RealEDU.

1. i
NGUYỄN
HỮU
SƠN
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN HỮU SƠN
KỸ
THUẬT
TRUYỀN
THÔNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI
TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
KHÓA
2013B
Hà Nội – Năm 2014

2. ii
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN HỮU SƠN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI
TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: THÔNG
KỸ THUẬT TRUYỀN
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TRUNG
Hà Nội – Năm 2014

3. 1
M C L C
Ụ Ụ
M C L C 1
Ụ Ụ ....................................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... 4
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8
.......................................................................................
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................. 10
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG............................... 11
1.1. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang. ................................................ 11
1.2 Tổng quan về công nghệ WDM. ............................................................................ 13
1.2.1. Giới thiệu....................................................................................................... 13
1.2.2. Quá trình phát triển mạng truyền dẫn. ............................................................ 16
1.2.3. Công nghệ WDM........................................................................................... 17
1.2.4. Các thành phần chính của hệ thống thông tin quang. ...................................... 21
1.2.5. Tính ƣu việt của hệ thống thông tin quang...................................................... 22
CHƢƠNG II: CÁC CÔNG NGHỆ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI 25
...............................
2.1. Khái quát chung về khuếch đại quang. .................................................................. 25
2.2. Nguyên lý khuếch đại quang................................................................................. 27
2.3. Các thông số chính của sợi quang. ........................................................................ 28
2.3.1. Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại........................................................................ 28
2.3.2. Băng thông độ lợi........................................................................................... 30
2.3.3. Công suất ngõ ra bão hoà. .............................................................................. 30
2.3.4. Hệ số nhiễu.................................................................................................... 32
2.4. Phân loại khuếch đại quang................................................................................... 32
2.4.1. Khuếch đại quang bán dẫn. ............................................................................ 33
2.4.2. Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA)............................................................... 35
2.4.3. Nguyên lý hoạt động của EDFA..................................................................... 37
2.5 Các đặc tính kỹ thuật của bộ khuếch đại EDFA...................................................... 42
2.5.1. Đặc tính tăng ích............................................................................................ 42
2.5.2. Đặc tính công suất ra...................................................................................... 44
2.5.3. Đặc tính tạp âm.............................................................................................. 45

4. 2
2.6. Kết cấu cơ bản và kết cấu tối ƣu của EDFA. ......................................................... 47
2.6.1. Kết cấu cơ bản của EDFA. ............................................................................. 47
2.6.2. So sánh các đặc tính của ba phƣơng thức bơm................................................ 48
2.6.3. Kết cấu EDFA tối ƣu...................................................................................... 48
2.6.4. EDFA khuếch đại tín hiệu theo hai chiều........................................................ 49
2.7. Các bộ khuếch đại quang sợi băng rộng. ............................................................... 50
2.7.1. Bộ khuếch đại sợi quang trộn Praseodymium (Pr) PDFA. .............................. 50
2.7.2. EDFA trộn nhôm (Al). ................................................................................... 50
2.7.3. EDFA pha tạp Flo. ......................................................................................... 51
2.7.4. EDFA băng rộng trộn tellurium...................................................................... 52
2.7.5. Bộ khuếch đại quang sợi Raman. 53
...................................................................
2.7.6. Bộ khuếch đại sợi quang bán dẫn SOA........................................................... 53
2.7.7. EDFA mắc song song..................................................................................... 54
2.8. Giải pháp kĩ thuật cho tuyến truyền dẫn sử dụng khuếch đại quang sợi. ................ 55
2.8.1. Nhiễu tích lũy. 55
...............................................................................................
2.8.2. Điều chỉnh tán sắc.......................................................................................... 57
CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH, THAM SỐ KỸ THUẬT VÀ ỨNG
DỤNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA................................................ 59
3.1. Phƣơng trình cơ bản.............................................................................................. 59
3.2. Tính toán hệ số tạp âm.......................................................................................... 59
3.3. Hệ số khuếch đại................................................................................................... 60
3.4. Công suất bơm ngƣỡng......................................................................................... 62
3.5. Công suất bão hòa tín hiệu.................................................................................... 62
3.6. Tính toán công suất bơm ngƣỡng, công suất tới hạn, công suất bão hoà, hệ số
khuếch đại của EDFA.................................................................................................. 63
3.7. Các ứng dụng PA, BA, LA. 64
..................................................................................
3.7.1. Tiền khuếch đại (PA). .................................................................................... 64
3.7.2. Khuếch đại công suất (BA). ........................................................................... 66
3.7.3. Khuếch đại đƣờng truyền (LA)....................................................................... 67
3.7.4. Tính số tín hiệu trên tạp âm............................................................................ 69
3.7.5. Tính công suất bù trong từng trƣờng hợp BA, LA, PA để đạt đƣợc một tỷ số lỗi
bit cho trƣớc. ........................................................................................................... 69
3.8. Các tham số của sợi EDF thông dụng.................................................................... 71
3.9. Các sơ đồ ứng dụng của EDFA............................................................................. 71

5. 3
3.10. Các tham số thiết kế hệ thống làm việc ở bƣớc sóng 1550nm.............................. 72
3.10.1. Tham số của sợi quang................................................................................. 74
3.10.2. Nguyên lí làm việc của NZ – DSF................................................................ 75
3.10.3. Thiết kế hệ thống. 77
........................................................................................
CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN......................................................................................... 85
4.1. Kết quả đạt đƣợc................................................................................................... 85
4.2. Hƣớng phát triển đồ án. 85
........................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 86
PHỤ LỤC A...................................................................................................................I
PHỤ LỤC B..................................................................................................................II

6. 4
LỜI CAM ĐOAN
Trƣớc hết, xin gửi lời cảm ơn ân thành tới tập thể các thầy cô trong
em ch
viện Điện tử viễn thông, các thầy cô trong viện Đào tạo sau đại học trƣờng đại học
Bách Khoa Hà Nội đã quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi cho các học viên trong quá
trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
em PGS.TS.
Nguyễn Quốc Trung đã tận tình chỉ bảo hƣớng dẫ nội dung của
, n em hoàn thành
luận văn này.
Em xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này hoàn toàn do em tìm hiểu,
nghiên cứu và viết ra. ó sự hƣớng dẫn sửa chữa của giáo viên hƣớng dẫn
C , góp ý ,
các số liệu đƣợc công bố là hoàn toàn trung thực. Các số liệu tham khảo khác đều
có chỉ dẫn về nguồn gốc xuất xứ và đƣợc nêu trong phần tài liệu tham khảo cuối
luận văn.
Em xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong quyển luận văn này.
Hà Nội, ngày năm 2014
09 tháng 09
Tác giả
Nguyễn Hữu Sơn

7. 5
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
3R Re-Shaping
Re-Timing
Re-Amplifying
Định dạng lại
Định thời lại
Khuếch đại
ADM Add-Dop Multiplexer Bộ ghép tách kênh
APD Avalanche Photodiode Đi ốt tách sóng quang thác
APS Automaic Protection
Switching
Chuyển mạch bảo vệ tự động
ASE Amplified Spontaneous
Emission
Bức xạ tự phát có khuếch đại
BA Booster Amplifier Khuếch đại công suất
BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit
CCIT Consultative Committee
for International Telephony
and Telegraphy
Uỷ ban tƣ vấn quốc tế về
điện thoại và điện báo
DCF Dispersion Compensation
Fiber
Sợi bù tán sắc
DEMUX DeMultiplexer Bộ tách kênh
DFB Distributed Feedback laser Laser quang phân bố hồi tiếp
DSF Dispersion Shifted fiber Sợi quang phân tán dịch
chuyển
DWDM Dense Wavelength
Division Multiplexing
Ghép kênh theo bƣớc sóng
mật độ cao
EDF Erbium Doped fiber Sợi quang pha tạp Erbium
EDFA Erbium Doped fiber
Amplifier
Bộ khuếch đại quang sợi pha
tạp Erbium
EMI Electromagnetic
interferenc
Nhiễu điện từ

8. 6
FEC Forward error correcting Sửa lỗi trƣớc
FP-LD Fabry-Perot laser diode Điốt laser Fabry-Perot
FWHM Full width at half
maximum
Độ rộng xung tại nửa giá trị
cực đại
FWM Four Wave Mixing Bộ trộn bốn bƣớc sóng
GF Gain Flatting Tăng ích phẳng
IM Indensity Modulation Điều chế cƣờng độ
IM-DD Indensity Modulation -
Direct Detection
Điều chế cƣờng độ - Tách
sóng trực tiếp
ISDN Integrated Services Digital
Network
Mạng tích hợp dịch vụ số
ITU International
Telecommunication Union
Hiệp hội viễn thông quốc tế
ITU-T International
Telecommunication Union
- Telecommunication
Standardization Sector
Hiệp hội viễn thông quốc tế -
Tiêu chuẩn viễn thông
LA In-Line Amplifier Khuếch đại trên tuyến
LAN Local Area Network Mạng cục bộ
LD Laser Diode Điốt laser
LED Light Emiting Diode Đi ốt phát quang
MUX Multiplexer Bộ ghép kênh
NF Noise Figure Hệ số tạp âm
NRZ Non Return to Zero Không trở về không
OC-N Optical Carrier level-N Sóng mang quang mức N
OE opto-electro O/E
converters
Bộ chuyển đổi quang điện
OFA Optical Fiber amplifier Khuếch đại quang

