Nghiên cứu hệ thống thông tin quang truyền song hướng trên một sợi quang ghép kênh theo bước sóng sử dụng khuếch đại quang sợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Minh Thắng NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TRUYỀN SONG HƯỚNG TRÊN MỘT SỢI QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI LUẬN VĂN THẠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Minh Thắng

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TRUYỀN SONG HƯỚNG TRÊN MỘT SỢI QUANG

GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Minh Thắng

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TRUYỀN SONG HƯỚNG TRÊN MỘT SỢI QUANG

GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI

thông tin liên lạc

MỤC LỤC

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Chương I

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH

THEO BƯỚC SÓNG - HỆ THỐNG SONG CÔNG

1.1.1 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng

1.1.2 Cấu trúc điển hình của hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép

bước sóng quang WDM

1.1.3 Khả năng ứng dụng của WDM

1.2.1 Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống WDM

1.2.2 Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM

KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM

2.1.1 Hệ phương trình tốc độ

21.2 Hệ phương trình truyền dẫn

2.1.3 Khuếch đại bức xạ tự phát

2.2.1 Công suất và bước sóng bơm trong EDFA

2.2.2 Hệ số khuếch đại

2.2.3 Phổ khuếch đại của EDFA

2.2.4 Nhiễu trong bộ khuếch đại

2.3.1 Cấu trúc thiết bị EDFA trong ứng dụng thông tin quang

2.3.2 Các ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang

2.4.1 Kết quả khảo sát độ khuếch đại bức xạ tự phát ASE

2.4.2 Khảo sát các tham số đặc trưng của bộ khuếch đại

Chương III

HỆ THỐNG SONG CÔNG

3.2.1 Truyền song công trên một sợi quang

3.2.2 Các cấu hình truyền dẫn song công sử dụng EDFA

3.3.1 Nguyên tắc thiết kế

3.3.2 Các bước thiết kế chung

3.3.3 Xây dựng công thức tính toán

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Với những ưu điểm về độ rộng băng tần, cự ly thông tin, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao , hệ thống truyền dẫn quang là sự hấp dẫn mạnh các nhà khai thác viễn thông, các nhà nghiên cứu khoa học Các hệ thống thông tin quang không những đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục và trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạnh nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai

Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là sự phát triển của công nghệ chế tạo các thiết bị truyền dẫn, phát, thu, lọc quang đã tạo ra những sản phẩm mới, đáp ứng việc thiết lập hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợ EDFA

Bộ khuếch đại dùng sợi quang pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng tạo ra hiệu ứng khếch đại ở vùng bước sóng 1550mm đã được đưa vào sử dụng trong mạng thông tin và các tuyến truyền dẫn Các sợi quang thông dụng hiện nay chế tạo bằng thuỷ tinh SiO2 có độ suy hao thấp ở bước sóng 1550mm Do phổ phát xạ của

Er3+ trong dải sóng có bước sóng từ 1525 - 1650 không đồng đều, chúng có 2 đỉnh tại các bước sóng 1530 và 1560mm đã đưa đến ý tưởng chỉ sử dụng 2 tần số nằm ở

2 vùng tần số có hệ số khuếch đại cao để thiết lập nên hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợ EDFA

Công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) là giải pháp tiên tiến trong thông tin sợi quang, đáp ứng nhu cầu về băng thông cũng như đảm bảo được những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn Kỹ thuật này cho phép ghép các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau để truyền đi trên một sợi quang duy nhất và

do vậy, tăng dung lượng truyền dẫn trên hệ thống mà không cần phải tăng tốc của từng kêng trên mỗi bước sóng Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và

thực hiện tác chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia Phương pháp truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang 2 hướng: một đầu phát thông tin tại nhóm bước sóng 1, thu thông tin tại nhóm bước sóng 2 Đồng thời ở đầu kia phát thông tin khác tại nhóm bước sóng 2, thu thông tin tại nhóm bước sóng 1

Luận văn này tổng hợp các kiến thức cơ bản về kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng, bộ khuếch đại EDFA và giới thiệu những vấn đề cơ bản của hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, giải pháp để có thể tận dụng các tuyến thông tin cáp quang có sẵn đã truyền một chiều,

để truyền theo chiều ngược lại trong cùng một sợi quang, lời giải cho bài toán kinh

tế, kỹ thuật cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông chọn lựa khi đầu tư

Nội dung của luận văn được chia làm 3 chương:

Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng

- Hệ thống song công

Chương II: Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Chương III: Hệ thống song công

Kết luận

Kỹ thuật và công nghệ thông tin quang có một tiềm năng vô cùng to lớn và phong phú Việc truyền dẫn 2 chiều (song công) trong một sợi quang là ứng dụng còn rất mới ở nước ta, công việc nghiên cứu đang tiến tới phía trước với một tiền đồ rộng lớn Do khả năng và trình độ hiểu biết còn hạn chế, và thời gian nghiên cứu cũng có hạn, nên luận văn chỉ đề cập đến một phần nhỏ của lĩnh vực có một triển vọng to lớn trong ứng dụng này Đồng thời, phần trình bày luận văn chắc hẳn cũng còn nhiều thiếu sót, rất mong các thầy, cô, các bạn đồng nghiệp chỉ bảo để bổ sung hoàn thiện hơn./

Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO

BƯỚC SÓNG - HỆ THỐNG SONG CÔNG

1.1 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM)

1.1.1 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng

Theo các báo cáo khoa học, dung lượng của hệ thống thông tin quang có thể vượt 10 Tbps, nhưng trên thực tế chỉ có thể đạt khoảng 10 - 40 Gbps do giới hạn của hiệu ứng tán sắc, phi tuyến và tốc độ của các thành phần điện Vì vậy, ghép kênh để truyền nhiều kênh quang trên cùng một sợi là phương thức đơn giản để mở rộng dung lượng của hệ thống lên hàng Tbps

Ghép kênh có thể thực hiện theo thời gian (ghép kênh theo thời gian TDM) hoặc theo tần số (ghép kênh theo tần số FDM) Nhìn chung, có hai kỹ thuật ghép kênh quang cơ bản là ghép kênh quang theo thời gian (OTDM) và ghép kênh quang

theo bước sóng (WDM)

Trong thông tin quang điểm - điểm thông thường, mỗi sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và bộ tách sóng quang ở phía thu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy, muốn tăng dung lượng hệ thống thông tin quang thì cần phải sử dụng thêm sợi quang Kỹ thuật WDM cho phép truyền đồng thời các luồng ánh sáng có các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi, bởi vậy cho phép tăng dung lượng hệ thống thông tin quang mà không cần phải tăng tốc độ bit đường truyền và cũng không phải sử dụng thêm sợi dẫn quang

