N ghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang WDM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TR Ờ G ĐẠI H C BÁCH

HO HÀ ỘI

---------------------------------------

HOÀNG DUY DŨ G

GHIÊ CỨU Ứ G DỤ G

HUẾCH ĐẠI QU

TRUYỀ DẪ QU

U

V

THẠC S

G WDM

THU T

THU T VIỄ THÔ G

Hà nội - 2016

G SỢI TRONG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TR Ờ G ĐẠI H C BÁCH

HO HÀ ỘI

--------------------------------------HOÀ G DUY DŨ G

GHIÊ CỨU Ứ G DỤ G

HUẾCH ĐẠI QU

TRUYỀ DẪ QU

G WDM

uy n n àn : K t u t vi n t

U

V

G SỢI TRONG

THẠC S

n

THU T

THU T VIỄ THÔ G

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌ
PGS.TS NGUY N QU

Hà nội - 2016

TRUNG


ỜI C M ĐO
T i xin
s o
t

p n
t

n u n

m o nn

n k t qu
tài li u nào
và

tr

T i xin oàn toàn

n
o

t i vi t
m p

ới mọi

ới

n

y là oàn toàn

tron lu n v n

n t

t

n tin s

n t

n k

t n

n
n

n tron lu n v n

ẫn r ràn
ịu tr

n i mn u

u i us o

p k t qu t

tài li u k
N

n

20 t

n 09 năm 2016

TÁC GIẢ

HOÀ G DUY DŨ G

1


ỜI CẢM
Tron t ời i n ọ t p n

s

i p

Vi n t

r t t n t n và

n Tr ờn

n

ời

t ntn

ớn

- Vi n t

n xin

n

n n

tr n

ời

M
n n l
n

mn
n
m xin

n

tới PGS TS N uy n Qu

n

i n

n

n n
i nt –
Trun

i pt

s

n xin ày t l n

n l

n

tuy n i n k

n t

n t àn

n

p

u

n t i vi n i n t
kịp t ời và

i t n s u s

ộ m tron su t qu tr n
và

p qu

ị và

i p

u lu n v n này

s t i vi n i n t - Vi n t
m

i o tron vi n

m oàn t àn lu n v n t t n

k o Hà Nội

lu n n

ào t o T

m ns us

qu t y

m tron su t qu tr n n
n

t y

m

qu
m n

m

o

ẫn và i p

i ọ

N oài r

u và oàn t i n lu n v n

k o Hà Nội
i lời

tron su t t ời i n v
m

u

i ọ

u ti n m xin

i n

i ọ

n

in

và

n t t

n i t t n và

n t i u s t r t mon n n
n

m n
N

n

20 t

n 0 năm 2016

H C VIÊ

HOÀNG DUY DŨ G

2

n

k o Hà nội

oàn t i n lu n v n

qu t y

n

ọ t p và oàn t àn

n

tr n k

n i


MỤC ỤC
ỜI C M ĐO
ỜI CẢM

......................................................................................................0
............................................................................................................2

MỤC ỤC ..................................................................................................................3
D

H MỤC

HIỆU VÀ TỪ VIẾT T T ..........................................................5

D

H MỤC H

H Ả H .........................................................................................8

D

H MỤC BẢ G ..................................................................................................9

ỜI M

ĐẦU ..........................................................................................................10

CH

G 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG................... 11

1.1 Tổng quan về khuếch đại quang......................................................................12
1.1.1 N uy n l k u

i qu n ....................................................................................... 12

112

k t u tk u

i qu n .................................................................................... 14

113

k t u tk u

i qu n k

........................................................................... 15

1.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDF (Erbium-Doped Fiber Amplifier) ..............16
1 2 1 N uy n l và s
122

DFA

o

k i
i

ớ s n

1 2 3 N i u và ộ l i
124

DFA ............................................................................ 16
n -L ........................................................................ 21

DFA .......................................................................................... 22

t àn p n

n tron một ộ DFA ................................................................. 27

1.2.5 Ưu k uy t i m

DFA ......................................................................................... 30

1.3
1.3.1

huếch đại quang sợi TDFA ............................................................................31
u tr

132K u

1.4
1.4.1
1.4.2

và n uy n l
is

o t ộn ................................................................................. 31

n s ip

t p THULIUM ............................................................... 37

huếch đại quang sợi PDFA............................................................................39
u tr

và n uy n l
tr n k u

o t ộn ................................................................................. 39

i

n ................................................................................. 42

3


1.5

huếch đại Raman ...........................................................................................44

151

u tr

và n uy n l

1.5.2 H s khu

i......................................................................................................... 58

1.5.3 Ưu k uy t i m

CH

G 2.

o t ộn ................................................................................ 44
k u

i R m n: ..................................................................... 59

HUẾCH ĐẠI QUANG TRONG HỆ THỐNG WDM ............... 60

2.1 Sơ lược về công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM ................................60
2 1 1 ịn n ĩ ................................................................................................................... 60
212S

n n .......................................................................................................... 60

2.1.3 P n lo i
p nt

2.1.4

2.2

t n WDM ............................................................................................ 62
n

m n WDM........................................................................... 64

huếch đại quang trong hệ thống WDM ......................................................67

