Khuếch đại quang sợi EDFA và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang

iết lập cấu hình các tuyến truyền dẫn quang mới linh hoạt hơn với quỹ công suất quang cao, khoảng cách giữa các trạm lặp dài hơn. Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm không thể phủ nhận được của khuếch đại quang, chúng ta cần phải xét các hiệu ứng phi tuyến, tán sắc và hiệu ứng phân cực và nhiễm tích lũy khi xuất hiện. Khi ứng dụng công nghệ mới này vào mạng viễn thông, ảnh hưởng của việc ứng dụng công nghệ mới này vào các tuyến truyền dẫn như thế nào còn phụ thuộc vào phạm vi ứng dụng và chất lượng truyền dẫn trong từng trường hợp cụ thể. Hai vấn đề chủ yếu mà các nghiên cứu hiện nay đang quan tâm khi xem xét đến khuếch đại quang là: Nhiễu tích lũy ( noise acummlation) Điều chỉnh tán sắc (dispersion accommodate) Khả năng phát huy hiệu quả trong bộ khuếch đại quang sợi hoàn toàn phụ thuộc vào các giải pháp kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích để khắc phục hai vấn đề chủ yếu như nói trên. 1.7.1 Tạp âm tích lũy Trong các hệ thống có sử dụng nhiều bộ khuếch đại quang OFA, nhiễu tự phát ASE từ các bộ OFA được khuếch đại lên nhiều lần như tín hiệu ánh sáng. Do bức xạ ASE được khuếch đại tại mỗi bộ OFA và công suất tín hiệu so với mức nhiễu sẽ giảm tương ứng theo. Công suất nhiễu có thể vượt qua công suất tín hiệu. Như vậy nhiễu ASE được tích lũy nằm ở cả trong và ngoài dải tần tín hiệu. Nhiễm tích lũy ASE làm giảm hệ số khuếch đại của OSA và tỉ số S/N của hệ thống chính là vì nhiều phách (beat noise) liên quan tới ASE là yếu tố chính làm giảm tỉ số S/N trên thực tế. Nhiễm phách tăng tỉ lệ với số bộ OFA, như vậy lỗi bít BER cũng tăng theo số lượng các bộ OFA. Mặc dù nhiều tích lũy trong các hệ thống có sử dụng bộ lọc sẽ giảm đi khi qua các bộ lọc nhưng bức xạ ASE nằm trong băng tần tín hiệu thì vẫn tăng tỉ lệ với số bộ OFA. Như vậy giả pháp để hạn chế tối đa ảnh hưởng của nhiễu tích lũy là giảm khoảng cách giữa các bộ OFA trong khi vẫn duy trì khuếch đại để bù suy hao trên đường truyền. Có hai giải pháp làm giảm bức xạ ASE: Dùng bộ lọc quang Dùng hiệu ứng tự lọc Hiệu ứng tự lọc sử dụng trong các bộ truyền dẫn có sử dụng từ vài chục bộ OFA trở lên. Hiệu ứng này điều chỉnh bước sóng tín hiệu thành bước sóng tự lọc để cho nhiễm ASE thu được tại bộ tách sóng bị suy giảm giống như sử dụng bộ lọc băng hẹp. Để sử dụng phương pháp này khoảng cách giữa các bộ OFA được rút ngắn lại và chọn hệ số khuếch đại OFA nhỏ để cho mức nhiễu ASE ban đầu thấp. Với hệ thống chỉ sử dụng một vài bộ OFA thì phương pháp tự lọc phát huy hiệu quả thấp. Hiệu ứng tự lọc phụ thuộc vào dạng phổ tín hiệu, tiết diện ngang bức xạ và hấp thụ, mức độ nghịch đảo độ tích lũy của OFA. Bước sóng tự lọc có thể thay đổi được khi biến đổi thành phần chế tạo EDFA, công suất quang nối vào, suy hao giữa các bộ khuếch đại và bước sóng bơm cũng như chiều dài sợi EDFA. Để thực hiện có hiệu quả nhất cần phải làm trùng ba bước sóng: Bước sóng tín hiệu, bước sóng có hệ số tán sắc tối ưu, bước sóng tự lọc. Có một phương pháp khác có thể cải thiện tỉ số S/N ở phía thu là phương pháp sử lỗi trước FEC (Forward