Người ta có thể thực hiện được WDM là nhờ có băng thông rộng của sợi quang, còn mỗi nguồn phát lại có độ rộng phổ khá hẹp Vì vậy, lý tưởng ra con người có thể truyền tải được một lượng khổng lồ các kênh từ nhiều nguồn phát khác nhau hoạt động ở các bước sóng phù hợp trên cùng một sợi quang Ở đầu thu có thể

thực hiện việc thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các tín hiệu dựa vào bước sóng của chúng Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM được thể hiện ở hình 1.1

In (n) O(1 n) I(1 n) On(n)

Hình 1.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép kênh bước sóng

Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ1, λ2, λ

-3, , λn Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau sẽ cùng ghép vào sợi quang

ở phía phát nhờ bộ ghép kênh (MUX), tín hiệu ghép này sẽ được truyền qua sợi quang để sang đầu thu Tại đầu thu, bộ tách kênh (DEMUX) sẽ cho ra các luồng tín hiệu riêng rẽ căn cứ theo bước sóng

Các nghiên cứu cho thấy các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài dải rộng phổ đã xác định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh không đáng lưu ý ở đầu phát Vấn đề ta cần quan tâm chính là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao Đối với bộ tách kênh, vì bộ tách sóng thường rất nhạy cảm trên một vùng rộng các bước sóng nên có thể thu được toàn bộ các bước sóng phát đi Như vậy, để ngăn chặn một cách hiệu quả các tín hiệu không mong muốn cần phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang Để thực hiện điều này cần thiết kế các bộ tách kênh thật chuẩn xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định với bước sóng cắt chính xác

1.1.2 Cấu trúc điển hình của hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM

Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM như hình vẽ 1.2 Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một

hướng như ở hình 1.2.a là kết hợp các tín hiệu có 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 Phương án truyền dẫn WDM hai hướng như ở hình 1.2.b thì không quy định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này có nghĩa là có thể phát thông tin theo một hướng tại bước sóng 1 và đồng thời cũng phát thông tin khác theo hướng ngược lại tại bước sóng 2 Đồng thời tại hai đầu thu, sử dụng các thiết bị chia định hướng để tách 2 đường thu: Thu theo 1 tại đầu phát 2 và thu theo 2 tại đầu phát 1

Hình 1.2 Hệ thống ghép bước sóng theo 1 hướng (a) và theo 2 hướng (b)

Như vậy để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát, cần phải có các bộ ghép kênh Tại đầu thu cần phải có bộ giải ghép kênh để tách các bước sóng quang tương ứng Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể được dùng làm bộ giải ghép bước sóng Như vậy, hiểu đơn giản, từ “Bộ ghép – Multiplexer” trong trường hoẹp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích cho cả bộ ghép và bộ giải ghép; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng Vì vậy, khi các luồng tín hiệu quang được giải ghéo ở phía đầu thu thì

bộ ghép kênh trở thành bộ giải ghép và ngược lại

Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành 3 loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và giải ghép hỗn hợp (MUX – DEMUX) Các

 1

Thiết

bị WDM

2

(b)

bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ 3 (MUX – DEMUX) được sử dụng cho phương án truyền theo hai hướng Hình 1.3 là sơ đồ miêu tả thiết bị ghép và giải ghép Việc mô tả phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận chuyển đổi đối với các phần tử của ma trận Aij(x) Các phần tử này là hệ số phụ thuộc vào bước sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa thứ i và ra cửa thứ j Thiết bị này được sử dụng khi cần tăng thêm cho chiều đi và chiều về mỗi chiều lớn hơn một tần số

Hình 1.3 Mô tả thiết bị giải ghép hỗ hợp 1.1.3 Khả năng ứng dụng của WDM

Các hệ thống WDM có khả năng ứng dụng với nhiều loại mạng và trên tất cả các lớp mạng như thể hiện ở hình 1.3 Ứng dụng cơ bản nhất của các hệ thống WDM là sử dụng trong mạng đường trục để bao trùm một vùng rộng lớn hoặc liên kết giữa các châu lục Mặt khác, các hệ thống WDM cũng được ứng dụng rộng rãi trong các vùng trung tâm hoặc phát triển các mạng có kích cỡ nhỏ hơn gồm một số nút với các loại lưu lượng khác nhau (TDM, SONET/SDH, ATM, IP) để truyền tải tới mạng mức cao hơn, trong đó có một nút là trạm tập trung để liên kết với các

Hình 1.3 Khả năng ứng dụng của WDM

Mặc dù công nghệ WDM vẫn còn đang trong giai đoạn phát triển và chuẩn hóa nhưng các hệ thống đã hoạt động với vài chục bước sóng trên một sợi quang, và trong tương lai gần sẽ là hàng trăm bước sóng Trong thực nghiệm, công nghệ WDM đã hoạt động với trên 200 bước sóng trên một sợi quang, hoạt động ở tốc độ

40 Gbps trên một bước sóng, và như vậy dải rộng băng của mỗi sợi quang có thể đạt tới 8 Tbps

Mạng khu vực trung tâm (Tốc độ DS0 - OC-3)

Truy nhập tới tận nhà (Tốc độ từ DS0 tới OC-3)

ATM STM IP/LAN IP/LAN STM

Bộ ghép kênh

Nút OADM

OC-3 tới OC-192

Mạng đường trục (Tốc độ trên OC-12) OC-12 tới OC-192

OC-192/OC-768

Nút quang tốc độ cao

Đường truyền điện Đường truyền quang

1.2 Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống truyền dẫn quang WDM

1.2.1 Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống WDM

Cấu trúc mạng thực tế gồm nhiều hệ thống WDM cùng liên kết hoạt động để tạo ra mạng truyền dẫn cung cấp dịch vụ bước sóng đầu cuối - đến - đầu cuối (gọi tắt là mạng WDM hay mạng quang) Để đảm bảo khả năng kết nối, phối hợp, người

ta phải đưa ra các khái niệm, nguyên tắc và chỉ tiêu cụ thể cho từng hoạt động của các phần tử mạng, và tập hợp các vấn đề này tạo nên tiêu chuẩn cho hệ thống Tiêu chuẩn hóa của các hệ thống và thiết bị WDM liên quan đến khái niệm “liên kết mạng”, mà mục đích của nó nhằm đảm bảo khả năng chuyển giao thông tin người

sử dụng vào trao đổi thông tin quản lý giữa các phần tử mạng

Ý nghĩa của liên kết mạng là các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau nhất định phải có khả năng trộn lẫn trongmột phân đoạn mạng hay nói cách khác là phải đảm bảo “tính tương hợp ngang” trong mạng

