Khuếch đại quang trong hệ thống dwdm lh_1600g nortel tại vthcm (vtn2)

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
oOo
Hệ thống thông tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ trong các mạng viễn thông
trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Việc tăng khả năng truyền dẫn và mở rộng khoảng
cách truyền dẫn là vấn đề cần được giải quyết khi triễn khai hệ thống thông tin quang.
Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thống thông tin
quang. Đối với các hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn về suy hao được khắc
phục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) và bộ khuếch
đại. Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn
quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử dụng cho
các hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp
quang điện cần được sử dụng để khuếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác
nhau. Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn
quang WDM. Cho nên mặc dù có những đặc điểm hấp dẫn nhưng bộ lặp không thể sử
dụng cho các tuyến và mạng WDM. Vì vậy sự dịch chuyển từ TDM sang WDM trong
mạng truyền dẫn quang không thể thực hiện mà không có bộ khuếch đại quang.
Bộ khuếch đại quang có nhiều ưu điểm hơn so với bộ lặp như : không phụ thuộc vào
tốc độ bit, phương thức điều chế tín hiệu, khả năng khuếch đại các tín hiệu trên nhiều
bước sóng cùng truyền trên một sợi quang (trong khi đó mỗi bộ lặp chỉ hoạt động với một
kênh bước sóng mà thôi). Tuy nhiên, bộ khuếch đại quang cũng có khuyết điểm là gây
nhiễu cho tín hiệu được khuếch đại, nhiễu này có thể được tích hợp qua nhiều chặng
khuếch đại, có thể làm nhận sai tín hiệu.
Có hai loại khuếch đại quang là: bán dẫn và sợi. Bộ khuếch đại quang phổ biến nhất là
bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium (Erbium-doped fiber amplifier_EDFA), nó mở ra
cánh cửa cho việc sử dụng hệ thống truyền dẫn quang WDM. Trong chương này chúng ta
sẽ tìm hiểu về định nghĩa chung của khuếch đại quang (chủ yếu đi vào khuếch đại quang
sợi EDFA và khuếch đại Raman vì đây là hai loại khuếch đại quang chủ lực trong hệ
SV:Tống Hoàng Vũ 1 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang

thống DWDM LH-1600G của Nortel sử dụng tại VTN2), và ứng dụng của khuếch đại
quang trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM.
1.1 Tổng quan về khuếch đại quang
1.1.1 Nguyên lý khuếch đại quang
Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trên
hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếch
đại.
Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emission) là một trong ba hiện tượng biến
đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang. Các hiện tượng này được minh họa
trên hình 1.1.
Hình 1.1 Các hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b). Phát xạ tự phát (c). Phát
xạ kích thích
Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 1.1(c), xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái
năng lượng cao E
2
bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf
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. Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi 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. Tuy
nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trong các bộ khuếch
SV:Tống Hoàng Vũ 2 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
đại quang không xảy hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng. Vì nếu xảy ra quá trình hồi tiếp
và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra các ánh sáng kết hợp của
riêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở ngõ vào. Nguồn ánh sáng này được xem là
nhiễu xảy ra trong bộ khuếch đại. Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín
hiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết
hợp của riêng nó ở ngõ ra.
Hiện tượng hấp thụ (absorption), hình 1.1(a), 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.

Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hình 1.1(b), 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. Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống (life time) của
điện tử ở mức năng lượng cao, các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng
thấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững). Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian
sống của điện tử sẽ khác nhau.
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. Nguyên nhân là do hiện tượng này
xảy ra một cách tự phát không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào bộ khuếch đại.
Nếu không có ánh sáng tín hiệu đưa vào, vẫn có năng lượng ánh sáng được tạo ra ở ngõ
ra của bộ khuếch đại. Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp
như hiện tượng phát xạ kích thích. Do vậy, phát xạ tự phát được xem là nguyên nhân
chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang. Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ
tự phát được khếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise).
1.1.2 Các kỹ thuật khuếch đại quang
SV:Tống Hoàng Vũ 3 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang

Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn như hình 1.2.
Hình 1.2 Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang
Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra trong
trong một môi trường được gọi vùng tích cực (active medium). Các tín hiệu quang được
khuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộc vào năng lượng được
cung cấp từ một nguồn bên ngoài gọi chung là nguồn bơm (Pump Source). Các nguồn
bơm này có tính chất như thế nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác
phụ thuộc vào cấu tạo của vùng tích cực. Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia
khuếch đại quang thành hai loại chính:
Khu ế ch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier):
- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn.
- Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laser bán dẫn.
Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạng thái dưới mức ngưỡng
phát xạ.
- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện
Khu ế ch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier):
- Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm. Do đó, OFA còn được gọi là 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. Một số loại OFA tiêu biểu:
+ EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530nm – 1565nm
SV:Tống Hoàng Vũ 4 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
+ PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280nm – 1340nm
+ TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440nm -1520nm
+ NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900nm, 1065nm hoặc 1400nm
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 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).
1.1.3 Các kỹ thuật khuếch đại quang khác
Có một số loại khuếch đại quang khác bên cạnh SOA và OFA. Các loại này sử dụng
các hiệu ứng phi tuyến để khuếch đại hơn là phát xạ kích thích. Hai loại khuếch đại
quang sử dụng hiệu ứng này là Raman và Brillouin. Sử dụng các hiệu ứng trên có thể xây
dựng phân tán, chứ không phải gom lại, sự khuếch đại quang của tín hiệu quang. Chúng
có ưu điểm sau: các thành phần giống nhau của sợi quang có thể truyền dẫn và khuếch
đại đồng thời. Thêm nữa, ta có thể thay thế thành phần này tại vị trí rất xa nguồn bơm, do
đó chúng ta có thể điều khiển và cung cấp sự khuếch đại từ trung tâm quản lý. Những
linh kiện trên hứa hẹn mở ra nhiều viễn cảnh tươi sáng cho kỹ thuật khuếch đại quang.
Một bộ khuếch đại Raman có ba dạng : tập trung ,phân phối và rời rạc. Cấu hình phổ biến
ngày nay là các bộ khuếch đại lai EDFA/Raman, một thiết bị mà bộ khuếch đại Raman
đền bù cho phần thiếu sót của độ lợi bước sóng trong khoảng từ 1570nm đến 1630nm.
Một ứng dụng quan trọng của bộ khuếch đại Raman phân tán là tránh các hiệu ứng có
hại được tạo ra bởi độ lợi cao của bộ khuếch đại EDFA. Như là độ lợi cần được tăng
khoảng cách giữa hai bộ khuếch đại gần nhau, nhưng nó là kết quả của việc bơm ánh
sáng công suất cao vào sợi quang ngay sau khi được khuếch đại. Điều này là nguyên
nhân của một vài hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang. Sự thay thế của khuếch đại Raman
kết thúc mỗi khoảng cách giữa các EDFA cho phép.
1.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier)
1.2.1 Nguyên lý và sơ đồ khối của EDFA
1.2.1.a Sơ đồ khối
Hình 1.3a và 1.3b mô tả hai đặc điểm chính của khuếch đại quang sợi. Một sợi quang
đóng vai trò như một vùng tích cực là trộn một số lượng lớn ion Erbium (Er). Năng lượng
ngoài được cung cấp là ánh sáng, chứ không phải điện tích, như các SOA.
SV:Tống Hoàng Vũ 5 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
Qúa trình bơm được thực hiện với một laser diode phát xạ công suất ánh sáng tại một
bước sóng khác chứ không phải là ánh sáng của tín hiệu thông tin nào đó. Đặc biệt, một

tín hiệu thông tin được truyền dẫn trong vùng lân cận của 1550nm nhưng laser bơm phát
xạ tại bước sóng 980nm hay 1480nm hoặc cả hai. Cả hai tín hiệu thông tin và ánh sáng
bơm vào được đặt vào cùng một sợi quang bởi một coupler. Hai ánh sáng này lan truyền
cùng trên sợi quang trộn Erbium, nơi mà tín hiệu thông tin được khuếch đại trong khi đó
tín hiệu bơm bị mất đi. Ta có thể tưởng tượng rằng, ánh sáng bơm vào cung cấp năng
lượng cho tín hiệu và sau đó “chết”.
Tín hiệu bơm có thể được bơm cùng chiều (bơm thuận) với tín hiệu thông tin, như
hình 1.3a minh hoạ, hoặc có thể được bơm ngược chiều (bơm nghịch), như quá trình thực
hiện trong hình 1.3b. Trường hợp bơm ngược chiều có các đặc điểm là nhiễu thấp và
công suất ra thấp, trong khi đó bơm cùng chiều cung cấp công suất quang ra cao nhưng
cũng tạo ra nhiễu cao. Trong các loại khuếch đại quang thương mại, chúng ta có thể bơm
song hướng với bơm thuận và bơm nghịch đồng thời.
Một coupler thứ hai loại bỏ phần ánh sáng bơm dư từ sợi quang. Một bộ cách ly
(isolator) ngăn ngừa ánh sáng phản hồi lan truyền trong sợi quang; nếu không, ánh sáng
này sẽ được khuếch đại, một đại lượng khá lớn bởi vì sự khuếch đại có thể chỉnh như một
bộ khuếch đại vào laser, không cần đề cập sự tăng nhiễu không mong muốn. Một bộ lọc
sẽ tách các bước sóng còn lại khác với tín hiệu thông tin.
SV:Tống Hoàng Vũ 6 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang

Hình 1.3 Khuếch đại quang sợi EDFA
SV:Tống Hoàng Vũ 7 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
Sự khuếch đại trong EDFA xảy ra qua quá trình phát xạ kích thích. Năng lượng trong
quá trình bơm sẽ kích thích các ion Erbium lên vùng năng lượng cao hơn. Tín hiệu thông
tin kích thích sự di chuyển của các ion được kích thích xuống vùng năng lượng thấp hơn.
Quá trình dịch chuyển này sẽ phát xạ ra các photon có cùng mức năng lượng- điều này có
nghĩa là cùng bước sóng- chúng ta có tín hiệu ra. Bởi vì EDFA có một mối quan hệ với
chiều rộng của độ lợi băng thông, nó có thể khuếch đại nhiều bước sóng (nhiều kênh)
đồng thời. Những tín hiệu được khuếch đại (các kênh bước sóng riêng biệt) có thể kết

