Báo cáo khoa học: "MỞ RỘNG PHỔ TĂNG ÍCH CỦA EDFA KHI KẾT HỢP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG" ppsx

MỞ RỘNG PHỔ TĂNG ÍCH CỦA EDFA KHI KẾT HỢP
GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI
QUANG SỢI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

ThS. CHU CÔNG CẨN
Bộ môn Kỹ thuật thông tin
Khoa Điện – Điện tử
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Thông tin quang đã dần trở thành phương tiện truyền dẫn chủ đạo trên mạng
viễn thông của các quốc gia và xuyên quốc gia. Ngày nay, các hệ thống thông tin sợi quang đã
truyền tải trên 85% nhu cầu dung lượng thông tin mà con người tạo ra.
Mục tiêu nâng cao năng lực của thông tin quang đã thúc đẩy việc nghiên cứu và đưa vào
ứng dụng nhiều công nghệ và kỹ thuật mới. Trong các công nghệ đó, thì công nghệ ghép kênh
quang theo bước sóng và công nghệ khuếch đại quang sợi được quan tâm nhất. Tuy nhiên khi
kết hợp hai công nghệ này vào hệ thống thông tin sợi quang đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn
đề kỹ thuật để đáp ứng yêu cầu của hệ thống thông tin sợi quang.
Bên cạnh vấn đề kỹ thuật cần giải quyết về sự khuếch đại không đồng đều giữa các kênh
quang thì vấn đề mở rộng phổ của EDFA là hết sức quan trọng khi áp dụng đồng thời hai
công nghệ trên vào các hệ thống thông tin quang.
Summary:
The optical communication has become a main transmitting mean in the
national and international telecommunication network. Nowadays, the optical communication
systems have transmitted over 85% of the total created information capacity.
The target for improving on capacity of optical communication system has strengthened
the studies and applications of new technologies and engineering. Of which, the technology
for combining the optical wave-length division multiplexing and Erbium Doped Fiber
Amplifier are the most interested ones. However, it is required to solve some technical issues
to satisfy the requirements of the system when combining two technologies into optical
communication system.

Besides, the technical issues requiring for solving is the uneven amplification between
the optical channels, the problem for the expanding the gain spectrum of EDFA is very
important when applying both technologies into the optical communication system.
CT 2
I. GIỚI THIỆU
Dựa trên đặc tính truyền dẫn của công
nghệ ghép kênh quang theo bước sóng
(WDM) và khuếch đại quang sợi Erbium
(EDFA) ta thấy khi kết hợp sử dụng hai công
nghệ này là nhằm nâng cao năng lực truyền
dẫn của các hệ thống thông tin quang điều chế
cường độ và tách trực tiếp (IM-DD). Về mặt
kỹ thuật, khi ứng dụng kết hợp hai công nghệ
này tất yếu nảy sinh các vấn đề khắc phục.
Các vấn đề đó là:
- Phổ tăng ích của EDFA không đồng
đều giữa các kênh.


- Mở rộng băng tần của EDFA để đáp
ứng nhu cầu về số lượng kênh quang ngày
càng gia tăng.
- Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến
tăng dẫn tới tăng xuyên âm giữa các kênh…
Việc tìm kiếm các giải pháp để tối ưu cho
các vấn đề trên cũng tức là tìm các giải pháp
để nâng cao năng lực của hệ thống.
CT 2
Mở rộng phổ tăng ích cho các bộ khuếch
đại EDFA có ba giải pháp như sau:

- Mở rộng phổ tăng ích của EDFA bằng
tán xạ Raman SRS.
- Mở rộng băng tần bằng bộ khuếch đại
hai tầng với băng C và băng L.
- Mở rộng phổ tăng ích của EDFA bằng
cách sử dụng vật liệu Tellurite cho sợi EDF.
II. MỞ RỘNG PHỔ TĂNG ÍCH CỦA EDFA
BẰNG TÁN XẠ SRS
Khi bơm (bước sóng kích thích cho
EDFA) và truyền ánh sáng tín hiệu trên đường
truyền đồng thời thì tán xạ Raman được kích
thích (SRS) xảy ra. Tán xạ SRS này khuếch
đại tín hiệu đầu vào cũng giống cách mà phát
xạ kích thích của nguyên tử Erbium khuếch
đại tín hiệu trong EDFA. Tăng ích Raman là
do bước sóng bơm được tán xạ và dịch dần tới
bước sóng của tín hiệu trong EDFA. Với sợi
silica làm việc trong băng tần 1550 nm thì
đỉnh của tăng ích Raman được dịch tần
khoảng 13 THz so với tần số bơm (dài hơn
khoảng 100 nm). Điều này có nghĩa là ta có
thể sử dụng phổ tăng ích Raman để mở rộng
phổ tăng ích cho bộ khuếch đại EDFA ra băng
L với cùng một nguồn bơm 1480 nm.
Các bộ khuếch đại EDFA kết hợp với tán
xạ Raman là giải pháp mở rộng phổ tăng ích
có thể tạo ra dải tần lớn nhất trong ba phương
pháp được bàn đến trong bài báo này. Tuy
nhiên nó còn gặp phải một số vấn đề khó khăn
do mức nhiễu của bộ khuếch đại còn tương

