KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGUYỄN THU HƢƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG
TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG

HẢI PHÒNG - 2016


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGUYỄN THU HƢƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG
TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG; MÃ SỐ:
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Vân

HẢI PHÒNG - 2015


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến toàn thể các Qúy thầy cô
của Trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam, đồng kính gửi Qúy thầy cô khoa Điện –
Điện Tử đã giúp đỡ, truyền đạt kho tàng kiến thức mới mẻ cho em trong suốt hơn 4
năm học tập, rèn luyện tại trƣờng.
Lời cảm ơn đặc biệt hơn nữa em muốn gửi đến cô giáo Nguyễn Thanh Vân, ngƣời
trực tiếp hƣớng dẫn em một cách rất nhiệu tình và chu đáo trong suốt quá trình học
tập và thực hiện đồ án tốt nghiệp. Trong thời gian đƣợc sự hƣớng dẫn của thầy, em
đã học tập và bổ sung đƣợc thêm khá nhiều kiến thức mới mẻ và những kinh
nghiệm thực tế cho bản thân.
Với vốn kiền thức còn non nớt, hạn hẹp và thiếu những kinh nghiệm thực tế nên
nội dung đề tài của em khó tránh khỏi những lỗi sai sót. Em rất mong nhận đƣợc sự
góp ý của Qúy thầy cô cho đề tài đồ án của em. Những lời góp ý và phê bình quý
giá của thầu cố sẽ là những lời nhắc nhở, chỉ dẫn và là hành trang vô cùng quý báu
giúp em hoàn thiện kiến thức của bản thân tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !

i


LỜI CAM ĐOAN
Trong nội dung đề tài của em, em xin cam đoan rằng đây là nội dung có số liệu và
kết quả là hoàn toàn trung thực.
Các tài liệu tham khảo có nguồn gốc rõ ràng, theo đúng nguyên tắc và yêu cầu nhà
trƣờng và tổ bộ môn cho phép.
Nội dung cũng nhƣ hình thức trình bày hoàn toàn là do thiết kế của bản thân và sự

hƣớng dẫn trực tiếp, cụ thể của giáo viên hƣớng dẫn.
Em xin cam đoan, mọi sao chép hay vấn đề vi phạm quy tắc là hoàn toàn không có,
em xin chịu trách nhiêm hoàn toàn với những lời cam đoan trên.

Hải phòng, tháng 05 năm 2016
Sinh viên
Nguyễn Thu Hƣơng

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... v
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
Chƣơng I : HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA ........................................... 2
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thông tin quang. ........................................................... 2
1.2Hệ thống thông tin quang EDFA. ......................................................................... 3
1.2.1Cấu trúc của EDFA. ........................................................................................... 4
1.2.2Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang EDFA...................................... 6
1.3Khuếch đại quang sợi EDFA. ............................................................................... 6
1.3.1Công suất và bƣớc sóng bơm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium . 6
1.3.2Khuếch đại trong bộ khuếch đại pha tạp Erbium ............................................... 8
1.3.3Phổ khuếch đại của EDFA ............................................................................... 12
1.3.4Nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium..................................... 13
1.4Ứng dụng của EDFA trong thông tin quang ...................................................... 13
Chƣơng II : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN
QUANG.................................................................................................................... 15
2.1 Ảnh hƣởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang .................................... 15

2.1.1 Tìm hiểu chung................................................................................................ 15
2.1.2 Tán sắc vật liệu................................................................................................ 17
2.1.3 Tán sắc dẫn sóng ............................................................................................. 18
2.1.4 Kết luận ........................................................................................................... 18
2.2 Các kỹ thuật bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang. ................................... 20
2.2.1 Kỹ thuật bù sau ................................................................................................ 20
2.2.2 Kỹ thuật bù trƣớc ............................................................................................ 22
iii


Chƣơng III : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN
QUANG SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG ........................................................ 35
3.1Sự cần thiết của việc quản lý tán sắc................................................................... 35
3.2Bộ lọc quang........................................................................................................ 36
3.3Bù tán sắc bằng bộ lọc cân bằng quang. ............................................................. 37
3.3.1Giao thoa kế Mach-Zehnder............................................................................ 39
3.3.2Giao thoa thiết kế Fabry-Perot ......................................................................... 40
3.4Kết luận ............................................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 43

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á

3

Hình 1.2

Cấu trúc của EDFA

4

Hình 1.3

Sự phụ thuộc độ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm

7

EDFA
Hình 1.4

Hiệu suất biến đổi công suất như một hàm của độ dài EDF

10

với hai loại cấu hình bơm
Hình 1.5

Minh họa cho độ dốc khuếch đại tĩnh và động

11

Hình 1.6

Phổ đầu ra tiêu biểu của EDFA mà không có và có tín hiệu

12

đầu vào

Hình 2.1

Các mẫu tín hiệu hình mắt 10 Gbit/s sau 40 km sợi G652

23

Hình 2.2

Sơ đồ điều chế ngoài của kỹ thuật chirp bù tán sắc

24

Hình 2.3

Bù tán sắc bằng kỹ thuật truyền dẫn hỗ trợ bù tán sắc

27

Hình 2.4

Hệ thống thực nghiệm 10 Gbit/s sử dụng DCF tại OAR

31

Hình 3.1

Sự mở rộng xung do tán sắc

35

Hình 3.2

Cấu trúc bộ lọc quang giao thoa một chiều băng rộng.