error correcting). Thực ra đây là phương pháp sửa lỗi bít BER trong truyền số liệu. Mỗi quan hệ giữa tỉ số lỗi bít BER và S/N như sau: Trong đó hàm số: Erfc(x)= Với x=0,354(S/N) Như vậy theo công thức trên ta có thể thấy rằng khi BER được cải thiện nhờ phương pháp EFC thì tỉ số S/N được tăng lên bao nhiêu dB. Ví dụ, khi sử dụng mã Reed Solomon trong phương pháp EFC thì: Phía phát được chèn thêm các bít bổ sung được mã hóa vào luồng số liệu để kiểm tra tính chẵn lẻ. Phía thu: Giải mã và sửa lỗi các bit. Như vậy nếu tốc độ truyền của tuyến là 622Mbps hoặc 2,5 Gbps thì tốc độ đường truyến sau khi chèn thêm là 710 Mbps hoặc 2,7 Gbps. Những tính toán cho thấy quỹ công suất của hệ thống cải thiện thêm từ 4-5 dB như hình: Hình 1.22 Quan hệ giữa BER và mức thu tín hiệu. Trên cơ sở đã biết tỉ số S/N, ta có thể tính được độ nhạy thu được cải thiện trong trường hợp dùng EFC theo công thức dưới đây: Với giả thiết ta chỉ tính nhiễu nhiệt của bộ thu quang: p = (1/p) {4.K.T.Df(S/N)/R1}1/2 Trong đó: K là hằng số Bozman T là nhiệt độ Kenvin p là độ nhạy thu A/W P là công suất quang thu được W Df là giải thông Rt là giải điện trở tải Điều chỉnh tán sắc Kĩ thuật tín hiệu quang cho phép kéo dài khoảng lặp, phục hồi tín hiệu suy hao có hiệu quả. Tuy nhiên vấn đề tán sắc đường truyền đã hạn chế khả năng ứng dụng của OFA trên mạng lưới viễn thông. Chúng ta sẽ nghiên cứu một số giải pháp khắc phục tán sắc một cách có hiệu quả + Sử dụng cáp quang có độ tán sắc dịch chuyển theo khuyến nghị G.653 của CCITT, trong đó hệ số tán sắc là 3ps/nm/km tại bước sóng l=1550nm + Sử dụng cáp sợi quang đơn mode theo khuyến nghị G.652 của CCITT, có hệ số tán sắc là 20 ps/nm/km tại bước sóng l=1550nm nhưng cần phải lưu ý tới một số điều kiện về giao diện quang theo khuyến nghị G.957 của ITU-T, chẳng hạn độ rộng phổ nguồn Laser phải nhỏ hơn 1nm. Đây là giải pháp có tính khả thi và hiệu quả kinh tế cao vì có thể khai thác tuyến cáp quang đã lắp đặt sẵn dùng sợi quang đơn mode theo khuyến nghị G.652 đang rất phổ biến trên thị trường và có gía thành thấp hơn hẳn loại cáp quang theo khuyến nghị G.653 + Sử dụng thiết bị tán sắc thụ động (Passive Dispersion compensator PDC). Đây là thiết bị có tính chất quyết định hệ số tán sắc trong dải bước sóng lựa chọn. Các hệ thống truyền dẫn SDH có tốc độ 165 Mbps có sử dụng thiết bị PDC và EDFA cho phép nâng cao khoảng cách đầu cuối lên 120 km so với thông thường là 40 km. Có một giải pháp khắc phục tối ưu tuy vẫn đang còn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đó là sử dụng hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang để bù tán sắc của sợi được gọi là truyền dẫn siliton. Phương pháp này cho phép các xung ánh sáng truyền đi không thay đổi dạng xung ban đầu bằng kĩ thuật nén xung. Những tính toán thử nghiệm cho thấy có thể thiết kế tuyến đường trục dài hơn 12000 km mà chỉ cần các thiết bị EDFA trên đường truyền (khoảng cách các EDFA từ 25 – 40 km) mà không cần bất cứ một trạm lắp nào. Hình 1.23: Sơ đồ bù tán sắc cho hệ thống không có khuếch đại đường truyền Nói tóm lại để phát huy một cách có hiệu quả trong việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi, các