ITU-T G.692 là tiêu chuẩn cho các hệ thống WDM điểm - điểm cự ly lớn; tốc độ của từng kênh bước sóng là STM-4, STM-16 và/hoặc STM-64; số kênh bước sóng là 4, 8, 16 hoặc 32 kênh; loại sợi G.652, G653 hoặc G655; khoảng cách cực đại của tuyến khi không sử dụng khuếch đại quang là 160 km, có sử dụng khuếch đại quang là 640 km

Hình 1.4 Cấu hình chuẩn định nghĩa giao diện quang của hệ thống đa kênh

SDn

R1

R2

Rn

Cấu hình chuẩn của hệ thống WDM được xây dựng trên cấu hình hệ thống SDH đa kênh điểm - điểm Sự thăng giáng của tín hiệu xuất hiện ở lớp SDH do bộ ghép xen rẽ kênh quang (OADM) hoặc OXC trong lớp chủ (lớp WDM) gây nên gần giống như các bộ khuếch đại quang đường truyền Các thiết bị này có thể xem như một bộ khuếch đại quang đường truyền hai tầng, tại đầu vào là một bộ tiền khuếch đại nhiễu thấp và đầu ra sử dụng bộ khuếch đại công suất Quá trình xử lý tín hiệu trung gian sẽ tạo nên một lượng xuyên kênh tuyến tính do đặc tính không lý tưởng của các bộ lọc Các tín hiệu xen vào và tách ra chịu tác động của hiệu ứng trộn 4 sóng do sự khác biệt rất nhỏ về tần số tín hiệu xen và tách

Trường hợp Tx là nguồn phát chỉ thỏa mãn khuyến nghị G.957 người ta phải dùng bộ chuyển đổi để đảm bảo giao diện tại Tx thỏa mãn khuyến nghị G.962 trước khi thực hiện ghép bước sóng

1.2.2 Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM

a ITU-T G.872 “Kiến trúc của mạng truyền tải quang”

Khuyến nghị này quy định các chức năng của mạng quang truyền tải tín hiệu

số, bao gồm:

- Kiến trúc chức năng truyền tải của mạng quang,

- Quản lý mạng quang,

- Các kỹ thuật phục hồi mạng quang

b ITU-T G.709 “Giao diện cho mạng truyền tải quang (OTN)”

Khuyến nghị này đề cập đến các nội dung:

- Phân cấp truyền tải quang (OTH),

- Chức năng của mào đầu trong việc hỗ trợ mạng thông tin đa bước sóng,

- Cấu trúc khung,

- Tốc độ bit,

- Phương pháp sắp xếp các tín hiệu client

c ITU-T G.959 “Giao diện lớp vật lý của mạng truyền tải quang”

Khuyến nghị này đưa ra các chỉ tiêu đối với giao diện kết nối mạng cho các mạng quang sử dụng công nghệ WDM

d ITU-T G.692 “Giao diện quang cho hệ thống đa kênh quang sử dụng khuếch đại quang”

Khuyến nghị này đưa ra các chỉ tiêu giao diện quang cho các ứng dụng trên các bảng:

- Mã ứng dụng cho hệ thống đa kênh không sử dụng LA,

- Mã ứng dụng cho hệ thống đa kênh có sử dụng LA

e ITU G.957 “Giao diện quang cho thiết bị và hệ thống SDH”

f ITU-T G.691 “Giao diện quang cho hệ thống đơn kênh quang tốc độ STM-64, STM-256 và các hệ thống SDH khác sử dụng khuếch đại quang”

Công suất phát phụ thuộc vào loại nguồn phát Laser DFB có công suất phát khoảng 1 mW (0 dBm) đến 10 mW (1 dBm) Người ta cũng có thể sử dụng một bộ khuếch đại công suất kết hợp với nguồn phát để có được công suất ra khoảng 50

mW (17 dBm) hoặc thậm chí lớn hơn mức 20 dBm Giới hạn trên của giá trị công suất này thường là do tính phi tuyến của sợi quang, dải động của bộ thu và các điều kiện an toàn quy định

1.3.1.3 Tỷ số phân biệt

Tỷ số phân biệt được định nghĩa là tử số giữa công suất phát P1 khi bít “1” được phát và công suất phát P0 khi bít “0” được phát đi Việc giảm tỷ số phân biệt

sẽ làm cho độ khác biệt giữa mức 0 và 1 tại bộ thu giảm và do đó sẽ tạo ra Penalty

Độ thiệt thòi về công suất do tỷ số phân biệt không lý tưởng gây ra trong hệ thống

bị giới hạn bởi loại nhiễu không phụ thuộc vào tín hiệu

1.3.1.4 Kiểu điều chế

Nguồn laser tại phía phát có thể là nguồn điều chế trực tiếp hoặc nguồn điều chế ngoài Loại nguồn điều chế trực tiếp rẻ hơn nhưng phổ bị dãn rộng hơn do hiện tượng chirp (hình 1.5) Điều này sẽ gây nên độ thiệt thòi về công suất do tán sắc Phổ cũng gây nên độ thiệt thòi về công suất khi tín hiệu đi qua các bộ lọc quang, ví

dụ như các phần tử MUX/DEMUX

1.3.1.5 Độ ổn định bước sóng

Một trong các tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến thông tin quang WDM là độ ổn định của bước sóng của các phần tử trên tuyến Tuy nhiên độ dịch bước sóng do sự thay đổi nhiệt độ của các phần tử trên tuyến WDM là tương đối nhỏ Ví dụ như một bộ MUX/DEMUX làm từ Silicon có hệ số nhiệt độ khoảng 0,001 nm/0C Một số phần tử khác thậm chí có hệ số nhiệt độ còn thấp hơn

Hình 1.5 Hiện tượng chirp trong các nguồn phát điều chế trực tiếp

Thông thường, hầu hết các hệ thống WDM đều sử dụng nguồn laser DFB, và đây là phần tử chính cần ổn định nhiệt độ Trong thực tế, các laser thường được kèm theo phần tử ổn nhiệt (thermistor và thermo-electric cooler) đảm bảo cho nhiệt độ của laser không thay đổi quá ± 0,1 0C Tuy nhiên, bước sóng của laser cũng có thể thay đổi do ảnh hưởng của các hiệu ứng hóa già trong suốt một thời gian dài Các nhà sản xuất laser thường đưa ra giá trị của tham số này, điển hình là khoảng ± 0,1

nm và trong trường hợp cần thiết có thể sử dụng một vòng lặp bên ngoài để ổn định bước sóng của laser

