khuếch đại quang edfa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KHOA TIN HỌC VÀ ỨNG DỤNG
TRƯỜNG CĐ CNTT hữu nghị Việt Hàn


Học phần: Thông tin quang
- Mã số: CUD080
- Số Tín chỉ: 3
ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT
Đề tài: Khuếch đại quang EDFA.
1. Thông tin sinh viên:
Tên sinh viên: Nguyễn Tri Giảng
Ngành: Tin học viễn thông
Điện thoại: 01213507127
E-mail:
2. Lý do chọn đề tài:
Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự li xa,
không bị ảnh hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao… phù hợp với các
tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục, trung kế và có tiềm năng to lớn trong
việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp
ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.
Gần đây đã thực hiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang
mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào. Kỹ
thuật mới này cho phép khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như: hạn
chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp… làm cho kỹ thuật truyền dẫn
trên cáp sợi quang càng tỏ rõ tính ưu việt của nó.
Đứng trước vấn đề này em đã chọn đề tài: “Khuếch đại quang EDFA”
3. Ý nghĩa thực tiễn:
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: bộ khuếch đại quang pha tạp đất hiếm, loại
laser bán dẫn, loại khuếch đại Raman sợi, loại TWA vv Trong thiết kế việc lựa
chọn tùy theo đặc tính của từng loại. Đồ án này sẽ đề cập sơ bộ đến các loại bộ
khuếch đại quang, đặc biệt giới thiệu kỹ bộ khuếch đại quang EDFA cùng các
đặc tính cũng như ưu điểm của nó, việc sử dụng EDFA trong hệ thống thông tin
sợi quang hiện nay. Đây là bộ khuếch đại được dùng trong phần thiết kế đồ của
đồ án, nó cũng được dùng nhiều nhất trong các tuyến thông tin quang hiện nay.
4. Đề cương chi tiết:
I. Tổng quan về các bộ khuếch đại quang sợi.
II. Nguyên lý khuếch đại quang.
1. Phát xạ
a. Hiện tượng phát xạ kích thích.
b. Hiện tượng hấp thụ.
c. Hiện tượng phát xạ tự phát xạ.
2. Bức xạ
III. Nguyên lý hoạt động của EDFA.
1. Sợ quang pha trộn EDFA.
2. Sơ đồ nguyên lý.
3. Cấu trúc cơ bản.
4. Nguyên lý hoạt động.
IV. Các đặc tính của EDFA.
1. Dải khuếch đại.
2. Độ khuếch đại.
3. Sự bảo hòa.
4. Nhiễu trong EDFA.

5. Một vài hình ảnh về EDFA
5. Kế hoạch thực hiện:
Tuần Công việc Kết quả đạt được Đánh giá
1 Sưu tầm tài liệu Đề cương sơ bộ
2
Tìm hiểu sơ bộ
các loại bộ khuếch
đại quang
Hoàn thành phần I. Tổng
quan về các bộ khuếch đại
quang sợi.
- Biết được các
đặc điểm của các
chủng loại khuếch đại
quang
3 Trình bày nguyên Hoàn thành phần II.
lý hoạt động của
EDFA
Nguyên lý khuếch đại
quang và III. Nguyên lý
hoạt động của EDFA.
4
Phân tích các đặc
tính của EDFA
Hoàn thành phần IV. Các
đặc tính của EDFA.
5
Chỉnh sửa và hoàn
thiện đồ án
Đồ án hoàn chỉnh

