Đề tài Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+

áng kể. - Sợi quang đa mode pha tạp Er3+ tiêu chuẩn sử dụng trong laser sợi quang có cấu trúc lõi dẫn sáng đường kính 50micron, đường kính lớp vỏ 125micron, khẩu độ số N.A=0,2 - 0,25. Trong lõi dẫn sáng người ta pha tạp Er3+ tại tâm sợi quang. Đường kính vùng pha tạp từ 15 đến 30micron. Nồng độ pha tạp ion Er3+ từ 0,1% đến 1,2%. - Sợi quang đơn mode pha tạp Er3+ tiêu chuẩn sử dụng trong laser sợi quang có cấu trúc lõi dẫn sáng đường kính 9micron, đường kính lớp vỏ 125micron. Đường kính vùng pha tạp từ 2 đến 3 micron. Nồng độ pha tạp ion Er3+ từ nồng độ thấp n1000ppm. Các loại sợi pha tạp hiện nay dùng khuếch đại quang trong thông tin có n = 2500ppm. Cấu tạo sợi quang pha tạp Er có kích thước giống như sợi quang truyền tín hiệu nên việc hàn nối các sợi với nhau rất dễ dàng. 2.3 Nguyên lý của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+: Là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo mật độ. Để tạo được trạng thái đảo mật độ trong môi trường hoạt tính bằng phương pháp bơm quang học, chúng ta xét đến mô hình khuếch đại quang sử dụng bơm 3 hoặc 4 mức năng lượng. Các bộ khuếch đại EDFA tuân theo sơ đồ 3 mức. 4I11/2 4I13/2 Các nguyên tử Erbium bị kích thích lên mức năng lượng cao −1μs Bức xạ kích thích λ=1520 ÷ 1620 nm Các nguyên tử Erbium tại mức năng lượng thấp λ=980nm λ=1480nm Các nguyên tử Er tại mức siêu bền (−10ms) 4I15/2 Nguyên lý khuếch đại quang bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo mật độ của sợi quang pha tạp Er3+ 2.3.1 Hệ phương trình tốc độ: Xét hệ 3 mức năng lượng: 1 2 3 Φpσp Φsσs Г32 Г21 Sơ đồ hệ 3 mức năng lượng Mức 1 là mức năng lượng cơ bản (E1=0) (tương ứng với trạng thái 4I15/2 trong cấu trúc năng lượng của Er3+). Mức 2 là mức laser trên, thời gian sống ở mức này phải lớn hơn nhiều so với các trạng thái trên (tương ứng với trạng thái 4I13/2). Mức 3 là mức kích thích khi nguyên tử hấp thụ năng lượng bơm, đây là mức trung gian để tạo sự nghịch đảo phân bố mật độ giữa mức 2 và 1, thời gian sống ở mức này rất ngắn (cỡ ms) (tương ứng với trạng thái 4I11/2). Khi các nguyên tử nhận năng lượng từ nguồn bơm bên ngoài có tần số bơm thích hợp, chúng sẽ bị kích thích lên mức 3. Do thời gian sống tại mức 3 rất ngắn nên chúng sẽ bị dịch chuyển rất nhanh xuống mức 2 thông qua dịch chuyển phonon (dịch chuyển không phát xạ). Thời gian sống của các nguyên tử tại mức 2 rất dài, cỡ ms nên chúng có thể tồn tại khá lâu tại mức này và vì vậy chúng có thể tạo ra nghịch đảo độ tích lũy so với mức 1. Khi một nguyên tử tại mức kích thích 2 này tương tác với một photon tín hiệu tới, nó sẽ nhảy xuống mức 1 và bức xạ ra một photon có tần số và pha giống hệt như photon tới (bức xạ kích thích). Đây chính là nguyên lý để chế tạo các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+. Hệ phương trình tốc độ cho hệ 3 mức năng lượng trên như sau: p là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1 lên mức 3 ( số photon trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích), tương ứng với bơm. s là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1 lên