KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGUYỄN THU HƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGUYỄN THU HƯƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG

HẢI PHÒNG - 2016

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGUYỄN THU HƯƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG; MÃ SỐ:

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Thanh Vân

HẢI PHÒNG - 2015

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến toàn thể các Qúy thầy cô của Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, đồng kính gửi Qúy thầy cô khoa Điện – Điện Tử đã giúp đỡ, truyền đạt kho tàng kiến thức mới mẻ cho em trong suốt hơn 4 năm học tập, rèn luyện tại trường

Lời cảm ơn đặc biệt hơn nữa em muốn gửi đến cô giáo Nguyễn Thanh Vân, người trực tiếp hướng dẫn em một cách rất nhiệu tình và chu đáo trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án tốt nghiệp Trong thời gian được sự hướng dẫn của thầy, em

đã học tập và bổ sung được thêm khá nhiều kiến thức mới mẻ và những kinh

nghiệm thực tế cho bản thân

Với vốn kiền thức còn non nớt, hạn hẹp và thiếu những kinh nghiệm thực tế nên nội dung đề tài của em khó tránh khỏi những lỗi sai sót Em rất mong nhận được sự góp ý của Qúy thầy cô cho đề tài đồ án của em Những lời góp ý và phê bình quý giá của thầu cố sẽ là những lời nhắc nhở, chỉ dẫn và là hành trang vô cùng quý báu giúp em hoàn thiện kiến thức của bản thân tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

LỜI CAM ĐOAN

Trong nội dung đề tài của em, em xin cam đoan rằng đây là nội dung có số liệu và

kết quả là hoàn toàn trung thực

Các tài liệu tham khảo có nguồn gốc rõ ràng, theo đúng nguyên tắc và yêu cầu nhà trường và tổ bộ môn cho phép

Nội dung cũng như hình thức trình bày hoàn toàn là do thiết kế của bản thân và sự hướng dẫn trực tiếp, cụ thể của giáo viên hướng dẫn

Em xin cam đoan, mọi sao chép hay vấn đề vi phạm quy tắc là hoàn toàn không có,

em xin chịu trách nhiêm hoàn toàn với những lời cam đoan trên

Hải phòng, tháng 05 năm 2016

Sinh viên Nguyễn Thu Hương

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương I : HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA 2

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thông tin quang 2

1.2Hệ thống thông tin quang EDFA 3

1.2.1Cấu trúc của EDFA 4

1.2.2Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang EDFA 6

1.3Khuếch đại quang sợi EDFA 6

1.3.1Công suất và bước sóng bơm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium 6 1.3.2Khuếch đại trong bộ khuếch đại pha tạp Erbium 8

1.3.3Phổ khuếch đại của EDFA 12

1.3.4Nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium 13

1.4Ứng dụng của EDFA trong thông tin quang 13

Chương II : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 15

2.1 Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang 15

2.1.1 Tìm hiểu chung 15

2.1.2 Tán sắc vật liệu 17

2.1.3 Tán sắc dẫn sóng 18

2.1.4 Kết luận 18

2.2 Các kỹ thuật bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang 20

2.2.1 Kỹ thuật bù sau 20

2.2.2 Kỹ thuật bù trước 22

Chương III : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN

QUANG SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG 35

3.1Sự cần thiết của việc quản lý tán sắc 35

3.2Bộ lọc quang 36

3.3Bù tán sắc bằng bộ lọc cân bằng quang 37

3.3.1Giao thoa kế Mach-Zehnder 39

3.3.2Giao thoa thiết kế Fabry-Perot 40

3.4Kết luận 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Số hình Tên hình Trang Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á 3 Hình 1.2 Cấu trúc của EDFA 4 Hình 1.3 Sự phụ thuộc độ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm

EDFA

7

Hình 1.4 Hiệu suất biến đổi công suất như một hàm của độ dài EDF

với hai loại cấu hình bơm

Hình 3.3 Cấu trúc bộ lọc quang giao thoa một chiều băng hẹp 36 Hình 3.4 Sơ đồ minh họa bù tán sắc cho tuyến thông tin quang bằng

cách sử dụng bộ lọc quang dặt sau mỗi bộ khuếch đại

38

Hình 3.5 Minh họa một mạch sóng ánh sáng phảng sử dụng chuối

giao thoa Mach-Zehnder

39

Hình 3.6 Trải rộng thiết bị của mạch sóng quang plana để bù tán sắc 39

LỜI MỞ ĐẦU Những năm gần đây, một trong số những lĩnh vực được xem là phát triển nhất của Việt Nam hiên nay phải nhắc đến là viễn thông

