Đồ án Khuếch đại quang trong hệ thống DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Nortel Networks LH-1600G tại Viettel TP Hồ Chí Minh

Nội dung quyển đồ án được thực hiện từ chương 1 đến chương 4. Trong chương 1, ta có cái nhìn tổng quát về kỹ thuật khuếch đại quang, đồng thời cũng nắm được các loại khuếch đại quang được sử dụng phổ biến hiện nay. Trong đó khuếch đại EDFA với những ưu điểm vượt trội của nó nên được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống truyền dẫn quang ngày nay. Qua chương 1, ta cũng khái quát được những ứng dụng của các bộ khuếch đại quang trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM. Từ đó ta thấy, kỹ thuật khuếch đại quang đóng vai trò hết sức quan trọng trong một hệ thống WDM. Chương 2 cho ta một cái nhìn tổng thể về thiết bị ghép kênh theo bước sóng DWDM của Nortel Networks LH-1600G. Qua chương này, ta có thể hình dung được một cách khái quát về mạng lưới truyền dẫn quang của VTN2 với việc sử dụng thiết bị DWDM OPTera LH-1600G làm nòng cốt. Ta cũng thấy được vai trò của từng thiết bị trong hệ thống LH-1600G và các đặc tính kỹ thuật cơ bản của nó. Chương 3 đi sâu vào các bộ khuếch đại quang được sử dụng trong thiết bị LH-1600G. Ta thấy được vai trò, đặc tính kỹ thuật, ứng dụng của 2 bộ khuếch đại chính trong hệ thống là bộ khuếch đại kép DAC và khuếch đại Booster 18/21. Ngoài ra ta cũng thấy được sự hỗ trợ trong một số trường hợp của các bộ khuếch đại Raman DRA-A/DRA-B. Chương 3 cũng cung cấp các cấu hình khuếch đại thường được sử dụng trong thực tế với việc sử dụng linh hoạt 3 bộ khuếch đại DAC, Booster18/21, DRA-A/DRA-B. Chương 4 là kết quả của quá trình tìm hiểu về hệ thống mạng với cấu hình khuếch đại quang thực tế tại Đài VTHCM (VTN2) và kết quả khảo sát công suất tín hiệu vào ra tại các bộ khuếch đại đang được sử dụng trên mạng lưới. Qua chương 4 cho ta thấy được ứng dụng thực tế của các bộ khuếch đại quang, hiệu suất làm việc của chúng, sử dụng linh hoạt các bộ khuếch đại quang này (có sử dụng, không sử dụng hoặc sử dụng kết hợp với các linh kiện khác). Đối với kết quả khảo sát, chỉ là kết quả đo công suất quang tại ngõ vào và ngõ ra của các bộ khuếch đại thông qua phần mềm quản trị mạng LH-1600G Nortel. Tuy nhiên, với kết quả khảo sát được, ta cũng rút ra được những kết luận bổ ích cho việc hiểu rõ hơn về các bộ khuếch đại quang trong hệ thống từ những đặc tính trên lý thuyết đến những thể hiện thực tế khi lắp đặt, vận hành. Đặc biệt, qua kết quả khảo sát này, ta đã thấy được sự cân bằng hệ số khuếch đại giữa các kênh bước sóng (một đặc điểm rất quan trọng của các bộ khuếch đại quang sử dụng trong hệ thống WDM), đặc điểm của khuếch đại tuyến tính, khuếch đại bão hoà, sự khác biệt giữa đặc tuyến độ lợi trên lý thuyết so với thực tế. Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian thực hiện đồ án nên bên cạnh những kết quả đạt được thì quá trình khảo sát vẫn còn một số hạn chế sau: • Do sử dụng kết quả đo từ phần mềm giám sát nên kết quả thu được không hoàn toàn chính xác. Nếu điều kiện cho phép, ta có thể hoàn thiện được hạn chế này bằng cách sử dụng máy đo tại các điểm Tap Coupler, khi đó kết quả đo sẽ chính xác hơn. • Kết quả khảo sát chỉ mới thể hiện được mức công suất trước và sau khuếch đại chứ chưa thấy được phổ tín hiệu của từng kênh riêng lẻ. Hạn chế này có thể khắc phục được nếu ta có máy đo quang phổ Anritsu hoặc sử dụng card OSA trên hệ thống. • Trong hệ thống tiêu chuẩn của ITU-T, có rất nhiều tiêu chuẩn cho các bộ khuếch đại quang. Tuy nhiên, trong giới hạn của bài đồ án này, vẫn chưa có được sự so sánh giữa kết quả thực tế với các tiêu chuẩn đó mà chỉ có sự so sánh giữa kết quả thu được với các thông số tiêu chuẩn do nhà sản xuất đưa ra (tất nhiên, các tiêu chuẩn này cũng phải dựa theo các tiêu chuẩn ITU-T).