mức 2, tương ứng với tín hiệu. là xác xuất dịch chuyển không phát xạ từ mức 3 xuống mức 2 (coi dịch chuyển phát xạ từ mức 2 xuống mức 3 là rất bé) là xác xuất dịch chuyển phát xạ từ mức 2 xuống mức 1, nếu là thời gian sống tại mức 2 ta sẽ có: Với và lần lượt là tiết diện hấp thụ từ mức 1 lên mức 3 và tiết diện bức xạ từ mức 2 xuống mức 1. Ở trạng thái dừng, ta có: Tổng độ tích lũy tại 3 mức là : N = N1+N2+N3 Độ tích lũy tại mức 3: Do tốc độ phân rã từ mức 3 xuống mức 2 rất nhanh, nhanh hơn rất nhiều tốc độ tác động của nguồn bơm, nên độ tích lũy ở mức 3 gần như là bằng 0 vì vậy ta sẽ coi toàn bộ độ tích lũy chỉ gồm mức 1 và 2. Thay vào ta được: Nghịch đảo độ tích lũy: => điều kiện để có nghịch đảo độ tích lũy là N2>>N1 Điều kiện ngưỡng ứng với , ta có thông lượng tối thiểu cho tốc độ bơm: Trong trường hợp cường độ tín hiệu rất nhỏ và tốc độ phân rã lớn hơn nhiều so với tốc độ bơm , ta có phân số đảo mật độ: với Khi phân số đảo mật độ là âm, chuyển dời do hấp thụ sẽ lớn hơn chuyển dời do bức xạ, tín hiệu sẽ bị suy hao. Ngược lại nếu phân số đảo mật độ là dương thì tín hiệu đi qua sợi quang sẽ được khuếch đại. Từ công thức về cường độ bơm (năng lượng trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian) được cho bởi , ta có cường độ bơm ngưỡng: Từ phương trình trên ta thấy rằng tiết diện hấp thụ càng cao tức là xác suất hấp thụ photon bơm càng lớn thì số photon bơm cần thiết để đảm bảo lượng photon được hấp thụ đạt ngưỡng sẽ thấp đi hay sẽ thấp đi. Thêm vào đó, thời gian sống tại mức 2 càng dài tức là năng lượng tích lại ở mức 2 càng lâu thì lưọng photon cần bơm trong một đơn vị thời gian để giữ được năng lượng ở lại mức 2 (hay để tạo được nghịch đảo độ tích luỹ) sẽ giảm bớt. Vì vậy, điều kiện để có ngưỡng bơm thấp sẽ là: - Tiết diện hấp thụ lớn - Thời gian sống tại mức 2 (một điểm hết sức thuận lợi của sợi quang pha tạp Er3+ là chúng có thời gian sống tại mức kích thích 4I13/2 rất lớn, cỡ 10ms). 2.3.2 Hệ phương trình truyền dẫn: Sử dụng sơ đồ 3 mức năng lượng như ở phần trên, mật độ tích luỹ (số lượng ion trong một đơn vị thể tích) tại các mức 1, 2 và 3 lần lượt là N1, N2, và N3, ta sẽ xét sóng tín hiệu và sóng bơm truyền theo cùng một hướng dọc theo trục z của sợi quang lần lượt có cưòng độ là và . Sự thay đổi của sóng tín hiệu và sóng bơm khi đi qua một đoạn vô cùng nhỏ dz la: Từ đó, ta thu được sự tăng cường cường độ tín hiệu: Và sự suy hao cường độ bơm: Từ đây, ta thấy rõ ràng tín hiệu chỉ có thể được khuếch đại khi: 2.4 Các thông số của bộ khuếch đại quang EDFA 2.4.1 Phổ tăng ích và băng tần Hệ số tăng ích quang trong môi trường khuếch đại phụ thuộc vào tần số (hay bước sóng) của tín hiệu quang tới và cường độ chùm ánh sáng khuếch đại tại các điểm khác nhau của bộ khuếch đại quang. Để đơn giản, chúng ta giả thiết môi trường khuếch đại là một hệ hai mức năng lượng mở rộng đồng nhất. Hệ số tăng ích g(w) trong môi trường khuếch đại được tính bằng biểu thức sau: Trong đó: g0 là giá trị tăng ích cực đại, w là tấn số của tín hiệu quang tới, w0 là tấn số chuyển dời nguyên tử, P là công suất quang của chùm sáng tới và Ps là công suất bão hòa