Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn ERBIUM

Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

35

CHƯƠNG 3:

KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG PHA TRỘN ERBIUM
3.1 Mục đích chương:
Trong thời gian vừa qua, đối với hầu hết các tuyến thông tin quang truyền
thống, khi cự ly truyền dẫn dài tới một mức nào đó mà suy hao vượt q cơng
suất dự phịng, mức phân bổ suy hao khơng đủ để thỏa mãn u cầu phía thu, cần
phải sử dụng các trạm lặp. Các trạm lặp này có nhiệm vụ khuếch đại quang trên
đường truyền. Đây là q trình biến đổi tín hiệu quang rất yếu tại đầu vào của bộ
lặp thành tín hiệu điện, khuếch đại lên, chỉnh lại thời gian, dạng tín hiệu đó sau
biến đổi lại thành tín hiệu quang, lúc này đã được khuếch lên nhiều lần, tại đầu ra
và phát vào đường truyền.
Thời gian gần đây cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học
kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực, người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại
quang trực tiếp gọi là kỹ thuật khuếch đại quang. Điều đó có nghĩa là khơng phải
thực hiện q 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 thơng tin quang tồn 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.
Tiếp theo, đồ án sẽ trình bày về EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

36

và cuối cùng là hệ thông tin sợi quang IM-DD đường dài sử dụng các EDFA mắc
chuỗi để thay thế cho các trạm lặp.
3.2 Các loại khuếch đại quang:
Bảng 3.1 Các đặc điểm của các chủng loại khuếch đại quang
Loại
thiết bị

Ngun lý

Cơng suất
bãohịa lối
ra(dBm)
Băng tần
khuếch
đại
Mức tạp
âm
Suy hao
ghép vào
sợi
Phân cực
tín hiệu

Hệ số
khuếch
đại
Dịng/cơng
suất bơm

Khuếch
đại laser
FP-LD

Khuếch
đại quang
sợi

Khuếch
đại Raman

Khuếch đại
Brillouin

Khuếch đại
Laser TWLD

Bức xạ từ
nghịch đảo
độ tích lũy
mơi trường

Bức xạ từ
nghịch đảo

độ tích lũy
mơi trường

Tán xạ
Raman
được kích
thích

Tán xạ
Brillouin
được kích
thích

Bức xạ từ
nghịch đảo độ
tích lũy mơi
trường

8

11

20

-

9

(1-3)Ghz

(0,5-4)Thz

1Thz

50 Mhz

>5 Thz

(6-9) dB

(3-5) dB

-

-

5,2 dB

lớn

nhỏ

nhỏ

nhỏ

lớn

TE-mode

độc lập

Tín
hiệu/bơm

Tín
hiệu/bơm

TE-mode

(25-30)dB

(40-50)dB

~50dB

~30dB

(20-30)dB

10mA

20-100mW

~vài W

~vài W

~100mW

Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi - pha tạp:
Các chất kích tạp và các chất nhạy cảm dùng để pha tạp sợi dẫn quang với
các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa ion đất hiếm. Cơ chế hoạt
động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành để trở thành các bộ khuếch đại
theo hình 3.1.


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

E2
E3
E1

37

E2
Phân rã
λ bơm

E3
E4

Phân rã
λ bơm
Phân rã

E1
a)
b)
Hình 3.1 Cơ chế bức xạ ba mức a) và bốn mức b)