Ngoài ra, một yếu tố khác cũng cần xem xét là sự phụ thuộc của bước sóng

thường làm việc ở 1 trong 2 chế độ sau: công suất đầu ra không đổi hoặc dòng điều khiển không đổi Ở chế độ dòng không đổi sẽ tránh được hiện tượng này Tuy nhiên, khi laser bị hóa già mà muốn giữ công suất phát laser không đổi thì cần phải tăng thêm dòng điều khiển và sẽ gây nên một sự dịch chuyển nhỏ đối với bước sóng phát ra của laser Với khoảng cách kênh là khoảng 100 GHz thì đây không là vấn

đề, nhưng đối với khoảng cách kênh hẹp hơn thì cần phải để laser làm việc ở chế độ dòng điều khiển không đổi và phải chịu thiệt thòi về công suất so sự suy giảm công suất phát của laser

1.3.2 Tham số phần thu

Trong các hệ thống thông tin quang WDM có 2 loại bộ thu hay được sử dụng

là PIN và APD Bộ thu APD có độ nhạy thu cao hơn, nhưng mức nhiễu cao hơn Thông thường thì người ta hay sử dụng các bộ thu PIN FET kết hợp với tiền khuếch đại quang để tăng độ nhạy của bộ thu Các tham số chính liên quan đến bộ thu bao gồm độ nhạy thu và công suất thu quá tải, thời gian lên/xuống và nhiễu

1.3.2.1 Độ nhạy thu và công suất thu quá tải

Độ nhạy thu là một trong các tham số ảnh hưởng đến quỹ công suất của tuyến thông tin quang WDM Độ nhạy thu là công suất quang trung bình tối thiểu yêu cầu tại bộ thu để đạt được một giá trị BER nhất định tại một tốc độ bit nhất định Đối với các hệ thống WDM thì giá trị này thường được đo với BER=10-12

sử dụng chuỗi bit giả ngẫu nhiên Vì vậy, trong một nhóm các bộ thu, bộ thu được nói là có độ nhạy tốt hơn nếu như nó có thể đạt được cùng một chất lượng như các bộ thu khác nhưng với công suất quang đến ít hơn

Chỉ tiêu chất lượng của bộ thu quy định bởi tỷ lệ lỗi bit (BER), được định nghĩa như là xác suất nhận dạng bit bị sai trong mạch quyết định của bộ thu Giá trị BER phụ thuộc vào giá trị của dòng ngưỡng trong mạch quyết định Các bộ thu thực tế thường có dòng ngưỡng được chọn tối ưu sao cho BER nhỏ nhất

Tham số thu quá tải là công suất tại đầu vào bộ thu cực đại mà bộ thu có thể chấp nhận để đạt giá trị BER theo yêu cầu (thường là 10-12

với các hệ thống WDM)

1.3.2.2 Nhiễu trong bộ thu

Nhiễu là vấn đề quan trọng cần được xem xét đối với bộ thu Nhiễu trong bộ thu là hiện tượng dao động của dòng điện trong bộ thu Trong bộ thu có 2 loại nhiễu chính là nhiễu shot (nhiễu bắn hoặc nhiễu lượng tử) và nhiễu nhiệt

- Nhiễu shot: nhiễu hình thành do tốc độ chuyển động ngẫu nhiên của các điện

tử có tính ngẫu nhiên, hiện tượng này dẫn đến sự dao động về cường độ trong các mạch điện tử Nhiễu shot có thể biểu diễn bằng hàm Gauss

- Nhiễu nhiệt: quá trình tự chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử do ảnh hưởng của nhiệt độ được gọi là nhiễu nhiệt Nhiễu này tồn tại ngay cả khi không có điện áp đặt vào bộ thu Cũng giống như nhiễu shot, nhiễu nhiệt có thể được biểu diễn xấp xỉ bằng quá trình Gauss

Với photodiode có độ nhạy thu là R, thì dòng điện tạo ra I(t) được tính theo công thức:

I(t) = RPinput + IS(t) + Ithermal(t) (1-1) Trong đó, RPinput = Ipd là giá trị trung bình của dòng điện tại photodiode, IS(t)

là dòng nhiễu shot, Ithermal(t) là dòng nhiễu nhiệt

1.3.3 Tham số sợi quang

Tham số sợi quang ảnh hưởng đến quá trình lan truyền tín hiệu trong sợi quang bao gồm suy hao, tán sắc, tán sắc mode phân cực, và tính phi tuyến của sợi quang

1.3.3.1 Suy hao

Suy hao trong sợi quang là một trong những nguyên nhân cơ bản làm giới hạn khoảng cách truyền dẫn Các nguyên nhân chính gây suy hao trong sợi quang gồm:

- Do hấp thụ: Hấp thụ do các khiếm khuyết về nguyên tử thành phần của sợi thủy tinh; Hấp thụ do các nguyên tử tạp chất trong vật liệu thủy tinh, mà chủ yếu là do các ion kim loại chuyển tiếp như sắt, Crom, Coban, đồng, ion OH-

; hấp thụ do các nguyên tử cơ bản cấu tạo nên vật liệu làm sợi

- Do tán xạ (chủ yếu là tán xạ Rayleigh)

5 , 4 75 ,

R

L (1.2)

- Do uốn cong và vi uốn

Trong thông tin quang, suy hao được biểu diễn bằng dB/km và được tính theo công thức:

out

in dB

Trong đó: PTx là công suất phát tại điểm S (dBm) (ITU-T G.957),

PRx là độ nhạy thu tại điểm R (dBm) (ITU-T G.957),

M là suy hao dự phòng (dB),

PC là suy hao do hàn nối và connector giữa điểm S và R (dB),

PP là độ thiệt thòi luồng quang giữa điểm S và R (dB),

α là hệ số suy hao của sợi quang (dB/km)

1.3.3.2 Tán sắc

Tán sắc (chromatic dispersion) trong sợi quang đơn mode D bao gồm tán sắc vật liệu DM (material dispersion) và tán sắc ống dẫn sóng DW (waveguide dispersion) D được tính theo công thức sau:

W 2

2

2

D D

số truyền lan β của sợi theo công thức 2

L (1.7) Trong đó Δλ là độ rộng phổ RMS do hiện tượng chirping

Như vậy, nếu sử dụng nguồn điều chế trực tiếp có Δλ ≈ 0,15 nm thì với tốc độ 2,5 Gbit/s, cự ly truyền dẫn sẽ bị giới hạn ở L ≈ 42 km Tuy nhiên cũng có thể sử dụng nguồn điều chế ngoài để giảm ảnh hưởng của tán sắc vì điều chế ngoài có thể

giảm được sự dãn phổ do chirping Khi đó giới hạn cự ly truyền dẫn do tán sắc được xác định theo công thức sau:

2 2

 B 

L (1.8) với β2 là hệ số GVD có quan hệ với D theo công thức (1.5)

1.3.3.3 Tán sắc mode phân cực

Sợi dẫn quang được gọi là đơn mode nhưng trên thực tế vẫn tồn tại 2 mode độc lập phân cực trực giao với nhau Do sợi không hoàn toàn đồng nhất về cấu trúc (do quá trình sản xuất) cũng như ứng suất trên sợi phân bố không đều (do quá trình lắp đặt và sử dụng) nên 2 thành phần này sẽ lan truyền với vận tốc khác nhau, gây nên tán sắc mode phân cực (PMD) PMD liên quan tới ghép cặp mode phân cực trực giao của sợi quang do lệch khỏi tính đối xúng trục hoàn hảo của sợi Mức độ dãn xung do PMD có thể được đánh giá từ độ trễ thời gian Δt giữa hai thành phần phân cực trong quá trình lan truyền xung Đối với một sợi quang có độ dài L, Δt được xác định như sau:

1 1

L

gy gx

(1.9)

x, y là chỉ số mode phân cực trực giao,

Δβ1 là độ ghép cặp phân cực (độ lệch hằng số truyền hai mode phân cực),

Do sự ghép cặp mode một cách ngẫu nhiên giữa hai mode nên đại lượng Δt/L

ở trên không thể đánh giá trực tiếp PMD của sợi quang Quá trình ghép cặp có xu hướng cân bằng thời gian truyền đối với hai thành phần phân cực, nên thực tế PMD được đặc trưng bởi giá trị căn trung bình bình phương của Δt:

L h t

t

2exp122

1 2 2

1 2

h là độ dài khử tương quan (decorrelation length), h ~ 1-10 m

Khi h << L (có sự ghép cặp mạng giữa hai mode phân cực trực giao) thì:

L D

Mức độ dãn xung do PMD có thể được đánh giá từ độ trễ thời gian Δt giữa hai thành phần phân cực trong quá trình lan truyền xung Δt có phân bố Maxwell và đối với một sợi quang có độ dài L, Δt được xác định theo công thức sau:

L PMD

t  fiber

 (1.12) MPDfiber là hệ số tán sắc mode phân cực, ps/ km

Ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực có thể xử lý bằng các bộ bù tán sắc

1.3.3.4 Các hiệu ứng phi tuyến

Đáp ứng của bất kỳ vật liệu điện môi nào đối với ánh sáng đều trở nên phi tuyến khi cường độ của trường điện từ lớn, sợi quang cũng không ngoại lệ Vector phân cực P được tạo ra từ các ngẫu cực điện tử không còn là tuyến tính trong điện trường, mà tuân theo hệ tổng quát sau:

P 0 (1) (2) : (3) (1.13) Trong đó 0 là hằng số điện môi chân không; (j)

là độ thụ cảm bậc j (j=1,2,3 )

Trong biểu thức trên, (1)

đóng góp phần chủ yếu vào P Các ảnh hưởng của

nó tạo ra thông qua hệ số chiết suất n và hệ số suy hao α (2)

gây ra các hiệu ứng phi tuyến như tạo hài bậc 2, tạo tần số tổng Tuy nhiên, ở sợi quang thì (2)

= 0 nên thông thường trong sợi quang không có các hiệu ứng phi tuyến bậc 2

Các hiệu ứng quang phi tuyến trong sợi quang có thể chia làm 2 loại như sau:

- Các hiệu ứng tán xạ kích thích (Raman và Brillouin)

- Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr, bao gồm các hiệu ứng SPM (self phase modulation), SPM (cross phase modulation) và FWM (four wave mixing) Đây là các hiệu ứng liên quan đến sự phụ thuộc của chiết suất sợi quang vào cường độ ánh sáng lan truyền trong sợi quang do ảnh hưởng của

(3)

(còn gọi là hiệu ứng Kerr), tức là hệ số chiết suất của sợi được tính theo biểu thức sau:

2 2 0

n

n  NL   (1-14) Với n0 là chiết suất tuyến tính (n0 ≈ 1,5); n2 là hệ số chiết suất phi tuyến; E là trường quang

Hai loại hiệu ứng này có các điểm khác biệt chính như sau:

- Trong các hiệu ứng liên quan đến Kerr, không có sự trao đổi năng lượng giữa trường điện từ và môi trường điện môi Còn trong các hiệu ứng tán xạ kích thích, trường quang chuyển một phần năng lượng của mình cho môi trường phi tuyến

- Các hiệu ứng tán xạ kích thích gây nên suy hao hoặc khuếch đại tín hiệu phụ thuộc vào cường độ ánh sáng lan truyền trong sợi Còn các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr thì gây nên sự dịch pha phụ thuộc vào cường độ của tín hiệu

- Với hiệu ứng tán xạ kích thích sẽ có công suất ngưỡng mà tại đó các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra, tức là ngưỡng tại đó có sự chuyển đổi lớn của năng lượng sóng bơm thành năng lượng Stokes Còn đối với hiệu ứng Kerr thì không có ngưỡng đó

Các hiệu ứng Kerr gồm: Hiệu ứng tự điều chế pha - SPM (Self Phase Modulation); Hiệu ứng điều chế chéo pha - XPM (Cross Phase Modulation); Hiệu ứng trộn 4 sóng - FWM (Four Wave Modulation)

Hiệu ứng tán xạ kích thích có hai hiệu ứng quan trọng là hiệu ứng tán xạ kích thích Brillouin - SBS (Stimulated Brillouin Scattering) và hiệu ứng tán xạ kích thích Raman - SRS (Stimulated Raman Scattering) Điểm khác biệt chính giữa hai hiệu ứng này là các phonon quang tham gia vào hiệu ứng SRS, còn các phonon âm tham gia vào hiệu ứng SBS

Chương II

KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM

Trong truyền dẫn nói chung, truyền dẫn quang nói riêng, khi cự ly truyền dẫn dài tới mức phân bổ suy hao không thảo mãn, suy hao tuyến vượt quá giá trị cho phép thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền Các trạm lặp trong hệ thống thông tin quang truyền thống đóng vai trò khuếch đại tín hiệu thông qua các quá trình biến đổi quang - điện và điện - quang Điều này có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thể truyền xa tiếp được nữa sẽ được các trạm lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện; sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian, tái tạo lại dạng tín hiệu điện và rồi lại biến đổi về tín hiệu quang đủ lớn để phát vào đường truyền Mô hình trạm lặp kiểu này đã được ứng dụng khá rộng rãi

và được lắp đặt ở hầu hết các tuyến thông tin quang trong thời gian trước đây

Thời gian gần đây người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng mà không cần phải qua quá trình biến đổi về điện nào, đó là kỹ thuật khuếch đại quang Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của các trạm lặp như về băng tần, cấu trúc phức tạp, tính phụ thuộc vào dạng tín hiệu, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện vv việc áp dụng các bộ khuếch đại quang vào các hệ thống thông tin quang còn đưa ra một ý tưởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn dùng khuếch đại quang và từ đó tiến tới phát triển các mạng quang hoá hoàn toàn

2.1 Cơ sở của khuyếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+

Nguyên lý của khuyếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ là khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo độ mật có cơ chế vật lý giống như laser, tuy nhiên không yêu cầu có phản hồi quang bằng gương phản xạ trong buồng cộng hưởng giống như laser Vì vậy, để tạo được trạng thái đảo mật độ trong môi trường hoạt tính bằng phương pháp bơm quang học, chúng ta cần phải xét đến mô hình khuyếch đại quang sử dụng 3 mức hoặc 4 mức năng lượng Các bộ khuyếch đại EDFA tuân theo sơ đồ 3 mức

2.1.1 Hệ phương trình tốc độ

Hình 2.1 Sơ đồ hệ mức năng lượng

Xét hệ ba mức năng lượng như hình 2.1: Mức 1 là mức cơ bản (mức nền) có

độ tích luỹ là N1 tương ứng với trạng thái 4I15/2 trong cấu trúc năng lượng của Er3+ Mức 2 là mức kích thích (mức siêu bền) có độ tích luỹ là N2, tương ứng với trạng thái 4I13/2 Thời gian sống tại mức này là rất lớn, lớn hơn rất nhiều so với các trạng thái trên Mức 3 là mức bơm (mức trung gian) có độ tích luỹ là N3 tương ứng với trạng thái 4

I11/2 đây là mức trung gian để tạo nghịch đảo phân bố mật độ giữa mức

2 và mức 1

Khi các nguyên tử nhận năng lượng từ nguồn bơm bên ngoài có tần số bơm thích hợp, chúng sẽ bị kích thích lên mức 3 Do thời gian sống tại mức 3 rất ngắn nên chúng sẽ dịch chuyển rất nhanh xuống mức 2 thông qua dịch chuyển photon Thời gian sống của các nguyên tử tại mức 2 rất dài, cỡ ms nên chúng có thể tồn tại khá lâu tại mức này và vì vậy chúng có thể tạo ra nghịch đảo độ tích lũy so với mức

1 Khi một nguyên từ tại mức kích thích 2 này tương tác với một photon tín hiệu tới,

nó sẽ nhảy xuống mức 1 và bức xạ ra một photon có tần số và pha giống hệt như photon tới (bức xạ kích thích) Đây chính là nguyên lý để chế tạo các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+

 N N  p p  N N  s s

N dt

dN1  21 2  1  3    2  1   (2.1)

N N

dN3   32 3  1 3  

(2.3)

p là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1 lên mức 3 (số photon trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích), tương ứng với bơm

s là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1 lên mức 2, tương ứng với tín hiệu

32 là xác suất dịch chuyển không phát xạ từ mức 3 xuống mức 2 (coi dịch chuyển phát xạ từ mức 2 xuống mức 3 là rất bé)

32 là xác suất dịch chuyển phát xạ từ mức 2 xuống mức 1, nếu 2 là thời gian sống tại mức 2 ta sẽ có:

2 21

dt

dN dt

dN dt

dN

(2.5) Tổng độ tích lũy tại 3 mức là:

3 2

1 N N N

N    (2.6)

Từ (2.1) ta có tốc độ tích lũy tại mức 3 là:

1 32

3

/ 1

1

N N

Do tốc độ phân rã mức 3 xuống mức 2 rất nhanh, nhanh hơn rất nhiều tốc độ tác động của nguồn bơm, nên độ tích luỹ ở mức 3 gần như là bằng 0 vì vậy ta sẽ coi toàn bộ độ tích luỹ chỉ gồm có mức 1 và 2

Thay (2.7) vào (2.2) ta được:

1 21

32 2

/

N N

s s

s s p

N

p p s

s

p p

2

1 2

1 2

N

N N

2 (hay để tạo được nghịch đảo độ tích lũy) sẽ giảm bớt

Vì vậy, điều kiện để có ngưỡng bơm thấp sẽ là:

2.1.2 Hệ phương trình truyền dẫn trong khuếch đại

Sử dụng sơ đồ 3 mức năng lượng như ở phần trên, mật độ tích luỹ (số lượng ion trong một đơn vị thể tích), tại các mức 1, 2 và 3 lần lượt là N1, N2 và N3, ta sẽ xét sóng tín hiệu và sóng bơm truyền theo cùng một hướng dọc theo trục z của sợi quang lần lượt có cường độ là Is và Ip

s

s s

I hv

I hv I

dz

dI

s s

p

p p s

s s p

p p

21

(2.17)

và sự suy hao cường độ bơm:

N I hv

I hv

I hv I dz

dI

p p

p

p p s

s s s

s s

p

hv I

xạ kích thích cùng với photon tín hiệu Quá trình này có thể xuất hiện bất cứ tần số nào trong phổ huỳnh quang của chuyển dời khuyếch đại và rõ ràng chúng sẽ làm giảm khả năng khuyếch đại tín hiệu

Để tính công suất ASE tại đầu của sợi quang, đầu tiên ta cần tính được công suất bức xạ tự nhiên phát tại một điểm cho trước trong sợi quang

Với sợi đơn mode mà bức xạ tự nhiên phát xảy ra ở cả hai mode phân cực độc lập tại tần số v, ta có công suất của một photon được sinh ra do bức xạ tự nhiên trong dải hẹp  là:

v hv

Công suất ASE tổng cộng tại một điểm z trên sợi sẽ bằng tổng công suất ASE từ các phần trước và công suất nhiễu riêng P0

