1

Khuếch Đại Fabry perot (FPA)

Là khuếch đại bán dẫn cộng hưởng dựa vào sự phản xạ của các bề mặt bán dẫn.

25 30 6 9 1 3 Ghz

Bơm năng lượng điện với dòng bơm 10mA

Nắn dạng xung,sử dụng cho các phần tử có hai trạng thái ốn định

2 Khuếch Đại Sóng Chạy (TWA)

Là bộ khuếch đại bán dẫn nhưng hệ số phản xạ bề mặt bán dẫn gần bằng 0

20 30 5 2 > 5Thz

Bơm năng lượng điện với dòng bơm 100mA

Khuếch đại đakênh,Khuếch đại các xung cực hẹp (cỡ ps)

3 Khuếch Đại Raman

Là bộ khuếch đại quang sợi dựa trên hiện tượng tán xạ kích thích Raman

~ 50 - ~1Thz

Bơm ánh sang với công suất vài trăm mW đến vài W

Khuếch đại dải rộng trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng

4 Khuếch Đại Brillouin

Là bộ khuếch đại quang sợi dựa trên hiện tượng tán xạ kích thích Brillouin

~30 - 50Mhz

Bơm ánh sáng với công suất bơm 510mW

Khuếch đại chọn lọc,chọn kênh trong các hệ thống đa kênh

5

Khuếch Đại EDFA

Là bộ KĐ quang sợi dựa trên sự đảo mật độ giữa các mức năng lượng của Erbium

40 50 3.1 4.1 ~5Thz

Bơm ánh sáng với công suất bơm <100mW

Khuếch đai dải rộng dùng cho cả khuếch đại công suất,khuếch đại lặp và tiền khuếch đại ở máy thu

Bảng 1: So sánh đặc tính cơ bản của các bộ khuếch đại quang.

2.3. Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA

2.3.1 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA

Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi trộn đất hiếm EDFA (erbium doped

fiber amfilier) được hiểu như hình 2.8.

42

Hình 2.8: Cấu trúc của EDFA.

a. Sợi pha tạp Erbium EDF (erbium doped fiber)

Là thành phần quan trọng nhất của EDFA, sợi này còn được gọi là sợi tích

cực. Cấu trúc sợi gồm các thành phần như trong hình 2.9.

Hình 2.9: Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium.

Trong cấu trúc lõi sợi pha tạp Erbium các ion Erbium nằm ở vùng trung

tâm của lõi EDF, vùng này thường được pha tạp với nồng độ từ 1000 tới

2000ppm Erbium. Đường kính của vùng tâm lõi EDF khoảng 5µm và là nơi tập

trung cường độ ánh sáng bơm cũng như tín hiệu vào.

Lớp vỏ thủy tinh có chỉ số chiết suất thấp hơn được bao quanh vùng lõi để

hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng. Đường kính ngoài của lớp này khoảng 125µm.

Lớp vỏ bọc ngoài cùng để bảo vệ sợi, có chức năng ngăn cản tác động từ

bên ngoài vào sợi. Chỉ số chiết suất của lớp vỏ bọc ngoài cao hơn lớp vỏ phản

xạ nhằm loại bỏ ánh sáng không mong muốn (các mode bậc cao hơn lan truyền

bên trong vỏ phản xạ). Như vậy ngoài sự pha trộn Erbium thì cấu trúc sợi này

cũng tương tự như sợi đơn mode tiêu chuẩn hay sợi tán sắc dịch chuyển DSF

43

tương ứng với các khuyến nghị G.652 hay G.653 của ITU-T đang dùng trong

các hệ thống thông tin quang.

b. Laser bơm LD

Cung cấp nguồn năng lượng cho EDFA hoạt động để thực hiện khuếch đại

tín hiệu. Nguồn năng lượng này gọi là năng lượng bơm hay nguồn bơm. Nguồn

bơm thường có bước sóng 980 hoặc 1480nm, công suất bơm tiêu biểu là từ 10

tới 100 mW. Các diode được dùng làm nguồn bơm thường có cấu tạo phù hợp

với cấu hình và bước sóng bơm. Ví dụ khi bơm ở 980nm thì loại LD bơm

thường là loại có vùng tích cực với cấu trúc giếng lượng tử InGaAs còn khi bơm

ở bước sóng 1480nm thì LD bơm thuộc loại Fabry-perot dị thể chon có cấu trúc

tinh thể ghép InGaAs/InP.

c. Các bộ phận khác:

- Bộ ghép bước sóng WDM: thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng

bơm vào sợi pha tạp Erbium.

- Các bộ cách li có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống như

phản xạ Reyleigh từ các bộ nối quang hay phản xạ ngược từ các bộ khuếch đại

khác, làm tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu.

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Sợi quang EDF có tính chất đặc biệt là có thể khuếch đại tín hiệu ánh sáng

trong dải bước sóng khi tín hiệu truyền dọc sợi.

Nguyên lý làm việc của EDFA dựa trên sự bức xạ kích thích của các điện

tử trong các ion Er3+ ở trạng thái bị kích thích nhờ nguồn bơm bên ngoài.

Nguyên tắc làm việc được giải thích nhờ giản đồ vùng năng lượng của ion Erbi

hóa trị ba trong lõi sợi quang EDF như mô tả trong hình 2.10.

44

Hình 2.10: Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong lõi sợi EDF.

Khác với sợi quang thạch anh thông thường ánh sáng truyền dọc sợi bị suy

hao cường độ, sợi EDF khi hấp thụ năng lượng ánh sáng bơm từ bên ngoài có

bước sóng nằm ngoài dải 1520 tới 1560nm lại có khả năng khuếch đại tín hiệu

ánh sáng trong dải sóng trên khi truyền dọc sợi quang này. Quá trình khuếch đại

ánh sáng diễn ra như sau:

- Khi nhận được năng lượng từ ánh sáng nguồn bơm ở bước sóng bơm

thích hợp , các điện tử của ion Ecbi dịch chuyển từ mức năng lượng E1 (mức

ổn định) trong vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơn E2 (với bước sóng bơm

) hoặc mức E3 (với bước sóng bơm ) ở vùng dẫn, để lại các

lỗ trống ở vùng hoá trị. Ion Ecbi khi đó nằm ở trạng thái bị kích thích.

- Mức năng lượng E2 là mức không ổn định, nên các điện tử nhanh chóng

tự động địch chuyển xuống mức thấp hơn là E3 với hằng số thời gian khá nhỏ

. Dịch chuyển này không bức xạ ra ánh sáng và gọi là sự phân rã không

bức xạ.

- Mức năng lượng E3 là tương đối ổn định, các điện tử từ mức này dịch

chuyển về mức ổn định E1 với hằng số thời gian khá lớn , nên được gọi

là mức siêu bền. Nếu các điện tử từ mức siêu bền E3 tự động dịch chuyển về

mức ổn định E1 để tái hợp với lỗ trống thì sẽ phát ra bức xạ tự phát có bước sóng

nằm trong dải từ 1520 1560nm. Do các photon của bức xạ tự phát có pha và

hướng ngẫu nhiên, nên cường độ rất yếu và chỉ tồn tại một lượng rất nhỏ trong

sợi pha tạp (cỡ 1%). Bức xạ tự phát này là nguồn tạp âm chính của bộ khuếch

45

đại EDFA, nó được khuếch đại và làm suy giảm tỉ số tín/tạp ở đầu ra và được

gọi là tạp âm bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous

Emission).

- Khi có tín hiệu ánh sáng với năng lượng của photon bằng độ rộng vùng

cấm giữa hai mức E3 và E1 ( E = = E3 - E1= EG ) truyền vào sợi quang EDF,

lập tức các điện tử nằm ở trạng thái bị kích thích (trạng thái siêu bền) E3 dịch

chuyển về mức ổn định E1 tái hợp với lỗ trống và phát ra bức xạ kích thích. Các

photon của bức xạ kích thích có cùng bước sóng và đồng pha với photon tín hiệu

kích thích truyền vào sợi, nên kết quả là ánh sáng bức xạ kích thích có cường độ

rất mạnh truyền dọc theo sợi quang EDF.

Như vậy tín hiệu ánh sáng đi vào sợi đã được khuếch đại lên nhiều lần và

đoạn sợi quang EDF làm nhiệm vụ như một bộ khuếch đại quang, mang tên bộ

khuếch đại quang sợi EDFA.

