Khuếch đại sợi quang pha trộn erbium EDFA

Trong các loại OFA, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại 1530nm-1565nm thích hợp với dải tần hoạt động c

Đối với hầu hết các tuyến thông tin quang truyền thống, khi cự ly truyền dẫn dài tới một mức nào đó mà suy hao vượt quá công suất dự phòng, mức phân bổ suy hao không đủ để thỏa mãn yêu cầu phía thu, cần phải sử dụng các trạm lặp Các trạm lặp này có nhiệm vụ khuếch đại quang trên đường truyền Đây là quá trình biến đổi tín hiệu quang rất yếu tại đầu vào của bộ lặp thành tín hiệu điện, khuếch đại lên, chỉnh lại thời gian, dạng tín hiệu đó sau biến đổi lại thành tín hiệu quang, lúc này đã được khuếch lên nhiều lần, tại đầu ra và phát vào đường truyền

Thời gian gần đây cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực, người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại quang trực tiếp gọi là kỹ thuật khuếch đại quang Điều đó có nghĩa là không phải thực hiện quá trình biến đổi quang - điện - quang phức tạp Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được các hạn chế của lặp về băng tần, nhiễu điện, mức xuyên âm, phổ khuếch đại vv Việc sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sẽ làm tăng cự ly truyền dẫn của các hệ thống thông tin sợi quang, đặc biệt là các tuyến cáp quang biển, từ đó sẽ phát triển một hệ thống thông tin quang toàn cầu

Để khuếch đại quang, người ta đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều loại bộ khuếch đại quang khác nhau được chia thành 2 loại chính: Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconduction Amplifier) và khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier) Trong các loại OFA, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

1 TỔNG QUAN KHUẾCH ĐẠI QUANG

1.1 Các đặc điểm của các chủng loại khuếch đại quang

Loại

thiết bị

Khuếch đại laser FP-LD

Khuếch đại quang sợi

Khuếch đại Raman

Khuếch đại Brillouin

Khuếch đại Laser TW-LD

Nguyên lý

Bức xạ từ nghịch đảo

độ tích lũy môi trường

Bức xạ từ nghịch đảo

độ tích lũy môi trường

Tán xạ Raman được kích thích

Tán xạ Brillouin được kích thích

Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường

1.2 Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi - pha tạp

Các chất kích tạp và các chất nhạy cảm dùng để pha tạp sợi dẫn quang với các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa ion đất hiếm

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

E3 nó sẽ thả không bức xạ tới mức đó, từ đây điện tử có thể phân rã xuống mức năng lượng E1 (hình 1 a) hay E4 (hình 1 b) thông qua quá trình bức xạ

tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích

kích thích thì có thể xảy ra sự nghịch đảo độ tích lũy Đây là điều kiện để

có số điện tử trên mức siêu bền E3 nhiều hơn mức tới (E1 hay E4) Một

E1 (đối với 3 mức) hay giữa E3 và E4 (đối với 4 mức) thì nó sẽ kích thích các điện tử ở mức E3 rơi xuống mức E1 hay E4 và phát thêm một photon,

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

photon này cùng pha và hướng với photon tới (hiện tượng này gọi là bức xạ kích xạ kích thích của các photon) Bức xạ làm xuất hiện thêm các photon cùng pha và cùng hướng với các photon tới, điều này có nghĩa là ánh sáng

đã được khuếch đại Trong hình 1 còn lưu ý rằng ở điều kiện không kích thích, hầu hết các điện tử ở trạng thái cơ bản E1, vì thế nên thông thường thì giá trị ngưỡng ở các laser bốn mức thấp hơn so với laser ba mức

