Khuyếch đại quang sợi và ứng dụng trong truyền dẫn quang WDM

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học Bách Khoa Hµ Néi
-----------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI V NG DNG TRONG TRUYN
DN QUANG WDM
NGUYN NGC SAO

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
CHUYấN NGNH: IN T VIN THễNG

Hà Nội - 2005


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học Bách Khoa Hµ Néi
-----------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI V NG DNG TRONG TRUYN
DN QUANG WDM
NGUYN NGC SAO

Luận Văn Th¹c SÜ Khoa Häc
CHUN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN
PGS – TS. ĐỖ XUÂN THỤ

Hµ Néi - 2005


3

các chữ viết tắt
ASE
APD
BA
BER
EDF
EDFA

Amplified Spontanous Emission
Avalanche Photodiode
Booster Amplifier
Bit Error Rate
Ebrium Doped Fiber
Ebrium Doped Fiber Amplifier

Bức xạ tự phát có khuếch đại
Đi ốt tách sóng thác
Khuếch đại công suất
Tỉ số lỗi bít
Sợi pha tạp Ebrium
Khuếch đại quang sợi pha tạp
Ebrium
ESA
Excited State Absorption

Hấp thụ trạng kích thích
GSA
Ground State Absorption
Hấp thụ trạng thái nền
GVD Group Velocity Dispersion
Tán sắc vận tốc nhóm
HMF Heavy Metal Fluoride
Florua kim loại nặng
LA
Line Amplifier
Khuếch đại đường truyền
LD
Laser Diode
Đi ốt laze
LED
Light Emiting Diode
Đi ốt phát quang
NA
Numerical Aperture
Khẩu độ số
NF
Noise Figure
Hình ảnh nhiễu
OAR Optical Amplifier Receiver
Bộ thu khuếch đại quang
OFA
Optical Fiber Amplifier
Bộ khuếch đại quang sợi
PA
Pre-Amplifier

Tiền khuếch đại
PDFA Paraseody Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp
Ebrium
SNR
Signal Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
SRS
Stimulated Raman Scattering
Tán xạ Raman kích thích
SBS
Stimulated Brillouin Scattering
Tán xạ Brillouin kích thích
SPM
Self Phase Modulation
Tự điều chế pha
TDFA Thulium Doped Fiber Amplifier
Khuếch đại quang sợi pha tạp
Thulium
XPM Cross Phase Modulation
Điều chế pha chéo
WDM Wavelength Division Mutiplexing GhÐp kªnh theo b­íc sãng


4

Lời mở đầu
Sự phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin và truyền thông đà đem lại
cho con người rÊt nhiỊu lỵi Ých thiÕt thùc trong cc sèng. Nã thu hẹp khoảng
cách của mọi người trên thế giới, nó làm cho con người xích lại gần nhau hơn.
Cùng với các ngành khoa học khác, công nghệ viễn thông đà và đang có

những tiến bộ vượt bậc kể từ khi phát minh hệ thống điện tín và điện thoại, hệ
thống viễn thông được xem là thiết yếu của một xà hội phát triển đồng thời tạo
ra tiền đề phát triển các ngành công nghiệp khác. Vì vậy các phương tiện cần
thiết cho viễn thông đang ngày càng trở nên phức tạp hơn và có khuynh hướng
kỹ thuật cao nhằm đáp ứng nhu cầu tăng nhanh về các dịch vụ có chất lượng
cao và dịch vụ viễn thông tiên tiến. Trong đó phải kể đến những đóng góp mà
thông tin quang đà đem lại cho loài người.
Sự ra đời của công nghệ thông tin quang đà phát triển lên một bước mới
trong công nghệ viễn thông tạo đà cho phát triển các ngành kinh tế khác.
Trong thời gian gần đây các hệ thống thông tin quang đà chiếm lĩnh hầu hết
các tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông toàn cầu và được
coi là phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và
xuyên lục địa. Trong thời gian tới, để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do bùng
nổ thông tin trong xà hội, mạng truyền dẫn phải có sự phát triển mạnh cả về
qui mô và trình độ công nghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng gồm các hệ
thống truyền dẫn quang hiện đại. Các hệ thống thông tin quang này đòi hỏi
phải có tốc độ cao, công nghệ tiên tiến... Đây cũng là nhu cầu rất cần thiết
cho mạng lưới ở nước ta trong giai đoạn phát triển mới.
Để triển khai lắp đặt các hệ thống thông tin quang có hiệu quả, bảo đảm
chất lượng truyền dẫn trong thời gian khai thác dài, công việc thiết kế tuyến là
hết sức quan trọng. Khi xây dựng các tuyến truyền dẫn tốc độ cao, cự ly xa và
trong trường hợp thiết kế các tun sư dơng c«ng nghƯ WDM hay tun th«ng
tin quang hiện đại thì các tuyến này thường hay sử dụng các bộ khuếch đại
quang, đặc biệt là EDFA và Raman.


5
Với những kiến thức được học và sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGSTS Đỗ Xuân Thụ, tôi xin trình bầy một số hiểu biết của mình về các bộ khuếch
đại quang sợi, nghiên cứu ảnh hưởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ số
SNR trong khuếch đại Raman và chương trình mô phỏng.

Luận văn được được chia làm các chương:
Chương I: Tổng quan về khuếch đại quang sợi
Chương II: Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ
số SNR trong khuếch đại Raman
Chương III: Chương trình mô phỏng
Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn này chắc chắn còn nhiều
thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự thông cảm, góp ý từ thầy cô và
các bạn.
Ngoài ra, để hoàn thành luận văn này tôi cũng đà nhận được được sự
giúp đỡ rất nhiều từ các thầy, cô giáo và đồng nghiệp. Đặc biệt là GS-TS Trần
Đức Hân.
Tôi xin chân thành cám ơn mọi sự giúp đỡ quý báu đó./.


6

Chương I
Tổng quan về Khuếch đại quang sợi
1.1.Khuếch đại quang sợi EDFA
1.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động:

a/Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA.