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
E2, từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ
và phát ra photon. Hoặc nếu như có mức năng lượng thấp hơn E 3 nó sẽ thả khơng
bức xạ tới mức đó, từ đây điện tử có thể phân rã xuống mức năng lượng E 1 (hình
3.1 a) hay E4 (hình 3.1 b) thơng qua q 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 E3 nhiều hơn mức tới (E1 hay E4). Một photon có mức năng
lượng tương đương với sự chênh lệch giữa mức E3 và E1 (đối với 3 mức) hay
giữa E3 và E4 (đối với 4 mức) thì nó sẽ kích thích các điện tử ở mức E 3 rơi xuống
mức E1 hay E4 và phát thêm một photon, photon này cùng pha và hướng với
photon tới (hiện tượng này gọi là bức xạ kích xạ kích thích của các photon). Bức
xạ làm xuất hiện thêm các photon cùng pha và cùng hướng với các photon tới,
điều này có nghĩa là ánh sáng đã được khuếch đại. Trong hình 3.1 cịn lưu ý rằng
ở điều kiện khơng kích thích, hầu hết các điện tử ở trạng thái cơ bản E 1, vì thế
nên thơng thường thì giá trị ngưỡng ở các laser bốn mức thấp hơn so với laser ba
mức.
Có nhiều ion đất hiếm có các dải huỳnh quang, vì vậy cho khả năng bức
xạ kích thích, điều này tạo ra các ứng dụng trong khuếch đại các tín hiệu quang.
Đáng chú ý nhất là Nd3+ có dải bức xạ 1,06µm và 1,32µm; Er3+ có dải bức xạ
1,55µm và 2,7µm. Ngồi ra cịn có Ho3+ bức xạ ở 2,08µm và Tm3+ cho bức xạ ở


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

38

2,3µm. Hiện nay sử dụng rộng rãi là bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium
(EDFA) do có nhiều ưu điểm như tăng ích đưa ra cao, băng tần rộng, tạp âm thấp
và phù hợp với bước sóng suy hao có sẵn trong sợi quang.
3.3 Bộ khuếch đại EDFA
Cấu trúc tiêu biểu của bộ EDFA được chỉ ra như hình vẽ 3.2. EDFA có
thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1%
Erbium. Erbium là một ngun tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Đoạn sợi
pha tạp Erbium được ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thường có chiều dài
khoảng 10 - 20m. Ngồi ra EDFA cịn có một laser bơm để cung cấp năng lượng
cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín
hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh
sáng phản xạ từ hệ thống.

Bộ ghép WDM

Bộ cách ly

Vào

Sợi quang pha
tạp Erbium

Bộ lọc
quang

Ra

Laser bơm

Hình 3.2 Cấu tạo của một EDFA

Biểu đồ mức năng lượng của ion Erbium được mơ tả như hình vẽ 3.3. Er 3+
ở trạng thái khơng bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lượng
thấp nhất, khi bơm quang hạt Erbium hấp thụ năng lượng rồi chuyển tiếp lên mức
năng lượng cao hơn. Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng
lượng cao có hạt chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm vào có bước
sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên cũng khác nhau. Sự
dịch chuyển điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản
phát ra photon, photon này bức xạ có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát (sự


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

39

phân hủy tự nhiên của các ion mà khơng có bất cứ một động tác nào chen vào)
hay kích thích (do sự có mặt của các photon có chứa năng lượng bằng năng
lượng dịch chuyển, kích thích sự phát xạ và tạo ra photon tỷ lệ với số photon của
chùm sáng). Trong q trình bức xạ kích thích, nó tạo ra số photon cùng pha
cùng hướng với photon tới, như vậy là đã tạo ra được quá trình khuếch đại trong
EDFA. Bức xạ tự phát tạo ra các photon cùng pha và hướng ngẫu nhiên, điều này
gây ra nhiễu trong EDFA gọi là nhiễu do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE).
Tuy nhiên thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao khoảng 10ms đủ
để đảm bảo thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ion
Erbium đợi để khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ tự kích thích.

Mức kích thích
Phân rã khơng bức xạ

Mức siêu bền

Bơm
năng
lượng
λ=980nm

Tín hiệu được khuếch
đại

Mức cơ bản

Hình 3.3 Giản đồ năng lượng Erbium

Hình 3.4 so sánh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông
thường dùng trong truyền dẫn. Sự hấp thụ quang xảy ra trong các loại cáp thông
thường là thấp trong dải bước sóng tập trung khoảng 1550nm, nơi mà hấp thụ
quang vào khoảng 0,2dB/km có nghĩa là 5% ánh sáng truyền qua bị hấp thụ trong
1km. Ngược lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100ppm ở trong lõi cóHấp gây
thể
thụ khuếch
ra sự hấp thụ 2dB/km ở cùng bước sóng bơm.

