Tiểu luận: Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

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

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

LLỜỜII NNÓÓII ĐĐẦẦUU

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).

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

11.. TTỔỔNNGG QQUUAANN KKHHUUẾẾCCHH ĐĐẠẠII QQUUAANNGG

11..11.. CCáácc đđặặcc đđiiểểmm ccủủaa ccáácc cchhủủnngg llooạạii kkhhuuếếcchh đđạạii qquuaanngg

Loại

Khuếch

Khuếch đại

thiết bị

đại laser

đại quang

đại Raman

Brillouin

Laser TW-

FP-LD

sợi

LD

Bức xạ từ

Tán xạ

Bức xạ từ

nghịch đảo

Raman

Brillouin

nghịch đảo độ

Nguyên lý

độ tích lũy

được kích

tích lũy môi

môi trường

thích

trường

Công suất

bãohòa lối

ra(dBm)

Băng tần

(1-3)Ghz

(0,5-4)Thz

1Thz

50 Mhz

>5 Thz

khuếch

đại

(6-9) dB

(3-5) dB

5,2 dB

Mức tạp

âm

Suy hao

lớn

nhỏ

lớn

ghép vào

sợi

TE-mode

độc lập

Tín

TE-mode

Phân cực

hiệu/bơm

tín hiệu

Hệ số

(25-30)dB

(40-50)dB

~50dB

~30dB

(20-30)dB

khuếch

đại

10mA

20-100mW

~vài W

~100mW

Dòng/công

suất bơm

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

11..22.. NNgguuyyêênn llýý hhooạạtt đđộộnngg ccủủaa bbộộ kkhhuuếếcchh đđạạii qquuaanngg ssợợii -- pphhaa ttạạpp

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.

E2

Phân rã

E3

 bơm

E4

Phân rã

E1

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

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

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 1,06m và 1,32m; Er3+

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

Tm3+ cho bức xạ ở 2,3m. 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.

22.. BBỘỘ KKHHUUẾẾCCHH ĐĐẠẠII EEDDFFAA

22..11.. CCấấuu ttrrúúcc bbộộ kkhhuuếếcchh đđạạii EEDDFFAA

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.

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

Bộ ghép WDM Bộ cách ly Sợi quang pha tạp Erbium

Vào

Ra

Bộ lọc quang

Laser bơm

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

Biểu đồ mức năng lượng của ion Erbium được mô tả như hình 3. Er3+ 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

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

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

Mức kích thích

Phân rã không bức xạ

Mức siêu bền

Tín hiệu được khuếch đại

Mức cơ bản

thích.

Bơm năng lượng =980nm

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.

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

2,0

Hấp thụ khuếch đại sợi Erbium (dB/km)

2,0 Suy hao sợi thường (dB/km) 1,0 0,2 0,1

Bước sóng (m) Hình 4: Phổ hấp thụ của sợi quang thông thường và sợi quang Erbium

1,0 0,2 0,1 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

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.

22..22.. ĐĐặặcc ttíínnhh ccủủaa bbộộ kkhhuuếếcchh đđạạii EEDDFFAA

Các đặc tính cơ bản của EDFA là đặc tính tăng ích, đặc tính công

suất ra và đặc tính âm.

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

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

(980:1530)

(980:1550)

(1480:1530)

(1480:1550)

Hệ số khuếch đại (dB)

980nm và 1480nm là cho hiệu quả cao nhất.

40 30 20

10 0

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 sóng 980nm và 1480nm

Theo hình 5 hệ số khuếch đại của EDFA có khả năng khuếch đại cao

nhất khi tín hiệu ở bước sóng 1530nm và 1550nm.

Nhận xét:

+ Với công suất bơm cao, bước sóng 980nm sẽ cho hệ số khuếch đại

cao hơn so với bước sóng bơm 1480nm, điều này có nghĩa là tại bước sóng

980nm sẽ đạt được sự nghịch đảo mật độ cao hơn so với bước sóng

1480nm.

+ Với công suất bơm cao, hệ số khuếch đại đối với bước sóng

1530nm cao hơn so với bước sóng 1550nm.

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

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

1480nm

980nm

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

1530nm tín hiệu 1550nm tín hiệu 40 Hệ 30 số 20 k/đại 10 (dB) 0 -10

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

1480nm

980nm

1530nm tín hiệu 1550nm tín hiệu

30 Hệ 20 số 10 k/đại 0 (dB) -10

40 Hệ 30 số 20 k/đại 10 (dB) 0 -10 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 điện là -40dB 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.