6. Nội dung:
I. Tổng quan về các bộ khuếch đại quang sợi.
Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò quan trọng trong các mạng viễn
thông quang học do chúng bù lại những suy hao tín hiệu trong quá trình lan
truyền trên sợi quang cũng như suy hao do các bộ kết nối và mối hàn tại các nút
mạng.
Về cơ bản có hai loại khuếch đại quang sợi là khuếch đại quang sợi pha tạp
đất hiếm và khuếch đị quang sợi raman. Đối với khuếch đại quang sợi pha tạp
đất hiếm, vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm. Do đó, khuếch đại
quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier) còn được gọi là khuếch đại sợi pha tạp
DFA (Doped - Fiber Amplifier).
Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các Laser có bước
sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại. Tùy theo loại
đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm của nguồn bơm và
vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi.
Chúng gồm có các loại phổ biến như sau: YDFA (pha tạp Ytterbium),
PDFA (pha tạp Praseodymium), TDFA (pha tạp Thulium) và EDFA(pha tạp
Erbium). Mỗi loại bộ khuếch đại thích hợp với một vùng bước sóng hoạt động
khác nhau và các giá trị cụ thể được cho trong bảng như sau:
Bảng: Băng thông của các bộ khuếch đại sợi pha tạp đất hiếm và khuếch đại
quang sợi raman.
Các loại bộ khuếch đại Băng thông Tên băng thông
YDFA 1060-1140
PDFA 1260-1340
TDFA 1460-1530 O
EDFA 1530-1565 C
Trong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có
nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA như đã trình bày ở trên và có
vùng ánh sáng khuếch đại (1530 nm – 1565 nm) thích hợp với dải tần làm việc
của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength

Division Multiplexing).
 Ứng dụng của khuếch đại quang.
Khuếch đại quang được ứng dụng trong các các hệ thống truyền dẫn quang
như các bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường
truyền, khắc phục suy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường
truyền. Tùy theo vị trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang
được chia làm ba loại:
1. Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếch đại quang
được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu
quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại. Yêu cầu của
các bộ khuếch đại công suất là tạo ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độ
lợi cực đại vì công suất tín hiệu ngõ vào lớn.
2. Khuếch đại đường dây (In-line Amplifier): là các bộ khuếch đại
quang được đặt trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra
bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang
trong mạng. Các bộ khuếch đại đường dây có thể được lắp đặt nối tiếp nhau trên
đường truyền để gia tăng khoảng cách lắp đặt.
Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ số
SNR (Signal Noise Ratio - tỷ số tín hiệu trên tạp âm) ảnh hưởng đến chất lượng
của hệ thống truyền dẫn quang. Yêu cầu của bộ khuếch đại đường dây là độ ổn
định trên toàn bộ dải thông của hệ thống WDM, giữ nhiễu ở mức cực tiểu và
thực hiện việc trao đổi tốt tín hiệu quang với sợi quang truyền dẫn.
3. Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt
ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tín hiệu
được đưa vào thiết bị. Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại hoạt động với
công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao.
Do vậy, yêu cầu của một bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, độ lợi lớn và
nhiễu thấp. Ngoài các ứng dụng chính làm các bộ khuếch đại trên đường truyền
quang, các bộ khuếch đại quang SOA và OFA còn được sử dụng trong các bộ
chuyển đổi bước sóng. Việc chuyến đổi bước sóng được thực hiện dựa trên hiện

tượng bảo hòa độ lợi và hiện tượng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave
Mixing) xảy ra trong các bộ khuếch đại quang.
II. Nguyên lý khuếch đại quang:
1. Phát xạ:
a. Hiện tượng phát xạ kích thích.

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng
lượng cao E
2
bị kích thích bởi một photon có năng lượng hν
12
bằng với độ chênh
lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp
của điện tử (E
g
= E
2
– E
1
). Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao
xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng
với năng lượng của photon kích thích ban đầu.
Từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo
ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng phương
truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp, coherent, của ánh
sáng). Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện.
Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn
(OSA) và khuếch đại quang sợi (OFA).Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được
ứng dụng trong việc chế tạo laser.
b. Hiện tượng hấp thụ.

Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi một photon có năng lượng hf
12
bị hấp thụ bởi
một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp. Quá trình này chỉ xảy ra khi năng
lượng hf
12
của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng
lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (E
g
= E
2
– E
1
).
Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và
chuyển lên trạng thái năng lượng cao. Hay nói cách khác, hiện tượng hấp thụ là
nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang.
Quá trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ
kích thích trong môi trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại.
c. Hiện tượng phát xạ tự phát xạ.
Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng
lượng từ mức năng lượng cao E
2
xuống mức năng lượng thấp E
1
và phát ra một
năng lượng E
g
= E
2

– E
1
dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra
một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E
2
không phải là trạng thái năng
lượng bền vững của điện tử.
Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong
khuếch đại quang, phát xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại.
2. Bức xạ:

a) b)
Hình 3.1 a) Cơ chế bức xạ ba mức, b) bốn mức
Phân rã
Phân rã
Phân rã
E
2
E
3
E
1
E
1
E
4
E
3
E
2

λ bơm
λ bơm
Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E
1
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
E
2
, 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 E
3
nó sẽ thả
không bức xạ tới mức đó, từ đây điện tử có thể phân rã xuống mức năng lượng
E
1
(hình 3.1 a) hay E
4
(hình 3.1 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 E
3
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 E
3
nhiều hơn mức tới (E
1
hay E
4

). Một photon có mức năng
lượng tương đương với sự chênh lệch giữa mức E
3
và E
1
(đối với 3 mức) hay
giữa E
3
và E
4
(đối với 4 mức) thì nó sẽ kích thích các điện tử ở mức E
3
rơi xuống
mức E
1
hay E
4
và phát thêm một photon, photon này cùng pha và hướng với
photon tới (hiện tượng này gọi là bức 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.

III. Nguyên lý hoạt động:
Mặc dù việc sử dụng các ion đất hiếm làm môi trường khuếch đại trong các
bộ khuếch đại quang đã được đề cập vào đầu những năm 1964, tuy nhiên EDFA
vẩn chưa được ứng dụng trong thực tế cho đến khi sợi quang pha tạp có suy hao
thấp ra đời.
1. Sợ quang pha trộn Erbium
Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy
ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA

• Vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3-6 μm) của EDF được pha
trộn ion là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất.
• Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp hơn bao quanh vùng lõi.
• Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi
quang tổng cộng là 250 μm.
2. Sơ đồ nguyên lý:
Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang pha tạp EDFA được biểu diễn
như hình trên, bao gồm một đoạn ngắn sợi được pha tạp bằng các ion Erbium
(Er
3+
) (gọi là sợi EDF). Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang
tích cực làm tác nhân cho sự phát xạ cưỡng bức. Để kích thích các hạt mang của
Er
3+
lên các mức năng lượng cao hơn cần một nguồn bơm bên ngoài để bơm
năng lượng quang vào sợi thông qua một bộ ghép trực tiếp. Nguồn bơm là một
Laser Diode hoạt động ở bước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch
đại. Thông thường là ở bước sóng bơm 980 nm hoặc 1480 nm. Sợi EDF được
nối ghép với sợi quang bình thường và có thể ghép với các thiết bị khác.
3. Cấu trúc cơ bản:
Nguồn
bơm
ngoài
Đoạn sợi quang
pha tạp Er
3+
Ánh
sáng
đến
Ánh sáng

đã được
khuếch đại
Hình 4.1 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại EDFA
Hình 4.1 trình bày cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Nó
gồm sợi pha tạp Erbium, Laser bơm LD, bộ ghép bước sóng quang WDM và bộ
cách li quang. Sợi pha tạp Erbium (EDF – Erbium Dopped Fiber) thường có độ
dài lớn hơn hoặc bằng 10 m, có lõi được pha tạp các ion Er
3+
với nồng độ ít hơn
0,1% Erbium. Để thu được độ khuếch đại thì phải cung cấp năng lượng quang
gọi là năng lượng bơm cho sự pha tạp Erbium. Các diode laser LD được dùng
làm nguồn bơm cung cấp năng lượng này với công suất bơm 10 mW đến 100
mW và bước sóng bơm 980 nm hoặc 1480 nm. Bộ ghép bước sóng WDM thực
hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào sợi pha tạp Erbium. Các bộ
cách li có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống chẳng hạn như phản
xạ Rayleigh từ các bộ nối quang hoặc các phản xạ ngược lại từ bộ khuếch đại.
Do đó các bộ cách li làm tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu.
4. Nguyên lý hoạt động:
Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể được phân cấp thành
bức xạ kích thích và bức xạ tự phát.
Hình 4.3 Giản đồ năng lượng của Ion Er
3+
(GSA: Hấp thụ trạng thái đất, ESA: Hấp thụ trạng thái kích thích)
Hình 4.3 là giản đồ năng lượng của Er
3+
. Trong đó trạng thái đất (mức có
năng lượng thấp nhất) được ký hiệu là
4
I
15/2