của bộ khuếch đại, phụ thuộc vào các thông số của môi trường khuếch đại như T1 thời gian phát xạ huỳnh quang (flourescence time) và tiết diện dịch chuyển của nguyên tử kích thích. T2 là thời gian phục hồi lưỡng cực (dipole relaxtion time) thường có giá trị rất nhỏ (T2 <1ps). Thời gian phát xạ huỳnh quang cũng được gọi là thời gian phục hồi mật độ hạt tải. T1 có giá trị trong khoảng 100ps ÷ 10ms phụ thuộc vào môi trường khuếch đại. Biểu thức có thể sử dụng để tính toán các đặc trưng quan trọng của khuếch đại quang như băng tần khuếch đại, hệ số khuếch đại và công suất ra bão hòa. Ta xét trường hợp bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở chể độ không bão hòa, nghĩa là P<<Ps trên toàn bộ khuếch đại. Khi đó ta có thể bỏ qua tỷ số P/Ps, ta có: Ta thấy g(w) đạt giá trị cực đại khi tần số ánh sáng tới trùng với tần số dịch chuyển nguyên tử. Khi tăng ích giảm tuân theo quy luật hàm Lorentz là quy luật áp dụng cho hệ hai mức năng lượng mở rộng đồng nhất. Băng tần tăng ích được xác định bằng độ rộng của phổ tăng ích tại điểm giữa giá trị cực đại (FWHM – Full Width at Half Maximum). Với phổ Lorentz, băng tần tăng ích được cho bởi: hay: 2.4.2 Hệ số khuếch đại - Hệ số khuếch đại G là tỷ số giữa công suất tín hiệu lối ra trên tín hiệu lối vào, và được tính theo đơn vị dB: - Người ta có thể tính hệ số khuếch đại quang theo cách khác: Tín hiệu và bơm truyền dọc theo chiều dài sợi, xét phân bố năng lượng theo trục Z Khi tín hiệu vào bộ khuếch đại nhỏ ta có phân bố năng lượng bơm dọc theo sợi xem như đồng đều, khi đó công suất tín hiệu quang tăng theo hàm mũ. P(z) là công suất quang tại tọa độ z tính từ lối vào bộ khuếch đại: P(z)=P(0).exp(gz) Với P(0)=Pin, Khi z=L (độ dài bộ khuếch đại) thì P(z=L)=Pout=P(0).exp(gL) Vậy : G(w) =Pout/Pin= exp[g(w)L)] Hệ số khuếch đại quang trong môi trường khuếch đại phụ thuộc vào tần số của tín hiệu quang tới, cường độ chùm sáng khuếch đại tại các điểm khác nhau của bộ khuếch đại quang và chiều dài sợi quang pha tạp Er3+ Cường độ (a.u) Bước sóng λ(nm) Isignal out Isignal out Phổ tín hiệu ra - Băng tần khuếch đại trong đó : G0=exp(g0L) (băng tần khuếch đại tại điêm giữa cực đại G(w)) 2.4.3 Tăng ích bão hòa Ta có tăng ích , trong công thức này g(w) giảm khi P tăng gần bằng Ps và hệ số khuếch đại G giảm khi tăng công suất quang của tín hiệu tới, hiện tượng này gọi là tăng ích bão hòa. Xét trường hợp tần số ánh sáng tới w=w0 , từ đó thay biểu thức của g(w) từ phương trình vào phương trình ta sẽ thu được sự biến thiên công suất tín hiệu dọc theo sợi quang pha tạp Er3+ như sau: (3.31) Sử dụng các điều kiện P(z=0)=Pin và P(z=L)=Pout= G.Pin . Ta có: Ta thấy hệ số khuếch đại G giảm từ giá trị chưa bão hòa G0 (giá trị cực đại) khi công suất tín hiệu ra Pout gần bằng với Ps . Công suất của tín hiệu ra bão hòa được xác định khi G giảm một nửa (tức là giảm đi 3dB) so với G0 (G=G0/2). Ta có: (3.33) Công suất ra bão hòa nhỏ hơn công suất bão hòa Ps khoảng 30%.. Thực vậy, qua thực nghiệm người ta thấy do G0 >>2 (G0 =1000 hay 30dB) nên . Chúng ta không nên nhầm lẫn giữa với Ps là một thông số bên trong của một bộ EDFA không phụ thuộc vào công suất vào, ra hay độ dài sợi khuếch đại. Công suất ra bão hòa là một thông số quan trọng của bộ EDFA. Khi thiết kế các bộ khuếch đại quang, ta thường tính toán ở mức khuếch đại bão hòa, để giảm thiểu năng lượng dư thừa trong sợi. Vì năng lượng dư thừa sẽ tạo nên nhiễu do khuếch đại bức xạ tự phát (Amplified Spontaneous Emission – ASE). 