Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bit CATV Cable Television Truyền hình cáp DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại R

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN

HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – Năm 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- TRẦN HOÀI NAM

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ SỐ

KHUẾCH ĐẠI CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

T.S BÙI VIỆT KHÔI

Hà Nội – Năm 2012

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 3  

MỞ ĐẦU 4  

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI QUANG 6  

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang 6  

Bộ phát quang 6  

Bộ chia quang 6  

Trạm lặp 6  

Bộ thu quang 6  

Bộ nối quang 6  

1.2 Bộ lặp và bộ khuếch đại quang 7  

1.3 Nguyên lý khuếch đại quang 8  

1.4 Bộ khuếch đại quang bán dẫn và bộ khuếch đại quang sợi 9  

1.5 Các loại khuếch đại quang khác 10  

1.6 Phân loại các bộ khuếch đại quang theo chức năng 11  

1.7 Các thông số đánh giá các bộ khuếch đại quang 13  

1.7.1 Độ lợi (Gain) 13  

1.7.2 Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth) 13  

1.7.3 Công suất đầu ra bão hòa (Saturation Output Power) 14  

1.7.4 Hệ số tạp âm 14  

1.7.5 Độ nhạy phân cực 15  

1.8 Xu hướng sử dụng bộ khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang 15  

CHƯƠNG 2 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG 17  

2.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn 17  

2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của các bộ khuếch đại quang bán dẫn 17  

2.1.2 Độ lợi 18  

2.1.2.1 Độ lợi của bộ khuếch đại Febry - Perot 18  

2.1.2.2 Độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy 20  

2.1.2.3 So sánh độ lợi của bộ khuếch đại Febry – Perot và độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy 21  

2.1.2.4 Bão hòa độ lợi 22  

2.1.3 Băng thông của bộ khuếch đại quang bán dẫn 24  

2.1.3.1 Băng thông của bộ khuếch đại Febry - Perot 24  

2.1.3.2 Băng thông của bộ khuếch đại sóng chạy 24  

2.1.3.3 So sánh băng thông của bộ khuếch đại Febry - Perot và băng thông của bộ khuếch đại sóng chạy 25  

2.1.4 Xuyên âm 26  

2.1.5 Độ lợi phụ thuộc phân cực 28  

2.1.6 Nhiễu 30  

2.1.6.1 Phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) 31  

2.1.6.2 Nhiễu quang và nhiễu điện 33  

2.1.7 Ưu điểm và hạn chế của bộ khuếch đại quang bán dẫn 34  

2.1.8 Ứng dụng của bộ khuếch đại quang bán dẫn 34  

2.2 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium 35  

2.2.1 Nguyên tắc hoạt động của các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 35  

2.2.2 Biểu đồ mức năng lượng 37  

2.2.3 Bơm 38  

2.2.4 Băng C và băng L 41  

2.2.5 Độ lợi trong sợi pha tạp erbium 42  

2.2.5.1 Định nghĩa 42  

2.2.5.2 Đặc điểm 43  

2.2.5.3 Bão hòa độ lợi 44  

2.2.5.4 Độ lợi là hàm của độ dài sợi tích cực và tối ưu độ dài của sợi 44  

2.2.6 Nhiễu trong sợi pha tạp erbium 45  

2.2.7 Độ lợi và tạp âm trong sợi pha tạp erbium là hàm của các tham số bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium 47  

2.2.8 Các thành phần của module bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium 48  

2.2.8.1 Sợi pha tạp erbium 49  

2.2.8.2 Diode laser bơm 52  

2.2.8.3 Những thành phần khác của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium 52  

2.2.9 Các loại khuếch đại quang sợi khác 53  

2.2.10 Ưu điểm và hạn chế của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium 54  

2.2.11 Ứng dụng của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium 55  

2.3 Bộ khuếch đại Raman 55  

2.3.1 Hiện tượng tán xạ kích thích Raman 55  

2.3.2 Nguyên lý và đặc điểm của khuếch đại Raman 56  

2.3.3 So sánh đặc điểm của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium và bộ khuếch đại kích thích Raman 59  

2.3.4 Khuếch đại Raman trong truyền dẫn WDM băng rộng 62  

2.3.5 Khuếch đại Raman trong các hệ thống WDM hai chiều 65  

Chương 3 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 68  

3.1 Giới thiệu phần mềm OptiSystem 68  

3.2 Bộ khuếch đại quang bán dẫn 69  

3.2.1 Độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy 69  

3.2.2 Bão hòa độ lợi 70  

3.2.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng khi dùng bộ khuếch đại quang bán dẫn 72  

3.3 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 75  

3.3.1 Độ lợi bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium không bằng phẳng 75  

3.3.2 Làm phẳng độ lợi trong hệ thống sử dụng bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium 77  

3.3.3 Bão hòa độ lợi 80  

3.3.4 Công suất bơm tối thiểu để độ lợi cao nhất 82  

3.3.5 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm booster 83  

3.3.6 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm bộ khuếch đại in-line 86  

3.3.7 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm bộ tiền khuếch đại 89  

3.3.8 Tối ưu độ lợi của bộ tiền khuếch đại nhờ mật độ pha tạp ion erbium 91  

KẾT LUẬN 95  

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96  

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Emission

Phát xạ tự phát được khuếch đại

BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bit

CATV Cable Television Truyền hình cáp

DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman phân bốDSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch tán sắc

DXC Digital Cross Connect Bộ kết nối chéo số

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi pha tạp

erbiumFOA Fiber Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi

FPA Fabry – Perot Amplifier Bộ khuếch đại Febry – Perot

FWM Four Wave Mixing Trộn 4 bước sóng

MFD Mode Field Diameter Đường kính trường mode

OADM Optical Add Drop Multipexer Bộ xen rẽ sóng quang

PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động

SDH Synchronous Digital Hierachy Cấu trúc đồng bộ số

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SOA Semicondutor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫnSONET Synchronous Optic Network Mạng quang đồng bộ

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời

gian

TE Transverse Electric Sóng điện ngang

TM Transverse Magnetic Sóng từ ngang

TWA Travelling Wave Amplifier Bộ khuếch đại sóng chạy

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng

đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154 dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập niên qua Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại Dưới đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền dẫn khác, đó là:

o Suy hao truyền dẫn nhỏ

o Băng tần truyền dẫn rất lớn

o Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

o Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao

o Có kích thước và trọng lượng nhỏ

o Sợi có tính cách điện tốt

o Độ tin cậy cao

o Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung

kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai

Trong các liên kết quang, tín hiệu được truyền đi theo sợi và bị suy hao bởi nhiều nguyên nhân Nếu suy hao vượt quá công suất dự phòng thì đòi hỏi tín hiệu trước khi đến bên thu cần phải được khuếch đại Có hai cách để khuếch đại tín hiệu:

bộ lặp và khuếch đại quang Tuy các bộ lặp có một số ưu điểm nhưng tự chúng không thể được dùng để thiết lập các liên kết WDM và các mạng Do đó, sự chuyển đổi từ các liên kết TDM sang các liên kết WDM và từ các liên kết thành các mạng quang không thể thực hiện mà không có các bộ khuếch đại quang Trong nhiều năm gần đây các bộ khuếch đại quang đã được phát triển Có hai loại khuếch đại quang chính là khuếch đại quang bán dẫn và khuếch đại quang sợi Loại được ưa chuộng nhất là khuếch đại quang sợi pha tạp erbium EDFA Bộ khuếch đại này đã mở cánh cửa cho sự triển khai các hệ thống thông tin quang WDM Bên cạnh đó các bộ khuếch đại quang bán dẫn và những loại khác cũng được dùng và nhiều loại còn đang trong giai đoạn nghiên cứu Khả năng của một bộ khuếch đại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố kết hợp Nội dung của luận văn này trình bày về kỹ thuật khuếch đại quang, đặc điểm của các bộ khuếch đại, các yếu tố ảnh hưởng của 3 loại bộ khuếch đại là bộ khuếch đại quang bán dẫn, bộ khuếch đại quang sợi pha tạp và bộ khuếch đại Raman và mô phỏng các bộ khuếch đại quang trong các tuyến truyền dẫn sử dụng công cụ phần mềm OptiSystem