Trước tình hình thực tế, để xây dựng một hệ thống thông tin quang tốc độ cao và cự

ly truyền xa thì vấn đề về bù tán sắc đặt ra rất quan trọng Khi hệ thống quang hoạt động tại bước sóng vùng 1550 nm hoặc sử dụng khuếch đại EDFA trên sợi quang đơn mode tiêu chuẩn G.652, giá trị tán sắc lớn làm dãn xung quá mức, làm suy giảm trầm trọng chất lượng của tín hiệu đồng thời hạn chế tốc độ bit và cự ly truyền dẫn

Dựa trên những cơ sở lý thuyết và thực tiễn trên mà em xin được trình bày một đề tài có tên là KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN

QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG có nội dung gồm ba chương như sau :

Chương I :HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA Chương II :KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Chương III : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG

Nội dung các chương sẽ được trình bày cụ thể dựa trên sự tìm hiểu thực tiễn và lý thuyết

Dưới sự hướng dẫn nhiệt tình và tỉ mỉ của cô Nguyễn Thanh Vân và các thầy cô trong tổ bộ môn giúp em phát triển đề tài này, tuy nhiên do giới hạn kiến thức còn hạn hẹp, nên nội dung của đề tài khó tránh khỏi nhưng sai sót và hạn chế, nên em rất mong các thầy cô cho em những ý kiến và nhận xét để em tự hoàn thành đề tài này tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Chương I :HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thông tin quang

Thông tin quang là kỹ thuật truyền thông tin bằng ánh sáng và từ xa xưa con người đã sử dụng phương thức này để báo tin cho nhau ở khoảng cách xa

Từ ở thế hệ thứ tư của các hệ thống sợi quang sử dụng khuếch đại quang để tăng khoảng cách giữa các bộ lặp và ghép kênh theo bước sóng ( WDM ) để nhằm mục đích tăng dung lượng truyền dẫn Sự ra đời kỹ thuật WDM đã tạo ra một cuộc cách mạng về dung lượng truyền dẫn và cho phép các hệ thống sợi quang hoạt động tại tốc độ 10 Tb/s vào năm 2001 Trong hầu hết các hệ thống WDM, các tổn hao của sợi quang được bù tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium ( EDFA ) cách nhau cỡ 60-80 km Các khuếch đại quang như vậy đã được phát triển sau năm 1985 và được cung cấp thương mại năm 1990 Nhờ việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi mà các hệ thống truyền dẫn cáp biển toàn quang giữa các lục địa trở nên khả thi.Từ sau năm 1996 nhiều hệ thống truyền dẫn quang biển khoảng cách hơn chục ngàn km tại tốc độ Gb/s đã được triển khai rộng dãi trên toàn thế giới

Hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ năm được quan tâm bởi sự mở rộng dải bước sóng mà một hệ thống WDM có thể hoạt động đồng thời Cửa sổ bước sóng quen thuộc được gọi là băng tần C bao trùm dải bước sóng 1,53 – 1,57 µm

Nó sẽ được mở rộng ở cả hai phía bước sóng ngắn và bước sóng dài để hình thành các băng tần S và L tương ứng Kỹ thuật khuếch đại Raman có thể khuếch đại tín hiệu ở cả 3 băng tần bước sóng mà các bộ khuếch đại EDFA không thực hiện được Thêm nữa, một loại sợi quang mới được gọi là sợi khô đã được phát triển để suy hao của sợi là nhỏ trên toàn bộ vùng bước sóng trải rộng từ 1,3 đến 1,65 µm Việc

sử dụng các sợi quang như vậy và các chế độ khuếch đại mới có thể cho phép các

hệ thống sợi quang hoạt động với hàng ngàn kênh WDM

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á

Hệ thống thông tin quang đã trải qua hơn 30 năm phát triển với nhiều kỹ thuật công nghệ đã đạt được nhiều thành tựu Thông tin quang sợi hiện nay đã trở thành công nghệ để xây dựng cơ sở hạ tầng truyền tải cho hầu hết các cấp mạng thông tin từ mạng đường trục quốc tế cho đến các mạng truy nhập

