Một số đặc trưng cơ bản của erbium doped fiped amplifier sử dụng trong hệ thống truyền dẫn quang pdf

K H ;> < % ( " i

m ; i ỉ ;

ị..; ilnỉl;.: s
M Ộ T S ỏ Đ Á C T R U N G c ơ B A N ( IÌA E rb iu m d op ed fib er a m p lifier
S Ứ D Ụ N íỉ T R O N G H Ệ T H Ố N G T R U Y Ề N

H à N oi - 2003

dan quang


ị) . f If, H ■Ọ! n< ( , | ^ l-l I ", ! ĩI

Kí í

*ro\c,*

111

Lt Hoi li! Sun

M Ộ T SO Đ Ả C T R l ’N G c ơ B Á N C U A E rb iu m d op ed fib er a m p lifier
SỪ !)Ị!N (Ỉ T R O N íỉ H Ệ ! H O N G

truyền dan quang

t ỉ ì u \ cu iìiianỉi: K\ ỉhíint vo Uỉ \tT! ùivMnư \a UìímìlM íh ỉien Lu/
\ Ị ■I Si'); 2 /

‘ *(1

V

;i. O I

ỊII

( »Ni i ị ) . \ N

M U

! " PlíllUU lỊHOt liiio

■

V- lũ,
H à N ội - 2003

n

Ỉ K )i


M i kẦmạ s&tí

Á luậm MÚt t ứ ề tụ h iỉp

ỉVí ỤC ỉ

Trang

Mơ đẩu

1

C hương 1: EDFA - lý th u yế t cd bán và khả năng
ứng dụng tro n g hệ th ô n g th ỏ n g tin quang

4

1 .1

IUMI ụí

4

1 .2

\ < n \ l \ 1 \ H O A 'i t ) ( ) \ ( . \

1.2.1

Bức xạ cảm ứng

5

1.2.1.1

Dịch chuyển hấp thụ

7

1.2.1.2

Dịch chuyển bức xạ tự phát

7

1.2.1.3

Dịch chuyển bức xạ cảm ứng

7

1.2.2

Sự nghịch đảo độ tích lũy

7

1.2.2.1

Sd đổ khuếch đại

3 mức

9

1.2.2.2

Sơ đồ khuếch đại 4 mức

9

1.2.3

Cấu hình ghép nối bơm và bước sóng bơm cho EDFA

10

1.2.3.1

Cấu hình ghép nối bơm đơn công

10

1.2.3.2

Cấu hình ghép nối bơm song công

11

1.2.3.3

Các bước sóng bơm cho EDFA

12

1.2.4

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA

15

1.2.4.1

Cấu tạo của EDFA

15

1.2.4.2

Nguyên lý hoạt động của EDFA

16

1.2.5

Các đặc trưng Cd bản của EDFA

17

1.2.5.1

Hệ số khuếch đại của EDFA

17

1.2.5.2

Sựbãohoà

18

1.2.5.3

Ổn trong EDFA

19

1 .3

I M.IH M . U

20

1.3.1

Bộ khuếch đại công suất

20

1.3.2

Bộ tiển khuếch đại.

21

1.3.3

Bộ khuếch đại đường truyền

21

-ị 4

< \ r III
23

v\

Khoa Cóng Nghệ - ĐHQGHN

( \(

t)\<

I Kl s <, < () HAN < I \ KDI \

\ [;i)I A I R I N M A \ < ; i Rl YKN l ) AN Ọl \ \ < .

5

Chuyên ngành : Ky Thuật Vó Tuyến Điện Tử vd Thông Tin lÀên ỈMC


M ỉ kẦmự 3

MãẾỘtt ữềiềi, tờ , m ự hiịặt

C hương 2 : Hệ phương trin h tố c độ mỏ tả hoạt
độ ng cua EDFA

24

2 .1

m \ < H Y | \ | ( r \ <

2.2

HI PIH O M , i KINH TOC {)<) MO l \ IIOA ! f><>\<. Kl)l V

25

2.2.1

Hệ nguyên tử 4 mức năng lượng của Erbium

25

2.2.2

Bức xạ tự phát được khuếch đại

27

2 .3

III PHI O M , T KI MÌ TKI \ í : \ i n s < ó B \ \

29

2 .4

M O PHON<; Ỉ>Ạ<

30

ỉ kl.N CO SO m

24

MI ( \ A \ ( . ĨJ O M , < I A I R B I I M

T R l ' \ < ; !!F. s o

KHI í < I ! ỉ ) \ ! V \ <>\ ' Ị \ ! !»! \

1*111 ( ) \ ( . I KIMI í Kí \ Ì N

2.4.1

Phương pháp giải hệ phương trình vi phân

2.4.2

Xây dựng Sd đồ giải thuật hệ số khuếch đại và

của EDFA

30
ồn

Chương 3: Khảo sát anh hương của một sỏ tham
sỏ íẻn hệ sô khuếch đại và ổn cua EDFA

31
35

3 1

I i \ < HON ÍHÍ ỉ kii \ no u í)o\(, < ỉ Vi;i)f A

35

3 2

KI I <>t \ MO H i ó v ;

35

3 3

\ NI I IU ON ( , ( l V MẠT ĐO I KBH \1

38

3 .4

\ \ l i III <>\ <, < l \ < < » \ ( . s r VT IỈOM

39

35

VNJI HI <)N<.< 1 V( ONí.SI Ai TIM m .l

41

3 6

o r \ 1 AT I N(ỉ 1)1 N<; 1DFA TRI N m r m o \ ( , t i i o \ ( ; í ỉ \

42

Kết luận

47

Tài liệu th a m k h ả o

49

Khoa Cóng Nghệ - ĐHQGHN

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tứ và Thông Tin Liên ỈM C

JU tận o ă n tố i n ụ h ii ft

1

JẼê. kồntỊ. Sfin 'g'