, mức
4
I
13/2
là mức siêu bền tức là mức
năng lượng mà ion Er
3+
có thời gian sống là lớn nhất. Ánh sáng bơm sẽ được
truyền dọc theo sợi có pha tạp Erbium. Thông qua sự hấp thụ năng lượng của
ánh sáng bơm có bước sóng 1480 nm, 980 nm hay 800 nm .v.v… Các ion Er
3+
sẽ chuyển từ trạng thái đất lên các trạng thái có mức năng lượng tương ứng là
4
I
13/2
,
4
I
11/2
,
4
I
9/2…
Các ion ở các mức
4
I
11/2
,
4
I

9/2…
sẽ nhanh chóng phân rã không
phát xạ và chuyển xuống trạng thái siêu bền (trạng thái ở mức năng lượng
4
I
13/2
).
Khi tín hiệu quang tới đầu vào sợi EDF đến gặp các ion Er
3+
đã được kích thích
và phân bố dọc theo lõi sợi sẽ xảy ta quá trình bức xạ kích thích. Quá trình này
sẽ tạo ra các phôtôn phụ có cùng pha và hướng như là tín hiệu tới, chính vì thế
mà ta thu được cường độ ánh sáng tín hiệu tại đầu ra EDF lớn hơn đầu vào. Đây
chính là quá trình khuếch đại EDFA. Các ion đã được kích thích mà không
tương tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát xuống trạng thái đất. Phát xạ tự
phát SE (Spontaneous Emission) có pha và hướng ngẫu nhiên. Thông thường có
ít hơn 1% được giữ lại trong mode quang nên nó trở thành nguồn nhiễu quang.
Nhiễu này cũng sẽ được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại
ASE (Amplifire Spontaneous Emission). Ở trạng thái đất, khi có sự hấp thụ
phôtôn bơm hoạt động trở lại. ASE làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu trong quá
trình truyền tín hiệu.
Hình 4.3 Quá trình bơm tại bước sóng 1450 nm và phát xạ tại
bước sóng 1530 nm
Hình 4.3 biểu diễn quá trình bơm tại bước sóng 1450 nm và phát xạ tại
bước sóng 1530 nm. Do hiệu ứng Stark, ở trạng thái nền và siêu bền tồn tại
nhiều mức năng lượng. Ở điều kiện cân bằng nhiệt, cả hai trạng thái đều có mật
độ hạt mang điện cao hơn nằm ở dải thấp hơn của chúng. Do tốc độ bơm và bức
xạ kích thích đều tỉ lệ với độ chênh lệch mật độ hạt mang điện của 2 mức nên
bơm xảy ra giữa dải thấp của trạng thái nền và dải cao của trạng thái siêu bền
tương ứng với bước sóng 1450 nm, và bức xạ xảy ta giữa dải thấp của trạng thái

