nghiên cứu hệ thống thông tin sợi quang wdm và tính toán nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu tuyến

ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu phát xạ tự phát DBR Distributed Bragg Reflector Laser phản xạ Bragg phân tán DFB Distributed Feedback Laser hồi tiếp phân tán DRA Distributed Ram

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép củabất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm tôi xin chịu mọi hìnhthức kỷ luật của Khoa

Sinh viên ký tên

Mục Lục

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

CÁC TỪ VIẾT TẮT v

MỞ ĐẦU vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WDM……… 10

1.1 Giới thiệu chương……….10

1.2 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM……….… 10

1.2.1 Sự ra đời của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM……….10

1.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống WDM……… ……….…… 12

1.2.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM……… 13

1.2.3.1Sợi quang……… … 13

1.2.3.2Bộ phát quang……… …….14

1.2.3.3Bộ thu quang……… …… 16

1.2.3.4 Bộ tách/ghép kênh – MUX/DEMUX……… … 19

1.2.3.5 Bộ tách ghép tín hiệu quang – Couplers……… …… 19

1.2.3.6 Bộ cách ly Isolators/Circulators……… …… 19

1.2.3.7 Bộ lọc quang ……….20

1.2.4 Ưu điểm ghép kênh theo bước sóng WDM 21

1.2.4.1 Ưu điểm ……… ….… 21

1.2.4.2 Nhược điểm……….….… 21

1.3 Kết luận chương……….…….….22

CHƯƠNG 2 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA………… ……….23

2.1 Giới thiệu chương……… 23

2.2 Tổng quan về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium – EDFA…23 2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang ……….….23

2.2.2 Khái niệm bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium – EDFA………….25

2.2.3 Cấu tạo bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium – EDFA………….26

2.2.4 Sự phân bố năng lượng của ion Er+3……… 28

2.2.5 Nguyên lí hoạt động của bộ khuếch đại EDFA……… 29

2.2.5.1 Nguyên lí hoạt động của bộ EDFA ……… 29

2.2.5.2 Đặc điểm nguồn bơm……….……….31

2.2.6 Các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA……… .31

2.2.6.1 Dải khuếch đại ……… 31

2.2.6.2 Hệ số khuếch đại ……… 33

2.2.6.3 Công suất ra bão hoà……….….34

2.2.6.4 Hệ số nhiễu ……… … ….35

2.2.7 Các yêu cầu về nguồn bơm ……….… 36

2.2.7.1 Bước sóng bơm……….….….36

2.2.7.2 Hướng bơm……….…………37

2.2.7.3 Công suất bơm……… 38

2.2.7.4 Đặc tính về sự bão hòa ……… 38

2.2.8 Ưu nhược điểm của bộ khuếch đại EDFA……….39

2.2.8.1 Ưu điểm……… 39

2.2.8.2 Nhược điểm……… 39

2.3 Kết luận chương ……… 39

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT NHIỄU VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG WDM……… 41

3.1 Giới thiệu chương……….41

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng của sợi quang ảnh hưởng đến hệ thống WDM ……… …41

3.2.1 Suy hao trong sợi quang……… ….41

3.2.1.1 Khái niệm……… 41

3.2.1.2Các nhân tố gây suy hao………42

3.2.2 Tán sắc……… 42

3.2.2.2 Các loại tán sắc……….43

3.2.2.3 Vấn đề bù tán sắc cho tuyến DWDM……… 43

3.2.3 Các hiệu ứng phi tuyến……….43

3.2.3.1 Khái niệm ………43

3.2.3.2 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến……….43

3.3 Khảo sát nhiễu phát xạ tự phát ASE……… 44

3.3.1 Khái niệm……… 44

3.3.2 Nhiễu ASE trong hệ thống WDM có các EDFA mắc chuỗi…………45

3.3.3 Nhiễu ASE tích lũy trong hệ thống WDM……… 47

3.3.4 Mô phỏng và thảo luận về nhiễu phát xạ tự phát ASE……….…48

3.3.3.1 Xây dựng hệ thống khảo sát……….49

3.3.3.2 Các kết quả mô phỏng và thảo luận……….49

3.4 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM……… 51

3.4.1 Khái niệm……… 51

3.4.2 Khảo sát nhiễu FWM………53

3.4.3 Khảo sát công suất nhiễu FWM trong hệ thống WDM sử dụng EDFA mắc chuỗi 55

3.4.4 Mô phỏng và thảo luận về hiệu ứng trộn bước sóng FWM………….57

3.4.4.1 Xây dựng hệ thống khảo sát……….….57

3.4.4.2 Các kết quả mô phỏng và thảo luận……… 58

3.5 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR 64

3.5.1 Khái niệm 64

3.5.2 Khảo sát tỉ số OSNR 64

3.5.3 Mô phỏng và thảo luận về sự biến thiên tỉ số tín hiệu trên nhiễu OSNR ………65

3.6 Kết luận chương 66

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG VÀO TÍNH TOÁN TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN

VINH – HÀ NỘI…… ……….… 68

4.1 Giới thiệu chương 68

4.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán 68

4.2.1 Lưu đố thuật toán tính nhiễu phát xạ tự phát ASE 70

4.2.2 Lưu đồ thuật toán tính nhiễu bốn bước sóng FWM……….………….71

4.2.3 Lưu đồ thuật toán tính tỉ số OSNR……… 73

4.3 Ứng dụng tính toán tối ưu tuyến cáp quang Vinh – Hà nội……… 74

4.3.1 Sơ đồ tổng quan tuyến cáp quang Vinh – Hà nội……… 74

4.3.2 Kết quả mô phỏng tính toán tối ưu……… …… …….74

4.4 Kết luận chương……….… 77

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI……… 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….… 81

PHỤ LỤC……… … 82

CÁC TỪ VIẾT TẮT

APD Avalanche photodiode Photodiode thác lũ

ASE Amplified Spontaneous

Emission

Nhiễu phát xạ tự phát

DBR Distributed Bragg Reflector Laser phản xạ Bragg phân tán

DFB Distributed Feedback Laser hồi tiếp phân tán

DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman phân bố

DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Rayleigh kép

DWDM Densen Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao

EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang pha tạp Erbium

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang pha tạp

Erbium

FWM Four wave mixing Nhiễu trộn bốn bước sóng

GFF Gain Flat Filter Bộ lọc làm phẳng hệ số khuếch

đại

HFA Hybrid Fiber Amplifier Bộ khuếch đại ghép lai giữa

EDFA và Raman

NZDSF Non-Zero Dispersion Shift

Fiber

Sợi quang có độ dịch tán sắc khác không

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang

OTDM Optical Time Division

SE Spotaneous Emission Hiện tượng phát xạ tự phát

SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích

TFF Thin Film Filter Bộ lọc khoang màng mỏng

điện môi

VOA Variable Optical Attenuator Bộ suy hao điều chỉnh được

XPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha

Đáp ứng được nhu cầu tăng dung lượng trong hệ thống thông tin quang đòihỏi những giải pháp khuếch đại tín hiệu quang trên đường truyền cần được chú

trọng trong tính toán và thiết kế Với những ưu điểm của bộ khuếch đại EDFA,giải pháp sử dụng các bộ khuếch đại EDFA mắc chuỗi hiện rất phổ biến và hiệuquả

Trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM sử dụng các EDFA mắcchuỗi, khi số kênh truyền và được truyền đi với khoảng cách xa hàng ngàn kmthì nhiễu phát xạ tự phát ASE sẽ tăng lên rất lớn dưới sự tác động của số lượnglớn các bộ EDFA mắc chuỗi, cùng với hiệu ứng trộn bước sóng FWM – hiệuứng phi tuyến sợi đóng vai trò lớn nhất – cũng tăng lên rất lớn gây ảnh hưởngngiêm trọng tới chất lượng hệ thống Vì vậy, vấn đề tính toán xác định các thông

số hệ thống : các hệ số khuếch đại, công suất phát nhằm nâng cao tỉ số tín hiệutrên nhiễu là rất quan trọng, nhằm nâng cao chất lượng hệ thống WDM Do đó,

đồ án lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống thông tin sợi quang WDM và tính toán nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu tuyến Vinh–Hà nội”.

Nội dung chính của đồ án này tiến hành xây dựng thuật toán tính toán cácloại nhiễu chính trong hệ thống, tính tỉ số tín hiệu trên nhiễu OSNR và từ đó xâydựng thuật toán tối ưu nhằm xác định các thông số của hệ thống tương ứng với tỉ

số OSNR lớn nhất, ứng dụng vào tính toán tối ưu cho tuyến cáp quang Vinh-Hànội Các thuật toán được thực hiện trên phần mềm Matlab

Với mục tiêu nêu trên, nội dung đồ án sẽ bao gồm bốn chương sau:

- Chương 1: Tổng quan về hệ thống WDM

- Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi EDFA

- Chương 3: Khảo sát nhiễu và ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống WDM

- Chương 4: Ứng dụng thuật toán tính toán nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu

cho tuyến cáp quang Vinh-Hà nội

Kết thúc nội dung đồ án, cần đạt được những kết quả:

- Tích lũy được kiến thức lý thuyết về khái niệm, nguyên lý hoạt động, các thànhphần cơ bản và những đặc điểm của hệ thống WDM

- Hiểu cơ sở lý thuyết về bộ khuếch đại quang sợi EDFA và các yếu tố ảnhhưởng đến chất lượng tín hiệu hệ thống thông tin WDM khi sử dụng các EDFAmắc chuỗi.

- Nắm vững nguyên tắc thực hiện thuật toán nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễucho tuyến cáp quang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WDM1.1 Giới thiệu chương

Trong những năm gần đây, nhu cầu giải trí và trao đổi thông tin toàn thếgiới ngày càng tăng cao về phạm vi phục vụ, chất lượng dịch vụ cũng như đadạng về loại hình,nổi bật là các dịch vụ thoại video, internet băng thông rộng,truyền hình Để đáp ứng nhu cầu đó, hệ thống thông tin quang đa kênh ra đờivới hai kĩ thuật ghép kênh chủ yếu là OTDM và WDM, cùng với những đặcđiểm ưu việt của chúng

Trong chương này nhằm tìm hiểu tổng quan về thông tin quang ghép kênhtheo bước sóng WDM bao gồm:

• Sự ra đời của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM

• Sơ đồ khối của hệ thống WDM

• Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bướcsóng WDM, bao gồm: bộ phát quang, bộ thu quang, cáp sợi quang, bộkhuếch đại quang EDFA và các thành phần khác

• Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống thông tin quang ghép kênh theobước sóng WDM

1.2 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM

1.2.1 Sự ra đời của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM

Ghép kênh quang ra đời nhằm mục đích tận dụng triệt để băng tần rất lớncủa sợi quang, nhờ đó tăng dung lượng kênh, tạo điều kiện xây dựng các tuyếntruyền dẫn tốc độ cao - điều các hệ thống ghép kênh điện truyền thống không thểđáp ứng được

Về phương diện kỹ thuật, các hình thức ghép kênh quang cơ bản được sửdụng bao gồm :

+ Ghép kênh quang theo bước sóng WDM

+ Ghép kênh quang theo thời gian OTDM

+ Ghép kênh quang theo tần số OFDM

Trong đó, kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM được sử dụng phổ biến

nghĩa là kĩ thuật truyền dẫn đồng thời nhiều bước sóng tín hiệu quang trong cùngmột sợi quang.

Hệ thống WDM bao gồm những thành phần chính: bộ phát/thu tín hiệu, bộghép/tách tín hiệu quang MUX/DEMUX, các bộ khuếch đại và sợi quang truyềndẫn

Trong hệ thống WDM, các bước sóng được lựa chọn sử dụng sao cho manglại hiệu quả truyền dẫn tối ưu nhất, chẳng hạn sử dụng bước sóng 1310nm vàbước sóng 1550nm hoặc sử dụng bước sóng 850nm và bước sóng 1310nm.Ngoài ra, qua quá trình phát triển cho ra hệ thống WDM Về nguyên lý hệthống WDM hầu như không có khác biệt gì so với hệ thống WDM Hệ thốngWDM đây là công nghệ ghép kênh theo bước sóng với mật độ rất cao, có khi lêntới hàng nghìn, cung cấp dung lượng rất lớn Công nghệ ghép kênh phân chiatheo bước sóng với khoảng cách giữa các sóng mang nhỏ Thông thường cácsóng mang được sử dụng trong cửa sổ có bước sóng trung tâm là 1550nm Vớicông nghệ ghép kênh WDM, hệ thống có thể sử dụng cùng lúc từ 8 đến 160bước sóng truyền trên cùng một sợi quang WDM thường được sử dụng với cáctuyến truyền dẫn có khoảng vượt lớn

1.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống WDM

Nguyên lý cơ bản của việc ghép kênh quang theo bước sóng được minhhọa như hình dưới đây

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang WDM

Nguyên lí cơ bản của WDM là ghép n bước sóng λ1 λn, phía phát sử dụngnguồn quang bằng LD hoặc LED Mỗi nguồn quang có bước sóng riêng Tínhiệu qua bộ ghép kênh Mux và truyền dẫn trên cùng một sợi quang, đầu thu bộtách kênh quang Demux sẽ phân tách và thu nhận các bước sóng đó

Ánh sáng đầu ra của bộ LD hoặc LED chiếu vào thiết bị ghép bước sóng MUX

có thể là cách tử G và P thành một luồng chung có n bước sóng truyền qua sợiquang Tại đầu thu sử dụng bộ tách bước sóng DEMUX để tách riêng rẽ từngbước sóng Mỗi bước sóng được đưa vào một diode tách quang để tách luồng tínhiệu số

