Kỹ Thuật Khuếch Đại Quang Pha Trộn Erbium

Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi - pha tạp:

Các chất kích tạp và các chất nhạy cảm dùng đế pha tạp sợi dẫn quang với các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa ion đất hiếm. Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm đế trở thành đế trở thành các bộ khuếch đại.

Bộ Khuếch Đại Quang EDFA

Cấu trúc tiêu biểu của bộ EDFA nhu hình 3.2. EDFA có thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium. Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Đoạn sợi pha tạp Erbium đuợc ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thuờng có chiều dài khoảng 10 - 20m. Ngoài ra EDFA còn có một laser bom đế cung cấp năng luợng cho đoạn EDF, một bộ ghép buớc sóng WDM đế ghép buớc sóng ánh sáng tín hiệu và buớc sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách đế hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống.

Hình 3.2 Cẩu tạo của một EDFA

Biểu đồ mức năng luợng của ion Erbium đuợc mô tả nhu hình 3.3. Er³⁺ ở trạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng luợng thấp nhất, khi bơm quang hạt Erbium hấp thụ năng luợng rồi chuyến tiếp lên mức năng luợng cao hom. Quang bơm vào có buớc sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên cũng khác nhau. Sự dịch chuyển điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra photon, photon này bức xạ có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát hay kích thích. Trong quá trình bức xạ kích thích, nó tạo ra số photon cùng pha cùng hướng với photon tới, như vậy là đã tạo ra được quá trình khuếch đại trong EDFA. Bức xạ tự phát tạo ra các photon cùng pha và hướng ngẫu nhiên, điều này gây ra nhiễu trong EDFA gọi là nhiễu do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE). Tuy nhiên thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao khoảng lOms đủ đế đảm bảo thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ion Erbium đợi đế khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ tự kích thích.

Laser bơm trong EDFA là laser bán dẫn thông thường và được gọi là nguồn bơm. Nguồn bơm có thế bơm ở nhiều bước sóng nhưng hiệu quả cao nhất là ở hai bước sóng 980nm và 1480nm. Khi sử dụng EDFA thì chỉ cần một nguồn bơm có công suất nhỏ từ 10 đến 100mW là đủ để công suất ra lớn theo yêu cầu.

Đặc tính của bộ khuếch đại EDFA:

 Đặc tính tăng ích (đặc tính khuếch đại):

Đặc tính tăng ích biếu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, định nghĩa là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào.

Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm:

Nhiều kết quả nghiên cứu đã cho kết luận rằng hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và buớc sóng bơm và nếu đặt buớc sóng bơm tại 980nm và 1480nm là cho hiệu quả cao nhất. Theo thực nghiệm hệ số khuếch đại của EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất khi tín hiệu ở buớc sóng 1530nm và 1550nm.

Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiểu dài sợi và phương thức bom (bước sóng bơm và công suất bơm):

Hệ số khuếch đại còn phụ thuộc vào phuơng thức bơm là cùng chiều hay nguợc chiều với tín hiệu.

Đặc tính tạp âm nhiễu:

Tạp âm của EDFA chủ yếu có 4 loại:

• Tạp âm tán hạt của tín hiệu quang;
• Tạp âm tán hạt bức xạ tự phát bị khuếch đại (ASE);
• Tạp âm phách giữa quang phố ASE và tín hiệu;
• Tạp âm phách giữa các quang phố ASE.

Trong 4 tạp âm trên có 2 loại tạp âm thứ 3 và thứ 4 có ảnh huởng lớn nhất, đặc biệt tạp âm thứ 3 là nhân tố quan trọng quyết định tính năng của EDFA.

Đặc tính công suất ra:

Khi công suất vào tăng lên, bức xạ bị kích thích tăng nhanh, giảm số hạt chuyến động nguợc lại, quang bức xạ bị kích thích yếu đi, dẫn đến bão hòa tăng ích, công suất phát có xu huớng on định.

EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng:

Bộ khuếch đại quang EDFA sử dụng trong hệ thống WDM vì đảm bảo các yêu cầu:

+ Băng tần tăng ích bằng phang, hệ số tạp âm thấp và công suất đưa ra cao. Đặc biệt là tăng ích bằng phang.

+ Phổ khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng.

+ Sự thay đối số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh.