siêu bền và dải cao của trạng thái nền, tương ứng với bước sóng 1530 nm.
Hiệu suất của nguồn bơm phụ thuộc vào phổ hấp thụ của ion Er
3+
. Mặc dù
việc bơm công suất các bước sóng dưới 700 nm có hiệu suất hấp thụ cao hơn
nhưng rất khó tìm một nguồn laser bán dẫn tốt hoạt động tại bước sóng này. Do
đó, trong thực tế chỉ dùng được các nguồn bơm có bước sóng 800 nm, 980 nm,
1470 nm. Ngoài ra, do có sự hấp thụ trang thái kích thích (ESA – Excited-Sate
Absorption) từ
4
I
13/2
đến
2
H
11/2
như biểu diễn trong hình 4.3, nên việc bơm lại
bước sóng 800 nm không hiệu quả. Vì thế người ta chỉ bơm tại bước sóng 980
nm và 1470 nm. Thông thường, các Laser bán dẫn tại 1470 nm phổ biến hơn và
được dùng nhiều trong các hệ thống EDFA ban đầu. Tuy nhiên, bơm tại bước
sóng 980 nm cho hiệu quả bơm cao hơn (khoảng 10 dB/mW) so với bơm 1470
nm (khoảng 6 dB/mW). Thêm vào đó, bơm 980 nm có nhiễu khuếch đại nhỏ
hơn vì thế các laser bơm hoạt động tại bước sóng 980 nm ngày càng được sử
dụng rộng rãi trong các hệ thống sợi quang có mắc các EDFA. Để khắc phục
khuyết điểm tổn hao trên sợi lớn hơn khi dùng bơm tại bước sóng 980 nm so với
1470 nm, người ta tăng cường công suất bơm đến các EDFA nhằm bù lượng tổn
hao này.
IV. Các đặc tính của EDFA:
1. Dải khuếch đại:
Dải khuếch đại là dải bước sóng mà EDFA có thể khuếch đại được. Hình

5.30 cho thấy hình dạng và vị trí của dải khuếch đại được xác định như một hàm
theo bước sóng. Dải khuếch đại của EDFA tương đối bằng phẳng giữa 1530 nm
và 1565 nm (được quy ước là băng C). Đối với dải khuếch đại giữa 1570 nm và
1600 nm được gọi là dải L. Hiện nay, hầu hết EDFA đang được sử dụng ở băng
C với bước sóng bơm 980 nm.
Hình 5.30 Dải khuếch đại của EDFA
2. Độ khuếch đại:
Vì trạng thái năng lượng
4
I
13/2
có thời gian sống lâu hơn nhiều so với các
mức năng lượng cao hơn nên giản đồ năng lượng của Er
3+
có thể gần đúng như
hệ thống khuếch đại quang hai mức trong đó
4
I
15/2
là mức nền và
4
I
13/2
là mức
cao. Phương trình biểu diễn tốc độ thay đổi hạt mang điện có thể biểu diễn như
sau:
2 2 1
1 2 1
W ( )
p

sp
N N N
N N N
t t
τ
∂ ∂
= − − =
∂ ∂
Thành phần thứ nhất W
P
N
1
của vế phương trình ở giữa là tốc độ bơm từ
trang thái thấp lên trạng thái cao, thành phần thứ hai W
S
(N
2
-N
1
) là tốc độ bức xạ
kích thích và thành phần thứ ba
2
sp
N
τ
là tốc độ tái hợp tự phát từ mức cao xuống
mức thấp,
sp
τ
là hằng số thời gian của EDFA là giá trị tiêu biểu khoảng 10 ms.

Giá trị của các thông số còn lại cho trong bảng sau:
Tham số Gái trị
SP
τ
10 ms
a
σ
2,5x10
-21
cm
2
tại (980 nm)
1,8x10
-21
cm
2
tại (1480 nm)
e
σ
5x10
-21
cm
2
tại (1540 nm)
N
t
=N
1
+N
2

8x10
18
cm
-3
Băng thông phát xạ 30 nm (FWHM)
Ở trạng thái ổn định, phương trình trên viết lại thành
2 1
W 1/
W 2 1/
P sp
t
P S sp
N N N
W
τ
τ
−
− =
+ +
(5.16)
Với N
t
=N
1
+N
2
là tổng mật độ hạt mang điện. Khi tốc độ bơm đủ cao hay
W
P
>>W

