1 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA LỜI NÓI ĐẦU Đối với hầu hết các tuyến thông tin quang truyền thống, khi cự ly truyền dẫn dài tới một mức nào đó mà suy hao vượt quá công suất dự phòng, mức phân bổ suy hao không đủ để thỏa mãn yêu cầu phía thu, cần phải sử dụng các trạm lặp. Các trạm lặp này có nhiệm vụ khuếch đại quang trên đường truyền. Đây là quá trình biến đổi tín hiệu quang rất yếu tại đầu vào của bộ lặp thành tín hiệu điện, khuếch đại lên, chỉnh lại thời gian, dạng tín hiệu đó sau biến đổi lại thành tín hiệu quang, lúc này đã được khuếch lên nhiều lần, tại đầu ra và phát vào đường truyền. Thời gian gần đây cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực, người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại quang trực tiếp gọi là kỹ thuật khuếch đại quang. Điều đó có nghĩa là không phải thực hiện quá trình biến đổi quang - điện - quang phức tạp. Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được các hạn chế của lặp về băng tần, nhiễu điện, mức xuyên âm, phổ khuếch đại vv . Việc sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sẽ làm tăng cự ly truyền dẫn của các hệ thống thông tin sợi quang, đặc biệt là các tuyến cáp quang biển, từ đó sẽ phát triển một hệ thống thông tin quang toàn cầu. Để khuếch đại quang, người ta đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều loại bộ khuếch đại quang khác nhau được chia thành 2 loại chính: Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconduction Amplifier) và khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier). Trong các loại OFA, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 2 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA 1. TỔNG QUAN KHUẾCH ĐẠI QUANG 1.1. Các đặc điểm của các chủng loại khuếch đại quang Loại thiết bị Khuếch đại laser FP-LD Khuếch đại quang sợi Khuếch đại Raman Khuếch đại Brillouin Khuếch đại Laser TW-LD Nguyên lý Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Tán xạ Raman được kích thích Tán xạ Brillouin được kích thích Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Công suất bãohòa lối ra(dBm) 8 11 20 - 9 Băng tần khuếch đại (1-3)Ghz (0,5-4)Thz 1Thz 50 Mhz >5 Thz Mức tạp âm (6-9) dB (3-5) dB - - 5,2 dB Suy hao ghép vào sợi lớn nhỏ nhỏ nhỏ lớn Phân cực tín hiệu TE-mode độc lập Tín hiệu/bơm Tín hiệu/bơm TE-mode Hệ số khuếch đại (25-30)dB (40-50)dB ~50dB ~30dB (20-30)dB Dòng/công suất bơm 10mA 20-100mW ~vài W ~vài W ~100mW 1.2. Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi - pha tạp Các chất kích tạp và các chất nhạy cảm dùng để pha tạp sợi dẫn quang với các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa ion đất hiếm. Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 3 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành để trở thành các bộ khuếch đại theo hình 1. a) b) Hình 1: Cơ chế bức xạ ba mức a) và bốn mức b) Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E 1 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 E 2 , từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ và phát ra photon. Hoặc nếu như có mức năng lượng thấp hơn E 3 nó sẽ thả không bức xạ tới mức đó, từ đây điện tử có thể phân rã xuống mức năng lượng E 1 (hình 1 a) hay E 4 (hình 1 b) 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. Nếu thời gian sống của mức E 3 đủ dài để điện tử được nguồn bơm kích thích thì có thể xảy ra sự nghịch đảo độ tích lũy. Đây là điều kiện để có số điện tử trên mức siêu bền E 3 nhiều hơn mức tới (E 1 hay E 4 ). Một photon có mức năng lượng tương đương với sự chênh lệch giữa mức E 3 và E 1 (đối với 3 mức) hay giữa E 3 và E 4 (đối với 4 mức) thì nó sẽ kích thích các điện tử ở mức E 3 rơi xuống mức E 1 hay E 4 và phát thêm một photon, Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 Phân rã Phân rã Phân rã E 2 E 3 E 1 E 1 E 4 E 3 E 2 λ bơm λ bơm 4 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA photon này cùng pha và hướng với photon tới (hiện tượng này gọi là bức xạ kích xạ kích thích của các photon). Bức xạ làm xuất hiện thêm các photon cùng pha và cùng hướng với các photon tới, điều này có nghĩa là ánh sáng đã được khuếch đại. Trong hình 1 còn lưu ý rằng ở điều kiện không kích thích, hầu hết các điện tử ở trạng thái cơ bản E 1 , vì thế nên thông thường thì giá trị ngưỡng ở các laser bốn mức thấp hơn so với 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 Nd 3+ có dải bức xạ 1,06µm và 1,32µm; Er 3+ có dải bức xạ 1,55µm và 2,7µm. Ngoài ra còn có Ho 3+ bức xạ ở 2,08µm và Tm 3+ cho bức xạ ở 2,3µm. Hiện nay sử dụng rộng rãi là bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA) do có nhiều ưu điểm như tăng ích đưa ra cao, băng tần rộng, tạp âm thấp và phù hợp với bước sóng suy hao có sẵn trong sợi quang. 