Khảo sát một số tính chất của nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp ERBIUM

Các chữ viết tắtASE Amplified Spontaneous Emission Bức xạ tự phát đợckhuếch đại EDF Erbium Doped Fiber Sợi pha tạp Erbium MPI Multipath Interference Nhiễu giao thoa nhiều luồng NA Numeri

Bộ giáo dục và đào tạoTRờng đại học vinh

1.1 Một số tính chất quang phổ của ion Er3+ 6

01.3 Cấu trúc và hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi phatạp erbium

17

252.2 Nhiễu cờng độ trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạperbium

28

bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 3

73.1 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào độ dài sợi 3

83.2 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào công suấttín hiệu đầu vào

383.3 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào công suấtbơm

393.4 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào sự nghịch

đảo mật độ

403.5 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào hệ sốkhuếch đại

423.6 Khảo sát sự phụ thuộc của tỉ số G/NF vào G 4

33.7 Khảo sát sự phụ thuộc của tỉ số G/NF vào NF 4

43.8 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào công suất

53.9 Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào công suấtbơm và độ dài sợi

463.10 Chọn bộ thông số tối u cho bộ khuếch đại quang sợipha tạp erbium

46

8

0

lời cảm ơn

Luận văn đợc hoàn thành dới sự hớng dẫn của thầy giáo

TS Dơng Công Hiệp Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc và kính trọng đối với ngời thầy hớng dẫn củamình - ngời đã đặt vấn đề, hớng dẫn và giúp đỡ tác giảtrong quá trình hoàn thành luận văn

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy, cô giáotrong khoa Vật Lí và khoa đào tạo Sau đại học trờng Đại họcVinh, những ngời đã giúp tác giả tiếp thu đợc nhiều kiến thức

bổ ích trong học tập cũng nh trong quá trình thực hiện luậnvăn

Tác giả cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồngnghiệp đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Tác

giả

Các chữ viết tắt

ASE Amplified Spontaneous

Emission

Bức xạ tự phát đợckhuếch đại

EDF Erbium Doped Fiber Sợi pha tạp Erbium

MPI Multipath Interference Nhiễu giao thoa nhiều

luồng

NA Numerical Apeture Khẩu độ số

OAR Opticaly Amplified Receiver Bộ thu khuếch đại

OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợiOSA Optical Spectrum Analyser Máy phân tích phổ

quangRIN Relative Intensity Noise Nhiễu cờng độ tơng

đối

SE Spontaneous Emission Bức xạ tự phát

SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên

nhiễu

Mở đầu

Trên các tuyến thông tin quang truyền thống, khi cự lytruyền dẫn dài suy hao tuyến vợt quá giá trị cho phép thìcần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đờngtruyền Các trạm lặp ở đây thực hiện khuếch đại tín hiệuthông qua các quá trình biến đổi quang - điện, điện -quang Các trạm lặp này đã đợc ứng dụng khá rộng rãi và đợclắp hầu hết các tuyến thông tin quang trong thời gian vừaqua

Thời gian gần đây, với sự phát triển của khoa học vàcông nghệ quang, ngời ta đã thực hiện đợc quá trìnhkhuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng mà không cần quaquá trình biến đổi về điện nào, đó là kĩ thuật khuếch đạiquang Kĩ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục đợc

nhiều hạn chế của các trạm lặp nh về băng tần, cấu trúcphức tạp, tính phụ thuộc vào dạng tín hiệu, cấp nguồn, ảnhhởng của nhiễu điện từ,

Các bộ khuếch đại quang là các thiết bị bù suy hao cóhiệu quả nhất cho sợi quang Các thiết bị này có thể khuếch

đại trực tiếp tín hiệu quang mà không thông qua sự biến

đổi quang - điện, điện - quang nào Cho tới nay có khánhiều bộ khuếch đại quang đợc nghiên cứu: khuếch đại laserbán dẫn SLA, khuếch đại sợi pha tạp, khuếch đại Raman sợi vàkhuếch đại Brillouin sợi Có hai loại khuếch đại quang thôngdụng là khuếch đại laser bán dẫn và khuếch đại quang sợiOFA (Optical Fiber Amplified) Điều quan trọng của OFA làviệc sử dụng các phần tử đất hiếm nh là một môi trờngkhuếch đại nhờ việc pha lõi sợi trong quá trình chế tạo Cónhiều ion đất hiếm khác nhau nh erbium, holmium,neodymium, samarium, thulium, có thể đợc sử dụng đểchế tạo bộ khuếch đại quang sợi hoạt động ở bớc sóng khácnhau từ Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbiumEDFA (Erbium - doped fiber amplifier) có sức hấp dẫn nhất vìchúng hoạt động ở gần bớc sóng , vùng bớc sóng mà ở

đó suy hao sợi gần nh là nhỏ nhất

Các đặc trng của bộ khuếch đại quang sợi pha tạperbium nh dải truyền, hệ số khuếch đại, sự bão hoà và nhiễu

đã đợc nhiều tác giả nghiên cứu Trong đó nhiễu liên quan

đến tín hiệu đợc khuếch đại là một chủ đề quan trọngtrong hệ thống thông tin quang Các đặc tính của nhiễu đợcthể hiện qua một số tham số mấu chốt xác định hiệu quả

và chất lợng truyền dẫn thông tin trên toàn bộ hệ thống nh cự

li truyền dẫn, tốc độ bít lớn nhất, tích số của tốc độ và cự ly[2, 7]

Vũ Văn San và một số tác giả khác đã nghiên cứu về

đặc tính của nhiễu Có thể tóm tắt một số kết quả chính

nh sau:

1 Hệ số nhiễu của bộ khuếch đại biểu thị sự suy giảmcủa tỉ lệ giữa tín hiệu và nhiễu tạo bởi bộ khuếch đại đạtgiữa đầu vào và đầu ra

2 Chứng minh hệ số nhiễu phụ thuộc vào hệ số khuếch

đại và hệ số nghịch đảo mật độ nh sau:

Bài toán đặt ra: Trên cơ sở các kết quả đã nghiên cứu ởtrên, chúng ta có thể khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễuvào độ dài sợi, công suất tín hiệu đầu vào, công suất bơm,

sự nghịch đảo mật độ, hệ số khuếch đại Từ đó tìm đợc

bộ thông số tối u cho bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Với lí do nh trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là:

Khảo sát một số tính chất của nhiễu trong bộ khuếch

đại quang sợi pha tạp Erbium.

Nội dung của luận văn đợc trình bày với bố cục gồm: mở

đầu, chơng 1, chơng 2, chơng 3, kết luận chung và tài liệu tham khảo

Chơng 1: Tổng quan về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium.

Trình bày một số tính chất quang phổ của ion Er3+, cáccơ sở của khuếch đại quang và cấu trúc, hoạt động của bộkhuếch đại quang sợi pha tạp Erbium.

Chơng 2: Nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium.

Nghiên cứu các đặc tính nhiễu trong bộ khuếch đạiquang sợi pha tạp Erbium

Chơng 3: Khảo sát một số tính chất của hệ số

nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium.

Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nhiễu vào độ dài sợi,công suất tín hiệu đầu vào, công suất bơm, sự nghịch đảomật độ, hệ số khuếch đại Từ đó tìm đợc bộ thông số tối ucho bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Kết luận chung: Tổng hợp các kết quả nghiên cứu đợc

và rút ra kết luận, phơng pháp giảm nhiễu đến mức thấpnhất

Phơng pháp nghiên cứu: - Phân tích, tổng hợp tài liệu;

- Ngôn ngữ lập trình Matlab

Chơng I Tổng quan về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium

1.1 Một số tính chất quang phổ của ion Er 3+

1.1.1 Các mức năng lợng của ion Er 3+

Ngời ta phát hiện ra rằng các ion Er3+ có trạng thái siêubền với thời gian tồn tại lên đến cỡ 10ms, hơn nữa mức siêubền này cao hơn mức trạng thái năng lợng thấp nhất và mứcchênh lệch này ứng với một photon có độ dài bớc sóng cỡ

và đây là bớc sóng có độ suy hao nhỏ nhất trong cápquang Một vài mức năng lợng quan trọng của ion Er3+ đợc thểhiện trên hình 1.1 [10, 11]

Hình 1.1 Một số mức năng l ợng đối với ion

Er 3+

2 15

nhất

2 13

2 11

Các kí hiệu bên trái của hình 1.1 chỉ các mức năng lợngion Các số này có dạng:

sử dụng laser bán dẫn có bớc sóng hoặc Cơ chếbơm hoạt động ở bớc sóng đợc thực hiện bằng cáchkích thích các ion Er3+ từ mức năng lợng gần với mức thấpnhất lên gần mức đỉnh của dải năng lợng ứng với bớc sóng

Xét các chuyển dịch điện tử có thể xảy ra giữa cácmức năng lợng khi có sự tơng tác giữa một tia sáng và mộtnguyên tử Lúc này, chỉ những quá trình bức xạ (trao đổiphoton) là đợc tính đến Nguyên tử đợc coi nh một hệ có haimức năng lợng Ei với mật độ c trú ni Ba cơ chế cơ bản đợcxem xét là: hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cỡng bức [4,10].