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc một EDFA
Trên đây là cấu trúc của một khuếch đại quang sợi EDFA. Bơm Laser có
thể hoạt động ở hai bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm thì hiệu suất bơm là
hiệu quả nhất. Các bộ cách ly quang (Isolator) có nhiệm vụ chống phản xạ tín
hiệu, chỉ cho phép truyền dẫn quang đơn hướng. WDM coupler dùng để ghép
tín hiệu bước sóng bơm và tín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium.
Các thành phần chính cấu tạo nên EDFA gồm có sợi được pha tạp

Erbium EDF (Erbium Dopped Fiber) thường có độ dài khoảng 10 m; laser
bơm LD; bé ghÐp b­íc sãng quang (coupler) WDM vµ bé cách ly quang
(Isolator). Từ các thành phần cấu trúc thiết bị như vậy người ta đà tạo ra nhiều
loại EDFA với các công nghệ và thể thức khác nhau. Để thu được bộ khuếch
đại thì phải cung cấp năng lượng quang cho sợi pha tạp Erbium. Nguồn năng
lượng để cung cấp năng lượng cho bộ khuếch đại quang được gọi là năng
lượng bơm. Công suất quang từ nguồn bơm này thường có bước sóng 980 nm
hoặc 1480 nm, công suất bơm từ 10 mW đến 100 mW. Các diode laser LD
dùng làm nguồn bơm được cấu tạo phù hợp với cấu hình và bước sóng bơm.
Khi mà hệ thống được bơm ở bước sóng 980 nm thì loại LD bơm th­êng lµ


7
loại có vùng tích cực với cấu trúc giếng lượng tử InGaAs. Vùng InGaAs là lớp
rất mỏng được đặt xen vào giữa các lớp vỏ có các tham số tinh thể khác nhau.
Nếu hệ thống được bơm ở bước sóng 1480 nm thì LD bơm thuộc loại laser
Fabry-Perot dị thể ch«n cã cÊu tróc tinh thĨ ghÐp InGaAs/ InP. Bé ghÐp b­íc
sãng WDM sÏ thùc hiƯn ghÐp ¸nh s¸ng tÝn hiệu và áng sáng bơm vào sợi pha
tạp Erbium hoặc trong một số trường hợp nó lại tách các tín hiệu này. Các bộ
cách ly quang có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống chẳng hạn
như phản xạ Rayleigh từ các bộ nối quang hay các phản xạ ngược lại từ bộ
khuếch đại. Việc giảm phản xạ này phải đạt tới mức chấp nhận được. Vì thế
các bộ cách ly quang có thể làm tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu.
Sợi pha tạp Erbium EDF là thành phần quan trọng nhất của EDFA và loại
sợi này gọi là sợi tích cực. Các ion Erbium được nằm ở vùng trung tâm lõi của
EDF, vùng này được pha tạp với nồng độ từ 100-2000 ppm Erbium. Các sợi
EDF thường có lõi nhỏ hơn và khẩu độ số NA cao hơn so với sợi đơn mode
tiêu chuẩn. Đường kính của vùng tâm lõi EDF vào khoảng 5 àm và là nơi
cường độ của ánh sáng bơm và tín hiƯu cao nhÊt. Líp vá thủ tinh víi chØ sè
chiÕt suất thấp hơn được bao quanh vùng lõi để hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng

và cho ra lực cơ khoẻ hơn để bảo vệ sợi EDF khỏi bị tác động từ bên ngoài.
Đường kính ngoài của lớp vỏ này khoảng 125 àm. Ngoài cùng là vỏ bọc ngoài
thêm để bảo vệ sợi có chức năng ngăn cản tác động từ bên ngoài sợi và đường
kính tổng cộng của nó vào khoảng 250 àm. 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 tương ứng với các khuyến
nghị G.652 hoặc G.653 của ITU-T.
Do lõi sợi nhỏ hơn và độ mở số NA cao hơn sợi tiêu chuẩn, việc hàn nối
trong quá trình lắp ráp các module khuếch đại quang sợi thực tế là một vấn đề
quan trọng [77]. Cấu trúc sợi pha tạp Erbium có NA cao cho ta có thể tạo ra
được EDFA đặc tính khuếch đại hiệu quả cao. Tuy nhiên, cấu trúc EDF như
vậy sẽ giảm đường kính trường mode và dẫn tới tăng suy hao hàn nối giữa sợi
tích cực và sợi truyền dẫn thụ động. Để khắc phục điều này, các đầu sợi được
áp dụng kỹ thuật vuốt thon để có đường kính trường mode tăng cục bộ. ở biện
pháp này, phân bố chỉ số chiết suất của đoạn vuốt thon sợi sẽ thay đổi dần dọc
theo trục sợi, và kích cỡ mode truyền dẫn cũng thay đổi. Đây là biện pháp đầy


8
sức thuyết phục để làm giảm suy hao ghép nối do sự không trùng khớp về
trường mode gây ra. Trong thực tế, các phương pháp để thực hiện kỹ thuật này
là khuếch tán các vật liệu pha tạp trong sợi thông qua quá trình xử lý nhiệt
TEC (Thermally Expanded Core) hoặc vuốt thon đường kính sợi theo một tỷ lệ
giữa lõi và vỏ phản xạ là hằng số.
Lõi pha tạp 1000 ữ 2000 ppm
Erbium có đường kính 3ữ6 àm.
Vùng có mật độ cao Er.

ã

Vỏ Silica có đường kính 125 àm
Vỏ có đường kính 250 àm.

Hình 1.2. Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium.

Hình 1.2 mô tả cấu hình của sợi TEC, đường kính lõi tăng dần và đường
kính trường mode của ánh sáng được truyền cũng được mở rộng. Biện pháp
này cho ra tần số chuẩn hoá là không thay đổi dọc theo sợi và đường kính
ngoài của sợi TEC không đổi so với phương pháp vuốt thon. Trong sợi TEC,
sự thay đổi suy hao là không đáng kĨ khi tû lƯ më réng lâi lµ 2 víi độ dài vuốt
thon là hơn 2mm. Khi tỷ lệ mở là 3, độ dài vuốt thon lớn hơn 5 mm thì có thể
đạt được suy hao bằng 0 dB.
2L
Đầu vào

2amax

2ao

Đầu ra

Hình 1.3. Sơ đồ của sợi TEC được vuốt Gaussian.

Các cấu trúc khác nhau của các thành phần khác nhau như là nguồn laser
bơm, thiết bị WDM, bộ ghép quang, và bộ cách ly được dùng trong EDFA
được mô tả chi tiết trong nhiều tài liệu và sách.
b/Nguyên lý hoạt ®éng.