36

Hình 3.3

Cấu trúc bộ lọc quang giao thoa một chiều băng hẹp

36

Sơ đồ minh họa bù tán sắc cho tuyến thông tin quang bằng

38

Hình 3.4

cách sử dụng bộ lọc quang dặt sau mỗi bộ khuếch đại
Hình 3.5

Minh họa một mạch sóng ánh sáng phảng sử dụng chuối

39

giao thoa Mach-Zehnder
Hình 3.6

Trải rộng thiết bị của mạch sóng quang plana để bù tán sắc

v

39


LỜI MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, một trong số những lĩnh vực đƣợc xem là phát triển nhất của
Việt Nam hiên nay phải nhắc đến là viễn thông.
Trƣớc tình hình thực tế, để xây dựng một hệ thống thông tin quang tốc độ cao và cự
ly truyền xa thì vấn đề về bù tán sắc đặt ra rất quan trọng. Khi hệ thống quang hoạt
động tại bƣớc sóng vùng 1550 nm hoặc sử dụng khuếch đại EDFA trên sợi quang
đơn mode tiêu chuẩn G.652, giá trị tán sắc lớn làm dãn xung quá mức, làm suy
giảm trầm trọng chất lƣợng của tín hiệu đồng thời hạn chế tốc độ bit và cự ly truyền
dẫn.
Dựa trên những cơ sở lý thuyết và thực tiễn trên mà em xin đƣợc trình bày một đề
tài có tên là KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN
QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG có nội dung gồm ba chƣơng
nhƣ sau :
Chƣơng I :HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA
Chƣơng II :KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN QUANG
Chƣơng III : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG
Nội dung các chƣơng sẽ đƣợc trình bày cụ thể dựa trên sự tìm hiểu thực tiễn và lý
thuyết.
Dƣới sự hƣớng dẫn nhiệt tình và tỉ mỉ của cô Nguyễn Thanh Vân và các thầy cô
trong tổ bộ môn giúp em phát triển đề tài này, tuy nhiên do giới hạn kiến thức còn
hạn hẹp, nên nội dung của đề tài khó tránh khỏi nhƣng sai sót và hạn chế, nên em
rất mong các thầy cô cho em những ý kiến và nhận xét để em tự hoàn thành đề tài
này tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
1


Chƣơng I :HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thông tin quang.
Thông tin quang là kỹ thuật truyền thông tin bằng ánh sáng và từ xa xƣa con
ngƣời đã sử dụng phƣơng thức này để báo tin cho nhau ở khoảng cách xa.
Từ ở thế hệ thứ tƣ của các hệ thống sợi quang sử dụng khuếch đại quang để
tăng khoảng cách giữa các bộ lặp và ghép kênh theo bƣớc sóng ( WDM ) để nhằm
mục đích tăng dung lƣợng truyền dẫn. Sự ra đời kỹ thuật WDM đã tạo ra một cuộc
cách mạng về dung lƣợng truyền dẫn và cho phép các hệ thống sợi quang hoạt
động tại tốc độ 10 Tb/s vào năm 2001. Trong hầu hết các hệ thống WDM, các tổn
hao của sợi quang đƣợc bù tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha
tạp erbium ( EDFA ) cách nhau cỡ 60-80 km. Các khuếch đại quang nhƣ vậy đã
đƣợc phát triển sau năm 1985 và đƣợc cung cấp thƣơng mại năm 1990. Nhờ việc sử
dụng các bộ khuếch đại quang sợi mà các hệ thống truyền dẫn cáp biển toàn quang
giữa các lục địa trở nên khả thi.Từ sau năm 1996 nhiều hệ thống truyền dẫn quang
biển khoảng cách hơn chục ngàn km tại tốc độ Gb/s đã đƣợc triển khai rộng dãi
trên toàn thế giới.

Hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ năm đƣợc quan tâm bởi sự mở rộng
dải bƣớc sóng mà một hệ thống WDM có thể hoạt động đồng thời. Cửa sổ bƣớc
sóng quen thuộc đƣợc gọi là băng tần C bao trùm dải bƣớc sóng 1,53 – 1,57 µm.
Nó sẽ đƣợc mở rộng ở cả hai phía bƣớc sóng ngắn và bƣớc sóng dài để hình thành
các băng tần S và L tƣơng ứng. Kỹ thuật khuếch đại Raman có thể khuếch đại tín
hiệu ở cả 3 băng tần bƣớc sóng mà các bộ khuếch đại EDFA không thực hiện đƣợc.
Thêm nữa, một loại sợi quang mới đƣợc gọi là sợi khô đã đƣợc phát triển để suy
hao của sợi là nhỏ trên toàn bộ vùng bƣớc sóng trải rộng từ 1,3 đến 1,65 µm. Việc
sử dụng các sợi quang nhƣ vậy và các chế độ khuếch đại mới có thể cho phép các
hệ thống sợi quang hoạt động với hàng ngàn kênh WDM.

