Khuếch đại quang

mơc lơc
I.
Tỉng quan vỊ hƯ thèng th«ng tin quang ...................................... 7
II. Kỹ thuật khuếch đại quang .................................................. 10
1. Giới thiệu sơ lợc về kỹ thuật khuếch đại quang. ........................... 10
2. Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng khuếch đại .......................... 13
3. Khuếch đại laser bán dẫn (SLA) ............................................. 15
3.1 Bộ khuếch đại Febry- Perot. .................................................... 17
a. Dải thông 3dB. ........................................................................... 18
b. Sự bÃo hoà hệ số khuếch đại ....................................................... 19
3.2 Bộ khuếch đại sóng chạy TWA. ............................................. 20
a. Dải thông 3dB ............................................................................ 20
b. Hệ số khuếch đại bÃo hoà. ....................................................... 20
c. Xuyên âm ............................................................................... 20
4. Khuếch đại quang sợi........................................................... 22
5. Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA)..... 23
5.1 CÊu tróc cđa modul EDFA ..................................................... 23
5.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA. .......................................... 27


Thuật ngữ viết tắt
AGC
AP
APC
ASE
BA
BER
DCF
DSF
EDF
EDFA

Automatic Gain Control
Apotaption Function
Automatic Power Control
Amplifier Spontaneous Emission
Booster amplifier
Bit Error Rate
Dispersion Compensation Fiber
Dispersion Shifted Fiber
Erbium DopedFiber
Erbium DopedFiber Amplifier

FPA
ICI
LA
NF
OA
OAN
ODN
OFA
OFDM

Febry- Perot amplifier
Interchannel interferent
Line amplifier
Noise Figure
Optical amplifier
optical access network
Optical Distribution Network
Optical Fiber Amplifier

Optical Frequency Division
Multiplexing

ONU
OLT
OTDM
OXC
OI
PA
PON
SLA
SONET
TWA
WADM
WC
WDM

Optical Network Unit
Optical Line Termination
Optical Time Division Multiplexing
Optical Cross Connection
Optical Isolation
Pre- amplifier
Passive Optical Network
Semiconductor Laser Amplifier
Synchronous Optical Network
Travel Wavelength amplifier
Wavelengh Add-Drop Multiplexer
Wavelength conersion
Wavelength Division Multiplexer

6

Tù ®éng điều chỉnh khuếch đại
Chức năng thiết lập
Tự động điều chỉnh công suất
Khuếch đại bức xạ tự phát
Khuếch đại công suất
Tỷ lệ lỗi bít
Sợi bù tán sắc
Sợi quang tán sắc dịch chuyển
Sợi quang pha tạp Erbium
Khuếch đại quang sợi pha tạp
Erbium
Khuếch đại Febry- Perot
Nhiễu xuyên kênh
Khuếch đại đờng truyền
Hình ảnh nhiễu
Khuếch đại quang
Mạng truy nhập quang
Mạng phân phối quang
Khuếch đại quang sợi
Ghép kênh phân chia theo tần số
Khối mạng quang
Đầu cuói đờng quang
Ghép kênh phân chia theo thời gian
Kết nối chéo quang
Bộ cách ly quang
Tiền khuếch đại
Mạng quang thụ động

Khuếch đại laser bán dẫn
Mạng quang đồng bộ
Khuếch đại sóng chạy
Bộ xen tách kênh theo bớc sóng
Bộ chuyển đổi bớc sóng
Ghép kênh ph©n chia theo b−íc
sãng


Chơng I : Kỹ

Thuật khuếch đại quang sợi

I. Tổng quan vỊ hƯ thèng th«ng tin quang
Th«ng tin quang cã tỉ chức hệ thống cũng tơng tự các hệ thống thông tin
khác vì thế thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo
một hệ thống thông tin chung .Đây là nguyên lý mà loài ngời ®· sư dơng ngay
tõ thêi kú khai sinh ra c¸c hình thức thông tin , tín hiệu cầu truyền
đi đợc phát vào môi trờng truyền dẫn tơng ứng, và đầu thu sẽ thu lại tín hiệu
cầu truyền. Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trờng truyền dẫn ở
đấy chính là sợi dẫn quang ,nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tia từ
phía phát tới phía thu.
Vào năm 1960, việc phát minh ra Laserddeer làm nguồn phát quang đa
mở ra một thời kỳ mới có ý nghÜa rÊt to lín trong lÞch sư cđa kü tht thông tin
sử dụng dải tần ánh sáng .Theo lý thuyết thì nó cho phép thực hiện thông tin với
lợng kênh rất lớn vợt rất nhiều lần các hệ thống Viba hiện có. Hàng loạt các
thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển đợc tiến hành ngay sau
đó. Một số kết quả thu đợc nhng tiếc rằng chi phí quá tốn kém, kinh phí tập trung
vào sản xuất các thiết bị để vợt qua đợc các cản trở do điều kiện thời tiết (ma,
tuyết ....) gây ra là rất lớn, chính vì vậu nó cha thu hút đợc sự chú ý của mạng

lới.
Các sợi dẫn quang lần đầu tiên đợc chế tạo mặc dù suy hao lớn (khoảng
1000ds/Km),đà tạo ra đợc một mô hình hệ thống có xu hớng linh hoạt khả
thi hơn .Tiếp theo là KAO,Hockman và Werts năm 1966 đà nhận thấy sự suy
hao cua sợi quang là do tạp chất có trong vật liệu chế tạo. Những nhận định đó
đà đợc sáng tỏ khi Kapron,Keck và Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có
suy hao 20ds/Km vào năm 1970. Suy hao nay cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn
tơng đơng với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng đó các
sợi dẫn quang có suy hao nhỏ lần lợt ra đời. Đầu những năm 1980, các hệ thống
thông tin trên sợi dẫn quang đà đợc phổ biến khá rộng với vùng bớc sóng làm
việc 1300nm. Và bây giờ sợi dẫn quang đà đạt tới mức suy hao rất nhỏ khoảng
0,154ds/Km tại bớc sóng dài hơn là 1550nm

