Ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang WDM

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG
TRUYỀN DẪN QUANG WDM




Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Học viên: NGUYỄN HOÀNG ANH
Người HD Khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI







THÁI NGUYÊN – 2013

2

CÁC TỪ
APD
Avalanche Photodiode
Đi ốt quang thác
CPM
Cross Phase Modulation
Điều chế chéo pha
DBF
Distributed Feedback laser

DCF
Dispersion Compensating Fiber

EDFA
Erbium Doped Fiber Amplifier
Khu
WDM
Wavelength Division Multiplexing

EDF
Erbium Dopped Fiber
Sợi quang pha tạp Erbium
TEC
Thermally Expanded Core Interface

ASE
Amplifier Spontaneous Emission
Bức xạ tự phát được khuếch
đại

LASER
Light Amplication by Stimulate
Emission of Radiation

LD
Laser Diode
Diode laser
OC
Optic Circulator
Bộ vòng quang
AGC
Automatic Gain Control
Tự động điều chỉnh khuếch đại
APC
Automatic Power Control
Tự động điều chỉnh công suất
BER
Bit Error Ratio
Tỷ lệ lỗi bit
BA
Booster Amplifier
Khuếch đại công suất
PA
Pre-amplifier
Tiền khuếch đại
LA
Line Amplifier
Khuếch đại đường truyền
EDTFA
Erbium Doped Tellurite based Fiber

Amplifier

OFA
Optic Fiber Ampliter
Bộ khuếch đại quang sợi
NF
Noise Figure
Hình ảnh nhiễu
RIN
Renatine Intensity Noise
Nhiễu cường độ tương đối
MPI
Multipath Interference
Nhiễu quá mức
OAR
Optically Aplifed Recciver
Thu khuếch đại quang
ITU-T
International Telecommunication Union
- Telecommunication Standardization
Sector

CPM
TDFA
OTDR
PDFA
LED
Cross-phase modulation

Optical Time Domain Reflectometers

Praseodymium Doped Fiber Amplifier
Light Emitting Diode
Điều chế pha chéo

Đường truyền dẫn quang




LTE
Line Terminal Equipment
Thiết bị đầu cuối đường dây
SBS
Stimulated Brillouin Scattering

SLA
Semiconductor Laser Amplifier

SPM
Self-Phase Modulation

SRS
Stimulated Raman Scattering


3
S/N
Signal to Noise ratio

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc một EDFA 10
Hình 1.2. Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium 11
Hình 1.3. Sơ đồ của sợi TEC được vuốt Gaussian 12
Hình 1.4. Giản đồ năng lượng của Erbium 13
Hình 1.5. Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA 14
Hình 1.6. ba cấu hình chuẩn của EDFA 15
Hình 1.7. Các cấu hình EDFA phản xạ 16
Hình 1.8. cấu hình hai hướng cơ bản của EDFA 17
Hình 1.9. Sự giảm NF do ASE ngược và loại trừ ASE ngược bằng bộ cách ly. 20
Hình 1.10. Cấu hình EDFA có bộ lọc quang được xen vào độ dài sợi EDF. 20
Hình 1.11. Các ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi. 21
Hình 1.12. Cấu trúc EDTFA 23
Hình 1.13. Sự phụ thuộc bộ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA 24
Hình 1.14.Quan hệ giữa độ dài EDFA và khuếch đại tín hiệu. 25
Hình 1.15. Phổ tiết diện bức xạ và hấp thụ giữa các mức
4
I
13/2
và
4
I
15/2
26
Hình 1.16. Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào với 4
công suất bơm khác nhau. 27
Hình 1.17 Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với 28
Hình 1.18 Hiệu suất biến đổi công suất như một hàm của độ dài dài EDF 29
Hình 1.19 Nhiễu phách tín hiệu – tư phát. 31
Hình 1.20 Nhiễu phách tín hiệu- tự phát giữa các thành phần phổ ASE 32

Hình 1.21. Hình ảnh nhiễu dưới dạng nguồn phát và bộ thu lý tưởng 33
Hình 1.22 Khuếch đại tín hiệu phụ thuộc vào nhiệt độ 35
Hinh 1.24. Modul cơ bản của bộ thu quang sử dụng khuếch đại quang. 37
Hình 1.25. Các mật độ phổ công suất điện của các nhiễu phách. 39
Hình 1.26. Các thành phần công suất nhiễu điện của 10Gbit/s OAR với B
e
= 7,5
Gbit/s, B
0
= 0.5 nm, NF = 4 dB. 40
Hình 1.27. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện của 3 bộ thu khuếch đại quang 10 Gbits/s 41

4
Hình 1.28. Kết quả thực nghiệm độ nhạy thucủa 10 Gbit/s OAR [38,124]. 44
Hình 1.29. BER của hệ thống có khuếch đại quang 10 Gbit/s phụ thuộc vào cự ly. 45
Hình 1.30. Cấu hình các bộ khuếch đại EDFA mắc chuỗi. 46
Hình 1.31. Độ nhạy thu của 10 Gbit/s OAR trong hệ thống 48
Hình 1.32. BER và hệ số các bộ EDFA mắc chuỗi phụ thuộc vào cự li của tuyến truyền
dẫn 10Gbit/s 49
Hình 1.33. Giản đồ năng lượng của Thulium. 50
Hình 1.34. Phổ khuếch đại quang sợi pha tạp 55
Hình 1.35 . Hình ảnh nhiễu và phổ khuếch đại TDFA 56
Hình 1.36. Độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất bơm của TDFA 57
Hình 1.37 .Độ khuếch đại và NF phụ thuộc vào nồng độ 58
Hình 1.39. Giản đồ năng lượng của Pr
3+
59
Hình 1.40. giản đồ năng lượng và dịch chuyển của ion Pr
3+
trong ZBLAN 61