2


Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á
Hệ thống thông tin quang đã trải qua hơn 30 năm phát triển với nhiều kỹ thuật công
nghệ đã đạt đƣợc nhiều thành tựu. Thông tin quang sợi hiện nay đã trở thành công
nghệ để xây dựng cơ sở hạ tầng truyền tải cho hầu hết các cấp mạng thông tin từ
mạng đƣờng trục quốc tế cho đến các mạng truy nhập.
1.2 Hệ thống thông tin quang EDFA.
Trong các loại khuếch đại quang thì các bộ khuếch đại sợi pha tạp khuếch đại sợi
pha tạp cebium EDFA ( Erbium Doped Fiber Amplifiber ) có sức hấp dẫn nhất, đơn
giản chỉ là chúng hoạt động ở gần bƣớc sóng 1.55𝜇𝑚, vùng bƣớc sóng mà ở đó suy
hao sợi dƣờng nhƣ là nhỏ nhất. Sự phát triển của chúng đã cách mạng hóa quá trình
thiết kế các hệ thống thông tin sợi quang.
Khuếch đại quang sợi erbium EDFA là kết quả của sự phát minh nổi tiếng trong
lĩnh vực khuếch đại quang sợi. Sử dụng các bộ EDFA để cải thiện độ nhạy thu
quang nhƣ PA đã trở thành rất hấp dẫn vì chúng cho độ khuếch đại cao, nhiễu khá
3

thấp, phổ khuếch đại thẳng trên một dải rộng trong khi vẫn duy trì đƣợc tính không
phụ thuộc phân cực, độc lập với dạng tín hiệu, và có suy hao ghép nối với sợi thông
thƣờng rất thấp.
1.2.1Cấu trúc của EDFA.
EDFA là một loại khuếch đại quang sợi OFA ( Optical Fiber Amplifier ). Vì thế nó
đƣợc xem nhƣ là một hộp đen có ít nhất hai cửa quang và phần nối điện để cấp
nguồn.Các cửa quang thƣờng đƣợc phân biệt thành cửa đầu vào và cửa đầu ra và có
thể bao gồm các sợi không đƣợc kết nối hoặc cuối kết bằng các bộ nối quang.
Tín hiệu quang đi qua phải đƣợc khuếch đại sau khi truyền qua EDFA. Vì vậy cấu
trúc và các thành phần cơ bản của EDFA đƣợc mô tả nhƣ hình sau :

Hình 1.2 : Cấu trúc của EDFA
Các thành phần chính cấu tạo nên EDFA gồm có sợi đƣợc pha tạp Erbirum EDF
thƣờng có độ dài bằng hoặc hơn 10m, laser bơm LD, bộ ghép bƣớc sóng quang
WDM và bộ cách ly quang. Từ các thánh phần cấu trúc thiết bị nhƣ vậy ngƣời ta đã
tạo ra nhiều loại EDFA với công nghệ và thể thức không giống nhau.
Để thu đƣợc độ khuếch đại , thì phải cung cấp năng lƣợng quang cho bộ khuếch đại
quang đƣợc gọi là năng lƣợng bơm. Công suất quang từ nguồn bơm này thƣờng có
bƣớc sóng 980 nm hoặc 1480 nm, công suất bơm tiêu biểu là từ 10 mW đến 100
mW. Các diode laser LD dùng làm nguồn bơm thƣờng đƣợc cấu tạo phù hợp với
4


cấu hình và bƣớc sóng bơm. Khi mà hệ thống đƣợc bơm ở bƣớc sóng 980 nm thì
loại LD bơm thƣờng là loại có vùng tích cực với cấu trúc giống lƣợng tử luyện
InGaAs là lớp rất mỏng đƣợc đặt xen vào giữa các lớp vỏ có các tham số tinh thể
khác nhau. Nếu hệ thống đƣợc bơm ở bƣớc sóng 1480 nm thì LD bơm thuộc loại
laser Fabry-Perot dị thể chôn có cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/InP. Bộ ghép bƣớc
sóng WDM sẽ thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào sợi pha tạp

Erbium, hoặc trong một số trƣờng hợp nó lại tách các tín hiệu này.
Các bộ cách ly có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ này phải đạt tới mức chấp
nhận đƣợc. Vì thế, các bộ cách ly 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
đƣợc gọi là sợi tích cực. Các ion Erbium đƣợc nằm ở vùng trung tâm lõi của EDF,
vùng này đƣợc pha tạp với nồng độ từ 100 – 2000 ppm Erbium. Các sợi EDF
thƣờng có lõi nhỏ hơn và có khẩu độ số NA ( độ mở số ) cao hơn so với các sợi đơn
mode tiêu chuẩn. Đƣờng kính của vùng tâm lõi EDF vào khoảng ~ 5𝜇𝑚, và là nơi
cƣờng độ của ánh sáng bơm và tín hiệu là cao nhất.
Lớp vỏ thủy tinh với chỉ số chiết suất thấp hơn đƣợc bao quanh vùng lõi để hoàn
thiện cấu trúc dẫn sóng và cho ra lực cơ khỏe hơn để bảo vệ sợi EDF khỏi bị tác
động từ bên ngoài . Đƣờng kính ngoài của lớp vỏ này khoảng ~125𝜇𝑚.
Ngoài cùng là lớp vỏ bọc thêm ngoài để bảo vệ sợi, nó có chức năng ngăn cản tác
động từ bên ngoài sợi, và đƣờng tổng cộng của nó vào khoảng 250𝜇𝑚. 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 bậc 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 tƣơng ứng với các
khuyến nghị Rec. G.652 hoặc G.653 của ITU- T, đang sử dụng trên các hệ thống
truyền dẫn quang.
5


