MỞ RỘNG PHỔ TĂNG ÍCH CỦA EDFA KHI KẾT HỢP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG ThS. CHU CÔNG CẨN Bộ môn Kỹ thuật thông tin Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Thông tin quang đã dần trở thành phương tiện truyền dẫn chủ đạo trên mạng viễn thông của các quốc gia và xuyên quốc gia. Ngày nay, các hệ thống thông tin sợi quang đã truyền tải trên 85% nhu cầu dung lượng thông tin mà con người tạo ra. Mục tiêu nâng cao năng lực của thông tin quang đã thúc đẩy việc nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều công nghệ và kỹ thuật mới. Trong các công nghệ đó, thì công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng và công nghệ khuếch đại quang sợi được quan tâm nhất. Tuy nhiên khi kết hợp hai công nghệ này vào hệ thống thông tin sợi quang đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật để đáp ứng yêu cầu của hệ thống thông tin sợi quang. Bên cạnh vấn đề kỹ thuật cần giải quyết về sự khuếch đại không đồng đều giữa các kênh quang thì vấn đề mở rộng phổ của EDFA là hết sức quan trọng khi áp dụng đồng thời hai công nghệ trên vào các hệ thống thông tin quang. Summary: The optical communication has become a main transmitting mean in the national and international telecommunication network. Nowadays, the optical communication systems have transmitted over 85% of the total created information capacity. The target for improving on capacity of optical communication system has strengthened the studies and applications of new technologies and engineering. Of which, the technology for combining the optical wave-length division multiplexing and Erbium Doped Fiber Amplifier are the most interested ones. However, it is required to solve some technical issues to satisfy the requirements of the system when combining two technologies into optical communication system. Besides, the technical issues requiring for solving is the uneven amplification between the optical channels, the problem for the expanding the gain spectrum of EDFA is very important when applying both technologies into the optical communication system. CT 2 I. GIỚI THIỆU Dựa trên đặc tính truyền dẫn của công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) và khuếch đại quang sợi Erbium (EDFA) ta thấy khi kết hợp sử dụng hai công nghệ này là nhằm nâng cao năng lực truyền dẫn của các hệ thống thông tin quang điều chế cường độ và tách trực tiếp (IM-DD). Về mặt kỹ thuật, khi ứng dụng kết hợp hai công nghệ này tất yếu nảy sinh các vấn đề khắc phục. Các vấn đề đó là: - Phổ tăng ích của EDFA không đồng đều giữa các kênh. - Mở rộng băng tần của EDFA để đáp ứng nhu cầu về số lượng kênh quang ngày càng gia tăng. - Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tăng dẫn tới tăng xuyên âm giữa các kênh… Việc tìm kiếm các giải pháp để tối ưu cho các vấn đề trên cũng tức là tìm các giải pháp để nâng cao năng lực của hệ thống. CT 2 Mở rộng phổ tăng ích cho các bộ khuếch đại EDFA có ba giải pháp như sau: - Mở rộng phổ tăng ích của EDFA bằng tán xạ Raman SRS. - Mở rộng băng tần bằng bộ khuếch đại hai tầng với băng C và băng L. - Mở rộng phổ tăng ích của EDFA bằng cách sử dụng vật liệu Tellurite cho sợi EDF. II. MỞ RỘNG PHỔ TĂNG ÍCH CỦA EDFA BẰNG TÁN XẠ SRS Khi bơm (bước sóng kích thích cho EDFA) và truyền ánh sáng tín hiệu trên đường truyền đồng thời thì tán xạ Raman được kích thích (SRS) xảy ra. Tán xạ SRS này khuếch đại tín hiệu đầu vào cũng giống cách mà phát xạ kích thích của nguyên tử Erbium khuếch đại tín hiệu trong EDFA. Tăng ích Raman là do bước sóng bơm được tán xạ và dịch dần tới bước sóng của tín hiệu trong EDFA. Với sợi silica làm việc trong băng tần 1550 nm thì đỉnh của tăng ích Raman được dịch tần khoảng 13 THz so với tần số bơm (dài hơn khoảng 100 nm). Điều này có nghĩa là ta có thể sử dụng phổ tăng ích Raman để mở rộng phổ tăng ích cho bộ khuếch đại EDFA ra băng L với cùng một nguồn bơm 1480 nm. Các bộ khuếch đại EDFA kết hợp với tán xạ Raman là giải pháp mở rộng phổ tăng ích có thể tạo ra dải tần lớn nhất trong ba phương pháp được bàn đến trong bài báo này. Tuy nhiên nó còn gặp phải một số vấn đề khó khăn do mức nhiễu của bộ khuếch đại còn tương đối lớn và việc khắc phục nhiễu còn đang được nghiên cứu thêm. Quan hệ tăng ích Raman của tín hiệu (có sóng stoke cấp 1) và bước sóng bơm được thể hiện bằng các phương trình sau: () p1sr s p pp p PPP v v P dz dP +γ+α= (1) psrps s PPP dz dP γ+α−= (2) p1r11 1 PPP dz dP γ−α−= s P p P 1 P (3) Trong đó: , : Công suất tín hiệu và công suất bơm : Công suất stoke thứ nhất α , : Suy hao và tần số v 2 rr g πω=γ ích Raman. ích Raman với nguồn bơm 1480 nm công : Hệ số phát xạ; g r : Tăng Hình 1. Tăng Vấn đề cơ bản ở đây là tính toán mức suất bơm để sao cho tăng ích của tán xạ Raman cân bằng với tăng ích của bộ khuếch đại EDFA. Bằng việc giải các phương trình CT 2 g SRS III. MỞ RỘNG BĂNG TẦN BẰNG BỘ c tế các sợi EDF có thuộc tính khuế nm để thấy rõ được điều đó: ước sóng băng L của C 3-4 c bộ khuếch đại L – ử dụng đồng thời hai b (1), (2), (3) ta có thể tính được điều đó. Băng tần của tán xạ Raman với nguồn bơm 1480nm được thể hiện trên hình 1. Từ phổ tăng ích Raman này thì ta thấy việc mở rộng phổ tăng ích có thể đạt được từ 1560 nm tới 1625 nm. Phổ tăng ích của EDFA được mở rộng bằng tán xạ Raman có dạng như trong hình 2 . Hình 2. Phổ tăng ích của EDFA được mở rộng bằn KHUẾCH ĐẠI HAI TẦNG VỚI BĂNG TẦN C VÀ BĂNG L Trên thự ch đại vượt quá băng thông thường (1530 – 1565 nm) của EDFA. Thành phần tăng ích này đã bị bỏ qua mặc dù nó vẫn còn đủ mạnh để khuếch đại. Lý do là hiệu quả khuếch đại của nó ở vùng sóng dài thấp. Hệ số tăng ích của nó nhỏ hơn hệ số khuếch đại trong băng C tới gần chục lần. Cho nên lúc đầu khi vấn đề mở rộng băng tần của EDFA chưa trở nên bức thiết thì việc loại bỏ thành phần này là đương nhiên. Khi các hệ thống WDM đã được sử dụng phổ biến với các bộ khuếch đại EDFA thì vấn đề mở rộng băng tần cho các bộ khuếch đại EDFA mới được đặt ra để nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống. Như vậy, thành phần phổ tương đối bằng phẳng của băng L (1570 – 1610 nm) đã được chú trọng và phát triển. Hình biểu diễn hệ số tăng ích của EDFA trong dải tần từ 1440 – 1660 Hình 3. Phổ của hệ số tăng ích của EDFA Mặc dù tăng ích của b các EDFA là hơi nhỏ (nhỏ hơn ở băng lần), nhưng bằng cách tích luỹ tăng ích nhỏ dọc theo chiều dài sợi với công suất bơm lớn và chiều dài sợi là dài thì có thể nâng tăng ích này lên đến mức của các bộ khuếch đại EDFA thông thường (25-30 dB). Kết quả là chiều dài của sợi EDF của bộ khuếch đại EDFA băng L kiểu này gấp tới mười lần các bộ khuếch đại EDFA băng C. Để giảm tới mức tối thiểu ảnh hưởng tăng ích lớn của băng C thì cá band EDFA cần phải hoạt động ở mức chuyển đổi trung bình của các điện tử. Hình 3 cho thấy sự phụ thuộc của hệ số tăng ích vào mức độ chuyển đổi điện tử của EDFA. Ở mức chuyển đổi trung bình tăng ích của băng C là xấp xỉ bằng không, lý do là vì hệ số suy hao của sợi EDF ở băng C lớn. Việc phát triển các bộ khuếch đại EDFA băng L là đi đôi với việc s ăng (C và L) trong các hệ thống thông tin quang WDM. Bởi vì nếu chỉ sử dụng riêng các bộ khuếch đại băng L thì chỉ có thể được độ rộng phổ khuếch đại là 38 nm (từ 1568 nm tới 1606 nm) trong khi đó phổ khuếch đại của băng C hiệu quả hơn cũng đạt được 35 nm. Có ba cấu hình sử dụng hai bộ khuếch đại CT 2 g, cấu h ở hình Đối với cấu hình đường đơn: Trong cấu hình này thì các kênh đều được khuếch đại ở Đối với cấu hình đường kép: Hình 6 thể hiện cấu hình đường kép của bộ khuếch đại nh này kỹ t hiễu tốt (khoảng 5-6 dB) còn cấu hình s u lớn hơn Tăng trên 2 EDFA băng L và băng C là cấu hình song son ình đường đơn và cấu hình đường kép. Đối với cấu hình song song: Một ví dụ cụ thể của cấu hình song song được minh hoạ 4. Trong cấu hình song song thì các bộ tách ghép lựa chọn bước sóng (WSC) sẽ tách các kênh của hai băng ra. Các kênh của băng C sẽ được đưa tới sợi EDF ngắn với cấu hình bơm thuận để khuếch đại. Còn các kênh bước sóng dài sẽ được đưa tới các sợi EDF dài để khuếch đại. Sau khi được khuếch đại các kênh ghép lại để đưa ra sợi quang. sợi (ngắn) thứ nhất sau đó các kênh băng C được nối ra sợi quang còn các kênh băng L lại được khuếch đại tại sợi thứ hai (sợi dài) rồi mới được nối ra sợi quang như hình 5. hai băng (băng L và băng C). Cấu hì huật phản xạ và mạch nối vòng để với cùng một sợi EDF tín hiệu có thể được khuếch đại hai lần. hình đường kép và đường đơn là có mức n Hình 6. Cấu hình đường kép Trong các cấu hình trên thì cấu hoạt động tương tự cấu hình đơn chỉ khác là sợi thứ hai được rút ngắn lại do việc sử dụng ong song thì có mức nhiễ (khoảng 7-9 dB). Do cấu hình kép có tổng chiều dài sợi EDF là ngắn nhất nên sử dụng cấu hình kép là hiệu quả nhất. Băng tần khuếch đại và mức nhiễu của bộ khuếch đại EDFA cấu hình đường kép được thể hiện như hình 7. ích của cấu hình đường kép có thể đạt 4 dB và mức nhiễu là khoảng 5-6 dB. Phổ của bộ khuếch đại này bị gián đoạn tại vùng bước sóng 1560 nm đến 1570 nm do ở vùng này cả hai phần khuếch đại băng C và băng L đều có hệ số khuếch đại thấp cho nên nó bị bỏ qua. Hình 4. Cấu hình song song Hình 5. Cấu hình đường đơn Hình 7. Phổ khuếch đại và mức nhiễu của EDFA hai băng CT 2 IV. M TELLURITE Trong những năm gần đây, một vật liệu ó là Tellurite. Các sợi EDF làm từ T của EDTFA và EDSFA n a sợi ED Trong các s ược điểm m lại v Ở RỘNG BĂNG TẦN EDFA BẰNG SỢI chế tạo sợi thuỷ tinh mới đang rất được quan tâm, vật liệu đ ellurite có độ khuếch đại tại băng L lớn hơn Silicate đồng thời phổ tăng ích của nó có thể được mở rộng hơn rất nhiều. Độ khuếch đại (tính theo tăng ích trên một mét sợi EDF) của EDTFA (bộ khuếch đại EDFA sử dụng sợi Tellurite) trong băng L là 2.5 (dB/m) lớn hơn của bộ khuếch đại EDSFA (bộ khuếch đại EDFA sử dụng sợi Silica) băng L (0.5 dB/m) khoảng 5 lần. Phổ khuếch đại trong băng L có thể thực hiện từ 1560 nm tới 1610 nm (hình 8), trong khi đó với bộ khuếch đại EDSFA băng L là từ 1568 nm đến 1606 nm. Độ khuếch đại của các sợi EDTF lớn hơ các sợi EDSF là do hai lý do sau: cấu trúc củ Hình 8. Phổ khuếch đại và mức nhiễu TF và chỉ số khúc xạ của sợi EDTF. ợi thuỷ tinh thì các nh về cấu trúc nội tại (thuỷ tinh có cấu trúc vô định hình) có thể dẫn đến hiệu quả của việc pha trộn Erbium bị ảnh hưởng do sự kết cụ ới nhau của các Erbium sẽ làm giảm tính năng của sợi EDF. Tức là các Erbium được dồn lại các khoảng hổng trong cấu trúc của sợi thủy tinh. Sự tập trung các Erbium tại các khuyết điểm cấu trúc của sợi thủy tinh tạo ra các liên kết Erbium- Erbium dẫn đến đặc tính phát quang của Erbium giảm. Các sợi thủy tinh làm từ Tellurite có mật độ phân tử lớn hơn của Silicate hai lần, tức là các khuyết điểm nội tại của nó cũng giảm đi hơn hai lần. Điều này có nghĩa là hiệu quả phát xạ kích thích của Erbium trong cấu trúc của Tellurite cũng lớn hơn lên hai lần so với trong cấu trúc của Silicate. Hình 9. Phổ của hệ số phát xạ kích thích của các sợi thủy tinh Chỉ số khúc xạ của sợi Tellurite (2 đến 2,2) lớn hơn của sợi Silicate (1,48). Mặt EDF lại tỉ lệ chỉ số khúc xạ) GSA) và hấp thụ của trạng thái khác, hệ số phát xạ kích thích của sợi với (n 2 + 2) 2 /9n (n là cho nên hệ số phát xạ kích thích của Tellurite cao hơn của Silicate. Thực tế đo được với các bước sóng dài thì chỉ số này của Tellurite là gấp hai lần của Silicate. Hình 9 thể hiện phổ của hệ số phát xạ kích thích của các loại sợi thủy tinh. Sự suy giảm tăng ích tín hiệu và tăng mức nhiễu ở các bước sóng ngắn và dài của các bộ khuếch đại băng L là do hấp thụ của trạng thái cơ bản ( kích thích (ESA) của các Ion Erbium. Sự suy giảm do các hấp thụ này khác nhau ở các sợi thuỷ tinh khác nhau và đây là nguyên nhân chính dẫn đến phổ tăng ích của EDTFA rộng hơn của EDSFA. Do vậy, việc sử dụng các bộ khuếch đại EDTFA là một hướng đi rất triển vọng khi áp dụng để tạo ra các bộ khuếch đại quang băng rộng. V. KẾT LUẬN Do nhu cầu ngày càng gia tăng về dung lượng truyền dẫn CT 2 của các dịch vụ, cho nên WDM càng trở nên hấp dẫn. Các hệ thống ng được các nhu cầu về dung lượn munication Networks - Biswanath Mukherjee. (McGraw- 1997) [2]. Optical Networks: A Practical Perspective - works - ll L. Scheiner. (Prentice - Ivan B. Djordjevic (may 2001, umber 3,2002)♦ WDM sẽ đáp ứ g hiện nay. Tuy nhiên, nếu sử dụng các bộ khuếch đại EDFA thông thường vào hệ thống WDM thì số lượng kênh của WDM lại bị hạn chế, do vậy nhu cầu cần có các bộ khuếch đại quang EDFA có băng tần rộng hơn được đặt ra để có thể lợi dụng các ưu thế của hai công nghệ này. Tài liệu tham khảo [1]. Optical Com Hill-San Francisco Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan. (Academic Press 2002). [3]. Routing in Communications Net Martha.Steenstrup. (Prentice Hall , America 1998). [4]. Fiber-Optic Communications Technology - Djafa K. Mybaev, Lowe Hall , 2001) [5]. Optimization of channel spacing in WDM Transmission systems with dispertion compensated links in the presence of fiber nonlinearities Journal of Lightwave Technology) [6]. Broad-band Erbium doped fiber amplifier with double-pass configuration (IEEE Photonic.Tecnology.letters volume 13, number 12, december, 2001) [7]. Modeling high concentrasent L-band EDFA at high optical powers based on invertion funtion (IEEE journal of selected optics in quantum electronic vol 8, n . MỞ RỘNG PHỔ TĂNG ÍCH CỦA EDFA KHI KẾT HỢP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG ThS. CHU CÔNG CẨN Bộ môn Kỹ thuật thông tin Khoa. nghệ và kỹ thuật mới. Trong các công nghệ đó, thì công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng và công nghệ khuếch đại quang sợi được quan tâm nhất. Tuy nhiên khi kết hợp hai công nghệ này vào hệ. C và băng L. - Mở rộng phổ tăng ích của EDFA bằng cách sử dụng vật liệu Tellurite cho sợi EDF. II. MỞ RỘNG PHỔ TĂNG ÍCH CỦA EDFA BẰNG TÁN XẠ SRS Khi bơm (bước sóng kích thích cho EDFA) và