9
Khuyếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu vẫn dùng sợi pha tạp Erbium,
viết tắt là EDFA ( Erbium Doped Fiber Amplifier). Trong sợi EDF, các
nguyên tử Erbium hoá trị ba Er3+ là các phần tử tích cực trong bộ khuếch đại
quang có chức năng khuếch đại ánh sáng. Năng lượng và sự chuyển tiếp
quang có liên quan tới các ion Erbium hoá trị ba. Những ký hiệu trên phía bên
phải của hình là các số lượng tử dùng chung gán cho từng chuyển tiếp. Các số
này có dạng 2S+1Lj , ở đây s là số lượng tử quay, L là động lượng góc quỹ đạo,
và j là động lượng góc tổng (L+S) L bằng một trong những giá trị 1, 2, 3, 4, 5,
6,..., được ký hiệu bằng các chữ cái S, P, D, F, G, H, I. Biểu đồ LSI này được
dùng dưới dạng chữ nghĩa để chỉ các mức năng lượng ion, số các đường
Stark-Split là (2j+1)/2 cho mỗi mức.
Nguyên lý khuếch đại được thực hiện nhờ cơ chế bức xạ như sau:
Hình 1.4. Giản đồ năng lượng của Erbium
Giản đồ năng lượng
2

H11/2

660

4

Không bức xạ

810
980
1480
1550

S3/2

4

F9/2
I9/2
4
I11/2

4

Siêu bền
Khuếch đại
1500-1600

Vùng bơm (nm)

543

4

I13/2 N2

Tự phát

520

4

I15/2 N1

Trạng thái nền

Hình 1.4. Giản đồ năng lượng của Erbium
Đối với các mức năng lượng như đà mô tả ở trên, hoạt động cơ bản của
bộ khuếch đại quang EDFA được mô tả như sau. Quá trình bức xạ xảy ra
trong EDFA nhìn chung có thể được phân cấp thành bức xạ kích thích và bức
xạ tự phát. Khi các ion Erbium Er3+ được kích thích từ trạng thái nền thông
qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rà không phát xạ ở các mức năng
lượng cao hơn cho tới khi nó tiến tới trạng thái siêu bền (trạng thái 4I13/2). Tín
hiệu quang tới đầu vào sợi EDF tương tác với các ion Erbium đà được kích
thích và được phân bố dọc theo lõi sợi. Quá trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra
các photon phơ cã cïng pha vµ h­íng quang nh­ lµ tín hiệu tới, và chính vì


10
thế mà ta thu được cường độ ánh sáng tín hiệu tại đầu ra EDF lớn hơn đầu vào.
Như vậy, đà đạt được quá trình khuếch đại trong EDFA. Các ion đà được kích
thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân rà tự phát tới trạng thái nỊn
víi h»ng sè thêi gian xÊp sØ 10 ms. Ph¸t xạ tự phát SE (Spontaneous Emision)
có pha và hướng ngẫu nhiên. Thông thường thì có ít hơn 1% SE được giữ lại
trong mode sợi quang, và nó trở thành một nguồn tạp âm. Tạp âm này sẽ được
khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified
Spontaneous Emision). ở trạng thái nền, khi có sự hấp thụ photon bơm hoạt
động trở lại, quá trình này sẽ tự lặp lại. ASE sẽ làm suy giảm tỷ số tín hiệu
trên tạp âm của tín hiệu qua bộ khuếch ®¹i quang.
1.1.2.Phỉ khch ®¹i cđa EDFA.

Phỉ khch ®¹i cđa 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 đà được
nghiên cứu với các sợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các
EDFA.Trong các kết quả thí nghiệm thu được bằng cách pha tạp Al và (hoặc)
P trong lõi của sợi thủ tinh pha Er3+ sÏ cã t¸c dơng më réng phổ khuếch đại.
Gần đây người ta cũng tìm thấy rằng pha tạp Al có thể thu được mức khuếch
đại rất cao trong một mặt phẳng trải trong vùng bước sóng 1540 nm đến 1560
nm. Bằng cách thay đổi vật liệu chđ trong sỵi thủ tinh silica sang thủ tinh
Fluoride gèc ZnF4 vµ thđy tinh Fluorophosphate cịng høa hĐn më réng và làm
phẳng được băng tần khuếch đại. Đặc biệt sợi EDF gốc Fluoride cho ra được
vùng khuếch đại bằng phẳng trong dải bước sóng từ 1530 nm đến 1560 nm.
Hình 1.5 đà thể hiện các phổ khuếch đại tiêu biểu của sợi thủy tinh pha
tạp Ge/Er và pha tạp Al/P/Er. Phổ của sợi pha tạp Ge/Er có mặt cắt gồm hai
đỉnh tại 1536 nm và 1552 nm. Trong khi đó phổ khuếch đại của sợi pha
Al/P/Er có một vùng khuếch đại rộng nằm trong khoảng 1545 nm đến 1560
nm mặc dù nó có một đỉnh khuếch đại nhô lên tại vùng xung quanh 1530nm.
Ngoài ra, phổ khuếch đại của EDFA có thể được dịch tới vùng bước sóng dài
hơn khi sử dụng độ dài EDF là tương đối dài. Khi tăng độ dài EDF, phổ
khuếch đại có thể thu được trong khoảng bước sóng từ 1570 nm đến 1620 nm.
Tại vùng bước sóng cao hơn 1620 nm, khuếch đại tín hiệu sẽ giảm do quá
trình ASE (dịch chuyển từ 4I9/2 tới 4I13/2) và giới hạn trên của phổ khuếch đại
được quyết định bởi ASE này.


20

20

10

10

3 dB

0
10
20
30

-10

Tín hiệu

-20

-30

Băng tần

-40

Đầu ra được
khuếch đại

0
Công suất quang đầu ra

Công suất quang đầu ra
(dBm)

11

50

-40

-50

-60
1475

1550

1625

-60
1475

1550

a) Phổ đầu ra không có tín hiệu đầu vào

1625

Bước sóng (nm)

Bước sóng (nm)

b) Phổ đầu ra có tín hiệu đầu vào

Hình 1.5. Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA.

