Đề tài Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA

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 LỜI NÓI ĐẦU 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. 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 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 1.2. 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. 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 Phân rã 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 1,06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 Tm 3+ 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. 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. Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 6 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. Er 3+ 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 Bộ lọc quang Bộ ghép WDM Bộ cách ly Sợi quang pha tạp Erbium Laser bơm Vào Ra Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 7 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. 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. Bơm năng lượng =980nm Mức kích thích Phân rã không bức xạ Mức siêu bền Tín hiệu được khuếch đại Mức cơ bản Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 8 Bước sóng (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. 2,0 1,0 0,2 0,1 2,0 1,0 0,2 0,1 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Hấp thụ khuếch đại sợi Erbium (dB/km) Suy hao sợi thường (dB/km) Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 9 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. 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. (980:1530) (980:1550) (1480:1530) (1480:1550) 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 Hệ số khuếch đại (dB) 40 30 20 10 0 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 10 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. 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. 40 Hệ 30 số 20 k/đại 10 (dB) 0 -10 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 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 30 Hệ 20 số 10 k/đại 0 (dB) -10 1530nm tín hiệu 1550nm tín hiệu 1530nm tín hiệu 1550nm tín hiệu 980nm 980nm 980nm 980nm 1480nm 1480nm 1480nm 1480nm Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 11 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: - 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 G(dB) 30 20 10 0 5 10 15 Hình 3.7: Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi và phương thức bơm Bơm ngược chiều Bơm cùng chiều Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 12 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  Mật độ photon ở ngõ ra của bộ khuếch đại được cho như sau: Nm(L) = GNm(0) + nsp(G - 1) 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. Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 13 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:           hv e EEEEEEI spontsigspontsigspontsig  **22 spontsigtot EEE   10 Hệ 8 số 6 tạp 4 âm 2 (dBm) 0 Bơm ngược chiều Bơm cùng chiều 8 Hệ số tạp 7 âm (dBm) 6 5 10 0 Công suất -10 (dbm) -20 -30 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 ASE+ ASE Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 14 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. 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 SNRIN NF= SRNOUT   s sp s esp sp IG eBnG IG BBeGn GG G nNF 2 0 2 0 2 )1(2)2(111 2       Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 15 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. 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. 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. 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 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 16 + 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 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 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 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 17 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. Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 18 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 tăng ích. b) Hình 12: Nguyên lý hoạt động của công nghệ cân bằng tăng ích a) Đồ thị biểu diễn b) Sơ đồ khối 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 Hệ số khuếch đại (dBm) 1500 1520 1540 1560 Bước sóng () 1500 1520 1540 1560 Bước sóng () 1500 1520 1540 1560 Bước sóng () a) Bộ cách ly quang Bộ phối ghép quang Bộ lọc cân bằng Bộ phối ghép quang Bộ cách ly quang Sợi quang EDF Sợi quang EDF Bơm quang Bơm quang Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 19 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. 2.4. Các vị trí đặt EDFA trong tuyến cáp sợi quang + 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. Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 20 + 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 được công suất tín hiệu và eSNR thích hợp. 66 60 54 48 42 36 30 24 18 12 06 0 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 (km) BA (trước máy phát) Ptx = -2,5dBm G = 15dB PA (trước máy thu) Ptx = 8dBm G = 15dB PA (trên đường truyền) Ptx = 8dBm G = 15dB Hình 13: eSNR thay đổi theo khoảng cách trong 3 trường hợp LA-BA-PA Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 21 KẾT LUẬN ( Trần Văn Khanh) 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. Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 22 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.