Soi quang

§å ¸n tèt nghiÖp

KhuÕch ®¹i quang sîi vμ
kh¶ n¨ng øng dông vμo m¹ng viÔn th«ng

môc lôc

Kü ThuËt khuÕch ®¹i quang
sîi…………………………………………………….…..7
Ch−¬ng I :

I Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang……………………....7
II Kü thuËt khuÕch ®¹i quang…………………………………..10
1. Giíi thiÖu s¬ l−îc vÒ kü thuËt khuÕch ®¹i quang. ........................ 10
2. Çc tiªu chuÈn cña hÖ thèng sö dông khuÕch ®¹i :....................... 13
3. KhuÕch ®¹i laser b¸n dÉn (SLA)................................................... 15
3.1 Bé khuÕch ®¹i Febry- Perot. .................................................. 17
a. D¶i th«ng 3dB. .......................................................................... 18
b. Sù b·o hoµ hÖ sè khuÕch ®¹i :................................................... 19
3.2 Bé khuÕch ®¹i sãng ch¹y TWA. ............................................ 20
a. D¶i th«ng 3dB ........................................................................... 20
b. HÖ sè khuÕch ®¹i b·o hoµ. ..................................................... 20
c. Xuyªn ©m............................................................................... 20
4. KhuÕch ®¹i quang sîi ................................................................... 22
5. Nghiªn cøu bé khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium (EDFA) ..... 23
5.1 CÊu tróc cña modul EDFA .................................................... 23
5.2 Nguyªn lý ho¹t ®éng cña EDFA. .......................................... 27
5.3 Xu h−íng ph¸t triÓn cña çc modul EDFA. .......................... 28
a. Bé khuÕch ®¹i quang sîi ph¶n x¹ ®¬n h−íng vµ hai h−íng: . 28
b. Tù ®éng ®iÒu chØnh khuÕch ®¹i vµ c«ng suÊt. ....................... 29
c. C©n b»ng vµ lµm ph¼ng phæ khuÕch ®¹i. ............................... 30
d. CÊu tróc c¶i tiÕn ®Æc tÝnh kh¸c. ............................................. 30
5.4 Tèi −u ho¸ ®é dµi sîi pha t¹p Erbium (EDF). ....................... 31
5.5 Çc th«ng sè kü thuËt cña modul EDFA ............................... 33
a. C«ng suÊt b¬m vµ b−íc sãng b¬m......................................... 33
b. KhuÕch ®¹i trong EDFA ........................................................ 35
c. NhiÔu trong bé khuÕch ®¹i EDFA. ........................................ 38
d. H×nh ¶nh nhiÔu cña bé khuÕch ®¹i quang: ............................ 42
5.6 §¸nh gi¸ çc vÊn ®Ò kü thuËt trong hÖ thèng truyÒn dÉn th«ng
tin quang sö dông khuÕch ®¹i quang sîi EDFA. ............................. 44
a. NhiÔu tÝch luü: ....................................................................... 44
b. §iÒu chØnh t¸n s¾c ................................................................. 45

Ch−¬ng II: kh¶ n¨ng øng dông cña
khuÕch ®¹i quang vμo m¹ng viÔn
th«ng……………………………….………………..49
I.

Kh¶ n¨ng øng dông cña khuÕch ®¹i quang sîi:………………..49
1. Tæng quan vÒ kh¶ n¨ng øng dông cña khuÕch ®¹i quang sîi. ...... 49

NguyÔn Duy D−¬ng

1

http://www.ebook.edu.vn



2. Çc lo¹i khuÕch ®¹i quang th−êng dïng ...................................... 50
2.1 KhuÕch ®¹i c«ng suÊt............................................................. 50
2.2 TiÒn khuÕch ®¹i ..................................................................... 52
2.3 KhuÕch ®¹i ®−êng truyÒn: ..................................................... 53
II øng dông khuÕch ®¹i quang sîi vµo hÖ thèng ghÐp kªnh quang
theob−ícsãng……………………………………………………...…...56
1. Nguyªn lý c¬ b¶n cña ghÐp b−íc sãng quang WDM ................... 57
2. §¸nh gi¸ kü thuËt WDM .............................................................. 59
3. øng dông cña kü thuËt WDM ....................................................... 60
4. HÖ thèng WDM cã sö dông EDFA .............................................. 62
5. Çc thiÕt bÞ quang c¬ b¶n trong hÖ thèng WDM cã sö dông EDFA
…………………………………………………………………..64
5.1 Bé xen/rÏ kªnh quang WADM (Wavelengh Add-Drop
Multiplexer....................................................................................... 64
5.2 ThiÕt bÞ ®Êu nèi chÐo quang (OXC - Optical Crossconnect). 69
5.3 Bé chuyÓn ®æi b−íc sãng (WC - Wavelength Conversion)... 71
5.4 Bé çch ly quang (OI - Optical Isolator): .............................. 75
6. CÊu tróc mét sè hÖ thèng WDM sö dông EDFA ®iÓn h×nh ......... 77
6.1 Ph©n lo¹i cÊu tróc: ................................................................. 77
6.2 HÖ thèng WDM cã sö dông EDFA ....................................... 78
a. HÖ thèng ghÐp b−íc sãng theo mét h−íng trªn mét sîi quang
……………………………………………………………...78
b. HÖ thèng ghÐp b−íc sãng theo hai h−íng trªn cïng mét sîi
quang ............................................................................................ 79
c. CÊu tróc m¹ng §iÓm - §iÓm.................................................. 81
d. CÊu tróc m¹ng ®a ®iÓm - ®a ®iÓm.......................................... 82
e. CÊu tróc m¹ng vßng (Ring) ................................................... 84
f. CÊu tróc m¹ng ®−êng trôc ..................................................... 86
7. Mét sè vÊn ®Ò cÇn xem xÐt khi x©y dùng hÖ thèng WDM cã sö dông
EDFA ................................................................................................. 87
7.1 Kªnh b−íc sãng. .................................................................... 87
7.2 §é réng phæ yªu cÇu cña nguån ph¸t .................................... 88
7.3 X©y dùng quÜ c«ng suÊt cña tuyÕn WDM cã sö dông EDFA 89
a. C«ng suÊt ph¸t quang Pt(t):.................................................... 90
b. §é nh¹y thu ........................................................................... 92
c. Suy hao sîi truyÒn dÉn........................................................... 94
7.4 Xem xÐt vÒ t¸n s¾c................................................................. 94
7.5 Xem xÐt sù thiÖt thßi c«ng suÊt do çc hiÖu øng phi tuyÕn g©y
ra…………………………………………………………………96
a. §Òn bï c«ng suÊt (Penalty).................................................... 96
b. ¶nh h−ëng cña hiÖu øng phi tuyÕn......................................... 97
7.6 Çc tham sè cña EDFA ¶nh h−ëng ®Õn hÖ thèng WDM cã sö
dông EDFA ...................................................................................... 98


2




øng dông khuÕch ®¹i quang sîi
vμo m¹ng viÔn th«ng ViÖt Nam…………..100

Ch−¬ng III:

1. Kh¶ n¨ng sö dông khuÕch ®¹i quang trªn tuyÕn ®−êng trôc SDH
2,5Gbit/s ë ViÖt ViÖt Nam. ..............................................................100
2. øng dông khuÕch ®¹i quang sîi trong m¹ng néi h¹t...................104
3. øng dông khuÕch ®¹i quang trong c¸p quang biÓn. ....................107


3




Lêi nãi ®Çu
Sù trao ®æi th«ng tin xuÊt hiÖn trong x· héi loµi ng−êi tõ rÊt sím, tõ xa
x−a con ng−êi ®· biÕt sö dông ¸nh s¸ng ®Ó b¸o hiÖu cho nhau vµ ®©y cã thÓ
coi lµ h×nh thøc th«ng tin sím nhÊt. Qua thêi gian dµi cña lÞch sö ph¸t triÓn
nh©n lo¹i, çc h×nh thøc th«ng tin phong phó dÇn vµ ngµy cµng ®−îc ph¸t triÓn
thµnh nh÷ng hÖ thèng th«ng tin hiÖn ®¹i nh− ngµy nay. ë tr×nh ®é ph¸t triÓn
cao vÒ th«ng tin nh− hiÖn nay, çc hÖ thèng th«ng tin quang nçi lªn lµ çc hÖ
thèng th«ng tin tiªn tiÕn bËc nhÊt, nã ®· ®−îc triÓn khai nhanh chãng trªn
m¹ng l−íi viÔn th«ng çc n−íc trªn thÕ giíi víi ®ñ mäi cÊu h×nh linh ho¹t, ë
çc cù ly vµ tèc ®é truyÒn dÉn phong phó, ®¶m b¶o chÊt l−îng dÞch vô viÔn
th«ng tèt nhÊt. ë ViÖt Nam, th«ng tin quang ®· vµ ®ang ®−îc coi lµ moi
tr−êng truyÒn dÉn chñ ®¹o, v× thÕ chóng ®−îc thiÕt lËp vµ l¾p ®Æt ngµy cµng
nhiÒu trªn m¹ng l−íi.
Chóng ta ®ang sèng ë thÕ kû 21, mét thÕ kû cña c«ng nghÖ th«ng tin
vµ chóng ta ®ang ®øng tr−íc xu h−íng chung lµ héi nhËp vµ toµn cÇu ho¸ th×
nhu cÇu vÒ th«ng tin liªn l¹c vµ çc ph−¬ng tiÖn gi¶i trÝ ngµy cµng cao, kÐo
theo sù gia t¨ng cña çc lo¹i h×nh dÞch vô víi tÝnh hoµn thiÖn vµ ®é phøc t¹p
ngµy cµng cao. §Ó ®¸p øng ®−îc nh÷ng nhu cÇu bøc thiÕt cña kh¸ch hµng ®ßi
hái ph¶i n©ng cÊp m¹ng viÔn th«ng ngµy cµng hiÖn ®¹i ®Ó cã thÓ cung cÊp
®−îc çc dÞch vô ®ã. M¹ng th«ng tin quang hiÖn nay mÆc dï lµ mét m¹ng
th«ng tin tiªn tiÕn nhÊt nh−ng nã cßn cã h¹n chÕ vÒ chÊt l−îng truyÒn dÉn ®ã
lµ b¨ng th«ng cßn hÑp vµ kho¶ng çch truyÒn dÉn ng¾n. V× thÕ chóng ta ph¶i
c¶i thiÖn hÖ thèng th«ng tin quang cã nghÜa lµ c¶i thiÖn b¨ng th«ng vµ kho¶ng
çch truyÒn dÉn. NÕu chóng ta sö dông çc kü thuËt th«ng th−êng ®Ó n©ng cÊp
tuyÕn th× sÏ rÊt tèn kÐm chi phÝ cho çc gi¶i ph¸p ®ã vµ cã thÓ lµm phøc t¹p
m¹ng vµ lµm gi¶m ®é an toµn m¹ng. Trong khi ®ã kü thuËt khuÕch ®¹i quang
vµ kü thuËt ghÐp kªnh quang theo b−íc sãng gi¶i quyÕt ®−îc hai vÊn ®Ò nµy.
Kü thuËt ghÐp kªnh quang theo b−íc sãng cho phÐp ghÐp nhiÒu b−íc sãng


4




trªn cïng mét sîi quang, do ®ã cã thÓ t¨ng dung l−îng truyÒn dÉn mµ kh«ng
cÇn ph¶i t¨ng thªm sîi quang, nh−ng WDM chØ thùc sù cã ý nghÜa khi nã kÕt
hîp víi khuÕch ®¹i quang. Kü thuËt khuÕch ®¹i quang lµm t¨ng c«ng suÊt tÝn
hiÖu cho phÐp kÐo dµi kho¶ng çch truyÒn dÉn th«ng tin, nã gióp cho viÖc
gi¶m bít sè tr¹m lÆp trªn tuyÕn. Kü thuËt khuÕch ®¹i quang cßn ®−îc øng
dông trong nhiÒu hÖ thèng trªn m¹ng viÔn th«ng.
Do vËy, trong ®Ò tµi nµy em ®· t×m hiÓu vÒ kü thuËt khuÕch ®¹i quang
vµ kh¶ n¨ng øng dông cña nã trong m¹ng viÔn th«ng nãi chung vµ m¹ng viÔn
th«ng ViÖt Nam nãi riªng. Trong ®ã em cã tÝm hiÓu vÒ sù kÕt hî cña khuÕch
®¹i quang víi kü thuËt ghÐp kªnk quang theo b−íc sãng WDM.
Nh−ng víi thêi gian cã h¹n vµ kh¶ n¨ng cã h¹n nªn khi nghiªn cøu vÒ
kü thuËt quang tiªn tiÕn hiÖn nay nªn em kh«ng thÓ tr¸nh khái nh÷ng sai sãt
trong ®Ò tµi, em mong ®−îc sù gióp ®ì cña quý thÇy c« cïng toµn thÓ çc b¹n
®Ó cho em cã thÓ hoµn thiÖn h¬n ®Ò tµi cña m×nh.
Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n çc thÇy c« trong nhµ tr−êng ®Æc biÖt lµ çc
thÇy c« trong khoa §iÖn - §iÖn tö ®· tËn t×nh gióp ®ì vµ d×u d¾t em trong suèt
5 n¨m häc vµ trong qu¸ tr×nh lµm ®Ò tµi, ®Æc biÖt em xin ch©n thµn c¶m ¬n
ThÇy: Chu C«ng CÈn thÇy gi¸o trùc tiÕp h−íng dÉn em,cuèi cïng em xin göi
lêi c¶m ¬n tíi gia ®×nh vµ b¹n bÌ, nh÷ng ng−êi ®· gióp ®ì em hoµn thµnh ®Ò
tµi nµy.
Hµ néi th¸ng 5 –2004
Sinh viªn


5




ThuËt ng÷ viÕt t¾t
AGC
AP
APC
ASE
BA
BER
DCF
DSF
EDF
EDFA

Automatic Gain Control
Apotaption Function
Automatic Power Control
Amplifier Spontaneous Emission
Booster amplifier
Bit Error Rate
Dispersion Compensation Fiber
Dispersion Shifted Fiber
Erbium DopedFiber
Erbium DopedFiber Amplifier

FPA
ICI
LA
NF
OA
OAN
ODN
OFA
OFDM

Febry- Perot amplifier
Interchannel interferent
Line amplifier
Noise Figure
Optical amplifier
optical access network
Optical Distribution Network
Optical Fiber Amplifier
Optical Frequency Division
Multiplexing
ONU
Optical Network Unit
OLT
Optical Line Termination
OTDM Optical Time Division Multiplexing
OXC
Optical Cross Connection
OI
Optical Isolation
PA
Pre- amplifier
PON
Passive Optical Network
SLA
Semiconductor Laser Amplifier
SONET Synchronous Optical Network
TWA
Travel Wavelength amplifier
WADM Wavelengh Add-Drop Multiplexer
WC
Wavelength conersion
WDM
Wavelength Division Multiplexer


6

Tù ®éng ®iÒu chØnh khuÕch ®¹i
Chøc n¨ng thiÕt lËp
Tù ®éng ®iÒu chØnh c«ng suÊt
KhuÕch ®¹i bøc x¹ tù ph¸t
KhuÕch ®¹i c«ng suÊt
Tû lÖ lçi bÝt
Sîi bï t¸n s¾c
Sîi quang t¸n s¾c dÞch chuyÓn
Sîi quang pha t¹p Erbium
KhuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p
Erbium
KhuÕch ®¹i Febry- Perot
NhiÔu xuyªn kªnh
KhuÕch ®¹i ®−êng truyÒn
H×nh ¶nh nhiÔu
KhuÕch ®¹i quang
M¹ng truy nhËp quang
M¹ng ph©n phèi quang
KhuÕch ®¹i quang sîi
GhÐp kªnh ph©n chia theo tÇn sè
Khèi m¹ng quang
§Çu cuãi ®−êng quang
GhÐp kªnh ph©n chia theo thêi gian
KÕt nèi chÐo quang
Bé c¸ch ly quang
TiÒn khuÕch ®¹i
M¹ng quang thô ®éng
KhuÕch ®¹i laser b¸n dÉn
M¹ng quang ®ång bé
KhuÕch ®¹i sãng ch¹y
Bé xen t¸ch kªnh theo b−íc sãng
Bé chuyÓn ®æi b−íc sãng
GhÐp kªnh ph©n chia theo b−íc
sãng



Ch−¬ng I :