221

n n

2.2.2 Ch

n n k u

223

ộk u

CH

k u
i

i qu n tron WDM .......................................................... 67
i tín hi u trong bộ OLT ............................................................. 69

ờn qu n (OLA) ........................................................................... 69

G 3. NGHIÊN CỨU ẢNH H

NG CỦA CÔNG SUẤT SÓNG LIÊN

TỤC CW ĐẾN TỈ SỐ SNR TRONG KHUẾCH ĐẠI RAMAN .......................... 71
3.1 Mô hình tính toán .............................................................................................71
311S

t

n i m ...................................................................................................... 71

3.1.2 Nguyên lý .................................................................................................................... 71

3.2. Tính tỉ số tín hiệu trên tạp âm .........................................................................74
3.3 Chương trình mô phỏng...................................................................................77
3.3.1 L u
332
ẾT U

t u t toán ..............................................................................................77
n tr n m p n ....................................................................................78
..............................................................................................................79

TÀI IỆU TH M

HẢO ......................................................................................80

4


D

H MỤC

HIỆU VÀ TỪ VIẾT T T
T

ộn

iều

ỉn k u

AGC

Automatic Gain Control

AMP

Amplifier

APC

Automatic Power Control

APD

Avalanche Photodiode

ARP

Automatic Power Reduction

ASE

Amplifier Spontaneous Emission

ASE
BA

Amplifier Spontaneous Emission
Booster Amplifier

BER
CPG
CPM
DAC
DBF
DCF

Bit Error Rate
Circuit Pack Group
Cross Phase Modulation
Dual Amplifier Circuit
Distributed Feedback laser
Dispersion Compensating Fiber

DRA

Distributed Raman Amplifier

DRA

Distributed Raman Amplifier

Tỉ s l i it
Card nhóm
iều
op
M
k u
i Du l (k p)
Laser i ti p p n

S i
t ns
ộ k uy
i R m n
p n
K u
ip n
R m n

DRS
DSF

Double Rayleigh Scattering
Dispersion Shifted Fiber

T n x R yl i
S i ị t ns

DWDM

Dense
Wavelength
Multiplexing

DX
EDF

Digital Cross Connect
Erbium Dopped Fiber

EDFA

Erbium Droped Fiber Amplifer

FWM

Four Wave Mixing

K tn i
os
S i qu n p t p r ium
K uy
i qu n s i p
Erbium
Trộn n s n

GVD
ILF
INTLV

Group Velocity Dispersion
Interleave Filter
Interleave

T ns v nt
ộ lọ x n
Xen

i
K u

i
T
ộn
iều
su t
i t qu n t

ỉn

Gi m n su t t ộn
x t p t
k u
i
K u
it p t
K u
i n su t

k p

Division G p k n t o
m t

5

n

n

ớ s n

m


ITU-T
LA

International
Telecommunication
Li n min vi n t n qu
Union
-Tellecommunication
t
Standardization Sector
Line Amplifier
ộk u
i ờn
y

LASER

Light Amplication by
Emission of Radiation

Stimulate

LD
LED

Laser Diode

Light Emitting Diode

LRA

Lumped Raman Amplifier

LTE
MFD
MPI

Line Terminal Equipment
Mode Field Diameter
Multipath Interference

MSA

Mid-Stage Access

NDSF

Non Dispersion Shifted Fiber

NF
NF

Noise Figure
Noise Figure

NLSE

Nonliear Schrodinger Equation

NRZ
OADM
OAR
OC

Non-Return-to-Zero
Optical Add/Drop Multiplexing
Optically Aplifed Recciver
Optic Circulator

LASER
Diode laser
i t p t qu n
ộ k uy
i R m n t p
trung
T i t ị u u i ờn
y
ờn k n tr ờn mo
N i u qu m
i m truy n p t n i
S i qu n k n
ị
t n
s
H s t p m
Hn n n i u
P

n tr n S ro in r
p i tuy n
Mã NRZ
ộ
p x n/rớt qu n
T uk u
i qu n
ộ v n qu n
ột

ODEMUX Optical DeMultiplexing
OFA

Optic Fiber Ampliter

OLA

Optical Line Amplifier

OLT
OMUX
OSA
OSC
OSNR
OTDR

Optical Line Terminal
Optical Multiplexing
Optical Spectrum Analyser
Optical Service Channel

Optical Signal to Noise Ratio
Optical Time Domain Reflectometers
6

qu n

ộk u
i qu n s i
K u
i
ờn
y
quang
u u i ờn
y qu n
ộ
p qu n
ộ p n t p qu n
K n ị v qu n
Tỉ s t n i u tr n n i u
ờn truyền ẫn qu n


PO
RIN
S/N

ộ l p qu n
o n truyền ẫn qu n
Tiền k u

i
n n
n n
K uy
i qu n s i p
Praseodymium Doped Fiber Amplifier
Praseodymium
Power Optimizer
ột i u o
n su t
Renatine Intensity Noise
N i u ờn ộ t n
i
Signal to Noise ratio
Tỷ s t n i u tr n n i u

