Tính toán thiết kế đường truyền thông tin quang RoF kết hợp kỹ thuật Coherence tại đầu thu đối với các chất liệu cáp quang khác nhau sử dụng khuếch đại quang EDFA

Tính toán thiết kế đường truyền thông tin quang RoF kết hợp kỹ thuật Coherence tại đầu thu đối với các chất liệu cáp quang khác nhau sử dụng khuếch đại quang EDFATính toán thiết kế đường truyền thông tin quang RoF kết hợp kỹ thuật Coherence tại đầu thu đối với các chất liệu cáp quang khác nhau sử dụng khuếch đại quang EDFATính toán thiết kế đường truyền thông tin quang RoF kết hợp kỹ thuật Coherence tại đầu thu đối với các chất liệu cáp quang khác nhau sử dụng khuếch đại quang EDFATính toán thiết kế đường truyền thông tin quang RoF kết hợp kỹ thuật Coherence tại đầu thu đối với các chất liệu cáp quang khác nhau sử dụng khuếch đại quang EDFATính toán thiết kế đường truyền thông tin quang RoF kết hợp kỹ thuật Coherence tại đầu thu đối với các chất liệu cáp quang khác nhau sử dụng khuếch đại quang EDFATính toán thiết kế đường truyền thông tin quang RoF kết hợp kỹ thuật Coherence tại đầu thu đối với các chất liệu cáp quang khác nhau sử dụng khuếch đại quang EDFATính toán thiết kế đường truyền thông tin quang RoF kết hợp kỹ thuật Coherence tại đầu thu đối với các chất liệu cáp quang khác nhau sử dụng khuếch đại quang EDFATính toán thiết kế đường truyền thông tin quang RoF kết hợp kỹ thuật Coherence tại đầu thu đối với các chất liệu cáp quang khác nhau sử dụng khuếch đại quang EDFA

MỤC LỤC

CÁC TỪ VIẾT TẮT 3

CHƯƠNG 1 .6

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ROF 6

1.1.Giới thiệu chương 6

1.2.Khái quát về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang RoF 6

1.2.1.Giới thiệu về kỹ thuật truyền dẫn RoF 6

1.2.2.Các thành phần cơ bản của tuyến RoF 6

1.2.3.Phân loại các tuyến RoF 7

1.2.4.Ưu nhược điểm của công nghệ RoF 8

1.3.Các kỹ thuật điều chế tại đầu phát 10

1.3.1.Kỹ thuật điều chế trực tiếp 10

1.3.2.Điều chế ngoài (External Modulation) 10

1.4.Các kỹ thuật tách sóng tại đầu thu 12

1.4.1.Kỹ thuật tách sóng trực tiếp 12

1.4.2.Kỹ thuật tách sóng coherent 12

1.5.Kết luận chương 13

CHƯƠNG 2 14

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENCE 14

2.1.Giới thiệu chương 14

2.2.Khái niệm và cấu trúc của hệ thống thông tin quang Coherence 14

2.2.1.Khái niệm về hệ thống thông tin quang Coherent 14

2.2.2.Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang Coherent 15

2.3.Các kỹ thuật tách sóng của hệ thống thông tin quang Coherence 16

2.3.1.Nguyên lý tách sóng 16

CHƯƠNG 4 38

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN THÔNG TIN QUANG ROF KẾT HỢP KĨ THUẬT COHERENCE TẠI ĐẦU THU ĐỐI VỚI CÁC CHẤT LIỆU CÁP QUANG KHÁC NHAU SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57

CÁC TỪ VIẾT TẮT

AFC Auto Frequency Controller Bộ tự động điều chỉnh tần sốASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đạiASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ

BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit

CS Central Station Trạm trung tâm

DCF Dispersion Compensation Fiber Sợi bù tán sắc

DD Direct Detection Tách sóng trực tiếp

DM Direct Modulation Điều chế trực tiếp

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang pha tạp Er

IM Intensity Modulation Điều chế cường độ

IF Intermadiate Frequency Tần số trung tần

LOC Local Oscillator Control Bộ điều khiển dao động nội

PSK Phase Shift Keying Dịch khóa pha

ROF Radio Over Fiber Truyền dẫn vô tuyến sợi quang

SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode

SNR Signal Noise Rate Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ROF

1.1 Giới thiệu chương

Chương 1 sẽ trình bày khái quát về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quanh sợi quang (Radio over Fiber) và đánh giá các ưu nhược điểm của kỹ thuật này Bên cạnh đó, chương này còn trình bày sơ nét về các kỹ thuật điều chế tại đầu phát và tách sóng tại đầu thu để tăng chất lượng của hệ thống

1.2 Khái quát về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang RoF

1.2.1 Giới thiệu về kỹ thuật truyền dẫn RoF

RoF là công nghệ truyền tải thông tín hiệu vô tuyến sử dụng đường truyền là sợi quang nhằm phân phối tín hiệu vô tuyến từ trạm đầu cuối trung tâm đến các trạm gốc và ngược lại Ở đây, RoF đề cập đến một công nghệ mà theo đó ánh sáng được điều chế thành một tín hiệu cao tần và truyền qua một đường truyền sợi quang

để tạo điều kiện cho việc phát tín hiệu vô tuyến như 3G và WiFi

1.2.2 Các thành phần cơ bản của tuyến RoF

Central Station (CS): Là thành phần quan trọng nhất của tuyến RoF do kiến trúc mạng tập trung nên các chức năng quan trọng như định tuyến, cấp phát kênh, các kỹ thuật điều chế, ghép kênh….đều được thực hiện và chia rẽ ở CS Từ CS tín hiệu quang được truyền đến các trạm phát cơ sở phát tín hiệu cao tần cho các thiết

Mobile Host (MH): Các thiết bị di động đòng vai trò là các thiết bị đầu cuối thu sóng cao tần Mobile Host có thể là điện thoại di động, máy tính sách tay, các thiết bị có chức năng truy cập mạng không dây

Sợi quang: Là môi trường truyền tải thông tin giữa các CS và BS dưới dạng ánh sáng truyền trong sợi quang (sợi đơn mode hoặc đa mode) bằng hiện tượng phản xạ toàn phần.

Hình 1.1 : Sơ đồ tổng quát tuyến truyền dẫn RoF

1.2.3 Phân loại các tuyến RoF

Tuyến truyền dẫn qua sợi quang RoF thường được chia làm ba loại chính

• Truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RFoF)

• Truyền tín hiệu trung tần qua sợi quang (IFoF)

• Truyền tín hiệu băng tần cơ sở qua sợi quang (BBoF)

1.2.3.1 Cấu hình tuyến truyền sóng vô tuyến qua sợi quang RFoF

Trong cấu hình trên ta thấy tại CS phát tín hiệu ở tần số RF đến các BS, tại đầu thu ở BS chỉ có nhiệm vụ tách sóng quang, khuếch đại rồi phát ra anten cho các Mobile Host do vậy cấu hình của các trạm BS là rất đơn giản Tuy nhiên do phát ở tần số RF nên chịu ảnh hưởng của suy hao và tán sắc lớn, vì thế khoảng cách từ CS đến BS là tương đối ngắn, chỉ vài km

Hình 1.2 : Tuyến truyền sóng vô tuyến qua sợi quang RFoF

1.2.3.2 Cấu hình tuyến truyền tín hiệu trung tần qua sợi quang IFoF

Trong cấu hình tuyến loại này, tín hiệu phát đi ở CS là tín hiệu miền trung tần IF nên ít chịu ảnh hưởng bởi tán sắc và suy hao hơn so với miền RF, do vậy tín hiệu được phát đi ở khoảng cách xa hơn Tuy nhiên ở đầu thu tại các BS yêu cầu phải có bộ dao động nội tần số RF để điều chế tín hiệu trước khi phát ra anten, điều này làm cho cấu hình các BS sẽ phức tạp và giá thành sẽ cao hơn

Hình 1.3 Tuyến truyền tín hiệu trung tần qua sợi quang IFoF

1.2.3.3 Cấu hình tuyến truyền tín hiệu băng tần cơ sở qua sợi quang BBoF

Tương tự cấu hình tuyến IFoF, tín hiệu phát đi ở CS là tín hiệu ở băng tần cơ

sở (BB) nên khả năng truyền đi ở một khoảng cách xa nhất mà không chịu ảnh hưởng của sợi quang Tuy nhiên cấu hình trạm BS cũng là phức tạp nhất vì phải dùng hai bộ dao động đưa tín hiệu ở băng tần cơ sở lên trung tần rồi lên cao tần mới phát đi

Hình 1.4 Tuyến truyền tín hiệu băng tần cơ sở qua sợi quang BBoF

1.2.4 Ưu nhược điểm của công nghệ RoF

1.2.4.1 Ưu điểm

• Suy hao thấp

Trong không gian tự do, suy hao do hấp thụ và bức xạ tăng khi tần số truyền tăng, do đó khi truyền với tần số cao (băng tần mm) trong một khoảng cách truyền lớn phải yêu cầu thiết bị tái sinh đắt tiền tại đầu thu Tuy nhiên với việc sử dụng cáp quang sẽ đem lại mức suy hao rất thấp đối với tín hiệu, kỹ thuật RoF có ưu điểm ở

cả hai mặt đó là cung cấp đường truyền nhiễu thấp ở băng tần milimet (mm) và sử dụng các thiết bị thu phát đơn giản tại các Base Station (BS)

Với việc sử dụng các sợi quang đơn mode (SMF) trong truyền dẫn cho mức suy hao dưới 0,2 dB/km và 0,5 dB/km tại các cửa sổ tần số 1550 nm và 1310 nm Sợi quang làm bằng chất dẻo (POFs) mới công bố gần đây có mức suy hao nằm trong khoảng tử 10 – 40 dB/km trong dãy tần số từ 500 – 1300 nm, mức suy hao

này thấp hơn nhiều so với sử dụng cáp đồng trục trước đây (suy hao > 500 dB/km với loại cáp 0,5 inch ở tần số 5 GHz).

• Băng thông rộng

Sợi quang cung cấp một băng thông khổng lồ, trong 3 cửa sổ tần số cho suy hao thấp là 850 nm, 1310 nm và 1550 nm Đối với sợi đơn mode (SMF), băng thông cực đại ứng với ba cửa sổ trên có thể đạt đến 50 THz Băng tần lớn cho phép

xử lý tín hiệu tốc độ cao, dễ dàng tích hợp các công nghệ đòi hỏi băng thông rộng như OTDM (Optical Time Division Multiplexing) và DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing), công việc rất khó thực hiện trong hệ thống điện tử

• Không chịu ảnh hưởng của nhiễu cao tần

Miễn dịch với nhiễu điện từ là một trong những ưu điểm rất thú vị của truyền thông sợi quang, đặc biệt đối với truyền sóng băng tần milimet Ưu điểm này có ý nghĩa quan trọng trong bảo mật và an ninh quốc phòng

• Dễ dàng lắp đặt và bảo trì

Trong hệ thống RoF, thiết bị đắt tiền và phức tạp nhất được đặt tại đầu cuối

và trạm trung tâm (CS) còn thiết bị tại các trạm gốc (BS) là tương đối đơn giản Dễ dàng lắp đặt, bảo trì cũng như giá thành thấp là một trong những yêu cầu quan trọng đối với hệ thống truyền dẫn băng tần milimet

• Công suất tiêu thụ thấp

Việc đơn giản hóa các trạm phát cơ sở (BS) đã giảm được công suât tiêu thụ Hầu hết các thiết bị phức tạp đều nằm ở đơn vị xử lý trung tâm (CS) Trong một số trường hợp, các trạm phát cơ sở (BS) còn hoạt động ở chế độ thụ động, sử dụng năng lượng rất thấp và không được nuôi bằng lưới điện

1.2.4.2 Nhược điểm của hệ thống RoF

RoF liên quan đến việc điều chế tín hiệu analog, tách sóng quang, đây là một

hệ thống tương tự điển hình nên chịu ảnh hưởng của méo và nhiễu Những ảnh hưởng này có xu hướng giới hạn là hệ số nhiễu NF và dải động của tuyến RoF

Các nguồn nhiễu trong tuyến quang bao gồm nhiễu cường độ tương đối (RIN), nhiễu pha, nhiễu bắn, nhiễu nhiệt của bộ tách sóng quang và tán sắc sợi quang

Khi sử dụng sợi đơn mode trong tuyến, tán sắc màu sẽ giới hạn chiều dài tuyến và cũng là nguyên nhân làm tăng nhiếu pha sóng mang RF Khi sử dụng sợi

đa mode, tán sẽ mà là nguyên nhân làm giới hạn nghiêm trọng băng tần và khoảng cách truyền của tuyến

1.3 Các kỹ thuật điều chế tại đầu phát

1.3.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp

Trong kỹ thuật điều chế trực tiếp, tín hiệu dòng điểu khiển được đưa vào laser điều chế quang trực tiếp (Direct Modulation - DM) có giá trị biến thiên theo

dữ liệu được phát đi

Ưu điểm của kỹ thuật điều chế trực tiếp là sự đơn giản và rẻ tiền, được ứng dụng nhiều trong các hệ thống thông tin quang hiện nay Khi dùng sợi tán sắc thấp,

hệ thống sẽ trở nên tuyến tính Tuy nhiên hạn chế của kỹ thuật điều chế trực tiếp là khả năng đáp ứng tần số của laser là có giới hạn, laser điều chế trực tiếp chỉ có khả năng hoạt động ở tần số tầm 10GHz Có một số laser có thể hoạt động ở tần số 40 GHz nhưng giá thành rất cao và không phổ biến trên thị trường

Hình 1.5 Kỹ thuật điều chế trực tiếp

1.3.2 Điều chế ngoài (External Modulation)

Trong kỹ thuật điều chế ngoài, sóng laser được cấp một tín hiệu liên tục (Continous Wave - CW) để phát ra ánh sáng có năng lượng không đổi theo thời gian.Thành phần thứ hai, được gọi là bộ điều biến được sử dụng như một công tắc

để cho ánh sáng đi qua tương ứng với tín hiệu điều chế mang thông tin được đưa vào bộ điều biến Như vậy, laser không trực tiếp tham gia vào quá trình điều chế tín hiệu mà thông qua một bộ điều chế quang học bên ngoài với tốc độ bit cao, cho

phép chuyển đổi tín hiệu giữa hai trạng thái (mở và đóng ) đủ nhanh để hoạt động tốt ở tốc độ bit mong muốn

Hình 1.6 Kỹ thuật điều chế ngoài

Trong kỹ thuật điều chế ngoài, có hai bộ điều chế ngoài thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang Loại thứ nhất dựa trên sự thay đổi sự hấp thụ của các vật liệu bán dẫn dưới sự điều khiển bởi một điện trường ngoài Loại thứ hai dựa trên sự thay đổi chỉ số khúc xạ của một số tinh thể dưới tác động điều khiển của một điện trường bên ngoài

1.3.2.1 Bộ điều chế ngoài hấp thụ electron

Một laser DFB phát ra một nguồn sáng liên tục chạy qua các ống dẫn được chế tạo bằng các vật liệu bán dẫn Khi không có điện áp điều khiển đặt vào, ống dẫn sóng gần như trong suốt với nguồn sáng được phát ra từ laser do tần số cắt ngắn λc

hơn so với bước sóng tia tới, lúc đó năng lượng tia tới E sẽ nhỏ hơn hiệu ứng bandgap E g Khi một hiệu điện thế điều khiển được đặt vào, hiệu ứng bandgap của vật liệu giảm đi, sóng ánh sang sẽ bị hấp thụ khi E>E g Bằng cách thay đổi điện áp

của ống dẫn sóng, đặc tính điều chế tín hiệu cũng như bản thân tín hiệu cũng sẽ thay đổi theo

1.3.2.2 Bộ điều chế ngoài Mach – Zenhder

Bộ điều chế ngoài Mach – Zehnder là dựa trên sự thay đổi chỉ số khúc xạ dưới tác dụng của điện trường ngoài thông qua hiệu ứng quang điện

Người ta cấy vào ống dẫn sóng một tinh thể quang điện tử, thường là pin lithium – niobate (LiNbO3), chiết suất của lớp lithium – niobate này thay đổi khi đặt vào nhánh của nó một hiệu điện thế Giả sử nguồn sáng đến được chia làm hai

nhánh đi qua ống dẫn sóng Khi không có hiệu điện thế đặt vào, cả hai nửa tia tới sẽ không bị dịch pha, tại ngỏ ra chúng sẽ giao thoai với nhau và tái tạo lại dạng sóng ban đầu Khi có một hiệu điện thế đặt vào thì hai tia tới sẽ bị dịch pha, công suất tại đầu ra bộ điều chế phụ thuộc vào sự sai khác pha của hai tia Ta có độ lệch pha :

= in

out P P

Trường hợp phổ biến nhất, tia tới thứ nhất sẽ bị dịch pha 90o bởi chiết suất của ống dẫn sóng bị thay đổi, trong khi nhánh thứ hai sẽ bị dịch pha – 90o Kết quả

là tổng hợp ngõ ra ống dẫn sóng cả hai đều bị triệt tiêu

Hình 1.7 Bộ điều chế ngoài Mach Zenhder

1.4 Các kỹ thuật tách sóng tại đầu thu

1.4.1 Kỹ thuật tách sóng trực tiếp

Hình 1.8 : Kỹ thuật tách sóng trực tiếp

Thông tin được giải mã bởi biên độ của tín hiệu quang

1.4.2 Kỹ thuật tách sóng coherent

Ngoài ra, có nhiều thuận lợi trong lĩnh vực di động vì tín hiệu đến trạm BTS

là tín hiệu vô tuyến Do đó, không cần phải điều chế mà có thể phát trực tiếp đến các thiết bị di động

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENCE

2.1 Giới thiệu chương

Hầu hết các hệ thống thu phát quang từ trước đến nay đều sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM - DD) tức là tín hiệu tại đầu phát sẽ được điều biến trực tiếp bằng thông tin điện và đầu thu sẽ biến đổi trực tiếp tín hiệu quang thành tín hiệu điện nhờ bộ tách sóng photodiode Song kỹ thuật này vậy còn một số điểm hạn chế như chưa sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên băng thông vô cùng lớn của sợi quang, tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu thu tương đối thấp, độ nhạy máy thu không cao và không có khả năng ứng dụng các kỹ thuật đa kênh dung lượng lớn Do đó kỹ thuật thông tin quang Coherence ra đời đã khắc phục được rất nhiều hạn chế so với kỹ thuật cũ, cho phép truyền các tuyến thông tin cự ly xa và dung lượng lớn

Nội dung chương 2 sẽ giới thiệu tổng quan về một hệ thống thông tin quang coherence bao gồm các khái niệm, cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang Coherence, các nguyên lý tách sóng và phương thức điều chế, tác động của nhiễu lê hệ thống thông tin quang Coherence

2.2 Khái niệm và cấu trúc của hệ thống thông tin quang Coherence

2.2.1 Khái niệm về hệ thống thông tin quang Coherent

Hệ thống thông tin quang Coherence là một hệ thống thông tin quang hoạt động dựa trên nguyên lý trộn ánh sáng mang tín hiệu với một sóng ánh sáng khác

Hệ thống này đã kết hợp ánh sáng mang tín hiệu với ánh sáng phát ra từ một bộ dao động nội dùng diode laser được tích hợp trong máy thu Với nguyên lý hoạt động này, hệ thống đã cải thiện được một số nhược điểm của hệ thống IM – DD, cho hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở đầu ra Bộ thu coherent lý tưởng hoạt động trong vùng bước sóng từ 1,3 µm đến 1,6 µm cần năng lượng tín hiệu chỉ từ 10 đến 20 photon/ bit cũng có thể đạt BER = 10-9 Do độ nhạy của bộ thu quang coherent cao hơn bộ thu tách sóng trực tiếp từ 10 dB đến 20 dB nên bộ thu quang coherent cho phép chúng ta :