Kü ThuËt khuÕch ®¹i quang sîi

I. Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang
Th«ng tin quang cã tæ chøc hÖ thèng còng t−¬ng tù çc hÖ thèng th«ng
tin kh¸c v× thÕ thµnh phÇn c¬ b¶n nhÊt cña hÖ thèng th«ng tin quang lu«n tu©n
thñ theo mét hÖ thèng th«ng tin chung .§©y lµ nguyªn lý mµ loµi ng−êi ®· sö
dông ngay tõ thêi kú khai sinh ra çc h×nh thøc th«ng tin , tÝn hiÖu cÇu truyÒn
®i ®−îc ph¸t vµo m«i tr−êng truyÒn dÉn t−¬ng øng, vµ ®Çu thu sÏ thu l¹i tÝn
hiÖu cÇu truyÒn. §èi víi hÖ thèng th«ng tin quang th× m«i tr−êng truyÒn dÉn ë
®Êy chÝnh lµ sîi dÉn quang ,nã thùc hiÖn truyÒn ¸nh s¸ng mang tÝn hiÖu th«ng
tia tõ phÝa ph¸t tíi phÝa thu.
Vµo n¨m 1960, viÖc ph¸t minh ra Laserddeer lµm nguån ph¸t quang ®x
më ra mét thêi kú míi cã ý nghÜa rÊt to lín trong lÞch sö cña kü thuËt th«ng
tin sö dông d¶i tÇn ¸nh s¸ng .Theo lý thuyÕt th× nã cho phÐp thùc hiÖn th«ng
tin víi l−îng kªnh rÊt lín v−ît rÊt nhiÒu lÇn çc hÖ thèng Viba hiÖn cã. Hµng
lo¹t çc thùc nghiÖm vÒ th«ng tin trªn bÇu khÝ quyÓn ®−îc tiÕn hµnh ngay sau
®ã. Mét sè kÕt qu¶ thu ®−îc nh−ng tiÕc r»ng chi phÝ qu¸ tèn kÐm, kinh phÝ tËp
trung vµo s¶n xuÊt çc thiÕt bÞ ®Ó v−ît qua ®−îc çc c¶n trë do ®iÒu kiÖn thêi
tiÕt (m−a, tuyÕt ....) g©y ra lµ rÊt lín, chÝnh v× vËu nã ch−a thu hót ®−îc sù chó
ý cña m¹ng l−íi.
Çc sîi dÉn quang lÇn ®Çu tiªn ®−îc chÕ t¹o mÆc dï suy hao lín
(kho¶ng 1000ds/Km),®· t¹o ra ®−îc mét m« h×nh hÖ thèng cã xu h−íng linh
ho¹t kh¶ thi h¬n .TiÕp theo lµ KAO,Hockman vµ Werts n¨m 1966 ®· nhËn
thÊy sù suy hao cua sîi quang lµ do t¹p chÊt cã trong vËt liÖu chÕ t¹o. Nh÷ng
nhËn ®Þnh ®ã ®· ®−îc s¸ng tá khi Kapron,Keck vµ Maurer chÕ t¹o thµnh c«ng
sîi thuû tinh cã suy hao 20ds/Km vµo n¨m 1970. Suy hao nay cho phÐp t¹o ra
cù ly truyÒn dÉn t−¬ng ®−¬ng víi çc hÖ thèng truyÒn dÉn b»ng çp ®ång. Víi
sù cè g¾ng ®ã çc sîi dÉn quang cã suy hao nhá lÇn l−ît ra ®êi. §Çu nh÷ng
n¨m 1980, çc hÖ thèng th«ng tin trªn sîi dÉn quang ®· ®−îc phæ biÕn kh¸
réng víi vïng b−íc sãng lµm viÖc 1300nm. Vµ b©y giê sîi dÉn quang ®· ®¹t
tíi møc suy hao rÊt nhá kho¶ng 0,154ds/Km t¹i b−íc sãng dµi h¬n lµ 1550nm


7




cho thÊy sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c«ng nghÖ sîi quang trong hai thËp niªn
qua. Gi¸ trÞ suy hao nµy ®· gÇn ®¹t tíi møc tÝnh to¸n trªn lý thuyÕt cho çc sîi
quang ®¬n mèt lµ 0,14ds/Km . Cïng víi sîi quang, c«ng nghÖ chÕ t¹o çc
nguån ph¸t vµ thu quang ®· t¹o ra hÖ thèng th«ng tin quang víi −u ®iÓm tréi
h¬n h¼n so víi çc hÖ thèng th«ng tin çc kim lo¹i lµ:
- Suy hao truyÒn dÉn.
- B¨ng tÇn truyÒn dÉn rÊt lín.
- Kh«ng bÞ ¶nh h−ëng cña nhiÒu ®iÖn tõ.
- Cã tÝnh b¶o mËt tÝn hiÖu th«ng tin.
- Cã kÝch th−íc vµ träng l−îng nhá.
- Sîi cã tÝnh çch ®iÖn tèt.
- Tin cËy vµ linh ho¹t.
- Sîi ®−îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu rÊt cã s½n.
Do çc −u ®iÓm trªn mµ hÖ thèng th«ng tin quang ®−îc ¸p dông réng
r¶i trªn m¹ng l−íi. Chóng cã thÓ x©y dùng lµm çc tuyÕn ®−êng trôc trung kÕ,
liªn tØnh, thuª bao kÐo dµi, truy nhËp vµo m¹ng thuª bao linh ho¹t vµ ®¸p øng
mäi m«i tr−êng l¾p ®Æt tõ trong nhµ, trong çc cÊu h×nh thiÕt bÞ cho ®Õn xuyªn
lôc ®Þa, v−ît ®¹i d−¬ng... Çc hÖ thèng th«ng tin quang còng rÊt phï hîp cho
truyÒn dÉn sè kh«ng lo¹i trõ tÝn hiÖu d−íi d¹ng ghÐp kªnh nµo, çc tiªu chuÈn
tõ Ch©u ¢u B¾c Mü vµ NhËt B¶n. Ngoµi çc luång tèc ®é ®ã cã mét tiªu
chuÈn míi ph¸t triÓn trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y gäi lµ SONET (Synchronous
Optical Network), tèc ®é truyÒn dÉn ë tiªu chuÈn nµy h¬i kh¸c, nã x¸c ®Þnh
cÊu tróc khung ®ång bé ®Ó göi mét l−u l−îng ghÐp kªnh sè trªn sîi quang.
HiÖn nay çc hÖ thèng th«ng tin quang ®· ®−îc øng dông réng r·i trªn
thÕ giíi, chóng ®¸p øng ®−îc c¶ tÝn hiÖu t−¬ng tù (Analog) vµ sè (digital),
chóng cho phÐp truyÒn dÉn tÊt c¶ çc tÝn hiÖu dÞch vô b¨ng hÑp vµ b¨ng réng,
®¸p øng mäi nhu cÇu cña m¹ng sè hãa liªn kÕt ®a dÞch vô (ISDN). Sè l−îng
çp quang hiÖn nay ®−îc l¾p ®Æt trªn thÕ giíi víi sè l−îng lín, ®ñ mäi tèc ®é
truyÒn dÉn víi çc cù ly kh¸c nhau, çc cÊu tróc m¹ng ®a d¹ng. NhiÒu n−íc


8




lÊy çp quang lµm m«i tr−êng truyÒn dÉn chÝnh cho m¹ng viÔn th«ng. Çc hÖ
thèng th«ng tin quang sÏ lµ mòi ®ét ph¸ vÒ tèc ®é, cù ly truyÒn dÉn vµ cÊu
h×nh linh ho¹t cho çc dÞch vô viÔn th«ng cÊp cao.
* B¶ng tèc ®é truyÒn dÉn tiªu chuÈn ë B¾c Mü, Ch©u ¢u vµ NhËt B¶n.

Ph©n

Khèi B¾c Mü

Khèi Ch©u ¢u

NhËt B¶n

cÊp
Tèc ®é bit

Sè kªnh

Tèc ®é

Sè

Mbit/s

tho¹i

bit

kªnh

Mbit/s

Tèc ®é bit Sè kªnh

tho¹i

Mbit/s

tho¹i

1

1,544

24

2,048

30

1,544

24

2

6,312

96

8,448

120

6,312

96

3

44,736

672

34,368

480

32,064

480

4

274,176

4032

139,264

1920

97,728

1440

5

274,176

4032

565,184

7680

396,200

5760

- CÊu tróc vµ thµnh phÇn chÝnh trong tuyÕn truyÒn dÉn quang.
Nh×n chung, çc hÖ thèng th«ng tin quang th−êng phï hîp h¬n cho viÖc
truyÒn dÉn tÝn hiÖu sè vµ hÇu hÕt qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña hÖ thèng th«ng tin
quang ®Òu ®i theo h−íng nµy. Theo quan niÖm thèng nhÊt ®ã, ta xÐt cÊu tróc
cña tuyÕn th«ng tin gåm çc thµnh phÇn chÝnh sau:
- PhÇn ph¸t quang.
- Çp sîi quang.
- PhÇn thu quang.
PhÇn ph¸t quang cÊu t¹o tõ nguån ph¸t tÝn hiÖu quang vµ çc m¹ch ®iÖn
®iÒu khiÓn liªn kÕt víi nhau. Çp quang bao gåm çc sîi dÉn quang vµ çc líp
vë bäc xung quanh ®Ó b¶o vÖ khái t¸c ®éng cã h¹i tõ m«i tr−êng bªn ngoµi.
PhÇn thu quang do bé t¸ch sãng quang vµ m¹ch khuÕch ®¹i, t¸i t¹o tÝn hiÖn
hîp thµnh. Ngoµi çc thµnh phÇn chñ yÕu trªn, tuyÕn th«ng tin quang cßn cã


9




çc bé nèi quang Counetor, çc mèi hµn, çc bé nèi quang, chia quang vµ
tr¹m lÆp. TÊt c¶ t¹o nªn mét tuyÕn th«ng tin quang hoµn chØnh.
Bé ph¸t quang
TÝn hiÖu
®iÖn vµo

Bé nèi
quang
M¹ch
®iÒu
khiÓn

Nguån
ph¸t
quang

Mèi
hµn sîi

Sîi dÉn
quang
Tr¹m lÆp

Bé chia quang

Thu
quang
M¹ch ®iÖn

Çc thiÕt bÞ kh¸c

Ph¸t
quang
Bé thu quang
TÝn hiÖu
®iÖn ra
§Çu thu
quang

KhuÕch
®¹i quang

ChuyÓn
®æi tÝn
hiÖ

KhuÕch ®¹i
H×nh 1.1: S¬ ®å tæng quan tuyÕn th«ng tin quang

II.

Kü thuËt khuÕch ®¹i quang

1. Giíi thiÖu s¬ l−îc vÒ kü thuËt khuÕch ®¹i quang.
Nh− ta ®· biÕt, ë çc tuyÕn th«ng tin quang truyÒn thèng khi cù ly truyÒn
dÉn dµi tíi møc ph©n bæ suy hao kh«ng tho¶ m·n, suy hao v−ît qu¸ tuyÕn
c«ng suÊt dù phßng th× cÇn ph¶i cã çc tr¹m lÆp ®Ó khuÕch ®¹i tÝn hiÖu trªn
®−êng truyÒn. Çc tr¹m lÆp ë ®©y thùc hiÖn khuÕch ®¹i tÝn hiÖu th«ng qua çc


10




qu¸ tr×nh biÕn ®æi quang - ®iÖn vµ ®iÖn –quang. Nh− vËy cã nghÜa lµ tÝn hiÖu
quang rÊt yÕu kh«ng thÓ truyÒn xa ®−îc n÷a sÏ ®−îc çc tr¹m lÆp thu l¹i vµ
biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn, sau ®ã tiÕn hµnh khuÕch ®¹i, chuÈn l¹i thêi gian
t¸i t¹o, t¸i t¹o l¹i d¹ng tÝn hiÖu ®iÖn råi l¹i biÕn ®æi vÒ tÝn hiÖu quang ®ñ lín ®Ó
truyÒn lªn ®−êng truyÒn. Víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc c«ng nghÖ, ng−êi ta
thùc hiÖn ®−îc qu¸ tr×nh khuÕch ®¹i trùc tiÕp tÝn hiÖu quang mµ kh«ng cÇn
ph¶i th«ng qua qu¸ tr×nh biÕn ®æi vÒ tÝn hiÖu ®iÖn, ®ã gäi lµ kü thuËt khuÕch
®¹i quang. Kü thuËt khuyÕch ®¹i quang võa ra ®êi ®· kh¾c phôc ®−îc nhiÒu
h¹n chÕ cña tr¹m lÆp nh− vÒ b¨ng tÇn, cÊu tróc phøc t¹p, cÊp nguån, ¶nh
h−ëng cña nhiÔu ®iÖn… viÖc ph¸t triÓn vµ øng dông çc bé khuÕch ®¹i quang
vµo hÖ thèng th«ng tin quang cßn ®−a ra mét ý t−ëng lín cho qu¸ tr×nh ph¸t
triÓn çc tuyÕn th«ng tin hoµn toµn ding khuÕch ®¹i quang vµ tõ ®ã tiÕn tíi
ph¸t triÓn m¹ng toµn quang. KhuÕch ®¹i quang cã thÓ ®−îc ®Æt ë çc phÇn
kh¸c nhau cua rhÖ thèng th«ng tin. Tuú thuéc vµo vïng l¾p ®Æt khuÕch ®¹i
trªn tuyÕn truyÒn dÉn mµ khuÕch ®¹i quang cã thÓ ®−îc sö dông nh− :
+ KhuÕch ®¹i c«ng suÊt
+ KhuÕch ®¹i ®−êng truyÒn
+ KhuÕch ®¹i thu
KhuÕch ®¹i c«ng suÊt : Bé khuÕch ®¹i nµy ®Æt sau nguån s¸ng ®Ó khuÕch
®¹i c«ng suÊt tÝn hiÖu truyÒn. Nã ®−îc sö dông khi nguån s¸ng cã c«ng xuÊt
ra bÞ giíi h¹n.
KhuÕch ®¹i thu: Ng−îc víi bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt, khuÕch ®¹i c«ng
suÊt tÝn hiÖu thu yÕu tr−íc khi ®i vµo bé t¸ch sãng.
KhuÕch ®¹i ®−êng truyÒn: khi kho¶ng çch truyÒn dµi mét sè bé khuÕch
®¹i ®−êng truyÒn ph¶i ®−îc sö dông. Trong tr−êng hîp nµy, çc bé khuÕch ®¹i
quang ®−îc ®Æt cã chu k× trªn tuyÕn truyÒn dÉn. §èi víi sîi quang Soliton
xung ¸nh s¸ng ®−îc truyÒn ®i kh«ng cÇn më réng, khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn
®−îc sö dông ®Ó cung cÊp mét møc c«ng suÊt nhá cho sîi quang phi tuyÕn.


11




Cã nhiÒu xu h−íng nghiªn cøu vÒ bé khuÕch ®¹i quang, thµnh c«ng chñ yÕu
tËp trung vµo hai lo¹i chÝnh:
+ Çc bé khuÕch ®¹i Laser b¸n dÉn SLA.
+ Çc bé khuÕch ®¹i quang sîi OFA.
§Æc ®iÓm cña çc bé khuÕch ®¹i quang ®−îc thÓ hiÖn qua b¶ng sau:

Thuéc

KhuÕch

KhuÕch

®¹i Laser FPA

tÝnh

KhuÕch

®¹i Laser TWA

®¹i quang sîi

Nguyªn lý

Bøc x¹ tõ

Bøc x¹ tõ

Bøc x¹ tõ

nghÞch ®¶o ®é nghÞch ®¶o ®é nghÞch ®¶o ®é
tÝch

luü

m«i tÝch

tr−êng
C«ng suÊt

luü

m«i tÝch

tr−êng

luü

m«i

tr−êng

8

9

11

1-3G

>5T

0.5-4T

HÖ sè t¹p

6-9

5.2

3-5

Suy

Lín

Lín

Nhá

TE-mode

TE-mode

TE-mode

25-30

20-30

40-50

b·o hoµ lèi ra
(dB)
B¨ng tÇn
khuÕch ®¹i (Hz)

©m dB
hao

ghÐp vµo sîi
Ph©n cùc
tÝn hiÖu
HÖ
khuÕch

sè
®¹i

tuyÕn tÝnh dB


12




B−íc sãng
c«ng t¸c

1.3-

1.3-

1.55µm

Dßng/

1.55µm

10mA

1.57µm

100mA

c«ng suÊt b¬m
NhiÔu

1.52-

20100mW

Lín

Lín

Bá qu

xuyªn kªnh
2. Çc tiªu chuÈn cña hÖ thèng sö dông khuÕch ®¹i :
Nh− ta ®· biÕt ë trªn c«ng suÊt b·o hoµ vµ nhiÔu xuyªn kªnh lµ çc yÕu
tè quan träng trong çc hÖ thèng sö dông khuÕch ®¹i quang. D−íi ®©y lµ
mét sè tiªu chuÈn khi thiÕt kÕ çc bé khuÕch ®¹i quang:
1.

KhuÕch ®¹i c«ng suÊt cao: §¹t ®−îc c«ng suÊt cao lµ môc ®Ých chÝnh
cña viÖc thiÕt kÕ bé khuÕch ®¹i quang. Tuú theo c«ng suÊt ®Çu vµo mµ
c«ng suÊt ®¹t ®−îc lµ 10-30dB. Nh−ng khuÕch ®¹i b·o hoµ lµm gi¶m ®é
khuÕch ®¹i khi c«ng suÊt ®Çu vµo t¨ng.
2. HiÖu suÊt b¬m ngoµi cao: c«ng suÊt b¬m ngoµi theo nhu cÇu tØ lÖ
víi ®é khuÕch ®¹i yªu cÇu. §Ó ®¹t ®−îc ®é khuÕch ®¹i lín t¹i c«ng suÊt
b¬m nhá phØa cã hiÖu suÊt b¬m ngoµi cao. Yªu cÇu nµy dÉn tíi sô ph¸t
triÓn cña çc bé khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p ®Êt hiÕm EDFA, çc bé
EDFA nµy v−ît tréi h¬n thÕ hÖ tr−íc cña chóng dùa trªn c¬ së hiÖu
øng t¸n x¹ Raman kÝch thÝch. Mét bé EDFA ®iÓn h×nh cã hiÖu suÊt
b¬m tõ 6-10dB/mW.

3.

HiÖu øng b·o hoµ thÊp: khuÕch ®¹i b·o hoµ lµ kh«ng ®¸ng quan t©m
trong çc bé khuÕch ®¹i b¸n dÉn nh−ng rÊt quan träng ®èi víi çc bé
khuÕch ®¹i quang sîi.

4.

B¨ng tÇn réng: ®èi víi bé khuÕch ®¹i quang th× khuÕch ®¹i b¨ng tÇn
réng lµ ®iÒu mong muèn bëi 2 lý do quan träng: thø nhÊt nã cã thÓ
®−îc sö dông ®Ó khuÕch ®¹i ®ång thêi nhiÒu tÝn hiÖu t¹i çc b−íc sãng
kh¸c nhau. §iÒu nµy lµ quan träng víi kü thuËt ghÐp kªnh theo b−íc


13




sãng WDM. Thø 2 lµ, t¹i b¨ng tÇn réng, ®é khuÕch ®¹i cña bé khuÕch
®¹i sÏ nh¹y c¶m ®èi víi b−íc sãng cña tÝn hiÖu vµo. §iÒu nµy cho phÐp
hÖ thèng truyÒn dÉn tr¸nh ®−îc sù tr«i b−íc sãng.
5.