ASE Công suất nhiễu riêng này kích thích bức xạ của các ion Er3+

P N

N dz

dP

2

0 SE SE

1 2

Với a()là tiết diện hấp thụ tại tần số 

Hình 2.2 Đồ thị sự phụ thuộc của công suất ASE (đồng hướng và ngược hướng) theo vị trí trên sợi quang dài 14m được bơm bằng bước sóng 980nm

với công suất 20mW

Trên thực tế, quá trình ASE có thể truyền theo cả 2 hướng dọc theo sợi, cùng hướng hoặc ngược hướng với ánh sáng bơm Hình 2.2 cho thấy công suất ASE tổng cộng đồng hướng và ngược hướng theo độ dài sợi quang pha tạp Er3+

là khác nhau Công suất ASE ra đồng hướng tại z = L nhỏ hơn công suất ASE ra ngược hướng tại z=0 vì tại đầu sợi độ tích luỹ cao hơn tại cuối sợi do công suất bơm tại đầu sợi mạnh hơn

0 2 4 6 8 10 12 14

1.0

0.0 0.5 1.5

Vị trí theo chiều dài sợi (m)

Công suất ASE (mW)

ASE đồng hướng

ASE ngược hướng

2.2 Một số tham số của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

2.2.1 Công suất và bước sóng bơm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Trong quá trình hoạt động của EDFA, có một vài vùng bước sóng 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 tiết diện hấp thụ bơm, hiệu suất biến đổi công suất và các đặc tính nhiễu

Hình 2.3 Sự phụ thuộc độ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA.

Hình 2.3 mô tả quan hệ tiêu biểu giữa khuếch đại tín hiệu và công suất bơm Nhìn chung, độ khuếch đại lúc đầu tăng mạnh theo hàm mũ với sự tăng của công suất bơm, và rồi ngả dần xuống khi giá trị công suất bơm vượt quá một giá trị nào

đó Chế độ sau cùng của khuếch đại tín hiệu tương ứng với trường hợp ở nơi mà hầu hết các ion Er3+

được kích thích tới mức 4I13/2 dọc theo toàn bộ độ dài sợi Hệ số khuếch đại lớn nhất của bộ khuếch đại có đơn vị là dB/mW là một đường nghiêng

Độ dài sợi = 10m

= 10,2 dB/mW

Sợi: Thuỷ tinh pha- Ge/Al/Er Bước sóng tín hiệu: 0,98  m Bước sóng bơm: 1,534  m Công suất tín hiệu vào: -43 dBm

tiếp tuyến với đường cong khuếch đại đi qua gốc tọa độ như được chỉ ra ở đường nét đứt trong hình Hình này cũng chỉ ra sự phụ thuộc của độ khuếch đại tín hiệu vào độ dài sợi Độ dài sợi mà tăng sẽ dẫn tới độ khuếch đại tăng Hệ số khuếch đại không chỉ phụ thuộc vào độ dài sợi EDF mà còn phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào EDFA Giá trị của nó thường được xác định trong điều kiện tín hiệu là nhỏ với độ dài sợi tối ưu để thu được giá trị lớn nhất Hiện nay, hệ số khuếch đại có thể thu được là 11,0 db/mw khi bơm tại bước sóng 980 nm

Hiệu suất biến đổi công suất PCE (Power Conversion Eficiency) là một tham

số thông dụng thường để áp dụng chủ yếu cho EDFA khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier) 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 từ modul EDFA với công suất bơm sẵn có trong modul, và được viết như sau:

 %  in 100

p

in S out S pc

P

P P

Ở đây P S

out , P S in và P P in tương ứng là công suất tín hiệu đầu ra, công suất tín hiệu đầu vào và công suất bơm vào sợi pha tạp Erbium EDF Giá trị lớn nhất của PCE được cho đối với bước sóng tín hiệu s và bước sóng bơm p như sau:

max %  100

s

p PC

E





(2.23)

Vì vậy, hiệu suất biến đổi công suất lớn nhất PCE sẽ tăng khi bước sóng bơm

tiến tới bước sóng tín hiệu Giá trị cao nhất của E PCmax là 95,5% tại bước sóng bơm vùng 1480nm

2.2.2 Hệ số khuếch đại

Trong bộ khuếch đại quang, hệ số khuếch đại (tăng ích) là một trong những tham số cơ bản nhất và nó thể hiện khả năng làm tăng công suất tín hiệu truyền trong OFA Nhìn chung, hệ số khuếch đại G của bộ khuếch đại quang được xác định như sau:

s

sp out

P

P P

Trong đó P s và P out tương ứng là các công suất quang tại đầu vào và đầu ra

của bộ khuếch đại quang Ngoài hệ số khuếch đại, bộ khuếch đại quang cũng phát

ra phát xạ tự phát được khuếch đại ASE, và ở đây P sp là công suất nhiễu được phát

từ bộ khuếch đại quang nằm trong băng tần quang (hoặc còn gọi là băng tần phát xạ

tự phát được khuếch đại)

Hình 2.4 Sợi EDF được mô tả như là chuỗi các “lát” khuếch đại riêng rẽ

Để hiểu được độ khuếch đại thực của bộ khuếch đại EDFA, ta có thể coi hệ

số khuếch đại G của toàn bộ khuếch đại mà ở đây bộ khuếch đại quang là tổng hợp

của chuỗi một loạt các bộ khuếch đại nhỏ với độ dài sợi tăng dần theo lát cắt z của

Sợi pha tạp Erbium EDF

EDF như minh hoạ ở hình 2.4 như vậy G sẽ bao gồm toàn bộ các khuếch đại thành phần g(z) dọc sợi, và được viết như sau:

L z g z z g z z g

0 )

( )

( ) (

0 exp ( )