IMỞ ĐẦU
Các hệ thống thông tin cáp quang, do những un điểm của nó, đã và
đang được nghiên cứu phát triển là một yếu tố vô cùng quan trọng trong ngành
viễn thông, hình thành nên nhiều loại hình dịch vụ phong phú, góp phần nâng
cao chất lượng thông tin, nhanh chóng đáp ứng đòi hỏi ngày càng cao của đời
sống xã hội trong thời kỳ mới. Một trong những thành công được áp dụng
trong mạng quang đó là việc phát minh và đưa vào ứng dụng những bộ khuếch
đại quang. V iệc sử dụng các sợi quang có pha tạp chất (đất hiếm - nguyên tố
Erbium) làm nên các bộ khuếch đại tín hiệu quang, có tên gọi là bộ khuếch
đại sợi quang pha đất hiếm (EDFA) đã có ý nghĩa rất lớn trong việc tăng tốc
độ và cự ly của các tuyến truyền dẫn hiện tại.
Hiện nay, mạng viễn thông Việt Nam qua quá trình đầu tư, nâng cấp từ
năm 1992 đã có tốc độ đường truyền cao cỡ nhiều Gigabit, phát triển cả trên
đất liền và trên biển. Nó nối liền các tỉnh từ Bắc vào Nam, các nước trong khu
vực và trên thế giới. Các tuyến cáp quang tốc độ lớn của nước ta gồm có :
Tuyến truyền dẫn quang liên tỉnh RING WDM 20 Gb/s HNI-HCM sử
dụng thiết bị của hãng Nortel Canada.
Tuyến truyền dẫn quang liên tỉnh RING SDH 2,5 Gb/s HNI-HCM sử
dụng thiết bị của hãng Nortel Canada.
Tuyến truyền dẫn quang liên tỉnh RING SDH 2,5 Gb/s HNI-VYN-VTITQG-TNN sử dụng thiết bị của hãng Fujitsu Nhật Bản.
Tuyến truyền dẫn quang liên tỉnh và quốc tế RING SDH 2,5 Gb/s Trung
Quốc-LSN-QNH-HNI-VIH-Lào sử dụng thiết bị của hãng Fujitsu Nhật
Bản.

Khoa Công Nghệ - ĐHQGHN

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử và Thông Tin Liên Lạc


2

JUutn tyăn tòi nụhiẻp

J lị hồnụ Srín *

Tuyến truyền dẫn cáp quang biển quốc tê SEAMEWE WDM 20Gb/s
nối liền 35 nước từ Đông Bắc Á đến Châu Âu. Đoạn Trung Quốc-Việt
Nam-Singapore dài 4600 Km.
Các hệ thống truyền dẫn trên đều đang sử dụng các bộ khuếch đại quang
EDFA, hầu hết là các Power Amplifier và In - line Amplifier.
Vấn đề nghiên cứu sâu các đặc trưng của EDFA sẽ giúp chúng ta:
> Đánh giá được chính xác các sản phẩm thương mại của các nhà cung
cấp thiết bị chào bán.
> Lựa chọn được những nhà cung cấp thiết bị phù hợp cho những dự
án mang tính quốc gia trong hiện tại và cho tương lai.
> Giảm được chi phí mua sắm thiết bị.
> Tối ưu hoá được mạng lưới.
> Nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp.
> Giảm được chi phí nếu như chế tạo được EDFA.
> Nâng cao được trình độ cho các cán bộ kỹ thuật khai thác những hệ
thống này.
Trên thế giới, các hướng nghiên cứu về lý thuyết tập trung vào nghiên
cứu EDFA hoặc như là hộp đen và tiến hành khảo sát như những thiết bị rời
rạc [5] hoặc là khảo sát các nguyên lý khuếch đại sử dụng hệ nhiều mức [6,7].

Đặc tính hệ số khuếch đại và ồn của EDFA đã được đề cập tới như những
thông số quan trọng nhất.
Chính vì vậy, khảo sát hệ số khuếch đại và ổn trên cơ sở mô phỏng hoạt
động của EDFA đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc nghiên cứu
phân tích hệ thống cũng như các ứng dụng trong chính những hệ thống này.
Nhờ đó, ta có thể tiên lượng và hạn chế những ảnh hưởng của tạp nhiễu đến tín
hiệu truyền dần. Luận văn này tập trung vào việc :
-

Mô phỏng EDFA với sơ đồ 3 mức năng lượng, được bơm ở bước
sóng 800 nm, tín hiệu khuếch đại ở bước sóng 1550 nm.

Khoa Còng Nghệ - ĐHQGHN

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử và Thông Tin Liên Lạc


Uliiận oán iôt nụhirp

3

M í hồttự Ẵifn ':ỉr

-

Nghiên cứu đặc trưng khuếch đại và ồn.

-

Khảo sát các ảnh hưởng của các thông

SQ

lên hệ số khuếch đại và ồn.

Luận văn được trình bày với ba chương chính:
Chương thứ nhất giới thiệu các bộ khuếch đại quang sợi sử dụng trong
hệ thống truyền dẫn quang, tóm tắt lý thuyết cơ bản về EDFA và nguyên lý
khuếch đại của nó.
Chương thứ hai tập trung vào xây dựng các hệ phương trình tốc độ mô
tả hoạt động của EDFA, hệ phương trình truyền dẫn và các sơ đồ giải thuật.
Chương thứ ba, chương cuối cùng của luận văn, nghiên cứu, khảo sát hệ
số khuếch đại và đặc trưng ồn của EDFA, ảnh hưởng của một số thông số lên
hệ số khuếch đại và ổn của EDFA. Kết luận chung và một vài nhận xét có tính
chất đề xuất trong ứng dụng công nghệ EDFA kết thúc bản luận văn này.

Khoa Công Nghệ - ĐHQGHN

Chuyén ngành : Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử và Thông Tin Liên Lạc


4
XV hắttụ Ẵ
ẤLu ộ m oàm MÍ m ợ ttiỉệi

c m ơ \< ; !
1 1)1 V - I V ỉ l í t \ 1 1 ( 0 lì \ \ \ \
K i l \ \ v \ < ; l \ c ; 1)1 N ( i ! R O M , m ; T H Ỏ N ( Ì T I I Õ N Í Ỉ 1'IN U i

1,1 I < ) \ ( , ( ) ị

v\(,

\ \

Thông tin ở Việt Nam nói riêng cũng như giữa các quốc gia nói chung
đang đóng một vai trò rất quan trọng trong sự phát triển mọi mặt của xã hội.
Những thập kỷ gần đây, các hệ thống thông tin truyền thống như hệ thống cáp
đổng, hệ thống vib a... đã được sử dụng rộng rãi và bộc lộ một số hạn chế nhất
định. Đối với hệ thống cáp đồng, dung lượng thông tin truyền dẫn thấp,
khoảng cách truyền dẫn ngắn; còn hệ thống viba thường chịu ảnh hưởng bất
thường của môi trường xung quanh, giá thành lắp đặt cao.
Cho đến nay, các bộ khuếch đại quang được nghiên cứu, phát triển gồm:
•

Bộ khuếch đại Laser - SLA.

•

Bộ khuếch đại Raman - FRA.

•

Bộ khuếch đại Briỉlouin - RBA.

•

Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium - EDFA.