hợp với nhiễu trong bộ EDFA như trên hình 1.3c.
Một bộ khuếch đại quang sợi thông thường là một thiết bị đơn hướng, như trên hình
1.3d minh hoạ. Tuy nhiên, một bộ khuếch đại phát sinh ra nhiễu của chính nó (thêm vào
khuếch đại nhiễu với tín hiệu đến) và nhiễu này lan truyền cả hai hướng với sợi quang.
Đặc tính của EDFA này khắc phục sự sử dụng một bộ cách ly trong cổng vào của bộ
khuếch đại quang sợi.
1.2.1.b Lược đồ các mức năng lượng
Hình 1.4 Lược đồ các mức năng lượng của các ion Erbium trong sợi silica
Bởi vì sự hoạt động của một bộ EDFA được dựa vào hiện tượng phát xạ kích thích, do
đó chúng ta nên thảo luận về lược đồ các mức năng lượng của một vùng tích cực liên
quan đến sự khuếch đại này. Các ion tự do nằm ở các mức năng lượng rời rạc. Khi các
ion Erbium được kết hợp chặt chẽ vào một sợi quang silica, mỗi mức năng lượng của
SV:Tống Hoàng Vũ 8 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
chúng chia thành các mức năng lượng có quan hệ gần gũi với nhau vì thế chúng ta gọi là
vùng hoá trị.
Trong EDFA, chia các mức năng lượng thành một mức năng lượng là có lợi. Đầu tiên
và trước nhất, nó cung cấp cho EDFA khả năng khuếch đại không chỉ một kênh mà tập
hợp các kênh. Thứ hai, nó loại đi sự cần thiết để tinh chỉnh bước sóng bơm.
Mức năng lượng quan trọng nhất của ion Erbium đã kết hợp chặt chẽ vào sợi quang
silica được minh hoạ như trên hình 1.4. Nó là một món quà của tự nhiên mà sự chuyển
dịch giữa mức 2 (trạng thái trung gian) và mức 1 (trạng thái thấp) xảy ra tại một tập các
bước sóng xung quanh 1550nm, nơi mà sợi quang silica thể hiện mức suy hao thấp nhất.
Sự may mắn trùng hợp ngẫu nhiên này là lý do tại sao EDFA được sử dụng rộng rãi. Như
chúng ta xem trên hình, lưu ý độ rộng của dải năng lượng, nó xác định khả năng của
EDFA để khuếch đại khoảng bước sóng từ 1500nm đến hơn 1600nm.
1.2.1.c Các bước sóng bơm
Mục tiêu của chúng ta là đạt được sự nghịch đảo nồng độ, như chúng ta đã biết, điều
này có ý nghĩa phải tập trung các ion Erbium nhiều tại mức trung gian (mức 2) hơn là
mức thấp (mức 1). Để đạt được sự nghịch đảo nồng độ, chúng ta cần phải bơm các ion

Erbium tại mức trung gian. Có hai các thực hiện điều này: bơm chúng trực tiếp tại bước
sóng 1480nm hay gián tiếp tại bước sóng 980nm.
Bây giờ ta thảo luận phương pháp bơm gián tiếp (bơm tại bước sóng 980nm) trước.
Trong trường hợp này, các ion Erbium tiếp tục chuyển từ mức thấp (mức 1) lên mức cao
(mức 3); ở đây chúng không phát xạ đến mức năng lượng trung gian (mức 2), mà chúng
chuyển xuống mức năng lượng thấp (mức 1), phát xạ các bước sóng yêu cầu từ 1500nm
đến 1600nm. Đây là nguyên lý của 3 mức năng lượng. Đặc điểm chính của nguyên lý 3
mức năng lượng chính là thời gian sống của hai mức trên. Thời gian sống hay thời gian
của phát xạ tự phát ((σ
sp
), là khoảng thời gian tồn tại trung bình tại các mức năng lượng
xác định trước khi chúng chuyển một cách tự phát xuống các mức năng lượng tiếp theo.
Thời gian sống của các ion Erbium tại mức năng lượng cao (mức 3) khoảng 1µs, trong
khi đó thời gian sống của các ion Erbium tại các mức năng lượng trung gian (mức 2) là
hơn 10ms (với thời gian sống của chúng dài, như mức trên gọi là metastable). Do đó, các
ion Erbium bơm tại các mức cao sẽ đi xuống mức năng lượng trung gian một cách rất
SV:Tống Hoàng Vũ 9 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
nhanh và ở mức năng lượng đó trong khoảng thời gian nhiều hơn. Hay nói cách khác, các
ion Erbium sẽ tích luỹ tại mức năng lượng trung gian, tạo ra sự nghịch đảo nồng độ.
Khi quá trình bơm được thực hiện một cách trực tiếp (tại 1480nm), chỉ bao gồm 2
mức năng lượng. Các ion Erbium được chuyển một cách liên tục từ mức năng lượng thấp
bằng năng lượng quang bên ngoài tại 1480nm và lên mức năng lượng trung gian. Từ thời
gian sống của các ion Erbium là dài, chúng tích luỹ ở đây, tạo ra nghịch đảo nồng độ.
Kết quả của hai quá trình là tại mức năng lượng trung gian được tập trung nhiều ion
Erbium hơn mức năng lượng thấp. Khi tín hiệu ánh sáng thông tin hoạt động tại một
trong các bước sóng của hệ thống WDM với một sợi quang bơm Erbium nghịch đảo
nồng độ, nó sẽ kích thích sự chuyển dịch của các ion Erbium từ mức 2 xuống mức 1. Sự
chuyển dịch kích thích này sẽ xảy ra cùng với phát xạ kích thích của các photon có cùng
bước sóng, hướng, và pha giống như photon vào. Do đó, sự khuếch đại tín hiệu vào xảy

ra.
1.2.2 Các EDFA cho dải bước sóng Băng-L
Bộ EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565nm). Tuy nhiên, độ lợi của sợi pha tạp có
đuôi trải rộng đến khoảng 1605nm. Điều này kích thích sự phát triển của các hệ thống
hoạt động ở băng L từ 1565nm đến 1625nm. Lưu ý hiện tại các EDFA cho băng L hiện
nay không bao phủ phần đỉnh của băng này từ 1610->1625nm.
Nguyên lý hoạt động của EDFA băng L giống như EDFA băng C. Tuy nhiên, có sự
khác nhau đáng kể trong việc thiết kế EDFA cho băng L và băng C. Phổ độ lợi của
Erbium ở băng L phẳng hơn băng C. Điều này làm cho việc thiết kế các bộ lọc làm phẳng
độ lợi ở băng L dễ dàng hơn. Tuy nhiên, hệ số độ lợi Erbium ở băng L nhỏ hơn khoảng 3
lần so với băng C. Điều này đòi hỏi phải sử dụng sợi pha tạp dài hơn hoặc sợi có nồng độ
pha tạp Erbium nhiều hơn. Hoặc công suất bơm cho EDFA băng L đòi hỏi phải cao hơn
so với EDFA băng C. Do sự hấp thụ qua đoạn băng L nhỏ hơn nên các bộ khuếch đại này
cũng có nhiễu ASE cao hơn. Cuối cùng các phần tử khác sử dụng bên trong bộ khuếch
đại như isolator và coupler là phụ thuộc vào bước sóng nên cũng sẽ khác nhau cho băng
C và băng L.
Do các yếu tố trên các bộ khuếch đại băng C và băng L được sản xuất riêng biệt.
SV:Tống Hoàng Vũ 10 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
Hình 1.5 Băng-C và Băng-L của băng thông một EDFA
1.2.3 Nhiễu và độ lợi của EDFA
1.2.3.a Độ lợi của EDFA
Độ lợi: đó là đặc điểm đầu tiên khi chúng ta đánh giá một bộ khuếch đại. Chúng ta
thảo luận đặc điểm này đối với một sợi quang tích cực.
a) Định nghĩa:
Độ lợi là tỷ số giữa công suất ánh sáng ra và công suất ánh sáng vào:

)1.1(
in
out

P
P
Gain
=
Khi công suất đo bằng watt. Thông thường chúng ta đo độ lợi bằng dB, điều này có
nghĩa:
)2.1(log10)(
10








=
in
out
P
P
dBGain
Nếu chúng ta nhìn lại hình 1.3c, chúng ta sẽ nhận ra rằng công suất ra bao gồm công
suất của tín hiệu ra và nhiễu. Kết quả, chúng ta cần tách công suất nhiễu khi tính toán độ
lợi:
)3.1(
in
ASEout
P
PP

Gain
−
=
Hay
)4.1(log10)(
10








−
=
in
ASEout
P
PP
dBGain
SV:Tống Hoàng Vũ 11 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
Độ lợi của EDFA hiện đại ngày nay có giá trị trong khoảng 20 đến 40 dB, dựa vào
chức năng của nó, người ta có thể thiết kế chúng như bộ khuếch đại công suất, khuếch đại
đường dây hay tiền khuếch đại.
b) Tính phẳng của độ lợi
Vì các mức nồng độ ở các mức khác nhau trong một giải năng lượng là khác nhau, độ
lợi của EDFA trở thành một hàm của bước sóng. Khi EDFA được sử dụng trong hệ thống
WDM, các kênh WDM khác nhau sẽ có độ khuếch đại khác nhau.

Một cách cải thiện tính phẳng của độ lợi bộ khuếch đại là sử dụng sợi fluoride thay thế
cho sợi silica, được pha tạp với Erbium. Các bộ khuếch đại này được gọi là bộ khuếch đại
EDFFA. Sợi fluoride cho độ lợi phẳng hơn sợi silica. Tuy nhiên, EDFFA lại có một số
nhược điểm sau:
o Chất lượng tạp âm của EDFFA kém hơn EDFA. Đó là lý do mà chúng phải được
bơm ở 1480nm mà không bơm được ở 980nm. Bởi vì sợi fluoride có mức năng lượng
E4>E3 và độ chênh lệch về năng lượng giữa hai mức này là tương ứng với 980nm. Điều
này làm cho công suất bơm ở 980nm sẽ bị hấp thụ bởi vì sự chuyển tiết E3->E4, và do đó
không tạo độ lợi hữu ích. Hiện tượng này gọi là hấp thụ ở trạng thái bị kích thích.
o Sợi fluoride rất khó xử lý. Nó giòn, dễ vỡ, khó ghép nối với sợi quy ước, nhạy
cảm với độ ẩm.
Một cách khác để làm phẳng độ lợi cho EDFA là sử dụng bộ lọc bên trong bộ khuếch
đại.
c) Sự bão hoà độ lợi
Độ lợi có phụ thuộc vào công suất của tín hiệu vào ? Dựa vào điều sau: một tín hiệu
công suất cao có nghĩa là một số lượng rất lớn các photon trên mỗi đơn vị thời gian sẽ đi
vào sợi quang trộn Erbium. Các photon này sẽ kích thích một số lượng vô cùng lớn các
photon chuyển dịch từ mức trung gian (mức 2) xuống mức thấp (mức 1). Điều này có ý
nghĩa mức năng lượng trung gian sẽ nhanh chóng mất đi các photon (hình 1.4). Hay nói
cách khác công suất ánh sáng vào càng lớn thì mật độ tại mức năng lượng trung gian
càng thấp. Nhưng theo nguyên lý của hiện tượng phát xạ kích thích, độ lợi là tương ứng
với sự khác nhau về mật độ của mức 2 và mức 1. Từ đó, làm nghèo mức 2 có ý nghĩa làm
giảm độ lợi. Hiện tượng này được gọi là sự bão hoà độ lợi.
SV:Tống Hoàng Vũ 12 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
Sự bão hoà độ lợi là một đặc tính quan trọng của EDFA, đặc biệt trong khuếch đại
công suất, nơi mà tín hiệu vào hầu như đến trực tiếp từ bộ phát quang và do đó rất lớn. Sự
bão hoà độ lợi xác định công suất ra một cách lớn nhất, thường được gọi là công suất ra
bão hoà, mà EDFA có thể đạt được.
d) Công suất bơm