7


cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hai thập niên qua.
Giá trị suy hao này đà gần đạt tới mức tính toán trên lý thuyết cho các sợi quang
đơn mốt là 0,14ds/Km . Cùng với sợi quang, công nghệ chế tạo các nguồn phát
và thu quang đà tạo ra hệ thống thông tin quang với u điểm trội hơn hẳn so với
các hệ thống thông tin các kim loại là:
- Suy hao truyền dẫn.
- Băng tần truyền dẫn rất lớn.
- Không bị ảnh hởng của nhiều điện từ.
- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin.
- Có kích thớc và trọng lợng nhỏ.
- Sợi có tính cách điện tốt.
- Tin cậy và linh hoạt.
- Sợi đợc chế tạo từ vật liệu rất có sẵn.
Do các u điểm trên mà hệ thống thông tin quang đợc áp dụng rộng rải

trên mạng lới. Chúng có thể xây dựng làm các tuyến đờng trục trung kế, liên
tỉnh, thuê bao kéo dài, truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng mọi
môi trờng lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho đến xuyên lục địa,
vợt đại dơng... Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho truyền dẫn
số không loại trừ tín hiệu dới dạng ghép kênh nào, các tiêu chuẩn từ Châu Âu
Bắc Mỹ và Nhật Bản. Ngoài các luồng tốc độ đó có một tiêu chuẩn mới phát triển
trong những năm gần đây gọi là SONET (Synchronous Optical Network), tốc độ
truyền dẫn ở tiêu chuẩn này hơi khác, nó xác định cấu trúc khung đồng bộ để
gửi một lu lợng ghép kênh số trên sợi quang.
Hiện nay các hệ thống thông tin quang đà đợc ứng dụng rộng rÃi trên thế
giới, chúng đáp ứng đợc cả tín hiệu tơng tự (Analog) và số (digital), chúng cho
phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng,
đáp ứng mọi nhu cầu của mạng số hóa liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lợng cáp
quang hiện nay đợc lắp đặt trên thế giới với số lợng lớn, đủ mọi tốc độ truyền
dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều nớc

8


lấy cáp quang làm môi trờng truyền dẫn chính cho mạng viễn thông. Các hệ
thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu hình
linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao.
* Bảng tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản.

Phân
cấp

Khối Bắc

Mỹ

Tốc độ bit

Số kênh

Mbit/s

thoại

1

1,544

24

2

6,312

Khối Châu Âu
Tốc độ bit

Nhật Bản

Số kênh

Tốc độ bit

Số kênh

thoại

Mbit/s

thoại

2,048

30

1,544

24

96

8,448

120

6,312

96

Mbit/s

3

44,736

672

34,368

480

32,064

480

4

274,176

4032

139,264

1920

97,728

1440

5

274,176

4032

565,184

7680

396,200

5760

- Cấu trúc và thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang.
Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thờng phù hợp hơn cho việc
truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang
đều đi theo hớng này. Theo quan niệm thống nhất đó, ta xét cấu trúc của tuyến
thông tin gồm các thành phần chính sau:
- Phần phát quang.
- Cáp sợi quang.
- Phần thu quang.
Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện
điều khiển liên kết với nhau. Cáp quang bao gồm các sợi dẫn quang và các lớp
vở bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trờng bên ngoài. Phần
thu quang do bộ tách sóng quang và mạch khuếch đại, tái tạo tín hiện hợp thành.
Ngoài các thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang còn có
các bộ nối quang Counetor, các mối hàn, các bộ nối quang, chia quang
và

trạm lặp. Tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoµn chØnh.

9


Bộ phát quang

Tín hiệu
điện vào

Bộ nối
quang

Nguồn
phát
quang

Mạch
điều khiển

Mối
hàn
sợi

Sợi dẫn
quang
Trạm lặp

Bộ chia quang

Thu
quang
Mạch điện

Các thiết bị khác

Phát

quang
Bộ thu quang
Tín hiệu
điện ra
Đầu thu
quang

Khuếch
đại quang

Chuyển
đổi tín

Khuếch đại
Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan tuyến thông tin quang

II.

Kỹ thuật khuếch đại quang

1. Giới thiệu sơ lợc về kỹ thuật khuếch đại quang.
Nh ta đà biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự ly truyền dẫn
dài tới mức phân bổ suy hao không thoả mÃn, suy hao vợt quá tuyến công suất
dự phòng thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên
đờng truyền. Các trạm lặp ở đây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các