Thông thường thì phổ khuếch đại ®­ỵc ®o b»ng viƯc qt b­íc sãng tÝn
hiƯu víi mét nguồn tín hiệu đơn. Tuy nhiên, phổ được thay đổi khi công suất
tín hiệu đầu vào được thay đổi. Phổ trở nên phẳng khi công suất tín hiệu đầu
vào là cao. Mức công suất tín hiệu đầu vào là một tham số quan trọng và phổ
thường được đo dưới các điều kiện tín hiệu nhỏ. Đầu ra quang của EDFA phụ
thuộc vào bước sóng vì độ khuếch đại thay đổi theo các đặc tính bước sóng
của sợi pha tạp Erbium EDF. Hình 1.5 a) và b) mô tả phổ đầu ra tiêu biểu của
một EDFA tương ứng cho các trường hợp không có và có tín hiệu đầu vào.
Khi không có tín hiệu đầu vào, chỉ có bức xạ tự phát được khuếch đại ASE
(Amplifer Spontaneous Emission). Băng tần bức xạ tự phát được xác định tại
giá trị công suất ở vai của phổ giảm đi 3 dB. Tuy nhiên, việc xác định này
không được chỉ ra trên các thiết bị đo tiêu biểu như là máy phân tích phổ
quang OSA (Optical Spectrum Analyzer). Như vậy giá trị này chỉ được chỉ ra
như là một giá trị tiêu biểu mà không có các giá trị nhỏ nhất hay lớn nhất.
1.1.3.Các øng dơng cđa EDFA trong hƯ thèng th«ng tin
quang.

a/ CÊu trúc thiết bị EDFA trong thông tin quang.
+ Các cấu hình EDFA tiêu chuẩn:
Trong hệ thống thông tin quang các bộ khuếch đại quang sợi Erbium
EDFA thường ở dưới dạng cấu trúc modul. Ngoài ra, EDFA được kết hợp với
các thiết bị khác như bộ phát quang hoặc thu quang tuỳ thuộc và các ứng dụng


12
khác nhau. Nhìn chung các cấu hình EDFA được phân loại thành ba loại chính
theo các cấu hình bơm xuôi, bơm ngược và bơm hai hướng như hình vẽ sau:
Cách ly WDM

EDF

Tín hiệu vào

Tín hiệu ra

LD
Bơm

Cách ly

Cách ly

Cách ly WDM

EDF

WDM Cách ly

Tín hiệu vào

EDF

Tín hiệu ra

WDM Cách ly

LD
Bơm

Tín hiệu ra

Tín hiệu vào

LD
Bơm

LD
Bơm

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

13
quang LD có đuôi sợi ra. Từ kết quả này các đặc tính khuếch đại của modul
EDFA được cải thiện đáng kể. Một số các chức năng tiên tiến khác được thêm
vào như tự động điều khiển khuếch đại AGC (Automatic Gain Control) và tự
động điều khiển công suất APC (Automatic Power Control) để có được các
ứng dụng ổn định trong các hệ thống thông tin quang sợi thực tế. Các modul
EDFA đà được phát triển trong các hệ thống thông tin quang analog và digital.
Ngoài ra còn có các cấu hình khác phù hợp với các yêu cầu ứng dụng khác
nhau được triển khai từ các dạng này.
+ Các cấu hình EDFA cải tiến:
- Các bộ khuếch đại quang sợi phản xạ và hai hướng:
Từ các modul đơn hướng và hai hướng các dạng cải tiến của nó đà được
đưa ra với các cấu hình khác nhau. Trong các EDFA phản xạ có loại dụng cụ
gọi là gương, cách tử được đặt tại đầu ra của EDFA để phản xạ cả ánh sáng
bơm và tín hiệu. ánh sáng bơm và tín hiệu đi qua EDFA hai lần sẽ cho ra độ
khuếch đại thực tăng lên. Các EDFA hai hướng cho phép tín hiệu truyền cả
hai hướng. So với các EDFA bơm xuôi tiêu chuẩn thì ở hình.1.7 a), thì hình
1.7 b) minh họa cho ánh sáng bơm được phản xạ trong EDFA nhờ một gương
lưỡng sắc. Trong hình 1.7 c) thì cả ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm được
phản xạ trong nhờ một gương băng rộng. Hình 1.7 d) được phát triển từ hình
1.7 c) với sự thêm bộ lọc ASE. Các bộ vòng quang OC (Optic Circulator)
trong các cấu hình ở hình 1.7 c), d) có thể được thay thế bằng các bộ coupler 3
dB.
Gương
EDF
EDF
WDM

WDM

Tín hiệu
vào

Tín hiệu ra

LD
Bơm

OC

LD
Bơm

a)
EDF

Tín hiệu
vào

p

Tín hiệu
vào

Gương

b)
EDF WDM F

Tín hiệu
vào

WDM

Tín hiệu ra

OC

Gương

WDM

p, s
Tín
hiệu ra

LD
Bơm

c)

Tín
hiệu ra

p

LD
Bơm

Hình 1.7. Các cấu hình EDFA phản xạ

d)

s


14
Các cấu hình này có thể cho ra khuếch đại tín hiệu tăng rất cao gần gấp
đôi so với cấu hình chuẩn, do đó có sự khuếch đại đúp ở EDFA phản xạ tín
hiệu. Khi đó EDFA phản xạ cả bơm và tín hiệu cho ra sự cải thiện hệ số
khuếch đại lớn nhất, có thể khoảng từ 7,5 dB/mw đến 22,5 dB/mw. Tuy nhiên,
các kết quả thực nghiệm đà chỉ ra rằng hệ số nhiễu trong các cấu hình này
luôn cao hơn hệ số nhiễu trong các cấu hình chuẩn. Các giá trị của hệ số nhiễu
trong các cấu hình 1.7 c), d) thường là cao hơn cấu hình chuẩn vào khoảng 1,5
dB cho cả hai bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm.
Các cấu hình EDFA hai hướng thường có ưu điểm hơn so với cấu hình
phản xạ. Các hệ thống truyền dẫn đơn hướng có các bộ cách ly quang có thể
được chuyển thành các hệ thống hai hướng và tương tác (lẫn nhau) bằng cách
sử dụng các đôi sợi quang. Hình 1.8 mô tả cấu trúc ba cấu hình cơ bản cho các
ứng dụng hai hướng. Cấu trúc đơn giản nhất được minh họa trong hình 1.8 a).
Đây là một EDFA được bơm hai hướng để đạt được các đặc tính nhiễu và bÃo
hoà đồng dạng trong cả hai hướng mà không có bộ cách ly. Các tín hiệu quang
ở đầu vào tại cả hai đầu EDFA và vì vậy cấu hình này cũng được coi là cấu
hình hai hướng tín hiệu. Vì nó không sử dụng các bộ cách ly nên mức bù công
suất phải được tính và độ khuếch đại của EDFA bị giới hạn ở mức thấp hơn 18
dB. Hơn thế nữa mức bù công suất như vậy sẽ dẫn đến giá thành đắt khi phải
sử dụng nguồn công suất bÃo hoà rất cao.