1.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang EDFA.
Qúa trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể phân cấp thành bức xạ kích
thích và bức xạ tự phát. Khi các Er3+ đƣợc 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 lƣợng cao hơn
cho tới khi nó tiến tới trạng thái siêu bền . Tín hiệu quang đến đầu vào sợi EDF sẽ
đến gặp với các ion Erbium đã đƣợc kích thích và phân bố dọc theo lõi sợi. Qúa

trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hƣớng quang nhƣ là
tín hiệu tới, và chính vì thế mà ta thu đƣợc cƣờng độ tín hiệu tại đầu ra EDF lớn
hơn đầu vào. Nhƣ vậy đã đạt đƣợc quá trình khuếch đại trong EDFA.
Các ion đã đƣợc kích thích mà không tƣơng tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát
SE ( Spontancous Emission ) có pha và hƣớng ngẫu nhiên. Thông thƣờng thì có ít
hơn 1% SE đƣợc giữ lại trong mode sợi quang, và nó trở thành một nguồn nhiều
quang. Nhiều này sẽ đƣợc khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát đƣợc khuếch đại
ASE ( Amplified Spontaneous Emission ). Ở trạng thái đất (nền), khi có sự hấp thụ
photon bơm hoạt động trở lại, quá trình này sẽ tự lập lại.ASE sẽ làm suy giảm tỷ số
tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu qua bộ khuếch đại quang.Để giảm tối thiểu sự suy
giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, cần phải thiết kế cẩn thận các bộ khuếch đại quang.
1.3 Khuếch đại quang sợi EDFA.
Các đặc tính chung của các thiết bị khuếch đại quang sợi và hệ thống phụ đã đƣợc
giới thiệu trong khuyến nghị G.662 ITU-T. Trong khuyến nghị này, nhiều tham số
đƣợc liệt kê mà chƣa đƣa ra những phân tích về bản chất của từng đặc tính.Tuy
nhiên, có thể tham khảo một vài đặc tính đƣợc xác định dựa trên một số sản phẩm
EDFA thƣơng mại.
1.3.2 Công suất và bƣớc sóng bơm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp
Erbium
Trong quá trình hoạt động của thiết bị EDFA, có một vài vùng bƣớc sóng bơm cho
phép kích thích các ion Erbium.Đặc tính khuếch đại của sợi Erbium EDF đƣợc
6


bơm ở mỗi vùng bơm đƣợc so sánh dƣới dạng hệ số khuếch đại, tỷ lệ phần tiết diện
bức xạ kích thích bơm và tiết diện hấp thụ bơm, hiệu suất biến đổi công suất và các
đặc tính nhiễu.

Hình 1.3 : Sự phụ thuộc độ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA
Hình trên mô tả quan hệ tiêu biểu giữa khuếch đại tín hiệu và công suất bơm. Độ

khuếch đại lúc đầu tăng mạnh theo hàm mũ với sự tăng của công suất bơm, và rồi
giảm dần xuống khi giá trị công suất bơm, và rồi giảm dần xuống khi giá trị công
suất bơm vƣợt quá một giá trị nào đó. Chế độ sau cùng của khuếch đại tín hiệu. Hệ
số khuếch đại lớn nhất có đơn vị là dB/mW là một đƣờng nghiêng tiếp uyến với
đƣờng cong khuếch đại đi qua gốc tọa độ nhƣ đƣợc chỉ ra ở đƣờng nét đứt trong
hình. Hình này cũng chỉ ra sự phụ thuộc của độ khuếch đại tín hiệu vào độ dài
sợi.Độ dài mà tăng sẽ dẫn đến độ khuếch đại tăng. Hệ số khuếch đại không chỉ phụ
thuộc vào độ dài sợi EDF mà còn phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào EDFA.
7