SBS

Stimulated Brilloin Scattering

SLA

Semiconductor Laser Amplifier

SMF
SNCP
SNR
SPM
SRS

Single Mode Fiber
Sub-Network Connection Protecting
Signal-to-Noise Ratio
Self Phase Modulation
Stimulated Raman Scattering

TDFA

Thulium-Doped Fiber Amplifier

TEC

Thermally Expanded Core Interface

WDM

Wavelength Division Multiplexing

WT
XPM

Walength Translation
Cross Phase Modulation

OTR
OTU
PA
PBE
PDFA

Optical Transport Repeater
Optical Transmission Section
Pre-amplifier
Push Button Equalization

7

Tán x rilloin k t
ộ k u
i L s r
n
ẫn
S i n mo
o v k t n i m n on
Tỉ s t n i u tr n n i u
iều
t ị p
T nx R m nk t
K uy
i qu n s i p
Thulium
Ghép kênh phân chia theo
ớ s n
uy n i ớ s n
iều
p
o


D

Hình 1.1

i nt

Hình 1.2 M

n t n qu t

Hình 1.3. Khu

n

m
n - và
u tr

Hình 1.8 S

i n ......................................................... 12

một ộ k u

n n l

i qu n ..................................... 14

n

n -L
n

ion r ium tron s i sili ........... 19

n t

ọ

k i

Hình 1.9 Gi n

n một DFA ........................................ 22

k u

Hình 1.11 Gi n

s i qu n trộn r ium........................................... 28
n n

n n l

Hình 1.10. P

Hình 1.14. P

Thulium. ............................................................. 31
n

Pr3+ ................................................................. 40

ộ ài tới ộ k u

n n l

k uy

s i Sili ở

ộk u
n n

t

p

ớ s n

Hình 2.2 H t n

ik u

i ...... 42

n

ớ s n

m  p  1m ........ 46

i R m n ......................................................... 48

ộl iR m nt y

Hình 2.1 S

i và ộ rộn

n qu tr n t n x R m n ......................................... 45
iR m n

u tr

Hình 1.16 H s

m ................................... 29

i quang s i pha t p ........................................................... 39

ởn

Hình 1.13 Gi n

một mo ul l s r

n

n n l

Hình 1.12 Ản

Hình 1.15

i qu n

lo i i o t o n i u-t n i u và n i u-n i u .................................... 26

Hình 1.6
Hình 1.7

i n

H ẢNH

i quang s i EDFA .................................................................... 18

Hình 1.4 L
Hình 1.5

H MỤC H

it o ộ

n l

ớ s n ................. 58

n WDM .............................................................. 60
n

ớn và son

ớn .............................. 62

Hình 2.3

p nt

Hình 2.4

lo i

Hình 2.5

s

Hình 2.6. S

k i

Hình 3.1. S

k i phép o .................................................................................... 71

n n
n

Hình 3.4.

k u

i qu n ................................................ 67

ộk u

i

một ộ k u

Hình 3.2. C n su t s n li n t
Hình 3.3. L u

m n qu n WDM ............................................. 64

i

ờn
ờn

y ...................................... 68
y qu n

i n

n ............... 70

W ...................................................................... 72

t u t to n ...................................................................................... 77
n tr n m p

n ............................................................................ 78

8


D

H MỤC BẢ G

n 1

n các t m s s

n cho tính toán ………………………………… 73

n 2

n các t m s s

n cho tính toán ………………………………… 73

9


ỜI M
Trong n

n n m

n

y s p t tri n

r một s bùng n về dung l
m n

n

thông tin tiên ti n n

quang một cách
p i

ghép n iều kênh
công n

1 kênh. Vì v y

n l n r t lớn mà không

n t n lớn

n

n

n

rộn rãi trong các m n vi n thông. S phát

WDM cùng với công n

k u

ghép kênh theo

n rộn trong khu v

n p it n t

ộ

i quang và
ớ sóng

t n

t n hao t p

t n kênh trên m i

tuy n này t

khi xây
ờn hay s

t

Trung, em

t

n

t n

ớ sóng. Công n
p n

thông thông tin quang có i u qu

n các tuy n truyền ẫn t
n các ộ k u

Raman. Xu t phát t mong mu n tìm i u
t u t WDM và k u

u

s i quang

n truyền ẫn

n truyền ẫn trong t ời gian khai thác dài, công vi

quan trọn

n

t n

tri n khai l p
s

uy n m

mới: m n thông tin toàn quang.