Công suất bơm vào cao, số lượng lớn hơn các ion Erbium từ mức năng lượng thấp sẽ
được kích thích lên mức trung gian và độ lợi cao hơn cho EDFA. Nhưng chúng ta không
nên nghĩ như vậy, công suất bơm cao sẽ quét sạch tất cả các ion từ mức năng lượng thấp
và làm cho sự nghịch đảo nồng độ chuyển sang trạng thái bão hoà.
Chúng ta cũng cần phải tính toán rằng một bộ EDFA khuếch đại bao nhiêu kênh đồng
thời và công suất bơm được chia cho tất cả các bước sóng được khuếch đại. Nhiều bước
sóng được ghép cho tuyến truyền dẫn, nhiều công suất bơm được yêu cầu để thoả mãn
hoạt động của EDFA.
Laser diode bơm với công suất lên đến 165mW tại bước sóng 980nm và 140mW tại
bước sóng 1480nm. Đó là công suất đủ cho các hệ thống WDM 8 kênh và 16 kênh. Tuy
nhiên, ngay cả với hệ thống WDM 16 kênh bắt đầu trải qua sự thiếu hụt trong độ lợi bởi
vì không đủ công suất bơm; với hệ thống WDM 32 kênh và 40 kênh đang trong quá trình
chế tạo, vấn đề trở nên ngày càng nghiêm trọng. Như chúng ta đã biết, khi chúng ta tăng
số lượng kênh được ghép thì yêu cầu công suất bơm cao hơn.
1.2.3.b Nhiễu của EDFA
Nhiễu là một thông số quan trọng thứ hai của một bộ khuếch đại quang (hay bất kỳ
loại khuếch đại nào). Nếu chúng ta nhìn lại hình 1.3c, chúng ta thấy rằng độ lợi của một
bộ EDFA thường được sử dụng để khuếch đại bước sóng xác định. Do đó, rất quan trọng
để tính toán độ lợi và nhiễu trong băng thông của một kênh riêng biệt. Nhiễu quan trọng
trong EDFA được gọi là nhiễu phát xạ tự phát (Amplifier Spontaneous noise_ASE). Sự
giảm sút tín hiệu thực sự đến từ biến đổi tín hiệu tạo ra giao thoa nhiễu-nhiễu và giao
thoa nhiễu-tín hiệu. Như trong hình 1.6 mỗi “slice” có thể giao thoa với một “slice” khác
tạo ra tín hiệu biến đổi. Tuy nhiên, sự giao thoa nhiễu-nhiễu có thể dễ dàng loại bỏ bằng
cách sử dụng bộ lọc băng hẹp. Thực sự các bộ EDFA thường bao gồm một bộ lọc ASE
(ASE filter) để làm nhiệm vụ này. Sự thiệt hại thực sự đến từ sự giao thoa nhiễu-tín hiệu.
SV:Tống Hoàng Vũ 13 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
Nhiễu như thế không thể bị lọc bởi vì nó nằm trong băng thông của tín hiệu như hình 1.6
chỉ ra. Đây là phần đóng góp thực sự vào hệ số nhiễu của một bộ EDFA.
Hình 1.6 Các loại giao thoa nhiễu-tín hiệu và nhiễu-nhiễu.

Hệ số nhiễu dựa vào giao thoa tín hiệu-nhiễu được cho bởi:
)5.1(
)(








=
s
s
ASEn
BWGhf
PF
λ
λ
Với λ
S
là bước sóng tín hiệu
hf là năng lượng của kênh riêng
G là độ lợi khuếch đại
BW là băng thông của bộ khuếch đại
Ta cũng biết tổng công suất trung bình của nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại là:
)6.1( 2 BWGhfnP
spASE
=
Với n

sp
là hệ số phát xạ tự phát hay hệ số nghịch đảo nồng độ
Từ (1.5)&(1.6) ta có thể dễ dàng tính được hệ số nhiễu của bộ EDFA:

)7.1(.2
spn
nF =
SV:Tống Hoàng Vũ 14 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
Từ công thức (1.7) ta thấy đối với bộ khuếch đại lý tưởng, khi n
sp
=1, SNR của một tín
hiệu được khuếch đại giảm hai lần (3dB). Công thức (1.7) chỉ ra rằng, EDFA khuếch đại
tín hiệu nhưng cũng làm tăng mức nhiễu. Thông thường giá trị n
sp
thay đổi từ 1.4 đến 4
nên F
n
thay đổi từ 3.5dB đến 9dB cho EDFA.
1.2.4 Các thành phần chính trong một bộ EDFA
Sợi quang pha tạp Erbium là trái tim của một bộ khuếch đại EDFA nhưng nó không
phải là thành phần duy nhất. Để EDFA làm việc và cải tiến độ lợi cùng với hạn chế nhiễu
thì cần phải có thêm các thành phần khác. Sơ đồ khối chung của EDFA được minh hoạ
như trên hình 1.3a và 1.3b. Chúng bao gồm: một sợi quang tích cực, một laser bơm, một
coupler, và một bộ cách ly và lọc quang.
1.2.4.a Sợi trộn Erbium
Một sợi quang trộn Erbium là vùng tích cực của một bộ EDFA. Nó được chế tạo như
các sợi quang thông thường, nhưng lõi của nó được trộn nhiều ion Erbium. Vì sự khuếch
đại thực sự được thực hiện bởi các ion Erbium nên mật độ các ion này trong sợi silica
càng cao càng tốt. Để tăng mật độ của các ion Erbium – số lượng các ion Erbium trong