Ngoài ra, còn tồn tại các thiết bị có khả năng đảm nhận cả hai nhiệm vụtách và ghép bước sóng quang đó là các bộ MUX-DEMUX, ứng dụng cho cácnhu cầu truyền dẫn theo hai hướng

Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóngquang:

+ Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng : là kết

hợp các bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tách chúng để

chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia hình 1.2

+ Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo hai hướng, có nghĩa

là có thể phát thông tin theo một hướng theo bước sóng λ1 và đồng thời cũng

phát thông tin theo hướng ngược lại tại bước sóng λ2, hình 1.3

Thu λ2

Thu λn

λ1 ,λ2,…,λn

Sợi quangThiết bị

WDM

(MUX)

Thiết bị WDM

Thu λ

k+1, , λn

Thiết bị WDM

(MUX-DEMUX)

Kênh vào

Đóng vai trò truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu, ít gây méo tín hiệu

so với thông tin vi ba và thông tin vệ tinh Một trong những ưu điểm của sợiquang là tổn hao trong sợi nhỏ

a Cấu trúc của sợi quang

Về cơ bản thì sợi quang bao gồm 2 lớp:

- Lớp trong có dạng hình trụ tròn làm bằng thuỷ tinh được gọi là lõi

- Lớp ngoài cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi được gọi là lớp bọc, thường làmbằng thuỷ tinh hoặc plastic

- Lớp bọc có chiết suất nhỏ hơn lõi sợi

b Phân loại sợi quang

Để phân loại sợi quang có thể dựa vào phân bố chiết hoặc số mode truyềntrong sợi quang

Các chuẩn của sợi đơn mode: ITU-T khuyến nghị sử dụng bốn chuẩn sợiquang đơn mode G.652, G.653, G.654, G.655

- G.652 (NDSF): Là chuẩn về sợi đơn mode thuộc tính tối ưu cho bước sóng

1310nm hay sợi quang có độ tán sắc không thay đổi

- G.653 (DSF): Là chuẩn về sợi quang đơn mode dịch “giá trị tán sắc zero” đến

bước sóng 1550nm để đạt mức suy hao nhỏ nhất trên đặc tuyến sợi quang.ChuẩnG.653 được sử dụng cho các đường truyền rất dài và tốc độ rất cao

- G.654: Là chuẩn về sợi đơn mode “giá trị tán sắc zero” tại bước sóng 1310nm

để tận dụng độ tán sắc nhỏ nhất Sợi G.654 được sử dụng cho những tuyếnquang biển với khoảng cách giữa các trạm tái tạo là rất lớn

- G.655 (NZDSF): Là chuẩn về sợi đơn mode với tán sắc dịch chuyển đến vùng

bước sóng 1550nm có giá trị khác không để tránh hiện tượng trộn bốn bước sóngkhi truyền thông tin bằng cách ghép nhiều bước sóng Đây là chuẩn thích hợpnhất cho hệ thống WDM

1.2.3.2 Bộ phát quang

Bộ phát quang (còn được gọi là nguồn phát quang) là thiết bị có nhiệm vụnhận tín hiệu điện, biến tín hiệu điện thành tín hiệu quang và truyền lên sợiquang để truyền tín hiệu đi

Hiện nay người ta đã chế tạo ra các loại nguồn phát quang là diode phátquang LED và laser diode LD Trong hệ thống WDM đang sử dụng nguồn phátquang là laser diode Có 2 nguồn phát laser đang được dùng phổ biến là laser hồitiếp phân bố DFB và laser phản xạ Bragg phân bố DBR

a Laser hồi tiếp phân bố DFB

Cấu trúc của laser DFB được biểu diễn như hình dưới đây

Trong đó, quá trình cộng hưởng và chọn lọc tần số xảy ra trong laser DFBđược thực hiện nhờ cấu trúc cách tử Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo vùng tíchcực của laser Sóng ánh sáng phát xạ trong laser lan truyền dọc theo vùng tíchcực và phản xạ tại mỗi đoạn dốc của cách tử Điểu kiện để sự phản xạ và cộnghưởng xảy ra là bước sóng ánh sáng phải thỏa điều kiện Bragg:

λ = ΛB 2 .neff (1.1)Trong đó: Λ là chu kỳ của cách tử Bragg, neff =n.sinθ với n là chiết suất của

cách tử và θ là góc phản xạ của ánh sáng

Laser chỉ phát xạ ánh sáng có bước sóng thỏa điều kiện Bragg, do đó LaserDFB chỉ phát ra một mode sóng có độ rộng phổ rất hẹp

b Laser phản xạ Bragg phân bố DBR

Cấu trúc của laser DBR được biểu diễn như hình dưới đây

Hình 1.4 Cấu trúc Laser hồi tiếp phân bố DFB

Tương tự như laser hồi tiếp phân bố DFB, laser phản xạ Bragg phân bốDBR cũng ứng dụng cấu trúc cách tử Bragg Tuy nhiên trong laser DBR, cách tửBragg không được đặt bên cạnh, dọc theo lớp tích cực như laser DFB mà đượcđặt hai đầu vùng tích cực, đóng vai trò như gương phản xạ của hốc cộng hưởngnhư trong laser FP

Với cấu trúc như trên, ưu điểm lớn của laser DBR là chỉ có một bước sóngthỏa điều kiện Bragg mới có thể được phản xạ lại và cộng hưởng trong vùng tíchcực thay vì nhiều bước sóng như laser FP Do đó, phổ của laser DBR chỉ là mộtmode sóng có độ rộng phổ hẹp

1.2.3.3 Bộ thu quang

a Khái niệm

Bộ thu quang có nhiệm vụ thu bức xạ quang (hay năng lượng photon) vàbiến tín hiệu quang thành tín hiệu điện Chúng được chia làm hai nhóm:

Nhóm 1: Năng lượng photon đầu tiên được biến đổi thành nhiệt năng, sau

đó mới biến đổi thành điện Nguyên lý này hầu như không được ứng dụng trongviễn thông

Nhóm 2: Năng lượng được biến đổi trực tiếp từ photon ánh sáng thànhđiện, được gọi là linh kiện tách quang điện tử (linh kiện tách sóng quang)

Hiện nay các bộ thu quang thường sử dụng các linh kiện tách sóng quanglà:

- PIN: loại diode thu quang gồm 3 lớp P, I, và N trong đó P và N là 2 lớp bán

có pha tạp còn I là lớp không pha tạp hoặc pha tạp nồng độ thấp

Hình 1.5 Cấu trúc Laser hồi tiếp phân bố DFB

Hình 1.6 Cấu trúc PIN

- APD - Diode thu quang có độ nhạy và tốc độ cao

Hình 1.7 Cấu trúc APD

b Các thông số cơ bản của linh kiện tách sóng quang

• Hiệu suất lượng tử

Hiệu suất lượng tử được định nghĩa bằng tỉ số giữa số lượng điện tử đượctạo ra với số photon tới

e

p

n n

η= (1.2)

