Nâng cao chất lượng tuyến thông tin sợi quang có các EDFA mắc chuổi

Một trong những nhân tố quan trọng tạo nên bước phát triển đột phá cho viễn thông quốc tế là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang và công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang.Hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượt trội, hiện đang là loại dịch vụ được sử dụng phổ biến, nó ngày càng được phát triển hoàn thiện và có thể đáp ứng được mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai

Trang 1

Đề tài: Nâng cao chất lượng tuyến thông tin sợi quang Quy Nhơn – Phan Rang có các EDFA mắc chuổi

MỤC LỤC

Trang 2

CÁC TỪ VIẾT TẮT

APD Avalanche Photodiode Điốt quang kiểu thác

ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch đại

DFA Doped Fiber Amplifier Sợi khuếch đại pha tạp

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch chuyển tán sắc

DWDM Dense Wavelength Division Ghép kênh theo bước sóng mật Multiplexing độ cao

EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp

ErbiumFWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng

LED Light Emitting Diode Diode phát quang

NDFA Neodymium-Doped Fiber Khuếch đại quang pha

Amplifier tạp Neodymium

OFA Optical Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu quangPDFA Praseodymium-Doped Fiber Khuếch đại quang pha tạp

Amplifier Praseodymium

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SOA Optical Semiconductor Bộ khuếch đại quang bán dẫn

AmplifierSPM Self Phase Modulation Điều chế pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman

TDFA Thulium-Doped Fiber Khuếch đại quang pha tạp

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

Trang 3

LỜI MỞ ĐẦU

Từ năm 1980 hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trênmạng viễn thông Chúng ta phải thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đãthể hiện khả năng to lớn trong công việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngàycàng phong phú và hiện đại của nhân loại, các hệ thống thông tin quang với những

ưu điểm về băng tần rộng, có cự ly truyền dẫn xa, tốc độ cao, suy hao thấp Đã cósức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác Các hệ thống thông tin quang khôngchỉ 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 mạng nội hạtvới cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai

Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta đã thấy những thay đổi lớn trong ngànhcông nghiệp viễn thông Ngành công nghiệp viễn thông đã phát triển vượt bậc cho

ra đời nhiều loại hình dịch vụ mới đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cao của conngười Hiện nay, số lượng người sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày càng tăngnhanh Xu hướng phát triển của viễn thông là các loại hình mạng với dung lượngcao, băng thông rộng, phạm vi hoạt động lớn và có khả năng chống nhiễu, bảo mậttốt Để làm được điều này mạng truyền dẫn cần phải có sự phát triển mạng cả về qui

mô và trình độ công nghệ

Một trong những nhân tố quan trọng tạo nên bước phát triển đột phá cho viễnthông quốc tế là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang và công nghệghép kênh theo bước sóng quang Hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượttrội, hiện đang là loại dịch vụ được sử dụng phổ biến, nó ngày càng được pháttriển hoàn thiện và có thể đáp ứng được mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.Trong đó việc ra đời và ứng dụng của các bộ khuếch đại trên miền tín hiệu quangdần thay thế các bộ khuếch đại điện trước đó Gần đây đã thực hiện thành công việckhuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quátrình biến đổi về điện nào

Điều đáng chú ý là bộ khuếch đại quang trộn đất hiếm Erbium EDFA có thể khuếchđại toàn bộ bước sóng quang trong băng C hoặc băng L mà không cần phải tách

Trang 4

từng bước sóng Bộ khuếch đại quang EDFA được ứng dụng trên các hệ thốngthông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM Ngoài ra bộ khuếch đại EDFAcòn được ứng dụng trọng nhiều hệ thống khác Trong tương lai, cùng với sự pháttriển mạnh mẽ của công nghệ hứa hẹn sẽ phát triển hệ thống thông tin quang trởnên mạnh mẽ hơn, ngày càng phát triển hơn Tuy nhiên bộ khuếch đại EDFA vẫncòn có một vài nhược điểm, trong đó nhiễu được cho là vấn đề quan tâm nhất củachất lượng các bộ khuếch đại nói chung và bộ khuếch đại EDFA nói riêng Để hiểu

rõ hơn về nhiễu và nâng cao chất lượng tín hiệu của hệ thống, vì vậy em chọn đề tài

“Nghiên cứu hệ thống thông tin sợi quang WDM sử dụng các EDFA mắc chuỗi,nâng cao chất lượng tín hiệu tuyến Quy Nhơn-Phanrang”

Đồ án gồm có 4 chương:

• Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin sợi quang đa kênh sử dụng khuếchđại quang

• Chương 2: Khuếch đại quang sợi EDFA

• Chương 3: Xây dựng thuật toán và nâng cao chất lượng tín hiệu trên tuyếnQuy Nhơn – Phan Rang