đại
sợi Erbium
(dB/km)


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

2,0

40

2,0

Suy
hao
sợi thường
(dB/km)

1,0

1,0

0,2

0,2

0,1 0,9

1,0

1,1

1,2
1,3
1,4
Bước sóng (µm)

1,5

1,6

0,1
1,7

Hình 3.4 Phổ hấp thụ của sợi quang thông thường và sợi quang Erbium

Laser bơm trong EDFA là laser bán dẫn thông thường và được gọi là
nguồn bơm. Nguồn bơm có thể bơm ở nhiều bước sóng nhưng hiệu quả cao nhất
là ở hai bước sóng 980nm và 1480nm. Khi sử dụng EDFA thì chỉ cần một nguồn
bơm có cơng suất nhỏ từ 10 đến 100mW là đủ để công suất ra lớn theo yêu cầu,
điều này giảm nguồn ni lên hệ thống EDFA có cấu trúc nhỏ nhẹ, linh hoạt. Độ
tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó được bơm cho khoảng
cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Hiện tại thì bước sóng bơm 1480nm
được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng có sẵn và độ tin cậy cao hơn. Nếu tăng được
độ ổn định của laser diode có bước sóng 980nm thì chúng có thể được chọn làm
nguồn bơm.
3.3.1 Đặc tính của bộ khuếch đại EDFA:
Các đặc tính cơ bản của EDFA là đặc tính tăng ích, đặc tính cơng suất ra
và đặc tính âm.
3.3.1.1 Đặc tính tăng ích (đặc tính khuếch đại):
Đặc tính tăng ích biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, định
nghĩa là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào.
Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm:


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

41

Nhiều kết quả nghiên cứu đã cho kết luận rằng hệ số khuếch đại phụ thuộc
vào công suất và bước sóng bơm và nếu đặt bước sóng bơm tại 980nm và
1480nm là cho hiệu quả cao nhất.

40

(980:1530)

(980:1550)

(1480:1530)
30
Hệ số
khuếch đại
(dB)
20

(1480:1550)

10
0
0

10

20

30

40

Công suất bơm (mW)
Hình 3.5. Hệ số khuếch đại là một hàm của công suất bơm với 14m chiều dài của sợi
Silico Al-Ge pha tạp Erbium được bơm tại bước sóng 980nm và 1480nm

Theo hình 3.5 hệ số khuếch đại của EDFA có khả năng khuếch đại cao
nhất khi tín hiệu ở bước sóng 1530nm và 1550nm.
Nhận xét:
+ Với cơng suất bơm cao, bước sóng 980nm sẽ cho hệ số khuếch đại cao
hơn so với bước sóng bơm 1480nm, điều này có nghĩa là tại bước sóng 980nm sẽ
đạt được sự nghịch đảo mật độ cao hơn so với bước sóng 1480nm.
+ Với công suất bơm cao, hệ số khuếch đại đối với bước sóng 1530nm
cao hơn so với bước sóng 1550nm.
Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi và phương thức bơm:
Hình 3.6 biểu thị mối quan hệ và chiều dài sợi quang.


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

1530nm tín hiệu

42

1550nm tín hiệu

40

40

Hệ

1480nm

30

1480nm

Hệ
30

số

980nm

số
20

20

980nm

k/đại

k/đại

10

10

(dB)

(dB)
00
-10

10
20
30
40
Chiều dài bộ khuếch đại (m)

00

50

10

-10

20
30
40
50
60
Chiều dài bộ khuếch đại (m)

70

Hình 3.6(a) Hệ số khuếch đại tín hiệu tại 1530nm và 1550nm, bước sóng bơm 980nm và 1480nm với
công suất bơm là 40 mW và công suất tín hiệu điện là -40dB

1530nm tín hiệu

1550nm tín hiệu

30

30

Hệ

1480nm

20

số

Hệ

1480nm

20

số
10

980nm

k/đại

k/đại

0

(dB)

0
0

-10

980nm

10

10
20
30
40
50
Chiều dài bộ khuếch đại (m)

(dB)
-10

0

10

20
30
40
50
Chiều dài bộ khuếch đại (m)

