Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quangthông qua c%c nguồn quang trong bộ ph%t quang optical transmitter và được truyền đi H2nh 2.1 Cấu trúc của một trạm lặp quang đi
Trang 1TRƯNG ĐI HC GIAO THÔNG VÂN " T#I
TH$NH PH& H& CH' MINH
B$I TÂ"P L+N
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Đ0 tài t2m hi4u : Khuếch đại quang bán dẫn
TP.HCM ngày 02 th%ng 11 năm 2020
1
Trang 2LI NÓI ĐẦU
Thế kỷ 21 chứng kiến sự ph%t triển vượt bậc của công nghệ thông tin và viễn thôngđặc biệt là c%c hệ thống công nghệ sợi quang.Sự nhảy vọt này có được là nhờ sự ph%t triểncủa công nghệ quang điện tử học sử dụng để khai th%c băng thông cực kỳ tiềm năng của sợquang.Ngày nay c%c hệ thống vận hành với tỷ số bit vượt qua 100Gb/s nhờ c%c kỹ thuậtnhư dồn kênh chia theo bước sóng (WDM)
Công nghệ quang là trung tâm của việc thực hiện hóa c%c hệ thống tương lai nhằmđ%p ứng được nhu cầu thông tin của con người.Những khả năng này bao gồm dải thôngkhông giới hạn tới c%c dịch vụ thông tin kèm theo sự trong suốt hoàn toàn cho phép c%cnâng cấp dung lượng và sự linh hoạt định tuyến của kênh truyền
Nói chung,c%c bộ khuếch đại quang có 2 loại: khuếch đại quang sợi (OFA) vàkhuếch đại quang b%n dẫn (SOA).OFA được sử dụng rộng rãi làm bộ khuếch đại đườngtruyền để bù suy hao sợi quang Tuy nhiên, với c%c ưu điểm trong kỹ thuật chế tạo và thiết
kế linh kiện quang, SOA cho thấy khả năng ứng dụng rất cao.Ngoài ứng dụng làm phần tửkhuếch đại, SOA còn có nhiều ứng dụng kh%c như chuyển mạch quang và chuyển đổibước sóng Những ứng dụng này rất cần thiết cho mạng quang trong suốt vì không cầnchuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện
Mục đích của bài b%o c%o này là cung cấp sự hiểu biết tổng quan về nguyên lý,cấutrúc ứng dụng của c%c bộ khuếch đại, biết được sự liên quan đến việc sử dụng nó trong c%c
hệ thống thông tin quang
Trang 3MỤC LỤC HÌNH #NH
H2nh 2.1 Cấu trúc của một trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) 6
H2nh 2.2 C%c hiện tượng biến đổi quang điện 7
H2nh 2.3 Mô hình tổng qu%t của một bộ khuếch đại quang 9
H2nh 2.4 a) Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào 12
b) Độ lợi khuếch đại theo công suất ngõ ra 12
H2nh 2.5 Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang b%n dẫn SOA 14
H2nh 2.6 Qu% trình khuếch đại tín hiệu xảy ra trong FPA 16
H2nh 2.7 Độ lợi của FPA thay đổi theo tần số 18
H2nh 2.8 Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh trong SOA khi khuếch đại tín hiệu 19
H2nh 2.9 Nguyên tắc khuếch đại 24
H2nh 2.10 Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại RAMAN 25
H2nh 2.11 Cấu tạo của một bộ khuếch đại Raman 26
H2nh 2.12 Hệ số độ lợi khuếch đại Raman theo độ chênh lệch bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm 27
H2nh 2.12.a Dải tần lớn của c%c tín hiệu có thể được khuếch đại một c%ch hiệu quả 27
H2nh 2.12.b Hình dạng băng thông độ lợi tổng 27
H2nh 2.13 Ưu nhược điểm khuếch đại RAMAN 28
H2nh 2.14 So s%nh 3 bộ khuếch đại 28
4
Trang 4CÁC TỪ VIẾT TẮT
DWDM -Dense Wavelength Division Multiplexing- Ghép kênh theo bước sóng quang dàyđặc
DFA -Doped-Fiber Amplifier-Bộ khuếch đại quang sợi được pha tạp chất
-OFA- Optical Fiber Amplifier- Bộ khuếch đại quang sợi
-SOA- Semiconductor Optical Amplifier- Bộ khuếch đại quang b%n dẫn
SRS- Stimulated Ramam Scattering- T%n xạ do bị kích thích Raman
TWA- Traveling Wave Amplifier- Bộ khuếch đại sóng chạy
Trang 5-KHUẾCH ĐI QUANG 2.1.Tổng quang v0 khuếch đại quang
2.1.1.Giới thiệu v0 khuếch đại quang
Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của c%c hệ thống thôngtin quang Đối với c%c hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn về suy hao được khắcphục bằng c%ch sử dụng c%c trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) Trong c%c trạm