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo – T.S Bùi Việt Khôi, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em rất tận tình trong thời gian làm luận văn, đồng thời em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp cho em tiếp thu được những kiến thức cơ bản trong quá trình học tập để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Hà Nội, tháng 3 năm 2012

Học viên

Trần Hoài Nam

Nguồn phát quang

Mạch điều khiển

Phát quang

Trạm lặp

Khuếch đại quang Đầu thu quang Khôi phục tín hiệu

Khuếch đại

Bộ thu quang

Mạch điện

Tín hiệu điện ra

Bộ nối

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI

QUANG

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang tổng quát gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang các trạm lặp và bộ khuếch đại quang; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến

Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang.Nhu cầu thực tế này khiến rất nhiều nghiên cứu đã và đang được thực hiện nhằm tạo ra các

bộ khuếch đại với những đặc điểm ngày càng tốt hơn

1.2 Bộ lặp và bộ khuếch đại quang

Các bộ lặp (repeater) đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng Trong các bộ lặp này, đầu tiên, tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay APD Dòng quang điện thu được sẽ được tái tạo lại dạng xung, định thời và khuếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuếch đại Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua các nguồn quang trong bộ phát quang (optical transmitter) và được truyền đi trong sợi quang 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 truyền dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống đa bước sóng như WDM, rất nhiều trạm lặp cần được sử dụng để khuếch đại vào tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM

Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng bộ khuếch đại quang Ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không phải biến đổi từ miền quang sang miền điện rồi ngược lại So với bộ lặp (repeater) thì bộ khuếch đại quang có nhiều ưu điểm như khuếch đại trực tiếp trong miền quang, không phụ thuộc vào tốc

độ bit và phương thức điều chế tín hiệu, khuếch đại được nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang

1.3 Nguyên lý khuếch đại quang

Ta biết rằng có 3 hiện tượng quang điện đó là:hấp thụ (Absorption), phát xạ

tự phát (Spontaneous emission) và Phát xạ kích thích (Stimulated emission)

Hình 1.3 Các hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Phát xạ tự phát (c)

Phát xạ kích thích

Hiện tượng hấp thụ, hình 1.3(a), xảy ra khi một photon có năng lượng hf12

bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf12 của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1) Khi xảy

ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao Hay nói cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang.Quá trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại

Hiện tượng phát xạ tự phát,hình 1.3(b), xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1

và phát ra một năng lượng Eg= E2–E1 dưới dạng một photon ánh sáng Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống (life time) của điện tử ở mức năng lượng cao,các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững) Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống của điện tử sẽ khác nhau

Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 1.3(c), xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hν12 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg= E2 – E1) Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu.Sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực,cùng pha và cùng tần số Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (FOA)

Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trong các bộ khuếch đại quang không xảy hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó

ở ngõ ra

Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng nhưng nó không tạo ra độ lợi khuếch đại Bởi nó xảy ra một cách tự phát không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào bộ khuếch đại.Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích thích Do vậy, phát xạ tự phát được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ tự phát được khếch đại ASE(Amplified Spontaneous Emission noise)

1.4 Bộ khuếch đại quang bán dẫn và bộ khuếch đại quang sợi

Hai loại bộ khuếch đại quang chính được dùng ngày nay là bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và bộ khuếch đại quang sợi (FOA) Thực chất bộ khuếch đại quang bán dẫn là một môi trường tích cực của laser bán dẫn Nói cách khác, một bộ

khuếch đại quang bán dẫn là một diode laser mà không có hoặc rất thấp phản hồi quang

Bộ khuếch đại quang sợi thực sự khác với bộ khuếch đại quang bán dẫn Về bản chất, nó là một đoạn sợi quang đặc biệt được ghép với sợi quang truyền dẫn và được nối tới một laser bơm Giống như bộ khuếch đại quang bán dẫn, bộ khuếch đại quang sợi làm việc theo nguyên lý của phát xạ kích thích Năng lượng đưa tới bởi một laser bơm được sử dụng để kích thích các nguyên tử lên trạng thái năng lượng cao hơn, nơi chúng bị kích thích bởi các photon của tín hiệu thông tin rồi rơi xuống mức thấp hơn Các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là các bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium EDFA được dùng chủ yếu trong các mạng WDM ngày nay

Các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium chỉ hoạt động trong cửa sổ 1550nm, trong khi các bộ khuếch đại quang bán dẫn hoạt động trong cả cửa sổ 1300nm và 1550nm

1.5 Các loại khuếch đại quang khác

Ngoài bộ khuếch đại quang bán dẫn và bộ khuếch đại quang sợi còn có các loại khuếch đại quang khác Những loại này sử dụng các hiệu ứng phi tuyến để khuếch đại chứ không phải là phát xạ kích thích Hai loại khuếch đại quang sợi có khả năng triển khai thực tế sử dụng các hiệu ứng Raman và Brillouin Sử dụng những hiệu ứng này khiến có thể thiết lập sự khuếch đại không phải là toàn bộ mà khuếch đại phân tán tín hiệu quang Ưu điểm của nó là cùng một đoạn sợi quang sẽ vừa là môi trường truyền dẫn, vừa là môi trường khuếch đại đồng thời Những thiết

bị này hứa hẹn mở ra triển vọng mới trong khuếch đại quang

Bộ khuếch đại Raman gần đây đã xuất hiện trên thị trường ở cả dạng phân tán và dạng rời rạc Cấu hình được ưa chuộng nhất của nó ngày nay là bộ khuếch đại lai EDFA/Raman - một thiết bị trong đó bộ khuếch đại Raman bù sự thiếu về độ lợi của EDFA trong khoảng bước sóng từ 1570 tới 1630 nm

Ứng ứng dụng quan trọng khác của bộ khuếch đại Raman phân tán là chống lại hiệu ứng có hại gây ra bởi độ lợi lớn của bộ khuếch đại EDFA Độ lợi cao của EDFA nhằm để tăng khoảng cách giữa 2 bộ khuếch đại kề nhau, nhưng kết quả là

đưa ánh sáng công suất cao vào sợi quang ngay lập tức sau bộ khuếch đại Điều này gây ra một số hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang Đặt bộ khuếch đại Raman gần với đầu cuối của mỗi khoảng giữa các EDFA cho phép giảm độ lợi của EDFA đặt trước bộ khuếch đại Raman trong khi giữ cho độ lợi tổng trên khoảng đó ở mức mong muốn

1.6 Phân loại các bộ khuếch đại quang theo chức năng

Các bộ khuếch đại quang được phân loại theo chức năng mà chúng thực hiện

Có ba loại cơ bản là bộ khuếch đại công suất (power amplifier – booster), bộ khuếch đại in-line, và bộ tiền khuếch đại như trên hình vẽ