9. 7
OPA Optical Parametric
Amplifiers
Khuếch đại các tham số
quang
OTDM Optical Time Division
Multiplexing
Ghép kênh quang phân chia
theo thời gian
PA Preamplifier Tiền khuếch đại
PCM Pulse Code Modulation Điều xung mã
PDFA Praseodymium Doped fiber
Amplifier
Bộ khuếch đại quang sợi pha
tạp Praseodymium
PDH Plesiochronous Digital
Hierarchy
Phân cấp cận đồng bộ
PIN Positive Instrinsic Negative Cấu trúc PIN
RFI Radio frequency
interference
Nhiễu tần số vô tuyến
ROA Raman Optical Amplifier Khuếch đại quang Raman
Rx Receiver Bộ thu
RZ Return to Zero Trở về mức 0
SDH Synchronous Digital
Hiarachi
Phân cấp đồng bộ
SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode
SNR Single Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
SOA Optical Semiconductor
Amplifier
Khuếch đại quang bán dẫn
SRS Scattering Raman
stimulation
Tán xạ Raman kích thích
STM-M Synchronous Transfer
Mode level - M
Mode truyền dẫn đồng bộ
mức M
TDM Time Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
thời gian
TWA Traveling Wave Amplifier Bộ khuếch đại sóng chạy

10. 8
Tx Transmitter Bộ phát
WDM Wavelength Division
Multiplexing
Ghép kênh theo bƣớc sóng
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các giá trị của OC- và STM- ..............................................................16
N M
DANH MỤC HÌNH VẼ
CÁC
Hình 1. 1. Hai hệ thống truyền dẫn tốc độ cao. ......................................................12
Hình 1. 2. Hệ thống (mạng) WDM. .......................................................................14
Hình 1. 3. Sự suy giảm của ánh sáng trong sợi Silic (thạch anh). ...........................15
Hình 1. 4. Các thành phần chính của một hệ thống thông tin quang.......................21
Hình 1. 5. Bộ phát quang.......................................................................................21
Hình 1. 6. EDFA. 22
..................................................................................................
Hình 1. 7. Bộ thu quang.........................................................................................22
Hình 2. 1. Bộ lặp quang điện. ................................................................................25
Hình 2. 2. Tuyến truyền dẫn quang........................................................................26
Hình 2. 3. Các hiện tƣợng biến đổi quang điện. .....................................................27
Hình 2. 4. Mối tƣơng quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi..................................29
Hình 2. 5. Sự phụ thuộc của công suất ra (theo Ps) theo G (theo G0)......................31
Hình 2. 6. Sơ đồ khối một SOA.............................................................................33
Hình 2. 7. Các ứng dụng cơ bản của SOA..............................................................34
Hình 2. 8. Sơ đồ các mức năng lƣợng của ion Er3+
35
tự do........................................
Hình 2. 9. Cấu tạo cơ bản của EDFA.....................................................................37
Hình 2. 10. Quan hệ giữa tăng ích với nồng độ pha Er3+
trong sợi quang...............43
Hình 2. 11. Quan hệ giữa độ lợi tín hiệu và công suất bơm quang. 43
........................

11. 9
Hình 2. 12. Quan hệ giữa G và chiều dài sợi quang trộn Erbium tại bƣớc sóng bơm
1480 nm. ...............................................................................................................44
Hình 2. 13. Hệ số khuếch đại phụ thuộc chiều dài sợi và phƣơng thức bơm...........44
Hình 2. 14. Ảnh hƣởng của các phƣơng thức bơm đối với hệ số tạp âm.................46
Hình 2. 15. Kết cấu của EDFA bơm cùng chiều. 47
...................................................
Hình 2. 16. Kết cấu EDFA bơm ngƣợc chiều.........................................................47
Hình 2. 17. Kết cấu EDFA bơm hai chiều..............................................................48
Hình 2. 18. Quan hệ giữa công suất tín hiệu đầu ra và công suất bơm....................48
Hình 2. 19. Sơ đồ EDFA bơm kiểu phản xạ...........................................................49
Hình 2. 20. Sơ đồ của EDFA hai chiều. .................................................................49
Hình 2. 21. 50
Sơ đồ vùng bƣớc sóng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang. ........
Hình 2. 22. Công suất ASE theo bƣớc sóng trong bộ EDFA sợi quang Flo. ...........51
Hình 2. 23. Phổ khuếch đại của EDFA tellurium. ..................................................52
Hình 2. 24. Sơ đồ kết cấu song song của EDFA.....................................................54
Hình 2. 25. Phổ khuếch đại của bộ khuếch đại EDFA song song. ..........................54
Hình 3. 1. Sơ đồ tuyến sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại. ..................................64
Hình 3. 2. Sơ đồ tuyến sử dụng EDFA làm khuếch đại công suất. .........................66
Hình 3. 3. Sơ đồ tuyến sủ dụng EDFA làm khuếch đại đƣờng truyền. 67
...................
Hình 3. 4. Mối quan hệ các tham số quang. ...........................................................79

12. 10
LỜI MỞ ĐẦU
Thế kỷ 21, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và
kỹ thuật viễn thông nói riêng. Truyền thông đa phƣơng tiện, nhu cầu dịch vụ viễn
thông phát triển rất nhanh dẫn đến yêu cầu một cao đối với việc tăng dung
ngày
lƣợng truyền dẫn Cùng với sự phát triển của công nghệ chuyển mạch, công nghệ
.
truyền dẫn cũng đạt đƣợc những thành tựu to lớn, đặc biệt là công nghệ truyền dẫn
bằng cáp sợi quang. áp sợi quang đƣợc sử dụng rộng rãi tr
C ong mạng viễn thông và
đƣợc coi à một môi trƣờng truyền dẫn lý tƣởng mà không một môi trƣờng truyền
l
dẫn nào có thể thay thế ới ƣu điểm băng thông rộng, cự li truyền dẫn xa, không bị
. V
ảnh hƣởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao, hệ thống thông tin quang phù hợp
với các tuyến thông tin xuyên lục địa, các tuyến đƣờng trục, trung kế với các cấu
trúc linh hoạt đáp ứng nhu cầu dịch vụ hiện tại và tƣơng lai.
, các
Với sự tiến bộ vƣợt bậc của khoa học kỹ thuật, gần đây đã thực hiện thành
công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ
một quá trình biến đổi về điện nào. Kỹ thuật này cho phép khắc phục đƣợc nhiều
hạn chế của trạm lặp nhƣ: hạn chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp, chi phí
lớn… đã làm cho kỹ thuật truyền dẫn trên cáp sợi quang càng tỏ rõ tính ƣu việt.
Nhận thức đƣợc tầm quan trọng cũng nhƣ ý nghĩa to lớn của khuếch đại
quang sợi, dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Quốc Trung, em đã tập trung
nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn
quang WDM”. Những kết quả đạt đƣợc trong đề tài là tiền đề để tiếp tục những
nghiên cứu sâu, rộng hơn nhằm đƣa đến những ứng dụng trong thực tế.
Nội dung luận văn tốt nghiệp gồm các chƣơng sau
 Chƣơng I Tổng quan hệ thống thông tin quang.
:
 Chƣơng Các công nghệ khuếch đại quang sợi
II: .
 Chƣơng III Phân tích các đặc tính, tham số kỹ thuật và ứng dụng của bộ
:
khuếch đại quang sợi .
EDFA
 Chƣơng Kết luận
IV: .

13. 11
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1 . Quá trình
.1 phát triển của hệ thống thông tin quang.
H hông tin quang
ệ thống t cũng nhƣ các hệ thống thông tin khác, thành phần
cơ bản của hệ thống đều tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung. Tín hiệu
truyền đƣợc phát vào môi trƣờng truyền dẫn và đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần
truyền. Môi trƣờng truyền dẫn của hệ thống thông tin quang ở đây chính là sợi
quang, sợi quang thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới
phía .
nhận
Năm 1960, laser đƣợc sử dụng làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ
mới có ý nghĩa to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng ánh sáng để truyền
thông tin tia laser qua không gian
. Thông tin bằng truyền nhƣng bị ảnh hƣởng của
thời tiết, máy phát và phải nhìn thấy nhau…nên việc sử dụng bị hạn chế.
Năm 1962 xuất hiện laser bán dẫn cùng với sợi quang đƣợc chế tạo
và nó,
đầu tiên vào năm 1970 làm cho thông tin quang trở thành hiện thực. Ánh sáng từ
laser bán dẫn đƣợc ghép vào sợi quang và truyền trong sợi quang theo nguyên lý
phản xạ toàn phần nên đã khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của thông tin bằng tia
laser. Laser bán dẫn GaAs/GaAlAs phát ở vùng hồng ngoại gần 0.8μm đã đƣợc chế
tạo và sử dụng cho thông tin quang sợi trong nhƣng năm 1970.
Thập kỷ 80 của thế kỷ trƣớc các hệ thống thông tin quang thế hệ đầu tiên (tốc
độ 45 Mbps, khoảng cách lặp 10 km) và hệ thống thông tin quang thế hệ thứ hai sử
dụng laser 1310 nm đƣợc đƣa vào hoạt động. Thời gian đầu, tốc độ chỉ đạt 100Mb/s
do tán sắc sợi đa mode, khi sợi đơn mode đƣợc đƣa vào sử dụng, tốc độ đƣợc tăng
lên rất cao. Năm 1987, hệ thống thông tin quang 1310 nm có tốc độ 1.7 s với
p
Gb
khoảng cách lặp 50 km đã có mặt trên thị trƣờng.

