Một số đặc trưng cơ bản của erbium doped fiped amplifier sử dụng trong hệ thống truyền dẫn quang

Uliiận oán iôt nụhirp 3 M í h ồ ttự Ẵifn ':ỉrLuận văn được trình bày với ba chương chính: Chương thứ nhất giới thiệu các bộ khuếch đại quang sợi sử dụng trong hệ thống truyền dẫn quang,

Á luậm MÚt t ứ ề tụ h iỉp M i kẦmạ s&tí

1 3 I M I H M U \ [;i)I A I R I N M A \ < ; i Rl YKN l ) AN Ọl \ \ < 2 0

-ị 4 < \ r III <j \ <; M O I ' I I O M K D I A 2 3

MãẾỘtt ữềiềi, tờ , m ự hiịặt M ỉ kẦmự 3 <fM ^

C hư ơng 2 : Hệ ph ư ơn g trin h tố c độ m ỏ tả hoạt 24

đ ộ n g cua EDFA

2 1 m \ < H Y | \ | ( r \ < MI ( \ A \ ( Ĩ J O M , < I A I R B I I M 2 4

2 2 HI PIH O M , i KINH TOC {)<) MO l \ IIOA ! f><>\< Kl)l V 2 5

2 3 III PHI O M , T K I MÌ TKI \ í : \ i n s < ó B \ \ 2 9

2 4 M O PHON<; Ỉ>Ạ< T R l ' \ < ; !!F s o KHI í < I ! ỉ ) \ ! V \ <>\ ' Ị \ ! !»! \ 3 0

ỉ kl.N CO SO m 1*111 ( ) \ ( I KIMI í Kí \ Ì N

của EDFA

sỏ íẻn hệ sô khu ếch đại và ổn cua EDFA

3 1 I i \ < HON ÍHÍ ỉ kii \ n o u í)o\(, < ỉ V i;i)f A 35

độ và cự ly của các tuyến truyền dẫn hiện tại.

Hiện nay, mạng viễn thông Việt Nam qua quá trình đầu tư, nâng cấp từ năm 1992 đã có tốc độ đường truyền cao cỡ nhiều Gigabit, phát triển cả trên đất liền và trên biển N ó nối liền các tỉnh từ Bắc vào Nam, các nước trong khu vực và trên thế giới Các tuyến cáp quang tốc độ lớn của nước ta gồm có :

Tuyến truyền dẫn quang liên tỉnh RING W DM 20 Gb/s HNI-HCM sử dụng thiết bị của hãng Nortel Canada.

Tuyến truyền dẫn quang liên tỉnh RING SDH 2,5 Gb/s HNI-HCM sử dụng thiết bị của hãng Nortel Canada.

Tuyến truyền dẫn quang liên tỉnh RING SDH 2,5 Gb/s HNI-VYN-VTI- TQG-TNN sử dụng thiết bị của hãng Fujitsu Nhật Bản.

Tuyến truyền dẫn quang liên tỉnh và quốc tế RING SDH 2,5 Gb/s Trung Quốc-LSN-QNH-HNI-VIH-Lào sử dụng thiết bị của hãng Fujitsu Nhật Bản.

JUutn ty ăn tòi nụhiẻp 2 J lị hồn ụ Srín *

Tuyến truyền dẫn cáp quang biển quốc tê SEAMEWE WDM 20Gb/s nối liền 35 nước từ Đông Bắc Á đến Châu Âu Đoạn Trung Quốc-Việt Nam-Singapore dài 4600 Km.

Các hệ thống truyền dẫn trên đều đang sử dụng các bộ khuếch đại quang EDFA, hầu hết là các Power Amplifier và In - line Amplifier.

Vấn đề nghiên cứu sâu các đặc trưng của EDFA sẽ giúp chúng ta:

> Đánh giá được chính xác các sản phẩm thương mại của các nhà cung cấp thiết bị chào bán.

> Lựa chọn được những nhà cung cấp thiết bị phù hợp cho những dự

án mang tính quốc gia trong hiện tại và cho tương lai.

> Giảm được chi phí mua sắm thiết bị.

> Tối ưu hoá được mạng lưới.

> Nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp.

> Giảm được chi phí nếu như chế tạo được EDFA.

> Nâng cao được trình độ cho các cán bộ kỹ thuật khai thác những hệ thống này.

Trên thế giới, các hướng nghiên cứu về lý thuyết tập trung vào nghiên cứu EDFA hoặc như là hộp đen và tiến hành khảo sát như những thiết bị rời rạc [5] hoặc là khảo sát các nguyên lý khuếch đại sử dụng hệ nhiều mức [6,7] Đặc tính hệ số khuếch đại và ồn của EDFA đã được đề cập tới như những thông số quan trọng nhất.

Chính vì vậy, khảo sát hệ số khuếch đại và ổn trên cơ sở mô phỏng hoạt động của EDFA đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc nghiên cứu phân tích hệ thống cũng như các ứng dụng trong chính những hệ thống này Nhờ đó, ta có thể tiên lượng và hạn chế những ảnh hưởng của tạp nhiễu đến tín hiệu truyền dần Luận văn này tập trung vào việc :

sóng 800 nm, tín hiệu khuếch đại ở bước sóng 1550 nm.