Hình 1.41. ảnh hưởng của độ dài tới độ khuếch đại 62
Hình 1.42. ảnh hưởng của độ dài tới độ khuếch đại và độ rộng dải khuếch đại 62
Hình 1.43. Quan hệ giữa độ khuếch đại tín hiệu, khuếch đại bên trong và tín hiệu GSA
63
Hình 1.44. Đặc trưng bão hòa khuếch đại đối với sợi cơ sở ZnF4 pha tạp Pr
3+
64
Hình 1.45. Phổ NF của khuếch đại quang sợi cơ sở ZnF4 pha tạp Pr
3+
65
Hình 1.46. Sự phụ thuộc độ tăng ích và NF vào công suất ra của tín hiệu 66
Hình 1.47. Minh họa sự phụ thuộc nhiệt độ của độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu 67
Hình 1.49. sự phụ thuộc nhiệt độ của PDFA tại bước sóng từ 1,29 µm ÷ 1,33 µm 69
Hình 1.50. sơ đồ cấu hình ghép nối sợi pha tạp Pr
3+
và sơi silica 69
Hình 1.51. Kỹ thuật nối rãnh chữ V hai sợi Pr
3+
và sơi silica. 70
Hình 1.52. cấu hình khuếch đại đơn 70
Hình 1.53. cấu hình khuếch đại kép 71
Hình 1.54. cấu hình khuếch đại tầng 71
Hình 1.55. Phổ khuếch đại Raman 72
Hình 2.1. Sơ đồ khối phép đo 82
Hình 2.2. Hình công suất sóng liên tục CW 83

5
DANH MỤC BẢNG BIỂU

6

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
LỜI NÓI ĐẦU
CHƢƠNG 1 8
TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI 10
1.1. Khuếch đại quang sợi EDFA 10
1.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động: 10
1.1.2. Phổ khuếch đại của EDFA. 13
1.1.3. Các ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang. 14
1.1.4. Các tham số đặc tính kỹ thuật ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang
EDFA. 23
1.1.5. Ảnh hưởng của khuếch đại quang EDFA trong hệ thông tin quang 35
1.2. Khuếch đại quang sợi TDFA 49
1.2.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. 49
1.1.2. Khuếch đại sử dụng sợi pha tạp THULIUM 54
1.3. Khuếch đại quang sợi PDFA. 59
1.3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. 59
1.3.2. Mô hình khuếch đại. 60
1.3.3. Các đặc trưng khuếch đại cơ bản. 61
1.3.4. Kỹ thuật ghép nối. 69
1.3.5. Cấu hình Modul PDFA. 70
1.4. Khuếch đại Raman. 71
1.4.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. 71
1.4.2. Hiệu ứng tán xạ kích thích Raman 73
NGHIÊN CÚU ẢNH HƢỞNG CỦA CÔNG SUẤT SÓNG LIÊN 82
TỤC CW ĐẾN TỈ SỐ SNR TRONG KHUẾCH ĐẠI RAMAN 82

7
2.1. Mô hình tính toán 82
2.1.1. Sơ đồ thực nghiệm 82
2.1.2. Nguyên lý 82
2.2. Tính tỉ số tín hiệu trên tạp âm . 84
CHƢƠNG 3 88
CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 88
3.1. Lƣu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng. 88
KẾT LUẬN 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO 103













8
LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại tạo
ra một sự bùng nổ về dung lượng. Hệ thống thông tin quang đơn mode đã là một mạng
thông tin tiên tiến, nhưng nó chưa tận dụng được băng thông lớn của sợi quang một

cách hữu hiệu, do mỗi sợi quang chỉ truyền được 1 kênh. Vì vậy cần phải cải thiện các
hệ thống thông tin quang có sẵn bằng các kỹ thuật tiến tiến với chi phí thấp bằng cách
ghép nhiều bước sóng cùng truyền trên một sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh quang theo
bước sóng WDM (Wavelengh Division Multiplexer) ra đời, cho phép nâng cao dung
lượng truyền dẫn của hệ thống lên rất lớn mà không cần phải tăng thêm sợi quang và
tận dụng được băng tần lớn của sợi quang do có thể ghép nhiều kênh bước sóng trên
cùng một sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng đang được ứng dụng
rộng rãi trong các mạng viễn thông. Sự phát triển của công nghệ WDM cùng với công
nghệ khuếch đại quang và chuyển mạch quang sẽ tạo nên một mạng thông tin thế hệ
mới: mạng thông tin toàn quang.
Công nghệ WDM là công nghệ ghép kênh theo bước sóng đã tận dụng hữu hiệu
nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode.
Công nghệ ghép kênh WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống mà không
cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng.
Công nghệ WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kỹ thuật thông tin quang,
đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn của hệ thống.
Để triển khai lắp đặt các hệ thông thông tin quang có hiệu quả, bảo đảm chất
lượng truyền dẫn trong thời gian khai thác dài, công việc thiết kế tuyến là hết sức
quan trọng. khi xây dựng các tuyến truyền dẫn tốc độ cao và cự ly xa thì các tuyễn
này thường hay sử dụng các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là EDFA và Raman.
Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật
WDM và khuếch đại quang sợi được sự đồng ý của PGS.TS Lại Khắc Lãi, em đã thực
hiện luận văn tốt nghiệp: “Ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang
WDM” . Luận văn trình bày một số hiểu biết về khuếch đại quang sợi và nghiên cứu
ảnh hưởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ số SNR trong khuếch đại Raman và
chương trình mô phỏng. Luận văn được chia làm các chương :

9
Chƣơng 1: Tổng quan về khuếch đại quang sợi
ếch đại quang sợi sử dụng trong truyền

dẫn quang WDM
Chƣơng 2: Nghiên cứu ảnh hƣởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ
số SNR trong khuếch đại Raman
ảnh hưởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ số SNR trong
khuếch đại Raman
Chƣơng 3: Chƣơng trình mô phỏng
Đưa ra chương trình mô phỏng.


10
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI
1.1. Khuếch đại quang sợi EDFA
1.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động:
a. Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA.

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc một EDFA
Trên đây là cấu trúc của một khuếch đại sợi quang EDFA. Bơm Laser có thể
hoạt động ở hai bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm thì hiệu suất bơm là hiệu quả nhất.
Các bộ cánh ly quang (Isolator) có nhiệm vụ chống phản xạ tín hiệu, chỉ cho phép
truyền dẫn quang đơn hướng. WDM coupler dùng để ghép tín hiệu bước sóng bơm và
tín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium.
Các thành phần chính cấu tạo nên EDFA gồm có sợi được pha tạp Erbium EDF
(Erbium Dopped Fiber) thường có độ dài khoảng 10 m; laser bơm LD; bộ ghép bước
sóng quang (coupler) WDM và bộ cách ly quang (Isolator). Từ các thành phần cấu trúc
thiết bị như vậy người ta đã tạo ra nhiều loại EDFA với các công nghệ và thể thức khác
nhau. Để thu được bộ khuếch đại thì phải cung cấp năng lượng quang cho sợi pha tạp
Erbium. Nguồn năng lượng để cung cấp năng lượng cho bộ khuếch đại quang được gọi
là năng lượng bơm. Công suất quang từ nguồn bơm này thường có bước sóng 980 nm
hoặc 1480 nm, công suất bơm từ 10 mW đến 100mW. Các diode laser LD dùng làm