EDF

Tín hiệu

WDM

Tín hiệu

WDM

a)

LD Bơm
EDF

Tín hiệu vào Coupler
WDM
Tín hiệu ra

b)
LD Bơm
Coupler

EDF

Tín hiƯu ra

WDM
TÝn hiƯu vµo

15

EDF
WDM
Tín hiệu vào

Tín hiệu ra
OC

Tín hiệu ra

LD Bơm

OC

EDF

Tín hiệu vào
WDM

c)

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

Trong các hệ thống thông tin có sử dụng các bộ khuếch đại quang, các
ảnh hưởng phi tuyến của EDFA đối với tín hiệu đầu vào lớn sẽ dẫn đến sự
biến đổi công suất ngoài ý muốn và điều này sẽ làm suy giảm tỷ số lỗi bit của
hệ thống. Trong các hệ thống sử dụng nhiều bộ khuếch đại quang mắc chuỗi
nối tiếp, ảnh hưởng của bÃo hoà khuếch đại tại bất kỳ trạng thái EDFA nào
cũng đặc biệt có hại vì các chuỗi bộ khuếch đại được thiết kế để hoạt động tại
mức thông suốt tín hiệu một cách chính xác.
Trong các hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo
bước sóng WDM, công suất tổng từ sự xếp chồng của vài kênh quang có thể
thay đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian. Điều này cũng gây ra trôi công
suất tín hiệu và sự điều chế trong kênh tần số thấp ngoài ý muốn. Trong các hệ
thống có EDFA sự nhạy cảm phân cực nhỏ của các thành phần quang sẽ tích
luỹ dọc theo chuỗi và trôi phân cực tín hiệu có thể dẫn tới thay đổi suy hao hệ
thống trong thời gian ngắn. Ngoài ra sự già hoá theo thời gian của các diode
laser bơm trong các EDFA cũng có thể dẫn tới tăng dần suy hao tÝn hiƯu. Nh­
vËy, thùc hiƯn viƯc ®iỊu chØnh khch đại là cần thiết và giải pháp cho các vấn
đề ở trên là tự động điều chỉnh khuếch đại AGC (Automatic Gain Control).


16
AGC duy trì độ khuếch đại của EDFA ở mức cố định trong thời gian có sự
xáo trộn trôi tín hiệu hoặc thay đổi suy hao hệ thống. AGC cũng có thể thể
hiện chức năng quan trọng của quá trình tuyến tính hoá độ khuếch đại. Điều
này có thể đạt được nhờ quá trình tự động điều chỉnh công suất APC (
Automatic Power Control). AGC có chức năng cố định độ khuếch đại và sự
thay đổi công suất tín hiệu đầu ra và sự thay đổi độ khuếch đại. AGC đòi hỏi
ba chức năng sau:
- Tách những biến đổi công suất tín hiệu tương ứng với mức chuẩn nào
đó.
- Phát tín hiệu lỗi.

- Lưu giữ các điều kiện đầu khi không có lỗi.
Ba chức năng này có thể được thực hiện bằng quang điện. Chúng ta có
thể tham khảo hai giải pháp là AGC có điều khiển bơm và điều khiển tín hiệu.
Các AGC có điều khiển bơm sẽ thực hiện nén bÃo hoà khuếch đại bằng việc
tăng bơm; còn AGC có điều khiển tín hiệu thì duy trì mức bÃo hoà như một
hằng số. Cả hai đều đưa ra tuyến tính hoá độ khuếch đại EDFA, tức là:
Psout/Psin = G = hằng số.
- Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại:
Cân bằng phổ khuếch đại là rất quan trọng đối với các ứng dụng EDFA
trong hệ thống đa kênh quang WDM. Như ta đà biết băng tần khuếch đại là
không đồng đều về phổ và thể hiện một vài gợi sóng, những sự khác nhau về
độ khuếch đại thường xảy ra ở các kênh quang có khoảng cách bước sóng lớn.
Trong các hệ thống thông tin quang sử dụng chuỗi dài các bộ khuếch đại
quang trên đường truyền, ngay cả những sự khác nhau nhỏ về phổ khuếch đại
cũng có thể dẫn tới những khác biệt lớn về công suất tín hiệu thu được. Điều
này gây ra sự khác nhau lớn về BER giữa các tín hiệu thu được tới mức thậm
trí không thể chấp nhận được. Đối với một vài kênh quang được ghép sự khác
biệt công suất có thể xảy ra ở đầu ra hệ thống do sự bù khuếch đại không đủ
dọc theo chuỗi các bộ khuếch đại. Ngoài ra bức xạ tự phát được khuếch đại
ASE được phát trong vùng khuếch đại cao nhất (gần với đỉnh tại bước sóng
1,53 àm), các bộ EDFA không được cân bằng sẽ sinh ra bÃo hoà khuếch đại
đồng đều, điều này gây ảnh hưởng tới các kênh WDM tại các bước sóng dài
hơn. Như vậy thì việc cân bằng khuếch đại cũng là một điều mong muốn đối
với c¸c hƯ thèng analog cho mÐo cÊp hai sinh ra do sự nghiên khuếch đại.


