Tài liệu Bài giảng mạng truyền tải quang chương 2

BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG CHƯƠNG 2 KHUẾCH ĐẠI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 57 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  2.1 GIỚI THIỆU CHUNG  2.2. KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA)  2.3. KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA)  2.4. KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG RAMAN (RA)  2.5. www.ptit.edu.vn SO SÁNH CÁC LOẠI BỘ KHUẾCH ĐẠI BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 58 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  Trong mọi hệ thống thông tin quang, suy hao của sợi làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn  Đối với các hệ thống quang cự ly dài, để bù suy hao thường sử dụng các trạm lặp quang - điện (rất phức tạp và đắt tiền đối với hệ thống quang WDM).  Giải pháp khác: dùng các bộ khuếch đại quang (OA) để khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang.  1980: một số loại bộ OA đã được nghiên cứu chế tạo  SOA : Semiconductor Optical Amplifier  RFA : Raman-based Fiber Amplifier  EDFA : Erbium-doped Fiber Amplifier  1990: ứng dụng OA để bù suy hao  Với các hệ thống quang: EDFA được sử dụng phổ biến nhất  Đối với các hệ thống cự li dài: RFA hoạt động tốt hơn www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 59 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  Các tham số cơ bản :  Hệ số khuếch đại G = Pout / Pin G (dB) = 10 log (Pout / Pin) Pin và Pout là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang [mW]. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 60 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  Độ rộng băng tần khuếch đại: - Là đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) khi đo hệ số khuếch đại G của các tín hiệu quang ở các tần số khác nhau - Bo được xác định bởi điểm -3dB so với hệ số khuếch đại đỉnh của bộ khuếch đại  Công suất ra bão hòa  HÖ sè K§ G gi¶m khi c«ng suÊt tÝn hiÖu t¨ng (b·o hoµ G)  Công suất ở đầu ra tại điểm G giảm 3 dB được gọi là công suất ra bão hòa Psat, out. Pout G Pout, sat 3dB Pin Pin,sat www.ptit.edu.vn Pout Pout,sat BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 61 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  Nhiễu bộ khuếch đại - Các bộ KĐ gây ra nhiễu và làm giảm tỉ số SNR - Nguồn nhiễu: phát xạ tự phát (ASE-Amplified Spontaneous Emission) - Mật độ phổ nhiễu phát xạ tự phát gần như là không đổi: S sp ( )  ( G  1) n sp h  - Hệ số đảo mật độ (hs phát xạ tự phát): - Giá trị nhiễu bộ KĐ được định nghĩa: N2 nsp  1 N 2  N1 ( SNR)in Fn  SNR out - SNR là tỉ số SNR điện tạo ra trong bộ tách quang www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 62 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  Nhiễu bộ khuếch đại - Với mọi bộ KĐ: Pout=GPin - SNR của tín hiệu vào 2 khi hạn chế được nhiễu bắn: ( SNR ) in  I  s2 ( RPin ) 2 Pin   2q( RPin )Df 2hDf - Để đánh giá SNR của tín hiệu KĐ cần thêm phân bố phát xạ tự phát vào nhiễu máy thu. - Phát xạ tự phát kết hợp với tín hiệu tạo ra dòng trong bộ tách quang có đáp ứng R: I  R G Ein  Esp - 2 Vì Ein và Esp có pha ngẫu nhiên khác nhau. Dòng nhiễu: DI  2 R (GPin )1/ 2 Esp cos  www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 63 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  Nhiễu bộ khuếch đại  Lấy trung bình đối với  (cos  =1/2) và bỏ qua với các nguồn nhiễu khác: 2 - Do đó  SNR  tín 4(hiệu RGP KĐ cóRS dạng: sig  spcủa in )( sp ) Df - ( RGPin ) 2 GPin SNR out  2   2 Giá trị nhiễu củabộ KĐ:  4S SP Df - SNR F giảm  23dB n ngay G  1cả /với Gbộ  KĐ 2n lí tưởng (nsp=1) - Thực tế, Fn vượt 3 dB và có thể tới 6-8 dB I n www.ptit.edu.vn sp  2  sp BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 64 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  Nhiễu bộ khuếch đại - Minh hoạ cách xác định Fn : Power Input Sinal*Gain Gain SNRout Sourse SE*Gain+EDFA ASE Actual output Ideal output Input EDFA ASE Sourse SE*Gain Sourse Spontaneous Emission (SE) Wavelenght www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 65 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  2.2. KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 66 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  SOA còn được gọi SLA- Semiconductor Laser Amplifier  Hoạt động ở chế độ định thiên thấp hơn dòng ngưỡng  Thực tế, so với LD