một đơn vị sợi quang – các nhà sản xuất giảm đường kính lõi của sợi silica, điều này có ý
nghĩa là giảm đường kính trường mode của nó (mode-field diameter_MFD). Đường kính
trường mode của sợi quang trộn Erbium là khoảng từ 3µm đến 6µm, trong khi đó MFD
của sợi quang thông thường thường là từ 9µm đến 11µm. Chính vì vậy, MFD của sợi
quang trộn là nhỏ, xác xuất của sự va chạm giữa các ion Erbium và các photon của tín
hiệu thông tin (tức là tín hiệu được khuếch đại) tăng. Hay nói cách khác, đường kính lõi
nhỏ làm tăng hiệu suất của quá trình khuếch đại.
Để đạt được hệ số khuếch đại cao, các nhà sản xuất không những giảm đường kính lõi
mà còn tập trung hầu hết các ion Erbium trong vùng trung tâm của lõi nhỏ. (Xem hình
1.7). Sự tập trung của các ion Erbium trong vùng trung tâm từ 100 đến 2000 phần triệu,
như minh hoạ trên hình 1.7. Một sợi quang tích cực với sự tập trung cao khoảng
5000ppm đã xuất hiện trên thị trường.
Kích thước của cả lớp phủ (cladding) và lớp phủ ngoài (coating) của sợi quang trộn
Erbium là rất quan trọng. Các kích thước này là tiêu chuẩn đối với sợi quang đơn mode
và đa mode. Tuy nhiên, kích thước lõi của sợi quang tiêu chuẩn và sợi quang trộn Erbium
SV:Tống Hoàng Vũ 15 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
là khác nhau: 62.5µm hay 50 µm đối với sợi đa mode, 8.3 µm cho sợi quang đơn mode,
và từ 2.8 µm đến 5.2 µm cho sợi quang khuếch đại.
Hình 1.7 Cấu trúc hình học của sợi quang trộn Erbium
Sợi quang trộn Erbium với khẩu độ số (NA) cao được sử dụng để xây dựng các bộ
EDFA với độ lợi cao và công suất quang ra cao. Dựa vào các ứng dụng, sợi quang sẽ
khác nhau về khẩu độ số. Sợi quang trong bộ tiền khuếch đại và khuếch đại đường dây có
khẩu độ số cao hơn (0.24) so với khuếch đại công suất (0.22). Sự thay đổi NA cho phép
các nhà sản xuất thay đổi hệ số nhiễu. Nguyên tắc là: khẩu độ số cao thì nhiễu thấp. Để
giảm nhiễu, các nhà sản xuất chế tạo sợi quang trộn Erbium với NA lên đến 0.29.
1.2.4.b Laser diode bơm
Laser bơm là các laser diode bán dẫn phát xạ tại bước sóng 980nm hay 1480nm. Đặc
điểm cơ bản nhất của chúng là công suất phát xạ cao. Như đã đề cấp ở trên, một laser
diode có thể phát xạ công suất ánh sáng lên đến 165mW.

SV:Tống Hoàng Vũ 16 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
Một bộ laser diode bơm bao gồm: một laser diode (LD) phát xạ ra ánh sáng bơm, một
backfaced photodiode (PD) để giám sát hiệu suất của LD, và một bộ trermoelectric cooler
(TEC) với một thermistor để điều khiển và ổn định nhiệt độ của laser. Sơ đồ khối của
laser bơm như hình vẽ 1.8.
Hình 1.8 Sơ đồ khối chức năng của một module laser bơm.
Như chúng ta đã biết, ngày càng có nhiều bước sóng được ghép vào, chúng ta cần phải
có công suất bơm lớn hơn. Có 3 cách cơ bản để tăng công suất bơm:
1. Tăng công suất của laser diode bơm đơn (lên đến 250nm).
2. Bơm một EDFA với các laser riêng biệt theo các trạng thái phân cực của sự
phát xạ của laser.
3. Sử dụng một vài laser bơm riêng rẽ bằng các bước sóng khác nhau, kết quả là
công suất tổng của chúng. Nhưng cách bơm như thế này chúng ta gọi là ghép laser bơm.
Để ghép laser bơm, chúng ta sử dụng hai hay bốn laser diode hoạt động xung quanh
bước sóng 1480nm với khoảng cách 10 nm hay 15 nm. Do đó chúng ta có 4 nguồn laser
bơm, các bước sóng hoạt động là 1460nm, 1470nm, 1480nm và 1490nm. Khoảng cách
này có thể hoạt động được bởi vì khoảng hấp thu xung quanh bước sóng 1480nm là
80nm. Bước sóng của các photon này thay đổi không nhiều trong khoảng 1480nm sẽ bị
hấp thu và năng lượng của chúng sử dụng cho bơm các ion Erbium lên trạng thái kích
thích. Một coupler WDM kết hợp các tín hiệu riêng biệt lại với nhau vào một sợi quang.
Kết quả là một bộ laser bơm sử dụng một vài laser diode sinh ra công suất quang cao.
1.2.5 Ưu khuyết điểm của EDFA
a) Ưu điểm:
- Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao.
- Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống.
SV:Tống Hoàng Vũ 17 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
- Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận
chuyển và thay thế.

- Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang
vượt biển.
- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch
đại quang bán dẫn.
- Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu.
Nhờ những ưu điểm nổi bật này mà EDFA là loại khuếch đại quang được sử dụng phổ
biến trong các hệ thống WDM.
b) 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.
1.3 Bộ khuếch đại quang Raman
1.3.1 Tán xạ do kích thích Raman (SRS)
Nếu đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau thì SRS
gây ra sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng
cao hơn. Sự chuyển năng lượng từ kênh tín hiệu có bước sóng thấp sang kênh tín hiệu có
bước sóng cao là một hiệu ứng cơ bản làm cơ sở cho khuếch đại quang. Năng lượng của
photon ở bước sóng λ là hc/ λ với h là hằng số Planck (6.63x10
-34
Js). Do đó, photon của
bước sóng thấp có năng lượng cao hơn. Sự chuyển năng lượng từ tín hiệu bước sóng thấp
sang tín hiệu bước sóng cao tương ứng với sự sinh ra các photon năng lượng thấp từ các
photon năng lượng cao hơn.
Độ lợi là một hàm của khoảng cách bước sóng. Các kênh cách nhau đến 15Thz
(125nm) sẽ bị tác động của SRS. SRS gây ảnh hưởng trên cả hướng truyền và hướng
ngược lại. Mặc dù SRS giữa các kênh trong hệ thống WDM ảnh hưởng xấu cho hệ thống,
SRS vẫn có thể được dùng để khuếch đại hệ thống.
1.3.2 Bộ khuếch đại Raman
Hiện tượng tán xạ do kích thích Raman SRS cũng thường dùng để khuếch đại tín hiệu
quang. Phổ độ lợi Raman tương đối rộng và đỉnh của độ lợi tập trung quanh 13Thz dưới