Với việc sử dụng phần mềm Matlab, đồ án đã tiến hành mô phỏng và tìm rađược các thông số tối ưu và kết quả OSNR tốt nhất, qua đó nâng cao chất lượng tínhiệu truyền dẫn của tuyến thông tin

Trang 5

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM

Trang 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG WDM

1.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày những nội dung sau :

 Các đặc tính của hệ thống thông tin sợi quang

 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống thông tin sợi quang

 Kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) và các yếu tố ảnh hưởngđến chất lượng của hệ thống WDM

 Giới thiệu và phân loại khuếch đại quang

1.2 Các đặc tính của hệ thống thông tin sợi quang

a) Ưu điểm

- Dung lượng cực lớn: cáp sợi quang có thế truyền tải tín hiệu có tần số caohơn rất nhiều so với cáp đồng trục và thông tin vô tuyến

− Suy hao thấp Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài hơn Nếu

so sánh với cáp đồng trong một mạng, khoảng cách lớn nhất đối với cáp đồng đượckhuyến cáo là 100 m, thì đối với cáp quang khoảng cách đó là 2000 m

− Băng thông rộng Sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập hệthống truyền dẫn số tốc độ cao Hiện nay, băng tần của sợi quang có thể lên đếnhàng THz

− Trọng lượng nhẹ Trọng lượng của cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng.Một cáp quang có 2 sợi quang nhẹ hơn 20% đến 50% cáp Category 5 có 4 đôi Cápquang có trọng lượng nhẹ hơn nên cho phép lắp đặt dễ dàng hơn

− Kích thước nhỏ Cáp sợi quang có kích thước nhỏ sẽ dễ dàng cho việc thiết

kế mạng chật hẹp về không gian lắp đặt cáp

− Không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp: vì sợi quang đượccấu thành từu thủy tinh oxit nên không bị ảnh hưởng bởi điện từ trường bên ngoài

− Tính an toàn Vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện

− Tính bảo mật Sợi quang rất khó trích tín hiệu Vì nó không bức xạ nănglượng điện từ nên không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiệnđiện thông thường như sự dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích lấy

Trang 7

thông tin ở dạng tín hiệu quang

− Tính linh hoạt Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết cácdạng thông tin số liệu, thoại và video

− Vấn đề sửa chữa Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹthuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp

− Vấn đề an toàn lao động Khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào

lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnhthủy tinh trong cơ thể Ngoài ra, không được nhìn trực diện đầu sợi quang hay cáckhớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt.Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắtngười không cảm nhận được nên không thể điều tiết khi có nguồn năng lượng này,

và sẽ gây nguy hại cho mắt

1.2.1 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống thông tin sợi quang

Điểm khác nhau cơ bản của hệ thống thông tin quang và hệ thống vi ba là dảitần số sóng mang thông tin Tần số sóng mang quang tiêu biểu khoảng 200 THz.Trong khi dải tần sóng mang vi ba khoảng vài GHz đến vài chục GHz Do dung

Bảng 1.1 So sánh giửa cáp quang và cáp đồng

Trang 8

lượng tỉ lệ thuận với sóng mang nên sóng quang có thể mang dung lượng thông tingấp 10000 lần so với sóng vi ba Do đó thông tin quang được đánh giá là hề thốngtruyền dẫn và phân phối đầy tiềm năng nhằm giúp đáp ứng nhu câu đa dạng trong

xã hội

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang

Môi trường truyền dẫn chính là sợi cáp quang Sơ đồ nguyên lí hoạt đọng của

hệ thống được mô tả như hình 1.1

Tín hiệu điện được đưa vào bộ biến đổi điện-quang (E/O) để biến thành tín hiệuquang Sau đó tín hiệu quang mang thông tin này được đưa vào sợi quang để truyềnđến phía thu Ở phía thu, quá trình ngược lại được thực hiện, biến đổi tín hiệu quangthành tin hiệu điện nhờ bộ biến đổi quang-điện (O/E)

− Khối E/O: bộ phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đưa đến, biến tínhiệu điện đó thành tín hiệu quang, và đưa tín hiệu quang này lên đường truyền (sợiquang) Đó là chức năng chính của khối E/O ở bộ phát quang.Thường người ta gọikhối E/O là nguồn quang Hiện nay, linh kiện được sử dụng làm nguồn quang làLED và LASER

− Khối O/E: khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang này sẽđược thu nhận và biến trở lại thành tín hiệu điện như ở đầu phát Đó là chức năngcủa khối O/E ở bộ thu quang Các linh kiện hiện nay được sử dụng để làm chứcnăng này là PIN và APD, và chúng thường được gọi là linh kiện tách sóng quang(photo-detector)

1.3 Ghép kênh theo bước sóng (WDM)

1.3.1 Ðịnh nghĩa

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là

Trang 9

Kênh n

Kênh 2

Kênh 1Thu λ1

Thu λ2

Thu λnλ1 ,λ2,…,λn

Sợi quangThiết bị WDM

công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệuquang”.Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại(ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó đượcphân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khácnhau

