Đề tài Nghiên cứu hệ thống thông tin quang

xảy ra là rất ít và khó có thể mà thấy được. Khi bán kính uốn cong giảm dần thì suy hao sẽ tăng theo quy luật hàm mũ cho tới khi bán kính đạt tới một giá trị tới hạn nào đó thì suy hao uốn cong thể hiện rất rõ. Nếu bán kính uốn cong này nhỏ hơn giá trị điểm ngưỡng thì suy hao sẽ đột ngột tăng lên rất lớn. 2.4 Cáp sợi quang 2.4.1 Các yêu cầu kỹ thuật Sợi quang muốn đưa vào sử dụng trong các tuyến thông tin phải bọc thành cáp. Sợi quang khi mới sản xuất ra chỉ được bọc một lớp nhựa mỏng để bảo vệ mặt ngoài của nó, lớp vỏ sơ cấp tiếp có đường kính khoảng 250 μm có thể tách ra khỏi sợi quang một cách dễ dàng, không ảnh hưởng đến lõi sợi. Khi sản xuất cáp quang, để bảo đảm tính ổn định, bền vững cơ học và an toàn, người ta phải làm lớp vỏ bảo vệ cáp, đưa thêm vào cáp các chất độn và các vật liệu gia cường chịu lực cho cáp. Vỏ bảo vệ cáp thường làm bằng nhựa tổng hợp có độ bền cao chịu được tác động trong các môi trờng sử dụng. Chất độn là chất nhờn lấp đầy các khe hở của cáp. Vật liệu gia cường có thể là sợi thép hoặc sợi tổng hợp có độ bền lớn. + Đảm bảo truyền dẫn ổn định, bền vững cơ học cao, chịu được tác động của môi trường, lắp đặt, thi công và sửa chữa thuận tiện. + Vật liệu gia cường đảm bảo cho cáp chịu được lực căng, lực nén nhất định, nhưng lại phải đảm bảo độ mềm dẻo cần thiết, trọng lượng và kích thước cáp nhỏ thuận tiện cho sử dụng. + Chất độn yêu cầu có hệ số giãn nở bé, ổn định nhiệt, không bị đông cứng, không cản trở sự linh động của sợi quang trong cáp, không tác động về mặt hoá học đối với sợi quang. + Các sợi quang trong cáp được đánh dấu bằng các màu sắc khác nhau rõ ràng để dễ phân biệt các sợi, thuận tiện cho hàn nối không bị nhầm lẫn. + Vỏ ngoài cáp đảm bảo chức năng bảo vệ tốt đối với môi trờng bên ngoài như chống ẩm, tác động của loài vật phá hoại, nâng cao tuổi thọ cho cáp. 2.4.2 Phân loại cáp quang Cáp quang đựợc phân loại theo nhiều cách khác nhau như : + Theo cấu trúc : có cáp đối xứng như cáp cổ điển, cáp với lõi có dạng răng lược, cáp có cấu trúc dạng băng dẹt. + Theo mục đích sử dụng : có cáp dùng cho mạng nội hạt hoặc thuê bao, cáp trung kế giữa các tổng đài, cáp mạng đường trục. + Theo điều kiện lắp đặt : có cáp chôn trực tiếp dới đất, cáp lắp đặt trong cống bể, cáp treo trên cột, cáp lắp đặt trong nhà, cáp đặt dưới biển. Ví dụ: Một số mẫu cáp quang + Cáp băng dẹt + Cáp lõi có khe răng lược + Cáp với sợi thả lỏng trong ống + Cáp treo trên cột 2.4.3 Các thành phần của cáp quang Các thành phần của cáp quang bao gồm : Lõi chứa các sợi dẫn quang, các phần tử gia cường, vỏ bọc và vật liệu độn. Lõi cáp : Các sợi cáp đã được bọc chặt nằm trong cấu trúc lỏng, cả sợi và cấu trúc lỏng hoặc rãnh kết hợp với nhau tạo thành lõi cáp. Lõi cáp được bao quanh phần tử gia cường của cáp. Các thành phần tạo rãnh hoặc các ống bọc thường được làm bằng chất dẻo. Thành phần gia cường : Thành phần gia cường làm tăng sức chịu đựng của cáp, đặc biệt ổn định nhiệt độ cho cáp. Nó có thể là kim loại, phi kim, tuy nhiên phải nhẹ và có độ mềm dẻo cao. Vỏ cáp : Vỏ cáp bảo vệ cho cáp và thường được bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi bị tác động của ứng suất cơ học và môi trường bên ngoài cáp còn vỏ bọc bằng kim loại được dùng cho cáp chôn trực tiêp. 2.4.4 Các biện pháp bảo vệ sợi  + Bọc chặt sợi : Sợi quang sẽ được bọc chặt do đó sẽ làm tăng tính cơ học của sợi và chống lại ứng suất bên trong. Các sợi quang có thể được bảo vệ riêng bằng các lớp vật liệu dẻo đơn hoặc kép. Trong một môi trường nhiệt độ thấp, sự co lại của chất