ghép kênh WDM nâng cao dung l

u truyền ẫn

t l

n

s i quang do có t

WDM chính là i i pháp tiên ti n trong k t u t thông tin quang,
nhu

n

ớ sóng trên cùng một s i quang. K t u t ghép kênh quang

i u n u n tài nguyên

mà không

s i

n các k t u t ti n ti n với chi

t

n

WDM là công n

mode. Công n

n thông lớn

ỉ truyền

n truyền ẫn

quang sẽ t o nên một m n thông tin t
Công n

là một

ớ sóng cùng truyền trên một s i quang. K t u t

p i t n t m s i quang và t n

tri n

n

n mode

ớ sóng WDM (Wavelengh Division Multiplexer) ra ời

cho phép nâng cao dung l

ớ sóng

t n

t n thông tin quang có sẵn

ghép kênh quang theo

v t o i và phi t o i t o

H t n thông tin quang

n n

n cách ghép n iều

theo

các ị

u i u do m i s i quang

i t i n các

phí t p

ĐẦU

i quang s i
i n lu n v n t

t
s

s :“N

quang sợ trong tru ền dẫn quang WDM ”.
10

t

ly xa thì các
i t là EDFA và

n thông tin quang s
n

m

t i t k tuy n là

ộ cao và

i quang,

o

n k

PGS.TS N uy n Qu
ên cứu ứng dụn k uếc đạ


CH

G 1. GIỚI THIỆU CHU G VỀ

H th n t n tin qu n
n

vi n thông trên th giới

n

và

HUẾCH ĐẠI QU

G

n p t tri n m nh mẽ trong các m ng

t i Vi t Nam. Vi

t n k

mở rộng kho ng cách truyền dẫn là v n ề c n

n n truyền dẫn và

c gi i quy t khi tri n khai h

th ng thông tin quang. Suy hao c a s i quang là nguyên nhân giới h n c ly truyền
c a các h th n t n tin qu n
giới h n về suy

o

i với các h th ng truyền dẫn quang c ly dài,

c kh c ph c b ng cách s d ng các tr m l p qu n
i. Các tr m l p qu n

(optoelectronic repeater) và bộ khu

d ng ph bi n trong các h th ng truyền dẫn quang một

i n

i n
c s

ớ s n n

th ng

truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi s d ng cho các h th ng truyền dẫn quang
ớ s n n

th ng WDM, r t nhiều tr m l p qu n

i và tái t o

khu
ộ ph c t p

n n

k n qu n
t n

i t àn

nên m c dù có nh n

ớ s n k

i nc n
n u

c s d ng

iều này làm t n

a h th ng truyền dẫn quang WDM. Cho

i m h p dẫn n

n

ộ l p không th s d ng cho các

tuy n và m ng WDM. Vì v y s dịch chuy n t TDM sang WDM trong m ng
truyền dẫn quang không th th c hi n mà không có bộ khu
i quang có nhiều u i m

Bộ khu

ộ it p

thuộc vào t
hi u trên nhiều

n t

n so với bộ l p n

:k

n p

iều ch tín hi u, kh n n k u

i các tín

ớc sóng cùng truyền trên một s i qu n (tron k i

m i bộ l p

chỉ ho t ộng với một k n
n

i quang.

ớc sóng mà thôi). Tuy nhiên, bộ khu

k uy t i m là gây nhi u cho tín hi u
c tích h p qua nhiều ch ng khu
Có hai lo i khu

bi n nh t là bộ khu

c khu

i quang

i, nhi u này có th

i, có th làm nh n sai tín hi u.

i quang là: bán dẫn và s i. Bộ khu

i quang ph

i quang s i trộn Erbium (Erbium-doped fiber amplifier

EDFA), nó mở ra cánh c a cho vi c s d ng h th ng truyền dẫn quang WDM.
Tron

n này

d ng c a khu c

n t sẽ tìm hi u về ịn n
i quang trong các h th n

11

ĩ

un

pk n t o

a khu

i và ng

ớc sóng WDM.


1.1 Tổng quan về khuếch đại quang
1.1.1 N u ên lý k uếc đạ quan

Nguyên lý khu
d a trên hi n t
trình khu
ng bi n

này

c th c hi n

ng phát x kích thích và không có s cộng h ởng x y ra trong quá
i.

Hi n t
t

i qu n

i quang trong các bộ khu

ng phát x kích thích (Stimulated Emission) là một trong ba hi n
i qu n

i n

c ng d ng trong thông tin quang. Các hi n t

ng

c minh họa trên hình 1.1.

Hình 1.1. Các hiện tượng biến đổ quan đ ện (a) Hấp thụ, (b) Phát xạ tự phát,
(c) Phát xạ kích thích
Hi n t
t in n l

ng cao E2 bị kích thích bởi một p oton
n n l

chênh l
c

ng phát x kích thích, hình 1(c), x y ra khi một i n t

i nt

ng gi a tr n t i n n l

(Eg= E2 – E1) K i

xu ng tr n t i n n l
n n l

ng c

p oton k

khi x y ra hi n t
photon mới

ng th p

t

ng th p

i n t sẽ chuy n t tr n t i n n l

ng cao

n và t o ra một p oton
n

n p

ng hf12 b ng với ộ

ng cao và tr n t i n n l

u N

n n l

v y, t một p oton

ng phát x kích thích sẽ t o r

ct or )

n n l

n ở tr ng

ng b ng với
n

i p oton (p oton

u sau khi
n

u và

n truyền, cùng phân c c, cùng pha và cùng

t n s (tính k t h p, coherent, c a ánh sáng). Hay nói cách khác, quá trình khu ch
i n s n