Uliiận oán iôt nụhirp 3 M í h ồ ttự Ẵifn ':ỉr

Luận văn được trình bày với ba chương chính:

Chương thứ nhất giới thiệu các bộ khuếch đại quang sợi sử dụng trong

hệ thống truyền dẫn quang, tóm tắt lý thuyết cơ bản về EDFA và nguyên lý khuếch đại của nó.

Chương thứ hai tập trung vào xây dựng các hệ phương trình tốc độ mô

tả hoạt động của EDFA, hệ phương trình truyền dẫn và các sơ đồ giải thuật.

Chương thứ ba, chương cuối cùng của luận văn, nghiên cứu, khảo sát hệ

số khuếch đại và đặc trưng ồn của EDFA, ảnh hưởng của một số thông số lên

hệ số khuếch đại và ổn của EDFA Kết luận chung và một vài nhận xét có tính chất đề xuất trong ứng dụng công nghệ EDFA kết thúc bản luận văn này.

Cho đến nay, các bộ khuếch đại quang được nghiên cứu, phát triển gồm:

• Bộ khuếch đại Laser - SLA.

• Bộ khuếch đại Raman - FRA.

• Bộ khuếch đại Briỉlouin - RBA.

• Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium - EDFA.

Mạng viễn thông Việt Nam hiện nay hoàn toàn sử dụng loại khuếch đại sợi quang có pha tạp chất đất hiếm Erbium (E rbium -D oped Fiber A m plifier

- ED FA ) bởi vì nó có các ưu điểm nổi bật như sau:

s Cấu trúc của EDFA đơn giản, xử lý tín hiệu trực tiếp dưói dạng ánh sáng, không thông qua bất kỳ bộ biến đổi điện - quang và quang - điện nào

khả năng tạo nên nghịch đảo độ tích lũy giữa các mức năng lượng nhờ một nguồn bơm laser ở bên ngoài Khi có tín hiệu thông tin truyền qua EDFA thì tín hiệu lối ra sẽ được khuếch đại, bù được những năng lượng suy hao trong quá trình truyền dẫn.

Khoa Xtiliệ - f> IIỌ (ill\ ('liu ven Iiíỉaiili : Av Tliiuil Vo Tu vé II fill'll l ư va ThòntỊ Tin I.it'll í.tic

ẨUiậềt ữÚM uứ "ựễiìệp

5

lối ra lớn p > 30mw với mức ồn nhỏ, hoạt động tại cửa sổ quang thứ ba (1530 nm -1565nm )

đại quang không bị ảnh hưởng bởi độ phân cực tín hiệu Trạng thái bão hoà trong EDFA xảy ra chậm cho nên EDFA không gây ra hiện tượng xuyên kênh giữa các kênh ghép theo bước sóng và làm m éo dạng xung ở các hệ thống tốc độ cao D o đó, EDFA thường được sử dụng cho hệ thống thông tin cáp biển để giảm chi phí cho thiết kế, lắp đặt trạm lặp, bảo dưỡng sửa chữa.

Sử dụng EDFA làm tăng dung lượng thông tin, tăng khoảng cách truyền dẫn giữa các trạm lặp, giảm giá thành, nâng cao chất lượng truyền dẫn mạng thông tin quốc gia và hạ giá cước dịch vụ viễn thông.

1.2 M i l \ Ỉ N LY HOA I »)<)N(Ỉ X < A< ĐẠ< T R I M r ò B \N < l \ 11)1 A EDFA là một đoạn sợi quang ngắn có lõi được pha tạp nguyên tố đất hiếm Erbium Sản phẩm thương mại của một số hãng cung cấp thiết bị lớn trên thế giới như Nortel, Lucent và Fujitsu thì bô khuếch đại quang được tích hợp trên m ột card giúp cho quá trình thay thế, sửa chữa thuận tiện và linh hoạt.

N guyên lý hoạt động của EDFA dựa trên cơ sở bức xạ cảm ứng và sự nghịch đảo độ tích lũy các mức năng lượng của Erbium Quá trình khuếch đại quang kết hợp thông qua hiệu ứng bức xạ kích thích dựa trên nguyên lý bức xạ của Einstein.

1.2.1 Bức xạ cam ỨI1J»

Xét một hệ gồm các nguyên tử hai mức cùng loại và không tương tác với nhau £, là trạng thái năng lượng thấp (trạng thái cơ bản) có độ tích lũy

Khoa Co V ỉ X íỉlu ’ f >11 ỌC, I I Chuyên ngành : Kỹ T huật Vó Tu ven Điện Tử và Thong T in ỈẢen Lạc

M ắìúm ởăm iứ HựẨtìêp

6

E 2 ®

-E2 - • " •

Hình 1.1 Quá trình bức xạ cảm ứng tro n g khuếch đại quang

Photon có tần số thích hợp đi vào trong m ôi trường hoạt chấtsẽ gây ra

sự dịch chuyển bức xạ cưỡng bức của một nguyên tử xuống mức năng lượng thấp ( £ ,) phát xạ ra một photon có cùng pha, cùng hướng và cùng tần số với photon ban đầu (sơ đồ 1) Sau đó, hai photon này gây ra dịch chuyển cưỡng bức hai nguyên tử kích thích khác, phát ra 4 photon (sơ đổ 2) Quá trình cứ tiếp tục như vậy tạo thành một chùm photon có cùng pha, cùng tần số, cùng hướng vói photon ban đầu (hiệu ứng khuếch đại).