dẻo ở lớp bảo vệ có thể gây ra sự co quang trục và vi uốn cong sợi, từ đó suy hao sợi có thể tăng lên. Từ đó có thể rút ra hai cách bảo vệ sợi là tối ưu hoá việc chế tạo vỏ bọc sợi bằng việc lựa chọn vật liệu tương ứng và độ dày của vỏ, đồng thời giữ cho sợi càng thẳng càng tốt và cách thứ hai là bọc xung quang sợi một lớp gia cường có khả năng làm giảm sự co nhiệt. + Bọc lỏng sợi : Sợi quang có thể được đặt trong cáp khi được bọc một lớp chất dẻo có màu mỏng. Các sợi được đặt trong ống hoặc các rãnh hình chữ V có ở lõi chất dẻo. Các ống và các rãnh có kích thước lớn hơn nhiều so với sợi dẫn quang để các sợi có thể hoàn toàn tự do trong nó. Kỹ thuật này cho phép sợi tránh được các ứng suất bên trong. Trong cấu trúc bọc lỏng, các sợi nằm trong ống hoặc trong khe đều được bảo vệ rất tốt. Giải pháp này ít dùng trong sợi đơn mà thường được dùng cho các sợi ở dạng băng. CHƯƠNG III: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA 3.1 Giới thiệu sơ lược về kỹ thuật khuếch đại quang Như ta đã biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự ly truyền dẫn dài tới mức phân bổ suy hao không thoả mãn, suy hao vượt quá tuyến công suất dự phòng thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền. Các trạm lặp ở đây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua quá trình biến đổi quang - điện và điện - quang. Như vậy có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thể truyền xa được nữa sẽ được các trạm lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian tái tạo, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi về tín hiệu quang đủ lớn để truyền lên đường truyền. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, người ta thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuếch đại quang. Kỹ thuật khuyếch đại quang vừa ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như về băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện… việc phát triển và ứng dụng các bộ khuếch đại quang vào hệ thống thông tin quang còn đưa ra một ý tưởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn khuếch đại quang và từ đó tiến tới phát triển mạng toàn quang. Khuếch đại quang có thể được đặt ở các phần khác nhau của hệ thống thông tin. Tuỳ thuộc vào vùng lắp đặt khuếch đại trên tuyến truyền dẫn mà khuếch đại quang có thể được sử dụng như : Ä Khuếch đại công suất Ä Khuếch đại thu Ä Khuếch đại đường truyền Khuếch đại công suất : Bộ khuếch đại này đặt sau nguồn sáng để khuếch đại công suất tín hiệu truyền. Nó được sử dụng khi nguồn sáng có công xuất ra bị giới hạn. Khuếch đại thu: Ngược với bộ khuếch đại công suất, khuếch đại công suất tín hiệu thu yếu trước khi đi vào bộ tách sóng. Khuếch đại đường truyền: khi khoảng cách truyền dài một số bộ khuếch đại đường truyền phải được sử dụng. Trong trường hợp này, các bộ khuếch đại quang được đặt có chu kì trên tuyến truyền dẫn. Đối với sợi quang Soliton xung ánh sáng được truyền đi không cần mở rộng, khuếch đại đường truyền được sử dụng để cung cấp một mức công suất nhỏ cho sợi quang phi tuyến. Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang, thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính: Ä Các bộ khuếch đại Laser bán dẫn SLA. Ä Các bộ khuếch đại quang sợi OFA. Đặc điểm của các bộ khuếch đại quang được thể hiện qua bảng sau: Thuộc tính Khuếch đại Laser FPA Khuếch đại Laser TWA Khuếch đại quang sợi Nguyên lý Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Công xuất bảo hòa lối ra (dB) 8 9 11 Băng tần khuếch đại (Hz) 1-3 G >5T 0.5-4T Hệ số tạp âm dB 6-9 5.2 3-5 Suy hao ghép vào sợi Lớn Lớn Nhỏ Phân cực tín hiệu TE-mode TE-mode TE-mode Hệ số khuếch đại tuyến tính dB 25-30 20-30 40-50 Bước sóng công tác 1.3-1.55μm 1.3-1.55μm 1.52-1.57μm Dòng/công suất bơm 10mA 100mA 20-100mW Nhiễu xuyên kênh Lớn Lớn Bỏ qua 3.2 Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng khuếch đại Như ta đã biết ở trên công suất bão hoà và nhiễu xuyên kênh là các yếu tố quan trọng trong các hệ thống sử dụng khuếch đại quang. Dưới đây là một số tiêu chuẩn khi thiết kế các bộ khuếch đại quang : Ø Khuếch đại công suất cao: Đạt được công suất cao là mục đích chính của việc thiết kế bộ khuếch đại quang. Tuỳ theo công suất đầu vào mà công suất đạt được là 10-30dB. Nhưng khuếch đại bão hoà làm giảm độ khuếch đại khi công suất đầu vào tăng. Ø Hiệu suất bơm ngoài cao: Công suất bơm ngoài theo nhu cầu tỉ lệ với độ khuếch đại yêu cầu. Để đạt được độ khuếch đại lớn tại công suất bơm nhỏ phía có hiệu suất bơm ngoài cao. Yêu cầu này dẫn tới sự phát triển của các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA, các bộ EDFA này vượt trội hơn thế hệ trước của chúng dựa trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman kích thích. Một bộ EDFA điển hình có hiệu suất bơm từ 6 -10dB/mW. Ø Hiệu ứng bão hoà thấp: Khuếch đại bão hòa là không đáng quan tâm trong các bộ khuếch đại bán dẫn nhưng rất quan trọng đối với các bộ khuếch đại quang sợi. Ø Băng tần rộng: đối với bộ khuếch đại quang thì khuếch đại băng tần rộng là điều mong muốn bởi 2 lý do quan trọng: thứ nhất nó có thể được sử dụng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu tại các bước sóng khác nhau. Điều này là quan trọng với kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM. Thứ 2 là, tại băng tần rộng, độ khuếch đại của bộ khuếch đại sẽ nhạy cảm đối với bước sóng của tín hiệu vào. Điều này cho phép hệ thống truyền dẫn tránh được sự trôi bước sóng. Bộ nối Bộ tách tín hiệu phân cực Ø Không phụ thuộc vào sự phân cực: Nói chung, khuếch đại công suất cũng phụ thuộc vào sự phân cực của ánh sáng vào. Đây là nguyên nhân gây ra bởi các hệ số giam cầm lỗ trống khác nhau của độ phân cực khác nhau. Để khắc phục vấn đề này hai bộ khuếch đại có thể được kết hợp với nhau như sau: Hình 3.1 : Khuếch đại phân cực không phụ thuộc phân cực sử dụng 2 bộ khuếch đại riêng biệt cho 2 bước sóng phân cực trực giao Ø Nhiễu bổ sung thấp: Do bức xạ phát bên trong kênh khuếch đại nên các bộ khuếch đại quang cũng làm tăng thêm nhiều ở tín hiệu vào. Hơn nữa, do độ khuếch đại của bộ khuếch đại, nhiễu bức xạ phát cùng được khuếch đại. Nhiễu này là nhiễu bức xạ phát, nó thêm vào mức suy hao nhỏ nhất là 8 dB. Do các bộ khuếch đại không được thiết kế phù hợp mức suy hao công suất làm cho nhiễu ASE tăng lên. Ø Xuyên kênh thấp: Khi một bộ khuếch đại quang được sử dụng để khuếch đại nhiều tín hiệu vào tại các bước sóng khác nhau, nhiễu xuyên kênh là quan trọng để chắc chắn rằng không có nhiễu từ tín hiệu này sang tín hiệu khác. Nếu hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại không phụ thuộc vào tổng công suất tín hiệu vào thì sữ không có nhiễu xuyên kênh ICI (Interchannel interferent) hoặc xuyên kênh (crosstalk). Tuy nhiên, vì khuếch đại bão hoà nên độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất tín hiệu vào. Kết quả là, khi công suất của một kênh giảm, các kênh khác có công suất lớn hơn dẫn đến ICI hoặc xuyên kênh. Thực tế, công suất trung bình của tín hiệu vào là không đổi, chỉ có công suất tức thời của chúng là có thể thay đổi do cường độ điều chế. Vì vậy, khi độ khuếch đại của bộ khuếch đại không tăng tức theo công suất của tín hiệu vào thì