Hình 3.6(b) Hệ số khuếch đại tín hiệu tại 1530nm và 1550nm, bước sóng bơm 980nm và
1480nm với cơng suất bơm là 10 mW và cơng suất tín hiệu điện là -40dB

Lúc đầu khả năng tăng ích tăng lên khi chiều dài sợi quang tăng, nhưng
sau khi sợi quang dài quá độ dài nhất định, tăng ích sẽ giảm dần, vậy có một độ
dài nhất định để đạt được khả năng khuếch đại tối đa.
Ngồi ra hệ số khuếch đại cịn phụ thuộc vào phương thực bơm là cùng
chiều hay ngược chiều với tín hiệu như hình vẽ 3.7.
G(dB)
30
20
10

Bơm ngược chiều
Bơm cùng chiều


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

0

5

10

43

15

Hình 3.7 Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi
và phương thức bơm

3.3.1.2 Đặc tính tạp âm nhiễu:
Trong sợi pha tạp Erbium, các photon bức xạ tự phát có pha và hướng
ngẫu nhiên. Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang,
lan truyền dọc theo lõi sợi và được khuếch đại thành các nguồn tạp âm ảnh
hưởng đến tín hiệu quang. Tạp âm của EDFA chủ yếu có 4 loại:
- Tạp âm tán hạt của tín hiệu quang;
- Tạp âm tán hạt bức xạ tự phát bị khuếch đại (ASE);
- Tạp âm phách giữa quang phổ ASE và tín hiệu;
- Tạp âm phách giữa các quang phổ ASE.
Trong 4 tạp âm trên có 2 loại tạp âm thứ 3 và thứ 4 có ảnh hưởng lớn nhất,
đặc biệt tạp âm thứ 3 là nhân tố quang trọng quyết định tính năng của EDFA.
Ngồi ra cịn có nhiễu bắn có nguồn gốc phát sinh thời gian đến của các
photon tại bộ tách quang không giống nhau và do tốc độ chuển động và số lượng
các hạt tải điện qua tiếp giáp P-N của bộ tách quang thay đổi ngẫu nhiên theo
thời gian. Bộ khuếch đại quang đặt trước diode tách quang nên nó là một trong
các nguồn sinh ra nhiễu bắn.
Vào

N2
hυ

Ra

Nguồn gốc của nhiễu trong các bộ khuếch đại quang:
Mật độ phát xạ p(υ)

Gp(υ)+phát xạ tự phát

Gọi Nm(0), Nm(L) là mật độ photon ở ngõ được khuếch đại ra của bộ khuếch
vào và tại ngõ
đại, G là hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại.

Hình 3.8 Sự tương tác ánh sáng tại tần số υ với một bộ
khuếch đại hai mức với hệ số khuếch đại G tại tần số υ


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

44

Mật độ photon ở ngõ ra của bộ khuếch đại được cho như sau:
Nm(L) = GNm(0) + nsp(G - 1)

(3.1)

Trong vế phải của (2.1), thành phần thứ nhất tương ứng với tín hiệu được
khuếch đại, cịn thành phần thứ 2 tương ứng với phát xạ tự phát được khuếch đại
hay nhiễu ở ngõ ra của bộ khuếch đại. Ta tính tốn cơng suất nhiễu tại ngõ ra cho
mode này và tính số mode trong dải tần số ρυ để thu được công suất nhiễu ở ngõ
ra trong băng thông ρυ xung quang tần số υ khi đó hệ số khuếch đại của bộ
khuếch đại là G:
PASE = nsp(G-1)hυ∆υ

(3.2)

Phương trình (2.2) là phương trình cơ bản trong việc tính nhiễu trong hệ
thống khuếch đại quang, nó cũng được dùng nhiều trong phần tính tốn thiết kế
của đồ án. Một chú ý quan trọng là biểu thức tính PASE trong phương trình (2.2)
cần nhân thêm một hệ số mt để thu được tổng công suất nhiễu ASE.
10
Hệ

Bơm ngược chiều

Hệ
số
tạp

8

số
6

tạp
4

âm
2

Bơm cùng chiều

10

8
ASE

0

7

Công
suất
-10 (dbm)