14. 12
T sóng
hế hệ thứ ba của các hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bƣớc
1.55 ps,
μm với tốc độ 2.5 Gb khoảng cách lặp 60 ÷ 70 km. Khi sử dụng các loại sợi
quang bù tán sắc và làm phẳng tán sắc, khoảng cách lặp sẽ đƣợc tăng cao.
Thế hệ thứ tƣ của hệ thống hông tin quang là sử dụng khuếch đại quang sợi
t
để khoảng cách lặp đồng thời ghép nhiều bƣớc sóng trong một sợi quang để
kéo dài
tăng tốc độ truyền dẫn trong sợi quang. Khuếch đại quang sợi pha tạp chất Erbium
(EDFA) có khả năng bù công suất cho suy hao quang trong khoảng cách lớn hơn
100km. Hệ thống thông tin quang có EDFA đƣợc thử nghiệm truyền tín hiệu số tốc
độ 2.5 ở khoảng cách 21
p
Gb s .000 km và 5 p .300 km
Gb s ở khoảng cách 14 đầu tiên
vào năm 1991. Năm 1996 hệ thống thông tin quang quốc tế dƣới biển đã đƣợc lặp
đặt, năm 1997 đƣờng cáp quang vòng quanh thế giới dƣới biển dài 27 km đƣợc
.300
đƣa vào hoạt động kết nối nhiều nƣớc ở châu Âu, châu Á với tốc độ 5 10 p
 Gb s.
Công nghệ ghép nhiều bƣớc sóng trên một sợi quang (WDM) làm tăng dung
lƣợng truyền dẫn t cách đáng kể. ăm 1996 đã thử nghiệm tuyến truyền dẫn 20
mộ N
bƣớc sóng quang với tốc độ của từng bƣớc sóng là 5 khoảng cách 9
Gbps qua .100
km, tốc độ của tuyến đã đạt 100 .
Gbps
Hình 1. 1. Hai hệ thống truyền dẫn tốc độ cao.

15. 13
Thế hệ thứ năm của hệ thống thông tin quang dựa trên cơ sở giải quyết vấn
đề tán sắc trong sợi quang. Suy hao trong sợi quang đã đƣợc khuếch đại quang giải
quyết rất hoàn hảo nhƣng vấn đề tán sắc vẫn chƣa đƣợc giải quyết. Giải pháp tốt
nhất để giải quyết vấn đề tán sắc là sử dụng hiệu ứng Soliton quang, iệu ứng
h
Soliton quang là hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang, dựa trên cơ sở tƣơng tác bù trừ
tán sắc của các thành phần quang trong một xung quang cực ngắn đƣợc truyền trong
sợi quang không có suy hao.
Năm 1994 hệ Soliton thử nghiệm truyền tín hiệu 10 khoảng cách
qua
Gbps
35.000 km và 15 qua
Gbps khoảng cách 24 000km. Năm 1996 hệ thống WDM có 7
.
bƣớc sóng truyền Soliton trên khoảng cách 9 400km với tốc độ 70
. .
Gbps
Hiện nay, mạng thông tin toàn quang đang đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ nhằm
tăng hơn nữa tốc độ thông tin. Các hệ thống thông tin quang đã đƣợc ứng dụng rộng
rãi trên thế giới. Chúng đáp ứng đƣợc cả tín hiệu tƣơng tự và số cho phép truyền
và
dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp băng rộng, đáp ứng mọi nhu cầu của mạng
,
tích hợp dịch vụ Các tuyến đã đƣợc lắp đặt trên thế giới với
số (ISDN). cáp quang
số lƣợng lớn, đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau cấu trúc mạng đa
và
dạng. Nhiều quốc gia lấy cáp quang làm môi trƣờng truyền dẫn chính cho mạng
viễ ác hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền
n thông, c
dẫn và cấu trúc linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao.
1.2 Tổng quan về công nghệ WDM.
1.2.1. Giới thiệu
Với việc các dịch vụ thông tin tăng trƣởng ngày càng nhanh, yêu cầu về tốc
độ truyền dẫn ngày càng lớn, chất lƣợng truyền dẫn yêu cầu ngày càng khắt khe
và
hơn. Để thích ứng và thoả mãn yêu cầu , các công nghệ truyền dẫn khác
các trên
nhau đã đƣợc nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đƣa vào ứng dụng, trong số đó
phải kể đến công nghệ TDM, WDM, OTDM, Soliton.
Công nghệ TDM, dung lƣợng hệ thống có thể đạt tới 5 Gbps, tuy nhiên đây
cũng là giới hạn dung lƣợng của công nghệ này. Với những gì không đạt đƣợc của

16. 14
hệ thống TDM về mặt dung lƣợng thì hệ thống thông tin quang dựa trên công nghệ
WDM lại đáp ứng đƣợc.
Hình 1. 2. Hệ thống (mạng) WDM.
Công nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng quang (WDM - Wavelength Division
Multiplexing) là công nghệ truyền đồng thời nhiều bƣớc sóng khác nhau trên một
sợi quang, với dung lƣợng trên mỗi bƣớc sóng quang điển hình là 2,5 Gbps. Số
lƣợng ghép thƣờng là 2 16 bƣớc sóng còn nhiều hơn nữa. Ở
 và phía phát, các
bƣớc sóng quang mang thông tin đƣợc ghép trên cùng một sợi quang và đƣợc
truyền dẫn tới thu. Tại thu, các bƣớc sóng ghép đó đƣợc tách ra bằng các
phía phía
bộ tách kênh quang. tuyến truyền dẫn có thể có các bộ khuếch đại quang để bù
Trên
lại suy hao truyền dẫn ông nghệ này thực sự cho hiệu quả truyền dẫn rất cao mà
, c
không quá phức tạp.
Minh họa cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM Băng tần truyền dẫn
:
của sợi quang là rất lớn hỉ với riêng cửa sổ quang 1550 nm thì dải bƣớc sóng có
, c
thể sử dụng là 1500 nm 1600 nm, tƣơng ứng với dải tần rộng cỡ 15 THz
- .

17. 15
Hình 1. 3. Sự suy giảm của ánh sáng trong sợi Silic (thạch anh).
Sử dụng cho tốc độ truyền dẫn cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rất
nhỏ trong băng tần truyền dẫn này. ó thể thấy dung lƣợng yêu cầu cỡ hàng trăm
C
Gbps là khả thi với hệ thống WDM. Mặt khác, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các
phần tử nhƣ bộ tách ghép quang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc
quang thực hiện lựa chọn kênh động hoặc tĩnh…
Công nghệ OTDM, truyền dẫn Soliton thì dung lƣợng đƣợc đáp ứng rất tốt
nhƣng lại quá phức tạp, do đó giá thành hệ thống lại ấn đề đáng quan tâm.
là v
Vì vậy, truyền dẫn WDM với sự nâng cấp mở rộng dung lƣợng phát triển
dịch vụ băng rộng, khai thác triệt để băng của sợi quang thực
tài nguyên thông và
hiện truyền dẫn thông tin siêu tốc, có ý nghĩa rất quan trọng trong truyền dẫn cáp
sợi quang cũng nhƣ trong công nghiệp viễn thông. Thực sự, một
WDM là công
nghệ đáng đƣợc quan tâm, nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi.

18. 16
1.2 . Quá
.2 trình phát triển mạng truyền dẫn.
Công nghệ mạng truyền dẫn đã chuyển đổi qua các giai đoạn từ tƣơng tự
sang số, từ phân cấp số cận đồng bộ (PDH) sang phân cáp số đồng bộ (SDH) và gần
đây là từ SDH sang WDM (ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng). Để kế thừa và
tƣơng thích hoàn toàn với công nghệ trƣớc (cũ) thì công nghệ chuyển mạch sau
( )
mới phải thích hợp với công nghệ truyền dẫn trƣớc. ông nghệ PCM có chuyển
C
mạch (nối chéo) ở mức 64 truyền dẫn ở mức 2 ; PDH nối chéo ở mức 2
ps,
Kb Mbps
Mbps, Mbps
truyền dẫn ở mức 140 ; SDH thì nối chéo ở mức 155 dẫn
Mbps, truyền
ở mức 10 s. Còn với công nghệ WDM chƣa xác định đƣợc cụ thể nhƣng theo
Gbp
dự đoán thì tốc độ chuyển mạch cơ sở khoảng s tƣơng ứng với dung lƣợng
300 p
Gb
truyền dẫn 10 s. Trong tƣơng lai, công nghệ WDM sẽ phải phát triển hơn và có
p
Tb
lẽ đƣợc kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu quang nhƣ ghép kênh theo thời gian
(OTDM) và chuyển mạch gói quang cùng với các trạm lặp quang 3R để mở rộng độ
trong suốt của mạng tiến tới mạng toàn quang (photonic).
và
SONET level Electrical level Line Rate (Mb/s) SDH equivalent
OC-1 STS1 51.84 -
OC-3 STS-3 155.52 STM-1
OC-12 STS-12 622.08 STM-4
OC-24 STS-24 1244.16 STM-8
OC-48 STS-48 2488.32 STM-16
OC-96 STS-96 4976.64 STM-32
OC-192 STS-192 9953.28 STM-64
Bảng 1.1. Các giá trị của OC- và STM- .
N M
Để xây dựng đƣợc một mạng truyền dẫn photonic khả thi và có lợi về kinh
tế, ngoài thách thức ban đầu về công nghệ đƣờng truyền quang chất lƣợng cao, các
bộ nối chéo, các nút chuyển mạch quang thì còn cần phải vƣợt qua thách thức về
cấu trúc mạng. Yêu cầu quan trọng nhất của một mạng truyền dẫn là nó cần có cấu

19. 17
trúc tốt u cầu này cũng đƣợc thực hiện tƣơng tự nhƣ của các mạng SDH. Các
, yê
thành phần cấu trúc sơ bản đó là các topo Ring và Mesh và có thể kết hợp (Ring,
Mesh), phân cấp đa Ring vv.
Cần có sự giám sát mạng trong quá trình xây dựng mạng. Trong quá trình
khai thác chắc chắn sẽ gặp các sự kiện đƣợc tiên đoán trƣớc các sự kiện không
,
đƣợc xác định trƣớc và đôi khi không mong muốn. Do đó phải có hệ thống báo
, cần
hiệu và giám sát cho mạng. ó rất nhiều vấn đề cần phải đƣợc đề cập trong mạng
C
WDM so với SDH nhƣ giám sát tỷ lệ lỗi bít quang cho hoạt động của
, rõ ràng làm
mạng WDM dễ dàng hơn ần có các tiêu chuẩn về mào đầu và báo hiệu để phát
, c
triển các thiết bị mạng WDM.
Thách thức quan trọng cần phải vƣợt qua tiếp theo là phát triển một mô hình
thông tin hiệu quả để trích xuất và xử lý tất cả các trƣờng thông tin nhận từ mạng.
Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng áp dụng cách tiếp cận mô hình phân lớp đƣợc phát
triển cho mạng SDH đã nảy ra một số vấn đề đối với mạng WDM nhiều hiệu ứng
,
vẫn chƣa đƣợc xác định rõ các thách thức mới cho nghiên cứu.
là
1.2.3. Công nghệ WDM.
1.2.3.1. Ƣu nhƣợc điểm của công nghệ WDM.
So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những
ƣu điểm nổi trội:
 Dung lƣợng truyền dẫn lớn.
- Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh ứng với một
tốc độ (TDM). Do đó hệ thống WDM có dung lƣợng truyền dẫn lớn hơn
nhiều so với các hệ thống TDM. Hiện nay hệ thống WDM thử nghiệm
,
thành công với 80 bƣớc sóng với mỗi bƣớc sóng mang tín hiệu TDM 2,5
Gbp ps, tr
s, tổng dung lƣợng hệ thống sẽ là 200 Gb ong khi đó hệ thống
TDM tốc độ mới chỉ đạt tới STM-256 (40 p
Gb s).
 Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng nhƣ những khó khăn gặp phải với hệ thống
TDM đơn kênh tốc độ cao.

