Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA
Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19
1
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................. 2
1. TỔNG QUAN KHUẾCH ĐẠI QUANG .................................................. 3
1.1. Các đặc điểm của các chủng loại khuếch đại quang .......................... 3
1.2. Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi - pha tạp ............ 4
2. BỘ KHUẾCH ĐẠI EDFA ........................................................................ 5
2.1. Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA ........................................................... 5
2.2. Đặc tính của bộ khuếch đại EDFA: ................................................... 8
2.2.1. Đặc tính tăng ích (đặc tính khuếch đại): ..................................... 9
2.2.2. Đặc tính tạp âm nhiễu ............................................................... 11
2.2.3. Đặc tính công suất ra ................................................................. 14
2.3. EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng ............................ 15
2.3.1. Sự phân bố bước sóng quang trong hệ thống WDM ................ 16
2.3.2. Sự biến đổi tăng ích và công nghệ điều chỉnh tăng ích của
EDFA .................................................................................................. 17
2.3.3. Điều khiển giám sát EDFA trong hệ thống WDM ................... 18
2.4. Các vị trí đặt EDFA trong tuyến cáp sợi quang ............................... 19
KẾT LUẬN ( Trần Văn Khanh) ................................................................. 21
KẾT LUẬN ( Nguyễn Phùng Hưng) .......................................................... 22
Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA
Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19
2
L
LỜ
ỜI
I
N
NÓ
ÓI
I
Đ
ĐẦ
ẦU
U
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).
Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA
Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19
3
1
1.
.
T
TỔ
ỔN
NG
G
Q
QU
UA
AN
N
K
KH
HU
UẾ
ẾC
CH
H
Đ
ĐẠ
ẠI
I
Q
QU
UA
AN
NG
G
1
1.
.1
1.
.
C
Cá
ác
c
đ
đặ
ặc
c
đ
đi
iể
ểm
m
c
củ
ủa
a
c
cá
ác
c
c
ch
hủ
ủn
ng
g
l
lo
oạ
ại
i
k
kh
hu
uế
ếc
ch
h
đ
đạ
ại
i
q
qu
ua
an
ng
g
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
Công suất
bãohòa lối
ra(dBm)
8
11
20
-
9
Băng tần
khuếch
đại
(1-3)Ghz
(0,5-4)Thz
1Thz
50 Mhz
>5 Thz
Mức tạp
âm
(6-9) dB
(3-5) dB
-
-
5,2 dB
Suy hao
ghép vào
sợi
lớn
nhỏ
nhỏ
nhỏ
lớn
Phân cực
tín hiệu
TE-mode
độc lập
Tín
hiệu/bơm
Tín
hiệu/bơm
TE-mode
Hệ số
khuếch
đại
(25-30)dB
(40-50)dB
~50dB
~30dB
(20-30)dB
Dòng/công
suất bơm
10mA
20-100mW
~vài W
~vài W
~100mW
Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA
Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19
4
1
1.
.2
2.
.
N
Ng
gu
uy
yê
ên
n
l
lý
ý
h
ho
oạ
ạt
t
đ
độ
ộn
ng
g
c
củ
ủa
a
b
bộ
ộ
k
kh
hu
uế
ếc
ch
h
đ
đạ
ại
i
q
qu
ua
an
ng
g
s
sợ
ợi
i
-
-
p
ph
ha
a
t
tạ
ạp
p
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.
Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành để trở thành
các bộ khuếch đại theo hình 1.
a) b)
Hình 1: Cơ chế bức xạ ba mức a) và bốn mức b)
Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E1 được kích thích từ một nguồn
bức xạ có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển tới mức
cao hơn E2, từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo
cách bức xạ và phát ra photon. Hoặc nếu như có mức năng lượng thấp hơn
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.
Nếu thời gian sống của mức E3 đủ dài để điện tử được nguồn bơm
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
Phân rã
E2
E3
E1
E1
E4
E3
E2
bơm
bơm
Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA
Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19
5
photon có mức năng lượng tương đương với sự chênh lệch giữa mức E3 và
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,
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 1,06m và 1,32m; Er3+
có dải bức xạ 1,55m và 2,7m. Ngoài ra còn có Ho3+ bức xạ ở 2,08m và
Tm3+ cho bức xạ ở 2,3m. 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
2.
.
B
BỘ
Ộ
K
KH
HU
UẾ
ẾC
CH
H
Đ
ĐẠ
ẠI
I
E
ED
DF
FA
A
2
2.
.1
1.
.
C
Cấ
ấu
u
t
tr
rú
úc
c
b
bộ
ộ
k
kh
hu
uế
ếc
ch
h
đ
đạ
ại
i
E
ED
DF
FA
A
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.