simba

VN EN

Chọn danh mục

Khuếch đại quang EDFA cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động

Thứ bảy, 21/10/2017, 09:01 GMT+7

KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA

I.Khuếch đại quang, ưu điểm và xu hướng phát triển

Vào năm 1957, một nhóm nhà nghiên cứu khoa học gồm K.Shimoda, H.Takahasi và C.H Towner khi nghiên cứu về lý thuyết cơ học lượng tử đã có mầm mống về ý tưởng khuếch đại quang: Nếu có một tập hợp các hạt có thể được tạo nên mà trong đó các phần tử ở mức trên nhiều hơn các phần tử ở mức dưới. Thì khi đó, chùm photon qua môi trường như thế sẽ bị khuếch đại nhiều hơn là bị hấp thụ. Hiện tượng này, cho phép xây dựng một bộ khuếch đại quang vói mức nhiễu lý tưởng.

Từ đó đến nay, ý tưởng đó đã thành hiện thực, thậm chí đã được ứng dụng trong kỹ thuật thông tin quang tốc độ cao với khoảng cách hàng ngàn cây số.

Cho tới nay, khuếch đại quang bao gồm: khuếch đại laser SLA, khuếch đại quang sợi (EDFA, TDFA, ...) khuếch đại theo hiệu ứng phi tuyến RAMAN (FRA), khuếch đại quang theo hiệu ứng phi tuyến BRILLOUIN (FBA).

Sự ứng dụng bộ khuếch đại trong hệ thống số tạo ra sự phát triển mới trong hệ thống Uuyền dãn số, biểu hiện chủ yếu trên các mặt sau:

Thay thế bộ chuyển tiếp tái sinh trong hệ thống truyền dẫn hiện có.

Trong hệ thống cáp quang biển ứng dụng khuếch đại quang sợi cho phép nâng cao cự ly truyền dãn và giảm số bộ chuyển tiếp.

Do ghép kênh nhiểu bước sóng là huyền dẫn nhiều bước sóng trên một sợi quang. Dùng bộ khuếch đại sọi quang đồng thời khuếch đại được tất cả các bước sóng trong băng sóng, cung cấp tăng ích cho nhiều kênh tín hiệu và không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu phân cực, không phát sinh xuyên nhiễu, trong các hệ thống truyền dãn cao tốc nhiều kênh tín hiệu làm cho khuếch đại sợi quang là một bộ kiện then chốt của WDN, giá thành chế tạo cũng ngày một thấp.

Trong mạng truy nhập sọi quang xuất hiện các phương thức: sọi quang đến nhà (FTTH), sọi quang đến phòng làm việc (FTTO), sọi quang đến toà nhà (FITtí)... Điều kiện kho khăn là đầu cuối sợi quang bị phân nhánh quá nhiều, đối vói mạng không nguồn, qua vài lần phân nhánh công suất quang thuê bao thu được rất thấp (mỗi lần phân nhánh công suất quang giảm đi 3 dB), làm cho đầu cuối không thể làm việc được. Do đó cần khuếch đại trước mỗi nút để bù suy hao làm cho FITH trở lên khả thi hơn.

II. Nguyên lý hoạt động của EDFA

Trong lóp lõi của sợi quang thạch anh nếu trộn vào một ít nguyên tố đất hiếm như Er, Pr... sẽ hình thành loại sợi quang đặc biệt, loại sợi quang này có thể khuếch đại tín hiệu dưới sự kích thích của bơm quang nên gọi là khuếch đại sợi quang.

Hiện nay sử dụng rộng rãi là bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA) có ưu điểm như độ tăng ích đầu ra là cao, băng tần rộng, tạp âm thấp, đặc tính tăng ích không có quan hệ với phân cực, trong suốt đối với tốc độ số...

nlhd-khuech-di-quang-edfa

Hình 1.1: Cấu tạo cơ bản của EDFA

Cấu tạo cơ bản của Khuếch Đại Quang EDFA:

Bộ phối ghép quang có tác dụng gộp tín hiệu quang và tín hiệu quang bơm làm một, thường dùng bộ ghép kênh. Trong bộ ghép kênh, các thấu kính có tác dụng để ghép ánh sáng vào và ánh sáng ra, nó bao gồm các gương và bộ lọc tích hợp. Năng lượng bơm và tín hiệu tổn hao khoảng 0.5 dB.