Kh«ng phô thuéc vµo sô ph©n cùc: nãi chung, khuÕch ®¹i c«ng suÊt
cògn phô thuéc vµo sù ph©n cùc cña ¸nh s¸ng vµo. §©y lµ nguyªn nh©n
g©y ra bëi çc hÖ sè giam cÇm lç trèng kh¸c nhau cña ®é ph©n cùc kh¸c
nhau. §Ó kh¾c phôc vÊn ®Ò nµy hai bé khuÕch ®¹i cã thÓ ®−îc kÕt hîp
víi nhau nh− sau:

Bé nèi

Bé t¸ch
tÝn hiÖu
ph©n cùc

H×nh 1.2: KhuÕch ®¹i kh«ng phô thuéc ph©n cùc sö dông 2 bé
khuÕch ®¹i riªng biÖt cho 2 b−íc sãng ph©n cùc trùc giao

6.

NhiÔu bæ sung thÊp: do bøc x¹ ph¸t bªn trong kªnh khuÕch ®¹i nªn çc
bé khuÕch ®¹i quang còng lµm t¨ng thªm nhiÒu ë tÝn hiÖu vµo. H¬n
n÷a, do ®é khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i, nhiÔu bøc x¹ ph¸t cïng ®−îc
khuÕch ®¹i. NhiÔu nµy lµ nhiÔu bøc x¹ ph¸t, nã thªm vµo møc suy hao
nhá nhÊt lµ 8 dB. Do çc bé khuÕch ®¹i kh«ng ®−îc thiÕt kÕ phï hîp
møc suy hao c«ng suÊt lµm cho nhiÔu ASE t¨ng lªn.

7.

Xuyªn kªnh thÊp: khi mét bé khuÕch ®¹i quang ®−îc sö dông ®Ó
khuÕch ®¹i nhiÒu tÝn hiÖu vµo t¹i çc b−íc sãng kh¸c nhau, nhiÔu xuyªn
kªnh lµ quan träng ®Ó ch¾c ch¾n r»ng kh«ng cã nhiÔu tõ tÝn hiÖu nµy
sang tÝn hiÖu kh¸c. NÕu hÖ sè khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i kh«ng phô
thuéc vµo tæng c«ng suÊt tÝn hiÖu vµo th× s÷ kh«ng cã nhiÔu xuyªn kªnh
ICI (Interchannel interferent) hoÆc xuyªn kªnh (crosstalk). Tuy nhiªn,


14




v× khuÕch ®¹i b·o hoµ nªn ®é khuÕch ®¹i phô thuéc vµo c«ng suÊt tÝn
hiÖu vµo. KÕt qu¶ lµ, khi c«ng suÊt cña mét kªnh gi¶m, çc kªnh kh¸c
cã c«ng suÊt lín h¬n dÉn ®Õn ICI hoÆc xuyªn kªnh.
Thùc tÕ, c«ng suÊt trung b×nh cña tÝn hiÖu vµo lµ kh«ng ®æi, chØ cã c«ng
suÊt tøc thêi cña chóng lµ cã thÓ thay ®æi do c−êng ®é ®iÒu chÕ. V× vËy,
khi ®é khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i kh«ng t¨ng tøc theo c«ng suÊt cña
tÝn hiÖu vµo th× bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt ph¶i kh«ng ®æi ®iÒu chÕ c−êng
®é. Bé EDFA d¸p øng ®−îc çc ®iÒu kiÖn trªn v× çc h¹t mang ®iÖn tån
t¹i l©u t¹i tr¹ng th¸i kÝch thÝch siªu bÒn.
8. B−íc sãng c«ng t¸c phï hîp: nh− ta ®· biÕt cã hai b−íc sãng quan
träng sö dông trong truyÒn dÉn quang lµ 1300nm vµ 1550nm. T¹i b−íc
sãng 1300nm t¸n s¾c sîi lµ nhá nhÊt vµ t¹i 1550nm suy hao sîi lµ nhá
nhÊt. V× çc bé khuÕch ®¹i chØ gi¶i quyÕt ®−îc vÊn ®Ò suy hao nªn ng−êi
ta th−êng sö dông çc bé khuÕch ®¹i t¹i b−íc sãng 1300nm. Nãi chung
sÏ kh«ng cã vÊn ®Ò g× nÕu sö dông çc bé khuÕch ®¹i b¸n dÉn lµm tõ hîp
chÊt nhãm III vµ V. Nh−ng bé EDFA cã thÓ khuÕch ®¹i b−íc sãng ¸nh
s¸ng xung quanh b−íc sãng 1550nm do d¶i n¨ng l−îng Erbium.
9. Suy hao bé nèi thÊp: khi mét bé khuÕch ®¹i quang ®−îc sö dông trªn
mét tuyÕn th«ng tin quang, nã bæ sung thªm suy hao bé nèi. Suy hao bé
nèi thÊp cã thÓ ®¹t d−îc khi sö dông kÕt nèi tèt gi÷a khuÕch ®¹i quang vµ
sîi quang.
§Ó hiÓu râ h¬n vÒ khuÕch ®¹i quang, ta sÏ ®i t×m hiÓu vÒ çc lo¹i khuÕch
®¹i quang sau:
3.

KhuÕch ®¹i laser b¸n dÉn (SLA)
Çc bé khuÕch ®¹i laser b¸n dÉn cã cÊu tróc c¬ b¶n dùa trªn cÊu tróc

laser b¸n dÉn th«ng th−êng, cã ®é s©u réng vïng tÝch cùc W, ®é dµy d, dµi L
vµ chØ sè chiÕt suÊt N. TÝnh ph¶n x¹ bÒ mÆt ®Çu vµo vµ ®Çu ra lµ R1 vµ R2.
ThiÕt bÞ ®−îc ®Þnh thiªn d−íi møc ng−ìng ph¸t ®Ó tr¸nh dao ®éng laser xuÊt
hiÖn. Çc vá chèng ph¶n x¹ ®−îc ¸p dông vµo çc mÆt laser ®Ó gi¶m tÝnh ph¶n


15




x¹ cña nã. §iÒu nµy lµm t¨ng b¨ng tÇn khuÕch ®¹i vµ t¹o ra çc ®Æc tÝnh
truyÒn dÉn Ýt phô thuéc vµo sù thay ®æi cña dßng ®iÖn thiªn ¸p, nhiÖt ®é vµ
tÝnh ph©n cùc ¸nh s¸ng ®Çu vµo.
R2

Pout

R1
Pin

d

W

H×nh 1.3: S¬ ®å ph¸c th¶o bé khuÕch ®¹i Laser b¸n dÉn
Hai lo¹i c¬ b¶n cña bé khuÕch ®¹i SLA ®ã lµ khuÕch ®¹i Fabry-Perot
(FPA) vµ khuÕch ®¹i sãng ch¹y(TWA). Víi FPA, hai mÆt tinh thÓ ®−îc chia
t¸ch ho¹t ®éng nh−ng÷ng g−¬ng ®Çu cuèi, ph¶n chiÕu mét phÇn t¹o thµnh hèc
Fabry-Perot. HÖ sè ph¶n x¹ cña çc mÆt xÊp xØ kho¶ng 32%. Nh−ng cã thÓ
thay ®æi ®−îc nhê thay ®æi ®é réng mµng chÊt ®iÖn m«i ®−îc thªm vµo. TÝn
hiÖu ¸nh s¸ng tíi ®−îc kÕt hîp trong hèc ë ®ã nã ®−îc khuÕch ®¹i liªn tiÕp
nhiÒu lÇn gi÷a çc g−¬ng vµ ph¸t x¹ l¹i víi c−êng ®é cao h¬n.
CÊu tróc cña bé khuÕch ®¹i sãng ch¹y TWA còng gièng hÖt FPA ngo¹i
trõ çc mÆt ®Çu cuèi cña hèc ®−îc phñ nh÷ng líp chèng ph¶n x¹ ng¨n c¶n sù
håi tiÕp bªn trong. Do ®ã, tÝn hiÖu ¸nh s¸ng qua thiÕt bÞ chØ ®−îc khuÕch ®¹i
mét lÇn, ®−îc ph¸t ra m¹nh h¬n ®Çu cuèi kia. Do vËy vÒ c¬ b¶n, mét TWA vµ
FPA víi çc hÖ sè ph¶n x¹ g−¬ng ®Çu cuèi hai mÆt tiÕn tíi 0.


16



Dßng

Dßng

¸nh
s¸ng
vµo

¸nh
s¸ng
vµo

Líp chèng
ph¶n x¹
H×nh 1.4 :CÊu tróc cña çc lo¹i SLA
a. CÊu tróc cña FPA
b. CÊu tróc cña TWA

3.1 Bé khuÕch ®¹i Febry- Perot.
H×nh 2.2a m« t¶acaus t¹o ®¬n gi¶n cña mét bé khuÕch ®¹i FebryPerot. Vµ gi¶ sö r»ng hÖ sè khuÕch ®¹i c«ng suÊt qua mçi lÇn chuyÓn tiÕp
lµ Gs. C−êng ®é tr−êng cña ¸nh s¸ng tíi h−íng vµo FPA lµ Ei vµ sÏ lµ
t1Ei khi ®i vµo trong hèc. Sau mét lÇn di chuyÓn qua bé khuÕch ®¹i cã
chiÒu dµi L, tÝn hiÖu ban ®Çu t1E1 sÏ ®−îc khuÕch ®¹i nhê m«i tr−êng
khuÕch ®¹i vµ thµnh t1

G ªE e

− jkL

i

s

. v× g−¬ng bªn ph¶i cã ®é trong suèt

.

t2, biªn ®é tÝn hiÓua sau lÇn di chuyªn r ®Çu tiªn lµ t1t2

− jkL

G ªE e
s

i

. TÝn

.

hiÖu ph¶n x¹ cã biªn ®é trë l¹i g−¬ng bªn tr¸i, ë ®ã biªn ®é cña nã sÏ lµ
−2 jkL

tr G Ee
1

2

i

s

. Sau khi ph¶n x¹ ë g−¬ng bªn tr¸i, sãng ph¶n x¹

−2 jkL

trr G Ee
1

1

2

i

s

khuÕch

®¹i

vµ

trr t rG Ee
1

1

2

2

1

s

sÏ ®−îc khuÕch ®¹i thªm lÇn n÷a nhê m«i tr−êng
ë
−2 jkL

i

®Çu

ra

G Ee
s

−2 jkL

t

cña

g−¬ng

bªn

ph¶i

nã

sÏ

lµ

.§iÒu nµy sÏ lÆp l¹i ®èi víi tÊt c¶ çc

sãng ph¶n x¹, chóng ta thÊy r»ng tr−êng ra sÏ bao gåm v« sè çc thµnh
phÇn ®· ®−îc truyÒn dÉn. NÕu chóng ta gi¶ sö r»ng thêi gian ®i qua hèc
nhá h¬n kho¶ng thêi gian cña tr−êng tÝn hiÖu tíi Ei , tr−êng ra Et sÏ lµ
tæng hîp cña tÊt c¶ çc thµnh phÇn ®· ®−îc truyÒn dÉn. Ta cã:


17




E E e t t ∑ (r1r 2G s ) e
t

∞

− jkL

=

i

1 2

− 2 jkL

m

(1)

m =0

−2 jkL

(1 ) : lµ mét cÊp sè nh©n víi argument( r1 r 2 G s ) e

. Víi

− jkL

rrG
1

2

s

G tt e
E = E 1−
rrGe

< 1 (1) trë thµnh :

s

t

1 2

(2)

− 2 jkL

i

1

2

s

Tõ (2) G ®−îc x¸c ®Þnh:
2

G=

Et
Ei

=

G (1 − r )(1 − r )
1− r1r 2 G s + 4 r r G sin

(

s

)

1

2

2

1

2

s

(3)
2

kL

G lµ hÖ sè khuÕch ®¹i c«ng suÊt FPA.
−2

t1t 2 G s E e

−2 j

E

t 1E

i

t1 G s E e

i

i

i

E =∑

−2

t1r 2 G s E e

−2 j

t1r 2G s E e

i

i

i

−2

t1r 2 r1G s E e
i

−

t1r 2 r1G s G s E e

t1t 2 r 2 r1G s G s E e

i

i

MÆt 1

MÆt 2

t /r

t /r

1

1

2

2

H×nh1.5: S¬ ®å tæng quan cña bé khuÕch ®¹i
Fabry-Perot
Gs lµ hÖ sè khuÕch ®¹i c«ng suÊt cña m«i tr−êng khuÕch ®¹i, ti vµ ri
t−¬ng øng lµ tÝnh truyÒn vµ tÝnh ph¶n x¹ cña hai mÆt.
a. D¶i th«ng 3dB.
D¶i th«ng 3dB ®−îc®Þnh nghÜa ë tÇn sè mµ hÖ sè khuÕch ®¹i c«ng
suÊt G(γ). Vµ ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c«ng thøc:


18




Δν 3dB =

⎡
⎤
C
−1 1 − R G s
⎢
⎥
πL sin ⎢ 2 R G ⎥
s⎦
⎣

(4)

b. Sù b·o hoµ hÖ sè khuÕch ®¹i :
HÖ sè khuÕch ®¹i qua mét lÇn di chuyÓn qua m«i tr−êng khuÕch
®¹i cã chiÒu dµi L tu©n theo quy luËt hµm sè mò:

G

s

= exp{Γg − αL}

(5)

Víi Γ: HÖ sè h¹n chÕ ®Æc tr−ng cho sù ph©n t¸n cña tr−êng quang tÝch
cùc.
α: HÖ sè suy gi¶m
g: HÖ sè khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i trªn mét ®¬n vÞ chiÒu dµi.
Do vËy Gs t¨ng theo quy luËt hµm mò cïng víi sù t¨ng chiÒu dµi thiÕt
bÞ.
Tuy nhiªn, hÖ sè khuÕch ®¹i bªn trong bÞ giíi h¹n bëi sù b·o hoµ hÖ sè
khuÕch ®¹i. Víi c«ng suÊt quang ®ñ lín, nÕu t¨ng thªm c«ng suÊt tÝn hiÖu ®Çu
vµo còng kh«ng ®em l¹i kÕt qu¶ ®¸ng kÓ ë ®Çu ra. Sù b·o hoµ hÖ sè khuÕch
®¹i x·y ra bëi v× khi c«ng suÊt tÝn hiÖu qu¸ lín, kh«ng cã c¸c h¹t mang ®ñ lín
(lç trèng - ®iÖn tö) ®Ó cung cÊp ®ñ cho sù khuÕch ®¹i ho¹t ®éng. Sù b·o hoµ
khuÕch ®¹i ®−îc x¸c ®Þnh bëi:
g (ν ) =

g (ν )
⎛
⎞
1+ ⎜ P ⎟
⎜
⎟
⎝P ⎠

(6)

0

out
in

Do vËy tõ (5) vµ (6) ta cã :

G

s

⎡⎛
⎞ ⎤
⎟ ⎥
⎢⎜ Γ
g0
⎜
⎟
− α ⎟ L⎥
= ⎢⎜
⎢
⎥
⎟ ⎥
⎢⎜ 1 + P out
⎢⎜
Pin ⎟ ⎥
⎠ ⎦
⎣⎝


(7)

19




3.2 Bé khuÕch ®¹i sãng ch¹y TWA.
Mét bé khuÕch ®¹i sãng ch¹y TWA ®−îc xem nh− mét bé khuÕch ®¹i
FPA mµ çc hÖ sè ph¶n x¹ mÆt ®−îc coi nh− b»ng 0.
a. D¶i th«ng 3dB
D¶i th«ng 3dB cña TWA gÊp kho¶ng 3 lÇn cña FPA. V× d¶i th«ng cña
TWA lín hh¬n nhiÒu lÇn so víi FPA, hÖ sè khuÕch ®¹i lín nhÊt cña TWA sÏ
nhá h¬n nhiÒu. Tuy nhiªn, d¶i th«ng rÊt réng s½n cã cña TWA vÒ c¬ b¶n cã
thÓ gi¶m ®Ó t¨ng hÖ sè khuÕch ®¹i, khi t¨ng chiÒu dµi L cña bé khuÕch ®¹i
trong khi vÉn gi÷ hÖ sè ph¶n x¹ ë møc nhá, dï kÕt qu¶ lµ hÖ sè khuÕch ®¹i cña
TWA sÏ t¨ng.
b. HÖ sè khuÕch ®¹i b·o hoµ.
Còng nh− FPA, hÖ sè khuÕch ®¹i tÝn hiÖu lín nhÊt cña TWA còng
bÞ giíi h¹n bëi hÖ sè khuÕch ®¹i b·o hoµ. Tuy nhiªn, víi c«ng thøc (7)
th× ®iÒu nµy kh«ng cã ý nghÜa n÷a. Sù kh¸c nhau gi÷a TWA vµ FPA
n»m ë bªn trong TWA, tÊt c¶ sù khuÕch ®¹i chØ x·y ra mét lÇn.
HÖ sè khuÕch ®¹i Gs ®−îc x¸c ®Þnh:

Gs = 1 +

P
P

sat
in

⎡
⎤
ln ⎢ G 0 ⎥
⎢Gs ⎥
⎣
⎦

(8)

Go: HÖ sè khuÕch ®¹i lín nhÊt cña bé khuÕch ®¹i .
c. Xuyªn ©m
Xuyªn ©m x·y ra khi çc tÝn hiÖu quang, hoÆc çc kªnh riªng biÖt ®−îc
®−a vµo cïng lóc vµ ®−îc khuÕch ®¹i ®ång thêi cïng trong mét bé khuÕch ®¹i.
Nh×n chung, khi mét vµi kªnh ®−îc ®−a ®ång thêi vµo trong mét bé khuÕch
®¹i quang, hÖ sè khuÕch ®¹i cña mét kªnh riªng biÖt bÞ ¶nh h−ëng bëi c−êng
®é cña çc kªnh kh¸c. ¶nh h−ëng cña nã phô thuéc vµo thêi gian sèng h¹t
mang te cña m«i tr−êng khuÕch ®¹i. Khi tèc ®é d÷ liÖu ®Çu vµo nhá h¬n nhiÒu
so víi nghÞch ®¶o cña te, hÖ sè khuÕch ®¹i bé khuÕch ®¹i sÏ thay ®æi theo tÊt


