Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng bộ khuếch đại quang

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn “Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng bộ khuếch đại quang” được viết dựa trên kết quả ngh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

K THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 T Bùi Việt Khôi

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn “Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng bộ khuếch đại quang” được viết dựa trên kết quả nghiên cứu theo đề cương bởi cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Bùi Việt Khôi Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ nguồn và sử dụng theo đúng luật bản quyền quy định Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Học viên cao học

TRẦN QUỐC HOÀN

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 9

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM 12

1.1 Giới thiệu hệ thống thông tin quang 12

1.2 Các thành phần chính của một tuyến thông tin quang 13

1.3 Giới thiệu về các kĩ thuật ghép kênh quang WDM 14

1.4 Định nghĩa WDM 14

1.5 Nguyên lý của WDM 15

1.6 Phân loại hệ thống WDM 18

1.7 Chức năng của hệ thống WDM 21

1.8 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 22

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 24

2.1 Tổng quan 24

2.1.1 Nguyên lý bộ khuếch đại quang 25

2.1.2 Ứng dụng của khuyếch đại quang 27

2.2 Các thông số chính của bộ khuếch đại quang 28

2.2.1 Hệ số khuếch đại 28

2.2.2 Băng thông khuếch đại 30

2.2.3 Công suất ngõ ra bão hoà 30

2.2.4 Hệ số nhiễu 32

2.3 Phân loại khuếch đại quang 33

2.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn 33

2.3.2 Khuếch đại quang sợi EDFA 35

2.3.3 Khuếch đại Raman 37

CHƯƠNG 3: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 38

3.1 Tán xạ Raman 38

3.1.1 Ánh sáng 38

3.1.2 Tương tác của ánh sáng và môi trường 38

3.1.3 Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 40

3.1.4 Tính chất phi tuyến của sợi quang 43

3.1.5 Tán xạ ánh sáng 45

3.1.6 Tán xạ Raman 47

3.2 Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 48

3.3 Bơm và phương trình tín hiệu 50

3.3.1 Phổ độ khuếch đại Raman 52

3.3.2 Bộ khuếch đại Raman 01 nguồn bơm 56

3.3.3 Khuếch đại Raman nhiều nguồn bơm 63

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng bộ khuếch đại Raman 66

3.4.1 Tán xạ Rayleigh 66

3.4.2 Tán xạ Raman tự phát 67

3.4.3 Tạp âm từ nguồn bơm 67

3.4.4 Tán xạ mode phân cực 68

3.5 Ưu điểm của khuếch đại Raman 68

3.5.1 Cải thiện hệ số nhiễu 68

3.5.2 Cải thiện hệ số phẳng 70

3.6 Phân loại các bộ khuếch đại Raman 73

3.6.1 Khuếch đại Raman phân bố 73

3.6.2 Khuếch đại Raman tập trung 75

3.6.3 Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 76

CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 77

4.1 Giới thiệu chung 77

4.2 Phân tích các thông số thiết kế đầu vào 79

4.2.1 Cự ly tuyến 79

4.2.2 Số kênh bước sóng và khoảng cách kênh 79

4.2.3 Tỷ số lỗi bít (BER) 80

4.3 Lựa chọn các thiết bị 80

4.3.1 Bộ phát quang 80

4.3.2 Các bộ thu quang 81

4.3.3 Phương án bù tán sắc 81

4.3.4 Sợi quang 81

4.3.5 Bộ khuếch đại quang 82

4.4 Tính toán các tham số 82

4.4.1 Chiều dài sợi quang 82

4.4.2 Suy hao trên chặng khuếch đại 83

4.4.3 Bù công suất do hiệu ứng phi tuyến 84

4.4.4 Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại phát và tiền khuếch đại 85

4.4.5 Bộ khuếch đại Raman 86

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ

DỤNG KHUẾCH ĐẠI RAMAN 89

5.1 Mô phỏng hệ thống truyền dẫn đơn kênh 89

5.1.1 Mục đích mô phỏng 89

5.1.2 Các thông số thiết kế đầu vào hệ thống 89

5.1.3 Sơ đồ hệ thống 90

5.1.4 Khảo sát G theo Δλ 91

5.1.5 Khảo sát G theo L 92

5.1.6 Khảo sát G theo P0 94

5.2 Thiết kế, mô phỏng hệ thống truyền dẫn đa kênh sử dụng bộ khuếch đại Raman 96

5.2.1 Mục đích 96

5.2.2 Các thông số thiết kế đầu vào hệ thống 96

5.2.3 Các bộ thu phát quang 96

5.2.4 Sợi quang 96

5.2.5 Suy hao và bù công suất 97

5.2.6 Phương án khuếch đại quang 97

5.2.7 Thiết kế bộ DRA 97

5.2.8 Tổng hợp các thông số cơ bản của hệ thống đa kênh mô phỏng 99

5.2.9 Sơ đồ hệ thống 100

5.2.10 Kết quả mô phỏng 101

5.2.11 Nhận xét 103

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ACI Adjacent Crosstalk Interference Nhiễu xuyên kênh

APD Avalanche Photo Diode Điốt thác lũ

ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu tự phát

BER Bit Error Ratio Tỷ số lỗi bit

CW Continuous Wave Sóng liên tục

DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc

DCU Dispersion Compensation Unit Bộ bù tán sắc

DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh

DFB Distributed Feedback Bộ hồi tiếp phân tán

DPSK Differiential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi sai

DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman phân bố DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Rayleigh kép

DWDM Dense Wavelength Division

FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

ITU International Telecommunication

Union Liên minh viễn thông quốc tế

LED Light Emitting Diode Điốt phát quang

LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman tập trung

NF Noise Figure Hệ số nhiễu

NRZ Non Return to Zero Bộ điều chế không dần tới 0 NZDF Nonzero Dispersion Fiber Sợi quang tán sắc khác không OFA Optical Fiber Amplifer Bộ khuếch đại sợi quang

ONSR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

quang OSA Optical Spectrum Analyzer Bộ phân tích phổ quang

OSC Optical Service Channel Kênh dịch vụ quang

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

Q Quality Factor Hệ số phẩm chất

SBS Stimulated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích thích SLA Superlarge Area Miền siêu rộng

SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín trên tạp âm

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha

SRS Stimulated Raman Scattering Hiện tượng tán xạ Raman kích

thích

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước

sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

ZDW Zero Dispersion Wave Bước sóng tán sắc không

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng trong WDM [2] 15

Bảng 1.2 Bảng so sánh gi a CWDM và DWDM [1] 20

Bảng 4.1 Giá trị bù công suất do hiệu ứng phi tuyến [6] 84

Bảng 5.1 Bảng giá trị G theo bước sóng bơm λp 91

Bảng 5.2 Bảng giá trị G theo chiều dài khuếch đại L 93

Bảng 5.3 Bảng giá trị G theo công suất bơm P0 95

Bảng 5.4 Thông số của 02 loại sợi SMF và DCF 97

Bảng 5.5 Bảng tổng hợp các thông số cơ bản của hệ thống 99

Bảng 5.6 Hệ số khuếch đại tương ứng với các tín hiệu vào 103

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang [2] 13

Hình 1.2 Phổ của WDM [1] 15

Hình 1.3 Cấu hình hệ thống WDM [1] 16

Hình 1.4 Cấu hình hệ thống WDM không quy định đầu thu phát [1] 17

Hình 1.5 Hệ thống WDM đơn hướng và song hướng [2] 18

Hình 1.6 Cấu trúc tổng quát của WDM và phổ của tín hiệu ghép [2] 21

Hình 2.1 Bộ lặp quang điện [2] 24

Hình 2.2 Các hiện tượng biến đổi quang điện [5] 26

Hình 2.3 Các ứng dụng khuếch đại [2] 27

Hình 2.4 Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi [2] 30

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của công suất ra theo G [2] 31

Hình 2.6 Sơ đồ khối một SOA [2] 34

Hình 2.7 Các ứng dụng cơ bản của SOA [2] 35

Hình 2.8 Sơ đồ các mức năng lượng của ion Er3+ tự do [2] 36

Hình 3.1 Hệ số tán sắc của sợi quang SMF-28 [2] 41

Hình 3.2 Chiều dài hiệu dụng của sợi quang [2] 42

Hình 3.3 Quá trình tán xạ ánh sáng [2] 45

Hình 3.4 Tần số của ánh sáng tán xạ [2] 46

Hình 3.5 Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman [3] 47

Hình 3.6 Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman [3] 49

Hình 3.7 Cấu trúc bộ khuếch đại Raman [6] 49

Hình 3.8 Sơ đồ minh họa tán xạ Raman từ quan điểm cơ học lượng tử [3] 51

Hình 3.9 Bộ khuếch đại Raman cơ sở trong cấu hình bơm thuận [3] 52

Hình 3.10 Phổ độ khuếch đại Raman cho khối silic [3] 53

Hình 3.11 Phổ độ khuếch đại Raman cho 3 loại sợi quang tại 1,45µm [3] 55

Hình 3.12 Sự biến thiên của công suất tín hiệu trong bơm hai chiều [3] 58

Hình 3.13 Sự cải thiện trong hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc độ khuếch đại [3] 59

Hình 3.14 Sự biến thiên của độ khuếch đại GA theo công suất bơm Po [3] 60

Hình 3.15 Đặc điểm độ khuếch đại bão hòa của bộ khuếch đại Raman [3] 62

Hình 3.16 Sơ đồ tổng khuếch đại của bộ khuếch đại Raman được bơm với 6 laser với bước sóng và công suất đầu vào khác nhau [3] 64

Hình 3.17 Độ khuếch đại Raman của một bộ khuếch đại chiều dài 25 km được bơm với 12 laser [3] 65

Hình 3.18 Hệ thống khuếch đại Raman phân bố [6] 69

Hình 3.19 Độ khuếch đại được tổng hợp từ các bước sóng riêng lẻ [3] 72

Hình 3.20 Các công suất bơm khác nhau trong hệ thống khuếch đại Raman [3] 72

Hình 3.21 So sánh gi a công suất bơm phát và độ khuếch đại cung cấp bởi mỗi bước sóng bơm [3] 73

Hình 3.22 Khuếch đại tập trung và khuếch đại phân bố [6] 73

Hình 3.23 Công suất tín hiệu trong hệ thống sử dụng DRA [6] 74

Hình 3.24 Khuếch đại Raman tập trung [6] 76

Hình 3.25 Khuếch đại quang lai ghép EDFA/Raman [6] 76

Hình 4.1 Sơ đồ các bước thiết kế hệ thống 78

Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn đơn kênh sử dụng bộ khuếch đại Raman 90

Hình 5.2 Sự biến thiên độ khuếch đại G theo bước sóng bơm 91

Hình 5.3 Sự biến thiên độ khuếch đại G theo chiều dài khuếch đại 92

Hình 5.4 Sự biến thiên độ khuếch đại G theo công suất bơm 94

Hình 5.5 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn đa kênh sử dụng khuếch đại Raman 100

Hình 5.6 Phổ tín hiệu phát 101

Hình 5.7 Phổ tín hiệu vào bộ khuếch đại 101

Hình 5.8 Phổ tín hiệu ra bộ khuếch đại 102

Hình 5.9 Phổ tín hiệu thu 102

Hình 5.10 BER của 01 kênh 103

MỞ ĐẦU

Trong các mạng viễn thông hiện đại trên thế giới hiện nay, hệ thống thông tin quang đóng vai trò rất quan trọng trong việc truyền dẫn tín hiệu với dung lượng lớn, chất lượng cao so với các môi trường truyền dẫn khác như cáp kim loại hay môi trường vô tuyến Hiện nay hàng loạt các nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm và đưa vào hoạt động các hệ thống truyền dẫn quang cự ly rất xa (hang trăm tới hàng ngàn km), tốc độ bít trên kênh rất lớn (10 Gb/s đến 40Gb/s)

sử dụng các bộ khuếch đại quang như khuếch đại EDFA, khuếch đại Raman Do

đó, em đã chọn đề tài nghiên cứu “Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng bộ khuếch đại quang” với mục đích nghiên cứu, thiết

kế và mô phỏng hệ thống truyền dẫn nêu trên, trong đó ưu tiên nghiên cứu và ứng dụng bộ khuếch đại Raman Đề tài này sẽ đề cập các nội dung chính như sau: Khái quát hệ thống thông tin quang WDM; Tổng quan về khuếch đại quang; Khuếch đại Raman; Thiết kế và mô phỏng hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao sử dụng khuếch đại Raman

