Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN HOÀI NAM

TRẦN HOÀI NAM

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN
HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG

KHỐ 2009

Hà Nội – Năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN HỒI NAM

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ SỐ
KHUẾCH ĐẠI CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
T.S BÙI VIỆT KHÔI

Hà Nội – Năm 2012


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................... 3 
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 4 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI QUANG............................. 6 
1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang ............................................................. 6 
Bộ phát quang ................................................................................................................ 6 
Bộ chia quang ................................................................................................................ 6 
Trạm lặp ......................................................................................................................... 6 
Bộ thu quang .................................................................................................................. 6 
Bộ nối quang .................................................................................................................. 6 
1.2 Bộ lặp và bộ khuếch đại quang .................................................................................... 7 
1.3 Nguyên lý khuếch đại quang ....................................................................................... 8 
1.4 Bộ khuếch đại quang bán dẫn và bộ khuếch đại quang sợi ......................................... 9 
1.5 Các loại khuếch đại quang khác ................................................................................ 10 
1.6 Phân loại các bộ khuếch đại quang theo chức năng................................................... 11 
1.7 Các thông số đánh giá các bộ khuếch đại quang ...................................................... 13 
1.7.1 Độ lợi (Gain) ....................................................................................................... 13 
1.7.2 Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth).................................................................. 13 
1.7.3 Cơng suất đầu ra bão hịa (Saturation Output Power) ........................................ 14 

1.7.4 Hệ số tạp âm ....................................................................................................... 14 
1.7.5 Độ nhạy phân cực ............................................................................................... 15 
1.8 Xu hướng sử dụng bộ khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang ................ 15 
CHƯƠNG 2. CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG ............................................................... 17 
2.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn .................................................................................... 17 
2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của các bộ khuếch đại quang bán dẫn............................. 17 
2.1.2 Độ lợi .................................................................................................................. 18 
2.1.2.1 Độ lợi của bộ khuếch đại Febry - Perot ........................................................... 18 
2.1.2.2 Độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy ................................................................ 20 
2.1.2.3 So sánh độ lợi của bộ khuếch đại Febry – Perot và độ lợi của bộ khuếch đại
sóng chạy ..................................................................................................................... 21 
2.1.2.4 Bão hịa độ lợi .................................................................................................. 22 
2.1.3 Băng thông của bộ khuếch đại quang bán dẫn.................................................... 24 
2.1.3.1 Băng thông của bộ khuếch đại Febry - Perot ................................................... 24 
2.1.3.2 Băng thông của bộ khuếch đại sóng chạy ........................................................ 24 
2.1.3.3 So sánh băng thơng của bộ khuếch đại Febry - Perot và băng thông của bộ
khuếch đại sóng chạy ................................................................................................... 25 
2.1.4 Xuyên âm ............................................................................................................ 26 
2.1.5 Độ lợi phụ thuộc phân cực .................................................................................. 28 
2.1.6 Nhiễu ................................................................................................................... 30 
2.1.6.1 Phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) ........................................................... 31 
2.1.6.2 Nhiễu quang và nhiễu điện .............................................................................. 33 
2.1.7 Ưu điểm và hạn chế của bộ khuếch đại quang bán dẫn ...................................... 34 
2.1.8 Ứng dụng của bộ khuếch đại quang bán dẫn ...................................................... 34 
2.2 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium.............................................................................. 35 
2.2.1 Nguyên tắc hoạt động của các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium ........... 35 
2.2.2 Biểu đồ mức năng lượng ..................................................................................... 37 
Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

1

Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

2.2.3 Bơm..................................................................................................................... 38 
2.2.4 Băng C và băng L ............................................................................................... 41 
2.2.5 Độ lợi trong sợi pha tạp erbium .......................................................................... 42 
2.2.5.1 Định nghĩa........................................................................................................ 42 
2.2.5.2 Đặc điểm .......................................................................................................... 43 
2.2.5.3 Bão hòa độ lợi .................................................................................................. 44 
2.2.5.4 Độ lợi là hàm của độ dài sợi tích cực và tối ưu độ dài của sợi ........................ 44 
2.2.6 Nhiễu trong sợi pha tạp erbium .......................................................................... 45 
2.2.7 Độ lợi và tạp âm trong sợi pha tạp erbium là hàm của các tham số bộ khuếch
đại sợi pha tạp erbium .................................................................................................. 47 
2.2.8 Các thành phần của module bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium .......................... 48 
2.2.8.1 Sợi pha tạp erbium ........................................................................................... 49 
2.2.8.2 Diode laser bơm ............................................................................................... 52 
2.2.8.3 Những thành phần khác của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium ...................... 52 
2.2.9 Các loại khuếch đại quang sợi khác .................................................................... 53 
2.2.10 Ưu điểm và hạn chế của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium ............................. 54 
2.2.11 Ứng dụng của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium.............................................. 55 
2.3 Bộ khuếch đại Raman ................................................................................................ 55 
2.3.1 Hiện tượng tán xạ kích thích Raman .................................................................. 55 
2.3.2 Nguyên lý và đặc điểm của khuếch đại Raman .................................................. 56 
2.3.3 So sánh đặc điểm của bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium và bộ khuếch đại kích
thích Raman ................................................................................................................. 59 
2.3.4 Khuếch đại Raman trong truyền dẫn WDM băng rộng ...................................... 62 
2.3.5 Khuếch đại Raman trong các hệ thống WDM hai chiều .................................... 65 
Chương 3. MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG BẰNG
PHẦN MỀM OPTISYSTEM .............................................................................................. 68 