Mạng viễn thông Việt Nam hiện nay hoàn toàn sử dụng loại khuếch đại
sợi quang có pha tạp chất đất hiếm Erbium (Erbium -D oped Fiber A m plifier
- ED FA ) bởi vì nó có các ưu điểm nổi bật như sau:

s Cấu trúc của EDFA đơn giản, xử lý tín hiệu trực tiếp dưói dạng ánh sáng,
không thông qua bất kỳ bộ biến đổi điện - quang và quang - điện nào.

s Sợi quang được pha thêm nguyên tố đất hiếm Erbium với nồng độ thấp có
khả năng tạo nên nghịch đảo độ tích lũy giữa các mức năng lượng nhờ một
nguồn bơm laser ở bên ngoài. Khi có

tín hiệu thông tin truyềnqua EDFA

thì tín hiệu lối ra sẽ được khuếch đại, bù đượcnhữngnăng lượng suy hao
trong quá trình truyền dẫn.

Khoa

C

ih iiị

Xtiliệ - f> IIỌ (ill\

('liu ven Iiíỉaiili : Av Tliiuil Vo Tu vé II fill'll l ư va ThòntỊ Tin I.it'll í.tic


5
ẨUiậềt

ữÚMuứ "ựễiìệp

s EDFA có hệ số khuếch đại quang cao (cỡ 20 - 30dB), ổn định. Công suất
lối ra lớn p > 30mw với mức ồn nhỏ, hoạt động tại cửa sổ quang thứ ba
(1530 nm-1565nm).

s

EDFA dẻ hàn nối với sợi quang truyền dẫn thông thường và hệ sô khuếch
đại quang không bị ảnh hưởng bởi độ phân cực tín hiệu. Trạng thái bão hoà
trong EDFA xảy ra chậm cho nên EDFA không gây ra hiện tượng xuyên
kênh giữa các kênh ghép theo bước sóng và làm méo dạng xung ở các hệ
thống tốc độ cao. Do đó, EDFA thường được sử dụng cho hệ thống thông
tin cáp biển để giảm chi phí cho thiết kế, lắp đặt trạm lặp, bảo dưỡng sửa
chữa.
Sử dụng EDFA làm tăng dung lượng thông tin, tăng khoảng cách truyền

dẫn giữa các trạm lặp, giảm giá thành, nâng cao chất lượng truyền dẫn mạng
thông tin quốc gia và hạ giá cước dịch vụ viễn thông.
1.2 M i l \ Ỉ N LY HOA I »)<)N(Ỉ X < A< ĐẠ< T R I M . r ò B \N < l \ 11)1 A

EDFA là một đoạn sợi quang ngắn có lõi được pha tạp nguyên tố đất
hiếm Erbium. Sản phẩm thương mại của một số hãng cung cấp thiết bị lớn trên
thế giới như Nortel, Lucent và Fujitsu thì bô khuếch đại quang được tích hợp
trên một card giúp cho quá trình thay thế, sửa chữa thuận tiện và linh hoạt.
N guyên lý hoạt động của EDFA dựa trên cơ sở bức xạ cảm ứng và sự
nghịch đảo độ tích lũy các mức năng lượng của Erbium. Quá trình khuếch đại
quang kết hợp thông qua hiệu ứng bức xạ kích thích dựa trên nguyên lý bức xạ
của Einstein.
1.2.1

Bức xạ cam ỨI1 J»

Xét một hệ gồm các nguyên tử hai mức cùng loại và không tương tác
với nhau. £, là trạng thái năng lượng thấp (trạng thái cơ bản) có độ tích lũy
«, và E2 là trạng thái năng lượng cao (trạng thái kích thích) có độ tích lũy n2.

Khoa Co V ỉ X íỉlu ’

-

f >11ỌC, I I V

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Vó Tu ven Điện Tử và Thong T in ỈẢen Lạc


6
Mắìúm ởăm. iứ HựẨtìêp

E 2

------------------------------------- ® -

E2 ------------- • " •

Hình 1.1 Quá trình bức xạ cảm ứng tro n g khuếch đại quang

Photon có tần số thích hợp đi vào trong môi trường hoạt chấtsẽ gây ra
sự dịch chuyển bức xạ cưỡng bức của một nguyên tử xuống mức năng lượng
thấp ( £ ,) phát xạ ra một photon có cùng pha, cùng hướng và cùng tần số với

photon ban đầu (sơ đồ 1). Sau đó, hai photon này gây ra dịch chuyển cưỡng
bức hai nguyên tử kích thích khác, phát ra 4 photon (sơ đổ 2). Quá trình cứ
tiếp tục như vậy tạo thành một chùm photon có cùng pha, cùng tần số, cùng
hướng vói photon ban đầu (hiệu ứng khuếch đại).
Theo định luật bảo toàn năng lượng, để bổ sung năng lượng cho tín hiệu
cần khuếch đại thì phải có nguồn bơm từ bên ngoài. Nguồn bơm này thông
qua quá trình kích thích các nguyên tử làm cho chúng chuyển từ trạng thái có
mức nàng lượng thấp ( E,) lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn ( E2). Sự
chuyến mức này hấp thu photon có tần sô

E - E

V = — ------ 1

h

. Chú ý răng sô dich

chuyển phụ thuộc vào xác suất chuyển dời và số nguyên tử ỏ các trạng thái
tương ứng. Theo Einstein, có thể có ba loại dịch chuyển giữa hai mức năng
lượng:
-

D ịch chuyển hấp thụ

-

D ịch chuyển bức xạ tự phát

-

Dịch chuyển bức xạ cảm ứng

Khoa Cong s g h e - Đ H Q í.H S

Chuyên ngành : KỶ Thuật Vo Tít yen t)ien Tử và Thong T in Lie tỉ ỈẨÌC


7
JLi hẦềtạ- Ẵ4fềt ^

ẨltiÃM từ ui tế t MựÁtiêft

1.2.1.1

Dịch cliuyèn hap thụ

Dịch chuyển hấp thụ là dịch chuyển từ trạng thái cơ bản £, lên trạng
thái kích thích E2 khi nguyên tử hấp thụ một photon có năng lượng bằng hiệu
hai mức năng lượng, nghĩa là : E = E2- E i

=hvn.

Các dịch chuyển hấp thụ làm

cho số hạt n2 ờ mức năng lượng E2 giảm xuống.
1.2.1.2

Dich ch uvt n hức \ a tự phai

Dịch chuyển bức xạ tự phát là quá trình mà nguyên tử ở trạng thái kích
thích E 2 chuyển dời một cách ngẫu nhiên xuống trạng thái cơ bản Eị và phát
ra một photon có năng lượng hvn . Quá trình này tự động xảy ra một cách
ngẫu nhiên và độc lập với nhau, không cần tác động của trường bức xạ bên
ngoài nên các photon phát ra tuy có cùng tần số nhưng có pha khác nhau, có
hướng khác nhau, có mật phân cực khác nhau. Các photon bức xạ lự phát cũng
độc lập vói các photon của trường bức xạ bên ngoài, chúng không đổng bộ và
không cùng hướng với các bức xạ bên ngoài. Vì vậy, bức xạ này là bức xạ tạp.
1.2.í . 3

Dịch chIIven hức xạ cam ứng

Dịch chuyển bức xạ cảm ứng là quá trình nguyên tử chuyển từ trạng
thái kích thích E2 có mức năng lượng cao xuống trạng thái cơ bản có năng
lượng thấp hơn dưới tác động của một photon của trường bức xạ bên ngoài có
năng lượng hvn đồng thời giải phóng ra một photon giống hệt như photon gây
nên chuyển dời. Các dịch chuyến bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photon có
cùng tần số, cùng pha, cùng hướng và tính phân cực giống nhau. Như vậy, bức
xạ cảm ứng mang tính đơn sắc, định hướng và kết hợp.
1.2.2 Sư nghịch đ a o độ tích III\
Sự nghịch đảo độ tích lũy của môi trường là điều kiện cần thiết để duy
trì khuếch đại. Đ ó là trạng thái mà số lượng nguyên tử ở trạng thái kích thích
lớn hơn số lượng nguyên tử ở trạng thái cơ bản.