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã hoàn thành với kết quả là đã đưa ra được quy trình thiết kế hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao sử dụng toàn khuếch đại Raman và mô phỏng thử nghiệm hệ thống truyền dẫn quang nêu trên Kết quả này hy vọng sẽ là 01 công cụ nghiên cứu, thiết kế các hệ thống thông tin quang cho các hệ thống cáp quang biển, đường trục của Việt Nam cũng như là nguồn tài liệu kỹ thuật tham khảo cho giảng dạy và học tập các môn học liên quan

Để có được kết quả nghiên cứu đề tài này, em đã nhận được sự định hướng, giúp đỡ quý báu của thầy Bùi Việt Khôi và sự hợp tác giúp đỡ của các bạn đồng nghiệp Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của thầy giáo

và các bạn

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN GHÉP KÊNH

THEO BƯỚC SÓNG WDM 1.1 Giới thiệu hệ thống thông tin quang

Trong lịch sử của mạng viễn thông Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung,thông tin quang đã có nh ng đóng góp quan trọng về cả qui mô phát triển cũng như nâng cao chất lượng mạng internet Hệ thống thông tin bằng cáp sợi quang là hệ thống truyền dẫn với kỹ thuật và công nghệ tiên tiến cho phép tạo ra các tuyến truyền dẫn đường dài vượt đại dương với dung lượng lớn, tốc độ cao…Thông tin quang sẽ đáp ứng nhu cầu phát triển mạng truyền dẫn phục vụ cho sự phát triển các dịch vụ viễn thông đa dạng yêu cầu tốc độ cao, đặc biệt là phuc vụ cho sự phát triển đột phá internet tốc độ cao và các dịch vụ IP Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ, nhất là sự tiến bộ vượt bậc trong ngành công nghệ điện tử viễn thông,công nghệ sản xuất cáp sợi quang và truyền dẫn quang đã phát triển rất nhanh Hiện nay các nhà sản xuất đã chế tạo được nh ng sợi cáp quang có giá trị suy hao rất nhỏ cỡ 0,15dB/km tại bước sóng 1550nm đã cho thấy sự phát triển nhanh chóng của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập niên qua Song song với

đó công nghệ chế tạo các nguồn thu phát quang cũng phát rất triển đã tạo tạo ra

nh ng hệ thống thông tin quang có nhiều ưu thế vượt trội hơn so với hệ thống cáp kim loại Nh ng ưu điển của truyền dẫn quang so với các truyền dẫn khác là:

- Suy hao truyền dẫn nhỏ

- Băng tần truyền dẫn lớn

- Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

- Có tính bảo mật cao

- Cách điện tốt

- Độ tin cậy cao

- Sợi quang có kích thước nhỏ, không bị an mòn bởi môi trường axit, kiềm…nên có độ bền cao

- Vật liệu chế tạo có sẵn trong tự nhiên

- Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng nên tốc độ bít cao hơn bằng cách thay đổi bước sóng làm việc và kỹ thuật ghép kênh

Bởi nhiều có ưu thế như vậy mà truyền dẫn thông tin quan được nhiều nhà khai thác mạng viễn thông quan tâm tới như hiện nay cũng như trong tương lai

1.2 Các thành phần chính của một tuyến thông tin quang

Các thành phần chính của một tuyến truyền dẫn thông tin quang bao gồm: các thiết bị phát quang, cáp sợi quang, các đầu nối connector và thiết bị thu quang:

- Thiết bị phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu và các mạch điều khiển liên kết với nhau

- Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi các tác động từ bên ngoài

- Thiết bị thu quang được cấu tạo từ bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu điện từ các tín hiệu quang thu được

- Các đầu nối connector được dùng để nối các tuyến sợi quang

- Ngoài ra trong tuyến truyền dẫn quang còn có các mối hàn, bộ chia quang và trạm lặp; ở các tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộ khuếch đại quang, thiết bị bù tán sắc và các trạm xen kẽ kênh

Mô hình chung của một tuyến truyền dẫn quang:

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang [2]

1.3 Giới thiệu về các kĩ thuật ghép kênh quang WDM

Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ

=> hoàn toàn có lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang có bước sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang

Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời từ ý tưởng này

1.4 Định nghĩa WDM

WDM là phương thức ghép kênh quang theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing) Thông thường trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm, mỗi một sợi dẫn quang cho một tia laser với một bước sóng ánh sáng truyền qua, tại đầu thu, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Mỗi một sóng laser này mang một số tín hiệu điện với một phổ nhất định Từ nh ng năm 1980, công nghệ sợi quang có nhiều tiến bộ nên phương thức ghép kênh quang theo bước sóng được ứng dụng trong mạng viễn thông đường trục và quốc tế Ở đây, WDM cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit của đường truyền

và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang Thực tế có thể hiểu đơn giản là thay vì truyền một sóng quang trên một sợi quang, bây giờ ta ghép nhiều sóng quang có bước sóng khác nhau nhờ vào một bộ ghép kênh (MUX - multiplexing) rồi truyền trên một sợi quang Ở đầu bên kia thì ta dùng một bộ tách kênh (DEMUX - demultiplexing) để tách các sóng khác nhau ra

1.5 Nguyên lý của WDM

Mỗi máy phát phát tín hiệu trên một bước sóng xác định Nhiều tín hiệu sau

đó được trộn lẫn nhờ một bộ MUX vào một sợi quang Chúng được truyền đi trên sợi đó đến nơi tiếp nhận, được tách ra từng bước sóng và lần lượt được thu bởi các máy thu riêng biệt

Băng sóng Mô tả: Phạm vi bước sóng(nm) Băng O Ban đầu: Original 1260÷1360

Băng E Mở rộng: Extended 1360÷1460

Băng C Tiêu chuẩn: Conventional 1530÷1565

Băng U Cực dài: Untra-long 1625÷1675

Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng trong WDM [2]

Hình 1.2 Phổ của WDM [1]