2. BỘ KHUẾCH ĐẠI EDFA 2.1. Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA Cấu trúc tiêu biểu của bộ EDFA được chỉ ra như hình 2. EDFA có thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium. Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Đoạn sợi pha tạp Erbium được ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thường có chiều dài khoảng 10 - 20m. Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống. Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 Bộ lọc quang Bộ ghép WDM Bộ cách ly Sợi quang pha tạp Erbium Vào Ra 5 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Hình 2: Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA Biểu đồ mức năng lượng của ion Erbium được mô tả như hình 3. Er 3+ ở trạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lượng thấp nhất, khi bơm quang hạt Erbium hấp thụ năng lượng rồi chuyển tiếp lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên cũng khác nhau. Sự dịch chuyển điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra photon, photon này bức xạ có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát (sự phân hủy tự nhiên của các ion mà không có bất cứ một động tác nào chen vào) hay 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 ra photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng). Trong quá trình bức xạ kích thích, nó tạo ra số photon cùng pha cùng hướng với photon tới, như vậy là đã tạo ra được quá trình khuếch đại trong EDFA. Bức xạ tự phát tạo ra các photon cùng pha và hướng ngẫu nhiên, điều này gây ra nhiễu trong EDFA gọi là nhiễu do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE). Tuy nhiên thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao khoảng 10ms đủ để đảm bảo thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ion Erbium đợi để khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ tự kích thích. Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 Laser bơm Mức kích thích 6 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Hình 3: Giản đồ năng lượng Erbium Hình 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 trong dải bước sóng tập trung khoảng 1550nm, nơi mà hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km có nghĩa là 5% ánh sáng truyền qua bị hấp thụ trong 1km. Ngược lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100ppm ở trong lõi có thể gây ra sự hấp thụ 2dB/km ở cùng bước sóng bơm. Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 Bơm năng lượng λ=980nm Phân rã không bức xạ Mức siêu bền Tín hiệu được khuếch đại Mức cơ bản 2,0 1,0 0,2 0,1 2,0 1,0 0,2 0,1 Hấp thụ khuếch đại sợi Erbium (dB/km) Suy hao sợi thường (dB/km) 7 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Bước sóng (µm) Hình 4: Phổ hấp thụ của sợi quang thông thường và sợi quang Erbium Laser bơm trong EDFA là laser bán dẫn thông thường và được gọi là nguồn bơm. Nguồn bơm có thể bơm ở nhiều bước sóng nhưng hiệu quả cao nhất là ở hai bước sóng 980nm và 1480nm. Khi sử dụng EDFA thì chỉ cần một nguồn bơm có công suất nhỏ từ 10 đến 100mW là đủ để công suất ra lớn theo yêu cầu, điều này giảm nguồn nuôi lên hệ thống EDFA có cấu trúc nhỏ nhẹ, linh hoạt. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó được bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Hiện tại thì bước sóng bơm 1480nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng có sẵn và độ tin cậy cao hơn. Nếu tăng được độ ổn định của laser diode có bước sóng 980nm thì chúng có thể được chọn làm nguồn bơm. 2.2. Đặc tính của bộ khuếch đại EDFA: Các đặc tính cơ bản của EDFA là đặc tính tăng ích, đặc tính công suất ra và đặc tính âm. 2.2.1. Đặc tính tăng ích (đặc tính khuếch đại): Đặc tính tăng ích biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, định nghĩa là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào. Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm. Nhiều kết quả nghiên cứu đã cho kết luận rằng hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm và nếu đặt bước sóng bơm tại 980nm và 1480nm là cho hiệu quả cao nhất. Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 (980:1530) (980:1550) (1480:1530) (1480:1550) Hệ số khuếch đại (dB) 40 30 20 10 0 8 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Theo hình 5 hệ số khuếch đại của EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất khi tín hiệu ở bước sóng 1530nm và 1550nm. Nhận xét: + Với công suất bơm cao, bước sóng 980nm sẽ cho hệ số khuếch đại cao hơn so với bước sóng bơm 1480nm, điều này có nghĩa là tại bước sóng 980nm sẽ đạt được sự nghịch đảo mật độ cao hơn so với bước sóng 1480nm. + Với công suất bơm cao, hệ số khuếch đại đối với bước sóng 1530nm cao hơn so với bước sóng 1550nm. Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi và phương thức bơm: Hình 6 biểu thị mối quan hệ và chiều dài sợi quang. Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 0 10 20 30 40 Công suất bơm (mW) Hình 5: Hệ số khuếch đại là một hàm của công suất bơm với 14m chiều dài của sợi Silico Al-Ge pha tạp Erbium được bơm tại bước sóng 980nm và 1480nm 40 Hệ 30 số 20 k/đại 10 (dB) 0 -10 40 Hệ 30 số 20 k/đại 10 (dB) 0 -10 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 60 70 Chiều dài bộ khuếch đại (m) Chiều dài bộ khuếch đại (m) Hình 6(a): Hệ số khuếch đại tín hiệu tại 1530nm và 1550nm, bước sóng bơm 980nm và 1480nm với công suất bơm là 40 mW và công suất tín hiệu điện là -40dB 1530nm tín hiệu 1550nm tín hiệu 980nm 980nm 1480nm 1480nm 9 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA Lúc đầu khả năng tăng ích tăng lên khi chiều dài sợi quang tăng, nhưng sau khi sợi quang dài quá độ dài nhất định, tăng ích sẽ giảm dần, vậy có một độ dài nhất định để đạt được khả năng khuếch đại tối đa. Ngoài ra hệ số khuếch đại còn phụ thuộc vào phương thực bơm là cùng chiều hay ngược chiều với tín hiệu như hình 7. 2.2.2. Đặc tính tạp âm nhiễu Trong sợi pha tạp Erbium, các photon bức xạ tự phát có pha và hướng ngẫu nhiên. Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang, lan truyền dọc theo lõi sợi và được khuếch đại thành các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu quang. Tạp âm của EDFA chủ yếu có 4 loại: Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 30 Hệ 20 số 10 k/đại 0 (dB) -10 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 Chiều dài bộ khuếch đại (m) Chiều dài bộ khuếch đại (m) Hình 6(b): Hệ số khuếch đại tín hiệu tại 1530nm và 1550nm, bước sóng bơm 980nm và 1480nm với công suất bơm là 10 mW và công suất tín hiệu điện là -40dB 30 Hệ 20 số 10 k/đại 0 (dB) -10 1530nm tín hiệu 1550nm tín hiệu 980nm 980nm 1480nm 1480nm G(dB) 30 20 10 0 5 10 15 Hình 3.7: Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi và phương thức bơm Bơm ngược chiều Bơm cùng chiều 10 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA - Tạp âm tán hạt của tín hiệu quang - Tạp âm tán hạt bức xạ tự phát bị khuếch đại (ASE) - Tạp âm phách giữa quang phổ ASE và tín hiệu - Tạp âm phách giữa các quang phổ ASE. Trong 4 tạp âm trên có 2 loại tạp âm thứ 3 và thứ 4 có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt tạp âm thứ 3 là nhân tố quang trọng quyết định tính năng của EDFA. Ngoài ra còn có nhiễu bắn có nguồn gốc phát sinh thời gian đến của các photon tại bộ tách quang không giống nhau và do tốc độ chuển động và số lượng các hạt tải điện qua tiếp giáp P-N của bộ tách quang thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian. Bộ khuếch đại quang đặt trước diode tách quang nên nó là một trong các nguồn sinh ra nhiễu bắn. Nguồn gốc của nhiễu trong các bộ khuếch đại quang: Gọi N m (0), N m (L) là mật độ photon ở ngõ vào và tại ngõ ra của bộ khuếch đại, G là hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại. Hình 8: Sự tương tác ánh sáng tại tần số υ với một bộ khuếch đại hai mức với hệ số khuếch đại G tại tần số υ Mật độ photon ở ngõ ra của bộ khuếch đại được cho như sau: N m (L) = GN m (0) + n sp (G - 1) Trong vế phải, thành phần thứ nhất tương ứng với tín hiệu được khuếch đại, còn thành phần thứ 2 tương ứng với phát xạ tự phát được Nguyễn Phùng Hưng – Trần Văn Khanh. Kỹ thuật điện tử. K19 . ghép quang Bộ lọc cân bằng Bộ phối ghép quang Bộ cách ly quang Sợi quang EDF Sợi quang EDF Bơm quang Bơm quang 17 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA. 2 Khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium EDFA 1. TỔNG QUAN KHUẾCH ĐẠI QUANG 1.1. Các đặc điểm của các chủng loại khuếch đại quang Loại thiết bị Khuếch đại