Ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang WDM

Trong các hệ thống thong tin có sử dụng các bộ khuếch đại quang các ảnh hưởng phi tuyến của EDFA dối với tín hiệu đầu vào lớn sẽ dấn đến sự biến đổi công suất ngoài ý muốn và điều này sẽ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG

TRUYỀN DẪN QUANG WDM

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Học viên: NGUYỄN HOÀNG ANH

Người HD Khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI

CÁC TỪ

DBF Distributed Feedback laser

DCF Dispersion Compensating Fiber

WDM Wavelength Division Multiplexing

TEC Thermally Expanded Core Interface

ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch

đại LASER Light Amplication by Stimulate

Emission of Radiation

EDTFA Erbium Doped Tellurite based Fiber

Amplifier

ITU-T International Telecommunication Union

- Telecommunication Standardization Sector

Điều chế pha chéo Đường truyền dẫn quang

SBS Stimulated Brillouin Scattering

SLA Semiconductor Laser Amplifier

S/N Signal to Noise ratio

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc một EDFA 10

Hình 1.2 Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium 11

Hình 1.3 Sơ đồ của sợi TEC được vuốt Gaussian 12

Hình 1.4 Giản đồ năng lượng của Erbium 13

Hình 1.5 Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA 14

Hình 1.6 ba cấu hình chuẩn của EDFA 15

Hình 1.7 Các cấu hình EDFA phản xạ 16

Hình 1.8 cấu hình hai hướng cơ bản của EDFA 17

Hình 1.9 Sự giảm NF do ASE ngược và loại trừ ASE ngược bằng bộ cách ly 20

Hình 1.10 Cấu hình EDFA có bộ lọc quang được xen vào độ dài sợi EDF 20

Hình 1.11 Các ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi 21

Hình 1.12 Cấu trúc EDTFA 23

Hình 1.13 Sự phụ thuộc bộ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA 24

Hình 1.14.Quan hệ giữa độ dài EDFA và khuếch đại tín hiệu 25

Hình 1.15 Phổ tiết diện bức xạ và hấp thụ giữa các mức4I13/2 và 4I15/2 26

Hình 1.16 Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào với 4 công suất bơm khác nhau 27

Hình 1.17 Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với 28

Hình 1.18 Hiệu suất biến đổi công suất như một hàm của độ dài dài EDF 29

Hình 1.19 Nhiễu phách tín hiệu – tư phát 31

Hình 1.20 Nhiễu phách tín hiệu- tự phát giữa các thành phần phổ ASE 32

Hình 1.21 Hình ảnh nhiễu dưới dạng nguồn phát và bộ thu lý tưởng 33

Hình 1.22 Khuếch đại tín hiệu phụ thuộc vào nhiệt độ 35

Hinh 1.24 Modul cơ bản của bộ thu quang sử dụng khuếch đại quang 37

Hình 1.25 Các mật độ phổ công suất điện của các nhiễu phách 39 Hình 1.26 Các thành phần công suất nhiễu điện của 10Gbit/s OAR với B = 7,5

Hình 1.28 Kết quả thực nghiệm độ nhạy thucủa 10 Gbit/s OAR [38,124] 44

Hình 1.29 BER của hệ thống có khuếch đại quang 10 Gbit/s phụ thuộc vào cự ly 45

Hình 1.30 Cấu hình các bộ khuếch đại EDFA mắc chuỗi 46

Hình 1.31 Độ nhạy thu của 10 Gbit/s OAR trong hệ thống 48

Hình 1.32 BER và hệ số các bộ EDFA mắc chuỗi phụ thuộc vào cự li của tuyến truyền dẫn 10Gbit/s 49

Hình 1.33 Giản đồ năng lượng của Thulium 50

Hình 1.34 Phổ khuếch đại quang sợi pha tạp 55

Hình 1.35 Hình ảnh nhiễu và phổ khuếch đại TDFA 56

Hình 1.36 Độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất bơm của TDFA 57

Hình 1.37 Độ khuếch đại và NF phụ thuộc vào nồng độ 58

Hình 1.39 Giản đồ năng lượng của Pr3+ 59

Hình 1.40 giản đồ năng lượng và dịch chuyển của ion Pr 3+ trong ZBLAN 61

Hình 1.41 ảnh hưởng của độ dài tới độ khuếch đại 62

Hình 1.42 ảnh hưởng của độ dài tới độ khuếch đại và độ rộng dải khuếch đại 62

Hình 1.43 Quan hệ giữa độ khuếch đại tín hiệu, khuếch đại bên trong và tín hiệu GSA 63

Hình 1.44 Đặc trưng bão hòa khuếch đại đối với sợi cơ sở ZnF4 pha tạp Pr3+ 64

Hình 1.45 Phổ NF của khuếch đại quang sợi cơ sở ZnF4 pha tạp Pr3+ 65

Hình 1.46 Sự phụ thuộc độ tăng ích và NF vào công suất ra của tín hiệu 66

Hình 1.47 Minh họa sự phụ thuộc nhiệt độ của độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu 67

Hình 1.49 sự phụ thuộc nhiệt độ của PDFA tại bước sóng từ 1,29 µm ÷ 1,33 µm 69

Hình 1.50 sơ đồ cấu hình ghép nối sợi pha tạp Pr3+ và sơi silica 69

Hình 1.51 Kỹ thuật nối rãnh chữ V hai sợi Pr3+ và sơi silica 70

Hình 1.52 cấu hình khuếch đại đơn 70

Hình 1.53 cấu hình khuếch đại kép 71

Hình 1.54 cấu hình khuếch đại tầng 71

Hình 1.55 Phổ khuếch đại Raman 72

Hình 2.1 Sơ đồ khối phép đo 82

DANH MỤC BẢNG BIỂU

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1 8

TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI 10

1.1 Khuếch đại quang sợi EDFA 10

1.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động: 10

1.1.2 Phổ khuếch đại của EDFA 13

1.1.3 Các ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang 14

1.1.4 Các tham số đặc tính kỹ thuật ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang EDFA 23

1.1.5 Ảnh hưởng của khuếch đại quang EDFA trong hệ thông tin quang 35

1.2 Khuếch đại quang sợi TDFA 49

1.2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 49

1.1.2 Khuếch đại sử dụng sợi pha tạp THULIUM 54

1.3 Khuếch đại quang sợi PDFA 59

1.3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 59

1.3.2 Mô hình khuếch đại 60

1.3.3 Các đặc trưng khuếch đại cơ bản 61

1.3.4 Kỹ thuật ghép nối 69

1.3.5 Cấu hình Modul PDFA 70

1.4 Khuếch đại Raman 71

1.4.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 71

1.4.2 Hiệu ứng tán xạ kích thích Raman 73

NGHIÊN CÚU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG SUẤT SÓNG LIÊN 82

2.1 Mô hình tính toán 82

2.1.1 Sơ đồ thực nghiệm 82

2.1.2 Nguyên lý 82

2.2 Tính tỉ số tín hiệu trên tạp âm 84

CHƯƠNG 3 88

CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 88

3.1 Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng 88

KẾT LUẬN 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại tạo

ra một sự bùng nổ về dung lượng Hệ thống thông tin quang đơn mode đã là một mạng thông tin tiên tiến, nhưng nó chưa tận dụng được băng thông lớn của sợi quang một cách hữu hiệu, do mỗi sợi quang chỉ truyền được 1 kênh Vì vậy cần phải cải thiện các

hệ thống thông tin quang có sẵn bằng các kỹ thuật tiến tiến với chi phí thấp bằng cách ghép nhiều bước sóng cùng truyền trên một sợi quang Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM (Wavelengh Division Multiplexer) ra đời, cho phép nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống lên rất lớn mà không cần phải tăng thêm sợi quang và tận dụng được băng tần lớn của sợi quang do có thể ghép nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng đang được ứng dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông Sự phát triển của công nghệ WDM cùng với công nghệ khuếch đại quang và chuyển mạch quang sẽ tạo nên một mạng thông tin thế hệ mới: mạng thông tin toàn quang

Công nghệ WDM là công nghệ ghép kênh theo bước sóng đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode Công nghệ ghép kênh WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng

Công nghệ WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kỹ thuật thông tin quang, đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn của hệ thống

Để triển khai lắp đặt các hệ thông thông tin quang có hiệu quả, bảo đảm chất lượng truyền dẫn trong thời gian khai thác dài, công việc thiết kế tuyến là hết sức quan trọng khi xây dựng các tuyến truyền dẫn tốc độ cao và cự ly xa thì các tuyễn

này thường hay sử dụng các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là EDFA và Raman

Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật WDM và khuếch đại quang sợi được sự đồng ý của PGS.TS Lại Khắc Lãi, em đã thực

hiện luận văn tốt nghiệp: “Ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang WDM” Luận văn trình bày một số hiểu biết về khuếch đại quang sợi và nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về khuếch đại quang sợi