WDM là phương thức ghép kênh quang theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing) Thông thường trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm,

mỗi một sợi dẫn quang cho một tia laser với một bước sóng ánh sáng truyền qua, tại đầu thu, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Mỗi một sóng laser này mang một số tín hiệu điện với một phổ nhất định Từ nh ng năm 1980, công nghệ sợi quang có nhiều tiến bộ nên phương thức ghép kênh quang theo bước sóng được ứng dụng trong mạng viễn thông đường trục và quốc tế Ở đây, WDM cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit của đường truyền

và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang Hình 1.3 minh hoạ cấu hình của hệ thống WDM Trong đó các luồng tín hiệu quang từ các nguồn có các bước sóng khác nhau

λ1, λ2, , λn được ghép lại nhờ bộ ghép kênh MUX Bộ ghép MUX phải đảm bảo ít suy hao và không cho sự xuyên nhiễu gi a các luồng Các luồng tín hiệu sau khi ghép được truyền trên một sợi quang tới phía thu Trên một tuyến đường có cự ly dài thì chùm sóng quang được khuếch đại nhờ các bộ khuếch đại

Hình 1.3 Cấu hình hệ thống WDM [1]

Bộ chia luồng DEM, tại đầu thu sẽ tách các luồng sóng quang λ1, λ2, , λn tới các bộ thu Rx tương ứng của từng luồng Tiếp theo các bộ tách sóng quang trong thiết bị thu Rx, khôi phục lại các tín hiệu điện của từng luồng tương ứng với phía phát

Như ta đã biết, ghép kênh là biện pháp ghép một số kênh tín hiệu điện thành một luồng chung có dung lượng thông tin lớn hơn Trong nh ng năm 1960, nói tới các hệ thống thông tin nhiều kênh ta quen nói tới các tín hiệu điện và có 2 cách ghép

là ghép theo tần số FDM và ghép theo thời gian TDM

Tại đây chúng ta hãy xem xét gi a WDM và FDM có gì giống nhau và khác nhau Ta biết rằng bước sóng dao động của ánh sáng là số nghịch đảo của tần số f nên WDM có phần tương tự như FDM tức là phổ tín hiệu phân bố theo trục tần số Điểm khác nhau là các nguồn phát quang làm việc ở bước sóng nm tương ứng với tần số rất cao (hơn 200.000GHz) Các sóng quang này bị điều chế trực tiếp bởi tín hiệu thông tin điện Tín hiệu điện này có dải phổ nhất định, nhưng so với dải phổ của nguồn phát quang thì chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi quang Sơ bộ ta có thể biểu diễn các luồng tín hiệu quang như hình 1.3b

Hệ thống truyền dẫn WDM theo hai hướng có thể như hình 1.4, không quy định phát ở một đầu và thu ở một đầu Như vậy, ta có thể phát thông tin tại bước sóng λ1 theo một luồng đồng thời cũng truyền thông tin theo hướng ngược lại tại bước sóng λ2

Hình 1.4 Cấu hình hệ thống WDM không quy định đầu thu phát [1]

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của hệ thống thông tin quang, kỹ thuật ghép kênh quang lại xuất hiện kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM (Optical Time Division Multiplexing) có rất nhiều triển vọng Một kỹ thuật ghép kênh khác cũng được ứng dụng trong mạng thông tin quang là ghép kênh quang theo tần số OFDM (Optical Frequency Division Multiplexing) Kỹ thuật OFDM cho phép các luồng có tần số mang khác nhau được đồng thời truyền qua và chiếm một dải phổ nhất định trong luồng sóng ánh sáng Công nghệ OFDM đang được triển khai thực nghiệm, số kênh có thể ghép trong một luồng quang có thể tới hàng trăm OFDM được coi như là biện pháp ghép quang có mật độ dày đặc Mỗi một kênh thông tin có tốc độ lớn hơn 1Gbyte nhờ ghép kênh quang theo tần số OFDM ta có thể thiết lập được tốc độ truyền dẫn cao hơn 1Tbit/s (1Tera=103Giga) Ghép theo WDM đã ảnh hưởng sâu sắc đến cấu trúc của hệ thống thông tin quang Nó cho

mode trên cự ly dài và tăng độ mềm dẻo của cấu trúc phân phối Nh ng đường truyền dẫn thử nghiệm đã đạt được tốc độ lưu lượng 160Gbit/s phân phối trên 8 kênh ghép theo bước sóng

Hơn n a, ghép theo WDM không chỉ giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc mà còn chống được tổn hao do phân cực Các hệ thống thông tin quang hiện đại có sử dụng

bộ khuếch đại quang để ghép nhiều kênh theo WDM Nếu với lưu lượng là 2,5Gbit/s, ghép theo WDM từ 8 đến 16 luồng thì ta thực hiện được một đường thông tin quang với lưu lượng là 20Gbit/s đến 40Gbit/s trên một sợi đơn mode mà vẫn dùng lại được các thiết bị ghép kênh và phân kênh hiện có Nói một cách khác, WDM cho phép tăng tích số lưu lượng nhân với cự ly trên một sợi quang

1.6 Phân loại hệ thống WDM

Gồm 2 loại:đơn hướng và song hướng

Hình 1.5 Hệ thống WDM đơn hướng và song hướng [2]

- Để hiểu rõ ta so sánh 2 loại hệ thống này (giả sử hai hệ thống cùng ghép với

số lượng lớn N bước sóng giống nhau):

 Về dung lượng: WDM song hướng < WDM đơn hướng, tuy vậy thì WDM đơn hướng lại đòi hỏi số lượng sợi quang lớn gấp 2 so với song hướng

 Về thiết kế: hệ thống WDM song hướng đòi hỏi sự phức tạp hơn nhiều với nh ng vấn đề chống xuyên nhiễu (do có nhiều bước sóng trên một sợi quang), đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai

chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng (bước sóng chẵn lẻ, bước sóng theo băng …)

 Về giải quyết vấn đề khi gặp sự cố xảy ra ở hệ thống: với WDM song hướng thì khi có bất kỳ sự cố nào trên hệ thống, nó không cần đến cơ

chế APS (automatic protection switching), để chuyển mạch bảo vệ mà

nó có thể tự hiểu đồng thời cả 2 đầu hệ thống

 Bộ khuếch đại quang EDFA ở hệ thống song hướng đơn giản hơn so với hệ thống đơn hướng, nhưng do số bước sóng ở WDM song hướng