2.3.3. Yêu cầu đối với nguồn bơm

a. Bước sóng bơm

Với các vùng năng lượng được nêu ở trên, ánh sáng bơm có thể được sử

dụng tại các bước sóng khác nhau 650nm (4F9/2), 800nm (4I9/2), 980nm (4I11/2),

1480nm (4I13/2). Tuy nhiên, khi bước sóng bơm càng ngắn thì các ion Er3+ phải

trải qua nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng trước khi trở về vùng nền và

phát xạ photon ánh sáng. Do đó, hiệu suất bơm không cao, năng lượng bơm sẽ

bị hao phí qua việc tạo ra các phonon thay vì photon. Vì vậy, trên thực tế, ánh

sáng bơm sử dụng cho EDFA chỉ được sử dụng tại hai bước sóng 980nm và

1480nm

Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo

nồng độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion erbium lên trạng thái

kích thích. Có hai cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp tại bước sóng

1480nm hoặc bơm gián tiếp ở bước sóng 980nm.

46

Phương pháp bơm gián tiếp (bơm ở bước sóng 980nm): Trong trường hợp

này, ion erbium liên tục được chuyển tiếp từ vùng năng lượng 4I15/2 thấp lên vùng

năng lượng cao 4I11/2, sau đó các ion sẽ phân rã xuống vùng 4I13/2 nhưng không

phát xạ. Từ vùng này, khi có ánh sáng kích thích thì các ion sẽ phát xạ bước

sóng mong muốn (từ 1550 đến 1600nm) khi chuyển từ vùng năng lượng 4I13/2

xuống vùng 4I15/2. Đây chính là hệ thống ba mức. Thời gian sống của ion erbium

ở mức 4I11/2 khoảng 1µs trong khi ở 4I13/2 thì tới 10ms. Với thời gian sống dài,

vùng 4I13/2 được gọi là vùng ổn định. Vì vậy, các ion được bơm lên mức cao, sau

đó nhanh chóng tới xuống vùng 4I13/2 và tồn tại ở đó trong một khoảng thời gian

tương đối dài tạo nên sự nghịch đảo về nồng độ.

Với phương pháp bơm trực tiếp (1480nm): các ion erbium chỉ hoạt động

trong hai vùng năng lượng 4I13/2 và 4I15/2. Đây là hệ thống 2 mức. Các ion erbium

liên tục được chuyển từ vùng năng lượng nền 4I15/2 lên vùng năng lượng kích

thích 4I13/2 nhờ năng lượng bơm. Vì thời gian tồn tại ở mức này dài nên chúng

tích lũy tại đây tạo ra sự nghịch đảo nồng độ.

Nguồn bơm có hiệu quả cao ở cả hai bước sóng 980 và 1480nm. Để có hệ

số khuếch đại hơn 20dB thì chỉ cần tạo ra nguồn bơm có công suất nhỏ hơn

5mW, nhưng vẫn cần phải có nguồn bơm từ 10 đến 100mW để đảm bảo cho

công suất ra đủ lớn. Hệ số tạp âm lượng tử giới hạn là 3dB đạt được ở bước sóng

980nm. Đối với bước sóng 1480 thì hệ số tạp âm là vào khoảng 4dB vì tiết diện

ngang phát xạ tại 1480nm cao hơn tại 980nm và sự bức xạ kích thích do nguồn

bơm đã giới hạn sự nghịch đảo tích lũy tại 1480nm. Do đó, bước sóng bơm

980nm được ứng dụng cho các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Hệ số khuếch đại tại

bước sóng bơm 980nm cao hơn tại 1480nm tại cùng công suất bơm. Do đó, để

đạt được cùng một hệ số khuếch đại thì công suất bơm tại 1480nm phải cao hơn

tại 980nm. Vì công suất bơm ở 1480nm lớn hơn nên công suất ngõ ra lớn hơn,

do đó bơm ở bước sóng 1480nm được ứng dụng cho các bộ khuếch đại công

suất. Ngoài ra, bước sóng bơm 1480nm được truyền trong sợi quang với suy hao

thấp. Do đó, nguồn bơm laser có thể đặt xa bộ khuếch đại.

47

Hiện nay nguồn bơm bước sóng 1480nm được sử dụng rộng rãi hơn vì

chúng sẵn có hơn và độ tin cậy cao hơn. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối

với laser bơm vì nó dùng để bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín

hiệu. Các thiết bị khuếch đại công suất đòi hỏi công suất bơm cao nhất và độ ổn

định của chúng là mấu chốt trong quá trình nghiên cứu phát triển được bơm tại

cả hai bước sóng để tận dụng ưu điểm của cả hai bước sóng.

Bước sóng bơm 980nm 1480nm

Tính chất:

Hệ số khuếch đại

Độ lợi công suất bơm

Suy hao công suất bơm

Hệ số tạp âm

Cao hơn

Thấp hơn

Cao hơn

Thấp hơn

Thấp hơn

Cao hơn

Thấp hơn

Cao hơn

Ứng dụng Tiền khuếch đại Khuếch đại công suất

Bảng 2: So sánh hai bước sóng bơm 980nm và 1480nm.

b. Công suất bơm và hướng bơm

- Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion erbium bị kích thích để trao

đổi năng lượng với tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng

lên. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại không thể tăng mãi theo công suất bơm vì số

lượng các ion erbium được cấy vào sợi là có giới hạn. Ngoài ra, khi công suất

bơm tăng lên thì hệ số tạp âm sẽ giảm. Điều này sẽ được trình bày trong phần

tính hệ số tạp âm của EDFA.

- Hướng bơm:

Bộ khuếch đại EDFA có thể được bơm theo ba cách:

+ Bơm thuận (codirectional pumping): nguồn bơm được cùng chiều với

hướng truyền tín hiệu.

+ Bơm ngược (counterdirectional pumping): nguồn bơm được bơm ngược

chiều với hướng truyền tín hiệu

48

+ Bơm hai chiều (dual pumping): sử dụng hai nguồn bơm và được theo hai

chiều ngược nhau.

Hướng bơm thuận có ưu điểm là tạp âm thấp vì tạp âm khá nhạy cảm với

hệ số khuếch đại mà hệ số khuếch đại tín hiệu cao nhất khi công suất tín hiệu

vào thấp nhất. Trong khi đó, hướng bơm ngược cung cấp công suất ra bão hòa

cao nhưng có hệ số tạp âm cao hơn bơm thuận.

Do vậy, người ta đề nghị sử dụng cả hai laser bơm có bước sóng bơm khác

nhau. Việc bơm tại bước sóng 1480nm thường được sử dụng theo chiều ngược

với hướng truyền tín hiệu và bơm tại 980nm theo hướng thuận để sử dụng tốt

nhất ưu điểm của mỗi loại bơm. Bơm tại 1460nm có hiệu suất lượng tử cao hơn

nhưng có hệ số tạp âm cao hơn, trong khi bơm tại bước sóng 980nm có thể cung

cấp một hệ số tạp âm gần mức giới hạn lượng tử. Hệ số tạp âm thấp phù hợp cho

các ứng dụng tiền khuếch đại.

Một EDFA được bơm bằng một nguồn bơm có thể cung cấp công suất đầu

ra cực đại khoảng +16dBm trong vùng bão hòa hoặc hệ số tạp âm từ 5-6dB

trong vùng tín hiệu nhỏ. Cả hai bước sóng bơm được sử dụng đồng thời có thể

cung cấp công suất đầu ra cao hơn. Một EDFA được bơm kép có thể cung cấp

công suất ra tới +26dBm trong vùng công suất bơm cao nhất có thể đạt được.

Cấu hình của bộ khuếch đại EDFA được bơm kép như hình dưới đây:

Hình 2.11: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép.

c. Các cấu hình bơm cho EDFA

Bộ khuếch đại quang sợi EDFA có ba cấu hình làm việc như sau: cấu hình

bơm thuận, cấu hình bơm ngược và cấu hình bơm hai hướng.

49

- Cấu hình EDFA bơm thuận

Trong cấu hình này tín hiệu ánh sáng bơm được ghép, truyền cùng chiều

với tín hiệu cần khuếch đại trên sợi EDF nhờ bộ ghép WDM. Bộ cách ly chỉ cho

sóng truyền theo chiều thuận, chặn sóng phản xạ, giúp cho bộ khuếch đại làm

việc ổn định.

Cấu hình bơm thuận có ưu điểm là tạp âm nhỏ nhưng hiệu suất khuếch đại

không cao, nên được dùng chủ yếu làm bộ tiền khuếch đại cho máy thu quang

để nâng cao độ nhạy.

Hình 2.12: Cấu hình bơm thuận.

- Cấu hình EDFA bơm ngược

Hình 2.13: Cấu hình bơm ngược.

Trong cấu hình bơm ngược chỉ khác so với cấu hình bơm thuận là bộ ghép

WDM dùng để dẫn ánh sáng bơm vào bộ khuếch đại được đặt cuối đoạn sợi

EDF, ở đây tín hiệu và nguồn bơm truyền ngược chiều nhau trên đoạn sợi EDF.