nhà nghiên cứu cần giải quyết các vấn đề sau đây: Nhiều tích lũy do các bộ khuếch đại gây ra Điều chỉnh tán sắc Các hiệu ứng phi tuyến và các hiệu ứng phân cực Trên cơ sở đó mà phân bố khoảng cách giữa các EDFA và hệ số khuếch đại của chúng một cách hợp lí nhất. Đối với các hệ thông cáp quang biển đường dài sử dụng các trạm lặp, ITU phân loại như sau: + Đối với tuyến dài trên 5000 km khoảng cách giữa các bộ OFA vào khoảng 45 km (hạn chế do hiệu ứng phi tuyến phân cực chiếm ưu thế). + Đối với các tuyến dài dưới 3000 km khoảng cách giữa các bộ OFA vào khoảng 90 km ( hạn chế do hiệu ứng nhiễu tích lũy và khả năng công suất bơm laser chiếm ưu thế) Hệ số khuếch đại của các bộ OFA trên từng tuyến cũng phụ thuộc vào chiều dài tuyến lắp đặt. Ví dụ như: G ằ 12 dB đối với khoảng cách tuyến 9000 km G ằ 14dB đối với khoảng cách tuyến 6500 km G ằ 21 dB đối với khoảng cách tuyến 2000 km Chương 2 Phân tích các đặc tính kỹ thuật tính toán các tham số của bộ khuếch đại quang sợi EDFA 2.1 Phương trình cơ bản Hoạt động của sợi quang có thể chia thành các đoạn nhỏ dz thì công suất bơm sẽ giảm dần dọc theo chiều dài sợi quang theo công thức sau: (2.1) Công suất vào sẽ tăng dần theo chiều dài sợi quang được khuếch đại khi đi qua mỗi đoạn dz (2.2) Hệ số với = a đối với hấp thụ và = e cho phát xạ sẽ nhận giá trị khác 0 khi nằm trong băng tần từ 1400 đến 1650 nm. Công suất Ps(0, ns) là công suất tín hiệu được đưa vào đầu sợi. PP (0,nP) là công suất bơm ở đầu sợi quang. 2.2 Tính toán hệ số tạp âm (noise figure NF ) Định nghĩa: NF = () NF là sự suy giảm tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu do truyền tín hiệu qua bộ khuếch đại quang sợi, được tính bằng dB. Các tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu được xem xét tại đầu ra ( SNROUT) của bộ tách sóng quang lí tưởng mà nó có khả năng biến đổi từng phôton của ánh sáng tới thành dòng điện ( Hiệu suất lượng tử h = 1 ) . Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đầu vào SNRin được xác định là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu từ nguồn nhiễu lượng tử. Ta có : s sig-shot2 = 2q(Pin.G.R) .B s sp-shot2 = 2q(Pase.R) .B s sig-sp2 = 4q.Pin.G.R.Nsp .(G – 1).B s sp-sp2 = 2q.R.Nsp .(G – 1). Pase.B Nếu coi thành phần nhiễu lượng tử do tín hiệu và nhiễu phách tín hiệu tự phát là chủ yếu thì ta có : SNROUT = Từ đó ta tính được hệ số tạp âm NF NF = (3.3) Trong trường hợp hệ số khuếch đại cao thì có thể coi gần đúng NF = 2Nsp Trong đó ( R.Pin)2 là bình phương của dòng quang trung bình R = q/(h.u) là độ nhạy của bộ tách lí tưởng. q là điện tích electron Df là dải tần của bộ tách NF bé nhất của mỗi bộ khuếch đại quang sợi là 3dB 2.3 Các phương trình khuếch đại Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang được xác định như sau: G = ( 3.5) Trong đó : Pout là công suất đầu ra của bộ khuếch đại Psp là công suất nhiễu được phát từ bộ khuếch đại quang nằm trong băng tần quang. Pin là công suất của tín hiệu ở đầu vào của bộ khuếch đại . Để xác định được bộ khuếch đại trong bộ khuếch đại quang sợi chính xác khá phức tạp do bản chất phân bố hai hướng của nó. Để thu được khuếch đại thực của