• Tăng khoảng cách trạm lặp cho hệ thống trên đất liền và đưới biển

• Tăng tốc độ truyền dẫn mà không cần giảm khoảng cách trạm lặp

• Tăng quỹ công suất để bù các loại suy hao tại coupler và các thiết bị ghép tách bước sóng

• Cải thiện độ nhạy cho các thiết bị đo quang OTDR

2.2.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang Coherent

Một hệ thống thông tin quang Coherent có sơ đồ khối như hình sau :

…đối với điều chế ngoài Nguồn laser thường loại DFB có độ rộng phổ ≤ 0.1 µm được đặt trong một hộp ổn nhiệt trong vòng 0,010C để đảm bảo

ổn định tần số

• Dao động nội : Bộ dao động nội tại đầu thu sử dụng laser bán dẫn tạo ra tín hiệu quang có bước sóng λ2 Laser dao động nội có cấu trúc gần giống laser phát, chỉ có một điểm khác là laser dao động nội có khả năng

điều chỉnh tần số phát trong khoảng rộng để đảm tần số tín hiệu sau khi trộn luôn ổn định.

• AFC (Auto Frequency Controller) : tự động điều chỉnh tần số bộ dao động nội nhằm ổn định bước sóng phát ra

• Trộn quang : tín hiệu tại đầu thu được trộn với tín hiệu bộ dao động nội trước khi tách sóng Photodiode tách sóng cùng với bộ trộn hoạt động như một bộ biến đổi tần thấp khi thu đổi tần (Heterodyne) hoặc như một

bộ tách sóng khi thu đồng tần (Homodyne)

• Giải điều chế : thu lại tín hiệu đã phát ban đầu ở băng tần cơ sở, khối này chỉ cần thiết khi bộ thu hoạt động ở chế độ heterodyne

• Bộ khuếch đại : khuếch đại tín hiệu sau khi ra khỏi photodiode tách sóng

và giới hạn băng thông bởi bộ lọc băng thông

• LOC (Local Oscillator Control) : khối này dùng để điều khiển pha và tần

số của bộ dao động nội

2.3 Các kỹ thuật tách sóng của hệ thống thông tin quang Coherence

2.3.1 Nguyên lý tách sóng

Nguyên lý tách sóng cơ bản của hệ thống thông tin quang Coherence là trộn tín hiệu nhận được tại đầu thu với một sóng quang do bộ dao động nội tạo ra trước khi được khi được tách sóng tại photodiode

Giả sử tín hiệu quang cần truyền đi có dạng :

)]

(cos[

(t S

Φ : pha của sóng mang quang Tại nơi thu, giả sử trường dao động nội có dạng :

)]

()

(cos[

)

E LO = LO ωLO +ΦLO (2.2)Trong đó : E LO : Biên độ của tín hiệu dao động nội

LO

ω : tần số của tín hiệu dao động nội)

(t LO

Φ : pha của tín hiệu dao động nội.

Biên độ phức E S và E LO liên quan đến công suất tín hiệu P S công suất bộ dao động nội P LO bằng công thức :

(2.3)

(2.4)Tách sóng coherent tín hiệu quang thường sử dụng phương pháp điều chế cân bằng, ta có sơ đồ một bộ tách sóng coherent điều chế cân bằng như hình sau :

Hình 2.2 Bộ tách sóng coherent điều chế cân bằng

Phương pháp điều chế cân bằng được giới thiệu tại máy thu coherent như một phương tiện hạn chế dòng một chiều và cho dòng tín hiệu lớn nhất tại photodiode Sử dụng một bộ couple quang 3dB với độ dịch pha 1800 với ngỏ vào tương ứng là trường tín hiệu quang hoặc trường tín hiệu dao động nội đồng phân cực giữa hai port Tín hiệu điện trên các photodiode trên và dưới được cho bởi công thức sau :

((2

1

E = s + LO

))()

((2

E

(2.5)

(2.6)

Dòng qua photodiode tương ứng là I1(t) và I2(t) được cho bởi công thức :

2)(

I = s + LO − s LO ωIF +ΦS −ΦLO

(2.9)Trong đó :

ν

η

h

e

R= : hệ số chuyển đổi quang điện của photodiode

η : hiệu suất lượng tử của photodiodeν

h : năng lượng photonDòng tín hiệu tại đầu ra là hiều hai dòng của photodiode trên và dưới :

I( )t =I1(t)−I2( )t =2R[2 P s( )t P LO cos{ωIF( )t +ΦS(t)−ΦLO(t)} ]

(2.10)

2.3.2 Tách sóng đồng tần (Homodyne Detection)

Trong kỹ thuật tách sóng đồng tần, tần số của bộ dao động nội ωLO trùng với

tần số tín hiệu quang ωs ,ωIF( )t bị triệt tiêu Dòng photodiode đầu ra của kỹ thuật

tách sóng đồng tần được trở thành :

( )t I1(t) I2( )t 2R P (t)P cos{ (t) (t)}

I = − = s LO ΦS −ΦLO

(2.11)Công thức trên cho thấy kỹ thuật tách sóng đồng tần chỉ tính các giá trị giữa pha tín hiệu và pha của bộ dao động nội Để giải mã chính xác, pha của bộ dao động nội ΦLO (t) được giữ không đổi, việc này rất khó rất thực hiện do trên thực tế cả )

(t

S

Φ và ΦLO (t) đều bị dao động ngẫu nhiên theo thời gian do ảnh hưởng của các tác nhân bên trong và bên ngoài Tuy nhiên, hiệu số của chúng có thể được giữ hầu như không đổi nhờ vòng khóa pha quang Việc bổ sung thêm một vòng khóa pha sẽ

2)(

I = s + LO + s LO ωs −ωLO +ΦS −ΦLO

(2.7)

(2.8)

làm cho việc thiết kế bộ thu quang đồng tần khá phức tạp Ngoài ra, công thức (2.11) chỉ cung cấp thành phần cos ( tương ứng với thành phần pha nội của bộ dao động), và các thành phần sine không được tách sóng Do đó, kiểu máy thu đồng tần không thể tái tạo lại toàn bộ thông tin của tín hiệu biên độ phức Để khắc phục, người ta sử dụng một bộ dịch 900 tín hiệu của bộ dao động nội để tạo ra sóng sine rồi tiến hành điều chế Sơ đồ mô tả một bộ tách sóng đồng tần như sau :