6

-20

5

-30

ASE+

âm
(dBm)

(dBm)
0


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

0

2 4 6 8 10 12 14
Chiều dài (m)

45

-50 -40 -30 -20 -10 -0
Cơng suất vào của tín hiệu (dBm)

Hình 3.9 Hệ số tạp âm EDFA

Hình 3.9 cho thấy ảnh hưởng của các phương thức bơm khác nhau đối với
hệ số tạp âm, khi sợi quang trồn Erbium tương đối dài thì hệ số tạp âm khi bơm
ngược chiều cao hơn với khi bơm cùng chiều.
Nhiễu tại ngõ ra bộ khuếch đại quang:
Trong các hệ thống thông tin ánh sáng dùng các bộ khuếch đại quang, tín
hiệu quang được biễn đổi sang tín hiệu điện ở cuối đường truyền. Các bộ tách
sóng sẽ biến đổi các photon thành electron, phát xạ tự phát tồn tại trong bộ
khuếch đại quang sẽ gây ra sự gia tăng đối với tín hiệu điện, đó được xem như là
nhiễu, nó hồn tồn ngẫu nhiên chứ không chứa thông tin. Điện trường tổng cộng
ở bộ tách sóng bằng tổng các trường của ánh sáng phát xạ tự phát và ánh sáng tín
hiệu:




E tot = E sig + E spont

(3.3)

Dòng photodiode được tạo ra tại ngõ thu:

[

(

)]

2
2
 *
* 
 e 
I ≈ E sig + E spont + E sig E spont + E sig E spont  
 hv 

(3.4)

Thành phần đầu tiên là cường độ tín hiệu. Các thành phần tiếp theo tương
ứng với nhiễu. Thành phần thứ 2 tương ứng với sản phẩm của điện trường phát
xạ tự phát với bản thân nó và gọi là thành phần nhiễu pha tự phát - tự phát (sp sp). Thành phần còn lại là sản phẩm của điện trường tín hiệu và điện trường phát
xạ tự phát, được gọi là thành phần nhiễu pha tín hiệu - tự phát (s - sp). Dấu (*) để
chỉ các thành phần phức bù.
Chú ý: Để tính phổ cơng suất của mỗi thành phần ta sẽ đi phân tích
Fourier của mỗi thành phần, phần này đồ án sẽ tính kỹ hơn ở chương sau trong
trường hợp EDFA được sử dụng làm bộ khuếch đại đường truyền (LA).

Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

46

Tính tỷ số nhiễu NF (Noise Figure)
Trong bộ khuếch đại quang, tỷ số nhiễu được đưa ra nhằm đánh giá chất
lượng của bộ khuếch đại quang. Nó được định nghĩa:

SNRIN
NF=

(3.5)

SRNOUT
Với SRNin, SRNout: Tỷ số tín hiệu trên nghiễu ở đầu vào và đầu ra của bộ
khuếch đại. Qua quá trình tính tốn NF được cho như sau:

G − 1 1 nsp ( G − 1) e(2 B0 − Be ) 2(G − 1)n sp eB0
NF = 2n sp
+ +
+
2
G
G
G Is
G2Is
2

(3.6)

Từ (3.6) ta thấy khi G>>1, công suất đầu vào cao và băng thơng quang đủ
nhỏ thì NF ~ 2nsp. Trong trường hợp lý tưởng, nsp=1 và do đó NF=2(dB). Các bộ
khuếch đại quang pha tạp Erbium có thể đạt được tỷ số nhiễu giới hạn là 3dB.
3.3.1.3 Đặc tính cơng suất ra:
Với bộ khuếch đại quang lý tưởng không kể cơng suất vào cao bao nhiêu,
tín hiệu quang đề được khuếch đại theo tỷ lệ như nhau. Nhưng thực tế không
phải như vậy, khi công suất vào tăng lên, bức xạ bị kích thích tăng nhanh, giảm
số hạt chuyển động ngược lại, quang bức xạ bị kích thích yếu đi, dẫn đến bão hịa
tăng ích, cơng suất phát có xu hướng ổn định. Bão hịa tăng ích là đặc tính là hệ
số khuếch đại giảm khi tín hiệu vào tăng. Đặc tính bão hịa tăng ích là đặc tính vơ
cùng quan trọng do ccông suất đầu ra của bộ khuếch đại liên quan đến cự ly
truyền dẫn và cự ly trạm lặp hoặc làm tăng số đầu ra trong cấu hình phân phối sợi
quang. Hình 3.10 thể hiện mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra trong EDFA.