20




c¶ c«ng suÊt vµo tøc thêi Pin. Ng−êi ta ®· chøng minh r»ng, khi tèc ®é d÷ liÖu
vµo lín h¬n nhiÒu 1/te, Pin ë (8) ®−îc thay b»ng gi¸ trÞ trung b×nh.
*. T¹p ©m bé khuÕch ®¹i.
Mét giíi h¹n n÷a ¶nh h−ëng tíi hÖ sè khuÕch ®¹i lµ do t¹p ©m trong bé
khuÕch ®¹i Laser b¸n dÉn vµ t¹p ©m nµy còng ®−îc khuÕch ®¹i cïng víi tÝn
hiÖu. Sù tæ hîp tù ph¸t cña ®iÖn tö vµ lç trèng trong m«i tr−êng bé khuÕch ®¹i
g©y ra khuÕch ®¹i bøc x¹ t¹p ©m tù ph¸t. T¹p ©m tù ph¸t cã thÓ ®−îc xem nh−
qu¸ tr×nh ngÉu nhiªn, kÕt qu¶ lµ rÊt nhiÒu xung ng¾n bÞ ph©n t¸n theo m«i tÝch
cùc. Qu¸ tr×nh ngÉu nhiªn nµy ®−îc m« t¶ bëi phæ c«ng suÊt t¹p ©m nÒn vµ
mËt ®é phæ c«ng suÊt ASE ®−îc cho bëi:

N

ASE

= ℵη

SP

(G (v ) − 1)hv

(9)

Trong ®ã

η

SP

: lµ hÖ sè bøc x¹ tù ph¸t

h : lµ h»ng sè Pl¨ng
ℵ

: hÖ sè t¹p ©m d−
ℵ=

(1 + R G )(G
(1 − R )G
1

s

S

1

− 1)

S

* KÕt luËn: Tõ viÖc ph©n tÝch phæ khuÕch ®¹i Laser b¸n dÉn, xem xÐt
ho¹t ®éng vµ mét vµi ®Æc tÝnh cña nã, ta thÊy mÆc dï SLA cã cÊu tróc nhá
h¬n, ho¹t ®éng tèt h¬n 1300nm vµ 1550nm, ®Æc biÖt TWA cã b¨ng tÇn réng
h¬n nh−ng nã l¹i gÆp mét sè trë ng¹i nh− : b¨ng tÇn khuÕch ®¹i h¹n chÕ
3÷5GHz vµ c«ng suÊt b·o hoµ thÊp, sù phô thuéc ph©n cùc cña ¸nh s¸ng,
nhiÔu lín do tÝn hiÖu ®−îc khuÕch ®¹i nhiÒu lÇn trong FPA lµm ASE t¨ng.
ChÝnh c¸c nh−îc ®iÓm nµy®· h¹n chÕ kh¶ n¨ng øng dông cña SLA vµo m¹ng


21




viÔn th«ng. Hy väng r»ng trong t−¬ng lai nh÷ng h¹n chÕ nµy sÏ ®−îc kh¾c
phôc.
Trong khi ®ã çc bé khuÕch ®¹i quang sîi l¹i cã tÝnh n¨ng v−ît tréi
h¬n h¼n nh− SLA; kh«ng nh¹y víi hiÖu øng ph©n cùc ¸nh s¸ng, c«ng suÊt b·o
hoµ lèi ra cao vµ kh¶ n¨ng nhiÔu gÇn nh− lý t−ëng t¹i cöa sæ truyÒn dÉn
1550nm nªn hiÖn nay çc bé khuÕch ®¹i quang sîi ®· ®−îc triÓn khai vµ øng
dông trªn m¹ng viÔn th«ng vµ nã sÏ ph¸t triÓn h¬n trong t−¬ng lai.

4.

ViÖc sö dông çc sîi quang cã pha t¹p ®Êt hiÕm lµm bé khuÕch ®¹i tÝn

hiÖu quang cho çc tuyÕn truyÒn dÉn quang ®· cã ý nghÜa rÊt lín trong viÖc
t¨ng tèc ®é vµ cù ly truyÒn dÉn. Çc sîi nµy ®−îc xem nh− lµ sîi quang tÝch
cùc, chóng cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i hoÆc t¸i t¹o tÝn hiÖu nÕu cã kÝch thÝch phï
hîp. C¬ chÕ ho¹t ®éng cña sîi quang pha t¹p ®Êt hiÕm ®Ó trë thµnh bé khuÕch
®¹i ®−îc m« t¶ nh− h×nh vÏ sau:
E2

Ph©n r·

E2

E3

Ph©n r·

E3

λb¬m

λb¬m
E4

E1

Ph©n r·

E1
b

a

H×nh1.6: a: C¬ chÕ bøc x¹ trong 3 møc
b: C¬ chÕ bøc x¹ trong 4 møc
Khi mét ®iÖn tö ë tr¹ng th¸i c¬ b¶n E1 ®−îc kÝch thÝch tõ mét nguån bøc x¹
cã b−íc sãng phï hîp nã sÏ hÊp thô n¨ng l−îng vµ chuyÓn ®æi tíi møc cao
h¬n E2. Tõ møc nµy nã sÏ ph©n r· trùc tiÕp xuèng tr¹ng th¸i c¬ b¶n theo çch
bøc x¹ hoÆc nÕu nh− cã mét møc n¨ng l−îng thÊp h¬n (E3) nã sÏ th¶ kh«ng
bøc x¹ tãi møc ®ã. Tõ ®©y ®iÖn tö cã thÓ ph©n r· xuãng møc E1( h×nh a) hoÆc
E4(h×nh b) th«ng qua qu¸ tr×nh bøc x¹ tù ph¸t, trong ®ã n¨ng l−îng d− ra thu


22




®−îc nhê sù ph¸t photon cã b−íc sãng dµi h¬n b−íc sãng kÝch thÝch. NÕu thêi
gian sãng cña møc E3 ®ñ dµi ®Ó çc ®iÖn tö ®−îc nguån b¬m kÝch thÝch th× cã
thÓ x·y ra nghÞch ®¶o mËt ®é tÝch luü. §©y lµ ®iÒu kiÖn ®Ó çc ®iÖn tö trªn
møc siªu bÒn E3 nhiÒu h¬n ë møc tíi ( E1 hoÆc E4). Cã nhiÒu çc ion ®Êt
hiÕm cã çc d·i huúnh quang cho kh¶ n¨ng bøc x¹ kÝch thÝch vµ khuÕch ®¹i
tÝn hiÖu nh− Nd+3 (Neodium), Er+3(Erbium) Ho+3(Holmi) vµ Tm+3(Tuli)…
Trong çc sîi pha çc t¹p chÊt nµy th× sîi quang pha t¹p Erbium lµ ®−îc ph¸t
triÒn m¹nh nhÊt trong truyÒn dÉn sîi quang v× nã ph¸t ra tÝn hiÖu ë b−íc sãng
phï hîp víi b−íc sãng cã suy hao nhá s½n cã cña sîi dÉn quang- vïng b−íc
sãng 1550nm. Çc bé khuÕch ®¹i sö dông sîi pha t¹p Erbium ®−îc gäi lµ
EDFA. Sau khi nghiªn cøu vÒ khuÕch ®¹i b¸n dÉn SLA vµ khuÕch ®¹i quang
sîi OFA ng−êi ta ®−a ra b¶ng so s¸nh sau:

Th«ng sè

KhuÕch ®¹i b¸n dÉn


HÖ sè khuÕch ®¹i c«ng

Cao

Cao

HiÖu øng b·o hoµ

Nhá

Lín

HiÖu suÊt b¬m

Cao

Cao

B¨ng th«ng

Nhá ®èi víi FPA

Lín

Phô thuéc ph©n cùc

Cã

Cã

ASE

Nhá

Lín

Lín

Kh«ng ®¸ng kÓ

B−íc sãng c«ng t¸c

1300-1550nm

1550nm

Suy hao ®Êu nèi

Vµi dB

Kh«ng ®¸ng kÓ

suÊt

Xuyªn kªnh

5. Nghiªn cøu bé khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium (EDFA)
5.1 CÊu tróc cña modul EDFA
EDFA lµ mét lo¹i khuÕch ®¹i quang sîi OFA (Optical

Fiber

Amplifier). V× thÕ nã ®−îc xem nh− lµ mét hép ®en cã Ýt nhÊt hai cöa quang
vµ phÇn nèi ®iÖn ®Ó cÊp nguån nh− ®−îc chØ ra ë h×nh vÏ sau. Çc cöa quang


23




th−êng ®−îc ph©n biÖt thµnh cöa ®Çu vµo vµ cöa ®Çu ra vµ cã thÓ bao gåm çc
sîi kh«ng ®−îc kÕt cuèi hoÆc kÕt cuèi b»ng çc bé nèi quang.
TÝn hiÖu vµo

Bé khuÕch ®¹i
quang sîi

TÝn hiÖu ra

Çc tÝn hiÖu H×nh1.7®i qua OFA quang sîi
sau khi KhuÕch ®¹i sÏ ®−îc khuÕch ®¹i ë lèi ra cña OFA.
§Ó thùc hiÖn ®−îc chøc n¨ng nµy, cÊu tróc vµ çc thµnh phÇn c¬ b¶n cña
modul EDFA ®−îc chØ ra nh− h×nh 1.6
Çc thµnh phÇn cña mét modul EDFA bao gåm sîi pha t¹p Erbium EDF
(Erbium Doped Fiber), laser b¬m, çc bé ghÐp b−íc sãng WDM vµ çc bé
çch ly quang.

EDF

Çch ly

Çch ly quang

WDM

Mèi

Laser
b¬m

H×nh 1.8: S¬ ®å cÊu tróc cña modul EDFA.
PhÇn tö quan träng nhÊt cña modul EDFA lµ mét ®o¹n sîi quang cã pha
t¹p Erbium (EDF) cã chiÒu dµi tõ vµi mÐt ®Õn vµi chôc mÐt, sîi nµy ®−îc xem
lµ sîi tÝch cùc v× chóng cã kh¶ n¨ng tù khuÕch ®¹i hoÆc t¸i t¹o tÝn hiÖu nÕu
nh− cã kÝch thÝch phï hîp. §o¹n sîi cã lâi SiO2 hoÆc SiO2 - Al2O3 pha trén
thªm Er3+ víi nång ®é tõ 100÷2000ppm. Çc sîi EDFA nµy th−êng cã lâi nhá
h¬n vµ khÈu ®é sè NA cao h¬n so víi sîi tiªu chuÈn. Ngoµi sù pha t¹p Erbium
trong vïng lâi, cÊu tróc cña EDFA lµ gièng víi cÊu tróc cña sîi ®¬n mode tiªu


24




chuÈn hay sîi t¸n s¾c dÞch chuyÓn DSF (Dispersion Shifted Fiber) t−¬ng øng
víi çc khuyÕn nghÞ G.652 hay G.653 ITU-T, ®ang sö dông trªn çc hÖ thèng
truyÒn dÉn quang.
§Ó thu ®−îc ®é khuÕch ®¹i ph¶i cung cÊp n¨ng l−îng quang cho sîi pha
t¹p Erbium, çc laser c«ng suÊt cao ®−îc dïng lµm laser b¬m ®Ó cung cÊp
n¨ng l−îng quang (n¨ng l−îng b¬m) cho EDF. B−íc sãng ho¹t ®éng cña laser
b¬m lµ 980nm hoÆc 1480nm, c«ng suÊt b¬m tiªu biÓu lµ tõ 10mW÷80mW.
Bé ghÐp b−íc sãng WDM dïng ®Ó ghÐp ¸nh s¸ng tÝn hiÖu vµ ¸nh s¸ng
b¬m vµo EFA, hoÆc trong mét sè tr−êng hîp nã l¹i t¸ch tÝn hiÖu nµy.
Çc bé çch ly quang cã t¸c dông lµm gi¶m ¸nh s¸ng ph¶n x¹ tõ hÖ thèng ch¼ng h¹n
nh− ph¶n x¹ Rayleich tõ çc bé nèi quang, ng−îc l¹i tõ çc bé khuÕch ®¹i quang tíi
møc chÊp nhËn ®−îc. Sîi pha t¹p Erbium lµ thµnh phÇn quan träng nhÊt cña modul
EDFA.
Vïng c−êng ®é cao
®−îc pha víi
100:2000ppm erbium

Vá silica
®−êng kÝnh
125μm

§−êng kÝnh
250μm

Lâi b¸n kÝnh 3-6 pha víi
chØ sè chiÕt xuÊt Δn=0.010.05

H×nh1.9 : CÊu tróc h×nh häc lâi sîi pha t¹p Erbium

Çc ion Erbium ®−îc ®Æt ë vïng lâi trung t©m cña EDF. Vïng lâi trung
t©m ( ®−êng kÝnh 5μm) cña EDF lµ n¬I mµ c−êng ®é sãng tÝn hiÖu vµ b¬m lµ


25




cao nhÊt. Sù s¾p xÕp cña çc ion Er3+ trong vïng nµy cung cÊp sù chång lÊn
n¨ng l−îng tÝn hiÖu vµ b¬m lín nhÊt cho çc ion, kÕt qu¶ lµ khuÕch ®¹i tèt
h¬n. mét líp vá thuû tinh chØ sè thÊp h¬n bao quanh vïng lâi t¹o thµnh cÊu
tróc èng dÉn sãng vµ lµm t¨ng ®é bÒn c¬ häc. Mét líp vá b¶o vÖ ®−îc thªm
vµo, ®−êng kÝnh tæng céng lµ 250μm. Líp vá bäc nµy víi chØ sè khóc x¹ t¨ng
tËp trung ë vá ®Ó lo¹i bá çc ¸nh s¸ng kh«ng mong muèn truyÒn trong vá. CÊu
tróc sîi pha t¹p Erbium còng gièng nh− çc sîi ®¬n mode tiªu chuÈn. §Æc tÝnh
quan träng cña EDF lµ khuÕch ®¹i/ suy hao trªn mét d¬n vÞ chiÒu dµi ë çc
b−íc sang tÝn hiÖu vµ b−íc sãng b¬m. §iÒu nµy cã ®−îc lµ do çc mÆt c¾t
ngang thu hót, vËt ph¸t x¹ vµ hÖ sè giam cÇm ®èi víi ¸nh s¸ng b¬m vµ ¸nh
s¸ng tÝn hiÖu.
• Çc møc n¨ng l−îng
Çc nguyªn tö Erbium ho¸ trÞ 3 lµ nh−ng nguyªn tè tÝch cùc trong bé
khuÕch ®¹i cã nhiÖm vô khuÕch ®¹i quang. Sù chuyÓn tiÕp quang thÝch hîp
®−îc chØ ra ë h×nh vÏ. Çc b−íc sang t−¬ng øng víi çc møc chuyÓn tiÕp ®−îc
chØ ra cã mèi quan hÖ víi tr¹ng th¸i nÒn. Quan s¸t vµo h×nh vÏ biÓu ®å n¨ng
l−îng EDFA ta thÊy:
Gi¶n ®å n¨ng l−îng
2

4

Vïng b¬m

660
810

F9/2
I9/2

4

Kh«ng bøc x¹

S3/2

4

543

H11/2

4

520

I11/2

Siªu bÒn
4

I13/2
N2

148
0
155
0

Tù ph¸t

KhuÕch ®¹i
1550-1660

980

4

I15/2

Tr¹ng th¸i nÒn

H×nh 1.10: BiÓu ®å n¨ng l−îng ®èi víi ion Erbium cã ho¸


26




Tªn phÝa bªn ph¶i lµ sè l−îng tö th−êng ding ®Ó Ên ®Þnh cho mçi
chuyÓn tiÕp. Nh÷ng sè nµy ®−îc t¹o ra bëi c«ng thøc 2S+Lj ( víi S lµ sè
l−îng tö quay, L lµ ®éng l−îng gãc quü ®¹o, j lµ tæng ®éng l−îng gãc (L+S)).
LSj ë ®©y dïng ®Ó chØ çc møc n¨ng l−îng ion. Çc tr−êng “ Local crytalline”
x¸o trén cÊu tróc n¨ng l−îng ion vµ ®em l¹i kÕt qu¶ lµ mçi møc n¨ng l−îng
LSj chia thµnh nhiÒu møc. Sù chia t¸ch nµy liªn quan ®Õn hiÖu øng stark. Do
kÕt qu¶ cña sù hçn ®én nµy trong cÊu tróc ph©n tö thuû tinh, mçi ion cã h−íng
vµ ®é dµi tr−êng kh¸c nhau, dùa trªn sù chia t¸ch Stark kh¸c nhau. Sù chia
t¸ch nµy chÞu tr¸ch nhiªm ®èi víi viÖc d¶i th«ng khuÕch ®¹i lín cña bé
khuÕch ®¹i pha t¹p ®Êt hiÕm. Trong cÊu tróc n¨ng l−îng ion cña LSj sè çc
®−êng “Stark- split” lµ (2j+1)/2 ®èi víi mçi møc. Do vËy çc møc 4I13/2 vµ
4

I15/2 sÏ t−¬ng øng cã 7 vµ 8 ®−êng stark. KÕt qu¶ trong 56 sù chuyÓn tiÕp cã

thÓ

chóng

tr¶i

ngang

qua

d¶i

1550nm.