Có nhiều ion đất hiếm có các dải huỳnh quang, vì vậy cho khả năng bức xạ kích thích, điều này tạo ra các ứng dụng trong khuếch đại các tín hiệu quang Đáng chú ý nhất là Nd3+ có dải bức xạ 1,06µm và 1,32µm; Er3+

có dải bức xạ 1,55µm và 2,7µm Ngoài ra còn có Ho3+ bức xạ ở 2,08µm và

Tm3+ cho bức xạ ở 2,3µm Hiện nay sử dụng rộng rãi là bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA) do có nhiều ưu điểm như tăng ích đưa ra cao, băng tần rộng, tạp âm thấp và phù hợp với bước sóng suy hao có sẵn trong sợi quang

2 BỘ KHUẾCH ĐẠI EDFA

2.1 Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA

Cấu trúc tiêu biểu của bộ EDFA được chỉ ra như hình 2 EDFA có thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực Đoạn sợi pha tạp Erbium được ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thường có chiều dài khoảng 10 - 20m Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM

để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

Bộ lọc quang

Bộ ghép WDM Bộ cách ly Sợi quang pha

tạp Erbium

Hình 2: Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA

ở trạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lượng thấp nhất, khi bơm quang hạt Erbium hấp thụ năng lượng rồi chuyển tiếp lên mức năng lượng cao hơn Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên mức năng lượng cao hơn Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên cũng khác nhau Sự dịch chuyển điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra photon, photon này bức xạ có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát (sự phân hủy tự nhiên của các ion mà không có bất cứ một động tác nào chen vào) hay kích thích (do sự có mặt của các photon có chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển, kích thích sự phát xạ và tạo ra photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng) Trong quá trình bức xạ kích thích, nó tạo ra số photon cùng pha cùng hướng với photon tới, như vậy là đã tạo ra được quá trình khuếch đại trong EDFA Bức xạ tự phát tạo ra các photon cùng pha và hướng ngẫu nhiên, điều này gây ra nhiễu trong EDFA gọi là nhiễu do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) Tuy nhiên thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao khoảng 10ms đủ để đảm bảo thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ion Erbium đợi để khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ tự kích thích

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

Laser bơm

Mức kích thích

Hình 3: Giản đồ năng lượng Erbium

Hình 4 so sánh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông thường dùng trong truyền dẫn Sự hấp thụ quang xảy ra trong các loại cáp thông thường là thấp trong dải bước sóng tập trung khoảng 1550nm, nơi

mà hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km có nghĩa là 5% ánh sáng truyền qua bị hấp thụ trong 1km Ngược lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100ppm ở trong lõi có thể gây ra sự hấp thụ 2dB/km ở cùng bước sóng bơm

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

sợi Erbium (dB/km)

Suy

hao

sợi thường

(dB/km)

Bước sóng ( µ m)

Hình 4: Phổ hấp thụ của sợi quang thông thường và sợi quang Erbium

Laser bơm trong EDFA là laser bán dẫn thông thường và được gọi là nguồn bơm Nguồn bơm có thể bơm ở nhiều bước sóng nhưng hiệu quả cao nhất là ở hai bước sóng 980nm và 1480nm Khi sử dụng EDFA thì chỉ cần một nguồn bơm có công suất nhỏ từ 10 đến 100mW là đủ để công suất ra lớn theo yêu cầu, điều này giảm nguồn nuôi lên hệ thống EDFA có cấu trúc nhỏ nhẹ, linh hoạt Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì

nó được bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu Hiện tại thì bước sóng bơm 1480nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng có sẵn và

độ tin cậy cao hơn Nếu tăng được độ ổn định của laser diode có bước sóng 980nm thì chúng có thể được chọn làm nguồn bơm

2.2 Đặc tính của bộ khuếch đại EDFA:

Các đặc tính cơ bản của EDFA là đặc tính tăng ích, đặc tính công suất ra và đặc tính âm

2.2.1 Đặc tính tăng ích (đặc tính khuếch đại):

Đặc tính tăng ích biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, định nghĩa là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm

Nhiều kết quả nghiên cứu đã cho kết luận rằng hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm và nếu đặt bước sóng bơm tại 980nm và 1480nm là cho hiệu quả cao nhất

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

+ Với công suất bơm cao, hệ số khuếch đại đối với bước sóng 1530nm cao hơn so với bước sóng 1550nm.

Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi và phương thức bơm:

Hình 6 biểu thị mối quan hệ và chiều dài sợi quang

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

0 10 20 30 40

Công suất bơm (mW)

Hình 5: Hệ số khuếch đại là một hàm của công suất bơm với 14m chiều dài của sợi Silico Al-Ge pha tạp Erbium được bơm tại bước

0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 60 70

Chiều dài bộ khuếch đại (m) Chiều dài bộ khuếch đại (m)

Hình 6(a): Hệ số khuếch đại tín hiệu tại 1530nm và 1550nm, bước sóng bơm 980nm và 1480nm với công suất bơm là 40 mW và công suất tín hiệu điện là

-40dB

1530nm tín hiệu 1550nm tín hiệu

980nm

980nm 1480nm 1480nm

Lúc đầu khả năng tăng ích tăng lên khi chiều dài sợi quang tăng, nhưng sau khi sợi quang dài quá độ dài nhất định, tăng ích sẽ giảm dần, vậy

có một độ dài nhất định để đạt được khả năng khuếch đại tối đa

Ngoài ra hệ số khuếch đại còn phụ thuộc vào phương thực bơm là cùng chiều hay ngược chiều với tín hiệu như hình 7

2.2.2 Đặc tính tạp âm nhiễu

Trong sợi pha tạp Erbium, các photon bức xạ tự phát có pha và hướng ngẫu nhiên Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang, lan truyền dọc theo lõi sợi và được khuếch đại thành các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu quang Tạp âm của EDFA chủ yếu có

4 loại:

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

30 Hệ 20

số

10

k/đại

0 (dB) -10

0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50

Chiều dài bộ khuếch đại (m) Chiều dài bộ khuếch đại (m)

Hình 6(b): Hệ số khuếch đại tín hiệu tại 1530nm và 1550nm, bước sóng bơm 980nm và 1480nm với công suất bơm là 10 mW và công suất tín hiệu

- Tạp âm tán hạt của tín hiệu quang

- Tạp âm tán hạt bức xạ tự phát bị khuếch đại (ASE)

- Tạp âm phách giữa quang phổ ASE và tín hiệu

- Tạp âm phách giữa các quang phổ ASE

Trong 4 tạp âm trên có 2 loại tạp âm thứ 3 và thứ 4 có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt tạp âm thứ 3 là nhân tố quang trọng quyết định tính năng của EDFA

Ngoài ra còn có nhiễu bắn có nguồn gốc phát sinh thời gian đến của các photon tại bộ tách quang không giống nhau và do tốc độ chuển động và

số lượng các hạt tải điện qua tiếp giáp P-N của bộ tách quang thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian Bộ khuếch đại quang đặt trước diode tách quang nên

nó là một trong các nguồn sinh ra nhiễu bắn

Nguồn gốc của nhiễu trong các bộ khuếch đại quang:

Gọi Nm(0), Nm(L) là mật độ photon ở ngõ vào và tại ngõ ra của bộ khuếch đại, G là hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại

Mật độ photon ở ngõ ra của bộ khuếch đại được cho như sau:

nhiễu tại ngõ ra cho mode này và tính số mode trong dải tần số ρυ để thu

khi đó hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại là G:

P ASE = n sp (G-1)hυ∆υ

Là phương trình cơ bản trong việc tính nhiễu trong hệ thống khuếch đại quang, nó cũng được dùng nhiều trong phần tính toán thiết kế của đồ

nhân thêm một hệ số mt để thu được tổng công suất nhiễu ASE

Hình 9 cho thấy ảnh hưởng của các phương thức bơm khác nhau đối với hệ số tạp âm, khi sợi quang trồn Erbium tương đối dài thì hệ số tạp âm khi bơm ngược chiều cao hơn với khi bơm cùng chiều