20
Công
suất
ra

C

C: Bơm 2 chiều

10
(dBm)

B

B: Bơm ngược hướng

A

A: Bơm cùng hướng

0


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

-20

-10

47

0

Cơng suất vào (dBm)

Hình 3.10 Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của EDFA

3.3.2 EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng:
Đặc điểm nổi bật ở hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM là khả năng
tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của
sợi quang đơn mode. Những năm gần đây cơng nghệ WDM đã có những đột phá
rất lớn. Sở dĩ cơng nghệ WDM phát triển nhanh chóng vì việc nghiên cứu thành
cơng và ứng dụng bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium EDFA.
Để nâng cao chất lượng của hệ thống truyền dẫn WDM, kỹ thuật khuếch
đại quang sự dụng trong hệthống WDM cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Băng tần đủ tăng ích bằng phẳng, hệ số tạp âm thấp và công suất đưa ra

cao. Đặc biệt là tăng ích bằng phẳng vì đây là yêu cầu đặc biệt của hệ thống
truyền dẫn WDM đối với EDFA.
+ Phổ khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng.
+ Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng được gây ảnh
hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh.
+ EDFA phải có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức cơng suất đầu vào
và điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại đối với
2,2
tất cả các kênh.
1,8

3.3.2.1 Sự phân bố bước sóng quang trong hệ thống WDM:
1,4
Suy hao

(dB/km)
1,0

0,6

0,2


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

1000

1200

1400

Bước sóng (nm)

1600

48

1800

Hình 3.11 Đường cong suy hao của sợi quang

Hình 3.11 biểu diễn đường cong suy hao của sợi quang trên 2 cửa sổ
1310nm và 1550nm. Hiện nay tất cả các bộ khuếch đại quang nói chung có thể
dùng trong phổ tần tổn hao thấp của sợi quang có tăng ích là 1530 ÷ 1565 cũng
tức là tất cả các kênh tín hiệu của hệ thống WDM đều phải nằm trong băng tần
này. Tuy nhiên để phát triển đầy đủ tài nguyên bước sóng, bộ khuếch đại quang
lý tưởng phải có đủ băng tần tăng ích. Khoảng băng tần tăng ích có thể sử dụng
là 20 - 40nm chỉ có thể thỏa mãn cho hệ thống ghép kênh 3 - 32 kênh tín hiệu.
Do đó nếu muốn tăng băng tần hơn nữa để lợi dụng tài nguyên bước sóng thì cần
phải có bộ khuếch đại kiểu mới.
Ngồi ra việc lựa chọn các khoảng cách tần số phải thỏa mãn số lượng
bước sóng khơng q nhiều để đảm bảo cho việc điều khiển giám sát, tất cả các
bước sóng này phải nằm trên đường cong tăng ích của EDFA làm cho tăng ích
đồng đều trong phạm vi tồn bước sóng.
3.3.2.2 Sự biến đổi tăng ích và cơng nghệ điều chỉnh tăng ích của EDFA:
Sự biến đổi tăng ích:
Yêu cầu đặc biệt của hệ thống truyền dẫn WDM đối với EDFA là tăng ích
bằng phẳng (Gain Flatting). Trong hệ thống WDM, nếu cơng suất đưa vào biến
đổi thậm chí mất hẳn một vài kênh, thì tăng ích của cơng suất đưa ra tại các kênh
còn lại sẽ biến đổi nhảy vọt, công suất bơm của EDFA sẽ phân phối lại trong các
kênh còn lại, dẫn đến tắc nghẽn đường dây. Cho nên EDFA trong các hệ thống

WDM phải có chức năng kìm hãm tăng ích.