Gía trị của nó thƣờng đƣợc xác định trong điều kiện tín hiệu là nhỏ với độ dài sợi
tối ƣu để thu đƣợc giá trị lớn nhất.
Hiệu suất biến đổi công suất PCE ( Power Conversion Eficiency ) là một tham số
thông dụng thƣờng để áp dụng chủ yếu cho EDFA khuếch đại công suất BA (
booster Amplifier ) vì nó có liên quan đến các đặc tính bão hòa của EDFA. Tham
số này thƣờng đƣợc sử dụng trong thiết kế mô-đun để xác định công suất tín hiệu
đầu ra thu đƣợc từ mô- đun EDFA . Hiệu suất tốt vì có sự khác nhau nhỏ giữa các
bƣớc sóng vùng 1480 nm và vùng 1550 nm nơi mà các hệ thống thông tin quang
thƣờng sử dụng do có suy hao sợi rất nhỏ. Khi bơm cho EDFA từ xa, suy hao sẽ
thấp hơn. Phổ hấp thụ bảng rộng cho nên yêu cầu tính chính xác về bƣớc sóng bơm
của laser ít nghiêm ngặt hơn.
Bƣớc sóng bơm 980 nm có đặc điểm sau : Cho ra đặc tính nhiễu của EDFA tốt hơn,
khuếch đại tín hiệu trong các hệ thống nhiều kênh quang ít bị méo hơn.Thiết bị này
ít nhạy cảm với nhiệt độ hơn so với bƣớc sóng bơm 1480 nm. Nhƣng nó cũng yêu
cầu tính chính xác về bƣớc sóng bơm chặt chẽ hơn để đồng bộ băng hấp thụ hẹp
976 nm
1.3.3 Khuếch đại trong bộ khuếch đại pha tạp Erbium
Trong bộ khuếch đại quang , 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 bộ khuếch đại

quang sợi OFA ( Optical Fiber Amplifier ).
Việc xác đinh độ khuếch đại trong bộ khuếch đại quang sợi là một quá trình phức
tạp do bản chất phân bố hai hƣớng của nó. Để thu đƣợc độ khuếch đại thực của bộ
khuếch đại, cần phải xác định đƣợc tiết diện bức xạ kích thích và tiết diện hấp thụ.
Các phần tiếp diện này có thể đƣợc xác định bằng thực nghiệm từ việc đo huỳnh
quang và hấp thụ của 1 đoạn ngắn sợi. Các tiết diện bức xạ và hấp thụ là các tham
số cơ bản quan trọng của sợi EDF.Đã có kết quả một số báo cáo kết quả về tham số

8


này cho các sợi loại thủy tinh khác nhau và kết quả đó đã chỉ ra rằng chúng là đặc
tính phụ thuộc.
a. Khuếch đại tín hiệu nhỏ
Khuyến nghị G.661 của ITU-T đã xác định độ khuếch đại tín hiệu nhỏ là độ khuếch
đại của bộ khuếch đại khi nó hoạt động trong chế độtuyế tính, nơi mà nó hoàn toàn
không phụ thuộc vào công suất quang tín hiệu đầu vào tại mức công suất quang tín
hiệu và bơm đã cho. Điều này đƣợc hiểu là vùng tín hiệu nhỏ tƣơng ứng với các
mức công suất đầu vào, nơi mà sự khuếch đại tín hiệu không làm giảm độ khuếch
đại của bộ khuêch đại quang.
b. Khuếch đại bão hòa
Đăc tính khuếch đại bão hòa của EDFA là một tham số quan trọng. Công suất tín
hiệu đầu rathu đƣợc ở đàu ra bộ khuế ch đại quang là một giá trị đặc biệt hấp dẫn vì
nó có liên quan tới các cự ly truyền dẫn và cự ly khoảng lặp của các hệ thống
truyền dẫn dài. Nó làm tăng số các cửa đầu ra trong cấu hình phân bố sợi quang.
EDFA thƣờng hoạt động ở các mức tín hiệu đàu vào đủ lớn để tạo ra sự bão hòa
khuếch đại.Sự bão hòa độ khuếch đại đƣợc xem nhƣ là sự giảm khuếch đại trong
lúc công suất tín hiệu tăng.
Các đặc tính bão hòa sẽ phụ thuộc vào cấu hình bơm và độ dài của sợi EDF nhƣ
đƣợc mô tả ở hình sau:

9


Hình 1.4 : Hiệu suất biến đổi công suất như một hàm của độ dài EDF với hai loại
cấu hình bơm
Trong trƣờng hợp này, hiệu suất biến đổi công suất PCE đƣợ diến giải nhƣ một
hàm số của độ dài EDF đối với các cấu hình bơm ngƣợc và bơm xuôi.
Trong hình này, chúng ta có thể thu đƣợckết quả quan trọng là : Bơm ngƣợc sẽ thu
đƣợc PCE cao nhất với mọi độ dài EDF. Nhƣ vậy bơm ngƣợc có thể đƣợc áp dụng
cho độ dài EDF tối ƣu khi xây dựng thiết bị khuếch đại công suất BA ( Booster
Amplifier ) để đạt đƣợc công suất đầu ra cao.
1.3.4 Độ nghiêng và độ dốc khuếch đại
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất cảu EDFA trong thông tin quang sợi là
việc sủ dụng nó tròn hệ thống ghép kênh quang. Trong các hệ thống ghép kênh theo
bƣớc sóng WDM với cự ly xa, phổ khuếch đại của bộ khuếch đại phát quang đảm
bảo phẳng để tránh sự trội lên về công suất của một kênh nào đó. Sự thay đổi hoặc
10