3.1 Giới thiệu phần mềm OptiSystem.............................................................................. 68 
3.2 Bộ khuếch đại quang bán dẫn .................................................................................... 69 
3.2.1 Độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy ................................................................... 69 
3.2.2 Bão hịa độ lợi ..................................................................................................... 70 
3.2.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng khi dùng bộ khuếch đại quang bán dẫn............... 72 
3.3 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium ................................................................... 75 
3.3.1 Độ lợi bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium không bằng phẳng ............................. 75 
3.3.2 Làm phẳng độ lợi trong hệ thống sử dụng bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium .... 77 
3.3.3 Bão hịa độ lợi ..................................................................................................... 80 
3.3.4 Cơng suất bơm tối thiểu để độ lợi cao nhất ........................................................ 82 
3.3.5 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm booster .......................................... 83 
3.3.6 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm bộ khuếch đại in-line .................... 86 
3.3.7 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm bộ tiền khuếch đại ........................ 89 
3.3.8 Tối ưu độ lợi của bộ tiền khuếch đại nhờ mật độ pha tạp ion erbium ................ 91 
KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 95 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 96 

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

2


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
ASE
BER
CATV
DRA

DSF
DXC
EDFA

Tiếng Anh
Amplified
Spontaneous
Emission
Bit Error Ratio
Cable Television
Distributed Raman Amplifier
Dispersion Shifted Fiber
Digital Cross Connect
Erbium Doped Fiber Amplifier

FOA
FPA
FWM
LD
MFD
NA
OADM
PON
SDH
SNR
SOA
SONET
SRS
TDM

Fiber Optical Amplifier
Fabry – Perot Amplifier
Four Wave Mixing
Laser Diode
Mode Field Diameter
Numerical Aperture
Optical Add Drop Multipexer
Passive Optical Network
Synchronous Digital Hierachy
Signal to Noise Ratio
Semicondutor Optical Amplifier
Synchronous Optic Network
Stimulated Raman Scattering
Time Division Multiplexing

TE
TM
TWA
WDM

Transverse Electric
Transverse Magnetic
Travelling Wave Amplifier
Wavelength Division
Multiplexing

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

Tiếng Việt
Phát xạ tự phát được khuếch đại

Tỉ lệ lỗi bit
Truyền hình cáp
Bộ khuếch đại Raman phân bố
Sợi dịch tán sắc
Bộ kết nối chéo số
Bộ khuếch đại sợi pha tạp
erbium
Bộ khuếch đại quang sợi
Bộ khuếch đại Febry – Perot
Trộn 4 bước sóng
Diode laser
Đường kính trường mode
Khẩu độ số
Bộ xen rẽ sóng quang
Mạng quang thụ động
Cấu trúc đồng bộ số
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Bộ khuếch đại quang bán dẫn
Mạng quang đồng bộ
Tán xạ Raman kích thích
Ghép kênh phân chia theo thời
gian
Sóng điện ngang
Sóng từ ngang
Bộ khuếch đại sóng chạy
Ghép kênh phân chia theo bước
sóng

3

Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

MỞ ĐẦU
Ngay từ xa xưa con người đã biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin. Qua
thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần
và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay,
tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh
chóng. Cách đây 20 năm, từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính
thức đưa vào khai thác trên mang viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng phương
thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ
viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại. Trong vòng 10 năm trở
lại đây, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của của công nghệ điện tử - viễn thông, cơng
nghệ quang sợi và thơng tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc. Các nhà sản xuất
đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154
dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi
quang trong hơn hai thập niên qua. Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong cơng nghệ
chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thơng tin
quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại. Dưới
đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các mơi
trường truyền dẫn khác, đó là:
o

Suy hao truyền dẫn nhỏ

o

Băng tần truyền dẫn rất lớn

o

Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

o

Có tính bảo mật tín hiệu thơng tin cao

o

Có kích thước và trọng lượng nhỏ

o

Sợi có tính cách điện tốt

o

Độ tin cậy cao

o

Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thơng tin quang đã có sức hấp dẫn
mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những
chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung
Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

4

Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

kế mà cịn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt
với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.
Trong các liên kết quang, tín hiệu được truyền đi theo sợi và bị suy hao bởi
nhiều nguyên nhân. Nếu suy hao vượt quá công suất dự phịng thì địi hỏi tín hiệu
trước khi đến bên thu cần phải được khuếch đại. Có hai cách để khuếch đại tín hiệu:
bộ lặp và khuếch đại quang. Tuy các bộ lặp có một số ưu điểm nhưng tự chúng
không thể được dùng để thiết lập các liên kết WDM và các mạng. Do đó, sự chuyển
đổi từ các liên kết TDM sang các liên kết WDM và từ các liên kết thành các mạng
quang không thể thực hiện mà khơng có các bộ khuếch đại quang. Trong nhiều năm
gần đây các bộ khuếch đại quang đã được phát triển. Có hai loại khuếch đại quang
chính là khuếch đại quang bán dẫn và khuếch đại quang sợi. Loại được ưa chuộng
nhất là khuếch đại quang sợi pha tạp erbium EDFA. Bộ khuếch đại này đã mở cánh
cửa cho sự triển khai các hệ thống thông tin quang WDM. Bên cạnh đó các bộ
khuếch đại quang bán dẫn và những loại khác cũng được dùng và nhiều loại còn
đang trong giai đoạn nghiên cứu. Khả năng của một bộ khuếch đại phụ thuộc vào
rất nhiều yếu tố kết hợp. Nội dung của luận văn này trình bày về kỹ thuật khuếch
đại quang, đặc điểm của các bộ khuếch đại, các yếu tố ảnh hưởng của 3 loại bộ
khuếch đại là bộ khuếch đại quang bán dẫn, bộ khuếch đại quang sợi pha tạp và bộ
khuếch đại Raman và mô phỏng các bộ khuếch đại quang trong các tuyến truyền
dẫn sử dụng công cụ phần mềm OptiSystem.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo – T.S Bùi Việt Khôi, người đã trực tiếp
hướng dẫn, giúp đỡ em rất tận tình trong thời gian làm luận văn, đồng thời em cũng
xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã giúp cho em tiếp thu được những kiến thức cơ bản trong q trình
học tập để em có thể hồn thành luận văn tốt nghiệp của mình.
Hà Nội, tháng 3 năm 2012
Học viên