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

Ngoài ra hệ số khuếch đại còn phụ thuộc vào phương thực bơm là

Bơm ngược chiều Bơm cùng chiều

G(dB) 30 20 10

0 5 10 15

cùng chiều hay ngược chiều với tín hiệu như hình 7.

Hình 3.7: Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi và phương thức bơm

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:

- 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

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

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.

Hình 8: Sự tương tác ánh sáng tại tần số  với một bộ khuếch đại hai mức

với hệ số khuếch đại G tại tần số 

Nm(L) = GNm(0) + nsp(G - 1)

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

Trong vế phải, thành phần thứ nhất tương ứng với tín hiệu được

khuếch đại, còn thành phần thứ 2 tương ứng với phát xạ tự phát được

khuếch đại hay nhiễu ở ngõ ra của bộ khuếch đại. Ta tính toán công suất

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

được công suất nhiễu ở ngõ ra trong băng thông  xung quang tần số 

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

PASE = nsp(G-1)h

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

án. Một chú ý quan trọng là biểu thức tính PASE trong phương trình cần

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

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

Bơm ngược chiều

ASE

ASE+

Bơm cùng chiều

10 0 Công suất -10 (dbm) -20 -30

8 Hệ số tạp 7 âm (dBm) 6 5 0 2 4 6 8 10 12 14 -50 -40 -30 -20 -10 -0 Chiều dài (m) Công suất vào của tín hiệu (dBm)

Hình 9: Hệ số tạp âm EDFA 10 Hệ 8 số 6 tạp 4 âm 2 (dBm) 0

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

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:

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

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:

SNRIN NF= SRNOUT

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.

2.2.3. Đặc tính công suất ra

Với bộ khuếch đại quang lý tưởng không kể công suất vào cao bao

nhiêu, tín hiệu quang đề được khuếch đại theo tỷ lệ như nhau. Nhưng thực

tế không phải như vậy, khi công suất vào tăng lên, bức xạ bị kích thích tăng

nhanh, giảm số hạt chuyển động ngược lại, quang bức xạ bị kích thích yếu

đi, dẫn đến bão hòa tăng ích, công suất phát có xu hướng ổn định. Bão hòa

tăng ích là đặc tính là hệ số khuếch đại giảm khi tín hiệu vào tăng. Đặc tính

bão hòa tăng ích là đặc tính vô cùng quan trọng do ccông suất đầu ra của bộ

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

khuếch đại liên quan đến cự ly truyền dẫn và cự ly trạm lặp hoặc làm tăng

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.

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 10: Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của EDFA

22..33.. EEDDFFAA ttrroonngg hhệệ tthhốốnngg gghhéépp kkêênnhh tthheeoo bbưướớcc ssóónngg

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.

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.

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

+ 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.

2,2 1,8 1,4 Suy hao (dB/km) 1,0 0,6 0,2

1000 1200 1400 1600 1800 Bước sóng (nm) Hình 11: Đường cong suy hao của sợi quang

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

thể dùng trong phổ tần tổn hao thấp của sợi quang có tăng ích là 1530 

1565 cũng tức là tất cả các kênh tín hiệu của hệ thống WDM đều phải nằm

trong băng tần này. Tuy nhiên để phát triển đầy đủ tài nguyên bước sóng,

bộ khuếch đại quang lý tưởng phải có đủ băng tần tăng ích. Khoảng băng

tần tăng ích có thể sử dụng là 20 - 40nm chỉ có thể thỏa mãn cho hệ thống

ghép kênh 3 - 32 kênh tín hiệu. Do đó nếu muốn tăng băng tần hơn nữa để

lợi dụng tài nguyên bước sóng thì cần phải có bộ khuếch đại kiểu mới.

Ngoài ra việc lựa chọn các khoảng cách tần số phải thỏa mãn số

lượng bước sóng không quá nhiều để đảm bảo cho việc điều khiển giám

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

sát, tất cả các bước sóng này phải nằm trên đường cong tăng ích của EDFA

làm cho tăng ích đồng đều trong phạm vi toàn bước sóng.

