”Khuếch đại quang sợi EDFA và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang”.

Lêi nãi ®Çu

ThÕ kû 21, kû nguyªn víi sù ph¸t triÓn v« cïng m¹nh mÏ cña c«ng nghÖ

th«ng tin nãi chung vµ kü thuËt viÔn th«ng nãi riªng. Nhu cÇu dÞch vô viÔn

th«ng ph¸t triÓn rÊt nhanh t¹o ra ¸p lùc ngµy cµng cao ®èi víi t¨ng dung lîng

th«ng tin.

Cïng víi sù ph¸t triÓn cña kü thuËt chuyÓn m¹ch, kü thuËt truyÒn dÉn còng

kh«ng ngõng ®¹t ®îc nh÷ng thµnh tùu to lín, ®Æc biÖt lµ kü thuËt truyÒn dÉn

trªn m«i trêng c¸p sîi quang. T¬ng lai c¸p sîi quang ®îc sö dông réng r·i

trªn m¹ng viÔn th«ng vµ ®îc coi nh lµ mét m«i trêng truyÒn dÉn lý tëng mµ

kh«ng cã mét m«i trêng truyÒn dÉn nµo cã thÓ thay thÕ ®îc. C¸c hÖ thèng

th«ng tin quang víi u ®iÓm b¨ng th«ng réng, cù li xa, kh«ng bÞ ¶nh hëng cña

nhiÔu vµ kh¶ n¨ng b¶o mËt cao… phï hîp víi c¸c tuyÕn th«ng tin xuyªn lôc

®Þa ®êng trôc, trung kÕ vµ cã tiÒm n¨ng to lín trong viÖc thùc hiÖn c¸c chøc

n¨ng cña m¹ng néi h¹t víi c¸c cÊu tróc linh ho¹t vµ ®¸p øng mäi lo¹i h×nh

dÞch vô hiÖn t¹i vµ t¬ng lai.

GÇn ®©y ®· thùc hiÖn thµnh c«ng viÖc khuÕch ®¹i trùc tiÕp tÝn hiÖu quang

mµ kh«ng cÇn ph¶i th«ng qua bÊt kú mét qu¸ tr×nh biÕn ®æi vÒ ®iÖn nµo. Kü

thuËt míi nµy cho phÐp kh¾c phôc ®îc nhiÒu h¹n chÕ cña tr¹m lÆp nh: h¹n chÕ

vÒ b¨ng tÇn truyÒn dÉn, cÊu tróc phøc t¹p… lµm cho kü thuËt truyÒn dÉn trªn

c¸p sîi quang cµng tá râ tÝnh u viÖt cña nã.

§øng tríc vÊn ®Ò nµy ®îc sù híng dÉn tËn t×nh cña GS.TS TrÇn ®øc

h©n vµ Th.S trÇn quèc dòng em ®· chän ®Ò tµi:”KhuÕch ®¹i

quang sîi EDFA vµ øng dông trong hÖ thèng th«ng tin quang”.

Néi dung ®å ¸n tèt nghiÖp bao gåm c¸c ch¬ng sau:

Ch¬ng 1: KhuÕch ®¹i quang sîi

Ch¬ng nµy tr×nh bµy chñ yÕu vÒ khuÕch ®¹i quang sîi EDFA vµ c¸c u ®iÓm

næi bËt cña nã trong hÖ thèng th«ng tin quang. §ång thêi tr×nh bµy nguyªn lý

ho¹t ®éng, kÕt cÊu c¬ b¶n, kÕt cÊu tèi u cña EDFA vµ ph©n tÝch c¸c nhiÔu sinh

ra khi hÖ thèng sö dông khuÕch ®¹i quang sîi EDFA, khuÕch ®¹i quang theo

hai chiÒu.

1

Trong ch¬ng nµy còng tr×nh bµy c¸c ®iÓm chñ yÕu cña khuÕch ®¹i b¨ng

réng sö dông khuÕch ®¹i quang sîi vµ c¸c kü thuËt më réng d¶i tÇn khuÕch

®¹i trªn c¬ së khuÕch ®¹i quang sîi EDFA.