bộ khuếch đại công suất phải không đổi điều chế cường độ. Bộ EDFA dáp ứng được các điều kiện trên vì các hạt mang điện tồn tại lâu tại trạng thái kích thích siêu bền. Ø Bước sóng công tác phù hợp: Như ta đã biết có hai bước sóng quan trọng sử dụng trong truyền dẫn quang là 1300nm và 1550nm. Tại bước sóng 1300nm tán sắc sợi là nhỏ nhất và tại 1550nm suy hao sợi là nhỏ nhất. Vì các bộ khuếch đại chỉ giải quyết được vấn đề suy hao nên người ta thường sử dụng các bộ khuếch đại tại bước sóng 1300nm. Nói chung sẽ không có vấn đề gì nếu sử dụng các bộ khuếch đại bán dẫn làm từ hợp chất nhóm III và V. Nhưng bộ EDFA có thể khuếch đại bước sóng ánh sáng xung quanh bước sóng 1550nm do dải năng lượng Erbium. Ø Suy hao bộ nối thấp: Khi một bộ khuếch đại quang được sử dụng trên một tuyến thông tin quang, nó bổ sung thêm suy hao bộ nối. Suy hao bộ nối thấp có thể đạt được khi sử dụng kết nối tốt giữa khuếch đại quang và sợi quang. 3.3 Kỹ thuật khuếch đại quang sợi 3.3.1 Nguyên lý hoạt động của EDFA Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể được phân cấp thành bức xạ kích thích và bức xạ tự phát. Khi các ion Erbium Er3+ được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ từ các mức năng lượng cao hơn cho tới khi tiến tới trạng thái siêu bền 4I13/2 . Tín hiệu quang tới sẽ đi đến với các ion Erbium đã được kích thích. Quá trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng quang như tín hiệu tới. Như vậy đã đạt được quá trình khuếch đại quang trong EDFA. Các ion đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền với hằng số thời gian xấp xỉ 10ms. Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emission) có pha và hướng ngẫu nhiên. Tiêu biểu có ít hơn 1% phát xạ tự phát được giữ lại bởi mode sợi quang và nó trở thành một nguồn nhiễu quang ở đầu ra của bộ khuếch đại quangEDFA không những tín hiệu được khuếch đại mà nhiễu này cũng sẽ được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission). ASE làm suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu qua bộ khuếch đại. 3.3.2 Cơ chế làm việc của EDFA Nguồn bơm ngoài Đoạn sợi quang pha tạp Er3+ ánh sáng đến ánh sáng đã được khuếch đại Hình 3.2 : Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang EDFA Mặc dù việc sử dụng các ion đất hiếm làm môi trường khuếch đại trong các bộ khuếch đại quang đã được đề cập vào đầu những năm 1964, tuy nhiên EDFA vẫn chưa được ứng dụng thực tế cho đến khi sợi quang pha tạp có suy hao thấp ra đời. Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang pha tạp EDFA được biểu diễn như (Hình 3.2). Bao gồm một đoạn ngắn sợi được pha tạp bằng các ion erbium (Er3+) (gọi là sợi EDF). Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực làm tác nhân cho sự phát xạ cưỡng bức. Để kích thích các hạt mang của Er3+ lên các mức năng lượng cao hơn cần một nguồn bơm bên ngoài để bơm năng lượng quang vào sợi thông qua một bộ ghép trực tiếp. Nguồn bơm là một Laser Diode hoạt động ở bước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại. Thông thường là ở bước sóng bơm 980nm hoặc 1480nm. Sợi EDF được nối ghép với sợi quang bình thường và có thể ghép với các thiết bị khác. Hình 3.3 biểu diễn quá trình bơm tại bước sóng 1450nm và phát xạ tại bước sóng 1530nm. Do hiệu ứng Stark, ở trạng thái nền và siêu bền tồn tại nhiều mức năng lượng. Ở điều kiện cân nhiệt, cả hai trạng thái đều có mật độ hạt mang điện cao hơn nằm ở dải thấp hơn của chúng. Do tốc độ bơm và bức xạ kích thích đều tỉ lệ với độ chênh lệch mật độ hạt mang điện của 2 mức nên bơm xảy ra giữa dải thấp của trạng thái nền và dải cao