nghiêng trong phổ khuếch đại xảy ra khi các kênh bƣớc sóng đƣợc ghép xen vào
hay rẽ bớt đi và điều này sẽ làm giảm đặc tính của hệ thống thông tin có cự ly dài.
Ở đây, sự nghiêng độ khuếch đại đƣợc xác định nhƣ là tỷ số của sự biến đổi khuếch
đại tại bƣớc sóng đo đƣợc với sự thay đổi khuếch đại tại bƣớc sóng chuẩn, nơi mà
các thay đổi khuếch đại đƣợc tạo ra do có sự biến đổi ở điều kiện đầu vào. Đối với
bộ khuếch đại có phổ đƣợc dãn đông nhất, độ nghiêng khuếch đại không thay đổi
với công suất đầu vào.Khi độ nghiêng khuếch đại đƣợc đặc trƣng cho một tập hợp
các điều kiện đầu vào.Nó có thể đƣợc áp dụng ddeerduwj báo độ nghiêng khuếch
đại đối với các điều kiện đầu vào khác.
Ngoài độ nghiêng khuếch đại, một khái niệm khác nữa cũng đƣợc quan tâm ở đây

là độ dốc khuếch đại. Độ dốc khuếch đại là tham số quan trọng và cần phải phân
biệt rõ giữa dộ khuếch đại tĩnh và độ khuếch đại động, nhƣ mô tả ở hình sau :

Hình 1.5 : Minh họa cho độ dốc khuếch đại tĩnh và động
11


Có những điểm khác nhau giữa độ dốc tĩnh và động bởi vì có sự thay đổi về mức
nghịch đảo tích lũy trong bộ khuếch đai phát sinh từ sự thay đổi bƣớc sóng của tín
hiệu đầu vào bão hòa mạnh.
1.3.5 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 xác định băng truyền dẫn. Đặc tính này đã đƣợc nghiên cứu
với các sợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các EDFA.
Thông thƣờng thì phổ khuếch đại đƣợc đo bằng việc quét bƣớc sóng tín hiệu với
một nguồn tín hiệu đơn. Tuy nhiên, phổ đƣợc thay đổi khi công suất tín hiệu đầu
vào đƣợc thay đổi.Phổ trở nên phẳng khi công suất tín hiệu đầu vào là cao. Mức
công suất tín hiệu đầu vào là một tham số quan trọng và phổ đƣợc đo dƣới điều
kiện các tín hiệu nhỏ. Đầu ra quang của EDFA phụ thuộc vào bƣớc sóng vì độ
khuếch đại thay đổi theo các dặc tính bƣớc sóng của sợi pha tạp Ẻbium EDF.
Để mô tả phổ đầu ra tiêu biểu của một EDFA tƣơng ứng cho các trƣờng hợp không
có và có tín hiệu đầu vào nhƣ hình minh họa sau:

Hình 1.6 : Phổ đầu ra tiêu biểu của EDFA mà không có và có tín hiệu đầu vào

12


Ta thấy, khi không có tín hiệu đầu vào, thì chỉ có bức xạ tự phát đƣợc khuếch đại
ASE. Băng tần bức xạ tự phát đƣợc xác định tại giá trị công suất ở vai của phổ

giảm đi 3dB. Tuy nhiên, việc xác định này không đƣợ chỉ ra trên các thiết bị đo,
tiêu biểu nhƣ là máy phân tích phổ quang OSA ( Optical Spectrum Analyzer ). Nhƣ
vậy, giá trị này chỉ đƣợc chỉ ra nhƣ là một giá trị tiêu biểu mà không có giá trị nhỏ
nhất hay lớn nhất.
1.3.6Nhiễu trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium
Nhiễu là tham số quan trọng nhất liên quan tới các đặc tính nhiễu trong các hệ
thống có khuếch đại quang.Nhiễu luôn luôn tồn tại, vì thế sẽ không baogiờ có bộ
khuếch đại lý tƣởng, điều đó có nghĩa rằng sẽ không tồn tại bộ khuếch đại mà
không có nhiễu.Một yếu tố kiên địnhvắng mặt phải đƣợc đền bù bằng một nguồn
nhiễu nào đó.
Đầu ra của bộ khuếch đại quang nhỏ nhất thu đƣợc khi đạt đƣợ nghịch đảo tích lũy
hoàn toàn trong môi trƣờng khuếch đại. Đây là kết luận quan trọng để điều tra các
dặc tính nhiễu trong tính thống kê photon.
1.4 Ứng dụng của EDFA trong thông tin quang
Các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA có một tác động lớn trong
thông tin quang. Việc phát triển các hệ thống thông tin quang sợi qua 20 năm đã
định hƣớng tập trung vào trọng tâm của việc phát triển các hệ thống thông tin tốc
độ bit cao và cự ly xa. Các hệ thống nhƣ vậy đòi hỏi một quỹ công suất quang lớn
trên một hệ thống tốc độ cao. Nhƣ vậy việc sử dụng các bộ EDFA là cách tốt nhất
để thỏa mãn đƣợc các yêu cầu này.
EDFA đã đƣợc phát minh vào năm 1987, rồi các nhà nghiên cứu thiết bị nhanh
chóng công nhận một thực tế của nó, và họ đã nhận thấy EDFA nhƣ là liều thuốc
bách bệnh cho các hệ thống thông tin tốc độ cao trong tƣơng lai. Chỉ sau vài năm
tiếp theo đƣợc phát minh cơ bản và cải tiến các thiết kế.