Trần Hoài Nam

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

5


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI
QUANG
1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang tổng quát gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và
phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các
mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và
các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ mơi trường
bên ngồi. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo
tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thơng tin quang cịn có
các bộ nối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang các trạm lặp và bộ
khuếch đại quang; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hồn chỉnh.
Bộ phát quang
Tín hiệu
điện vào

Nguồn phát
quang

Sợi dẫn
quang

Mạch điều
khiển

Bộ nối

Trạm lặp

Bộ chia

Thu
quang
Mạch điện
Phát
quang

Khuếch đại
quang

Các thiết bị khác

Đầu thu
quang

Khuếch đại

Khơi phục
tín hiệu

Tín hiệu

điện ra

Bộ thu quang

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang
Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang
trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến.

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

6


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay
phần điện vào nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành
biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị
phát quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu
quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại
quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang. Nhu cầu
thực tế này khiến rất nhiều nghiên cứu đã và đang được thực hiện nhằm tạo ra các
bộ khuếch đại với những đặc điểm ngày càng tốt hơn.

1.2 Bộ lặp và bộ khuếch đại quang
Các bộ lặp (repeater) đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền
dẫn quang một bước sóng. Trong các bộ lặp này, đầu tiên, tín hiệu quang sẽ được
biến đổi thành dịng điện bởi các bộ thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện
tách sóng quang như PIN hay APD. Dịng quang điện thu được sẽ được tái tạo lại
dạng xung, định thời và khuếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuếch

đại. Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quang thơng qua các
nguồn quang trong bộ phát quang (optical transmitter) và được truyền đi trong sợi
quang. Như vậy, q trình khuếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện. Các
trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn
quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử
dụng cho các hệ thống đa bước sóng như WDM, rất nhiều trạm lặp cần được sử
dụng để khuếch đại vào tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau. Điều này
làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM.
Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng bộ khuếch đại quang. Ánh sáng
được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không phải biến đổi từ miền quang
sang miền điện rồi ngược lại. So với bộ lặp (repeater) thì bộ khuếch đại quang có
nhiều ưu điểm như khuếch đại trực tiếp trong miền quang, không phụ thuộc vào tốc
độ bit và phương thức điều chế tín hiệu, khuếch đại được nhiều tín hiệu có bước
sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang.

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

7


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

1.3 Nguyên lý khuếch đại quang
Ta biết rằng có 3 hiện tượng quang điện đó là:hấp thụ (Absorption), phát xạ
tự phát (Spontaneous emission) và Phát xạ kích thích (Stimulated emission).

E2

E2

E2

hf12

hf12

hf12

E1

E1
a. Hấp thụ
(Absorption)

E1
b. Phát xạ tự phát
(Spontaneous emission)

hf12 (cùng pha)

c. Phát xạ kích thích
(Stimulated emission)

Hình 1.3 Các hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b). Phát xạ tự phát (c).
Phát xạ kích thích
Hiện tượng hấp thụ, hình 1.3(a), xảy ra khi một photon có năng lượng hf12
bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp. Quá trình này chỉ xảy ra
khi năng lượng hf12 của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái
năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1). Khi xảy
ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng

thái năng lượng cao. Hay nói cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây
suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang.Quá trình này xảy ra
đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong mơi
trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại.
Hiện tượng phát xạ tự phát,hình 1.3(b), xảy ra khi một điện tử chuyển
trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1
và phát ra một năng lượng Eg= E2–E1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình
này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng
thái năng lượng bền vững của điện tử. Sau một khoảng thời gian được gọi là thời
gian sống (life time) của điện tử ở mức năng lượng cao,các điện tử sẽ tự động
chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững).
Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống của điện tử sẽ khác nhau.

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

8


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 1.3(c), xảy ra khi một điện tử đang ở
trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hν12
bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái
năng lượng thấp của điện tử (Eg= E2 – E1). Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng
thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có
năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu.Sau khi xảy ra hiện
tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được
tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực,cùng pha và cùng tần số. Hay nói
cách khác, q trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện. Hiện tượng này được
ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang

sợi (FOA).
Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo
laser. Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là
trong các bộ khuếch đại quang không xảy hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng. Do
vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng cơng suất tín hiệu ánh sáng được đưa
vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó
ở ngõ ra.
Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng nhưng nó khơng
tạo ra độ lợi khuếch đại. Bởi nó xảy ra một cách tự phát khơng phụ thuộc vào tín
hiệu ánh sáng đưa vào bộ khuếch đại.Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra
khơng có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích thích. Do vậy, phát xạ tự phát
được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang. Loại
nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ tự phát được khếch đại ASE(Amplified
Spontaneous Emission noise).