Theo định luật bảo toàn năng lượng, để bổ sung năng lượng cho tín hiệu cần khuếch đại thì phải có nguồn bơm từ bên ngoài Nguồn bơm này thông qua quá trình kích thích các nguyên tử làm cho chúng chuyển từ trạng thái có mức nàng lượng thấp ( E,) lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn (E2) Sự

ẨltiÃM từ u i tế t MựÁtiêft

7

JLi hẦềtạ- Ẵ4fềt ^

Dịch chuyển hấp thụ là dịch chuyển từ trạng thái cơ bản £, lên trạng

hai mức năng lượng, nghĩa là : E = E2- E i = h v n Các dịch chuyển hấp thụ làm cho số hạt n2 ờ mức năng lượng E2 giảm xuống.

1.2.1.2 Dich c h u v t n hức \ a tự phai

D ịch chuyển bức xạ tự phát là quá trình mà nguyên tử ở trạng thái kích

ngẫu nhiên và độc lập với nhau, không cần tác động của trường bức xạ bên ngoài nên các photon phát ra tuy có cùng tần số nhưng có pha khác nhau, có hướng khác nhau, có mật phân cực khác nhau Các photon bức xạ lự phát cũng độc lập vói các photon của trường bức xạ bên ngoài, chúng không đổng bộ và không cùng hướng với các bức xạ bên ngoài Vì vậy, bức xạ này là bức xạ tạp.

1.2.í 3 Dịch chIIven hức xạ c a m ứng

Dịch chuyển bức xạ cảm ứng là quá trình nguyên tử chuyển từ trạng

lượng thấp hơn dưới tác động của một photon của trường bức xạ bên ngoài có

nên chuyển dời Các dịch chuyến bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photon có cùng tần số, cùng pha, cùng hướng và tính phân cực giống nhau Như vậy, bức

xạ cảm ứng mang tính đơn sắc, định hướng và kết hợp.

1.2.2 Sư ng h ịch đ a o độ tích III\

Sự nghịch đảo độ tích lũy của m ôi trường là điều kiện cần thiết để duy trì khuếch đại Đ ó là trạng thái mà số lượng nguyên tử ở trạng thái kích thích lớn hơn số lượng nguyên tử ở trạng thái cơ bản.

K hoa ( ong i\i*h ẹ t) H Q ( ỈH i\ Chuyên ngành : Kỹ T huật Vo Tuyên Điện Tứ và Thòng T in Lien Lạc

Ấlnĩim tuÌM tấ t ỆỆựhiíặt

8

Et < E 2 Các độ tích lũy trên hai mức này tương ứng là rị và n2. Đại lượng

N = n2

( _ \

8 .

( 1 1)

g ị, g 2 là trọng số thống kê của hai mức tương ứng.

Thông thường.để tiện cho việc tính toán ta cho g, = g2. N là một hàm của thời gian và toạ độ từng vùng trong môi trường hoạt tính N thường là đại lượng âm, nghĩa là «, > n2. Mức năng lượng thấp E, có phân bố nguyên tử dày đặc hơn mức năng lượng cao E2. Nếu N > 0 thì sự nghịch đảo độ tích lũy được thiết lập, kéo theo sự thay đổi trạng thái cân bàng của hệ.

Hệ số khuếch đại X của môi trường đổng nhất được cho bởi biểu thức:

với ơ (<x > 0) là tiết diện hiệu dụng đối với dịch chuyển bức xạ cảm ứng.

Hệ số khuếch đại X > 0 khi N > 0 hay «2 > «1 tức là khi ở trong môi trường hoạt tính, quá trình bức xạ cảm ứng lớn hơn quá trình hấp thụ Như vậy, điều kiện để có đượe sự nghịch đảo độ tích lũy là:

- Đ ộ tích lũy ở mức 3 lớn hơn mức 1 : «3 > «,.

Khoa Cóng Xgliẹ - Đ H Q d lí X Chuyên ngành : Kỹ ỉ huat Vò Tuyên Điện Từ va Thom* Tin ỈAẽn Lạc

ẨUiậềt ỞÕM tát nụhiêp

9

M ĩ hẦnự €Ỉ4in ^

gian dịch chuyển từ mức 3 xuống mức 1, nghĩa là r32 « r3l (với Erbium có r12 = 10 Ịis).