2.4.4 Phổ ASE (Amplified Spontaneous Emission) Các ion kích thích ở mức laser trên vẫn có chuyển dời tự phát về mức dưới và phát bức xạ tự phát trong vùng khuếch đại, bức xạ này không có tính kết hợp với photon tín hiệu, và được khuếch đại lên và trở thành nguồn nhiễu đáng kể trong khuếch đại quang sợi. Khi có tín hiệu ở lối vào bộ khuếch đại, lối ra luôn có nhiễu do ASE làm xấu đi chất lượng của tín hiệu. Với chế độ bơm thích hợp và tín hiệu vào đủ lớn thì nhiễu ASE sẽ yếu đi. Phổ của khuếch đại bức xạ tự phát ASE có dạng gần giống với phổ của hệ số khuếch đại nên nó cung cấp các thông tin có ích về các đặc tính của bộ EDFA. Dạng phổ ASE sẽ phụ thuộc theo công suất bơm, đặc biệt là tại vị trí bước sóng 1530nm. Ban đầu khi công suất bơm thấp, nghịch đảo độ tích lũy còn yếu thì đỉnh phổ ASE tại bước sóng 1530nm rất thấp do xác suất hấp thụ và bức xạ là gần nhau (theo phổ hấp thụ và bức xạ của ion Er3+). Khi tăng dòng bơm, nghịch đảo độ tích lũy ngày càng tăng lên và đạt tới chế độ bão hòa thì đỉnh phổ ASE tại vị trí bước sóng 1530nm sẽ cao dần lên và khi tới chế độ bão hòa thì nó đạt cực đại tại vị trí cao nhất. Điều này là do tại chế độ bão hòa, xác suất bức xạ tại bước sóng 1530nm là lớn nhất. Phổ ASE với công suất bơm là 4, 6, 8, 15 và 20mW (a) đồng hướng (b) ngược hướng 1500 1520 10-6 4 6 1540 1560 1580 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10-0 8 20 15 Bước sóng λ(nm) (b) Công suất ASE (mW) 1500 1520 10-6 4 6 1540 1560 1580 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10-0 8 20 15 Bước sóng λ(nm) (a) Công suất ASE (mW) Hình 3.6 cho thấy sự thay đổi dạng phổ ASE theo công suất bơm. Với ASE đồng hướng, ta có thể thấy rõ được sự dịch đỉnh phổ của ASE tại vị trí bước sóng 1530nm nhưng với ASE ngược hướng thì lại khác. Với ASE ngược hướng, chỉ cần một công suất bơm rất nhỏ cũng có thể tạo được nghịch đảo độ tích lũy khá tốt tại đầu sợi. Chình vì vậy đỉnh phổ ASE ngược hướng tại bước sóng 1530nm đều nhô cao. Phổ ASE sẽ yếu đi khi cường độ tín hiệu quang trong sợi mạnh lên. Vì vậy điểm cần lưu ý khi thiết kế bộ khuếch đại EDFA cần thiết kế sao cho nó hoạt động ở chế độ gần bão hòa. Khi có tín hiệu ở lối vào bộ khuếch đại, lối ra luôn có nhiễu do ASE làm xấu đi chất lượng của tín hiệu. Với chế độ bơm thích hợp và tín hiệu vào đủ lớn thì nhiễu ASE sẽ yếu đi. Đó chính là thông số tối ưu cần quan tâm khi tính toán và khảo sát. Với các nguồn nhiễu trong mạch điện tử có nhiều cách để lọc bỏ nhiễu, nhưng đối với nguồn nhiễu ASE ta không có biện pháp để lọc bỏ đi được. Đặc biệt nếu trên tuyến có quá nhiều bộ khuếch đại EDFA thì nhiễu ASE sẽ tích lũy dần và tín hiệu sẽ không dùng được nữa. 2.4.5 Thông số tạp âm EDFA là thiết bị đặt trên đường truyền tín hiệu, nên yêu cầu không được làm méo