1.4 Bộ khuếch đại quang bán dẫn và bộ khuếch đại quang sợi
Hai loại bộ khuếch đại quang chính được dùng ngày nay là bộ khuếch đại
quang bán dẫn (SOA) và bộ khuếch đại quang sợi (FOA). Thực chất bộ khuếch đại
quang bán dẫn là một mơi trường tích cực của laser bán dẫn. Nói cách khác, một bộ

Học viên: Trần Hồi Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

9


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

khuếch đại quang bán dẫn là một diode laser mà khơng có hoặc rất thấp phản hồi
quang.
Bộ khuếch đại quang sợi thực sự khác với bộ khuếch đại quang bán dẫn. Về

bản chất, nó là một đoạn sợi quang đặc biệt được ghép với sợi quang truyền dẫn và
được nối tới một laser bơm. Giống như bộ khuếch đại quang bán dẫn, bộ khuếch đại
quang sợi làm việc theo nguyên lý của phát xạ kích thích. Năng lượng đưa tới bởi
một laser bơm được sử dụng để kích thích các nguyên tử lên trạng thái năng lượng
cao hơn, nơi chúng bị kích thích bởi các photon của tín hiệu thơng tin rồi rơi xuống
mức thấp hơn. Các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là các bộ khuếch đại sợi pha tạp
erbium EDFA được dùng chủ yếu trong các mạng WDM ngày nay.
Các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium chỉ hoạt động trong cửa sổ
1550nm, trong khi các bộ khuếch đại quang bán dẫn hoạt động trong cả cửa sổ
1300nm và 1550nm.

1.5 Các loại khuếch đại quang khác
Ngoài bộ khuếch đại quang bán dẫn và bộ khuếch đại quang sợi cịn có các
loại khuếch đại quang khác. Những loại này sử dụng các hiệu ứng phi tuyến để
khuếch đại chứ khơng phải là phát xạ kích thích. Hai loại khuếch đại quang sợi có
khả năng triển khai thực tế sử dụng các hiệu ứng Raman và Brillouin. Sử dụng
những hiệu ứng này khiến có thể thiết lập sự khuếch đại khơng phải là tồn bộ mà
khuếch đại phân tán tín hiệu quang. Ưu điểm của nó là cùng một đoạn sợi quang sẽ
vừa là môi trường truyền dẫn, vừa là môi trường khuếch đại đồng thời. Những thiết
bị này hứa hẹn mở ra triển vọng mới trong khuếch đại quang.
Bộ khuếch đại Raman gần đây đã xuất hiện trên thị trường ở cả dạng phân
tán và dạng rời rạc. Cấu hình được ưa chuộng nhất của nó ngày nay là bộ khuếch
đại lai EDFA/Raman - một thiết bị trong đó bộ khuếch đại Raman bù sự thiếu về độ
lợi của EDFA trong khoảng bước sóng từ 1570 tới 1630 nm.
Ứng ứng dụng quan trọng khác của bộ khuếch đại Raman phân tán là chống
lại hiệu ứng có hại gây ra bởi độ lợi lớn của bộ khuếch đại EDFA. Độ lợi cao của
EDFA nhằm để tăng khoảng cách giữa 2 bộ khuếch đại kề nhau, nhưng kết quả là

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

10


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

đưa ánh sáng công suất cao vào sợi quang ngay lập tức sau bộ khuếch đại. Điều này
gây ra một số hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang. Đặt bộ khuếch đại Raman gần
với đầu cuối của mỗi khoảng giữa các EDFA cho phép giảm độ lợi của EDFA đặt
trước bộ khuếch đại Raman trong khi giữ cho độ lợi tổng trên khoảng đó ở mức
mong muốn.

1.6 Phân loại các bộ khuếch đại quang theo chức năng
Các bộ khuếch đại quang được phân loại theo chức năng mà chúng thực hiện.
Có ba loại cơ bản là bộ khuếch đại cơng suất (power amplifier – booster), bộ
khuếch đại in-line, và bộ tiền khuếch đại như trên hình vẽ.

Hình 1.6.1 Phân loại các bộ khuếch đại quang theo chức năng
Bộ khuếch đại công suất Booster cũng được gọi là khuếch đại sau (postamplifier), là một bộ khuếch đại công suất làm khuếch đại tín hiệu phía phát trước
khi gửi nó vào sợi quang. Một bộ booster nâng cơng suất của tín hiệu quang lên
mức cao nhất, điều này tối đa khoảng cách truyền dẫn. Yêu cầu chính của bộ
khuếch đại này là sinh ra công suất đầu ra lớn nhất, không phải là độ lợi lớn nhất vì
tín hiệu đầu vào ở đây khá là lớn, nó đến gần như ngay lập tức từ bộ phát. Một lợi