thì SLA có ống dẫn sóng rộng hơn và 2 mặt được phủ một lớp chống phản xạ để tránh ngưỡng LD và đạt được khuếch đại cao  Các bộ SOA thường là các bộ khuếch đại cộng hưởng (R1 và R2 0)  Phân loại SLA theo cấu trúc:  FP-SLA (bộ khuếch đại bán dẫn có khoang cộng hưởng FP )  DFB-SLA (bộ khuếch đại bán dẫn hồi tiếp phân tán )  TW-SLA (bộ khuếch đại bán dẫn sóng chạy ) R1 input fiber R2 output fiber Pin Pout=GtotPout in www.ptit.edu.vn out BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 67 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  FP-SOA: - Hệ số KĐ của FP-SOA được xác định như sau: (1  R1 )(1  R2 )G G FP    (1  G R1 R2 ) 2  4G R1 R2 sin 2  (  m ) / D L  trong đó: R1 IB R2 Pin Pout G - Hệ số khuyếch đại thông đơn m - tần số céng hưởng của khoang DL - khoảng cách các mode còn gọi là dải phổ tự do của Lkhoang FP - Thực tế GFP giảm tới G khi R1=R2=0 và GFP đạt đỉnh khi  trùng m và giảm mạnh khi ở giữa chúng. Hệ số khuếch đại thực bị giảm còn inoutGFP Nếu dòng điều khiển là 10mA thì hệ số KĐ đạt được khoảng 25-30 dB, công suất ra bão hoà là 8dB với độ rộng băng tần 1-3GHz www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 68 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  FP-SOA: - Độ rộng băng tần bộ KĐ từ điều hưởng -m với GFP giảm 3dB so với giá trị đỉnh:  1 G R R  2D L 1 2  D A  sin 1   4G R R 1/ 2   1 2     Để DA lớn thì G R1 Rphải gần bằng 1. 2 Hạn chế của FP-SOA: + Phổ khuếch đại bị nhấp nhô do sự phản xạ, đỉnh tại =m + Độ rộng băng tần bộ KĐ (A) là một phần nhỏ của dải phổ tự do của khoang PF (L=100GHz và A=10GHz). A nhỏ làm cho bộ KĐ FP không phù hợp với các ứng dụng hệ thống quang. - Để khắc phục những hạn chế này phải sử dụng loại TW-SOA - www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 69 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  TW-SOA: - Để cải thiện đặc tính khuếch đại cấu trúc dẫn sóng trong FP-SOA được thay đổi: ống dẫn sóng ở lớp tích cực được chạy xiên, hai đầu được bọc lớp chống phản xạ: giảm ngưỡng LD, tăng hệ số KĐ và mở rộng phổ KĐ. - TW- SOA có hệ số phản xạ rất nhỏ (<0,1 %). Để đánh giá trị số chênh lệch của phản xạ bề mặt thông qua biểu thức: 2 1  G R R  G 1 2  DG   1 G R R  G 1   Để duy trì DG<2 thì hệ số phản xạ phải thoả mãn đk: Để có G=1000 (30dB) G thì R1 R2  0,17 max FP min FP - R1 R2  1,7  10 4 www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 70 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  Các vấn đề đối với SOA: - SOA rất nhạy cảm với phân cực, cần có các biện pháp khắc phục như: mắc nối tiếp các SOA trực giao, phân tập phân cực hoặc quay phân cực. - Hệ số nhiễu của SOA tương đối lớn (7-12 dB). - Suy hao ghép nối lớn 6-8 dB hoặc hơn. - Thực tế, SOA thường ít được sử dụng để KĐ tín hiệu WDM, tuy nhiên các hiệu ứng xẩy ra trong SOA thường được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác trong mạng quang (chuyển đổi bước sóng, chuyển mạch quang). www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 71 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG 2.3 – KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA) www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 72 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  Cấu trúc: - Thành phần chớnh là sợi pha tạp Erbium, nồng độ pha tạp 100 – 2000 ppm Quỏ trỡnh bơm cú thể thực hiện theo hai hướng thuận và nghịch Cỏc bộ cỏch ly quang ngăn nhiễu phản xạ và tớn hiệu truyền dẫn theo hướng ngược lại làm giảm chất lượng bộ KĐ Cỏc thành phần giỏm sỏt và điều khiển khỏc. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 73 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG  Nguyên lý: - Ion Er+3 hấp thụ photon của laser bơm chuyển lờn mức năng lượng cao hơn. Ion kớch thớch sau một thời gian sẽ chuyển về mức năng lượng nền và phỏt xạ photon theo hai quỏ trỡnh phỏt xạ tự phỏt và phỏt xạ kớch thớch. Phỏt xạ kớch thớch là cơ chế khuyếch đại tớn hiệu, phỏt xạ tự phỏt gõy ra nhiễu quang trong bộ khuyếch đại. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 74 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG Mặt cắt ngang của sợi quang pha ion Erbium www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 75 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG KHUẾCH ĐẠI QUANG - Phổ khuyếch đại của EDFA phụ thuộc vào chất đồng pha tạp, công suất bơm và nồng độ Er. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 76