dạng tín hiệu và phát sinh tạp âm lớn, hệ số khuếch đại không phụ thuộc nhiều vào bước sóng và độ phân cực của tín hiệu vào. Trong thông tin quang thành phần nhiễu chủ yếu do các bộ khuếch đại quang, với khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+ thành phần nhiễu chủ yếu là do ASE và sự thay đổi cường độ quang ở lối ra của bộ khuếch đại. Thành phần ASE là do bản chất vật lý của hệ thống, sự ổn định cường độ quang phát ra do chất lượng của bộ laser bơm. - Tạp âm của bộ khuếch đại được đánh giá qua thông số hình ảnh nhiễu (Noise Figure – NF) theo biểu thức sau: Trong đó SNR là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (Signal Noise Ratio – SNR), được tính theo công suất điện hình thành do tín hiệu quang chuyển thành dòng điện. Nói chung Fn phụ thuộc vào các thông số của bộ thu quang, đặc biệt là tạp âm nhiệt trong bộ thu quang. Xét bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại G: Pout=G.Pin - Ta có tỷ số tín hiệu trên tạp âm lối vào là : Trong đó: là dòng quang điện trung bình là tỷ số tương thích của bộ thu quang lý tưởng với =1 là tạp âm shot khi dòng tối Id = 0 h là hằng số Planck (h = 6,625.10−34Js), ν là tần số tín hiệu quang là băng tần bộ thu. - Để tính SNR ở lối ra của bộ khuếch đại ta cần tính thêm thành phần tạp âm do phát xạ ngẫu nhiên vào tạp âm bộ thu. Mật độ phổ của tạp âm phát xạ ngẫu nhiên cảm ứng (spontaneous-emission induced noise) là một hằng số (tạp âm trắng) có thể tính theo công thức sau: Trong đó nsp được gọi là yếu tố phát xạ ngẫu nhiên hay yếu tố đảo mật độ được cho bởi: Với N1 và N2 lần lượt là mật độ nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích. Phát xạ ngẫu nhiên đã đóng góp thêm nhiễu loạn vào công suất khuếch đại vì phát xạ ngẫu nhiên luôn đi kèm với tín hiệu khuếch đại. Dòng quang điện do phát xạ ngẫu nhiên đóng góp là : Trong đó là công suất phát xạ ngẫu nhiên trong băng tần khuếch đại và là độ lệch pha ngẫu nhiên. Giả thiết các nguồn tạp âm khác được bỏ qua, sự thay đổi dòng quang điện sẽ là: Trong đó cos2 có giá trị trung bình là 1/2 Tỷ số SNR của tín hiệu ra (tín hiệu đã khuếch đại): Ta sẽ có hình ảnh nhiễu Fn của bộ khuếch đại là: Do tạp âm trong các bộ khuếch đại quang chủ yếu sinh ra do khuếch đại bức xạ tự phát ASE, ta có: hνΔν Thay (3.40) vào (3.39) ta có thể tính NF bằng biểu thức sau: hay Trong đó, PASE là công suất ASE, hu là năng lượng photon, G là tăng ích của bộ khuếch đại và là dải thông tương đương với độ rộng phổ của tín hiệu. Người ta xác định trong vùng tăng ích cao G>>1, thông số tạp âm luôn lớn hơn một giá trị xác định gọi là giới hạn lượng tử. Giới hạn nhỏ nhất này bằng 3dB. Như vậy, thông số tạp âm tỷ lệ nghịch với tăng ích của bộ khuếch đại. Khi hệ số khuếch đại càng lớn thì tạp âm càng nhỏ. Điều này tương đương với việc khi chúng ta tăng công suất bơm thì tạp âm sẽ nhỏ dần. Hệ số khuếch đại G(dB) (a) 0 5 10 15 20 Công suất bơm Pp(mW) (b) NF(dB) Hình 3.7: Sự phụ thuộc của thông số tạp âm theo: tăng ích công suất bơm 25 3 4 5 6 7 NF(dB) 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0 10 20 30 40 Tuy nhiên, khi công suất bơm vượt quá ngưỡng