10


quá trình biến đổi quang - điện và điện quang. Nh vậy có nghĩa là tín hiệu quang rất

yếu không thể truyền xa đợc nữa sẽ đợc các trạm lặp thu lại và biến đổi thành
tín hiệu điện, sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian tái tạo, tái tạo lại dạng
tín hiệu điện rồi lại biến đổi về tín hiệu quang đủ lớn để truyền lên đờng truyền.
Với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngời ta thực hiện đợc quá trình
khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến
đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuếch
đại quang. Kỹ thuật khuyếch đại quang vừa ra đời đà khắc phục đợc nhiều hạn
chế của trạm lặp nh về băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hởng của
nhiễu điện việc phát triển và ứng dụng các bộ khuếch đại quang vào hệ thống
thông tin quang còn đa ra một ý tởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến
thông tin hoàn toàn ding khuếch đại quang và từ đó tiến tới phát triển mạng toàn
quang. Khuếch đại quang có thể đợc đặt ở các phần khác nhau cua rhệ thống
thông tin. Tuỳ thuộc vào vùng lắp đặt khuếch đại trên tuyến truyền dẫn mà khuếch
đại quang có thể đợc sử dụng nh :
+ Khuếch đại công suất
+ Khuếch đại đờng truyền
+ Khuếch đại thu
Khuếch đại công suất : Bộ khuếch đại này đặt sau nguồn sáng để khuếch
đại công suất tín hiệu truyền. Nó đợc sử dụng khi nguồn sáng có công xuất ra
bị giới hạn.
Khuếch đại thu: Ngợc với bộ khuếch đại công suất, khuếch đại công suất
tín hiệu thu yếu trớc khi đi vào bộ tách sóng.
Khuếch đại đờng truyền: khi khoảng cách truyền dài một số bộ khuếch
đại đờng truyền phải đợc sử dụng. Trong trờng hợp này, các bộ khuếch đại
quang đợc đặt có chu kì trên tuyến truyền dẫn. Đối với sợi quang Soliton xung
ánh sáng đợc truyền đi không cần mở rộng, khuếch đại đờng truyền
đợc sử dụng để cung cấp một mức công suất nhỏ cho sợi quang phi tuyÕn.

11

Có nhiều xu hớng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang, thành công chủ yếu tập
trung vào hai loại chính:
+ Các bộ khuếch đại Laser bán dẫn SLA.
+ Các bộ khuếch đại quang sợi OFA.
Đặc điểm của các bộ khuếch đại quang đợc thể hiện qua bảng sau:

Thuộc tính

Khuếch đại Laser FPA Khuếch đại Laser TWA Khuếch đại quang sợi

Nguyên lý

Bức xạ từ nghịch đảo

Bức xạ từ nghịch đảo

Bức xạ từ nghịch đảo

độ tích luỹ môi trờng độ tích luỹ môi trờng độ tích luỹ môi trờng
Công

suất

8

9

11

1-3G

>5T

0.5-4T

Hệ số tạp

6-9

5.2

3-5

âm dB
Suy hao ghép

Lớn

Lớn

Nhỏ

TE-mode

TE-mode

TE-mode

25-30

20-30

40-50

bÃo hoà lối
ra (dB)
Băng tần
khuếch đại
(Hz)

vào sợi
Phân cực tín
hiệu
Hệ số khuếch
đại tuyến tính
dB

12


Bớc sóng công
tác

1.3-

1.3-

1.55àm

Dòng/ công suất

1.55àm

10mA

100mA

bơm

1.521.57àm
20100mW

Nhiễu xuyên

Lớn

Lớn

Bỏ qua

kênh
2. Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng khuếch đại :
Nh ta đà biết ở trên công suất bÃo hoà và nhiễu xuyên kênh là các yếu tố
quan trọng trong các hệ thống sử dụng khuếch đại quang. Dới đây là một số
tiêu chuẩn khi thiết kế các bộ khuếch đại quang:
1. Khuếch đại công suất cao: Đạt đợc công suất cao là mục đích chính của
việc thiết kế bộ khuếch đại quang. Tuỳ theo công suất đầu vào mà công suất
đạt đợc là 10-30dB. Nhng khuếch đại bÃo hoà làm giảm độ khuếch đại
khi công suất đầu vào tăng.

2. Hiệu suất bơm ngoài cao: công suất bơm ngoài theo nhu cầu tỉ lệ với độ
khuếch đại yêu cầu. Để đạt đợc độ khuếch đại lớn tại công suất bơm nhỏ
phỉa có hiệu suất bơm ngoài cao. Yêu cầu này dẫn tới sụ phát triển của các
bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA, các bộ EDFA này vợt
trội hơn thế hệ trớc của chúng dựa trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman
kích thích. Một bộ EDFA điển hình có hiệu suất bơm từ 6-10dB/mW.
3. Hiệu ứng bÃo hoà thấp: khuếch đại bÃo hoà là không đáng quan tâm trong
các bộ khuếch đại bán dẫn nhng rất quan trọng đối với các bộ khuếch
đại quang sợi.
4. Băng tần rộng: đối với bộ khuếch đại quang thì khuếch đại băng tần rộng
là điều mong muốn bởi 2 lý do quan trọng: thứ nhất nó có thể
đợc sử dụng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu tại các bớc sóng khác
nhau. Điều này là quan trọng với kỹ thuật ghép kênh theo b−íc

13


sóng WDM. Thứ 2 là, tại băng tần rộng, độ khuếch đại của bộ khuếch
đại sẽ nhạy cảm đối với bớc sóng của tín hiệu vào. Điều này cho phép
hệ thống truyền dẫn tránh đợc sự trôi bớc sóng.
5. Không phụ thuộc vào sụ phân cực: nói chung, khuếch đại công suất cũgn
phụ thuộc vào sự phân cực của ánh sáng vào. Đây là nguyên nhân gây ra
bởi các hệ số giam cầm lỗ trống khác nhau của độ phân cực khác nhau. Để
khắc phục vấn đề này hai bộ khuếch đại có thể đợc kết hợp với nhau nh
sau:

Hình 1.2: Khuếch đại không phụ thuộc phân cực sử dụng 2 bộ
khuếch đại riêng biệt cho 2 bớc sóng phân cùc trùc giao

6. NhiƠu bỉ sung thÊp: do bøc x¹ phát bên trong kênh khuếch đại nên các bộ

khuếch đại quang cũng làm tăng thêm nhiều ở tín hiệu vào. Hơn nữa, do
độ khuếch đại của bộ khuếch đại, nhiễu bức xạ phát cùng đợc khuếch
đại. Nhiễu này là nhiễu bức xạ phát, nó thêm vào mức suy hao nhỏ nhất
là 8 dB. Do các bộ khuếch đại không đợc thiết kế phù hợp mức suy hao
công suất làm cho nhiễu ASE tăng lên.
7. Xuyên kênh thấp: khi một bộ khuếch đại quang đợc sử dụng để khuếch
đại nhiều tín hiệu vào tại các bớc sóng khác nhau, nhiễu xuyên kênh là
quan trọng để chắc chắn rằng không có nhiễu từ tín hiệu này sang tín hiệu
khác. Nếu hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại không phụ thuộc vào tổng
công suất tín hiệu vào thì sữ không có nhiễu xuyên kênh ICI (Interchannel
interferent) hoặc xuyên kênh (crosstalk). Tuy nhiên,

14


vì khuếch đại bÃo hoà nên độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất tín hiệu
vào. Kết quả là, khi công suất của một kênh giảm, các kênh khác có công
suất lớn hơn dẫn đến ICI hoặc xuyên kênh.
Thực tế, công suất trung bình của tín hiệu vào là không đổi, chỉ có công suất
tức thời của chúng là có thể thay đổi do cờng độ điều chế. Vì vậy, khi độ
khuếch đại của bộ khuếch đại không tăng tức theo công suất của tín hiệu
vào thì bộ khuếch đại công suất phải không đổi điều chế cờng
độ. Bộ EDFA dáp ứng đợc các điều kiện trên vì các hạt mang điện tồn tại
lâu tại trạng thái kích thích siêu bền.
8. Bớc sóng công tác phù hợp: nh ta đà biÕt cã hai b−íc sãng quan träng
sư dơng trong trun dẫn quang là 1300nm và 1550nm. Tại bớc sóng
1300nm tán sắc sợi là nhỏ nhất và tại 1550nm suy hao sợi là nhỏ nhất. Vì
các bộ khuếch đại chỉ giải quyết đợc vấn đề suy hao nên ngời ta thờng sử
dụng các bộ khuếch đại tại bớc sóng 1300nm. Nói chung sẽ không có
vấn đề gì nếu sử dụng các bộ khuếch đại bán dẫn làm từ hợp chất nhóm III

và V. Nhng bộ EDFA có thể khuếch đại bớc sóng ánh sáng xung quanh
bớc sóng 1550nm do dải năng l−ỵng Erbium.
9. Suy hao bé nèi thÊp: khi mét bé khuếch đại quang đợc sử dụng trên một
tuyến thông tin quang, nã bỉ sung thªm suy hao bé nèi. Suy hao bộ nối thấp
có thể đạt dợc khi sử dụng kết nối tốt giữa khuếch đại quang và sợi quang.
Để hiểu rõ hơn về khuếch đại quang, ta sẽ đi tìm hiểu về các loại khuếch
đại quang sau:
3.

Khuếch đại laser bán dẫn (SLA)
Các bộ khuếch đại laser bán dẫn có cấu trúc cơ bản dựa trên cấu trúc laser

bán dẫn thông thờng, có độ sâu rộng vùng tích cực W, ®é dµy d, dµi L vµ chØ sè
chiÕt suÊt N. Tính phản xạ bề mặt đầu vào và đầu ra là R1 và R2. Thiết bị đợc định
thiên dới mức ngỡng phát để tránh dao động laser xuất hiện. Các vỏ chống phản
xạ đợc áp dụng vào các mặt laser ®Ĩ gi¶m tÝnh ph¶n

15


xạ của nó. Điều này làm tăng băng tần khuếch đại và tạo ra các đặc tính truyền
dẫn ít phụ thuộc vào sự thay đổi của dòng điện thiên áp, nhiệt độ và tính phân cực
ánh sáng đầu vào.
Pout

W

Hình 1.3: Sơ đồ phác thảo bộ khuếch đại Laser bán dẫn
Hai loại cơ bản của bộ khuếch đại SLA đó là khuếch đại Fabry-Perot
(FPA) và khuếch đại sóng chạy(TWA). Với FPA, hai mặt tinh thể đợc chia tách

hoạt động nhngững gơng đầu cuối, phản chiếu một phần tạo thành hốc FabryPerot. Hệ số phản xạ của các mặt xấp xỉ khoảng 32%. Nhng có thể thay đổi
đợc nhờ thay đổi độ rộng màng chất điện môi đợc thêm vào. Tín hiệu ánh sáng
tới đợc kết hợp trong hốc ở đó nó đợc khuếch đại liên tiếp nhiều lần giữa các
gơng và phát xạ lại với cờng độ cao hơn.
Cấu trúc của bộ khuếch đại sóng chạy TWA cũng giống hệt FPA ngoại
trừ các mặt đầu cuối của hốc đợc phủ những lớp chống phản xạ ngăn cản sự
hồi tiếp bên trong. Do đó, tín hiệu ánh sáng qua thiết bị chỉ đợc khuếch đại một
lần, đợc phát ra mạnh hơn đầu cuối kia. Do vậy về cơ bản, một TWA và FPA
với các hệ số phản xạ gơng đầu cuối hai mỈt tiÕn tíi 0.