S
và W
P
>>1/
SP
τ
, N
2
-N1=N
t
. Trong trường hợp này, hệ số khuếch đại của
EDFA gần bằng:
*
2 1
( )
e e t
g N N N g
σ σ
= − ≈ =
(5.17)
Trong đó g
*
là giới hạn trên của hệ số khuếch đại. Từ các phương trình (5.16) và
(5.17) trên suy ra độ khuếch đại của EDFA được biểu diễn như biểu thức sau:
*
W 1/
W 2 1/
P sp
P S sp
g g

W
τ
τ
−
=
+ +
Hình 5.31 Độ khuếch đại EDFA thay đổi theo
chiều dài sợi và công suất bơm
Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào cấu hình bơm. Có ba cấu hình
bơm cho bộ khuếch đại EDFA: bơm cùng hướng (so với hướng tín hiệu), bơm
ngược hướng và bơm theo cả hai hướng. Bơm cùng hướng đạt được nghịch đảo
tích lũy mạnh ở đầu sợi, điều này hạn chế hiện tượng bức xạ tự phát được
khuếch đại (ASE) và như vậy giảm đc nhiễu của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, kiểu
bơm này làm hạn chế hiệu suất chuyển đổi (sự chuyển đổi phôtôn bơm thành
phôtôn tín hiệu) bởi hiện tượng ASE ở cuối sợi. Loại bơm ngược hướng tạo
công suất đầu ra và hiệu suất chuyển đổi rất cao. Ngược lại, ASE thường suất
hiện ở đầu sợi (sự nghịch đảo tích lũy khi không có sóng bơm); điều này giải
thích tại sao sơ đồ này có hiệu năng không tốt lắm, nhất là từ quan điểm nhiễu.
Trong thực tế, người ta thường dùng phương pháp bơm hai hướng, nó tận dụng
đc các ưu điểm của mỗi kiểu bơm trong các cấu hình trên. Hơn nữa, do mức
nghịch đảo tích lũy hầu như không đổi trên toàn bộ chiều dài sợi nên giảm thiểu
đc nhiễu.
3. Sự bảo hòa
Hiệu ứng bão hòa độ khuếch đại có thể được minh họa trong hình 5.31, qua
đó ta thấy khi công suất bơm tăng thì độ khuếch đại tặng theo. Tuy nhiên, khi độ
dài của sợi EDF tăng đến một mức nào đó, tương ứng với một công suất bơm
nhất định, thì độ khuếch đại ra của EDFA giảm. Điều này xảy ra khi N
2
<N
1

hoặc
khi tốc độ bơm quá nhỏ nên không còn tạo ra nghịch đảo tích lũy được nữa. Từ
hình vẽ ta cũng thấy, chiều dài tối ưu như thay đổi tuyến tính với công suất bơm.
Hình 5.32 Độ khuếch đại của EDFA là hàm của công suất tín hiệu đầu ra ứng
với các mức bơm khác nhau
Sự bão hòa độ khuếch đại cũng đc thể hiên trong hình 5.32, minh họa sự
thay đổi sự thay đổi độ khuếch đại công suất theo tín hiệu ra. Khi công suất tín
hiệu ra tăng trong một phạm vi nhất định thì độ khuếch đại vẩn không đổi, nghĩa
là lúc đó có mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra. Tuy nhiên,
khi tín hiệu ra tăng đến một giới hạn nào đó thì độ khuếch đại bắt đầu giảm, thể
Công suất tín hiệu ra (dBm)
hiện sự bão hòa khuếch đại. Ngoài ra, độ khuếch đại và sự bão hòa của nó còn
phụ thuộc vào công suất bơm. Khi công suất bơm càng lớn thì độ khuếch đại
càng cao và sự bão hòa xảy ra tương ứng với công suất tín hiệu ra càng lớn.
4. Nhiễu trong EDFA
Loại nhiễu chính được tạo ra trong bộ khuếch đại quang là nhiễu phát xạ tự
phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission). Nguồn gốc của
nhiễu này là do sự tái hợp tự phát của các electron và lỗ trống trong đoạn sợi
khuếch đại. Sự tái hợp này làm tăng độ rộng phổ nền của các phôtôn được
khuếch đại cùng với tín hiệu quang. Hiệu ứng này được chỉ ra trên hình 5.33 khi
EDFA đang khuếch đại tín hiệu tại bước sóng 1540 nm. Nhiễu ASE sinh ra do
hiện tượng phát xạ tự phát của các ion Erbium trong sợi EDF của EDFA khi
chúng nhảy từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp mà không có sự
kích thích của ánh sáng tín hiệu. Quá trình này sinh ra các phôtôn có hướng và
pha ngẫu nhiên. Một số phôtôn bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi
quang và lan truyền dọc theo bên trong sợi, chúng lại được khuếch đại. Quá
trình này tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE.
Hình 5.33 Phổ nguồn bơm 1480 nm và tín hiệu đầu ra tại bước sóng
1540nm kèm theo nhiễu ASE.
Nhiễu tự phát này có thể được mô hình như là một nguồn rất nhiều các