17
Cân bằng khuếch đại có nghĩa là làm cho khuếch đại đồng đều ở các
kênh quang riêng rẽ. Làm phẳng khuếch đại nghĩa là tạo ra được băng tần phổ
khuếch đại đều nhau. Như vậy khi ở trường hợp ứng dụng hai kênh cân bằng

khuếch đại có thể được thực hiện nhờ các biện pháp đơn giản như sau:
- Với một EDFA có độ dài L đà cho, công suất bơm có thể được chọn để
các bộ khuếch đại trong các vùng đỉnh và vai gần các bước sóng 1,53 àm và
1,54 àm là chính xác bằng nhau.Vì sự khác biệt là do ảnh hưởng của sự tái
hấp thụ tín hiệu ở bước sóng ngắn. Một cách cân bằng khuếch đại khác là đặt
các kênh quang tại các bước sóng mà nó cho ra các bộ khuếch đại bằng nhau
ở điều kiện bơm lớn nhất.
- Phương pháp thứ hai để cân bằng và làm phẳng khuếch đại là sử dụng
các bộ lọc quang thụ động. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng đỉnh băng
tần hoặc bộ lọc có điều chỉnh gần với đỉnh khuếch đại. Việc kết hợp của
truyền dÉn cã bé läc phơ thc b­íc sãng vµ khch đại EDFA sẽ tạo ra được
độ phẳng phổ khuếch đại thực. Việc cân bằng khuếch đại cho EDFA cũng có
thể đạt được bằng cách sử dụng bộ lọc quang tích cực. Trong các bộ lọc tích
hợp âm thoa quang có ®iỊu chØnh AOTF (Acoustic Optic Tunable Filters),
trun dÉn t¹i b­íc sóng đà cho có thể được điều khiển bằng việc điều chỉnh
tần số trung tâm và công suất của tín hiệu RF điều khiển. Bằng cách điều
khiển AOTF với một sè b­íc sãng mang phơ RF viƯc ®iỊu khiĨn trun dẫn
có thể đạt được đồng thời cho các bước sóng quang khác nhau.
- Các cấu trúc EDFA cải tiến đặc tính khác.
Để cải thiện đặc tính của bộ khuếch đại EDFA, có một số các cấu trúc
biến đổi có sự thay đổi chút ít về cấu hình của EDFA. Trong các cấu hình này,
đầu tiên cần phải kể tới là cấu hình thay đổi độ dài sợi pha tạp erbium EDF để
thu được độ khuếch đại cao hơn. Tuy nhiên cần phải chú ý tới nhiễu của
EDFA, vì công suất bơm cao thường được sử dụng ở cấu trúc này.
Phương pháp thứ hai là EDFA được tách độ dài EDF thành hai phần bằng
bộ cách ly. S.Yamashita và T.Okoshi, O. Lumholt và các tác giả đà phân tích
lý thuyết và tiến hành thực nghiệm về vấn đề này. Trong phương pháp này,
một bộ cách ly được đặt ở giữa sợi pha tạp Erbium để chặn nhiễu ASE.
Phương pháp này tạo ra được khuếch đại tăng và làm giảm hệ số nhiễu NF của
EDFA. Hình 8.34 chỉ ra nguyên lý làm giảm NF và loại trừ ASE bằng bộ cách

ly.


18

BÃo hoà xảy ra do
ASE ngược

EDFA
Tín hiệu nhỏ
ASE ngược

Nhiễu phía trước thấp
do đặt bộ cách ly

EDFA
ASE ngược

Tín hiệu nhỏ

Bộ cách ly ở giữa

Hình 1.9. Sự giảm NF do ASE ngược và loại trừ ASE ngược
bằng bộ cách ly.

Phương pháp thứ ba để tăng độ khuếch đại của EDFA là đặt thêm vào độ
dài EDF một bộ lọc quang băng thông hẹp. Như vậy, phương pháp này đà sử
dụng bộ lọc quang thay cho bộ cách ly quang trong phương pháp thứ hai đÃ
mô tả ở trên.
Hình 1.9 chỉ ra cấu trúc bộ khuếch đại EDFA áp dụng phương pháp này.

Bằng việc sử dụng bộ cách ly quang hoặc bộ lọc thì ta có thể cải thiện
được độ nhạy thu. Tuy nhiên, vị trí của cả bộ cách ly và bộ lọc trong hai
phương pháp này cần được khẳng định. Từ các thí nghiệm ở trên, kết quả đÃ
chỉ ra rằng vị trí tối ưu của bộ cách ly quang là vào khoảng 25% đến 40% độ
dài sợi tính từ đầu vào cho cả các bộ khuếch đại được bơm cùng và hai hướng.
Vị trí tối ưu của bộ lọc quang được tìm ra là ở khoảng 42% tính từ đầu vào độ
dài tổng của bộ khuếch đại.
EDF
Đầu vào

Bộ lọc

WDM C1

Đầu ra

WDM C2
LD b¬m

EDF

WDM C3


19
Hình 1.10. Cấu hình EDFA có bộ lọc quang được xen vào độ dài sợi EDF.

b/ Các ứng dụng trên c¸c hƯ thèng tun tÝnh sè.
Cã 3 øng dơng chÝnh của EDFA được sử dụng trong khuếch đại quang
sợi đó là : Khuếch đại công suất ( Booster Amplifier- BA), tiền khuếch đại (

Pre-amplifier- PA) và khuếch đại đường truyền ( Line Amplifier- LA). Hình
2.7. mô tả cấu hình ứng dụng thiết bị OFA với các cấu trúc khác nhau.
Phát quang

a)

EDFA

Tx

Thu quang
Rx

PA
Phát quang

b)

Thu quang

EDFA

Tx

Rx
BA

Phát quang

c)

EDFA

Tx

Thu quang
Rx

LA

Hình 1.11. Các ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi
- Bộ khuếch đại công suất quang.
BA là thiết bị EDFA có công suất bÃo hoà lớn được sử dụng ngay sau Tx
để tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất ra tương đối cao nên tạp âm
ASE có thể bỏ qua và do đó đối BA không đòi hỏi phải có các yêu cầu nghiêm
ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm. Tuy nhiên, với mức công suất ra
cao việc sử dụng BA có thể gây nên một số hiện tượng phi tuyến. Các chức
năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx. BA có thể tích
hợp với Tx ( gọi là OAT) hoặc tách riêng với Tx.
- Bộ tiền khuếch đại quang.
PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp được sử dụng ngay trước bộ
thu Rx để tăng độ nhạy thu. Sử dụng PA bộ nhạy thu được tăng lên đáng kể.
Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx. Để đạt
được mức tạp âm ASE thấp người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng
hẹp ( nên sử dụng các bộ lọc có khả năng ®iỊu chØnh b­íc sãng trung t©m theo


20
bước sóng của nguồn phát). PA có thể tích hợp với Rx ( gọi là OAR) hoặc
tách riêng với Rx.