Hình 2.3 Sơ đồ bộ tách sóng đồng tần homodyne

2.4 Tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection)

Đối với kiểu tách sóng đổi tần, tần số bộ dao động nội ωLO được chọn không

trùng với tấn số tín hiệu quang ωs, độ lệch tần số được chọn sao cho tần số trung tần ωIF( )t nằm trong vùng sóng vô tuyến từ vài GHz đến hàng chục GHz Dòng ra của photodiode tại đầu thu được cho như công thức (2.10) Tách sóng đổi tần tạo ra một tần số trung tần ωIF( )t >>ωb /2 với ωb là băng thông điều chế của sóng mang quang được xác định bằng tốc độ truyền kí tự Phổ tín hiệu chuyển đổi từ tần số quang xuống tần số IF được thể hiện trong hình sau :

Hình 2.4 Phổ tín hiệu quang (a) và tín hiệu đưa xuống tần số trung tần (b)

Pha của tín hiệu thu bao gồm pha của tín hiệu cần truyền và pha nhiễu, trong trường hợp lý tưởng, ta có thể bỏ qua tác động của nhiễu đến pha của tín hiệu truyền

2.5 Nhiễu trong hệ thống thông tin quang Coherence

Ngoài tác động của suy hao, tán sắc lên chất lượng đường truyền, tác động của nhiễu cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thu phát tín hiệu Một hệ thống thông tin quang thông thường có đặc tính truyền dẫn như suy hao, tán sắc, đặc tính phi tuyến của sợi quang, các loại nhiễu như nhiễu bắn, nhiễu nhiệt, nhiễu dòng tối Ngoài ra, hệ thống thông tin quang còn gây ra nhiễu phách, ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền.

2.4.1 Đặc tính truyền dẫn của một hệ thống thông tin quang

2.4.1.1 Suy hao

Suy hao là sự mất một cương độ tín hiệu trong sóng ánh sáng, điện hoặc tín hiệu cao tần gây ra do khoảng cách truyền Cần xác định khoảng cách truyền tối đa giữa đầu phát và đầu thu để đảm bảo tín hiệu có thể giải mã thành công Ảnh hưởng của nó có thể được tính bằng công thức :

L in out P e

P = −αTrong đó : α là suy hao sợi quang

Thường thì suy hao được tính theo đơn vị là dB/Km :

) 0 ( log

10

z P

P L

dB

α

Các loại suy hao bao gồm :

• Suy hao do hấp thụ : bao gồm hấp thụ của bảng thân vật liệu chế tạo sợi, còn gọi là tự hấp thụ, và hấp thụ do chế tạo sợi không tinh khiết Suy hao do hấp thụ bao gồm hấp thụ bởi sự kiếm khuyết các nguyên

tử, hập thụ bởi các tạp chất kim loại và sự hấp thụ của các ion OH-

• Suy hao do tán xạ tuyến tính : là loại suy hao do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi, có thể là những thay đổi nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi Ngoài ra, do sợi thủy tinh được tạo ra tưc các loại oxit như: SiO2, GeO2nên có thể xảy ra sự thay đổi thành phần giữa chúng Hai yếu tố này làm tăng sự thay đổi chiết suất tạo ra tán xạ Tán xạ tuyến tính làm cho năng lượng qunag từ một mode lan truyền này

(2.13)(2.12)

sang một mode khác làm suy hao công suất quang được truyền đi Một tán xạ gây ảnh hưởng lớn nhất đến đường truyền là tán xạ Rayleigh xảy ra do sự không đồng nhất có kích thước nhỏ hơn bước sóng trong sợi quang làm cho tia sáng bị tỏa ra nhiều hương Hệ số tán xạ Rayleigh được tính như sau :

(2.14)Trong đó :

R

γ : hệ số tán xạ Rayleigh

λ : bước sóng quang được tính bằng m

n : chiết suất môi trường

p : hệ số quang đàn hồi trung bình

Hiện tượng tán sắc làm méo dạng tín hiệu thu trong một khoảng băng thông

và chiều dài sợi quang khả dụng

Các nguyên nhân chính gây nên tán sắc bao gồm :

• Tán sắc vật liệu (material dispersion)

• Tán sắc ống dẫn sóng (waveguide dispersion)4

• Tán sắc mode (trong sợi đa mode)

Tán sắc trong sợi quang được cho bởi công thức :

1 22

λ

n d d

dT L

fibre = ∝

2.4.2 Tác động của nhiễu trong hệ thống thông tin quang Coherence

F e

8

=

(2.15)

Tổng công suất nhiễu quang, công suất tín hiệu quang kết hợp với công suất tín hiệu bộ dao động nội cũng tạo ra các thành phần nhiễu bắn, nhiễu phách và nhiễu nhiệt trong bản thân máy thu.

2.4.2.1 Đặc tính tạp âm nhiễu

Một hệ thống thông tin quang sẽ tạo ra các loại nhiễu : nhiễu bắn, nhiễu nhiệt máy thu và nhiễu dòng tối Do ảnh hưởng của nhiễu dòng tối không lớn nên ta chỉ xét ảnh hưởng của nhiễu nhiệt và nhiễu bắn

Bản thân các bộ khuếch đại EDFA sẽ tạo ra các tạp âm :

• Tạp âm tán hạt của tín hiệu quang

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

• Tạp âm phách giữa quang phổ ASE và tín hiệu

• Tạp âm phách giữa các quang phổ ASE

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

Công suất tín hiệu quang của bộ dao động nội trong máy thu quang Coherence cũng tạo ra một số loại nhiễu nhiễu bắn – dao động nội, nhiễu phách – dao động nội

2.4.2.2 Mật độ công suất nhiễu bắn ( 2

n S

j

j n sp

n ASE

2

ν

η σ

Do đó :

2 2

2 2

ASE SH LO SH S

SH

e o n

j

j n sp

n LO TX

2

ν

ησ

(2.17)

2.4.2.3 Mật độ công suất nhiễu phách ( 2

ASE

σ )

Nhiễu phách trong máy thu quang Coherence bao gồm các loại nhiễu :

• Mật độ phổ công suất tín hiệu - nhiễu phách σ2

S-ASE :

e n

j

j n sp

n TX

n ASE

2

ν

ησ

j

j n sp

n LO ASE

j

j n sp

n ASE

2 1

2 2

ASE ASE ASE

LO ASE

PLO : Công suất bộ dao động nội [W]

αf : Suy hao công suất trên mỗi km sợi quang

RL : Điện trở tải bộ tách sóng

K : Hằng số Boltzman ( K = 1,38.10-23 J/ 0K)

T : Nhiệt độ tuyệt đối (T = 273 + 27 = 300 0K)