Sau đây, ta xét đến sơ đồ khuếch đại 3 mức và 4 mức.

n,

E,

Hiiilì 1.2 So' đỏ kluKTli dỉii 3 I11IÍC

Hầu hết các nguyên tử có xu hướng nằm ở mức năng lượng thấp £ , Để tạo ra sự nghịch đảo độ tích lũy, phải bơm với bước sóng phù hợp để đưa các

Thời gian sống trên mức £ 3 rất ngắn (cỡ jn s) nên dịch chuyển £ 3 - > E 2

nhanh hơn rất nhiều so với dịch chuyển £3 - > £ , Thời gian sống của các nguyên tử hoạt chất ở mức 2 rất lớn (cỡ m s) nên chúng tổn tại khá lâu ở mức này và gây nên nghịch đảo độ tích lũy so với mức 1 Đối với sơ đổ 3 mức, để tăng hiệu suất cho quá trình khuếch đại người ta thường chọn hệ nguyên tử có

í 2.2.2 So (lo khucch đai 4 mức

Trong sơ đồ, mức năng lượng £, là mức nãng lượng thấp nhất (mức cơ

E >

bản) Dùng nguồn bơm bên ngoài với tần số photon — đe đưa các nguyên tử

h

lên mức £ 4 Thời gian sống ở mức £ 4 rất ngắn (cỡ ns) nên các nguyên tử dịch

Khoa ( ong Sghe - t)lỉQ (iỉỉS C 'hu ven ngành : KỸ T huật Vo Ị li yen Đien l ư va Ílìo tỉíỉ T in Lien Lạc

JUiàn ơàtL tứ 9ếụhiĩft

10

Àtĩ uếềtự Ẵ4fềt ^

Ạ

Hỉnh 1.3 Sơ đố khuếch đại 4 mức

Thông thường, để tăng hiệu suất cho quá trình khuếch đại, người ta chọn hệ có mức năng lượng £, và E4 gần nhau để dịch chuyển £ 4 -> £, xảy ra rất nhanh Thời gian sống trên mức E, lớn (cỡ ms) nên dễ dàng tạo ra nghịch đảo độ tích lũy giữa mức £, so với mức E2. Dịch chuyển E3-> E 2 là dịch

1.2.3 < au hình ghép noi bom va các Inróc sóiiịỉ 1)0111 cho K I)F A

Đ ể kích thích các nguyên tử hoạt chất lên mức năng lượng cao hơn thì cẩn phải có một nguồn bơm quang ngoài hoạt động ở tần số cao hơn tần sô' của tín hiệu cần khuếch đại ghép vào trong hệ thống.

1.2.3.1 ( au hình ịỉhép noi 1)0 111 đon coniỊ

a ) Can lìinh íỊhép nói bom đon cong đó/iíi hướng

sợi quang pha tạp Er1+

Hình 1.4 Cấu hình hệ th ô n g bơm đơn công đống hướng

k h o a Cong \ iỉ h e Ỉ ) Ị Ỉ Q ( Ì Ỉ I s Chu ven ngành : k \ T huật o Tuyên Điện Tứ va Thòng T in Liên ỈẨtc

JUiậ M tràn íứ nự h iẻp

11

Cấu hình ghép nối bơm đơn công đồng hướng có ổn thấp, khó đạt trạng thái bão hoà trên toàn sợi và do đó hệ số khuếch đại thấp Phải sử dụng bộ cách ly nhằm mục đích tách bước sóng bơm và bước sóng khuếch đại do chúng rất gần nhau.

Cấu hình ghép nối bơm đơn công đồng hướng thường được sử dụng trong sơ đổ khuếch đại tăng cường (tiền khuếch đại quang).

h) ( au h ìn h ạ h e p n o i hom (Um c o m ' HIỊIIOC hư óĩìíỊ

sợi quang pha tạp Eru

Bộ cách ly

nguồn bơm ánh sáng (laser diode)

Hinh 1.5 Câu hình ghép nôi bơm đơn còng ngư ợc hướng

Cấu hình ghép nối bơm đơn công ngược hướng có hệ số khuếch đại lớn,

dễ dàng đạt trạng thái bão hoà trên toàn sợi, nhưng ổn lớn và kém ổn định Do

có hộ sô khuếch đại lớn nên cấu hình ghép nối bơm đơn công ngược hướng thường được sử dụng trong sơ đồ khuếch đại công suất.

1.2.3.2 ( nu h ìn h ịĩlié p nối bơm Sony cong

, , , bô cách ly quang

bộ chia quang v J ^

“—♦* —*• tín hiệu ra

nguồn bơm ánh sáng (laser diode)

Hình 1.6 Cấu hình ghép nối bơm so n g công

K h o a ('òitíỉ X g h ẹ t ) Ỉ Ỉ Q ( ì Ị Ị \ C h u ven n g à n h : KỸ T h u a t \ 0 T u y ê n Đ iệ n T u vá T h ò n g T in ỈÀetì L ạ c

Mitận MU t&l nụtịirp

12

ẦU k ẳ m ạ Xiim *"

Cấu hình ghép nối bơm song công có độ ổn định hệ thống cao, dễ dàng đạt và duy trì trạng thái bão hoà trên toàn sợi (theo thời gian), nhưng cấu tạo phức tạp, giá thành cao.