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

49

Trong hệ thống WDM yêu cầu độ tăng ích bằng phẳng của một bộ khuếch
đại phải hạn chế trong 1dB.
Các cơng nghệ điều chỉnh tăng ích:
Những biện pháp khắc phục các vấn đề do tăng ích của EDFA khơng bằng
phẳng gây ra:
Chọn lựa khu vực tăng ích bằng phẳng của EDFA:
Giai đoạn hiện nay của hệ thống WDM thực tế phần lớn làm việc ở đoạn
sóng 1548 ~ 1560nm. Căn cứ vào khuyến nghị của ITU-T trong đoạn sóng này
chọn 16 bước sóng làm bước sóng cơng tác của hệ thống WDM. Trong đoạn
sóng đó tăng ích của EDFA tương đối bằng phẳng, có thể thực hiện được yêu cầu
của tăng ích.
Cơng nghệ tăng ích cân bằng:
Cơng nghệ cân bằng tăng ích là sử dụng đặc tính tổn hao của bộ cân bằng
và đặc tính tăng ích bước sóng của bộ khuếch đại ngược nhau đã loại bỏ được sự
không bằng phẳng của tăng ích. Bộ cân bằng sử dụng hiện nay chủ yếu là bộ lọc
quang tiêu chuẩn, bộ lọc màng mỏng nhiều lớp, lưới sợi quang và đường dẫn
sóng bằng phẳng.
Sử dụng cơng nghệ cân bằng tăng ích làm giảm đi khả năng sai lệch tăng
ích rất lớn. Ví dụ khi truyền dẫn tín hiệu 32 kênh WDM sai lệch tăng ích của một
bộ khuếch đại ước chừng là 5dB, khi có bộ cân bằng tăng ích có sử dụng bộ lọc
quang tiêu chuẩn thích ứng với 8, 16, 32 kênh WDM thì sai lệch tăng ích chỉ là
0,28dB, do đó đảm bảo được độ bằng phẳng của tăng ích.

Hệ
số
khuếch
đại
(dBm)
1500

1520 1540 1560
Bước sóng (λ)

1500

1520 1540 1560
Bước sóng (λ)

a)

1500

1520 1540 1560
Bước sóng (λ)


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

Sợi quang
EDF
Bộ cách
ly quang

Bộ phối
ghép quang

50

Sợi quang
EDF

Bộ phối
ghép quang

Bộ lọc
cân bằng

Bơm quang

Bộ cách
ly quang

Bơm quang

b)
Hình 3.12 Nguyên lý hoạt động của cơng nghệ cân bằng tăng ích
a) Đồ thị biểu diễn
b) Sơ đồ khối

3.3.2.3 Điều khiển giám sát EDFA trong hệ thống WDM:
Khác với hệ thống SDH thông thường, trong hệ thơng WDM có sử dụng
bộ khuếch đại quang sợi EDFA nên tăng thêm nhu cầu giám sát quản lý đối với
EDFA; do đó yêu cầu hệ thống WDM phải có hệ thống điều khiển giám sát, hiện

nay thường dùng cách truyền dẫn tín hiệu trên một bước sóng mới.
*Cơng nghệ điều khiển giám sát bước sóng ngồi băng:
Đối với hệ thống ghép kênh sử dụng bộ khuếch đại đường dây cần thêm
một tín hiệu điều khiển giám sát kênh, tín hiệu này có tỷ lệ lỗi bit vừa đủ thấp để
tách nhập tại mỗi bộ chuyển tiếp hay khuếch đại quang. ITU-T khuyến nghị nên
dùng một bước sóng nhất định để làm kênh tín hiệu điều khiển giám sát, bước
sóng này nằm ở ngồi băng tần truyền dẫn dịch vụ, có thể chọn 1310nm,
1410nm, 1510nm, nhưng ưu tiên chọn 1510±10nm.
* Cơng nghệ điều khiển giám sát bước sóng trong băng:
Cơng nghệ điều khiển giám sát bước sóng trong băng là chọn bước sóng
trong băng tần tăng ích của EDFA 1532±4nm để làm tín hiệu điều khiển giám