16


Dòng

Dòng

ánh
sáng
vào

ánh
sáng
vào

Lớp chống
phản xạ
Hình 1.4 :Cấu trúc của các loại SLA
a. CÊu tróc cđa FPA
b. CÊu tróc cđa TWA

3.1 Bé khch đại Febry- Perot.
Hình 2.2a mô tảacaus tạo đơn giản của một bộ khuếch đại FebryPerot. Và giả sử rằng hệ số khuếch đại công suất qua mỗi lần chuyển tiếp là
Gs. Cờng độ trờng của ánh sáng tới hớng vào FPA là Ei và sẽ là t1Ei khi
đi vào trong hốc. Sau một lần di chuyển qua bộ khuếch đại có chiều dài L,
tín hiệu ban đầu t1E1 sẽ đợc khuếch đại nhờ môi trờng
khuếch đại và thành t1

- jkL

s

êE e

.

. vì gơng bên phải có độ trong suốt

i

t2, biên độ tín hiểua sau lần di chuyên r đầu tiên là t1t2

- jkL

êE e

. Tín

.

i

hiệu phản xạ có biên độ trở lại gơng bên trái, ở đó biên độ của nó sẽ là
-2 jkL

tr G Ee
1
is

2

. Sau khi phản xạ ở gơng bên trái, sóng phản xạ

-2 jkL

sẽ đợc khuếch đại thêm lần nữa nhờ môi trờng

trr G Ee
1
is

1

2

khuếch

đại

và

ở

-2 jkL

trr t rG Ee
1

1

2

2

1

s

i

đầu

ra

của

-2 jkL

.Điều này sẽ lặp lại đối với tất cả các

Ee

gơng

bên

phải

nó

sẽ

là

t

sóng phản xạ, chúng ta thấy rằng trờng ra sẽ bao gồm vô số các thành phần
đà đợc trun dÉn. NÕu chóng ta gi¶ sư r»ng thêi gian ®i qua hèc nhá h¬n
17


kho¶ng thêi gian cđa tr−êng tÝn hiƯu tíi Ei , trờng ra Et sẽ là tổng hợp của
tất cả các thành phần đà đợc truyền dẫn. Ta có:

(1 ) : là một cấp số nhân với argument( r

rrG
1

2

<1 (1) trở thµnh :

s

Et = E

-2 jkL

r G )e

Gtte
1-r r G e

. Với1

2

s

jkL

(2)

s12

i

-2 jkL

1

2

s

Từ (2) G đợc xác định:
2

G=

Et

G (1 -r )(1 - r )

=

s

)

2

Ei

r1r 2 G s

1

2

r r G sin

+4

1

2

s

2

(3)
kL

G lµ hệ số khuếch đại công suất FPA.

E

t 1E

i

-2

t1 Gs E e

i

i

i

t1r 2 G s E e
t1r 2Gs

t1t 2 G s E e

2

i

Ee

2

E =∑
i

2

i

t1r 2r1Gs E e

2

t1r 2r1Gs G s E e
i

i

MỈt 1

MỈt 2

t /r

t /r

1

t1t 2r 2r1Gs G s E e

1

2

2

Hình1.5: Sơ đồ tổng quan của bộ khuếch đại
Fabry-Perot
18


Gs là hệ số khuếch đại công suất của môi trờng khuếch đại, ti và ri
tơng ứng là tính truyền và tính phản xạ của hai mặt.
a. Dải thông 3dB.
Dải thông 3dB đợcđịnh nghĩa ở tần số mà hệ số khuếch đại công suất

G(). Và đợc xác định bằng công thức:

Sự bÃo hoà hệ số khuếch đại :
Hệ số khuếch đại qua một lần di chuyển qua môi trờng khuếch
đại có chiều dài L tuân theo quy luật hàm số mũ:
(5)
Với : Hệ số hạn chế đặc trng cho sự phân tán của trờng quang tích cực
: Hệ số suy giảm
g: Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại trên một đơn vị chiều dài.
Do vậy Gs tăng theo quy luật hàm mũ cùng với sự tăng chiều dài thiết bi
Tuy nhiên, hệ số khuếch đại bên trong bị giới hạn bởi sự bÃo hoà hệ số
khuếch đại. Với công suất quang đủ lớn, nếu tăng thêm công suất tín hiệu đầu vào
cũng không đem lại kết quả đáng kể ở đầu ra. Sự bÃo hoà hệ số khuếch
đại xÃy ra bởi vì khi công suất tín hiệu quá lớn, không có các hạt mang đủ lớn
(lỗ trống - điện tử) để cung cấp đủ cho sự khuếch đại hoạt động. Sự bÃo hoà
khuếch đại đợc xác định bởi:

19


3.2 Bộ khuếch đại sóng chạy TWA.
Một bộ khuếch đại sóng chạy TWA đợc xem nh một bộ khuếch đại
FPA mà các hệ số phản xạ mặt đợc coi nh bằng 0.
a. Dải thông 3dB
Dải thông 3dB của TWA gấp khoảng 3 lần của FPA. Vì dải thông của
TWA lớn hhơn nhiều lần so với FPA, hệ số khuếch đại lớn nhất của TWA sẽ
nhỏ hơn nhiều. Tuy nhiên, dải thông rất rộng sẵn có của TWA về cơ bản có thể
giảm để tăng hệ số khuếch đại, khi tăng chiều dài L của bộ khuếch đại trong khi
vẫn giữ hệ số phản xạ ở mức nhỏ, dù kết quả là hệ số khuếch đại của TWA sẽ
tăng.