Cấu hình này có ưu điểm là hiệu suất khuếch đại cao, nhưng tạp âm lớn, nên nó

được dùng chủ yếu làm bộ khuếch đại công suất ở lối ra của các máy phát quang

nhằm tăng cự ly khoảng lặp.

- Cấu hình EDFA bơm hai hướng

50

Cấu hình này dùng hai nguồn bơm đặt ở hai đầu đoạn sợi EDF với hai bộ

ghép bước sóng. Ánh sáng bơm truyền theo dọc sợi EDF theo hai hướng thuận

và ngược với hướng truyền của tín hiệu cần khuếch đại. Cấu hình bơm này có

ưu điểm là hệ số khuếch đại lớn và đồng đều, tạp âm không lớn, công suất ra

lớn, tuy nhiên chi phí cũng tốn kém hơn hai cấu hình trên. Cấu hình EDFA bơm

hai hướng được dùng chủ yếu làm trạm lặp (line amplifier) trong hệ thống thông

tin quang đường dài, nhất là hệ thống cáp quang dưới biển.

Hình 2.14: Cấu hình bơm hai hướng.

2.3.4 Hệ số khuếch đại của EDFA

Hệ số khuếch đại là một trong những tham số quan trọng của bộ khuếch đại

EDFA. Hệ số khuếch đại của EDFA được xem là tỉ số giữa công suất tín hiệu ra

và công suất tín hiệu vào chủ yếu tại hai bước sóng 1530nm và 1550nm là hai

bước sóng mà tại đó EDFA phụ thuộc nhiều vào các tham số của bộ khuếch đại

như: công suất bơm, công suất tín hiệu vào, chiều dài bộ khuếch đại, bán kính

lõi sợi Erbium… sau đây ta sẽ xem xét một số tham số anh hưởng đó.

a. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất và bước sóng bơm

Nhìn chung độ khuếch đại tín hiệu lúc đầu tăng mạnh (theo hàm mũ) theo

chiều tăng của công suất bơm. Độ tăng nay giảm dần khi công suất bơm đạt tới

một giới hạn nào đó. Chế độ sau cùng hệ số khuếch đại hầu như không tăng cho

dù có tăng công suất bơm. Trường hợp này tương ứng khi mà hầu hết các ion

Er3+ được kích thích tơi mức 4I13/2 dọc theo toàn bộ độ dài sợi. Hệ số khuếch đại

lớn nhất của bộ khuếch đại (đơn vị dB/mW) là một đường thẳng qua gốc tọa độ

tiếp tuyến với đường cong khuếch đại như hình 2.15. Từ hình 2.15, ta thấy sự

51

phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào độ dài sợi EDF. Độ dài sợi tăng thì hệ số

khuếch đại cũng tăng do số ion Er3+ được kích thích nhiều hơn.

Hình 2.15: Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào công suất bơm EDFA.

Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào bước sóng bơm được nghiên cứu

chủ yếu với hai bước sóng bơm là 980nm và 1480nm.

Hình 2.16: Quan hệ giữa độ dài EDF, bước sóng bơm với hhẹ số khuếch đại.

Hình 2.16 mô tả quan hệ giữa độ dài EDF, bước sóng bơm và hệ số khuếch

đại tín hiệu tại công suất bơm 20mW.

Từ hình vẽ ta thấy với cùng mức tín hiệu đầu vào (-35dB) để thu được giá

trị hệ số khuếch đại như nhau thì độ dài khuếch đại tối ưu khi bơm ở bước sóng

52

1480nm dài hơn khi bơm ở bước sóng 980nm hay nói cách khác cùng một độ

dài sợi, cùng công suất bơm thì bơm ở bước sóng 980nm có hiệu quả hơn bơm ở

1480nm. Tức là bơm ở bước sóng 980nm cho phép tạo ra bộ khuếch đại EDFA

có hệ số khuếch đại cao hơn với độ dài sợi EDF là ngắn nhất. Tuy nhiên thực tế

phần tiết diện phổ hấp thụ bơm ở bước sóng 980nm lại hẹp so với ở bước sóng

1480nm, điều này đòi hỏi việc điều khiển bước sóng laser phát ở vùng 980nm

cần đặc biệt quan tâm khi xây dụng bộ EDFA ổn định.

b. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất tín hiệu quang

Để xem xét sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất tín hiệu ta xét

với các chế độ khuếch đại của EDFA

- Chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại khi nó

hoạt động trong chế độ tuyến tính nơi mà nó hoàn toàn không phụ thuộc vào

công suất quang tín hiệu đầu vào tại công suất bơm đã cho. Điều này có nghĩa là

vùng tín hiệu nhỏ tương ứng với các mức công suất tín hiệu đầu vào mà sự

khuếch đại tín hiệu không làm giảm hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang

EDFA.

Hình 2.17: Hệ số khuếch đại EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào

với ba công suất bơm khác nhau.

53

Từ hình 2.17, ta thấy khi công suất tín hiệu vào nhỏ thì hệ số khuếch đại

đạt giá trị lớn nhất Gmax (ứng với một giới hạn công suất tín hiệu đầu vào nhất

định). Khi công suất tín hiệu đầu vào tiếp tục tăng vượt qua giới hạn ở trên thì

hệ số khuếch đại giảm dần. Lúc này bộ khuếch đại chuyển sang làm việc ở chế

độ bão hòa do khi công suất tín hiệu đầu vào lớn sẽ kích thích toàn bộ các ion

Er3+ ở trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản nên khi đã hết thì dù có tiếp tục

tăng công suất tín hiệu đầu vào thì cũng không tăng được số ion Er3+ ở trạng thái

kích thích về trạng thái cơ bản tức là công suất đầu ra không tăng được (đã bão

hòa) tương ứng hệ số khuếch đại sẽ giảm.

Như vậy trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ hệ số khuếch đại là một hằng

số. Chế độ này có nhược điểm là tạp âm lớn, do công suất tín hiệu vào nhỏ

không kích thích được hết các ion Er3+ ở trạng thái gần ổn định trở về trạng thái

cơ bản vì vậy làm cho số ion Er3+ trở về trạng thái cơ bản một cách tự phát tăng

lên làm tăng công suất tạp âm ASE ở đầu ra. Khi công suất tín hiệu vào quá bé,

thì đầu ra EDFA công suất tạp âm có thể so sánh được với công suất tín hiệu đã

khuếch đại làm cho tỉ số tín/tạp ở đầu ra EDFA suy giảm rất lớn.

- Chế độ khuếch đại bão hòa

Khi công suất tín hiệu đầu vào tăng sẽ làm tăng các ion Er3+ ở trạng thái

gần ổn định về trạng thái cơ bản. Tuy nhiên ở một công suất bơm nhất định thì

chỉ có một lượng nhất định các ion Er3+ bị kích thích nhảy lên mức năng lượng

cao do đó tương ứng với nó cũng chỉ cần một lượng photon tín hiệu vào vừa đủ

để kích thích toàn bộ các ion Er3+ ở mức năng lượng cao về trạng thái cơ bản. Vì

vậy khi tín hiệu đầu vào dù có tăng hơn nữa thì công suất ra vẫn giữ nguyên và

hệ số khuếch đại bị giảm đi. Chế độ này gọi là chế độ khuếch đại tín hiệu bão

hòa. Sự bão hòa không chỉ làm giảm hệ số khuếch đại của EDFA mà còn làm

hạn chế công suất ra. Ưu điểm của chế độ này là tạp âm đầu ra nhỏ do hầu hết

các ion Er3+ ở mức năng lượng cao đã được các photon tín hiệu vào kích thích để

chuyển về trạng thái cơ bản nên có rất ít các ion Er3+ chuyển về trạng thái cơ bản

một cách tự phát tức là công suất tạp âm ASE ở đầu ra rất nhỏ.

54

Mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại với công suất tín hiệu đầu ra thể hiện

trên hình 2.18. Ta thấy khi công suất tín hiệu đầu ra EDFA gần đạt tới giá trị bão

hòa thì hệ số khuếch đại giảm rất nhanh tức là công suất tín hiệu ra phụ thuộc

vào công suất tín hiệu bão hòa (là công suất mà ở đó hệ số khuếch đại bị giảm

3dB so với hệ số khuếch đại trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ). Công suất tín

hiệu bão hòa lại phụ thuộc vào công suất bơm. Công suất bơm càng cao thì công

suất tín hiệu bão hòa cũng càng cao. Muốn tăng công suất ra phải tăng công suất

bão hòa tức là tăng công suất bơm. Tuy nhiên cũng không thể tăng công suất

bơm lên quá lớn do hạn chế của nguồn bơm và bước sóng bơm.