doc107 trang | Chia sẻ: tuandn | Ngày: 03/05/2013 | Lượt xem: 3125 | Lượt tải: 16download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đồ án Khuếch đại quang trong hệ thống DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Nortel Networks LH-1600G tại Viettel TP Hồ Chí Minh, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG -----------oOo---------- Hệ thống thông tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ trong các mạng viễn thông trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Việc tăng khả năng truyền dẫn và mở rộng khoảng cách truyền dẫn là vấn đề cần được giải quyết khi triễn khai hệ thống thông tin quang. Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thống thông tin quang. Đối với các hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn về suy hao được khắc phục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) và bộ khuếch đại. Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau. Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM. Cho nên mặc dù có những đặc điểm hấp dẫn nhưng bộ lặp không thể sử dụng cho các tuyến và mạng WDM. Vì vậy sự dịch chuyển từ TDM sang WDM trong mạng truyền dẫn quang không thể thực hiện mà không có bộ khuếch đại quang. Bộ khuếch đại quang có nhiều ưu điểm hơn so với bộ lặp như : không phụ thuộc vào tốc độ bit, phương thức điều chế tín hiệu, khả năng khuếch đại các tín hiệu trên nhiều bước sóng cùng truyền trên một sợi quang (trong khi đó mỗi bộ lặp chỉ hoạt động với một kênh bước sóng mà thôi). Tuy nhiên, bộ khuếch đại quang cũng có khuyết điểm là gây nhiễu cho tín hiệu được khuếch đại, nhiễu này có thể được tích hợp qua nhiều chặng khuếch đại, có thể làm nhận sai tín hiệu. Có hai loại khuếch đại quang là: bán dẫn và sợi. Bộ khuếch đại quang phổ biến nhất là bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium (Erbium-doped fiber amplifier_EDFA), nó mở ra cánh cửa cho việc sử dụng hệ thống truyền dẫn quang WDM. Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về định nghĩa chung của khuếch đại quang (chủ yếu đi vào khuếch đại quang sợi EDFA và khuếch đại Raman vì đây là hai loại khuếch đại quang chủ lực trong hệ thống DWDM LH-1600G của Nortel sử dụng tại VTN2), và ứng dụng của khuếch đại quang trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM. 1.1 Tổng quan về khuếch đại quang 1.1.1 Nguyên lý khuếch đại quang Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếch đại. Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emission) là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang. Các hiện tượng này được minh họa trên hình 1.1.  Hình 1.1 Các hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b). Phát xạ tự phát (c). Phát xạ kích thích Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 1.1(c), xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf12 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg= E2 – E1). Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu. Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp, coherent, của ánh sáng). Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện. Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (OSA) và khuếch đại quang sợi (OFA). Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser. Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trong các bộ khuếch đại quang không xảy hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng. Vì nếu xảy ra quá trình hồi tiếp và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở ngõ vào. Nguồn ánh sáng này được xem là nhiễu xảy ra trong bộ khuếch đại. Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó ở ngõ ra. Hiện tượng hấp thụ (absorption), hình 1.1(a), xảy ra khi một photon có năng lượng hf12 bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp. Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf12 của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1). Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao. Hay nói cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang. Quá trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại. Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hình 1.1(b), xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượng Eg= E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử. Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống (life time) của điện tử ở mức năng lượng cao, các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững). Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống của điện tử sẽ khác nhau. Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong khuếch đại quang, phát xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại. Nguyên nhân là do hiện tượng này xảy ra một cách tự phát không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào bộ khuếch đại. Nếu không có ánh sáng tín hiệu đưa vào, vẫn có năng lượng ánh sáng được tạo ra ở ngõ ra của bộ khuếch đại. Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích thích. Do vậy, phát xạ tự phát được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang. Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ tự phát được khếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise). 1.1.2 Các kỹ thuật khuếch đại quang Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn như hình 1.2.  Hình 1.2 Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra trong trong một môi trường được gọi vùng tích cực (active medium). Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộc vào năng lượng được cung cấp từ một nguồn bên ngoài gọi chung là nguồn bơm (Pump Source). Các nguồn bơm này có tính chất như thế nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác phụ thuộc vào cấu tạo của vùng tích cực. Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính: Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier): - Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn. - Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laser bán dẫn. Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạng thái dưới mức ngưỡng phát xạ. - Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier): - Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm. Do đó, OFA còn được gọi là DFA (Doped-Fiber Amplifier) - Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại. - Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi. Một số loại OFA tiêu biểu: + EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530nm – 1565nm + PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280nm – 1340nm + TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440nm -1520nm + NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900nm, 1065nm hoặc 1400nm Trong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). 1.1.3 Các kỹ thuật khuếch đại quang khác Có một số loại khuếch đại quang khác bên cạnh SOA và OFA. Các loại này sử dụng các hiệu ứng phi tuyến để khuếch đại hơn là phát xạ kích thích. Hai loại khuếch đại quang sử dụng hiệu ứng này là Raman và Brillouin. Sử dụng các hiệu ứng trên có thể xây dựng phân tán, chứ không phải gom lại, sự khuếch đại quang của tín hiệu quang. Chúng có ưu điểm sau: các thành phần giống nhau của sợi quang có thể truyền dẫn và khuếch đại đồng thời. Thêm nữa, ta có thể thay thế thành phần này tại vị trí rất xa nguồn bơm, do đó chúng ta có thể điều khiển và cung cấp sự khuếch đại từ trung tâm quản lý. Những linh