Khoa ( ong i\i*h ẹ

-

t) H Q ( ỈH i\

Chuyên ngành : Kỹ T huật Vo Tuyên Điện Tứ và Thòng T in Lien Lạc


8
Ấlnĩim tuÌM tấ t ỆỆựhiíặt

Eỉ với

Xét một môi trường hoạt chất là hệ nguyên tử hai mức

Et < E2 Các độ tích lũy trên hai mức này tương ứng là rị và n2. Đại lượng

nghịch đảo độ tích lũy giữa hai mức £, và E2 được định nghĩa là:
(

_

8

N = n2

\
.

( 1. 1)

gị , g2 là trọng số thống kê của hai mức tương ứng.
Thông thường.để tiện cho việc tính toán ta cho g, = g2. N

là một hàm

của thời gian và toạ độ từng vùng trong môi trường hoạt tính. N thường là đại
lượng âm, nghĩa là «, > n2. Mức năng lượng thấp E, có phân bố nguyên tử dày
đặc hơn mức năng lượng cao E2. Nếu N > 0 thì sự nghịch đảo độ tích lũy
được thiết lập, kéo theo sự thay đổi trạng thái cân bàng của hệ.
Hệ số khuếch đại X của môi trường đổng nhất được cho bởi biểu thức:

(1.2)

X = Ơ .N

với ơ (<x > 0 ) là tiết diện hiệu dụng đối với dịch chuyển bức xạ cảm ứng.
Hệ số khuếch đại X > 0 khi N > 0 hay

«2

>

«1

tức là khi ở trong môi

trường hoạt tính, quá trình bức xạ cảm ứng lớn hơn quá trình hấp thụ. Như
vậy, điều kiện để có đượe sự nghịch đảo độ tích lũy là:
độ tích lũy ở mức

-

Thời gian dịch chuyển từ mức i lên mức 2 rất ngắn so với thời gian

2

dịch chuyển từ mức

lớn hơn mức

: n2 > n,

.

2

1

xuống mức 1 , nghĩa là Tt2 «

T2ị .

Tuy nhiên, thực tế cho thấy với sơ đồ hai mức năng lượng, dù có bơm
với tỉ lệ nào thì đại lượng N vẫn âm nghĩa là không thể xảy ra sự nghịch đảo
mật độ. Quá trình tạo ra nghịch đảo độ tích lũy là quá trình bơm quang học.
Chỉ có sơ đồ 3 mức hoặc 4 mức năng lượng mới có hiệu ứng khuếch đại
quang. Đơn cử, với sơ đồ 3 mức năng lượng, điều kiện để có sự nghịch đảo độ
tích lũy:
-

Đ ộ tích lũy ở mức 3 lớn hơn mức 1 :

Khoa Cóng Xgliẹ - Đ H Q d lí X

«3

> «,.

Chuyên ngành : Kỹ ỉ huat Vò Tuyên Điện Từ va Thom* Tin ỈAẽn Lạc


9
M ĩ hẦnự €Ỉ4in. ^

ẨUiậềt ỞÕM tát nụhiêp

-

Thời gian dịch chuyển từ mức 3 xuống mức 2 rất ngắn so với thòi
gian dịch chuyển từ mức 3 xuống mức 1, nghĩa là r32 «

r3l (với

Erbium có r12 = 10 Ịis).
Sau đây, ta xét đến sơ đồ khuếch đại 3 mức và 4 mức.
1.2.2.1

So do khueeh dai 3 mức
/7,

Ạ

£ ,

n,

E,
Hiiilì 1.2 So' đỏ kluKTli dỉii 3 I11IÍC
Hầu hết các nguyên tử có xu hướng nằm ở mức năng lượng thấp £,. Để
tạo ra sự nghịch đảo độ tích lũy, phải bơm với bước sóng phù hợp để đưa các
nguyên tử ở mức £, lên mức Ej.
Thời gian sống trên mức

£3

rất ngắn (cỡ jns) nên dịch chuyển

nhanh hơn rất nhiều so với dịch chuyển £3 - >
nguyên tử hoạt chất ở mức

2

£ ,.

£3

- > E2

Thời gian sống của các

rất lớn (cỡ ms) nên chúng tổn tại khá lâu ở mức

này và gây nên nghịch đảo độ tích lũy so với mức 1. Đối với sơ đổ 3 mức, để
tăng hiệu suất cho quá trình khuếch đại người ta thường chọn hệ nguyên tử có

các mức năng lượng E2và
í .2.2.2

£3

nằm gần nhau.

So (lo khucch đai 4 mức

Trong sơ đồ, mức năng lượng £, là mức nãng lượng thấp nhất (mức cơ

E
>
bản). Dùng nguồn bơm bên ngoài với tần số photon — đe đưa các nguyên tử
h
lên mức £ 4. Thời gian sống ở mức

£4

rất ngắn (cỡ ns) nên các nguyên tử dịch

chuyển ngay xuống mức £3.