Hình 2.18: Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với

các công suất bơm khác nhau.

c. Độ nghiêng và độ dốc khuếch đại

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của EDFA trong thông tin

quang sợi là việc sử dụng nó trong các hệ thống ghép kênh quang. Trong các hệ

thống ghép kênh theo bước sóng WDM với cự ly xa, phổ khuếch đại của bộ

khuếch đại phải duy trì phẳng để tránh sự trội lên về công suất của một kênh nào

đó. Sự thay đổi hoặc nghiêng trong phổ khuếch đại xảy ra khi các kênh ghép

55

bước sóng được thêm vào hoặc rẽ bớt trong chùm tín hiệu WDM sẽ làm giảm

đặc tính của các hệ thống thông tin có cự ly dài. Ở đây, sự nghiêng độ khuếch

đại được xác định như là tỉ số của sự biến đổi hệ số khuếch đại tại bước sóng đo

được với sự thay đổi hệ số khuếch đại tại bước sóng chuẩn.

Hình 2.19: Độ dốc khuếch đại.

Một khái niệm khác nữa cũng được quan tâm ở đây là độ dốc khuếch đại.

Cần phải phân biệt giữa độ dốc khuếch đại tĩnh và độ dốc khuếch đại động.

Điểm khác nhau giữa độ dốc tĩnh và động là do có sự thay đổi về mức nghịch

đảo bộ khuếch đại phát sinh từ sự thay đổi bước sóng của tín hiệu đầu vào bão

hòa mạnh.

2.3.5 Tính toán hệ số khuếch đại của EDFA

Trong bộ khuếch đại quang hệ số khuếch đại là một tham số quan trọng,

chúng có thể được xác định một cách tổng quát như sau:

(2.7)

Trong đó Pin , Pout lần lượt là công suất quang tại đầu vào và đầu ra bộ

khuếch đại, Pn là công suất tạp âm do phát xạ tự phát (ASE) sinh ra. Công suất

tạp âm ở đây được phát xạ từ bộ khuếch đại quang và nằm trong băng tần quang.

Việc xác định hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang là quá trình rất phức

tạp do bản chất phân bố hai hướng của nó. Một cách tổng thể ta có thể coi bộ

khuếch đại quang là tổng hợp của một chuỗi các bộ khuếch đại nhỏ với độ dài

56

sợi tăng dần theo lát cắt EDF. Như vậy G sẽ bao gồm toàn bộ các khuếch đại

thành phần g(z) dọc theo trục sợi và được xác định như sau:

G = = exp( )

Trong đó L là độ dài sợi EDF, g(z) là độ khuếch đại tăng dần.

Để thu được hệ số khuếch đại thực của EDFA cần phải xác định được các

tiết diện bức xạ kích thích à tiết diện hấp thụ . Các tiết diện này có thể xác

định được bằng thực nghiệm nhờ việc đo huỳnh quang và hấp thụ của một đoạn

EDF. Dưới đây ta có bảng liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 4I15/2 đến 4I11/2 của các loại sợi thủy tinh khác nhau.

Bảng 3: Liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 4I15/2 đến 4I11/2

của các loại sợi thủy tinh khác nhau.

Bằng cách phân tích này độ khuếch đại thực của EDFA có thể được xác

định tùy thuộc vào mức độ biến đổi trung bình của tích lũy ion Erbium như sau:

(2.9)

Ở đây là hệ số hạn chế giữa trường tín hiệu và sự tích lũy ion Erbium (

có giá trị từ 0 1, tiêu biểu là từ 0,3 0,6). lần lượt là mật độ tích lũy

trung bình ở trạng thái nền và trạng thái siêu bền. được xác định từ việc

giải phương trình tốc độ:

57

= - -

(2.10)

Trong đó PP/A và PS/A tương ứng là cường độ bơm và cường độ tín hiệu;

là các năng lượng photon bơm và tín hiệu; là thời gian trễ tự phát.

2.3.6 Phổ khuếch đại của EDFA

Phổ khuếch đại của EDFA là một tham số rất quan trọng vì băng tần

khuếch đại là yếu tố cơ bản để xác định băng tần truyền dẫn. Kết quả thực

nghiệm cho thấy bằng việc pha tạp Al hoặc P trong lõi sợi thủy tinh trộn Er3+ sẽ

có tác dụng mở rộng phổ khuếch đại. Người ta đã chứng minh được rằng việc

pha tạp Al có thể thu được mức khuếch đại rất cao trong mặt phẳng trải ở vùng

bước sóng từ 1540nm đến 1560nm. Đặc biệt hơn sợi EDF gốc Frouride cho ta

được vùng khuếch đại phẳng trong dải bước sóng từ 1530nm đến 1560nm. Hình

2.20 thể hiện các phổ khuếch đại tiêu biểu của các sợi thủy tinh pha tạp Ge/Er và

Al/P/Er.

Hình 2.20:Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA.

58

Phổ sợi pha tạp Ge/Er có mặt cắt gồm hai đỉnh tại 1536nm và 1552nm

trong khi đó phổ khuếch đại của sợi pha tạp Al/P/Er có vùng khuếch đại rộng

nằm trong khoảng từ 1545nm đến 1560nm mặc dù có một đỉnh khuếch đại nhô

lên tại vùng xung quanh 1530nm. Ngoài ra phổ khuếch đại của EDFA có thể

được dịch tới vùng bước song dài hơn khi sử dụng độ dài EDF là tương đối dài.

Khi tăng độ dài EDF phổ khuếch đại có thể thu được trong khoảng bước sóng từ

1570nm đến 1620nm. Tại vùng bước sóng lớn hơn 6200nm, hệ số khuếch đại tín

hiệu sẽ giảm do quá trình ASE.

Thông thường thì phổ khuếch đại đo bằng việc quét bước sóng tín hiệu với

một nguồn tín hiệu đơn, phổ được thay đổi khi công suất tín hiệu đầu vào được

thay đổi và trở nên bằng phẳng khi công suất tín hiệu đầu vào là cao. Đầu ra

quang của EDFA phụ thuộc vào bước sóng vì độ khuếch đại thay đổi theo đặc

tính bước sóng của sợi pha tạp EDF.

2.3.7 Tạp âm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA

a. Tạp âm quang trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA

Tạp âm quang ở đây muốn nói đến phổ tạp âm quang được đo bằng máy

phân tích phổ quang. Tạp âm quang là tham số quan trọng nhất liên quan tới các

đặc tính tạp âm trong các hệ thống có khuếch đại quang. Không bao giờ có bộ

khuếch đại quang lý tưởng, có nghĩa là luôn tồn tại tạp âm trong các bộ khuếch

đại quang. Như đã biết khi nghiên cứu về các ion Erbium trong sợi EDF của

EDFA. Khi các photon bức xạ có hướng và pha ngẫu nhiên được giữ lại trong

các mode của sợi quang (thường không quá 1%) chúng sẽ trở thành một nguồn

tạp âm. Tạp âm này sẽ được khuếch đại và sẽ làm suy giảm tỉ số tín/tạp của tín

hiệu qua bộ khuếch đại (bức xạ tự phát được khuếch đại - ASE). Công suất tạp

âm nhỏ nhất tại đầu ra bộ khuếch đại được xác định như sau:

Psp.min = h (G -1)B (2.11)

Trong đó: B là một nửa băng tần của bộ khuếch đại quang. h là năng

lượng photon. Công suất tạp âm đầu ra bộ khuếch đại có thể đạt được nhỏ nhất

59

sẽ tương ứng với sự khuếch đại của một photon trong băng tần B, bằng một nửa

băng tần bộ khuếch đại B0.

Từ công thức trên có thể xác định được công suất ASE tổng được lấy ra

trên toàn bộ các mode mà sợi quang đưa ra trong băng tần B0 như sau:

PASE = mt.Nsp.h .(G - 1).B0 (2.12)

Ở đây mt là số các mode lan truyền của quá trình phân cực.

PASE là công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch đại quang.