1.1.2.1 Quá trình hấp thụ

Quá trình hấp thụ của một nguyên tử có hai mức năng ợng đợc thể hiện trên hình 1.2

l-Hiện tợng này xẩy ra khi nguyên tử ở trạng thái năng lợngthấp va chạm với một photon có năng lợng đúng bằng độchênh lệch năng lợng giữa hai mức Trong trờng hợp nàyphoton sẽ bị hấp thụ và nguyên tử sẽ đợc kích thích lên trạngthái có năng lợng cao hơn Trong thực tế bản chất sóng củaphoton là ở chỗ photon và nguyên tử không bao giờ chạmnhau theo nghĩa thông thờng Trong quá trình tơng tác hấpthụ, trờng quang học sẽ mất đi một lợng tử năng lợng (hf).Photon này có thể tới từ một mode bất kì có tần số nằmtrong độ rộng băng tần của chuyển tiếp, cho dù có phần lớn

là các photon có các tần số gần vạch trung tâm hơn là ở haibiên của quang phổ Đồng thời với một photon bị hấp thụ thìmột nguyên tử từ mức năng lợng thấp sẽ đợc kích thích lên

trạng thái có mức năng lợng cao hơn Vì vậy hiện tợng hấp thụnày tuân theo định luật bảo toàn năng lợng và định luậtbảo toàn xung lợng.

1.1.2.2 Quá trình phát xạ tự phát

Hiện tợng phát xạ tự phát là khuynh hớng tự nhiên của tấtcả các nguyên tử trở lại trạng thái có mức năng lợng thấp hơn.Trong quá trình này, nguyên tử ở trạng thái năng lợng cao sẽ tự

động trở về trạng thái năng lợng thấp và phát ra một photon

có năng lợng đúng bằng độ chênh lệch năng lợng giữa haimức Hiện tợng phát xạ tự phát đợc thể hiện trên hình 1.3

Các photon phát xạ tự phát phát ra cùng xác suất đối vớitất cả các mode ánh sáng trong bề rộng vạch chuyển tiếp củanguyên tử Các photon phát ra có pha ngẫu nhiên và có hớngnằm trong lân cận của trờng quang học tới, và vì vậy phát xạ

tự phát là nguồn gây nhiễu trong hệ thống thông tin cáp sợiquang

1.1.2.3 Quá trình phát xạ kích thích

Phát xạ kích thích đóng vai trò rất quan trọng trong quátrình khuếch đại quang học Vào năm 1917, lần đầu tiênEinstein đã đa ra lí thuyết phát xạ kích thích dựa trên kết

quả đạt đợc từ ứng dụng của nguyên lí cân bằng vào sự cânbằng của hệ thống nhiệt động.

Hiện tợng phát xạ kích thích là kết quả của việc cácnguyên tử bị kích thích bởi trờng quang học tới và nó nhảy từtrạng thái năng lợng cao xuống trạng thái năng lợng thấp vàphát ra một photon có năng lợng thích hợp Phát xạ kích thích

đợc tạo ra bởi tơng tác trực tiếp giữa photon và các nguyên tử

ở trạng thái năng lợng cao Quá trình đợc thể hiện trên hình1.4

1.1.3 Tiết diện hấp thụ hiệu dụng

Tiết diện hấp thụ hiệu dụng đợc xác định bằng biểuthức sau [6]:

trong đó: là hệ số hấp thụ ;

là số lợng ion trong một đơn vị thể tích

Chỉ cần đo với một máy quang phổ tỉ lệ phần trăm

ánh sáng truyền qua một mẫu (K) và biết chiều dài ( ) của nóthì có thể xác định hệ số hấp thụ nhờ vào biểu thức:

1.1.4 Tiết diện bức xạ hiệu dụng

Ngời ta sử dụng nhiều phơng pháp để tính hoặc đotiết diện bức xạ hiệu dụng:

+ Phơng pháp Ladenbugr - Fuchtbauer (FL) Phơng phápnày dựa trên việc chuyển đổi phổ phát xạ huỳnh quang khi biết đợc thời gian sống phát xạ của mức xem xét vàbiết tỉ lệ phân nhánh của sự dịch chuyển đợc nghiên cứu[6]:

+ Phơng pháp của Mac Cumber dựa vào việc chuyển

đổi tiết diện hấp thụ hiệu dụng khi đã biết phổ phát xạ [6]:

với là thế hoá học ở nhiệt độ

là giá trị suy biến của các mức

1.2 Khuếch đại quang

1.2.1 Nguyên lí khuếch đại quang

Bộ khuếch đại hoạt động theo nguyên tắc vật lí đợc sơ

đồ hoá (hình

1.5) Sự bơm quang học đợc thực hiện bằng một chùm tiasáng mạnh, kích thích các điện tử đang ở trạng thái cơ bảnsang các mức kích thích Từ mức này các điện tử nhanhchóng trở về mức khuếch đại Lúc đó một photon của chùmtín hiệu có thể tơng tác với các điện tử của ion đất hiếmtheo hai cơ chế [3, 5, 6]:

+ Hấp thụ bởi sự kích thích một electron ở mức cơ bản

về phía mức khuếch đại

+ Tạo ra một photon giống hệt với photon tới, dới tác

động của bức xạ cỡng bức của photon, nó làm một điện tử từmức khuếch đại nhảy xuống mức cơ bản

Nếu năng lợng bơm đủ lớn thì có thể thực hiện đợc sựnghịch đảo mật độ c trú, có nghĩa là mức khuếch đại sẽ cómật độ c trú cao hơn mật độ c trú của các mức cơ bản Chỉtrong trờng hợp này chùm tín hiệu có thể sẽ đợc khuếch đại

1.2.2 Sự nghịch đảo mật độ

Xét hệ ba mức của hình 1.5

Gọi là các mật độ c trú của các ion ở mức cơ bản

và ở mức khuếch đại Laser bơm kích thích các điện tử tớimức kích thích (3), từ mức này chúng chuyển dời một cách

nhanh chóng xuống mức khuếch đại (2) Gọi là mật độion, ta có [4, 6]:

s p exc

Tỉ lệ hấp thụ và phát xạ trên một đơn vị thời gian

và có tính đến tất cả các chùm tia có trong sợi và chùm tiabức xạ phát theo các hệ thức sau [6]:

hzIhp,p

s

as p

p

ap s

p

ep s

p)(

p)(

N)pP

(N

s s es as p

p ep ap

t s s as p p ap

là cờng độ sáng, A là tiết diện trờng mode;

Pp, Ps là công suất bơm và công suất tín hiệu;

là tiết diện bức xạ hiệu dụng tại bớc sóng củatín hiệu (của sóng bơm);

as(ap) là tiết diện hấp thụ hiệu dụng tại bớc sóng của

tín hiệu (của

sóng bơm);

 là thời gian sống tự phát; h là hằng số Plank;

c3.108m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không.Giải các phơng trình (1.7), (1.8), (1.9) trong trờng hợp

mà cờng độ của tín hiệu rất nhỏ so với cờng độ của thông ợng bơm, ta có:

l-)11.1(

;I

I1I

INN

sat , p p

sat , p

p ' 2 2





)12.1(N

N

Nt  1  2

với

)13.1(

;N

ep ap

Biểu thức của N cho phép làm rõ hai đại lợng đặc trng2

của cách bơm quang học cho hệ ba mức:

+ Sự bão hoà của kích thích đợc đặc trng bởi I : sựp , sat

thay đổi của mật độ ở trạng thái kích thích theo cờng độ làtuyến tính ở cờng độ thấp, sau đó bão hoà ở cờng độ cao

+ Mật độ c trú tối đa '

2

N : nó tơng ứng với mật độ c trúkhi có một công suất bơm rất lớn so với I và biểu thị sựp , sat

cân bằng giữa các tỉ lệ hấp thụ và phát xạ từ nguồn bơm

Nó chỉ phụ thuộc vào các tiết diện hấp thụ và phát xạ hiệudụng

1.2.3 Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang

1.2.3.1 Sơ đồ của một bộ khuếch đại quang

Sơ đồ tổng quát của một bộ khuếch đại quang nh sau:

+ Nguồn bơm là một điôt laser hoặc một laser dùng sợiquang học Bớc sóng và công suất của nó tuỳ thuộc vào kiểu

bộ khuếch đại quang

+ Tín hiệu: gồm một hoặc nhiều bớc sóng trong trờnghợp của chế độ vận hành ghép nhiều bớc sóng (WDM:

Tín hiệu ra Nguồn bơm

Tín hiệu vào Bộ ghép nối

nhiều b ớc sóng

Sợi pha tạp

Bộ cách ly quang học

Hình 1.6

Bộ cách ly quang học

Bộ lọc quang học

Wavelength Divison Multiplexing) Khoảng cách giữa các kênhthay đổi từ 100GHz đến 25GHz Lu ý rằng tín hiệu quangtrớc đó đã đợc biến điệu cùng cách với với tín hiệu số mà nótải đi, và tần số biến điệu này, hiện nay thay đổi từ 10GHz

l-+ Bộ cách ly quang học: chức năng của chúng là ngănkhông cho ánh sáng nhiễu quay trở lại vào đờng truyền hoặcvào trong diode bơm

+ Bộ lọc quang học: là một hoặc nhiều mạng Bragg đợcchế tạo bằng phơng pháp in quang học, nó cho phép làmphẳng phổ khuếch đại để bảo đảm có sự khuếch đại bằngnhau trong tất cả các kênh, trong trờng hợp WDM

1.2.3.2 Các kiểu khác nhau của bộ khuếch đại quang

Phân biệt theo chiều dài của dải truyền thông, có baloại bộ khuếch đại khác nhau [6]:

+ Các bộ khuếch đại công suất: đợc dùng duy nhất trong

hệ thống chỉ gồm một kênh, chúng đợc đặt ở đầu chuỗi ờng truyền, trực tiếp ngay sau máy phát Đặc trng của chúng

đ-là có công suất đầu ra rất cao, cho phép bắt đầu sự truyềntín hiệu với mức tín hiệu rất mạnh

+ Các bộ khuếch đại trên đờng truyền: chúng đợc đặttrên đờng truyền và có chức năng bù đắp các mất mát sinh

ra trên sợi quang của đờng truyền Thông thờng nó đợc đặtcách nhau cỡ 70km, nó có hệ số khuếch đại cao và mứcnhiễu thấp.

+ Các bộ tiền khuếch đại: đợc đặt ở cuối chuỗi đờngtruyền, chúng có chức năng làm nâng cao mức của tín hiệutrớc khi đến máy thu Đặc trng của chúng là có hệ số khuếch

đại cao và nhiễu thấp

Bảng sau đây tóm tắt các đại lợng đặc trng của các

bộ khuếch đại này trong trờng hợp của bộ khuếch đại quangEDFA ở dải C [6]

Kiểu bộ khuếch đại Hệ số

khuếch đại

Nhiễu

Công suất

đầu raKhuếch đại công suất > 15dB 6dB > 20dBmKhuếch đại trên đờng

5,5d

B 17 - 20dBmTiền khuếch đại > 30dB 4,5d

B 10 - 15dBm

Bảng 1.1 Các đại lợng đặc trng của ba loại bộ khuếch đại

quang (trờng hợp của EDFA ở dải C).

1.2.3.3 Sơ đồ bơm

Trong ứng dụng các hệ thống thông tin quang, các bộkhuếch đại quang sợi Erbium EDFA thờng ở dới dạng cấu trúcmodul Ngoài ra EDFA đợc kết hợp với các thiết bị khác nh bộphát quang hoặc thu quang tuỳ thuộc vào các ứng dụng khácnhau Nhìn chung cấu hình EDFA đợc phân loại thành ba

loại chính theo các cấu hình bơm gọi là modul tiêu chuẩn Đó

là cấu hình bơm xuôi (bơm cùng chiều truyền), bơm ngợc(bơm ngợc chiều truyền) và bơm hai hớng [6]

+ Bơm xuôi: cho phép thu đợc sự nghịch đảo mật độ

c trú mạnh ở đầu sợi, điều này cho phép hạn chế đợc hiện ợng bức xạ tự phát đợc khuếch đại ASE (AmplifiedSpontaneous Emission) và nh vậy hạn chế đợc nhiễu của bộkhuếch đại Tuy nhiên kiểu bơm này cũng đợc đặc trngbằng sự hạn chế của hiệu suất chuyển đổi (sự chuyển đổiphoton bơm thành photon tín hiệu) bởi hiện tợng bức xạ tựphát đợc khuếch đại ASE ở cuối sợi

t-+ Bơm ngợc: loại bơm này cho phép nhận đợc công suất

đầu ra cũng nh là hiệu suất chuyển đổi rất cao Ngợc lại ASEthờng xuất hiện ở đầu sợi (sự nghịch đảo mật độ c trú thấpkhi không có sóng bơm), điều này cho thấy sơ đồ bơm nàykhông tốt

+ Bơm hai hớng: trong thực tế ngời ta thờng dùng phơngpháp bơm hai hớng, nó tận dụng đợc u điểm của mỗi kiểubơm của các sơ đồ trên Hơn nữa, một mức nghịch đảomật độ c trú hầu nh không đổi có thể thu đợc trên toàn bộchiều dài sợi, điều đó cho phép giảm thiểu đợc nhiễu

1.3 Cấu trúc và hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

1.3.1 Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium EDFA (Erbium DopedFiber Amplifier) đợc phát minh năm 1987 đã chỉ ra một tiềmnăng lớn của các bộ khuếch đại quang sợi Ngay sau đó côngnghệ EDFA có một sự phát triển rất nhanh mà nhiều côngnghệ thông tin khác khó có thể đuổi kịp Nhiều phòng thínghiệm viễn thông trên thế giới bắt đầu nghiên cứu và pháttriển với nhiều nổ lực nhằm áp dụng EDFA cho các hệ thống

LD Bơm

thông tin quang Năm 1990, bộ khuếch đại EDFA thơng mại

đầu tiên đợc ra đời [1, 7]

EDFA là một loại khuếch đại quang sợi OFA (Optical FiberAmplifier) Vì thế nó đợc xem nh là một hộp đen (Hình1.10) có ít nhất hai cửa quang và phần nối điện để cấpnguồn Các cửa quang thờng đợc phân biệt thành cửa đầuvào và cửa đầu ra và có thể bao gồm các sợi không đợc kếtcuối hoặc kết cuối bằng các bộ nối quang

Về chức năng chính, tín hiệu quang đi tới phải đợckhuếch đại sau khi

truyền qua EDFA Cấu trúc và thành phần cơ bản của EDFAgồm có: sợi đợc pha tạp Erbium EDF (Erbium Doped Fiber) th-ờng có độ dài bằng hoặc hơn 10m, laser bơm LD (Laserdiode), bộ ghép bớc sóng quang WDM và bộ cách ly quang [7,8] Từ các thành phần cấu trúc thiết bị nh vậy, ngời ta đã tạo

ra nhiều loại EDFA khác nhau Để thu đợc độ khuếch đại thìphải cung cấp năng lợng quang cho sợi pha tạp Erbium Nguồnnăng lợng để cung cấp năng lợng quang cho bộ khuếch đạiquang đợc gọi là năng lợng bơm Công suất quang từ nguồnbơm này thờng có bớc sóng 980nm hoặc 1480nm, công suấttiêu biểu là từ 10mW đến 100mW Các diode laser LD dùnglàm nguồn bơm thờng đợc cấu tạo phù hợp với cấu hình và bớcsóng bơm Bộ ghép bớc sóng WDM sẽ thực hiện ghép ánh

Tín hiệu

quang sợi (OFA)

Tín hiệu ra

Hình 1.10 Khuếch đại quang sợi nh một thiết

bị hai cửa

Laser bơm LD

Đầu

vào

Bộ cách ly Mối hàn

sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào sợi pha tạp Erbium, hoặctrong một số các trờng hợp nó lại tách các tín hiệu này Các bộcách ly có tác dụng làm giảm ánh sáng pha tạp từ hệ thống,chẳng hạn nh phản xạ Rayleich từ các bộ nối quang hay cácphản xạ ngợc lại từ bộ khuếch đại Việc giảm phản xạ này phải

đạt tới mức chấp nhận đợc Vì thế bộ cách ly có thể làmtăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu

Sợi pha tạp Erbium là thành phần quan trọng nhất củaEDFA, và sợi này gọi là sợi tích cực Các ion Erbium đợc nằm ởvùng trung tâm lõi của EDF, vùng này đợc pha tạp với nồng độ

có khẩu độ số NA (Numerical Aperture) cao hơn so với các sợi

đơn mode tiêu chuẩn Đờng kính của vùng tâm lõi EDF vàokhoảng 5m Đây là nơi cờng độ của ánh sáng bơm và tín

hiệu cao nhất Lớp vỏ thuỷ tinh với chỉ số chiết suất thấp hơn

đợc bao quanh vùng lõi để hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng vàtạo ra lớp bảo vệ sợi EDF khỏi bị tác động từ bên ngoài Đờngkính ngoài của lớp vỏ này khoảng 125m Ngoài cùng là vỏ bọc

ngoài thêm để bảo vệ sợi, nó có chức năng ngăn cản tác

động từ bên ngoài sợi, và đờng kính tổng cộng của nó vào

Laser bơm LD

Đầu

vào

Bộ cách ly Mối hàn

khoảng 250m Chỉ số chiết suất của vỏ bọc ngoài cao hơn

lớp vỏ phản xạ cũng nhằm để loại bỏ ánh sáng không mongmuốn (các mode bậc cao hơn) lan truyền bên trong vỏ phảnxạ 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 tiêuchuẩn hoặc tán sắc dịch chuyển đang sử dụng trên các hệthống truyền dẫn quang

Do lõi sợi nhỏ hơn và khẩu độ số NA cao hơn sợi tiêuchuẩn, việc hàn nối trong quá trình lắp ráp các modulkhuếch đại quang thực tế là một vấn đề quan trọng Cấutrúc sợi pha tạp Erbium có NA cao có thể cho ta tạo ra đợcEDFA đặc tính khuếch đại hiệu quả cao Tuy nhiên cấu trúcEDF nh vậy sẽ giảm đờng kính trờng mode và dẫn tới tăng suyhao hàn nối giữa các sợi tích cực và sợi truyền dẫn thụ động

Để khắc phục điều này, các đầu sợi đợc áp dụng kĩ thuậtvuốt thon để có đờng kính trờng mode tăng cục bộ ở biệnpháp này, phân bố chỉ số chiết suất của đoạn vuốt thon sợi

sẽ thay đổi dần dọc theo trục sợi, và kích cỡ mode truyềndẫn cũng thay đổi Đây là biện pháp đầy sức thuyết phục

để làm giảm suy hao ghép nối do sự không trùng khớp về

tr-.

Lõi pha tạp Erbium có đ ờng kính

ờng mode gây ra Trong thực tế các phơng pháp để thựchiện kĩ thuật này là khuếch tán các vật liệu pha tạp trong sợithông qua quá trình xử lí nhiệt TEC (Thermally ExpandedCore) hoặc vuốt thon đờng kính sợi theo một tỉ lệ giữa lõi

và vỏ phản xạ là hằng số

Hình 1.13 mô tả cấu hình của sợi TEC, đờng kính lõităng dần và đờng kính trờng mode của áng sáng đợc truyềncũng đợc mở rộng Biện pháp này cho ra tần số chuẩn hoá làkhông thay đổi dọc theo sợi và đờng kính ngoài của sợi TECkhông đổi so với phơng pháp vuốt thon Trong sợi TEC sự thay

đổi suy hao là không đáng kể khi tỉ lệ mở rộng lõi là 2 với

độ dài vuốt thon là hơn 2mm Khi tỉ lệ mở rộng là 3, độ dàivuốt thon lớn hơn 5mm thì có thể đạt đợc suy hao bằng 0dB[7, 8]

1.3.2 Hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

2a0

Hình 1.14 Biểu đồ năng l ợng đối với ion Erbium có

hoá trị 3

2 15

2 13

2 11

Trong hình 1.14, sự hấp thụ các photon laser bơm sẽkích thích ion tới các trạng thái năng lợng cao hơn (đợc chỉ ra

ở các mũi tên hớng lên phía trên) Các ion có thể tiêu tốn nănglợng để vừa phát ra photon vừa biến đổi năng lợng thành cácphoton rào chắn Xu hớng phát xạ photon khi chuyển tới mứcnăng lợng thấp hơn tăng lên theo dải cấm năng lợng Sựchuyển dịch 15 / 2

4 2 / 13

4I  I là một quá trình phát xạ trội trongthuỷ tinh silica, điều này tạo ra các đặc tính khuếch đại rấttốt trong vùng bớc sóng từ 1500nm đến 1600nm Các bớc sóng1480nm, 980nm, 800nm, 650nm, 520nm đều có thể chophép kích thích các ion Erbium Tất cả các bớc sóng này đều

đã đợc sử dụng thành công để bơm trong các bộ khuếch đạiEDFA [7]

Các bộ khuếch đại quang đợc chia thành hai, ba hoặcbốn mức, một EDFA đợc bơm tới mức 13 / 2

4I nh ở hình 1.14 ()

phát xạ từ mức 4I tới trạng thái siêu bền 11 / 2 4I Các bộ khuếch13 / 2

đại hai hoặc ba mức phải đợc thiết kế hợp lí để hạn chế sựtái hấp thụ tín hiệu do có sự tồn tại của quá trình hấp thụtrạng thái nền tại bớc sóng tín hiệu Hệ thống bốn mức đợc

mở rộng từ hệ thống ba mức Các trạng thái này không có sựhấp thụ trạng thái nền mà quá trình này có thể làm xuốngcấp đặc tính của các bộ khuếch đại ba mức

Đối với các mức năng lợng nh đã mô tả ở trên, hoạt độngcơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA nh sau [7, 13]:

Quá trình xẩy ra trong EDFA nhìn chung có thể đợcphân cấp thành bức xạ kích thích và bức xạ tự phát Khi cácion Erbium Er3+ đợc kích thích từ trạng thái nền thông qua sựhấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ ở các mứcnăng lợng cao hơn cho tới khi nó tới trạng thái siêu bền (trạngthái 4I ) Tín hiệu quang tới đầu vào sợi EDF sẽ đến gặp với13 / 2

các ion erbium đã đợc kích thích và đợc phân bố dọc theolõi sợi Qúa trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụcùng pha và hớng quang nh là tín hiệu tới, và chính vì thế

mà ta thu đợc cờng độ ánh sáng tín hiệu tại đầu ra EDF lớnhơn đầu vào Nh vậy đã đạt đợc quá trình khuếch đạitrong EDFA Các ion đã đợc kích thích mà không tơng tác với

ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền với hằng sốthời gian xấp xỉ 10ms Phát xạ tự phát SE (SpontaneousEmison) có pha và hớng ngâu nhiên Thông thờng thì có íthơn 1% SE đợc giữ lại trong mode sợi quang, và nó trở thànhmột nguồn nhiễu quang Nhiễu này sẽ đợc khuếch đại tạo ra

bức xạ tự phát đợc khuếch đại ASE ở trạng thái nền khi có sựhấp thụ photon bơm hoạt động trở lại, quá trình sẽ tự lặp lại.ASE sẽ làm suy giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệuqua bộ khuếch đại quang.

1.3.3 Bớc sóng bơm

Sự khuếch đại quang học đã đợc chứng minh với nhiềubớc sóng bơm (1480nm, 800nm, 650nm, 520nm, ), nhngtrong thực tế chỉ có bớc sóng ở 1480nm và 980nm là đợc sửdụng Hai bớc sóng này đợc sử dụng không những tránh đợc

sự hấp thụ ở các trạng thái kích thích, chúng còn có các tínhchất sau [7, 12]:

+ Bơm ở bớc sóng 1480nm:

- Cho ra công suất bơm cao vì công suất này dễ dàng

có đợc từ các diode laser bán dẫn hoạt động tại các bớc sóngnày

- Hiệu suất công suất tốt vì có sự khác nhau nhỏ giữacác bớc sóng vùng 1480nm và vùng 1550nm nơi mà các hệthống thông tin quang thờng sử dụng do có suy hao sợi rấtnhỏ

- Khi bơm cho EDFA từ xa thì suy hao sợi sẽ thấp hơn

- Phổ hấp thụ băng rộng cho nên yêu cầu tính chính xác

về bớc sóng bơm của laser ít nghiêm ngặt hơn

+ Bơm ở bớc sóng 980nm:

- Cho đặc tính nhiễu của EDFA tốt hơn

- Công suất đầu ra thấp hơn trong trờng hợp bơm ở bớcsóng 1480nm

- Khuếch đại tín hiệu trong các hệ thống nhiều kênhquang ít bị méo hơn

- Thiết bị này ít bị nhạy cảm với nhiệt độ hơn so với bớcsóng bơm 1480nm

1.3.4 Khuếch đại trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

Trong bộ khuếch đại quang, hệ số khuếch đại là mộttrong những tham số quan trọng nhất và nó thể hiện khảnăng làm tăng công suất tín hiệu truyền trong OFA Hệ sốkhuếch đại G của bộ khuếch đại quang đợc xác định nh sau[7, 11]:

)15.1(P

trong đó P và s P tơng ứng là các công suất tại đầu vào vàout

đầu ra của bộ khuếch đại quang; P là công suất nhiễu đợcsp

phát từ bộ khuếch đại quang nằm trong băng tần quang

Coi bộ khuếch đại quang là tổng hợp của chuỗi các bộkhuếch đại nhỏ với độ dài sợi tăng dần theo lát cắt z củaEDF Nh vậy G sẽ bao gồm toàn bộ các khuếch đại thànhphần g(z) dọc theo sợi:

g

0

z

n 2

Khuếch đại thực của bộ khuếch đại quang sợi có thể

đ-ợc xác định tuỳ thuộc vào mức biến đổi trung bình củatích luỹ ion Erbium nh sau:

ở đây  là hệ số giam giữa trờng tín hiệu và sự tíchs

luỹ ion Erbium có giá trị thay đổi từ 0  1, và giá trị tiêubiểu của nó là 0 ,3 0,6 L là độ dài sợi pha tạp Erbium N là2mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái siêu bền, là mật

độ tích luỹ trung bình ở trạng thái nền đợc xác định