=1/2 WDM đơn hướng nên công suất khuếch đại ở đầu ra của hệ thống song hướng sẽ cao hơn hệ thống đơn hướng

=> Tính về độ tối ưu thì WDM song hướng hơn hẳn WDM đơn hướng Tuy nhiên trong một số trường hợp ta vẫn chỉ có thể áp dụng hệ thống đơn hương

vì một số đặc điểm tối ưu trong điều kiện hiện tại Ví dụ: Trong điều kiện

khả năng xuyên nhiễu gi a các bước sóng là rất cao, mà hệ thống đòi hỏi phải có dung lượng truyền dẫn lớn Lúc này ta chỉ có thể dùng WDM đơn hướng

- Ngoài ra hệ thống thông tin quang WDM còn có hai kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng lỏng CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) và kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing):

 Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng lỏng CWDM: là kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng mà trong đó khoảng cách gi a các kênh liên tiếp nhau lớn hơn 20 nm và độ rộng phổ của một kênh là

2500 Ghz Bước sóng của laser thay đổi theo nhiệt độ nhưng đối với

kỹ thuật này không cần bộ làm mát vì khoảng cách gi a các kênh liền nhau lớn Kỹ thuật CWDM mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với hệ thống cần ít bước sóng

 Khi dung lượng của hệ thống tăng lên thì số kênh ghép trong sợi quang tăng lên Điều này làm cho kỹ thuật CWDM khó có thể đáp

ứng được nhu cầu Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng mật độ cao DWDM đã khắc phục điều đó DWDM là kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mà khoảng cách gi a các kênh quang liền nhau truyền trên sợi quang là 0,8 nm tại vùng tần số 1550 nm và độ rộng phổ của một kênh tầm 100 Ghz Hiện nay, người ta còn có thể ghép được các bước sóng mà khoảng cách gi a các kênh là 0,4 và 0,2 nm và độ rộng phổ lần lượt là 50 và 20 Ghz Khi độ rộng phổ của bước sóng giảm xuống thì có nhiều yêu cầu cần phải giải quyết như: nhiệt độ của Laser phát phải ổn định, các thiết bị tách ghép phải hoạt động chính xác hơn

Nh ng yêu cầu này làm cho giá thành của các thiết bị DWDM tăng lên rất nhiều so với các thiết bị của hệ thống CWDM Việc so sánh

gi a CWDM và DWDM được minh họa như trong Bảng 1.2

1 Khoảng cách bước sóng ≈20 nm ≈0,8nm

4 Nguồn Laser DFB (không làm mát) DFB (làm mát)

5 Tốc độ d liệu/ kênh 2,5 Gbit/s 10 Gbit/s

6 Tốc độ bít tập trung 40 Gbit/s 320 Gbit/s

Bảng 1 Bảng so sánh gi a CWDM và DWDM [1]

21

1.7 Chức năng của hệ thống WDM

Hình 1.6 Cấu trúc tổng quát của WDM và phổ của tín hiệu ghép [2]

- Phát tín hiệu: trong WDM, nguồn phát quang là các laser Ví dụ như tunable

laser, multi wavelength laser…

- Ghép/tách tín hiệu: được thực hiện bởi 1 số bộ tách/ghép tín hiệu WDM như:

bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện

quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot…

- Truyền dẫn tín hiệu: có khá nhiều vấn đề phải xét đến trên quá trình truyền tín

hiệu của sợi quang nhưng suy cho cùng, quá trình này chịu ảnh hưởng lớn nhất

từ yếu tố là các sợi quang

- Khuếch đại tín hiệu: hiện nay chủ yếu sử dụng khuếc đại quang sợi EDFA

(erbium-doped fiber amplifier) và khuếch đại Raman (mới ứng dụng hiện nay) Có 3 chế độ khuếch đại: tiền khuếch đại, khuếch đại công suất, khuếch

đại đường

Tx-1 Tx-

2 Tx-

k Tx-

n

M U

X

D E M U

X

Rx-1 Rx-

2 Rx-

k Rx-

tiếp

với

phía

thu

thông

λ1 λ2

λk

λn

λ1 λ2

Phổ của kênh

đơn

Phổ của tín hiệu ghép WDM

OA

- Thu tín hiệu: Cũng như các hệ thống quang thông thường, hệ thống WDM sử dụng các bộ tách sóng quang: PIN, APD

1.8 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

- So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM có nh ng ưu điểm nổi trội:

 Dung lượng truyền dẫn lớn, hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM

 Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như nh ng khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng (kênh quang)

 Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang Việc nâng cấp dung lượng đơn giản là cắm thêm card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động

 Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt nhờ việc định tuyến và phân bố bước sóng trong mạng WDM nên có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống

 Ngoài ra còn ứng dụng để truyền nhiều chương trình truyền hình chất lượng cao, cự ly dài

 Giảm chi phí đầu tư mới

 Tăng băng thông truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóng được ghép vào để truyền trên một sợi quang

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

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

 Khả năng mở rộng: Nh ng tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiều cấp độ khác nhau

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

- Bên cạnh nh ng ưu điểm trên, hệ thống WDM còn có nh ng hạn chế:

 Chi phí khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động

 Quá trình khai thác và bảo dưỡng rất phức tạp

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 2.1 Tổng quan

Đối với tín hiệu quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn,sự suy giảm tín hiệu

là không thể tránh khỏi Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thống thông tin quang Giới hạn về suy hao được khắc phục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) Trong các trạm lặp quang điện này, quá trình khuyếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước 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 PAD Dòng quang điện thu được sẽ được tái tạo lại dạng xung, định thời và khuyếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuyếch 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 khuyếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện

Hình 2.1 Bộ lặp quang điện [2]

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 truyền dẫn đa bước song như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuyếch đại và 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

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, người ta thực hiện được quá trình khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuyếch đại quang (Optical Amplifier)

Kỹ thuật khuyếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp

So với các trạm lặp, các bộ khuyếch đại quang có các ưu điểm sau:

- Khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi (các bộ biến đổi E/O hoặc O/E) Do đó khuyếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn

- Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương pháp điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống đơn giản hơn

- Khuyếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang

Việc nghiên cứu khuyếch đại quang ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuyếch đại quang và trong thời gian qua các nghiên cứu thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính:

- Khuyếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier)

- Khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên, do yêu cầu nâng cấp mạng thông tin quang DWDM lên hàng trăm kênh, việc nghiên cứu phát triển các loại khuếch đại quang khác đã được đẩy mạnh, trong đó khuếch đại quang trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (ROA) được đặc biệt quan tâm trên thế giới

2.1.1 Nguyên lý bộ khuếch đại quang

Nguyên lý khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và không

có cộng hưởng trong khuếch đại

Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang Các hiện tượng này được minh hoạ trong hình:

Hình 2.2 Các hiện tượng biến đổi quang điện [5]

Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng lượng Ev =hf12 tác động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm Eg =E2-E1 bằng nhauEv=Eg) Khi đó, điện tử

sẽ nhận năng lượng và được nhẩy lên mức năng lượng cao hơn Đây chính là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng suy hao cho tín hiệu quang

Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử ở mức năng lượng cao chuyển xuống mức năng lượng thấp, đồng thời phát ra một photon có mức năng lượng Ev bằng độ lớn dải cấm Eg Mỗi một vật liệu sẽ có một thời gian sống khác nhau,khi hết thời gian sống nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiễu của bộ khuếch đại

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi có một ánh sáng có năng lượng photon Ev chính bằng năng lượng dải cấm Eg Khi đó,một điện tử ở mức năng lượng cao sẽ bị chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon có cùng pha với ánh sáng kích thích Đây chính là nguyên lý khuếch đại của bộ khuếch đại quang

Có thể dễ dàng nhận thấy rằng,hiện tượng bức xạ tự phát có thể xảy ra bất

ký lúc nào,và sẽ gây ra nhiễu cho bộ khuếch đại, được gọi là nhiễu tự phát (ASE) Hiện tượng hấp thụ thì sẽ gây ra suy yếu bộ khuếch đại Như vậy,nếu mật độ năng lượng trong vật liệu khuếch đại là thấp sẽ gây ra hiện tượng hấp thụ lớn Điều đó dẫn đến,nếu muốn khuếch đại lớn chúng ta phải thực hiện đảo mật độ hạt

2.1.2 Ứng dụng của khuyếch đại quang

Hình 2.3 Các ứng dụng khuếch đại [2]

a) Khuếch đại công suất(Booster Amplifier) b) Khuếch đại trên tuyến (in-line amplifỉer) c) Bộ tiền khuếch đại(Preamplifier)

Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang như các bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc phục suy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền Tuỳ theo vị trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại:

- Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại Yêu cầu của các

bộ khuếch đại công suất là tạo ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độ lợi cực đại vì công suất tín hiệu ngõ vào lớn

- Khuếch đại trên tuyến (In-line Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngay trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu

quang trong mạng Các bộ khuếch đại đường dây có thể được lắp đặt nối tiếp nhau trên đường truyền để làm gia tăng khoảng cách lắp đặt Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền dẫn quang

- Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tin hiệu được đưa vào thiết bị Điều này làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt của

bộ nhạy thiết bị thu và cho phép hệ thống truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao hơn Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao Do vậy, yêu cầu của bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, hệ số G trung bình nhưng thông số nhiễu phải rất thấp Khuếch đại quang Raman có thông số nhiễu nhỏ, vì vậy chúng luôn được sử dụng cho tiền khuếch quang

Tuy nhiên khuyếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã bị suy hao trong tuyến truyền dẫn Do khuyếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc và các hiệu ứng quang phi tuyến, cho nên tuyến thông tin quang sử dụng khuyếch đại quang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra

Sử dụng khuyếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM có ý nghĩa công nghệ quan trọng vì khuyếch đại quang có thể khuyếch đại tất

cả các bước sóng tới trong băng tần khuyếch đại

2.2 Các thông số chính của bộ khuếch đại quang

2.2.1 Hệ số khuếch đại

Hầu hết các bộ khuếch đại quang đều được thực hiện thông qua hiệu ứng bức

xạ kích thích Khuếch đại đạt được khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm quang, hay bơm điện để đảo lộn mật độ Nhìn chung khuếch đại quang không chỉ phụ thuộc vào bước sóng truyền mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm, mật độ hạt có trong vật liệu Chúng ta coi vật liệu là đồng nhất, ta có được phương trình sau:

(2.1)

Trong đó g0 là giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω0 là tần số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu được khuếch đại Ps là công suất bão hoà Công suất bão hoà Ps phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại Hệ số T2 trong phương trình (2.1) được gọi là thời gian hồi phục phân cực, thường nhỏ hơn 1 ps Phương trình (2.1) có thể dùng mô tả các đặc tính quan trọng của bộ khuếch đại như là băng tần độ lợi, hệ số khuếch đại và công suất đầu ra bão hoà

Ở chế dộ chưa bão hoà, coi P/Ps<<1, khi đó phương trình (2.1) trở thành:

Hệ số khuếch đại là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại Nó đặc trưng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại Tuy nhiên,

hệ số khuếch đại của một bộ khuyếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hoà khuếch đại Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại

Mặt khác ta lại có công thức sau:

(2.4) Suy ra:

P(z) = Pin exp(gz) (2.5) Với P(z) là công suất tín hiệu tại vị trí z so với đầu vào

Giả sử khoảng rộng của bộ khuếch đại là L, khi đó Pout =P(L) Suy ra hệ số khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là:

G(ω)=

= = (2.6)

Dễ dàng nhận thấy rằng, g(ω) đạt giá trị lớn nhất tại ω=ω0 nên G(ω) cũng đạt giá trị lớn nhất tại ω0 Và giá trị hai hệ số này cũng đều giảm khi (ω-ω0 ) tăng, Ta có biểu đồ sau:

Hình 2.4 Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi [2]

2.2.2 Băng thông khuếch đại

Băng thông khuếch đại được định nghĩa là =2/T2 hay là:

(2.7) Như vậy, nếu với bộ khuếch đại quang bán dẫn có T2 =60fs Bộ khuếch đại băng rộng thích hợp với các hệ thống viễn thông thông tin quang, vì độ lợi của cả băng tần gần như là hằng số, thậm chí cả khi đó là tín hiệu đa kênh Băng tần khuếch đại được định nghĩa là một FWHM (full width at half maximum- độ rộng xung tại nửa giá trị cực đại), và liên quan với theo công thức sau:

(2.8) Với G0 = exp(g0L)

Dễ dàng nhận thấy, băng tần khuếch đại nhỏ hơn băng tần độ lợi, và sự khác biệt này còn tuỳ thuộc vào độ lợi khuếch đại

2.2.3 Công suất ngõ ra bão hoà

Độ lợi bão hoà

Độ bão hoà của độ lợi phụ thuộc vào giá trị g(ω) trong phương trình (2.1)

Dễ dàng nhận thấy rằng, khi P tiến tới Ps thì giá trị g giảm dần, đồng thời hệ số khuếch đại G cũng giảm theo độ tăng của công suất tín hiệu Chúng ta coi giá trị đỉnh xảy ra khi ω=ω0 Theo (2.1) và (2.4), chúng ta có:

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của công suất ra theo G [2]

Công suất ngõ ra bão hoà

Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ta sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số G: Pout = G.Pin Tuy nhiên, công suất ngõ ra không thể tăng mãi được Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất cả các bộ khuyếch đại quang, khi công suất ngõ vào Pin tăng đến một mức nào đó, hệ

số G bắt đầu giảm Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ngõ ra n a mà đạt trạng thái bão hoà

Công suất ra bão hoà của một bộ khuyếch đại quang cho biết công suất ngõ ra lớn nhất mà bộ khuyếch đại đó có thể hoạt động được Thông thường, một bộ khuyếch đại quang có khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão hoà cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng

Từ công thức (2.10), chúng ta xem xét đến công suất ngõ ra bão hoà, là công suất lớn nhất tạo được ở cổng ra, ký hiệu là Có thể nhận thấy rằng, giá trị độ lợi này đạt được khi độ lợi khuếch đại giảm từ 2 đến 3 dB, tương ứng với giá trị G=G0/2 Khi đó, ta có công thức:

(2.11)

2.2.4 Hệ số nhiễu

Cũng giống như các hệ thống thông tin quang khác, bộ khuếch đại này cũng

có nhiễu Nguyên lý của bộ khuếch đại là dựa trên nguyên lý bức xạ kích thích Nhưng trong quá trình khuếch đại, có rất nhiều các điện tử hết thời gian sống, chuyển đổi từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, hay từ dải dẫn sang dải hoá trị, đây chính là bức xạ tự phát Bức xạ này, khi có phương cùng luồng điện

tử, sẽ gây ảnh hưởng lên biên độ và pha của tín hiệu Hiện tượng này được gọi là hiện tưọng nhiễu xạ tự phát ASE Do vậy, công suất cửa ra gồm có công suất vào khuếch đại và công suất bức xạ tự phát:

Pout=G.Pin+PASE (2.12) Ảnh hưởng nhiễu đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF, mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp tại đầu ra và đầu vào:

Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ càng tốt, và giá trị nhỏ nhất có thể đạt được là 3dB Tại giá trị này, chúng ta gọi là giá trị lượng tử

2.3 Phân loại khuếch đại quang

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện trong vùng tích cực Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lớn hay nhỏ thì phụ thuộc vào năng lượng được cung cấp từ nguồn bơm bên ngoài Tuỳ theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính là: Khuếch đại quang bán dẫn SOA và khuếch đại quang sợi OFA

Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu là dòng điện

Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Nguồn cung cấp năng lượng là laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại Một trong nh ng loại OFA tiêu biểu là EDFA EDFA có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA

Ngoài ra, còn có một loại khuếch đại được sử dụng nhiều trong các hệ thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman Khuếch đại Raman cũng sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng

SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên phát xạ kích thích còn khuếch đại Raman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang (hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích

2.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn

Hình 2.6 Sơ đồ khối một SOA [2]

Khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) là hệ khuếch đại tín hiệu quang với môi trường khuếch đại sử dụng vật liệu bán dẫn Hệ khuếch đại này có cấu trúc tương tự như nh ng diode laser Fabry-Perot, nhưng được trang bị thêm các lớp chống phản xạ ở hai gương của môi trường khuếch đại (hệ số phản xạ nhỏ hơn 0.001%) để tránh cộng hưởng tạo nên hiệu ứng laser

Hoạt động của SOA dựa vào nguyên lý khuếch đại sóng chạy wave) trong vùng điện tích không gian nằm gi a 2 vùng bán dẫn loại p và loại n Khi có dòng điện bơm cho SOA, các điện tử sẽ được bơm vào vùng dẫn (bán dẫn loại n) và lỗ trống bơm vào vùng hóa trị (bán dẫn loại p) Photon đến có bước sóng thích hợp sẽ kích thích điện tử và lỗ trống tái hợp trong miền điện tích không gian

(traveling-và sẽ phát xạ thêm một photon n a có cùng tần số (traveling-và pha với photon đến, như vậy tín hiệu quang đã được khuếch đại

Các hệ khuếch đại quang bán dẫn được làm từ hợp chất bán dẫn như GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP, các vật liệu này có thể khuếch đại quang trong vùng bước sóng từ 0.85 µm đến 1.6 µm Bước sóng khuếch đại của SOA phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm và có thể thay đổi tùy theo loại vật liệu bán dẫn Các loại khuếch đại quang bán dẫn dùng trong thông tin quang sợi là loại có phổ khuếch đại trong vùng bước sóng 1310 nm và 1550 nm

Ưu điểm của SOA:

- Băng tần khuếch đại khá rộng 40 nm – 80 nm

- Kích thước nhỏ gọn và dễ bảo trì

Nhược điểm của SOA:

- Đặc điểm của SOA là vùng không gian khuếch đại dẫn sóng có chiều dài khá bé (cỡ mm) nên khó đạt được hệ số khuếch đại cao (G < 16 dB)

- Công suất tín hiệu quang lối ra thấp (P < 10 dBm)