bô khuếch đại cần phải xác định được tiết diện bức xạ kích thước se và tiêt diện hấp thụ sa. Các phần của tiết diện có thể được xác định bằng thực nghiệm từ việc đo huỳnh quang và hấp thụ của một đoạn ngắn sợi. Các tiết diện hấp thụ và bực xạ là các thông số cơ bản quan trọng của sợi EDF. Chúng là các thông số đặc tính phụ thuộc vào bước sóng. Độ khuếch đại phụ thuộc vào các yếu tố khác như : chiều dài, công suất tín hiệu vào , nồng độ pha tạp Erbium, kết cấu của bộ khuếch đại ( bơm cùng chiều, một chiều, hai chiều . . . ) (như phân tích ở chương 1), đặc biệt phổ khuếch đại là không bằng phẳng ở của sổ bước sóng 1550 nm. tính toán độ khuếch đại theo phương pháp số: Nếu coi EDFA như một chuỗi của nhiều bộ khuếch đại quang nhỏ ghép liền với nhau có độ dài tăng dần. Như vặy độ khuếch đại thực G được cấu thành từ toàn bộ các phần tử g(z) dọc theo trục z của EDFA và được viết như sau : G = exp (3.6) ở đây L là độ dài của EDF với g(z) tính thông qua phổ khuếch đại được đo g*(z) và phổ suy hao a(l): g*(l) = se(l)G(l).Nt ( 3.7) a (l) = sa(l)G(l).Nt ( 3.8) ở đây se(l) là tiết diện bức xạ, sa(l) là tiết diện hấp thụ G(l) = 1 – exp( -b2/a2) là hệ số hạn chế giữa trường mode quang và tích luỹ ion erbium a là bán kính lõi sợi b là bán kính phủ er3+ Nt là mật đọ ion erbium. Khi ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu truyền theo cùng một hướng dọc theo sợi, và bức xạ tự phát được khuếch đại là không đáng kể, công suất tín hiệu Ps được thay đổi sau khi đi qua EDF được viết là : (3.9) ở đây as là hệ số suy hao tín hiệu của sợi. Hệ số khuếch đại g(z) là sự khác nhau giữa các mức tích lũy ion ở mức trên và mức dưới và được biểu diễn như sau : (3.10) N2 là mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái siêu bền ( hoặc tích luỹ mức trên 4I13/2 ) N1 là mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái nền( mức cơ bản 4I15/2) Nt là mật độ ion er3+Nt = N1 + N2. Với mô hình hai mức. 2.4 Công suất bơm ngưỡng : Là mức công suất bơm cần thiết bé nhất để tạo nên khuếch đại. Công thức tính : Pth = h up A / (sa lpG(lp)t) (3.11) Trong đó t là thời gian tồn tại tự phát của ion ở trạng thái bền vững tạm thời. 2.5 Công suất bão hòa tín hiệu Đặc tính khuếch đại bão hòa là một tham số quan trọng. Sự bão hòa độ khuếch đại được xem như là sự khuếch đại trong lúc tín hiệu tăng. Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang có thể được viết dưới dạng ẩn như một hàm số của tỷ số công suất quang đầu ra Pout với công suất bão hoà Psat như sau : G = ] ( 3.12) Psat là công suất bão hoà. Tại bước sóng xác định Psat là công suất được yêu cầu để nghịch đảo một lớp sợi pha tạp erbium là đủ cho độ khuếch đại bằng 0dB. Nó được xác định như là công suất ở nơi mà độ khuếch đại quang giảm đi 3dB so với giá trị không bão hoà : (3.13) 2.6 Các tham số của sợi EDF thông dụng ( ví dụ ) Tham số Kí hiệu Giá trị Loại sợi pha tạp erbium - Thuỷ tinh Ge/er Bán kính kích cỡ tín hiệu ws 2mm Bán kính kích cỡ bơm 980nm wp(980) 1,6mm Bán kính kích cỡ bơm 1480nm wp(1480) 2mm Bán kính lõi pha tạp erbium B 1,2mm Suy hao của sợi as 0,3dB/m Bước sóng bơm 1 lp-1 980nm Bước sóng bơm 2 lp-2 1480nm Bước