2.3.2. Sự biến đổi tăng ích và công nghệ điều chỉnh tăng ích của EDFA

+ Sự biến đổi tăng ích:

Yêu cầu đặc biệt của hệ thống truyền dẫn WDM đối với EDFA là

tăng ích bằng phẳng (Gain Flatting). Trong hệ thống WDM, nếu công suất

đưa vào biến đổi thậm chí mất hẳn một vài kênh, thì tăng ích của công suất

đưa ra tại các kênh còn lại sẽ biến đổi nhảy vọt, công suất bơm của EDFA

sẽ phân phối lại trong các kênh còn lại, dẫn đến tắc nghẽn đường dây. Cho

nên EDFA trong các hệ thống WDM phải có chức năng kìm hãm tăng ích.

Trong hệ thống WDM yêu cầu độ tăng ích bằng phẳng của một bộ

khuếch đại phải hạn chế trong 1dB.

+ Các công nghệ điều chỉnh tăng ích:

Những biện pháp khắc phục các vấn đề do tăng ích của EDFA không

bằng phẳng gây ra:

Chọn lựa khu vực tăng ích bằng phẳng của EDFA:

Giai đoạn hiện nay của hệ thống WDM thực tế phần lớn làm việc ở

đoạn sóng 1548 ~ 1560nm. Căn cứ vào khuyến nghị của ITU-T trong đoạn

sóng này chọn 16 bước sóng làm bước sóng công tác của hệ thống WDM.

Trong đoạn sóng đó tăng ích của EDFA tương đối bằng phẳng, có thể thực

hiện được yêu cầu của tăng ích.

Công nghệ tăng ích cân bằng:

Công nghệ cân bằng tăng ích là sử dụng đặc tính tổn hao của bộ cân

bằng và đặc tính tăng ích bước sóng của bộ khuếch đại ngược nhau đã loại

bỏ được sự không bằng phẳng của tăng ích. Bộ cân bằng sử dụng hiện nay

chủ yếu là bộ lọc quang tiêu chuẩn, bộ lọc màng mỏng nhiều lớp, lưới sợi

quang và đường dẫn sóng bằng phẳng.

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

Sử dụng công nghệ cân bằng tăng ích làm giảm đi khả năng sai lệch

tăng ích rất lớn. Ví dụ khi truyền dẫn tín hiệu 32 kênh WDM sai lệch tăng

ích của một bộ khuếch đại ước chừng là 5dB, khi có bộ cân bằng tăng ích

có sử dụng bộ lọc quang tiêu chuẩn thích ứng với 8, 16, 32 kênh WDM thì

sai lệch tăng ích chỉ là 0,28dB, do đó đảm bảo được độ bằng phẳng của

Hệ số khuếch đại (dBm)

1500 1520 1540 1560 Bước sóng ()

1500 1520 1540 1560 Bước sóng () a)

Sợi quang EDF

Bộ cách ly quang

Bộ phối ghép quang

Bộ lọc cân bằng

Bộ cách ly quang

Bơm quang

b) Hình 12: Nguyên lý hoạt động của công nghệ cân bằng tăng ích a) Đồ thị biểu diễn b) Sơ đồ khối

tăng ích.

2.3.3. Điều khiển giám sát EDFA trong hệ thống WDM

Khác với hệ thống SDH thông thường, trong hệ thông WDM có sử

dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA nên tăng thêm nhu cầu giám sát quản

lý đối với EDFA; do đó yêu cầu hệ thống WDM phải có hệ thống điều

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

khiển giám sát, hiện nay thường dùng cách truyền dẫn tín hiệu trên một

bước sóng mới.

+ Công nghệ điều khiển giám sát bước sóng ngoài băng:

Đối với hệ thống ghép kênh sử dụng bộ khuếch đại đường dây cần

thêm một tín hiệu điều khiển giám sát kênh, tín hiệu này có tỷ lệ lỗi bit vừa

đủ thấp để tách nhập tại mỗi bộ chuyển tiếp hay khuếch đại quang. ITU-T

khuyến nghị nên dùng một bước sóng nhất định để làm kênh tín hiệu điều

khiển giám sát, bước sóng này nằm ở ngoài băng tần truyền dẫn dịch vụ, có

thể chọn 1310nm, 1410nm, 1510nm, nhưng ưu tiên chọn 151010nm.

+ Công nghệ điều khiển giám sát bước sóng trong băng:

Công nghệ điều khiển giám sát bước sóng trong băng là chọn bước

sóng trong băng tần tăng ích của EDFA 15324nm để làm tín hiệu điều

khiển giám sát. Ưu điểm là lợi dụng được tăng ích của EDFA. Lúc này tốc

độ truyền dẫn của hệ thống điều khiển giám sát nâng lên đến 155Mbit/s.

