Tổng quan về thông tin quang

G Là hệ số của tập mode dẫn bị giả trong vùng hoạt tính. Hệ số khuếch đại đơn thông. Có thể được diễn giải như một hàm của cường độ I bên trong bộ khuếch đại: (5-4) Với L là độ dài bộ khuếch đại. (3-6) Chỉ số chiết suất vật liệu là một hàm của mật độ hạt mang và cường độ ánh sáng. Ngoài sự dịch pha có liên quan tới tính đơn thông của bộ khuếch đại sẽ có thành phần phụ thêm theo sau sự thay đổi trong mật độ hạt mang khi không có tín hiệu, lúc này dịch pha đơn thông là: (5-5) Với v là tần số tín hiệu đến, v0 là tần số mode cộng hưởng của bộ khuếch đại, n là chỉ số chiết suất của vật liệu lớp tích cực, c là tốc độ ánh sáng, f0 là dịch pha khi không có tín hiệu quang ở đầu vào và b được gọi là hệ số là tăng độ rộng phổ (hệ số dãn phổ). Các phương trình trên chỉ ra rằng hệ số khuếch đại đơn thông và pha là các hàm số của cường độ ánh sáng: về nguyên lý, ánh sáng đã điều biến cường độ có thể bị méo do SLA gây ra. Quá trình phân tích ở đây chỉ ra rằng Gs và f phụ thuộc vào ft, với f là tần số của tín hiệu đầu vào và t là thời gian tái hợp hạt mang (~2ns). Khi f >1/2pt thì biên thời gian và I tỷ lệ với cường độ tín hiệu trung bình. Điều này có nghĩa là biểu hiện dải động của SLA bị tuổi thọ hạt mang chi phối. (5-6) Hệ số khuếch đại đơn thông G ở phương trình (5-4) thể hiện rõ ở bộ khuếch đại sống chạy (TWA). Băng tần quang 3dB đối với bộ khuếch đại không bão hoà là: Với a2ằ0,15cm nm có liên quan đến tính mất điều hưởng (lệch cộng hưởng) giữa bước sóng hoạt động và bước sóng đỉnh khuếch đại vật liệu. Băng tần sẽ không phụ thuộc vào hệ số khuếch đại tuyệt đối và là một hàm số của độ dài thiết bị, giảm đi khi tăng độ dài. Từ phương trình (5-4) ta thấy đương nhiên tính bão hoà hệ số khuếch đại sẽ xảy ra khi có hiện tượng giả nghịch đảo tích luỹ do tăng phát xạ kích thích. Các đặc tính bão hoà của TWA được đánh giá từ công suất đầu ra bão hoà, được xác định như là công suất tín hiệu đã khuếch đại tại hệ số khuếch đại đơn thông nhỏ hơn giá trị hệ số khuếch đại không bão hoà 3dB là: (5-7) Trong biểu thức này, hv là năng lượng photon, t là tuổi thọ hạt mang và: Tuỳ theo sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vật liệu vào mật độ hạt mang. Với W=1,5mm, d=1,5mm, l =1,3mm thì công suất đầu ra bão hoà là 1dBm. Trong thức tế, các mặt vỏ chống phản xạ sẽ có tính phản xạ dư nào đó và tạo thành một hốc quang. Đặc tính khuếch đại sẽ có các đỉnh Fabry-Perot tồn tại bước sóng và khoảng trống tuỳ thuộc và kích thước hốc, độ rộng của nó theo hệ số khuếch đại đơn thông và tính phản xạ bề mặt như sau: (5-8) Tỷ số đỉnh lõm gợn sóng của băng thông là: (5-9) (5-10) Tham số này tạo ra khác biệt giữa FPA và TWA; thông thường khi V< 2 thì bộ khuếch đại được xem như là TWA. Từ phương trình (5-9), khi V là 3dB thì (5-11) Và trong giới hạn R1, R2<<1, hệ số khuếch đại lớn nhất có thể biểu diễn đơn giản như sau: Các phương trình (5-9)và (5-11) chỉ ra rằng, tính phản xạ dư trung bình 1/1000 sẽ cho phép tạo ra bộ khuếch đại TWA có hệ số khuếch đại hốc lớn nhất là 24dB. Và hệ số khuếch đại đơn thông là 22dB. Hình 5.2 là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào bước