Çc

b−íc

sãng

1480nm,980nm,800nm,670nm vµ 521nm còng cho phÐp kÝch thÝch ion
Erbium. TÊt c¶ nh÷ng b−íc sãng nµy ®· ®−îc sö dông ®Ó b¬m cho çc EDFA.
Çc bé khuÕch ®¹i quang ®−îc chia thµnh çc hÖ thèng laser 2,3,4 møc. Mét
EDFA ®−îc b¬m tõ d¶i 4I13/2 ®· ®−îc coi nh− hÖ thèng 2 møc, v× sù chuyÓn
tiÕp tÝn hiÖu vµ tÝn hiÖu b¬m lµ gi÷a nh÷ng d¶i n¨ng l−îng nh− nhau. B¬m ë
980nm t¹o thµnh hÖ thèng 3 møc n¬i mµ sù ph©n r· mét çch nhanh chãng
n¨ng l−îng ion (2μs) kh«ng bøc x¹ tõ møc 4I11/2 ®Õn tr¹ng th¸i siªu bÒn 4I13/2 .
Çc bé khuÕch ®¹i c¬ b¶n dùa trªn çc hÖ thèng 2 hoÆc 3 møc ph¶i ®−îc thiÕt
kÕ ®Ó h¹n chÕ sù hÊp thô l¹i cña tÝn hiÖu do sù hiÖn diÖn c¶u sù hÊp thô ë tr¹ng
th¸i bÒn ë b−íc sãng tÝn hiÖu. HÖ thèng 4 møc lµ sù më réng cña hÖ thèng 3
møc ë ®ã cã mét møc n¨ng l−îng ®−îc thªm vµo ë phÝa d−íi møc thÊp h¬n
cña sù chuyÓn tiÕp khuÕch ®¹i . çc hÖ thèng 4 møc kh«ng cã sù hÊp thô l¹i
tÝn hiÖu tr¹ng th¸i nÒn mµ cã thÓ gi¶m ®Æ tÝnh cña bé khuÕch ®¹i dùa trªn hÖ
thèng 3 møc.
5.2 Nguyªn lý ho¹t ®éng cña EDFA.
Qu¸ tr×nh bøc x¹ x¶y ra trong EDFA nh×n chung cã thÓ ®−îc ph©n cÊp
thµnh bøc x¹ kÝch thÝch vµ bøc x¹ tù ph¸t. Khi çc ion Erbium Er3+ ®−îc kÝch
thÝch tõ tr¹ng th¸i nÒn th«ng qua sù hÊp thô ¸nh s¸ng b¬m, nã sÏ ph©n r·


27




kh«ng ph¸t x¹ tõ çc møc n¨ng l−îng cao h¬n cho tíi khi tiÕn tíi tr¹ng th¸i
siªu bÒn 4I13/2 . TÝn hiÖu quang tíi sÏ ®i ®Õn víi çc ion Erbium ®· ®−îc kÝch
thÝch. Qu¸ tr×nh bøc x¹ kÝch thÝch sÏ t¹o ra çc photon phô cã cïng pha vµ
h−íng quang nh− tÝn hiÖu tíi. Nh− vËy ®· ®¹t ®−îc qu¸ tr×nh khuÕch ®¹i
quang trong EDFA. Çc ion ®· ®−îc kÝch thÝch mµ kh«ng t−¬ng t¸c víi ¸nh
s¸ng tíi sÏ ph©n r· tù ph¸t tíi tr¹ng th¸i nÒn víi h»ng sè thêi gian xÊp xØ
10ms. Ph¸t x¹ tù ph¸t SE (Spontaneous Emission) cã pha vµ h−íng ngÉu
nhiªn. Tiªu biÓu cã Ýt h¬n 1% ph¸t x¹ tù ph¸t ®−îc gi÷ l¹i bëi mode sîi quang
vµ nã trë thµnh mét nguån nhiÔu quang. ë ®Çu ra cña bé khuÕch ®¹i quang
EDFA kh«ng nh÷ng tÝn hiÖu ®−îc khuÕch ®¹i mµ nhiÔu nµy còng sÏ ®−îc
khuÕch ®¹i vµ t¹o ra bøc x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i ASE (Amplified
Spontaneous Emission). ASE lµm suy gi¶m tû lÖ tÝn hiÖu trªn nhiÔu cña tÝn
hiÖu qua bé khuÕch ®¹i.
5.3 Xu h−íng ph¸t triÓn cña çc modul EDFA.
a. Bé khuÕch ®¹i quang sîi ph¶n x¹ ®¬n h−íng vµ hai h−íng:
§Ó ®a d¹ng ho¸ viÖc øng dông, tõ çc modul tiªu chuÈn ®¬n h−íng vµ
song h−íng, trong thêi gian tíi sÏ cã mét sè d¹ng cÊu h×nh c¶i tiÕn víi çc
modul kh¸c nhau. Tr−íc hÕt ph¶i kÓ ®Õn modul ph¶n x¹ ®¬n h−íng vµ song
h−íng. Trong çc EDFA ph¶n x¹, mét thiÕt bÞ ®−îc ®Æt t¹i ®Çu ra cña EDFA
®Ò ph¶n x¹ ¸nh s¸ng b¬m vµ tÝn hiÖu ¸nh s¸ng b¬m vµ tÝn hiÖu ®i qua EDFA
hai lÇn sÏ cho bé khuÕch ®¹i thùc t¨ng lªn. Çc EDFA hai h−íng so víi EDFA
b¬m tiªu chuÈn ë h×nh vÏ sÏ minh ho¹ cho ¸nh s¸ng b¬m ®−îc trong EDFA
nhê mét g−¬ng l−ìng s¾c. CÊu h×nh nµy cã thÓ cho ra ®−îc khuÕch ®¹i tÝn hiÖu
t¨ng cao gÇn nh− gÊp hai lÇn so víi cÊu h×nh chuÈn do cã sù khuÕch ®¹i kÐp ë
EDFA ph¶n x¹.

Input

WDM

Output
EDF

Laser
b¬m

H×nh 1.11: CÊu h×nh EDFA b¬m xu«i tiªu chuÈn


28




WDM

Input

Output
EDF

Laser
b¬m

H×nh 1.12: CÊu h×nh EDFA ph¶n x¹
Input

WDM

WDM

Çch ly

Output

EDF

Laser
b¬m

H×nh 1.13: CÊu h×nh EDFA b¬m hai h−íng c¬ b¶n
HiÖn t¹i vµ t−¬ng lai, çc cÊu h×nh EDFA hai h−íng sÏ ®−îc øng dông nhiÒu
vµ cho ra çc −u ®iÓm h¬n so víi cÊu h×nh ph¶n x¹. Çc tÝn hiÖu quang ë ®Çu
vµo c¶ hai ®Çu EDFA v× vËy cÊu h×nh nµy gäi lµ cÊu h×nh tÝn hiÖu hai h−íng.
Tuy nhiªn cÊu tróc nµy dÉn ®Õn gi¸ thµnh ®¾t khi ph¶i sö dông nguån c«ng
suÊt b·o hoµ rÊt cao.
b.
Tù ®éng ®iÒu chØnh khuÕch ®¹i vµ c«ng suÊt.
Trong çc hÖ thèng khuÕch ®¹i quang, çc ®¸p øng phi tuyÕn cña EDFA
®èi víi tÝn hiÖu ®Çu vµo lín sÏ dÉn ®Õn sù biÕn ®æi c«ng suÊt ngoµi ý muèn, vµ
®iÒu nµy lµm suy gi¶m tØ lÖ lçi bit BER cña hÖ thèng. Trong çc hÖ thèng sö
dông nhiÒu bé khuÕch ®¹i quang m¾c chuçi, ¶nh h−ëng cña b·o hoµ khuÕch ®¹i
t¹i bÊt k× tr¹ng th¸i EDFA nµo còng ®Æc biÖt cã h¹i v× çc chuçi ®−îc thiÕt kÕ
®Ó ho¹t ®éng t¹i møc th«ng suèt tÝn hiÖu mét çch chÝnh x¸c. Trong çc hÖ
thèng th«ng tin quang sö dông kü thuËt ghÐp kªnh theo b−íc sãng WDM, c«ng
suÊt tæng tõ sù xÕp chång cña vµi kªnh quang cã thÓ thay ®æi mét çch ngÉu
nhiªn theo thêi gian. §iÒu nµy g©y ra tr«i c«ng suÊt tÝn hiÖu vµ sù tù ®iÒu chÕ
trong kªnh tÇn sè thÊp ngoµi ý muèn. Nh− vËy, thùc hiÖn viÖc ®iÒu chØnh


29




khuÕch ®¹i lµ cÇn thiÕt vµ gi¶i ph¸p cho çc vÊn ®Ò nªu trªn lµ sù ®iÒu chØnh
khuÕch ®¹i AGC. Còng t−¬ng tù nh− thÕ víi hÖ thènh yªu cÇu c«ng suÊt tÝn hiÖu
®Çu ra kh«ng ®æi, yªu cÇu gi¶m dao ®éng c«ng suÊt ®Çu ra, sö dông APC.
c.
C©n b»ng vµ lµm ph¼ng phæ khuÕch ®¹i.
C©n b»ng phæ khuÕch ®¹i lµ rÊt quan träng ®èi víi hÖ thèng ghÐp kªnh
WDM kÕt hîp EDFA. Nh− ta ®· biÕt, b¨ng tÇn khuÕch ®¹i lµ kh«ng ®ång
d¹ng vÒ phæ vµ thÓ hiÖn mét vµi gîn sãng, sù kh¸c nhau vÒ ®é khuÕch ®¹i lµ
x·y ra t¹i çc kªnh quang cã kho¶ng çch b−íc sãng lín. Trong chuçi çc bé
khuÕch ®¹i quang, ngay c¶ sù kh¸c nhau nh− vÒ phæ khuÕch ®¹i còng cã thÓ
dÉn tíi sù kh¸c biÖt lín vÒ c«ng suÊt tÝn hiÖu thu ®−îc, ®iÒu nµy g©y ra sù
kh¸c nhau lín vÒ BER gi÷a çc tÝn hiÖu thu ®−îc tíi møc kh«ng thÓ chÊp
nhËn ®−îc
C©n b»ng khuÕch ®¹i nghÜa lµ lµm cho khuÕch ®¹i ®ång ®Òu ë çc
kªnh quang riªng rÏ.
Lµm ph½ng khuÕch ®¹i nghÜa lµ t¹o ra ®−îc b¨ng tÇn phæ khuÕch ®¹i
®ång ®Òu ë çc kªnh quang riªng rÏ. Nh− vËy, khi ë tr−êng hîp øng dông hai
kªnh, c©n b»ng khuÕch ®¹i cã thÓ ®−îc thùc hiÖn nhê biÖn ph¸p ®¬n gi¶n nh−
sau: khi cã ®é dµi ®· cho cña EDFA, c«ng suÊt b¬m cã thÓ ®−îc chän ®Ó çc
bé khuÕch ®¹i trong çc vïng ®Ønh vµ vai gåm çc b−íc sãng 1580nm vµ
1540nm lµ chÝnh x¸c b»ng nhau, v× sù kh¸c biÖt lµ do ¶nh h−ëng cña sù t¸i
hÊp thô tÝn hiÖu ë b−íc sãng ng¾n. Mét çch c©n b»ng khuÕch ®¹i kh¸c lµ ®Æt
çc kªnh quang t¹i çc b−íc sãng mµ nã cho ra çc ®é khuÕch ®¹i b»ng nhau
ë ®iÒu kiÖn b¬m lín nhÊt.
d.
CÊu tróc c¶i tiÕn ®Æc tÝnh kh¸c.
§Ó c¶i thiÖn ®Æc tÝnh cña EDFA, mét sè cÊu tróc biÕn ®æi cã sù thay ®æi
chót Ýt vÒ cÊu h×nh cña EDFA:
+ Trong cÊu h×nh nµy, ®Çu tiªn lµ cÊu h×nh thay ®æi ®é dµi EDF ®Ó thu
®−îc ®é khuÕch ®¹i cao h¬n.
+ Thø hai lµ t¸ch ®é dµi EDF thµnh hai phÇn b»ng bé çch ly.


30




+ Ph−¬ng ph¸p thø ba ®Ó t¨ng ®é khuÕch ®¹i cña EDFA lµ ®Æt thªm vµo
®é dµi EDF mét bé läc quang b¨ng th«ng hÑp.
Víi bé khuÕch ®¹i EDFA tham sè quan träng nhÊt lµ ®é dµi cña sîi pha
tap Erbium EDF. §é khuÕch ®¹i vµ h×nh ¶nh nhiÔu cña EDFA ®Òu bÞ ¶nh
h−ëng m¹nh tõ ®é dµi sîi EDF råi sau ®ã lµ cÊu h×nh b¬m. §Ó thiÕt kÕ ®−îc
mét bé khuÕch ®¹i EDFA cã hiÖu qu¶ cao nhÊt cÇn tèi −u ho¸ ®é dµi EDF.
5.4

Tèi −u ho¸ ®é dµi sîi pha t¹p Erbium (EDF).
Môc ®Ých chÝnh cña thiÕt kÕ tèi −u EDFA lµ lùa chän ®é dµi EDF ®Ó cã ®é

khuÕch ®¹i cao. §é khuÕch ®¹i cña EDFA phô thuéc chñ yÕu vµo ®é dµi EDF,
vµ dù b¸o ®é khuÕch ®¹i lµ phøc t¹p do b¶n chÊt ph©n bè hai h−íng cña bé
khuÕch ®¹i. Ta cã thÓ coi EDFA nh− mét chuçi cña nhiÒu bé khuÕch ®¹i
quang nhá ghÐp l¹i víi nhau cã ®é dµi t¨ng dÇn. VËy ®é khuÕch ®¹i G thùc
®−îc cÊu thµnh tõ toµn bé phÇn tö khuÕch ®¹i g(z) däc theo trôc z cña EDF vµ
cã thÓ viÕt nh− sau:
L

G = exp ∫ g (z )dz

(9)

0

ë ®©y L lµ ®é dµi cña EDF. Trong c¸c tham sè cña EDF th−êng cã phæ
hÊp thô vµ bøc x¹ kÝch thÝch thu ®−îc tõ sîi thuû tinh pha t¹p Erbium. Phæ
khuÕch ®¹i g*(λ) vµ phæ suy hao α(λ) ®o ®−îc x¸c ®Þnh tõ:

g (λ ) = σ (λ )Γ(λ ) N
*

e

(10)

t

α (λ ) = σ a (λ )Γ(λ ) N t

(11)

Trong ®ã
σe: tiÕt diÖn bøc x¹
σa: TiÕt diÖn hÊp thô
Γ(λ) : Lµ hÖ sè chång lÊn gi÷a tr−êng mode qua tÝch luü ion Erbium

(

Γ(λ ) = 1 − exp − b / a
2

2

)

(12)

a: lµ b¸n kÝnh lâi sîi
b: b¸n kÝnh phñ Er3+
Nt: mËt ®é ion Erbium


31




Khi ¸nh s¸ng b¬m vµ ¸nh s¸ng tÝn hiÖu truyÒn trong cïng mét h−íng
däc theo sîi vµ bøc x¹ tù ph¸t kh«ng ®¸ng kÓ, c«ng suÊt tÝn hiÖu Ps ®−îc thay
®æi khi ®i qua lat EDF lµ:
d Ps
dz

= g (z ) P s − α P s

(13)

αs: lµ hÖ sè suy hao cña sîi
HÖ sè khuÕch ®¹i g(z) lµ kh¸c nhau gi÷a tÝch luü ion ë møc trªn vµ møc
d−íi vµ cã thÓ ®−îc viÕt nh− sau:
⎡ *
⎤
g (z ) = ⎢ g (λ ) N 2 − α (λ ) N 1 ⎥
⎢
Nt
Nt⎥
⎣
⎦

(14)

Trong ®ã :

N2: mËt ®é tÝch luü trung b×nh ë tr¹ng th¸i siªu bÒn( hoÆc tÝch luü
ë møc trªn –4I13/2)
N1: mËt ®é tÝch luü trung b×nh ë tr¹ng th¸i nÒn( hoÆc tÝch luü ë
møc trªn –4I152)
MËt ®é cña Er3+ lµ Nt=N1+N2: ¸nh s¸ng b¬m cã thÓ ®−îc ph©n tÝch
t−¬ng tù.
§èi víi b¬m ë d¶i hÊp thô 980nm, tÝch luü da t¹p 4I11/2 lµ kh«ng
®¸ng kÓ. Sù hiÕm cña møc b¬m tho¶ m·n danh ®Þnh khi tèc ®é ph©n ra kh«ng
bøc x¹ tõ møc b¬m Wnr lín h¬n nhiÒu tèc ®é b¬m Wpump :

¦W

pump

=

P σ (λ
p

a

hν p A

p

)

(15)

Trong ®ã : Pp : C«ng suÊt b¬m
νp: TÇn sè b¬m.

A: DiÖn tÝch tr−êng mode

ë ®©y, gi¶ thiÕt mËt ®é ion Er3+ lµ h»ng sè trong vïng b¸n kÝnh EDF
r<b lµ b¸n kÝnh lâi pha t¹p Erbium vµ b»ng 0 víi r>b. C¸c mËt ®é tÝn hiÖu vµ
b¬m ®−îc xem lµ ®ång nhÊt trong lâi pha t¹p. Diode laser b¬m (LD) lµ LD ®¬n
mode. B¬m ®¬n mode ®−îc tËp trung t¹i tÇn sè γ=γp. C«ng suÊt b¬m ph¶i cao
h¬n ng−ìng b¬m.