+ Công nghệ điều khiển giám sát bước sóng kết hợp trong và ngoài

băng:

Ngoài ra còn sử dụng thêm phương thức kết hợp giữa tín hiệu điều

khiển giám sát trong và ngoài băng tùy theo các lớp trong hệ thống truyền

dẫn.

22..44.. CCáácc vvịị ttrríí đđặặtt EEDDFFAA ttrroonngg ttuuyyếếnn ccáápp ssợợii qquuaanngg

+ Trường hợp BA (đặt ngay sau máy phát): Cho tỷ số eSNR lớn hơn

trong trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát và điều khiển.

Tuy nhiên, công suất ngõ ra không được cao quá 15dBm do điều kiện kết

nối với sợi quang. Điều này giới hạn độ khuếch đại của EDFA và công suất

phát.

+ Trường hợp PA (đặt ngay trước máy thu): Có thể cho công suất

đến máy thu lớn. Tuy nhiên, nhiễu tại đầu ra của EDFA sẽ có giá trị lớn tại

đầu vào máy thu do ít bị suy giảm. Điều này giới hạn tỷ số eSNR.

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

+ Trường hợp PA (đặt giữa đường truyền): Ở trường hợp này, ta có

thể tăng công suất phát và hệ số khuếch đại EDFA một cách hợp lý để đạt

BA (trước máy phát) Ptx = -2,5dBm G = 15dB

PA (trên đường truyền) Ptx = 8dBm G = 15dB

được công suất tín hiệu và eSNR thích hợp.

PA (trước máy thu) Ptx = 8dBm G = 15dB

50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 (km)

66 60 54 48 42 36 30 24 18 12 06 0

Hình 13: eSNR thay đổi theo khoảng cách trong 3 trường hợp LA-BA-PA

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

KKẾẾTT LLUUẬẬNN (( TTrrầầnn VVăănn KKhhaannhh))

Các ưu điểm của EDFA:

+ EDFA không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi nên mạch

sẽ trở nên linh hoạt hơn.

+ EDFA có cấu trúc nhỏ nên có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng

một trạm, do đó có thể làm cho hệ thống linh hoạt hơn.

+ Có thể hạ thấp được giá thành của hệ thống do có cấu trúc đơn

giản của EDFA, cáp có trọng lượng nhỏ nâng cao được khoảng cách lặp và

dung lượng truyền dẫn.

+ Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại tín hiệu như bộ khuếch

đại quang bán dẫn.

Các khuyết điểm:

+ Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng

+ Băng tần hiện nay bị giới hạn trong băng C và băng L

+ Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly

truyền dẫn.

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

Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

KẾT LUẬN ( Nguyễn Phùng Hưng)

Đối với bộ khuếch đại sợi quang EDFA, bước sóng bơm 1480nm

cho hiệu quả tốt hơn đối với bước sóng tín hiệu đang được dùng phổ biến

hiện nay là 1550nm. Trong tương lai nếu giải quyết được vấn đề độ tin cậy

của bước sóng 980nm thì có thể sử dụng bước sóng này.

EDFA có công suất nguồn nuôi nhỏ nên áp dụng cho các tuyến

thông tin quang vượt biển, cáp sẽ có cấu trúc nhỏ hơn, nhẹ hơn cáp thông

thường.

EDFA có tạp âm và mức xuyên âm thấp, công suất bão hòa cao, phổ

khuếch đại tương đối phẳng do đó có thể dùng trong các hệ thống cáp

truyền hình (CATV).

Các hệ thống thông tin sợi quang đường dài có thể sử dụng chuỗi

EDFA trong truyền dẫn. Cự ly truyền dẫn có thể đạt được xa hơn nhờ sử

dụng các EDFA, có nhiễu thấp và độ khuếch đại cao.

Việc sử dụng chuỗi EDFA để thay thế các trạm lặp trong hệ thống

thông tin sợi quang đường dài, đặc biệt đối với hệ thống cáp quang biển, là

rất phù hợp cho đặc điểm hơn hẳn của nó. Vấn đề đặt ra ở đây là việc tính

toán vị trí đặt các EDFA và ảnh hưởng của nhiễu tích lũy từ những EDFA

này tới đặc tính BER tại máy thu.