Bộ cách ly quang có tác dụng hạn chế quang phản xạ để đảm bảo bộ khuếch đại làm việc ổn định. Các bộ cách ly quang thường giảm ánh sáng phản xạ khoảng 30 dB, trong đó tổn hao tín hiệu truyền là 1 dB. EDFA thường dùng hai bộ cách ly quang. Bộ thứ nhất ở đầu vào dùng để loại bỏ nhiễu gây ra do truyền phát cùng chiều của bộ khuếch đại. Bộ thứ hai ở đầu ra bảo vệ cho linh kiện không bị phản xạ ngược chiều từ đoạn dưới.

Quá trình khuếch đại quang sọi pha tạp Er3+ được giải thích như sau: Erbium là một nguyên tố đất hiếm có các mức năng lượng như sau:

Er3+ ở trạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lượng thấp nhất (trạng thái cơ bản)4/15/2, khi bơm quang vào Er3+ hấp thụ năng lượng của quang bơm rồi chuyển tiếp lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm có các bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao cũng có hạt chuyển lên cũng khác nhau

giYn_YY_khuYch_YYi_quang_EDFA

Hình 1.2: Giản đồ năng lượng của sợi quang pha tạp Er³⁺

Mức năng lượng 4/13/2 chia thành một dải năng lượng, trước tiên hạt

Erbium chuyển tới đỉnh của dải năng lượng và nhanh chóng chuyển từ trạng thái kích thích sang trạng thái tạm ổn định qua quá trình chuyển tiếp không bức xạ.

Thòi gian chuyển tiếp không bức xạ rất nhỏ T =lps. Khi chuyển sang trạng thái tạm thời 4713/2 có thời gian sống khoảng 10 ms, do không ngừng

bom quang nên số hạt không ngừng tăng gây lên sự đảo mật độ.

Khi tín hiệu đi qua đoạn sợi quang pha tạp Erbium các hạt ở trạng thái tạm thời chuyển tiếp lên trạng thái cơ bản bằng hình thức bức xạ bị thích và sinh ra photon giống hệt dẫn đến sự khuếch đại không ngừng tín hiệu quang trong quá trình truyền dẫn trên sợi quang pha tạp Erbium. Trong quá trình các hạt Erbium bức xạ kích thích có một phần nhỏ được chuyển sang trạng thái cơ bản bằng hình thức bức xạ tự phát, băng tần được mở rất rộng và các quang tử hỗn độn không ngừng được khuếch đại trong quá trình truyền dẫn từ đó hình thành tạp âm bức xạ tự phát ASE và tiêu hao một phần công suất bơm. Do đó cần phải lắp thêm bộ lọc quang để giảm bớt tạp âm ASE trong hệ thống.

Hiệu suất bơm ở 980 nm và 1480 nm cao hơn các bước sóng khác vì vậy được ứng dụng rộng rãi.

III. Tạp âm trong bộ khuếch đại quang EDFA.

Tạp âm trong bộ khuếch đại quang là một vấn đề quan trọng trong hệ thống thông tin quang. Đặc tính tạp âm là một trong các tham số chính hên quan đến quá trình truyền dãn trên toàn bộ hệ thống như cự ly truyền dẫn và tốc độ bit. Có hai nguồn tạp âm chính là tạp âm quang và tạp âm cường độ

IV. Tạp âm quang trong bộ khuếch đại EDFA

Các photon bức xạ tự phát có hướng và pha ngẫu nhiên. Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang. Do các photon được giữ lại này lan truyền dọc bên trong của sợi nên chúng lại được khuếch đại. Quá trình này sẽ tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE. Để xác định được thành phần nhiễu nhỏ nhất của bộ khuếch đại thi công suất nhiễu tối thiểu tại đầu ra bộ khuếch đại PSPmia được viết như sau:

PSP^=hv(G-\).B (1.1)

Trong đó B là một nửa của toàn bộ băng tần B0 của bộ khuếch đại quang. Giả

thiết độ khuếch đại G là lớn, tín hiệu đầu vào lớn thì công suất tạp âm đầu ra của bộ khuếch đại quang nhỏ nhất tương ứng với khuếch đại photon trong băng tần B. Từ (biểu thức 1.1 ) có thể xác định được công suất Pase tổng được lấy trên toàn bộ các mốt của sợi quang đưa ra trong băng tần B₀là:

PASE=m_tN_SPhv{G-l).B_ữ (1.2)

Trong đó nij là số mốt lan truyền ngang của quá trình phân cực.