Trong đó l là độ dài sợi EDF; g(z) là độ khuếch đại tăng dần

2.2.3 Phổ khuếch đại của EDFA

Hình 2.5 Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA

Phổ khuếch đại của EDFA là tham số quan trọng vì băng tần khuếch đại là một tham số trọng yếu để xác định băng truyền dẫn Đặc tính này đã 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 thuỷ tinh pha Er3+

sẽ có tác dụng mở rộng phổ khuếch đại Gần đây, người ta cũng tìm thấy rằng pha tạp Al có thể thu được mức khuếch đại rất cao trong một mặt phẳng trải trong vùng bước sóng 1540nm đến 1560nm Bằng cách thay đổi vật liệu chủ trong sợi từ thuỷ tinh silica sang thuỷ tinh Fluoride gốc ZrF4 và thuỷ tinh Fluorophospate cũng hứa hẹn mở rộng và làm phẳng được băng tần khuếch đại Đặc

a) Phổ đầu ra mà không có tín hiệu đầu vào

20

10

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60

Tín hiệu đầu vào

b) Phổ đầu ra có tín hiệu đầu vào

λ2

λ1

biệt sợi EDF gốc Fluoride cho ra được vùng khuếch đại phẳng trong dải bước sóng

từ 1530 nm đến 1560nm Đặc tính này sẽ được khảo sát qua thực tế trong phần tiếp theo

2.2.4 Nhiễu trong bộ khuếch đại

Nhiễu có liên quan đến tín hiệu được khuếch đại quang là một chủ đề quan trọng trong hệ thống thông tin quang Các đặc tính nhiễu thể hiện là một tham số mấu chốt mà nó xác định đặc tính trên toàn bộ hệ thống như cự ly truyền dẫn và tốc

độ bit lớn nhất Để dễ hiểu chúng ta sẽ phân tích nhiễu theo phân cấp các thuộc tính

đặc trưng Nhìn chung, hai phần sẽ được đề cập là nhiễu quang (hay còn gọi là nhiễu trường quang), và nhiễu cường độ (hay còn gọi là nhiễu dòng photo)

Nhiễu quang ám chỉ đến phổ nhiễu quang được đo bằng máy phân tích phổ quang OSA (Optical Spectrum Analyzer) có bộ lọc hiệu chỉnh (như cách tử), loại nhiễu này thường được đặc trưng trên cửa sổ phổ EDFA

Nhiễu cường độ muốn nói về sự thăng giáng về công suất hoặc dòng có liên quan đến tín hiệu quang Loại nhiễu này có băng tần tiêu biểu tới hàng chục GHz Phổ nhiễu cường độ ám chỉ phổ công suất của cường độ quang trước khi tách sóng

theo bên trong của sợi, chúng lại được khuếch đại, quá trình này sẽ tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission)

2.2.4.2 Nhiễu cường độ

Như đã biết, cường độ ánh sáng đến bộ tách sóng quang được biến đổi thành dòng điện Dòng photon ban đầu sẽ được phát ra trong bộ tách sóng quang khi có một công suất quang từ nguồn phát đi tới Ngoài công suất quang trung bình, nhiễu

cường độ cũng suất hiện Vì bộ khuếch đại quang luôn có hệ số bức xạ tự phát n sp,

hệ số này gây ảnh hưởng tới các đặc tính nhiễu của bộ thu quang Nhiễu cường độ

là một yếu tố trội làm giới hạn đáng kể năng lực của các hệ thống thông tin quang

Bộ tách sóng quang biến đổi nhiễu cường độ trực tiếp thành nhiễu điện Bộ tách sóng quang không trực tiếp đáp ứng với nhiễu pha, trong khi đó nhiễu quang (nhiễu trường quang) có thể có cả nhiễu biên độ và nhiễu pha, và nhiễu pha có thể được biến đổi thành nhiễu cường độ từ các hiệu ứng giao thoa Vì nhiễu cường độ là quan trọng trong việc xem xét các hệ thống có khuếch đại quang, các loại nhiễu cường độ thường được xem xét trong hệ thống là: nhiễu lượng tử (nhiễu bắn), nhiễu phách

giữa tín hiệu và bức xạ tự phát (sau đây gọi đơn giản là nhiễu phách tín hiệu- tự phát), nhiễu phách giữa bức xạ tự phát với bức xạ tự phát (sau đây gọi đơn giản là nhiễu phách tự phát-tự phát)

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 hệ số nhiễu

Để chặn bớt nhiễu, cách có hiệu quả là sử dụng bộ lọc băng thông quang Mặc dù nhiễu phách tín hiệu-tự phát và nhiễu lượng tử tín hiệu vẫn không thay đổi khi sử dụng thêm bộ lọc, nhưng cả hai nhiễu này cũng bị giảm đi Vì lý do như vậy,

bộ lọc băng thông thường được ghép với đầu ra của EDFA để chặn bớt nhiễu phách tín hiệu tự phát trong trường hợp khi có bất kỳ 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 thu được gọi là bộ thu được khuếch đại quang OAR (Optically Amplified Receiver)

Hệ số nhiễu NF, loại được xác định từ nhiễu 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 Hệ số nhiễu trở lên lớn nếu như bộ khuếch đại là quá dài, bởi vì hầu hết bức xạ tự phát xuất phát từ đầu nơi mà nghịch đảo tích luỹ là không phù hợp Đặc tính nhiễu đối với bơm ngược có thể tồi đáng kể so với đặc tính nhiễu trong bơm xuôi, vì nghịch đảo tích luỹ tại đầu vào EDF là tương đối thấp

Hình 2.6 Quan hệ giữa hệ số nhiễu và độ dài EDF với cấu hình bơm khác nhau

2.3 Các ứng dụng của EDFA trong thông tin quang

2.3.1 Cấu trúc thiết bị EDFA trong ứng dụng thông tin quang

Để có thể sử dụng có hiệu quả khuếch đại quang sợi trong các hệ thống thông tin quang, thiết bị EDFA cần có những cấu trúc phù hợp với môi trường ứng dụng trên thực tế khai thác mạng lưới Nhìn chung, do công nghệ khuếch đại quang EDFA tiên tiến, dễ dàng đạt được độ khuếch đại cao và nhiễu thấp cho nên nó có cấu trúc không phức tạp, mà lại rất thuận tiện cho việc thiết kế, lắp đặt và khai thác trên mạng thông tin quang Phần này chỉ xin nêu các cấu trúc tiêu biểu của các loại thiết bị EDFA để qua đó thấy được các đặc tính phù hợp của nó trong từng ứng dụng cụ thể Trước hết chúng ta bắt đầu từ việc khảo sát các cấu hình chuẩn, lấy đây làm cơ sở để có điều kiện so sánh với các cấu hình tiên tiến sau này

2.3.1.1 Các cấu hình EDFA tiêu chuẩn

Hình 2.7 Ba cấu hình chủ yếu của các modul EDFA

Trong ứng dụng các 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 tuỳ thuộc vào các ứng dụng khác nhau Nhìn chung, các cấu hình EDFA được phân loại thành ba loại chính

Tín hiệu vào