c th c hi n. Hi n t

i quang bán dẫn (OSA) và khu

n này

c ng d ng trong các bộ khu ch

i quang s i (OFA). Hi n t
12

ng phát x kích

t

n

c ng d ng trong vi c ch t o l s r Tuy n i n

i m khác bi t chính

gi a laser và các bộ khu

i quang là trong các bộ khu

hi n t

ởng. Vì n u x y ra quá trình h i ti p và cộn

n

ng h i ti p và cộn

tron l s r

ộ khu

i quang không x y
ởng

i quang sẽ t o ra các ánh sáng k t h p c a riêng nó

cho dù không có tín hi u quang ở ngõ vào. Ngu n n s n này

x y ra trong bộ khu

i. Do v y, khu

hi u n s n

vào n

c xem là nhi u

i quang có th làm t n

vào ộ khu

n k

in

n su t tín

n t o ra tín hi u

quang k t h p c a riêng nó ở ngõ ra. [1]
Hi n t
l

ng h p th (absorption), hình 1(a), x y ra khi một p oton

ng hf12 bị h p th bởi một i n t ở tr n t i n n l

x yr k in n l

n n

ng th p. Quá trình này chỉ

ng hf12 c a photon b ng với ộ chênh l

n n l

ng gi a

tr n t i n n l

ng cao và tr n t i n n l

Khi x y ra hi n t

ng h p th

i n t sẽ nh n n n l

ng t photon và chuy n lên

tr n t i n n l

ng cao. Hay nói cách khác, hi n t

ng h p th là nguyên nhân

gây suy hao cho tín hi u qu n k i i qu
r

ng thời với hai hi n t

ộ khu

i [3]

ng phát x t phát (spontaneous emission), hình 1(b), x y ra khi một

i n t chuy n tr n t i n n l
l

i quang. Quá trình này x y

ng phát x t phát và phát x kích thích trong môi

tr ờng tích c c (active medium) c a bộ khu
Hi n t

i n t (Eg = E2 – E1).

ng th p c

n n l

ng t m

ng th p E1 và phát ra một n n l

ng cao E2 xu ng m

ng Eg= E2 – E1

ới d ng một photon ánh

sáng. Quá trình này x y ra một cách t nhiên vì tr n t i n n l
ph i là tr n t i n n l

ng bền v ng c

gọi là thời gian s ng (life time) c
ộng chuy n về tr n t i n n l

khu
do hi n t

ng cao E2 không

i n t . Sau một kho ng thời i n

i nt ởm
ng th p

n n l

n

o

n (tr n t i n n l

Tùy theo lo i v t li u khác nhau, thời gian s ng c
Cho dù hi n t

n n

i n t sẽ t
ng bền v ng).

i n t sẽ khác nhau.

ng phát x t phát t o r p oton n s n

i quang, phát x t phát không t o r

c

ộ l i khu ch

n

n tron

i. Nguyên nhân là

ng này x y ra một cách t phát không ph thuộc vào tín hi u ánh sáng
13

vào ộ khu
n s n

i. N u không có ánh sáng tín hi u

c t o ra ở ngõ ra c a bộ khu

phát t o ra không có tính k t h p n
t p t

i nt

vào vẫn

n n l

i. Ngoài ra, ánh sáng do phát x t
ng phát x kích thích. Do v y, phát x

c xem là nguyên nhân chính gây nhi u trong các bộ khu

Lo i nhi u này

ng

c gọi là nhi u phát x t p t

c kh

i quang.

i ASE (Amplified

Spontaneous Emission noise).
1.1.2 C c kỹ t uật k uếc đạ quan
T ng quát, c u t o c a một bộ khu

i quang có th

c bi u di n n

n 2.

Bộ ghép

Vùng tích cực
Tín hiệu quang ra
đã khuếch đại

Tín hiệu
quang vào

guồn
bơm

Hình 1.2. Mô hình tổng quát của m t b khuếc đại quang
Trong một bộ khu

i quang, quá trình khu

trong trong một m i tr ờn
qu n
n n l

c khu
n

i n s n

c gọi vùng tích c c (active medium). Các tín hi u

i trong vùng tích c c với ộ l i lớn hay nh tùy thuộc vào

c cung c p t một ngu n bên ngoài gọi chung là ngu n

Source). Các ngu n

c di n ra

m này

tn

tn

t

m (Pump

nào tùy thuộc vào lo i khu

i

quang hay nói cách khác ph thuộc vào c u t o c a vùng tích c c. Tùy theo c u t o
c a vùng tích c c, có th chia khu

i quang thành hai lo i chính:

Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier):
- Vùng tích c

c c u t o b ng v t li u bán dẫn.

- C u trúc c a vùng tích c c c

SOA t
14

n t n

v n t

c c a laser


i m khác bi t chính gi a SOA và laser là SOA ho t ộng ở tr ng thái

bán dẫn
ới m

n

ng phát x .

