Tìm hiểu về khuếch đại quang EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)

Thứ tư, 29/03/2017, 13:58 GMT+7

Bộ Khuếch Đại Quang EDFA

Cấu tạo cơ bản của EDFA

Hình 3.4 Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium

EDFA có thành phần chính 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 được ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thường có chiều dài khoảng 10 - 20m. Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống.

Cấu trúc tiêu biểu của bộ EDFA :

Hình 3.5 Cấu tạo của một EDFA

Nguyên lý hoạt động của EDFA

Biểu đồ mức năng lượng của ion Erbium được mô tả như hình vẽ 3.5. Er³⁺ ở trạngthái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lượng thấp nhất, khi bơm quang hạt Erbium hấp thụ năng lượng rồi chuyển tiếp lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm vào có bước 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 (sự phân hủy tự nhiên của các ion mà không có bất cứ một động tác nào chen vào) hay kích thích (do sự có mặt của các photon có chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển, kích thích sự phát xạ và tạo ra photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng). 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 10ms đủ để đảm bảo thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ion Erbium đợi để khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ tự kích thích.

Hình 3.6 Giản đồ năng lượng Erbium

Nhiễu và độ lợi của EDFA

Độ lợi của EDFA

Độ lợi: là đặc điểm đầu tiên chúng ta đánh giá một bộ khuếch đại. Chúng ta thảo luận đặc điểm này đối với một sợi quang tích cực.

Định nghĩa

Độ lợi là tỷ số giữa công suất ánh sáng ra và công suất ánh sáng vào:

(3.15)

Khi công suất đo bằng watt. Thông thường chúng ta đo độ lợi bằng dB, điều này có nghĩa:

(3.16)

Nếu chúng ta nhìn lại hình 1.3c chúng ta sẽ nhận ra rằng công suất ra bao gồm công suất tín hiệu ra và nhiễu. Kết quả chúng ta cần tách công suất nhiễu khi tính toán độ lợi:

(3.17)

Hay

(3.18)

Độ lợi của EDFA hiện đại ngày nay có giá trị trong khoảng 20dB đến 40dB, dựa vào chức năng của nó, người ta có thể thiết kế chúng như bộ khuếch đại công suất, khuếch đại đường dây hay bộ tiền khuếch đại.

Sự Bão Hòa Độ Lợi

Độ lợi có phụ thuộc vào công suất của tín hiệu vào, dựa vào điều sau: một tín hiệu công suất cao nghĩa là có một số lượng lớn các photon trên một đơn vị thời gian sẽ đi vào sợi quang trộn Erbium. Các photon này sẽ kích thích một số lượng vô cùng lớn các photon chuyển dịch từ mức trung gian (mức 2) xuống mức thấp (mức 1). Điều này có ý nghĩa mức năng lượng trung gian sẽ nhanh chóng mất đi các photon. Hay nói cách khác thì công suất ánh sáng vào càng lớn thì mật độ tại mức trung gian càng thấp. Nhưng theo nguyên lý của hiện tượng phát xạ kích thích, độ lợi là tương ứng với sự khác nhau về mật độ ở mức 2 và mức 1. Từ đó, làm nghèo mức 2 có nghĩa là làm giảm độ lợi. Hiện tượng này được gọi là sự bão hòa độ lợi.

Sự bão hòa độ lợi là một đặc tính quan trong của EDFA, đặc biệt trong khuếch đại công suất, nơi mà tín hiệu vào hầu như đến trực tiếp từ bộ phát quang do đó rất lớn. Sự bão hòa độ lợi xác định công suất ra một cách lớn nhất, thường được gọi là công suất ra bão hòa mà EDFA có thể đạt được.

Công suất bơm

Công suất bơm vào càng cao, số lượng lớn các ion Erbium từ mức năng lượng thấp sẽ được kích thích lên mức trung gian và độ lợi cao hơn cho EDFA. Nhưng chúng ta không nên nghĩ vậy, công suất bơm cao sẽ quét sạch tất cả các ion từ mức năng lượng thấp và làm cho sự nghịch đảo nồng độ chuyển sang trạng thái bão hòa.

Chúng ta cũng cần phải tính toán rằng một bộ khuếch đại EDFA khuếch đại bao nhiêu kênh đồng thời và công suất bơm được chia cho tất cả các bước sóng khuếch đại. Nhiều bước sóng được ghép cho tuyến truyền dẫn, nhiều công suất bơm được yêu cầu để thỏa mãn hoạt động của EDFA.