Trong đó n elà số lượng điện tử được tạo ra và n plà số photon tới

Hay có thể suy ra rằng

e

p

r r

Do biểu thức hiệu suất lượng tử không liên quan tới năng lượng photon nên đểbiểu thị đặc trưng chỉ tiêu một photodetector thường sử dụng đáp ứng đáp ứngđược định nghĩa như sau:

0( / W)

p I

P

= (1.4)

Trong đó:

I p: dòng photon ngõ ra (Ampere (A))

P0: công suất quang tới (W)

Đáp ứng là một đại lượng rất hữu ích, cho biết đặc trưng chuyển đổi củalinh kiện tách sóng (tức là dòng photon trên một đơn vị công suất tới)

• Độ nhạy

Độ nhạy được định nghĩa là mức công suất quang bé nhất yêu cầu ở đầu thiđể đạt được tiêu chí chất lượng cho trước, tiêu chí này có thể là tỉ số tín hiệu trênnhiễu S/N hay tỉ lệ lỗi bit BER Độ nhạy thường kí hiệu là S, đơn vị dBm

• Dải thông

Dải thông của linh kiện thu quang là khoảng chênh lệch giữa mức công suấtcao nhất và thấp nhất mà linh kiện có thể thu nhận được trong một giới hạn tỉ sốlỗi nhất định

• Nhiễu

Nhiễu trong linh kiện thu quang thường được thể hiện dưới dạng dòng, gọi

là dòng nhiễu Nhiễu này được chia làm 3 loại chính đó là nhiễu nhiệt, nhiễulượng tử và nhiễu dòng tối

+ Nhiễu nhiệt: là nhiễu gây ra do điện trở tải của diode thu quang cũng như trởkháng đầu vào của bộ tiền khuếch đại Nhiễu nhiệt It phụ thuộc vào nhiệt độ, bềrộng băng nhiễu và điện trở tải theo công thức:

Trong đó: K=1.38.10-23 J/oK (hằng số Boltzman), T là nhiệt độ tuyệt ddoois, B là

bề rộng băng (Hz) và R là điện trở tải (Ω)

+ Nhiễu lượng tử: sinh ra do sự biến động ngẫu nhiên năng lượng của các photonđập vào diode thu quang

+ Nhiễu dòng tối: Khi chưa có công suất uang đưa vào photodetector nhưng vẫntồn tại một lượng dòng điện nhỏ chảy trong mạch, được gọi là nhiễu dòng tối.Nhiễu này phân phối đến toàn hệ thống và cho sự dao động ngẫu nhiên Nhiễudòng tối được xác định:

1.2.3.5 Bộ tách ghép tín hiệu quang – Couplers

Được sử dụng để kết hợp tín hiệu được truyền đến từ những sợi quang khácnhau Nếu coupler chỉ cho ánh sáng đi qua theo một chiều, ta gọi là coupler đơnhướng Nếu nó cho cả hai chiều đi qua thì gọi là coupler song hướng

a Các coupler thông dụng:

- Coupler FBT (Fused Binconnical Taper) là loại coupler phổ biến nhất, đượcchế tạo bằng cách hai sợi quang gần nhau sau đó nung chảy để chúng vừa kếthợp vừa kéo dãn để tạo thành vùng ghép

- Bộ chia (splitter) và một bộ nối (combiner) là các thiết bị chia tín hiệu quangtrong một sợi ra hai hoặc nhiều sợi hoặc ngược lại.

b Bộ xen ghép kênh xen rớt quang OADM (Optical Add Drop Multiplexer)

OADM là thiết bị dùng trong hệ thống WDM dùng để tách/ghép và địnhtuyến cho các tín hiệu quang vào ra trong sợi quang đơn mode

1.2.3.6Bộ cách ly Isolators/Circulators

a Giới thiệu

Phần lớn các linh kiện quang là các thiết bị thuận nghịch, nghĩa là thiết bị

sẽ hoạt đông theo cùng một kiểu nếu đảo đầu vào và đầu ra với nhau Isolator làthiết bị không thuận nghịch và chỉ cho phép ánh sáng truyền theo một chiều vàkhông cho phép truyền theo chiều ngược lại Nó thường được sử dụng tại cácđầu ra thiết bị quang để tránh sự phản xạ ngược trở lại

Hình 1.9 Nguyên lí Isolator

b Hoạt động của bộ Isolator

Hình 1.10 Nguyên lí hoạt động của IsolatorGiả sử ánh sáng truyền đến là bộ phân cực dọc, truyền đến bộ phân cực sẽlàm cho chỉ sóng phân cự dọc đi qua Bộ quay Faraday thực hiện quay pha 45 dộkhông phân biệt chiều ánh sáng đến Bộ phân cực cuối cùng chỉ có sóng phân

cực 45 độ đi qua Như vậy bộ Isolator chỉ cho ánh sáng đi theo chiều từ trái quaphải, ở chiều ngược lại ánh sáng không thể qua được bộ phân cực thứ hai.

1.2.3.7 Bộ lọc quang

a Khái niệm:

Bộ lọc quang là thiết bị quang chỉ cho một kênh bước sóng đi qua và khóavới tất cả các kênh khác Nguyên lý cơ bản nhất của bộ lọc là sự giao thoa củacác tín hiệu, bước sóng hoạt động của bộ lọc sẽ được cộng pha nhiều lần khi điqua còn các kênh bước sóng còn lại sẽ bị triệt tiêu

b Một số bộ lọc đang dùng hiện nay:

- Bộ lọc cách tử kiểu sợi quang

- Bộ lọc Fabry-Perot

- Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF)

- Bộ lọc Mach-Zehnder

- Bộ lọc cách tử ống dẫn sóng sóng ma trận (AWG)

- Bộ lọc quang- âm điều chỉnh được (AOTF)