nguồn bơm được cấu tạo phù hợp với cấu hình và bước sóng bơm. Khi mà hệ thống
được bơm ở bước sóng 980 nm thì loại LD bơm thường là loại có vùng tích cực với
cấu trúc giếng lượng tử InGaAs là lớp rất mỏng được đặt xen vào giữa các lớp vỏ có
các tham số tinh thể khác nhau. Nếu hệ thống được bơm ở bước sóng 1480 nm thì LD
bơm thuộc loại laser Fabry-Perot dị thể chôn có cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/ InP. Bộ
ghép bước sóng WDM sẽ thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm pha tạp
Erbium hoặc trong một số trường hợp nó lại tách các tín hiệu này. Các bộ cách ly
quang có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xà từ hệ thống chẳng hạn như phản xạ
Rayleigh từ các bộ nối quang hay phản xạ ngược lại từ bộ khuếch đại. Việc giảm phản

11
xạ này phải đạt tới mức chấp nhận được. Vì thế các bộ cách ly quang có thể làm tăng
đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu.
Sợi pha tạp Erbium EDF là thành phần quan trọng nhất của EDFA và loại sợi
này gọi là sợi tích cực. Các ion Erbium được nằm ở vùng trung tâm lõi của EDF, vùng
này được pha tạp với lồng độ từ 100 – 2000 ppm Erbium. Các sợi EDF thường có lõi
nhỏ hơn và khuẩn độ số NA cao hơn so với sợn đơn mode tiêu chuẩn. Đường kính của
vùng tâm lõi EDF vào khoảng 5 µm và là nơi cường độ của ánh sáng bơn và tín hiệu
cao nhất. Lớp vỏ thủy tinh với chỉ số chiết suất thấp hơn được bao quang lõi để hoàn
thiện cấu trúc dân sóng và cho ra lực cơ khỏe hơn để bảo vệ sơi EDF khỏi bị tác động
từ bên ngoài. Đường kính của lớp vỏ này khoảng 250 µm. Ngoài cùng là vỏ bọc ngoài
thêm để bảo vệ sợi có chức năng ngăn cản từ bên ngoài sợi và đường kính tổng cộng
của nó vào khoảng 250 µm. Chỉ số chiết suất của vỏ bọc ngoài cao hơn lớp vỏ phản xạ
cũng nhằm để loại bỏ ánh sáng không mong muốn (các mode bặc cao hơn) lan truyền
bên trong vỏ phản xạ. Ngoài sự khác biệt là có sự pha tạp Erbium trong vùng lõi, cấu
trúc của EDF giống với cấu trúc của sợi đơn mode tiêu chuẩn hoặc tán sắc dịch chuyển
tương ứng với các khuyến nghị G.625 hoặc G.653 của ITU-T.
Do lõi sợi nhỏ hơn và độ mở số NA cao hơn sợi tiêu chuẩn, việc hàn nối trong
quá trình nắp ráp các modle khuếch đại quang sợi thực tế là một vấn đề quan trong
[77]. Cấu trúc sợi pha tạp Erbium có NA cao cho ta có thể tạo ra được EDFA đặc tính

khuếch đại hiệu quả cao. Tuy nhiên, câu trúc EDF như vậy sẽ giảm đường kính trường
mode và dẫn tới tăng tiêu hao hàn nối giữa sợi tích cực và sợi truyền dẫn thụ động. Để
khắc phục điều này, các đầu sợi được áp dụng kỹ thuật vuốt thon để có đường kích
trường mode tăng cục bộ. Ở biện pháp này, phân bố chỉ số chiết suất của đoạn vuốt
thon sợi sẽ thay đổi dần dọc thep trục sợi, và kích cỡ mode truyền dẫn cũng thay đổi.
Đây là biện pháp đầy sức thuyết phục để giảm suy hoa ghép nối do sự không trùng
khớp về trường mode gây ra. Trong thực tế, các phương pháp để thực hiện kỹ thuật
này là khuếch tán các vật liệu pha tạp trong sợi thông qua quá trình sử lý nhiệt TEC
(Thermally Expanded Core) hoặc vuốt thon đường kính theo một tỷ lệ giữa lõi và vỏ
phản xạ là hằng số.

Hình 1.2. Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium
Hình 1.2 mô tả cấu hình của sợi TEC, đường kính lõi tăng dần và đường kính
trường mode của ánh sáng được truyền cũng được mở rộng. Biện pháp này cho ra tần
số chuẩn hóa là không thay đổi dọc theo sợi và đường kính ngoài của sơi TEC không

12
đổi so với phương pháp vuốt thon. Trong sợi TEC, sự thay đổi suy hao không đáng kể
thì tỷ lệ mở rộng lõi là 2 với độ dài vuốt thon là hơn 2 mm. Khi tỷ lệ mở là 3, độ dài
vuốt thon lớn hơn 5mm thì có thể đạt được suy hao bằng 0 dB.

Hình 1.3. Sơ đồ của sợi TEC được vuốt Gaussian
Các cấu trúc khác nhau của các thành phần khác nhau như là nguồn laser bơm,
thiết bị WDM, bộ ghép quang, và bộ cách ly được dùng trong EDFA được mô tả chi
tiết trong nhiều tài liệu và sách.
b. Nguyên lý hoạt động.
Khuếch đị sơi quang hiện nay chủ yếu vẫn dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là
EDFA ( Erbium Doped Fiber Amplifier). Trong sợi EDF, các nguyên tử Erbium hóa trị
ba Er
+3

là các phần tử tích cực trong bộ khuếch đại quang có chức năng khuếch đại ánh
sáng. Năng lượng và sự chuyển tiếp quang có liên quan tới các ion Erbium hóa trị ba.
Những ký hiệu trên phía bên phải của hinhflaf các số lượng tử dùng chung gán cho
từng chuyển tiếp. Các số này có dạng
2S+1
L
j
, ở đây S là số lượng tử quay, L là động
lượng góc quỹ đạo,và j là động lượng góc tổng (L+S) L bằng một trong những giá trị
1, 2, 3, 4, 5, 6, …, được ký hiệu bằng chữ cái S, P, D, G, H, I. Biểu đồ LSI này được
dùng dưới dạng chữ nghĩa để chỉ các mức năng lượng ion, số các đường “Stark-Split”
là (2j+1)/2 cho mỗi mức.
Nguyên lý khuếch đại được thực hiện nhờ cơ chế bước xạ như sau:

13

Hình 1.4. Giản đồ năng lượng của Erbium
Đối với các mức năng lượng như đã mô tả ở trên, hoạt động cơ bản của bộ
khuếch đại quang EDFA được mô tả như sau. Quá trình bước xạ này xảy ra trong
EDFA nhình chung có thể được phân cấp thành bước xạ kích thích và bước xạ tự phát.
Khi các ion Erbium Er
3+
được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh
sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ ở các mức năng lượng cao hơn cho tới khi nó
tiến tới trạng thái siêu bền (trạng thái
4
I
13/2
). Tins hiệu quang tới đầu vào sợi EDF
tương tác với với các ion Erbium đã được kích thích và được phân bố dọc theo lõi sợi.

Quá trình bước xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng quang
như tín hiệu tới, à chính vì thế mà ta thu được cường độ ánh sáng tín hiệu đầu ra EDF
lớn hơn đầu vào. Như vậy, đã đạt được quá trình khuếch đại trong EDFA. Các ion đã
được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân ra tự phát tới trạng thái
nền với hắng số thời gian xấp sỉ 10 ms. Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emision) có
pha và hướng ngẫu nhiên. Thông thường thì có ít hơn 1 % SE được giữ lại trong mode
sợi quang, và nó trở thành một nguồn tạp âm. Tạp âm này sẽ được khuếch đại và tao ra
bước xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emision). Ở trạng thái
nền, khi có sự hấp thụ photon bơm hoạt động trở lại, quá trình này sẽ lặp đi lặp lại.
ASE sẽ làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu qua bộ khuếch đại quang.
1.1.2. Phổ khuếch đại của EDFA.
Phổ khuếch đại của EDFA là tham số quan trọng vì băng tần khuếch đại là một
tham số trọng yếu để các định băng truyền dẫn. Đặc tính này được nghiên cứu với các
sợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các EDFA. Trong các kết quả thí
nghiệm thu được bằng cách pha tạp Al và (hoặc) P trong lõi của sợi thủy tinh pha Er
3+

sẽ có tác dụng mở rộng phổ khuếch đại. gần đây người ta cũng tìm thấy rằng pha tạp
chất Al có thể thu được mức khuếch đại rất cao trong một mặt phẳng trải trong vùng
bước sóng 1540 nm đến 1560 nm. Bằng cách thay đổi vật liệu chủ trong sợi thủy tinh
silica sang thủy tinh Fluoride gốc ZnF
4
và thủy tinh Fluorophosphate cũng hứa hẹn và

14
mở rộng và làm phẳng được băng tần khuếch đại bằng phẳng trong dải bước sóng từ
1530 nm đến 1560 nm.
Hình 1.5 đã thể hiện các phổ khuếch đại tiêu biểu của sợi thủy tinh pha tạp
Ge/Er và pha tạp Al/P/Er. Phổ của sợi tạp Ge/Er có mặt cắt gồm hai đỉnh 1536 nm và
1552 nm. Trong khi đó phổ khuếch đại của sợi pha Al/P/Er có một vùng khuếch đại

rộng nằm trong khoảng 1545 nm đến 1560 nm mặc dù có một đỉnh khuếch đại nhô lên
tại vùng xung quang 1530 nm. Ngoài ra, phổ khuếch đại EDFA có thể dịch tới vùng
bước sóng dài hơn khi sử dụng độ dài EDF là tương đối dài. Khi tăng độ dài EDF, phổ
khuếch đại có thể thu được trong khoảng bước sóng từ 1570 nm đến 1620 nm. Tại
vùng bước sóng cao hơn 1620 nm, khuếch đại tín hiệu sẽ giảm do quá trình ASE (dịch
chuyển
4
I
9/2
tới
4
I
13/2
) và giới hạn trên của phổ khuếch đại được quyết định bởi ASE
này.

Hình 1.5. Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA
Thông thường thì phổ khuếch đại được đo bằng việc quét bước sóng tín hiệu
với một nguồn tín hiệu đơn. Tuy nhiên, phổ được thay đổi khi công suất tín hiệu đầu
vào được thay đổi. Phổ trở nên phẳng khi công suất tín hiệu đâu vào là cao. Mức công
suất tín hiệu đâu vào là một tham số quan trọng và phổ thường được đo dưới điều kiện
tín hiệu nhỏ. Đầu ra quang của EDFA phụ thuộc vào bước sóng vì độ khuếch đại thay
đổi theo các đặc tính bước sóng của sợi pha tap Erbium EDF. Hình 1.5 a) và 1.5 b)
miêu ta phổ ra tiêu biểu của một EDFA tương ứng cho các trường hợp có và không có
tín hiệu đầu vào. Khi không có tín hiệu đầu vào, chỉ có bước xạ tự phát được khuếch
đại ASE (Amplifer Spontaneous Emision). Bằng tần bước xạ tự phát được xác định tại
giá trị công suất ở vai của phổ giảm đi 3 dB. Tuy nhiên, việc xác định này không được
chỉ ra trên các thiết bị đo tiêu biểu như là máy phân tích phổ quang OSA (Optical
Spectrum Analyzer). Như vậy giá trị này được chỉ ra như là một giá trị tiêu biểu mà
không có các giá trị nhỏ nhất hay lớn nhất,

1.1.3. Các ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang.

15
a. Cấu trúc thiết bị EDFA trong thông tin quang.
+ Các cấu hình EDFA tiêu chuẩn:
Trong hệ thống thông tin quang các bộ khuếch đại quang sợi Erbium EDFA
thường ở dưới dạng cấu trúc modul. Ngoài ra, EDFA được kết hợp với các thiết bị
khác như bộ phát quang hoặc thu quang tùy thuộc vào các ứng dụng khác nhau. Nhìn
chung các cấu trúc EDFA được phân loại thành ba loại chính theo các cấu hình bơm
xuôi, bơm ngược và bơm hai hướng như hình vẽ sau:

Hình 1.6. ba cấu hình chuẩn của EDFA
Theo đặc tính khuếch đại và nhiễu của EDFA cấu hình bơm xuôi đơn hướng có
thể cho ra đặc tính nhiễu thấp và phù hợp với ứng dụng làm tiền khuếch đại PA
(Preamplifier). Trong khi đó cấu hình bơm ngược đơn hướng cho công suất đầu ra cao
phù hợp với bộ khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier). Vì thế, trong trường hợp
yêu cầu cả hai đặc tính : nhiễu thấp và đầu ra cao thì cấu hình bơm hai hướng là phù
hợp nhất.
Vì có nhiều các thành phần được xen vào dọc theo phần truyền dẫn tín hiệu của
EDFA nên có những suy hao xen lẫn cần được tính đến. Như vậy, khuếch đại G của
EDFA phải chịu thiệt thòi công suất bao gồm: suy hao sợi EDF; suy hao của WDM;
suy hao của bộ cách ly; suy hao của bộ lọc quang vá các suy hao ghép nối giữa sợi
EDF và sợi thụ động tiêu chuẩn. Hơn nữa các thành phần này cũng làm tăng hệ số
nhiễu NF của EDF. Suy hao xen của cloupler WDM và suy hao ghép nối giữa sợi tiêu
chuẩn và EDF để bơm ánh sáng sẽ giảm công suất bơm vào sợi EDF. Điều này làm
giảm khuếch đại tín hiệu G và công suất đâu ra, làm tăng NF trong EDF. Trong thực tế
vì EDF tới ưu có đường kính trường mode nhỏ và chỉ số chiết suấ cao hơn so với sợi
tiêu chuẩn, việc hàn nối thông thường sẽ có một suy hao đáng kể.
Trong thực tế các mde modul EDFA với vùng bơm hiệu quả 980 nm và 1480 nm đã
được thực hiện tốt nhờ việc chế tạo thanhd công các modul phát quang LD có đuôi sợi

ra. Từ keetss quả này các đặc tính khuếch đại của modul EDFA được cải thiện đáng kể.
một số các chức năng tiên tiến khác được thêm vào như tự động điều khiển công suất

16
APC (Automatic Gain Control ) và được tự động điều khển công suất APC (Automatc
Gain Control ) để có các ứng dụng ổn định trong các hệ thống thong tin quang sợi thực
tế. Các modul EDFA đã được phát triể trong các hệ thống thông tin quang anlog và
digital. Ngoài ra còn có các cấu hình khác phù hợp với các yêu cầu ứng dụng khác
nhau được triển khai từ các dạng này.
+ Các cấu hình EDFA cải tiến:
- Các bộ khuếch đại quang sợi phản xạ và hai hướng:
Từ các modul đơn hướng và hai hướng các dạng cải tiến của nó đã được đưa ra với các
cấu hình khác nhau. Trong các EDFA phản xạ có loại dụng cụ gọi là gương, cách tử
được đặt tại đầu ra của EDFA để phản xạ cả ánh sáng bơm và tín hiệu. áng sang bơm
và tín hiệu đi qua EDFA hai lần sẽ cho ra độ khuếch đại thực tăng lên. Các EDFA hai
hướng cho phép tín hiệu truyền cả hai hướng. So với các EDFA bơm xuôi tiêu chuẩn
thì ở hình 1.7a),thì hình 1.7b ) minh họa cho ánh sáng bơm được phản xạ trong EDFA
nhờ một gương lưỡng sắc. Trong hình 1.7 c) thì cả ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm
được phát triển từ hình 1.7c) với sự them bộ lọc ASE. Các bộ vòng quang OC (Optic
Circulator) trong các cấu hình ở hình 1.7c), d) có thể được thay thế bằng các bộ
coupler 3 Db.

Hình 1.7. Các cấu hình EDFA phản xạ
Các cấu hình này có thể cho ra khuếch đại tín hiệu tăng rất cao gần gấp đôi so
với cấu hình chuẩn, do đó có sự khuếch đại đúp ở EDFA phản xạ tín hiệu. khi đó
EDFA phản xạ cả bơm và tín hiệu cho ra sự cải thiện hệ số khuếch đại lớn nhất, có thể
khoảng từ 7,5 dB/mw đến 22,5 dB/mw. Tuy nhiên, các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra
rằng hệ số nhiễu trong các cấu hình này luôn cao hơn hệ số nhiễu trong các cấu hình
chuẩn. Các giá trị của hệ số nnhieeux trong các cấu hình 1.7 c), d) thường là cao hơn
cấu hình chuẩn vào khoảng 1,5 dB cho cả hai bước song bơm 980 nm và 1480 nm.

Các cấu hình EDFA hai hướng có ưu điểm hơn so với caaus hình phản xạ. Các
hệ thống truyền dẫn đơn hướng có các bộ cách ly quang có thể được chuyển thành các

17
hệ thống haihuwowngs và tương tác (lẫn nhau) bằng cách sử dụng các đôi sợi quang.
Hình 1.8 mô tả cấu trúc ba cấu hình cơ bản cho các ứng dụng hai hướng. Cấu trúc đơn
giản nhất được minh họa trong hình 1.8a). Đây là một EDFA được bơm hai hướng mà
không có bộ cách ly. Các tín hiệu quang ở đầu vào tại cả hai đầu EDFA và vì vậy cấu
hình này cũng được coi là cấu hình hai hướng tín hiệu. Vì nó không sử dụng các bộ
cachs ly nên mức bù công suất ơhair được tính và độ khuếch đại của EDFA bị giới hạn
ở mức thấp hơn 18 dB. Hơn thế nữa mức bù công suất như vậy sẽ dấn đến giá thành
đắt khi phải sử dụng nguồn công suất bão hòa rất cao.


Hình 1.8. cấu hình hai hướng cơ bản của EDFA
Các cấu hình 1.8 b) và c) được dựa trên nguyên tắc truyền dấn tín diệu hai
hướng. Hình 1.8 b) sử dụng các bộ coupler chia – kết hợp 3dB sẽ có suy hao tín hiệu
4dB. Hình 1.8c) sử dụng các bộ vòng quang độc lập phân cực để chia và kết hợp hai
tín hiệu ngược nhau. Nếu như các bộ vòng quang OC là lý tưởng, cấu hình này sẽ có
ưu điểm là không có sự mất mát do hệ số nhiễu và suy hao phụ xảy ra và không đòi
hỏi phải dùng các bộ cách ly.
- Tự động điều chỉnh khuếch đại và công suất:

18
Trong các hệ thống thong tin có sử dụng các bộ khuếch đại quang các ảnh
hưởng phi tuyến của EDFA dối với tín hiệu đầu vào lớn sẽ dấn đến sự biến đổi công
suất ngoài ý muốn và điều này sẽ làm suy giảm tỷ số lỗi bit của hệ thống. Trong các hệ
thống sử dụng nhiều tại bất kỳ trạng thái EDFA nào cũng đặc biệt có hại vì các chuỗi
bộ khuếch đạu được thiết kế để hoạt động tail mức thong suốt tín hiệu một cách chính
xác.