Nhiễu của EDFA

Nhiễu là một thông số quan trọng thứ hai của một bộ khuếch đại quang (hay bất kỳ loại khuếch đại nào). Chúng ta thấy rằng độ lợi của một bộ EDFA thường được sử dụng để khuếch đại bước sóng xác định. Do đó, rất quan trọng để tính toán độ lợi và nhiễu trong băng thông của một kênh riêng biệt. Nhiễu quan trọng trong EDFA được gọi là nhiễu phát xạ tự phát (Amplifier Spontanoues noise_AES). Sự giảm sút tín hiệu thực sự đến từ biến đổi tín hiệu tạo ra giao thoa nhiễu với nhiễu, giao thoa nhiễu với tín hiệu. Tuy nhiên sự giao thoa nhiễu với nhiễu có thể dễ dàng loại bỏ bằng cách sử dụng bộ lọc băng hẹp. Thực sự các bộ EDFA thường bao gồm một bộ lọc ASE (ASE filter) để làm nhiệm vụ này. Sự thiệt hại đến từ sự giao thoa nhiễu với tín hiệu. Nhiễu như thế không thể bị lọc bởi vì nó nằm trong băng thông của tín hiệu. Đây là phần đóng góp thực sự vào hệ số nhiễu của một bộ EDFA

Hình 3.7 Các loại giao thoa nhiễu với nhiễu và nhiễu với tín hiệu

Hệ số nhiễu dựa vào giao thoa tín hiệu với nhiễu được cho bởi:

Trong đó:

_S: bước sóng tín hiệu

: năng lượng cảu kênh riêng

G: độ lợi cảu bộ khuếch đại

BW: băng thông của bộ khuếch đại

Ta cũng biết tổng công suất trung bình của nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại là:

(3.20)

N_sp : hệ số phát xạ tự phát hay hệ số nghịch đảo nồng độ

Ta có thể dễ dàng tính được hệ số nhiễu của bộ EDFA:

(3.21)

Ta thấy đối với bộ khuếch đại lý tưởng khi n_sp= 1, SNR của một tín hiệu được khuếch đại giảm hai lần (3dB). EDFA khuếch đai tín hiệu nhưng cũng làm tăng mức nhiễu. Thông thường giá trị n_spthay đổi từ 1.4 đến 4 nên Fn thay đổi từ 3.5dB đến 9dB cho EDFA

Yêu cầu đối với nguồn bơm

Bước sóng bơm

Ánh sáng bơm có thể được sử dụng tại các bước sóng khác nhau 650nm(4F9/2), 800 nm(4I9/2), 980nm (4I11/2), 1480 nm(4I13/2). Tuy nhiên, khi bước sóng bơm càng ngắn thì các ion Er3+ phải trải qua nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng trước khi trở về vùng nền và phát xạ ra photon ánh sang.

Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion erbium lên trạng thái kích thích. Có hai cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp tại các bước sóng 1480 nm hoặc bơm gián tiếp ở bước sóng 980nm.

Hiện nay, bơm bước sóng 1480nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng sẵn có hơn và độ tin cậy cao hơn. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó dung để bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu.

Bảng 3.1 So sánh hai bước sóng bơm 980nm và 1480 nm

Công suất bơm

Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổi năng lượng với tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng lên. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại không thể tăng mãi theo công suất bơm vì số lượng các ion erbium được cấy vào sợi dây là có giới hạn. Ngoài ra, khi công suất bơm tăng lên thì hệ số nhiễu sẽ giảm.

Hướng bơm

Bộ khuếch đại EDFA có thể được bơm theo ba cách:

- Bơm thuận (codirectional pumping): nguồn bơm được bơm cùng chiều với hướng truyền tín hiệu

- Bơm ngược (counterdirectional pumping): nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu.

- Bơm hai chiều (dual pumping): sử dụng hai nguồn bơm và được theo hai chiều ngược nhau.

Một EDFA được bơm bằng một nguồn bơm có thể cung cấp công suất đầu ra cực đại khoảng +16dBm trong vùng bão hòa hoặc hệ số nhiễu từ 5 ~ 6dB trong vùng tín hiệu nhỏ. Cả hai bước sóng bơm được sử dụng đồng thời có thể cung cấp công suất đầu ra cao hơn. Một EDFA được bơm kép có thể cung cấp công suất ra tới +26 dBm trong vùng công suất bơm cao nhất có thể đạt được. Hình dưới đây thể hiện một EDFA được bơm kép.

Hình 3.8 Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép.

Đặc tính của bộ khuếch đại quang EDFA

Các đặc tính cơ bản của EDFA là đặc tính tăng ích, đặc tính công suất ra và đặc tính âm.

Đặc tính tăng ích (đặc tính khuếch đại)

Đặc tính tăng ích biểu 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 bước sóng bơm và nếu đặt bước sóng bơm tại 980nm và 1480nm là cho hiệu quả cao nhất.

Công suất bơm (mW)

Hình 3.9 Hệ số khuếch đại là một hàm của công suất bơm với 14m chiều dài của sợi Silico Al-Ge pha tạp Erbium được bơm tại bước sóng 980nm và 1480nm

Theo hình 3.9 hệ số khuếch đại của EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất khi tín hiệu ở bước sóng 1530nm và 1550nm.