sóng, hình ghép vào mô tả gợn sóng của hệ số khuếch đại theo cộng hưởng Fabry-Perot dư. Như vậy qua khảo sát ở trên ta thấy rằng. TWA là trạm lặp tuyến tính, nó là bộ khuếch đại ưu việt hơn FPA về cả tính bão hoà hệ số khuếch đại tín hiệu và các đặc tính tạp âm. Hơn thế nữa, TWA có băng tần khuếch đại rộng hơn bởi vì cộng hưởng Fabry-perot của nó bị chặn nhờ việc giảm bớt phản xạ bề mặt. Những yếu điểm vốn có của TWA là thành phần tạp âm tự phát tăng, và trong thức tế làm tăng tính nhạy cảm với những phản xạ từ bên ngoài bộ khuếch đại (như phản xạ từ các mối hàn sợi, bộ nối quang). 4.2.2 Lớp chống phản xạ Các lớp chống phản xạ trên các mặt diot laser là không thể thiếu được khi chế tạo các bộ khuếch đại sóng chạy (TWA). Tính phản xạ bề mặt yêu cầu là nhỏ hơn 1/1000. Do mode dân sóng được tạo ra từ các sóng phẳng cơ bản có các véc tơ sóng khác nhau, cho nên các điều kiện về lớp chống phản xạ (AR Antireflection Coating) đặt ra đối với sóng dẫn là khác đối với các điều kiện là sóng phẳng. Hơn thế nữa, sự dò năng lượng trong các mode không dẫn phải được tính toán. 1,47 1,48 1,49 1,50 1,51 1,52 Hình 5.2 Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào bước sóng Để đạt được độ phản xạ thấp tới 1/10000 trong thực nghiệm người ta phải sử dụng các màn khử khí SiN có điều khiển chỉ số chiết suất bằng cách điều chỉnh áp lực thành phần Nitơ trong Plasma, hoặc bằng sự lắng đọng của các màng SiOx có điều khiển chỉ số chiết suất cho các mặt laser GaInAsP. Các giá trị phản xạ này thu được từ việc do phổ phát xạ tự phát được khuếch đại. Các lớp SiO cho độ phản xạ nhỏ hơn 1/100000 khi đó bằng kỹ thuật phản hồi bên ngoài. Sau lớp chống phản xạ, dòng ngưỡng tăng vái chục mA. Và dòng định thiên hoạt động cho bộ khuếch đại thường cao hơn dòng ngưỡng laser ban đầu. Điều này dẫn tới mật độ hạt mang cũng cao hơn, và do hiệu ứng chèn mà bước sóng ứng với hệ số khuếch đại lớn nhất sẽ dịch tới giá trị thấp hơn. Vì vậy trong thiết kế lớp AR cho diot laser để trở thành TWA, bước sóng phản xạ tối thiểu phải được đặt giá trị thấp hơn bước sóng laser. 4.2.3 Các ứng dụng của khuếch đại laser. Các bộ khuếch đại laser đưa ra hệ số khuếch đại cao và cấu trúc dẫn sóng đơn mode của chúng tạo cho chúng đặc biệt phù hợp đối với các sợi dẫn quang đơn mode. Trong các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng các laser đơn mode dọc, ảnh hưởng của tán sắc sợi có thể là nhỏ và giới hạn chính trên khoảng lặp lại là tổn hao tín hiệu theo suy hao sợi. Các hệ thống như vậy không nhất thiết đặt ra sự tái phát tín hiệu trọn vẹn tại từng trạm lặp và chỉ cần có sự khuếch đại tín hiệu là đủ. Các trạm lặp khuếch đại tuyến tính có thêm ưu điểm là làm việc hai hướng, và phù hợp với các hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM-Wavelength Division Multiplexing). Nếu như tuyến có nhiều bộ khuếch đại được mắc nối tiếp các vấn đề về phát xạ tự phát có thể tăng lên. Hệ số khuếch đại lớn nhất ở mỗi bộ khuếch đại có thể bị giảm đáng kể do sự phát xạ tự phát trung bình của các bộ khuếch đại phía trước gây ra bão hoà khuếch đại. Công suất tự phát trung bình tự tích luỹ tỷ lệ với các bộ khuếch đại. Cá thể ước đoán