Trong các hệ thống thong tin quang sủ dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước song
WDM, công suất tổng từ sự xếp chồng của vài kênh quang có thể thay đổi một cách
ngẫu nhiên theo thời gian. Điều này cũng ây ra trôi công suất tín hiệu và sự điều chế
trong kênh tần số thấp ngoài ý muons. Trong các hệ thống có EDFA sự nhạy cảm phân
cực nhỏ của thành phần quang sẽ tích lũy dọc theo thời gian ngắn. Ngoài ra sự già theo
thời gian của các diode laser bơm trong các EDFA cũng có thể dẫn tới tăng dần suy
hao tín hiệu. Như vậy, thực hiện việc điều chỉnh khuếch đại là cần thiết và giải pháp
cho vấn đề ở trên là tự động điều chỉnh khuếch đại AGC (automatic Gain Control).
AGC duy trì độ khuếch đại của EDFA ở mức cố định trong thời gian có sự xáo trộn
trôi tín hiệu hoặc thay đổi suy hao hệ thống. AGC cũng có thể thể hiện chức năng
quang trọng của quá trình tuyến tính hóa độ khuếch đại. Điều này có thể đạt được nhờ
quá trình tự động điều chỉnh công suất APC (Automatic Power Control). AGC có chức
năng cố định độ khuếch đại và sự thay đổi công suất tín hiệu đầu ra và sụ thay đổi đọ
khuếch đại. AGC đòi hỏi ba chức nang sau:
- Tách nhứng biến đổi công suất tín hiệu tương ứng với mức chuẩn nào đó.
- Phát tín hiệu lỗi.
- Lưu giữ các điều kiện đầu khi không có lỗi.
Ba chức năng này có thể được thực hiện bằng quang điện. Chúng ta có thể tham
khảo hai giải pháp là AGC có điều khiển bơm và điều khiển tín hiệu. Các AGC có điều
khiển tín hiệu thì duy trì mức bão hòa như một hằng số. Cả hai đều đưa ra tuyến tính
hóa độ khuếch đại EDFA, tức là:
P
s
out
/P
s
in
= hằng số.
- Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đạu:
Cân bằng phổ khuếch đại là rất quan trọng đối với các ứng dụng EDFA trong hệ

thống đa kênh quang WDM. Như ta đã biết băng tần đại là không đều về phổ và thể
hiện một vài gợi song, nhưng sự khác nhau về độ khuếch đại thường xảy ra ở các kênh
quang có khoảng cách các bước song lớn. Trong các hệ thống tong tin quang sử dụng
chuỗi dài các bộ khuếch đại quang trên đường truyền, ngay cả những sự khác nhau
nhỏ về phổ khuếch đại cũng có thể dẫn tới nhưng khác biệt lớn về công suất tín hiệu
thu được. Điều này gây ra sự khác nhau về BER giữa các tín hiệu thu được tới mưc
thậm trí không thể chấp nhậ được .Đối với một vài kênh quang được ghép sự khác biệt
công suất có thể xay ra ở đầu ra hệ thống do sự bù khuếch đạu không đủ dọc theo
chuỗi các bộ khuếch đại. Ngoài ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE được phát
trong vùng khuếch đại cao nhất (gần với đỉnh tại bước song 1,53 µm), các bộ EDFA
không được cân bằng sẽ sinh ra bão hòa khuếch đại đồng đều, điều này gây ảnh hưởng

19
tới các kênh WDM tại các bước song dài hơn. Như vậy thì việc cân bằng khuếch đại
cũng là một điều mong muốn đối với các hệ thống analog cho méo cấp hai sinh ra do
sự nghiêng khuếch đại.
Cân bằng khuếch đại có nghĩa là làm cho khuếch đại đồng đều ở các kênh
quang riêng rẽ. Làm phẳng khuếch đại nghĩa là tạo ra được băng tần phổ khuếch đại
đều nhau, Như vậy khi ở trường hợp ứng dụng hai kênh cân bằng khuếch đại có thể
được thực hiện nhờ các biên pháp đơn giản nhu su:
- Với một EDFA có độ dài L đã cho , công suất bơm có thể được chọ để các bộ
khuếch đại trong các vùng đỉnh và vai gần các bước sóng 1,53 µm và hấp thụ tín hiệu
ở bước sóng ngắn. Một cách cân bằng khuếch đại khác là đặt các kênh quang tại các
bước mà nó cho ra các bộ khuếch đại bằng nhau ở điều kiện bơm lớn nhất.
- Phương pháp thụ động. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng đỉnh băng tần
hoặc bộ lọc điều chỉnh gần với đỉnh khuếch đại. Việc kết hợp của truyền dẫn có bộ lọc
phụ thuộc bước song và khuếch đại EDFA cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng bộ
lọc quang tích cực. Trong các bộ lọc tích hợp âm thoa quang có điều chỉnh AOTF
(Acoustic Optic Tunable Filters), tần số trung tâm và công suất của tín hiệu RF điều
khiển. Bằng cách điều khiển AOTF với một số bước song mang phụ RF việc điều

khiển truyền dẫn có thể đạp được đồng thời cho các bước song quang khác nhau.
- Các cấu trúc EDFA cải tiến dặc tính.
Để cải tiến đặc tính của bộ khuếch đại EDFA, có một số các cấu trúc biến đổi
có sự thay đổi chút ít về cấu hình của EDFA. Trong các cấu hình này, đầu tiên cần phải
kể tới là cấu hiinhf thay đổi độ dài sợi pha tạp erbium EDF để thu được độ khuếch đại
cao hơn. Tuy nhiên cần phải chú ý tới nhiễu của EDFA, vì công suất bơm cao thường
được sử dụng ở cấu trúc này.
Phương pháp thứ hai là EDFA được tách độ dài EDF thành hai phần bằng bộ
cách ly. S.Yamashita và T.Okoshi, O.Lumholt và tác giả phân tích lý thuyết và tiến
hành thực nghiệm về vấn đề này. Trong phương pháp này, một bộ cách ly được đặt ở
giữa sợi pha tạp Erbium để chặn nhiễu ASE. Phương pháp này tạo ra được khuếch đại
tăng và làm giảm hệ số nhiễu NF của EDFA. Hình 8.34 chỉ ra nguyên lý làm giảm NF
và ASE bằng cách ly.