Be : Băng thông tín hiệu

η : Hiệu suất lượng tử của photodiode

2.5 Kết luận chương

Chương 2 cung cấp cho chúng ta kiến thức cơ bản về hệ thống thông tin quang Coherence, việc sử dụng phương pháp tách sóng Coherence mang lại nhiều

ưu điểm vượt trội hơn so với phương pháp tách sóng trực tiếp, cho độ nhạy con hơn

từ 10dB đến 20dB, giúp tăng khoảng cách lặp chô hệ thống, tăng tốc độ truyền dẫn

và tăng quỹ công suất để bù lại các suy hao tại coupler và các thiết bị ghép tách bước sóng

Về mặt cấu hình, máy thu tách sóng coherence phức tạp hơn so với máy thu tách sóng trực tiếp do có sử dụng bộ dao động nội, sử dụng vòng khóa pha để bám đuổi tín hiệu quang thu được, đảm bảo sự đồng pha giữa hai tín hiệu nhằm hạn chế nhiễu pha trong máy thu quang Coherence Có hai kiểu tách sóng quang Coherence phổ biến đó là kỹ thuật tách sóng đồng tần (Homodyne Detection), tín hiệu tại đầu

ra có tần số ở miền baseband (miền cơ sở) và kỹ thuật tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection), tín hiệu tại đầu ra có tần số nằm ở miền trung tần (IF)

Với các ưu điểm nổi bật như tăng độ nhạy máy thu điều này góp phần tăng chất lượng của hệ thống Không những thế, với khả năng chọn tần số trong môi trường đa kênh giúp cho kĩ thuật này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin hiện đại Kĩ thuật RoF với những ưu điểm nổi trội như trên hứa hẹn sẽ mang đến nhiều ứng dụng có lợi cho hệ thống thông tin sợi quang tương lai

CHƯƠNG 3 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA

3.1 Giới thiệu chương

Với các ưu điểm nổi bật, sợi quang được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các mạng truyền số liệu ngày nay Nhiều hệ thống truyền dẫn xuyên quốc gia sử dụng sợi quang như SEA – ME – WE 3, SEA – ME – WE 4 … Tuy nhiên, khi truyền đi với khoảng cách xa, hệ thống thông tin quang cần có các trạm lặp hoặc các bộ khuếch đại tín hiệu để bù lại suy hao sinh ra trên đường truyền

Cùng với sự phát triển của khoa học, người ta đã thực hiện quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, thay thế dần các trạm lặp với cấu trúc phức tạp Khuếch đại quang thực hiện việc khuếch đại ánh sáng đến thông qua việc phát xạ kích thích, khắc phục được những hạn chế của trạm lặp Nhiều năm gần đây, bộ khuếch đại pha tạp đất hiếm có ảnh hưởng rấ lớn đến việc triển khai và ứng dụng hệ thống thông tin quang trong cuộc sống Chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo lại tín hiệu nếu có mốt kích thích phù hợp

Trong tất cả các bộ khuếch đại pha tạp đất hiếm, khuếch đại quang sợi kích thích pha tạp Erbium (Erbium – Doped Fiber Amplifier - EDFA) ngày càng được

sử dụng rộng rãi EDFA có ưu điểm hơn cả khi áp dụng cho các hệ thống thông tin quang, cho suy hao ghép nhỏ, mức tạp âm thấp…Trong chương này sẽ trình bày nguyên lý khuếch đại của khuếch đại quang, cấu trúc hoạt động của EDFA, tối ưu hóa vị trí đặt các bộ khuếch đại EDFA…

3.2 Tổng quan về khuếch đại quang

3.2.1 Các loại khuếch đại quang

Bảng 3.1 Các loại khuếch đại quang sợi

Loại

thiết bị

Khuếch đại laser FP-LD

Khuếch đại quang sợi

Khuếch đại Raman

Khuếch đại Brillouin

Khuếch đạiLaser TW-LDNguyên lý

Bức xạ từ nghịch đảo

độ tích lũy môi

Bức xạ từ nghịch đảo

độ tích lũy môi

Tán xạ Raman được kích thích

Tán xạ Brillouin được kích thích

Bức xạ từ nghịch đảo

độ tích lũy môi trường

Hệ số

khuếch đại (25-30)dB (40-50)dB ~50dB ~30dB (20-30)dBDòng/công

suất bơm

20-100mW

So với việc sử dụng các trạm lặp, bộ khuếch đại quang có các ưu điểm sau :

• Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không sử dụng các bộ biến đổi E/O hoặc O/E, do đó khuếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn, cấu trúc cũng đơn giản hơn

• Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương pháp điều chế tín hiệu

• Có thể khuếch đại nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang

3.2.2 Nguyên lý khuếch đại quang

Xét một mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang

Hình 3.1 Mô hình tổng quát bộ khuếch đại quang

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra trong một môi trường được gọi là vùng tích cực (active medium) Các tín hiệu

quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lớn hay nhỏ tùy thuộc vào năng lượng cung cấp từ nguồn bên ngoài gọi là nguồn bơm (Pump Source)

Các bộ khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích Hiện tượng phát xạ được minh họa như trong hình :

Hình 3.2 Nguyên lý phát xạ năng lượng

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hυ12 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp E1 của điện tử (E g =E2 −E1) Khi đó điện tử sẽ chuyển tử trạng thái năng lượng cao đến trạng thái có năng lượng thấp hơn và phát xạ ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon có cùng phương truyền, cùng phân cực, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện

Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượng

1

2 E

E

E g = − dưới dạng một photon ánh sáng Quá trình này xảy ra một cách tự

nhiên vì trang thái năng lượng cao E2 là trạng thái không bền nên được gọi là tự phát Phát xạ tự phát không có tính kết hợp với sóng ánh sáng đến nên được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu tỏng các bộ khuếch đại quang Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE

3.2.3 Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang

3.2.3.1 Độ lợi, hệ số khuếch đại

Độ lợi của bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở ngỏ và công suất quang ngỏ vào

(3.1)

G( ) 10 log

(3.2)Trong đó :

G : độ lợi tín hiệu bộ khuếch đại quang

out

P , P in : công suất tín hiệu ở đầu ra và đầu vào của bộ khuếch đại quang Khuếch đại quang phụ thuộc vào bước sóng truyền, cường độ bơm và mật độ hạt vật liệu Coi vật liệu là đồng nhất, ta có phương trình độ lợi ở tần số phát ω như

sau :

(3.3)Trong đó :0

g : giá trị đỉnh của độ lợi

ω : tần số tín hiệu quang

0

ω : tần số truyền trung tâm

P : công suất tín hiệu

s

P : công suất bảo hòa

2

T : hệ số phục hồi phân cực, thường nhỏ hơn 1 ps

Từ phương trình này có thể nhận thấy, hệ số độ lợi lớn nhất khi tần số khuếch đại ω =ω0 tần số trung tâm.