Khoa ( ong Sghe - t)lỉQ (iỉỉS

C'hu ven ngành : KỸ T huật Vo Ị li yen Đien l ư va Ílìo tỉíỉ Tin Lien Lạc


10
Àtĩ uếềtự Ẵ4fềt ^

JUiàn ơàtL tứ. 9ếụhiĩft

Ạ

Hỉnh 1.3 Sơ đố khuếch đại 4 mức

Thông thường, để tăng hiệu suất cho quá trình khuếch đại, người ta
chọn hệ có mức năng lượng £, và E4 gần nhau để dịch chuyển

£ 4 ->

£, xảy ra

rất nhanh. Thời gian sống trên mức E, lớn (cỡ ms) nên dễ dàng tạo ra nghịch
đảo độ tích lũy giữa mức £, so với mức E2. Dịch chuyển E3-> E 2 là dịch
chuyển phát xạ. Thời gian sống ở mức E2 rất ngắn nên các nguyên tử dịch
chuyển nhanh xuống mức cơ bản Eị.
1.2.3

< au hình ghép noi bom va các Inróc sóiiịỉ 1)0111 cho K I)F A

Đ ể kích thích các nguyên tử hoạt chất lên mức năng lượng cao hơn thì
cẩn phải có một nguồn bơm quang ngoài hoạt động ở tần số cao hơn tần sô'
của tín hiệu cần khuếch đại ghép vào trong hệ thống.
1 .2

.3.1

( au hình ịỉhép noi

1)0 111

đon coniỊ

a ) Can lìinh íỊhép nói bom đon cong đó/iíi hướng
sợi quang pha tạp Er1+
bô cách ly quang.
Tín hiệu

c^ia quang
----- ►
tín hiệu ra

đầu vào

bộ cách ly quang

Hình 1.4 Cấu hình hệ th ô n g bơm đơn công đống hướng

k h o a Cong \iỉ h e

-

Ỉ) ỊỈQ ( ÌỈIs

Chu ven ngành : k \ Thuật

V

o Tuyên Điện Tứ va Thòng T in Liên ỈẨtc


11
JUiậM tràn íứ nự h iẻp
Cấu hình ghép nối bơm đơn công đồng hướng có ổn thấp, khó đạt trạng
thái bão hoà trên toàn sợi và do đó hệ số khuếch đại thấp. Phải sử dụng bộ
cách ly nhằm mục đích tách bước sóng bơm và bước sóng khuếch đại do
chúng rất gần nhau.
Cấu hình ghép nối bơm đơn công đồng hướng thường được sử dụng
trong sơ đổ khuếch đại tăng cường (tiền khuếch đại quang).
h) ( au h ìn h ạ h e p n o i hom (Um c o m ' HIỊIIOC hưóĩìíỊ

sợi quang pha tạp Eru
tín hiệu vào

í

tín hiệu ra

Bộ cách ly

nguồn bơm ánh sáng
(laser diode)
Hinh 1.5 Câu hình ghép nôi bơm đơn còng ngược hướng

Cấu hình ghép nối bơm đơn công ngược hướng có hệ số khuếch đại lớn,
dễ dàng đạt trạng thái bão hoà trên toàn sợi, nhưng ổn lớn và kém ổn định. Do
có hộ sô khuếch đại lớn nên cấu hình ghép nối bơm đơn công ngược hướng
thường được sử dụng trong sơ đồ khuếch đại công suất.

1.2.3.2

( nu h ìn h ịĩlié p nối bơm Sony cong

bô cách ly quane, A , •
J M 6 bô chia quang
tín hiệu

f

I

,bộ, chia
, . quang bôv cách lyJ quang
^
“—♦* —*• tín hiệu ra

vào

Sợi quang
pha tạp Eru
nguồn bơm ánh sáng
(laser diode)

nguồn bơm ánh sáng
(laser diode)

Hình 1.6 Cấu hình ghép nối bơm song công

K h o a ('òitíỉ X g h ẹ

-

t)ỈỈQ (ìỊỊ\

C h u ven n g à n h : KỸ T h u a t \ 0 T u y ê n Đ iện T u vá T h ò n g T in ỈÀetì L ạ c


12
Mitận MU t&l nụtịirp

ẦU. kẳ m ạ Xiim *"

Cấu hình ghép nối bơm song công có độ ổn định hệ thống cao, dễ dàng
đạt và duy trì trạng thái bão hoà trên toàn sợi (theo thời gian), nhưng cấu tạo
phức tạp, giá thành cao.
Tóm lại, với cấu hình ghép nối bơm đơn công đồng hướng độ khuếch
đại sẽ lớn nhất tại đầu vào và giảm dần về phía đầu ra. Đ ối với cấu hình ghép
nối bơm đơn công ngược hướng thì độ khuếch đại lại lốm nhất tại đầu ra và
yếu dần về phía đầu vào. Chính vì thế mà cấu hình ghép nối bơm đơn công
không đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống. Nhược điểm này đã được khắc phục
bởi cấu hình ghép nối bơm song công với độ bão hoà khuếch đại đổng đều và
được duy trì nên bảo đảm tín hiệu ra ổn định, trung thực, độ tin cậy hệ thống
cao. Mặt khác, cấu hình ghép nối bơm song công với hai nguồn bơm ở hai
phía cho nên có thể sử dụng đoạn sợi pha tạp dài hơn để có được hệ số khuếch
đại cao hơn.
1 .2.3.3

( 'ác

1)110 0

soil”

1)0 111

cho KDFA

Chúng ta đã biết hấp thụ và phát xạ là hai tính chất quan trọng trong
việc nghiên cứu khả năng khuếch đại quang sợi pha đất hiếm nói chung và pha
tạp Erbium nói riêng. Nếu ta biết được khả năng hấp thụ mạnh tại bước sóng
nào đó thì có thể chọn được nguồn bơm thích hợp. Nếu ta biết được khả năng
phát xạ mạnh của một số ion đất hiếm tại bước sóng phù hợp thì ta có thể pha
tạp các ion đó vào trong sợi để có hiệu ứng khuếch đại tại bước sóng mong
muốn.
Trước khi tìm hiểu xem đối với hệ thống EDFA cần sử dụng bước sóng
bơm nào là hiệu quả nhất, chúng ta hãy xem xét sơ đồ mức năng lượng của sợi
quang pha Erbium tương ứng với các dải bước sóng bơm.
Hình 1.7 được hiểu như sau: Khi các nguyên tử được bơm từ trạng thái
cơ bản 4I1V2 lên trạng thái kích thích 4I9/2, chúng sẽ nhanh chóng chuyển dời
không bức xạ xuống trạng thái 4I|3/2. Nhưng các photon tại bước sóng bơm có
xu hướng đẩy mạnh các nguyên tử ở mức 4I LS/2 lên các trạng thái cao hơn để

k l i o a ( 'diiíị Xi ỉ he - t ) I I Ọ ( ì l ì \

C h u y ê n / m a n h : KỸ I liital \ « Tu VI'II f)ien T ư va I 111)IIti I in l.ien /.í/í'


13
M i hẰềtụ Sitn. cg/‘

ẨiuỘM oàn. t ứ mựjũêft

sau đó chúng dịch chuyển không bức xạ xuống mức nãng lượng trung gian và
trở về mức 4I,13/2"
Năng lượng (em'
H,

l l 1/2

20000

543nm

4Sm

650nm

4F,

4I1 9/2

800 nrr

4I*11/2

,
lOOOnm
x>

ọp
C
'5

„ I

10000

ụ

o
1 ,
''"
bơm

V2
4I. ■

1 5 5 0
■*—*
'Cd
-C
Q-

Q
n in

B
CJ
vo

m

!3-

r—
H

03X

oa
•»»
*IV-> 5

*3

H

Hinh 1.7 Các m ức năng lượng vớ i các dải bước só n g bơm
tư ơ n g ứng ch o khuếch đại sợi quang pha E rb iu m Ị5 Ị

Từ hình 1.7 ta cũng thấy:
- Với chuyển dời từ 4I 15/2 lên 4Il3/2, kích thích các nguyên tử bằng ánh
sáng cường độ cao, bước sóng 1480 nm.
- Với chuyển dời từ 4I| sỵ2 lên 4Ij 1/2, sử dụng ánh sáng bước sóng 980 nm.
- Với chuyển dời có năng lượng cao hơn từ 4I 1V2 lên 4I9/2, có thể dùng ánh
sáng bước sóng 800 nm.
Các nguyên tử được bơm lên các trạng thái kích thích thì sau đó chúng
đều dịch chuyển không bức xạ xuống trạng thái ậ\ nn với hiệu suất gần như

100%.