P_SP=N_SPhv{G-\).B_ữ

P_sp là công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch đại quang. Trong các bộ khuếch đại quang sợi thực tế thường có hai mode lan truyền phân cực trong quá trình bức xạ tự phát hay m_t =2.

Hệ số bức xạ tự phát N_sp được viết như sau:

N_sp = _ ^Ơ'^N*—= ^ĩlNl (1.3) r_ìN₁-N_l

Vói rj = ơ_e / ơ_a ; và Nj, N₂ là hàm của trục z hướng theo trục của sợi.

Tạp âm của bộ khuếch đại quang N(z) khi không có tín hiệu đầu vào được xác định như sau:

W« = -rfV(G-l) í¹-⁴)

r?N₂ -N,

Với G là một hàm số của z.

Trong trường hợp nghịch đảo tích luỹ môi trường là âm ĩịN₂ -N^o và N_Sp < 0 nhưng công suất nhiễu vẫn luôn dương và bằng P_sp = N_SP/(l-G)

Trong trường hợp ở mức ngưỡng nghịch đảo của môi trường ĩịN₂ -*1=0, Nsp không xác định, thực tế công suất nhiễu được xác định bằng P_sp = Ĩ}N₂L trong đó L là độ dài sợi EĐF.

Trong trường hợp môi trường nghịch đảo là dương ĩjN₂ - > 0 ta có

N_Sp > 1 (công suất tạp âm dương)

Trường hợp nghịch đảo môi trường hoàn toàn, khi mà toàn bộ các nguyên tử ở trạng thái kích thích, tức là Nj=0, thì N_sp tiến đến giá trị nhỏ nhất (=1). Trong trường hợp này công suất tạp âm đầu ra tiến đến giá trị tạp âm lượng tử được khuếch đại: P_Nmm = h v(g -1)5

Như vậy, tạp âm đầu ra bộ khuếch đại quang đạt giá tri nhỏ nhất khi đạt được nghịch đảo tích luỹ hoàn toàn trong môi trường khuếch đại. Giá trị N_spgần = 1 là giá trị nhỏ nhất có thể thu được. Giá tri này có thể đạt được khi bơm mạnh ở vùng bước sóng 980 nm.

V.Tạp âm cưởng độ trong bộ khuếch đại EDFA.

Khi có công suất quang từ nguồn phát thì sẽ phát ra dòng photon ban đầu

Iph(t):

I_ph{t) = RP(t) = ^P{t) (1.5)

Tạp âm cường độ là một yếu tố làm giới hạn đáng kể năng lực của các hệ thống thông tin quang. Bộ tách sóng quang biến đổi tạp âm cường độ trực tiếp thành tạp âm điện. Các loại tạp âm cường độ thường được xem xét trong hệ thống là: tạp âm lượng tử, tạp âm phách giữa tín hiệu và bức xạ tự phát, tạp âm phách giữa bức xạ tự phát với bức xạ tự phát, tạp âm phản xạ.

Tạp âm lượng tử:

Tạp âm lượng tử có nguồn gốc phát sinh là do tính không chắc chắn về thời gian đến của các điện tử hoặc các photon tại bộ tách sóng. Khi tạp âm trội là tạp âm lượng tử nó được xem xét như là giới hạn tạp âm lượng tử. Cả tín hiệu từ Laser phát và ASE đều tham gia vào tạp âm lượng tử. Vì vậy, tạp âm lượng tử trong trường hợp này bao gồm cả tạp âm lượng tử từ tín hiệu đầu vào được khuếch đại và tạp âm lượng tử bức xạ tự phát được khuếch đại.

Tạp âm phách tín hiệu tự phát

Tạp âm phách tín hiệu - tự phát là do có sự giao thoa giữa tín hiệu quang và bức xạ tự phát được khuếch đại ASE gây ra giao động cường độ. Không thể tránh khỏi tạp âm này trong hệ thống sử dụng EDFA, và tạp âm này là thành phần lớn nhất của tổng tạp âm trong các hệ thống thông tin được khuếch đại quang.