Hình 1.2 Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng

- Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sángkhác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang.Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệuánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tínhiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ,linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot Khi xét đến các bộ tách/ghépWDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần

Trang 10

Kênh n

Kênh 2

Kênh 1Thu λ1

Thu λ2

Thu λnλ1 ,λ2,…,λn

Sợi quangThiết bị WDM

của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữ a cáckênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầugần đầu xa

- Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sựảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn

đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiềuvào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi )

- Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếchđại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đạiRaman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế Có ba chế độ khuếch đại:khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đạiEDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênhlệch không quá 1 dB)

• Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởngđến mức công suất đầu ra của các kênh

• Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnhlại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳngđối với tất cả các kênh

- Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộtách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

1.3.3 Phân loại hệ thống WDM

Trang 11

Hình 1.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn và song hướng

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và songhướng như minh hoạ trên hình 1.3 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiềutrên sợi quang Do vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang Hệthống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉcần 1 sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm Cả hai hệ thống đều cónhững ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền Nbước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

- Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượngcao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi

so với hệ thống song hướng

- Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chếchuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầucủa liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời

- Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn

vì còn phải xét thêm các yếu tố như : vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sónghơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyếnvà phân bố bước sóng sao cho hai chiềutrên sợi quang không dùng chung một bước sóng

- Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạphơn trong hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệthống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộkhuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng

1.3.4 Đặc điểm của hệ thống WDM

Ưu điểm của công nghệ WDM:

- Tăng băng thông truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóngđược ghép vào để truyền trên một sợi quang

- Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên

nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như : ATM, Gigabit Ethernet,ESCON, chuyển mạch kênh, IP

- Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng

Trang 12

băng thông truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộngmạng ở nhiều cấp độ khác nhau

- Hiện tại, chỉ có duy nhất công nghệ WDM là cho phép xây dựng mô hìnhmạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truy ền tải trong suốtnhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động

Nhược điểm của công nghệ WDM:

- Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang (chỉ mớitận dụng được băng C và băng L)

- Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần

- Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rấtkhó triển khai WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn bốn bước sóng khá gay gắt

1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM

Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống thôngtin quang, bao gồm:

- Suy hao

- Tán sắc

- Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang

Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của cácyếu tố này cũng khác nhau

• Ðối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếucần quan tâm là suy hao

• Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủyếu cần quan tâm là suy hao và tán sắc

• Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 yếu

tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến

Trang 13

1.4.Khuếch đại quang

1.4.1 Khái niệm chung về khuếch đại quang

Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thốngthông tin quang Đối với các hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn về suyhao được khắc phục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronicrepeater) Trong các trạm lặp quang điện này (xem hình 1.4), quá trình khuếch đạitín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước Đầu tiên, tín hiệu quang sẽ đượcbiến đổi thành dòng điện bởi các bộ thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiệntách sóng quang như PIN hay APD Dòng quang điện thu được sẽ được tái tạo lạidạng xung, định thời và khuếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuếchđại Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua cácnguồn quang trong bộ phát quang (optical transmitter) và được truyền đi trong sợiquang.Như vậy, quá trình khuếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện

Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyềndẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH.Tuy nhiên, khi sửdụng cho các hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rấtnhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuếch đại và tái tạo các kênhquang có bước sóng khác nhau Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giáthành của hệ thống truyền dẫn quang WDM

Hình 1.4 : Cấu trúc của một trạm lặp quang điệnMột giải pháp có thể khắc phục các nhược điểm trên của trạm lặp quang

Trang 14

điện, đó là sử dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier) Trong các bộkhuếch đại quang này, tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miềnquang mà không thông qua việc biến đổi sang miền điện So với các trạm lặp, các

bộ khuếch đại quang có các ưu điểm sau:

• Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian haymạch phục hồi (bộ biến đổi E/O hoặc O/E) Do đó khuếch đại quang sẽ trởnên linh hoạt hơn

• Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương thức điều chế tín hiệu nên nângcấp hệ thống đơn giản hơn

• Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợiquang

1.4.2 Phân loại khuếch đại quang

Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn nhưhình (1.5) Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng đượcdiễn ra trong trong một môi trường được gọi vùng tích cực (active medium) Các tínhiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộcvào năng lượng được cung cấp từ một nguồn bên ngoài gọi chung là nguồn bơm(Pump Source) Các nguồn bơm này có tính chất như thế nào tùy thuộc vào loạikhuếch đại quang hay nói cách khác phụ thuộc vào cấu tạo của vùng tích cực Tùytheo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính:

Hình 1.5 Mô hình của bộ khếch đại quang

Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier):

- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn

- Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của

Trang 15

laser bán dẫn Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạtđộng ở trạng thái dưới mức ngưỡng phát xạ

- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòngđiện

Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier):

- Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Do đó, OFA còn đượcgọi là DFA (Doped-Fiber Amplifier)

- Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser cóbước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại

- Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóngbơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽthay đổi Một số loại OFA tiêu biểu:

• EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530nm – 1565nm

• PDFA(Praseodymium-Doped Fiber Amplifier):1280nm–1340nm

• TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440nm -1520nm

• NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900nm,1065nm hoặc 1400nm

Trong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có nhiều

ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại 1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bước sóngmật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Chi tiết về EDFA

(1530nm-sẽ được trình bày trong chương 2 của đồ án này

1.5 Kết luận chương

Sợi cáp quang là phương tiện truyền dẫn tín hiệu quang Xung ánh sáng điqua lõi của sợi quang bằng rất nhiều hướng được gọi là những đường dẫn (mode)bằng cách phản xạ qua lớp sơn bọc ngoài Để giảm suy hao trên sợi quang thì người

ta đưa ra một thông số là khẩu độ số NA là góc mở tối đa mà tín hiệu đưa vào có thểphản xạ hoàn toàn trong sợi mà ko bị thất thoát Sợi quang có thể là sợi đơn modehay sợi đa mode Khi truyền ánh sáng trong sợi quang ánh sáng thường bị suy hao,tán sắc và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ Đối với những sợi khác nhau thì sẻ bịảnh hưởng bởi các yếu tố này khác nhau

Bộ khuếch đại quang tốt là bộ khuếch đại có độ khuếch đại công suất và hiệu suất

Trang 16

bơm cao, nhiểu phải thấp, xuyên âm nhỏ, tổn hao nhỏ khi ghép nối với sợi quang,băng thông rộng và dải bước sóng khuếch đại tại đầu vào có thể thay đổi được các

bộ khuếch đại quang rất quang trọng trong các mạng quang do chúng có thể bù lạitổn hao của tín hiệu trên sợi quang trong quá trình lan truyền tín hiệu.Trong đókhuếch đại EDFA là khuếch đại phổ biến nhất

Với đặc tính suy hao thấp, băng thông rộng, kích thước nhỏ, nhẹ, không bịcang nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp làm cho sợi quang được sử dụng trongnhiều lĩnh vực như lĩnh vực viễn thông Với tiềm năng về băng thông nên hệ thốngtruyền dẫn sợi quang đã và đang phát triển trong hệ thống truyền dẫn số đườngdài, tốc độ cao từ hàng trăm Mega bit/s đến hàng Tera bit/s nhờ sử dụng công nghệghép kênh theo bước sóng quang WDM

Trang 17

Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA)

Trang 18

Chương 2

BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA)

2.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày các nội dung sau:

 Cấu trúc EDFA

 Nguyên lý hoạt động của EDFA

 Tính toán các hệ số có liên quan đến EDFA

 Và cuối cùng tìm hiểu các loại nhễu trong EDFA

2.2 Cấu trúc EDFA

Hình 2.1 Cấu trúc bộ khếch đại EDFACấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) được minh họa trên hình 2.1 Trong đó bao gồm:

- Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy

ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA Cấu tạo của sợi quang pha ionEr3+ được minh họa như trên hình 2.2

Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha trộnion Er3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất Việc pha các ion Er3+trong vùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ionerbium lớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn Lớp bọc (cladding) có chiết suấtthấp hơn bao quanh vùng lõi Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bánkính sợi quang tổng cộng là 250 μm Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớpbọc dung để loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợiquang Nếu không kể đến chất pha erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn modechuẩn trong viễn thông Ngoài ra, EDF còn được chế tạo bằng các bằng các loại vậtliệu khác như sợi thủy tinh flouride (flouride-based glass fiber) hoặc sợi quang thủy

Trang 19

tinh đa vật liệu (multicomponent glass fiber)

Hình 2.2 mặt cắt ngang của một sợi quang pha ion Erbium

- Laser bơm (pumping laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạngthái nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực Laser bơm phát ra ánh sáng có bướcsóng 980nm hoặc 1480nm

-WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laserbơm vào trong sợi quang Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phépghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm

- Bộ cách ly quang (Optical isolator): ngăn không cho tín hiệu quang đượckhuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đườngtruyền phản xạ ngược về EDFA

2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

2.2.1 Giản đồ phân bố năng luợng của Er:

Giản đồ phân bố năng lượng của Er3+ trong sợi silica được minh họa tronghình1.8 Theo đó, các ion Er3+ có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhauđược ký hiệu: 4I15/2 ,4I13/2 , 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 2H11/2 Trong đó:

- Vùng4I15/2 có mức năng lượng thấp nhất, được gọi là vùng nền state band)