Trong các bộ khuếch đại quang thực tế nhất là EDFA tiêu biểu thường có

hai mode lan truyền phân cực trong bức xạ tự phát (m t = 2). Vì vậy công suất

ASE tổng là:

PASE = 2Nsp.h .(G - 1).B0 (2.13)

Hệ số bức xạ tự phát Nsp được xác định như sau:

= (2.14)

Trong đó , lần lượt là tiết diện bức xạ kích thích và tiết diện hấp thụ của

sợi quang. N1 , N2 lần lượt là mật độ tích lũy điện tích ở trạng thái nền và ở trạng

thái siêu bền. Để đơn giản gọi a = , b = là các hàm số của z (vì ,

là hàm của trục z hướng dọc theo sợi). Ta cũng giả thiết các hệ số a, b là các

hằng số không phụ thuộc vào độ dài khuếch đại tức là trong môi trường bơm

đồng dạng ta có thể viết như sau:

= = (2.15)

Ở đây = / . Từ hệ số bức xạ tự phát ta tính được hệ số tạp âm của bộ

khuếch đại N(z) xuất hiện trong khi không có tín hiệu đầu vào được cho như

sau:

60

N(z) = (G - 1) = (G - 1) (2.16)

Kết quả trên chỉ ra rằng với hệ số khuếch đại G >> 1 thì số photon đầu ra

ASE trung bình sẽ tương đương với hệ số khuếch đại của các photon mà nó

thể hiện một tạp âm đầu ra tương đương.

+ Trong trường hợp nghịch đảo tích lũy (môi trường) là âm, tức là

< 0, hệ số khuếch đại G sẽ nhỏ hơn 1 và là âm nhưng công suất

tạp âm luôn dương và bằng: =| |(G - 1). (2.17)

+ Trong trường hợp ở mức ngưỡng của nghịch đảo môi trường, tức là:

= 0 thì không xác định nhưng công suất tạp âm vẫn được xác

định và bằng: = L (2.18)

+ Trong trường hợp nghịch đảo môi trường là dương,tức là > 0

thì .

Trường hợp nghịch đảo môi trường hoàn toàn, khi mà toàn bộ các nguyên

tử ở trạng thái kích thích, tức là = 0 thì hệ số bức xạ tự phát tiến tới giá

trị nhỏ nhất của nó là 1. Trong trường hợp này công suất tạp âm đầu ra giảm tới

giá trị tạp âm lượng tử được khuếch đại = h (G - 1)B. Như vậy có thể

thấy rằng tạp âm đầu ra bộ khuếch đại quang nhỏ nhất thu được khi đạt được

nghịch đảo tích lũy hoàn toàn trong môi trường khuếch đại.

Trong thực tế hệ số bức xạ tự phát là một sự xác định đối với nghịch

đảo lũy thừa của bộ khuếch đại. Giá trị gần bằng 1 là giá trị thấp nhất có thể

thu được. Giá trị này có thể đạt được khi bơm mạnh ở vùng bước sóng 980nm

61

(thường = 1 4) tương đương với nghịch đảo gần như hoàn toàn ( 0)

trong bộ khuếch đại. Nghịch đảo hoàn toàn, nơi mà = sẽ tạo ra hệ số tạp

âm quang bé nhất.

Sự trôi công suất bơm dọc theo sợi pha tạp Erbium sẽ tạo ra nghịch đảo

cũng thay đổi. Vì vậy hệ số bức xạ tự phát phụ thuộc vào sẽ thay đổi theo

chiều dài sợi pha tạp. Khi sử dụng bước sóng bơm 1480nm thì nghịch đảo hoàn

toàn không thể xảy ra vì bơm và tín hiệu là cùng chung trạng thái nền và trạng

thái kích thích. Các photon không chỉ được hấp thụ mà còn tham gia bức xạ kích

thích. Do đó sẽ không có bất kì một khuếch đại nào có bức xạ hoàn toàn trong

trường hợp này và bộ khuếch đại quang được bơm ở bước sóng 1480nm là bộ

khuếch đại có hệ số bức xạ cao hơn. Điều này làm tăng trực tiếp hệ số tạp âm

trong bộ khuếch đại và đựợc gọi là hệ số tạp âm tự phát. Trong quá trình

tính toán hệ số tạp âm, nhiều khi có thể sử dụng mật độ phổ ASE (W/Hz) trong

điều kiện đơn phân cực h (G - 1).

Từ đây ta thấy khi độ khuếch đại là đủ lớn thì ASE trở nên đáng kể. Điều

này tạo nên sự bão hòa khuếch đại do ASE gây ra. Vì vậy EDFA còn có thể ứng

dụng như các nguồn tạp âm trong một số trường hợp.

b. Tạp âm cường độ trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Tạp âm cường độ đề cập đến sự thăng giáng về công suất hoặc dòng có liên

quan tới tín hiệu quang. Loại tạp âm này có băng tần tiêu biểu tới hàng chục

Ghz. Phổ của tạp âm cường độ ám chỉ phổ công suất của cường độ quang trước

khi tách sóng. Ta sẽ nghiên cứu một số loại tạp âm cường độ.

- Tạp âm lượng tử:

Nguồn tạp âm phát sinh là do tính không chắc chắn về thời gian đến của

các điện tử hoặc các photon tại bộ tách sóng. Cả tín hiệu và ASE đều tham gia

vào tạp âm. Vì sóng mang đi tới bộ tách sóng bao gồm cả tín hiệu và tạp âm cho

nên cả công suất tín hiệu quang và công suất bức xạ tự phát ASE đều được thu.

62

Do đó, tạp âm lượng tử trong trường hợp này gồm cả tạp âm lượng tử từ tín hiệu

đầu vào được khuếch đại và tạp âm lượng tử từ bức xạ tự phát được khuếch đại.

- 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 dao động cường độ. Tạp âm này

không thể tránh khỏi khi sử dụng EDFA và nó tham gia đầu tiên vào tổng tạp

âm trong các hệ thống thông tin có sử dụng khuếch đại quang. Hình dưới đây

thể hiện quá trình phách này.

Hình 2.21: Tạp âm phách tín hiệu-tự phát.

- Tạp âm phách tự phát-tự phát:

Tạp âm phách tự phát-tự phát là phách giữa các thành phần phổ khác nhau

của thành phần bức xạ tự phát ASE dẫn đến tạp âm cường độ. Hình (3-15) mô tả

mỗi một cặp các thành phần phổ ASE phát ra một âm sắc phách cường độ tại tần

số khác nhau. Vì vậy toàn bộ phổ ASE sẽ đóng góp vào tạp âm phách cường độ

tự phát-tự phát. Nếu như ASE là không phân cực, ASE ở một trong hai phân cực

trực giao sẽ tham gia vào tổng tạp âm phách tự phát-tự phát.

63

Hình 2.22: Tạp âm phách tự phát-tự phát giữa các thành phần phổ ASE.

- Tạp âm do phản xạ (tạp âm giao thoa nhiều luồng)

Các phản xạ quang trong bộ khuếch đại quang tạo ra sự biến đổi giao thoa

của tạp âm pha laser thành tạp âm cường độ. Tạp âm cường độ sẽ làm suy giảm

tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR tại bộ thu quang (hình 2.23).

Hình 2.23: Sự phản xạ quang tạo ra tạp âm giao thoa nhiều luồng.

CHƯƠNG 3

ỨNG DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA TRONG

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

3.1. Ứng dụng của khuếch đại quang

Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang như

các bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường

64

truyền, khắc phục suy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường

truyền. Tùy theo vị trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang

được chia làm ba loại:

- Khuếch đại công suất BA (booster amplifier): là bộ khuếch đại quang

được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu

qaung đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại. Yêu cầu của

các bộ khuếch đại công suất là tạo ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải hệ

số khuếch đại cực đại vì công suất tín hiệu đầu vào lớn.

- Khuếch đại đường truyền LA (line amplifier): là các bộ khuếch đại quang

được đặt trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra bởi suy

hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong

mạng. Các bộ khuếch đại đường truyền có thể được lắp đặt nối tiếp nhau trên

đường truyền để gia tăng khoảng cách lắp đặt. Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp

các bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượng của

hệ thống truyền dẫn quang. Yêu cầu của bộ khuếch đại đường truyền là độ ổn

định trên toàn bộ dải thông của hệ thống WDM, giữ tạp âm ở mức cực tiểu và

thực hiện việc trao đổi tốt tín hiệu quang với sợi quang truyền dẫn.

- Tiền khuếch đại PA (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt

ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tín hiệu

được đưa vào thiết bị. Điều này làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt của độ nhạy thiết

bị thu và cho phép hệ thống truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao hơn.

Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu

và mức tạp âm ở đầu thu cao. Do vậy, yêu cầu của một bộ tiền khuếch đại là độ

nhạy lớn, hệ số khuếch đại lớn và tạp âm thấp.

Ngoài các ứng dụng chính làm các bộ khuếch đại trên đường truyền quang,

các bộ khuếch đại quang SOA và OFA còn được sử dụng trong các bộ chuyển

đổi bước sóng. Việc chuyển đổi bước sóng được thực hiện dựa trên hiện tượng

bão hòa hệ số khuếch đại và hiện tượng trộn bốn bước sóng FWM (four-wave

mixing) xảy ra trong các bộ khuếch đại quang.