đối lớn và việc khắc phục nhiễu còn đang
được nghiên cứu thêm.
Quan hệ tăng ích Raman của tín hiệu (có
sóng stoke cấp 1) và bước sóng bơm được thể
hiện bằng các phương trình sau:
()
p1sr
s
p
pp
p
PPP
v
v
P
dz
dP
+γ+α=
(1)
psrps
s
PPP
dz
dP
γ+α−=
(2)
p1r11
1
PPP
dz

dP
γ−α−=
s
P
p
P
1
P
(3)
Trong đó:
, : Công suất tín hiệu và công suất
bơm
: Công suất stoke thứ nhất
α
, : Suy hao và tần số
v
2
rr
g πω=γ
ích Raman.
ích Raman với nguồn bơm 1480 nm
công
: Hệ số phát xạ; g
r
: Tăng
Hình 1. Tăng
Vấn đề cơ bản ở đây là tính toán mức
suất bơm để sao cho tăng ích của tán xạ
Raman cân bằng với tăng ích của bộ khuếch
đại EDFA. Bằng việc giải các phương trình

CT 2
g SRS
III. MỞ RỘNG BĂNG TẦN BẰNG BỘ
c tế các sợi EDF có thuộc tính
khuế
nm để thấy rõ được điều đó:
ước sóng băng L
của C
3-4
c bộ khuếch đại
L –
ử dụng đồng thời
hai b
(1), (2), (3) ta có thể tính được điều đó. Băng
tần của tán xạ Raman với nguồn bơm 1480nm
được thể hiện trên hình 1. Từ phổ tăng ích
Raman này thì ta thấy việc mở rộng phổ tăng
ích có thể đạt được từ 1560 nm tới 1625 nm.
Phổ tăng ích của EDFA được mở rộng bằng
tán xạ Raman có dạng như trong hình 2
.
Hình 2. Phổ tăng ích của EDFA được mở rộng bằn
KHUẾCH ĐẠI HAI TẦNG VỚI BĂNG TẦN C
VÀ BĂNG L
Trên thự
ch đại vượt quá băng thông thường (1530
– 1565 nm) của EDFA. Thành phần tăng ích

này đã bị bỏ qua mặc dù nó vẫn còn đủ mạnh
để khuếch đại. Lý do là hiệu quả khuếch đại
của nó ở vùng sóng dài thấp. Hệ số tăng ích
của nó nhỏ hơn hệ số khuếch đại trong băng C
tới gần chục lần. Cho nên lúc đầu khi vấn đề
mở rộng băng tần của EDFA chưa trở nên bức
thiết thì việc loại bỏ thành phần này là đương
nhiên. Khi các hệ thống WDM đã được sử
dụng phổ biến với các bộ khuếch đại EDFA
thì vấn đề mở rộng băng tần cho các bộ
khuếch đại EDFA mới được đặt ra để nâng
cao năng lực truyền dẫn của hệ thống. Như
vậy, thành phần phổ tương đối bằng phẳng
của băng L (1570 – 1610 nm) đã được chú
trọng và phát triển. Hình biểu diễn hệ số tăng
ích của EDFA trong dải tần từ 1440 – 1660
Hình 3. Phổ của hệ số tăng ích của EDFA
Mặc dù tăng ích của b
các EDFA là hơi nhỏ (nhỏ hơn ở băng
lần), nhưng bằng cách tích luỹ tăng ích
nhỏ dọc theo chiều dài sợi với công suất bơm
lớn và chiều dài sợi là dài thì có thể nâng tăng
ích này lên đến mức của các bộ khuếch đại
EDFA thông thường (25-30 dB). Kết quả là
chiều dài của sợi EDF của bộ khuếch đại
EDFA băng L kiểu này gấp tới mười lần các
bộ khuếch đại EDFA băng C.
Để giảm tới mức tối thiểu ảnh hưởng
tăng ích lớn của băng C thì cá
band EDFA cần phải hoạt động ở mức