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

11


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

ích nữa của việc dùng booster là nó làm giảm bớt yêu cầu đối với bộ phát phải sinh
ra công suất quang lớn nhất.
Bộ khuếch đại in-line hoạt động với tín hiệu đầu vào là ở giữa của liên kết
sợi quang. Chức năng cơ bản của nó là bù suy hao công suất gây ra bởi sự suy giảm
sợi, các mối nối, và sự phân tán tín hiệu trong mạng. Do đó, u cầu chính cho loại
khuếch đại này là sự ổn định trong tồn băng thơng WDM. Vì nhiều bộ khuếch đại
in-line có thể ghép nối theo tầng, sự tương tự trong đặc điểm độ lợi cũng cần phải
quan tâm khi làm việc với loại bộ khuếch đại này. Giữ nhiễu ở mức tối thiểu và
thực hiện các tương tác quang tốt với sợi truyền dẫn là những yêu cầu khác của loại
bộ khuếch đại quang này.
Bộ tiền khuếch đại khuếch đại tín hiệu ngay trước khi nó tới với bộ thu. Loại
bộ khuếch đại này hoạt động với tín hiệu vào yếu. Do đó, độ nhạy tốt, độ lợi cao và
nhiễu thấp là các yêu cầu chính ở đây. Nhiễu trở thành một đặc điểm cực kì quan
trọng của bộ tiền khuếch đại vì khả năng hoạt động của bộ thu bị hạn chế không
phải chỉ bởi nhiễu của riêng nó mà cịn nhiễu của bộ tiền khuếch đại. Sử dụng bộ
tiền khuếch đại làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt đối với độ nhạy của bộ thu và nó cho
phép mạng hoạt động ở tốc độ bit cao hơn.
Số lượng booster và bộ tiền khuếch đại yêu cầu đối với một mạng cụ thể
được xác định bởi số bộ phát và bộ thu mà nó sử dụng. Nhưng số bộ khuếch đại inline cần tới phụ thuộc vào cả độ dài của liên kết sợi quang và cấu hình của mạng.
Đối với những liên kết chặng dài, như là xuyên đại dương hoặc xuyên lục địa thì
các bộ khuếch đại in-line thường được lắp đặt cách nhau từ 80 đến 100 km. Những
bộ khuếch đại này bù suy hao gây ra bởi suy hao sợi và các chỗ ghép nối. Tuy nhiên,
các bộ khuếch đại in-line cũng cần cho các mạng khoảng cách ngắn để bù suy hao
gây ra bởi sự phân tán tín hiệu trong mạng cục bộ, như chỉ ra trong hình vẽ.

Học viên: Trần Hồi Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

12

Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

Hình 1.6.2 Các bộ khuếch đại in-line
(a) Bù suy hao sợi và các chỗ ghép nối
(b) Bù sự phân tán tín hiệu

1.7 Các thơng số đánh giá các bộ khuếch đại quang
1.7.1 Độ lợi (Gain)
Độ lợi (Gain) của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở
ngõ ra chia cho công suất quang ở ngõ vào.
G=

Pout
Pin

⎡P ⎤
G (dB ) = 10 log ⎢ out ⎥
⎣ Pin ⎦

Trong đó:
G: Độ lợi tín hiệu của bộ khuếch đại quang
Pin, Pout: cơng suất tín hiệu ánh sáng ở ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại
quang (mW).
Độ lợi đặc trưng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ
khuếch đại.Độ bị giới hạn bởi các cơ chế bão hịa độ lợi. Điều này làm giới hạn
cơng suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại.
1.7.2 Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth)
Giá trị độ lợi không bằng nhau đối với tất cả các tần số của tín hiệu quang
đầu vào. Như vậy độ lợi phụ thuộc tần số. Băng thông của độ lợi được xác định bởi
Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

13


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

điểm giảm 3dB so với độ lợi đỉnh. Băng thông độ lợi xác định băng thơng của tín
hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại.
1.7.3 Công suất đầu ra bão hòa (Saturation Output Power)
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, cơng suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến
tính với cơng suất quang ở ngõ vào theo hệ số độ lợi G: Pout = G.Pin. Tuy nhiên,
công suất ngõ ra không thể tăng mãi được.Khi công suất ngõ vào Pin tăng đến một
mức nào đó, độ lợi G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở ngõ ra khơng cịn tăng
tuyến tính với tính hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bảo hịa.
Hình 1.7.3-b ta thất công suất ở ngõ ra tại điểm độ lợi giảm đi 3 dB được gọi
là công suất ra bảo hịa P out,sat nó cho biết cơng suất ngõ ra lớn nhất mà bộ khuếch
đại quang đó có thể hoạt động được.Nếu một bộ khuếch đại quang có độ lợi cao sẽ
có P out,sat cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải
cơng suất vào và ra rộng.

Pout

G

Pout, sat

Độ lợi tín hiệu

3dB
Pin

Pin,sat
a)

Pout
b)

Pout,sat

Hình 1.7.3 ( a) Cơng suất ngõ ra theo cơng suất ngõ vào ( b) Độ lợi khuếch đại theo
công suất quang ngõ ra
1.7.4 Hệ số tạp âm
Các bộ khuếch đại quang đều tạo ra tạp âm. Nguồn tạp âm trong các bộ
khuếch đại quang là do phát xạ tự phát. Vì sự phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu
nhiên, pha của các photon phát xạ tự phát cũng ngẫu nhiên. Chúng có thể tương
tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và biên độ. Năng lượng
do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ được khuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

14


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

đại về phía ngõ ra. Do đó, tại ngõ ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được
Pout bao gồm cả cơng suất tín hiệu được khuếch đại và công suất tạp âm phát xạ
tự phát được khuếch đại ASE.
Pout = G.Pin + PASE
Ảnh hưởng của tạp âm đối với bộ khuếch quang được biểu diễn bởi hệ số
tạp âm NF (Noise Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR

(Signal to Noise Ratio) do nhiễu của bộ khuếch đại thêm vào. Hệ số NF được cho
bởi cơng thức sau:
NF =

SNR in
SNR out

Trong đó, SNRin, SNRout là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại ngõ vào và ngõ ra
của bộ khuếch đại. Hệ số tạp âm NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Giá
trị nhỏ nhất của NF có thể đạt được là 3dB.
1.7.5 Độ nhạy phân cực
Độ nhạy phân cực là sự phụ thuộc của độ lợi vào phân cực của tín hiệu. Do
có sự phụ thuộc này mà người ta có các biện pháp để giảm sự phụ thuộc vào phân
cực như ghép nối tiếp hoặc song song hai bộ khuếch đại với nhau. Chi tiết xin được
trình bày trong phần 2.1.5.

