Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com Chương 6: CÁC ỨNG DỤNG MẠNG CƠ BẢN Các ứng dụng SOA hệ thống truyền thơng quang học chia thành ba lĩnh vực chính: Postamplifier khuếch đại tăng cường để tăng cơng suất laser truyền, khuếch đại đường dây để bù cho mát sợi quang q trình lan truyền khác mơi trường đường truyền tải xa tiền khuếch cải tiến độ nhạy thu Sự hợp khuếch đại quang học vào liên kết truyền thơng quang học cải tiến tính hệ thống giảm giá thành Các SOA dùng để thực chức khác chẳng hạn nh chuyển mạch quang học vận tốc cao , chuyển đổi bước sóng phát đường dây Nhiều ứng dụng chức nh thảo luận chương Trong chương tập trung vào ứng dụng truyền thống SOA đ ường truyền mạng truyền thơng quang học Chúng ta bắt đầu với tổng quan ngắn gọn vấn đề phát quang học trực tiếp kết hợp đến nguồn gốc lý thuyết phát tín hiệu ánh sáng khuếch đại Ứng dụng SOA khuếch đại tăng cường, tiền khuếch đại , khuếch đại đường dây xem xét Các tính chất SOA đ ường dây xếp tầng phân tích Tính SOA mạng WDM thảo luận với kĩ thuật tận dụng để giảm nhiễu xuy ên kênh méo lần điều chế Cuối số ý liên quan đến việc sử dụng SOA hệ thống truyền tương tự 6.1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THƠNG QUANG HỌC KẾT HỢP VÀ TRỰC TIẾP Các hệ thống truyền thơng quang học chia th ành truyền kết hợp khơng kết hợp [1-3] Trong truyền thơng khơng kết hợp cường độ tín hiệu mang quang học điều biến Tại thu, tín hiệu phát trực tiếp, q trình nhạy với cường độ tín hiệu Những hệ thống gọi điều chế theo mật độ tách sóng trực tiếp (IM-DD) Trong hệ thống kết hợp, tín hiệu ánh sáng dao động cục thêm vào tín hiệu mang quang học tới trước phát Trong sơ đồ thế, pha tần số mang quang học, cường độ phát Trong truyền thơng quang học, thuật ngữ kết hợp dùng để hệ thống laser dao động cục Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com thêm vào ánh sáng tín hiệu điều biến tới trước phát hiện, cho dù pha tần số tín hiệu ánh sáng tới bị bỏ qua q tr ình xử lý giải điều biến sau 6.1.1 Bộ thu điều chế theo mật độ tách sóng trực tiếp Sơ đồ máy thu IMDD biểu diễn hình 6.1a Trong sơ đồ này, tín hiệu mang quang học điều biến cường độ phát photodetector (diode p -i-n photodiode kiểu thác lũ_APD) Dòng quang điện cuối khuếch đại cho qua mạch định định xem bit nhận dấu khoảng trống Hai phương pháp dùng để định dạng sóng nhận Phương pháp liên quan đến lấy mẫu dạng sóng nhận chu kì bit, thường bit so sánh với giá trị lấy mẫu mức ngưỡng Nếu giá trị lấy mẫu nhỏ mức ngưỡng, bit nhận được hiểu trống ngược lại Cách thứ hai kĩ thuật “integrate and dump” dạng sóng nhận được lấy tích phân chu kì bit Sau đầu tích phân so sánh với mức ngưỡng định tương tự thực phương pháp Phương pháp đầu có ưu điểm tối thiểu hóa hiệu ứng nhiễu giao thoa liên kí tự (ISI) sau, việc lấy tích phân, có khuynh hướng cực tiểu hóa hiệu ứng nhiễu Cả hai kĩ thuật nhận đòi hỏi tạo xung đồng hồ cục cho mục đích đồng hóa Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com Hệ số chất lượng thơng thường thu số xác suất lỗi bit (BER) Bộ thu IMDD phân tích sau Chúng ta giả sử điều biến bật tắt (OOK) khoảng trống dấu tương ứng biểu diễn cơng suất đầu vào khơng Ps Ps cơng suất nhận trung bình giả sử xác suất truyền qua xung đánh dấu khoảng trống Trường tín hiệu đầu vào đến photodetector biểu diễn E ( t )  P cos(2  t ) ( cho xung đánh dấu) E (t )  E (t ) 0 (6.1) ( cho khoảng trống)  s  tần số mang quang học t thời gian Dòng quang điện id từ photodetector tỉ lệ với bình phương trường tín hiệu ánh sáng đến lấy trung bình chu kì quang học, tức (6.2) id  R E (t ) tốn tử < > việc lấy trung b ình theo thời gian chu kì quang học R độ đáp ứng phổ photodetector ( A / W ) cho cơng thức R e h (6.3)  hiệu suất lượng tử detector Thế (6.1) vào (6.2) cho ta dòng quang điện tín hiệu tương đương, xung đánh dấu ) I s (t )   II 20(RPcho( cho (6.4) khoảng trống ) s1 s s0 Trong (6.4), số hạng 2 bị bỏ qua vượt q băng thơng điện detector Cùng với dòng quang điện tín hiệu, có dòng nhiễu dòng tối detector I d (một dòng quang điện tồn cho dù khơng có ánh sáng phát ) với phương sai i d2 , dòng tạp nhiễu hạt tín hiệu với phương sai i 2s (do chất lượng tử tín hiệu ánh sáng đ ược phát ) nhiễu mạch thu với phương sai i 2c Nguồn nhiễu sau chủ yếu nhiễu nhiệt thu Các phương sai dòng nhiễu biểu diễn i d2  2eB e I d i 2s  2eB e I s i 2c  (6.5) 4kTFB e RL Be băng thơng gửi-phát thu , F hệ số tạp nhiễu thu , RL điện trở tải T nhiệt độ thu Đối với điều biến OOK, phương sai dòng nhiễu tồn phần dấu khoảng trống là: 2eB I ( cho xung đánh dấu)  iT2   ii ii ( cho (6.6) khoảng trống )  i1 i0 d d c c e s1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com Đối với thu OOK truyền thống (d ùng phương pháp trên), giả sử dòng nhiễu có hàm phân bố cường độ dạng Gauss, BER là:  Q  BER  erfc    2 (6.7) thừa số Q Q S1  S0 (6.8)  i21   i 20 S1  I s21 S0  cơng suất tín hiệu dấu khoảng trống, erfc hàm sai bù  2 erfc ( x )   erf ( x )  e  u du   x (6.9) erf hàm sai số , erfc thường xuất biểu thức BER nhiều loại thu Đồ thị erfc BER theo Q biểu diễn hình 6.2 Đối với giá trị x lớn phép gần sau l hữu dụng: e x erfc ( x )  , x  x lớn (6.10) Độ nhạy thu định nghĩa cơng suất quang học thu trung bình photon bit cần cho BER cho trước Những hệ thống truyền thơng quang học th ường có BER < 10 9 , đòi hỏi Q>6 Trong trường hợp lý tưởng, dòng tối nhiễu mạch bỏ qua thì: Q2  S RPs   i21 eBe (6.11) Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com Nếu photodetector có hiệu suất lượng tử băng thơng Be  1/ BT , BT tốc độ bit thì: (6.12) Q2  2Nb N b  Ps / (h BT ) số photon bit trung bình Giá trị gọi giới hạn lượng tử ( giới hạn tạp nhiễu hạt ) Một BER 10 9 cần N b  18 Nếu bước sóng tín hiệu nhận tốc độ bit biết, số dùng để thu cơng suất độ nhạy quang học trung bình cực tiểu cần thiết thu Tuy nhiên thu thực tế, khơng thể đạt giới hạn lượng tử Điều nhiễu mạch, thơng thường lớn nhiễu hạt nhiều bậc độ lớn, làm nảy sinh độ nhạy nằm khoảng vài trăm ngàn photon bit Phân tích bỏ qua ảnh hưởng tượng tán sắc sợi quang Sự tán sắc sợi quang dẫn đến mở rộng xung đến ISI Điều làm tăng BER giảm độ nhạy thu Như thấy phần 6.3.2, độ nhạy thu quang học IMDD thực tế đ ược cải tiến nhiều cách dùng tiền khuếch đại quang học Phân tích chi tiết độ nhạy thu quang học BER tìm thấy [1-4] 6.1.2 Sự tách sóng qn Sơ đồ thu kết hợp biểu diễn hình 6.1(b) Trong loại thu này, laser dao động cục đ ược thêm vào tín hiệu mang quang học tới điều biến Sau hai tín hiệu phát đồng thời photodetector Dòng quang điện cuối giải điều biến xử lí để nhận tín hiệu liệu Có hai thuận lợi hệ thống truyền thơng quang học kết hợp so với hệ thống IMDD truyền thống Trước hết, đạt tới độ nhạy của thu lớn (miễn là tín hiệu nhiễu pha dao động cục giữ giới hạn cho phép) thứ hai đạt chọn lọc thu cao nhiều Thuận lợi có nghĩa tăng khoảng cách chuyển tiếp tái sinh hệ thống qn so với hệ thống IM-DD Tuy nhiên, thuận lợi khơng quan trọng có mặt khuếch đại đường dây tiền khuếch đại hệ thống IM -DD Điều có nghĩa quan tâm việc thực thi thương mại hệ thống truyền thơng quang học kết hợp bị mờ dần, so với nhộn nhịp hoạt động năm 1980 trước kiện khuếch đại sợi quan g đáng tin cậy hiệu suất cao Thuận lợi thứ hai có nghĩa dùng ghép kênh phân chia tần số quang học (OFDM) để truyền nhiều kênh quang học với khoảng cách tần số mảnh sợi quang Điều dẫn đến tận dụng hiệu băng thơng sợi quang Việc chọn kênh thực cách gửi phát miền điện Trong hệ thống IMDD, Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) dùng để tăng tận dụng băng thơng sợi quang; nhiên, trường hợp chọn lọc kênh thực trước phát dùng lọc quang học tách kênh theo bước sóng Khoảng cách kênh lớn nhiều so với FDM Trong trường hợp nào, việc dùng hệ thống IMDD vượt xa hệ thống kết hợp Vì lý này, phần lại sách tập trung vào hệ thống IMDD 6.2 KHOA HỌC THỐNG KÊ VỀ PHÁT HIỆN ÁNH SÁNG KHUẾCH ĐẠI Việc thêm vào phát xạ tự phát (nghĩa nhiễu ) hệ khơng thể tránh khuếch đại ánh sáng Việc dùng lọc quang học đầu khuếch đại giảm đáng kể n hiễu này, nhiên khơng thể triệt tiêu hồn tồn Khi tín hiệu nhiễu kèm theo phát photodetector, q trình phát đặc trưng bình phương làm nảy sinh dòng nhiễu phách với tạp nhiễu hạt Trong phân tích sau đây, dựa phương pháp [5], biểu thức rút cho thành phần nhiễu dòng quang điện tạo tín hiệu khuếch đại quang học Vấn đề cần xem xét biểu diễn hình 6.3, tín hiệu phân cực tuyến tính v ASE kèm theo cho qua kính phân cực v lọc quang học trước phát Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com Bộ lọc quang học có hàm truyền dạng chữ nhật với băng thơng B0 (Hz) xung quanh bước sóng tín hiệu Photodetector có phổ đáp ứng R băng thơng gửi - phát Be Chức kính phân cực tín hiệu phân cực tuyến tính qua giảm phân nửa nhiễu ASE Điều photon phát xạ tự phát tồn hai chế độ phân cực vng góc với (giả sử phân cực khơng nhạy với khuếch đại quang học) Nhiễu ASE detector  ASE giả sử có mật độ phổ cơng suất quang học đồng trạng thái phân cực đơn băng thơng lọc Giả thiết có giá trị lọc quang học dùng thực tế có băng thơng hẹp nhiều so với băng thơng phổ SOA thơng thường Thành phần tín hiệu điện trường detector biểu diễn (6.13) E sig (t )  P sig cos( sig t ) Psig sig tương ứng cơng suất tín hiệu tần số góc quang học Thành phần ASE điện trường đầu vào biểu diễn Esp (t )  B0 /2  2 ASE  cos ( sig 2 i )t  i  i  B0 /2 (6.14)  khoảng tần số nhỏ i pha ngẫu nhiên Do điện trường phát tồn phần E (t )  E sig (t )  E sp (t ) (6.15) Dòng quang điện cuối theo (6.2) id  R  E sig (t )  E sp (t ) 2  R  Esig (t )  E sig (t ) E sp (t )  Esp2 (t )  (6.16) Số hạng vế phải (6.16) đơn giản dòng quang điện tín hiệu phát I s ( RPin ) Nó q trình nhiễu hạt với phương sai i sig  shot  2eBe RP sig (6.17) Số hạng thứ hai vế phải (6.16) phách tín hiệu với ASE Nó viết là: i sig  sp  2R P in  sp  M  cos(2 i t   ) i  M i (6.18) M  B0 / (2 ) số hạng xung quanh tần số 2sig bỏ qua Mỗi tần số 2 i (6.18) có hai thành phần với pha ngẫu nhiên Điều có nghĩa phổ cơng suất isig  sp đồng khoảng tần số [0, B0 / 2] với mật độ phổ cơng suất ( A / Hz ) 2  sig (6.19)  sp  R P sig  ASE Vì phương sai dòng nhiễu phách tín hiệu - tự phát là: Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com i sig  sp  R P sig  ASE B e (6.20) Số hạng thứ ba vế phải (6.16) l phách nhiễu tự phát với tính cơng thức i sig  sp  2R ASE  Với M M  cos(  )  cos(  ) i  M i j  M j  i  ( sig 2 i ) t   i  j  ( sig 2 j ) t   (6.21) (6.22) j Tính (6.21) bỏ qua số hạng với tần số xung quanh 2sig , ta 2M 2M i   sp  sp  R ASE  c os  (i  j )2 t   i  j  (6.23) i 0 j 0 Số hạng tần số khơng thu i=j Có 2M số hạng nên dòng tự phát trung bình I sp  R ASE B (6.24) Dòng q trình nhiễu hạt với phương sai i sig  shot  2eB e I sp (6.25) Các số hạng lại (6.23) xếp theo tần số chúng Số số hạng tần số l 2M  l , l số ngun nằm khoảng –(2M-1) đến -1 khoảng từ đến 2M+1 Các số hạng với trị tuyệt đối tần số cộng pha mật độ phổ cơng suất phía  sp  sp isp  sp mở rộng từ tới B0 với dạng hình tam giác Bởi B0 lớn nhiều so với Be , cần quan tâm đến mật độ phổ cơng suất gần tần số khơng  sp2  sp  R 2 ASE B0 (6.26) Vì phương sai dòng nhiễu phách tự phát - tự phát là: i sp2 sp  2R 2 ASE B 0B e (6.27) Phương sai dòng quang điện tồn phần tổng phương sai dòng nói nghĩa 2 2 i d2  i sig (6.28)  shot i sp  shot i sig  sp i sp  sp Trong thu thực tế, phân cực tín hiệu đầu v thường khơng thể biết khơng thể dùng kính phân cực Trong trường hợp này, phương sai dòng nhiễu hạt tự phát phương sai dòng phách tự phát – tự phát phải nhân đơi Phương sai dòng nhiễu phách tín hiệu-tự phát khơng bị ảnh hưởng tín hiệu phách với nhiễu có c ùng trạng thái phân cực Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 6.2.1 Hệ số tạp nhiễu tương đương mặt điện (electrically equivalent noise figure) khuếch đại quang học Một hệ số phẩm chất hữu dụng khuếch đại quang học l hệ số tạp nhiễu tương đương mặt điện F, định nghĩa tỉ số SNR điện đầu vào khuếch đại nghĩa F ( S / N ) in ( S / N ) out (6.29) Các SNR tính tốn cách giả sử tín hiệu đầu vào tín hiệu đầu khuếch đại cộng ASE đ ược cho qua lọc quang học dải hẹp trước phát photodetector lý tưởng (nghĩa hiệu suất lượng tử 1) Trong trường hợp này, có số hạng nhiễu dòng quang điện cần tính tốn nhiễu hạt tín hiệu nhiễu phách tín hiệu - tự phát Nếu cơng suất tín hiệu đầu v khuếch đại Psig , SNR đầu vào tương đương mặt điện ( RPsig ) S     N  in 2eBe RPsig (6.30) SNR tương đương mặt điện đầu khuếch đại l (GRPsig ) S     N  out 2eBeGRPsig  4R GPsig  ASE Be (6.31) G độ lợi khuếch đại Lấy tỉ số (6.30) vào (6.31) ta 2 ASE  G h G  tần số tín hiệu Từ (2.24),  ASE biểu diễn F  ASE  nsp h (G  1) (6.32) (6.33) nsp hệ số phát xạ tự phát Nếu G>>1 hệ số tạp nhiễu trở thành F  2nsp (6.34) Giá trị cực tiểu có nsp  , hệ số tạp nhiễu khuếch đại quang học lý tưởng hai (nghĩa 3dB) Nếu khuếch đại có hiệu suất ghép đầu vào in , hệ số tạp nhiễu  2  F  in   ASE   G h G  (6.35) Hệ số tạp nhiễu khơng bị suy giảm má t ghép đầu khuếch đại Nếu khơng dùng kính phân cực, hệ số tạp nhiễu nhỏ 6dB số hạng thứ hai vế phải cơng thức (6.35) phải đ ược nhân đơi 6.3 CÁC KHỐI ĐỘ LỢI SOA TRONG CÁC MẠNG QUANG HỌC Chú ý phân tích tính chất ánh sáng khuếch đai phát hiện, vị trí khám phá ứng dụng SOA Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com khối độ lợi hệ thống truyền thơng quang học Những ứng dụng biểu diễn hình 6.4 post-amplifier khuếch đại tăng cường , khuếch đại đường dây tiền khuếch đại Đòi hỏi khuếch đại quang học cho ứng dụng nh liệt kê bảng 6.1 6.3.1 Bộ khuếch đại tăng cường Chức khuếch đại tăng c ường tăng tín hiệu đầu vào cơng suất tương đối cao trước truyền Các ứng dụng khuếch đại tăng cường liệt kê bảng 6.2 Sự tăng cường cơng suất laser truyền quang học làm cho xây dựng đường dây dài trung bình với khoảng cách truyền tăng Những đ ường dây đơn giản bao gồm sợi quang truyền v thu Bởi điều khơng liên quan đến thành phần tích cực đường truyền, độ tin cậy hiệu suất cải tiến Trong đường truyền dài, việc dùng khuếch đại tăng cường tăng lượng cơng suất đường truyền giảm số khuếch đại 10 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com khuếch đại xác định cơng suất đầu v tồn phần Điều chất đồng mơi tr ường độ lợi khuếch đại Một Po ,sat cao giảm nhiễu xun kênh Phổ độ lợi khuếch đại rộng cần cho khuếch đại kênh đa bước sóng Các cấu trúc SOA đ ược dùng để thực cơng suất đầu bão hòa cao mơ tả chương Một mơ đun SOA tăng cường điển hình biểu diễn hình 6.6[7] Mơ đun bao gồm chip SOA MQW ống dẫn sóng bị vuốt đ ược dán điều khiển nhiệt độ v ghép quang học với thấu kính Aspheric với cách li đầu ra, lấy mẫu chùm photodiode để điều khiển cơng suất đầu Sợi quang trì phân cực (PMF) sợi quang đơn mode tiêu chu ẩn dùng cho kết nối đầu đầu vào tương ứng Ví dụ việc sử dụng khuếch đại tăng c ường quang học để tăng khoảng cách đường truyền trung bình biểu diễn hình 6.7 [8] Trong phép thử hệ thống, truyền bao gồm laser DFB đ ược điều biến trực tiếp chuỗi bit giả ngẫu nhiên dài (PRBS) 231  10Gb/s Bước sóng phát laser 1310nm, tương ứng với vùng tán sắc vật liệu cực tiểu sợi quang đơn mode tiêu chuẩn Một module khuếch đại tăng cường quang học laser SOA dùng module thiết bị MQW với bốn giếng lượng tử kéo căng Độ lợi chirp l 21dB với cơng suất đầu bão hòa 3dB 20 dBm Để cực tiểu hóa ảnh hưởng phản xạ bên ngồi, cách ly quang học dùng hai phía SOA Các cách ly cho qua trạng thái phân cực đơn Bộ cách ly đầu chia đơi ASE từ khuếch đại Trong mơ đun, ánh sáng đầu v tập trung lên cách ly thấu kính aspheric đ ơn làm nảy sinh mát ghép nhỏ 2dB Mơ đun chứa làm lạnh nhiệt điện điện trở nhiệt để điều khiển nhiệt chip SOA Các thí 12 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com nghiệm dùng laser mơ đun tăng cường nói với thu photodiode p-in cho lượng cơng suất cực đại khoảng 26.8dB cơng suất đầu khuếch đại tăng cường trung bình 15.8dB Lượng cơng suất đủ để bắc cầu 70km sợi quang đơn mode Trong thí nghiệm thử này, người ta thấy lỗi độ nhạy thu khuếch đại tăng cường nhỏ 1dB cơng suất đầu tăng cường trung bình giữ thấp so với cơng suất bão hòa 1dB khoảng 15dBm Lượng cơng suất cực đại thu cơng suất đầu cao gần 1dB Sự méo dạng xung điển h ình bão hòa độ lợi động lực học cơng suất hoạt động n ày biểu diễn hình 6.7 Khi tiền khuếch đại quang học đ ược sử dụng trước thu nhận , lượng phân phối cơng suất tăng 39.4dB cho chiều dài khơng lặp lại tiềm 100km 10Gb/s 6.3.2 Bộ tiền khuếch đại Chức tiền khuếch đại quang học l tăng mức cơng suất tín hiệu đến trước nhận giải điều biến thơng thường Tăng mức cơng suất tăng đáng kể độ nhạy thu v tăng lượng cơng suất đường truyền Điều cho phép các đường truyền khơng lặp lại d ài xây dựng Các thu IMDD d ùng tiền khuếch đại quang học nhạy nhiều so với thu IMDD truyền thống dùng photodiode p-i-n APD So với APD , n khuếch đại quang học phân phối độ lợi lớn băng thơng rộng Khơng có lợi ích việc dùng tiền khuếch đại quang học thu kết hợp v ì tín hiệu dao động cục tăng đến mức mà hiệu suất giới hạn nhiễu hạt đạt tới Sơ đồ thu quang học số tiền khuếch đại biểu diễn hình 6.8 Bộ thu bao gồm tiền khuếch đại quang học với độ lợi đồng 13 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com G , lọc quang học băng thơng B0 , photodiode p-i-n với hiệu suất lượng tử  mạch gửi phát băng thơng điện Be mạch định Các lọc điện v quang phải có băng thơng rộng băng thơng tín hiệu điều biến để tránh méo tín hiệu Bộ lọc quang học giảm phát xạ tự phát đến detector dẫn đến giảm phụ thuộc ASE vào dòng nhiễu Nếu trạng thái phân cực tín hiệu ánh sáng đến biết, kính phân cực chèn vào tiền khuếch đại v detector Kính phân cực cho tín hiệu khuếch đại qua nh ưng loại bỏ ASE phân cực vng góc Điều cải tiến độ nhạy thu dB giới hạn nhiễu phách tín hiệu - tự phát Tuy nhiên trạng thái phân cực tín hiệu ánh sáng thường khơng biết Các mạch gửi-phát khuếch đại xử lý dòng quang điện từ detector Các loại xử lý gửi-phát điển hình “integrate and dump” thảo luận phần 6.11 Trong thu quang học khơng có tiền khuếch đại , dòng nhiễu quang điện chiếm ưu nhiễu mạch Nhiễu thường lớn đến hai bậc độ lớn so với giới hạn nhiễu hạt thu Trong thu quang học IMDD tiền khuếch đại với băng thơng quang học dải hẹp, dòng nhiễu quang điện chiếm ưu nhiễu phách tín hiệu tự phát Giả sử độ lợi khuếch đại G>>1, tỉ số tín hiệu nhiễu thu (6.31) Psig S     N  out 4nsp h Be (6.36) Những cải tiến điển hình SNR so với thu truyền thống lớn 10dB Dạng (6.36) rằng, giới hạn nhiễu phách tín hiệu tự phát, thu SNR khơng phụ thuộc v độ lợi khuếch đại băng thơng lọc quang học Cũng có suy hao đường truyền  L tiền khuếch đại detector Điều chủ yếu mát lọc quang học v hiệu suất ghép đến detector quang học Sự mát ghép n ày khơng dẫn đến suy hao hiệu suất thu miễn l tích G  Điều phù hợp tốt với thu truyền thống lỗi cơng suất với 14 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com mát ghép Phân tích chi tiết thu tiền khuếch đại quang học đề cập [9-12] LỖI CƠNG SUẤT DO TỈ SỐ TẮT QUANG XÁC ĐỊNH Trong hệ thống thực tế nguồn quang học diode laser th ường phân cực ngưỡng để đảm bảo hoạt động vận tốc cao v giảm chirp laser Điều có nghĩa số cơng suất quang học đ ược đưa vào khơng gian dòng bit quang học truyền, nghĩa tỉ số tắt quang học khơng vơ hạn Điều dẫn đến lỗi cơng suất thu Lỗi cơng suất trường hợp định nghĩa chênh lệch dB cơng suất tín hiệu cho BER giống tỉ số tắt quang xác định khơng xác định r Lỗi :  10log  ( r 1)   penalty    (( rr 1)1)(  10log  ( r 1)( r 1)   r 1)  (6.37) Lỗi vẽ hình 6.9 hàm số theo r Lỗi nhỏ 1dB cần r>10 dB trường hợp thu bị giới hạn nhiễu nhiệt r>20 dB trường hợp thu bị giới hạn nhiễu tín hiệu-tự phát Tuy nhiên nhạy thu sau cao trước Trong thu tiền khuếch đại quang học , suy hao tỉ số tắt quang học chủ yếu bão hòa độ lợi khuếch đại Minh họa thí nghiệm truyền dùng tiền khuếch đại quang học biểu diễn hình 6.10 [14] Thí nghiệm dùng sổ sợi quang 1300 nm để thu truyền tự gần tán sắc 10Gb/ s Hệ thống đòi hỏi lượng cơng suất lớn vùng 1550nm mát sợi quang tăng Laser truyền điều biến 10Gb/s biên dạng liệu 27  PSBS NRZ Dữ liệu có thời gian tăng giảm tương ứng 38ns 72ns với tỉ số tắt quang học 7.8dB Bộ thu quang học bao gồm khuếch đại đầu cuối quang học 50  khuếch đại điện dải rộng đ ược ghép xoay chiều Băng thơng điện khuếch đại 10.6GHz Nó tương ứng với độ nhạy 13.7dBm 10Gb/s BER 109 Để tăng cường độ nhạy thu, sơ đồ hai tiền khuếch đại ghép tầng SOA MQW 1310nm với lọc dải qua quang học đặt bước sóng tín hiệu trước nhận Độ lợi ghép tầng tồn phần hai khuếch đại l 26.8 dB với độ nhạy phân cực 3.4 dB Sự diện cách ly quang học hai khuếch đại cải tiến hiệu suất bão hòa độ lợi so với khuếch đại độ lợi Bộ cách ly thứ hai ngăn phản xạ từ lọc quang học ghép với SOA thứ hai D ùng lọc quang học băng thơng 0.2nm độ nhạy tốt thu -30dBm Các liên kết truyền gộp 89 km sợi quang đơn mode truyền thống với mát tồn phần 34dB bước sóng tán sắc khơng 1305nm Bước sóng tín hiệu 1314.8ns, làm nảy sinh lỗi thu nhỏ 0.3dB 15 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 6.3.3.Bộ khuếch đại đường dây tầng khuếch đại Trong hệ thống truyền thơng quang học hạn chế mát , khuếch đại đường dây dùng để bù mát sợi quang khắc phục nhu cầu tái tạo quang học Ưu điểm SOA đ ường dây : suốt với tốc độ liệu hình thức điều biến (trong chế độ khơng bão hồ tốc độ bit cao ), tính hai chiều, khả WDM , chế độ hoạt động đơn giản, tiêu tốn cơng suất thấp rắn Hai ưu điểm sau đặc biệt quan trọng thành phần quang học đặt từ xa 16 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com Hệ số tạp nhiễu tầng khuếch đại Hệ số phẩm chất tốt cho tầng kh uếch đại quang học hệ số tạp nhiễu tồn phần Ftot đầu khuếch đại cuối c ùng đường truyền Để tính Ftot , xét tầng khuếch đại hình 6.11, bao gồm k khuếch đại với độ lợi Gi (kể mát ghép) số nhiễu Fi (i  k ) tách đường truyền sợi quang với độ mát Li Hơn nữa, giả sử lọc dải hẹp tập trung bước sóng tín hiệu đưa vào đầu khuếch đại v ì hệ thống hoạt động giới hạn nhiễu 17 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com phách tín hiệu-tự phát Phụ thuộc vào chiều dài đường truyền cuối cùng, SNR thực thu nhiễu phách tín hiệu-tự phát nhiễu mạch thu bị giới hạn Mỗi khuếch đại giả sử hoạt động chế độ khơng bão hòa Hệ số tạp nhiễu tồn phần sau khuếch đại thứ k l Ftot   ( S / N ) in ( S / N ) out F F1 F2    k k L1 L1G1 L2     Li Gi  Lk  i 1  (6.38) ( S / N ) in ( S / N ) out tương ứng SNR đầu vào đầu tầng khuếch đại Nếu xét tr ường hợp Li =1, nghĩa khuếch đại tổng hợp độ lợi tín hiệu to àn phần Gtot  kG , tạo chuỗi khuếch đại nhỏ với độ lợi G bị chia tách lọc quang học dải hẹp, Ftot  F1  F F2   kk G G (6.39) Biểu thức khuếch đại độ lợi cao , nhiễu thấp tạo cách kết hợp khuếch đại tầng đầu ti ên nhiễu thấp sau khuếch đại cơng suất đầu b ão hòa cao Kĩ thuật đặc biệt hữu dụng xây dựng tiền khuếch đại quang học nhiễu thấp thí nghiệm truyền cách ly hai SOA hoạt động để cải tiến hệ số tạp nhiễu khuếch đại tăng cơng suất đầu bão hòa khuếch đại thứ hai Nếu tiếp tục xét trường hợp chức khuếch đại tầng để bù cho mát sợi quang phía trước, nghĩa Gi Li  , từ (6.38) hệ số tạp nhiễu tồn phần tầng k Ftot   Gi Fi (6.40) i 1 Nếu tất Gi Li Ftot  kGF (6.41) 18 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com Điều có nghĩa khuếch đại đóng góp ngang v hệ số tạp nhiễu tồn phần hệ thống Nếu biết SNR cho phép thu th ì số khuếch đại ghép tầng cực đại kmax xác định Khoảng cách truyền khơng lặp lại cực đại kmax l l khoảng cách khuếch đại liên tiếp Để tối đa hóa khoảng cách truyền cần phải có khuếch đại cơng suất đầu bão hòa cao, nhiễu thấp Trong đường truyền khơng có khuếch đại đường dây, SNR hàm theo khoảng cách z từ truyền [16], SNR ( z )  Ps2e 2 fz  4kTFe Be   fz  2eBe Ps e   RL   (6.42) Trong (6.42) giả sử detector có hiệu suất lượng tử Số hạng thứ thứ hai mẫu (6.42) tương ứng nhiễu hạt tín hiệu nhiễu nhiệt thu Fe hệ số tạp nhiễu thu, Be băng thơng điện, RL trở kháng tải photodetector  f hệ số mát sợi quang H ình 6.12 biểu diễn SNR đường truyền khuếch đại quang học thực tế nh hàm theo khoảng cách so với đường truyền khơng khuếch đại SNR đường truyền khuếch đại quang học giảm chậm theo khoảng cách, ng ược lại SNR đường truyền khơng khuếch đại giảm nhanh Trong tr ường hợp này, khoảng cách cực đại đ ược chuyển tải đường truyền khơng khuếch đại cho BER thu nhỏ h ơn 109 liệu NRZ 145km Đối với đường truyền khuếch đại, SNR hệ số tính đến, khoảng cách truyền tồn phần khơng xác định Trong thực tế, hệ số khác chẳng hạn bão hòa khuếch đại ASE, tán sắc sợi quang (đặc biệt tán sắc ), hiệu ứng phân cực phi tuyến sợi quang giới hạn khoảng cách có tái sinh SỰ BÃO HỊA NHIỄU TRONG MỘT CHUỖI KHUẾCH ĐẠI Ở khía cạnh thiết kế, điều đáng quan tâm chuỗi khuếch đại bão hòa độ lợi tích lũy nhiễu khuếch đại Sự b ão hòa khuếch đại gây đóng kín đồ thị mắt hệ thống dẫn đến tăng BER Chúng ta xét chuỗi khuếch đại 6.11 với k khuếch đ ại giống với độ lợi G cách chiều dài mát sợi quang L, GL=1 Thêm vào đó, người ta giả sử lọc quang học đ ược đưa vào đầu khuếch đại Các lọc đ ược giả sử có đáp ứng chữ nhật lý tưởng đặt bước sóng tín hiệu Cơng suất nhiễu đầu to àn phần từ khuếch đại thứ k  G  N k  2knsp hout  1 B0  inout  (6.43) 19 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com in out tương ứng hệ số mát ghép đầu v đầu Một cơng thức tương tự áp dụng cho nhiễu truyền theo h ướng ngược lại Nhiễu truyền phía sau triệt tiêu dùng cách ly Tuy nhiên dùng cách ly khơng cho phép truyền theo hai h ướng loại trừ việc dùng kĩ thuật phát lỗi chẳng hạn phép đo phản xạ miền thời gian quang học Nhiễu giảm đáng kể cách d ùng lọc quang học dải hẹp Tuy nhiên, băng thơng lọc q hẹp , băng thơng quang học hệ thống bị giới hạn v ì ngăn cản tăng cường sức chứa dùng cơng nghệ WDM Để tránh suy hao nghiêm trọng hiệu suất hệ thống, c ơng suất nhiễu đầu tồn phần từ khuếch đại chuỗi phải nhỏ h ơn cơng suất đầu bão hòa khuếch đại Po.sat Vì thế, số khuếch đại cực đại ghép đường truyền từ việc xem xét b ão hòa độ lợi là: kmax  Po , sat  G  2nsp hout  1  B  inout  (6.44) Như ví dụ, xét tầng SOA hoạt động v ùng 1550nm với tham số sau : độ lợi sợi –sợi 25dB, mát ghép đầu vào đầu 3dB cơng suất đầu bão hòa 5dBm Nếu lọc 20 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com quang học dải qua băng thơng 10nm đ ược dùng đầu khuếch đại giả sử bão hòa tín hiệu truyền bỏ qua, dùng (6.44) số khuếch đại ghép tầng cực đại 15 Ảnh hưởng xác nhiễu SOA hiệu suất hệ thống phụ thuộc vào tham số khác chẳng hạn tỉ số tắt quang học, chirp, dạng điều biến, tốc độ bit v thiết kế thu Một thí nghiệm truyền dẫn đ ơn kênh minh họa việc dùng SOA đường dây biểu diễn hình 6.13 [17] Bộ truyền bao gồm laser DFB 1309nm điều biến trực tiếp với tái sinh tần số 10GHz để tạo chuỗi xung với độ rộng to àn phần nửa cực đại 40ps Tại 1309nm, tán sắc sợi quang nhỏ khoảng cách truyền cực đại chủ yếu bị giới hạn suy giảm sợi quang Đầu laser đ ược kết nối với điều biến LiNiO Đầu vào điện điều biến 231  PRBS tạo dòng liệu quang học RZ với tỉ số tắt l 13dB SOA MQW tăng cường dùng để tăng cơng suất truyền trung bình từ đến 2dBm Chiều dài truyền 420km với 12 SOA MQW đường dây, dùng để bù cho mát sợi quang đặt cách 38km Các cách ly khơng phụ thuộc phân cực dùng đầu khuếch đại Các lọc dải qua quang học khơng dùng dọc theo đường truyền sợi quang Tại thu, tín hiệu khuếch đại tiền khuếch đại quang học , giống với khuếch đại đường dây lọc lọc quang học dải qua 1nm Sau tín hiệu phát photodiode PIN đ ược theo sau xung đồng hồ điện mạch phục hồi liệu Bộ tiền khuếch đại quang học v lọc tăng độ nhạy thu từ -14dBm tới -31dBm Lỗi thu sau 420km 5dB Trong thí nghiệm này, giới hạn khoảng cách truyền tích lũy ASE băng thơng lọc quang học 21 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com SỰ TRUYỀN WDM Sự truyền WDM dùng để tăng sức chứa đ ường truyền sợi quang học Vì SOA có băng thơng độ lợi rộng, chúng tận dụng để khuếch đại nhiều bước sóng Để tránh bão hòa độ lợi khuếch đại, cơng suất tín hiệu đầu vào phải nhỏ cơng suất đầu vào bão hòa Pi , sat , nghĩa N P k 1 k ,in  Pi , sat (6.45) N số bước sóng truyền Pk ,in cơng suất tín hiệu đầu vào khuếch đại bước sóng k Ví dụ thí nghiệm truyền WDM đ ược biểu diễn hình (6.14)[18] Bộ truyền bao gồm laser buồng cộng h ưởng ngồi kết hợp với qua ghép 8:1 Các b ước sóng nằm khoảng 1558nm đến 1570nm với khoảng cách k ênh 200 GHz Các kênh điều biến ngồi 20Gbit/s PRBS 213  cho qua sợi quang đơn mode dài 2km để tạo dạng bit độc lập Ba SOA tăng cường (thiết bị vùng hoạt tính InGaAsP bị kéo căng dạng khối với cơng suất đầu bão hòa 12dBm) dùng để bù cho mát ghép mát điều biến Các liên kết truyền bao gồm bốn đường truyền sợi quang đơn mode 40km khuếch đại bao gồm sợi quang b ù tán sắc Mất mát bắc cầu (span loss) 13dB Đỉnh độ lợi khuếch đại đường 22 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com dây 1530nm Độ lợi có sẵn 12 đến 14dB từ khuếch đại thích hợp để bù cho mát đường truyền Bộ thu bao gồm hai tiền khuếch đại SOA chúng tín hiệu phân kênh đến 10Gbit/s điều biến LiNiO3 Dữ liệu phân kênh sau phát diode p-i-n Dùng chỉnh tăng, SNR quang học 24dB (trong băng thơng phân giải 0.1nm) thu cho tất kênh Tất kênh có thừa số phát Q nằm khoảng 17 đến 18dB t ương ứng với BER < 3.10 13 Hình 6.15 biểu diễn phụ thuộc thừa số Q v cơng suất phóng tồn phần (total launched power) SNR bị suy hao cơng suất phóng (launched power) thấp ASE cơng suất phóng cao ISI nhiễu xun kênh tự điều biến độ lợi (hiệu ứng vân kênh) nhiễu xun kênh SỰ GIẢM NHIỄU XUN KÊNH Nhiễu xun kênh tránh cách cho SOA hoạt động vùng tín hiệu nhỏ Tuy nhiên, khuếch đại cần hoạt động chế độ bão hòa để đạt hiệu suất cơng suất đầu cao Các kĩ thuật khác nghiên cứu để giảm nhiễu xun kênh[19-23] Mục tiêu phương pháp cực tiểu hóa thay đổi mật độ hạt tải điện khuếch đại Các SOA kẹp chặt độ lợi (ch ương ) dùng cho mục đích [19-20] 23 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com Trong [21], kĩ thuật ghép kênh phân cực dùng để giảm nhiễu xun kênh WDM SOA Trong phương pháp , biểu diễn hình 6.16(a), hai nguồn laser tách thành hai dòng sau điều biến tín hiệu liệu phần bổ sung Sự phân cực tín hiệu điều chỉnh để vng góc với nha u Rồi sau tín hiệu ghép kênh với trì hỗn thích hợp cho tổng vectơ hai dòng có giá trị khơng đổi khuếch đại Tại cuối thu, dòng phân cực riêng tách kênh cơng suất trạng thái đ ược tối ưu hóa để phát phục hồi liệu Kĩ thuật dẫn đến cải tiến lớn hiệu suất hệ thống biểu diễn sơ đồ mắt hình 6.16(b) Một kĩ thuật khác dùng để giảm nhiễu xun kênh hồi tiếp phía trước Trong phương pháp này, mật độ hạt tải điện SOA giữ giá trị khơng đổi cách điều khiển thiết bị với d òng phân cực khơng đổi tín hiệu tỉ lệ với tổng trì hỗn tổng có trọng số dòng điều khiển điện diode laser nguồn tín hiệu Những kĩ thuật tr ên tương đối phức tạp khơng mang lại nhiều lợi ích Trong [23], truyền 32 kênh DWDM qua ba SOA đư ờng dây đạt mà khơng đòi hỏi điều khiển độ lợi cục Điều thực ba yếu tố : (a) Tối ưu hóa độ nhạy thu điều chỉnh ng ưỡng phát thu (b) Những dao động cơng suất đầu v tồn phần khuếch đại giảm số kênh bước sóng truyền tăng Điều dòng liệu mang kênh khơng tương quan, mật độ hạt tải điện khuếch đại phụ thuộc vào thay đổi cơng suất tín hiệu 24 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com đầu vào tồn phần cách chậm chạp (c) M ột kênh chứa ngồi (khơng điều biến) truyền với kênh điều biến để triệt tiêu hiệu ứng biến động cơng suất 6.3.4 Các SOA truyền tương tự Nói chung, hệ thống truyền tương tự có ràng buộc chặt chẽ nhiều so với hệ thống số, điều đ ã giới hạn ứng dụng SOA mạng [24] Như trường hợp truyền số, hiệu ứng suy hao chẳng hạn : méo tín hiệu méo lần điều chế giảm cách cho SOA hoạt động chế độ khơng b ão hòa [25], sử dụng thiết bị kẹp chặt độ lợi [26] kĩ thuật điều khiển độ lợi thảo luận 25 Bộ khuếch đại quang bán dẫn; Thắc mắc xin li ên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 26