20. 18
- Không giống nhƣ TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lƣu lƣợng truyền dẫn
tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bƣớc
sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh thấp. Dẫn đến giảm
đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn nhƣ tán sắc… nên
các thiết bị TDM tốc độ cao không phức tạp.
 L trong
inh hoạt việc nâng cấp dung lƣợng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ
thống vẫn đang hoạt động.
- Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lƣợng của các mạng hiện có mà
không phải lắp đặt thêm sợi quang mới. Bên cạnh đó nó cũng mở
hay cáp
ra một thị trƣờng mới đó là thuê kênh quang (hay bƣớc sóng quang)
không nhất thiết phải thuê sợi hoặc cáp . Việc nâng cấp chỉ đơn
quang
giản là cắm thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động.
 Quản lý băng tần hiệu quả cấu hình mềm dẻo và linh hoạt
, tái .
- Do việc định tuyến và phân bổ bƣớc sóng trong mạng WDM nên nó có
khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ
mạng trong chu kỳ làm việc của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc
thiết kế lại mạng hiện tại.
 Giảm chi phí đầu tƣ mới.
Bên cạnh những ƣu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở
ngay bản thân công nghệ. Đây cũng chính là những trở ngại cho công nghệ này.
 Dung lƣợng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần của sợi.
- Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lƣợng
nhƣng nó cũng chƣa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang.
Cho dù công nghệ còn phát triển nhƣng dung lƣợng WDM cũng sẽ đạt
đến giá trị tới hạn.
 Chi phí khai thác và bảo dƣỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động
hơn.

21. 19
1.2.3.2. Kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sóng (WDM).
Ghép kênh theo bƣớc sóng (WDM) là công nghệ cơ bản để tạo nên mạng
quang. Kỹ thuật này tận dụng băng tần của sợi quang bằng cách truyền nhiều bƣớc
sóng quang độc lập và riêng rẽ trên cùng một sợi quang. Mỗi bƣớc sóng một kênh
là
quang trong sợi, ta có thể hiểu là mỗi một màu sắc khác nhau là một kênh thông tin
quang khác nhau. Nhƣ vậy tín hiệu truyền trên hệ thống WDM sẽ giống nhƣ một
chiếc “cầu vồng” nhƣng nhiều hơn 7 sắc.
Trên một sợi quang hoặc một hệ thống thông tin quang ta có thể ghép bƣớc
sóng quang theo một hƣớng hoặc cả hai hƣớng đi và về. Hiện nay, khái niệm WDM
đƣợc thay bằng khái niệm DWDM. Về nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa
hai khái niệm này, DWDM nói đến khoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một
cách định tính số lƣợng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống. Những kênh
quang trong hệ thống DWDM thƣờng nằm trong một cửa sổ bƣớc sóng, chủ yếu là
1550 nm vì môi trƣờng ứng dụng hệ thống này là mạng đƣờng trục, cự ly truyền
dẫn dài và dung lƣợng truyền dẫn lớn. Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo
phần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ (xấp xỉ 0,5 nm).
Để thuận tiện chúng ta dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung cho cả hai khái niệm
WDM và DWDM.
Nhìn bên ngoài, một hệ thống truyền dẫn WDM và một hệ thống truyền dẫn
quang SDH có rất nhiều điểm tƣơng tự. Cả hai hệ thống đều có:
 Các thiết bị ghép tách kênh đầu cuối (MUX, DEMUX).
 Các thiết bị khuếch đại đƣờng truyền hoặc lặp (Line Amplifier,
Regenerator).
 Các thiết bị xen/rẽ kênh (ADM).
 Các thiết bị đấu chéo (Cross-Connect Equipment).
 Sợi quang.
Tuy nhiên, chúng có khác biệt quan trọng ở chỗ: Hệ thống truyền dẫn SDH
chỉ dùng một bƣớc sóng quang cho mỗi hƣớng thu và phát, còn hệ thống WDM thì
dùng nhiều bƣớc sóng (từ hai bƣớc sóng trở lên); đối tƣợng làm việc của hệ thống

22. 20
SDH là các luồng tín hiệu số PDH/SDH, còn của hệ thống WDM là các bƣớc sóng
và các bƣớc sóng này không nhất thiết chuyển tải tín hiệu số; mỗi bƣớc sóng có
chức năng nhƣ một sợi quang cung cấp đƣờng truyền tín hiệu cho hệ thống khác và
do vậy mỗi bƣớc sóng i là sợi “quang ảo”.
gọ
WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng về băng thông do sự phát
mạnh
triển chƣa từng thấy của mạng Internet, sự ra đời của các ứng dụng và dịch vụ mới
trên nền tảng Internet. Trƣớc khi có công nghệ WDM, ngƣời ta tập trung mọi nỗ lực
để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhƣng kết quả đạt đƣợc không
mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu điện tại tốc độ cao đã đến giới hạn,
khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbps các mạch điện tử không thể đảm bảo đáp ứng
đƣợc xung tín hiệu cực kì hẹp. Mặt khác, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém
vì cơ cấu hoạt động khá phức tạp, đòi hỏi công nghệ rất cao. Trong khi đó băng
thông cực lớn của sợi quang mới đƣợc sử dụng một phần nhỏ. Dù nguyên lý ghép
kênh theo bƣớc sóng WDM rất gần với nguyên lý ghép kênh theo tần số FDM,
nhƣng các hệ thống WDM chỉ đƣợc thƣơng mại hoá khi một số công nghệ xử lý tín
hiệu quang đạt đƣợc những thành tựu to lớn, trong đó phải kể đến thành công trong
chế tạo các laser phổ hẹp, các bộ lọc quang và đặc biệt là các bộ khuếch đại đƣờng
truyền quang dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman).
Laser phổ hẹp có tác dụng giảm tối đa ảnh hƣởng lẫn nhau giữa các bƣớc sóng
khi lan truyền trên cùng một sợi quang. Các bộ lọc quang dùng để tách một bƣớc
sóng ra khỏi các bƣớc sóng khác. Các bộ khuếch đại đƣờng truyền dải rộng cần để
tăng cự ly truyền của tín hiệu quang tổng gồm nhiều bƣớc sóng, nếu không có các
bộ khuếch đại này thì các điểm cần tăng công suất tín hiệu ngƣời ta phải tách các
bƣớc sóng ra từ tín hiệu tổng, sau đó hoặc là khuếch đại riêng rẽ từng bƣớc sóng rồi
ghép chúng trở lại, hoặc là phải thực hiện các bƣớc chuyển đổi quang điện
- -quang
trên từng bƣớc sóng rồi mới ghép, và nhƣ vậy thì tốn kém và làm cho hệ thống trở
nên kém tin cậy.

23. 21
1.2.4. Các thành phần c của hệ thống thông tin quang
hính .
Hệ thống thông tin quang sợi cũng giống nhƣ hệ thống thông tin quang khác
bao gồm bốn thành phần c là máy phát quang, máy thu quang, môi trƣờng
hính
truyền và tín hiệu thông tin (tín hiệu nguồn, tín hiệu đích nhƣ trên hình 1.4).
Electrical
Input
Electrical
Ouput
Optical
Receiver
Hình 1. 4. Các thành phần c của một hệ thống thông tin quang
hính .
Bộ phát quang có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và
ghép tín hiệu quang vào sợi quang. Linh kiện chính của bộ phát quang là nguồn
phát quang, hệ thống thông tin quang sợi thƣờng sử dụng các bộ nguồn phát quang
bán dẫn là diốt phát quang (LED) và laser bán dẫn.
,
Optical
Source
Optical
Modulator
Driving
Circuit
Modulator
Electronics
Electrical
Input
Optical
Output
Hình 1. 5 quang.
. Bộ phát
Môi trƣờng truyền dẫn quang chia làm hai loại: truyền trong sợi quang và
truyền trong không gian. Để tăng khoảng cách truyền bị giới hạn bởi suy hao trong
sợi quang ngƣời ta sử dụng các bộ lặp hoặc các bộ khuếch đại quang sợi. Bộ lặp thu
tín hiệu quang, biến đổi hiệu sang tín hiệu điện (O/E), sửa lại xung điện,
tín quang
khuếch đại tín hiệu và biến đổi từ điện sang quang (E/O) trở lại. Những hệ thống
thông tin quang hiện đại chủ yếu sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha Erbium
(EDFA), bộ khuếch đại Raman.