rằng, công suất tạp âm tích luỹ ngang bằng công suất sau 10 trạm lặp nếu không dùng bộ lặp quang để làm giả công suất phát xạ kích thích được phát đi. TWA có thể cải thiện công suất thu nhỏ nhất khi dùng bộ thu thông thường có đặt bộ khuếch đại quang ở phía trước photodiode. Khi sử dụng làm tiền khuếch đại cho bộ thu quang, tín hiệu và tạp âm tương ứng được tăng lên trên mức tạp âm bộ thu. Vì vậy, tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm chủ yếu do bộ khuếch đại quang quyết định. Cũng do vậy, các bộ khuyếch đại quang có ưu điểm làm giả ảnh hưởng của tạm âm bộ thu giống như tách sóng Coherent. Các bộ khuếch đại laser có thể được sử dụng vào các hệ thống khuếch đại quang tuyến tính chung để bù cho suy hao trong các mạng rẽ nhánh. Nếu dòng định thiên bộ khuếch đại bị ngắt, các cửa đầu vào và đầu ra sẽ tách ra, ở trạng thái mở sẽ có khuếch đại tín hiệu, các bộ khuếch đại này cho phép tạo ra các mạng định tuyến sợi quang suy hao nhỏ. Khi có tổ hợp nhiều chuyển mạch có thể đưa ra một ma trận chuyển mạch để định luồng tín hiệu. 4.3 Khuếch đại quang sợi. 4.3.1 Nguyên lý làm việc Gần mười năm trước đây, việc sử dụng các sợi quang có pha tạp để làm các bộ khuếch đại tín hiệu ánh sáng đã được đưa ra, các sợi này được xem như là sợi tích cực vì chúng có thể thay đổi các đặc tính vật lý của chúng theo sự thay đổi nhiệt độ, áp suất và chúng có tính chất bức xạ ánh sáng. Một điều quan trọng nhất ở đây là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu như có kích thích phù hợp. Các chất kích tạp và chất nhạy cảm đã được dùng để pha tạp sợi dẫn quang với các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa ion đất hiếm. Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành bộ khuếch đại có thể minh hoạ như ở hình 5.3. Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản (E1) được kích thích từ một nguồn bức xạ có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển tới mức cao hơn (E2). Từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ, hoặc nếu như có một mức năng lượng thấp hơn (E3), nó sẽ thả không bức xạ tới mức đó. Từ đây, điện tử có thể phân rã xuống mức E1 (hình 5.3a) hoặc E4 (hình 5.3b) thông qua quá trình bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích. Phân rã E2 E3 E4 E1 Phân rã Phân rã l bơm E2 E3 E1 l bơm a) b) Hình 5.3 Cơ chế bức xạ trong ba mức(a) và trong bốn mức (b) Nếu thời gian sống của mức E3 đủ dài để các điện tử được nguồn bơm kích thích, thì có thể xảy ra nghịch đảo độ tích luỹ. Đây là điều kiện để có một số các điện tử trên mức siêu bền E3 nhiều hơn ở mức tới(E1 hoặc E4). Một photon có năng lượng tương đương với sự chênh lệch mức giữa E3 và E1 (đối với ba mức), hoặc giữa E3với E4 (đối với bốn mức) mà nó va chạm trên môi trường gây bức xạ kích thích của các photon. Trong hình 4.3 còn lưu ý rằng ở điều kiện không kích thích,hầu hết các điện tử nằm trong trạng thái cơ bản E1. Như vậy nó sẽ dễ dàng tạo ra nghịch đảo tích luỹ giữa các mức E3 và E4. Vì thế cho nên thông thường thì các giá trị ngưỡng ở các laser thấp hơn các laser ba mức. Có nhiều ion đất hiếm có các dải huỳnh quang, vì vậy cho khả năng bức xạ kích thích, điều này tạo ra