kiện trên hứa hẹn mở ra nhiều viễn cảnh tươi sáng cho kỹ thuật khuếch đại quang. Một bộ khuếch đại Raman có ba dạng : tập trung ,phân phối và rời rạc. Cấu hình phổ biến ngày nay là các bộ khuếch đại lai EDFA/Raman, một thiết bị mà bộ khuếch đại Raman đền bù cho phần thiếu sót của độ lợi bước sóng trong khoảng từ 1570nm đến 1630nm. Một ứng dụng quan trọng của bộ khuếch đại Raman phân tán là tránh các hiệu ứng có hại được tạo ra bởi độ lợi cao của bộ khuếch đại EDFA. Như là độ lợi cần được tăng khoảng cách giữa hai bộ khuếch đại gần nhau, nhưng nó là kết quả của việc bơm ánh sáng công suất cao vào sợi quang ngay sau khi được khuếch đại. Điều này là nguyên nhân của một vài hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang. Sự thay thế của khuếch đại Raman kết thúc mỗi khoảng cách giữa các EDFA cho phép. 1.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) 1.2.1 Nguyên lý và sơ đồ khối của EDFA 1.2.1.a Sơ đồ khối Hình 1.3a và 1.3b mô tả hai đặc điểm chính của khuếch đại quang sợi. Một sợi quang đóng vai trò như một vùng tích cực là trộn một số lượng lớn ion Erbium (Er). Năng lượng ngoài được cung cấp là ánh sáng, chứ không phải điện tích, như các SOA. Qúa trình bơm được thực hiện với một laser diode phát xạ công suất ánh sáng tại một bước sóng khác chứ không phải là ánh sáng của tín hiệu thông tin nào đó. Đặc biệt, một tín hiệu thông tin được truyền dẫn trong vùng lân cận của 1550nm nhưng laser bơm phát xạ tại bước sóng 980nm hay 1480nm hoặc cả hai. Cả hai tín hiệu thông tin và ánh sáng bơm vào được đặt vào cùng một sợi quang bởi một coupler. Hai ánh sáng này lan truyền cùng trên sợi quang trộn Erbium, nơi mà tín hiệu thông tin được khuếch đại trong khi đó tín hiệu bơm bị mất đi. Ta có thể tưởng tượng rằng, ánh sáng bơm vào cung cấp năng lượng cho tín hiệu và sau đó “chết”. Tín hiệu bơm có thể được bơm cùng chiều (bơm thuận) với tín hiệu thông tin, như hình 1.3a minh hoạ, hoặc có thể được bơm ngược chiều (bơm nghịch), như quá trình thực hiện trong hình 1.3b. Trường hợp bơm ngược chiều có các đặc điểm là nhiễu thấp và công suất ra thấp, trong khi đó bơm cùng chiều cung cấp công suất quang ra cao nhưng cũng tạo ra nhiễu cao. Trong các loại khuếch đại quang thương mại, chúng ta có thể bơm song hướng với bơm thuận và bơm nghịch đồng thời. Một coupler thứ hai loại bỏ phần ánh sáng bơm dư từ sợi quang. Một bộ cách ly (isolator) ngăn ngừa ánh sáng phản hồi lan truyền trong sợi quang; nếu không, ánh sáng này sẽ được khuếch đại, một đại lượng khá lớn bởi vì sự khuếch đại có thể chỉnh như một bộ khuếch đại vào laser, không cần đề cập sự tăng nhiễu không mong muốn. Một bộ lọc sẽ tách các bước sóng còn lại khác với tín hiệu thông tin.     Hình 1.3 Khuếch đại quang sợi EDFA Sự khuếch đại trong EDFA xảy ra qua quá trình phát xạ kích thích. Năng lượng trong quá trình bơm sẽ kích thích các ion Erbium lên vùng năng lượng cao hơn. Tín hiệu thông tin kích thích sự di chuyển của các ion được kích thích xuống vùng năng lượng thấp hơn. Quá trình dịch chuyển này sẽ phát xạ ra các photon có cùng mức năng lượng- điều này có nghĩa là cùng bước sóng- chúng ta có tín hiệu ra. Bởi vì EDFA có một mối quan hệ với chiều rộng của độ lợi băng thông, nó có thể khuếch đại nhiều bước sóng (nhiều kênh) đồng thời. Những tín hiệu được khuếch đại (các kênh bước sóng riêng biệt) có thể kết hợp với nhiễu trong bộ EDFA như trên hình 1.3c. Một bộ khuếch đại quang sợi thông thường là một thiết bị đơn hướng, như trên hình 1.3d minh hoạ. Tuy nhiên, một bộ khuếch đại phát sinh ra nhiễu của chính nó (thêm vào khuếch đại nhiễu với tín hiệu đến) và nhiễu này lan truyền cả hai hướng với sợi quang. Đặc tính của EDFA