Tóm lại, với cấu hình ghép nối bơm đơn công đồng hướng độ khuếch đại sẽ lớn nhất tại đầu vào và giảm dần về phía đầu ra Đ ối với cấu hình ghép nối bơm đơn công ngược hướng thì độ khuếch đại lại lốm nhất tại đầu ra và yếu dần về phía đầu vào Chính vì thế mà cấu hình ghép nối bơm đơn công không đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống Nhược điểm này đã được khắc phục bởi cấu hình ghép nối bơm song công với độ bão hoà khuếch đại đổng đều và được duy trì nên bảo đảm tín hiệu ra ổn định, trung thực, độ tin cậy hệ thống cao Mặt khác, cấu hình ghép nối bơm song công với hai nguồn bơm ở hai phía cho nên có thể sử dụng đoạn sợi pha tạp dài hơn để có được hệ số khuếch đại cao hơn.

1.2.3.3 ( 'ác 1)110 0 soil” 1)0 111 cho KDFA

Chúng ta đã biết hấp thụ và phát xạ là hai tính chất quan trọng trong việc nghiên cứu khả năng khuếch đại quang sợi pha đất hiếm nói chung và pha tạp Erbium nói riêng Nếu ta biết được khả năng hấp thụ mạnh tại bước sóng nào đó thì có thể chọn được nguồn bơm thích hợp Nếu ta biết được khả năng phát xạ mạnh của một số ion đất hiếm tại bước sóng phù hợp thì ta có thể pha tạp các ion đó vào trong sợi để có hiệu ứng khuếch đại tại bước sóng mong muốn.

Trước khi tìm hiểu xem đối với hệ thống EDFA cần sử dụng bước sóng bơm nào là hiệu quả nhất, chúng ta hãy xem xét sơ đồ mức năng lượng của sợi quang pha Erbium tương ứng với các dải bước sóng bơm.

Hình 1.7 được hiểu như sau: Khi các nguyên tử được bơm từ trạng thái

cơ bản 4I1V2 lên trạng thái kích thích 4I9/2, chúng sẽ nhanh chóng chuyển dời

xu hướng đẩy mạnh các nguyên tử ở mức 4ILS/2 lên các trạng thái cao hơn để

k l i o a ( ' Xi ỉ h e - t ) I I Ọ ( ì l ì \ C h u y ê n / m a n h : KỸ I liital \ « Tu VI'II f) i en T ư va I 111)IIti I in l.ien /.í/í'

ẨiuỘM oàn t ứ mựjũêft

* 3

H o

543nm650nm

800 nrr ọp

C '5 , „ I

Hinh 1.7 Các m ức năng lượng vớ i các dải bước s ó n g bơm

tư ơ n g ứng ch o khuếch đại sợi quang pha E rb iu m Ị5 Ị

Từ hình 1.7 ta cũng thấy:

- Với chuyển dời từ 4I15/2 lên 4Il3/2, kích thích các nguyên tử bằng ánh sáng cường độ cao, bước sóng 1480 nm.

- Với chuyển dời từ 4I| sỵ2 lên 4Ij 1/2, sử dụng ánh sáng bước sóng 9 80 nm.

- Với chuyển dời có năng lượng cao hơn từ 4I1V2 lên 4I9/2, có thể dùng ánh sáng bước sóng 800 nm.

Các nguyên tử được bơm lên các trạng thái kích thích thì sau đó chúng

100%

Ở phần trước, chúng ta đã biết rằng không thể tạo ra sự nghịch đảo độ tích lũy với sơ đồ hai mức năng lượng nên quá trình bơm từ trạng thái cơ bản

chuyển tiếp 4Il5/2 - » 4I| 3/2 lại được mô tả như hệ 4 mức năng lượng.

Hình 1.8 Hiệu ứng mơ rộng mức năng lượng s ta rk

Do hiệu ứng Stark, phân bố Boltzman giữa các phân mức là khác nhau Các ion theo thống kê Boltzman sẽ tập trung nhiều hơn tại phân mức thấp của mỗi mức (mỗi dải), nghĩa ià quá trình hấp íhụ mạnh nhất ở mức íhấp của trạng thái cơ bản và giảm dần ở các mức cao hơn Tương tự, quá trình phát xạ xảy ra mạnh nhất tại mức thấp của trạng thái kích thích và giảm dần ở các mức cao hơn.

V • [ ; t - O I i i i i i Í i e í : :

Khoa Conii Xtỉhẹ - f)H ị)< íII\ Chuyên ntỉành : KỸ I luuil Vo 'I'll yen flit'll va Tltòntỉ Till l.ien Lac

ÀUiận tùkn tết mựhiêp

15

M ề hAềtự Ẵ 4 fm ^

Sự chênh lệch giữa tiết diện hấp thụ và bức xạ đã tạo ra quá trình bơm

ý là khi bơm tại bước sóng này sẽ đạt được nghịch đảo độ tích lũy ở những bước sóng lớn hơn 1500 nm Vì vậy, hiện nay, đây là bước sóng bơm chưa hoàn hảo lắm cho quá trình bơm của EDFA vì chúng ta thường sử dụng bước sóng quang 1550 nm.