13


EDFA đƣợc bơm bằng laser bán dẫn LD đã nhanh chóng vƣợt qua đƣợc tất cả các
yêu cầu chất lƣợng hệ thống. Các ƣu điểm cơ bản và tiềm năng bên trong của

ADFA có thể kể đến là độ khuếch đại cao, nhiễu thấp ( nhiều giới hạn lƣợng tử ),
suy ha oxen thấp, không nhạy cảm với phân cực và không xuyên kênh cùng với khả
năng bơm LD thực tiễn.
Có một đặc điểm đáng lƣu ý là quá trình khuếch đại của EDFA là độc lập với tốc
độ bít. Các EDFA đã đặt sẵn ở một vị trí nào đó có thể hoạt động tốt cho các tác
động bit nâng cấp trong tƣơng lai. Tác động của EDFA vào thông tin quang có thể
tiến tới đỉnh cao của nó trong hệ thống truyền dẫn qua đại dƣơng.Việc phát triển
công nghệ EDFA trong môi trƣờng này còn có khả năng hoàn thiện hơn, chứa đựng
các đặc tính cấu trúc, các giao thức và các tiêu chuẩn đa dạng.Trong lĩnh vực mạng
nội hạt EDFA còn có nhiều những tiềm ẩn xa hơn. Các kết quả thu đƣợc đã khẳng
định các ứng dụng rộng rãi của EDFA và việc đầu tƣ nghiên cứu EDFA luôn rất
cần thiết cho thông tin quang tƣơng lai.

14


Chƣơng II : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN
QUANG
2.1 Ảnh hƣởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang
2.1.1 Tìm hiểu chung
Tán sắc trong sợi đơn mode là một trong những hiện tƣợng vật lý ảnh hƣởng
nghiêm trọng đến chất lƣợng của mạng thông tin quang tốc độ cao dùng bƣớc sóng
ánh sáng vùng cửa sổ 1550 nm. Nó làm tăng tỷ lệ lỗi bit, giới hạn tốc độ hoặc cự ly
truyền của mạng. Để xây dựng hoặc nâng cấp những mạng thông tin quang (OTD
DWM, OCDMA) kích thƣớc lớn (vài nghìn km), tốc độ cao (vài chục Gbit/s) thì
một vấn đề quan trọng phải giải quyết đó là giảm thiểu độ tán sắc trong sợi cáp
quang.
Ta đã biết khi tín hiệu truyền dọc theo sợi quang sẽ gây ra méo. Méo này do
tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra. Các hiệu ứng tán sắc
ở đây đƣợc giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode

truyền dẫn (vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lƣợng ở trong mode riêng bệt
lan truyền dọc theo sợi ). Tán sắc bên trong mode chính là sự dãn xung tín hiệu ánh
sáng xảy ra ở trong một mode. Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bƣớc sóng
cho nên ảnh hƣởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ
nguồn phát ( Độ rộng phổ chính là dải các bƣớc sóng mà nguồn quang phát tín hiệu
ánh sáng trên nó). Nó làm cho các xung quang lan truyền trong sợi quang bị dãn
rộng ra gây méo tín hiệu và làm xuống cấp đặc tính hệ thống. Xung tín hiệu mà dãn
quá rộng sẽ gây ra hiện tƣợng phủ chờm lên các xung kề nhau, và khi sự phủ chờm
vƣợt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang sẽ không còn phân biệt nổi các
xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu, đã làm giới hạn năng lực truyền
dẫn.

15


Nhƣ vậy tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm hai thành phần chính là tán
sắc giữa các mode (tán sắc mode) và tán sắc bên trong mode.Tán sắc bên trong
mode bao gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng.
Tán sắc mode tồn tại trong các sợi quang đa mode (MM) khi mà các tia sóng
lan truyền trong sợi theo các đƣờng khác nhau do đó dẫn đến thời gian lan truyền
các mode là khác nhau. Tuy nhiên trong thông tin quang chỉ sử dụng sợi quang đơn
mode (SM) nên không tồn tại tán sắc mode.
Tán sắc vật liệu là một hàm của bƣớc sóng do sự thay đổi chiết suất của vật
liệu làm nên lõi sợi nên nó tạo ra sự phụ thuộc của vận tốc nhóm vào bƣớc sóng
ánh sáng.
Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giã đƣợc khoảng 80% năng lƣợng ở
trong lõi vì vậy còn lại 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lƣợng ở
trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan
truyền mode 𝛽 là một hàm số của 𝛼/𝜆(với 𝛼 là bán kính lõi ):
𝛽=𝛼 𝜆

Hằng số này thƣờng đƣợc bỏ qua trong sợi quang đa mode nhƣng với sợi đơn
mode thì rất đáng kể.
Tán sắc tỷ lệ thuận với chiều dài sợi quang và độ rộng phổ của nguồn quang.
Xung quang ở cuối sợi quang sẽ bị dãn ra một lƣợng là:
𝛿𝑇 = 𝐷. ∆𝜆. 𝐿 (2.1)
Trong đó:
D là tham số tán sắc, đặc trƣng cho tán sắc của sợi quang đơn vị là ps/(km.nm)
∆𝜆là độ rộng phổ nguồn quang
L là chiều dài sợi quang
Có rất nhiều phƣơng pháp giúp giảm thiểu sự ảnh hƣởng của tán sắc đến hệ
thống thông tin quang sẽ đƣợc nghiên cứu ở phần tiếp theo.