này khắc phục sự sử dụng một bộ cách ly trong cổng vào của bộ khuếch đại quang sợi. 1.2.1.b Lược đồ các mức năng lượng  Hình 1.4 Lược đồ các mức năng lượng của các ion Erbium trong sợi silica Bởi vì sự hoạt động của một bộ EDFA được dựa vào hiện tượng phát xạ kích thích, do đó chúng ta nên thảo luận về lược đồ các mức năng lượng của một vùng tích cực liên quan đến sự khuếch đại này. Các ion tự do nằm ở các mức năng lượng rời rạc. Khi các ion Erbium được kết hợp chặt chẽ vào một sợi quang silica, mỗi mức năng lượng của chúng chia thành các mức năng lượng có quan hệ gần gũi với nhau vì thế chúng ta gọi là vùng hoá trị. Trong EDFA, chia các mức năng lượng thành một mức năng lượng là có lợi. Đầu tiên và trước nhất, nó cung cấp cho EDFA khả năng khuếch đại không chỉ một kênh mà tập hợp các kênh. Thứ hai, nó loại đi sự cần thiết để tinh chỉnh bước sóng bơm. Mức năng lượng quan trọng nhất của ion Erbium đã kết hợp chặt chẽ vào sợi quang silica được minh hoạ như trên hình 1.4. Nó là một món quà của tự nhiên mà sự chuyển dịch giữa mức 2 (trạng thái trung gian) và mức 1 (trạng thái thấp) xảy ra tại một tập các bước sóng xung quanh 1550nm, nơi mà sợi quang silica thể hiện mức suy hao thấp nhất. Sự may mắn trùng hợp ngẫu nhiên này là lý do tại sao EDFA được sử dụng rộng rãi. Như chúng ta xem trên hình, lưu ý độ rộng của dải năng lượng, nó xác định khả năng của EDFA để khuếch đại khoảng bước sóng từ 1500nm đến hơn 1600nm. 1.2.1.c Các bước sóng bơm Mục tiêu của chúng ta là đạt được sự nghịch đảo nồng độ, như chúng ta đã biết, điều này có ý nghĩa phải tập trung các ion Erbium nhiều tại mức trung gian (mức 2) hơn là mức thấp (mức 1). Để đạt được sự nghịch đảo nồng độ, chúng ta cần phải bơm các ion Erbium tại mức trung gian. Có hai các thực hiện điều này: bơm chúng trực tiếp tại bước sóng 1480nm hay gián tiếp tại bước sóng 980nm. Bây giờ ta thảo luận phương pháp bơm gián tiếp (bơm tại bước sóng 980nm) trước. Trong trường hợp này, các ion Erbium tiếp tục chuyển từ mức thấp (mức 1) lên mức cao (mức 3); ở đây chúng không phát xạ đến mức năng lượng trung gian (mức 2), mà chúng chuyển xuống mức năng lượng thấp (mức 1), phát xạ các bước sóng yêu cầu từ 1500nm đến 1600nm. Đây là nguyên lý của 3 mức năng lượng. Đặc điểm chính của nguyên lý 3 mức năng lượng chính là thời gian sống của hai mức trên. Thời gian sống hay thời gian của phát xạ tự phát ((σsp), là khoảng thời gian tồn tại trung bình tại các mức năng lượng xác định trước khi chúng chuyển một cách tự phát xuống các mức năng lượng tiếp theo. Thời gian sống của các ion Erbium tại mức năng lượng cao (mức 3) khoảng 1µs, trong khi đó thời gian sống của các ion Erbium tại các mức năng lượng trung gian (mức 2) là hơn 10ms (với thời gian sống của chúng dài, như mức trên gọi là metastable). Do đó, các ion Erbium bơm tại các mức cao sẽ đi xuống mức năng lượng trung gian một cách rất nhanh và ở mức năng lượng đó trong khoảng thời gian nhiều hơn. Hay nói cách khác, các ion Erbium sẽ tích luỹ tại mức năng lượng trung gian, tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Khi quá trình bơm được thực hiện một cách trực tiếp (tại 1480nm), chỉ bao gồm 2 mức năng lượng. Các ion Erbium được chuyển một cách liên tục từ mức năng lượng thấp bằng năng lượng quang bên ngoài tại 1480nm và lên mức năng lượng trung gian. Từ thời gian sống của các ion Erbium là dài, chúng tích luỹ ở đây, tạo ra nghịch đảo nồng độ. Kết quả của hai quá trình là tại mức năng lượng trung gian được tập trung nhiều ion Erbium hơn mức năng lượng thấp. Khi tín hiệu ánh sáng thông tin hoạt động tại một trong các bước sóng của hệ thống WDM với một sợi quang bơm Erbium nghịch đảo nồng