b. Hệ số khuếch đại bÃo hoà.
Cũng nh FPA, hệ số khuếch đại tín hiệu lớn nhất của TWA cũng bị
giới hạn bởi hệ số khuếch đại bÃo hoà. Tuy nhiên, với công thức (7) thì
điều này không có ý nghĩa nữa. Sự khác nhau giữa TWA và FPA nằm ở
bên trong TWA, tất cả sự khuếch đại chỉ xÃy ra một lần.
Hệ số khuếch đại Gs đợc xác định:

G

0
= 1 + Psat ln G


s

(8)

P G
in

s

Go: Hệ số khuếch đại lớn nhất của bộ khuếch đại .
c. Xuyên âm
Xuyên âm xÃy ra khi các tín hiệu quang, hoặc các kênh riêng biệt đợc
đa vào cùng lúc và đợc khuếch đại đồng thời cùng trong một bộ khuếch đại.
Nhìn chung, khi một vài kênh đợc đa đồng thời vào trong một bộ khuếch
đại quang, hệ số khuếch đại của một kênh riêng biệt bị ảnh hởng bởi cờng
độ của các kênh khác. ¶nh h−ëng cđa nã phơ thc vµo thêi gian sèng hạt
mang te của môi trờng khuếch đại. Khi tốc độ dữ liệu đầu vào nhỏ hơn nhiều so

với nghịch đảo của te, hệ số khuếch đại bộ khuếch đại sẽ thay ®ỉi theo tÊt

20


cả công suất vào tức thời Pin. Ngời ta đà chứng minh rằng, khi tốc độ dữ liệu
vào lớn hơn nhiều 1/te, Pin ở (8) đợc thay bằng giá trị trung bình.
*. Tạp âm bộ khuếch đại.
Một giới hạn nữa ảnh hởng tới hệ số khuếch đại là do tạp âm trong bộ
khuếch đại Laser bán dẫn và tạp âm này cũng đợc khuếch đại cùng với tín hiệu.
Sự tổ hợp tự phát của điện tử và lỗ trống trong môi trờng bộ khuếch đại gây ra
khuếch đại bức xạ tạp âm tự phát. Tạp âm tự phát có thể đợc xem nh quá trình
ngẫu nhiên, kết quả là rất nhiều xung ngắn bị phân tán theo môi tích cực. Quá trình
ngẫu nhiên này đợc mô tả bởi phổ công suất tạp âm nền và mật độ phổ công
suất ASE đợc cho bởi:

* Kết luận: Từ việc phân tích phổ khuếch đại Laser bán dẫn, xem xét hoạt
động và một vài đặc tính của nó, ta thấy mặc dù SLA có cấu trúc nhỏ hơn, hoạt
động tốt hơn 1300nm và 1550nm, đặc biệt TWA có băng tần rộng hơn nhng nó
lại gặp một số trở ngại nh : băng tần khuếch đại hạn chế 3 5GHz và công suất
bÃo hoà thấp, sự phụ thuộc phân cực của ánh sáng, nhiễu lớn do tín hiệu đợc
khuếch đại nhiều lần trong FPA làm ASE tăng. Chính các nhợc điểm nàyđà hạn
chế khả năng ứng dụng của SLA vào mạng

21


viễn thông. Hy vọng rằng trong tơng lai những hạn chế này sẽ đợc khắc
phục.
Trong khi đó các bộ khuếch đại quang sợi lại có tính năng vợt trội hơn

hẳn nh SLA; không nhạy với hiệu ứng phân cực ánh sáng, công suất bÃo hoà
lối ra cao và khả năng nhiễu gần nh lý tởng tại cửa sổ truyền dẫn 1550nm nên
hiện nay các bộ khuếch đại quang sợi đà đợc triển khai và ứng dụng trên mạng
viễn thông và nó sẽ phát triển hơn trong tơng lai.

4.

Khuếch đại quang sợi
Việc sử dụng các sợi quang có pha tạp đất hiếm làm bộ khuếch đại tín hiệu

quang cho các tuyến trun dÉn quang ®· cã ý nghÜa rÊt lín trong việc tăng tốc
độ và cự ly truyền dẫn. Các sợi này đợc xem nh là sợi quang tích cực, chúng
có khả năng khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu có kích thích phù hợp. Cơ chế hoạt
động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành bộ khuếch
đại đợc mô tả nh hình vẽ sau:
E2

Phân rÃ

E2

E3

Phân rÃ

E3
bơm

bơm

Phân rÃ

E4
E1

E1
a

b

Hình1.6: a: Cơ chế bức xạ trong 3 mức b:
Cơ chế bức xạ trong 4 mức
Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E1 đợc kích thích từ một nguồn bức xạ có
bớc sóng phù hợp nó sẽ hấp thụ năng lợng và chuyển đổi tới mức cao hơn
E2. Từ mức này nó sẽ phân rà trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ
hoặc nếu nh có một mức năng lợng thấp hơn (E3) nó sẽ thả không bức xạ tói
mức đó. Từ đây điện tử có thể phân rà xuóng mức E1( hình a) hoặc E4(hình b)
thông qua quá trình bức xạ tự phát, trong đó năng lợng d ra thu