- Hệ số tạp âm NF khá cao (NF ~ 7 - 10 dB )

- Nhạy cảm với phân cực ánh sáng của tín hiệu quang, nên công suất quang lối ra không ổn định

- Các hiệu ứng phi tuyến như hiện tượng xuyên kênh, trộn 4 sóng xảy ra khá mạnh

Hình 2.7 Các ứng dụng cơ bản của SOA [2]

Các ứng dụng cơ bản của SOA trong các hệ thống thông tin quang có thể phân thành ba loại: khuếch đại công suất để tăng công suất phát của laser, khuếch đại đường truyền để bù suy hao truyền dẫn của sợi quang và tiền khuếch đại để cải thiện độ nhậy thu

2.3.2 Khuếch đại quang sợi EDFA

Nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+, có thể tóm tắt như sau:

Ion Er3+ có sơ đồ các mức năng lượng như hình 1.9, quá trình khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+ chủ yếu liên quan đến 3 mức năng lượng bên dưới của ion Er3+, đó là các mức 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2

Hình 2.8 Sơ đồ các mức năng lượng của ion Er 3+ tự do [2]

Đặc điểm rất quan trọng là mức năng lượng 4

Thời gian sống của ion Er3+ ở mức 4I13/2 lớn hơn hàng ngàn lần so với các mức bên trên, nên khi bơm với mật độ năng lượng đủ lớn chúng ta dễ dàng tạo được trạng thái nghịch đảo mật độ phân bố gi a mức 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2

Khi một photon có bước sóng trong vùng 1550 nm đi vào vùng dẫn sóng thủy tinh pha tạp Er3+ có nghịch đảo mật độ trạng thái gi a hai mức 4I13/2 và 4I15/2, hiện tượng phát xạ cưỡng bức sẽ xảy ra Photon tới sẽ kích thích ion Er3+ chuyển dời từ mức 4I13/2 về mức cơ bản 4I15/2, chuyển dời này phát xạ thêm một photon n a

có cùng bước sóng và pha với photon tới, đây chính là nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+

Khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp ion Er3+ đã góp phần rất lớn trong phát triển thông tin quang sợi vì vùng bước sóng khuếch đại phù hợp với cửa sổ thông tin thứ 3 (1530 nm – 1610 nm) đang được sử dụng, hiện nay có rất nhiều các nghiên cứu cơ bản về tính chất quang của thủy tinh pha tạp Er3+ nhằm chế tạo được các hệ khuếch đại quang có chất lượng ngày càng hoàn thiện

Ưu điểm của EDFA:

- Cấu hình đơn giản, nhỏ gọn

- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại tín hiệu WDM

- Công suất nguồn nhỏ

Nhược điểm của EDFA:

- Phổ độ lợi không bằng phẳng

- Giới hạn trong băng tần C, L

- Nhiễu tích lũy

2.3.3 Khuếch đại Raman

Khuếch đại quang Raman (Raman Optical Amplifier - ROA) dựa trên cơ sở tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường có tán xạ Raman mạnh Môi trường tán

xạ Raman là sợi quang có pha tạp Ge với nồng độ cao và có cấu trúc dẫn sóng phức tạp (sợi quang bù tán sắc –DCF) Khác với khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium, yêu cầu đối với ROA là nguồn bơm có công suất cao (vài trăm mW trở lên) và sợi quang có độ dài từ vài km đến vài chục km Khuếch đại quang Raman sử dụng trong hệ thống thông tin quang chủ yếu dựa vào sóng Stoke phát ra từ tán xạ Raman trên các phân tử trong sợi quang Chi tiết về khuếch đại Raman sẽ được mô tả trong chương tiếp theo

3.1.2 Tương tác của ánh sáng và môi trường

Một chùm sáng đi từ chân không vào môi trường bị phản xạ một phần ở mặt ngăn cách Phần khúc xạ vào môi trường lại bị tán sắc, bị môi trường hấp thụ và bị tán xạ một phần về mọi phía

Theo Lorentx ta thừa nhận nh ng giả thiết cơ bản sau đây:

- Phân tử của mọi chất được tạo thành từ ion và electron Electron có khối lượng m và mang điện tích nguyên tố 19

10.6,

- Trong điện môi, electron không thể chuyển động tự do Nhưng cũng không liên kết cố định với ion, mà có thể dịch chuyển một chút dưới tác dụng của

nh ng lực bên ngoài Ion mang điện tích âm hoặc dương cũng có thể dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường Nhưng ion có khối lượng lớn hơn electron nhiều nên di chuyển chậm Trong điện trường biến đổi nhanh của sóng ánh sáng trong miền thấy được, ion hầu như không kịp dịch chuyển

Chỉ khi nào khảo sát trong miền hồng ngoại ta mới cần kể đến ảnh hưởng của ion

Nh ng electron có khả năng dao động cưỡng bức với tần số  của sóng điện

từ trong vùng quang học gọi là electron quang học Chúng là các electron lớp ngoài

Các electron nằm trong lớp sâu, gần hạt nhân nguyên tử, liên hệ chặt chẽ hơn với hạt nhân Chúng chỉ có thể dao động với biên độ đáng kể khi tần số  nằm vào vùng Rontgen

Lực của dao động cưỡng bức do điện từ trường tác dụng lên electron được gọi là lực Lorentx và bằng :

eE

f1  (3.1)

Mặt khác electron vốn chịu một lực chuẩn đàn hồi, ràng buộc nó với hạt nhân

r m kr

f2     12 (3.2)

Trong đó k là hằng số đàn hồi, xác định tần số dao động riêng của electron theo hệ thức:1  k / m, r là độ lệch của electron ra khỏi vị trí cân bằng Hằng số k phụ thuộc vào điện tích hạt nhân nguyên tử, hoặc cấu trúc phân tử nên 1 là hoàn toàn đặc trưng cho nguyên tử, phân tử đã cho Do electron dao động trở thành lưỡng cực dao động, bức xạ sóng điện từ thứ cấp Lưỡng cực dao động cũng có thể va chạm với các phân tử xung quanh, truyền năng lượng dao động cho chúng Sự bảo tồn năng lượng dao động vì phát sóng và vì va chạm tương đương với tác dụng của một lực hãm

r   12  / (3.5)