1.2.4 Ưu và nhược điểm của hệ thống WDM

1.2.4.1 Ưu điểm

a Băng thông và khả năng mở rộng: Băng thông trên một sợi quang tăng

tương ứng với số bước sóng được ghép và truyền đi Với những tiến bộ trongthời gian không xa hứa hẹn sẽ nâng tốc độ truyền đáp ứng hàng Tbps

b Tính trong suốt: do WDM là kiến trúc xây dựng ở lớp vật lý trong mô

hình OSI nên nó hỗ trợ tất cả các định dạng số liệu ở các lớp cao hơn như ATM,Ethernet, chuyển mạch kênh, IP…

c Tính kinh tế và dễ dàng trong nâng cấp: WDM có thể nâng cấp để cho

mạng nhanh chóng đạt được đòi hỏi về dung lượng dựa trên những vòng (ring)SONET/SDH sẵn có mà chỉ cần thay đổi thiết bị đầu cuối thay vì lắp đặt tuyến

mới Số sợi quang trên tuyến sẽ giảm xuống kéo theo số lượng bộ lặp cũng nhưchi phí lắp đặt vận hành và bảo trì vì một bộ khuếch đại quang có thể khuếch đạitất cả các kênh trên một sợi WDM mà không cần phải điều chế và xử lý riêng.WDM đơn giản hóa việc nâng dung lượng mạng, chỉ cần lắp đặt thêm vào nhiềuluồng hay ứng dụng tốc độ bit cao hơn ở hệ thống WDM tại mỗi đầu cuối củasợi.

d Cung cấp khả năng xây dựng mô hình OTN – Mạng truyền tải quang:

Mạng toàn quang sẽ cho phép truyền tải nhanh, đơn giản nhiều loại hình dịch vụ,quản lý mạng hiệu quả, kết hợp IP để định tuyến linh động…

1.3 Kết luận chương

Qua nội dung đã trình bày trong chương đâu tiên, đồ án đã trình bày nhữngnội dung tổng quan về hệ thống ghép kênh quang phân chia theo bước sóngWDM, bao gồm bối cảnh ra đời, sơ đồ khối và các thành phần chính của hệthống ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM, từ đó khát quát lênnhững ưu điểm cũng như hạn chế của hệ thống này

Có thể thấy với những ưu điểm như có dung lượng lớn, không bị ảnhhưởng của nhiễu điện từ, có tính bảo mật tín hiệu thông tin, tin cậy và linh hoạt,

dễ dàng trong nâng cấp hệ thống… hệ thống thông tin quang WDM đã khắcphục những hạn chế của hệ thống sợi kim loại gặp phải, đáp ứng nhu cầu traođổi thông tin và dịch vụ ngày càng cao và phong phú, cho phép xây dựng hệthống thông tin quang toàn cầu quy mô lớn

Để làm rõ hơn đặc tính và vai trò của khuếch đại quang, một thành phầnquan trọng trong hệ thống thông tin quang WDM, trong việc tăng cự ly truyền

dẫn của các hệ thống mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu Trong chương tiếptheo của đồ án sẽ trình bày cụ thể về bộ khuếch đại quang sợi EDFA

Trong chương này, đồ án trình bày chi tiết về bộ khuếch đại quang EDFA,bao gồm:

 Nguyên lý khuếch đại quang

 Khái niệm bộ khuếch đại quang sợi EDFA

 Cấu tạo bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

 Sự phân bố năng lượng của ion Er+3

 Nguyên lí hoạt động của bộ khuếch đại EDFA

 Các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA

 Ưu điểm và nhược điểm của bộ khuếch đại EDFA

2.2 Tổng quan về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium – EDFA

2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang

Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiệndựa trên hiện tượng bức xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trongquá trình khuếch đại

Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quangđiện được ứng dụng trong thông tin quang Các hiện tượng được minh họa nhưhình 2.1 dưới đây

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

Khi nguyên tử của một môi trường vật chất tích cực ở trạng thái cân bằngnhiệt động học với môi trường xung quanh thì các điện tử hóa trị nằm ở mứcnăng lượng thấp E1, lúc này có thể xảy ra ba loại dịch chuyển giữa mức nănglượng thấp E1 (mức cơ bản) và mức năng lượng cao E2 (mức kích thích)

- Dịch chuyển bức xạ kích thích (hình 2.1.c) xảy ra khi một điện tử đang ởtrạng thái kích thích (năng lượng cao E2), bị kích thích bởi một photon có nănglượng hν (E g =hν =E2−E1) Điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao E2xuống trạng thái năng lượng thấp E1 và bức xạ ra một photon có năng lượngbằng với năng lượng của photon kích thích Vậy sau khi xảy ra hiện tượng bức

xạ kích thích, từ một photon ban đầu sẽ tạo ra hai photon có cùng phươngtruyền, 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 cácđiện tử khác đang ở trạng thái kích thích, kết quả là tạo ra một chùm photon cótính kết hợp Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại của ánh sáng được thựchiện Hiện tượng bức xạ kích thích được ứng dụng trong các bộ khuếch đạiquang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (OFA)

E1

E2hf

E1

1

E2h f

Hiện tượng bức xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo lazer.Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trongcác bộ khuếch đại quang không xảy ra hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng Vìvậy khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa vàođầu vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó ởđầu ra, nếu xảy ra quá trình hồi tiếp và cộng hưởng trong bộ khuếch đại quang sẽtạo ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở đầuvào, khi đó các ánh sáng kết hợp này là nhiễu xảy ra trong các bộ khuếch đại

- Dịch chuyển hấp thụ (hình 2.1.a): xảy ra khi điện tử chuyển từ mức cơbản E1 lên mức năng lượng cao hơn E2 khi nguyên tử hấp thụ một photon cónăng lượng hν (E g =hν =E2−E1) Số lượng dịch chuyển hấp thụ phụ thuộc vào

số điện tử ở mức năng lượng E1 và số photon có năng lượng hν

- Dịch chuyển bức xạ tự phát (hình 2.1.b): xảy ra khi một điện tử chuyểntrạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1

và phát ra một năng lượng E g =hν =E2−E1dưới dạng một photon ánh sáng Quátrình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải làtrạng thái năng lượng bền vững của điện tử các điện tử chỉ tồn tại ở mức nănglượng cao một khoảng thời gian ngắn (thời gian sống của điện tử), sau đó lập tứctrở về trạng thái năng lượng bền vững, thấp hơn Thời gian sống này khác nhauphụ thuộc loại vật liệu cấu tạo nên bộ khuếch đại

Đây là hiện tượng này xảy ra một cách tự phát không phụ thuộc vào tínhiệu ánh sáng đưa vào bộ khuếch đại, do đó bức xạ tự phát không tạo ra độ lợikhuếch đại, dù hiện tượng bức xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng Nếu không cóánh sáng tín hiệu đưa vào, vẫn có năng lượng ánh sáng được tạo ra ở đầu ra của

bộ khuếch đại

Ánh sáng do bức xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp do đó bức xạ tựphát được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang(nhiễu bức xạ tự phát được khuếch đại ASE)

2.2.2 Khái niệm bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium – EDFA

Bộ khuếch đại EDFA bản chất là loại sợi quang pha tạp nguyên tố đất hiếmErbium có chức năng khuếch đại tín hiệu quang Bộ khuếch đại EDFA có khảnăng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu khi có kích thích phù hợp, do các đặctính vật lí của sợi có thể thay đổi theo nhiệt độ, áp suất và sợi còn có tính chấtbức xạ ánh sáng