24. 22
Hình 1. 6 .
. EDFA
Bộ thu quang chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và phục hồi các
số liệu đã truyền qua hệ thông thông tin quang. Linh kiện chủ yếu trong bộ thu
quang là các photodiode có cấu trúc và vật liệu chế tạo thích hợp băng tần và
cho
bƣớc sóng cần thu.
Optical
Source
Optical
Modulator
Driving
Circuit
Modulator
Electronics
Electrical
Output
Optical
Input
Hình 1. 7. Bộ thu quang.
1.2.5. Tính ƣu việt của hệ thống thông tin quang.
 Dung lƣợng truyền dẫn lớn: Các sợi quang có khả năng truyền một lƣợng
rất lớn thông tin (trên hai sợi quang có thể truyền đƣợc đồng thời 60.000 cuộc đàm
thoại so với 500 cuộc đàm thoại của một cáp lớn hoặc với 10.000 cuộc đàm thoại
trên cáp đồng trục và 2.000 cuộc gọi một tuyến viba hay vệ tinh
trên ).
 Kích thƣớc và trọng lƣợng nhỏ: So với cáp đồng có cùng dung lƣợng, cáp
sợi quang có đƣờng kính nhỏ hơn và khối lƣợng nhẹ hơn nhiều. Do đó dễ lắp đặt
hơn, đặc biệt ở những vị trí sẵn có.

25. 23
 Không bị nhiễu điện: Truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hƣởng bởi
nhiễu điện từ (EMI) hay nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và nó không tạo ra bất kỳ sự
nhiễu nội tại nào. Sợi quang có thể cung cấp một đƣờng truyền “sạch” ở những môi
trƣờng khắc nghiệt nhất. đƣợc sử dụng dọc theo các điện cao thế
Cáp quang tuyến
để cung cấp thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp. Cáp sợi quang cũng không bị
xuyên âm, thậm chí nếu ánh sáng bị bức xạ ra từ một sợi quang thì nó cũng không
thể ảnh hƣởng vào sợi quang khác đƣợc.
 Tính cách điện: Sợi quang là một vật cách điện áp sợi quang làm bằng
, c
chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và cho phép cách điện hoàn toàn
cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ đƣợc nhiễu gây bởi các dòng điện chạy
ra
vòng dƣới đất hay những trƣờng hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các
ra
đƣờng dây thông tin nhƣ sét hay những trục trặc về điện. Đây thực sự là một môi
trƣờng truyền dẫn thƣờng đƣợc dùng ở nơi cần cách điện.
an toàn,
 Tính bảo mật: Sợi quang bảo mật thông tin cao sợi quang không thể bị
,
lấy trộm thông tin bằng các thiết bị điện thông thƣờng nhƣ sự dẫn điện trên bề mặt
hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thông tin dƣới dạng tín hiệu quang. Các
tia sáng trong
lan truyền tâm sợi quang và hầu nhƣ không có tia nào thoát khỏi sợi
quang đó. Thậm chí nếu đã trích vào sợi quang đƣợc rồi thì nó có thể bị phát hiện
nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu đƣợc tại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu thông
tin qua vệ tinh và viba có thể dễ dàng bị thu để giải mã.
 Độ tin cậy cao và dễ bảo dƣỡng: Sợi quang là một phƣơng tiện truyền dẫn
đồng nhất và không gây ra hiện tƣợng pha đinh. tuyến cáp quang đƣợc thiết kế
- Các
thích hợp có thể chịu đựng đƣợc những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt
và thậm chí hoạt động đƣợc ở dƣới nƣớc. Tuổi thọ của sợi quang , khoảng 20
dài 
30 năm. Yêu cầu về bảo dƣỡng đối với một hệ thống cáp quang ít hơn so với một hệ
thống thông thƣờng do sử dụng ít bộ lặp điện hơn trong tuyến thông tin.
 Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khả cho hầu hết các
thi
dạng thông tin số liệu, thoại và video có thể tƣơng thích với các chuẩn RS.232,
,

26. 24
RS.422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video
tổng hợp...
 Tính mở rộng: Các hệ thống sợi quang đƣợc thiết kế thích hợp có thể dễ
dàng đƣợc mở rộng khi cần thiết. Một hệ thống dùng cho tốc độ số liệu thấp, ví dụ
T1 (544 Mbps) có thể đƣợc nâng cấp trở thành một hệ thống tốc độ số liệu cao hơn,
OC-12 (622 Mbp h
s), bằng cách thay đổi các thiết bị điện tử, ệ thống cáp sợi quang
đƣợc giữ nguyên nhƣ cũ.
 Sự tái tạo tín hiệu: Công nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đƣờng
truyền dẫn bằng cáp quang dài trên 70 km trƣớc khi cần phải tái tạo tín hiệu, khoảng
cách này còn có thể tăng lên tới 150 km nhờ sử dụng các bộ khuếch đại laser. Trong
tƣơng lai có thể mở rộng khoảng cách này lên tới 200 km và có thể 1.000 km. Chi
phí tiết kiệm đƣợc do sử dụng các bộ lặp việc bảo dƣỡng chúng có
trung gian ít mà
thể là khá lớn. Ngƣợc lại, các hệ thống cáp điện cứ vài km có thể đã cần có bộ lặp.
 Suy hao thấp: Qua nhiều năm phát triển, đã chế tạo đƣợc sợi quang có độ
suy hao thấp, với độ suy hao 0.2 dB/km thì đặc tính này trở thành lợi thế chính của
thông tin quang. quang
Lợi thế này thuận lợi cho việc đặt bộ khuếch đại cho mỗi
một khoảng cách trên đƣờng truyền mà không cần chuyển sang tín hiệu điện ở bƣớc
trung gian, do đó giảm đƣợc giá thành và độ phức tạp của hệ thống.

27. 25
CHƢƠNG II
CÁC CÔNG NGHỆ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI
2.1. Khái quát k .
chung về huếch đại quang
Khi khoảng cách truyền dẫn lớn, sự suy giảm tín hiệu đối với tín hiệu quang
là không thể tránh khỏi. Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền
dẫn các hệ thống thông tin quang. hắc phục giới hạn cự ly truyền dẫn bằng
của K
cách sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater). T các trạm lặp
ại
quang điện, quá trình khuếch đại tín hiệu quang đƣợc thực hiện qua nhiều bƣớc.
Trƣớc tín hiệu quang sẽ đƣợc biến đổi thành dòng điện (tín hiệu điện) bởi các
,
tiên
bộ thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang nhƣ PIN hay
,
APD. này
Tín hiệu điện sẽ đƣợc tái tạo lại dạng xung, định thời và khuếch đại bởi
các mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuếch đại. Sau đó, tín hiệu điện sẽ đƣợc biến
đổi thành tín hiệu quang qua các nguồn quang trong bộ phát quang (optical
transmitter) và đƣợc truyền trong sợi quang. Nhƣ vậy, quá trình khuếch đại tín hiệu
đƣợc thực hiện trên miền điện.
Output
Input
Sợi quang Sợi quang
Pout
Pin
Miền quang Miền quang
Miền điện
Bộ thu quang Bộ phát quang
Bộ khuếch đại
Hình 2. 1 .
. Bộ lặp quang điện

28. 26
Các trạm lặp quang điện đã đƣợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền
dẫn quang một bƣớc sóng nhƣ hệ thống truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử
dụng trong hệ thống WDM, có rất nhiều trạm lặp quang điện cần đƣợc sử dụng để
khuếch đại và tái tạo các kênh quang với các bƣớc sóng khác nhau, dẫn đến làm
tăng độ phức tạp tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM.
và
Với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngƣời ta đã thực hiện quá trình
khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi
về tín hiệu điện, kỹ thuật khuếch đại quang (Optical Amplifier) ra đời từ đây.
Hình 2. 2. Tuyến truyền dẫn quang.
Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục đƣợc nhiều hạn chế của trạm
lặp, so với các trạm lặp, các bộ khuếch đại quang có các ƣu điểm sau:
 Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay
mạch phục hồi (các bộ biến đổi E/O hoặc O/E). Do đó huếch đại quang sẽ trở nên
, k
linh hoạt hơn.
 Không phụ thuộc vào tốc độ truyền dẫn và phƣơng pháp điều chế tín hiệu
nên việc nâng cấp hệ thống đơn giản hơn.
 Khuếch đại nhiều tín hiệu với các bƣớc sóng khác nhau cùng truyền trên
một sợi quang.
Để khuếch đại quang, ngƣời ta đã nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng nhiều
loại khuếch đại quang khác nhau: khuếch đại quang pha tạp đất hiếm , loại
(EDFA)
laser bán dẫn, loại khuếch đại Raman sợi, loại TWA ... Trong thiết kế việc lựa
OPA,
chọn khuếch đại tùy theo đặc tính của từng loại.