65

3.2. Các ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang số

Trong các hệ thống thông tin quang số các bộ EDFA có thể được sử dụng

làm các bộ tiền khuếch đại PA; Các bộ khuếch đại công suất BA hoặc khuếch

đại đường truyền LA. Theo các tiêu chuẩn này thiết bị khuếch đại quang sợi

OFA (PA, BA hoặc LA) được đặt dọc theo tuyến quang.

- Bộ tiền khuếch đại PA: ứng dụng quan trọng nhất của EDFA là tiền

khuếch đại PA (Pre-Amplifier).

Hình 3.1: Ứng dụng EDFA làm tiền khuếch đại PA.

Các bộ tiền khuếch đại quang là thiết bị OFA có độ khuếch đại cao và tạp

âm rất thấp, được sử dụng trực tiếp ngay trước bộ thu quang để cải thiện độ nhạy

thu. Cũng có thể mắc nối tiếp các bộ tiền khuếch đại với nhau để nâng cao độ

nhạy máy thu. Vì PA rất gần với bộ thu quang nên chức năng hoạt động, quản lí

và bảo dưỡng cho PA có thể chung với bộ thu quang. Khi suy hao giữa PA và bộ

thu quang bằng 0dB thì ta có một thiết bị tổ hợp của PA và thiết bị thu được gọi

là bộ thu có khuếch đại quang OAR (Otically Amplified Receiver). Như vậy bộ

thu có khuếch đại quang OAR thực chất là là một hệ thống phụ OFA mà trong

đó bộ tiền khuếch đại quang được tích hợp với bộ thu quang tạo ra bộ thu có độ

nhạy cao hơn.

- Bộ khuếch đại công suất quang BA: Bộ khuếch đại công suất quang BA

là thiết bị OFA có công suất bảo hoà cao được đặt trực tiếp ngay sau bộ phát

quang để tăng mức công suất đầu ra. Do mức công suất ra tương đối cao nên tạp

âm ASE có thể bỏ qua và do đó đối với BA không đòi hỏi phải có các yêu cầu

nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm. Tuy nhiên, với mức công suất

ra cao, việc sử dụng BA có thể gây nên một số hiện tượng phi tuyến. Các chức

năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx. BA có thể tích hợp

66

với Tx (gọi là OAT) hoặc tách riêng với Tx. Ứng dụng của các BA chỉ có thể

hấp dẫn trong các trường hợp các vị trí trung gian với thiết bị tích cực ở ngoài ý

muốn hoặc không thể tiếp cận, ví dụ như các hệ thống dưới biển.

Hình 3.2: Ứng dụng EDFA làm khuếch đại công suất BA.

- Bộ khuếch đại đường truyền LA

Hình 3.3: Ứng dụng EDFA làm khuếch đại đường truyền LA.

LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng trên đường truyền

(giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Tuỳ theo chiều dài

tuyến mà LA có thể được dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên

tuyến. Đối với các hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thông tin

riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA. Kênh giám sát

này (OSC - Optical Supervisor Channel) không được quá gần với bước sóng

bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng giữa các kênh này. Tại mỗi LA,

kênh giám sát này được chèn thêm các thông tin mới (về trạng thái của LA, các

thông tin về cảnh báo), sau đó lại được phát lại vào đường truyền. Về mặt lý

thuyết, khoảng cách truyền dẫn lớn (cỡ vài nghìn km) có thể đạt được bằng cách

chèn thêm các LA vào đường truyền. Tuy nhiên, trong trường hợp trên tuyến có

nhiều LA liên tiếp nhau, chất lượng hệ thống có thể suy giảm nghiêm trọng do

các hiện tượng như: tích luỹ tạp âm, sự phụ thuộc của phổ khuếch đại vào tổng

hệ số khuếch đại, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến.

67

Đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước sóng nào đó

dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA.

3.3. Ứng dụng của EDFA trong các hệ thống tương tự

Ứng dụng của EDFA không chỉ dừng lại ở các hệ thống số mà còn có vị trí

ngày càng quan trọng trong các hệ thống tương tự. Truyền dẫn quang tương tự

thông qua các hệ thống có EDFA đang là một xu hướng phát triển trong tương

lai gần. Những ứng dụng có ý nghĩa của EDFA đã được chứng minh bằng việc

xem xét cấu hình ứng dụng trong mạng phân bố tín hiệu video (CATV và

HDTV), các mạng quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh sóng mang phụ và truyền

tải tương tự trong môi trường kết hợp điện từ. Cũng tương tự như trong hệ thống

số các EDFA được ứng dụng chủ yếu làm bộ tiền khuếch đại PA để cải thiện độ

nhạy thu của bộ thu tương tự, bộ khuếch đại công suất BA để tăng cường quỹ

công suất quang của tuyến truyền dẫn analog, các bộ khuếch đại đường truyền

để tăng cự ly truyền dẫn của hệ thống. Ngoài ra các EDFA còn có thể sử dụng

như các bộ lặp thụ động đặt trong môi trường tạp âm thấp và phi tuyến thuần

nhất.

Trong các hệ thống CATV khuếch đại quang EDFA đóng cả vai trò như bộ

khuếch đại công suất và bù suy hao chia quang. Trên thực tế dung lượng tiềm

tàng của các hệ thống WDM CATV có sử dụng EDFA được thể hiện bằng số

các kênh video và số người sử dụng lớn hay không. Lí do mà mà các kênh video

sử dụng EDFA là là do nó có băng tần rộng và hơn thế là để tận dụng băng tần

lớn của sợi quang đơn mode. Một mạng tổng thể phát quảng bá CATV dựa trên

các hệ thống có EDFA được mô tả như hình vẽ dưới đây:

68

Hình 3.4: Mạng tổng thể phát quảng bá CATV dựa trên các hệ thống có EDFA.

Trong sơ đồ hình 3.4, các tín hiệu video có thể được phát từ các nguồn

khác nhau như vệ tinh, quảng bá, viba mặt đất, phân bố nội hạt; cũng có thể là

các tín hiệu video số hoặc tín hiệu dữ liệu. Tại các trạm trung tâm hoăc trạm thu

các tín hiệu video tương tự tương ứng với các kênh TV riêng rẽ được ghép kênh

sóng mang phụ SCM và được cấp cho các điode laser LD một tần số hoạt động

tại các bước sóng mang …. . Sau đó tất cả các tín hiệu quang được được

ghép kênh thông qua bộ ghép coupler m x m và được khuếch đại nhờ các thiết bị

khuếch đại công suất EDFA. Tín hiệu đã ghép được đưa vào mạng trước hết

được chia thông qua bộ ghép coupler 1 x n rồi sau đó được truyền đi dọc theo

69

sợi quang đơn mode SMF. Quá trình khuếch đại công suất và chia quang có thể

diễn ra lặp lại một số lần. Trong các hệ thống CATV các bộ EDFA đóng cả vai

trò bộ khuếch đại công suất và bộ bù suy hao cho chia quang.

3.4. Các ứng dụng của EDFA trong mạng nội hạt (LAN)

Mạng nội hạt LAN (Local Area Network) được xác định như là một hê

thống truyền tải thông tin mà nó thực hiện sự kết nối các thực thể phân bố trong

một cấu trúc hoặc một vùng địa lý.

Các bộ khuếch đại EDFA phân bố hoặc tập trung đặc biệt phù hợp với

nhiều topo mạng LAN có cấu trúc bus. Với các mạng LAN có cấu trúc kiểu này

dung lượng thường bị giới hạn nhiều do suy hao trội, suy hao rẽ nhánh, và suy

hao truyền dẫn gây ra. Các bộ EDFA có thể đuợc dùng để bù suy hao dọc theo

bus. Chúng có thể được dùng như một môi trường truyền dẫn trong ứng dụng

phân bố. Ngoài ra một ưu điểm khác nữa của EDFA trong mạng này là làm tăng

số các trạm và độ dài bus thường bị giới hạn bởi quỹ công suất.

Các mạng LAN kiểu ring dùng cho các ứng dụng tập trung cũng được các

nhà khai thác quan tâm. Sự khác biệt chính giữa LAN bus và LAN ring là mạng

LAN ring cho phép ASE tích luỹ và đi vòng không giới hạn. Vì vậy các EDFA

có tự động điều chỉnh công suất APC có thể được áp dụng trong mạng LAN ring

tự phục hồi. Cuối cùng đặc tính của mạng LAN có cấu trúc hình sao cũng có thể

được tăng cường nhờ các EDFA bằng việc bù được các suy hao cho các bộ ghép

hình sao thụ động.