P

th

=

hγ A

σ (λ )Γ(λ )τ
p

©


p

(16)

p

32




τ: Lµ thêi gian tån t¹i tù ph¸t cña ion ë tr¹ng th¸i gi¶ bÒn. TÝn hiÖu táng
tr−êng hîp nµy tËp trung ë γs. C«ng suÊt tÝn hiÖu b·o hoµ ®−îc cho bëi:

P

sat

=

hγ A
p

σ (λ ) + σ (λ )Γ(λ )τ
e

s

a

s

(17)

s

Qua ®ã ta thÊy c«ng suÊt b¬m sÏ gi¶m däc theo sîi. NÕu ®é dµi EDF lµ
qu¸ dµi, mét phÇn nµo ®ã cña sîi sÏ b¬m d−íi ng−ìng nghÞch ®¶o vµ nã t¸i
hÊp thô tÝn hiÖu. EDF mµ qu¸ ng¾n sÏ hÊp thô qu¸ Ýt c«ng suÊt b¬m. §é dµi tèi
−u t¨ng theo c«ng suÊt b¬m vµ gi¶m theo sù t¨ng c«ng suÊt tÝn hiÖu. Tõ h×nh
vÏ ®· chØ ra ®é khuÕch ®¹i EDFA phô thuéc vµo ®é dµi bé khuÕch ®¹i cho c¶
b¬m ë 980nm vµ 1480nm. KÕt qu¶ cho thÊy r»ng b¬m ë 980nm cho hÖ sè
khuÕch ®¹i cao h¬n ë 1480nm. HÖ sè khuÕch ®¹i t¨ng khi c«ng suÊt b¬m t¨ng.
§Ó thu ®−îc cïng gi¸ trÞ ®é khuÕch ®¹i, ®é dµi khuÕch ®¹i tèi −u khi b¬m ë
1480nm th× dµi h¬n ë 980nm. Sù kh¸c nhau nµy lµ do hÖ sè hÊp thô khoÎ h¬n
khi b¬m ë 980nm so víi khi b¬m ë 1480nm. §Ó biÕt tai sao chØ cã λ=980nm
vµ λ=1480nm ®−îc sö dông lµm b−íc sãng b¬m. Ta sÏ nghiªn cøu çc th«ng
sè kü thuËt cña bé khuÕch ®¹i EDFA
5.5
a.

Çc th«ng sè kü thuËt cña modul EDFA
C«ng suÊt b¬m vµ b−íc sãng b¬m.
Nh− ®· ®−îc gi¶i thÝch ë trªn, cã mét vµi vïng b−íc sãng b¬m cho phÐp

kÝch thÝch çc ion Erbium. §Æc tÝnh khuÕch ®¹i cña sîi EDFA ®−îc b¬m ë
mçi vïng b¬m ®−îc nghiªn cøu d−íi d¹ng hÖ sè khuÕch ®¹i, tû lÖ phÇn c¾t
ngang bøc x¹ kÝch thÝch b¬m vµ phÇn c¾t ngang hÊp thô b¬m, hiÖu suÊt biÕn
®æi c«ng suÊt, vµ çc ®Æc tÝnh nhiÔu. Nh×n chung ®é khuÕch ®¹i lóc ®Çu còng
t¨ng m¹nh víi hµm mò theo sù t¨ng cña c«ng suÊt b¬m vµ råi ng¶ thÊp xuèng
khi c«ng suÊt b¬m v−ît qóa mét gi¸ trÞ nµo ®ã nh− ®−îc minh ho¹ ë h×nh 1.8.
HÖ sè khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i cã ®¬n vÞ lµ dB/mW lµ mét ®−êng
nghiªng lín nhÊt tiÕp tuyÕn víi ®−êng cong khuÕch ®¹i ®i qua gèc täa ®é nh−
®−îc chØ ra ë ®−êng chÊm chÊm trong h×nh vÏ.


33




C¶ hai lo¹i b−íc sãng b¬m 1480nm vµ 980nm ®Òu ®−îc dïng tèt trong
çc EDFA
B−íc sãng b¬m 1480nm ®−îc dïng trong EDFA v× mét sè lý do sau:
- TÝnh s½n cã cña c«ng suÊt b¬m cao cã tõ çc diode laser b¸n dÉn ho¹t
®éng t¹i b−íc sãng nµy.
- HiÖu suÊt c«ng suÊt tèt v× cã sù kh¸c nhau nhá gi÷a b−íc sãng 1480nm vµ
1550nm.

- Khi b¬m cho EDFA tõ xa, suy hao sîi sÏ thÊp h¬n.
- Phæ hÊp thô b¨ng réng yªu cÇu tÝnh chÝnh x¸c vÒ b−íc sãng laser b¬m Ýt
nghiªm ngÆt h¬n.
B−íc sãng b¬m 980nm cho ra ®Æc tÝnh nhiÔu cña EDFA tèt h¬n, khuÕch
®¹i tÝn hiÖu trong çc hÖ thèng nhiÒu kªnh quang Ýt bÞ mÐo h¬n, vµ thiÕt bÞ nµy
Ýt nh¹y c¶m víi nhiÖt ®é cao h¬n so víi b−íc sãng b¬m 1480nm. Nh−ng nã
còng yªu cÇu tÝnh chÝnh x¸c vÒ b−íc sãng b¬m chÆt chÏ h¬n. ViÖc so s¸nh
b−íc sãng b¬m 980nm vµ 1480nm dùa trªn quan hÖ gi÷a ®é dµi sîi EDF vµ
khuÕch ®¹i tÝn hiÖu cho c¶ hai b−íc sãng ë cïng mét c«ng suÊt b¬m ®· ®−îc
nghiªn cøu. Nh×n chung b¬m ë 980nm cã hiÖu qu¶ h¬n b¬m ë 1480nm vµ ta


34




cã thÓ x©y dùng ®−îc bé EDFA cã ®é khuÕch ®¹i cao h¬n víi ®é dµi EDF
ng¾n h¬n b»ng viÖc sö dông b−íc sãng b¬m 980nm.
b. KhuÕch ®¹i trong EDFA
§é khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i quang ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau:
G=

( Pout − Psp )

Ps

(18)

Trong ®ã Ps vµ Pout t−¬ng øng lµ c«ng suÊt ®Çu vµo vµ ®Çu ra cña bé
khuÕch ®¹i quang. Ngoµi khuÕch ®¹i, bé khuÕch ®¹i quang còng ph¸t ra ASE
vµ ë ®©y Psp lµ c«ng suÊt nhiÔu ®−îc ph¸t tõ bé khuÕch ®¹i quang n»m trong
b¨ng tÇn quang (hay cßn ®−îc gäi lµ b¨ng tÇn ph¸t x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch
®¹i).
ViÖc x¸c ®Þnh ®é khuÕch ®¹i trong bé khuÕch ®¹i quang sîi lµ mét qu¸
tr×nh phøc t¹p do b¶n chÊt ph©n bè hai h−íng cña nã. §Ó thu ®−îc ®é khuÕch
®¹i thùc cña bé khuÕch ®¹i, phÇn c¾t ngang (hay mÆt c¾t) bøc x¹ kÝch thÝch σe
vµ phÇn c¾t ngang hÊp thô σa lµ çc yÕu tè quan träng cÇn ®−îc xem xÐt.
§é khuÕch ®¹i thùc cña bé khuÕch ®¹i quang sîi cã thÓ x¸c ®Þnh tïy
thuéc vµo møc biÕn ®æi trung b×nh cña tÝch lòy ion Erbium. Møc nghÞch ®¶o
trung b×nh ®−îc thiÕt lËp b»ng çc møc b¬m vµ tÝn hiÖu. §é khuÕch ®¹i sÏ phô
thuéc vµo c«ng suÊt b¬m, ®©y lµ mét h×nh ¶nh cã ý nghÜa ®èi víi çc EDF
kh¸c nhau.
• KhuÕch ®¹i quang tÝn hiÖu nhá
KhuyÕn nghÞ G.661 ITU-T ®· x¸c ®Þnh ®é khuÕch ®¹i tÝn hiÖu nhá lµ ®é
khuÕch ®¹i khi nã ho¹t ®éng trong chÕ ®é tuyÕn tÝnh, n¬i mµ nã hoµn toµn
kh«ng phô thuéc vµo c«ng suÊt quang tÝn hiÖu ®Çu vµo, t¹i møc c«ng suÊt
quang vµ tÝn hiÖu b¬m ®· cho. §iÒu nµy ®−îc hiÓu lµ vïng khuÕch ®¹i tÝn hiÖu
nhá t−¬ng øng víi çc møc c«ng suÊt ®Çu vµo, n¬i mµ ®é khuÕch ®¹i tÝn hiÖu
kh«ng lµm gi¶m ®é khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i quang. §Ó x¸c ®Þnh vïng


35




khuÕch ®¹i tÝn hiÖu nhá, ng−êi ta th−êng dù b¸o b»ng nhiÔu ®Çu vµo hiÖu dông
Pn,eff cña bé khuÕch ®¹i.
Pn,eff ≈ 2hνB0 ∼ 30nW/nm ®èi víi λ=1550nm
ë ®©y hν lµ n¨ng l−îng photon vµ B0 lµ b¨ng tÇn quang cña bé khuÕch ®¹i
quang. NhiÔu ®Çu vµo hiÖu dông ®−îc khuÕch ®¹i lªn tõ ®é khuÕch ®¹i vµ
sÏ thu ®−îc c«ng suÊt nhiÔu ®Çu ra cña bé khuÕch ®¹i. §é khuÕch ®¹i tÝn
hiÖu nhá lµ tham sè quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña bé EDFA trªn
tuyÕn. NÕu nh− c«ng suÊt tÝn hiÖu lín sÏ lµm gi¶m ®é khuÕch ®¹i thùc, vµ
dÉn ®Õn lµm gi¶m quü c«ng suÊt cña tuyÕn th«ng tin quang.
• KhuÕch ®¹i b∙o hoµ
§Æc tÝnh khuÕch ®¹i b·o hoµ cña EDFA lµ mét tham sè quan träng. C«ng
suÊt tÝn hiÖu thu ®−îc ë ®Çu ra bé khuÕch ®¹i quang lµ mét gi¸ trÞ ®Æc biÖt hÊp
dÉn v× nã cã liªn quan tíi cù ly truyÒn dÉn vµ cù ly kho¶ng lÆp cña c¸c hÖ
thèng truyÒn dÉn dµi, vµ nã lµm t¨ng sè ®Çu ra trong cÊu h×nh ph©n bè sîi
quang. EDFA th−êng ho¹t ®éng t¹i c¸c møc tÝn hiÖu ®Çu vµo ®ñ lín ®Ó t¹o ra
sù b·o hoµ khuÕch ®¹i. Sù b·o hoµ ®é khuÕch ®¹i ®−îc xem nh− lµ sù gi¶m ®é
khuÕch ®¹i trong lóc c«ng suÊt tÝn hiÖu t¨ng. §é khuÕch ®¹i cña bé khuÕch
®¹i quang cã thÓ ®−îc viÕt nh− sau:
⎡
⎡ G − 1 Pout ⎤
P ⎤
G = G0 exp ⎢(1 − G ) in ⎥ = G0 exp ⎢−
⎥
Psat ⎦
⎣
⎣ G Psat ⎦


36

(19)




ë ®©y G0 lµ ®é khuÕch ®¹i tÝn hiÖu nhá nh− ®· ®Ò cËp ë trªn. C«ng suÊt
b·o hoµ Psat t¹i b−íc sãng x¸c ®Þnh lµ c«ng suÊt ®−îc yªu cÇu ®Ó nghÞch ®¶o
mét líp (l¸t c¾t) cña sîi pha t¹p Erbium ®ñ ®Ó thu ®−îc sù truyÒn th«ng tÝn
hiÖu quang, hoÆc nãi mét çch kh¸c lµ ®ñ ®Ó cho ®é khuÕch ®¹i b»ng kh«ng.
• §é nghiªng cña khuÕch ®¹i.
Mét trong nh÷ng øng dông quan träng nhÊt cña EDFA trong th«ng tin
quang sîi lµ viÖc sö dông nã trong çc hÖ thèng ghÐp kªnh quang. Trong çc
hÖ thèng ghÐp kªnh theo b−íc sãng WDM víi cù ly xa, phæ khuÕch ®¹i cña bé
khuÕch ®¹i ph¶i duy tr× ph¼ng ®Ó tr¸nh sù tréi lªn vÒ c«ng suÊt cña mét kªnh
nµo ®ã. Sù thay ®æi hoÆc nghiªng trong phæ khuÕch ®¹i x¶y ra khi çc kªnh
ghÐp b−íc sãng ®−îc thªm vµo hoÆc rÏ xuèng trong chïm tÝn hiÖu WDM sÏ
lµm gi¶m ®Æc tÝnh cña hÖ thèng th«ng tin dµi. ë ®©y, sù nghiªng ®é khuÕch ®¹i
®−îc x¸c ®Þnh nh− lµ tû sè cña sù biÕn ®æi khuÕch ®¹i t¹i b−íc sãng ®o ®−îc
víi sù thay ®æi khuÕch ®¹i t¹i b−íc sãng chuÈn, n¬i mµ çc thay ®æi khuÕch
®¹i ®−îc t¹o ra do cã sù biÕn ®æi ®iÒu kiÖn ®Çu vµo. Ngoµi ®é nhiªng khuÕch
®¹i, mét kh¸i niÖm kh¸c n÷a còng ®−îc quan t©m ë ®©y lµ ®é dèc khuÕch ®¹i.
CÇn ph¶i ph©n biÖt gi÷a ®é dèc khuÕch ®¹i tÜnh vµ ®é dèc khuÕch ®¹i ®éng.
§iÓm kh¸c nhau gi÷a ®é dèc tÜnh vµ ®éng lµ do cã sù thay ®æi vÒ møc nghÞch
®¶o bé khuÕch ®¹i ph¸t sinh tõ sù thay ®æi b−íc sãng cña tÝn hiÖu ®Çu vµo b·o
hoµ m¹nh.
• Phæ khuÕch ®¹i cña EDFA.
Phæ khuÕch ®¹i cña EDFA lµ tham sè quan träng v× b¨ng tÇn khuÕch ®¹i
lµ mét tham sè träng yÕu ®Ó x¸c ®Þnh b¨ng truyÒn dÉn. §Æc tÝnh nµy ®· ®−îc
nghiªn cøu víi çc sîi EDF kh¸c nhau theo gãc ®é më réng b¨ng tÇn cña çc
EDFA.B»ng çch thay ®æi vËt liÖu chñ trong sîi thuû tinh Silica sang thuû tinh
Flouride gèc ZrF4 vµ thuû tinh fluorophospate còng høa hÑn më réng vµ lµm
ph¼ng ®−îc b¨ng tÇn khuÕch ®¹i. §Æc biÖt sîi EDF gèc flouride cho ra ®−îc


37




vïng khuÕch ®¹i ph¼ng trong d¶i b−íc sãng tõ 1530nm ®Õn 1560nm. Ngoµi
ra, khi t¨ng ®é dµi EDF, phæ khuÕch ®¹i cã thÓ thu ®−îc trong kho¶ng b−íc
sãng tõ 1570nm ®Õn 1620nm.
c. NhiÔu trong bé khuÕch ®¹i EDFA.
NhiÔu trong tÝn hiÖu khuÕch ®¹i quang lµ mét chñ ®Ò quan träng trong
çc hÖ thèng th«ng tin quang. Çc ®Æc tÝnh nhiÔu thÓ hiÖn lµ mét tham sè chñ
chèt mµ nã x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh trªn toµn bé hÖ thèng nh− cù ly truyÒn dÉn vµ
tèc ®é bÝt lín nhÊt. Cã hai d¹ng nhiÔu ®Æc tr−ng lµ: nhiÔu quang (hay cßn
®−îc gäi lµ nhiÔu tr−êng quang), vµ nhiÔu c−êng ®é (hay cßn ®−îc gäi lµ
nhiÔu dßng photo).
• NhiÔu quang trong bé khuÕch ®¹i EDFA.
NhiÔu quang lµ tham sè quan träng nhÊt liªn quan tíi çc ®Æc tÝnh nhiÔu
trong çc hÖ thèng sö dông khuÕch ®¹i quang. Nh− ®· xem xÐt vÒ çc ion Er3+
trong sîi EDF ë trªn. Çc photon bøc xatj ph¸t cã h−íng vµ pha ngÉu nhiªn.
Mét sè çc photon bøc x¹ tù ph¸t ®−îc gi÷ l¹i ë çc mode cña sîi dÉn quang.
V× çc photon ®−îc gi÷ l¹i nµy lan truyÒn däc bªn trong sîi, chóng l¹i ®−îc
khuÕch ®¹i. Qu¸ tr×nh nµy t¹o ra bøc x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i ASE. §Ó x¸c
®Þnh thµnh phÇn nhiÔu nhá nhÊt cña bé khuÕch ®¹i vµ tÝnh kh«ng ch¾c ch¾n vÒ
tÝn hiÖu ®Çu ra tho¶ m·n nguyªn lý Heisenberg, c«ng suÊt nhiÔu tèi thiÓu ®Çu
ra bé khuÕch ®¹i Psp,min ®−îc x¸c ®Þnh:

P

sp , min

= hv(G − 1)B

(20)

Víi B lµ mét n÷a b¨ng tÇn B0 cña bé khuÕch ®¹i quang. Gi¶ thiÕt r»ng sù
th¨ng gi¸ng cña tÝn hiÖu tån t¹i lµ do t¸c ®éng cña nhiÔu träng. §é khuÕch ®¹i
G vµ tÝn hiÖu lín th× c«ng suÊt ®Çu ra cña bé khuÕch ®¹i quang lµ cã thÓ ®¹t
®−îc nhá nhÊt sÏ t−¬ng øng víi sù khuÕch ®¹i cña mét photon trong b¨ng tÇn
B:
PASE = mt N sp hν (G − 1)B0

(21)

mt: Sè çc mode lan truyÒn ngang trong qu¸ tr×nh ph©n cùc


38




P

sp

=

N

sp

hv(G − 1) B0

(22)

§−îc gäi lµ c«ng suÊt bøc x¹ tù ph¸t cña bé khuÕch ®¹i quang.
Tõ biÓu thøc trªn cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc c«ng suÊt ASE tæng PASE ®−îc lÊy trªn
toµn bé çc mode mµ sîi quang ®−a ra trong b¨ng tÇn B0. Trong çc bé
khuÕch ®¹i quang sîi thùc tÕ, tiªu biÓu th−êng cã hai mode lan truyÒn ph©n
cùc trong bøc x¹ tù ph¸t. HÖ sè bøc x¹ tù ph¸t ®−îc viÕt nh− sau:

N

sp

=

σ N
σ N −σ N
e

e

2

2

a

(23)
1

σe, σa : tiÕt diÖn bøc x¹ kÝch thÝch vµ tiÕt diÖn hÊp thô.
N1, N2 : t−¬ng øng lµ çc mËt ®é tÝch luü trung b×nh ë tr¹ng th¸i siªu bÒn (
møc trªn) vµ nÒn (møc ®Êt).
§Ó cho ®¬n gi¶n ta ®Æt : η = σ e vµ N2 vµ N1 lµ hµm cña trôc Z däc theo sîi th×

σ

a

nhiÔu cña bé khuÕch ®¹i quang N(z) khi kh«ng cã tÝn hiÖu ®Çu vµo ®−îc viÕt
nh− sau:
N (z ) =

η N2

η N 2 − N1

(G − 1)

(23)

Víi G lµ mét hµm sè cña Z trong tr−êng hîp nghÞch ®¶o tÝch luü m«i tr−êng
lµ ©m, tøc lµ η N 2 − N 1 < 0 , khuÕch ®¹i G sÏ nhá h¬n 1 vµ Nsp lµ ©m, nh−ng
c«ng suÊt nhiÔu PASE lu«n d−¬ng vµ b»ng

P

sp

=

N (1 − G ) .
sp

Trong tr−êng hîp ë møc ng−ìng c¶u nghÞch ®¶o m«i tr−êng, tøc lµ :
η N 2 − N 1 = 0 , Nsp kh«ng x¸c ®Þnh, nh−ng thùc tÕ c«ng suÊt nhiÔu l¹i ®−îc x¸c

®Þnh vµ b»ng

P

sp

= η N 2 L1 trong ®ã L lµ ®é dµi sîi EDF, ë tr−êng hùop m«i

tr−êng nghÞch ®¶o lµ lín h¬n 0, tøc lµ η N 2 − N 1 > 0 ta cã


39

Nsp >1.