Hình 1.6.1 Phân loại các bộ khuếch đại quang theo chức năng

Bộ khuếch đại công suất Booster cũng được gọi là khuếch đại sau amplifier), là một bộ khuếch đại công suất làm khuếch đại tín hiệu phía phát trước khi gửi nó vào sợi quang Một bộ booster nâng công suất của tín hiệu quang lên mức cao nhất, điều này tối đa khoảng cách truyền dẫn Yêu cầu chính của bộ khuếch đại này là sinh ra công suất đầu ra lớn nhất, không phải là độ lợi lớn nhất vì tín hiệu đầu vào ở đây khá là lớn, nó đến gần như ngay lập tức từ bộ phát Một lợi

(post-ích nữa của việc dùng booster là nó làm giảm bớt yêu cầu đối với bộ phát phải sinh

ra công suất quang lớn nhất

Bộ khuếch đại in-line hoạt động với tín hiệu đầu vào là ở giữa của liên kết sợi quang Chức năng cơ bản của nó là bù suy hao công suất gây ra bởi sự suy giảm sợi, các mối nối, và sự phân tán tín hiệu trong mạng Do đó, yêu cầu chính cho loại khuếch đại này là sự ổn định trong toàn băng thông WDM Vì nhiều bộ khuếch đại in-line có thể ghép nối theo tầng, sự tương tự trong đặc điểm độ lợi cũng cần phải quan tâm khi làm việc với loại bộ khuếch đại này Giữ nhiễu ở mức tối thiểu và thực hiện các tương tác quang tốt với sợi truyền dẫn là những yêu cầu khác của loại

bộ khuếch đại quang này

Bộ tiền khuếch đại khuếch đại tín hiệu ngay trước khi nó tới với bộ thu Loại

bộ khuếch đại này hoạt động với tín hiệu vào yếu Do đó, độ nhạy tốt, độ lợi cao và nhiễu thấp là các yêu cầu chính ở đây Nhiễu trở thành một đặc điểm cực kì quan trọng của bộ tiền khuếch đại vì khả năng hoạt động của bộ thu bị hạn chế không phải chỉ bởi nhiễu của riêng nó mà còn nhiễu của bộ tiền khuếch đại Sử dụng bộ tiền khuếch đại làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt đối với độ nhạy của bộ thu và nó cho phép mạng hoạt động ở tốc độ bit cao hơn

Số lượng booster và bộ tiền khuếch đại yêu cầu đối với một mạng cụ thể được xác định bởi số bộ phát và bộ thu mà nó sử dụng Nhưng số bộ khuếch đại in-line cần tới phụ thuộc vào cả độ dài của liên kết sợi quang và cấu hình của mạng Đối với những liên kết chặng dài, như là xuyên đại dương hoặc xuyên lục địa thì các bộ khuếch đại in-line thường được lắp đặt cách nhau từ 80 đến 100 km Những

bộ khuếch đại này bù suy hao gây ra bởi suy hao sợi và các chỗ ghép nối Tuy nhiên, các bộ khuếch đại in-line cũng cần cho các mạng khoảng cách ngắn để bù suy hao gây ra bởi sự phân tán tín hiệu trong mạng cục bộ, như chỉ ra trong hình vẽ

Hình 1.6.2 Các bộ khuếch đại in-line (a) Bù suy hao sợi và các chỗ ghép nối (b) Bù sự phân tán tín hiệu

1.7 Các thông số đánh giá các bộ khuếch đại quang

1.7.1 Độ lợi (Gain)

Độ lợi (Gain)của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở ngõ ra chia cho công suất quang ở ngõ vào

out in

P G P

G: Độ lợi tín hiệu của bộ khuếch đại quang

Pin, Pout: công suất tín hiệu ánh sáng ở ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại

Độ lợi đặc trưng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại.Độ bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa độ lợi Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại

1.7.2 Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth)

Giá trị độ lợi không bằng nhau đối với tất cả các tần số của tín hiệu quang đầu vào Như vậy độ lợi phụ thuộc tần số Băng thông của độ lợi được xác định bởi

P out G Độ lợi tín hiệu

điểm giảm 3dB so với độ lợi đỉnh Băng thông độ lợi xác định băng thông của tín hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại

1.7.3 Công suất đầu ra bão hòa (Saturation Output Power)

Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số độ lợi G: Pout = G.Pin Tuy nhiên, công suất ngõ ra không thể tăng mãi được.Khi công suất ngõ vào Pin tăng đến một mức nào đó, độ lợi G bắt đầu giảm Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với tính hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bảo hòa

Hình 1.7.3-b ta thất công suất ở ngõ ra tại điểm độ lợi giảm đi 3 dB được gọi

là công suất ra bảo hòa P out,sat nó cho biết công suất ngõ ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó có thể hoạt động được.Nếu một bộ khuếch đại quang có độ lợi cao sẽ

có P out,sat cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng

Hình 1.7.3 ( a) Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào ( b) Độ lợi khuếch đại theo

công suất quang ngõ ra

1.7.4 Hệ số tạp âm

Các bộ khuếch đại quang đều tạo ra tạp âm Nguồn tạp âm trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát Vì sự phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ tự phát cũng ngẫu nhiên Chúng có thể tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và biên độ Năng lượng

do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ được khuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch

đại về phía ngõ ra Do đó, tại ngõ ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được Pout bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại và công suất tạp âm phát xạ

tự phát được khuếch đại ASE

Pout = G.Pin + PASE Ảnh hưởng của tạp âm đối với bộ khuếch quang được biểu diễn bởi hệ số tạp âm NF (Noise Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR (Signal to Noise Ratio) do nhiễu của bộ khuếch đại thêm vào Hệ số NF được cho bởi công thức sau:

in out

SNR NF

SNR

Trong đó, SNRin, SNRout là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại Hệ số tạp âm NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt Giá trị nhỏ nhất của NF có thể đạt được là 3dB

1.7.5 Độ nhạy phân cực

Độ nhạy phân cực là sự phụ thuộc của độ lợi vào phân cực của tín hiệu Do

có sự phụ thuộc này mà người ta có các biện pháp để giảm sự phụ thuộc vào phân cực như ghép nối tiếp hoặc song song hai bộ khuếch đại với nhau Chi tiết xin được trình bày trong phần 2.1.5

1.8 Xu hướng sử dụng bộ khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang

Với các hệ thống WDM được triển khai rộng rãi như ngày nay thì nhu cầu đối với các bộ khuếch đại ngày càng cao Có thể thấy rõ sự gắn liền của các bộ khuếch đại quang với các hệ thống WDM qua một ví dụ đưa ra trong bảng sau:

Bảng 1.1 Sự phát triển của công nghệ quang học của Alcatel

Phòng thí nghiệm Triển khai 1989: Đường truyền dữ liệu đầu tiên sử dụng bộ

khuếch đại toàn quang

1993: Thí nghiệm đường truyền WDM đầu tiên

1 Tbps (EDFA băng tần C và L)

2000: Hệ thống Nx40Gbps với tổng dung lượng

đường truyền hơn 5 Tbps (EDFA băng tần C và L +

khuếch đại Raman)

2002-2004: Thế hệ mới của WDM 160x10Gbps với giá thành hạ hơn

2007-2008: Hệ thống Nx40Gbps

Yêu cầu đối với các bộ khuếch đại là độ lợi, sự phẳng của độ lợi đối với các kênh truyền Các biện pháp tối ưu bộ khuếch đại quang dựa vào sự thay đổi các thông số đầu vào cũng đang được thực hiện và được nghiên cứu Hơn nữa sự mở rộng băng tần khuếch đại của các bộ khuếch đại cũng đang được cải thiện dần

Kết luận:

Qua chương này, ta đã thấy được nguyên lý cơ bản tổng quát của các bộ khuếch đại quang cũng như các tiêu chuẩn để đánh giá chúng, hiểu được vì sao khuếch đại quang lại là một mảng đề tài rất quan trọng trong sự phát triển của thông tin quang nói chung Chương này là cơ sở nền tảng để chương tiếp theo – chương 2

đi sâu vào trình bày chi tiết về các bộ khuếch đại quang cụ thể

CHƯƠNG 2 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG

2.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn

2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của các bộ khuếch đại quang bán dẫn

Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) sử dụng nguyên lý của phát xạ kích thích để khuếch đại tín hiệu thông tin quang Hình 2.1.1.1 chỉ ra kết nối của một bộ SOA với sợi truyền dẫn

Hình 2.1.1.1 Bộ khuếch đại bán dẫn

Tín hiệu quang đầu vào mang dữ liệu gốc đi vào vùng tích cực của bán dẫn qua một bộ ghép quang (coupling optics) Cần ghép vì đường kính trường mode (MFD) của tia sợi đơn mode điển hình là 9,3µm, trong khi kích thước của vùng tích cực nhỏ hơn, thậm chí có thể chưa tới 1µm Dòng bơm cung cấp năng lượng ngoài cần thiết để bơm các điện tử lên dải dẫn Tín hiệu quang đầu vào kích thích sự chuyển của điện tử xuống dải hóa trị và phát ra photon cùng mức năng lượng tức là cùng bước sóng với tín hiệu đầu vào Kết quả, đầu ra là tín hiệu quang được khuếch đại

Sự khác nhau giữa bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và laser bán dẫn là SOA có dòng bơm nhỏ hơn dòng ngưỡng của laser, hệ số phản xạ của vùng tích cực nhỏ hơn laser Khi đó, quá trình cộng hưởng và tự phát ánh sáng sẽ không xảy ra

Có hai loại bộ khuếch đại quang bán dẫn cơ bản là bộ khuếch đại Perot (FPA) và bộ khuếch đại sóng chạy (TWA)

Fabry-Trong FPA ánh sáng đi vào vùng tích cực bị phản xạ một số lần ở các mặt (cleaved facet) và được khuếch đại, rời khỏi hốc cộng hưởng như mô tả trong hình 2.2.

Hình 2.1.1.2 Bộ khuếch đại quang bán dẫn Febry-Perot

Trong bộ khuếch đại sóng chạy TWA người ta cố gắng chế tạo hệ số phản xạ R=0, (thực tế không thể bằng 0 tuyệt đối)

Hình 2.1.1.3 Bộ khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy

2.1.2 Độ lợi

2.1.2.1 Độ lợi của bộ khuếch đại Febry - Perot

Nếu chúng ta biểu thị hệ số phản xạ công suất của các mặt là R, độ dài của vùng tích cực là L, vận tốc của ánh sáng trong môi trường tích cực với chiết suất n

là ν =c / n, và hệ số khuếch đại công suất single-pass (đi qua một lần) là Gs, thì độ lợi G của FPA có thể viết dưới dạng:

trong đó ω là tần số góc hiện tại và ω0 là tần số góc trung tâm

Hệ số khuếch đại single-pass (đi qua một lần), G s(ω)được giả sử có sự phụ thuộc tần số dạng Gauss, như trong hình vẽ:

Hình 2.1.2.1.1 Độ lợi là hàm của tần số

Bộ khuếch đại Febry - Perot có đỉnh độ lợi ở các tần số cộng hưởng Những bước sóng cộng hưởng này là λN:

N L

trong đó N là số nguyên và L là chiều dài của vùng tích cực, L bằng với chiều dài

bộ cộng hưởng Các tần số cộng hưởng được tính:

) 2 /(

) 2

trong đó ν =c / n là tốc độ của ánh sáng trong hốc cộng hưởng

Như vậy, ta có thể thấy rõ được sự phụ thuộc của độ lợi bộ khuếch đại Febry – Perot vào tần số, như chỉ ra trong hình 2.1.2.1.1 Nếu chúng ta xét sự phản xạ xảy

ra tại lớp giao diện tự nhiên giữa bán dẫn và không khí, bằng khoảng 0,32 thì chúng

ta sẽ thấy các đỉnh của độ lợi FPA ở các tần số cộng hưởng Hệ số phản xạ càng nhỏ, thì đỉnh độ lợi càng ít rõ rệt, như trong hình 2.1.2.1.1 với R=0,03 Khi đạt tới R=0,

là bộ khuếch đại bán dẫn sóng chạy Đây đơn giản là một đường cong dạng Gauss

Từ những xem xét trên, chúng ta kết luận rằng sử dụng bộ cộng hưởng Fabry-Perot - loại có phản hồi quang, có thể tăng đáng kể độ lợi của một SOA Độ phản xạ càng cao (R), thì độ lợi ở những tần số cộng hưởng càng cao Nhưng tăng

hệ số phản xạ tới mức nào đó có thể làm cho bộ khuếch đại trở thành một laser Thực ra RGs càng gần 1 thì như theo công thức 2.1, GFPA(ω) sẽ càng lớn Khi RGs=1, thì GFPA(ω) đi tới vô cực, đó là tới điểm mà bộ khuếch đại Febry - Perot sinh ra ánh sáng

2.1.2.2 Độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy

Bộ khuếch đại sóng chạy có đặc điểm là môi trường tích cực không có các mặt phản xạ vì vậy tín hiệu đầu vào được khuếch đại bởi single-passage (sự đi qua một lần của ánh sáng) qua vùng tích cực, như chỉ ra trong hình 2.1.1.3 Độ lợi của

bộ khuếch đại sóng chạy cho bởi công thức 2.1, trong đó hệ số phản xạ là 0 Do đó:

Xét độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy Độ lợi single-pass (đi qua một lần)

Gs có thể thể hiện thông qua các tham số của một bộ khuếch đại quang bán dẫn như sau:

Thực ra, khi tạo ra một miếng vật liệu bán dẫn, đã có sẵn các mặt Nhưng các mặt này phản xạ ánh sáng lại vào vùng tích cực Do đó, các biện pháp đặc biệt cần phải thực hiện để giảm sự phản xạ Vấn đề công nghệ này được giải quyết bằng cách phủ lên các mặt một lớp chống phản xạ (AR), làm nghiêng vùng tích cực so với các mặt hoặc dùng vật liệu đệm giữa vùng tích cực và các mặt

Hình 2.1.2.2.1 Bộ khuếch đại sóng chạy (a) Sử dụng lớp chống phản xạ (b) Làm nghiêng vùng tích cực (c) Sử dụng transparent windows

Thực tế, cần hệ số phản xạ R nhỏ khoảng 10-4

2.1.2.3 So sánh độ lợi của bộ khuếch đại Febry – Perot và độ lợi của

bộ khuếch đại sóng chạy

Có thể thấy rằng R=0 có thể không bao giờ đạt được Sự khác biệt giữa các

bộ khuếch đại Fabry-Perrot và bộ khuếch đại sóng chạy là giá trị của hệ số phản xạ Thực ra như trong hình 2.1.2.1.1 chỉ ra, nếu tỉ lệ độ lợi lớn nhất trên nhỏ nhất là lớn thì chúng ta có bộ khuếch đại Febry - Perot, nếu tỉ lệ này nhỏ chúng ta có bộ khuếch đại sóng chạy Độ lợi của bộ khuếch đại Febry - Perot lớn nhất là khi thành phần

sine trong công thức 2.1 là 0, như đưa ra bởi công thức 2.4 Độ lợi của nó nhỏ nhất

là khi thành phần sine trong công thức 2.1 là 1, cho ra:

0 min

1 / 1

2 /

FPA

Hình 2.1.2.1.1 chỉ ra độ lợi lớn nhất và nhỏ nhất của bộ khuếch đại Febry - Perot

Do đó, các tiêu chuẩn để phân biệt bộ khuếch đại Feby - Perot và bộ khuếch đại sóng chạy như sau:

min max

1 / 1

Để thỏa mãn tiêu chuẩn này với độ lợi single-pass (đi qua 1 lần) Gs lớn nhất

là 30dB tức là 1000, chúng ta cần đạt tới R<0,00017 Có thể thấy rất khó khăn thế nào để đạt được hệ số phản xạ nhỏ như vậy, tuy vậy người ta vẫn có thể chế tạo được

2.1.2.4 Bão hòa độ lợi

Theo công thức 2.5 thì dường như để đạt được độ lợi cao trong bộ khuếch đại sóng chạy, chúng ta chỉ cần tạo vùng tích cực đủ dài Công thức 2.5 chưa nói đến sự phụ thuộc của hệ số độ lợi (g) vào tần số (ω) và công suất tín hiệu đang được khuếch đại (P) do đó g=g(ω,P) Trước hết, xét sự phụ thuộc công suất, cho bởi:

g(ω, P)=g(ω)/[1+(P/Psat)] [2.9] trong đó Psat là công suất quang bão hòa

Công thức 2.5 và 2.9 chỉ ra bằng việc tăng độ dài ta có thể tăng công suất của một tín hiệu, nhưng khi công suất này quá cao thì hệ số độ lợi bắt đầu giảm, do đó giảm công suất của tín hiệu được khuếch đại Đó là tại sao hiệu ứng được gọi là bão hòa độ lợi Bản chất vật lý đằng sau hiện tượng này là công suất quang cao đã kích thích tất cả các điện tử từ vùng dẫn vì vậy sự tăng hơn nữa về số lượng của photon

ngoài sẽ không kích thích thêm bất cứ sự chuyển dịch nào của điện tử xuống dải hóa trị; đó là, nó sẽ không sinh ra thêm các photon bị kích thích

Độ lợi (Gs) cho bởi phương trình sau:

Gs=1+(Psat/Pin)ln( max

s

G /Gs) [2.10] trong đó, max

s

G là Gs tại ω=ω0 và Psat là công suất bão hòa Bão hòa độ lợi được

mô tả trong hình 2.1.2.4.1 Các giá trị của công suất đầu ra bão hòa cho SOA từ 10 tới 15mW

Hình 2.1.2.4.1 Bão hòa độ lợi

Công thức 2.5 chỉ có giá trị cho tín hiệu nhỏ, công suất đầu ra khác xa so với Psat Đây là lý do tại sao trong các bảng thông số kĩ thuật ta sẽ thường thấy đặc điểm “độ lợi tín hiệu nhỏ”, có nghĩa là độ lợi được đo với công suất đầu vào nhỏ

Có ba thuật ngữ mang từ “độ lợi” đã được đưa ra ở đây:

+ Độ lợi (dB), cũng gọi là độ lợi tổng G(ω, P) được xác định bởi công thức 2.1 cho

bộ khuếch đại Febry – Perot

+ Độ lợi single-pass (đi qua một lần) Gs(ω, P) cũng là độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy tính theo dB và xác định bởi công thức 2.5

+ Hệ số độ lợi g(ω, P) – có thứ nguyên 1/m - được xác định bởi công thức 2.9, trong đó g(ω) là tham số của vùng tích cực cụ thể

2.1.3 Băng thông của bộ khuếch đại quang bán dẫn

2.1.3.1 Băng thông của bộ khuếch đại Febry - Perot

Băng thông của một bộ khuếch đại, theo định nghĩa, là khoảng tần số ở đó độ lợi giảm một nửa (3dB) giá trị cực đại của nó Để xác định băng tần 3dB của bộ khuếch đại sóng chạy, chúng ta xem lại công thức 2.1 Trong khi (ω-ω0) tăng, thì

độ lợi G giảm Giá trị của (ω-ω0) tại đó G bị giảm bởi hệ số 2 là băng tần của bộ khuếch đại Febry - Perot Nó tương đương với mẫu số của G trong công thức 2.1 gấp đôi lên Do đó, chúng ta nhận được:

BWFPA FPAmax ≈ ( / ) 1 − 2/ [2.13]

Từ đây ta có thể thấy rõ sự cân nhắc giữa băng tần và độ lợi trong bộ khuếch đại Febry – Perot

2.1.3.2 Băng thông của bộ khuếch đại sóng chạy

Hãy xét băng tần 3dB của một TWA Có vẻ như chúng ta có thể xác định băng tần này từ công thức 2.11 bằng cách thay vào R=0, nhưng thực ra không thể Nếu theo công thức 2.11, theo tính chất hàm sine có thể tìm ra điều kiện:

(1 −RG s)/ 2 (RG s)≤ 1

tương đương RG s ≥ 0 , 1715

Nhưng tiêu chuẩn đối với bộ khuếch đại sóng chạy (TWA) là RGs<0,17 Do đó, công thức 2.11 không thể áp dụng để tính băng thông TWA

Tuy nhiên, một cách định lượng, băng thông của bộ khuếch đại sóng chạy có thể mô tả dựa trên công thức 2.13, thay đổi đi để áp dụng vào điều kiện của loại bộ khuếch đại này:

L c G

BWTWA s ≈ ( / ) 1 − 2/ [2.14]

Từ công thức này ta có thể thấy bộ khuếch đại sóng chạy cũng tồn tại sự cân nhắc giữa băng thông và độ lợi như trường hợp đối với bộ khuếch đại Febry - Perot Hơn nữa, với bộ khuếch đại sóng chạy chúng ta muốn hệ số phản xạ R nhỏ hơn nhiều so với ở trường hợp bộ khuếch đại Febry - Perot.; do đó, tích của độ lợi và băng thông đối với TWA lớn hơn so với trong trường hợp FPA Trong thực tế, một

bộ khuếch đại sóng chạy có độ lợi single-band khoảng 30dB và băng thông là gần 40nm

2.1.3.3 So sánh băng thông của bộ khuếch đại Febry - Perot và băng thông của bộ khuếch đại sóng chạy

Hình 2.1.3.3.1 Băng thông của bộ khuếch đại Fabry – Perot và bộ khuếch đại

sóng chạy

Hình 2.1.3.3.1 chỉ ra rõ ràng sự khác nhau giữa tích độ lợi - băng thông của

bộ khuếch đại Febry - Perot và tích độ lợi - băng thông của bộ khuếch đại sóng chạy

Bộ khuếch đại Febry - Perot có độ lợi lớn nhưng băng thông nhỏ, trong khi bộ khuếch đại sóng chạy có băng thông lớn hơn nhưng độ lợi nhỏ hơn (Gs) Ở đây chỉ

một gợn sóng trung tâm của độ lợi của một bộ khuếch đại Fabry - Perot được hiển thị Mỗi loại bộ khuếch đại quang bán dẫn có sự cân nhắc độ lợi – băng thông của riêng nó, như đã nói ở trên Có thể lấy ví dụ thực tế băng thông của một bộ khuếch đại Febry - Perot là 0,0086nm; băng thông của bộ khuếch đại sóng chạy khoảng 40nm