3.5. Ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo

bước sóng WDM

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của EDFA hiện nay là sử dụng

trên các hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM. Chúng ta sẽ

tìm hiểu sâu hơn về hệ thống này trong phần dưới đây

3.5.1 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

Để nâng cao dung lượng và tốc độ bit truyền và tận dụng tối đa độ rộng

băng thông của sợi quang, người ta sử dụng các công nghệ ghép kênh ở miền tần

70

số quang và tạo ra hệ thống thông tin quang đa kênh. Trong các hệ thống thông

tin quang đa kênh phổ biến nhất là hệ thống thông tin quang ghép kênh theo

bước sóng viết tắt là WDM (wavelength division multilexing).

a. Nguyên tắc làm việc của hệ thống WDM

Hệ thống thông tin quang đa kênh WDM làm việc dựa trên nguyên tắc

ghép nhiều bước sóng quang khác nhau: để truyền dẫn đồng thời

trên một sợi quang thay vì chỉ truyền một bước sóng quang trên một sợi quang

như trong hệ thống đơn kênh.

Nguyên tắc thực hiện: do các vùng cửa sổ truyền dẫn thứ hai ( )

và thứ ba ( ) có tổn hao thấp của sợi quang có băng tần rất rộng:

( ), ( ). Nếu phổ bức xạ của

các laser phát là khá hẹp (với LD đa mode) và bằng (với LD

đơn mode) thì trong mỗi vùng cửa sổ trên có thể ghép nhiều bước sóng phát

khác nhau mà không chồng lấn lên nhau để truyền dẫn đồng thời trên cùng một

sợi quang. Mỗi bước sóng quang được điều chế một luồng tín hiệu điện riêng

gọi là một kênh quang. Do đó hệ thống thông tin quang đa kênh WDM có dung

lượng và tốc độ bit cao gấp nhiều lần so với hệ thống thông tin quang đơn kênh.

Giả sử mỗi kênh có tốc độ bit là B, và hệ thống truyền được N kênh đồng thời,

thì tốc độ bit của cả hệ thống đa kênh WDM là .

b. Cấu hình sơ đồ khối của hệ thống WDM

Tuỳ theo khoảng cách bước sóng giữa các kênh lân cận nhau, mà hệ thống

đa kênh WDM được phân loại thành hệ thống WDM thô và hệ thống WDM dầy

ký hiệu là DWDM (dense wavelength division multilexing). Trong hệ thống

WDM thì khoảng cách bước sóng giữa các kênh lân cận , còn trong hệ

thống DWDM thì . Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và

hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ 0,5nm. Để thuận tiện,

thuật ngữ WDM được dùng để chỉ chung cho cả hai khái niệm WDM và

DWDM.

71

Hệ thống thông tin quang đa kênh WDM có hai cấu hình sơ đồ khối là dạng

ghép kênh quang đơn hướng và ghép kênh quang hai hướng.

- Sơ đồ hệ thống WDM ghép kênh quang đơn hướng. Hình 3.5 mô tả sơ đồ

khối của hệ WDM dạng ghép kênh đơn hướng.

Hình 3.5: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang đơn hướng.

Tại phía máy phát, N kênh quang có bước sóng khác nhau là

từ các máy phát riêng T1 , T2 , T3 ,…TN được đưa đến bộ ghép kênh theo bước

sóng MUX, sau đó tất cả N bước sóng được truyền dẫn đồng thời trên một sợi

quang đi đến phía máy thu. Tại đầu thu, các bước sóng khác nhau đựơc bộ tách

kênh quang DEMUX tách ra thành các bước sóng riêng rẽ rồi đưa đến từng máy

thu quang R1 , R2 , R3 ,…RN dành cho các kênh tương ứng. Việc truyền các kênh

quang theo hướng ngược lại được thực hiện theo sơ đồ tương tự nhưng truyền

trên sợi quang thứ hai khác. Trong sơ đồ dạng ghép kênh đơn hướng các bộ tách

và bộ ghép kênh theo bước sóng chỉ làm việc một chức năng là tách hoặc ghép

độc lập riêng rẽ nhau, nên cấu trúc đơn giản, chất lượng cao, nhưng phải dùng

đến hai sợi quang cho hai hướng đi và về.

- Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang hai hướng. Hình 3.6 mô tả sơ đồ khối

hệ WDM dạng ghép kênh quang hai hướng.

Hình 3.6: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang hai hướng.

72

Trong sơ đồ hệ WDM dạng ghép kênh hai hướng, từ trạm đầu cuối thứ

nhất, các kênh quang bước sóng khác nhau là từ các máy phát T1,

T2,…,TN được đưa vào bộ ghép kênh quang theo bước sóng, rồi truyền trên sợi

quang đến đầu cuối thứ hai. Tại đây chúng được bộ tách kênh theo bước sóng

tách thành các kênh riêng rẽ đi đến từng máy thu tương ứng R1, R2, …RN. Đồng

thời tại trạm đầu cuối này các kênh quang bước sóng khác nhau khác là

từ các máy phát TN+1, TM+2, …TM cũng được đưa đến bộ ghép

kênh theo bước sóng để truyền cũng trên cùng một sợi quang đó nhưng theo

chiều ngược lại đi về phía trạm đầu cuối thứ nhất. Tại đây chúng lại được bộ

tách kênh theo bước sóng tách thành các bước sóng riêng để đi đến các máy thu

tơng ứng RN+1, RM+2, …RM. Do đó tại mỗi đầu cuối hệ phải có các thiết bị làm

nhiệm vụ đồng thời cả ghép kênh lẫn tách kênh quang, gọi chung là bộ tách-

ghép kênh quang MUX-DEMUX. Hệ thống WDM ghép kênh quang hai hướng

có ưu điểm là chỉ cần một sợi quang, nhưng nhược điểm là bộ tách-ghép có cấu

tạo phức tạp, chất lượng đòi hỏi cao, nên giá thành cao.

3.5.2 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

a. Ưu điểm

So với công nghệ truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy

những ưu điểm nổi trội:

- Dung lượng truyền dẫn lớn

Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với

tốc độ bit nào đó (TDM). Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước

sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbps, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbps đã

được thử nghiệm thành công. Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ

bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbps).

- Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống

đơn kênh tốc độ cao.

73

Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn

tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sóng riêng

(kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp. Điều này làm giảm đáng kể

tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sự

phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao.

- Tiết kiệm số lượng đáng kể sợi quang trên tuyến, nên cho phép nâng cao

dung lượng tuyến đã có sẵn mà không cần lắp đặt thêm cáp quang, giảm giá

thành khai thác tuyến.

- Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả

khi hệ thống vẫn đang hoạt động.

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không

phải lắp thêm sợi quang mới (hay cáp quang). Bên cạnh đó nó cũng mở ra một

thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi

hoặc cáp. Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các card mới trong khi hệ

thống vẫn đang hoạt động (plug-in-play).

b. Nhược điểm

- Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang.

Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng

nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang. Cho dù

công nghệ còn phát triển nhưng dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới

hạn.

- Chi phí cho khai thác và bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt

động hơn.

3.5.3 Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM

Tương tự như các hệ thống trước các bộ EDFA sử dụng trong hệ thống

WDM cũng có ba ứng dụng chính đó là: Khuếch đại công suất (Booster

74

Amplifier - BA), tiền khuếch đại (Pre-amplifier - PA) và khuếch đại đường

truyền (Line Amplifier - LA).

Hình 3.7: EDFA sử dụng trong hệ thống WDM.

So với thiết bị đầu cuối thông thường, việc sử dụng các thiết bị khuếch đại

quang (BA, LA, PA) sẽ tăng quỹ công suất lên đáng kể. Với phổ khuếch đại

tương đối rộng (khoảng 35nm), khả năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc

độ và dạng tín hiệu, sử dụng khuếch đại quang rất thuận lợi trong việc nâng cấp

tuyến (tăng tốc độ hoặc thêm kênh bước sóng).

Nhìn chung, sử dụng khuếch đại quang có thể bù lại suy hao trong hệ

thống, như vậy những hệ thống trước đây bị hạn chế về suy hao thì nay có thể

lại bị hạn chế về tán sắc. Trong trường hợp đó, phải sử dụng một số phương

pháp để giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc, ví dụ như sử dụng sợi bù tán sắc hay

sử dụng các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài.

Do đặc điểm khác nhau của các loại thiết bị khuếch đại quang nên mức ưu

tiên sử dụng đối với từng loại cũng có khác nhau:

- LA đòi hỏi phải có một kênh giám sát riêng, hơn nữa thêm các điểm trung

gian vào trên đường truyền cũng làm cho việc bảo dưỡng trở nên phức tạp hơn.

Do đó, mức ưu tiên sử dụng đối với LA là thấp nhất, chỉ trong trường hợp khi

mà dùng cả BA và PA mà vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về quỹ công suất thì

mới sử dụng LA.