Tr−êng hîp nghÞch ®¶o m«i tr−êng hoµn toµn, khi mµ toµn bé çc nguyªn tö ë
tr¹ng th¸i kÝch thÝch tøc lµ Nt=0, th× hÖ sè bøc x¹ tù ph¸t Nsp tiÕn tíi gi¸ trÞ nhá
nhÊt cu¶ nã lµ b»ng 1. Trong tr−êng hîp nµy c«ng suÊt nhiÔu ®µu ra gi¶m tíi
gi¸ trÞ nhiÔu l−îng tö ®−îc khuÕch ®¹i :

P

sp , min

= hv(G − 1)B . Nh− vËy cã thÓ

nãi r»ng nhiÔu ®Çu ra cña bé khuÕch ®¹i quang nhá nhÊt thu ®−îc khi ®¹t ®−îc
nghÞch ®¶o tÝch luü hoµn toµn trong m«i tr−êng khuÕch ®¹i. Trong thùc tÕ hÖ
sè bøc x¹ tô ph¸t Nsp lµ mét sù x¸c ®Þnh chÊt l−îng ®èi víi nghÞch ®¶o tÝch
luü. Gi¸ trÞ Nsp gÇn b»ng 1 lµ gi¸ trÞ thÊp nhÊt cã thÓ thu ®−îc. Gi¸ trÞ nµy cã
thÓ ®¹t ®−îc khi b¬m m¹nh ë vïng cã b−íc sãng 980nm.
• NhiÔu c−êng ®é trong bé khuÕch ®¹i EDFA:
Nh− ®· biÕt, c−êng ®é ¸nh s¸ng ®Õn ®−îc bé t¸ch sãng quang biÕn ®æi
thµnh dßng ®iÖn. Dßng photon ban ®Çu Iph(t) sÏ ®−îc ph¸t ra trong bé t¸ch
sãng quang khi cã mét c«ng suÊt quang P(t) tõ nguån ph¸t ®i tíi.
I ph (t ) = RP(t ) =

ηe
P (t )
hν

NhiÔu c−êng ®é lµ mét yÕu tè tréi lµm giíi h¹n ®¸ng kÓ n¨ng lùc cña
çc hÖ thèng th«ng tin quang.V× bé t¸ch sãng quang biÕn ®æi nhiÔu c−êng ®é
trùc tiÕp thµnh nhiÔu ®iÖn. Çc lo¹i nhiÔu c−êng ®é th−êng ®−îc xem xÐt
trong hÖ thèng lµ: nhiÔu l−îng tö ( nhiÔu b¾n ph¸), nhiÔu ph¸ch gi÷a tÝn hiÖu
vµ bøc x¹ tù ph¸t, nhiÔu ph¸ch gi÷a bøc x¹ tù ph¸t víi bøc x¹ tù ph¸t vµ nhiÔu
ph¶n x¹
- NhiÔu l−îng tö
NhiÔu l−îng tö cã nguån gèc ph¸t sinh lµ do tÝnh kh«ng ch¾c ch¾n vÒ
thêi gian ®Õn cña çc ®iÖn tö hoÆc çc photon t¹i bé t¸ch sãng. Khi nhiÔu tréi
lµ nhiÔu l−îng tö, nã ®−îc coi nh− lµ giíi h¹n nhiÔu b¾n hoÆc nhiÔu l−îng tö.
C¶ tÝn hiÖu tõ Laser ph¸t vµ ASE ®©u tham giavµo nhiÔu l−îng tö. V× vËy,
nhiÔu l−îng tö ttrong tr−êng hîpnµy bao gåm c¶ nhiÔu l−îng tö tõ tÝn hiÖu ®Çu
vµo ®−îc khuÕch ®¹i vµ nhiÔu l−îng tö tõ bøc x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i.


40




- NhiÔu ph¸ch tÝn hiÖu-tù ph¸t:
NhiÔu 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 dao ®éng c−êng ®é. Ta kh«ng thÓ
tr¸nh khái çc nhiÔu nµy trong çc hÖ thèng sö dông EDFA vµ nhiÔu nµy lµ
nhiÔu tham gia ®Çu tiªn vµo tæng nhiÔu trong çc hÖ thèng th«ng tin ®−îc
khuÕch ®¹i quang. NhiÔu ph¸ch nµy t−¬ng tù nh− ë trong tr−êng hîp ph¸ch
hai tÇn sè trong bé trén Heterodyne ®Ó ph¸t ra mét tÇn sè kh¸c. Do tÝnh trén
nµy phô thuéc ph©n cùc nªn tÝn hiÖu sÏ chØ ph¸ch víi çc thµnh phÇn ASE
cïng ph©n cùc tÝn hiÖu. Nh−ng ASE th−êng lµ kh«ng ph©n cùc, v× thÕ chØ cã
mét n÷a tham gia vµo mËt ®é nhiÔu ph¸ch tÝn hiÖu – tù ph¸t.
Hinh 2.17 m« t¶ nhiÔu ph¸ch nµy:

Phæ quang

NhiÔu
ph¸ch
TÝn hiÖu-tù
ph¸t

TÝn hiÖu
®−îc
khuÕch
®¹i
ASE

B0

λs

B−íc sãng
λ
H×nh 1.16 NhiÔu ph¸ch tÝn hiÖu-tù ph¸t gi÷a tÝn hiÖu ®−îc

khuÕch ®¹i vµ çc thµnh phÇn phæ cña ASE.

- NhiÔu ph¸ch tù ph¸t-tù ph¸t.
NhiÔu ph¸ch tù ph¸t-tù ph¸t lµ ph¸ch gi÷a çc thµnh phÇn phæ kh¸c nhau
cña bøc x¹ tù ph¸t SE vµ dÉn ®Õn nhiÔu c−êng ®é. Toµn bé phæ ASE sÏ ®ãng
gãp vµo nhiÔu ph¸ch c−êng ®é tù ph¸t-tù ph¸t. NÕu nh− ASE lµ kh«ng ph©n
cùc, ASE ë mét trong hai ph©n cùc trùc giao sÏ ®ãng gãp vµo nhiÔu ph¸ch tù
ph¸t-tù ph¸t tæng. Trong h×nh 2.18, tæng sè çc cÆp ph¸ch cã thÓ gi¶m ®i khi
mµ b¨ng tÇn quang gi¶m.


41




Phæ quang

NhiÔu ph¸ch
Tù ph¸t-tù ph¸t

ASE

B0

B−íc sãng

λ

H×nh 1.16: NhiÔu ph¸ch tù ph¸t-tù ph¸t gi÷a tÝn hiÖu ®−îc
khuÕch ®¹i vµ çc thµnh phÇn phæ ASE.

- NhiÔu ph¶n x¹ (nhiÔu giao thoa nhiÒu luång)
Trong bé khuÕch ®¹i quang th−êng cã sù ph¶n x¹ t¹i hai ®Çu sîi EDF.
Qu¸ tr×nh nµy t¹o ra sù biÕn ®æi cña nhiÔu pha laser thµnh nhiÔu c−êng ®é.
NhiÔu c−êng ®é nh− vËy sÏ lµm gi¶m tû lÖ tÝn hiÖu trªn nhiÔu t¹i bé thu
quang. NhiÔu ®· ®−îc biÕn ®æi ®−îc biÕt nh− lµ nhiÔu giao thoa nhiÒu luång
hoÆc MPI (Multipath Interference) hoÆc cã thÓ ®−îc gäi lµ nhiÔu qu¸ møc.
Çc tham sè quan träng x¸c ®Þnh biªn ®é cña MPI lµ çc møc ph¶n x¹, ®é
khuÕch ®¹i quang, ®é réng phæ tÝn hiÖu vµ trÔ thêi gian gi÷a hai ph¶n x¹. Khi
çc ph©n cùc cña luång quang bÞ trÔ vµ kh«ng trÔ lµ ®ång bé víi nhau, nã sÏ
t¹o ra nhiÔu c−êng ®é t−¬ng ®èi RIN (Relative Intensity Noise) tåi nhÊt vµ
giao thoa trung b×nh gÇn nh− lµ ë d¹ng bËc hai. Nh−ng nhiÔu ph¶n x¹ cã thÓ
®−îc bá qua nÕu nh− ¸nh s¸ng ®i tíi bé khuÕch ®¹i quang lµ hoµn toµn kÕt hîp
®Ó cho tham sè nhiÔu ph¶n x¹ nref b»ng kh«ng.
d. H×nh ¶nh nhiÔu cña bé khuÕch ®¹i quang:
H×nh ¶nh nhiÔu NF (Noise Figure) cña bé khuÕch ®¹i quang lµ mét h×nh
¶nh minh ho¹ ®Æc tr−ng cã ý nghÜa x¸c ®Þnh sù suy gi¶m tû lÖ tÝn hiÖu trªn
nhiÔu sau khi ®i qua bé khuÕch ®¹i. H×nh ¶nh nhiÔu mµ lín sÏ bÊt lîi cho ®Æc
tÝnh cña hÖ thèng, nã t¹o ra tû lÖ tÝn hiÖu trªn nhiÔu thu ®−îc kÐm, t¨ng jitter


42




trong çc hÖ thèng soliton vµ t¨ng tÝch luü ASE däc theo tuyÕn truyÒn dÉn dµi
cã nhiÒu bé khuÕch ®¹i quang m¾c nèi tiÕp. Trong çc hÖ thèng th«ng tin
quang analog, nhiÔu pha cho biÕn ®æi nhiÔu c−êng ®é do çc ph¶n x¹ quang
bªn trong còng lµ yÕu tè chÝnh tham gia vµo h×nh ¶nh nhiÔu.
KhuyÕn nghÞ G.661 ITU-T ®· ®Þnh nghÜa r»ng h×nh ¶nh nhiÔu lµ sù suy
gi¶m tû lÖ tÝn hiÖu trªn nhiÔu do truyÒn tÝn hiÖu giíi h¹n l−îng tö qua bé
khuÕch ®¹i quang sîi (OFA), ®−îc tÝnh b»ng (dB). Nh− vËy, h×nh ¶nh nhiÔu
®−îc x¸c ®Þnh lµ:
NF =

SNRin
SNRout

Trong tr−êng hîp nµy h×nh ¶nh nhiÔu ®−îc x¸c ®Þnh t−¬ng øng lµ NF =
10log(NF) vµ ®−îc tÝnh lµ dB. Çc tû lÖ tÝn hiÖu trªn nhiÔu ®−îc xem xÐt t¹i
®Çu ra cña bé t¸ch sãng quang lý t−ëng mµ nã cã kh¶ n¨ng biÕn ®æi tõng
photon cña ¸nh s¸ng tíi thµnh dßng tÝn ®iÖn (hiÖu suÊt l−îng tö η = 1). Tû lÖ
tÝn hiÖu trªn nhiÔu ®Çu vµo SNRin ®−îc x¸c ®Þnh lµ tû lÖ tÝn hiÖu trªn nhiÔu tõ
nguån nhiÔu l−îng tö. Nã ®−îc x¸c ®Þnh th«ng qua viÖc sö dông mét nguån
ph¸t lý t−ëng vµ bé thu lý t−ëng. Råi sau ®ã bé khuÕch ®¹i quang ®−îc m¾c
xen vµo vµ tû lÖ tÝn hiÖu trªn nhiÔu ë ®Çu ra ®−îc x¸c ®Þnh. Khi chØ cã nhiÔu
ph¸ch tÝn hiÖu-tù ph¸t ®−îc xem xÐt, h×nh ¶nh nhiÔu ®−îc x¸c ®Þnh ë nhiÒu
kÕt qu¶ b¸o ço nh− lµ:
NF = 2 N sp

H×nh ¶nh nhiÔu NF, mµ nã ®−îc x¸c ®Þnh tõ nhiÔu ph¸ch tÝn hiÖu-tù ph¸t,
sÏ kh«ng chØ phô thuéc vµo b¨ng b¬m mµ cßn phô thuéc vµo c«ng suÊt b¬m,
b−íc sãng vµ cÊu h×nh b¬m. H×nh ¶nh nhiÔu trë nªn lín nÕu nh− bé khuÕch
®¹i quang lµ qóa dµi. H¬n thÕ n÷a, çc ®Æc tÝnh nhiÔu b·o hoµ cña EDFA còng
quan träng. Mét sè nhµ nghiªn cøu ®· chØ ra çc ®Æc tÝnh b·o hoµ vµ NF ®èi
víi c¶ b¬m xu«i vµ b¬m ng−îc hai h−íng. Tr−êng hîp mµ nhiÔu thÊp ®−îc coi
lµ tham sè quan träng. ë çc øng dông kh¸c cña EDFA nh− çc bé khuÕch ®¹i


43




®−êng truyÒn cho çc tuyÕn truyÒn dÉn dµi, th× c¶ nhiÔu thÊp vµ c«ng suÊt ®Çu
ra lín ®Òu ®−îc chó ý: hä t×m ra r»ng, ASE truyÒn ng−îc sÏ lµm xuèng cÊp
h×nh ¶nh nhiÔu.
5.6

§¸nh gi¸ çc vÊn ®Ò kü thuËt trong hÖ thèng truyÒn dÉn th«ng tin
quang sö dông khuÕch ®¹i quang sîi EDFA.
ThiÕt bÞ khuÕch ®¹i quang sîi cho phÐp thiÕt kÕ cÊu h×nh hÖ thèng

truyÒn dÉn quang míi nvµ linh ho¹t h¬n so víi møc c«ng suÊt ph¸t cao,
kho¶ng çch gi÷a çc tr¹m lÆp dµi h¬n. tuy nhiªn bªn c¹nh nh÷ng −u ®iÓm
kh«ng thÓ phñ nhËn ®−îc cña bé khuÕch ®¹i quang chóng ta cÇn ph¶i tÝnh ®Õn
hiÖu øng phi tuyÕn, çc vÊn ®Ò t¸n s¾c, hiÖu øng ph©n cùc vµ nhiÔu tÝch luü
khi ¸p dông c«ng nghÖ míi nµy vµo m¹ng viÔn th«ng. ¶nh h−ëng cña çc hiÖu
øng nµy dÉn ®Õn çc hÖ thèng truyÒn dÉn ra sao? Phô thuéc vµo ph¹m vi øng
dông vµ yªu cÇu chÊt l−îng truyÒn dÉn cña tõng tr−êng hîp cô thÓ. §Ó thiÕt kÕ
çc hÖ thèng OFA sao cho cã ®é tin cËy vµ cã hiÖu qu¶ kinh tÕ cao trªn c¬ s¬
çc tham sè çc giao diÖn quang cña çc khuyÕn nghÞ ITU ng−êi ta ®· ®−a ra
çc gi¶i ph¸p:
- NhiÔu tÝch luü
- §iÒu chØnh t¸n s¾c
Kh¶ n¨ng ph¸t huy hiÖu qu¶ sö dông çc thiÕt bÞ khuÕch ®¹i quang sîi hoµn
toµn phô thuéc çc gi¶i ph¸p kÜ thuËt tiªn tiÕn kh¾c phôc hai vÊn ®Ò trªn.
a. NhiÔu tÝch luü:
Trong çc hÖ thèng truyÒn dÉn cã sö dông nhiÒu bé OFA, nhiÔu tù ph¸t
tõ çc bé OFA còng ®−îc khuÕch ®¹i nhiÒu lÇn nh− ¸nh s¸ng tÝn hiÖu. Do
bøc x¹ tíi ASE ®−îc khuÕch ®¹i t¹i mçi bé OFA vµ bæ sung thªm, bøc x¹
ASE tæng céng t¨ng lªn tû lÖ thuËn víi sè bé OFA, c«ng suÊt tÝn hiÖu so
víi møc nhiÔu sÏ gi¶m t−¬ng øng theo. C«ng suÊt nhiÔu cã thÓ v−ît qua
c«ng suÊt møc nhiÔu. Nh− vËy, nhiÔu ASE ®−îc tÝch luü n»m ë trong vµ
ngoµi d·i tÝn hiÖu. NhiÔu tÝch luü ASE lµm suy gi¶m hÖ sè khuÕch ®¹i OFA
vµ tû lÖ S/N cña hÖ thèng bëi v× nhiÔu ph¸ch liªn quan tíi ASE lµ yÕu tè


44




chÝnh lµm gi¶m tû sè S/N ë phÝa thu. Thùc tÕ, nhiÔu ph¸ch t¨ng tû lÖ víi sè
bé OFA nh− vËy tØ lÖ lçi bit BER còng gi¶m theo sè bé OFA. MÆc dï
nhiÔu tÝch luü trong çc hÖ thèng cã sö dông bé läc sÏ gi¶m ®i khi ®i qua
çc bé läc, nh−ng bøc x¹ ASE n»m trong b¨ng tÇn tÝn hiÖu th× vÉn t¨ng tû
lÖ víi sè bé OFA. Nh− vËy gi¶i ph¸p h¹n chÕ tèi thiÓu n¶h h−ëng nhiÔu
tÝch luü

lµ gi¶m kho¶ng çch gi÷a çc bé OFA trong khi vÉn duy

tr×khuÕch ®¹i bï suy hao trªn ®−êng truyÒn. Cã hai gi¶i ph¸p sau ®Ó lµm
gi¶m bøc x¹ ASE:
-

Dïng bé läc quang ASE.