các ứng dụng trong khuếch đại các tín hiệu quang. Đáng chú ý nhất là Nd3+, có các dải bức xạ ở 1.06 mm và1,32mm và Er3+ có các dải bức xạ ở 1,55mm và 2,5 mm. Ngoài ra còn có Ho3+ bức xạ ở 2,08 mm và Tm3+ cho bức xạ ở 2,3mm. Hiện nay. Các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium được phát triển mạnh mẽ nhất và phù hợp với bước sóng có suy hao nhỏ sẵn có của sợi dẫn quang. Chúng được viết tắt là EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Trong phần này chúng ta chỉ xét về EDFA. 5.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA. EDFA được trình diễn vào năm 1987 và nó được liên tục hoàn thiện một cách nhanh chóng, tới nay nó đã được khai thác ở nhiều tuyến thông tin quang: chúng được dùng để thay thế các trạm lặp thông thường (có biến đổi Quang – Điện và Điện – Quang) trong nhiều trường hợp như: Các bộ khuếch đại tăng cường để tăng công suất truyền dẫn và do đó tăng được cự ly truyền dẫn hoặc là để bù vào những tổn hao trong khả năng truyền dẫn. Dùng làm các bộ tiền khuếch đại để tăng độ nhạy thu. ở đây, các trạm lặp được đặt trước bộ thu quang để tăng cường độ của tín hiệu vào bộ tách sóng. Như vậy độ nhạy thu sẽ tăng lên và giải pháp này rất có hiệu quả trong các hệ thống truyền dẫn khoảng cách xa. EDFA làm việc ở bước sóng 1550nm với hệ số khuếch đại cao, công suất ra lớn và nhiễu thấp. Để cho các EDFA hoạt động trên các hệ thống thông tin quang thì cần có một nguồn bơm. Các diot laser bán dẫn công suất cao là các nguồn bơm thức tế để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA. EDFA là một đoạn cáp mà có thể nối liền với các sợi dẫn quang truyền dẫn với suy hao do hàn nối tiếp xúc không quá 1dB. Hệ số khuếch đại của EDFA không bị ảnh hưởng do phân cực của ánh sáng. Bởi vì hệ số bão hoà xảy ra trong EDFA trong một khoảng thời gian khá dài do đó không tạo ra nhiễu xuyên âm khi truyền tín hiệu với tốc độ cao. Sau đây ta sẽ đề cập đến các đặc tính của EDFA mà làm cho chúng có ý nghĩa thực tiễn trong hệ thống thông tin quang. Nguyên lý làm việc của EDFA và các đặc tính cơ bản của nó như sau: EDFA bao gồm một đoạn ngắn sợi cáp quang mà lõi của chúng được pha trộn ít hơn 0,1% Erbium, là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Như đã chỉ ra ở hình 3.6, các ion Eribium được bơm tới một mức năng lượng phía trên do sự hấp thụ ánh sáng từ một nguồn bơm. Chẳng hạn ở bước sóng 1480nm. Sự dịch chuyển của điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra một photon, photon này được bức xạ có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát ( sự phân huỷ tự nhiên của các ion kích thích mà không có bất cứ một tác động khác nào chen vào) hay bức xạ 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 thêm các photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng). Các photon tín hiệu trong EDFA kích thích sự ”tái định cư” ở trạng thái kích thích và khuếch đại tín hiệu. Thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao vào khoảng 10ns đảm bảo rằng thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ion Erbium đợi để được khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ kích thích. Suy hao sợi thường (dB/km) Hấp