1.2 Hệ thống thông tin quang EDFA

Trong các loại khuếch đại quang thì các bộ khuếch đại sợi pha tạp khuếch đại sợi pha tạp cebium EDFA ( Erbium Doped Fiber Amplifiber ) có sức hấp dẫn nhất, đơn giản chỉ là chúng hoạt động ở gần bước sóng 1.55𝜇𝑚, vùng bước sóng mà ở đó suy hao sợi dường như là nhỏ nhất Sự phát triển của chúng đã cách mạng hóa quá trình thiết kế các hệ thống thông tin sợi quang

Khuếch đại quang sợi erbium EDFA là kết quả của sự phát minh nổi tiếng trong lĩnh vực khuếch đại quang sợi Sử dụng các bộ EDFA để cải thiện độ nhạy thu quang như PA đã trở thành rất hấp dẫn vì chúng cho độ khuếch đại cao, nhiễu khá

thấp, phổ khuếch đại thẳng trên một dải rộng trong khi vẫn duy trì được tính không phụ thuộc phân cực, độc lập với dạng tín hiệu, và có suy hao ghép nối với sợi thông thường rất thấp

1.2.1Cấu trúc của EDFA

EDFA là một loại khuếch đại quang sợi OFA ( Optical Fiber Amplifier ) Vì thế nó được xem như là một hộp đen có ít nhất hai cửa quang và phần nối điện để cấp nguồn.Các cửa quang thường được phân biệt thành cửa đầu vào và cửa đầu ra và có thể bao gồm các sợi không được kết nối hoặc cuối kết bằng các bộ nối quang

Tín hiệu quang đi qua phải được khuếch đại sau khi truyền qua EDFA Vì vậy cấu trúc và các thành phần cơ bản của EDFA được mô tả như hình sau :

Hình 1.2 : Cấu trúc của EDFA

Các thành phần chính cấu tạo nên EDFA gồm có sợi được pha tạp Erbirum EDF thường có độ dài bằng hoặc hơn 10m, laser bơm LD, bộ ghép bước sóng quang WDM và bộ cách ly quang Từ các thánh phần cấu trúc thiết bị như vậy người ta đã tạo ra nhiều loại EDFA với công nghệ và thể thức không giống nhau

Để thu được độ khuếch đại , thì phải cung cấp năng lượng quang cho bộ khuếch đại quang được gọi là năng lượng bơm Công suất quang từ nguồn bơm này thường có bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm, công suất bơm tiêu biểu là từ 10 mW đến 100

mW Các diode laser LD dùng làm nguồn bơm thường được cấu tạo phù hợp với

cấu hình và bước sóng bơm Khi mà hệ thống được bơm ở bước sóng 980 nm thì loại LD bơm thường là loại có vùng tích cực với cấu trúc giống lượng tử luyện InGaAs là lớp rất mỏng được đặt xen vào giữa các lớp vỏ có các tham số tinh thể khác nhau Nếu hệ thống được bơm ở bước sóng 1480 nm thì LD bơm thuộc loại laser Fabry-Perot dị thể chôn có cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/InP Bộ ghép bước sóng WDM sẽ thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào sợi pha tạp Erbium, hoặc trong một số trường hợp nó lại tách các tín hiệu này

Các bộ cách ly có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ này phải đạt tới mức chấp nhận được Vì thế, các bộ cách ly có thể làm tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu

Sợi pha tạp Erbium EDF là thành phần quan trọng nhất của EDFA, và loại sợi này được gọi là sợi tích cực Các ion Erbium được nằm ở vùng trung tâm lõi của EDF, vùng này được pha tạp với nồng độ từ 100 – 2000 ppm Erbium Các sợi EDF

thường có lõi nhỏ hơn và có khẩu độ số NA ( độ mở số ) cao hơn so với các sợi đơn mode tiêu chuẩn Đường kính của vùng tâm lõi EDF vào khoảng ~ 5𝜇𝑚, và là nơi cường độ của ánh sáng bơm và tín hiệu là cao nhất

Lớp vỏ thủy tinh với chỉ số chiết suất thấp hơn được bao quanh vùng lõi để hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng và cho ra lực cơ khỏe hơn để bảo vệ sợi EDF khỏi bị tác động từ bên ngoài Đường kính ngoài của lớp vỏ này khoảng ~125𝜇𝑚