xác định bão hòa và tăng ích G đã đạt cực đại thì thông số tạp âm tăng rất nhanh. Khi ở chế độ bão hòa, công suất bơm dư thừa sẽ chỉ làm tăng nhiễu ASE mà không làm khuếch đại tín hiệu thêm nữa. Chính vì vậy việc xác định công suất bơm bão hòa là rất cần thiết, nó vừa giúp tránh lãng phí nguồn bơm, vừa làm giảm thiểu tối đa tạp âm. 2.5 Các cấu hình bơm cho khuếch đại EDFA a/ Bơm đồng hướng Nguồn bơm Bộ cách ly quang Tín hiệu vào Bộ ghép quang Bộ cách ly quang Tín hiệu ra Sợi quang pha tạp đất hiếm Hình 3.8: Cấu hình bơm đồng hướng Cấu hính khuếch đại quang bơm đồng hướng có đặc điểm là sóng bơm và sóng tín hiệu cùng chiều nên có tạp âm thấp. Tuy nhiên công suất lối ra có thể bị suy giảm do hấp thụ ngược. b/ Bơm ngược hướng Nguồn bơm Bộ cách ly quang Tín hiệu vào Bộ ghép quang Bộ cách ly quang Tín hiệu ra Sợi quang pha tạp đất hiếm Hình 3.10: Cấu hình bơm ngược hướng Sóng bơm và sóng tín hiệu ngược hướng nhau. Ưu điểm của cấu hình này là công suất quang lối ra cao, không bị ảnh hưởng của hấp thụ ngược và rất tiện lợi trong việc tăng cường công suất tín hiệu vào tuyến cáp quang. Nhược điểm của cấu hình này là tạp âm khá lớn do khuếch đại bức xạ tự phát (ASE – Amplifed Spontaneous Emission) c/ Bơm song công Nguồn bơm Bộ cách ly quang Tín hiệu vào Bộ ghép quang Bộ cách ly quang Tín hiệu ra Sợi quang pha tạp đất hiếm Hình 3.12: Cấu hình bơm song công Bộ ghép quang Nguồn bơm Khi kết hợp cả hai cấu hình trên ta sẽ có được các ưu điểm nổi bật như công suất quang ở lối ra cao và tạp âm tương đối thấp. 2.6 Các ứng dụng của khuếch đại EDFA trong mạng truyền dẫn quang a/ Khuếch đại công suất Đầu phát Đầu thu Hình 3.15: Khuếch đại công suất Khuếch đại công suất để tăng cường công suất quang vào đường truyền. Trong trường hợp này, EDFA có công suất bão hòa cao và được đặt ngay sau nguồn phát nhằm khuếch đại công suất tín hiệu truyền đi. Bộ khuếch đại này được sử dụng trong trường hợp nguồn quang phát đi bị hạn chế về mặt công suất. Ta có thể đạt được công suất phát quang lớn dễ dàng nhờ các bộ EDFA. Tuy nhiên, trong trường hợp EDFA có hệ số khuếch đại lớn thì có thể dẫn tới hiệu ứng phi tuyến sợi làm mất mát công suất hệ thống. Đặc tính phi tuyến sợi trở thành vấn để đáng lưu ý cho tất cả các hệ thống có dung lượng cao và các tuyến không tram lặp cự ly xa. Cách bố trí này giảm nhẹ công suất phát của laser điều chế tín hiệu. b/ Tiền khuếch đại Đầu phát Đầu thu Hình 3.16: Khuếch đại trên tuyến Với đường truyền tốc độ thấp ảnh hưởng của tán sắc không lớn, tham số cần quan tâm đối với hệ thống truyền dẫn là suy hao của sợi. Khi truyền dẫn thông tin trên những khoảng cách rất dài, nếu như chỉ sử dụng bộ khuếch đại công suất hay bộ tiền khuếch đại sẽ không đảm bảo. Trong trường hợp này người ta phải sử dụng các bộ EDFA làm các bộ khuếch đại trên tuyến. Các bộ khuếch đại trên tuyến sẽ được bố trí thành chuỗi cách đều nhau trên toàn tuyến. Với các bộ khuếch đại trên tuyến, các xung ánh sáng có thể lan truyền mà không bị biến dạng, duy trì được mức công suất tối thiểu nhằm khắc phục ảnh hưởng của các hiệu ứng quang phi tuyến. Vì ASE sinh ra trong các bộ EDFA và tham