-

Sö dông hiÖu øng tù läc.

Víi çc hÖ thèng cã sö dông vµi chôc bé OFA hoÆc nhiÒu h¬n, hiÖu øn
tù läc ®−îc sö dông. HiÖu øng nµy ®iÒu chØnh b−íc sãng tÝn hiÖu thµnh b−íc
sãng tù läc ®Ó cho nhiÔu ASE thu ®−îc t¹i bé t¸ch sãng bÞ suy gi¶m, d−êng
nh− lµ cã sö dông bé läc b¨ng hÑp. §Ó sö dông ph−¬ng ph¸p nµy, kho¶ng
çch gi÷a çc bé OFA ®−îc thu hÑp l¹i vµ chän hÖ sè khuÕch ®¹i cña OFA lµ
nhá ®Ó cho møc ASE ban ®Çu lµ thÊp. Víi hÖ thèng sö dông mét vµi bé OFA
th× ph−¬ng ph¸p tù läc nµy ph¸t huy hiÖu qu¶ thÊp. HiÖu øng tù läc phô thuéc
vµo d¹ng phæ tÝn hiÖu, tiÕt diÖn ngang bøc x¹ vµ hÊp thô, møc ®é nghÞch ®¶o
tÝch luü cña OFA. B−íc sãng tù läc cã thÓ thay ®æi khi biÕn ®æi thµnh phÇn
chÕ t¹o sîi EDFA, c«ng suÊt quang nèi vµo, suy hao gi÷a çc bé khuÕch ®¹i
cßn phô thuéc vµo b−íc sãng b¬m vµdé dµi sîi EDF. §Ó thùc hiÖn hiÖu øng cã
hiÖu qu¶ nhÊt, cÇn ph¶i lµm trïng ba b−íc sãng sau: b−íc sãng tÝn hiÖu, b−íc
sãng cã hÖ sè t¸n s¾c tèi −u, b−íc sãng tù läc.
b. §iÒu chØnh t¸n s¾c
Kü thuËt khuÕch ®¹i quang cho phÐp kÐo dµi kho¶ng lÆp, phôc håi tÝn
hiÖu suy hao cã hiÖu qu¶, tuy nhiªn vÊn ®Ò t¸n s¾c ®−êng truyÒn ®· h¹n
chÕ kh¶ n¨ng øng dông cña thiÕt bÞ OFA trªn m¹ng viÔn th«ng. Sau ®©y lµ
mét sè gi¶i ph¸p kh¾c phôc cã hiÖu qu¶ hiÖn t−îng t¸n s¾c:
• Sö dông çp sîi quang t¸n s¨c dÞch chuyÓn theo khuyÕn nghÞ CCITT
G.653 trong ®ã hÖ sè t¸n s¾c lµ 3ps/Km t¹i λ=1550nm.


45




• Sö dông çp sîi quang ®¬n mode theo khuyÕn nghÞ CCITT G.652 cã hÖ
sè t¸n s¾c lµ 20ps/Km t¹i λ=1550nm nh−ng cã l−u ý tíi mét sè ®iÒu
kiÖn vÒ giao diÖn quang theo khuyªn snghÞ ITU G.957, ch¼ng h¹n ®é
réng phæ cña nguån laser ph¶i nhá h¬n 1nm. §©y lµ gi¶i ph¸p cã tÝnh
kh¶ thi vµ cã hiÖu qu¶ kinh tÕ cao bëi v× cã thÓ khai th¸c çc tuyÕn çp
quang ®· l¾p ®Æt s½n vµ çp sîi quang G.653.
• Sö dông thiÕt bÞ t¸n s¾c thô ®éng. §©y lµ thiÕt bÞ cã tÝnh chÊt cè ®Þnh hÖ
sè t¸n s¾c trong d¶i b−íc sãng lùa chän.
• Cã mét gi¶i ph¸p kh¾c phôc tèi −u ®ã lµ sö dông hiÖu øng phi tuyÕn
trong sîi quang ®Ó bï t¸n s¾c cña sîi, ®−îc gäi lµ kü thuËt truyÒn
dÉn Soliton. Ph−¬ng ph¸p nµy cho phÐp çc xung ¸nh s¸ng truyÒn ®i
kh«ng thay ®æi d¹ng xung ban ®Çu b»ng kü thuËt nÐn xung.
Tãm l¹i ®Ó ph¸t huy hiÖu qu¶ sö dông khuÕch ®¹i quang sîi ph¶i gi¶i quyÕt
vÊn ®Ò sau:
- NhiÔu tÝch luü do khuÕch ®¹i
- §iÒu chØnh t¸n s¾c.
- Çc hiÖu øng phi tuyÕn vµ çc hiÖu øng ph©n cùc
Trªn c¬ së ®ã mµ ph©n bè kho¶ng çch gi÷a çcbé OFA vµ hÖ sè khuÕch ®¹i
cña chóng sao cho hîp lý nhÊt.
Víi çc −u ®iÓm cña EDFA nh− ®· nªu ë ®Çu phÇn nµy chÝnh lµ c©u tr¶ lêi
cho sù tiÕn cö nhanh cña EDFA trong viÖc triÓn khai EDFA vµo çc hÖ thèng
th«ng tin thùc tÕ.
Nh− ta ®· biÕt mét tr¹m lÆp th«ng th−êng mang 3 chøc n¨ng: t¹o l¹i
d¹ng xung, kh«i phôc thêi gian, khuÕch ®¹i tÝn hiÖu, mçi tr¹m lÆp chØ khuÕch
®¹i ®−îc mét b−íc sãng cßn khi EDFA ®−îc sö dông lµm tr¹m lÆp, nã ®−îc
coi nh− mét tr¹m lÆp thÕ hÖ míi víi mét chøc n¨ng duy nhÊt khuÕch ®¹i tÝn
hiÖu quang thµnh tÝn hiÖu quang tøc lµ nã chØ t¸c dông vµo thµnh phÇn biªn ®é
cña tÝn hiÖu chø kh«ng t¸c ®éng vµo thµnh phÇn thêi gian vµ d¹ng tÝn hiÖu nªn
EDFA kh«ng phô thuéc vµo d¹ng ®iÒu chÕ cña tÝn hiÖu. H¬n n÷a EDFA cã


46




kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i nhiÒu b−íc sãng trong cïng mét sîi nªn t¨ng ®−îc dung
l−îng truyÒn dÉn khi sö dông kü thuËt WDM tíi 10÷20Gbit/s.
H¬n n÷a khi EDFA ®−îc sö dông lµm khuÕch ®¹i quang th× nã cã rÊt
nhiÒu −u ®iÓm næi tréi so víi çc tr¹m lÆp th«ng th−êng:
+ Nã cã thÓ thay thÕ mét lo¹t çc tr¹m lÆp th«ng th−êng trªn tuyÕn ®ang
khai th¸c vµ khi thiÕt kÕ tuyÕn míi sÏ cho phÐp x©y dùng çc tuyÕn th«ng tin
cù ly xa víi tèc ®é bit lín vµ ®¬n gi¶n ho¸ hÖ thèng rÊt nhiÒu c¶ trong viÖc x©y
l¾p, khai th¸c vµ b¶o d−ìng sau nµy.
+ EDFA cho phÐp t¹o ra çc cÊu tróc m¹ng quang tèi −u cho çc tuyÕn
truyÒn dÉn quang ®−êng trôc, m¹ng néi h¹t, m¹ng truy nhËp vµ ®Æc biÖt phï
hîp víi çc tuyÕn çp quang biÓn.(Khi muèn t¨ng dung l−îng truyÒn dÉn chØ
ph¶i thay ®æi çc thiÕt bÞ ®Çu cuèi trªn ®Êt liÒn chø kh«ng ph¶i l«i çp lªn nh−
çc tr¹m lÆp th«ng th−êng). Ngoµi ra EDFA còng rÊt thuËn tiÖn cho viÖc n©ng
cÊp m¹ng l−íi bëi v× nã kh«ng phô thuéc vµo tèc ®é ®−êng truyÒn vµ d¹ng
®iÒu chÕ tÝn hiÖu.
Bªn c¹nh nh÷ng −u ®iÓm ®¸ng kÓ trªn, EDFA cßn cã nh÷ng mÆt h¹n chÕ
®ã lµ kh«ng nh÷ng tÝn hiÖu ®−îc khuÕch ®¹i khi ®i qua EDFA mµ nhiÔu bøc
x¹ tù ph¸t còng ®−îc khuÕch ®¹i lµm t¨ng møc nhiÔu t¹i phÝa thu dÉn ®Õn suy
gi¶m chÊt l−îng tÝn hiÖu. §Æc biÖt trong tr−êng hîp sö dông nhiÒu EDFA liªn
tiÕp trªn ®−êng truyÒn, t¹p ©m trong çc bé khuÕch ®¹i quang phÝa tr−íc sÏ
®−îc khuÕch ®¹i bëi bé khÕch ®¹i quang phÝa sau. Sù khuÕch ®¹i vµ tÝch luü
t¹p ©m nµy sÏ lµm cho tû sè S/N cña hÖ thèng bÞ suy gi¶m nghiªm träng. NÕu
møc c«ng suÊt, tÝn hiÖu vµo lµ qu¸ thÊp, t¹p ©m ASE cã thÓ lµm cho tû sè S/N
bÞ gi¶m xuèng d−íi møc cho phÐp. Tuy nhiªn, nÕu møc c«ng suÊt tÝn hiÖu vµo
lµ qu¸ cao, th× tÝn hiÖu nµy kÕt hîp víi ASE cã thÓ g©y hiÖn t−îng b·o hoµ ë
bé khuÕch ®¹i. MÆt kh¸c khi EDFA ®−îc dïng lµm BA th× nã cã thÓ g©y ra
øng phi tuyÕn trong sîi do c«ng suÊt ph¸t vµo sîi cao cßn khi EDFA sö dông
lµm PA th× th−êng ®ßi hái ph¶i thiÕt kÕ theo çc chØ tiªu hÕt søc phøc t¹p do
nã ph¶i thu c«ng suÊt tÝn hiÖu ®· bÞ suy yÕu rÊt nhiÒu t¹i phÝa thu, thªm vµo ®ã


47




®Ó lo¹i bít nhiÔu bøc x¹ tù ph¸t ASE th× PA th−êng ®−îc sö dông kÕt hîp víi
bé läc mµ gi¸ cña mçi bé läc nµy lµ rÊt ®¾t. Çc EDFA ho¹t ®éng t¹i b−íc
sãng 1550nm lµ b−íc sãng cã t¸n s¾c kh«ng tèi −u nªn t¸n s¾c trong çc hÖ
thèng sö dông EDFA còng rÊt phøc t¹p.
MÆc dï vÉn cßn tån t¹i mét vµi nh−îc ®iÓm trªn song do cã nh÷ng −u ®iÓm
næi bËt h¬n tÊt c¶ çc c«ng nghÖ khuÕch ®¹i hiÖn thêi nªn nã vÉn ®−îc øng
dông réng r·i nhÊt trong çc lo¹i h×nh m¹ng quang kh¸c nhau.
• KÕt luËn:
KhuÕch ®¹i quang nãi chung vµ khuÕch ®¹i quang sîi EDFA nãi riªng lµ
métkü thuËt th«ng tin quang tiªn tiÕn vµ rÊt quan träng trong viÖc triÓn
khai x©y dùng çc hÖ thèng th«ng tin quang. Do cã nhiÒu −u ®iÓm , trong
®ã næi tréi lµ ®é khuÕch ®¹i cao, nhiÔu thÊp vµ cã nhiÒu −u ®iÓm næi tréi vÒ
c«ng nghÖ mµ çc bé khuÕch ®¹i quang sîi ®· nhanh chãng ®−îc ®−a vµo
sö dông trªn m¹ng l−íi viÔn th«ng. Sù cã mÆt cña çc thiÕt bÞ khuÕch ®¹i
quang trªn tuyÕn ®· lµm thay ®æi rÊt nhiÒu cÊu tróc cña tuyÕn th«ng tin
quang. Chóng cho phÐp kÐo dµi cù ly truyÒn dÉn rÊt nhiÒu vµ lµm t¨ng tèc
®é bit ®−êng truyÒn. Çc bé khuÕch ®¹i quang sîi EDFA cã thÓ cho phÐp
ta x©y dùng çc tuyÕn th«ng tin quang dµi kh«ng cã tr¹m lÆp vµ më ra viÖc
øng dông hÕt søc hÊp dÉn trong th«ng tin quang v−ît ®¹i d−¬ng. Mét øng
dông hÕt s−c quan träng lµ sö dông khuÕch ®¹i quang trong çc hÖ thèng
th«ng tin quang WDM. Métbé khuÕch ®¹i quang cã thÓ khuÕch ®¹i nhiÒu
kªnh quang vµ cho phÐp gi¶m sè l−îng thiÕt bÞ trªn tuyÕn. Mét bé khuÕch
®¹i EDFA cã thÓ thay thÕ hµng lo¹t çc thiÕt bÞ lÆp vµ gi¶m gi¸ thµnh ®Çu
t− toµn tuyÕn, ®¬n gi¶n ho¸ cÊu tróc hÖ thèng. Tõ ®ã viÖc qu¶n lý b·o
d−ìng còng thuËn lîi h¬n rÊt nhiÒu. Còng chÝnh v× cÊu tróc vµ ®Æc ®iÓm
ho¹t ®éng cña chñng lo¹i thiÕt bÞ nµy mµ cho phÐp ta dÔ dµng n©ng cÊp hÖ
thèng th«ng tin quang hiÖn t¹i thµnh çc hÖ thèng hiÖn ®¹i h¬n, cho phÐp
më réng dung l−îng vµ kÐo dµi cù ly truyÒn dÉn còng nh− c¶i thiÖn chÊt
l−îng truyÒn dÉn BER.


48




kh¶ n¨ng øng dông cña khuÕch
®¹i quang vμo m¹ng viÔn th«ng

Ch−¬ng II:
I.

Kh¶ n¨ng øng dông cña khuÕch ®¹i quang sîi:

1.

Tæng quan vÒ kh¶ n¨ng øng dông cña khuÕch ®¹i quang sîi.

Kh¶ n¨ng øng dông cña khuÕch ®¹i quang sîi OFA trong çc hÖ thèng
truyÒn dÉn quang cho thÊy −u ®iÓm râ rÖt. ¦u ®iÓm næi bËt nhÊt lµ kÐo dµi
kho¶ng lÆp. ViÖc khai th¸c OFA cho phÐp th¸o bá nhiÒu tr¹m lÆp th«ng
th−êng trªn tuyÕn hiÖn cã, trong tr−êng hîp thiÕt kÕ tuyÕn míi sÏ t¹o ®iÒu
kiÖn ®¬n gi¶n ho¸ hÖ thèng khi l¾p ®Æt thiÕt bÞ ë nhiÒu vÞ trÝ. OFA còng cho
phÐp nghiªn cøu tèi −u çc cÊu thóc m¹ng quang míi ®Ó ®¸p øng trong m¹ng
®−êng trôc, m¹ng truy nhËp hay tuyÕn çp quang biÓn. MÆt kh¸c OFA còng
thÓ hiÖn −u ®iÓm khi n©ng cÊp m¹ng bëi v× çc thiÕt bÞ OFA kh«ng phô thuéc
vµo tèc ®é ®−êng truyÒn vµ d¹ng ®iÒu chÕ tÝn hiÖu.
Tuy nhiªn viÖc øng dông OFA vµo hÖ thèng truyÒn dÉn quang còng ®em
®Õn mét sè vÊn ®Ò n¶y sinh do møc c«ng suÊt cao ph¸t ra tõ OFA vµ kho¶ng
çch gi÷a hai tr¹m l¾p rÊt lín. Çc hiÖu øng truyÒn dÉn nµy liªn quan tíi tÝnh
chÊt phi tuyÕn cña sîi quang, tÝnh chÊt ph©n cùc vµ çc ®Æc ®iÓm khuÕch ®¹i
cña b¶n th©n thiÕt bÞ OFA. §é t¸n s¾c cña tÝn hiÖu g©y ¶nh h−ëng nghiªm
träng ®Õn chÊt l−îng hÖ thèng truyÒn dÉn. Bëi vËy viÖc ®iÒu chØnh t¸n s¾c ph¶i
®−îc xem xÐt nghiªm tóc khi thiÕt kÕ hÖ thèng. Tuú thuéc vµo çc ®Æc tÝnh kü
thuËt vµ kinh tÕ cña tuyÕn th«ng tin quang mµ çc bé khuÕch ®¹i quang sîi cã
thÓ ®−îc ¸p dông t¹i tõng vÞ trÝ trªn tuyÕn. Chóng cã thÓ ®−îc sö dông lµm bé
khuÕch ®¹i c«ng suÊt BA (Booster Amplifier) ë phÝa ph¸t, lµm bé tiÒn khuÕch
®¹i PA (Pre_Amplifier) ë phÝa thu hay lµm bé khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn LA
(Line Amplifier) ë däc tuyÕn.


49


Soi quang

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Was ist angesagt? (7)

Ähnlich wie Soi quang

Ähnlich wie Soi quang (20)

Mehr von vanliemtb

Mehr von vanliemtb (20)

Soi quang