3.2.3.2 Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth)

Băng thông độ lợi của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi điểm -3dB

sơ với độ lợi đỉnh của bộ khuếch đại Giá trị Bo xác định băng thông tin của tín hiệu

có thể được truyền đi bởi bộ khuếch đại quang

3.2.3.3 Công suất ngỏ ra bảo hòa

Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngỏ ra sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ngỏ vào theo hệ số G Tuy nhiên, khi công suất ngỏ vào

0

P P

g g

s

ωω

ω

−++

=

bão hòa Pout s của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất ngỏ ra lớn nhất mà ở

đó công suất quang còn tăng tuyến tính Ta có sự phụ thuộc của công suất ra theo G như sau :

Hình 3.3 Sự phụ thuộc (a) công suất ngỏ ra theo công suất ngỏ vào và (b) độ lợi

tín hiệu theo công suất bão hòa

Có thể nhận thấy rằng giá trị độ lợi này đạt được khi độ lợi khuếch đại giảm

2

2 ln

0

0

−

= (3.4)

3.2.3.4 Hệ số nhiễu (Noise Figure)

Nguồn nhiễu chính của các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát Vì sự phát xạ xảy ra ngẫu nhiên, pha của chúng cũng ngẫu nhiên Ngoài ra, năng lượng do phát xạ tự phát cũng được khuếch đại khi đi qua các bộ khuếch đại Do đó, tại ngỏ

ra của bộ khuếch đại, công suất quang thu được bao gồm công suất ngỏ vào được khuếch đại với độ lợi G và công suất nhiễu phát xạ tự phát ASE

Ảnh hưởng của nhiễu đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF (Noise Figure ) được định nghĩa là sự suy giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR do nhiễu của bộ khuếch đại thêm vào Hệ số nhiễu được tính bởi công thức :

3.3 Khuếch đại quang sợi kích thích pha tạp Erbium (EDFA)

3.3.1 Tổng quan về bộ khuếch đại quang EDFA

Trong các loại khuếch đại quang pha tạp các nguyên tố đất hiếm, bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium (EDFA) được sử dụng phổ biến nhất Do đặc tính của EDFA là có thể khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không phải thông qua bất kì một sự biến đổi quang điện nào, tần số làm việc ở bước sóng 1550 nm với hệ số khuếch đại lớn, nhiễu thấp Chính điều này đã tạo ra một cuộc cách mạng về tính kinh tế và độ tin cậy cao trong mạng viễn thông EDFA được thay thế các trạm lặp trong nhiều trường hợp

EDFA có thành phần chính gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực Đoạn sợi pha tạp Erbium thường có chiều dài khoảng 10 -20m Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống

3.3.2 Cấu trúc bộ khuếch đại pha tạp Erbium (EDFA)

một bộ khuếch đại EDFA

Cấu trúc một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium (EDFA) như hình 3.4 Trong đó có các thành phần :

• Sợi quang pha ion đất hiếm Er3+ : là nơi xảy ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA

• Laser bơm (Pump Laser ) : cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng 980nm hoặc 1480nm

• Coupler : ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang Loại coupler được sử dụng thường là WDM Coupler cho phép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm

• Bộ cách ly quang (Isolator) : ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền sẽ phản xạ ngược về EDFA

3.3.3 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Hoạt động của EDFA dựa trên nguyên tắc phát xạ kích thích nên trước tiên

ta đi thảo luận về biểt đồ mức năng lượng của các ion Er3+ trong sợi quang như trong hình 3.5

Khi các ion Er3+ được đưa vào trong sợi Si thì mỗi mức năng lượng của chúng được tách thành một số mức kề nhau và tạo thành một dải năng lượng Việc tách các mức năng lượng thành các dải năng lượng trong EDFA là hữu ích vì nó làm cho EDFA có khả năng khuếch đại không chỉ ở một bước sóng duy nhất mà khuếch đại ở một tập bước sóng , thứ hai là nó có khả năng hạn chế yêu cầu điều chỉnh bước sóng bơm.

Một trong những đặc điểm khiến cho nguyên tố Er3+ được sử dụng rộng rãi là

sự chuyển tiếp giữa mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp diễn ra tại một tập bước sóng (1520 , 1560 )nm, tại đó suy hao của sợi là thấp nhất

Bằng sự hấp thụ các photon bơm, các ion Er3+ sẽ được kích thích từ trạng thái cơ bản (trạng thái mức năng lượng nền) lên những mức năng lượng cao hơn phụ thuộc vào bước sóng bơm, công suất bơm của laser bơm Các EDFA được chia thành các hệ thống hai mức, ba mức hoặc bốn mức EDFA được bơm trực tiếp tới mức E3 tại bước sóng l = 1480 nm là hệ thống hai mức Hoặc bơm gián tiếp tại bước sóng l = 980 nm lên mức E2 rồi sau đó mới dịch chuyển xuống mức E3 là hệ thống ba mức Trong đó, năng lượng ion Er3+ phân rã không phát xạ (phân rã nhanh)

từ mức E2 xuống mức giả bền E3

Quá trình phát xạ xảy ra trong các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium nhìn chung có thể được phân thành phát xạ kích thích và phát xạ tự phát Khi các ion Er3+ được kích thích từ trạng thái nền (E1) thông qua hấp thụ ánh sáng bơm sẽ phân rã nhanh từ mức năng lượng cao hơn tới trạng thái giả bền Mục đích là thực hiện đảo mật độ, đây là một trong những điều kiện cần thiết để duy trì khuếch đại trong môi trường hoạt tính Tức là, tạo ra nhiều ion Er3+ hơn tại mức trung gian (E2)

so với mức cơ bản (E1) Muốn vậy, phải thực hiện bơm trực tiếp tại bước sóng l =

1480 nm hoặc bơm gián tiếp tại bước sóng l = 980 nm

Khi bơm gián tiếp thì các ion Er3+ sẽ chuyển động liên tục từ trạng thái thấp tới trạng thái mức năng lượng cao hơn (E2) E2 là mức năng lượng không bền nên chúng phân rã nhanh tới mức E3, từ đó chúng trở về mức E1 và bức xạ photon có bước sóng mong muốn l = (1550 ¸1560) nm Thời gian sống hoặc thời gian phát xạ

tự phát là thời gian trung bình mà các nguyên tử lưu lại tại mức nào đó trước khi di chuyển tới mức năng lượng thấp hơn gần kề Ở trạng thái kích thích E2 các ion Er3+

có thời gian sống ngắn, tại mức năng lượng giả bền E3 các ion Er3+ có thời gian sống dài hơn Nói một cách khác, các ion Er3+ sẽ tích luỹ tại lớp E3 và tạo ra đảo mật độ

