Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn ERBIUM

Để khuếch đại quang, người ta đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều loại bộ khuếch đại quang khác nhau: bộ khuếch đại quang pha tạp đất hiếm, loại laser bán dẫn, loại khuếch đại Raman sợi, loại TWA vv... Trong thiết kế việc lựa chọn tùy theo đặc tính của từng loại. Đồ án này sẽ đề cập sơ bộ đến các loại bộ khuếch đại quang, đặc biệt giới thiệu kỹ bộ khuếch đại quang EDFA cùng các đặc tính cũng như ưu điểm của nó, việc sử dụng EDFA trong hệ thống thông tin sợi quang hiện nay. Đây là bộ khuếch đại được dùng trong phần thiết kế đồ của đồ án, nó cũng được dùng nhiều nhất trong các tuyến thông tin quang hiện nay. Tiếp theo, đồ án sẽ trình bày về EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng và cuối cùng là hệ thông tin sợi quang IMDD đường dài sử dụng các EDFA mắc chuỗi để thay thế cho các trạm lặp.

CHƯƠNG 3:

KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG PHA TRỘN ERBIUM

3.1 Mục đích chương:

Trong thời gian vừa qua, đối với hầu hết các tuyến thông tin quang truyền thống, khi cự ly truyền dẫn dài tới một mức nào đó mà suy hao vượt quá công suất dự phòng, mức phân bổ suy hao không đủ để thỏa mãn yêu cầu phía thu, cần phải sử dụng các trạm lặp Các trạm lặp này có nhiệm vụ khuếch đại quang trên đường truyền Đây là quá trình biến đổi tín hiệu quang rất yếu tại đầu vào của bộ lặp thành tín hiệu điện, khuếch đại lên, chỉnh lại thời gian, dạng tín hiệu đó sau biến đổi lại thành tín hiệu quang, lúc này đã được khuếch lên nhiều lần, tại đầu ra

và phát vào đường truyền

Thời gian gần đây cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học

kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực, người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại quang trực tiếp gọi là kỹ thuật khuếch đại quang Điều đó có nghĩa là không phải thực hiện quá trình biến đổi quang - điện - quang phức tạp Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được các hạn chế của lặp về băng tần, nhiễu điện, mức xuyên âm, phổ khuếch đại vv Việc sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sẽ làm tăng cự ly truyền dẫn của các hệ thống thông tin sợi quang, đặc biệt là các tuyến cáp quang biển, từ đó sẽ phát triển một hệ thống thông tin quang toàn cầu

Để khuếch đại quang, người ta đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều loại bộ khuếch đại quang khác nhau: bộ khuếch đại quang pha tạp đất hiếm, loại laser bán dẫn, loại khuếch đại Raman sợi, loại TWA vv Trong thiết kế việc lựa chọn tùy theo đặc tính của từng loại Đồ án này sẽ đề cập sơ bộ đến các loại bộ khuếch đại quang, đặc biệt giới thiệu kỹ bộ khuếch đại quang EDFA cùng các đặc tính cũng như ưu điểm của nó, việc sử dụng EDFA trong hệ thống thông tin sợi quang hiện nay Đây là bộ khuếch đại được dùng trong phần thiết kế đồ của

đồ án, nó cũng được dùng nhiều nhất trong các tuyến thông tin quang hiện nay Tiếp theo, đồ án sẽ trình bày về EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng

và cuối cùng là hệ thông tin sợi quang IM-DD đường dài sử dụng các EDFA mắc chuỗi để thay thế cho các trạm lặp

3.2 Các loại khuếch đại quang:

Bảng 3.1 Các đặc điểm của các chủng loại khuếch đại quang

Loại

thiết bị

Khuếch đại laser FP-LD

Khuếch đại quang sợi

Khuếch đại Raman

Khuếch đại Brillouin

Khuếch đại Laser TW-LD

Nguyên lý nghịch đảoBức xạ từ

độ tích lũy môi trường

Bức xạ từ nghịch đảo

độ tích lũy môi trường

Tán xạ Raman được kích thích

Tán xạ Brillouin được kích thích

Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường

Công suất

bãohòa lối

Băng tần

khuếch

Mức tạp

Suy hao

ghép vào

Phân cực

Hệ số

khuếch

đại

Dòng/công

suất bơm

Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi - pha tạp:

Các chất kích tạp và các chất nhạy cảm dùng để pha tạp sợi dẫn quang với các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa ion đất hiếm Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành để trở thành các bộ khuếch đại theo hình 3.1

a) b)

Hình 3.1 Cơ chế bức xạ ba mức a) và bốn mức b)

Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E1 được kích thích từ một nguồn bức

xạ có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển tới mức cao hơn

E2, từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ

và phát ra photon Hoặc nếu như có mức năng lượng thấp hơn E3 nó sẽ thả không bức xạ tới mức đó, từ đây điện tử có thể phân rã xuống mức năng lượng E1 (hình 3.1 a) hay E4 (hình 3.1 b) thông qua quá trình bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích

Nếu thời gian sống của mức E3 đủ dài để điện tử được nguồn bơm kích thích thì có thể xảy ra sự nghịch đảo độ tích lũy Đây là điều kiện để có số điện

tử trên mức siêu bền E3 nhiều hơn mức tới (E1 hay E4) Một photon có mức năng lượng tương đương với sự chênh lệch giữa mức E3 và E1 (đối với 3 mức) hay giữa E3 và E4 (đối với 4 mức) thì nó sẽ kích thích các điện tử ở mức E3 rơi xuống mức E1 hay E4 và phát thêm một photon, photon này cùng pha và hướng với photon tới (hiện tượng này gọi là bức xạ kích xạ kích thích của các photon) Bức

xạ làm xuất hiện thêm các photon cùng pha và cùng hướng với các photon tới, điều này có nghĩa là ánh sáng đã được khuếch đại Trong hình 3.1 còn lưu ý rằng

ở điều kiện không kích thích, hầu hết các điện tử ở trạng thái cơ bản E1, vì thế nên thông thường thì giá trị ngưỡng ở các laser bốn mức thấp hơn so với laser ba mức

Có nhiều ion đất hiếm có các dải huỳnh quang, vì vậy cho khả năng bức

xạ kích thích, điều này tạo ra các ứng dụng trong khuếch đại các tín hiệu quang Đáng chú ý nhất là Nd3+ có dải bức xạ 1,06m và 1,32m; Er3+ có dải bức xạ 1,55m và 2,7m Ngoài ra còn có Ho3+ bức xạ ở 2,08m và Tm3+ cho bức xạ ở 2,3m Hiện nay sử dụng rộng rãi là bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium

Phân rã

Phân rã

Phân rã

E 2

E 3

E 1

E 1

E 4

E 3

E 2

(EDFA) do có nhiều ưu điểm như tăng ích đưa ra cao, băng tần rộng, tạp âm thấp

và phù hợp với bước sóng suy hao có sẵn trong sợi quang

3.3 Bộ khuếch đại EDFA

Cấu trúc tiêu biểu của bộ EDFA được chỉ ra như hình vẽ 3.2 EDFA có thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực Đoạn sợi pha tạp Erbium được ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thường có chiều dài khoảng 10 - 20m Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống

Hình 3.2 Cấu tạo của một EDFA

Biểu đồ mức năng lượng của ion Erbium được mô tả như hình vẽ 3.3 Er3+

ở trạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lượng thấp nhất, khi bơm quang hạt Erbium hấp thụ năng lượng rồi chuyển tiếp lên mức năng lượng cao hơn Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên mức năng lượng cao hơn Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên cũng khác nhau Sự dịch chuyển điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra photon, photon này bức xạ có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát (sự phân hủy tự nhiên của các ion mà không có bất cứ một động tác nào chen vào)

Bộ lọc quang

Bộ ghép WDM Bộ cách ly Sợi quang pha

tạp Erbium

Laser bơm

hay kích thích (do sự có mặt của các photon có chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển, kích thích sự phát xạ và tạo ra photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng) Trong quá trình bức xạ kích thích, nó tạo ra số photon cùng pha cùng hướng với photon tới, như vậy là đã tạo ra được quá trình khuếch đại trong EDFA Bức xạ tự phát tạo ra các photon cùng pha và hướng ngẫu nhiên, điều này gây ra nhiễu trong EDFA gọi là nhiễu do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) Tuy nhiên thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao khoảng 10ms đủ

để đảm bảo thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ion Erbium đợi để khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ tự kích thích

Hình 3.3 Giản đồ năng lượng Erbium

Hình 3.4 so sánh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông thường dùng trong truyền dẫn Sự hấp thụ quang xảy ra trong các loại cáp thông thường là thấp trong dải bước sóng tập trung khoảng 1550nm, nơi mà hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km có nghĩa là 5% ánh sáng truyền qua bị hấp thụ trong 1km Ngược lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100ppm ở trong lõi có thể gây

ra sự hấp thụ 2dB/km ở cùng bước sóng bơm

Bơm

năng

lượng

=980nm

Mức kích thích

Phân rã không bức xạ

Mức siêu bền

Tín hiệu được khuếch đại

Mức cơ bản

2,0

1,0

0,2

0,1

2,0

1,0

0,2 0,1

Hấp thụ khuếch đại sợi Erbium (dB/km)

Suy

hao

sợi

thường

(dB/km)

Bước sóng (m)