sóng tín hiệu ls 1536nm Mật độ ion Er Nt 4,5.1018ions/cm3 Mặt cắt bức xạ tín hiệu se(ls) 7,9.10-25m2 Mặt cắt hấp thụ tín hiệu sa(ls) 5,8.10-25m2 Mặt cắt bức xạ bơm 980nm se(lp-1) 0,1.10-25m2 Mặt cắt hấp thụ bơm 980nm sa(lp-1) 3,1.10-25m2 Mặt cắt bức xạ bơm 1480nm se(lp-2) 0,2.10-25m2 Mặt cắt hấp thụ bơm 1480nm sa(lp-2) 2,8.10-25m2 Mức công suất bơm đầu vào Ps -35dBm tsp 10ms Dải thông bức xạ 30nm 2.7 Tính toán công suất bơm ngưỡng, công suất tới hạn, công suất bão hoà, hệ số khuếch đại của EDFA Dựa vào các tham số bảng trên, ta có thể tính công suất bơm ngưỡng ở bước sóng bơm 980nm là : Pth=hupA/(sa(lp)G(lp)t) = Công suất bơm ngưỡng ở bước sóng bơm 1480nm là : Pth=hupA/(sa(lp)G(lp)t) = Công suất bão hoà Psat Tính khi trường hợp nghịch đảo môi trường hoàn toàn ( khi tốc độ bơm lớn hơn tín hiệu vào ) N2 ~Nt và N1 ~ 0 thì theo (2.10) ta có : g(z) = ( g*( l) Theo (2.17) g*(l) = se(l)G(l).Nt g* = 7,9.10-25.( 1 – exp(-1,22/22)).4,5.1024 =10,7.10-1 Độ khuếch đại tính theo chiều dài L = 10m theo (3.6) G = exp (3.6) G = exp(10,7.10-1.10) = 44355.8 Û 40dB Trường hợp khi N2 = N1 = Nt/2 g(z) = ( g*( l) Theo (2.7) g*(l) = se(l)G(l).Nt = g* = 7,9.10-25.( 1 – exp(-1,22/22)).4,5.1024 =10,7.10-1 Theo (3.8) a (l) = sa(l)G(l).Nt = 5,8.10-25.( 1 – exp(-1,22/22)).4,5.1024 =7,85.10-1 Như vậy : g(z) = (10,7 – 7,85).10-1.1/2 = 1,425.10-1 Độ khuếch đại tính theo chiều dài L = 10m theo (3.6) G = exp = exp(1,425.10-1.10) = 4,16 Û 7Db Chương 3 các ứng dụng pa, ba, la của edfa 3.1 Các ứng dụng pa, ba, la 3.1.1 Tiền khuếch đại (PA) Hình 3.1 Sơ đồ tuyến sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại Trong đó : Ptx là công suất phát Ps là công suất đầu vào pin Pin là công suất quang đầu vào bộ khuếch đại Pout là công suất quang đầu ra L là khoảng cách cho như hình vẽ atot là hệ số suy hao trung bình của sợi quang ( lần ) Tính tổng các loại tạp âm (3.1) (3.2) Với trường hợp PA : Is = p.G. a.Ptx Isp = p.Psp Do đó (3.3) Tiền khuếch đại là thiết bị khuếch đại quang sợi có nhiễu rất thấp được sử dụng trực tiếp trước bộ thu quang để nâng cao độ nhạy thu, thường làm việc ở trạng thái tín hiệu nhỏ. Hệ số khuếch đại của PA hoạt động trong chế độ tuyến tính với công suất lối vào tại mức công suất bơm và bước sóng tín hiệu cho trước. Các chức năng OAM cho các bộ PA có thể được điều hành cung chung với bộ thu quang. Điều kiện mức nhiễu ASE thấp có thể được thực hiện thông qua các bộ lọc quang băng hẹp. Ngoài ra, để lựa chọn PA khi thiết kế hệ thống phải tính đến các tham số chỉ tiêu : Dải công suất quang vào. Dải công suất phát ra. Dải bước sóng công tác. Mức nhiễu NF : Đặc trưng cho sự suy giảm tín hiệu trên nhiễu ( S/N) tại lối ra của bộ khuếch đại. Sự suy giảm được tính theo dB. Mức công suất nhiễu : Mức công suất quang tại bước sóng xác định do tự phát được khuếch đại ( ASE ) được phát ra ở PA tại điều kiện họat động danh định. Thông số này đặc biệt quan trọng, nó phụ thuộc vào bộ lọc sử dụng. Suy hao phản xạ lối vào : Là tỷ số giữa công suất quang tới và công suất phản xạ tại cửa vào của bộ PA tại điều kiện hoạt động danh định. 3.1.2 Khuếch đại công suất BA Hình 3.2: Sơ đồ tuyến sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại Tính tổng nhiễu Với trường hợp BA : Is = p.G. a.Ptx Isp = p. a.Psp Do đó (3.4) Khuếch đại công suất là thiết bị khuếch đại quang sợi có công suất bão hòa cao được sử dụng trực tiếp ngay sau bộ phát quang để làm tăng cường mức độ công suất tín hiệu. Thiết bị BA không cần yêu cầu nghiêm ngặt về nhiễu và lọc quang. Các chức năng OMA cho BA có thể được điều hành chung với bộ phát quang. BA có công suất lối ra tương đối cao nên nhiễu ASE suất hiện tất yếu do quá trình bức xạ tự phát các phôton trong OFA. Các thành phần nhiễu ngoài băng tín hiệu có thể được bỏ qua nhờ bộ lọc quang. Tuy nhiên việc ứng dụng nhiều bộ BA có thể gây lên các tính chất phi tuyến trong các sợi dẫn quang. Các chỉ tiêu cần lựa chọn khi đánh giá và thiết kế hệ thống là : Dải công suất phát vào bộ BA Dải công suất phát ra từ bộ BA. Dải bước sóng công tác. Mức nhiễu NF(tính theo dB). Hệ số khuếch đại Suy hao phản xạ lối vào. Việc sử dụng kết hợp giữa bộ khuếch đại công suất và tiền khuếch đại là rất hấp dẫn cho các nhà khai thác, đặc biệt là trong trường hợp mà trong đó các vị trí trung gian với các thiết bị tích cực là không thể hoặc không nên lắp đặt, chẳng hạn như hệ thống cáp quang biển. Trong bất cứ trường hợp nào thì càng ít trạm trung gian trên đường truyền thì càng dễ dàng bảo dưỡng cho các nhà khai thác và nâng cao độ tin cây của các tuyến tryền dẫn lên rất nhiều. 3.1.3 Khuếch đại đường truyền (LA) Hình 3.3 Sơ đồ tuyến sủ dụng EDFA làm khuếch đại đường truyền Trong đó: Ptx là công suất phát. Ps là công suất đầu vào PIN. PIN công suất quang đầu vào bộ khuếch đại. Pout công suất quang đầu ra. Khoảng cách cho như hình vẽ. atot là hệ số suy hao trung bình của sợi quang(lần) Tính tổng các loại tạp âm: Với trường hợp LA: Is = p.G.a1. a2.Ptx Is = p.a2.Psp Do đó (3.5) Trong các biểu thức trên: a được tính là lần. ; Khuếch đại đường truyền là thiết bị khuếch đại quang sợi có tạp âm thấp được sử dụng như thiết bị thụ động trên đường truyền để tăng khoảng cách giữa hai trạm lắp. Trong mạng thuê bao quang theo cấu hình điểm - đa điểm, khuếch đại đường truyền được sử dụng để bù suy hao giữa các điểm nhánh. Khuếch đại đường truyền có thể thay thế một vài hoặc tất các trạm lặp thông thường trên các tuyến đường trục. Nó có ưu điểm làm giảm thiết bị trên các tuyến truyền dẫn, nó chỉ đóng vai trò bù suy hao tín hiệu( còn các trạm lắp thì còn có khả năng sửa méo tín hiệu). Trên các hệ thống truyền dẫn có sử dụng nhiều bộ LA cần phải có các kênh thông tin riêng biệt để cảnh báo và giám sát các bộ điều khiển, các bộ khuếch đại đường truyền xa. Về mặt lí thuyết thì có thể kéo dài khoảng cách tuyến truyền dẫn lên hàng nghìn km bằng cách lắp đặt đều đặn các bộ LA với khoảng cách tính toán trước. Tuy nhiên có quá nhiều bộ LA dẫn đến chất lượng hệ thống sẽ bị suy giảm do hiệu ứng tích lũy, hiệu ứng phân cực tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến khác. Các chỉ tiêu để đánh giá, thiết kế LA: Dải công suất phát vào bộ LA. Dải công suất phát ra bộ LA Công suất quang bão hòa: Công suất quang phát ra của tín hiệu của LA với hệ số khuếch đại bị giảm đi 3dB so với hệ số khuếch