gia vào hệ số khuếch đại nên ta cần duy trì tại đầu vào của từng bộ EDFA một công suất tín hiệu đủ lớn. Về mặt lý thuyết ta có thể sử dụng các bộ khuếch đại trên tuyến để kéo dài khoảng cách truyền dẫn lên đến hàng nghìn km. Tuy nhiên, nếu ta sử dụng nhiều bộ khuếch đại trên tuyến thì chất lượng truyền dẫn của hệ thống sẽ suy giảm do tạp âm tích lũy, do các hiệu ứng phân cực, tán sắc tích lũy và các hiệu ứng phi tuyến khác. Một trong các ưu điểm của các bộ khuếch đại EDFA được sử dụng cho lắp đặt trên tuyến là nó được lắp đặt dễ dàng và rất dễ bảo trì. Các bộ khuếch đại trên tuyến có thể tính toán để đặt ở vị trí thuận tiện trên tuyến thông tin, để dễ điều khiển hoạt động và cung cấp nguồn điện. Một số trường hợp như cáp quang trong lòng biển, người ta cũng nghiên cứu bơm cho EDFA từ xa nhờ laser bước sóng 1480nm. c/ Khuếch đại trên tuyến Đầu phát Đầu thu Hình 3.17: Khuếch đại công suất Bộ tiền khuếch đại thực hiện khuếch đại phía trước đầu thu. Nó khuếch đại những tín hiệu có công suất nhỏ ngay trước đầu thu quang để nâng cao độ nhạy đầu thu. Tín hiệu trước khi vào bộ khuếch đại này thường là yếu vì bị suy hao trên đường truyền. Khi công suất quang đến đầu thu tín hiệu quá yếu dưới ngưỡng hoạt động của đầu thu tín hiệu, người ta cũng dùng khuếch đại quang EDFA. Thực tế, khi EDFA được thương mại trên thị trường, người ta ứng dụng nó có hiệu quả cho các tuyến thông tin tốc độ cao nhiều Gigabite và cự ly xa không trạm lặp. Với các ứng dụng như vậy, hệ thống thông tin yêu cầu có công suất phát lớn và độ nhạy đầu thu cao. Đối với EDFA loại này, chúng ta không cấn quan tâm đến hiện tượng bão hòa. Tuy nhiên tín hiệu trước khi đưa vào EDFA bao gồm cả tạp âm do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) nên cần giảm tối đa công suất tín hiệu vào nhằm đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR – Signal Noise Ratio) Phần 2: Thực nghiệm 1. Sơ đồ hệ đo Khuếch đại EDFA Máy phổ Nguồn phát tín hiệu quang Hình 4.1: Sơ đồ khối bố trí hệ đo Từ sơ đồ hình 4.1, tín hiệu cần khuếch đại từ nguồn phát laser 1550nm được đưa đến đầu vào của bộ khuếch đại EDFA. Tại đây, nó sẽ đi qua sợi quang pha tạp Er3+ được bơm bởi laser 980nm và ta sẽ thu được tín hiệu được khuếch đại tại đầu ra của bộ EDFA. Tín hiệu ra này sẽ được đưa vào máy phân tích quang phổ để khảo sát các thông số đặc trưng của một bộ khuếch đại quang EDFA. Bố trí thực nghiệm Một bộ khuếch đại quang EDFA như đã giới thiệu, nó có thể được dùng với các mục đích khác nhau như một bộ khuếch đại trên tuyến, một bộ khuếch đại công suất hay một bộ tiền khuếch đại. Để tiến hành khảo sát các thông số của bộ khuếch đại quang, những thiết bị đã được sử dụng để tiến hành thực nghiệm gồm có: - Sợi quang đơn mốt SiO2 và các đầu nối quang. - Máy phân tích quang phổ (Optical Spectrum Analyser). Máy phân tích quang phổ Máy phân tích quang phổ Advantest Q8384 có khả năng phân tích phổ quang học với độ phân giải 0,01nm, khảo sát được trong dải tần số từ 600 ÷ 1700nm, đưa phổ ra màn hình và có thể lưu hình ảnh phổ thông qua file ảnh hoặc lưu dữ liệu về phổ thông qua file excel trên đĩa mềm. - Bộ phát tín