chuyển đổi trung bình của các điện tử. Hình 3
cho thấy sự phụ thuộc của hệ số tăng ích vào
mức độ chuyển đổi điện tử của EDFA. Ở mức
chuyển đổi trung bình tăng ích của băng C là
xấp xỉ bằng không, lý do là vì hệ số suy hao
của sợi EDF ở băng C lớn.
Việc phát triển các bộ khuếch đại EDFA
băng L là đi đôi với việc s
ăng (C và L) trong các hệ thống thông tin
quang WDM. Bởi vì nếu chỉ sử dụng riêng
các bộ khuếch đại băng L thì chỉ có thể được
độ rộng phổ khuếch đại là 38 nm (từ 1568 nm
tới 1606 nm) trong khi đó phổ khuếch đại của
băng C hiệu quả hơn cũng đạt được 35 nm.
Có ba cấu hình sử dụng hai bộ khuếch đại


CT 2
g,
cấu h
ở
hình
Đối với cấu hình đường đơn: Trong cấu
hình này thì các kênh đều được khuếch đại ở
Đối với cấu hình đường kép: Hình 6 thể
hiện cấu hình đường kép của bộ khuếch đại
nh này
kỹ t
hiễu tốt (khoảng 5-6 dB) còn cấu
hình s u lớn

hơn
Tăng
trên 2

EDFA băng L và băng C là cấu hình song son
ình đường đơn và cấu hình đường kép.
Đối với cấu hình song song: Một ví dụ cụ
thể của cấu hình song song được minh hoạ
4. Trong cấu hình song song thì các bộ
tách ghép lựa chọn bước sóng (WSC) sẽ tách
các kênh của hai băng ra. Các kênh của băng
C sẽ được đưa tới sợi EDF ngắn với cấu hình
bơm thuận để khuếch đại. Còn các kênh
bước sóng dài sẽ được đưa tới các sợi EDF
dài để khuếch đại. Sau khi được khuếch đại
các kênh ghép lại để đưa ra sợi quang.
sợi (ngắn) thứ nhất sau đó các kênh băng C
được nối ra sợi quang còn các kênh băng L lại
được khuếch đại tại sợi thứ hai (sợi dài) rồi
mới được nối ra sợi quang như hình 5.
hai băng (băng L và băng C). Cấu hì
huật phản xạ và mạch nối vòng để với
cùng một sợi EDF tín hiệu có thể được khuếch
đại hai lần.
hình đường kép và đường đơn là có
mức n
Hình 6. Cấu hình đường kép
Trong các cấu hình trên thì cấu
hoạt động tương tự cấu hình đơn chỉ khác là
sợi thứ hai được rút ngắn lại do việc sử dụng

ong song thì có mức nhiễ
(khoảng 7-9 dB). Do cấu hình kép
có tổng chiều dài sợi EDF là ngắn nhất
nên sử dụng cấu hình kép là hiệu quả
nhất. Băng tần khuếch đại và mức nhiễu
của bộ khuếch đại EDFA cấu hình
đường kép được thể hiện như hình 7.
ích của cấu hình đường kép có thể đạt
4 dB và mức nhiễu là khoảng 5-6 dB.
Phổ của bộ khuếch đại này bị gián đoạn tại
vùng bước sóng 1560 nm đến 1570 nm do ở
vùng này cả hai phần khuếch đại băng C và
băng L đều có hệ số khuếch đại thấp cho nên
nó bị bỏ qua.
Hình 4. Cấu hình song song
Hình 5. Cấu hình đường đơn
Hình 7. Phổ khuếch đại và mức nhiễu
của EDFA hai băng



CT 2
IV. M
TELLURITE
Trong những năm gần đây, một vật liệu
ó là Tellurite. Các sợi EDF làm
từ T


của EDTFA và EDSFA

n
a
sợi ED
Trong các s ược
điểm
m
lại v
Ở RỘNG BĂNG TẦN EDFA BẰNG SỢI
chế tạo sợi thuỷ tinh mới đang rất được quan
tâm, vật liệu đ
ellurite có độ khuếch đại tại băng L lớn
hơn Silicate đồng thời phổ tăng ích của nó có
thể được mở rộng hơn rất nhiều. Độ khuếch
đại (tính theo tăng ích trên một mét sợi EDF)
của EDTFA (bộ khuếch đại EDFA sử dụng
sợi Tellurite) trong băng L là 2.5 (dB/m) lớn
hơn của bộ khuếch đại EDSFA (bộ khuếch đại
EDFA sử dụng sợi Silica) băng L (0.5 dB/m)
khoảng 5 lần. Phổ khuếch đại trong băng L có
thể thực hiện từ 1560 nm tới 1610 nm
(hình 8), trong khi đó với bộ khuếch đại
EDSFA băng L là từ 1568 nm đến 1606 nm.
Độ khuếch đại của các sợi EDTF lớn hơ
các sợi EDSF là do hai lý do sau: cấu trúc củ