2.2.3 Cấu tạo bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium có thành phần chính gồm mộtđoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% nguyên tố đất hiếm Erbium, lànguyên tố có tính năng quang tích cực Đoạn sợi pha tạp Erbium thường có chiềudài khoảng 10 - 20m và được ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) Ngoài ramột thành phần khác của bộ khuếch đại EDFA đó là một laser bơm để cung cấpnăng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóngánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách đểhạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống Dưới đây là sơ đồ khối cấu tạo một bộkhuếch đại EDFA

Hình 2.2 Sơ đồ khối bộ khuếch đại EDFA

a Đoạn sợi quang pha tạp nguyên tố đất hiếm Erbium

Sợi quang pha tạp nguyên tố đất hiếm Erbium hay sợi EDF là sợi quangtích cực vì có khả năng tự khuếch đại và tái tạo tín hiệu với các kích thước phùhợp Tại đây quá trình khuếch đại xảy ra, do đó sợi EDF đóng vai trò rất quantrọng trong bộ khuếch đại EDFA.

Sợi quang pha đất hiếm Erbium có chiều dài khoảng từ vài mét đến vàichục mét, dưới đây là hình mô tả cấu tạo sợi EDF với các thành phần sau:

Vùng lõi trung tâm: có đường kính khoảng 3 - 6µm được pha tạp ion Er3+

với nồng độ 100 ppm - 2000 ppm, là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu caonhất trong toàn bộ sợi EDF

Lớp bọc: có chiết suất nhỏ hơn và bao quanh lõi trung tâm, tạo thành cấu

trúc ống dẫn sóng và tăng độ bền cơ học cho sợi, có đường kính 125µm

Lớp phủ: là lớp bao quanh sợi quang, có chiết suất nhỏ hơn chiết suất của

lớp bọc để loại bỏ các ánh sang không mong muốn truyền trong vỏ, với đườngkính 250µm.

b Bộ ghép bước sóng WDM

Bộ ghép bước sóng WDM có chức năng ghép tín hiệu quang cần khuếch

đại và tín hiệu quang từ laser bơm vào trong sợi quang Các tín hiệu được ghép

trình nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực Công suất bơm tiêu biểu là 10mW

- 80mW Bước sóng hoạt động bơm thường sử dụng là 980nm hoặc 1480nm

d Bộ cách ly quang

Có vai trò làm giảm sự phản xạ ngược về phía phát của tín hiệu quang đượckhuếch đại, đồng thời giảm sự phản xạ của tín hiệu quang trên đường truyềnphản xạ về bộ khuếch đại EDFA

e Bộ chia tín hiệu quang

Bộ chia tín hiệu quang có vai trò lấy ra một phần nhỏ tín hiệu quang cho việckiểm tra công suất quang của các kênh chính

2.2.4 Sự phân bố năng lượng của ion Er +3

Giản đồ năng lượng của Er +3

Erbium là nguyên tố tích cực, dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích của

Er+3 , Erbium có khả năng khuếch đại tín hiệu quang

Hình 2.4 Giản đồ năng lượng của Er+3

Hình mô tả sự phân bố năng lượng của ion Er+3

, có thể thấy các ion Er+3 tồntại ở các mức năng lượng khác nhau, cụ thể:

- Vùng 4I11/2 đến vùng 4S3/2 : vùng này có mức năng lượng cao do đó ion Er+3trong vùng này có thời gian tồn tại ngắn nhất chỉ khoảng 1 µs

- Vùng 4I13/2: là vùng siêu bền, các ion Er+3 tồn tại ở vùng này có thời giantồn tại lâu hơn so với ở các vùng khác, thường khoảng 10 ms Mật độ nănglượng phân bố trong vùng này là không đều nhau, các ion Er+3 có xu hướng tậptrung nhiều hơn ở các vùng có năng lượng thấp và ngược lại Do mật độ nănglượng phụ thuộc vào bước sóng tin hiệu quang, vì vậy khả năng phát xạ và hấpthụ photon của ion Er+3 thay đổi theo bước sóng tín hiệu

- Vùng 4I15/2 : là vùng có mức năng lượng thấp nhất

Quá trình chuyển đổi mức năng lượng

Thông qua một bộ ghép trực tiếp, năng lượng tín hiệu bơm kích thích cácion Er3+ từ dải năng lượng cơ bản lên dải năng lượng cao hơn thông qua hấp thụtrạng thái bơm để đạt được nghịch đảo nồng độ, nghĩa là phải bơm Er3+ lên mứccao hay phải có nhiều ion Er3+ ở mức I13/2 hơn mức I15/2

Khi các ion Er3+ chuyển từ vùng có mức năng lượng cao xuống vùng nănglượng thấp sẽ xảy ra 2 trường hợp là phân rã không bức xạ và phát xạ ánh sang.+ Phân rã không bức xạ: ion Er3+ giải phóng năng lượng dưới dạng photontạo sự dao động của các phân tử trong sợi quang

+ Phát xạ ánh sáng: năng lượng được giải phóng dưới dạng photon

2.2.5 Nguyên lí hoạt động của bộ khuếch đại EDFA

2.2.5.1 Nguyên lí hoạt động của bộ EDFA

Bộ khuếch đại EDFA hoạt động dựa trên hiện tượng hấp thụ và bức xạ củaion Er3+ Quá trình bức xạ xảy ra trong bộ EDFA có thể được chia thành bức xạkích thích và bức xạ tự phát (1) Sau khi hấp thụ năng lượng photon có được từánh sang nguồn bơm cung cấp, ion Er3+ chuyển từ trạng thái nền lên vùng nănglượng cao hơn (2) Ở vùng bơm các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanhxuống vùng siêu bền 4I13/2

Ánh sáng tín hiệu quang truyền trong sợi gặp các ion Er3+ đã được kíchthích, khi đó quá trình bức xạ kích thích xảy ra tạo ra các photon có cùng pha vàhương quang với tín hiệu tới Kết quả ánh sáng tín hiệu được khuếch đại Vớicác ion Er3+ dù được kích thích nhưng tiếp xúc ánh sáng tín hiệu quang thì sẽphân rã tự phát về trạng thái nền ban đầu Quá trình phát xạ tự phát có pha vàhướng ngẫu nhiên do đó đây là một trong các nguyên nhân gây nhiễu trong bộkhuếch đại EDFA, khi tới đầu ra nhiễu này cũng được khuếch đại cùng với tínhiệu, gây ra bức xạ tự phát khuếch đại

Để cụ thể hơn quá trình hoạt động của bộ khuếch đại EDFA, xét bộ khuếchđại có nguồn bơm với bước sóng 980nm và 1480nm, hoạt động được mô tả quahình sau:

Hình 2.5 Hoạt động của một bộ khuếch đại EDFAKhi khuếch đại EDFA sử dụng nguồn bơm laser 980nm:

Các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon sẽ chuyểnlên trạng thái cao hơn ở vùng bơm 4I11/2 với Ephoton = 1.27eV (1) Tại vùng này cácion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh xuống vùng siêu bền 4I13/2 , thời gian

Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm:

Các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon sẽ chuyểnlên vùng siêu bền , với Ephoton = 0.841eV (3)

Các ion Er3+ trong vùng siêu bền có khuynh hướng chuyển xuống vùng cónăng lượng thấp hơn (vùng có mật độ cao) (4) Sau khoảng thời gian sống nếukhông được kích thích bởi các photon có năng lượng thích hợp, các ion Er3+ sẽchuyển xuống vùng nền và phát xạ ra các photon (5)

Khi cho tín hiệu quang vào EDFA, một phần photon tín hiệu sẽ bị hấp thụbởi các ion Er3+ ở vùng nền làm cho tín hiệu bị suy hao (6) Một phần cácphoton tín hiệu sẽ được kích thích bởi các ion Er3+ ở vùng siêu bền Khi đó xảy

ra iện tượng phát xạ kích thích, các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển trạng tháinăng lượng ở vùng siêu bền xuống vùng nền và phát xạ ra photon mới có cùngpha, cùng bước sóng, cùng chiều với ánh sáng tín hiệu Tín hiệu được khuếchđại Vùng bước sóng hoạt động của bộ khuếch đại EDFA vào khoảng 1430 nmđến 1565 nm

2.2.5.2 Đặc điểm nguồn bơm

Khi lựa chọn nguồn bơm, bước sóng nguồn bơm là một yếu tố quan trongquyết định lớn đến hiệu qua của quá trình khuếch đại Tùy vào yêu cầu từng ứngdụng mà có lựa chọn hợp lí

Thực tế trong khuếch đại EDFA có nhiều loại nguồn bơm với các bướcsóng khác nhau như: 650 nm, 800 nm, 980 nm hay 1480 nm Với các nguồnbơm có bước sóng 650 nm, 800 nm, để bức xạ ra các photon ánh sáng thì ion Er

3+ cần trải qua nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng, do đó thường đạt hiệu ủakhông cao Vì vậy, trên thực tế thường chi sử dụng nguồn bơm bước sóng 980

nm hay 1480 nm

2.2.6 Các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA

Khi khảo sát bộ khuếch đại EDFA , cần quan tâm các đặc tính của bộkhuếch đại để có cách sử dụng hợp lí Các đặc tính cơ bản của EDFA là đặc tínhkhuếch đại, đặc tính công suất ra và đặc tính âm

2.2.6.1 Dải khuếch đại

Dải khuếch đại được xem là đặc tính quan trọng nhất của bộ khuếch đạiEDFA Dải khuếch đại là miền phổ mà trên đó bộ khuếch đại EDFA có thểkhuếch đại được

Dưới đây là đồ thị biểu diễn hình dạng và vị trí của dải khuếch đại như mộthàm theo bước sóng Theo biểu đồ có thể thấy dải khuếch đại của EDFA tươngđối bằng phẳng giữa 1530nm và 1570nm (quy ước là băng C) Đối với dảikhuếch đại giữa 1570nm và 1600nm được gọi là dải L Thực tế hiện nay phầnlớn bộ EDFA được sử dụng với bước sóng bơm 980 nm thuộc băng C

Do việc hấp thụ không đồng bộ giữa tín hiệu quang và các ion Er3+ và phổbức xạ, điều này sẽ làm cho hệ số khuếch đại ở những bước sóng khác nhau sẽkhác nhau Do đó, có thể thấy dải khuếch đại của bộ EDFA khá rộng nhưngkhông bằng phẳng

Với việc chênh lệch về hệ số khuếch đại ở những bước sóng khác nhau, tácdụng khuếch đại sẽ không giống nhau đối với các bước sóng Sự chênh lệch này

sẽ được tích lũy và sẽ gây ra sự quá tải ở đầu thu tương ứng với các kênh có hệ

số khuếch đại quá cao

Nhằm hạn chế sự không đồng đều về hệ số khuếch đại ta sử dụng các biệnpháp như lựa chọn các bước sóng có hệ số khuếch đại gần bằng nhau, lọc phổhay vận dụng các công nghệ cân bằng hệ số khuếch đại hay thay đổi thành phần

Hình 2.6 Đồ thị biểu diễn dải phổ khuếch đại theo bước sóng

Biện pháp chọn lựa các bước sóng có hệ số khuếch đại gần bằng nhau:Như với hệ thống WDM băng C (1530 – 1565 nm), 40 bước sóng công tác có hệ

số khuếch đại gần bằng nhau sẽ được lựa chọn nhằm tạo sự đồng đều về tácdụng khuếch đại

Biện pháp vận dụng các công nghệ cân bằng hệ số khuếch: dùng các bộequalizer có tác dụng hấp thụ công suất bước sóng có hệ số khuếch đại lớn, đồngthời làm tăng công suất của bước sóng có hệ số khuếch đại nhỏ

Độ khuếch đại còn được xác định theo nồng độ của Er3+ và chiều dài củasợi EDF như sau:

e

s N z dz z

N G

) ( 1 )

σ là tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ của Er3+

Độ khuếch đại của bộ EDFA có thể được xác định theo biểu thức:

VớiN1, N2 là nồng độ ion Er3+ trung bình tại trạng thái nền và trạng thái kíchthích và được tính theo biểu thức:

= ∫L N z dz

L

N

0 1

1 1 ( ) (2.4) = ∫

L

dz z N L

N

0 2

2 1 ( ) (2.5)Biến đổi toán học được biểu thức xác định N2(z),N1(z) như sau:

N z P A

hf z

P A

hf

z P A hf z

P A hf z

N

p p

p

e p

a p s

s

s

e s

a s

p p p

a p s

s s

a s

)()(

)()(

)()

()

) ( )

(

2

Γ+

+Γ

+

Γ+

Γ

=

σστσ

στ

τστσ

(2.6)

)()

Γ : hệ số chồng lặp tại bước sóng bơm

A : tiết diện ngang hiệu dụng

Từ công thức cho thấy hệ số khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào các yếu

tố nồng độ Er3+, công suất tín hiệu vào, công suất bơm và chiều dài sợi EDF

2.2.6.3 Công suất ra bão hoà

Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở đầu ra sẽ tăng tuyếntính với công suất quang ở đầu vào theo hệ số khuếch đại: Pout = G.Pin Tuynhiên, công suất ở đầu ra không thể tăng mãi được Bằng thực nghiệm, người tathấy rằng trong tất cả các bộ khuếch đại quang, khi công suất đầu vào Pin tăngđến một mức nào đó, hệ số khuếch đại G bắt đầu giảm Kết quả là công suất ởđầu ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ở đầu vào nữa mà đạt trạng tháibão hòa Công suất ở đầu ra tại điểm ở hệ số khuếch đại giảm đi 3dB được gọi làcông suất ra bão hòa Psat,out