Ngoài cùng là lớp vỏ bọc thêm ngoài để bảo vệ sợi, nó có chức năng ngăn cản tác động từ bên ngoài sợi, và đường tổng cộng của nó vào khoảng 250𝜇𝑚 Chỉ số chiết suất của vỏ bọc ngoài cao hơn lớp vỏ phản xạ cũng nhằm để loại bỏ ánh sáng

không mong muốn ( các mode bậc cao hơn ) lan truyền bên trong vỏ phản xạ ngoài

sự khác biệt là có sự pha tạp Erbium trong vùng lõi, cấu trúc của EDF giống với cấu trúc của sợi đơn mode tiêu chuẩn hoặc tán sắc dịch chuyển tương ứng với các khuyến nghị Rec G.652 hoặc G.653 của ITU- T, đang sử dụng trên các hệ thống truyền dẫn quang

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang EDFA

Qúa trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể phân cấp thành bức xạ kích thích và bức xạ tự phát Khi các Er3+ được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ ở các mức năng lượng cao hơn cho tới khi nó tiến tới trạng thái siêu bền Tín hiệu quang đến đầu vào sợi EDF sẽ đến gặp với các ion Erbium đã được kích thích và phân bố dọc theo lõi sợi Qúa trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng quang như là tín hiệu tới, và chính vì thế mà ta thu được cường độ tín hiệu tại đầu ra EDF lớn hơn đầu vào Như vậy đã đạt được quá trình khuếch đại trong EDFA

Các ion đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát

SE ( Spontancous Emission ) có pha và hướng ngẫu nhiên Thông thường thì có ít hơn 1% SE được giữ lại trong mode sợi quang, và nó trở thành một nguồn nhiều quang Nhiều này sẽ được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE ( Amplified Spontaneous Emission ) Ở trạng thái đất (nền), khi có sự hấp thụ photon bơm hoạt động trở lại, quá trình này sẽ tự lập lại.ASE sẽ làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu qua bộ khuếch đại quang.Để giảm tối thiểu sự suy

giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, cần phải thiết kế cẩn thận các bộ khuếch đại quang 1.3 Khuếch đại quang sợi EDFA

Các đặc tính chung của các thiết bị khuếch đại quang sợi và hệ thống phụ đã được giới thiệu trong khuyến nghị G.662 ITU-T Trong khuyến nghị này, nhiều tham số được liệt kê mà chưa đưa ra những phân tích về bản chất của từng đặc tính.Tuy nhiên, có thể tham khảo một vài đặc tính được xác định dựa trên một số sản phẩm EDFA thương mại

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

Erbium

Trong quá trình hoạt động của thiết bị EDFA, có một vài vùng bước sóng bơm cho phép kích thích các ion Erbium.Đặc tính khuếch đại của sợi Erbium EDF được

bơm ở mỗi vùng bơm được so sánh dưới dạng hệ số khuếch đại, tỷ lệ phần tiết diện bức xạ kích thích bơm và tiết diện hấp thụ bơm, hiệu suất biến đổi công suất và các đặc tính nhiễu

Hình 1.3 : Sự phụ thuộc độ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA

Hình trên mô tả quan hệ tiêu biểu giữa khuếch đại tín hiệu và công suất bơm Độ khuếch đại lúc đầu tăng mạnh theo hàm mũ với sự tăng của công suất bơm, và rồi giảm dần xuống khi giá trị công suất bơm, và rồi giảm dần xuống khi giá trị công suất bơm vượt quá một giá trị nào đó Chế độ sau cùng của khuếch đại tín hiệu Hệ

số khuếch đại lớn nhất có đơn vị là dB/mW là một đường nghiêng tiếp uyến với đường cong khuếch đại đi qua gốc tọa độ như được chỉ ra ở đường nét đứt trong hình Hình này cũng chỉ ra sự phụ thuộc của độ khuếch đại tín hiệu vào độ dài sợi.Độ dài mà tăng sẽ dẫn đến độ khuếch đại tăng Hệ số khuếch đại không chỉ phụ thuộc vào độ dài sợi EDF mà còn phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào EDFA

Gía trị của nó thường được xác định trong điều kiện tín hiệu là nhỏ với độ dài sợi tối ưu để thu được giá trị lớn nhất