(ground Vùng 4I13/2 được gọi là vùng giả bền (mestable band) vì các ion Er3+cóthời gian sống (lifetime) tại vùng này lâu (khoảng 10ms) trước khi chuyển xuốngvùng nền Thời gian sống này thay đổi tùy theo loại tạp chất được pha trong lõi củaEDF

- Vùng 4I11/2, 4I9/2, 4F 9/2, 4S 9/2, 2H 11/2 là các vùng năng lượng cao,được gọi là vùng kích thích hay vùng bơm (pumping band) Thời gian các ion Er3+

có trạng thái năng lượng trong các vùng này rất ngắn (khoảng 1 μs)

Trang 20

Hình 2.3: giản đồ phân bố năng lượng của ion Er trong sợi Silica

Sự chuyển đổi năng lượng của các ion Er3+ có thể xảy ra trong các trườnghợp sau:

- Khi các ion Er3+ ở vùng nền nhận một mức năng lượng bằng độ chênhlệch năng lượng giữa vùng nền và vùng năng lượng cao hơn, chúng sẽ chuyển lênvùng có mức năng lượng cao hơn (sự hấp thụ năng lượng)

- Khi các ion Er3+ chuyển từ các vùng năng lượng cao xuống vùng nănglượng thấp hơn sẽ xảy ra hai trường hợp sau:

• Phân rã không bức xạ (nonradiative decay): năng lượng đượcgiải phóng dưới dạng photon tạo ra sự dao động phân tửtrong sợi quang

• Phát xạ ánh sáng (radiation): năng lượng được giải phóng dướidạng photon

Độ chênh lệch năng lượng giữa vùng giả bền (4I13/2) và vùng nền (4I15/2)[1]:

- 0.775eV ( tương ứng với năng lượng của photon có bước sóng 1600nm)tính từ đáy vùng giả bền đến đỉnh của vùng nền

- 0.814eV (1527 nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đáy của vùng nền

- 0.841 eV (1477nm) tính từ đỉnh vùng giả bền đến đáy của vùng nền

Trang 21

Hình 2.4 phổ hấp thụ và phổ độ lợi của EDFA có lõi pha Ge

Mật độ phân bố năng lượng của các ion Er3+ trong vùng giả bền không đềunhau.Các ion Er3+ có khuynh hướng tập trung nhiều ở các mức năng lượng thấp.Điều này dẫn đến khả năng hấp thụ và phát xạ photon của ion Erbium thay đổitheo bước sóng Phổ hấp thụ (absortion spectrum) và phổ độ lợi (gain spectrum) củaEDFA có lõi pha Ge được biểu diễn trên hình 2.4

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kíchthích.Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện theocác bước như sau (xem hình 2.5):

- Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụnăng lượng từ các photon (có năng l ượng E photon =1.27eV) và chuyển lên trạngthái năng lượng cao hơn ở vùng bơm (pumping band) (1)

- Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1 μs)

và chuyển xuống vùng giả bền (2)

- Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụnăng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạngthái năng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3)

- Các ion Er3+ trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng nănglượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4)

- Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởicác photon có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion Er3+ sẽ chuyểnsang trạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự

Trang 22

phát) (5)

Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau:

- Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er3+ ở vùng nền (6) Tín hiệuánh sáng bịsuy hao

- Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền (7)

Hình 2.5: quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra trong EDFA với 2 bước sóng 980 nm

và 1480 nmHiện tượng phát xạ kích thích xảy ra Khi đó, các ion Er3+ bị kích thích sẽchuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mứcnăng lượng thấp ở vùng nền và phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền, cùngphân cực, cùng pha và cùng bước sóng Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại

Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích(khuếch đại) xảy ra trong khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm Đây cũng là vùngbước sóng hoạt động của EDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bướcsóng lớn hơn 1565 nm và bằng 0 dB tại bước sóng 1616 nm

2.2.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm

a Bước sóng bơm

Với các vùng năng lượng được nêu ở trên, ánh sáng bơm có thể được sử dụngtại các bước sóng khác nhau 650nm (4F9/2), 800nm (4I9/2), 980nm (4I11/2), 1480nm(4I13/2) Tuy nhiên, khi bước sóng bơm càng ngắn thì các ion Er3+ phải trải qua nhiềugiai đoạn chuyển đổi năng lượng trước khi trở về vùng nền và phát xạ photon ánhsáng Do đó, hiệu suất bơm không cao, năng lượng bơm sẽ bị hao phí qua việc tạo

Trang 23

ra các phonon thay vì photon Vì vậy, trên thực tế, ánh sáng bơm sử dụng choEDFA chỉ được sử dụng tại hai bước sóng 980nm và 1480nm

Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảonồng độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion erbium lên trạng thái kíchthích Có hai cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp tại bước sóng 1480nmhoặc bơm gián tiếp ở bước sóng 980nm