- Bộ khuếch đại đường truyền.
LA là loại thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng trên đường
truyền ( giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Tuỳ theo chiều
dài tuyến mà LA có thể được dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp
trên tuyến. Đối với các hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh
thông tin riêng để thực hiện cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA. Kênh
giám sát này ( OSC- Optical Supervisor chanel) không được quá gần với sóng
bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng giữa các kênh này. Tại mỗi
LA kênh giám sát này được chèn thêm các thông tin mới về trạng thái của LA
và các thông tin về cảnh báo sau đó lại được phát lại vào đường truyền. Về
mặt lý thuyết khoảng cách truyền dẫn lớn ( cỡ vài nghìn Km ) có thể đạt được
bằng cách chèn thêm các LA vào đường truyền. Tuy nhiên trong trường hợp
trên tuyến có nhiều LA liên tiếp nhau chất lượng hệ thống có thể suy giảm
nghiêm trọng do các hiện tượng như: tích luỹ tạp âm, sự phụ thuộc của phổ
khuếch đại vào tổng hệ số khuếch đại, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực và các
hiệu ứng phi tuyến. Đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh
một bước sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA.
Do đặc điểm khác nhau của các loại thiết bị khuếch đại quang nên mức
ưu tiên sử dụng đối với từng loại cũng khác nhau:
- LA đòi hỏi phải có một kênh giám sát riêng hơn nữa thêm các điểm
trung gian vào trên đường truyền cũng làm cho việc bảo dưỡng trở nên phức
tạp hơn. Do đó mức ưu tiên sử dụng đối với LA là thấp nhất, chỉ trong trường
hợp khi dùng cả BA và PA mà vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về quỹ công
suất thì mới sử dụng LA.
- Đơn giản nhất là sử dụng BA và PA để tăng quỹ công suất. Tuy nhiên
do cấu hình của PA phức tạp hơn BA ( vì phải sử dụng các bộ lọc quang băng
hẹp để loại bỏ bớt tạp âm ASE ) nên giữa BA và PA thì BA vẫn được ưu tiên
sử dụng hơn.
Việc sử dụng các thiết bị khuếch đại quang (BA,PA,LA) sẽ tăng quỹ
công suất lên đáng kể. Với phổ khuếch đại tương đối rộng ( khoảng 35 nm),

khả năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc độ và dạng tín hiệu, sử dụng
khuếch đại quang rất thuận lợi trong việc nâng cấp tuyến như tăng tốc độ hoặc
thêm kênh bước sóng.


21
Nhìn chung, sử dụng khuếch đại quang có thể bù lại suy hao trong hệ
thống, như vậy các hệ thống trước đây bị hạn chế về suy hao thì nay có thể lại
bị hạn chế về tán sắc. Trong trường hợp đó phải sử dụng một số phương pháp
để giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc, ví dụ như sợi bù tán sắc hay sử dụng các
nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài...
Một trong các hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch
đại không đồng đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ
số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại bước sóng 1530
nm . Hơn nữa, trong trường hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp
thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quanh bước sãng 1558 nm.
Nh­ vËy, víi nhiỊu EDFA liªn tiÕp trªn đường truyền dải phổ khuếch đại sẽ bị
thu hẹp lại có thể là từ 35 nm xuống còn 10 nm hoặc hơn nữa tùy thuộc vào số
bộ khuếch đại quang liên tiếp nhau.
Ngoài ra trong trường hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường
truyền, một vấn đề nữa cần quan tâm xem xét là tạp âm ASE trong bộ khuếch
đại quang phía trước sẽ được khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang phía sau. Sự
khuếch đại và tích lũy tạp âm này sẽ làm cho tỷ số S/N của hệ thống bị suy
giảm nghiêm trọng. Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE
có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống dưới mức cho phép. Tuy nhiên, nếu
mức công suất tín hiệu vào là quá cao thì tín hiệu này kết hợp với ASE có thể
gây hiện tượng bÃo hòa ở bộ khuếch đại.
Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng một số phương
pháp sau:
- Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại : xung quanh

b­íc sãng 1530 nm vµ xung quanh b­íc sãng 1558 nm trong tr­êng hỵp cã sư
dơng nhiỊu EDFA liên tiếp trên đường truyền.
- Hoặc điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bước sóng sao cho tại
đầu thu, mức công suất của tất cả các bước sóng này là như nhau.
Một cải tiến quan trọng trong việc san phẳng và mở rộng khuếch đại của
bộ khuếch đại quang đó là sự ra đời của bộ khuếch đại có tên là EDTFA (
Erbium Doped Tellurite based Fiber Amplifier ). Sơ đồ cấu hình như sau:


22

Hình 1.12. Cấu trúc EDTFA
Về bản chất thì EDTFA giống như EDFA hay EDSFA, chỉ khác là
EDSFA dựa trên nền bán dẫn Silic còn EDTFA dựa trên nền bán dẫn
Tellurium. EDTFA cho phép mở rộng phổ khuếch đại lên tới 90 nm từ bước
sóng 1530 nm đến 1620 nm.
1.1.4. Các tham số đặc tính kỹ thuật ảnh hưởng đến hệ
thống thông tin quang EDFA.

a/ Công suất bơm và bước sóng bơm trong EDFA.
Như giải thích trong phần Cấu trúc và nguyên lý hoạt động, có một vài
vùng bước sóng bơm cho phép kích thích các ion Erbium. Đặc tính khuếch đại
của sợi Erbium EDF được bơm ở mỗi vùng bơm được so sánh dưới dạng hệ số
khuếch đại, tỷ lệ phần tiết diện bức xạ kích thích bơm và phần tiết diện hấp
thụ bơm, hiệu suất biến đổi công suất và các đặc tính nhiễu.
Hình 1.13 mô tả quan hệ giữa khuếch đại tín hiệu và công suất bơm. Độ
khuếch đại lúc đầu tăng mạnh với hàm mũ với sự tăng của công suất bơm và
rồi hạ thấp xuống. Hình nµy cịng chØ ra sù phơ thc hƯ sè khch đại tín
hiệu vào độ dài sợi. Độ dài sợi mà tăng sẽ dẫn tới hệ số khuếch đại tăng.
Hiệu suất biến đổi công suất là một tham số thông dụng để áp dụng chủ

yếu cho EDFA khuếch đại công suất BA vì nó có liên quan đến các đặc tính
bÃo hoà của EDFA. Tham số này thường được sử dụng trong thiÕt kÕ modul