1.8 Xu hướng sử dụng bộ

khuếch đại quang trong hệ thống

thông tin quang
Với các hệ thống WDM được triển khai rộng rãi như ngày nay thì nhu cầu
đối với các bộ khuếch đại ngày càng cao. Có thể thấy rõ sự gắn liền của các bộ
khuếch đại quang với các hệ thống WDM qua một ví dụ đưa ra trong bảng sau:
Bảng 1.1 Sự phát triển của cơng nghệ quang học của Alcatel.
Phịng thí nghiệm

Triển khai

1989: Đường truyền dữ liệu đầu tiên sử dụng bộ

khuếch đại toàn quang

1993: Bộ khuếch đại toàn quang dùng sợi pha
erbium lần đầu tiên được đưa vào thực tiễn

1993: Thí nghiệm đường truyền WDM đầu tiên
Nx2,5Gbps

1996: Hệ thống WDM 16x2,5Gbps được triển khai
1998: Hệ thống 40x2,5Gbps

1998: Hệ thống Nx10Gbps đầu tiên vượt qua ngưỡng
Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

15


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang
1 Tbps (EDFA băng tần C và L)

1999: Hệ thống 80x2,5Gbps và hệ thống 40x10Gbps

2000: Hệ thống Nx40Gbps với tổng dung lượng
đường truyền hơn 5 Tbps (EDFA băng tần C và L +
khuếch đại Raman)

2000: Hệ thống WDM 80x10Gbps

2001: Hệ thống Nx40Gbps, 10Gbps (EDFA C + L +
Raman + Thulium)

2002-2004: Thế hệ mới của WDM 160x10Gbps với
giá thành hạ hơn
2007-2008: Hệ thống Nx40Gbps

2002: Nx40Gbps, 3Tbps qua khoảng cách 5200km.
Thí nghiệm đầu tiên về hệ thống Nx160Gbps

Yêu cầu đối với các bộ khuếch đại là độ lợi, sự phẳng của độ lợi đối với các
kênh truyền. Các biện pháp tối ưu bộ khuếch đại quang dựa vào sự thay đổi các
thông số đầu vào cũng đang được thực hiện và được nghiên cứu. Hơn nữa sự mở
rộng băng tần khuếch đại của các bộ khuếch đại cũng đang được cải thiện dần.
Kết luận:
Qua chương này, ta đã thấy được nguyên lý cơ bản tổng quát của các bộ
khuếch đại quang cũng như các tiêu chuẩn để đánh giá chúng, hiểu được vì sao
khuếch đại quang lại là một mảng đề tài rất quan trọng trong sự phát triển của thông
tin quang nói chung. Chương này là cơ sở nền tảng để chương tiếp theo – chương 2
đi sâu vào trình bày chi tiết về các bộ khuếch đại quang cụ thể.

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

16


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

CHƯƠNG 2. CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG
2.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn
2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của các bộ khuếch đại quang bán dẫn
Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) sử dụng nguyên lý của phát xạ kích

thích để khuếch đại tín hiệu thơng tin quang. Hình 2.1.1.1 chỉ ra kết nối của một bộ
SOA với sợi truyền dẫn.

Hình 2.1.1.1 Bộ khuếch đại bán dẫn.
Tín hiệu quang đầu vào mang dữ liệu gốc đi vào vùng tích cực của bán dẫn
qua một bộ ghép quang (coupling optics). Cần ghép vì đường kính trường mode
(MFD) của tia sợi đơn mode điển hình là 9,3 µm , trong khi kích thước của vùng tích
cực nhỏ hơn, thậm chí có thể chưa tới 1 µm . Dịng bơm cung cấp năng lượng ngoài
cần thiết để bơm các điện tử lên dải dẫn. Tín hiệu quang đầu vào kích thích sự
chuyển của điện tử xuống dải hóa trị và phát ra photon cùng mức năng lượng tức là
cùng bước sóng với tín hiệu đầu vào. Kết quả, đầu ra là tín hiệu quang được khuếch
đại.
Sự khác nhau giữa bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và laser bán dẫn là
SOA có dịng bơm nhỏ hơn dòng ngưỡng của laser, hệ số phản xạ của vùng tích cực
nhỏ hơn laser. Khi đó, q trình cộng hưởng và tự phát ánh sáng sẽ không xảy ra.
Có hai loại bộ khuếch đại quang bán dẫn cơ bản là bộ khuếch đại FabryPerot (FPA) và bộ khuếch đại sóng chạy (TWA).

Học viên: Trần Hồi Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

17


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

Trong FPA ánh sáng đi vào vùng tích cực bị phản xạ một số lần ở các mặt
(cleaved facet) và được khuếch đại, rời khỏi hốc cộng hưởng như mô tả trong hình
2.2.