29. 27
Việc nghiên cứu khuếch đại quang ngày càng phát triển và đƣợc ứng dụng
rộng rãi. Có nhiều xu hƣớng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang, và trong thời gian
qua các nghiên cứu thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính:
 K ical Semiconductor Amplifier).
huếch đại quang bán dẫn SOA (Opt
 K .
huếch đại quang sợi pha tạp Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier)
2.2. Nguyên lý khuếch đại quang.
Khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và trong quá trình
khuếch đại không xảy ra cộng hƣởng.
Hiện tƣợng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tƣợng biến đổi quang điện
đƣợc ứng dụng trong thông tin quang. Các hiện tƣợng này đƣợc minh hoạ trong
hình:
a. Hấp thụ
(Absorption) (Spontaneous emission)
b. Phát xạ tự phát c. Phát xạ kích thích
(Stimulated emission)
E2
E1
hf12
E2
E1
hf12
E2
E1
hf12
hf12(cùng pha)
Hình 2. 3. Các hiện tƣợng biến đổi quang điện.
Hiện tƣợng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng lƣợng E
v =hf12 tác
động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm Eg = E2-E1 (E
bằng nhau v = Eg). Khi đó, điện
tử sẽ nhận năng lƣợng và đƣợc nhẩy lên mức năng lƣợng cao hơn. Đây là nguyên
nhân chính gây ra hiện tƣợng suy hao cho tín hiệu quang.
Hiện tƣợng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử ở mức năng lƣợng cao
chuyển xuống mức năng lƣợng thấp, đồng thời phát ra một photon có mức năng
lƣợng Ev bằng độ lớn dải cấm Eg. Mỗi một vật liệu sẽ có một thời gian sống khác
nha là nguyên
u, khi hết thời gian sống nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát. Đây chính
nhân gây ra nhiễu của bộ khuếch đại.
Hiện tƣợng phát xạ kích thích xảy ra khi có một ánh sáng có năng lƣợng
photon Ev chính bằng năng lƣợng dải cấm Eg. Khi đó, một điện tử ở mức năng

30. 28
lƣợng cao sẽ bị chuyển xuống mức năng lƣợng thấp hơn và phát ra photon có cùng
pha với ánh sáng kích thích. Đây chính là nguyên lý khuếch đại của bộ khuếch đại
quang.
D lúc
ễ dàng nhận thấy rằng, hiện tƣợng bức xạ tự phát có thể xảy ra bất kỳ
nào, và sẽ gây ra nhiễu cho bộ khuếch đại, đƣợc gọi là nhiễu tự phát (ASE). Hiện
tƣợng hấp thụ thì sẽ gây ra suy yếu bộ khuếch đại. Nhƣ vậy, nếu mật độ năng lƣợng
trong vật liệu khuếch đại là thấp sẽ gây ra hiện tƣợng hấp thụ lớn. Điều đó dẫn đến,
nếu muốn khuếch đại lớn chúng ta phải thực hiện đảo mật độ hạt.
2.3. Các thông số chính của sợi quang.
2.3.1. Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại.
Hầu hết các bộ khuếch đại quang đều đƣợc thực hiện thông qua hiệu ứng bức
xạ kích thích. Khuếch đại đạt đƣợc khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm quang,
hay bơm điện để đảo lộn mật độ. Nhìn chung khuếch đại quang không chỉ phụ
thuộc vào bƣớc sóng truyền mà còn phụ thuộc vào cƣờng độ bơm, mật độ hạt có
trong vật liệu. coi vật liệu là đồng nhất, ta có công thức
Nếu sau:
.1)
(2
Trong đó g0 là giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω0 là
tần số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu đƣợc khuếch đại Ps là công suất
bão hoà . Công suất bão hoà thuộc vào các tham số của môi trƣờng khuếch
Ps phụ
đại. Hệ số T2 trong )
công thức (2.1 đƣợc gọi là thời gian hồi phục phân cực, thƣờng
nhỏ hơn 1 ps. Công thức có thể dùng mô tả các đặc tính quan trọng của bộ
)
(2.1
khuếch đại nhƣ là băng tần độ lợi, hệ số khuếch đại và công suất đầu ra bão hoà.
Ở chế dộ chƣa bão hoà, coi P/Ps )
<<1, khi đó công thức (2.1 trở thành:
(2.2)
Từ công thức này có thể nhận thấy, hệ số độ lợi lớn nhất khi tần số khuếch đại
ω ω
= 0 tần số trung tâm.
Nếu gọi Pin, Pout lần lƣợt là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại.
Thì hệ số khuếch đại là:
(2.3)
G =

31. 29
Hệ số khuếch đại là một thông số quan trọng của bộ k đại. Nó đặc
huếch
trƣng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, hệ
số khuếch đại của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hoà khuếch đại.
Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại.
Mặt khác ta lại có công thức sau
(2.4)
Suy ra:
P(z) = Pin exp(gz) (2.5)
Với P(z) là công suất tín hiệu tại vị trí z so với đầu vào.
Giả sử khoảng rộng của bộ khuếch đại là L, khi đó Pout = P(L). Suy ra hệ số
khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là:
) = =
G(ω = .6)
(2
Dễ dàng nhận thấy rằng, g(ω đạt giá trị lớn nhất tại ω ω
) = 0 nên G(ω) cũng
đạt giá trị lớn nhất tại ω0. Và giá trị hai hệ số này cũng đều giảm khi (ω ω
- 0 ) tăng,
Ta có biểu đồ sau:
Hình 2. 4 .
. Mối tƣơng quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi

32. 30
2.3.2 .
. Băng thông độ lợi
Băng thông độ lợi đƣợc định nghĩa là = 2/T2 hay là:
(2.7)
Nhƣ vậy, nếu với bộ khuếch đại quang bán dẫn có T2 = 60fs.
Bộ khuếch đại băng rộng thích hợp với các hệ thống viễn thông thông tin quang, vì
độ lợi của cả băng tần gần nhƣ là hằng số, thậm chí cả khi đó là tín hiệu đa kênh.
Băng tần khuếch đại đƣợc định nghĩa là một FWHM (full width at half
maximum - độ rộng xung tại nửa giá trị cực đại), và liên quan với theo công
thức sau:
.8)
(2
Với G0 = exp (g0L).
Dễ dàng nhận thấy, băng tần khuếch đại nhỏ hơn băng tần độ lợi, và sự khác
biệt này còn tuỳ thuộc vào độ lợi khuếch đại.
2.3.3. Công suất ngõ ra bão hoà.
Độ lợi bão hoà
Độ bão hoà của độ lợi phụ thuộc vào giá trị g(ω) trong công thức hấy
) T
(2.1 .
rằng, khi P tiến tới Ps thì giá trị g giảm dần, đồng thời hệ số khuếch đại G cũng giảm
theo độ tăng của công suất tín hiệu. Chúng ta coi giá trị đỉnh xảy ra khi ω ω
= 0.
Theo 2.1 và 2.4, chúng ta có:
(2.9)
Xét phƣơng trình với chiều dài bộ khuếch đại là L, và coi P0 = Pin và
P(L) = GPin = Pout , từ đó ta có công thức:
G = G0 exp(- (2.10)
Dễ dàng nhận thấy, G bắt đầu giảm dần từ giá trị đỉnh G0 khi giá trị Pout đạt
gần tới giá trị công suất bão hoà Ps mô tả trong hình 2.5.

33. 31
Hình 2. 5. Sự phụ thuộc của công suất ra (theo Ps) theo G (theo G0).
Công suất ngõ ra bão hoà (Saturation Output Power)
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến
tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số G: Pout = G.Pin. Tuy nhiên, công suất
ngõ ra không thể tăng mãi đƣợc. Bằng thực nghiệm, ngƣời ta thấy rằng trong tất cả
các bộ khuếch đại quang, khi công suất ngõ vào Pin tăng đến một mức nào đó, hệ số
G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với tín
hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bão hoà.
Công suất ra bão hoà của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất
ngõ ra lớn nhất mà bộ khuếch đại đó có thể hoạt động đƣợc. Thông thƣờng, một bộ
khuếch đại quang có khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão hoà cao bởi vì sự nghịch
đảo nồng độ cao có thể đƣợc duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng.
Từ công thức 2.10, chúng ta xem xét đến công suất ngõ ra bão hoà, là công
suất lớn nhất tạo đƣợc ở cổng ra, ký hiệu là . Có thể nhận thấy rằng, giá trị độ
lợi này đạt đƣợc khi độ lợi khuếch đại giảm từ 2 đến 3 dB, tƣơng ứng với giá trị G
=G0/2. Khi đó, ta có công thức:
(2.11)

34. 32
2.3.4. Hệ số nhiễu.
Cũng giống nhƣ các hệ thống thông tin quang khác, bộ khuếch đại này cũng
có nhiễu. Nguyên lý của bộ khuếch đại là dựa trên nguyên lý bức xạ kích thích.
Nhƣng trong quá trình khuếch đại, có rất nhiều các điện tử hết thời gian sống,
chuyển đổi từ mức năng lƣợng cao xuống mức năng lƣợng thấp, hay từ dải dẫn sang
dải hoá trị, đây chính là bức xạ tự phát. Bức xạ này, khi có phƣơng cùng luồng điện
tử, sẽ gây ảnh hƣởng lên biên độ và pha của tín hiệu. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là
hiện tƣợng nhiễu xạ tự phát ASE. Do vậy, công suất đầu ra gồm có công suất vào
khuếch đại và công suất bức xạ tự phát:
Pout = G.Pin+PASE (2.12)
Ảnh hƣởng nhiễu đối với bộ khuếch đại quang đƣợc biểu diễn bởi hệ số
nhiễu NF, mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp tại đầu ra và đầu vào:
SNFout
SNRin
NF 
Hay NF = SNRin (dB) - SNFout (dB). (2.13)
Ngƣời ta cũng chứng minh đƣợc rằng, giá trị hằng số nhiễu tính cụ thể theo
công thức sau:
NF = 2nsp 2nsp (2.14)
Hệ số nhiễu của bộ khuếch đại càng nhỏ càng tốt, và giá trị nhỏ nhất có
NF
thể đạt đƣợc là 3dB. Tại giá trị này, chúng ta gọi là giá trị lƣợng tử.
2.4. Phân loại khuếch đại quang.
Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng đƣợc thực
hiện trong vùng tích cực. Các tín hiệu quang đƣợc khuếch đại trong vùng tích cực
với độ lớn hay nhỏ thì phụ thuộc vào năng lƣợng đƣợc cung cấp từ nguồn bơm bên
ngoài. Tuỳ theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai
loại chính là: Khuếch đại quang bán dẫn SOA và khuếch đại quang sợi OFA.
Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực đƣợc cấu tạo bằng vật
liệu bán dẫn. Nguồn cung cấp năng lƣợng để khuếch đại tín hiệu là dòng điện.

35. 33
Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là sợi quang đƣợc pha đất
hiếm. Nguồn cung cấp năng lƣợng là laser có bƣớc sóng phát quang nhỏ hơn bƣớc
sóng của tín hiệu cần khuếch đại.
Một trong những loại OFA tiêu biểu là EDFA. EDFA có nhiều ƣu điểm về
đặc tính kỹ thuật so với SOA. Ta sẽ chủ yếu tập trung nghiên cứu vào EDFA ở phần
tới.
Ngoài ra, còn có một loại khuếch đại đƣợc sử dụng nhiều trong các hệ thống
WDM hiện nay là khuếch đại Raman. Khuếch đại Raman cũng sử dụng sợi quang
làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng.
SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên phát xạ kích thích còn khuếch đại
Raman dựa trên ảnh hƣởng phi tuyến của sợi quang (hiện tƣợng tán xạ Raman kích
thích SRS) hơn là hiện tƣợng phát xạ kích thích.
2.4 . K
.1 huếch đại quang bán dẫn.
Hình 2. 6 .
. Sơ đồ khối một SOA
Khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Opt SOA) là hệ
ical Amplifier -
khuếch đại tín hiệu quang với môi trƣờng khuếch đại sử dụng vật liệu bán dẫn. Hệ
khuếch đại này có cấu trúc tƣơng tự nhƣ những diode laser Fabry Perot, nhƣng
-
đƣợc trang bị thêm các lớp chống phản xạ ở hai gƣơng của môi trƣờng khuếch đại
(hệ số phản xạ nhỏ hơn 0.001%) để tránh cộng hƣởng tạo nên hiệu ứng laser.
Hoạt động của SOA dựa vào nguyên lý khuếch đại sóng chạy (traveling-
wave) trong vùng điện tích không gian nằm giữa 2 vùng bán dẫn loại p và loại n.

36. 34
Khi có dòng điện bơm cho SOA, các điện tử sẽ đƣợc bơm vào vùng dẫn (bán dẫn
loại n) và lỗ trống bơm vào vùng hóa trị (bán dẫn loại p). Photon đến có bƣớc sóng
thích hợp sẽ kích thích điện tử và lỗ trống tái hợp trong miền điện tích không gian
và sẽ phát xạ thêm một photon nữa có cùng tần số và pha với photon đến, nhƣ vậy
tín hiệu quang đã đƣợc khuếch đại.
Các hệ khuếch đại quang bán dẫn đƣợc làm từ hợp chất bán dẫn nhƣ
GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP, các vật liệu này có thể khuếch đại quang
trong vùng bƣớc sóng từ 0.85 µm đến 1.6 µm. Bƣớc sóng khuếch đại của SOA phụ
thuộc vào độ rộng vùng cấm và có thể thay đổi tùy theo loại vật liệu bán dẫn. Các
loại khuếch đại quang bán dẫn dùng trong thông tin quang sợi là loại có phổ khuếch
đại trong vùng bƣớc sóng 1310 nm và 1550 nm.
Những ƣu điểm của SOA:
- Băng tần khuếch đại khá rộng 40 nm – 80 nm.
- Kích thƣớc nhỏ gọn và dễ bảo trì.
Nhƣợc điểm của SOA:
- Đặc điểm của SOA là vùng không gian khuếch đại dẫn sóng có chiều dài
khá bé (cỡ mm) nên khó đạt đƣợc hệ số khuếch đại cao (G < 16 dB).
- Công suất tín hiệu quang lối ra thấp (P < 10 dBm).
- - 10 dB ).
Hệ số tạp âm NF khá cao (NF ~ 7
- Nhạy cảm với phân cực ánh sáng của tín hiệu quang, nên công suất quang
lối ra không ổn định.
- Các hiệu ứng phi tuyến nhƣ hiện tƣợng xuyên kênh, trộn 4 sóng xảy ra khá
mạnh.
Transmitter
Booster Amp
Receiver
Preamp
Fiber
In-line Amp
Hình 2. 7. Các ứng dụng cơ bản của SOA.

37. 35
Các ứng dụng cơ bản của SOA trong các hệ thống thông tin quang có thể
phân thành ba loại: khuếch đại công suất để tăng công suất phát của laser, khuếch
đại đƣờng truyền để bù suy hao truyền dẫn của sợi quang và tiền khuếch đại để cải
thiện độ nhậy thu.
2.4.2. Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA).
Nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+
, có thể tóm tắt nhƣ
sau:
- Ion Er3+
có sơ đồ các mức năng lƣợng nhƣ hình 8, quá trình khuếch đại
quang của thủy tinh pha tạp Er3+
chủ yếu liên quan đến 3 mức năng lƣợng bên dƣới
của ion Er3+
, đó là các mức 4
I15/2 , 4
I13/2 , 4
I11/2.
2
P3/2
4
S3/2
4
F9/2
4
I9/2
4
I11/2
4
I13/2
4
I15/2
0.55 m
2. m
m
m
m
m
9 m
m
m
m
mm
1.55
m
m
m
m
m
m
980
nm
1.45
m
m
m
m
m
m
Hình 2. 8. Sơ đồ các mức năng lƣợng của ion Er3+
.
tự do
- Đặc điểm rất quan trọng là mức năng lƣợng 4
I13/2 có thời gian sống rất lớn
(τ ~ 10 ms) so với thời gian sống của các mức 4
I11/2 và 4
I9/2 ( s). Khi kích thích
τ ~ μ
thủy tinh pha tạp erbium bằng laser có bƣớc sóng 980 nm hoặc 810 nm, các ion Er3+
sẽ chuyển dời từ mức cơ bản 4
I15/2 lên mức năng lƣợng 4
I11/2 hoặc 4
I9/2, vì thời gian
sống của ion Er3+
ở trạng thái mức năng lƣợng4
I11/2 và 4
I9/2 rất bé nên các ion Er3+
sẽ
nhanh chóng chuyển dời không phát xạ về mức kích thích 4
I13/2.

38. 36
- Thời gian sống của ion Er3+
ở mức 4
I13/2 lớn hơn hàng ngàn lần so với các
mức bên trên, nên khi bơm với mật độ năng lƣợng đủ lớn chúng ta dễ dàng tạo đƣợc
trạng thái nghịch đảo mật độ phân bố giữa mức 4
I13/2 và mức cơ bản 4
I15/2.
- Khi một photon có bƣớc sóng trong vùng 1550 nm đi vào vùng dẫn sóng
thủy tinh pha tạp Er3+
có nghịch đảo mật độ trạng thái giữa hai mức 4
I13/2 và 4
I15/2,
hiện tƣợng phát xạ cƣỡng bức sẽ xảy ra. Photon tới sẽ kích thích ion Er
3+
chuyển
dời từ mức 4
I13/2 về mức cơ bản 4
I15/2, chuyển dời này phát xạ thêm một photon nữa
có cùng bƣớc sóng và pha với photon tới, đây chính là nguyên lý khuếch đại quang
của thủy tinh pha tạp Er3+
.
Khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp ion Er3+
đã góp phần rất lớn trong
phát triển thông tin quang sợi vì vùng bƣớc sóng khuếch đại phù hợp với cửa sổ
thông tin thứ 3 (1530 nm – 1610 nm) đang đƣợc sử dụng, hiện nay có rất nhiều các
nghiên cứu cơ bản về tính chất quang của thủy tinh pha tạp Er3+
nhằm chế tạo đƣợc
các hệ khuếch đại quang có chất lƣợng ngày càng hoàn thiện.
Khuếch đại quang Raman (Raman Optical Amplifier: ROA): dựa trên cơ sở
tán xạ Raman cƣỡng bức trong môi trƣờng có tán xạ Raman mạnh. Môi trƣờng tán
xạ Raman là sợi quang có pha tạp Ge với nồng độ cao và có cấu trúc dẫn sóng phức
t -
ạp (sợi quang bù tán sắc DCF). Khác với khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium,
yêu cầu đối với ROA là nguồn bơm có công suất cao (vài trăm miliwatt trở lên) và
sợi quang có độ dài từ vài kilômét đến vài chục kilômét. Khuếch đại quang Raman
sử dụng trong hệ thống thông tin quang chủ yếu dựa vào sóng Stoke phát ra từ tán
xạ Raman trên các phân tử trong sợi quang. Do sóng Stoke từ tán xạ Raman yếu, vì
vậy sợi quang cần phải có độ dài lớn (hàng chục kilômét) để tích luỹ sóng Stoke dọc
theo sợi quang. Đây là điều khác biệt rất cơ bản giữa ROA và EDFA.
EDFA có thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp
khoảng 0,1 % Erbium. Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích
cực. Đoạn sợi pha tạp Erbium đƣợc ký hiệu là EDF (Erbium er) thƣờng
- Doper Fib
có chiều dài khoảng 10 20m. Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp
-
năng lƣợng cho đoạn EDF, một bộ ghép bƣớc sóng WDM để ghép bƣớc sóng ánh

39. 37
sáng tín hiệu và bƣớc sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn
chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống.
2.4.3. Nguyên lý hoạt động của EDFA.
Trong lớp lõi của sợi quang thạch anh nếu trộn vào một ít nguyên tố đất hiếm
nhƣ Er, Pr… sẽ hình thành loại sợi quang đặc biệt, loại sợi quang này có thể khuếch
đại tín hiệu dƣới sự kích thích của bơm quang nên gọi là khuếch đại sợi quang.
Hiện nay sử dụng rộng rãi là bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium
(EDFA) có ƣu điểm nhƣ độ tăng ích đầu ra là cao, băng tần rộng, tạp âm thấp, đặc
tính tăng ích không có quan hệ với phân cực, trong suốt đối với tốc độ số…
Optical
input
signal
Amplified
optical
signal
EDFA
Transmission
fiber
Erbium-doped fiber
Transmission
fiber
Residual
pumping
light
Splice
Splice
Pumping
light
Pump
laser
WDM
coupler
WDM
coupler
Isolator
and
filter
Hình 2. 9. Cấu tạo cơ bản của EDFA
2.4.3.1. Cấu tạo cơ bản của EDFA:
Bộ phối ghép quang có tác dụng gộp tín hiệu quang và tín hiệu quang bơm
làm một, thƣờng dùng bộ ghép kênh. Trong bộ ghép kênh, các thấu kính có tác
dụng để ghép ánh sáng vào và ánh sáng ra, nó bao gồm các gƣơng và bộ lọc tích
hợp. Năng lƣợng bơm và tín hiệu tổn hao khoảng 0.5 dB.
Bộ cách ly quang có tác dụng hạn chế quang phản xạ để đảm bảo bộ khuếch
đại làm việc ổn định. Các bộ cách ly quang thƣờng giảm ánh sáng phản xạ khoảng
30 dB, trong đó tổn hao tín hiệu truyền là 1 dB. EDFA thƣờng dùng hai bộ cách ly
quang. Bộ thứ nhất ở đầu vào dùng để loại bỏ nhiễu gây ra do truyền phát cùng
chiều của bộ khuếch đại. Bộ thứ hai ở đầu ra bảo vệ cho linh kiện không bị phản xạ
ngƣợc chiều từ đoạn dƣới.
Quá trình khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+
Erbium
đƣợc giải thích nhƣ sau:
là một nguyên tố đất hiếm có các mức năng lƣợng nhƣ hình 8. Er
3+
ở trạng thái