2.1.4 Xuyên âm

Chúng ta thấy rằng đối với sự khuếch đại một kênh đơn (bước sóng đơn) thì

bộ khuếch đại quang bán dẫn cách xa các hệ thống dẫn đầu đang sử dụng Nhưng giả sử chúng ta muốn khuếch đại nhiều kênh (nhiều bước sóng) đồng thời, như làm trong các mạng ghép kênh nhiều bước sóng (WDM) Điều đầu tiên cần quan tâm là trong trường hợp như vậy có xuyên âm Xuyên âm là bất cứ méo dạng nào của kênh gây ra bởi sự có mặt của kênh khác

Có hai loại xuyên âm trong bộ khuếch đại quang bán dẫn: xuyên âm giữa các kênh và bão hòa chéo (cross saturation) Xuyên âm giữa các kênh cơ bản là hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) Khi hai bước sóng (hai kênh) đi vào một SOA, nhiễu phi tuyến của chúng sinh ra các tín hiệu mới ở các tần số phách (sự kết hợp của các tổng và các hiệu) Bản chất vật lý của sự sinh ra các tín hiệu mới này là sự điều biến của các điện tử được kích thích ở các tần số phách Nhưng những tín hiệu mới này làm suy yếu dải dẫn (conduction band); đó là, chúng “đánh cắp” một phần

độ lợi của tín hiệu ban đầu Do đó, khuếch đại tín hiệu đầu vào ban đầu trở nên ít hơn và những tín hiệu mới không mong muốn xuất hiện Giải thích này được mô tả trong hình 2.1.4.1

Hình 2.1.4.1 Xuyên âm giữa các kênh

(a) Khuếch đại tín hiệu không có xuyên âm (b) Xuyên âm giữa các kênh (interchannel crosstalk)

Bão hòa chéo xảy ra khi một bộ khuếch đại bán dẫn làm việc ở trạng thái bão hòa; đó là công suất của các tín hiệu đầu vào ở trên giá trị bão hòa Khi một kênh thay đổi từ ON tới OFF, độ lợi thay đổi theo chiều ngược lại Sự thay đổi độ lợi này dẫn tới sự thay đổi trong sự khuếch đại của tín hiệu khác vì tất cả các tín hiệu có cùng chung độ lợi sinh ra bởi một môi trường truyền dẫn Hình 2.1.4.2 mô tả điểm này

Hình 2.1.4.2 Xuyên âm bão hòa chéo (cross saturation)

Xét tốc độ thay đổi độ lợi Thời gian sống của hạt mang, hoặc thời gian phát

xạ tự phát (τsp) trong bán dẫn là khoảng 1ns Nếu tốc độ bit nhỏ hơn 1Gbit/s sẽ gây

ra xuyên âm nghiêm trọng Ngược lại, thời gian sống (lifetime) trong một bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium khoảng 10ms, có nghĩa là bất cứ tốc độ bit nào trên 100kHz cũng không gây ra xuyên âm Đây là lý do tại sao xuyên âm không phải là yếu tố quan trọng trong bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium Như vậy một môi trường tích cực không phản ứng lại thay đổi biên độ của tín hiệu đầu vào khi tần số của tín hiệu này lớn hơn 1/τsp

Để giảm xuyên âm, chúng ta cần tăng công suất bão hòa và giảm thời gian sống Cả 2 mục tiêu đều đạt được có thể đạt được phần nào bởi sự phát triển của TWA với cấu trúc multiple – quantum – well (MQW - giếng lượng tử) strained – laser Trên thực tế, công suất bão hòa khoảng 16dB (40mW) và thời gian tồn tại khoảng 0,2 ns đã đạt được trong những năm trước

2.1.5 Độ lợi phụ thuộc phân cực

Độ lợi của khuếch đại quang bán dẫn phụ thuộc vào trạng thái của phân cực của tín hiệu đầu vào Nói cách khác, khuếch đại các mode điện ngang (TE) và từ ngang (TM) là khác nhau như được chỉ ra trong hình 2.1.5.1

Hình 2.1.5.1 Độ lợi phụ thuộc phân cực

Bản chất vật lý của sự phụ thuộc của độ lợi SOA vào phân cực bao gồm cấu trúc hình chữ nhật và cấu trúc tinh thể của vùng tích cực 2 đặc điểm này khiến độ lợi (g) và hệ số tập trung Γ (confinement) phụ thuộc vào phân cực Sự khác biệt giữa độ lợi giữa hai phân cực trực giao có thể tới 5 đến 7dB

Vấn đề với độ lợi phụ thuộc phân cực bắt nguồn từ thực tế là hầu hết tất cả sợi được triển khai là sợi được giữ cho không phân cực Điều này có nghĩa là trạng thái phân cực của một tín hiệu truyền dẫn quang không thể duy trì được; trạng thái của nó là không dự đoán được Nếu chúng ta nói rằng, một tín hiệu đi vào ở mode

TE và lúc sau tín hiệu đi vào ở mode TM; độ lợi của SOA này sẽ thay đổi từ 5 đến 7

dB đơn giản do phân cực tín hiệu, và như vậy là tín hiệu sẽ được khuếch đại 1000 lần (30dB) hoặc 316 lần (25 dB)

Có một vài cách để giảm sự phụ thuộc vào phân cực trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn Cách thứ nhất là tạo vùng tích cực càng thẳng góc (square) càng tốt

về thiết diện Cách thứ hai là nối hai bộ khuếch đại quang bán dẫn nối tiếp hoặc song song để bù độ lợi không bằng nhau của phân cực trực giao (xem hình 2.1.5.2

và 2.1.5.3) Hai lần đi qua (double pass) cùng vùng tích cực cũng bù độ lợi không bằng nhau vì bộ quay Faraday quay phân cực của tia bị phản xạ ngược góc 900 so với tia ban đầu (hình 2.1.5.4)

Hình 2.1.5.2 Giảm sự phụ thuộc độ lợi vào phân cực bằng cách nối tiếp hai bộ

khuếch đại quang bán dẫn

Hình 2.1.5.3 Giảm sự phụ thuộc độ lợi vào phân cực bằng cách nối song song

hai bộ khuếch đại quang bán dẫn

Hình 2.1.5.4 Giảm sự phụ thuộc độ lợi vào phân cực bằng cách cho ánh sáng đi

qua hai lần

Kết quả của những cách này là độ lợi phụ thuộc phân cực hoặc chính xác hơn,

sự thay đổi độ lợi phụ thuộc vào phân cực của ánh sáng đầu vào bị giảm xuống còn 0,5dB trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn thương mại

2.1.6 Nhiễu

Hiện tượng nhiễu trong một bộ khuếch đại quang bán dẫn nói chung xảy ra rất nhiều Chúng ta biết rằng một bộ khuếch đại quang khuếch đại nhiễu tín hiệu đi theo bản thân tín hiệu, nhưng thực ra nó còn gây ra nhiễu nhiều hơn thế Một bộ khuếch đại quang sinh ra tạp âm của chính nó Do đó, một bộ khuếch đại thay đổi tỉ

số SNR của cả tín hiệu đầu vào và đầu ra Tạp âm bộ khuếch đại quang được định lượng thông qua là hệ số tạp âm (NF), định nghĩa là:

trong đó, (SNR)in là đầu vào và (SNR)out là đầu ra của tỉ lệ SNR này Cái chúng ta muốn biết là sự thay đổi tỉ số SNR gây ra bởi một bộ khuếch đại Công thức 2.15 phản ánh chính xác sự hoạt động của một bộ khuếch đại có xét đến nhiễu Điều không rõ ràng từ công thức này là bộ khuếch đại quang có thay đổi tỉ số SNR hay không vì nó khuếch đại cả tín hiệu đầu vào và nhiễu (mặc dù chúng ta không biết theo tỉ lệ nào) cộng với cả tạp âm của bản thân nó