thụ khuếch đại sợi Erbium (dB/m) 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,0 2,0 0,2 0,1 0,1 0,2 1,0 2,0 Hình 5.4 Phổ hấp thụ của sợi quang thông thường và sợi quang Erbium Hình 5.4 so sánh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông thường dùng trong truyền dẫn. Sự hấp thụ quang xảy ra trong các loại cáp thông thường là thấp ở dải bước sóng tập trung vào khoảng 1550nm nơi mà sự hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km; có nghĩa là khoảng 5% lượng ánh sáng truyền qua bị hấp thụ trong 1km. Ngược lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100 phần triệu ở trong lõi có thể gây ra sự hấp thụ là khoảng 2dB/mét ở bước sóng bơm. Mức kích thích Phân rã không bức xạ Mức siêu bền Tín hiệu được khuếch đại Tín hiêu tới Signal photon Bơm năng lượng l =980nm Mức cơ bản Hình 5.5 Giản đồ năng lượng của Erbium Sự hấp thụ ánh sáng bơm kích thích các ion Erbium mà chúng tích trữ năng lượng sẽ xảy ra cho đến khi có một photon tín hiệu kích thích sự chuyển đổi thành một ion tín hiệu khác một cách lý tưởng. Như ở hình 5.5 và hình 5.6 đã chỉ ra sợi Erbium có thể được bơm với vài bước sóng khác nhau; ở đây, sự hấp thụ các vùng bước sóng 980nm và 1480nm là có hiệu quả nhất. WDM Bộ cách ly Coupler Bộ cách ly Output EDFA Laser bơm Laser bơm Input Bơm Tín hiệu Công suất Hình 5.6 Sơ đồ cấu trúc của một modul EDFA Hình 5.6 chỉ ra cấu trúc của một tổ hợp EDFA. Sợi quang có pha trộn nguyên tố Erbium được nối ghép với sợi quang bình thường và có thể ghép với các thiết bị khác. ánh sáng bơm được kết hợp với tín hiệu vào nhờ sử dụng bộ ghép bước sóng quang WDM trên hệ thống. ánh sáng bơm được truyền dọc theo sợi có pha Erbium và hấp thụ khi các ion Erbium được đưa về trạng thái kích thích. Khi tín hiệu được truyền vào bộ EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kích thích, do vậy nó khuếch đại công suất tín hiệu. 4.3.3 Các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA. A) Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang sợi. Hệ số khuếch đại công suất ra và nhiễu khuếch đại là các đặc tính quan trọng nhất của EDFA trong việc dùng nó trong hệ thống thông tin. Hệ số khuếch đại. Có nghĩa là tỷ số giữa công suất tín hiệu ra và công suất tín hiệu vào ở bước sóng 1530nm và 1550nm mà tại đó EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất. Công suất bơm tối thiểu cần thiết để đạt được hệ số khuếch đại cao nhất chính là mấu chốt của việc sử dụng EDFA vào thực tiễn. Với công suất như vậy thì khả năng của một diot laser bán dẫn hoạt động với hàng trăm mA dòng một chiều là vừa đủ. Sự bão hoà xảy ra khi công suất tín hiệu lớn trong EDFA là giảm hệ số khuếch đại, bởi vậy nó giới hạn công suất ra của bộ khuếch đại. Sự bão hoà hệ số khuếch đại này xuất hiện khi công suất tín hiệu tăng lên một lượng lớn và gây ra bức xạ kích thích ở một tỷ lệ cao và do đó làm giảm sự nghịch đảo độ tích luỹ, điều đó có nghĩa là có cá ion Erbium kích thích giảm một cách đáng kể. Đối với các hệ thống laser ba mức, công suất bão hoà tín hiệu ra (công suất tín hiệu ra mà ở đó hệ số khuếch đại bị giảm đi 3dB, đối với khi khuếch đại tín hiệu nhỏ) tỷ lệ với sông suất