Nhiễu tại ngõ ra bộ khuếch đại quang:

Trong các hệ thống thông tin ánh sáng dùng các bộ khuếch đại quang, tín hiệu quang được biễn đổi sang tín hiệu điện ở cuối đường truyền Các bộ tách sóng sẽ biến đổi các photon thành electron, phát xạ tự

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

E E

5

10 0 Công suất -10 (dbm) -20 -30

phát tồn tại trong bộ khuếch đại quang sẽ gây ra sự gia tăng đối với tín hiệu điện, đó được xem như là nhiễu, nó hoàn toàn ngẫu nhiên chứ không chứa thông tin Điện trường tổng cộng ở bộ tách sóng bằng tổng các trường của ánh sáng phát xạ tự phát và ánh sáng tín hiệu:

Dòng photodiode được tạo ra tại ngõ thu:

Thành phần đầu tiên là cường độ tín hiệu Các thành phần tiếp theo tương ứng với nhiễu Thành phần thứ 2 tương ứng với sản phẩm của điện trường phát xạ tự phát với bản thân nó và gọi là thành phần nhiễu pha tự phát - tự phát (sp - sp) Thành phần còn lại là sản phẩm của điện trường tín hiệu và điện trường phát xạ tự phát, được gọi là thành phần nhiễu pha tín hiệu - tự phát (s - sp) Dấu (*) để chỉ các thành phần phức bù

Tính tỷ số nhiễu NF (Noise Figure)

Trong bộ khuếch đại quang, tỷ số nhiễu được đưa ra nhằm đánh giá chất lượng của bộ khuếch đại quang Nó được định nghĩa:

Với SRNin, SRNout: Tỷ số tín hiệu trên nghiễu ở đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại Qua quá trình tính toán NF được cho như sau:

Ta thấy khi G>>1, công suất đầu vào cao và băng thông quang đủ nhỏ thì NF ~ 2nsp Trong trường hợp lý tưởng, nsp=1 và do đó NF=2(dB) Các bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium có thể đạt được tỷ số nhiễu giới hạn là 3dB

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

+ +

≈

hv

e E

E E

E E

e sp

sp

I G

eB n G I

G

B B e G n G G

G n

2

) 1 ( 2 ) 2

( 1 1

+

−

=

số đầu ra trong cấu hình phân phối sợi quang Hình 3.10 thể hiện mối quan

hệ giữa đầu vào và đầu ra trong EDFA

2.3 EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng

Đặc điểm nổi bật ở hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM là khả năng tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode Những năm gần đây công nghệ WDM đã có những đột phá rất lớn Sở dĩ công nghệ WDM phát triển nhanh chóng vì việc nghiên cứu thành công và ứng dụng bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium EDFA

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19

C C: Bơm 2 chiều

B B: Bơm ngược hướng

A A: Bơm cùng hướng

20 Công suất ra 10 (dBm) 0

-20 -10 0

Công suất vào (dBm)

Hình 3.10 Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của

EDFA

Để nâng cao chất lượng của hệ thống truyền dẫn WDM, kỹ thuật khuếch đại quang sự dụng trong hệthống WDM cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Băng tần đủ tăng ích bằng phẳng, hệ số tạp âm thấp và công suất đưa ra cao Đặc biệt là tăng ích bằng phẳng vì đây là yêu cầu đặc biệt của

hệ thống truyền dẫn WDM đối với EDFA

+ Phổ khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng

+ Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

+ EDFA phải có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào và điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại đối với tất cả các kênh

2.3.1 Sự phân bố bước sóng quang trong hệ thống WDM

Hình 11 biểu diễn đường cong suy hao của sợi quang trên 2 cửa sổ 1310nm và 1550nm Hiện nay tất cả các bộ khuếch đại quang nói chung có

Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh Kỹ thuật điện tử K19