Khi bơm trực tiếp tại bước sóng l = 1480 nmn thì sự chuyển động của các ion Er3+ chỉ liên quan tới hai mức năng lượng Các ion Er3+ được tiếp nhận liên tục

từ lớp dưới nhờ năng lượng quang bên ngoài tại bước sóng l = 1480 nm và chiếm chỗ tại mức E3 Vì thời gian sống của ion tại mức này dài nên chúng được tích cóp tại đó và tạo ra đảo mật độ

Kết quả của cả hai quá trình là tại mức trung gian E3 mật độ các ion Er3+ lớn hơn ở mức thấp Tín hiệu quang ở đầu vào (đi qua sợi Erbium EDF đảo mật độ) sẽ tương tác với các Er3+ ở trạng thái kích thích E3 và kích thích các ion Er3+ chuyển dịch từ mức E3 tới mức E1 Sự chuyển dịch cưỡng bức của các ion Er3+ từ mức năng lượng E3 xuống mức E1 sẽ phát ra các photon có cùng bước sóng , cùng hướng và cùng pha với các photon tín hiệu quang vào Do đó, xảy ra khuếch đại tín hiệu quang vào

Mức cơ bản E1

Hình 3.5 Giản đồ năng lượng Erbium.

Các ion Er3+ tại mức E3 không được kích thích mà tự phát để trở về mức E1 kèm theo phát xạ photon có hướng và pha ngẫu nhiên gọi là phát xạ tự phát phát xạ

tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission)

Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản (E1) được kích thích từ một nguồng bức

xạ có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển tới một mức cao hơn (E2), từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ hoặc nếu như có một mức năng lượng thấp hơn (E3) thì nó sẽ thả không bức xạ xuống mức đó Từ đây điện tử có thể phân rã xuống mức E1 hoặc mức E4 thông qua quá trình bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích

Nếu thời gian sống của mức E3 đủ dài để các điện tử được nguồn bơm kích thích thì có thể xảy ra nghịch đảo mật độ tích luỹ Đây là điều kiện để có số điện tử siêu bên E3 nhiều hơn ở mức tới (E1 hoặc E2) Một photo có năng lượng tương đương với sự chênh lệch mức giữa E3 và E1 (đối với cơ chế bức xạ 3 mức), hoặc giữa E3 và E4 (đối với cơ chế bức xạ 4 mức) mà nó va chạm trên môi trường gây ra bức xạ kích thích của các photon

Ở điều kiện không kích thích, hầu hết các điện tử nằm trong trạng thái cơ bản

E1 Như vậy nó cũng tạo ra nghịch đảo tích luỹ giữa các mức E3 và E4 Vì thế cho nên các giá trị ngưỡng ở laser 4 mức thấp hơn ở laser 3 mức

3.3.4 Các đặc tính của bộ EDFA

3.3.4.1 Đặc tính khuếch đại

Dải khuếch đại là dải bước sóng mà EDFA có thể khuếch đại được Hình 3.6 cho thấy hình dạng và vị trí của dãi khuếc đại được xác định như một hàm theo bước sóng Dải khuếch đại của EDFA tương đối bằng phẳng giữa 1530nm và 1565nm (được quy ước là băng C) Đối với dải khuếch đại giữa 1570nm và 1600nm được gọi là dải L Hiện nay, hầu hết EDFA đang được sử dụng ở băng C với bước sóng bơm 980nm

Hình 3.6 Dải khuếch đại của EDFA

Độ khuếch đại biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, định nghĩa là

tỷ số giữa công suất ra và công suất vào Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất

và bước sóng bơm:

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

Theo thực nghiệm hệ số khuếch đại của EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất khi tín hiệu ở bước sóng 1530nm và 1550nm Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi và phương thức bơm (bước sóng bơm và công suất bơm):

Hệ số khuếch đại còn phụ thuộc vào phương thức bơm là cùng chiều hay ngược chiều với tín hiệu

3.3.4.2 Nhiễu trong EDFA

Các đặc tính nhiễu thể hiện một tham số quan trọng, nó xác định đặc tính trên toàn bộ hệ thống, như cự li truyền dẫn và tốc độ bit lớn nhất

Tạp âm của EDFA chủ yếu có 4 loại :

• Tạp âm tán hạt của tín hiệu quang

• Tạp âm tán hạt bức xạ tự phát bị khuếch đại (ASE) : Các photon được bức xạ

tự phát có hướng và pha ngẫu nhiên, không có đặc tính phối hợp với tín hiệu quang đến tạo ra nhiễu phát xạ tự phát Ta có công thức tính công suất ASE như sau :

(3.6)Trong đó :

υ

h : năng lượng photon

G : độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang sợi

1520 1530 1540 1550 1560 1570

động cường độ Ta không thể tránh khỏi nhiễu này trong các hệ thống sử dụng EDFA.

•Tạp âm phách giữa các quang phổ ASE : còn được gọi là nhiễu phách tự phát – tự phát Là phách giữa các thành phần phổ khác nhau của bức xạ tự phát ASE dẫn đến nhiễu cường độ Toàn bộ phổ ASE sẽ đóng góp vào nhiễu phách cường độ tự phát Nếu như ASE là không phân cực, ASE sẽ ở một trong hai phân cực trực giao sẽ đóng góp vào nhiễu phách tự phát – tự phát tổng

3.3.4.3 Đặc tính công suất ra

Khi công suất vào tăng lên, bức xạ bị kích thích tăng nhanh, giảm số hạt chuyển động ngược lại, quang bức xạ bị kích thích yếu đi, dẫn đến bão hòa tăng ích, công suất phát có xu hướng ổn định

3.4 Các vị trí đặt EDFA trong tuyến cáp sợi quang

• Trường hợp BA (đặt ngay sau máy phát) :

Cho tỷ số eSNR lớn hơn trong trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát và điều khiển Tuy nhiên, công suất ngõ ra không được cao quá 15dBm do điều kiện kết nối với sợi quang Điều này giới hạn độ khuếch đại của EDFA và công suất phát

• Trường hợp PA (đặt ngay trước máy thu) :

Hình 3.8 Trường hợp EDFA đặt ngay trước máy thu

Trường hợp này có thể cho công suất đến máy thu lớn Tuy nhiên, nhiễu tại đầu vào máy thu lớn, điều này làm giới hạn tỷ số eSNR

• Trường hợp LA (đặt giữa đường truyền) :

Máy thu Cohence