- Ngu n cung c p n n l

n

i tín hi u qu n là

khu

n

i n

Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier):
- Vùng tích c c là s i qu n

p

t hi m Do

OFA

n

c gọi

là DFA (Doped-Fiber Amplifier)
- Ngu n

m là n n l

sóng phát quang nh
- Tùy theo lo i
c a ngu n

n

n

n s n

c cung c p bởi

ớc sóng c a tín hi u c n khu
t hi m

m và v n

ớc

ớ s n

m

i.

c pha trong lõi c a s i qu n

n s n

l s r

i c a OFA sẽ t y

c khu

i. Một s

lo i OFA tiêu bi u:
+ EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530nm – 1565nm
+ PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280nm – 1340nm
+ TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440nm -1520nm
+ NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900nm, 1065nm, 1400nm
Trong các lo i OFA này
u i m về

DFA

c s d ng ph bi n hi n nay vì có nhiều

c tính k thu t so với SOA và có vùng ánh sáng khu

1565nm) thích h p với d i t n ho t ộng c a h th n

i (1530nm-

pk n t o

ớc sóng

m t ộ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). [2]
1.1.3 C c kỹ t uật k uếc đạ quan k
Có một s lo i khu

i quang khác bên c nh SOA và OFA. Các lo i này

s d ng các hi u ng phi tuy n
khu

c
i

khu

n là p t x kích thích. Hai lo i

i quang s d ng hi u ng này là Raman và Brillouin. S d ng các hi u

ng trên có th xây d ng phân tán, ch không ph i gom l i, s khu
c a tín hi u qu n

n

u i m sau: các thành ph n gi ng nhau c a s i

quang có th truyền dẫn và khu

i

thành ph n này t i vị trí r t xa ngu n

m o

c p s khu

i quang

ng thời. Thêm n a, ta có th thay th
chúng ta có th

iều khi n và cung

i t trung tâm qu n lý. Nh ng linh ki n trên h a hẹn mở ra nhiều
15


vi n c n t

is n

o k thu t khu

Một bộ khu

i quang.

i Raman có ba d ng : t p trung, phân ph i và rời r c. C u

hình ph bi n ngày nay là các bộ khu

i lai EDFA/Raman, một thi t bị mà bộ

i R m n ền bù cho ph n thi u sót c

khu
1570nm

ộl i

n 1630nm.

Một ng d ng quan trọng c a bộ khu
hi u ng có h i
c n

ớc sóng trong kho ng t

i Raman phân tán là tránh các

c t o ra bởi ộ l i cao c a bộ khu

t n k o ng cách gi a hai bộ khu
m n s n

c a vi

i DFA N

ig nn u n

là ộ l i

n n là k t qu

n su t cao vào s i qu n n y s u k i

c khu

i.

iều này là nguyên nhân c a một vài hi u ng phi tuy n trong s i quang. S thay
th c a khu

i Raman k t thúc m i kho ng cách gi a các EDFA cho phép.

1.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDF (Erbium-Doped Fiber Amplifier)
1.2.1 N u ên lý v sơ đồ k ố của EDFA
1.2.1.1 Sơ đồ khối
Hình 1.3a và 1.3b mô t
s i qu n

n v i tr n

( r) N n l

i

i m chính c a khu

một vùng tích c c là trộn một s l

n n oài

i quang s i. Một
ng lớn ion Erbium

c cung c p là ánh sáng, ch không ph i i n t

n

các SOA.
Quá tr n

m

c th c hi n với một laser diode phát x công su t ánh

ớc sóng khác ch không ph i là ánh sáng c a tín hi u thông tin nào

sáng t i một

c bi t, một tín hi u t n tin
n

n l s r

mp tx t i

hi u t n tin và n s n

c truyền dẫn trong vùng lân c n c a 1550nm

ớc sóng 980nm hay 1480nm ho c c hai. C hai tín
m vào

t vào cùng một s i quang bởi một

coupler. Hai ánh sáng này lan truyền cùng trên s i quang trộn r ium n i mà t n
hi u t n tin
t

ng r n

c khu

n s n

i tron k i
m vào un

tn i u

pn n l

[5]
16

m ịm t i T

ó th t ởng

ng cho tín hi u và s u

“

t”


Tín hi u
tin n

m

t

n 1 3 min

m

n

iều (

o , ho c có th

quá trình th c hi n tron

n 13

mn

Tr ờng h p

là nhi u th p và công su t ra th p tron k i
qu n r

on

n

m i, chúng ta có th

ánh sáng này sẽ
chỉn n

c chiều (

mn
m

n

m son

ớng với

m t u n và
m

mn

ị ) n
i m

c chiều

iều cung c p công su t

n t o ra nhi u cao. Trong các lo i khu

Một coupler th hai lo i b ph n n s n
ly (isol tor) n n n

m t u n) với tín hi u thông

mn

i qu n t
ị

n

ng thời.

t s i quang. Một bộ cách

a ánh sáng ph n h i lan truyền trong s i quang; n u không,
c khu

một bộ khu

mong mu n. Một bộ lọc sẽ t

i, một

il

ng khá lớn bởi vì s khu

i có th

i vào laser, không c n ề c p s t n n i u không
ớc sóng còn l i khác với tín hi u thông tin.

17


Hình 1.3. Khuếc đại quang sợi EDFA
i trong EDFA x y ra qua quá trình phát x k

S khu
l

n tron qu tr n

m sẽ k

t

cùng m

ng th p

n n l

n Qu tr n

ng- iều này

n

ion

i(

i nhiều
k n

ng cao

c kích thích xu ng

ịch chuy n này sẽ phát x ra các photon có
ĩ là

n

ớc sóng- chúng ta có tín hi u ra.