20

Hình 1.9. Sự giảm NF do ASE ngược và loại trừ ASE ngược bằng bộ cách ly.
Phương pháp thứ ba để tăng độ khuếch đại của EDFA là thêm vào độ EDF một
bọ lọc quang băng thông hẹp. Như vậy, phương pháp này đã sử dụng bộ lọc quang
thay cho bộ cách ly quang trong phương pháp thứ hai đã nói ở trên. Hình 1.9 chỉ ra cấu
trúc bộ khuếch đại EDFA áp dụng phương pháp này.
Bằng việc sử dụng bộ cách ly quang hoặc bộ lọc thì ta có thể cải thiện được độ
nhạy thu. Tuy nhiên, vị trí của bộ cách ly và bộ lọc trong hai phương pháp này cần
được khẳng định. Từ các thí nghiệm ở trên, kết quả đã chỉ ra rằng vị trí tối ưu của bộ
cách ly quang là vào khoảng 25% đến 40% độ dài sợi tính từ đầu vào cho cả các bộ
khuếch đại được bơm cùng và hai hướng. Vị trí tối ưu của bộ lọc quang được tìm ra là
ở khoảng 42% tính từ đầu vào độ dài của bộ khuếch đại.


Hình 1.10. Cấu hình EDFA có bộ lọc quang được xen vào độ dài sợi EDF.

b. Các ứng dụng trên các hệ thống tuyến tính số.
Có 3 ứng dụng chính của EDFA được sử dụng trong khuếch đại quang sợi đó là:
Khuếch đại công suất (Booster Amplifier- BA), tiền khuếch đại (Pre-amplifier) và

21
khuếch đại đường truyền (Line Amplifier- LA). Hình 2.7 mô tả cấu hình ứng dụng
thiết bị OFA với các cấu trúc khác nhau.

Hình 1.11. Các ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi.
- Bộ khuếch đại công suất quang.
BA là thiết bị EDFA có công suất bão hòa lớn được sử dụng ngay sau Tx để
tăng mức công suất tín hiệu. do mức công suất ra tương đối cao nên tạp âm ASE có thể
bỏ qua và do đó đối BA không đòi hỏi phải có các yêu cầu nghiêm ngặt trong việc sử
dụng các bộ lọc tạp âm. Tuy nhiên, với mức công suất ra cao việc sử dụng BA có thể
gây nên một số hiên tượng phi tuyến. Các chức năng OAM đối với BA có thể tách
riêng hoặc chung với Tx. BA có thể tích hợp với Tx (gọi là OAT) hoặc tách riêng Tx.
-Bộ tiền khuếch đại quang.
PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng ngay trước bộ thu Rx để
tăng độ nhạy thu. Sử dụng PA bộ nhạy thu được tăng lên đáng kể. các chức năng OAM
đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx. Để đạt được mức tạp âm ASE thấp
người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp (nên sử dụng các bộ lọc có khả
năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước song của nguồn phát). PA có thế tích
hớp vơi Rx ( gọi là OAR) hoặc tách riêng với Rx.
-Bộ khuếch đại đường truyền.
LA là loại thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng trên đường truyền (
giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Tùy theo chiều dài tuyến mà
LA có thể được dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến. Đối với các
hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thong tin riêng để thực hiện cảnh
cáo, giám sát và điều khiển các LA. Kênh giám sát này ( OSC- Optical Supervisor
chanel) không được quá gần với sóng bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng

của giữa các kênh này. Tại mỗi LA kênh giám sát này được chèn thêm thông tin mới
về trạng thái của LA và các thông tin cảnh báo sau đó lại được phát lại vào đường
truyền. Về mặt lý thuyết khoảng cách truyền dẫn lớn ( cỡ vài nghìn Km ) có thể đạt

22
được bằng cách chèn thêm các LA vào đường truyền. Tuy nhiên trong trường hợp trên
tuyến có nhiều LA liên tiếp nhau chất lượng hệ thống có thể bị suy giảm nghiêm trọng
do các hiện tượng như: tích lũy tạm âm, sự phụ thuộc của phổ khuếch đại vào tổng hệ
số khuếch địa, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến. Đặc biệt là
việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước song nào đó dẫn đến việc thu
hẹp dải phổ khuếch đại của LA.
Do đặc điểm khác nhau của các loại thiết bị khuếch đại quang lên mức ưu tiên
sử dụng đối với từng loại cũng khác nhau:
- LA đòi hỏi phải có một kênh giám sát riêng hơn nữa thêm các điểm trung gian
vào trên đường truyền làm cũng làm cho việc bảo dưỡng trở nên phức tạp hơn. Do đó
mức ưu tiên sử dụng đối vơi LA là thấp nhât, chỉ trong trường hợp khi dùng cả BA và
PA mà vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về quỹ công suất thì mới dùng LA.
- Đơn giản nhất là sử dụng BA và PA để tăng quỹ công suất. Tuy nhiên do cấu
hình của PA phức tạp hơn BA ( vì phải sử dụng các booh lọc quang băng hẹp để loại
bỏ bớp tạp âm ASE ) nên giữa BA và PA thì BA vẫn được ưu tiên sử dụng hơn.
Việc sử dụng các thiết bị khuếch đại quang ( BA, PA, LA) sẽ tăng quỹ công
suất lên đáng kể. Với phổ khuếch địa tương đối rộng ( khoảng 35nm ), khả năng
khuếch đại không phụ thuộc vào tốc độ và dạng tín hiệu, sử dụng khuếch địa quang rất
thuận lợi trong việc nâng cấp tuyến như tăng tốc độ hoặc thêm kênh bước song.
Nhìn chung, sử dụng khuếch đại quang có thể bù lại suy hao trong hệ thống,
như vậy các hệ thống trước đây bị hạn chế về suy hao thì nay có thể lại bị hạn chế về
tán sắc. Trong trường hợp đó phải sử dụng một số phương pháp để giảm bớt ảnh
hưởng của tán sắc, ví dụ như sợi bù tán sắc hay sử dụng các nguồn phát có độ rộng
phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài…
Một trong các hạn chế của EDFA đối với hệ thống WĐM là phổ khuếch đại