nhiều bước Đầu tiên, tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi c%c bộ thuquang (optical receiver) sử dụng linh kiện t%ch sóng quang như PIN hay APD Dòng quangđiện thu được sẽ được t%i tạo lại dạng xung, định thời và khuếch đại bởi c%c mạch phục hồitín hiệu và mạch khuếch đại Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quangthông qua c%c nguồn quang trong bộ ph%t quang (optical transmitter) và được truyền đi
H2nh 2.1 Cấu trúc của một trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater)
C%c trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong c%c hệ thống truyền dẫnquang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, khi sử dụng choc%c hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang
6
Trang 6điện cần được sử dụng để khuếch đại và t%i tạo c%c kênh quang có bước sóng kh%c nhau.Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng gi% thành của hệ thống truyền dẫn quangWDM
Một giải ph%p có thể khắc phục c%c nhược điểm trên của trạm lặp quang điện, đó là
sử dụng c%c bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier) Trong c%c bộ khuếch đại quang này,tín hiệu %nh s%ng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việcbiến đổi sang miền điện So với c%c trạm lặp, c%c bộ khuếch đại quang có c%c ưu điểm sau: -Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch t%i tạo thời gian hay mạchphục hồi (bộ biến đổi E/O hoặc O/E) Do đó khuếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn -Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương thức điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệthống đơn giản hơn
-Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng kh%c nhau cùng truyền trên một sợiquang
2.1.2.Nguyên lý khuếch đại quang
Nguyên lý khuếch đại quang trong c%c bộ khuếch đại quang được thực hiện dựatrên hiện tượng ph%t xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong qu% trìnhkhuếch đại
Hiện tượng ph%t xạ kích thích (stimulated emission) là một trong ba hiện tượng biếnđổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang C%c hiện tượng này được minh họa
trên H2nh 2.2.
Trang 7H2nh 2.2 C%c hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Ph%t xạ tự ph%t (c) Ph%t
xạ kích thích
lệch năng lượng giữa trạng th%i năng lượng cao và trạng th%i năng lượng thấp của điện tử (
2 1
G
năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photonkích thích ban đầu Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng ph%t xạkích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùngphương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp, coherent, của %nhs%ng) Hay nói c%ch kh%c, qu% trình khuếch đại %nh s%ng được thực hiện Hiện tượng nàyđược ứng dụng trong c%c bộ khuếch đại quang b%n dẫn (OSA) và khuếch đại quangsợi(OFA)
Hiện tượng ph%t xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser Tuynhiên, điểm kh%c biệt chính giữa laser và c%c bộ khuếch đại quang là trong c%c bộ khuếchđại quang không xảy hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng Vì nếu xảy ra qu% trình hồi tiếp
và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra c%c %nh s%ng kết hợp củariêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở ngõ vào Nguồn %nh s%ng này được xem lànhiễu xảy ra trong bộ khuếch đại Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tínhiệu %nh s%ng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kếthợp của riêng nó ở ngõ ra
) Khi xảy rahiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng th%i nănglượng cao Hay nói c%ch kh%c, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu
8
Trang 8quang khi đi qua bộ khuếch đại quang Qu% trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượngph%t xạ tự ph%t và ph%t xạ kích thích trong môi trường tích cực (active medium) của bộkhuếch đại.