Khái niệm hệ số tạp âm được mô tả kỹ hơn trong hình 2.1.6.1, với sự sắp xếp các phép đo Hình 2.1.6.1 (a) đo với một đoạn sợi bình thường cho tỉ lệ (SNR)in không có bộ khuếch đại quang Hình 2.1.6.1 (b) đo với bộ khuếch đại quang được

đặt trong tuyến cho (SNR)out Sự sử dụng cùng một kết nối giống nhau trong cả 2 phép đo giúp loại trừ sự sai lệch

Một bộ khuếch đại quang thực sự làm giảm tỉ lệ SNR Tuy nhiên, một bộ khuếch đại quang cũng tăng công suất tín hiệu tới mức có thể chịu được sự giảm SNR này

2.1.6.1 Phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE)

Tạp âm sinh ra bởi vùng tích cực của một bộ khuếch đại quang được gây ra chủ yếu bởi phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) Bản chất vật lý của hiện tượng này như sau: Đa số các hạt mang được kích thích bị tác động bởi phát xạ kích thích làm cho rơi xuống mức thấp hơn, mặc dù một vài trong số các hạt mang này cũng làm như vậy một cách tự phát Trạng thái năng lượng cao không phải là trạng thái bền vững và sau một khoảng thời gian nhất định chúng chuyển xuống trạng thái

năng lượng thấp hơn, những hạt mang này phát xạ các photon một cách tự phát Các photon được phát ra tự phát có cùng khoảng tần số với tín hiệu thông tin, nhưng chúng ngẫu nhiên về pha và chiều Các photon phát xạ tự phát theo cùng chiều với tín hiệu thông tin được khuếch đại bởi vùng tích cực Những photon phát xạ tự phát

và được khuếch đại này tạo thành phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) Vì chúng ngẫu nhiên về pha, chúng không tạo thành tín hiệu thông tin nhưng sinh ra tạp âm trong băng thông của tín hiệu

Phát xạ được gọi là tự phát nếu nó xảy ra không có sự kích thích bên ngoài

Dễ dàng để hiểu rằng phát xạ tự phát phụ thuộc vào phân bố mật độ tương đối của các lớp năng lượng trên và dưới (Trong bán dẫn, mức cao là dải dẫn còn mức thấp hơn là dải hóa trị) Hệ số phát xạ tự phát hay hệ số nghịch đảo mật độ (population-inversion) (nsp) có thể định nghĩa:

) /( 2 1

Hệ số phát xạ tự phát càng cao, thì công suất của phát xạ tự phát được khuếch đại sinh ra càng lớn bởi bộ khuếch đại quang

Phát xạ tự phát trong bộ khuếch đại quang xảy ra trong cùng dải bước sóng (tần số) mà trong đó khuếch đại tín hiệu xảy ra Đây là lý do tại sao phát xạ tự phát

là cơ chế chính thêm tạp âm vào một tín hiệu được khuếch đại

Công suất tổng trung bình của phát xạ tự phát được khuếch đại PASE bằng:

W2

trong đó hf là năng lượng photon, G là độ lợi bộ khuếch đại, và BW là băng thông quang của bộ khuếch đại Công thức này thể hiện rõ ràng ý tưởng phát xạ tự phát càng lớn, định lượng bởi nsp, thì phát xạ tự phát được khuếch đại ASE cũng càng lớn

PASE ở đây là tổng lượng công suất tạp âm phân bố dọc theo toàn bộ băng thông độ lợi Do đó, trong phổ của tín hiệu thông tin riêng lẻ, PASE sẽ nhỏ hơn nhiều

Phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) là một đặc điểm bất lợi, vì vậy để đạt được một hệ số tạp âm thấp, các nhà sản xuất đã bao gồm trong cấu trúc bộ khuếch đại quang một thiết bị triệt ASE đặc biệt

2.1.6.2 Nhiễu quang và nhiễu điện

Xét sự khác nhau giữa nhiễu quang (optical noise) và nhiễu điện (electrical noise) của một bộ khuếch đại quang Nhiễu quang là nhiễu được đo trong trường quang bởi các thiết bị đo lường quang như là đồng hồ đo công suất quang và máy phân tích quang phổ Một lược đồ cho đo lường như vậy được chỉ ra trong hình 2.1.6.2(a) Nhiễu điện là một đặc điểm của một bộ khuếch đại quang đo ở điểm phía bên kia bộ tách quang, đó là, sau khi chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, như chỉ ra trong hình 2.1.6.2(b)

Hình 2.1.6.2 Đo nhiễu quang và nhiễu điện

(a) Đo nhiễu quang (b) Đo nhiễu điện

Tầm quan trọng của việc phân biệt giữa nhiễu quang và nhiễu điện là do bản chất của bộ tách quang: Nó chuyển công suất ánh sáng (cường độ) thành dòng điện

Có một điểm mấu chốt cần quan tâm là nhiễu giữa 2 tín hiệu ánh sáng (tín hiệu thông tin và phát xạ tự phát khuếch đại ASE) gây ra sự thay đổi cường độ của ánh

sáng được tách Sự thay đổi ánh sáng này xuất hiện làm cho đổi dòng quang điện thay đổi, cho một tỉ lệ SNR nào đó

2.1.7 Ưu điểm và hạn chế của bộ khuếch đại quang bán dẫn

Ưu điểm chính của khả năng của chúng là hoạt động ở các bước sóng 1300

nm và 1550 nm, thậm chí đồng thời Độ lợi của bộ khuếch đại quang bán dẫn khoảng từ 25dB-30dB Ưu điểm khác là một băng thông rộng (lên tới 100nm đã làm được) Một bộ khuếch đại quang bán dẫn có thể tích hợp sẵn với các thiết bị quang

và bán dẫn khác, thành một khối gọi là mạch tích hợp quang điện (OEIC – electronic integrated circuit)

opto-Tuy nhiên, một số các hạn chế nghiêm trọng đã ngăn không cho bộ khuếch đại quang bán dẫn trở thành thiết bị chính trong lĩnh vực các bộ khuếch đại quang Mức xuyên kênh khá cao là một trong những nhược điểm của nó Nhạy cảm với phân cực cũng là hạn chế đáng kể khác Công suất ra bão hòa chỉ khoảng 5mW Vì loại bộ khuếch đại quang bán dẫn thật sự làm việc là bộ khuếch đại sóng chạy, tồn tại yêu cầu sinh ra một môi trường tích cực với sự phản xạ nhỏ cỡ 10-4 Đây là vấn

đề công nghệ cản trở các bộ khuếch đại loại này và làm cho giá của chúng cao Hơn nữa, bộ khuếch đại quang bán dẫn giống như bất cứ thiết bị bán dẫn nào đều nhạy với nhiệt độ

2.1.8 Ứng dụng của bộ khuếch đại quang bán dẫn

Các bộ khuếch đại quang bán dẫn có một số ứng dụng trong các mạng thông tin sợi quang Trước đây, chúng được sử dụng làm các bộ khuếch đại truyền dẫn trong cửa sổ 1300 nm Vì tất cả truyền dẫn cáp TV được thực hiện ở bước sóng 1300nm, bộ khuếch đại quang bán dẫn cũng có được ứng dụng trong các mạng truyền hình cáp CATV Do hạn chế so với bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium (EDFA) nên bộ khuếch đại quang bán dẫn không được sử dụng trong hệ thống WDM hiện nay Tuy nhiên bộ khuếch đại quang bán dẫn được dùng trong các chuyển mạch, các bộ lọc, các bộ điều biến, các bộ chuyển đổi bước sóng và các thiết bị tapping