xung ngắn ngẫu nhiên được phân bố dọc theo phần trung gian khuếch đại. Quá
trình ngẫu nhiên này đặc trưng bằng phổ công suất nhiễu bằng phẳng với tần số.
Mật độ phổ công suất của nhiễu ASE được biểu diễn:
AS ( ) ASE
[G(f)-1]=P /
E f sp opt
S hvn v= ∆
Trong đó P
ASE
là công suất nhiễu ASE ứng với băng thông quang
opt
v∆
và
sp
n
gọi là hệ số phát xạ tự phát hoặc hệ số nghịch đảo mật độ tích lũy và được
xác định:
2
2 1
n
n
sp
n n
=
−
Trong đó n
1
và n
2
tương ứng là mật độ của các electron trong trạng thái 1 và

trạng thái 2. Do vậy n
sp
biểu thị sự nghịch đảo mật độ tích lũy giữa 2 mức năng
lượng này. Từ các phương trình trên ta có n
sp
≥
1, dấu bằng chỉ xảy ra đối với
một bộ khuếch đại lý tưởng khi có sự nghịch đảo mật độ tích lũy hoàn toàn. Các
giá trị điển hình của nó thay đổi trong phạm vi 1,4 đến 4, phụ thuộc vào bước
sóng và tốc độ bơm.
Từ phương trình trên ta có thể tìm được hệ số nhiễu (noise figure) của bộ
khuếch đại quang, nó là số đo sự suy giảm S/N sau khi tín hiệu truyền qua bộ
khuếch đại. Theo định nghĩa, hệ số nhiễu NF là tỉ số giữa S/N đầu vào và S/N
đầu ra của bộ khuếch đại:
1 2 ( 1)
( / )
( / )
sp
in
out
n G
S N
NF F
S N G
η
+ −
= = =
Khi G lớn nó trở thành
2
sp

n
η
. Một bộ khuếch đại lí tưởng sẽ có n
sp
=1, khi
đó NF=2 (hoặc 3 dB) nếu
η
=1. Như vậy sử dụng một bộ thu lí tưởng với một bộ
khuếch đại lí tưởng sẽ làm giảm tỉ số S/N 2 lần. Trong bộ EDFA thực tế n
sp
khoảng bằng 2 do đó S/N đầu vào bị giảm đi khoảng 4 lần.
Công suất bơm (cùng hướng) Công suất bơm (ngược hướng)
[dBm] (a) [dBm] (b)
Hình 5.34 Công suất nhiễu ASE thực nghiệm và lý thuyết theo công suất
bơm đầu vào đối với các chiều dài sợi EDFA khác nhau khi bơm cùng hướng (a)
và bơm ngược hương (b)
Mức nhiễu ASE phụ thuộc vào việc sử dụng nguồn bơm cùng hướng hay
ngược hướng. Hình 5.34 cho thấy các số liệu tính toán và thực nghiệm của nhiễu
ASE theo công suất bơm đối với các chiều dài EDFA khác nhau và hướng bơm
khác nhau.
5. Một vài hình ảnh về EDFA: