Các mô hình cấu trúc của EDFA

Đề tài: các mô hình cấu trúc của EDFA Phần 2: các mô hình khuếch đại của EDFA Các mô hình khuếch đại EDFA 1 tầng Sơ đồ khối: Hình : Khuếch đại EDFA sử dung bơm laser Nguyên lý: Các thành phần của EDFA: EDF (Erbium Doped Fiber), sợi quang pha ion đất hiếm Erbium: là nơi xảy ra quá trình khuếch đại( vùng tích cực của EDFA ) Coupler(DWDM): (Dense wavelength division multiplexing): hệ thông ghép kênh theo bước sóng mật độ cao: ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang cho phép ghép tín hiệu có bước sóng 980/1550 nm hoặc 1480/1550 nm. Bộ cách ly quang: ( Optical isolator): ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền phản xạ ngược về EDFA. Laser bơm (pumping laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đạo nồng độ trong vùng tích cực. Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion erbium lên trạng thái kích thích. Có hai cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp tại bước sóng 1480 nm hoặc bơm gián tiếp tại bước sóng 980 nm.(Theo như hình vẽ trên về quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm va 1480 nm) Phương pháp bơm gián tiếp( bơm ở 980 nm ). trong trường hợp này, ion erbium liên tục được chuyển tiếp từ vùng năng lượng 4I15/2 thấp nên vùng năng lượng cao 4I11/2, sau đó các ion sẽ phân rã xuống vùng 4I13/2 nhưng không phát xạ. Từ vùng này, khi có ánh sáng kích thích thì các iom sẽ phát xạ bước sóng mong muốn ( từ 1550 đến 1600 nm) Khi chuyển từ vùng năng lượng 4I13/2 xuống vùng 4I15/2. Đây chính là hệ thống ba mức, thời gian sống của ion erbium ở mức 4I11/2 khoảng 1µs trong khi ở 4I13/2 thì tới 10µs. Với thời gian sống dài, vùng 4I15/2 được gọi là vùng ổn định. Vì vậy, các ion được bơm nên mức cao, sau đó nhanh chóng rơi xuống vùng 4I13/2 và tồn tại ở đó trong khoảng thời gian tương đối dài tạo nên sự nghịch đảo về nồng độ. Với phương pháp bơm trực tiếp( 1480 nm ): các ion erbium chỉ hoạt động trong hai vùng năng lượng 4I15/2 và 4I13/2. Đây là hệ thống hai mức. Các ion erbium liên tục được chuyển từ vùng năng lượng nền 4I15/2 nên vùng năng lượng kích thích 4I13/2 nhờ năng lượng bơm. Vì thời gian tồn tại ở mức này dài nên chúng tích lũy tại đây tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Nguồn bơm có hiệu quả cao ở cả hai bước sóng 980 nm va 1480 nm. Để có hệ số khuếch đại hơn 20 dB thì chỉ cần tạo ra nguồn bơm có công suất nhỏ hơn 5 mW, nhưng vẫn phải có nguồn bơm từ 10 đến 100 mW để đảm bảo cho công suất ra đủ lớn. Chỉ số nhiễu lượng tử giới hạn là 3 dB đạt được ở bước sóng 980 nm. Đối với bước sóng 1480 nm thì chỉ số nhiễu là 4 dB vì tiết diện ngang phát xạ tại 1480 nm cao hơn tại 980 nm và sự bức xạ kích thích do nguồn bơm đã giới hạn sự nghịch đảo tích lũy tại 1480 nm. Do đó, bước sóng bơm 980 nm được ứng dụng cho các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Hệ số độ lợi tại bước sóng bơm 980 nm cao hơn tại 1480 nm tại cùng công suất bơm. Do đó, để đạt được cùng một hệ số độ lợi thì công suất bơm tại 1480 nm phải cao hơn tại 980 nm. Vì công suất bơm tại 1480 nm lớn hơn nên công suất ngõ ra lớn hơn, do đó bơm ở bước sóng 1480 nm được ứng dụng cho các bộ khuếch đại công suất. Ngoài ra, bước sóng bơm 1480 nm được truyền trong sợi quang với suy hao thấp. Do đó, nguồn bơm laser có thể đặt xa bộ khuếch đại. Bước sóng bơm tại 980 nm và 1480 nm Bước sóng bơm 980 nm 1480 nm Tính chất: Độ lợi Độ lợi công suất bơm Suy hao công suất bơm Hệ số nhiễu Cao hơn Thấp hơn Cao hơn Thấp hơn Thấp hơn Cao hơn Thấp hơn Cao hơn ứng dụng Tiền khuếch đại Khuếch đại công suất Hoạt động của laser bơm trong EDFA là: laser bơm phát xạ hai bước sóng chính là 890 nm hoặc 1480nm, trong đó laser phát xạ bước sóng 890 nm có chất lượng khuếch đại tốt hơn và giá thành cao hơn laser 1480 nm. Khi dòng photon laser bơm đi qua sợi quang erbium thì bị các ion hấp thụ năng lượng các photon nhảy lên trạng thái có năng lượng cao hơn. Khi các tín hiệu quang đi qua các photon này nhảy về trạng thái ban đầu phát ra các photon có mức năng lượng tương ứng bước sóng thuộc cửa sổ 1550 Chỉ số kỹ thuật Chỉ số kĩ thuật Điều kiện Min Max Đơn vị Bước sóng trung tâm P =20mW T=250C Mức tham chiêu -20dB 970 986 Nm Độ rộng phổ T = 250C P = 20mW Mức tham chiếu -20dB 0.3 1 Nm Độ ổn định và nhiệt độ Tsubmount = 250C Tgrating 0 tới 750C 0.01 0.02 nm/ 0C Điện thế P0 = 250mW 2.04 2.30 V Dòng điện P0 = 250mW 460 500 mA Chỉ số kỹ thuật của laser bơm tại 980 nm Couple: Ghép tín hiệu quang và ánh sáng laser phát trước khi vào sợi quang pha Eribum. Sợi quang pha Erbium là nơi diễn ra quá trình khuếch đại quang. EDFA có ba ứng dụng chính bao gồm: khuếch đại công suất (BA), khuếch đại đường truyền (LA) và tiền khuếch đại (PA). BA là thiết bị EDFA có công suất bão hòa lớn, được sử dụng ngay sau Tx để tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất tín hiệu là rất cao nên bỏ qua tạp âm ASE. Vì vậy, BA không đòi hỏi phải có những yêu cầu nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm. Tuy nhiên với mức công suất cao, BA có thể gây ra một số hiệu ứng phi tuyến. Các chức năng OA&M của BA có thể được tách riêng hoăc chung với Tx. LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Tùy thuộc vào chiều dài tuyến mà LA có thể được dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến.Tuy nhiên sử dụng LA một cách hợp lí để giảm bớt tác động của tạp âm ASE. PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, được sử dụng ngay trước Rx để tăng độ nhạy thu. Để đạt được mức tạp âm ASE thấp, người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng của nguồn phát. Những vấn đề gặp phải khi sử dụng EDFA một tầng Yêu cầu khuếch đại nói chung và khuếch đại EDFA đối với hệ thống truyền dẫn DWDM đa kênh là hệ số khuếch đại đối với mọi kênh là như nhau (tức là công suất tín hiệu mỗi kênh đầu ra bộ khuếch đại là như nhau). Gọi là đồng hệ số khuếch đại. Hình 2-20 biểu thị phổ khuếch đại EDFA. Hình 2.20 Phổ khuếch đại EDFA. Hệ số khuếch đại lại phụ thuộc vào tốc độ đảo mật độ. Để đảm bảo đồng hệ số khuếch đại thì tốc độ đảo lộn mật độ được điều chỉnh nằm trong khoảng 70% . Tuy nhiên, khi xét toàn bộ dải băng tần C gặp phải một đỉnh khuếch đại nằm tại bước sóng 1532 nm. Đó cũng chính là nguyên nhân mà toàn bộ dải băng tần C nếu dùng khuếch đại EDFA một tầng sẽ không thu được đồng hệ số khuếch đại. Tuy nhiên nếu kết hợp một bộ lọc có đặc tuyến ngược lại với phổ khuếch đại thì băng tần C vẫn được đảm bảo đồng hệ số khuếch đại như trên hình Hình 2.21 Khuếch đại EDFA với băng tần C sử dụng bộ lọc Đối với băng L có hệ số khuếch đại nhỏ và tương đối bằng phẳng. Nếu sử dụng một tầng phải tăng công suất dòng bơm lên rất nhiều. Khi tăng công suất dòng bơm gặp thì một trở ngại lớn là trạng thái đảo mật độ của các ion nhanh chóng đạt đến trạng thái bão hòa làm giảm hệ số khuếch đại. Một nhược điểm khi sử dụng EDFA đơn tầng là phải sử dụng nhiều tầng khuếch đại khác nhau trên tuyến quang. Khi đó tạp âm ASE (Amplified Spontaneous Emision) là tạp âm chính trong thông tin quang DWDM được sinh ra bởi bộ khuếch đại EDFA. Qua nhiều tầng khuếch đại khác nhau, công suất tạp âm cũng được nhân lên nhiều lần, làm ảnh hưởng đến OSNR của hệ thống. Một giải pháp để hạn chế những nhược điểm của bộ khuếch đại một tầng là xây dựng bộ khuyếch hai tầng.