Ở phần trước, chúng ta đã biết rằng không thể tạo ra sự nghịch đảo độ
tích lũy với sơ đồ hai mức năng lượng nên quá trình bơm từ trạng thái cơ bản
C h u vén n g à n h

. À V T h u (it \ o T u v e II t h ẹ n

T ừ

va 1h o n ự

T in

l.ie n

L ạ c


14
Mẫìák oàm UÍ nựhìẻp
4I, 5/2

Mỉ ítẦmụ éUfm ®"

lên 4I 13/2 bị loại trừ. Tuy nhiên, với các mức năng lượng của Erbium thì
■>

chuyển tiếp 4I l5/2 - » 4I | 3/2 lại được mô tả như hệ 4 mức năng lượng.

Hình 1.8 Hiệu ứng mơ rộng mức năng lượng s ta rk

Do hiệu ứng Stark, phân bố Boltzman giữa các phân mức là khác nhau.
Các ion theo thống kê Boltzman sẽ tập trung nhiều hơn tại phân mức thấp của
mỗi mức (mỗi dải), nghĩa ià quá trình hấp íhụ mạnh nhất ở mức íhấp của trạng
thái cơ bản và giảm dần ở các mức cao hơn. Tương tự, quá trình phát xạ xảy ra
mạnh nhất tại mức thấp của trạng thái kích thích và giảm dần ở các mức cao
hơn.
V

•

Khoa Conii Xtỉhẹ - f)H ị)< íII\

[;t.-O I.

.iiiii

Íie í::.

Chuyên ntỉành : KỸ I luuil Vo 'I'll yen flit'll

III

va Tltòntỉ Till l.ien Lac


15
M ề hAềtự. Ẵ 4fm

ÀUiận tùkn tết mựhiêp

^

Sự chênh lệch giữa tiết diện hấp thụ và bức xạ đã tạo ra quá trình bơm
hiệu quả cho trạng thái 4I LV2 bằng việc sử dụng bước sóng 1480 nm. Đáng chú
ý là khi bơm tại bước sóng này sẽ đạt được nghịch đảo độ tích lũy ở những
bước sóng lớn hơn 1500 nm. Vì vậy, hiện nay, đây là bước sóng bơm chưa
hoàn hảo lắm cho quá trình bơm của EDFA vì chúng ta thường sử dụng bước
sóng quang 1550 nm.
Với chuyển tiếp 4Il5/2 —> 4II3/2, có thể sử dụng bước sóng bơm là 980 nm.
Bơm tại bước sóng bơm này sẽ cho hệ sô' khuếch đại lớn với ồn thấp. Do đó,
bước sóng 980 nm là bước sóng bơm chuẩn.
Với chuyển tiếp 4I |5/2 - » 4I9ỵ2, có thể sử dụng bước sóng bơm là 800 nm.
Bơm tại bước sóng bơm này sẽ cho hệ 4 mức năng lượng. Với bước sóng này
hiện nay còn ít đươc nghiên cứu đến nhưng lại xuất hiện những xem xét thú vị.
Tóm lại, trong EDFA sử dụng kỹ thuật bơm quang học song công là đạt
hiệu quả cao nhất. Bước sóng bơm chủ yếu là 980 nm vì bước sóng bơm này
cung cấp hiệu suất bộ khuếch đại cao nhất, ồn thấp và khái niệm hệ sô khuếch
đại trên mW. Hom nữa, nguồn bơm 980 nm chỉ cần dòng bơm tối thiểu nên
giúp đơn giản hoá việc thiết kế hệ thông ghép kênh theo bước sóng (vì bước
sóng tín hiệu được khuếch đại khoảng 1528 -ỉ- 1560 nm và bước sóng bơm 980
nm là cách xa nhau). Luận văn này tập trung nghiên cứu, sử dụng bước sóng
bơm 800 nm.
í .2.4 CiHi lao và n u u \é n IV hoạt (tộnjí cua KDFA
í .2 .4 .1 { 'au tạo cua KDKA
Một module EDFA bao gồm nguồn bơm (laser diode) với bước sóng
bơm là 800 nm, 980 um hoặc 1480 nm, công suất bơm quang 20mw+150mw;
bộ cách ly quang. Bộ cách ly quang có tác dụng bảo vệ bộ khuếch đại quang
khỏi sự phản xạ trở lại tại bất cứ điểm nào trong mạng nhằm giảm tạp âm của
bộ khuếch đại.

Khoa

CoHịỊ

\g h e - f)fỉ(J( ì ỉ ỉ \

Chu ven ngành : k x Tlìuaí Vo Tuyến Đieti Từ va Thong Tin I.ien

ỉ ẨU'


16
Miiậm oăm UA ftợjtiêfi

ẤLi hÀttự rV o *

Sợi quang pha Erbium với nồng độ pha tạp nhỏ hơn 0,1%. Sợi quang sử
dụng là sợi đơn mode và có độ dài đoạn pha thích hợp, khoảng

10

-f-

1 0 0 m.

Ngoài ra, người ta còn có thể sử dụng bộ lọc quang để loại bỏ những tín
hiệu ánh sáng không cần thiết.
1.2.4.2

Nguyên l> hoai doll" cua I’D! A

Nguyên lý hoạt động của EDFA dựa trên bức xạ cảm ứng. EDFA có
hiệu ứng khuếch đại giống như hệ thống 3 mức năng lượng trong đó mức cơ
bản 4 I15/2, mức siêu bền 4I 13/2 và mức kích thích 4I n / 2 được mô tả như sau :

' 1 3 /2

tín hiệu ra đã được
khuếch đại

4I

1 5 /2

Hình 1.10 Sơ đố 3 mức năng lượng của Erbium tro n g EDFA

Hấp thụ photon của ánh sáng bơm, những ion Eru được kích thích từ
trạng thái cơ bản 4I l5/2 lên các trạng thái có mức năng lượng cao hơn 4I ||/2. Từ
trạng thái kích thích 4I ll/2 có thời gian sống nhỏ (7

|X S

[5]) nên các ion nhanh

chóng dịch chuyển xuống mức siêu bền 4I|3/2CÓ thời gian sống lớn (11 ms [3])
và dẫn đến sự nghịch đảo độ tích lũy.
Tín hiệu quang bước sóng 1550 nm đi vào vùng hoạt chất sẽ tương tác
với các ion Er3+ ở trạng thái \ m và được khuếch đại bằng bức xạ cảm ứng

% 3/2

% 5/2 - Sự dịch chuyển cưỡng bức của các điện tử từ mức năng lượng

4I 13/2

xuống mức năng lượng 4I l5/2 sẽ phát ra một photon ánh sáng có cùng tính

chất với tín hiệu quang đầu vào.