Hiện tượng ph%t xạ tự ph%t (spontaneous emission), hình 2.2 (b), xảy ra khi một
lượng bền vững của điện tử
Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống (life time) của điện tử ở mứcnăng lượng cao, c%c điện tử sẽ tự động chuyển về trạng th%i năng lượng thấp hơn (trạngth%i năng lượng bền vững) Tùy theo loại vật liệu kh%c nhau, thời gian sống của điện tử sẽkh%c nhau
Cho dù hiện tượng ph%t xạ tự ph%t tạo ra photon %nh s%ng, nhưng trong khuếch đạiquang, ph%t xạ tự ph%t không tạo ra độ lợi khuếch đại Nguyên nhân là do hiện tượng nàyxảy ra một c%ch tự ph%t không phụ thuộc vào tín hiệu %nh s%ng đưa vào bộ khuếch đại.Nếu không có %nh s%ng tín hiệu đưa vào, vẫn có năng lượng %nh s%ng được tạo ra ở ngõ racủa bộ khuếch đại Ngoài ra, %nh s%ng do ph%t xạ tự ph%t tạo ra không có tính kết hợp nhưhiện tượng ph%t xạ kích thích Do vậy, ph%t xạ tự ph%t được xem là nguyên nhân chính gâynhiễu trong c%c bộ khuếch đại quang Loại nhiễu này được gọi là nhiễu ph%t xạ tự ph%tđược khếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise)
2.1.3 Phân loại khuếch đại quang
Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang cA th4 được bi4u diễn như H2nh 2.3.
Trang 9H2nh 2.3 Mô hình tổng qu%t của một bộ khuếch đại quang
Trong một bộ khuếch đại quang, qu% trình khuếch đại %nh s%ng được diễn ra trongtrong một môi trường được gọi vùng tích cực (active medium) C%c tín hiệu quang đượckhuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộc vào năng lượng được cungcấp từ một nguồn bên ngoài gọi chung là nguồn bơm (Pump Source) C%c nguồn bơm này
có tính chất như thế nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói c%ch kh%c phụ thuộcvào cấu tạo của vùng tích cực Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đạiquang thành hai loại chính:
Khuếch đại quang b%n dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier):
- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu b%n dẫn
- Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laser b%ndẫn Điểm kh%c biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạng th%i dưới mứcngưỡng ph%t 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)
10
Trang 10- Nguồn bơm là năng lượng %nh s%ng được cung cấp bởi c%c laser có bước sóngph%t quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại.
- Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm củanguồn bơm và vùng %nh s%ng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi Một số loại OFA tiêubiểu:
+ 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 hoặc1400nm
Trong c%c loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có nhiều ưuđiểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng %nh s%ng khuếch đại (1530nm-1565nm)thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ caoDWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)
Cả hai loại khuếch đại quang SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên hiện tượngph%t xạ kích thích Ngoài ra, một loại khuếch đại quang kh%c cũng được sử dụng nhiềutrong c%c hệ thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman Loại khuếch đại này cũng sửdụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại %nh s%ng Tuy nhiên, nguyên lý khuếchđại của khuếch đại Raman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang (hiện tượng t%n xạRaman được kích thích SRS, Stimulated Raman Scattering) hơn là hiện tượng ph%t xạ kíchthích
2.1.4 Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang
a) Độ lợi (Gain)
Độ lợi của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở ngõ ra chia chocông suất quang ở ngõ vào
Trang 11Độ lợi là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại Nó đặc trưng cho khả năng khuếchđại công suất %nh s%ng của bộ khuếch đại Tuy vậy, độ lợi của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi c%c cơ chế bão hòa độ lợi Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của
bộ khuếch đại
b) Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth)
Độ lợi của bộ khuếch đại quang không bằng nhau cho tất cả c%c tần số của tín hiệuquang vào Nếu đo độ lợi G của c%c tín hiệu quang với c%c tần số kh%c nhau, một đ%p ứngtần số quang của bộ khuếch đại G(f) sẽ đạt được Đây chính là phổ độ lợi của bộ khuếchđại quang
truyền bởi một bộ khuếch đại quang Do đó, ảnh hưởng đến hoạt động của c%c hệ thốngthông tin quang khinsử dụng chúng như c%c bộ lặp hay bộ tiền khuếch đại
c) Công suất ngõ ra bảo hòa (Saturation Output Power)
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến tính
Tuy nhiên, công suất ngõ rakhông thể tăng mãi được Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất cả c%c bộ khuếch
12
Trang 12quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với tính hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạngth%i bảo hòa Sự thay đổi của tín hiệu quang ngõ ra so với công suất quang ngõ vào ở được
minh họa trong H2nh 2.4 a.