Hiệu suất biến đổi công suất PCE ( Power Conversion Eficiency ) là một tham số thông dụng thường để áp dụng chủ yếu cho EDFA khuếch đại công suất BA (

booster Amplifier ) vì nó có liên quan đến các đặc tính bão hòa của EDFA Tham

số này thường được sử dụng trong thiết kế mô-đun để xác định công suất tín hiệu đầu ra thu được từ mô- đun EDFA Hiệu suất tốt vì có sự khác nhau nhỏ giữa các bước sóng vùng 1480 nm và vùng 1550 nm nơi mà các hệ thống thông tin quang thường sử dụng do có suy hao sợi rất nhỏ Khi bơm cho EDFA từ xa, suy hao sẽ thấp hơn Phổ hấp thụ bảng rộng cho nên yêu cầu tính chính xác về bước sóng bơm của laser ít nghiêm ngặt hơn

Bước sóng bơm 980 nm có đặc điểm sau : Cho ra đặc tính nhiễu của EDFA tốt hơn, khuếch đại tín hiệu trong các hệ thống nhiều kênh quang ít bị méo hơn.Thiết bị này

ít nhạy cảm với nhiệt độ hơn so với bước sóng bơm 1480 nm Nhưng nó cũng yêu cầu tính chính xác về bước sóng bơm chặt chẽ hơn để đồng bộ băng hấp thụ hẹp

976 nm

1.3.3 Khuếch đại trong bộ khuếch đại pha tạp Erbium

Trong bộ khuếch đại quang , độ khuếch đại là một trong những tham số cơ bản nhất

và nó thể hiện khả năng làm tăng công suất tín hiệu truyền trong bộ khuếch đại quang sợi OFA ( Optical Fiber Amplifier )

Việc xác đinh độ khuếch đại trong bộ khuếch đại quang sợi là một quá trình phức tạp do bản chất phân bố hai hướng của nó Để thu được độ khuếch đại thực của bộ khuếch đại, cần phải xác định được tiết diện bức xạ kích thích và tiết diện hấp thụ Các phần tiếp diện này có thể được xác định bằng thực nghiệm từ việc đo huỳnh quang và hấp thụ của 1 đoạn ngắn sợi Các tiết diện bức xạ và hấp thụ là các tham

số cơ bản quan trọng của sợi EDF.Đã có kết quả một số báo cáo kết quả về tham số

này cho các sợi loại thủy tinh khác nhau và kết quả đó đã chỉ ra rằng chúng là đặc tính phụ thuộc

a Khuếch đại tín hiệu nhỏ

Khuyến nghị G.661 của ITU-T đã xác định độ khuếch đại tín hiệu nhỏ là độ khuếch đại của bộ khuếch đại khi nó hoạt động trong chế độtuyế tính, nơi mà nó hoàn toàn không phụ thuộc vào công suất quang tín hiệu đầu vào tại mức công suất quang tín hiệu và bơm đã cho Điều này được hiểu là vùng tín hiệu nhỏ tương ứng với các mức công suất đầu vào, nơi mà sự khuếch đại tín hiệu không làm giảm độ khuếch đại của bộ khuêch đại quang

b Khuếch đại bão hòa

Đăc tính khuếch đại bão hòa của EDFA là một tham số quan trọng Công suất tín hiệu đầu rathu được ở đàu ra bộ khuế ch đại quang là một giá trị đặc biệt hấp dẫn vì

nó có liên quan tới các cự ly truyền dẫn và cự ly khoảng lặp của các hệ thống

truyền dẫn dài Nó làm tăng số các cửa đầu ra trong cấu hình phân bố sợi quang EDFA thường hoạt động ở các mức tín hiệu đàu vào đủ lớn để tạo ra sự bão hòa khuếch đại.Sự bão hòa độ khuếch đại được xem như là sự giảm khuếch đại trong lúc công suất tín hiệu tăng

Các đặc tính bão hòa sẽ phụ thuộc vào cấu hình bơm và độ dài của sợi EDF như được mô tả ở hình sau:

Hình 1.4 : Hiệu suất biến đổi công suất như một hàm của độ dài EDF với hai loại

1.3.4 Độ nghiêng và độ dốc khuếch đại

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất cảu EDFA trong thông tin quang sợi là việc sủ dụng nó tròn hệ thống ghép kênh quang Trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM với cự ly xa, phổ khuếch đại của bộ khuếch đại phát quang đảm bảo phẳng để tránh sự trội lên về công suất của một kênh nào đó Sự thay đổi hoặc

nghiêng trong phổ khuếch đại xảy ra khi các kênh bước sóng được ghép xen vào hay rẽ bớt đi và điều này sẽ làm giảm đặc tính của hệ thống thông tin có cự ly dài