Phương pháp bơm gián tiếp (bơm ở bước sóng 980nm): Trong trường hợpnày, ion erbium liên tục được chuyển tiếp từ vùng năng lượng 4I15/2 thấp lên vùngnăng lượng cao 4I11/2, sau đó các ion sẽ phân rã xuống vùng 4I13/2 nhưng không phát

xạ Từ vùng này, khi có ánh sáng kích thích thì các ion sẽ phát xạ bước sóng mongmuốn (từ 1550 đến 1600nm) khi chuyển từ vùng năng lượng 4I13/2 xuống vùng 4I15/2.Đây chính là hệ thống ba mức.Thời gian sống của ion erbium ở mức 4I11/2 khoảng1µs trong khi ở 4I13/2 thì tới 10ms.Với thời gian sống dài, vùng 4I13/2 được gọi là vùng

ổn định.Vì vậy, các ion được bơm lên mức cao, sau đó nhanh chóng tới xuống vùng

4I13/2 và tồn tại ở đó trong một khoảng thời gian tương đối dài tạo nên sự nghịch đảo

về nồng độ

Với phương pháp bơm trực tiếp (1480nm): các ion erbium chỉ hoạt động tronghai vùng năng lượng 4I13/2 và 4I15/2 Đây là hệ thống 2 mức.Các ion erbium liên tụcđược chuyển từ vùng năng lượng nền 4I15/2 lên vùng năng lượng kích thích 4I13/2 nhờnăng lượng bơm.Vì thời gian tồn tại ở mức này dài nên chúng tích lũy tại đây tạo ra

sự nghịch đảo nồng độ

Nguồn bơm có hiệu quả cao ở cả hai bước sóng 980 và 1480nm Để có hệ sốkhuếch đại hơn 20dB thì chỉ cần tạo ra nguồn bơm có công suất nhỏ hơn 5mW,nhưng vẫn cần phải có nguồn bơm từ 10 đến 100mW để đảm bảo cho công suất ra

đủ lớn Hệ số tạp âm lượng tử giới hạn là 3dB đạt được ở bước sóng 980nm Đốivới bước sóng 1480 thì hệ số tạp âm là vào khoảng 4dB vì tiết diện ngang phát xạtại 1480nm cao hơn tại 980nm và sự bức xạ kích thích do nguồn bơm đã giới hạn sựnghịch đảo tích lũy tại 1480nm Do đó, bước sóng bơm 980nm được ứng dụng chocác bộ khuếch đại tạp âm thấp Hệ số khuếch đại tại bước sóng bơm 980nm cao hơntại 1480nm tại cùng công suất bơm Do đó, để đạt được cùng một hệ số khuếch đạithì công suất bơm tại 1480nm phải cao hơn tại 980nm Vì công suất bơm ở 1480nm

Trang 24

lớn hơn nên công suất ngõ ra lớn hơn, do đó bơm ở bước sóng 1480nm được ứngdụng cho các bộ khuếch đại công suất.Ngoài ra, bước sóng bơm 1480nm đượctruyền trong sợi quang với suy hao thấp Do đó, nguồn bơm laser có thể đặt xa bộkhuếch đại

Hiện nay nguồn bơm bước sóng 1480nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúngsẵn có hơn và độ tin cậy cao hơn Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laserbơm vì nó dùng để bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu Cácthiết bị khuếch đại công suất đòi hỏi công suất bơm cao nhất và độ ổn định củachúng là mấu chốt trong quá trình nghiên cứu phát triển được bơm tại cả hai bướcsóng để tận dụng ưu điểm của cả hai bước sóng

Bảng 1: So sánh hai bước sóng bơm 980nm và 1480nm

Tính chất:

Hệ số khuếch đại

Độ lợi công suất bơm

Suy hao công suất bơm

Hệ số tạp âm

Cao hơnThấp hơnCao hơnThấp hơn

Thấp hơnCao hơnThấp hơnCao hơn

b Công suất bơm và hướng bơm

- Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổinăng lượng với tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng lên.Tuy nhiên, hệ số khuếch đại không thể tăng mãi theo công suất bơm vì số lượng cácion erbium được cấy vào sợi là có giới hạn Ngoài ra, khi công suất bơm tăng lên thì

hệ số nhiễu sẽ giảm.Điều này sẽ được trình bày trong phần tính hệ số nhiễu củaEDFA

- Hướng bơm:

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

+ Bơm thuận : nguồn bơm được cùng chiều với hướng truyền tín hiệu

+ Bơm ngược : nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu+ Bơm hai chiều : sử dụng hai nguồn bơm và được theo hai chiều ngược nhau.Hướng bơm thuận có ưu điểm là nhiễu thấp vì nhiễu khá nhạy cảm với hệ sốkhuếch đại mà hệ số khuếch đại tín hiệu cao nhất khi công suất tín hiệu vào thấp