+ EDFA có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào và điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại đối với tất cả các kênh.

1. Sự phân bổ bước sóng quang trong hệ thống WDM:

Hiện nay tất cả các bộ khuếch đại quang nói chung có thể dùng trong phổ tần tổn hao thấp của sợi quang có tăng ích là 1530 -ỉ- 1565 cũng tức là tất cả các kênh tín hiệu của hệ thống WDM đều phải nằm trong băng tần này. Khoảng băng tần tăng ích có thế sử dụng là 20 - 40nm chỉ có thế thỏa mãn cho hệ thống ghép kênh 3-32 kênh tín hiệu. Do đó nếu muốn tăng băng tần hơn nữa đế lợi dụng tài nguyên buớc sóng thì cần phải có bộ khuếch đại kiểu mới.

Ngoài ra việc lựa chọn các khoảng cách tần số giữa các kênh phải thỏa mãn số luợng buớc sóng không quá nhiều đế đảm bảo cho việc điều khiến giám sát, tất cả các buớc sóng này phải nằm trên đuờng cong tăng ích của EDFA làm cho tăng ích đồng đều trong phạm vi toàn buớc sóng.

2. Sự biển đổi tăng ích và công nghệ điều chỉnh tăng ích của EDFA:

Sự biến đổi tăng ích:

Trong hệ thống WDM yêu cầu độ tăng ích bằng phang của một bộ khuếch đại phải hạn chế trong ldB.

Các công nghệ điều chỉnh tăng ích:

Những biện pháp khắc phục các vấn đề do tăng ích của EDFA không bằng phang gây ra:

+ Chọn lựa khu vực tăng ích bằng phang của EDFA: Trong đoạn sóng 1548 ~ 1560nm tăng ích của EDFA tuơng đối bằng phang. Căn cứ vào khuyến nghị của ITU-T trong đoạn sóng này chọn 16 buớc sóng làm buớc sóng công tác của hệ thống WDM.

+ Công nghệ tăng ích cân bằng: Sử dụng đặc tính tốn hao của bộ cân bằng và đặc tính tăng ích buớc sóng của bộ khuếch đại nguợc nhau đã loại bỏ đuợc sự không bằng phang của tăng ích.

Điều khiển giám sát EDFA trong hệ thống WDM:

+ Công nghệ điều khiển giám sát bước sóng ngoài băng:

ITU-T khuyến nghị nên dùng một bước sóng nhất định để làm kênh tín hiệu điều khiến giám sát, bước sóng này nằm ở ngoài băng tần truyền dẫn dịch vụ, có thế chọn 1310nm, 1410nm, 1510nm, nhưng ưu tiên chọn 1510±10nm.

+ Công nghệ điều khiến giám sát bước sóng trong băng:

Chọn bước sóng trong băng tần tăng ích của EDFA 1532±4nm đế làm tín hiệu điều khiến giám sát. Ưu điếm là lợi dụng được tăng ích của EDFA. Lúc này tốc độ truyền dẫn của hệ thống điều khiển giám sát nâng lên đến 155Mbit/s.

+ Công nghệ điều khiến giám sát bước sóng kết hợp trong và ngoài băng:

Ngoài ra còn sử dụng thêm phương thức kết hợp giữa tín hiệu điều khiến giám sát trong và ngoài băng tùy theo các lớp trong hệ thống truyền dẫn.

Các vị trí đặt EDFA trong tuyến cáp sợi quang:

+ Trường hợp BA (đặt ngay sau máy phát); Cho tỷ số eSNR lớn hơn trong trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát và điều khiến. Tuy nhiên, công suất ngõ ra không được cao quá 15dBm do điều kiện kết nối với sợi quang. Điều này giới hạn độ khuếch đại của EDFA và công suất phát.

+ Trường hffp PA (đặt ngay trước máy thu): Có thế cho công suất đến máy thu lớn. Tuy nhiên, nhiễu tại đầu ra của EDFA sẽ có giá trị lớn tại đầu vào máy thu do ít bị suy giảm. Điều này giới hạn tỷ số eSNR.

+ Trường hợp LA (đặt giữa đường truyền): 0 trường hợp này, ta có thế tăng công suất phát và hệ số khuếch đại EDFA một cách hợp lý đế đạt được công suất tín hiệu và eSNR thích hợp.