tần số sử dụng cho tín hiệu bơm. Đáng chú ý là ở gần vùng hồng ngoại, tương ứng với
SV:Tống Hoàng Vũ 18 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
khoảng cách bước sóng là 100nm. Vì vậy, sử dụng nguồn laser bơm với công suất cao sẽ
cung cấp độ lợi cho các tín hiệu khác với đỉnh độ lợi đạt được 13Thz dưới tần số bơm. Ví
dụ, sử dụng bơm quanh 1460-1480nm cung cấp độ lợi Raman trong cửa sổ 1550-
1600nm.
Bộ khuếch đại Raman khác bộ EDFA ở một số điểm cơ bản sau:
• Không giống như EDFA, hiệu ứng Raman có thể được sử dụng để cung cấp độ
lợi cho bất kỳ bước sóng nào. EDFA cung cấp độ lợi trong băng C và L (1528-1605nm).
Vì vậy, bộ khuếch đại Raman có thể mở rộng cho các băng khác của WDM, như cửa sổ
1310nm hay băng S nằm dưới 1528nm. Có thể bơm đồng thời nhiều bước sóng khác
nhau với công suất khác nhau để biến đổi toàn bộ dạng độ lợi Raman.
• Bộ khuếch đại Raman dựa vào cách bơm đơn giản chính sợi silica sử dụng cho
truyền dẫn các tín hiệu dữ liệu, vì vậy nó có thể được sử dụng để chế tạo bộ khuếch đại
tập trung (lumped) hoặc rời rạc (discrete) cũng như bộ khuếch đại phân phối
(distributed). Bộ khuếch đại tập trung bao gồm một cuộn sợi quang dài đi kèm với nguồn
laser bơm tương ứng.
Hiện nay bộ khuếch đại quang Raman được sử dụng phổ biến như là thành phần bổ
sung cho EDFA bằng cách cung cấp thêm độ lợi theo dạng phân bố trong các hệ thống
đường cực dài. Khó khăn lớn nhất để chế tạo bộ khuếch đại Raman là nguồn bơm cho nó.
Các bộ khuếch đại này đòi hỏi các nguồn bơm có công suất khoảng 1W.
Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman hơi khác so với EDFA. Độ lợi Raman đáp
ứng tức thời đối với nguồn bơm. Do đó, sự dao động của nguồn bơm sẽ làm cho độ lợi
biến động và sẽ xuất hiện như là nhiễu xuyên kênh đối với tín hiệu mong muốn. Điều này
không có ở EDFA. Đáp tuyến thời gian của độ lợi trong các thiết bị này chậm hơn
khoảng mili giây. Do đó, đối với khuếch đại Raman, quan trọng nhất là giữ bơm tại công
suất cố định. Có thể giảm đáng kể được hiện tượng này bằng cách bơm ngược chiều với
hướng truyền dẫn tín hiệu vì sự biến động của nguồn bơm trong trường hợp này được
trung bình hoá theo thời gian lan truyền trên toàn sợi. Để hiểu điều này trước tiên xem xét

trường hợp sóng bơm lan truyền cùng hướng với tín hiệu. Hai sóng này lan truyền với
vận tốc xấp xỉ bằng nhau. Trong trường hợp này, khi công suất bơm ở ngõ vào cao, thì
tín hiệu có độ lợi cao và ngược lại. Xét trường hợp sóng bơm và tín hiệu lan truyền theo
hướng ngược nhau. Để dễ hiểu, giả sử công suất bơm biến đổi giữa hai trạng thái: cao và
SV:Tống Hoàng Vũ 19 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
thấp. Khi tín hiệu lan truyền qua sợi, bất cứ khi nó chồng với tín hiệu bơm ở trạng thái
công suất cao thì nó có độ lợi cao. Khi nó chồng với tín hiệu bơm ở trạng thái công suất
thấp thì nó có độ lợi thấp. Nếu như sự biến thiên của sóng bơm nhanh hơn so với thời
gian lan truyền của tín hiệu qua sợi, các sự biến thiên của độ lợi được trung bình hoá ở
ngõ ra, và theo thời gian tín hiệu trong sợi quang có độ lợi cố định.
Một nguồn nhiễu khác trong bộ khuếch đại Raman là nhiễu xuyên kênh giữa các tín
hiệu WDM do khuếch đại Raman. Tín hiệu được điều chế ở bước sóng đặc biệt làm suy
yếu công suất bơm, gây ra điều chế tương tự cho tín hiệu bơm. Điều chế tín hiệu bơm
làm ảnh hưởng đến độ lợi dành cho bước sóng kế, xuất hiện dưới dạng nhiễu xuyên kênh
trên bước sóng đó. Một lần nữa, bơm ngược chiều với tín hiệu sẽ giảm được ảnh hưởng
này. Do những nguyên nhân đó mà phần lớn các bộ khuếch đại Raman đều sử dụng cấu
hình bơm ngược chiều.
Ngoài ra còn có một nguồn nhiễu khác liên quan tới sự phản xạ ngược tín hiệu bơm
do tán xạ Rayleigh trong sợi. Nhiễu bức xạ tự phát trong bộ khuếch đại Raman tương đối
thấp. Đây là nguồn nhiễu chủ yếu bởi vì nếu thiết kế cẩn thận có thể hạn chế phần lớn các
nguồn nhiễu khác.
1.3.3 Cấu tạo bộ khuếch đại Raman
Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman được thể hiện trong hình 1.9 gồm:
- Sợi quang silic.
- Bộ ghép (Coupler): dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với sóng bơm.
- Laser bơm (Pump laser): dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của
sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích, giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ.
- Bộ cách ly (Isolator): đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín
hiệu phản xạ ở 2 đầu bộ khuếch đại. Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo

hướng ngược về phía đầu vào có thể gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào.
SV:Tống Hoàng Vũ 20 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
Hình 1.9 Cấu tạo của bộ khuếch đại Raman
1.3.4 Hệ số khuếch đại
Hình 1.10 biểu diễn sự thay đổi của độ lợi khuếch đại Raman theo độ chênh lệch bước
sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm. Qua đó cho thấy, hệ số khuếch đại Raman tăng hầu
như tuyến tính với độ chênh lệch bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm, đạt giá trị đỉnh
tại 100nm và giảm nhanh chóng sau đó. Trong hình cũng cho thấy, băng thông độ lợi của
khuếch đại Raman có thể đạt từ 45-50nm.
Hình 1.10 Hệ số độ lợi Raman thay đổi theo độ chênh lệch bước sóng của tín hiệu
và của nguồn bơm.
1.3.5 Ưu khuyết điểm của khuếch đại Raman:
a) Ưu điểm
- Tạp âm nhiễu thấp.
- Cấu trúc đơn giản, không cần sợi đặc biệt.
- Dễ chọn băng tần.
SV:Tống Hoàng Vũ 21 GVHD:Trần Xuân Trường
Bộ ghép
Bộ cách li
Laser bơm
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
- Có thể đạt được băng thông rộng nhờ kết hợp vài laser bơm.
b) Khuyết điểm
- Xuyên âm giữa các kênh tín hiệu do hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS.
Đây là một trong những hiệu ứng phi tuyến của sợi quang có thể gây ảnh hưởng đến chất
lượng của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM.
- Hệ số khuếch đại thấp.
- Hiệu suất khuếch đại thấp hơn so với EDFA: khuếch đại Raman cần một công
suất bơm lớn hơn để đạt cùng một giá trị độ lợi.

Như vậy, khuếch đại Raman không hiệu quả bằng khuếch đại EDFA. Do hạn chế về
công suất phát của laser bơm trong bộ khuếch đại Raman nên người ta thường sử dụng
ghép giữa EDFA và Raman. Cấu hình kết hợp này thường gặp ở các bộ khuếch đại
đường truyền. Bộ khuếch đại Raman giúp nâng cấp các liên kết đang tồn tại lên nhiều
kênh hơn mà không phải thay thế các EDFA đã lắp đặt.
Bộ khuếch đại EDFA có hệ số nhiễu thấp cùng với băng tần tuy không rộng bằng hai
bộ khuếch đại SOA và Raman nhưng nó cũng đủ cung cấp cho nhu cầu băng thông hiện
nay và trong tương lai có thể hoạt động tốt trong băng L khi được sử dụng kết hợp với bộ
khuếch đại Raman. Vì thế mà hiện nay bộ khuếch đại EDFA được sử dụng phổ biến và
hầu như có mặt trong tất cả các hệ thống truyền dẫn quang.
1.4Khuếch đại quang trong hệ thống WDM
1.4.1 Sơ lược về công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM
1.4.1.a Định nghĩa
Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ
“trong một sợ quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”. Ở đầu phát,
nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi
trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi
phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.
1.4.1.b Sơ đồ chức năng
Hình 1.11 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM
Như minh họa trên hình 1.11 , để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên một
sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:
SV:Tống Hoàng Vũ 22 GVHD:Trần Xuân Trường
DE
MUX
Rx2
RxN
Rx1
Khuếch đại tín hiệu
Khuếch đại tín hiệu

Tách tín hiệu
Truyền tín hiệu trên sợi quang
EDFA
EDFA
MUX
Tx2
TxN
Tx1
Phát tín hiệu
Ghép tín hiệu
Thu tín hiệu
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
• Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser.
Hiện tại đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable
Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser)… Yêu cầu đối với nguồn phát laser
là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước
sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chip phải nằm trong giới hạn cho phép.
• Ghép / tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn quang
khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách
tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng
riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như:
bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, bộ lọc Febry-Perot…
• Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh
hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên
quan đến khuếch đại tín hiệu…
• Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại
quang EDFA. Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực
tế. Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch
không quá 1dB).

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến
mức công suất đầu ra của các kênh.
- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các
hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các
kênh.
• Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách
sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.
SV:Tống Hoàng Vũ 23 GVHD:Trần Xuân Trường
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
1.4.1.c Phân loại hệ thống WDM
Hình 1.12 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng
Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như
minh họa trên hình 1.12. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang.
Do vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang. Hệ thống WDM song
hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có
thể trao đổi thông tin giữa hai điểm.
Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại
chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:
• Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao
gấp đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ
thống song hướng.
SV:Tống Hoàng Vũ 24 GVHD:Trần Xuân Trường
DE
MUX
Rx2
RxN
Rx1
Hệ thống WDM đơn hướng
EDFA
EDFA

MUX
λ1, λ2, λ3,…, λN
λ1, λ2, λ3,…, λN
Tx2
TxN
Tx1
DE
MUX
Rx2
RxN
Rx1
Hệ thống WDM song hướng
EDFA
EDFA
MUX
λ1, λ2, λ3,…, λi
λ(i+1), λ(i+2),…, λN
Tx2
TxN
Tx1
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang
• Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển
mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của liên kết
đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời.
• Đứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn
phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một
sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho 2 chiều trên sợi quang
không dùng chung một bước sóng.
• Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn
trong hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song

hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuếch đại sẽ cho công
suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng.
1.4.1.d Các phần tử cơ bản của mạng WDM
SV:Tống Hoàng Vũ 25 GVHD:Trần Xuân Trường