ếch đại quang sợi sử dụng trong truyền dẫn quang WDM

Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ

số SNR trong khuếch đại Raman

ảnh hưởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ số SNR trong khuếch đại Raman

Chương 3: Chương trình mô phỏng

Đưa ra chương trình mô phỏng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI

1.1 Khuếch đại quang sợi EDFA

1.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động:

a Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc một EDFA Trên đây là cấu trúc của một khuếch đại sợi quang EDFA Bơm Laser có thể hoạt động ở hai bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm thì hiệu suất bơm là hiệu quả nhất Các bộ cánh ly quang (Isolator) có nhiệm vụ chống phản xạ tín hiệu, chỉ cho phép truyền dẫn quang đơn hướng WDM coupler dùng để ghép tín hiệu bước sóng bơm và tín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium

Các thành phần chính cấu tạo nên EDFA gồm có sợi được pha tạp Erbium EDF (Erbium Dopped Fiber) thường có độ dài khoảng 10 m; laser bơm LD; bộ ghép bước sóng quang (coupler) WDM và bộ cách ly quang (Isolator) Từ các thành phần cấu trúc thiết bị như vậy người ta đã tạo ra nhiều loại EDFA với các công nghệ và thể thức khác nhau Để thu được bộ khuếch đại thì phải cung cấp năng lượng quang cho sợi pha tạp Erbium Nguồn năng lượng để cung cấp năng lượng cho bộ khuếch đại quang được gọi

là năng lượng bơm Công suất quang từ nguồn bơm này thường có bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm, công suất bơm từ 10 mW đến 100mW Các diode laser LD dùng làm nguồn bơm được cấu tạo phù hợp với cấu hình và bước sóng bơm Khi mà hệ thống được bơm ở bước sóng 980 nm thì loại LD bơm thường là loại có vùng tích cực với cấu trúc giếng lượng tử InGaAs là lớp rất mỏng được đặt xen vào giữa các lớp vỏ có các tham số tinh thể khác nhau Nếu hệ thống được bơm ở bước sóng 1480 nm thì LD bơm thuộc loại laser Fabry-Perot dị thể chôn có cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/ InP Bộ ghép bước sóng WDM sẽ thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm pha tạp Erbium hoặc trong một số trường hợp nó lại tách các tín hiệu này Các bộ cách ly

xạ này phải đạt tới mức chấp nhận được Vì thế các bộ cách ly quang có thể làm tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu

Sợi pha tạp Erbium EDF là thành phần quan trọng nhất của EDFA và loại sợi này gọi là sợi tích cực Các ion Erbium được nằm ở vùng trung tâm lõi của EDF, vùng này được pha tạp với lồng độ từ 100 – 2000 ppm Erbium Các sợi EDF thường có lõi nhỏ hơn và khuẩn độ số NA cao hơn so với sợn đơn mode tiêu chuẩn Đường kính của vùng tâm lõi EDF vào khoảng 5 µm và là nơi cường độ của ánh sáng bơn và tín hiệu cao nhất Lớp vỏ thủy tinh với chỉ số chiết suất thấp hơn được bao quang lõi để hoàn thiện cấu trúc dân sóng và cho ra lực cơ khỏe hơn để bảo vệ sơi EDF khỏi bị tác động

từ bên ngoài Đường kính của lớp vỏ này khoảng 250 µm Ngoài cùng là vỏ bọc ngoài thêm để bảo vệ sợi có chức năng ngăn cản từ bên ngoài sợi và đường kính tổng cộng của nó vào khoảng 250 µm Chỉ số chiết suất của vỏ bọc ngoài cao hơn lớp vỏ phản xạ cũng nhằm để loại bỏ ánh sáng không mong muốn (các mode bặc cao hơn) lan truyền bên trong vỏ phản xạ Ngoài sự khác biệt là có sự pha tạp Erbium trong vùng lõi, cấu trúc của EDF giống với cấu trúc của sợi đơn mode tiêu chuẩn hoặc tán sắc dịch chuyển tương ứng với các khuyến nghị G.625 hoặc G.653 của ITU-T

Do lõi sợi nhỏ hơn và độ mở số NA cao hơn sợi tiêu chuẩn, việc hàn nối trong quá trình nắp ráp các modle khuếch đại quang sợi thực tế là một vấn đề quan trong [77] Cấu trúc sợi pha tạp Erbium có NA cao cho ta có thể tạo ra được EDFA đặc tính khuếch đại hiệu quả cao Tuy nhiên, câu trúc EDF như vậy sẽ giảm đường kính trường mode và dẫn tới tăng tiêu hao hàn nối giữa sợi tích cực và sợi truyền dẫn thụ động Để khắc phục điều này, các đầu sợi được áp dụng kỹ thuật vuốt thon để có đường kích trường mode tăng cục bộ Ở biện pháp này, phân bố chỉ số chiết suất của đoạn vuốt thon sợi sẽ thay đổi dần dọc thep trục sợi, và kích cỡ mode truyền dẫn cũng thay đổi Đây là biện pháp đầy sức thuyết phục để giảm suy hoa ghép nối do sự không trùng khớp về trường mode gây ra Trong thực tế, các phương pháp để thực hiện kỹ thuật này là khuếch tán các vật liệu pha tạp trong sợi thông qua quá trình sử lý nhiệt TEC (Thermally Expanded Core) hoặc vuốt thon đường kính theo một tỷ lệ giữa lõi và vỏ phản xạ là hằng số

Hình 1.2 Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium

đổi so với phương pháp vuốt thon Trong sợi TEC, sự thay đổi suy hao không đáng kể thì tỷ lệ mở rộng lõi là 2 với độ dài vuốt thon là hơn 2 mm Khi tỷ lệ mở là 3, độ dài vuốt thon lớn hơn 5mm thì có thể đạt được suy hao bằng 0 dB

Hình 1.3 Sơ đồ của sợi TEC được vuốt Gaussian Các cấu trúc khác nhau của các thành phần khác nhau như là nguồn laser bơm, thiết bị WDM, bộ ghép quang, và bộ cách ly được dùng trong EDFA được mô tả chi tiết trong nhiều tài liệu và sách

1, 2, 3, 4, 5, 6, …, được ký hiệu bằng chữ cái S, P, D, G, H, I Biểu đồ LSI này được dùng dưới dạng chữ nghĩa để chỉ các mức năng lượng ion, số các đường “Stark-Split”

là (2j+1)/2 cho mỗi mức

Nguyên lý khuếch đại được thực hiện nhờ cơ chế bước xạ như sau:

Hình 1.4 Giản đồ năng lượng của Erbium

Đối với các mức năng lượng như đã mô tả ở trên, hoạt động cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA được mô tả như sau Quá trình bước xạ này xảy ra trong EDFA nhình chung có thể được phân cấp thành bước xạ kích thích và bước xạ tự phát Khi các ion Erbium Er3+ được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ ở các mức năng lượng cao hơn cho tới khi nó tiến tới trạng thái siêu bền (trạng thái 4I13/2) Tins hiệu quang tới đầu vào sợi EDF tương tác với với các ion Erbium đã được kích thích và được phân bố dọc theo lõi sợi Quá trình bước xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng quang như tín hiệu tới, à chính vì thế mà ta thu được cường độ ánh sáng tín hiệu đầu ra EDF lớn hơn đầu vào Như vậy, đã đạt được quá trình khuếch đại trong EDFA Các ion đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân ra tự phát tới trạng thái nền với hắng số thời gian xấp sỉ 10 ms Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emision) có pha và hướng ngẫu nhiên Thông thường thì có ít hơn 1 % SE được giữ lại trong mode sợi quang, và nó trở thành một nguồn tạp âm Tạp âm này sẽ được khuếch đại và tao ra bước xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emision) Ở trạng thái nền, khi có sự hấp thụ photon bơm hoạt động trở lại, quá trình này sẽ lặp đi lặp lại ASE sẽ làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu qua bộ khuếch đại quang

1.1.2 Phổ khuếch đại của EDFA

Phổ khuếch đại của EDFA là tham số quan trọng vì băng tần khuếch đại là một tham số trọng yếu để các định băng truyền dẫn Đặc tính này được nghiên cứu với các sợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các EDFA Trong các kết quả thí nghiệm thu được bằng cách pha tạp Al và (hoặc) P trong lõi của sợi thủy tinh pha Er3+

sẽ có tác dụng mở rộng phổ khuếch đại gần đây người ta cũng tìm thấy rằng pha tạp

mở rộng và làm phẳng được băng tần khuếch đại bằng phẳng trong dải bước sóng từ

Hình 1.5 Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA Thông thường thì phổ khuếch đại được đo bằng việc quét bước sóng tín hiệu với một nguồn tín hiệu đơn Tuy nhiên, phổ được thay đổi khi công suất tín hiệu đầu vào được thay đổi Phổ trở nên phẳng khi công suất tín hiệu đâu vào là cao Mức công suất tín hiệu đâu vào là một tham số quan trọng và phổ thường được đo dưới điều kiện tín hiệu nhỏ Đầu ra quang của EDFA phụ thuộc vào bước sóng vì độ khuếch đại thay đổi theo các đặc tính bước sóng của sợi pha tap Erbium EDF Hình 1.5 a) và 1.5 b) miêu ta phổ ra tiêu biểu của một EDFA tương ứng cho các trường hợp có và không có tín hiệu đầu vào Khi không có tín hiệu đầu vào, chỉ có bước xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplifer Spontaneous Emision) Bằng tần bước xạ tự phát được xác định tại giá trị công suất ở vai của phổ giảm đi 3 dB Tuy nhiên, việc xác định này không được chỉ ra trên các thiết bị đo tiêu biểu như là máy phân tích phổ quang OSA (Optical Spectrum Analyzer) Như vậy giá trị này được chỉ ra như là một giá trị tiêu biểu mà không có các giá trị nhỏ nhất hay lớn nhất,

a Cấu trúc thiết bị EDFA trong thông tin quang

+ Các cấu hình EDFA tiêu chuẩn:

Trong hệ thống thông tin quang các bộ khuếch đại quang sợi Erbium EDFA thường ở dưới dạng cấu trúc modul Ngoài ra, EDFA được kết hợp với các thiết bị khác như bộ phát quang hoặc thu quang tùy thuộc vào các ứng dụng khác nhau Nhìn chung các cấu trúc EDFA được phân loại thành ba loại chính theo các cấu hình bơm xuôi, bơm ngược và bơm hai hướng như hình vẽ sau:

Hình 1.6 ba cấu hình chuẩn của EDFA

Theo đặc tính khuếch đại và nhiễu của EDFA cấu hình bơm xuôi đơn hướng có thể cho ra đặc tính nhiễu thấp và phù hợp với ứng dụng làm tiền khuếch đại PA (Preamplifier) Trong khi đó cấu hình bơm ngược đơn hướng cho công suất đầu ra cao phù hợp với bộ khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier) Vì thế, trong trường hợp yêu cầu cả hai đặc tính : nhiễu thấp và đầu ra cao thì cấu hình bơm hai hướng là phù hợp nhất

Vì có nhiều các thành phần được xen vào dọc theo phần truyền dẫn tín hiệu của EDFA nên có những suy hao xen lẫn cần được tính đến Như vậy, khuếch đại G của EDFA phải chịu thiệt thòi công suất bao gồm: suy hao sợi EDF; suy hao của WDM; suy hao của bộ cách ly; suy hao của bộ lọc quang vá các suy hao ghép nối giữa sợi EDF và sợi thụ động tiêu chuẩn Hơn nữa các thành phần này cũng làm tăng hệ số nhiễu NF của EDF Suy hao xen của cloupler WDM và suy hao ghép nối giữa sợi tiêu chuẩn và EDF để bơm ánh sáng sẽ giảm công suất bơm vào sợi EDF Điều này làm giảm khuếch đại tín hiệu G và công suất đâu ra, làm tăng NF trong EDF Trong thực tế

vì EDF tới ưu có đường kính trường mode nhỏ và chỉ số chiết suấ cao hơn so với sợi tiêu chuẩn, việc hàn nối thông thường sẽ có một suy hao đáng kể

Trong thực tế các mde modul EDFA với vùng bơm hiệu quả 980 nm và 1480 nm đã

APC (Automatic Gain Control ) và được tự động điều khển công suất APC (Automatc Gain Control ) để có các ứng dụng ổn định trong các hệ thống thong tin quang sợi thực

tế Các modul EDFA đã được phát triể trong các hệ thống thông tin quang anlog và digital Ngoài ra còn có các cấu hình khác phù hợp với các yêu cầu ứng dụng khác nhau được triển khai từ các dạng này

+ Các cấu hình EDFA cải tiến:

- Các bộ khuếch đại quang sợi phản xạ và hai hướng:

Từ các modul đơn hướng và hai hướng các dạng cải tiến của nó đã được đưa ra với các cấu hình khác nhau Trong các EDFA phản xạ có loại dụng cụ gọi là gương, cách tử được đặt tại đầu ra của EDFA để phản xạ cả ánh sáng bơm và tín hiệu áng sang bơm

và tín hiệu đi qua EDFA hai lần sẽ cho ra độ khuếch đại thực tăng lên Các EDFA hai hướng cho phép tín hiệu truyền cả hai hướng So với các EDFA bơm xuôi tiêu chuẩn thì ở hình 1.7a),thì hình 1.7b ) minh họa cho ánh sáng bơm được phản xạ trong EDFA nhờ một gương lưỡng sắc Trong hình 1.7 c) thì cả ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm được phát triển từ hình 1.7c) với sự them bộ lọc ASE Các bộ vòng quang OC (Optic Circulator) trong các cấu hình ở hình 1.7c), d) có thể được thay thế bằng các bộ coupler 3 Db

Hình 1.7 Các cấu hình EDFA phản xạ Các cấu hình này có thể cho ra khuếch đại tín hiệu tăng rất cao gần gấp đôi so với cấu hình chuẩn, do đó có sự khuếch đại đúp ở EDFA phản xạ tín hiệu khi đó EDFA phản xạ cả bơm và tín hiệu cho ra sự cải thiện hệ số khuếch đại lớn nhất, có thể khoảng từ 7,5 dB/mw đến 22,5 dB/mw Tuy nhiên, các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng hệ số nhiễu trong các cấu hình này luôn cao hơn hệ số nhiễu trong các cấu hình chuẩn Các giá trị của hệ số nnhieeux trong các cấu hình 1.7 c), d) thường là cao hơn cấu hình chuẩn vào khoảng 1,5 dB cho cả hai bước song bơm 980 nm và 1480 nm

hệ thống haihuwowngs và tương tác (lẫn nhau) bằng cách sử dụng các đôi sợi quang Hình 1.8 mô tả cấu trúc ba cấu hình cơ bản cho các ứng dụng hai hướng Cấu trúc đơn giản nhất được minh họa trong hình 1.8a) Đây là một EDFA được bơm hai hướng mà không có bộ cách ly Các tín hiệu quang ở đầu vào tại cả hai đầu EDFA và vì vậy cấu hình này cũng được coi là cấu hình hai hướng tín hiệu Vì nó không sử dụng các bộ cachs ly nên mức bù công suất ơhair được tính và độ khuếch đại của EDFA bị giới hạn

ở mức thấp hơn 18 dB Hơn thế nữa mức bù công suất như vậy sẽ dấn đến giá thành đắt khi phải sử dụng nguồn công suất bão hòa rất cao

Hình 1.8 cấu hình hai hướng cơ bản của EDFA Các cấu hình 1.8 b) và c) được dựa trên nguyên tắc truyền dấn tín diệu hai hướng Hình 1.8 b) sử dụng các bộ coupler chia – kết hợp 3dB sẽ có suy hao tín hiệu 4dB Hình 1.8c) sử dụng các bộ vòng quang độc lập phân cực để chia và kết hợp hai tín hiệu ngược nhau Nếu như các bộ vòng quang OC là lý tưởng, cấu hình này sẽ có

ưu điểm là không có sự mất mát do hệ số nhiễu và suy hao phụ xảy ra và không đòi hỏi phải dùng các bộ cách ly

Trong các hệ thống thong tin có sử dụng các bộ khuếch đại quang các ảnh hưởng phi tuyến của EDFA dối với tín hiệu đầu vào lớn sẽ dấn đến sự biến đổi công suất ngoài ý muốn và điều này sẽ làm suy giảm tỷ số lỗi bit của hệ thống Trong các hệ thống sử dụng nhiều tại bất kỳ trạng thái EDFA nào cũng đặc biệt có hại vì các chuỗi

bộ khuếch đạu được thiết kế để hoạt động tail mức thong suốt tín hiệu một cách chính xác

Trong các hệ thống thong tin quang sủ dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước song WDM, công suất tổng từ sự xếp chồng của vài kênh quang có thể thay đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian Điều này cũng ây ra trôi công suất tín hiệu và sự điều chế trong kênh tần số thấp ngoài ý muons Trong các hệ thống có EDFA sự nhạy cảm phân cực nhỏ của thành phần quang sẽ tích lũy dọc theo thời gian ngắn Ngoài ra sự già theo thời gian của các diode laser bơm trong các EDFA cũng có thể dẫn tới tăng dần suy hao tín hiệu Như vậy, thực hiện việc điều chỉnh khuếch đại là cần thiết và giải pháp cho vấn đề ở trên là tự động điều chỉnh khuếch đại AGC (automatic Gain Control) AGC duy trì độ khuếch đại của EDFA ở mức cố định trong thời gian có sự xáo trộn trôi tín hiệu hoặc thay đổi suy hao hệ thống AGC cũng có thể thể hiện chức năng quang trọng của quá trình tuyến tính hóa độ khuếch đại Điều này có thể đạt được nhờ quá trình tự động điều chỉnh công suất APC (Automatic Power Control) AGC có chức năng cố định độ khuếch đại và sự thay đổi công suất tín hiệu đầu ra và sụ thay đổi đọ khuếch đại AGC đòi hỏi ba chức nang sau:

- Tách nhứng biến đổi công suất tín hiệu tương ứng với mức chuẩn nào đó

- Phát tín hiệu lỗi

- Lưu giữ các điều kiện đầu khi không có lỗi

Ba chức năng này có thể được thực hiện bằng quang điện Chúng ta có thể tham khảo hai giải pháp là AGC có điều khiển bơm và điều khiển tín hiệu Các AGC có điều khiển tín hiệu thì duy trì mức bão hòa như một hằng số Cả hai đều đưa ra tuyến tính hóa độ khuếch đại EDFA, tức là:

Psout/Psin = hằng số

- Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đạu:

Cân bằng phổ khuếch đại là rất quan trọng đối với các ứng dụng EDFA trong hệ thống đa kênh quang WDM Như ta đã biết băng tần đại là không đều về phổ và thể hiện một vài gợi song, nhưng sự khác nhau về độ khuếch đại thường xảy ra ở các kênh quang có khoảng cách các bước song lớn Trong các hệ thống tong tin quang sử dụng chuỗi dài các bộ khuếch đại quang trên đường truyền, ngay cả những sự khác nhau nhỏ về phổ khuếch đại cũng có thể dẫn tới nhưng khác biệt lớn về công suất tín hiệu thu được Điều này gây ra sự khác nhau về BER giữa các tín hiệu thu được tới mưc thậm trí không thể chấp nhậ được Đối với một vài kênh quang được ghép sự khác biệt công suất có thể xay ra ở đầu ra hệ thống do sự bù khuếch đạu không đủ dọc theo chuỗi các bộ khuếch đại Ngoài ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE được phát

tới các kênh WDM tại các bước song dài hơn Như vậy thì việc cân bằng khuếch đại cũng là một điều mong muốn đối với các hệ thống analog cho méo cấp hai sinh ra do

sự nghiêng khuếch đại

Cân bằng khuếch đại có nghĩa là làm cho khuếch đại đồng đều ở các kênh quang riêng rẽ Làm phẳng khuếch đại nghĩa là tạo ra được băng tần phổ khuếch đại đều nhau, Như vậy khi ở trường hợp ứng dụng hai kênh cân bằng khuếch đại có thể được thực hiện nhờ các biên pháp đơn giản nhu su:

- Với một EDFA có độ dài L đã cho , công suất bơm có thể được chọ để các bộ khuếch đại trong các vùng đỉnh và vai gần các bước sóng 1,53 µm và hấp thụ tín hiệu

ở bước sóng ngắn Một cách cân bằng khuếch đại khác là đặt các kênh quang tại các bước mà nó cho ra các bộ khuếch đại bằng nhau ở điều kiện bơm lớn nhất

- Phương pháp thụ động Phương pháp này dựa trên việc sử dụng đỉnh băng tần hoặc bộ lọc điều chỉnh gần với đỉnh khuếch đại Việc kết hợp của truyền dẫn có bộ lọc phụ thuộc bước song và khuếch đại EDFA cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng bộ lọc quang tích cực Trong các bộ lọc tích hợp âm thoa quang có điều chỉnh AOTF (Acoustic Optic Tunable Filters), tần số trung tâm và công suất của tín hiệu RF điều khiển Bằng cách điều khiển AOTF với một số bước song mang phụ RF việc điều khiển truyền dẫn có thể đạp được đồng thời cho các bước song quang khác nhau

- Các cấu trúc EDFA cải tiến dặc tính

Để cải tiến đặc tính của bộ khuếch đại EDFA, có một số các cấu trúc biến đổi

có sự thay đổi chút ít về cấu hình của EDFA Trong các cấu hình này, đầu tiên cần phải

kể tới là cấu hiinhf thay đổi độ dài sợi pha tạp erbium EDF để thu được độ khuếch đại cao hơn Tuy nhiên cần phải chú ý tới nhiễu của EDFA, vì công suất bơm cao thường được sử dụng ở cấu trúc này

Phương pháp thứ hai là EDFA được tách độ dài EDF thành hai phần bằng bộ cách ly S.Yamashita và T.Okoshi, O.Lumholt và tác giả phân tích lý thuyết và tiến hành thực nghiệm về vấn đề này Trong phương pháp này, một bộ cách ly được đặt ở giữa sợi pha tạp Erbium để chặn nhiễu ASE Phương pháp này tạo ra được khuếch đại tăng và làm giảm hệ số nhiễu NF của EDFA Hình 8.34 chỉ ra nguyên lý làm giảm NF

và ASE bằng cách ly

Hình 1.9 Sự giảm NF do ASE ngược và loại trừ ASE ngược bằng bộ cách ly

Phương pháp thứ ba để tăng độ khuếch đại của EDFA là thêm vào độ EDF một

bọ lọc quang băng thông hẹp Như vậy, phương pháp này đã sử dụng bộ lọc quang thay cho bộ cách ly quang trong phương pháp thứ hai đã nói ở trên Hình 1.9 chỉ ra cấu

trúc bộ khuếch đại EDFA áp dụng phương pháp này

Bằng việc sử dụng bộ cách ly quang hoặc bộ lọc thì ta có thể cải thiện được độ nhạy thu Tuy nhiên, vị trí của bộ cách ly và bộ lọc trong hai phương pháp này cần được khẳng định Từ các thí nghiệm ở trên, kết quả đã chỉ ra rằng vị trí tối ưu của bộ cách ly quang là vào khoảng 25% đến 40% độ dài sợi tính từ đầu vào cho cả các bộ khuếch đại được bơm cùng và hai hướng Vị trí tối ưu của bộ lọc quang được tìm ra là

ở khoảng 42% tính từ đầu vào độ dài của bộ khuếch đại

Hình 1.10 Cấu hình EDFA có bộ lọc quang được xen vào độ dài sợi EDF

b Các ứng dụng trên các hệ thống tuyến tính số

Có 3 ứng dụng chính của EDFA được sử dụng trong khuếch đại quang sợi đó là:

khuếch đại đường truyền (Line Amplifier- LA) Hình 2.7 mô tả cấu hình ứng dụng thiết bị OFA với các cấu trúc khác nhau

Hình 1.11 Các ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi

- Bộ khuếch đại công suất quang

BA là thiết bị EDFA có công suất bão hòa lớn được sử dụng ngay sau Tx để tăng mức công suất tín hiệu do mức công suất ra tương đối cao nên tạp âm ASE có thể

bỏ qua và do đó đối 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 hiên tượng phi tuyến Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx BA có thể tích hợp với Tx (gọi là OAT) hoặc tách riêng Tx -Bộ tiền khuếch đại quang

PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng ngay trước bộ thu Rx để tăng độ nhạy thu Sử dụng PA bộ nhạy thu được tăng lên đáng kể các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx Để đạt được mức tạp âm ASE thấp người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp (nên sử dụng các bộ lọc có khả năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước song của nguồn phát) PA có thế tích hớp vơi Rx ( gọi là OAR) hoặc tách riêng với Rx

-Bộ khuếch đại đường truyền

LA là loại 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 Tùy 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 thong tin riêng để thực hiện cảnh cáo, giám sát và điều khiển các LA Kênh giám sát này ( OSC- Optical Supervisor chanel) không được quá gần với sóng bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng của giữa các kênh này Tại mỗi LA kênh giám sát này được chèn thêm thông tin mới

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 bị suy giảm nghiêm trọng

do các hiện tượng như: tích lũy tạm âm, sự phụ thuộc của phổ khuếch đại vào tổng hệ

số khuếch địa, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến Đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước song nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA

Do đặc điểm khác nhau của các loại thiết bị khuếch đại quang lên mức ưu tiên

sử dụng đối với từng loại cũng khác nhau:

- LA đòi hỏi phải có một kênh giám sát riêng hơn nữa thêm các điểm trung gian vào trên đường truyền làm cũng làm cho việc bảo dưỡng trở nên phức tạp hơn Do đó mức ưu tiên sử dụng đối vơi LA là thấp nhât, chỉ trong trường hợp khi dùng cả BA và

PA mà vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về quỹ công suất thì mới dùng LA

- 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 booh lọc quang băng hẹp để loại

bỏ bớp tạp âm ASE ) nên giữa BA và PA thì BA vẫn được ưu tiên sử dụng hơn

Việc sử dụng các thiết bị khuếch đại quang ( BA, PA, LA) sẽ tăng quỹ công suất lên đáng kể Với phổ khuếch địa tương đối rộng ( khoảng 35nm ), khả năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc độ và dạng tín hiệu, sử dụng khuếch địa quang rất thuận lợi trong việc nâng cấp tuyến như tăng tốc độ hoặc thêm kênh bước song

Nhìn chung, sử dụng khuếch đại quang có thể bù lại suy hao trong hệ thống, như vậy các 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 sợi bù tán sắc hay sử dụng các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài…

Một trong các hạn chế của EDFA đối với hệ thống WĐM là phổ khuếch đại không đồng đều, các bước song khác nhau sẽ được khuếch địa 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 hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quanh bước song 1558nm Như vậy, với nhiều EDFA lớn liên tiếp trên đường truyền dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại và có thể là từ 35nm xuống còn 10nm hoặc hơn nữa tùy thuộc vào bộ khuếch đại quang liên tiếp nhau

Ngoài ra trong trường hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền, một vấn đề nữa cần quan tâm xem xét là tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía trước sẽ được khuếch đại bởi bộ khuếch địa quang phía sau Sự khuếch đại và tích lũy tạp âm này sẽ làm tỉ số S/N của hệ thống bị suy giảm nghiêm trọng Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống dưới mức cho phép Tuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào là quá cao thì tín hiệu này kết hợp với ASE có thể gây hiện tượng bão hòa ở bộ khuếch đại

Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng một số phương pháp

- Sử dụng bọ lọc để suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại: xung quanh bước sóng 1530nm và xung quanh bước song 1558nm trong trường hợp có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền

- Hoặc điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bước sóng sao cho tại đầu thu, mức công suất của tất cả các bước song này là như sau

- Một cải tiến quan trọng trong việc san phẳng và mở rộng khuếch đại của bộ bộ khuếch đại quang đó là sự ra đời của bộ khuếch đại có tên là EDTFA ( Erbium Doped Tellurite based Fiber Amplifier) Sơ đồ cấu hình như sau:

Hình 1.12 Cấu trúc EDTFA

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 Tellurium EDTFA cho phép

mở rộng phổ khuếch đại lên tới 9nm từ bước sóng 1350nm đến 1620nm

1.1.4 Các tham số đặc tính kỹ thuật ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang EDFA

a Công suất bơm và bước song bơm trong EDFA

Như giải thích trong phần cấu trúc và nguyên lý hoạt động, có một vài vùng bước song bơm cho phép kích thích các ion Erbium Đặc tính khuếch đại của sợi Erbium EDF được bơm ở mỗi vùng bơm được so sánh dưới dạng hệ số khuếch đại, tỷ

lệ phần tiết diện bức xạ kích thích bơm và phần tiết diện hấp thụ bơm, hiệu suất biến đổi công suất và các đặc tính nhiễu

Hình 1.13 mô tả quan hệ giữa khuếch đại tín hiệu và công suất bơm Độ khuếch

đại lúc đầu tăng với hàm mũ với sự tăng của công suất bơm và rồi hạ thấp xuống Hình

Hiệu suất biến đổi công suất là một tham số thông dụng để áp dụng chủ yếu cho EDFA khuếch đại công suất BA vì nó có liên quan đến các đặc tính bão hòa của EDFA Tham số này thường được sử dụng trong thiết kế modul để xác định công suất tín hiệu đầu ra thu được modul EDFA với công suất bơm sắn có trong modul và được xác định là:

Epc(%) = (Psout - Psin)x100/Ppin (1.1) Trong đó Psout

,Psin và Ppin tương ứng là công suất tín hiệu đầu ra, công suất tín hiệu đầu vào và công suất bơm vào sợi pha tạp Erbium EFD Gía trị lớn nhất của Epcđược cho đối với bước song tín hiệu λs và bước sóng bơm λp là:

Epcmax(%) = (λp/λs) x100 (1.2)

Vì vậy hiệu suất biến đổi cong suất lớn nhất Epc sẽ tăng khi bước song bơm tiến tới bước song tín hiêu

Hình 1.13 Sự phụ thuộc bộ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA

Cả hai bước sóng bơm 1480nm và 980 nm đều được dùng tốt trong EDFA Tùy từng điều kiện cụ thể sủ dụng bước song bơm 1480 nm và 980 nm Thực hiện tính toán

để tìm độ khuếch đại G với các bước song dài sợi EDF và khuếch đại tín hiệu cho cả hai bước song ở cùng một công suất bơm Kết quả như hình 1.14 từ kết quả này và tham khảo các kết quả thí nghiệm ta thấy rằng bơm 980 nm có hiệu quả hơn bơm ở

1480 nm

Hình 1.14.Quan hệ giữa độ dài EDFA và khuếch đại tín hiệu

b Khuếch đại trong bộ khuếch đại pha tạp Erbium

Công suất và bước sóng bơm có liên quan tới khuếch đại của bộ khuếch đại quang sợi OFA ( Optic Fiber Ampliter ) Độ khuếch đại là một trong những tham số cơ bản nhất và nó thể hiện khả năng làm tăng công suất tín hiệu truyền trong OFA Độ khuếch đại G của bộ khuếch đại quang được xác định như sau:

G =( - )/ (1.3)

Trong đó và Pout tương ứng là các công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang Ngoài khuếch đại, bộ khuếch đại quang cũng phát ra ASE và ở đây

là công suất nhiễu được phát từ bộ khuếch đại quang nằm trong băng tần quang

Việc xác định bộ khuếch đại quang sợi là một quá trình phức tạp do bản chất phân bố hai hướng của nó Để thu được bộ khuếch đại thực của bộ khuếch đại thì cần phải xác định phần tiết diện bức xạ kích thích và tiết diện hấp thụ là các yếu tố rất quan trọng

Hình 1.15 mô tả đỉnh trong các phần mặt cắt ngang hấp thụ và bức xạ là gần với

1530 và phổ hấp thụ có phần dịch về phía các bước sóng ngắn hơn Xu hướng dịch về phía các bước song ngắn hơn là đặc trưng tiêu biểu của các nguyên tố đất hiếm

Hình 1.15 Phổ tiết diện bức xạ và hấp thụ giữa các mức4I13/2 và 4I15/2

- Khuếch đại tín hiệu nhỏ

Khuếch đại tín hiệu nhỏ là khuếch đại của bộ khuếch đại khi nó hoạt động trong chế độ tuyến tính, tại nơi mà nó hoàn toàn không phụ thuộc vào công suất quang tín hiệu và bơm đã cho Để xác định vùng khuếch đại tín hiệu nhỏ, người ta thường dự báo bằng nhiễu đầu vào hiệu dụng của bộ khuếch đại

=2hv 30 nw/nm đối với = 1550nm

Trong đó hv là năng lượng photon và là băng tần quang của bộ khuếch đại quang Nhiễu đầu vào hiệu dụng được khuếch đại lên từ độ khuếch đại và ta sẽ thu được công suất đầu ra của bộ khuếch đại Độ khuếch đại tín hiệu nhỏ là tham số quan trọng trong việc xác định vị rí của các thiết bị EDFA trên tuyến Nếu như công suất tín hiệu lớn sẽ làm giảm độ khuếch đại thực và dẫn đến giảm quỹ công suất của tuyến thong tin quang

Độ khuếch đại của bộ khuếch đại được thể hiện như hình 1.16 minh họa như là một hàm của công suất đầu vào Các đường cong này có thể giúp ta xác định phân biệt vùng công suất đầu vào tín hiệu nhỏ

Hình 1.16 Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào với 4

công suất bơm khác nhau

- Khuếch đại bão hòa

Đặc tính khuếch đại bão hòa của EDFA là một tham số quan trọng Công suất tín hiệu đầu ra thu được ở đầu ra bộ khuếch đại quang là một giá trị đặc biệt hấp dẫn vì nó liên quan tới các cự ly truyền dẫn và cự ly khoảng lặp của các hệ thống truyền dẫn dài và nó làm tăng của sổ các đầu ra trong cấu hình phân bố sợi quang EDFA thường hoạt động ở các mức tín hiệu đầu vào đủ lớn để tạo ra sự bão hòa khuếch đại Sự bão hòa khuếch đại được xem như là sự giảm khuếch đại trong lúc công suất tín hiệu tăng như thể hiện ở hình 1.16 Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang có thể được viết như sau:

Hình 1.17 Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với các công suất bơm khác nhau

Công suất tín hiệu đầu ra với các công suất ở nơi mà độ khuếch đại giảm đi 3dB so với giá trị chưa bão hòa Đây là công suất đầu ra mà tại đó độ khuếch đại của bộ khuếch đại giảm đi 50% giá trị tín hiệu nhỏ của nó Cũng trong hinh 1.17 công suất đầu vào bão hòa sẽ tăng cùng với sự tăng của công suất bơm đưa vào

Các đặc tính bão hòa sẽ phụ thuộc vào cấu hình bơm và độ dài của sợi

EDF như hình 1.18

Trong các cấu trúc EDFA , bơm ngược sẽ thu được PCE cao nhất với mọi độ dài EDF Như vậy bơm ngược được áp dụng cho độ dài EDF tối ưu khi xây dựng thiết bị khuếch đại công suất BA để đạt được công suất đầu ra cao hơn Độ dài sợi EDF( m)

Hình 1.18 Hiệu suất biến đổi công suất như một hàm của độ dài dài EDF

Với hai loại cấu trúc bơm

- Độ nghiêng và độ dốc khuếch đại

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của EDFA trong thông tin quang là

là việc sử dụng nó ttrong hệ thống ghép kênh quang Trong các hệ thông ghép ghép kênh theo bước sóng WDM với cự ly xa , phổ khuếch đại của bộ phận khuếch đại quang phải duy trì phẳng để tránh sự trôi lên về công suất của một kênh nào đó Sự thay đổi hoặc nghiêng trong phổ khuếch đại xảy ra khi các kênh của hệ thống thông tin dài Sự nghiêng độ khuếch đại được xác định như là tỷ số của sự biến đổi khuếch đại tại bước sóng đo được với sự thay đổi khuếch đại tại bước sóng tại bước sóng chuẩn, nơi mà các thay đổi khuếch đại được tạo ra do có sự biến đổi ở điều kiện đầu vào

Ngoài độ nghiêng khuếch đại thì độ dốc khuếch đại cũng được quan tâm Độ dốc khuếch đại là tham số quan trọng và cần phải phân biệt giữa độ dốc khuếch đại tĩnh và độ dốc khuếch đại động Độ dốc khuếch đại tĩnh ms được xác định như sau:

ms (λ0) =[Gs(λ0+Δλ) –Gs(λ0-Δλ)]/2Δλ (1.6)

Trong đó Gs(λ0±Δλ) là độ khuếch đại tại bước sóng tín hiệu bão hòa do bước sóng tín hiệu bão hòa bị điều chỉnh đi (λ0±Δλ)

Độ dốc khuếch đại động md được xác định như sau:

md (λ0±Δλ) = [Gp(λ0+Δλ) – Gp(λ0-Δλ)]/2Δλ (1.7)

laser có khả năng điều chỉnh bước sóng liên tục để cho ra công suất đầu ra thấp hoặc nguông phát quang băng rộng

- Phổ khuếch đại của EDFA

Phổ khuếch đại của EDFA là một tham số quan trọng vì băng tần khuếch đại là một tham số trọng yếu để xác định băng truyền dấn Đặc tính này đã được điều tra với các sợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các EDFA Bằng cách thay đổi vật liệu chủ trong sợi từ thủy tinh silica sang thủy tinh Fluoride gốc ZrF4 và thủy tinh Fluoropho spate sẽ hứa hẹn mở rộng và làm phẳng được băng tần khuếch đại Ngoài ra, phổ khuếch đại của EDFA có thể được dịch tới vùng bước sóng dài hơn khi

sử dụng độ dài EDF là tương đối dài

Các hệ thống thông tin quang WDM rất cần các loại EDFA có đặc tính phổ rộng điều này cho phép các kênh có chất lượng đồng đều và nhất là việc xác định cự ly truyền dẫn được chính xác hơn Độ dài tuyến không bị thiệt thòi theo các kênh có ddoooj khuếch đại thấp

c Nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Nhiễu trong tín hiệu khuếch đại quang là một chủ đề quan trọng trong hệ thống thông tin quang Các đặc tính nhiễu thể hiện một tham số quan trọng chủ chốt mà nó xác định đặc tính trên toàn bộ hệ thống như cự ly truyền dẫn và tốc độ bit lớn nhất Để thuận tiện cho việc xem xét thiết kế tuyến , ta phân tích nhiễu thành các dạng đặc trưng Có hai phần là nhiễu quang và nhiễu cường độ

- Nhiễu quang trong EDFA

Nhiễu quang là tham số quan trọng nhất liên quan tới các đặc tính nhiễu trong các hệ thống sử dụng khuếch đại quang Độ khếch đại G đã được thảo luận nhưng bên cạch đó luôn tồn tại nhiễu Vì thế mà trên thực tế không bao giờ có bộ khuếch đại lý tưởng, điều đó có nghĩa là không tồn tại bộ khếch đại mà không có nhiễu và nó ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế tuyến

Các photon được bức xạ tự phát có hướng và pha ngẫu nhiên Một số các photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang Vì sợi photon được giữ lại này được lan truyền dọc theo bên trong của sợi chúng lại được khuếch đại, quá trình này sẽ tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại sợi quang ASE (Amplifier Spontaneous Emission) Trong các bộ phận khuếch đại quang sợi thực tế EDFA thường có 2 mode lan truyền phân cực trong bức xạ tự phát và công suất ASE tổng là :

NSP cao hơn Điều này làm tăng trực tiếp hình ảnh nhiễu trong bộ khuếch đại và NSP có thể được gọi là hệ số nhiễu tự phát

- Nhiễu cương độ trong EDFA

Như trong phần trước đã giới thiệu, cường độ ánh sáng đến được bộ tách sóng quang biến đổi thành dòng điện Dòng photon ban đầu Iph(t) sẽ được phát ra trong bộ tách sóng quang khi có công suất quang P(t) từ nguồn phát đi tới

Iph(t) = RP(t) = P(t)ηe/ hv (1.9) Trong đó η là hiệu suất lượng tử của bộ tách sóng trong bộ thu quang bằng từ 0,4 đến 0,95 ta gọi e = q = 1,602 х 10-19

coul là điện tích điện tử Năng lượng photon

hv bằng khoảng 1,283 х 10-19J tại bước sóng 1,55ϻm

Nhiễu cường độ là một yếu tố trội làm giới hạn đáng kể năng lực của các hệ thống thông tin quang Vì bộ tách sóng quang biến đổi nhiễu cường độ trực tiếp thành nhiễu điện

Nhiễu 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 đọng cường độ Ta không thể tránh khỏi nhiễu xạ này trong hệ thống EDFA và nhiễu xạ này là nhiễu xạ tham gia đầu tiên vào tổng nhiễu trong các hệ thống thông tin được khuếch đại quang

Hình 1.19 mô tả nhiễu phách tín hiệu – tự phát

Nhiễu phách tự phát – tự phát là phách giữa các thành phần phổ khác nhau của bức

xạ tự phát SE dẫn đến nhiễu cường độ Toàn bộ phổ ASE là đóng góp vào nhiễu phách cường độ tư phát- tự phát Nếu như ASE là không phân cực, ASE ở một trong hai phân cực trực giao sẽ đóng góp vào nhiễu phách tự phách tự phát-tựu phát tổng Như hình 1.20 tổng số các cặp phách có thể giảm đi khi mà băng tần quang giảm.Bước sóng

Hình 1.20 Nhiễu phách tín hiệu- tự phát giữa các thành phần phổ ASE -Nhiễu phản xạ (nhiễu giao thoa, nhiễu luồng )

Các phản xạ quang trong bộ khuếch đại quang thương làm giảm khuếch đại và

vì thế làm giảm quỹ công suất của tuyến truyền dẫn Qúa trình phản xạ quang này tạo

ra sự biến đổi giao thoa của nhiễu xạ laser thành nhiễu xạ cường độ Nhiễu xạ cường

độ như vậy làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR tại bộ thu quang Nhiễu biến đổi được biết đến như là nhiễu giao thoa nhiều luồng hoăc MPI (Multipath Interference ) hoặc còn gọi là nhiễu quá mức

Các tham số quan trọng xác định biên độ của MPI là các mức phản xạ độ khuếch đại quang, độ rộng phổ tín hiệu và trễ thời gian giữa hai phản xạ.Khi các phân cực của các luồng quang bị trễ là đồng bộ với nhau nó sẽ tạo ra nhiễu cường độ tương đối RIN (Renatine Intensity Noise ) tồi nhất và pha giao thoa trung bình gần như ở dạng bậc hai Độ khuếch đại quang có thể làm tăng mạnh các tác động của các phản xạ nhỏ

- Hình ảnh nhiễu

Hình ảnh nhiễu NF (Noise Figure) của bộ khuếch đại quang là một hình ảnh minh họa đặc trưng có ý nghĩa xác định lượng suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR sau khi qua bộ khuếch đại Hình ảnh nhiễu mà lớn sẽ bất lợi cho đặc tính của hệ thống

Nó tạo ra tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm thu được kém, tăng Jitter trong các hệ thống truyền dẫn Soliton và tăng tích lũy ASE dọc theo tuyến truyền dẫn có nhiều bộ khuếch đại quang sợi mắc nối tiếp

Trong các hệ thống thông tin quang Analog, nhiễu pha do biến đổi nhiễu cường

độ do các phản xạ quang bên trong cũng là yếu tố chính tham gia vào hình ảnh nhiễu Hình ảnh nhiễu là sự suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm do truyền tín hiệu lượng tử thông qua bộ khuếch đại quang sợi OFA và được tính bằng dB Như vậy hình ảnh nhiễu xạ được xác định băng công thức sau :

Trong đó hình ảnh nhiễu được tính là dB Các SNR được xem xét tại đầu ra của

bộ tách sóng quang lý tưởng mà nó có khả năng biến dổi từ phooton của ánh sáng tới thành dòng điện ( hiệu suất lượng tử η = 1) Hình 1.21 minh họa về hình ảnh nhiễu Tỷ

lệ tín hiệu trên nhiễu SNR đầu vào được xác định thông qua việc sử dụng một nguồn phát lý tưởng và bộ thu lý tưởng Sau đó bộ khuếch đại quang được mắc xem kẽ vào

và SNR đầu ra được xác định Biểu thức trên sẽ được dùng để tính toán hình ảnh nhiễu

bộ khuếch đại quang

Để chặn bớt nhiễu, cách có hiệu quả là sử dụng bộ lọc bằng thông quang Bộ lọc băng thông quang thường được ghép với đầu ra của EDFA để chạn bớt nhiễu phách tín hiệu – tự phát trong trường hợp bất kỳ một bộ khuếch đại quang nào đó được dùng làm tiền khuếch đại cho bộ thu quang và sự kết hợp giữa bộ tiền khuếch đại với bộ lọc quang và bộ lọc thu được gọi là thu được khuếch đại quang OAR (Optically Aplifed Recciver)

Hình 1.21 Hình ảnh nhiễu dưới dạng nguồn phát và bộ thu lý tưởng

Hình ảnh nhiễu NF được xác định từ nhiễu tự phách tín hiệu – tự phát sẽ không chỉ phụ thuộc vào băng bơm mà còn phụ thuộc vào công suất bơm, bước sóng bơm và cấu hình bơm

bộ khuếch đại quang, và như vậy đầu vào và đầu ra nên được tính ngay tại các điểm sát sau đầu và sát trước đầu ra của EDF tương ứng ( ở bên trong hai điểm nối giữa EDF, WDM và bộ cách ly ) Vì thế NF bên trong được xác định là :

P

d Các đặc tính phụ thuộc nhiệt độ của EDFA

Đặc tính phụ thuộc vào nhiệt độ cũng quan trọng như trong các ứng dụng thực tiễn của EDFA trong các hệ thống thông tin quang Sự khuếch đại tín hiệu phụ thuộc vào nhiệt độ đã được nghiên cứu trong cả hai bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm

Đặc trưng này thừa nhận rằng đó là do sự thay đổi của phần bức xạ σ a và hấp thụ σ a

của ánh sáng mang tín hiệu và ánh sáng bơm Sự phân bố phụ thuộc vào nhiệt độ tích lũy ion Er3+

ở mức siêu bền 4I13/2 và mức nền 4I14/2 đã gây ra những biến đổi trong từng phần tiết diện ngang Người ta nhận thấy rằng phần tiết diện thay đổi tuyến tính với nhiệt độ

Sự phụ thuộc khuếch đại tín hiệu vào nhiệt độ được thể hiện ở hình 1.22 Độ khuếch đại tín hiệu bị giảm khi nhiệt độ tăng lên Ta cũng thấy rằng các thay đổi về khuếch đại tín hiệu phụ thuộc vào độ dài sợi, bước sóng bơm và bước sóng tín hiệu Các bộ khuếch đại EDFA được bơm ở bước sóng 1480 nm sẽ nhạy cảm với nhiệt độ hơn là bơm ở 980 nm do thực tế là đặc tính phụ thuộc nhiệt độ khi bơm ở 1480 nm lớn hơn là bơm tại 980 nm cho cả hai bước sóng tín hiệu, vì có một giá trị xác định của tiết

diện ngang bức xạ σ e,p tại bước sóng bơm 1480 nm, và giá trị này rất nhạy cảm với nhiệt độ sợi

Hình 1.22 Khuếch đại tín hiệu phụ thuộc vào nhiệt độ Các đặc tính phụ thuộc vào độ của EDFA cho các hệ thống ghép kênh quang cũng đã được nghiên cứu J.H.Lee và các tác giả đã đưa ra các kết quả thực nghiệm của họ sau khi điều tra cho cả hai bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm Kết quả thực nghiệm này chỉ ra rằng bơm ở bước song 1480 nm nhạy cảm với nhiệt độ là bơm ở bước sóng 980 nm

1.1.5 Ảnh hưởng của khuếch đại quang EDFA trong hệ thông tin quang

a Giới thiệu chung

Như đã biết rằng, khuyếch đại quang thực hiện khuếch đại trục tiếp tín hiệu quang và vì thế cho phép tăng quỹ công suất quang trên hệ thống thông tin quang Như vậy sự có mặt của các thiết bị khuếch đại quang trên tuyến truyền dẫn đã làm thay đổi dặc tính hệ thông Rõ ràng rằng khi mà hệ thông thông tin quang được lắp đặt thêm các thiết bị khuếch đại quang, nó sẽ trở thành hệ thông mới có những đặc điểm khác với hệ thống không sử dụng khuếch đại quang Khi đó sẽ có những câu hỏi đặt ra cho việc xác định cấu hình hệ thông va cần phải xem xét các yếu tố tác động trên toàn hệ

thông

Trong hệ thống thông tin quang, để đánh giá hệ thống thì người ta thường dựa vào tín hiệu thu quang vì thiết bị thu sẽ phản ánh toàn bộ dặc tính hệ thông Như vậy, tiện cho việc xem xét hệ thống có khuếch đại quang, cách tốt nhất là ta hãy quy về việc khảo sát bộ thu có khuếch đại quang OAR(optically amplified receiver ) Điều này có nghĩa rằng trong hệ thống khuếch đại quang sợi,ta coi bộ khuếch đại quang là thuộc về

điện eNR(electrical SNR), và từ đó xác dịnhđộ nhạy thu cũng như đặc tính BER của

hệ thông

Các đặc tính nhiễu thấp của chúng là rất quan trọng để xây dựng cấu hình tối ưu của hệ thống thông tin quang được khuếch đại quang Nếu ta coi bộ khuếch đại quang nằm trong thiết bị thu quang thì việc khảo sát thông tin quang thông qua bộ thu OAR

và được diễn giải như sau Trong bộ thu OAR, vì bộ khuếch đại quang (OA) đã được dùng trong hệ thống, cho nên không chỉ dong photo tín hiệu được khuếch đại, mà nhiễu phất xạ tự phát của bộ khuếch đại quang cũng được thêm vào nhiễu tổng Bản chất ngẫu nhiên của tín hiệu đến các quá tring Gaussian của nhiễu cộng với tín hiệu có biên độ nỏ đã làm cho quá trình phân tích hệ thông phức tạp lên rất nhiều Trong các yếu tố quan trọng nhất của ánh sáng vật lý đi tới bộ tách sóng photo, tồn tại thực tế là

số photon hoặc các lượng tử năng lượng là không xác định Sự khuếch đại ánh sáng của bộ khuếch đại quang cần được hiểu đúng hơn là quá trình nhận thêm photon và nó làm tăng tính không chắc chắn về số lượng các lượng tử Đây cũng chính là lý do để biết rằng có một tính ngẫu nheein để kết hợp với bức xạ kích thích và vì quá trình bức

xạ tự phát đã phát ra nhiễu phụ Như vậy, các thành phần nhiễu luôn luôn là các yếu tố quan trong nhất nhưng lại rất phức tạp trong khi xét đến ảnh hưởng của nó trong hệ thống có khuếch đại quang trong đó , điểm bắt đầu của quá trình nghieen cứu tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cũng như độ nhạy của thu ại là các thành phần nhiễu , và chung ần được phải làm sáng tỏ ngay từ đầu Trong phần nay, chúng tôi sẽ trình bày và phân tích

về SNR, vốn là một trong các tham số quyết định chất lượng hệ thống truyền dẫn

b Tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện của hệ thống có khuếch đại quang

Để xét cấu hình của hệ thống được thuận tiện, ta hãy khảo sát sự kết hợp bộ khuếch đại quang sợi OFA(Opitical Fiber Amplifier) và bộ thu quang photodiode p-i-

n ITU-T đã xác định thiết bị bao gồm bộ tiền khuếch đại OFA được tích hợp với bộ thu quang như là một thiết bị phụ Khi suy hao giữa OFA và bộ thu quang không đáng

kể, sự tích hợp này được gọi là bộ thu khuếch đại quang OAR Việc phân cấp hệ thống phụ OFA đã được xác định trong các khuên nghị G.662 và G.663, và sơ đồ mắc xen OFA trong OAR được mô tả như trong hình 1.23 Với xác định này, điểm tham chiếu