Trang 25

nhất.Trong khi đó, hướng bơm ngược cung cấp công suất ra bão hòa cao nhưng có

hệ số nhiễu cao hơn bơm thuận

Do vậy, người ta đề nghị sử dụng cả hai laser bơm có bước sóng bơm khácnhau Việc bơm tại bước sóng 1480nm thường được sử dụng theo chiều ngược vớihướng truyền tín hiệu và bơm tại 980nm theo hướng thuận để sử dụng tốt nhất ưuđiểm của mỗi loại bơm Bơm tại 1460nm có hiệu suất lượng tử cao hơn nhưng có

hệ số nhiễu cao hơn, trong khi bơm tại bước sóng 980nm có thể cung cấp một hệ sốnhiễu gần mức giới hạn lượng tử.Hệ số nhiễu thấp phù hợp cho các ứng dụng tiềnkhuếch đại

Một EDFA được bơm bằng một nguồn bơm có thể cung cấp công suất đầu racực đại khoảng +16dBm trong vùng bão hòa hoặc hệ số tạp âm từ 5-6dB trong vùngtín hiệu nhỏ.Cả hai bước sóng bơm được sử dụng đồng thời có thể cung cấp côngsuất đầu ra cao hơn.Một EDFA được bơm kép có thể cung cấp công suất ra tới+26dBm trong vùng công suất bơm cao nhất có thể đạt được

Cấu hình của bộ khuếch đại EDFA được bơm kép như hình dưới đây:

Hình 2.6 Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép

c Các cấu hình bơm cho EDFA

Bộ khuếch đại quang sợi EDFA có ba cấu hình làm việc như sau: cấu hìnhbơm thuận, cấu hình bơm ngược và cấu hình bơm hai hướng

- Cấu hình EDFA bơm thuận

Trong cấu hình này tín hiệu ánh sáng bơm được ghép, truyền cùng chiều vớitín hiệu cần khuếch đại trên sợi EDF nhờ bộ ghép WDM Bộ cách ly chỉ cho sóngtruyền theo chiều thuận, chặn sóng phản xạ, giúp cho bộ khuếch đại làm việc ổnđịnh

Trang 26

Cấu hình bơm thuận có ưu điểm là nhiễu nhỏ nhưng hiệu suất khuếch đạikhông cao, nên được dùng chủ yếu làm bộ tiền khuếch đại cho máy thu quang đểnâng cao độ nhạy

Hình 2.7 Cấu hình bơm thuận

- Cấu hình EDFA bơm ngược

Hình 2.8 Cấu hình bơm ngược.

Trong cấu hình bơm ngược chỉ khác so với cấu hình bơm thuận là bộ ghépWDM dùng để dẫn ánh sáng bơm vào bộ khuếch đại được đặt cuối đoạn sợi EDF, ởđây tín hiệu và nguồn bơm truyền ngược chiều nhau trên đoạn sợi EDF Cấu hìnhnày có ưu điểm là hiệu suất khuếch đại cao, nhưng nhiễu lớn, nên nó được dùng chủyếu làm bộ khuếch đại công suất ở lối ra của các máy phát quang nhằm tăng cự lykhoảng lặp

- Cấu hình EDFA bơm hai hướng

Cấu hình này dùng hai nguồn bơm đặt ở hai đầu đoạn sợi EDF với hai bộ ghépbước sóng Ánh sáng bơm truyền theo dọc sợi EDF theo hai hướng thuận và ngượcvới hướng truyền của tín hiệu cần khuếch đại Cấu hình bơm này có ưu điểm là hệ

số khuếch đại lớn và đồng đều, nhiễu không lớn, công suất ra lớn, tuy nhiên chi phícũng tốn kém hơn hai cấu hình trên.Cấu hình EDFA bơm hai hướng được dùng chủ

Trang 27

yếu làm trạm lặp trong hệ thống thông tin quang đường dài, nhất là hệ thống cápquang dưới biển

Hình 2.9 Cấu hình bơm hai hướng

2.4 Tính toán hệ số khuếch đại của EDFA

Trong bộ khuếch đại quang hệ số khuếch đại là một tham số quan trọng,chúng có thể được xác định một cách tổng quát như sau:

in

n out P

P P

(2.5) Trong đó Pin , Pout lần lượt là công suất quang tại đầu vào và đầu ra bộ khuếchđại, Pn là công suất tạp âm do phát xạ tự phát (ASE) sinh ra Công suất tạp âm ở đâyđược phát xạ từ bộ khuếch đại quang và nằm trong băng tần quang Việc xác định

hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang là quá trình rất phức tạp do bản chất phân

bố hai hướng của nó Một cách tổng thể ta có thể coi bộ khuếch đại quang là tổnghợp của một chuỗi các bộ khuếch đại nhỏ với độ dài sợi tăng dần theo lát cắt EDF.Như vậy G sẽ bao gồm toàn bộ các khuếch đại thành phần g(z) dọc theo trục sợi vàđược xác định như sau:

G = = exp() (2.6)

Trong đó L là độ dài sợi EDF, g(z) là độ khuếch đại tăng dần.