của trạng thái siêu bền tương ứng với bước sóng 1450nm, và bức xạ xảy ra giữa dải thấp của trạng thái siêu bền và dải cao của trạng thái nền, tương ứng với bước sóng 1530nm.. Phát xạ tại bước sóng 1530 nm Hình 3.3: Quá trình bơm tại bước sóng 1450nm và phát xạ tại bước sóng 1530nm ??só Bơm tại bước sóng 1450 nm Dải cao hơn của mức siêu bền Dải thấp hơn của mức siêu bền Dải cao hơn của mức nền Dải thấp hơn của mức nền Hiệu suất của nguồn bơm phụ thuộc vào phổ hấp thụ của ion Er3+. Mặc dù việc bơm công suất các bước sóng dưới 700 nm có hiệu suất hấp thụ cao hơn nhưng rất khó tìm một nguồn laser bán dẫn tốt hoạt động tại bước sóng này. Do đó, trong thực tế chỉ dùng được các nguồn bơm có bước sóng 800nm, 980nm, 1470nm. Ngoài ra, do có sự hấp thụ trạng thái kích thích (ESA - Excited-State Absorption) từ 4I13/2 đến 2H11/2 như biểu diễn trong hình 2.4, nên việc bơm tại bước sóng 800nm không hiệu quả. Vì thế người ta chỉ bơm tại bước sóng 980nm và 1470nm. Thông thường, các laser bán dẫn tại 1470nm phổ biến hơn và được dùng nhiều trong các hệ thống EDFA ban đầu. Tuy nhiên bơm tại bước sóng 980nm cho hiệu quả bơm cao hơn (khoảng 10dB/mW) so với bơm 1470nm (khoảng 6dB/mW). Thêm vào đó, bơm 980nm có nhiễu khuếch đại nhỏ hơn vì thế các laser bơm hoạt động tại bước sóng 980nm ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sợi quang có mắc các EDFA. Để khắc phục khuyết điểm tổn hao trên sợi lớn hơn khi dùng bơm tại bước sóng 980nm so với 1480nm, người ta tăng cường công suất bơm đến các EDFA nhằm bù lượng tổn hao này. 3.4 Các đặc tính của EDFA Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ EDFA được đặc trưng bằng các tính chất: dải khuếch đại, độ khuếch đại, sự bão hòa và nhiễu 3.4.1 Dải khuếch đại Hình 3.4: Dải khuếch đại của EDFA Bước sóng (nm) Công suất Dải khuếch đại là dải bước sóng mà EDFA có thể khuếch đại được. Hình 3.4 cho thấy hình dạng và vị trí của dải khuếch đại được xác định như một hàm theo bước sóng. Dải khuếch đại của EDFA tương đối bằng phẳng giữa 1530nm và 1565nm (được quy ước là băng C). Đối với dải khuếch đại giữa 1570nm và 1600nm được gọi là dải L. Hiện nay, hầu hết EDFA đang được sử dụng ở băng C với bước sóng bơm 980nm. 3.4.2 Độ khuếch đại Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào cấu hình bơm. Có ba cấu hình bơm cho bộ khuếch đại EDFA: bơm cùng hướng (so với hướng tín hiệu), bơm ngược hướng và bơm theo cả hai hướng. Bơm cùng hướng đạt được nghịch đảo tích luỹ mạnh ở đầu sợi, điều này hạn chế hiện tượng bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE) và như vậy giảm được nhiễu của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, kiểu bơm này làm hạn chế hiệu suất chuyển đổi (sự chuyển đổi photon bơm thành photon tín hiệu) bởi hiện tượng ASE ở cuối sợi. Loại bơm ngược hướng tạo công suất đầu ra và hiệu suất chuyển đổi rất cao. Ngược lại, ASE thường xuất hiện ở đầu sợi (sự nghịch đảo tích luỹ khi không có sóng bơm); điều này giải thích tại sao sơ đồ này có hiệu năng không tốt lắm, nhất là từ quan điểm nhiễu. Trong thực tế, người ta thường dùng phương pháp bơm hai hướng, nó tận dụng được các ưu điểm của mỗi kiểu bơm trong các cấu hình trên. Hơn nữa, do mức nghịch đảo tích luỹ hầu như không đổi trên toàn bộ chiều dài sợi nên có thể giảm thiểu được nhiễu. 