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

51

sát. Ưu điểm là lợi dụng được tăng ích của EDFA. Lúc này tốc độ truyền dẫn của
hệ thống điều khiển giám sát nâng lên đến 155Mbit/s.
* Công nghệ điều khiển giám sát bước sóng kết hợp trong và ngồi
băng:
Ngồi ra còn sử dụng thêm phương thức kết hợp giữa tín hiệu điều khiển
giám sát trong và ngồi băng tùy theo các lớp trong hệ thống truyền dẫn.
3.3.3 Các vị trí đặt EDFA trong tuyến cáp sợi quang:
+ Trường hợp BA (đặt ngay sau máy phát): Cho tỷ số eSNR lớn hơn
trong trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát và điều khiển. Tuy
nhiên, công suất ngõ ra không được cao quá 15dBm do điều kiện kết nối với sợi
quang. Điều này giới hạn độ khuếch đại của EDFA và công suất phát.
+ Trường hợp PA (đặt ngay trước máy thu): Có thể cho cơng suất đến
máy thu lớn. Tuy nhiên, nhiễu tại đầu ra của EDFA sẽ có giá trị lớn tại đầu vào

máy thu do ít bị suy giảm. Điều này giới hạn tỷ số eSNR.
+ Trường hợp PA (đặt giữa đường truyền): Ở trường hợp này, ta có thể
tăng cơng suất phát và hệ số khuếch đại EDFA một cách hợp lý để đạt được cơng
suất tín hiệu và eSNR thích hợp.

66
60
54
48
42
36
30
24
18
12
06
0

BA (trước máy phát)
Ptx = -2,5dBm
G = 15dB

PA (trước máy thu)
Ptx = 8dBm
G = 15dB

PA (trên đường truyền)
Ptx = 8dBm
G = 15dB

Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

50

70

90

110

130

150

170

190

210

230

52

250

270

290 (km)

Hình 3.13 eSNR thay đổi theo khoảng cách trong 3 trường hợp LA-BA-PA

3.3.4 Các ưu điểm của EDFA:
+ EDFA khơng có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi nên mạch sẽ trở
nên linh hoạt hơn.
+ EDFA có cấu trúc nhỏ nên có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một
trạm, do đó có thể làm cho hệ thống linh hoạt hơn.
+ Có thể hạ thấp được giá thành của hệ thống do có cấu trúc đơn giản của
EDFA, cáp có trọng lượng nhỏ nâng cao được khoảng cách lặp và dung lượng
truyền dẫn.
3.4 Kết luận chương:
Đối với bộ khuếch đại sợi quang EDFA, bước sóng bơm 1480nm cho hiệu
quả tốt hơn đối với bước sóng tín hiệu đang được dùng phổ biến hiện nay là
1550nm. Trong tương lai nếu giải quyết được vấn đề độ tin cậy của bước sóng
980nm thì có thể sử dụng bước sóng này.
EDFA có cơng suất nguồn ni nhỏ nên áp dụng cho các tuyến thơng
tinquang vượt biển, cáp sẽ có cấu trúc nhỏ hơn, nhẹ hơn cáp thông thường.


Chương 3: Kỹ thuật khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium

53

EDFA có tạp âm vàmức xun âm thấp, cơng suất bão hịa cao, phổ
khuếch đại tương đối phẳng do đó có thể dùng trong các hệ thống cáp truyền
hình (CATV).
Các hệ thống thơng tin sợi quang đường dài có thể sử dụng chuỗi EDFA
trong truyền dẫn. Cự ly truyền dẫn có thể đạt được xa hơn nhờ sử dụng các
EDFA, có nhiễu thấp và độ khuếch đại cao.

Việc sử dụng chuỗi EDFA để thay thế các trạm lặp trong hệ thống thông
tin sợi quang đường dài, đặc biệt đối với hệ thống cáp quang biển, là rất phù hợp
cho đặc điểm hơn hẳn của nó. Vấn đề đặt ra ở đây là việc tính tốn vị trí đặt các
EDFA và ảnh hưởng của nhiễu tích lũy từ những EDFA này tới đặc tính BER tại
máy thu; chương tiếp theo sẽ xem xét tính tốn vấn đề này.
___________________________________