22


đợc nhờ sự phát photon có bớc sóng dài hơn b−íc sãng kÝch thÝch. NÕu thêi
gian sãng cđa møc E3 đủ dài để các điện tử đợc nguồn bơm kích thích thì có thể
xÃy ra nghịch đảo mật độ tích luỹ. Đây là điều kiện để các điện tử trên mức siêu
bền E3 nhiều hơn ở mức tới ( E1 hoặc E4). Có nhiều các ion đất hiếm có các dÃi
huỳnh quang cho khả năng bức xạ kích thích và khuếch đại tín hiệu nh Nd+3
(Neodium), Er+3(Erbium) Ho+3(Holmi) và Tm+3(Tuli) Trong các sợi pha các
tạp chất này thì sợi quang pha tạp Erbium là đợc phát triền mạnh nhất trong
truyền dẫn sợi quang vì nó phát ra tín hiệu ở b−íc sãng phï hỵp víi b−íc sãng

cã suy hao nhá sẵn có của sợi dẫn quang- vùng bớc sóng 1550nm. Các bộ
khuếch đại sử dụng sợi pha tạp Erbium đợc gọi là EDFA. Sau khi nghiên cứu
về khuếch đại bán dẫn SLA và khuếch đại quang sợi OFA ngời ta đa ra bảng
so sánh sau:

Thông số

Khuếch đại bán dẫn

Khuếch đại quang sợi

Hệ số khuếch đại công suất

Cao

Cao

Hiệu ứng bÃo hoà

Nhỏ

Lớn

Hiệu suất bơm

Cao

Cao

Nhỏ đối với FPA

Lớn

Phụ thuộc phân cực

Có

Có

ASE

Nhỏ

Lớn

Xuyên kênh

Lớn

Không đáng kể

1300-1550nm

1550nm

Vài dB

Không đáng kể

Băng thông

Bớc sóng công tác
Suy hao đấu nối

5. Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA)
5.1 Cấu trúc của modul EDFA
EDFA là một loại khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber
Amplifier). Vì thế nó đợc xem nh là một hộp đen có ít nhất hai cửa quang và
phần nối điện để cấp nguồn nh đợc chỉ ra ở hình vẽ sau. Các cửa quang

23


thờng đợc phân biệt thành cửa đầu vào và cửa đầu ra và có thể bao gồm các sợi
không đợc kết cuối hoặc kết cuối bằng các bộ nối quang.
Tín hiệu vào

Bộ khuếch đại

Tín hiệu ra

Để thực hiện đợc chức năng này, cấu trúc và các thành phần cơ bản của modul
EDFA đợc chỉ ra nh hình 1.6
Các thành phần của một modul EDFA bao gồm sợi pha tạp Erbium EDF
(Erbium Doped Fiber), laser bơm, các bộ ghép bớc sóng WDM và các bộ
cách ly quang.

Laser
bơm

Hình 1.8: Sơ đồ cấu tróc cđa modul EDFA.
PhÇn tư quan träng nhÊt cđa modul EDFA là một đoạn sợi quang có pha
tạp Erbium (EDF) có chiều dài từ vài mét đến vài chục mét, sợi này đợc xem là
sợi tích cực vì chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu nh có
kích thích phù hợp. Đoạn sợi có lõi SiO2 hoặc SiO2 - Al2O3 pha trộn thêm Er3+ với
nồng độ từ 100-2000ppm. Các sợi EDFA này thờng có lõi nhỏ hơn và khẩu độ
số NA cao hơn so với sợi tiêu chuẩn. Ngoài sự pha tạp Erbium trong vùng lâi,
cÊu tróc cđa EDFA lµ gièng víi cÊu tróc cđa sợi đơn mode tiêu

24


chuẩn hay sợi tán sắc dịch chuyển DSF (Dispersion Shifted Fiber) tơng ứng với
các khuyến nghị G.652 hay G.653 ITU-T, đang sử dụng trên các hệ thống truyền
dẫn quang.
Để thu đợc độ khuếch đại phải cung cấp năng lợng quang cho sợi pha
tạp Erbium, các laser công suất cao đợc dùng làm laser bơm để cung cấp
năng lợng quang (năng lợng bơm) cho EDF. Bớc sóng hoạt động của laser
bơm là 980nm hoặc 1480nm, công suất bơm tiêu biểu là tõ 10mW 80mW.
Bé ghÐp b−íc sãng WDM dïng ®Ĩ ghÐp ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm
vào EFA, hoặc trong một số trờng hợp nó lại tách tín hiệu này.
Các bộ cách ly quang có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống chẳng hạn
nh phản xạ Rayleich từ các bộ nối quang, ngợc lại từ các bộ khuếch đại quang tới
mức chấp nhận đợc. Sợi pha tạp Erbium là thành phần quan trọng nhất của modul
EDFA.
Vùng cờng độ cao

100:2000ppm

Đờng

kính
125 m

chỉ số chiết xuất n=0.01-

Hình1.9 : Cấu trúc hình học lõi sợi pha tạp Erbium
Các ion Erbium đợc đặt ở vùng lõi trung tâm của EDF. Vùng lõi trung
tâm ( đờng kính 5 m) của EDF là nơI mà cờng độ sóng tín hiệu và bơm lµ