Ở đây, sự nghiêng độ khuếch đại được xác định như là tỷ số của sự biến đổi khuếch đại tại bước sóng đo được với sự thay đổi khuếch đại tại bước sóng chuẩn, nơi mà các thay đổi khuếch đại được tạo ra do có sự biến đổi ở điều kiện đầu vào Đối với

bộ khuếch đại có phổ được dãn đông nhất, độ nghiêng khuếch đại không thay đổi với công suất đầu vào.Khi độ nghiêng khuếch đại được đặc trưng cho một tập hợp các điều kiện đầu vào.Nó có thể được áp dụng ddeerduwj báo độ nghiêng khuếch đại đối với các điều kiện đầu vào khác

Ngoài độ nghiêng khuếch đại, một khái niệm khác nữa cũng được quan tâm ở đây

là độ dốc khuếch đại Độ dốc khuếch đại là tham số quan trọng và cần phải phân biệt rõ giữa dộ khuếch đại tĩnh và độ khuếch đại động, như mô tả ở hình sau :

Hình 1.5 : Minh họa cho độ dốc khuếch đại tĩnh và động

Có những điểm khác nhau giữa độ dốc tĩnh và động bởi vì có sự thay đổi về mức nghịch đảo tích lũy trong bộ khuếch đai phát sinh từ sự thay đổi bước sóng của tín hiệu đầu vào bão hòa mạnh

1.3.5 Phổ khuếch đại của EDFA

Phổ khuếch đại của EDFA là tham số quan trọng vì băng tần khuếch đại là một tham số trọng yếu để xác định băng truyền dẫn Đặc tính này đã được nghiên cứu với các sợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các EDFA

Thông thường thì phổ khuếch đại được đo bằng việc quét bước sóng tín hiệu với một nguồn tín hiệu đơn Tuy nhiên, phổ được thay đổi khi công suất tín hiệu đầu vào được thay đổi.Phổ trở nên phẳng khi công suất tín hiệu đầu vào là cao Mức công suất tín hiệu đầu vào là một tham số quan trọng và phổ được đo dưới điều kiện các tín hiệu nhỏ Đầu ra quang của EDFA phụ thuộc vào bước sóng vì độ khuếch đại thay đổi theo các dặc tính bước sóng của sợi pha tạp Ẻbium EDF

Để mô tả phổ đầu ra tiêu biểu của một EDFA tương ứng cho các trường hợp không

có và có tín hiệu đầu vào như hình minh họa sau:

Hình 1.6 : Phổ đầu ra tiêu biểu của EDFA mà không có và có tín hiệu đầu vào

Ta thấy, khi không có tín hiệu đầu vào, thì chỉ có bức xạ tự phát được khuếch đại ASE Băng tần bức xạ tự phát được xác định tại giá trị công suất ở vai của phổ giảm đi 3dB Tuy nhiên, việc xác định này không đượ chỉ ra trên các thiết bị đo, tiêu biểu như là máy phân tích phổ quang OSA ( Optical Spectrum Analyzer ) Như vậy, giá trị này chỉ được chỉ ra như là một giá trị tiêu biểu mà không có giá trị nhỏ nhất hay lớn nhất

1.3.6Nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Nhiễu là tham số quan trọng nhất liên quan tới các đặc tính nhiễu trong các hệ thống có khuếch đại quang.Nhiễu luôn luôn tồn tại, vì thế sẽ không baogiờ có bộ khuếch đại lý tưởng, điều đó có nghĩa rằng sẽ không tồn tại bộ khuếch đại mà không có nhiễu.Một yếu tố kiên địnhvắng mặt phải được đền bù bằng một nguồn nhiễu nào đó

Đầu ra của bộ khuếch đại quang nhỏ nhất thu được khi đạt đượ nghịch đảo tích lũy hoàn toàn trong môi trường khuếch đại Đây là kết luận quan trọng để điều tra các dặc tính nhiễu trong tính thống kê photon

1.4 Ứng dụng của EDFA trong thông tin quang

Các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA có một tác động lớn trong thông tin quang Việc phát triển các hệ thống thông tin quang sợi qua 20 năm đã định hướng tập trung vào trọng tâm của việc phát triển các hệ thống thông tin tốc

độ bit cao và cự ly xa Các hệ thống như vậy đòi hỏi một quỹ công suất quang lớn trên một hệ thống tốc độ cao Như vậy việc sử dụng các bộ EDFA là cách tốt nhất