Công suất ra bão hoà Psat,out của một bộ khuếch đại quang cho biết công suấtđầu ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó có thể hoạt động được Thôngthường, một bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao sẽ có công suất ra bãohòa cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải côngsuất vào và ra rộng

2.2.6.4 Hệ số nhiễu

Nguồn nhiễu 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 phátcũng ngẫu nhiên Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyềncủa các photon tín hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sựdao động về pha và biên độ Năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ đượckhuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía đầu ra Do đó, tại đầu racủa bộ khuếch đại công suất quang thu được Pout bao gồm cả công suất tín hiệuđược khuếch đại và công suất nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE:

Pout = G.Pin + PASE (2.7)Ảnh hưởng của nhiễu đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ sốnhiễu NF (Noise Figure ), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR

(Signal to Noise Ratio) do nhiễu của bộ khuếch đại thêm vào Hệ số NF đượccho bởi công thức sau:

NF =

out

in SNR

Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đạiquang 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 khuếchđại vào phân cực của tín hiệu

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

- Bơm trực tiếp: Các ion Er 3+ chỉ hoạt động ở hai mức 4I13/2 và 4I11/2 Cácion này liên tục được chuyển từ vùng nền lên vùng giả bền nhờ năng lượng bơm

Do thời gian sống ở mức giả bền dài nên chúng tích lũy tạo ra sự nghịch đảonồng độ

- Bơm gián tiếp: Các ion Er 3+ sẽ được kích thích từ vùng nền lên mức 4I11/2,sau đó chúng sẽ phân rã xuống vùng 4I nhưng không phát xạ Từ vùng này,

khi có ánh sáng kích thích thì các ion sẽ phát xạ bước sóng mong muốn (1550 –

1600 nm) khi chuyển về vùng nền

Hiện nay, bước sóng 1480nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng có sẵnhơn và có độ tin cậy cao hơn Và một số EDFA được bơm tại cả 2 bước sóng đểtận dụng ưu điểm của cả 2 bước sóng

2.2.7.2 Hướng bơm

Bộ khuếch đại EDFA có thể được bơm theo ba cách:

- Bơm thuận: Nguồn bơm được bơm cùng chiều với hướng truyền tín hiệu

Nó cho phép thu được sự nghịch đảo nồng độ mạnh hơn ở đầu sợi, điều này chophép hạn chế được hiện tượng bức xạ tự phát được khuếch đại ASE và như vậyhạn chế được nhiễu của bộ khuếch đại Nhưng hiệu suất lượng tử không cao

Hình 2.7 Cấu hình bơm thuận

- Bơm ngược: Nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướng truyền tínhiệu Phương pháp này có hiệu suất lượng tử cao nhưng nó cũng có hệ số nhiễucao

Hình 2.8 Cấu hình bơm ngược.

- Bơm hai chiều: Sử dụng hai nguồn bơm được bơm ngược chiều nhau.Thông thường người ta sử dụng bơm ngược với bước sóng 1480nm và bơmthuận với bước sóng 980nm Như vậy sẽ tận dụng những ưu điểm của cả hai loạibơm trên.

Hình 2.9 Cấu hình bơm hai hướng

2.2.7.3 Công suất bơm

Công suất bơm càng lớn thì sẽ càng có nhiều ion Er3+ bị kích thích để traođổi năng lượng với tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm hệ số khuếch đại tăng lên.Tuy nhiên hệ số khuếch đại không thể tăng mãi theo công suất bơm do số lượngion Er3+ cấy trong sợi là có hạn Ngoài ra khi công suất bơm tăng thì hệ sốnhiễu sẽ giảm

Trong thực tế, bộ khuếch đại EDFA có phổ hệ số khuếch đại bằng phẳngtrong khoảng bước sóng 1530-1565nm (băng C), 1570-1600nm (băng L) với hệ

số khuếch đại cỡ 10~40dB và độc lập phân cực Hệ số nhiễu của EDFA cỡ từ 3đến 7dB Hệ thống dùng EDFA thường sử dụng cấu hình bơm hai hướng, bướcsóng 980nm hoặc 1480nm, công suất bơm cỡ 20mW đến 100mW

2.2.7.4 Đặc tính về sự bão hòa

Khi công suất vào tăng làm cho bức xạ bị kích thích tăng nhanh, làm số hạtchuyển động ngược lại giảm đi, bức xạ bị kích thích yếu đi, số các ion Erbiumkích thích giảm một cách đáng kể, dẫn đến bão hòa độ khuếch đại, lúc này công

suất phát có xu hướng thay đổi rất ít Hệ số khuếch đại giảm do sự kích thích các

điện tử bằng hấp thụ bơm không bù lại được với sự chuyển dời bởi bức xạ cưỡngbức

Bão hòa độ khuếch đại là đặc tính là hệ số khuếch đại giảm khi tín hiệu vàotăng Mặc dù với chế độ bão hòa, dải khuếch của bộ EDFA sẽ trở nên bằngphẳng hơn, tuy nhiên với các hệ thống có khoảng cách truyền dẫn xa có nhiềuEDFA mắc chuỗi, thì hiện tượng này có thể làm giảm mạnh cường độ tín hiệu ởbước sóng bão hòa một cách đáng kể.

Như đã biết công suất ra của bộ khuếch đại uyết định lớn đến cự ly truyềndẫn và mật độ đặt trạm lặp, do đó bão hòa độ khuếch đại đây là một đặc tính rấtquan trọng

2.2.8 Ưu nhược điểm của bộ khuếch đại EDFA

- Nguồn laser bơm bán dẫn độ tin cậy, gọn, công suất cao

- Công suất nguồn nuôi nhỏ, thuận lợi cho các tuyến cáp quang khoảng cáchxa

2.2.8.2 Nhược điểm

- Cự ly truyền dẫn bị hạn chế do hiện tượng nhiễu tích lũy qua nhiều chặngkhuếch đại gây ảnh hưởng lớn

- Phổ hệ số khuếch đại của EDFA không bằng phẳng

- Băng tần hiện nay bị giới hạn trong băng C và băng L

2.3 Kết luận chương

Qua nội dung chương này của đồ án đã trình bày tổng quan về bộ khuếchđại quang sợi pha tạp Erbium – EDFA bao gồm: cấu trúc, nguyên lí hoạt động,các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA, các yêu cầu về nguồn bơm… Từ đó tổngkết về những ưu và nhược điểm của bộ khuếch đại EDFA

Với những ưu điểm nổi bật như đơn giản, dễ dàng lắp đặt, vận hành, bảotrì, không có nhiễu xuyên kênh khi khuyếch đại tín hiệu WDM, công suất nguồn