Hình 3.4 Phổ hấp thụ của sợi quang thông thường và sợi quang Erbium

Laser bơm trong EDFA là laser bán dẫn thông thường và được gọi là nguồn bơm Nguồn bơm có thể bơm ở nhiều bước sóng nhưng hiệu quả cao nhất

là ở hai bước sóng 980nm và 1480nm Khi sử dụng EDFA thì chỉ cần một nguồn bơm có công suất nhỏ từ 10 đến 100mW là đủ để công suất ra lớn theo yêu cầu, điều này giảm nguồn nuôi lên hệ thống EDFA có cấu trúc nhỏ nhẹ, linh hoạt Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó được bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu Hiện tại thì bước sóng bơm 1480nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng có sẵn và độ tin cậy cao hơn Nếu tăng được

độ ổn định của laser diode có bước sóng 980nm thì chúng có thể được chọn làm nguồn bơm

3.3.1 Đặc tính của bộ khuếch đại EDFA:

Các đặc tính cơ bản của EDFA là đặc tính tăng ích, đặc tính công suất ra

và đặc tính âm

3.3.1.1 Đặc tính tăng ích (đặc tính khuếch đại):

Đặc tính tăng ích biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, định nghĩa là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào

Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm:

0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

Nhiều kết quả nghiên cứu đã cho kết luận rằng hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm và nếu đặt bước sóng bơm tại 980nm và 1480nm là cho hiệu quả cao nhất

Theo hình 3.5 hệ số khuếch đại của EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất khi tín hiệu ở bước sóng 1530nm và 1550nm

Nhận xét:

+ Với công suất bơm cao, bước sóng 980nm sẽ cho hệ số khuếch đại cao hơn so với bước sóng bơm 1480nm, điều này có nghĩa là tại bước sóng 980nm sẽ đạt được sự nghịch đảo mật độ cao hơn so với bước sóng 1480nm

+ Với công suất bơm cao, hệ số khuếch đại đối với bước sóng 1530nm cao hơn so với bước sóng 1550nm

Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi và phương thức bơm:

Hình 3.6 biểu thị mối quan hệ và chiều dài sợi quang

(980:1530) (980:1550) (1480:1530)

(1480:1550)

0 10 20 30 40

Công suất bơm (mW)

Hình 3.5 Hệ số khuếch đại là một hàm của công suất bơm với 14m chiều dài của sợi Silico Al-Ge pha tạp Erbium được bơm tại bước sóng 980nm và 1480nm

Hệ số

khuếch

đại (dB)

40

30

20

10

0

1530nm tín hiệu 1550nm tín hiệu

Lúc đầu khả năng tăng ích tăng lên khi chiều dài sợi quang tăng, nhưng sau khi sợi quang dài quá độ dài nhất định, tăng ích sẽ giảm dần, vậy có một độ dài nhất định để đạt được khả năng khuếch đại tối đa

Ngoài ra hệ số khuếch đại còn phụ thuộc vào phương thực bơm là cùng chiều hay ngược chiều với tín hiệu như hình vẽ 3.7

40

Hệ

30

số

20

k/đại

10

(dB)

0

-10

40

Hệ

30

số

20

k/đại

10 (dB) 0 -10

0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 60 70

Chiều dài bộ khuếch đại (m) Chiều dài bộ khuếch đại (m)

Hình 3.6(a) Hệ số khuếch đại tín hiệu tại 1530nm và 1550nm, bước sóng bơm 980nm và 1480nm

với công suất bơm là 40 mW và công suất tín hiệu điện là -40dB

30 Hệ 20

số

10

k/đại

0

(dB)

-10

0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50

Chiều dài bộ khuếch đại (m) Chiều dài bộ khuếch đại (m)

Hình 3.6(b) Hệ số khuếch đại tín hiệu tại 1530nm và 1550nm, bước sóng bơm 980nm và

1480nm với công suất bơm là 10 mW và công suất tín hiệu điện là -40dB

30

Hệ

20

số

10

k/đại

0

(dB)

-10

1530nm tín hiệu 1550nm tín hiệu

980nm

980nm

1480nm 1480nm

1480nm

1480nm

G(dB) 30 20 10

Bơm ngược chiều Bơm cùng chiều

3.3.1.2 Đặc tính tạp âm nhiễu:

Trong sợi pha tạp Erbium, các photon bức xạ tự phát có pha và hướng ngẫu nhiên Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang, lan truyền dọc theo lõi sợi và được khuếch đại thành các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu quang Tạp âm của EDFA chủ yếu có 4 loại:

- Tạp âm tán hạt của tín hiệu quang;

- Tạp âm tán hạt bức xạ tự phát bị khuếch đại (ASE);

- Tạp âm phách giữa quang phổ ASE và tín hiệu;