3.4.3 Sự bão hòa Hình 3.5 : Độ khuếch đại EDFA thay đổi theo chiều dài sợi và công suất bơm Hiệu ứng bão hoà độ khuếch đại có thể được minh hoạ trong (Hình 3.5) qua đó ta thấy khi công suất bơm tăng thì độ khuếch đại tăng theo. Tuy nhiên, khi độ dài của sợi EDF tăng đến một mức nào đó, tương ứng với một công suất bơm nhất định, thì độ khuếch đại ra của EDFA giảm. Điều này xảy ra khi N2<N1 hoặc khi tốc độ bơm quá nhỏ nên không còn tạo ra nghịch đảo tích luỹ được nữa. Từ hình vẽ ta cũng thấy chiều dài tối ưu gần như thay đổi tuyến tính với công suất bơm. Sự bão hoà độ khuếch đại cũng được thể hiện trong hình 3.6 dưới đây, minh họa sự thay đổi độ khuếch đại công suất theo tín hiệu ra. Khi công suất tín hiệu ra tăng trong một phạm vi nhất định thì độ khuếch đại vẫn không đổi, nghĩa là lúc đó có mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra. Tuy nhiên, khi tín hiệu ra tăng đến một một giới hạn nào đó thì độ khuếch đại bắt đầu giảm, thể hiện sự bão hoà khuếch đại. Ngoài ra, độ khuếch đại và sự bão hoà của nó còn phụ thuộc vào công suất bơm. Khi công suất bơm càng lớn thì độ khuếch đại càng cao và độ bão hoà càng tăng. Hình 3.6: Độ khuếch đại của EDFA là hàm của công suất tín hiệu đầu vào ứng với các mức bơm khác nhau Công suất tín hiệu ra (dBm) 3.4.4 Nhiễu trong EDFA Loại nhiễu chính được tạo ra trong bộ khuếch đại quang là nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE). Nguồn gốc của nhiễu này là do sự tái hợp tự phát của các electron và lỗ trống trong đoạn sợi khuếch đại. Sự tái hợp này làm tăng độ rộng phổ nền của các photon được khuếch đại cùng với tín hiệu quang. Hiệu ứng này được chỉ ra trên hình 2.9 khi EDFA đang khuếch đại tín hiệu tại bước sóng 1540nm. Nhiễu ASE sinh ra do hiện tượng phát xạ tự phát của các ion Erbium trong sợi EDF của EDFA khi chúng nhảy từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp mà không có sự kích thích của ánh sáng tín hiệu. Quá trình này sinh ra các photon có hướng và pha ngẫu nhiên. Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang và lan truyền dọc theo bên trong sợi, chúng lại được khuếch đại. Quá trình này tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE. 3.5 Ưu – Nhược điểm của EDFA 3.5.1 Ưu điểm: à Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao. à Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống. à Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển và thay thế. à Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượt biển. à Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại quang bán dẫn. à Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu. 3.5.2 Khuyết điểm: à Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng. à Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L. à Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn. CHƯƠNG IV: THIẾT BỊ PHÁT QUANG VÀ THIẾT BỊ THU QUANG 4.1 Thiết bị phát quang 4.1.1 Nguyên lý bức xạ ánh sáng của chất bán dẫn Nguồn phát quang dùng trong thông tin quang sợi thích hợp là các linh kiện quang bán dẫn gồm diode bức xạ ánh sáng LED và diode laser LD. Các nguồn phát quang bán dẫn dùng trong thông tin quang như LED và diode laser LD làm việc dựa trên nguyên lý bức xạ ánh sáng do sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống sảy ra trong vùng chuyển tiếp P-N của chất bán dẫn được đặt dưới thiên áp thuận. Vùng chuyển tiếp P-N này được gọi là vùng hoạt tính của LED và LD. 4.1.1.1 Điode LED Điode phát quang LED là nguồn phát quang rất phù hợp cho các hệ thống thông tin quang tốc độ không quá 200Mbit/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode. Để sử dụng tốt cho hệ thống thông tin quang, LED phải có công suất bức xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Sự bức xạ của nó là công suất quang phát xạ theo góc trên một đơn vị diện tích của bề mặt phát và được tính bằng Watt. Chính công suất bức xạ cao