hiệu tại dải tần số 1550nm: tín hiệu được phát bởi laser phản hồi phân bố (Distributed Feedback Laser – DFB Laser) với công suất tín hiệu vào khoảng 7dBm. Nguồn phát tín hiệu 1550nm - Các bộ khuếch đại quang EDFA Bộ 1 Bộ 2 Bộ 1: có chiều dài sợi quang pha tạp L = 2,5m và nồng độ pha tạp ρ = 2500ppm. Bộ 2 : có chiều dài sợi quang pha tạp L = 12m và nồng độ pha tạp ρ = 800ppm. Đây là các bộ khuếch đại quang EDFA được dùng để khảo sát trong chương này, cả 2 bộ trên đều sử dụng laser bơm tại bước sóng 980nm và đều có thể điều chỉnh dòng bơm và nhiệt độ của laser. Trong tất cả các phần khảo sát của chương này, nhiệt độ của laser đều được đặt ở 25°C. Các bộ EDFA trên đều được thiết kế cấu hình bơm đồng hướng. Các thành phần của một bộ khuếch đại quang EDFA bao gồm: - 1 nguồn bơm laser DFB – Distributed Feedback Laser tại tần số 980nm được cấp dòng bởi một mạch điện tử có tác dụng giúp laser bơm ổn định cao vể công suất phát và nhiệt độ. - 1 bộ ghép kênh WDM – Wavelength Division Multiplexing: dùng để ghép hai bước sóng 980nm (bước sóng bơm) và 1550nm (bước sóng tín hiệu) với suy hao thấp. - 1 sợi quang đơn mốt pha tạp Er3+ có chiều dài sợi L(m) và nồng độ pha tạp ρ(ppm). Loại sợi quang được sử dụng có lõi silica – alumina pha tạp Er3+ nồng độ 800ppm và 2500ppm. Cấu trúc của sợi quang pha tạp này như sau: đường kính lớp bọc 125μm, đường kính lõi dẫn sáng 9μm (đơn mốt với bước sóng 1550nm) và đường kính tâm lõi pha tạp Er3+ là 2,5μm với nồng độ là 800ppm hoặc 2500ppm. Các thông số của sợi pha tạp là: - Loại 2500ppm có hệ số hấp thụ tại bước sóng 980nm là 35dB/m, tại 1535nm là 80dB/m và tại bước sóng cắt 1100nm là 190dB/m; - Loại 800ppm có hệ số hấp thụ tại bước sóng 980nm là 5,1dB/m, tại 1529nm là 6,1dB/m và tại 1100nm là 10,7dB/m. 2 bộ cách ly quang cho bước sóng 1550nm (là các thiết bị có tác dụng chỉ cho ánh sáng đi theo một chiều nhất định) để làm giảm phản xạ ngược của bước sóng tín tiệu về nguồn phát tín hiệu. Các đầu ghép nối quang. Nối quang Mạch điều khiển Nguồn bơm laser 980nm Cách ly quang Cách ly quang Ghép kênh Nối quang Sợi quang pha tạp Er3+ : Sơ đồ khối của một bộ EDFA Nguồn nuôi Hình 4.7: Ảnh chụp cấu tạo bên trong của một bộ khuếch đại EDFA 2. Khảo sát phổ khuếch đại bức xạ tự phát ASE Tiến hành khảo sát phổ khuếch đại bức xạ tự phát (Amplifier Spontaneous Emission – ASE) của các sợi quang pha tạp Er3+ với các chiều dài khác nhau, vùng bước sóng chủ yếu tập trung vào vùng cửa sổ thông tin thứ ba, trong khoảng 1400nm đến 1600nm. Các phép đo được tiến hành trên máy phân tích quang phổ Advantest Q8384, sơ đồ thí nghiệm được bố trí như sau: Khuếch đại EDFA Máy phổ Sơ đồ bố trí khảo sát phổ ASE Năng lượng của laser bơm sẽ được truyền qua sợi pha tạp Er3+ có chiều dài 4,5m và 6m và thu dạng phổ ở đầu ra bằng máy phân tích quang phổ. Ở phần khảo sát này ta không phát laser tín hiệu 1550nm, vì vậy khi các ion Er3+ hấp thụ photon 980nm để nhảy lên mức 4I11/2 rồi dịch chuyển không bức xạ xuống mức 4I13/2, tại đây do không được tương tác với các photon 1550nm nên chúng sẽ bức xạ tự phát xuống trạng thái nền 4I15/2 và bức xạ này sẽ được khuéch đại l