hạn chế do công suất bơm và công suất tín hiệu ra bị hạn chế bởi công suất bão hoà. Công suất tín hiệu ra bị giới hạn do công suất sẵn có. Các bộ khuếch đại bão hoà cao có thể đổi photon bơm thành photon tín hiệu với hiệu suất đạt được vượt 90%. Bộ khuếch đại quang làm giả chất lượng của tín hiệu do nhiễu gây ra do có bức xạ kích thích được khuếch đại lên. Trong các bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao lý tưởng, chỉ số nhiễu (tỷ lệ tín hiệu nhiễu ở đầu vào chia cho tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đầu ra là) 3dB, đối với EDFA thì chỉ số nhiễu đã tiến gần tới giới hạn lượng tử. Trong các bộ khuếch đại bão hoà có độ nghịch đảo thấp thì chỉ số nhiễu có thể trở nên xấu hơn (ảnh hưởng nhiều đến chất lượng tốc độ hơn). Bảng 4.2 biểu thị các loại sợi SiO2/GeO2 và SiO2/Al2O3 có thể cho phép tạo ra bộ khuếch đại quang sợi có hiệu quả cao. Loại sợi NA Bước sóng bơm lbơm (nm) Công suất bơm Pbơm(mW) Hệ số khuếch đại G(dB) G/Pbơm (DB/mW) SiO2/GeO2 SiO2/GeO2 SiO2/Al2O3 SiO2/Al2O3 SiO2/Al2O3 SiO2/GeO2 SiO2/GeO2 SiO2/Al2O3 0,16 0,16 0,18 0,14 0,14 0,2 0,3 0,12 532 980 514 514 528 665 807 1490 25 10,5 100 100 100 100 20 14 34 24 22 16 31 26 8 2 1,35 2,2 0,22 0,16 0,31 0,26 0,4 0,14 B) Các mẫu lý thuyết và thiết kế tối ưu. Các mẫu lý thuyết dựa trên ba mức như ở hình 4.5. Mộu ba mức đã được dùng để phân tích thiết kế tối ưu cho EDFA. Trong hệ thống Erbium 3 mức, các ion nằm ở trạng thái cơ bản làm giả khả năng của EDFA vì chúng hấp thụ công suất tín hiệu. Tỷ lệ mà ở đó Erbium được tăng cường lên trạng thái kích thích tỷ lệ với cường độ bơm ( có nghĩa là công suất bơm trên một đơn vị diện tích). Để cực đại hoá tỷ lệ các ion bơm trong khi giảm công suất bơm thì đòi hỏi cả công suất bơm và các nguyên tử Erbium cần phải được giới hạn trong một vùng tiết diện ngang có thể. Một số mẫu cụ thể đã chỉ ra rằng điều này có thể thực hiện một cách có hiệu quả bằng cách tăng độ chênh lệch chỉ số chiết suất của lõi và lớp vỏ sợi bằng cách giảm kích thước của ruột Erbium. Đỗi với EDFA thì sự khác biệt chỉ số chiết suất là 0,04 (lớn hơn 10 lần so với sợi quang đơn mode chuẩn) và đường kính lõi là 2mm (nhỏ hơn 4 lần so với sợi quang đơn mode chuẩn) có mode quang rất nhỏ đường cong hệ số khuếch đại chỉ rõ yêu cầu công suất bơm thấp thì hiệu suất sử dụng EDFA cao. Sự tập trung Erbium vào việc lựa chọn các chất thêm vào trong lõi EDFA là rất quan trọng. Ví dụ như bằng cách thêm Al (nhôm) vào trong lõi thì nó mở rộng và làm phẳng phổ khuếch đại. Nếu Erbium được tập trung với nồng độ càng cao thì hệ số khuếch đại của EDFA càng lớn ứng với mỗi đơn vị độ dài của đoạn sợi EDFA cần phải sử dụng càng ngắn. Nếu sự tập trung của Erbium là quá cao ( lớn hơn Đối với lõi có nhôm hoặc là đối với lõi có pha Germanium) thì chúng sẽ kết cụm lại với nhau làm giảm tính năng của sợi. C) Dải đông khuyếch đại, nhiễu xuyên âm và độ nhạy phân cực của EDFA. Tín hiệu thông tin trong hệ thống truyền dẫn sóng ánh sáng được gửi đi bằng cách điều biến công suất bức xạ từ laser bán dẫn. Yêu cầu của các thiết bị đặt giữa bộ phát và bộ thu quang là không được gây méo tín hiệu. Sự méo tín hiệu gây ra do các bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại biến đổi. EDFA có thể làm triệt tiêu sự dao động của hệ số khuếch đại. Bởi vì thời gian phân huỷ ngẫu nhiên ở trạng thái kích thích có thời gian sống rất dài, sự bão hoà hệ số khuếch đại rất thấp. Điển hình là phải mất 0,1 tới 1ms để làm giảm hệ số khuếch đại sau khi tín hiệu bão hoà được đưa vào trong EDFA. Vì khoảng thời gian này là quá dài so với chu kỳ xung trong các tín hiệu Gêgabít và sự điều biến tín hiệu trong các hệ thống analog, cho nên EDFA làm méo tín hiệu và nhiễu xuyên âm rất bé. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang không bị ảnh hưởng của sự phân cực tín hiệu vào. Mặt khác tín hiệu có thể bị méo và nhiễu nhiều hơn khi có độ phân cực trong sợi quang truyền dẫn bị biến đổi ngẫu nhiên với thời gian. Hệ số khuếch đại không phụ thuộc vào độ phân cực của khuếch đại là do sự phân bố đối xứng tròn của sợi dẫn quang và hướng ngẫu nhiên của các ion Erbium trong sợi quang. D) Nguồn bơm và các thiết bị thụ động cho EDFA. Nguồn bơm có hiệu quả cao ở cả hai bước sóng 980 và 1480nm. Để có hệ số khuếch đại hơn 20 dB thì cần tạo ra nguồn bơm từ 10 đến 100 mW để đảm bảo cho công suất ra đủ lớn. Chỉ số nhiễu lượng tử giới hạn là 3dB đạt được ở bước sóng 980nm. Nhưng đối với bước sóng 1480nm thì chỉ số nhiễu là vào khoảng 4dB vì sự hấp thụ bơm và độ rộng băng tín hiệu là như nhau nhưng sự bức xạ kích thích do ánh sáng bơm đã giới hạn sự nghịch đảo tích luỹ. Laser diot bán dẫn dùng để bơm cho EDFA có thể bức xạ hàng trăm mW ở cả hai bước sóng 980 và 1480nm. Đối với các diot laser thì chỉ cần điện áp tiếp xúc nhỏ và bởi vậy làm giảm nguồn nuôi theo yêu cầu. Hiện tại thì 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 dùng để bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Các thiết bị công suất đòi hỏi công suất bơm cao nhất và độ ổn định của chúng là mấu chốt trong quá trình nghiên cứu và phát triển chúng. Nừu tăng được độ ổn định của laser diot có bước sóng 980nm tì có thể chúng sẽ được chọn làm nguồn bơm. Nguồn bơm và tín hiệu được ghép với nhau bằng bộ ghép bước sóng được chỉ ra trên hình 4.6. Thiết bị ghép ở đây dùng các thấu kính để ghép ánh sáng vào và ánh sáng ra của sợi. Nó bao gồm các gương và bộ lọc tích hợp. Trong các bộ ghép bước sóng (WDM) này, năng lượng bơm và tín hiệu tổn hao khoảng <0,5dB. Bảng 5.3 so sánh các công nghệ ghép bước sóng. Tham số Hàn sợi Điện môi Cách tử Suy hao xen,dB < 0,2dB < 0,1dB < 0,3dB Độ nhạy phân cực, dB < 0,2dB Không Không Giá thành Thấp Trung bình Trung bình Độ ổn định nhiệt,nm/°C 0,005 0,05 0,007 Chế tạo Đơn giản Công nghệ cao Công nghệ cao Kích thước 10´10´80 8´8´60 10´10´80 Sự hồi tiếp từ hiện tượng phản xạ ở hai mặt của các bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao có thể sinh ra sự dao động và làm giảm khả năng chống nhiễu của hệ thống. Nếu đặt vào trong đường truyền này một bộ cách ly quang (Isolator) như ta đã chỉ ra ở hình 5.6 thì có thể làm triệt tiêu sự phản xạ này. Các bộ cách ly quang thường làm giảm ánh sáng phản xạ đi khoảng 35dB trong khi đó chỉ tổn hao cho tín hiệu truyền qua là 1dB. E) Hệ thống sử dụng EDFA. Dựa vào khả năng và kinh tế