độ, nó sẽ kích thích sự chuyển dịch của các ion Erbium từ mức 2 xuống mức 1. Sự chuyển dịch kích thích này sẽ xảy ra cùng với phát xạ kích thích của các photon có cùng bước sóng, hướng, và pha giống như photon vào. Do đó, sự khuếch đại tín hiệu vào xảy ra. 1.2.2 Các EDFA cho dải bước sóng Băng-L Bộ EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565nm). Tuy nhiên, độ lợi của sợi pha tạp có đuôi trải rộng đến khoảng 1605nm. Điều này kích thích sự phát triển của các hệ thống hoạt động ở băng L từ 1565nm đến 1625nm. Lưu ý hiện tại các EDFA cho băng L hiện nay không bao phủ phần đỉnh của băng này từ 1610->1625nm. Nguyên lý hoạt động của EDFA băng L giống như EDFA băng C. Tuy nhiên, có sự khác nhau đáng kể trong việc thiết kế EDFA cho băng L và băng C. Phổ độ lợi của Erbium ở băng L phẳng hơn băng C. Điều này làm cho việc thiết kế các bộ lọc làm phẳng độ lợi ở băng L dễ dàng hơn. Tuy nhiên, hệ số độ lợi Erbium ở băng L nhỏ hơn khoảng 3 lần so với băng C. Điều này đòi hỏi phải sử dụng sợi pha tạp dài hơn hoặc sợi có nồng độ pha tạp Erbium nhiều hơn. Hoặc công suất bơm cho EDFA băng L đòi hỏi phải cao hơn so với EDFA băng C. Do sự hấp thụ qua đoạn băng L nhỏ hơn nên các bộ khuếch đại này cũng có nhiễu ASE cao hơn. Cuối cùng các phần tử khác sử dụng bên trong bộ khuếch đại như isolator và coupler là phụ thuộc vào bước sóng nên cũng sẽ khác nhau cho băng C và băng L. Do các yếu tố trên các bộ khuếch đại băng C và băng L được sản xuất riêng biệt.  Hình 1.5 Băng-C và Băng-L của băng thông một EDFA 1.2.3 Nhiễu và độ lợi của EDFA 1.2.3.a Độ lợi của EDFA Độ lợi: đó là đặc điểm đầu tiên khi chúng ta đánh giá một bộ khuếch đại. Chúng ta thảo luận đặc điểm này đối với một sợi quang tích cực. a) Định nghĩa: Độ lợi là tỷ số giữa công suất ánh sáng ra và công suất ánh sáng vào:  Khi công suất đo bằng watt. Thông thường chúng ta đo độ lợi bằng dB, điều này có nghĩa:  Nếu chúng ta nhìn lại hình 1.3c, chúng ta sẽ nhận ra rằng công suất ra bao gồm công suất của tín hiệu ra và nhiễu. Kết quả, chúng ta cần tách công suất nhiễu khi tính toán độ lợi:  Hay  Độ lợi của EDFA hiện đại ngày nay có giá trị trong khoảng 20 đến 40 dB, dựa vào chức năng của nó, người ta có thể thiết kế chúng như bộ khuếch đại công suất, khuếch đại đường dây hay tiền khuếch đại. b) Tính phẳng của độ lợi Vì các mức nồng độ ở các mức khác nhau trong một giải năng lượng là khác nhau, độ lợi của EDFA trở thành một hàm của bước sóng. Khi EDFA được sử dụng trong hệ thống WDM, các kênh WDM khác nhau sẽ có độ khuếch đại khác nhau. Một cách cải thiện tính phẳng của độ lợi bộ khuếch đại là sử dụng sợi fluoride thay thế cho sợi silica, được pha tạp với Erbium. Các bộ khuếch đại này được gọi là bộ khuếch đại EDFFA. Sợi fluoride cho độ lợi phẳng hơn sợi silica. Tuy nhiên, EDFFA lại có một số nhược điểm sau: Chất lượng tạp âm của EDFFA kém hơn EDFA. Đó là lý do mà chúng phải được bơm ở 1480nm mà không bơm được ở 980nm. Bởi vì sợi fluoride có mức năng lượng E4>E3 và độ chênh lệch về năng lượng giữa hai mức này là tương ứng với 980nm. Điều này làm cho công suất bơm ở 980nm sẽ bị hấp thụ bởi vì sự chuyển tiết E3->E4, và do đó không tạo độ lợi hữu ích. Hiện tượng này gọi là hấp thụ ở trạng thái bị kích thích. Sợi fluoride rất khó xử lý. Nó giòn, dễ vỡ, khó ghép nối với sợi quy ước, nhạy cảm với độ ẩm. Một cách khác để làm phẳng độ lợi cho EDFA là sử dụng bộ lọc bên trong bộ khuếch đại. c) Sự bão hoà độ lợi Độ lợi có phụ thuộc vào công suất của tín hiệu vào ? Dựa vào điều sau: một tín hiệu công suất cao có nghĩa là một số lượng rất lớn các photon trên

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docbáo cáo doc.doc
  • docMCLCBO~1.DOC