16


2.1.2 Tán sắc vật liệu
Đối với các bƣớc sóng trong phạm vi 1550 nm thì tán sắc vật liệu là nguyên
chính gây ra hiện tƣợng tán sắc. Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp
quang, ánh sáng truyền không phải đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định và tốc độ
lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất là hàm của bƣớc
sóng). Vì vậy các thành phần vật liệu có thời gian truyền lệch so với nhau
gây ra tán sắc vật liệu.
Tán sắc vật liệu DM xuất hiện do chỉ số chiết suất của thủy tinh, loại vật liệu
dùng để chế tạo sợi quang và do những thay đổi của chúng theo tần số quang 𝜔.
Tán sắc vật liệu DM có thể tính theo công thức sau:
Với n là chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi . Dƣới góc độ đơn giản, nguồn gốc
của tán sắc vật liệu có liên quan tới đặc tính tần số cộng hƣởng mà tại đó vật liệu sẽ
hấp thụ sự phát xạ điện tử. Chỉ số chiết suất n(𝜔) đƣợc làm xấp xỉ bằng phƣơng
trình Sellmeier:
Với 𝜔j là tần số cộng hƣởng; Bj là cƣờng độ dao động , n là viết thay cho cả

n1 và n2 tùy thuộc vào đặc tính phân tán của lõi hay vỏ sợi quang có đƣợc xem xét
hay không.
Đối với thủy tinh trong suốt ta có chỉ số nhóm:
ng=n + 𝜔.dn/d 𝜔 (2.4)
Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi tùy theo bƣớc sóng đã gây ra
tán sắc vật liệu. Tán sắc vật liệu DM có ràng buộc với đƣờng bao của ng bởi công
thức (2.4) suy ra rằng dng/d 𝜆 = 0 tại bƣớc sóng 𝜆= 1.27 𝜇m.
Bƣớc sóng này đƣợc coi nhƣ là bƣớc sóng có tán sắc bằng không 𝜆ZD, vì
DM=0 tại 𝜆= 𝜆ZD.
Tham số tán sắc DM có giá trị âm tại bƣớc sóng dƣới 𝜆ZD và dƣơng tại bƣớc
sóng trên 𝜆ZD. Trong vùng bƣớc sóng từ 1.25 ÷1.66 𝜇m, tán sắc vật iệu có thể
đƣợc xác định bằng biểu thức sau:
17


Với 𝜆ZD = 1.276 𝜇m đối với sợi thủy tinh thuần khiết. Giá trị này có thể thay
đổi trong dải 1.27 ÷1.29 𝜇m đối với các sợi quang có lõi và vỏ đƣợc pha tạp để
thay đổi chỉ số chiết suất. Bƣớc sóng có tán sắc bằng không của sợi quang cũng
phụ thuộc vào bán kính lõi a và bậc chỉ số ∆ thông qua phần dẫn sóng cho tán sắc
tổng.
Hình ảnh: Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bƣớc sóng ở sợi
thủy tinh.
2.1.3 Tán sắc dẫn sóng
Cũng giống nhƣ tán sắc vật liệu, ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn
sắc mà có độ rộng phổ xác định cùng với sự phụ thuộc của hằng số lan truyền là
hàm của a/𝜆 nên vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau. Các thành
phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc ống
dẫn sóng DW là một thành phần đóng góp vào tham số tán sắc D, nó phụ thuộc
vào tần số chuẩn hóa V của sợi quang. Tán sắc dẫn sóng DW đƣợc tính theo
công thức sau:

Với n2g là chỉ số nhóm của vật liệu; b là hằng số lan truyền chuẩn
Với n là chỉ số mode, có giá trị nằm trong dải từ
2.1.4 Kết luận
Tán sắc có ảnh hƣởng nghiêm trọng đến năng lực truyền dẫn của hệ thống
thông tin quang.Và ảnh hƣởng của tán sắc đến vận tốc nhóm GVD có thể đƣợc
giảm nhỏ tối thiểu bằng việc sử dụng các nguồn phát laser bán dẫn có độ rộng phổ
hẹp và bƣớc sóng gắn với bƣớc sóng có tán sắc bằng 0 𝜆ZD của sợi quang.Tuy
nhiên vấn đề này không phải lúc nào cũng thực hiện đƣợc trong thực tế, và việc tạo
ra đƣợc các laser có bƣớc sóng 𝜆ZD là không hề dễ dàng. Trong các hệ thống thông
tin quang thế hệ thứ ba có bƣớc sóng tại vùng 1550 nm sử dụng loại nguồn phát
laser DFB, đây là hệ thống đang đƣợc khai thác phổ biến trên thế giới. Tham số tán
18