2.2 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium

2.2.1 Nguyên tắc hoạt động của các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium

Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium thường được dùng trong các hệ thống thông tin sợi quang WDM hiện nay Hình 2.2.1.1(a) và (b) mô tả 2 đặc điểm đặc biệt của một bộ khuếch đại quang Trong đó một đoạn quang hoạt động như một môi trường tích cực được pha tạp nhiều (nặng) các ion erbium (Er) Năng lượng ngoài được bơm là năng lượng quang, không phải là điện như bộ khuếch đại quang bán dẫn

Hình 2.2.1.1 Các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium

(a) Bơm cùng chiều (b) Bơm ngược chiều

Bơm được thực hiện với một diode laser phát ra ánh sáng mạnh ở bước sóng khác với bước sóng của tín hiệu thông tin Tín hiệu được truyền trong vùng lân cận của 1550nm nhưng laser bơm phát ra ở 980nm hoặc 1480nm hoặc cả hai Tia thông tin quang và tia bơm được đưa vào trong cùng một sợi quang bởi một bộ ghép Hai tia này truyền cùng nhau trong vùng bị pha tạp của sợi, trong đó tín hiệu thông tin được khuếch đại trong khi tín hiệu bơm mất đi công suất của nó

Một tín hiệu bơm có thể truyền cùng chiều với tín hiệu thông tin, như trong hình 2.2.1.1 (a), hoặc nó có thể truyền theo hướng ngược lại, như trong hình 2.2.1.1 (b) Bơm truyền cùng hướng có đặc điểm là nhiễu thấp và công suất ra thấp, trong khi bơm ngược chiều cho công suất ra cao hơn nhưng nhiễu cũng lớn hơn Trong các bộ khuếch đại trên thị trường, ta thường thấy bơm hai chiều đồng thời cùng hướng và ngược hướng

Một bộ tách bỏ đi ánh sáng bơm thừa khỏi sợi truyền dẫn Bộ cách ly (isolator) ngăn không cho ánh sáng phản xạ ngược xâm nhập vào sợi bộ khuếch đại, nếu không ánh sáng này cũng sẽ được khuếch đại, có thể biến bộ khuếch đại thành một laser và tăng mức nhiễu Thành phần nữa là một bộ lọc có nhiệm vụ tách bất cứ phần công suất ánh sáng dư thừa nào khỏi tín hiệu thông tin

Khuếch đại trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium xảy ra qua cơ chế của phát xạ kích thích Năng lượng từ tín hiệu bơm kích thích các ion erbium lên dải năng lượng cao Tín hiệu thông tin kích thích sự chuyển các ion bị kích thích về dải năng lượng thấp hơn Những sự chuyển đổi này dẫn tới sự phát xạ các photon cùng năng lượng – đó là, cùng bước sóng – mà tín hiệu đầu vào có Vì một bộ khuếch đại pha tạp erbium có băng thông độ lợi khá rộng, nó có thể khuếch đại nhiều bước sóng (nhiều kênh) đồng thời Các tín hiệu được khuếch đại (các kênh cách nhau về bước sóng) và nhiễu của một EDFA được chỉ ra trong hình 2.2.1.2

Hình 2.2.1.2 Các kênh WDM được khuếch đại

Bộ khuếch đại sợi thường là một thiết bị một chiều, như trong hình 2.2.1.3 Tuy nhiên, một bộ khuếch đại sinh ra tạp âm của chính nó (thêm vào với khuếch đại

nhiễu đến cùng tín hiệu) và nhiễu này truyền theo cả 2 hướng trong sợi Đây là nguyên nhân khiến người ta phải dùng bộ cách ly quang (isolator) ở cổng vào của

bộ khuếch đại quang sợi

Hình 2.2.1.3 Tín hiệu và nhiễu trong bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium

2.2.2 Biểu đồ mức năng lượng

Vì hoạt động của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dựa trên cơ chế phát xạ kích thích, nên trước hết chúng ta xét biểu đồ mức năng lượng của một môi trường tích cực Các ion erbium tự do ở rời rạc ở các mức năng lượng Khi các ion erbium kết hợp vào trong một sợi silica, mỗi mức năng lượng của nó chia thành một số mức gần nhau do đó chúng ta có thể xem chúng là một dải năng lượng

Trong một EDFA, phân các mức năng lượng thành các dải năng lượng là có lợi Đầu tiên và trước nhất, nó cho bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium khả năng khuếch đại không chỉ một bước sóng đơn mà là một tập các bước sóng Thứ hai, nó loại trừ nhu cầu tinh chỉnh (fine-tune) một bước sóng bơm

Hình 2.2.2.1 Các dải năng lượng của ion erbium trong sợi silica

Các mức (dải) năng lượng quan trọng nhất của ion erbium kết hợp vào một sợi silica được chỉ ra trong hình 2.2.2.1 Sự chuyển đổi giữa mức (2) (dải trung gian)

và mức (1) (dải thấp hơn) xảy ra ở một tập các bước sóng xung quanh 1550 nm, trong đó sợi silica cho mức suy hao tối thiểu Sự trùng hợp ngẫu nhiên này khiến bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium được sử dụng rộng rãi Trong hình 2.2.2.1, ta thấy độ rộng của các dải năng lượng xác định khả năng của EDFA khuếch đại khoảng bước sóng từ 1500nm tới hơn 1600 nm

2.2.3 Bơm

Mục đích của chúng ta là đạt được sự nghịch đảo mật độ có nghĩa là có nhiều ion erbium ở mức trung gian (2) hơn ở mức thấp (1) Để đạt được nghịch đảo mật

độ, chúng ta cần bơm các ion erbium lên mức trung gian Có hai phương pháp bơm

là bơm trực tiếp ở bước sóng 1480nm hoặc gián tiếp ở bước sóng 980nm

Có thể bơm tại các bước sóng 650nm và 800nm nhưng lúc này ion erbium sẽ phải trải qua nhiều giai đoạn để về tới vùng nền, năng lượng bơm bị hao phí do tạo

ra các phonon Vì vậy, bơm chỉ được thực hiện ở 980nm và 1480nm

Với bơm gián tiếp (bơm 980 nm), các ion erbium liên tục chuyển từ trạng thái thấp lên trạng thái cao (3), ở đó chúng phân rã không phát xạ tới mức năng lượng trung gian (2), tiếp đó chúng rơi xuống mức thấp (1), phát ra bước sóng mong muốn (1500 tới 1600 nm) Đây gọi là cơ chế ba mức Vấn đề cốt lõi để sử dụng cơ chế ba mức này là thời gian sống ở hai lớp trên Thời gian sống hay thời gian phát

xạ tự phát (τsp) là thời gian trung bình nguyên tử ở một mức nào đó trước khi chúng

tự chuyển xuống mức năng lượng tiếp theo Thời gian sống của các ion erbium ở mức cao (3) chỉ khoảng 1µs, trong khi thời gian sống của các ion erbium ở mức trung gian (2) là hơn 10ms Vì thời gian sống này khá dài nên gọi là mức trung gian (2) là mức giả bền Do đó, các ion erbium ở lớp trên sẽ xuống lớp trung gian rất nhanh và sẽ ở mức đó trong một thời gian tương đối dài Nói cách khác, các ion erbium sẽ tích lại ở mức trung gian tạo nên sự nghịch đảo mật độ

Khi bơm được thực hiện trực tiếp (ở 1480 nm), chỉ có hai mức năng lượng Các ion erbium liên tục được đưa từ mức thấp bởi năng lượng quang ngoài ở 1480