Hình 2.1.1.2 Bộ khuếch đại quang bán dẫn Febry-Perot.
Trong bộ khuếch đại sóng chạy TWA người ta cố gắng chế tạo hệ số phản xạ

R=0, (thực tế không thể bằng 0 tuyệt đối).

Hình 2.1.1.3 Bộ khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy.
2.1.2 Độ lợi
2.1.2.1 Độ lợi của bộ khuếch đại Febry - Perot
Nếu chúng ta biểu thị hệ số phản xạ công suất của các mặt là R, độ dài của
vùng tích cực là L, vận tốc của ánh sáng trong mơi trường tích cực với chiết suất n
là ν = c / n , và hệ số khuếch đại công suất single-pass (đi qua một lần) là Gs, thì độ
lợi G của FPA có thể viết dưới dạng:

[

]{

}

G FPA (ω ) = Pout / Pin = G s (1 − R ) / (1 − RG s ) + 4 RG s sin 2 [(ω − ω 0 )L /ν ]
2

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

2

[2.1]
18


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

trong đó ω là tần số góc hiện tại và ω 0 là tần số góc trung tâm.

Hệ số khuếch đại single-pass (đi qua một lần), G s (ω ) được giả sử có sự phụ
thuộc tần số dạng Gauss, như trong hình vẽ:

Hình 2.1.2.1.1 Độ lợi là hàm của tần số.
Bộ khuếch đại Febry - Perot có đỉnh độ lợi ở các tần số cộng hưởng. Những
bước sóng cộng hưởng này là λ N :
λ N = 2L / N

[2.2]

trong đó N là số nguyên và L là chiều dài của vùng tích cực, L bằng với chiều dài
bộ cộng hưởng. Các tần số cộng hưởng được tính:
ω N = (2πνN ) /(2 L)

[2.3]

trong đó ν = c / n là tốc độ của ánh sáng trong hốc cộng hưởng.
Như vậy, ta có thể thấy rõ được sự phụ thuộc của độ lợi bộ khuếch đại Febry
– Perot vào tần số, như chỉ ra trong hình 2.1.2.1.1 Nếu chúng ta xét sự phản xạ xảy
ra tại lớp giao diện tự nhiên giữa bán dẫn và khơng khí, bằng khoảng 0,32 thì chúng
ta sẽ thấy các đỉnh của độ lợi FPA ở các tần số cộng hưởng. Hệ số phản xạ càng nhỏ,
thì đỉnh độ lợi càng ít rõ rệt, như trong hình 2.1.2.1.1 với R=0,03 . Khi đạt tới R=0,
là bộ khuếch đại bán dẫn sóng chạy. Đây đơn giản là một đường cong dạng Gauss.

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

19


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

Từ những xem xét trên, chúng ta kết luận rằng sử dụng bộ cộng hưởng
Fabry-Perot - loại có phản hồi quang, có thể tăng đáng kể độ lợi của một SOA. Độ
phản xạ càng cao (R), thì độ lợi ở những tần số cộng hưởng càng cao. Nhưng tăng
hệ số phản xạ tới mức nào đó có thể làm cho bộ khuếch đại trở thành một laser.
Thực ra RGs càng gần 1 thì như theo cơng thức 2.1, GFPA( ω ) sẽ càng lớn. Khi
RGs=1, thì GFPA( ω ) đi tới vơ cực, đó là tới điểm mà bộ khuếch đại Febry - Perot
sinh ra ánh sáng.
2.1.2.2 Độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy
Bộ khuếch đại sóng chạy có đặc điểm là mơi trường tích cực khơng có các
mặt phản xạ vì vậy tín hiệu đầu vào được khuếch đại bởi single-passage (sự đi qua
một lần của ánh sáng) qua vùng tích cực, như chỉ ra trong hình 2.1.1.3. Độ lợi của
bộ khuếch đại sóng chạy cho bởi cơng thức 2.1, trong đó hệ số phản xạ là 0. Do đó:
GTWA (ω ) = Pout / Pin = G s (ω )

[2.4]

Do đó, độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy là độ lợi của bộ khuếch đại Febrry –
Perot với R=0, theo đúng định nghĩa của bộ khuếch đại sóng chạy.
Xét độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy. Độ lợi single-pass (đi qua một lần)
Gs có thể thể hiện thông qua các tham số của một bộ khuếch đại quang bán dẫn như
sau:
G s = exp[(Γg − α )L ]

[2.5]

trong đó Γ là hệ số tập trung (confinement) xét đến sự dẫn các photon phát xạ bởi
cấu trúc dẫn sóng của một vùng tích cực, g(1/m) là hệ sộ độ lợi của vùng tích cực
trong một đơn vị độ dài, và α (1 / m) là hệ số suy hao của hốc cộng hưởng trong một
đơn vị độ dài.

Thực ra, khi tạo ra một miếng vật liệu bán dẫn, đã có sẵn các mặt. Nhưng các
mặt này phản xạ ánh sáng lại vào vùng tích cực. Do đó, các biện pháp đặc biệt cần
phải thực hiện để giảm sự phản xạ. Vấn đề công nghệ này được giải quyết bằng
cách phủ lên các mặt một lớp chống phản xạ (AR), làm nghiêng vùng tích cực so
với các mặt hoặc dùng vật liệu đệm giữa vùng tích cực và các mặt.