Khoa c 'OHK S ỉ i he - i ) H Q ( , l l \

Chuxen Iiạanli : At I liutil Vo Tint'll flit'll Từ til Thon tỉ Till Lien ì.tu


17

<£>hẦmự s&m.

ẨUtậm M M t ó í HựhiiệL

Lưu ý rằng, do thời gian sống của các ion ở mức năng lượng 4Iị V2 rất lớn
nên hầu hết các ion Er1+ đợi để được khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ cảm ứng
chứ không phải chuyển dời tự phát.
1.2.5 ( át dặc t n n i j i co han cua họ khuech (lai Ỉ J ) Ỉ \

1.2.5.1 Hẹ so khIiecli đai cu;i KDFA
Hệ số khuếch đại là một trong những đặc trưng quan trọng của EDFA.
Hệ số khuếch đại ở đây là tỉ số giữa công suất tín hiệu ra và công suất tín hiệu
vào (xét ở bước sóng 1550 nm)
Hệ sô khuếch đại được tính bởi công thức:

G =

p - p ...

... AV,
P'0

( 1. 3 )

Trong đó :Ps : Công suất tín hiệu đầu ra

Pi0

: Công suất tín hiệu đầu vào

PASI.

: Công suất của bức xạ tự phát

Từ công thức (1.3), ta thấy hệ số khuếch đại của bộ EDFA phụ thuộc
vào các yếu tố :
-

Công suất tín hiệu đầu vào.

-

Công suất bơm tại trạng thái hấp thụ bão hoà trên toàn sợi.

-

Mật độ ion Er3+ pha tạp trong sợi.

-

Công suất ổn.

* Công suất tín hiệu đầu vào
Theo (1.3), nếu Ps - PASI, là hằng số, công suất tín hiệu lối vào tăng thì
hệ số khuếch đại giảm. Thật vậy, vì công suất tín hiệu đầu vào phụ thuộc vào
công suất ồn đầu vào, nó sẽ quyết định việc xác định độ tích lũy ở mức N2.
thay đổi sẽ làm cho hệ sô khuếch đại G thay đổi.

Khoa font; Sglte - f)H (J(iíl.\

í hu veII ntỊaiih : KỸ Thuạt Vo Tu ven Đien IU và Thong Tin Lie lí Lạc


18
J í i hẳttự <
%
<
*m * '
— — —

ẨUúụt ữún íế t mụkìịp

C ông suất bơm tại trạng thái hấp thụ bão hoà trên toàn sợi

*

Trạng thái hấp thụ bão hoà là trạng thái mà ở đó quá trình bơm vẫn tiếp
tục nhưng mức năng lượng kích thích không thể nhận thêm nguyên tử nữa, tức
là mật độ hạt N 2 là hằng số. Như vậy, trạng thái này có ìv 2 lớn sẽ dẫn tới hệ số
khuếch đại G lớn.
Công suất bơm bão hoà tại một bước sóng xác định là công suất cần
thiết để duy trì trạng thái nghịch đảo độ tích lũy hoàn toàn trên một đoạn sợi
pha Erbium . Công suất bão hoà được xác định như sau:

Trong đó AmK là diện tích tiết diện hiệu dụng.
* M ật độ ion EfJ+ pha tạp trong sợi
Mật độ ion E r + pha tạp trong sợi càng lớn thì hệ số khuếch đại càng lớn
ứng với mỗi đơn vị chiều dài.
* C ông suất ồn
Theo biểu thức (1.3), nếu công suất tín hiệu lối ra và công suất tín hiệu
lối vào là hằng số thì hệ số khuếch đại G sẽ tãng khi công suất ồn nhỏ và
ngược lại. Nhưng với những giá trị công suất tín hiệu vào cao hơn thì hệ số
khuếch đại sẽ đồng đều theo bước sóng. Điều này rất quan trọng trong việc
thiết kế những hệ thống mạng nhiều bước sóng ở hai cửa sổ 1530 nm và 1550
nm mà vẫn nhận biết được sự khác nhau về hệ số khuếch đại tại hai bước sóng

1.2.5.2

Sư bao hoà

Dựa vào cấu trúc 3 mức của hệ thống Er3+, ta nhận thấy khi tăng công
suất vào sẽ làm tăng số photon ánh sáng, tăng kích thích cho các ion Er1+ nhảy
về mức năng lượng cơ bản đóng góp vào quá trình khuếch đại. Tuy nhiên, rõ
ràng là về mặt định tính, với một mức công suất bơm cố định thì chỉ có một

lượng cố định các ion Er3+ bị kích thích nhảy lên mức năng lượng cao. Do vậy,
tương ứng vói nó có một lượng photon tín hiệu vào vừa đủ để tạo ra hiệu suất
Khoa Còng Nghe

-

ĐHQCtĩUS

c hu ven ngành

: KỸ T huật Vò Tuyến Điện Từ và Thong i i i ì Ị Jen Lav


19
ÀUiậm hâu iÁi nụẳtìêp

JLê. kẦềtự (%<**

^

dịch chuyên - theo lý thuyết đạt 100%. Sau giá trị này thì rõ ràng là “kho năng
lượng” trở nên trống rỗng không chứa các điện tử cho nên dù công suất tín
hiệu vào có tiếp tục tăng thì công suất ra vẫn giữ nguyên. Sự phụ thuộc của hệ
số khuếch đại vào công suất bơm được chỉ ra trong hình vẽ sau.
Hệ sổ khuéch đại (dB)

Hình 1.11 Sự phụ th u ộ c cúa hệ sô khuếch đại vào công suất bơm [5|

Sự bão hoà xảy ra khi công suất tín hiệu vào lớn trong EDFA làm giảm
hệ sô khuếch đại bởi vậy nó giới hạn công suất ra của bộ khuếch đại.