R chỉ được xác định cho đặc tính của tham số đầu vào OAR ở trước OFA Bộ tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier) được sử dụng trong OAR thường là bộ EDFA có nhiễu rất thấp và khuếch đại cao Đây là sự khác nhau đáng chú ý khi so sánh với bộ khuếch đại công suất quang BA vì nó phải thu tín hiệu rất yếu và bị méo sau khi truyền dọc theo sợi quang

Để phân tích bộ thu khuếch đại quang, ta coi OAR như một thiết bị hai phần mà trong đó các thành phần tín hiệu và nhiễu của khuếch đại quang và bộ thu quang có tương tác với nhau Vì bộ OFA được đặt trước bộ thu quang OR (optical receiver), nó

và bộ thu công suất tín hiệu quang Ps tại đầu vào của bộ thu khuếch đại quang, và bộ thu quang p-i-n sẽ thu công suất tín hiệu quang Pin đến từ đầu ra OFA tại đầu vào bộ thu p-i-n, sự thể hiện của OAR có thể được diễn tả thông qua đặc tính của OFA và bộ thu quang Như sẽ thảo luận ở chương này về các tham số đặc tính của bộ thu quang p-i-n, sự thể hiện qua OAR có thể được diễn tả thông qua đặc tính của OFA tại đầu vào

băng cao tần điện Be, nhiễu nhiệt Nth,,nhiễu tín hiệu tự phát Ns-sp, nhiễu phách tự phát -

tự phát Nsp-sp , và nhiễu lượng tử Nsh Bộ khuếch đại quang được mô tả có băng tần quang B0, khuếch đại G, và hệ số phát xạ tự phát Nsp Thông Thường có bộ lọc quang F được đặt ở sau bộ khuếch đại quang để chặn bớt nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE Suy hao L giữa bộ khuếch đại quang và bộ thu quang trong OAR thường rất nhỏ Vấn đề quan trọng bây giờ là xác định các thành phần nhiễu lượng tử và nhiễu phách

Để phân tích nhiễu lượng tử cho bộ khuếch đại quang OAR, ta có thể sử dụng tích chất thống kê trong tách sóng quang lượng tử theo như, và hãy xem xét quá trình phất ra cá điện tử photo trong trường hợp tín hiệu được khuếch đại với độ khuếch đại

G của EDFA Như đã thảo luận về nhiễu cường độ (nhiễu dòng photo), nhiễu lượng tử bao gồm nhiều lượng tử của tín hiệu được khuếch đại và nhiễu phát xạ tự phát được khuếch dại ASE Như vậy nếu gọi mt là số mode ngang (mode được phân cực ) của bộ phận khuếch đại quang từ đó viết ra dòng photo trung bình của nhiễu lượng tử cho bộ thu khuếch đại quang là:

Ish= GIs +mtIsp (1.12) Với Is là dòng photo tín hiệu điện trung bình , Isp là dòng nhiễu phát xạ tự phát Như vậy, công suất nhiễu lượng tử (hoặc biến đổi nhiễu lượng tử )σsh2

của bộ thu khuếch đại quang dựa trên nhiễu lượng tử tín hiệu và nhiễu lượng tử phát xạ tự phát là:

Nsh = 2eBe(GIs +mtIsp) (1.13) Với Be là băng tần điện của bộ thu, e là điện tích điện tử Ở đây đã sử dụng điều chế thực tế là những biến đổi công suất diện như bình phương của dòng

Hinh 1.24 Modul cơ bản của bộ thu quang sử dụng khuếch đại quang Trong bộ thu khuếch đại quang, nhìn chung nhiễu nhiệt (cũng còn gọi là Johnson hoặc nhiễu Nypuist ) là nhiễu trội trong bộ thu photodiode p-i-n Vì vậy, dòng nhiễu nhiệt được coi như là sự thể hiện của bộ thu trong OAR và được viết là:

th

L

k TB N

R

Với kB là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối, RL là điện trở tải và Be là băng tần điện(băng tần nhieeux hiệu dụng Δf) của bộ thu Từ nhiễu tổng được khuyến

Để xác định các thành phần sông suất nhiễu phách, lý thuyết bán cổ điển mô tả rằng ánh sáng ở đầu ra bộ khuếch đại quang dược thực hiện như là sự mô tả xếp chồng của tín hiệu cổ điển và trường nhiễu điện với các biên độ xác định, và nhiễu có pha ngẫu nhiên Để đơn giản cho việc phân tích , ta giả thiết rằng các hệ số ghếp là bằng

1, độ khuếch đại G của bộ khuếch dại quang là đồng đều trên băng tần quang B0 Khi

đó, kết quả thu được cho mật độ phổ công suất nhiễu phách được cho như là :

Đối với nhiễu phách tín hiệu - tự phát:

0

1 ( ) 4( ) ( 1) 4

( ) 2 sp (1 )

sp sp

I f

B B (1.17)

và giảm tuyến tính với tần số khi triệt tiêu tại f=B0 Hình 1.25 mô tả sự thay đổi mật

độ công suất hiễu điiện của nhiễu phách tín hiệu -tự phát và nhiễu phách tự phát -tự phát

Cả hai mạt độ phổ đều tồn tại với f B0 và bằng không khí khi f>B0 Như vậy, các công suất nhiễu phách tổng rơi vào băng tần điện Be được viết như sau:

Hình 1.25 Các mật độ phổ công suất điện của các nhiễu phách

Với các thành phần nhiễu như trên, tổng các thành phần công suất nhiễu điện bộ tách sóng có thể được viết từ biểu thức (39) như là:

2

4 1

2 ( ) 4 e 2 e ( X) B e total s t sp s sp t sp

số Nó không phụ thuộc vào cả độ khuếch đại G và tín hiệu quang tại đầu vào OAR

Để xem xét các thành phần nhiễu một cách chi tiết, chúng tôi thực hiện tính toán mô phỏng các thành phàn nhiễu tại thiết bị một cách chi tiết, chung tôi thực hiện tính toán mô phỏng các thành phần nhiễu tại thiết bị thu quang sử dụng khuếch đại EDFA cho hệ thống 10Gbit/s được thực hiện như ở các hình 1.26 Số liệu dùng để tính toán như sau : công suất tín hiệu đầu vào là -28dBm, bước sóng tín hiệu là 1548nm,

hệ số nhiễu NF bằng 4dB, băng tần quang 0,5nm , băng tần điện 7.5GHz, điện trở tải

50 , dòng bộ thu 1,56ηA Cũng trong các kết quả mô phỏng này, giả thiết rằng hiệu suất lượng tử Ƞ =1, các hệ số ghép đầu vào và đầu ra của EDFA Ƞin=Ƞout=1, và suy hao quang giữa EDFA và bộ thu L=0dB Với các kết quả tính toán này, có thể thấy rằng các điều kiện khuếch đại thấp với G<10dB, nhiễu tổng chủ yếu phụ thuộc vào các nhiễu nhiệt bộ thu(nhiễu bộ thu ) và nhiễu phách tín hiệu - tự phát Trong khoảng

10 G 20dB, nhiễu tổng chủ yếu chỉ 10 G 20dB phụ thuộc vào nhiễu phách tín hiệu - tự phát và nhiễu thu Trong khoảng nhiễu tổng chủ yếu phụ thuộc vào nhiễu phách tín hiệu tự phát Khi độ khuếch đại 20<G 30dB, nhiễu tổng chủ yếu phụ thuộc

Hình 1.26 Các thành phần công suất nhiễu điện của 10Gbit/s OAR với Be = 7,5 Gbit/s, B0 = 0.5 nm, NF = 4 dB

Để xác định tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện eSNR, trước hết ta biết rằng tín hiệu

tại đầu vào bộ thu photodiode p-i-n đã được bộ thu khuếch đại quang nhân lên G Mặt

khác, các hệ số ghép giữa OFA và sợi truyền dẫn, giữa OFA và bộ thu, và suy hao quang giữa OFA và bộ thu nên được xem xét Như vậy, sau tách sóng quang luật bình phương, công suất tín hiệu thu được của bộ thu khuếch đại quang được viết là:

S = (GI s Lη in η out ) 2

Với η in và η out tương ứng là các hệ số ghép đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại

quang, L là suy hao giữa bộ khuếch đại quang và bộ thu, I s là dòng phôt tín hiệu tương đương tại đầu vào bộ khuếch đại quang có thể được diễn giải tương ứng với các bit “1”

và “0” thu được như là I s (1) = 2RP s r/(r+1) và I s (0) = 2RP s /(r+l), với P s là công suất

tín hiệu trung bình tại đầu vào bộ khuếch đại quang, R là hệ số biến đổi dòng, và r là tỷ

số phân biệt Các thành phần nhiễu đã được phân tích ở trên cũng bị ảnh hưởng từ các

hệ số ghép và suy hao L Vì thế, khi tính toán thực tế cần phải tính các tham số này,

Như vậy có thể viết lại cho thành phần nhiễu lượng tử và các nhiễu phách như sau [42]:

N sh = 2eB e η out L(GI s η in + m t I sp )