Bởi vì EDFA có một m i quan h với chiều rộng c
khu

N n

ion r ium l n v n n n l

n T n i u thông tin kích thích s di chuy n c
v n n n l

t

ớc sóng (nhiều k n )

ộl i

n t

n

ng thời. Nh ng tín hi u

n

t

c khu ch

ớc sóng riêng bi t) có th k t h p với nhi u trong bộ DFA n

trên hình 1.3c. [4]
Một bộ khu

i quang s i t

n t

ờng là một thi t bị

trên hình 1.3d minh ho . Tuy nhiên, một bộ khu
nó (thêm vào khu
ớng với s i qu n

i nhi u với tín hi u

n

ớn

n

i phát sinh ra nhi u c a chính
n) và nhi u này lan truyền c hai

c tính c a EDFA này kh c ph c s s d ng một bộ cách ly

trong c ng vào c a bộ khu

i quang s i.
18


1.2.1.2 ược đồ các mức năng lượng

Hình 1.4. Lược đồ các mức năn lượng của các ion Erbium trong sợi silica
Bởi vì s ho t ộng c a một bộ DFA
t

o

n t n n t o lu n về l

tích c

li n qu n

rời r

K i
n n l

m

n s khu

ion r ium

c d a vào hi n t
các m c n n l

ng phát x kích
ng c a một vùng

i này. Các ion t do n m ở các m

n n l

ng

c k t h p ch t chẽ vào một s i quang silica, m i

ng c a chúng chia thành các m

n n l

ng có quan h g n g i với

nhau vì th chúng ta gọi là vùng hoá trị.
Trong EDFA, chia các m

n n l

ng thành một m

u ti n và tr ớc nh t, nó cung c p cho EDFA kh n n k u
kênh mà t p h p các kênh. Th hai, nó lo i i s c n thi t

n n l

ng là có l i.

i không chỉ một
tinh chỉn

ớc sóng

m
M
qu n sili

n n l

ng quan trọng nh t c

c minh ho n

tr n

ion r ium

k t h p ch t chẽ vào s i

n 1 4 N là một món quà c a t nhiên mà

s chuy n dịch gi a m c 2 (tr ng thái trung gian) và m c 1 (tr ng thái th p) x y ra
t i một t p

ớ s n xun qu n 1550nm n i mà s i quang silica th hi n
19


m c suy hao th p nh t. S may m n trùng h p ngẫu nhiên này là lý do t i sao
DFA

c s d ng rộn r i N

n n l

ng n x

1500nm

n

n t x m tr n

ịnh kh n n

DFA

n

l u

ộ rộng c a d i

i kho n

khu

ớc sóng t

n 1600nm

1.2.1.3 Các bước sóng bơm
n t là

M c tiêu c
bi t

iều này

(m

2)

ph i

n

on n

c s nghị

ộ n

n t

ĩ p i t p trung các ion Erbium nhiều t i m c trung gian

n là m c th p (m

m

t

1)

t

on n

c s nghị

ộ, chúng ta c n

ion r ium t i m c trung gian. Có hai cách th c hi n iều này:

chúng tr c ti p t i

ớc sóng 1480nm hay gián ti p t i

Bây giờ ta th o lu n p

n p p

m

ớc sóng 980nm.

m i n ti p (

mt i

ớc sóng 980nm)

tr ớ Tron tr ờng h p này, các ion Erbium ti p t c chuy n t m c th p (m c 1)
lên m c cao (m c 3); ở

y

n k

n p tx

(m c 2), mà chúng chuy n xu ng m c n n l
sóng yêu c u t 1500nm

n 1600nm

i m chính c a nguyên lý 3 m

ng trung gian
ớc

ng th p (m c 1), phát x

y là n uy n l

n n l

n n l

nm

a3m

n n l

n

c

ng chính là thời gian s ng c a hai m c

trên. Thời gian s ng hay thời gian c a phát x t p t ((σsp), là kho ng thời gian t n
n n l

t i trung bình t i các m
phát xu ng các m
n n l

m

n

ài n

n n l

n

ng trung gian (m

n n l

n n l

K i qu tr n
g m2m

n n l

2) là

n H yn i

ng trung gian, t o ra s nghị
m

n 10ms (với thời gian s ng
ion r ium

m t i các

k
on n

n n

ion r ium sẽ
ộ.

c th c hi n một cách tr c ti p (t i 1480nm), chỉ bao

ng. Các ion Erbium

ng th p b n n n l

t ời gian s ng c a các ion

ng trung gian một cách r t nhanh và ở m

tron k o ng thời gian nhiều

tích lu t i m

n n l

ng ti p theo. Thời gian s ng c a các ion Erbium t i

m c trên gọi là m t st l ) Do

m c cao sẽ i xu ng m
l

ịn tr ớc khi chúng chuy n một cách t

ng cao (m c 3) kho n 1µs tron k i

Erbium t i các m
c

n n l

n x

c chuy n một cách liên t c t m c

ng quang bên ngoài t i 1480nm và lên m
20

n n


l

ng trung gian. T thời gian s ng c a các ion Erbium là dài, chúng tích lu ở
on n

t o ra nghị

ộ.
n n l

K t qu c a hai quá trình là t i m
nhiều ion r ium

nm

ộng t i một tron

n n l

n trun

i n

c t p trung

ng th p. Khi tín hi u ánh sáng thông tin ho t

ớc sóng c a h th ng WDM với một s i qu n

on n

Erbium nghị

y

m

ộ, nó sẽ kích thích s chuy n dịch c a các ion Erbium t

m c 2 xu ng m c 1. S chuy n dịch kích thích này sẽ x y ra cùng với phát x kích
p oton

thích c
s khu

n

ớ s n

ớng, và pha gi n n

p oton vào Do

i tín hi u vào x y ra. [3]