Nhận xét:

+ Với công suất bơm cao, bước sóng 980nm sẽ cho hệ số khuếch đại cao hơn so với bước sóng bơm 1480nm, điều này có nghĩa là tại bước sóng 980nm sẽ đạt được sự nghịch đảo mật độ cao hơn so với bước sóng 1480nm.

+ Với công suất bơm cao, hệ số khuếch đại đối với bước sóng 1530nm cao hơn so với bước sóng 1550nm.

Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi và phương thức bơm:

Hình 3.10 biểu thị mối quan hệ và chiều dài sợi quang.

Hình 3.10 (a) Hệ số khuếch đại tín hiệu tại 1530nm và 1550nm, bước sóng bơm 980nm và 1480nm với công suất bơm là 40 mW và công suất tín hiệu điện là -40dB

Hình 3.10(b) Hệ số khuếch đại tín hiệu tại 1530nm và 1550nm, bước sóng bơm 980nm và 1480nm với công suất bơm là 10 mW và công suất tín hiệu điện là -40dB

Lúc đầu khả năng tăng ích tăng lên khi chiều dài sợi quang tăng, nhưng sau khi sợi quang dài quá độ dài nhất định, tăng ích sẽ giảm dần, vậy có một độ dài nhất định để đạt được khả năng khuếch đại tối đa.

Ngoài ra hệ số khuếch đại còn phụ thuộc vào phương thực bơm là cùng chiều hay ngược chiều với tín hiệu như hình vẽ 3.11.

Hình 3.11 Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi và phương thức bơm

Đặc tính tạp âm nhiễu

Trong sợi pha tạp Erbium, các photon bức xạ tự phát có pha và hướng ngẫu nhiên. Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang, lan truyền dọc theo lõi sợi và được khuếch đại thành các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu quang. 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 phổ ASE và tín hiệu;

- Tạp âm phách giữa các quang phổ ASE.

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

Ngoài ra còn có nhiễu bắn có nguồn gốc phát sinh thời gian đến của các photon tại bộ tách quang không giống nhau và do tốc độ chuyển động và số lượng các hạt tải điện qua tiếp giáp P-N của bộ tách quang thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian. Bộ khuếch đại quang đặt trước diode tách quang nên nó là một trong các nguồn sinh ra nhiễu bắn.

Hình 3.12 Hệ số tạp âm EDFA

Hình 3.12 cho thấy ảnh hưởng của các phương thức bơm khác nhau đối với hệ số tạp âm, khi sợi quang trồn Erbium tương đối dài thì hệ số tạp âm khi bơm ngược chiều cao hơn với khi bơm cùng chiều.

Nhiễu tại ngõ ra bộ khuếch đại quang:

Trong các hệ thống thông tin ánh sáng dùng các bộ khuếch đại quang, tín hiệu quang được biễn đổi sang tín hiệu điện ở cuối đường truyền. Các bộ tách sóng sẽ biến đổi các photon thành electron, phát xạ tự phát tồn tại trong bộ khuếch đại quang sẽ gây ra sự gia tăng đối với tín hiệu điện, đó được xem như là nhiễu, nó hoàn toàn ngẫu nhiên chứ không chứa thông tin.

Đặc tính công suất ra

Với bộ khuếch đại quang lý tưởng không kể công suất vào cao bao nhiêu, tín hiệu quang đề được khuếch đại theo tỷ lệ như nhau. Nhưng thực tế không phải như vậy, khi công suất vào tăng lên, bức xạ bị kích thích tăng nhanh, giảm số hạt chuyển động ngược lại, quang bức xạ bị kích thích yếu đi, dẫn đến bão hòa tăng ích, công suất phát có xu hướng ổn định. Bão hòa tăng ích là đặc tính là hệ số khuếch đại giảm khi tín hiệu vào tăng. Đặc tính bão hòa tăng ích là đặc tính vô cùng quan trọng do ccông suất đầu ra của bộ khuếch đại liên quan đến cự ly truyền dẫn và cự ly trạm lặp hoặc làm tăng số đầu ra trong cấu hình phân phối sợi quang. Hình 3.10 thể hiện mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra trong EDFA.

Hình 3.13 Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của EDFA

Các hệ thống thông tin sợi quang đường dài có thể sử dụng chuỗi EDFA trong truyền dẫn. Cự ly truyền dẫn có thể đạt được xa hơn nhờ sử dụng các EDFA, có nhiễu thấp và độ khuếch đại cao.

Việc sử dụng chuỗi EDFA để thay thế các trạm lặp trong hệ thống thông tin sợi quang đường dài, đặc biệt đối với hệ thống cáp quang biển, là rất phù hợp cho đặc điểm hơn hẳn của nó. Vấn đề đặt ra ở đây là việc tính toán vị trí đặt các EDFA và ảnh