ỉ .2

.5 .3

O il

M o n o

i;i) l

A

EDFA là khá hoàn hảo tuy nhiên vẫn mắc phải nhược điểm là tạo nên
những tạp âm nhỏ thông qua quá trình bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE).
Nói chung, các ion tạp chất được kích thích bằng nguồn laser bên ngoài và đợi
tại trạng thái siêu bền để khi có tín hiệu ánh sáng tới thì sẽ giải phóng năng
lượng của chúng, góp phần vào khuếch đại tín hiệu.
Tuy nhiên, không phải tất cả các ion đều như vậy. Một số ion không đợi
ở mức siêu bền mà thay vào đó, chúng bức xạ tự phát ánh sáng tại bước sóng
1550 nm. Các bức xạ tự phát đó đi dọc theo sợi và được khuếch đại hoặc được
/s'

khuếch đại tại bộ khuếch đại tiếp theo. On do quá trình bức xạ tự phát được
khuếch đại là ồn chủ yếu của EDFA.
Cũng giống như hệ số khuếch đại, ồn được khuếch đại cũng là một
trong những thông số quan trọng. Tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại quang là

K h o a ( oriiỉ Xịỉiiẹ

-

f ) ỉ ỉ ( ) ( ì f ỉ :V

C h u y ế n ttỊỊảnh : Kỹ l h u at Vo T u y ê n t)iẹn T ư và T h ò n g Tin Liên ì.íỉi


20
MiỂÁn

ƠÚM

iAề

M* ểtẦềềự (Vn ^

m ụ h ìẻ p

sự kết hợp của tín hiệu được khuếch đại và hiệu ứng bức xạ tự phát được
khuếch đại (ASE).
Nếu tín hiệu đầu vào là kết hợp thì tạp âm đầu vào là tạp âm lượng tử
thông thường có liên quan đến mức tín hiệu được khuếch đại. Tạp âm lượng tử
cũng liên quan đến mức của ASE. Mật độ phổ công suất của tạp âm hài tự
phát - tín hiệu độc lập với độ rộng băng, trong khi tạp âm hài tự phát - tự phát
là hàm trực tiếp của độ rộng băng. Do vậy, việc giảm độ rộng băng quang làm
giảm ảnh hưởng tạp âm hài tự phát - tự phát. Tại các mức công suất tín hiệu
vào nhỏ tức là tỷ lệ thành phần ồn lớn thì cần phải thiết kế bộ lọc quang.
Bình thường, trong bộ khuếch đại luôn tồn tại ồn bộ do chính bản thân
cấu trúc của nó gây ra gọi là ổn tự phát (bao gồm cả ổn nhiệt).

1.3 í V . IU \ ( , ( l \ I nỉ \ i k h \ M \ \ <; ! Kl \ Ỉ N Ỉ) \N Ql \ \ ( .

Một EDFA có thể được lắp đặt tại nhiều vị trí khác nhau trên mạng
quang. Tùy theo vị trí mà EDFA được dùng như là bộ khuếch đại công suất

(Power Amplifier) để khuếch đại tín hiệu phát từ laser ở phía máy phát; như là
bộ tiền khuếch đại (Pre Amplifier) để tăng độ nhạy thu ở phía máy thu; như
là bộ khuếch đại đường truyền (In-line Amplifier) để bù suy hao mất mát đã
suy hao trên đường truyền...
ỉ .3.1 Bo khuecỉi (lai cong suát
Trong trường hợp này, EDFA có công suất bão hòa cao và được đặt
ngay sau nguồn phát nhằm khuếch đại công suất tín hiệu truyền đi. Bộ khuếch
đại này được sử dung trong trường hợp nguồn quang phát đi bị hạn chế về mặt
công suất. Công suất phát lớn có thể đạt được dễ dàng bằng cách sử dụng
EDFA. Tuy nhiên, trong trường hợp EDFA có hệ số khuếch đại lớn thì có thể
dẫn tới hiệu ứng phi tuyến sọi làm mất mát công suất hệ thống. Đặc tính phi
tuyến sợi trở thành vấn đề đáng lưu ý cho tất cả các hệ thống có dung lượng
cao và các tuyến không trạm lặp cự ly xa. Việc sử dụng các bộ khuếch đại
công suất rất hấp dẫn các nhà khai thác mạng.

Khoa Cong Sghe - f ) Ị Ị Ọ ( i ỉ ỉ \

Chu ven Iiựanh : KỸ Thuat

V õ

Tu ven Điẹn Tư va Thong Tin Lien Lạc


21
Muộn tùut tứ tựặhiíặt
Vị trí của bộ khuếch đại công suất trên hệ thống như sau:

....

■ © ẩtrtiầáỀ •

o ____

Hình 1.12 Sơ đồ bô trí bộ khuếch đại công suất
ị ,3.2

Bo tien k h tieeh đai

Ngược lại với bộ khuếch đại công suất, bộ tiền khuếch đại thực hiện
khuếch đại tín hiệu phía thu trước đầu thu. Nó khuếch đại những tín hiệu có
công suất nhỏ ngay trước đầu thu quang để nâng cao độ nhạy thu. Tín hiệu
trước khi vào bộ khuếch đại này thường là yếu vì đã bị suy hao trên đường
truyền. Thực tế, khi EDFA được thương mại trên thị trường, người ta đã nghĩ
tói việc ứng dụng nó có hiệu quả cho các tuyến thông tin tốc độ cao nhiều
Gigabit và cự ly xa không trạm lặp. Với các ứng dụng như vậy, hệ thống thông
tin yêu cầu có công suất phát lớn và độ nhạy thu cao. Đ ối với EDFA loại này,
chúng ta không cần quan tâm đến hiện tượng bão hòa. Tuy nhiên, tín hiệu
trước khi đưa vào EDFA bao gồm cả ồn bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE)
nên cần giảm tối đa công suất tín hiệu vào nhằm đảm bảo tỉ số tín hiệu trên ồn
(SNR).
Bố trí của bộ tiền khuếch đại trên hệ thống như sau:
B ẵ tiữ

t)frát

w

—*-----------i

'

-------- J

ẽ á ã :V J

I

Hình 1.13 Sơ đố bô trí bộ tiền khuếch đại

L3.3 Bo khuech đai (lường truven
Với đường truyền tốc độ thấp ảnh hưởng của tán sắc không lớn, tham số
cần quan tâm đối với hệ thống truyền dẫn là suy hao của sợi. Khi truyền dẫn
thông tin trên khoảng cách rất dài, chẳng hạn như cáp biển mà chỉ sử dụng bộ
khuếch đại công suất hay bộ tiền khuếch đại đều không đảm bảo. Trong
trường hợp này, người ta phải sử dụng các EDFA làm các bộ khuếch đại
đường truyền. Các bộ khuếch đại đường truyền sẽ được bố trí thành chuỗi
Khoa Cong Nghe - Đ ỉiQ ítỉỉS

Chuyên ngành . Kỹ Thuật Vó Tuyétt Điẹn Tư và Thong Tin Lien Lạc