75

- Đơn giản nhất là sử dụng BA và PA để tăng quỹ công suất. Tuy nhiên, do

cấu hình của PA phức tạp hơn BA (vì phải sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp

để loại bỏ bớt tạp âm ASE) nên giữa BA và PA thì BA vẫn được ưu tiên sử

dụng hơn.

Một trong các hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch

đại không đồng đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số

khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại bước sóng 1530nm. Hơn

nữa, trong trường hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình

thành một đỉnh khuếch đại khác xung quanh bước sóng 1558nm. Như vậy, với

nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (có

thể là từ 35nm giảm xuống còn 10nm hoặc hơn nữa tuỳ thuộc vào số bộ khuếch

đại liên tiếp nhau).

Hiện nay, để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA người ta có thể sử dụng

một số phương pháp chủ yếu sau:

+ Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại xung quanh bước

sóng 1530nm, và xung quanh bước sóng 1558nm (trong trường hợp có sử dụng

nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền) .

+ Điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bước sóng sao cho tại đầu thu

mức công suất của tất cả các bước sóng này là như nhau (hình 3.8.b).

Hình 3.8: Phổ của tín hiệu quang ở đầu ra hệ thống khi không có điều chỉnh (a)

và khi có điều chỉnh (b) mức công suất của các bước sóng đầu vào.

Dựa vào hệ số khuếch đại tổng của cả chuỗi khuếch đại mà công suất phát

trong mỗi kênh cần thiết lập sao cho bù lại sự thay đổi của hệ số khuếch đại.

76

Mục đích của quá trình cân bằng trước là là đảm bảo tất cả các kênh tại đầu thu

có tỉ số tín hiệu/tạp âm gần bằng nhau và rơi vào dải động cho phép.

Ngoài ra theo tạp chí Lightwave đã có một cải tiến đáng kể trong việc san

bằng và mở rộng phổ khuếch đại của bộ khuếch đại quang. Đó là sự ra đời của

bộ khuếch đại có tên là EDTFA (Erbium-Doped Tellurite-based Fiber

Amplifier) có cấu hình như hình dưới:

Về bản chất thì EDTFA giống như EDFA hay EDSFA, chỉ khác là EDSFA

dựa trên nền bán dẫn Silic, còn EDTFA dựa trên nền bán dẫn Telurrium.

EDTFA cho phép mở rộng phổ khuếch đại lên tới 90nm, từ bước sóng 1530nm -

1620nm (so với 35nm của EDSFA).

Hình 3.9: Cấu hình EDTFA.

3.5.4 EDFA thế hệ mới cho hệ thống WDM

Mặc dù EDFA đã có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng quang

hiện nay nhưng chúng vẫn chưa thể đáp ứng được hết các yêu cầu về độ rộng

phổ và độ phẳng của phổ khuếch đại. Nói chung chúng có độ rộng phổ hầu hết

cỡ độ 35nm (từ 1530nm - 1565nm), nên gọi băng phổ này là băng C

(Conventional). Với những công nghệ mới ra đời trong thị trường WDM, như

các module laser DFB độ rộng phổ cực hẹp, các module quang WDM với

khoảng cách kênh bước sóng rất nhỏ, các loại sợi quang mới (sợi tán sắc cân

bằng, tán sắc dịch chuyển không…) tất cả đều đòi hỏi tới một xu hướng vô cùng

tận về độ rộng phổ băng tần khuếch đại.

77

Điều này đòi hỏi phải cho ra đời các EDFA thế hệ mới với phổ rộng hơn.

Sự ra đời của EDFA băng L (băng rộng: extend band) đã phá bỏ rào cản về băng

tần và mở ra một cửa sổ truyền dẫn WDM mới tại vùng bước sóng 1590nm.

Loại thiết bị khuếch đại mới này đã giúp giảm thiểu đi các vấn đề nảy sinh đối

với mạng truyền dẫn WDM dùng sợi tán sắc dịch chuyển mà ở đó, vấn đề xuyên

kênh tăng rất nhanh bởi tán sắc và khoảng cách kênh bước sóng gần nhau tại

vùng bước sóng 1550nm. Nó cũng tạo thêm một cửa sổ truyền dẫn mới với 80

kênh bước sóng và khoảng cách kênh bước sóng là 50GHz cho hệ thống truyền

dẫn WDM.

BA

bng L

MUX

LA

bng C

PA b

ng C

DEMUX

MUX

LA

bng L

PA b

ng L

DEMUX

BA

bng C

Module ph t cã BA Module khuÕch ®¹i kiÓu LA Module thu cã BA

Hình 3.10: Ứng dụng của EDFA băng C và băng L trong hệ thống WDM.

Như đã phân tích, những tham số quan trọng của một module EDFA là độ

khuếch đại G và hệ số tạp âm NF; không thể tránh khỏi việc các bộ khuếch đại

gây nên tạp âm và tích luỹ suốt hệ thống. Độ suy giảm tỷ số SNR gây ra bởi các

bộ khuếch đại cần được xem xét một cách nghiêm ngặt, đặc biệt là khi khuếch

đại tín hiệu thấp.

KẾT LUẬN

78

Với mục đích nghiên cứu tìm hiểu về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp

Erbium EDFA của hệ thống thông tin quang, đề tài đã được thực hiện và thu

được một số kết quả tốt.

Đầu tiên để tìm hiểu về bộ khuếch đại quang EDFA thì đề tài đi vào tìm

hiểu chung về hệ thống thông tin quang và đã tìm hiểu được về các thành phần

cơ bản của hệ thống thông tin quang, nguyên lý truyền ánh sáng, phân loại, cấu

tạo và thông số của sợi quang, từ đó nói lên được ưu và nhược điểm cơ bản của

sợi quang.

Thứ hai, đề tài đi vào tìm hiểu sâu hơn về hệ thống thông tin quang là bộ

khuếch đại quang, từ nguyên lý hoạt động và các thông số kỹ thuật ta thấy trong

các tuyến truyền thông lớn cự li truyền dẫn dài có suy hao lớn, khi tín hiệu

quang rất yếu không thể truyền đi xa được nữa, bộ khuếch đại quang giúp tái tạo

lại tín hiệu và khuếch đại tín hiệu lên để tín hiệu có thể tiếp tục truyền đi.

Thứ ba, trong hệ thống thông tin quang có nhiều loại khuếch đại, trong đề

tài này ta nghiên cứu về bộ khuếch đại quang EDFA. Đề tài đã nói lên được cấu

trúc cơ bản, nguyên lý hoạt động của EDFA, tính toàn hệ số khuếch đại để thu

được tín hiệu đủ lớn để truyền đi mà đảm bảo nhiễu không cao. Bên cạnh đó

cũng trình bày về phổ khuếch đại và tạp âm trong khuếch đại quang sợi.

Cuối cùng đề tài trình bày về ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi trong

hệ thống thông tin quang WDM. Hiện nay, bộ khuếch đại quang được sử dụng

phổ biến trong nước và cả trên thế giới do nhiều ưu điểm vượt trội của nó. Áp

dụng khuếch đại quang vào hệ thống thông tin quang cho phép mở rộng các dịch

vụ đa truy nhập với tốc độ cao.

Hướng nghiên cứu tiếp theo đề tài này có thể nghiên cứu tìm hiểu thêm về

“lý thuyết về nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium” hay làm đề

tài về 1 thành phần quan trọng khác của hệ thống thông tin quang là “bộ ghép

quang trong hệ thống thông tin quang” hoặc có thể phát triển thêm đề tài này để

nghiên cứu, tính toán “lắp đặt hệ thống thông tin quang liên tỉnh”.

79

Nội dung được trình bày trong đề tài là sự tổng hợp kiến thức mà em dày

công tìm hiểu được qua các tài liệu và qua giáo viên hướng dẫn. Đề tài còn

nhiều thiếu sót, em rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy, cô và các bạn để ngày

càng hoàn thiện hơn.

Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo TS. Kiều Khắc Phương đã truyền đạt

kiến thức, cung cấp tài liệu và tận tình giúp đỡ, chỉ bảo cho em hoàn thành tốt đề

tài của mình.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

80

1. Hệ thống thông tin quang - Vũ Văn San - NXB Bưu điện - 2003.

2. Hệ thống thông tin sợi quang - Phùng văn Vận - NXB KH và KT - 2002.

3. Kỹ thuật thông tin quang 2 - Vũ Văn Việt - Học viện Công nghệ bưu chính

viễn thông hà Nội - 2007.

4. Biswanath Mukherjee, Optical Communication Networks, McGraw-Hill,

1997.

5. Rajiv Ramaswami và Kumar N. Sivarajan, Optical Networks: A Practical

Perspective (3nd Edition), Morgan Kaufmann, 2002.

81