1.2.2 C c EDFA c o dả bước són Băn -L
Bộ EDFA ho t ộng ở
t p

u i tr i rộn

n

(1530-1565nm) Tuy n i n

n kho n 1605nm

h th ng ho t ộng ở

iều này kích thích s phát tri n c a các

n L t 1565nm

n 1625nm L u

n L i n nay không bao ph ph n ỉnh c
Nguyên lý ho t ộng c
nhiên, có s k

n u

ộ l i c a Erbium ở

Ph

các bộ lọc làm phẳn
ở

n Ln

pha t p ài
m
qu

ộl iở

n o c s i có n n
n L

n Ln

Cu i cùng các ph n t

coupler là ph thuộ vào

n L i n n
n

n L

i

khác s

o

n L và

n Tuy n i n

Tuy
n

s

ộ l i Erbium

i

i ph i s d ng s i

ộ pha t p Erbium nhiều

n Ho c công su t

o

iều này
n so với DFA

ộ khu

i này

n

n

n sẽ k

n

21

và

n u
n L

Do s h p th

n i u AS
i n

d ng bên trong bộ khu
i

n

iều này làm cho vi c thi t k

n

ớ s n n n

Do các y u t trên các bộ khu

DFA

DFA

n

àn

i ph i

nn n

i n t i các EDFA cho

n này t 1610->1625nm.

n k trong vi c thi t k

n k o ng 3 l n so với

o DFA
o n

DFA

n L p ẳn

ộ l i c a s i pha

o

n

o

n

isol tor và
và

n L

c s n xu t riêng bi t.


Hình 1.5. Băn -C v Băn -L của băn t ôn m t EDFA

1.2.3 N ễu v đ lợ của EDFA
1.2.3.1 Độ lợi của EDFA
ộ l i:

là

i m

Chúng ta th o lu n

u ti n k i

i m này

n t

n

i một bộ khu

i.

i với một s i quang tích c c.

a) Định nghĩa:
ộ l i là tỷ s gi a công su t ánh sáng ra và công su t ánh sáng vào:
Gain 

Khi công su t o
này

Pout
Pin

n w tt T

(1.1)

n t

ờn

n t

o ộl ib n

iều

n ĩ :
 Pout
Gain(dB)  10 log 10 
 P
 in






(1.2)

N u chúng ta nhìn l i hình 1.3c, chúng ta sẽ nh n ra r ng công su t ra bao
g m công su t c a tín hi u ra và nhi u. K t qu , chúng ta c n tách công su t nhi u
k i t n to n ộ l i:
Gain 

Pout  PASE
Pin

22

(1.3)


Hay
 P  PASE
Gain(dB)  10 log 10  out
Pin


ộ l i c a EDFA hi n
d a vào ch

n n
i

su t, khu

n





(1.4)

i ngày nay có giá trị trong kho n 20

n

ời ta có th thi t k

ộ khu

i công

ộ ở các m c khác nhau trong một gi i n n l

ng là khác

ờng dây hay tiền khu

n n

n 40 dB,

i. [3]

b) Tính phẳng của độ lợi
Vì các m c n n

n u

ộ l i c a EDFA trở thành một hàm c

ớ s n

trong h th ng WDM, các kênh WDM khác nhau sẽ

c gọi là bộ khu
+ Ch t l
n n l

n

d ng s i

c pha t p với Erbium. Các bộ khu

i này

o ộ l i phẳn

DFFA k m
n

m

n DFA

iều này làm cho công su t

chuy n ti t E3-> 4 và o

n s i silica. Tuy

k

là l

o mà

n p i

c ở 980nm. Bởi vì s i fluoride có m c

4> 3 và ộ chênh l ch về n n l

với 980nm

i khác nhau.

i m sau:

ng t p âm c

m ở 1480nm mà k

c s d ng

i là s

i EDFFA. S i fluori

nhiên, EDFFA l i có một s n

ộ khu

ộ l i bộ khu

Một cách c i thi n tính phẳng c
fluoride thay th cho s i sili

K i DFA

ng gi a hai m

này là t

n

ng

m ở 980nm sẽ bị h p th bởi vì s

n t o ộ l i h u ích. Hi n t

ng này gọi là h p

th ở tr ng thái bị kích thích.
+ S i fluoride r t khó x lý. Nó giòn, d v , khó ghép n i với s i quy ớc,

nh y c m với ộ ẩm.
k

Một
bộ khu

làm phẳn

ộ l i cho EDFA là s d ng bộ lọc bên trong

i.

23