25


cao nhất. Sự sắp xếp của các ion Er3+ trong vùng này cung cấp sự chồng lấn năng
lợng tín hiệu và bơm lớn nhất cho các ion, kết quả là khuếch đại tốt hơn. một
lớp vỏ thuỷ tinh chỉ số thấp hơn bao quanh vùng lõi tạo thành cấu trúc ống dẫn
sóng và làm tăng độ bền cơ học. Một lớp vỏ bảo vệ đợc thêm vào, đờng kính
tổng cộng lµ 250 m. Líp vá bäc nµy víi chØ sè khúc xạ tăng tập trung ở vỏ để
loại bỏ các ¸nh s¸ng kh«ng mong mn trun trong vá. CÊu tróc sợi pha tạp
Erbium cũng giống nh các sợi đơn mode tiêu chuẩn. Đặc tính quan trọng của
EDF là khuếch đại/ suy hao trên một dơn vị chiều dài ở các bớc sang tín hiệu
và bớc sóng bơm. Điều này có đợc là do các mặt cắt ngang thu hút, vật phát
xạ và hệ số giam cầm đối với ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu.
Các mức năng lợng
Các nguyên tử Erbium hoá trị 3 là nhng nguyên tố tích cực trong bộ
khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại quang. Sự chuyển tiếp quang thích hợp
đợc chỉ ra ở hình vẽ. Các bớc sang tơng ứng với các mức chuyển tiếp đợc chỉ
ra có mối quan hệ với trạng thái nền. Quan sát vào hình vẽ biểu đồ năng lợng

520

2

H11/2

543

4

S3/2

4

F9/2

4

I9/2

4

I11/2

660
810
Siêu bền

980

4
Khuếch đại

1550-1660

148
0
155
0

I13/2
N2
Tự phát

Vùng bơm

EDFA ta thấy:

4

Trạng thái nền

I15/2

Hình 1.10: Biểu đồ năng lợng đối với ion Erbium có hoá

26


Trên phía bên phải là số lợng tử thờng ding để ấn định cho mỗi chuyển tiếp.
Những số này đợc tạo ra bởi công thức 2S+Lj ( với S là số lợng tử quay, L là động
lợng góc quỹ đạo, j là tổng động lợng góc (L+S)). LSj ở đây dùng để chỉ các mức
năng lợng ion. Các trờng Local crytalline xáo trộn cấu trúc năng lợng ion và đem

lại kết quả là mỗi mức năng lợng LSj chia thành nhiều mức. Sự chia tách này liên
quan đến hiệu ứng stark. Do kết quả của sự hỗn độn này trong cấu trúc phân tử thuỷ
tinh, mỗi ion có hớng và độ dài trờng khác nhau, dựa trên sự chia tách Stark khác
nhau. Sự chia tách này chịu trách nhiêm đối với việc dải thông khuếch đại lớn của bộ
khuếch đại pha tạp đất hiếm. Trong cấu trúc năng lợng ion của LSj số các
đờng Stark- split là (2j+1)/2 đối với mỗi mức. Do vậy các mức 4I13/2 và 4I15/2
sẽ tơng ứng có 7 và 8 đờng stark. Kết quả trong 56 sù chun tiÕp cã thĨ chóng
tr¶i ngang qua dải 1550nm. Các bớc sóng 1480nm,980nm,800nm,670nm và
521nm cũng cho phép kích thích ion Erbium. Tất cả những bớc sóng này đÃ
đợc sử dụng để bơm cho các EDFA. Các bộ khuếch đại quang đợc chia thành
các hệ thống laser 2,3,4 mức. Một
EDFA đợc bơm từ dải 4I13/2 đà đợc coi nh− hƯ thèng 2 møc, v× sù chun tiÕp
tÝn hiƯu và tín hiệu bơm là giữa những dải năng lợng nh nhau. Bơm ở 980nm
tạo thành hệ thống 3 mức nơi mà sự phân rà một cách nhanh chóng năng lợng
ion (2 s) không bức xạ từ mức 4I11/2 đến trạng thái siêu bền 4I13/2 . Các bộ khuếch
đại cơ bản dựa trên các hệ thống 2 hoặc 3 mức phải đợc thiết kế để hạn chế sự
hấp thụ lại cđa tÝn hiƯu do sù hiƯn diƯn c¶u sù hÊp thụ ở trạng thái bền ở bớc sóng
tín hiệu. Hệ thèng 4 møc lµ sù më réng cđa hƯ thèng 3
mức ở đó có một mức năng lợng đợc thêm vào ở phía dới mức thấp hơn của
sự chuyển tiếp khuếch đại . các hệ thống 4 mức không có sự hấp thụ lại tín hiệu
trạng thái nền mà có thể giảm đặ tính của bộ khuếch đại dựa trên hệ thống 3 mức.
5.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA.
Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể đợc phân cấp thành
bức xạ kích thích và bức xạ tự phát. Khi các ion Erbium Er3+ đợc kích thích từ
trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rÃ

27


không phát xạ từ các mức năng lợng cao hơn cho tới khi tiến tới trạng thái

siêu bền 4I 13/2
. Tín hiệu quang tới sẽ đi đến với các ion Erbium đà đợc kích thích.
Quá trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hớng
quang nh tín hiệu tới. Nh vậy đà đạt đợc quá trình khuếch đại quang trong
EDFA. Các ion đà đợc kích thích mà không tơng tác với ánh sáng tới sẽ
phân rà tự phát tới trạng thái nền với hằng số thời gian xấp xỉ 10ms. Phát xạ
tự phát SE (Spontaneous Emission) có pha và hớng ngẫu nhiên. Tiêu biểu
có ít hơn 1% phát xạ tự phát đợc giữ lại bởi mode sợi quang
và nó trở thành một nguồn nhiễu quang. ở đầu ra của bộ khuếch đại quang EDFA
không những tín hiệu đợc khuếch đại mà nhiễu này cũng sẽ đợc khuếch đại và
tạo ra bức xạ tự phát đợc khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).
ASE làm suy giảm tû lƯ tÝn hiƯu trªn nhiƠu cđa tÝn hiƯu qua bộ khuếch đại.

28


29