23
để xác định công suất tín hiệu đầu ra thu được từ modul EDFA với công suất
bơm sẵn có trong modul và được xác định là:
Epc(%) = (PSout - PSin)x100/PPin

(1.1)

Trong đó PSout ,PSin và PPin tương ứng là công suất tín hiệu đầu ra, công
suất tín hiệu đầu vào và công suất bơm vào sợi pha tạp Erbium EDF. Giá trị
lớn nhất của Epc được cho đối với bước sóng tín hiệu s và bước sóng bơm p
là:
Epcmax(%) = (p /s )x100

(1.2)

Vì vậy hiệu suất biến đổi công suất lớn nhất Epc sẽ tăng khi bước sóng bơm
tiến tới bước sóng tín hiệu.
Khuếch đại tín hiệu (dB)

40

Hệ số khuếch đại
= 10,2 dB/mW

30m

30

23m
18m
Độ dài sợi =10m

20

Sợi: Thuỷ tinh pha- Ge/Al/Er
Bước sóng tín hiệu: 0,98àm
Bước sóng bơm: 1,534àm
Công suất tín hiệu vào: -43 dBm

10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Công suất bơm (mW)

Hình 1.13. Sự phụ thuộc bộ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA
Cả hai loại bước sóng bơm 1480 nm và 980 nm đều ®­ỵc dïng tèt trong
EDFA. T tõng ®iỊu kiƯn cơ thĨ mà có thể sử dụng bước sóng bơm 1480 nm
hay 980 nm. Thực hiện tính toán để tìm độ khuếch đại G với các bước sóng
bơm khác nhau và so sánh bơm 1480 nm với 980 nm dựa trên quan hệ giữa độ
dài sợi EDF và khuếch đại tín hiệu cho cả hai bước sóng ở cùng một công suất
bơm. Kết quả như hình 1.14.Từ kết quả này và tham khảo các kết quả thí
nghiệm ta thấy rằng bơm ở 980 nm có hiệu quả hơn bơm ở 1480 nm.


24
35

30

10

25

25
20

Độ khuếch đại thực (dB)

Độ khuếch đại thực (dB)

30

9

15
10
5
Pp = 5mW

0

6

7

8

-5
0

10

20

30

40

50

60

Độ dài sợi EDF (m)
a) Khuếch đại G phụ thuộc
độ dài sợi EDF

20
15
10
5

1480nm, Pp=6mW
1480nm, Pp=7mW
980nm, Pp=6mW
980nm, Pp=7mW

0
-5
0

20

10

30

40

50

Độ dài sợi EDF (m)
b) Khuếch đại G phụ thuộc độ dài sợi EDF
với các cấu hình bơm khác nhau

Hình 1.14. Quan hệ giữa độ dài EDF và khuếch đại tín hiệu
b/ Khuếch đại trong bộ khuếch đại pha tạp Erbium.
Công suất và bước sóng bơm có liên quan tới khuếch đại của bộ khuếch
đại quang sợi OFA (Optic Fiber Amplifer). Độ khuếch đại là một trong những
tham số cơ bản nhất và nó thể hiện khả năng làm tăng công suất tín hiệu
truyền trong OFA. Độ khuếch đại G của bộ khuếch đại quang được xác định
như sau:
G = (Pout - Psp)/Ps

(1.3)

Trong đó Ps và Pout tương ứng là các công suất đầu vào và đầu ra của bộ
khuếch đại quang.Ngoài khuếch đại, bộ khuếch đại quang cũng phát ra ASE
và ở đây Psp là công suất nhiễu được phát từ bộ khuếch đại quang nằm trong
băng tần quang.
Việc xác định độ khuếch đại quang sợi là một quá trình phức tạp do bản
chất phân bố hai hướng cảu nó. Để thu được độ khuếch đại thực của bộ
khuếch đại thì cần phải xác định được phần tiết diện bức xạ kích thích e và
tiết diện hấp thụ a là các yếu tố rất quan trọng.
Hình 1.15 mô tả đỉnh trong các phần mặt cắt ngang hấp thụ và bức xạ là
gần với 1530 và phổ hấp thụ có phần dịch về phía các bước sóng ngắn hơn. Xu
hướng dịch về phía các bước sóng ngắn hơn là đặc trưng tiêu biểu của các
nguyên tố đất hiếm.

25

2

Hấp thụ

1

1
0

1400

1450

1500

1550
1600
Bước sóng (nm)

Sợi Silica pha Ge/Er

1650

Tiết diện (ì10-25 m2)

3

Suy hao [Khuếch đại] (dB/m)

Tiết diện (ì10-

4

Bức xạ

5

9

5

4

Bức xạ

3
2

Hấp thụ

1
1

1400

1450

1500

1550
1600
Bước sóng (nm)

1650

Sợi Silica pha Al/Er

Hình 1.15. Phổ tiết diện bức xạ và hấp thụ giữa các mức 4I13/2 và 4I15/2
- Khuếch đại tín hiệu nhỏ.
Khuếch đại tín hiệu nhỏ là độ khuếch đại của bộ khuếch đại khi nó hoạt
động trong chế độ tuyến tính, tại 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. Để xác định vùng khuếch đại tín hiệu nhỏ, người ta thường dự báo bằng
nhiễu đầu vào hiệu dụng Pn,eff của bộ khuếch đại.
Pn,eff = 2h.B0 30 nw/nm đối với = 1550 nm
Trong đó h là năng lượng photon và B0 là băng tần quang cảu bộ khuếch
đại quang. Nhiễu đầu vào hiệu dụng được khuếch đại lên từ độ khuếch đại và
ta sẽ thu được công suất đầu ra của bộ khuếch đại. Độ khuếch đại tín hiệu nhỏ
là tham số quan trọng trong việc xác định vị trí của các thiết bị EDFA trên
tuyến. Nếu như công suất tín hiệu lớn sẽ làm giảm độ khuếch đại thực và dẫn
đến giảm quỹ công suất của tuyến thông tin quang.
Độ khuếch đại của bộ khuếch đại được thể hiện như ở hình 1.16 minh
hoạ như là một hàm của công suất đầu vào. Các đường cong này có thể giúp ta
xác định phân biệt được vùng công suất đầu vào tín hiệu nhỏ.

Suy hao [Khuếch đại] (dB/m)

9