Với chuyển tiếp 4Il5/2 —> 4II3/2, có thể sử dụng bước sóng bơm là 980 nm Bơm tại bước sóng bơm này sẽ cho hệ sô' khuếch đại lớn với ồn thấp Do đó, bước sóng 980 nm là bước sóng bơm chuẩn.

Với chuyển tiếp 4I | 5/2 - » 4I9ỵ2, có thể sử dụng bước sóng bơm là 800 nm Bơm tại bước sóng bơm này sẽ cho hệ 4 mức năng lượng Với bước sóng này hiện nay còn ít đươc nghiên cứu đến nhưng lại xuất hiện những xem xét thú vị.

Tóm lại, trong EDFA sử dụng kỹ thuật bơm quang học song công là đạt hiệu quả cao nhất Bước sóng bơm chủ yếu là 980 nm vì bước sóng bơm này cung cấp hiệu suất bộ khuếch đại cao nhất, ồn thấp và khái niệm hệ sô khuếch đại trên mW Hom nữa, nguồn bơm 980 nm chỉ cần dòng bơm tối thiểu nên giúp đơn giản hoá việc thiết kế hệ thông ghép kênh theo bước sóng (vì bước sóng tín hiệu được khuếch đại khoảng 1528 -ỉ- 1560 nm và bước sóng bơm 980

nm là cách xa nhau) Luận văn này tập trung nghiên cứu, sử dụng bước sóng bơm 800 nm.

í 2.4 CiHi la o và n u u \ é n IV hoạt (tộnjí cua KDFA

í 2 4 1 { 'a u tạo cua KDKA

Một module EDFA bao gồm nguồn bơm (laser diode) với bước sóng bơm là 800 nm, 980 um hoặc 1480 nm, công suất bơm quang 20mw+150mw;

bộ cách ly quang Bộ cách ly quang có tác dụng bảo vệ bộ khuếch đại quang khỏi sự phản xạ trở lại tại bất cứ điểm nào trong mạng nhằm giảm tạp âm của

bộ khuếch đại.

Khoa \g h e - f)fỉ(J ( Chu ven ngành : k x Tlìuaí Vo Tuyến Đieti Từ va Thong Tin I.ien

Miiậm oăm UA ftợjtiêfi

1.2.4.2 Nguyên l> hoai doll" cua I’D! A

Nguyên lý hoạt động của EDFA dựa trên bức xạ cảm ứng EDFA có hiệu ứng khuếch đại giống như hệ thống 3 mức năng lượng trong đó mức cơ bản 4I15/2, mức siêu bền 4I13/2 và mức kích thích 4In / 2 được m ô tả như sau :

' 1 3 /2

4I1 5 /2

tín hiệu ra đã được khuếch đại

Hấp thụ photon của ánh sáng bơm, những ion Eru được kích thích từ trạng thái cơ bản 4Il5/2 lên các trạng thái có mức năng lượng cao hơn 4I ||/2 Từ trạng thái kích thích 4Ill/2 có thời gian sống nhỏ (7 | X S [5]) nên các ion nhanh chóng dịch chuyển xuống mức siêu bền 4I|3/2CÓ thời gian sống lớn (11 ms [3])

và dẫn đến sự nghịch đảo độ tích lũy.

Tín hiệu quang bước sóng 1550 nm đi vào vùng hoạt chất sẽ tương tác

4I13/2 xuống mức năng lượng 4Il5/2 sẽ phát ra một photon ánh sáng có cùng tính chất với tín hiệu quang đầu vào.

Kh o a S ỉ i he - Chuxen Iiạanli : At I liutil Vo Tint'll flit'll Từ til Thon tỉ Till Lien ì.tu

1.2.5 ( át dặc t n n i j i co han cua họ khuech (lai Ỉ J ) Ỉ \

1.2.5.1 Hẹ so khIiecli đai cu;i KDFA

Hệ số khuếch đại là một trong những đặc trưng quan trọng của EDFA

Hệ số khuếch đại ở đây là tỉ số giữa công suất tín hiệu ra và công suất tín hiệu vào (xét ở bước sóng 1550 nm)

Hệ sô khuếch đại được tính bởi công thức:

p - p

P'0

Trong đó : Ps : Công suất tín hiệu đầu ra

Pi0 : Công suất tín hiệu đầu vào

PASI. : Công suất của bức xạ tự phát

Từ công thức (1.3), ta thấy hệ số khuếch đại của bộ EDFA phụ thuộc vào các yếu tố :

- Công suất tín hiệu đầu vào.

- Công suất bơm tại trạng thái hấp thụ bão hoà trên toàn sợi.

* Công suất tín hiệu đầu vào

Theo (1.3), nếu Ps - PASI, là hằng số, công suất tín hiệu lối vào tăng thì

hệ số khuếch đại giảm Thật vậy, vì công suất tín hiệu đầu vào phụ thuộc vào công suất ồn đầu vào, nó sẽ quyết định việc xác định độ tích lũy ở mức N2

thay đổi sẽ làm cho hệ sô khuếch đại G thay đổi.