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

20


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

Hình 2.1.2.2.1 Bộ khuếch đại sóng chạy
(a) Sử dụng lớp chống phản xạ
(b) Làm nghiêng vùng tích cực
(c) Sử dụng transparent windows
Thực tế, cần hệ số phản xạ R nhỏ khoảng 10-4.
2.1.2.3 So sánh độ lợi của bộ khuếch đại Febry – Perot và độ lợi của
bộ khuếch đại sóng chạy
Có thể thấy rằng R=0 có thể khơng bao giờ đạt được. Sự khác biệt giữa các
bộ khuếch đại Fabry-Perrot và bộ khuếch đại sóng chạy là giá trị của hệ số phản xạ.
Thực ra như trong hình 2.1.2.1.1 chỉ ra, nếu tỉ lệ độ lợi lớn nhất trên nhỏ nhất là lớn
thì chúng ta có bộ khuếch đại Febry - Perot, nếu tỉ lệ này nhỏ chúng ta có bộ khuếch
đại sóng chạy. Độ lợi của bộ khuếch đại Febry - Perot lớn nhất là khi thành phần

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

21

Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

sine trong công thức 2.1 là 0, như đưa ra bởi cơng thức 2.4. Độ lợi của nó nhỏ nhất
là khi thành phần sine trong công thức 2.1 là 1, cho ra:
G FPA

min

[

]

≡ G FPA [(ω − ω 0 )L /ν = π / 2] = G s (1 − R ) / (1 + RG s )
2

2

[2.6]

Hình 2.1.2.1.1 chỉ ra độ lợi lớn nhất và nhỏ nhất của bộ khuếch đại Febry - Perot.
Do đó, các tiêu chuẩn để phân biệt bộ khuếch đại Feby - Perot và bộ khuếch đại
sóng chạy như sau:
∆G = G FPA

max

/ G FPA

min

= [(1 + RGs ) / (1 − RGs )]

2

[2.7]

Nếu chúng ta lấy ∆G < 2 , tính được:
GsR<0,17

[2.8]

Đây là một tiêu chuẩn tốt để xác định, nếu GsR<0,17 thì bộ khuếch đại là bộ
khuếch đại sóng chạy.
Để thỏa mãn tiêu chuẩn này với độ lợi single-pass (đi qua 1 lần) Gs lớn nhất
là 30dB tức là 1000, chúng ta cần đạt tới R<0,00017. Có thể thấy rất khó khăn thế
nào để đạt được hệ số phản xạ nhỏ như vậy, tuy vậy người ta vẫn có thể chế tạo
được.
2.1.2.4 Bão hịa độ lợi
Theo cơng thức 2.5 thì dường như để đạt được độ lợi cao trong bộ khuếch
đại sóng chạy, chúng ta chỉ cần tạo vùng tích cực đủ dài. Cơng thức 2.5 chưa nói
đến sự phụ thuộc của hệ số độ lợi (g) vào tần số ( ω ) và cơng suất tín hiệu đang
được khuếch đại (P) do đó g=g( ω ,P). Trước hết, xét sự phụ thuộc cơng suất, cho
bởi:
g( ω , P)=g( ω )/[1+(P/Psat)]

[2.9]

trong đó Psat là cơng suất quang bão hịa.
Cơng thức 2.5 và 2.9 chỉ ra bằng việc tăng độ dài ta có thể tăng cơng suất của

một tín hiệu, nhưng khi cơng suất này quá cao thì hệ số độ lợi bắt đầu giảm, do đó
giảm cơng suất của tín hiệu được khuếch đại. Đó là tại sao hiệu ứng được gọi là bão
hòa độ lợi. Bản chất vật lý đằng sau hiện tượng này là cơng suất quang cao đã kích
thích tất cả các điện tử từ vùng dẫn vì vậy sự tăng hơn nữa về số lượng của photon

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

22


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

ngồi sẽ khơng kích thích thêm bất cứ sự chuyển dịch nào của điện tử xuống dải
hóa trị; đó là, nó sẽ khơng sinh ra thêm các photon bị kích thích.
Độ lợi (Gs) cho bởi phương trình sau:
Gs=1+(Psat/Pin)ln( Gsmax /Gs)

[2.10]

trong đó, Gsmax là Gs tại ω = ω 0 và Psat là cơng suất bão hịa. Bão hịa độ lợi được
mơ tả trong hình 2.1.2.4.1. Các giá trị của cơng suất đầu ra bão hịa cho SOA từ 10
tới 15mW.

Hình 2.1.2.4.1 Bão hịa độ lợi.
Cơng thức 2.5 chỉ có giá trị cho tín hiệu nhỏ, cơng suất đầu ra khác xa so với
Psat. Đây là lý do tại sao trong các bảng thông số kĩ thuật ta sẽ thường thấy đặc
điểm “độ lợi tín hiệu nhỏ”, có nghĩa là độ lợi được đo với cơng suất đầu vào nhỏ.
Có ba thuật ngữ mang từ “độ lợi” đã được đưa ra ở đây:
+ Độ lợi (dB), cũng gọi là độ lợi tổng. G( ω , P) được xác định bởi công thức 2.1 cho
bộ khuếch đại Febry – Perot.

+ Độ lợi single-pass (đi qua một lần) Gs( ω , P) cũng là độ lợi của bộ khuếch đại
sóng chạy tính theo dB và xác định bởi công thức 2.5.
+ Hệ số độ lợi g( ω , P) – có thứ nguyên 1/m - được xác định bởi cơng thức 2.9,
trong đó g( ω ) là tham số của vùng tích cực cụ thể.

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

23