H2nh 2.4 a) Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào b) Độ lợi khuếch đại theo công
Công suất ra bảo hòa Psat, out của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất ngõ
ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó có thể hoạt động được Thông thường, một bộkhuếch đại quang có độ lợi cao sẽ có công suất ra bão hòa cao bởi vì sự nghịch đảo nồng
d) Hệ số nhiễu (Noise Figure)
Giống như c%c bộ khuếch đại điện, c%c bộ khuếch đại quang đều tạo ra nhiễu.Nguồn nhiễu chính trong c%c bộ khuếch đại quang là do ph%t xạ tự ph%t Vì sự ph%t xạ tựph%t là c%c sự kiện ngẫu nhiên, pha của c%c photon ph%t xạ tự ph%t cũng ngẫu nhiên Nếuphoton ph%t xạ tự ph%t có hướng gần với hướng truyền của c%c photon tín hiệu, chúng sẽtương t%c với c%c photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và biên độ Bên cạnh đó,
Trang 13Pout bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại và công suất nhiễu ph%t xạ tự ph%tđược khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).
Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt Gi% trị nhỏ nhất của NF cóthể đạt được là 3dB Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số nhiễu tối thiếu này được gọi làđang hoạt động ở giới hạn lượng tử
Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, c%c bộ khuếch đại quang cònđược đ%nh gi% dựa trên c%c thông số sau:
- Độ nhạy phân cực (Polarization sensitivity) là sự phụ thuộc của độ lợi của bộ khuếch đại vào phân cực của tín hiệu
- Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ lợi và băng thông độ lợi
- Xuyên nhiễu (crosstalk)
2.1.5 Ứng dụng của khuếch đại quang
Khuếch đại quang được ứng dụng trong c%c c%c hệ thống truyền dẫn quang như c%c
bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc phụcsuy hao do sợi quang và c%c mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền Tùy theo vị trí lắp đặt,c%c bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại:
Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngaysau thiết bị ph%t nhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu quang đến mức cao nhất để
14
Trang 14làm cho khoảng c%ch truyền cực đại Yêu cầu của c%c bộ khuếch đại công suất là tạo racông suất đầu ra cực đại chứ không phải độ lợi cực đại vì công suất tín hiệu ngõ vào lớn.Khuếch đại đường dây (In-line Amplifier): là c%c bộ khuếch đại quang được đặttrên tuyến quang nhằm mục đích bù mất m%t công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao dokết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng C%c bộ khuếch đại đườngdây có thể được lắp đặt nối tiếp nhau trên đường truyền để gia tăng khoảng c%ch lắp đặt.Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp c%c bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ số SNR ảnhhưởng đến chất lượng của hệ thống truyền dẫn quang.
Tiền khuếch đại (Preamplifier): là c%c bộ khuếch đại quang được đặt ngay trướcthiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tín hiệu được đưa vào thiết bị.Điều này làm giảm yêu nghiêm ngặt của độ nhạy thiết bị thu và cho phép hệ thống truyềndẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao hơn Do vị trí lắp đặt, c%c bộ tiền khuếch đại hoạtđộng với công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao Do vậy, yêu cầu của một
bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, độ lợi lớn và nhiễu thấp
Ngoài c%c ứng dụng chính làm c%c bộ khuếch đại trên đường truyền quang, c%c bộkhuếch đại quang SOA và OFA còn được sử dụng trong c%c bộ chuyển đổi bước sóng
2.2 BỘ KHUẾCH ĐI QUANG BÁN DẪN (SOA):
2.2.1 Cấu trúc v1 nguyên lý hoạt động:
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang b%n dẫn SOA(Semiconductor Optical Amplifier) tương tự như laser b%n dẫn Nghĩa là cũng dựa vào hệthống hai dải năng lượng của chất b%n dẫn và c%c qu% trình biến đổi quang điện: hấp thụ(absorption), ph%t xạ tự ph%t (spontaneous emission) và ph%t xạ kích thích (stimulatedemission) Trong đó, tín hiệu quang được khuếch đại dựa trên hiện tượng ph%t xạ kíchthích xảy ra trong vùng tích cực của SOA Vùng tích cực này được đặt giữa hai lớp b%ndẫn loại n va p (xem hình 2.5) Nguồn bơm bên ngoài được cung cấp bởi dòng điện phâncực