Mật độ phổ công suất của tạp âm phách tín hiệu-tự phát:

( ² 1

-Í_P(/) = 4 ^ Ps.NspA.vtG-1 )G = 4^-Gãsãsp (1.6)

Với I_s là dòng photon tín hiệu trung bình

_T nePs ne .hv.Bo „

I, = ^Jir^L = ------------------------------------------ = ne< n{0)>Bo

hv hv

Tương tự thành phần dòng tạp âm phát xạ tự phát được viết là:

. mehNsp(G-i)Bo _ ,_G ,W

^Sĩ hv hv ^sp

Trong đó:

TỊ là hiệu suất lượng tử e là điện tích điện tử

n(0) là số photon trung bình vào bộ khuếch đại.

c,Tạp âm phách tự phát-tự phát

Tạp âm phách tự phát-tự phát là phách giữa các thành phần phổ khác nhau của bức xạ tự phát ASE dẫn đến tạp âm cường độ. Các cặp thành phần tần số sẽ gây ra một hay nhiều phách ở tần số khác. Vì thế mà toàn bộ phổ ASE sẽ đóng góp vào tạp âm phách cường độ tự phát-tự phát. Số các cặp phách sẽ giảm đi khi băng tần quang giảm hay tạp âm phách tự phát-tự phát sẽ giảm khi co hẹp băng tần quang.

Mật độ phổ công suất của tạp âm phách tự phát-tự phát:

Cả hai thành phần mật độ phổ đều tồn tại vói f Bo. Như vậy, tổng công suất tạp âm phách rơi vào trong băng tẩn điện B_e (của bộ tách sóng quang) được viết như sau:

cr² =4 ^-GIs.Isp Bo ^v

2 -2^Be I² (l ^Be1

sp-v _B2_ữ ^ _BữJ

d.Tạp âm phản xạ (tạp âm giao thoa nhiều luồng)

Trong bộ khuếch đại quang thường có sự phản xạ tại hai đầu sợi EDF. Quá trình này tạo ra sự biến đổi giao thoa của nhiều pha thành tạp âm cường độ. Nó làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tại bộ thu quang. Trong thực tế tạp âm phản xạ quang có thể được bỏ qua nếu ánh sáng tín hiệu đến bộ khuếch đại quang là hoàn toàn kết hợp để cho giá trị tạp âm phản xạ r^f bằng không.

VI.Các đặc tính kỹ thuật của bộ khuếch đại EDFA

Đặc tính tăng ích

Đặc tính này biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, được định nghĩa là:

G = {p₀_ut-pjp_s

Tăng ích của EDFA lớn hay nhỏ có quan hệ vói nhiều yếu tố thường là 15-40 dB.

Hình 1.3 Quan hệ giữa tăng ích với nồng độ pha Er³⁺ trong sợi quang

Ta thấy khi nồng độ Erbium vượt quá một trị số cho phép nhất định thì tăng ích giảm nguyên nhân là khi có quá nhiều Er³⁺ sẽ gây tích tụ dẫn đến hiện tượng tiêu hao quang, do đó cần khống chế lượng Erbium pha vào.

b.Quan hệ giữa tăng ích tín hiệu và công suất bơm quang

bom

Hình 1.4 Quan hệ giữa tăng ích tín hiệu và công suất bơm quang

Hệ số tăng ích khi đưa tín hiệu nhỏ lớn hơn khi đưa tín hiệu lớn vào. Giả thiết định nghĩa tăng ích bằng không thì công suất bơm quang là công suất giới hạn bơm p^. Khi công suất Pp thỏa mãn Pp/P_th > 3 thì tăng ích của bộ khuếch đại bão hòa tức là công suất bơm tăng rất nhiều mà tăng ích không đổi, lúc này hiệu suất tăng ích của bộ khuếch đại (độ dốc của đường cong) sẽ giảm khi công suất bơm tăng

bom_1

Hìnhl.5 Quan hệ giữa tăng ích và chiều dài sợi quang trộn Erbium

Lúc đầu tăng ích tăng theo chiều dài sọi quang pha tạp erbium đến khi sợi quang dài quá một độ dài nhất định thì tăng ích giảm dần, do đó có một độ dài tối ưu để tăng ích đạt tối đa. Nhưng cần chú ý, độ dài này độ dài này chỉ có thể là độ dài tăng ích lớn nhất, mà không phải là độ dài tốt nhất của sợi quang pha tạp erbium vì còn hên quan đến nhiều đặc tính khác như đặc tính tạp âm...Ngoài ra tăng ích còn phụ thuộc vào điều kiện bơm (gồm bước sóng bơm và công suất bơm). Hiện nay nay sử dụng củ yếu bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm.