mà người ta quyết định đặt bộ khuếch đại quang vào chỗ nào trong hệ thống. Tính kinh tế của hệ thống hầu như quyết định việc lắp đặt và sử dụng khuếch đại quang cần phải rẻ hơn so với việc áp dụng các công nghệ khác, nếu không khuếch đại quang sẽ không được dùng trên hệ thống thông tin quang. Khi được ứng dụng trên hệ thống, EDFA cần một số các dịch vụ và kênh giám sát, theo dõi làm cho chúng trở nên linh hoạt và mềm dẻo đối với các trạm lặp ở xa. Các bộ khuếch đại quang ở đây có thể được dùng làm các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát hoặc đóng vai trò như bộ tiền khuếch đại ở đầu thu hay làm khuếch đại trung gian ( trạm lặp) trên đường truyền quang. Khi là bộ khuếch đại công suất ở phía phát thì công suất là 16 dB, và khi là tiền khuếch đại, độ nhạy ở phía thu đạt được là (-41dB). EDFA có thể thay thế các trạm lặp thông thường trên đường trên và có những đặc điểm sau: EDFA không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi (bộ biến đổi O/E và E/O). Như vậy mạch sẽ trở nên linh hoạt hơn. EDFA có cấu trúc rất nhỏ nên có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm. Như vậy sẽ làm cho hệ thống trở nên linh hoạt hơn. Công suất nguồn nuôi nhỏ nên khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượt biển, cáp sẽ có cấu trúc nhỏ và nhẹ hơn cáp thông thường. Hạ giá thành của hệ thống do cấu trúc đơn giản của EDFA, cáp có trọng lượng nhỏ, kéo dài khoảng lặp và nâng cao dung lượng truyền dẫn. ở hình 5.7 biểu diễn một hệ thống truyền dẫn quang có tốc độ 2,5Gbit/s với cự ly 318km có sử dụng EDFA. Các nhà khai thác rất quan tâm tới khả năng kinh tế của EDFA. Như ta đã biết các kênh hoạt động ở bước sóng 1550nm thì có thể đạt tốc độ lên đến 2,5Gbit/s. Vì EDFA có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng trong cùng một sợi cho nên có khả năng tăng dung lượng tốc độ khi sử dụng kỹ thuật ghép bước sóng quang (WDM) tới 10 đến 20Gbit/s. Như vậy EDFA có thể thay thể cho nhiều trạm lặp (mỗi trạm lặp thông thường chỉ khuếch đại một bước sóng) đồng thời tại một kênh có thể dùng kỹ thuật WDM. Đối với mạng nội hạt thì khuếch đại quang được dùng để phục hồi tín hiệu bị suy hao khi đi qua các bộ rẽ quang, bộ lọc. Hiện nay cáp truyền hình (CATV) được sử dụng trong cự ly khoảng 10 đến 20km. Chất lượng phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn, với việc áp dụng các bộ khuếch đại quang thì cự ly này có thể lên tới 40km vì cáp truyền hình truyền dẫn tín hiệu tương tự nên nó yêu cầu cao về tạp âm và méo tín hiệu. EDFA có thể thoả mãn yêu cầu đó của cáp truyền hình với phổ khuếch đại phẳng, công suất bão hoà cao, tạp âm và mức xuyên âm thấp. Tính ưu việt của bộ khuếch đại quang sợi EDFA thể hiện rõ nét trong hệ thống quang biển. Khả năng ứng dụng của khuếch đại quang vào hệ thống cáp quang dưới biển đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trong nhiều năm nay. Ta đã biết rằng khi tăng tốc độ bít trong hệ thống cáp quang dưới biển đòi hỏi phải thiết kế trạm lặp và thiết bị đầu cuối. Nhưng nếu sử dụng trong hệ thống khuếch đại quang thì chỉ có thiết bị đầu cuối trên mặt đất là phải cải tiến còn lại phần cáp quang biển thì vẫn giữ ng