Hình 8. Phổ khuếch đại và mức nhiễu
TF và chỉ số khúc xạ của sợi EDTF.
ợi thuỷ tinh thì các nh
về cấu trúc nội tại (thuỷ tinh có cấu trúc
vô định hình) có thể dẫn đến hiệu quả của việc

pha trộn Erbium bị ảnh hưởng do sự kết cụ
ới nhau của các Erbium sẽ làm giảm tính
năng của sợi EDF. Tức là các Erbium được
dồn lại các khoảng hổng trong cấu trúc của sợi
thủy tinh. Sự tập trung các Erbium tại các
khuyết điểm cấu trúc của sợi thủy tinh tạo ra
các liên kết Erbium- Erbium dẫn đến đặc tính
phát quang của Erbium giảm. Các sợi thủy
tinh làm từ Tellurite có mật độ phân tử lớn
hơn của Silicate hai lần, tức là các khuyết
điểm nội tại của nó cũng giảm đi hơn hai lần.
Điều này có nghĩa là hiệu quả phát xạ kích
thích của Erbium trong cấu trúc của Tellurite
cũng lớn hơn lên hai lần so với trong cấu trúc
của Silicate.

Hình 9. Phổ của hệ số phát xạ kích thích
của các sợi thủy tinh
Chỉ số khúc xạ của sợi Tellurite
(2 đến 2,2) lớn hơn của sợi Silicate (1,48).
Mặt
EDF lại tỉ lệ chỉ số khúc
xạ)
GSA) và hấp thụ của trạng
thái
khác, hệ số phát xạ kích thích của sợi
với (n
2
+ 2)
2

/9n (n là
cho nên hệ số phát xạ kích thích của
Tellurite cao hơn của Silicate. Thực tế đo
được với các bước sóng dài thì chỉ số này của
Tellurite là gấp hai lần của Silicate. Hình 9 thể
hiện phổ của hệ số phát xạ kích thích của các
loại sợi thủy tinh.
Sự suy giảm tăng ích tín hiệu và tăng
mức nhiễu ở các bước sóng ngắn và dài của
các bộ khuếch đại băng L là do hấp thụ của
trạng thái cơ bản (
kích thích (ESA) của các Ion Erbium. Sự
suy giảm do các hấp thụ này khác nhau ở các
sợi thuỷ tinh khác nhau và đây là nguyên nhân
chính dẫn đến phổ tăng ích của EDTFA rộng
hơn của EDSFA. Do vậy, việc sử dụng các bộ
khuếch đại EDTFA là một hướng đi rất triển
vọng khi áp dụng để tạo ra các bộ khuếch đại
quang băng rộng.


V. KẾT LUẬN
Do nhu cầu ngày càng gia tăng về dung
lượng truyền dẫn
CT 2
của các dịch vụ, cho nên
WDM càng trở nên hấp dẫn. Các hệ thống
ng được các nhu cầu về dung
lượn
munication Networks

- Biswanath Mukherjee. (McGraw-
1997)
[2]. Optical Networks: A Practical Perspective -
works -
ll L. Scheiner. (Prentice
- Ivan B. Djordjevic (may 2001,
umber 3,2002)♦
WDM sẽ đáp ứ
g hiện nay. Tuy nhiên, nếu sử dụng các
bộ khuếch đại EDFA thông thường vào hệ
thống WDM thì số lượng kênh của WDM lại
bị hạn chế, do vậy nhu cầu cần có các bộ
khuếch đại quang EDFA có băng tần rộng hơn
được đặt ra để có thể lợi dụng các ưu thế của
hai công nghệ này.
Tài liệu tham khảo
[1]. Optical Com
Hill-San Francisco
Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan.
(Academic Press 2002).
[3]. Routing in Communications Net
Martha.Steenstrup. (Prentice Hall , America 1998).
[4]. Fiber-Optic Communications Technology -
Djafa K. Mybaev, Lowe
Hall , 2001)
[5]. Optimization of channel spacing in WDM
Transmission systems with dispertion
compensated links in the presence of fiber
nonlinearities
Journal of Lightwave Technology)

[6]. Broad-band Erbium doped fiber amplifier with
double-pass configuration (IEEE
Photonic.Tecnology.letters volume 13, number 12,
december, 2001)
[7]. Modeling high concentrasent L-band EDFA at
high optical powers based on invertion funtion
(IEEE journal of selected optics in quantum
electronic vol 8, n