bom_2

Hình 1.6 Quan hệ giữa G và L khi công suất tín hiệu đầu vào tăng

2.Đặc tính công suất ra

Bộ khuếch đại quang lý tưởng không kể công suất vào cao bao nhiêu, tín hiệu quang thường được khuếch đại theo tỷ lệ như nhau, nhưng bộ khuếch đại EDFA thực tế không phải như vậy. Khi công suất vào tăng lên, bức xạ kích thích tăng nhanh, làm giảm nhanh nồng độ hạt ở mức trên giảm số hạt chuyển ngược lại, quang bức xạ bị kích yếu đi dẫn đến bão hòa tăng ích, công suất ra có xu hướng ổn định.

Để có được công suất đầu ra lớn nhất thường dùng công suất đầu vào 3 dB, nghĩa là công suất đầu ra tương ứng khi tăng ích bão hòa giảm 3 dB. Tham số này rất quan trọng nó thể hiện khả năng đưa ra lớn nhất của EDFA. bom_3 Đặc tính đầu ra bão hòa của EDFA có quan hệ với công suất bơm quang và chiều dài sợi quang pha tạp erbium. Công suất bơm càng lớn, công suất đưa ra bão hòa 3 dB càng lớn.

bom_4

Hình 1.7 Đặc tính bão hòa tăng ích của EDFA.

3.Đặc tính tạp âm

Trong túi hiệu quang tại đầu ra của bộ khuếch đại EDFA ngoài tín hiệu còn có bức xạ tự phát cũng đuợc khuếch đại tạo lên nguồn tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu quang. Tạp âm của EDFA có bốn loại chủ yếu: Tạp âm tan hạt của tín hiệu quang, tạp âm tan hạt của quang bức xạ tự phát được khuếch đại; tạp âm phách giữa các quang phổ ASE và tín hiệu; tạp âm phách giữa các quang phổ ASE. Trong bốn loại tạp âm trên, hai loại sau có ảnh hưởng lớn nhất, nhất là tạp âm thứ ba quyết định tính năng quan trọng của EDFA.

Đánh giá đặc tính tạp âm của EDFA qua hệ số tạp âm.

F={SNR_h)ISNR_ũu,

NÓ có quan hệ mật thiết vối tần phổ ASE truyền cùng chiều và tăng ích của bộ khuếch đại. Khi công suất tín hiệu quang tăng càng nhanh tức là sự chuyển ngược số hạt càng cao, thì ASE đầu ra càng nhỏ.

Ảnh hưởng của các phương thức bơm khác nhau đối với hệ số tạp âm:

bom_5

Hình 1.8: Ảnh hưởng của các phương thức bơm khác nhau
đối với hệ số tạp âm

Đối vói bước sóng bơm khác nhau hệ số tạp âm sẽ hơi bị lệch. EDFA bơm ở bước sóng 980 nm có hệ số tạp âm tốt hơn EDFA bơm 1480 nm ước chừng 1-2 dB. Lý thuyết đã chứng minh đối vói bất kỳ bộ khuếch đại quang sợi nào sử dụng bức xạ kích thích để khuếch đại, giá trị hệ số tạp âm nhỏ nhất là 3 dB, giói hạn này được gọi là giói hạn lượng tử của hệ thống tạp âm. Đối vói bơm 980 nm, hệ số tạp âm cơ bản đạt tới giới hạn đó, trị số ước bằng 3.2-3.4 dB mà bơm 1480 nm thì hệ số tạp âm nhỏ nhất ước bằng 4 dB.

Hiện nay trên thị trường đã có Khuếch đại quang EDFA đạt tăng ích trên 30 dB. Hệ số tạp âm là 3-4 dB, công suất đầu ra của EDFA là 10-17 dBm, tại giao diện 1550 nm có băng tần 20-40 nm, do đó được sử dụng rộng rãi trong hệ thống nhiều kênh.