để thỏa mãn được các yêu cầu này

EDFA đã được phát minh vào năm 1987, rồi các nhà nghiên cứu thiết bị nhanh chóng công nhận một thực tế của nó, và họ đã nhận thấy EDFA như là liều thuốc bách bệnh cho các hệ thống thông tin tốc độ cao trong tương lai Chỉ sau vài năm tiếp theo được phát minh cơ bản và cải tiến các thiết kế

EDFA được bơm bằng laser bán dẫn LD đã nhanh chóng vượt qua được tất cả các yêu cầu chất lượng hệ thống Các ưu điểm cơ bản và tiềm năng bên trong của

ADFA có thể kể đến là độ khuếch đại cao, nhiễu thấp ( nhiều giới hạn lượng tử ), suy ha oxen thấp, không nhạy cảm với phân cực và không xuyên kênh cùng với khả năng bơm LD thực tiễn

Có một đặc điểm đáng lưu ý là quá trình khuếch đại của EDFA là độc lập với tốc

độ bít Các EDFA đã đặt sẵn ở một vị trí nào đó có thể hoạt động tốt cho các tác động bit nâng cấp trong tương lai Tác động của EDFA vào thông tin quang có thể tiến tới đỉnh cao của nó trong hệ thống truyền dẫn qua đại dương.Việc phát triển công nghệ EDFA trong môi trường này còn có khả năng hoàn thiện hơn, chứa đựng các đặc tính cấu trúc, các giao thức và các tiêu chuẩn đa dạng.Trong lĩnh vực mạng nội hạt EDFA còn có nhiều những tiềm ẩn xa hơn Các kết quả thu được đã khẳng định các ứng dụng rộng rãi của EDFA và việc đầu tư nghiên cứu EDFA luôn rất cần thiết cho thông tin quang tương lai

Chương II : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN

QUANG 2.1 Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang

2.1.1 Tìm hiểu chung

Tán sắc trong sợi đơn mode là một trong những hiện tượng vật lý ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng của mạng thông tin quang tốc độ cao dùng bước sóng ánh sáng vùng cửa sổ 1550 nm Nó làm tăng tỷ lệ lỗi bit, giới hạn tốc độ hoặc cự ly truyền của mạng Để xây dựng hoặc nâng cấp những mạng thông tin quang (OTD DWM, OCDMA) kích thước lớn (vài nghìn km), tốc độ cao (vài chục Gbit/s) thì một vấn đề quan trọng phải giải quyết đó là giảm thiểu độ tán sắc trong sợi cáp quang

Ta đã biết khi tín hiệu truyền dọc theo sợi quang sẽ gây ra méo Méo này do tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra Các hiệu ứng tán sắc

ở đây được giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn (vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lượng ở trong mode riêng bệt lan truyền dọc theo sợi ) Tán sắc bên trong mode chính là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh hưởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát ( Độ rộng phổ chính là dải các bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó) Nó làm cho các xung quang lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng ra gây méo tín hiệu và làm xuống cấp đặc tính hệ thống Xung tín hiệu mà dãn quá rộng sẽ gây ra hiện tượng phủ chờm lên các xung kề nhau, và khi sự phủ chờm vượt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang sẽ không còn phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu, đã làm giới hạn năng lực truyền dẫn

Như vậy tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm hai thành phần chính là tán sắc giữa các mode (tán sắc mode) và tán sắc bên trong mode.Tán sắc bên trong mode bao gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng

Tán sắc mode tồn tại trong các sợi quang đa mode (MM) khi mà các tia sóng lan truyền trong sợi theo các đường khác nhau do đó dẫn đến thời gian lan truyền các mode là khác nhau Tuy nhiên trong thông tin quang chỉ sử dụng sợi quang đơn mode (SM) nên không tồn tại tán sắc mode

Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng do sự thay đổi chiết suất của vật liệu làm nên lõi sợi nên nó tạo ra sự phụ thuộc của vận tốc nhóm vào bước sóng ánh sáng

Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giã được khoảng 80% năng lượng ở trong lõi vì vậy còn lại 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng ở trong lõi Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode 𝛽 là một hàm số của 𝛼/𝜆(với 𝛼 là bán kính lõi ):

𝛽 = 𝛼 𝜆 Hằng số này thường được bỏ qua trong sợi quang đa mode nhưng với sợi đơn mode thì rất đáng kể

Tán sắc tỷ lệ thuận với chiều dài sợi quang và độ rộng phổ của nguồn quang Xung quang ở cuối sợi quang sẽ bị dãn ra một lượng là:

𝛿𝑇 = 𝐷 ∆𝜆 𝐿 (2.1) Trong đó:

D là tham số tán sắc, đặc trưng cho tán sắc của sợi quang đơn vị là ps/(km.nm)

∆𝜆là độ rộng phổ nguồn quang

L là chiều dài sợi quang

Có rất nhiều phương pháp giúp giảm thiểu sự ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống thông tin quang sẽ được nghiên cứu ở phần tiếp theo

2.1.2 Tán sắc vật liệu

Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550 nm thì tán sắc vật liệu là nguyên chính gây ra hiện tượng tán sắc Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp quang, ánh sáng truyền không phải đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định và tốc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất là hàm của bước sóng) Vì vậy các thành phần vật liệu có thời gian truyền lệch so với nhau

gây ra tán sắc vật liệu

Tán sắc vật liệu DM xuất hiện do chỉ số chiết suất của thủy tinh, loại vật liệu dùng để chế tạo sợi quang và do những thay đổi của chúng theo tần số quang 𝜔 Tán sắc vật liệu DM có thể tính theo công thức sau:

Với n là chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi Dưới góc độ đơn giản, nguồn gốc của tán sắc vật liệu có liên quan tới đặc tính tần số cộng hưởng mà tại đó vật liệu sẽ hấp thụ sự phát xạ điện tử Chỉ số chiết suất n(𝜔) được làm xấp xỉ bằng phương trình Sellmeier:

Với 𝜔j là tần số cộng hưởng; Bj là cường độ dao động , n là viết thay cho cả n1 và n2 tùy thuộc vào đặc tính phân tán của lõi hay vỏ sợi quang có được xem xét hay không

Đối với thủy tinh trong suốt ta có chỉ số nhóm:

ng=n + 𝜔.dn/d 𝜔 (2.4) Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi tùy theo bước sóng đã gây ra tán sắc vật liệu Tán sắc vật liệu DM có ràng buộc với đường bao của ng bởi công thức (2.4) suy ra rằng dng/d 𝜆 = 0 tại bước sóng 𝜆= 1.27 𝜇m

Bước sóng này được coi như là bước sóng có tán sắc bằng không 𝜆ZD, vì DM=0 tại 𝜆= 𝜆ZD

Tham số tán sắc DM có giá trị âm tại bước sóng dưới 𝜆ZD và dương tại bước sóng trên 𝜆ZD Trong vùng bước sóng từ 1.25 ÷1.66 𝜇m, tán sắc vật iệu có thể được xác định bằng biểu thức sau:

Với 𝜆ZD = 1.276 𝜇m đối với sợi thủy tinh thuần khiết Giá trị này có thể thay đổi trong dải 1.27 ÷1.29 𝜇m đối với các sợi quang có lõi và vỏ được pha tạp để thay đổi chỉ số chiết suất Bước sóng có tán sắc bằng không của sợi quang cũng phụ thuộc vào bán kính lõi a và bậc chỉ số ∆ thông qua phần dẫn sóng cho tán sắc tổng

Hình ảnh: Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước sóng ở sợi thủy tinh

2.1.3 Tán sắc dẫn sóng

Cũng giống như tán sắc vật liệu, ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định cùng với sự phụ thuộc của hằng số lan truyền là hàm của a/𝜆 nên vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng DW là một thành phần đóng góp vào tham số tán sắc D, nó phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V của sợi quang Tán sắc dẫn sóng DW được tính theo công thức sau:

Với n2g là chỉ số nhóm của vật liệu; b là hằng số lan truyền chuẩn

Với n là chỉ số mode, có giá trị nằm trong dải từ

2.1.4 Kết luận

Tán sắc có ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng lực truyền dẫn của hệ thống thông tin quang.Và ảnh hưởng của tán sắc đến vận tốc nhóm GVD có thể được giảm nhỏ tối thiểu bằng việc sử dụng các nguồn phát laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp và bước sóng gắn với bước sóng có tán sắc bằng 0 𝜆ZD của sợi quang.Tuy nhiên vấn đề này không phải lúc nào cũng thực hiện được trong thực tế, và việc tạo

ra được các laser có bước sóng 𝜆ZD là không hề dễ dàng Trong các hệ thống thông tin quang thế hệ thứ ba có bước sóng tại vùng 1550 nm sử dụng loại nguồn phát laser DFB, đây là hệ thống đang được khai thác phổ biến trên thế giới Tham số tán