sẽ tạo điều kiện cho việc ghép giữa các sợi dẫn quang và LED dễ dàng và cho công suất phát ra từ đầu sợi lớn. Thời gian đầu, khi công nghệ thông tin quang chưa được phổ biến, điode phát quang thường dùng cho các sợi quang đa mode. Nhưng chỉ sau đó một thời gian ngắn, khi mà các hệ thống thông tin quang phát triển khá rộng rãi, các sợi dẫn quang đơn mode được đưa vào sử dụng trong các hệ thống thông tin quang thì LED cũng đã có dưới dạng sản phẩm là các modul có sợi dẫn ra là sợi dẫn quang đơn mode. Công suất quang đầu ra của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và thường chúng có mạch điều khiển đơn giản. Thực nghiệm đã đạt được độ dài tuyến lên tới 9,6Km với tốc độ 2Gbit/s và 100Km với tốc độ 16Mbit/s. LED có ưu điểm là giá thành thấp và độ tin cậy cao, tuy nhiên chúng phù hợp với mạng nội hạt, các tuyến thông tin quang ngắn với tốc độ bit trung bình thấp. 4.1.1.2 Điode Laser Điode laser bán dẫn LD được cấu tạo từ một chuyển tiếp dị thể kép có dạng khối chữ nhật với hai đầu được mài nhẵn tạo thành hai gương song song phản xạ ánh sáng. Một gương phản xạ toàn phần, còn một gương có khe để cho ánh sáng phát đi qua ra ngoài.Cấu trúc dị thể và hai gương tạo thành một hộp cộng hưởng Phabry-Pero. Chiều dài hộp cộng hưởng chọn bằng một số nguyên lần nửa bước sóng phát của Laser, theo công thức : (4.1) Điode Laser làm việc dưới thiên áp thuận và dòng thiên áp có giá trị trên dòng ngưỡng ánh sáng do Diode Laser phát ra là ánh sáng bức xạ kích thích, có tính kết hợp, nên cường độ và công suất mạnh hơn nhiều lần so với ánh sáng của LED. Khác với LED, Diode Laser làm việc dựa trên nguyên tắc bức xạ ánh sáng kích thích của vùng hoạt tính của cấu trúc dị thể kép chất bán dẫn. Để có ánh sáng phát trong chế độ Laser, theo nguyên lý làm việc chung của Laser, Diode LD cần đảm bảo được ba điều kiện sau : Ä Vùng hoạt tính của chuyển tiếp dị thể kép phải là môi trường khuyếch đại đối với ánh sáng bức xạ kích thích. Ä Phản hồi quang của ánh sáng bức xạ tái hợp trong vùng hoạt tính phải là dương, tức vùng hoạt tính của chuyển tiếp dị thể kép phải có cấu trúc hộp cộng hởng nhờ hai gương ở hai đầu đặt song song nhau. Chiều dài L của hộp chọn theo điều kiện (công thức 4.1). Khi đó các tia sáng tới và tia phản xạ truyền dọc hộp sẽ phản xạ liên tiếp tại hai mặt hai gương hai đầu hộp có pha cách nhau là 2mπ (đồng pha với nhau). Với m = 1, 2, 3,…. Ä Dòng thiên áp thuận đặt lên Diode LD phải đạt trên giá trị dòng ngưỡng, để bảo đảm trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử trong vùng hoạt tính. Để vùng hoạt tính là môi trường khuyếch đại ánh sáng, thì nồng độ hạt dẫn do thiên áp tạo ra trong nó cần đạt trên giá trị ngưỡng. Chẳng hạn đối với bán dẫn InGaAsP thì nồng độ ngưỡng là NT = (0,9-1,5).1018/cm3. Trong điều kiện như vậy, ánh sáng do tái hợp bức xạ truyền trong vùng hoạt tính sẽ được khuyếch đại mà không bị hấp thụ. Nói chung, Laser có rất nhiều dạng và đủ các kích cỡ. Chúng tồn tại ở dạng khí, chất lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn. Đối với các hệ thống thông tin quang, các nguồn phát Laser là các Laser bán dẫn và thường gọi chúng là LD. Các loại Laser có thể là khác nhau nhưng nguyên lý hoạt động cơ bản của chúng là như nhau. Hoạt động của Laser là kết quả của ba quá trình mấu chốt là: hấp thụ phôton, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Ba quá trình này tương tự cơ chế phát xạ ánh sáng Các hệ thống thông tin quang thường là có tốc độ rất cao, hiện nay nhiều hệ thống thông tin quang có tốc độ 2.5Gbit/s đến 5Gbit/s đã được đưa vào khai thác. Băn