ẨUúụt ữún íế t mụkìịp

18

J í i hẳttự < % < *m * '

Trạng thái hấp thụ bão hoà là trạng thái mà ở đó quá trình bơm vẫn tiếp tục nhưng mức năng lượng kích thích không thể nhận thêm nguyên tử nữa, tức

là mật độ hạt N2 là hằng số Như vậy, trạng thái này có ìv2 lớn sẽ dẫn tới hệ số khuếch đại G lớn.

Công suất bơm bão hoà tại một bước sóng xác định là công suất cần thiết để duy trì trạng thái nghịch đảo độ tích lũy hoàn toàn trên một đoạn sợi pha Erbium Công suất bão hoà được xác định như sau:

* M ật độ ion EfJ+ p ha tạp trong sợi

Mật độ ion E r + pha tạp trong sợi càng lớn thì hệ số khuếch đại càng lớn ứng với mỗi đơn vị chiều dài.

* C ông suất ồn

Theo biểu thức (1.3), nếu công suất tín hiệu lối ra và công suất tín hiệu lối vào là hằng số thì hệ số khuếch đại G sẽ tãng khi công suất ồn nhỏ và ngược lại Nhưng với những giá trị công suất tín hiệu vào cao hơn thì hệ số khuếch đại sẽ đồng đều theo bước sóng Điều này rất quan trọng trong việc thiết kế những hệ thống mạng nhiều bước sóng ở hai cửa sổ 1530 nm và 1550

nm mà vẫn nhận biết được sự khác nhau về hệ số khuếch đại tại hai bước sóng

Dựa vào cấu trúc 3 mức của hệ thống Er3+, ta nhận thấy khi tăng công suất vào sẽ làm tăng số photon ánh sáng, tăng kích thích cho các ion Er1+ nhảy

về mức năng lượng cơ bản đóng góp vào quá trình khuếch đại Tuy nhiên, rõ ràng là về mặt định tính, với một mức công suất bơm cố định thì chỉ có một lượng cố định các ion Er3+ bị kích thích nhảy lên mức năng lượng cao D o vậy, tương ứng vói nó có một lượng photon tín hiệu vào vừa đủ để tạo ra hiệu suất

Khoa Còng Nghe ĐHQCtĩUS c hu ven ngành : KỸ T huật Vò Tuyến Điện Từ và Thong i i i ì Ị Jen Lav

ÀUiậm hâu iÁi nụẳtìêp

19

JLê kẦềtự (%<** ^

dịch chuyên - theo lý thuyết đạt 100% Sau giá trị này thì rõ ràng là “kho năng lượng” trở nên trống rỗng không chứa các điện tử cho nên dù công suất tín hiệu vào có tiếp tục tăng thì công suất ra vẫn giữ nguyên Sự phụ thuộc của hệ

số khuếch đại vào công suất bơm được chỉ ra trong hình vẽ sau.

Hệ s ổ k h u éc h đại (dB)

Hình 1.11 Sự phụ th u ộ c cúa hệ sô khuếch đại vào công suất bơm [5|

Sự bão hoà xảy ra khi công suất tín hiệu vào lớn trong EDFA làm giảm

hệ sô khuếch đại bởi vậy nó giới hạn công suất ra của bộ khuếch đại.

ỉ 2 5 3 O i l M o n o i ; i ) l A

EDFA là khá hoàn hảo tuy nhiên vẫn mắc phải nhược điểm là tạo nên những tạp âm nhỏ thông qua quá trình bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) Nói chung, các ion tạp chất được kích thích bằng nguồn laser bên ngoài và đợi tại trạng thái siêu bền để khi có tín hiệu ánh sáng tới thì sẽ giải phóng năng lượng của chúng, góp phần vào khuếch đại tín hiệu.

Tuy nhiên, không phải tất cả các ion đều như vậy Một số ion không đợi

ở mức siêu bền mà thay vào đó, chúng bức xạ tự phát ánh sáng tại bước sóng

1550 nm Các bức xạ tự phát đó đi dọc theo sợi và được khuếch đại hoặc được

là hàm trực tiếp của độ rộng băng Do vậy, việc giảm độ rộng băng quang làm giảm ảnh hưởng tạp âm hài tự phát - tự phát Tại các mức công suất tín hiệu vào nhỏ tức là tỷ lệ thành phần ồn lớn thì cần phải thiết kế bộ lọc quang.

Bình thường, trong bộ khuếch đại luôn tồn tại ồn bộ do chính bản thân cấu trúc của nó gây ra gọi là ổn tự phát (bao gồm cả ổn nhiệt).

1.3 í V IU \ ( , ( l \ I nỉ \ i k h \ M \ \ < ; ! Kl \ Ỉ N Ỉ) \N Ql \ \ (

Một EDFA có thể được lắp đặt tại nhiều vị trí khác nhau trên mạng

(Pow er Am plifier) để khuếch đại tín hiệu phát từ laser ở phía máy phát; như là

bộ tiền khuếch đại (Pre Am plifier) để tăng độ nhạy thu ở phía máy thu; như

là bộ khuếch đại đường truyền (In-line Am plifier) để bù suy hao mất mát đã

ỉ 3.1 Bo khuecỉi (lai co ng suát

Trong trường hợp này, EDFA có công suất bão hòa cao và được đặt ngay sau nguồn phát nhằm khuếch đại công suất tín hiệu truyền đi Bộ khuếch đại này được sử dung trong trường hợp nguồn quang phát đi bị hạn chế về mặt công suất Công suất phát lớn có thể đạt được dễ dàng bằng cách sử dụng EDFA Tuy nhiên, trong trường hợp EDFA có hệ số khuếch đại lớn thì có thể dẫn tới hiệu ứng phi tuyến sọi làm mất mát công suất hệ thống Đặc tính phi tuyến sợi trở thành vấn đề đáng lưu ý cho tất cả các hệ thống có dung lượng cao và các tuyến không trạm lặp cự ly xa V iệc sử dụng các bộ khuếch đại công suất rất hấp dẫn các nhà khai thác mạng.

Khoa Cong Sghe - f ) Ị Ị Ọ ( i ỉ ỉ \ Chu ven Iiựanh : KỸ Thuat Tu ven Điẹn Tư va Thong Tin Lien Lạc

Muộn tùu t tứ tựặhiíặt

21

Vị trí của bộ khuếch đại công suất trên hệ thống như sau:

o

Hình 1.12 Sơ đồ bô trí bộ khuếch đại công suất

ị ,3.2 Bo tien k h tie e h đai

Ngược lại với bộ khuếch đại công suất, bộ tiền khuếch đại thực hiện khuếch đại tín hiệu phía thu trước đầu thu N ó khuếch đại những tín hiệu có công suất nhỏ ngay trước đầu thu quang để nâng cao độ nhạy thu Tín hiệu trước khi vào bộ khuếch đại này thường là yếu vì đã bị suy hao trên đường truyền Thực tế, khi EDFA được thương mại trên thị trường, người ta đã nghĩ tói việc ứng dụng nó có hiệu quả cho các tuyến thông tin tốc độ cao nhiều Gigabit và cự ly xa không trạm lặp Với các ứng dụng như vậy, hệ thống thông tin yêu cầu có công suất phát lớn và độ nhạy thu cao Đ ối với EDFA loại này, chúng ta không cần quan tâm đến hiện tượng bão hòa Tuy nhiên, tín hiệu trước khi đưa vào EDFA bao gồm cả ồn bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) nên cần giảm tối đa công suất tín hiệu vào nhằm đảm bảo tỉ số tín hiệu trên ồn (SNR).

Bố trí của bộ tiền khuếch đại trên hệ thống như sau:

B ẵ tiữ t)frát w '—* -i - J ẽ á ã :V J I

Hình 1.13 Sơ đố bô trí bộ tiền khuếch đại

L3.3 Bo khuech đai (lường truven

Với đường truyền tốc độ thấp ảnh hưởng của tán sắc không lớn, tham số cần quan tâm đối với hệ thống truyền dẫn là suy hao của sợi Khi truyền dẫn thông tin trên khoảng cách rất dài, chẳng hạn như cáp biển mà chỉ sử dụng bộ khuếch đại công suất hay bộ tiền khuếch đại đều không đảm bảo Trong trường hợp này, người ta phải sử dụng các EDFA làm các bộ khuếch đại đường truyền Các bộ khuếch đại đường truyền sẽ được bố trí thành chuỗi

Khoa Cong Nghe - Đ ỉiQ ítỉỉS Chuyên ngành Kỹ Thuật Vó Tuyétt Điẹn Tư và Thong Tin Lien Lạc

V ề mặt lý thuyết, ta có thể sử dụng các bộ khuếch đại đường truyền để kéo dài khoảng cách truyền dẫn lên hàng nghìn km Tuy nhiên, nếu ta sử dụng nhiều

bộ khuếch đại đường truyền thì chất lượng đường truyền của hệ thống sẽ bị suy giảm do ồn tích lũy, các hiệu ứng phân cực, tán sắc tích lũy và các hiệu ứng phi tuyến khác.

Vị trí của các bộ khuếch đại đường truyền trên hệ thống như sau :

Hình 1.14 Sơ đố bô trí các bộ khuếch đại đường truyến

Các cấu hình bỏ trí EDFA theo khuyến nghị G.611

Theo khuyến nghị G 6 1 1, các bộ khuếch đại quang có thể được sử dụng trên từng đoạn truyền dẫn quang thực tế theo các cấu hình sau:

- Tx + n xln -line A m plifier + Rx

- Tx + P ow er A m plifier + Pre Am plifier + Rx

- Tx + Pow er A m plifier + nxln -line A m plifier + Rx

- Tx + P ow er A m plifier + n xln -lin e A m plifier + Pre A m plifier + Rx

Ở đây Tx là bộ phát quang, Rx là bộ thu quang.

k h o a Cong S íỊỈiẹ - Ỉ) ỈỈ Q ( 'ĨỈỈ Chuyên ngành : Kỳ T huật Vô Tuyên Điện Tứ và Thong T in ỈÀetì ÌMC