Để thu được hệ số khuếch đại thực của EDFA cần phải xác định được các tiếtdiện bức xạ kích thích và tiết diện hấp thụ Các tiết diện này có thể xác định đượcbằng thực nghiệm nhờ việc đo huỳnh quang và hấp thụ của một đoạn EDF Dướiđây ta có bảng liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 4I15/2 đến 4I11/2 của cácloại sợi thủy tinh khác nhau

Bảng 2: Liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 4I15/2 đến 4I11/2 của các loại sợithủy tinh khác nhau

Trang 28

Bằng cách phân tích này độ khuếch đại thực của EDFA có thể được xác địnhtùy thuộc vào mức độ biến đổi trung bình của tích lũy ion Erbium như sau:

lần lượt là mật độ tích lũy trung

bình ở trạng thái nền và trạng thái siêu bền 1 2

, N N

được xác định từ việc giảiphương trình tốc độ:

= - - (2.8)Trong đó PP/A và PS/A tương ứng là cường độ bơm và cường độ tín hiệu; là cácnăng lượng photon bơm và tín hiệu; là thời gian trễ tự phát

2.5 Nhiễu trong bộ khuếch đại EDFA

Nhiễu trong bộ khuếch đại là một yếu tố giới hạn quan trọng đối với hệthống truyền dẫn Đối với EDFA, ảnh hưởng của nhiễu ASE được tính thông quathông số hệ số nhiễu NF được cho bởi công thức :

Trong đó, nsp = N2/(N2 -N1) được gọi là hệ số phát xạ tự phát N1 , N2 là nồng

độ ion Erbium ở mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích

Như đã trình bày trong công thức (1.7) và (1.8), N1 , N2 thay đổi dọc theochiều dài của sợi quang và phụ thuộc vào công suất của nguồn bơm và công suất

Trang 29

của tín hiệu Do đó, hệ số nhiễu NF của EDFA cũng phụ thuộc vào chiều dài củasợi quang L và công suất bơm PP, giống như độ lợi tín hiệu của EDFA

Hình 2.10 biểu diễn sự thay đổi của NF và độ lợi tín hiệu theo chiều dài củasợi quang với một số giá trị của PP /Psat khi công suất tín hiệu ngõ vào 1mW tạibước sóng 1,53 μm Kết quả cho thấy rằng FN có thể đạt gần bằng 3dB khi côngsuất của nguồn bơm PP>> Pp,sat

Với mức nhiễu tương đối thấp, EDFA là sự lựa chọn lý tưởng cho các hệthống thông tin quang WDM hiện nay Dù vậy, nhiễu do bộ khuếch đại cũng làmgiới hạn chất lượng các hệ thống thông tin quang đường dài sử dụng nhiều bộkhuếch đại EDFA Vấn đề nhiễu trở nên nghiêm trọng khi hệ thống hoạt độngtrong vùng tán sắc không của sợi quang Khi đó các hiệu ứng phi tuyến sẽ làmtăng nhiễu bộ khuếch đại và giảm phổ tín hiệu Ngoài ra, nhiễu của bộ khuếch đạicũng gây nên rung pha định thời Vần đề này sẽ được trình ở phần sau

Không chỉ giới hạn tỉ lệ SNR trong các hệ thống sử dụng các bộ khuếch đạiquang, nhiễu ASE mà còn đặt ra những giới hạn khác lên các ứng dụng khác nhaucủa các bộ khuếch đại quang trong các tuyến thông tin sợi quang Chẳng hạn, xemxét một vài bộ khuếch đại quang được ghép tầng dọc theo một khoảng truyền dẫnnhư các bộ lặp tuyến tính để bù suy hao sợi quang Công suất nhiễu ASE Pnoise

sẽ là một phần trong công suất đầu ra Pout của một bộ khuếch đại nào đó trongchuỗi khuếch đại và trở thành đầu vào của bộ khuếch đại tiếp theo Do đó Pnoise cóthể được khuếch đại bằng các bộ khuếch đại tiếp theo Do sự bão hoà độ lợi phụthuộc vào tổng công suất đầu vào, nhiễu ASE từ đầu ra của các tầng trước trongchuỗi khuếch đại có thể lớn đến mức nó sẽ làm bão hoà các bộ khuếch đại phíasau Nếu sự phản xạ tại đầu ra và đầu vào của bộ khuếch đại thấp, ASE được phát

xạ theo hướng ngược về đầu vào từ các bộ khuếch đại thuộc các tầng sau cũng cóthể vào các bộ khuếch đại ở phía trước, càng làm tăng sự bão hoà gây ra do ASE

Định dạng
Số trang	58
Dung lượng	1,86 MB