đại tuyến tính tại bước sóng tín hiệu. Dải bước sóng công tác. Mức nhiễu NF. Mức công suất nhiễu. Suy hao phản xạ lối vào. Hệ số khuếch đại tuyến tính: Hệ số khuếch đại của LA hoạt động trong chế độ tuyến tính, trong đó công suất phát ra phụ thuộc tuyến tính vào công suất lối vào, tại mức công suất bơm và bước sóng tính hiệu cho trước. Chú ý rằng tính chất này được nghiên cứu với từng sóng riêng biệt, hhay nói các khác là hàm số của bước sóng. Tán sắc mode phân cực: Độ trễ nhóm cực đại giữa các trạng thái phân cực bất kì lan truyền qua bộ LA. 3.1.4. Tính số tín hiệu trên tạp âm a. Trường hợp PA: b. Trường hợp BA: c. c. Trường hợp LA 3.1.5. Tính công suất bù trong từng trường hợp BA, LA, PA để đạt được một tỷ số lỗi bit cho trước Công suất bù DPBER là giá trị công suất cần thiết để nâng giá trị lỗi bit BER từ một giá trị ban đầu nào đó nên giá trị mới nhằm đảm bảo cho hệ thống có độ tin cậy cao hơn, ví dụ BER = 10-9 lên 10-10. Ta thấy các công thức trên eSNR của PA, BA, LA đều có dạng: giả sử ứng với eSNR Bây giờ ta muốn tỷ số tăng lên đến một tỷ số eSNR cao hơn Như vậy sẽ tính được tỷ số Đặt thì công suất bù BER được định nghĩa là: DPBER[dB]=PtxN[dB] - Ptx[dB] = 10 logk Û Giải phương trình này với điều kiện K>0 ta được: Trường hợp BA: 3.2 Các sơ đồ ứng dụng của EDFA Theo sự phân loại thiết bị quang sợi OFA như đã trình bày ở phần trên (gồm BA, LA, PA) cùng với sơ đồ tham chiếu về việc lắp đặt EDFA trên đường truyền, ta có cấu hình ứng dụng OFA theo khuyến nghị G.611 của CCITT theo các sơ đồ ứng dụng như sau: Tx + BA + Rx Tx + PA + Rx Tx + LA + Rx Tx + BA + PA + Rx Tx + BA + LA + Rx Tx + LA + PA + Rx Tx + BA + LA + PA + Rx (*) Trong đó: Tx là bộ phát quang Rx là bộ thu quang LA có thể là một hay nhiều bộ khuếch đại đường dây BA là bộ khuếch đại công suet PA là bộ tiền khuếch đại 3.3 Các tham số thiết kế hệ thống làm việc ở bước sóng 1550nm Để lựa chọn các hệ thống thông tin quang làm việc ở bước sóng 1550nm thì các tham số cần chú ý đầu tiên là tốc độ đường truyền và cự li truyền dẫn. Cho tới nay người ta thấy rằng đối với các laser loại FP-LD có bước sóng 1550 nm thì sẽ truyền được tốc độ không quá 50Mb/s với cự li truyền dẫn trên 100 Km là đạt được với các loại dẫn quang đơn mode thông thường (SMF). Đối với các hệ thống làm việc ở bước sóng 1550 nm cũng có giải pháp kết hợp giữa thiết bị đầu cuối và sợi dẫn quang cho tổng yêu cầu của tuyến. Với hệ thống IM-DD: + Với tốc độ truyền dẫn nhỏ và vừa: Dùng Laser DFB kết hợp với sợi đơn mode thông thường SMF Dùng Laser FB kết hợp với sợi DSF hoặc NZ-DSF. + Với tốc độ truyền dẫn dung lượng lớn: Dùng Laser DFB kết hợp với sợi tán sắc dịch chuyển DSF. Dùng Laser DFB kết hợp với sợi tán sắc phẳng DSF, hoặc NZ-DSF + Với tốc độ truyền dẫn dung lượng rất lớn: Dùng Laser DFB điều chế ngoàI (DFB-LD + EXT-MOD) kết hợp với sợi đơn mode thông thường, ở cự li xa thì cần có biện pháp bù tán sắc thích hợp. Dùng Laser DFB điều chế ngoàI (DFB-LD + EXT-MOD) kết hợp với DSF. a.Tốc độ tín hiệu: Tốc độ tín hiệu được tính bằng b/s, Mb/s, Gb/s. Hay kí hiệu trong truyền dẫn đồng bộ SDH bằng các luồng: STM-1 = 155,52 Mb/s STM-4 = 622,080 Mb/s STM-16 = 2,44832 Gb/s STM-64 = 10Gb/s b.Kiểu tín hiệu: Tuyến thông tin quang có thể sử dụng nhiều loại mã tín hiệu khác nhau. Trong đó, hai loại tín hiệu đơn cực tính: NRZ (Non return to zero) RZ (Return to zero) c.Suy hao nối: (Connector Loss) Đây là suy hao công suất quang khi hai sợi quang được nối với nhau bởi một bộ nối đo bằng dB. Thường có giá trị khoảng 0,5 dB/connector. d.Suy hao ghép: (Coupling Loss) Đây là suy hao công suet quang khi nguồn quang được ghép vào sợi đo bằng dB. e.Nhiệt độ hệ thống: Khi nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi, hoặc chính do sự hoạt động của các phần tử trong thiết bị làm ảnh hưởng đến các tham số của thiết bị thu như: Thay đổi nhiễu nhiệt trong các phần tử, thay đổi thời gian đáp ứng, tăng ích của bội quang, … Mặt khác nhiệt độ có thể gây sự lệch các thành phần trong băng tần xác định, do đó tăng méo tín hiệu, giao thoa giữa các kí hiệu hoặc độ rộng băng nhiễu. Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến độ ghép vật lí sợi thiết bị, nhưng thường bỏ qua ảnh hưởng này. Giả thiết hệ thống làm việc ở nhiệt độ phòng 293K f. Suy hao hàn (αEga) Suy hao do hàn nối giữa hai sợi quang với nhau được đo bằng đơn vị dB g.Dự trữ hệ thống: Sau một thời gian sử dụng, bộ tách quang sẽ giảm đáp ứng quang thu do sự già hoá của Điốt cũng như các phần tử khác trong mạch khuếch đại. Do vậy khi thiết kế hệ thống người ta thường coi đáp ứng quang của Điốt giảm 5% mỗi năm. Và thường dùng 1.5-2 dB dự trữ công suất cho sự hoá già của bộ tách quang. Dự trữ hệ thống là công suet quang dự phòng cho việc sửa chữa thay thê, nâng cấp trong tương lai và sự già hoá của linh kiện. h.Tỷ số lỗi bít (BER): Các tuyến thông tin quang hiện nay yêu cầu tỷ lệ lỗi bít BER khoảng 10-10 đến 10-12 , đặc biệt mạng LAN cần có BER là 10-14. i.Độ nhạy thu: Đây là công suất quang yêu cầu tối thiểu của bộ thu quang để đảm bảo tỷ số BER cho trước. Tham số của sợi quang Các thông số kĩ thuật của một số sợi quang đơn mode Hai tham số được quan tâm ở sợi quang chính là hệ số suy hao và hệ số tán sắc. Sự lựa chọn sợi quang tuyến truyền dẫn SDH đơn bước sóng Như ta đã biết hiện nay nhu cầu về tăng dung lượng truyền dẫn cho hệ thống mạng viễn thông ngày càng cấp thiết. Với hệ thống SDH đã lắp đặt một số lượng lớn sợi quang đơn mode G652 với ưu điểm làm việc ở khu vực tổn hao thấp ở cửa sổ thứ nhất (1310 nm) có hệ số tán sắc rất thấp, nhưng hạn chế về tán sắc (20ps/nm.km) khi làm việc ở cửa sổ thứ hai (1550 nm). Như vậy để vẫn sử dụng G652 ta phải kết hợp với việc bù tán sắc, giá sẽ tương đối cao. Có thể sử dụng sợi quang G653 (DSF), là sợi quang đơn mode có tính năng tốt nhất ở bước sóng 1550nm, còn gọi là sợi quang thay đổi vị trí tán sắc. Thay đổi sự phân bố khúc xạ làm cho điểm tán sắc bằng không dịch từ 1310 nm – 1550 nm. Ngoài ra với tuyến đơn kênh quang truyền dẫn ở bước sóng 1550nm thì đều có thể sử dụng sợi quang G654 và NZ-DSF. Tuy nhiên hạn chế của nó là giá thành cao, và công nghệ chế tạo khá phức tạp. Lựa chọn sợi quang cho tuyến WDM Dùng sợi quang nào thích hợp nhất cho hệ thống WDM luôn là vấn đề nghiên cứu của các nhà khoa học. Do tính chất ưu việt của sợi