- Tạp âm phách giữa các quang phổ ASE

Trong 4 tạp âm trên có 2 loại tạp âm thứ 3 và thứ 4 có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt tạp âm thứ 3 là nhân tố quang trọng quyết định tính năng của EDFA

Ngoài ra còn có nhiễu bắn có nguồn gốc phát sinh thời gian đến của các photon tại bộ tách quang không giống nhau và do tốc độ chuển động và số lượng các hạt tải điện qua tiếp giáp P-N của bộ tách quang thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian Bộ khuếch đại quang đặt trước diode tách quang nên nó là một trong các nguồn sinh ra nhiễu bắn

Nguồn gốc của nhiễu trong các bộ khuếch đại quang:

Gọi Nm(0), Nm(L) là mật độ photon ở ngõ vào và tại ngõ ra của bộ khuếch đại, G là hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại

0 5 10 15

Hình 3.7 Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài

sợi và phương thức bơm

N 2

Vào h Ra Mật độ phát xạ p() Gp()+phát xạ tự phát được khuếch đại

Hình 3.8 Sự tương tác ánh sáng tại tần số  với một bộ khuếch đại hai mức với hệ số khuếch đại G tại tần số 

Mật độ photon ở ngõ ra của bộ khuếch đại được cho như sau:

N m (L) = GN m (0) + n sp (G - 1) (3.1)

Trong vế phải của (2.1), thành phần thứ nhất tương ứng với tín hiệu được khuếch đại, còn thành phần thứ 2 tương ứng với phát xạ tự phát được khuếch đại hay nhiễu ở ngõ ra của bộ khuếch đại Ta tính toán công suất nhiễu tại ngõ ra cho mode này và tính số mode trong dải tần số  để thu được công suất nhiễu ở ngõ

ra trong băng thông  xung quang tần số  khi đó hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại là G:

P ASE = n sp (G-1)h (3.2)

Phương trình (2.2) là phương trình cơ bản trong việc tính nhiễu trong hệ thống khuếch đại quang, nó cũng được dùng nhiều trong phần tính toán thiết kế của đồ án Một chú ý quan trọng là biểu thức tính PASE trong phương trình (2.2) cần nhân thêm một hệ số mt để thu được tổng công suất nhiễu ASE

10

Hệ

8

số

6

tạp

4

âm

2

(dBm)

0

Bơm ngược chiều

Bơm cùng chiều

8 Hệ số tạp 7 âm (dBm) 6 5

10 0 Công suất -10 (dbm) -20 -30

0 2 4 6 8 10 12 14 -50 -40 -30 -20 -10 -0

Chiều dài (m) Công suất vào của tín hiệu (dBm)

Hình 3.9 Hệ số tạp âm EDFA

ASE+

ASE

Hình 3.9 cho thấy ảnh hưởng của các phương thức bơm khác nhau đối với

hệ số tạp âm, khi sợi quang trồn Erbium tương đối dài thì hệ số tạp âm khi bơm ngược chiều cao hơn với khi bơm cùng chiều

Nhiễu tại ngõ ra bộ khuếch đại quang:

Trong các hệ thống thông tin ánh sáng dùng các bộ khuếch đại quang, tín hiệu quang được biễn đổi sang tín hiệu điện ở cuối đường truyền Các bộ tách sóng sẽ biến đổi các photon thành electron, phát xạ tự phát tồn tại trong bộ khuếch đại quang sẽ gây ra sự gia tăng đối với tín hiệu điện, đó được xem như là nhiễu, nó hoàn toàn ngẫu nhiên chứ không chứa thông tin Điện trường tổng cộng

ở bộ tách sóng bằng tổng các trường của ánh sáng phát xạ tự phát và ánh sáng tín hiệu:

Dòng photodiode được tạo ra tại ngõ thu:

Thành phần đầu tiên là cường độ tín hiệu Các thành phần tiếp theo tương ứng với nhiễu Thành phần thứ 2 tương ứng với sản phẩm của điện trường phát

xạ tự phát với bản thân nó và gọi là thành phần nhiễu pha tự phát tự phát (sp -sp) Thành phần còn lại là sản phẩm của điện trường tín hiệu và điện trường phát

xạ tự phát, được gọi là thành phần nhiễu pha tín hiệu - tự phát (s - sp) Dấu (*) để chỉ các thành phần phức bù

Chú ý: Để tính phổ công suất của mỗi thành phần ta sẽ đi phân tích

Fourier của mỗi thành phần, phần này đồ án sẽ tính kỹ hơn ở chương sau trong trường hợp EDFA được sử dụng làm bộ khuếch đại đường truyền (LA).

Tính tỷ số nhiễu NF (Noise Figure)



















hv

e E

E E

E E

E

I sig2 spont2 sig spont* sig* spont

(3.4)

spont sig

E   

(3.3)