không đồng đều, các bước song khác nhau sẽ được khuếch địa với các hệ số khác
nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại bước sóng 1530nm. Hơn nữa, trong
trường hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình hình thành một đỉnh
khuếch đại khác xung quanh bước song 1558nm. Như vậy, với nhiều EDFA lớn liên
tiếp trên đường truyền dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại và có thể là từ 35nm xuống
còn 10nm hoặc hơn nữa tùy thuộc vào bộ khuếch đại quang liên tiếp nhau.
Ngoài ra trong trường hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền,
một vấn đề nữa cần quan tâm xem xét là tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía
trước sẽ được khuếch đại bởi bộ khuếch địa quang phía sau. Sự khuếch đại và tích lũy
tạp âm này sẽ làm tỉ số S/N của hệ thống bị suy giảm nghiêm trọng. Nếu mức công
suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống dưới
mức cho phép. Tuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào là quá cao thì tín hiệu này
kết hợp với ASE có thể gây hiện tượng bão hòa ở bộ khuếch đại.
Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng một số phương pháp
sau:

23
- Sử dụng bọ lọc để suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại: xung quanh bước sóng
1530nm và xung quanh bước song 1558nm trong trường hợp có sử dụng nhiều EDFA
liên tiếp trên đường truyền.
- Hoặc điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bước sóng sao cho tại đầu
thu, mức công suất của tất cả các bước song này là như sau.
- Một cải tiến quan trọng trong việc san phẳng và mở rộng khuếch đại của bộ bộ
khuếch đại quang đó là sự ra đời của bộ khuếch đại có tên là EDTFA ( Erbium Doped
Tellurite based Fiber Amplifier). Sơ đồ cấu hình như sau:

Hình 1.12. Cấu trúc EDTFA
Về bản chất thì EDTFA giống như EDFA hay EDSFA, chỉ khác là EDSFA dựa
trên nền bán dẫn Silic còn EDTFA dựa trên nền bán dẫn Tellurium. EDTFA cho phép
mở rộng phổ khuếch đại lên tới 9nm từ bước sóng 1350nm đến 1620nm.

1.1.4. Các tham số đặc tính kỹ thuật ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang
EDFA.
a. Công suất bơm và bƣớc song bơm trong EDFA.
Như giải thích trong phần cấu trúc và nguyên lý hoạt động, có một vài vùng
bước song bơm cho phép kích thích các ion Erbium. Đặc tính khuếch đại của sợi
Erbium EDF được bơm ở mỗi vùng bơm được so sánh dưới dạng hệ số khuếch đại, tỷ
lệ phần tiết diện bức xạ kích thích bơm và phần tiết diện hấp thụ bơm, hiệu suất biến
đổi công suất và các đặc tính nhiễu.
Hình 1.13 mô tả quan hệ giữa khuếch đại tín hiệu và công suất bơm. Độ khuếch
đại lúc đầu tăng với hàm mũ với sự tăng của công suất bơm và rồi hạ thấp xuống. Hình
này cũng chỉ ra sự phụ thuộc hệ số khuếch đại tín hiệu vào độ dài sợi. Độ dài sợi mà
tăng sẽ dẫn tới hệ số khuếch đại tăng.

24
Hiệu suất biến đổi công suất là một tham số thông dụng để áp dụng chủ yếu
cho EDFA khuếch đại công suất BA vì nó có liên quan đến các đặc tính bão hòa của
EDFA. Tham số này thường được sử dụng trong thiết kế modul để xác định công suất
tín hiệu đầu ra thu được modul EDFA với công suất bơm sắn có trong modul và được
xác định là:
E
pc
(%) = (P
s
out
- P
s
in
)x100/P
p
in

(1.1)

Trong đó P
s
out
,P
s
in
và P
p
in
tương ứng là công suất tín hiệu đầu ra, công suất tín
hiệu đầu vào và công suất bơm vào sợi pha tạp Erbium EFD. Gía trị lớn nhất của E
pc

được cho đối với bước song tín hiệu λ
s
và bước sóng bơm λ
p
là:
E
pcmax
(%) = (λ
p
/λ
s
) x100 (1.2)
Vì vậy hiệu suất biến đổi cong suất lớn nhất E
pc
sẽ tăng khi bước song bơm tiến tới

bước song tín hiêu.

Hình 1.13. Sự phụ thuộc bộ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA
Cả hai bước sóng bơm 1480nm và 980 nm đều được dùng tốt trong EDFA. Tùy
từng điều kiện cụ thể sủ dụng bước song bơm 1480 nm và 980 nm. Thực hiện tính toán
để tìm độ khuếch đại G với các bước song dài sợi EDF và khuếch đại tín hiệu cho cả
hai bước song ở cùng một công suất bơm. Kết quả như hình 1.14. từ kết quả này và
tham khảo các kết quả thí nghiệm ta thấy rằng bơm 980 nm có hiệu quả hơn bơm ở
1480 nm.

25

Hình 1.14.Quan hệ giữa độ dài EDFA và khuếch đại tín hiệu.
b. Khuếch đại trong bộ khuếch đại pha tạp Erbium.
Công suất và bước sóng bơm có liên quan tới khuếch đại của bộ khuếch đại
quang sợi OFA ( Optic Fiber Ampliter ). Độ khuếch đại là một trong những tham số cơ
bản nhất và nó thể hiện khả năng làm tăng công suất tín hiệu truyền trong OFA. Độ
khuếch đại G của bộ khuếch đại quang được xác định như sau:
G =( - )/ (1.3)
Trong đó và Pout tương ứng là các công suất đầu vào và đầu ra của bộ
khuếch đại quang. Ngoài khuếch đại, bộ khuếch đại quang cũng phát ra ASE và ở đây
là công suất nhiễu được phát từ bộ khuếch đại quang nằm trong băng tần quang.
Việc xác định bộ khuếch đại quang sợi là một quá trình phức tạp do bản chất
phân bố hai hướng của nó. Để thu được bộ khuếch đại thực của bộ khuếch đại thì cần
phải xác định phần tiết diện bức xạ kích thích và tiết diện hấp thụ là các yếu tố rất
quan trọng.
Hình 1.15 mô tả đỉnh trong các phần mặt cắt ngang hấp thụ và bức xạ là gần với
1530 và phổ hấp thụ có phần dịch về phía các bước sóng ngắn hơn. Xu hướng dịch về
phía các bước song ngắn hơn là đặc trưng tiêu biểu của các nguyên tố đất hiếm.