Ch¬ng 2: Ph©n tÝch c¸c ®Æc ®iÓm kü thuËt, tÝnh to¸n c¸c tham sè cña bé

khuÕch ®¹i quang sîi EDFA

ë ®©y em tr×nh bµy vÒ c¸c ph¬ng tr×nh khuÕch ®¹i cña EDFA vµ c¸c ®¹i l￾îng: HÖ sè t¹p ©m, c«ng suÊt b¬m ngìng, c«ng suÊt b·o hßa tÝn hiÖu, tÝnh

to¸n chóng trªn nh÷ng tham sè cho tríc.

Ch¬ng 3: C¸c øng dông PA, LA, BA cña EDFA

Ch¬ng nµy tr×nh bµy vÒ EDFA khi ¸p dông trong tuyÕn th«ng tin quang ë

c¸c vÞ trÝ cô thÓ PA, BA, LA vµ tÝnh to¸n c¸c tham sè nh tû sè tÝn hiÖu trªn

nhiÔu vµ c«ng suÊt bï BER trong tõng trêng hîp.

Ch¬ng 4: ¸p dông khuÕch ®¹i quang sîi EDFA vµo hÖ thèng th«ng tin

quang.

Ch¬ng nµy tr×nh bµy vÒ c¸c øng dông cña EDFA trong tuyÕn truyÒn dÉn

mét kªnh quang, trong tuyÕn WDM, m¹ng truy nhËp quang, trong c¸p quang

truyÒn h×nh, trong c¸p quang biÓn.

2

Ch¬ng 1

KhuÕch ®¹i quang sîi

1.1 KhuÕch ®¹i quang, u ®iÓm vµ xu híng ph¸t triÓn

Vµo n¨m 1957, mét nhãm nhµ nghiªn cøu khoa häc gåm K.Shimoda,

H.Takahasi vµ C.H Towner khi nghiªn cøu vÒ lý thuyÕt c¬ häc lîng tö ®· cã

mÇm mèng vÒ ý tëng khuÕch ®¹i quang: NÕu cã mét tËp hîp c¸c h¹t cã thÓ ®-

îc t¹o nªn mµ trong ®ã c¸c phÇn tö ë møc trªn nhiÒu h¬n c¸c phÇn tö ë møc

díi. Th× khi ®ã, chïm photon qua m«i trêng nh thÕ sÏ bÞ khuÕch ®¹i nhiÒu h¬n

lµ bÞ hÊp thô. HiÖn tîng nµy, cho phÐp x©y dùng mét bé khuÕch ®¹i quang víi

møc nhiÔu lý tëng.

Tõ ®ã ®Õn nay, ý tëng ®ã ®· thµnh hiÖn thùc, thËm chÝ ®· ®îc øng dông

trong kü thuËt th«ng tin quang tèc ®é cao víi kho¶ng c¸ch hµng ngµn c©y sè.

Cho tíi nay, khuÕch ®¹i quang bao gåm: khuÕch ®¹i laser SLA, khuÕch ®¹i

quang sîi (EDFA, TDFA, …) khuÕch ®¹i theo hiÖu øng phi tuyÕn RAMAN

(FRA), khuÕch ®¹i quang theo hiÖu øng phi tuyÕn BRILLOUIN (FBA).

Sù øng dông bé khuÕch ®¹i trong hÖ thèng sè t¹o ra sù ph¸t triÓn míi trong

hÖ thèng truyÒn dÉn sè, biÓu hiÖn chñ yÕu trªn c¸c mÆt sau:

Thay thÕ bé chuyÓn tiÕp t¸i sinh trong hÖ thèng truyÒn dÉn hiÖn cã.

Trong hÖ thèng c¸p quang biÓn øng dông khuÕch ®¹i quang sîi cho phÐp

n©ng cao cù ly truyÒn dÉn vµ gi¶m sè bé chuyÓn tiÕp.

Do ghÐp kªnh nhiÒu bíc sãng lµ truyÒn dÉn nhiÒu bíc sãng trªn mét sîi

quang. Dïng bé khuÕch ®¹i sîi quang ®ång thêi khuÕch ®¹i ®îc tÊt c¶ c¸c bíc

sãng trong b¨ng sãng, cung cÊp t¨ng Ých cho nhiÒu kªnh tÝn hiÖu vµ kh«ng bÞ

¶nh hëng bëi tÝn hiÖu ph©n cùc, kh«ng ph¸t sinh xuyªn nhiÔu, trong c¸c hÖ

thèng truyÒn dÉn cao tèc nhiÒu kªnh tÝn hiÖu lµm cho khuÕch ®¹i sîi quang lµ

mét bé kiÖn then chèt cña WDN, gi¸ thµnh chÕ t¹o còng ngµy mét thÊp.

Trong m¹ng truy nhËp sîi quang xuÊt hiÖn c¸c ph¬ng thøc: sîi quang ®Õn

nhµ (FTTH), sîi quang ®Õn phßng lµm viÖc (FTTO), sîi quang ®Õn toµ nhµ

(FTTB)… §iÒu kiÖn kho kh¨n lµ ®Çu cuèi sîi quang bÞ ph©n nh¸nh qu¸ nhiÒu,

®èi víi m¹ng kh«ng nguån, qua vµi lÇn ph©n nh¸nh c«ng suÊt quang thuª bao

3

thu ®îc rÊt thÊp (mçi lÇn ph©n nh¸nh c«ng suÊt quang gi¶m ®i 3 dB), lµm cho

®Çu cuèi kh«ng thÓ lµm viÖc ®îc. Do ®ã cÇn khuÕch ®¹i tríc mçi nót ®Ó bï

suy hao lµm cho FTTH trë lªn kh¶ thi h¬n.

1.2 Nguyªn lý ho¹t ®éng cña EDFA

Trong líp lâi cña sîi quang th¹ch anh nÕu trén vµo mét Ýt nguyªn tè ®Êt

hiÕm nh Er, Pr… sÏ h×nh thµnh lo¹i sîi quang ®Æc biÖt, lo¹i sîi quang nµy cã

thÓ khuÕch ®¹i tÝn hiÖu díi sù kÝch thÝch cña b¬m quang nªn gäi lµ khuÕch ®¹i

sîi quang.

HiÖn nay sö dông réng r·i lµ bé khuÕch ®¹i sîi quang pha t¹p erbium

(EDFA) cã u ®iÓm nh ®é t¨ng Ých ®Çu ra lµ cao, b¨ng tÇn réng, t¹p ©m thÊp,

®Æc tÝnh t¨ng Ých kh«ng cã quan hÖ víi ph©n cùc, trong suèt ®èi víi tèc ®é

sè…

H×nh 1.1: CÊu t¹o c¬ b¶n cña EDFA

CÊu t¹o c¬ b¶n cña EDFA:

Bé phèi ghÐp quang cã t¸c dông gép tÝn hiÖu quang vµ tÝn hiÖu quang b¬m

lµm mét, thêng dïng bé ghÐp kªnh. Trong bé ghÐp kªnh, c¸c thÊu kÝnh cã t¸c

dông ®Ó ghÐp ¸nh s¸ng vµo vµ ¸nh s¸ng ra, nã bao gåm c¸c g¬ng vµ bé läc

tÝch hîp. N¨ng lîng b¬m vµ tÝn hiÖu tæn hao kho¶ng 0.5 dB.

Bé c¸ch ly quang cã t¸c dông h¹n chÕ quang ph¶n x¹ ®Ó ®¶m b¶o bé

khuÕch ®¹i lµm viÖc æn ®Þnh. C¸c bé c¸ch ly quang thêng gi¶m ¸nh s¸ng ph¶n

x¹ kho¶ng 30 dB, trong ®ã tæn hao tÝn hiÖu truyÒn lµ 1 dB. EDFA thêng dïng

hai bé c¸ch ly quang. Bé thø nhÊt ë ®Çu vµo dïng ®Ó lo¹i bá nhiÔu g©y ra do

truyÒn ph¸t cïng chiÒu cña bé khuÕch ®¹i. Bé thø hai ë ®Çu ra b¶o vÖ cho linh

kiÖn kh«ng bÞ ph¶n x¹ ngîc chiÒu tõ ®o¹n díi.

4

Qu¸ tr×nh khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er3+ ®îc gi¶i thÝch nh sau:

Erbium lµ mét nguyªn tè ®Êt hiÕm cã c¸c møc n¨ng lîng nh sau:

H×nh 1.2: Gi¶n ®å n¨ng lîng cña sîi quang pha t¹p Er3+

Er3+ ë tr¹ng th¸i kh«ng bÞ bÊt kú tÝn hiÖu quang nµo kÝch thÝch, ë møc n¨ng

lîng thÊp nhÊt (tr¹ng th¸i c¬ b¶n) 15 / 2

4

I , khi b¬m quang vµo Er3+ hÊp thô n¨ng

lîng cña quang b¬m råi chuyÓn tiÕp lªn møc n¨ng lîng cao h¬n. Quang b¬m

cã c¸c bíc sãng kh¸c nhau, c¸c møc n¨ng lîng cao còng cã h¹t chuyÓn lªn

còng kh¸c nhau.

@λP =1480nm 13 / 2

4

15 / 2

4

I → I

@λP = 980nm 11/ 2

4

15 / 2

4

I → I

@λP = 807nm 9 / 2

4

15 / 2

4

I → I

@λP = 655nm 9 / 2

4

15 / 2

4

I → F

Møc n¨ng lîng 13 / 2

4

I chia thµnh mét d¶i n¨ng lîng, tríc tiªn h¹t Erbium

chuyÓn tíi ®Ønh cña d¶i n¨ng lîng vµ nhanh chãng chuyÓn tõ tr¹ng th¸i kÝch

thÝch sang tr¹ng th¸i t¹m æn ®Þnh qua qu¸ tr×nh chuyÓn tiÕp kh«ng bøc x¹.

Thêi gian chuyÓn tiÕp kh«ng bøc x¹ rÊt nhá τ =1µs. Khi chuyÓn sang tr¹ng

th¸i t¹m thêi 13 / 2

4

I cã thêi gian sèng kho¶ng 10 ms, do kh«ng ngõng b¬m

quang nªn sè h¹t kh«ng ngõng t¨ng g©y lªn sù ®¶o mËt ®é.

5

Khi tÝn hiÖu ®i qua ®o¹n sîi quang pha t¹p Erbium c¸c h¹t ë tr¹ng th¸i t¹m

thêi chuyÓn tiÕp lªn tr¹ng th¸i c¬ b¶n b»ng h×nh thøc bøc x¹ bÞ thÝch vµ sinh

ra photon gièng hÖt dÉn ®Õn sù khuÕch ®¹i kh«ng ngõng tÝn hiÖu quang trong

qu¸ tr×nh truyÒn dÉn trªn sîi quang pha t¹p Erbium. Trong qu¸ tr×nh c¸c h¹t

Erbium bøc x¹ kÝch thÝch cã mét phÇn nhá ®îc chuyÓn sang tr¹ng th¸i c¬ b¶n

b»ng h×nh thøc bøc x¹ tù ph¸t, b¨ng tÇn ®îc më rÊt réng vµ c¸c quang tö hçn

®én kh«ng ngõng ®îc khuÕch ®¹i trong qu¸ tr×nh truyÒn dÉn tõ ®ã h×nh thµnh

t¹p ©m bøc x¹ tù ph¸t ASE vµ tiªu hao mét phÇn c«ng suÊt b¬m. Do ®ã cÇn

ph¶i l¾p thªm bé läc quang ®Ó gi¶m bít t¹p ©m ASE trong hÖ thèng.

HiÖu suÊt b¬m ë 980 nm vµ 1480 nm cao h¬n c¸c bíc sãng kh¸c v× vËy ®îc

øng dông réng r·i.

1.3 T¹p ©m trong bé khuÕch ®¹i EDFA.

T¹p ©m trong bé khuÕch ®¹i quang lµ mét vÊn ®Ò quan träng trong hÖ thèng

th«ng tin quang. §Æc tÝnh t¹p ©m lµ mét trong c¸c tham sè chÝnh liªn quan

®Õn qu¸ tr×nh truyÒn dÉn trªn toµn bé hÖ thèng nh cù ly truyÒn dÉn vµ tèc ®é

bit. Cã hai nguån t¹p ©m chÝnh lµ t¹p ©m quang vµ t¹p ©m cêng ®é

1.3.1 T¹p ©m quang trong bé khuÕch ®¹i EDFA

C¸c photon bøc x¹ tù ph¸t cã híng vµ pha ngÉu nhiªn. Mét sè photon bøc

x¹ tù ph¸t ®îc gi÷ l¹i ë c¸c mode cña sîi quang. Do c¸c photon ®îc gi÷ l¹i nµy

lan truyÒn däc bªn trong cña sîi nªn chóng l¹i ®îc khuÕch ®¹i. Qu¸ tr×nh nµy

sÏ t¹o ra bøc x¹ tù ph¸t ®îc khuÕch ®¹i ASE. §Ó x¸c ®Þnh ®îc thµnh phÇn

nhiÔu nhá nhÊt cña bé khuÕch ®¹i thi c«ng suÊt nhiÔu tèi thiÓu t¹i ®Çu ra bé

khuÕch ®¹i PSP min ®îc viÕt nh sau:

PSP min = hν(G −1).B (1.1)

Trong ®ã B lµ mét nöa cña toµn bé b¨ng tÇn B0 cña bé khuÕch ®¹i quang.

Gi¶ thiÕt ®é khuÕch ®¹i G lµ lín, tÝn hiÖu ®Çu vµo lín th× c«ng suÊt t¹p ©m ®Çu

ra cña bé khuÕch ®¹i quang nhá nhÊt t¬ng øng víi khuÕch ®¹i photon trong

b¨ng tÇn B. Tõ (biÓu thøc 1.1 ) cã thÓ x¸c ®Þnh ®îc c«ng suÊt PASE tæng ®îc

lÊy trªn toµn bé c¸c mèt cña sîi quang ®a ra trong b¨ng tÇn B0 lµ:

( ) 0 PASE = mt NSP hν G −1 .B (1.2)

6

Trong ®ã mt lµ sè mèt lan truyÒn ngang cña qu¸ tr×nh ph©n cùc.

( ) 0 PSP = NSP hν G −1 .B

Psp lµ c«ng suÊt bøc x¹ tù ph¸t cña bé khuÕch ®¹i quang. Trong c¸c bé

khuÕch ®¹i quang sîi thùc tÕ thêng cã hai mode lan truyÒn ph©n cùc trong qu¸

tr×nh bøc x¹ tù ph¸t hay mt =2.

HÖ sè bøc x¹ tù ph¸t Nsp ®îc viÕt nh sau:

2 1

2

2 1

2

N N

N

N N

N

N

e a

e

SP

−

=

−

=

η

η

σ σ

σ

(1.3)

Víi η σ e σ a = / ; vµ N1, N2 lµ hµm cña trôc z híng theo trôc cña sîi.

T¹p ©m cña bé khuÕch ®¹i quang N(z) khi kh«ng cã tÝn hiÖu ®Çu vµo ®îc

x¸c ®Þnh nh sau:

( ) ( 1)

2 1

2

−

−

= G

N N

N

N z

η

η

(1.4)

Víi G lµ mét hµm sè cña z.

Trong trêng hîp nghÞch ®¶o tÝch luü m«i trêng lµ ©m ηN2 − N1

 0 vµ NSP <

0 nhng c«ng suÊt nhiÔu vÉn lu«n d¬ng vµ b»ng P N ( G) SP = SP / 1−

Trong trêng hîp ë møc ngìng nghÞch ®¶o cña m«i trêng ηN2 − N1 = 0 , NSP

kh«ng x¸c ®Þnh, thùc tÕ c«ng suÊt nhiÔu ®îc x¸c ®Þnh b»ng PSP =ηN2L trong

®ã L lµ ®é dµi sîi E§F.

Trong trêng hîp m«i trêng nghÞch ®¶o lµ d¬ng ηN2 − N1 > 0 ta cã

NSP > 1 (c«ng suÊt t¹p ©m d¬ng)

Trêng hîp nghÞch ®¶o m«i trêng hoµn toµn, khi mµ toµn bé c¸c nguyªn tö ë

tr¹ng th¸i kÝch thÝch, tøc lµ N1=0, th× Nsp tiÕn ®Õn gi¸ trÞ nhá nhÊt (=1). Trong

trêng hîp nµy c«ng suÊt t¹p ©m ®Çu ra tiÕn ®Õn gi¸ trÞ t¹p ©m lîng tö ®îc

khuÕch ®¹i: PN min = hν(G −1).B

7

Nh vËy, t¹p ©m ®Çu ra bé khuÕch ®¹i quang ®¹t gi¸ trÞ nhá nhÊt khi ®¹t ®îc

nghÞch ®¶o tÝch luü hoµn toµn trong m«i trêng khuÕch ®¹i. Gi¸ trÞ Nsp gÇn = 1

lµ gi¸ trÞ nhá nhÊt cã thÓ thu ®îc. Gi¸ trÞ nµy cã thÓ ®¹t ®îc khi b¬m m¹nh ë

vïng bíc sãng 980 nm.

1.3.1 T¹p ©m cêng ®é trong bé khuÕch ®¹i EDFA.

Khi cã c«ng suÊt quang tõ nguån ph¸t th× sÏ ph¸t ra dßng photon ban ®Çu

IPh(t):

( ) ( ) P(t)

h

e

I t RP t

ph

γ

η

= = (1.5)

T¹p ©m cêng ®é lµ mét yÕu tè lµm giíi h¹n ®¸ng kÓ n¨ng lùc cña c¸c hÖ

thèng th«ng tin quang. Bé t¸ch sãng quang biÕn ®æi t¹p ©m cêng ®é trùc tiÕp

thµnh t¹p ©m ®iÖn. C¸c lo¹i t¹p ©m cêng ®é thêng ®îc xem xÐt trong hÖ thèng

lµ: t¹p ©m lîng tö, t¹p ©m ph¸ch gi÷a tÝn hiÖu vµ bøc x¹ tù ph¸t, t¹p ©m ph¸ch

gi÷a bøc x¹ tù ph¸t víi bøc x¹ tù ph¸t, t¹p ©m ph¶n x¹.

a. T¹p ©m lîng tö:

T¹p ©m lîng tö cã nguån gèc ph¸t sinh lµ do tÝnh kh«ng ch¾c ch¾n vÒ thêi

gian ®Õn cña c¸c ®iÖn tö hoÆc c¸c photon t¹i bé t¸ch sãng. Khi t¹p ©m tréi lµ

t¹p ©m lîng tö nã ®îc xem xÐt nh lµ giíi h¹n t¹p ©m lîng tö. C¶ tÝn hiÖu tõ

Laser ph¸t vµ ASE ®Òu tham gia vµo t¹p ©m lîng tö. V× vËy, t¹p ©m lîng tö

trong trêng hîp nµy bao gåm c¶ t¹p ©m lîng tö tõ tÝn hiÖu ®Çu vµo ®îc khuÕch

®¹i vµ t¹p ©m lîng tö bøc x¹ tù ph¸t ®îc khuÕch ®¹i.

b. T¹p ©m ph¸ch tÝn hiÖu tù ph¸t

T¹p ©m ph¸ch tÝn hiÖu - tù ph¸t lµ do cã sù giao thoa gi÷a tÝn hiÖu quang vµ

bøc x¹ tù ph¸t ®îc khuÕch ®¹i ASE g©y ra giao ®éng cêng ®é. Kh«ng thÓ

tr¸nh khái t¹p ©m nµy trong hÖ thèng sö dông EDFA, vµ t¹p ©m nµy lµ thµnh

phÇn lín nhÊt cña tæng t¹p ©m trong c¸c hÖ thèng th«ng tin ®îc khuÕch ®¹i

quang.

MËt ®é phæ c«ng suÊt cña t¹p ©m ph¸ch tÝn hiÖu-tù ph¸t:

( ) ( ) G Is Isp

Bo

Ps Nsp h G G

h

e

f

sisp . .

1

4 . . . . 1 4

2

2

 − =











= ν

ν

η

σ (1.6)

8