40. 38
không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lƣợng thấp nhất (trạng
thái cơ bản) 2
/
15
4
I , khi bơm quang vào Er3+
hấp thụ năng lƣợng của quang bơm rồi
chuyển tiếp lên mức năng lƣợng cao hơn. Quang bơm có các bƣớc sóng khác nhau,
các mức năng lƣợng cao cũng có hạt chuyển lên cũng khác nhau.
nm
P 1450
@ 
 2
/
13
4
2
/
15
4
I
I 
nm
P 980
@ 
 2
/
11
4
2
/
15
4
I
I 
nm
P 807
@ 
 2
/
9
4
2
/
15
4
I
I 
nm
P 655
@ 
 2
/
9
4
2
/
15
4
F
I 
Mức năng lƣợng 2
/
13
4
I chia thành một dải năng lƣợng, trƣớc tiên hạt Erbium
chuyển tới đỉnh của dải năng lƣợng và nhanh chóng chuyển từ trạng thái kích thích
sang trạng thái tạm ổn định qua quá trình chuyển tiếp không bức xạ.
Thời gian chuyển tiếp không bức xạ rất nhỏ i chuyển sang trạng
 m
=1 s. Kh
thái tạm thời 2
/
13
4
I có thời gian sống khoảng 10 ms, do không ngừng bơm quang
nên số hạt không ngừng tăng gây lên sự đảo mật độ.
Khi tín hiệu đi qua đoạn sợi quang pha tạp Erbium các hạt ở trạng thái tạm
thời chuyển tiếp lên trạng thái cơ bản bằng hình thức bức xạ bị thích và sinh ra
photon giống hệt dẫn đến sự khuếch đại không ngừng tín hiệu quang trong quá trình
truyền dẫn trên sợi quang pha tạp Erbium. Trong quá trình các hạt Erbium bức xạ
kích thích có một phần nhỏ đƣợc chuyển sang trạng thái cơ bản bằng hình thức bức
xạ tự phát, băng tần đƣợc mở rất rộng và các quang tử hỗn độn không ngừng đƣợc
khuếch đại trong quá trình truyền dẫn từ đó hình thành tạp âm bức xạ tự phát ASE
và tiêu hao một phần công suất bơm. Do đó cần phải lắp thêm bộ lọc quang để giảm
bớt tạp âm ASE trong hệ thống.
Hiệu suất bơm ở bƣớc sóng 0 nm cao hơn các bƣớc sóng khác
980 nm và 145
vì vậy đƣợc ứng dụng rộng rãi.
2.4.3.2. Tạp âm trong bộ khuếch đại EDFA.
Trong bộ khuếch đại quang tạp âm là một vấn đề quan trọng trong hệ thống
,
thông tin quang. Tạp âm là một trong các tham số chính liên quan đến quá trình

41. 39
truyền dẫn trên toàn bộ hệ thống nhƣ cự ly truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn. Có hai
nguồn tạp âm chính là tạp âm quang và tạp âm cƣờng độ.
 Tạp âm quang.
Các photon bức xạ tự phát có hƣớng và pha ngẫu nhiên. Một số photon bức
xạ tự phát đƣợc giữ lại ở các mode của sợi quang. Do các photon đƣợc giữ lại này
truyền lan quang
dọc bên trong của sợi nên chúng lại đƣợc khuếch đại. Quá trình
này sẽ tạo ra bức xạ tự phát đƣợc khuếch đại ASE để xác định thành phần nhiễ
, u
nhỏ nhất của bộ khuếch đại thì công suất nhiễu tối thiểu tại đầu ra bộ khuếch đại
min
SP
P đƣợc viết nhƣ sau:
 
B
G
h
PSP .
1
min 
  (2 5)
.1
Với B là một nửa của ăng tần B
, b 0 của bộ khuếch đại quang. Giả thiết độ
khuếch đại G là lớn, tín hiệu đầu vào lớn thì công suất tạp âm đầu ra của bộ khuếch
đại quang nhỏ nhất tƣơng ứng với khuếch đại photon trong băng tần B. Từ (2 5) có
.1
thể xác định đƣợc công suất PASE tổng đƣợc lấy trên toàn bộ các mốt của sợi quang
đƣa ra trong băng tần B
0 là:
 0
.
1 B
G
h
N
m
P SP
t
ASE 
  (2.16)
Trong đó mt là số mốt lan truyền ngang của quá trình phân cực.
 0
.
1 B
G
h
N
P SP
SP 
 
Psp là công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch đại quang. Trong các bộ
khuếch đại quang sợi thực tế thƣờng có hai mode lan truyền phân cực trong quá
trình bức xạ tự phát hay mt = 2.
Hệ số bức xạ tự phát Nsp đƣợc viết nhƣ sau:
1
2
2
1
2
2
N
N
N
N
N
N
N
a
e
e
SP









(2.17)
Với a
e 

 /
 ; và N1, N2 là hàm của trục z hƣớng theo trục của sợi.
Tạp âm của bộ khuếch đại quang N(z) khi không có tín hiệu đầu vào đƣợc
,
xác định nhƣ sau:
   1
1
2
2


 G
N
N
N
z
N


(2.18)

42. 40
Với G là một hàm số của z.
Trƣờng hợp nghịch đảo tích luỹ môi trƣờng là âm 0
1
2

N
N 
 và NSP < 0,
nhƣng công suất nhiễu vẫn luôn dƣơng và bằng  G
N
P SP
SP 
 1
/ .
Trƣờng hợp mức ngƣỡng nghịch đảo của môi trƣờng 0
1
2

 N
N
 , NSP không
xác định, thực tế công suất nhiễu đƣợc xác định bằng L
N
PSP 2

 , trong đó L là độ
dài sợi EDF.
Trƣờng hợp môi trƣờng nghịch đảo là dƣơng 0
1
2

 N
N
 ta có NSP > 1
(công suất tạp âm dƣơng).
Trƣờng hợp nghịch đảo môi trƣờng hoàn toàn, khi mà toàn bộ các nguyên tử
ở trạng thái kích thích, tức là N1=0, thì Nsp tiến đến giá trị nhỏ nhất (=1). Trong
trƣờng hợp này công suất tạp âm đầu ra tiến đến giá trị tạp âm lƣợng tử đƣợc
khuếch đại:  
B
G
h
PN .
1
min 
  .
Nhƣ vậy, tạp âm đầu ra bộ khuếch đại quang đạt giá trị nhỏ nhất khi đạt đƣợc
nghịch đảo tích luỹ hoàn toàn trong môi trƣờng khuếch đại. Giá trị Nsp gần = 1 là
giá trị nhỏ nhất có thể thu đƣợc. Giá trị này có thể đạt đƣợc khi bơm mạnh ở vùng
bƣớc sóng 980 nm.
 Tạp âm cường độ.
Khi có công suất quang từ nguồn phát thì sẽ phát ra dòng photon ban đầu
IPh(t):
    t
P
h
e
t
RP
t
I ph



 (2.19)
Tạp âm cƣờng độ là một yếu tố làm giới hạn đáng kể năng lực của các hệ
thống thông tin quang. Bộ tách sóng quang biến đổi trực tiếp tạp âm cƣờng độ thành
tạp âm điện, ác loại tạp âm cƣờng độ thƣờng đƣợc trong hệ thống là: tạp
c quan tâm
âm lƣợng tử, tạp âm phách giữa tín hiệu và bức xạ tự phát, tạp âm phách giữa bức
xạ tự phát với bức xạ tự phát, tạp âm phản xạ.

43. 41
 Tạp âm lượng tử.
Có nguồn gốc là do tính không chắc chắn về thời gian đến của các điện tử
hoặc các photon tại bộ tách sóng hi tạp âm trội là tạp âm lƣợng tử nó đƣợc xem
, k
nhƣ là giới hạn tạp âm lƣợng tử. Cả tín hiệu từ ASE đều tham gia vào
laser phát và
tạp âm lƣợng tử. Vì vậy, tạp âm lƣợng tử trong trƣờng hợp này bao gồm tạp âm
lƣợng tử từ tín hiệu đầu vào đƣợc khuếch đại và tạp âm lƣợng tử bức xạ tự phát
đƣợc khuếch đại.
 Tạp âm phách giữa tín hiệu và bức xạ tự phát.
Do có sự giao thoa giữa tín hiệu quang và bức xạ tự phát đƣợc khuếch đại
ASE gây ra giao động cƣờng độ. rong hệ thống sử dụng EDFA không thể tránh
T
khỏi tạp âm này, và tạp âm này là thành phần lớn nhất của tổng tạp âm trong các hệ
thống thông tin đƣợc khuếch đại quang.
M -
ật độ phổ công suất của tạp âm phách tín hiệu tự phát:
    Isp
Is
G
Bo
G
G
h
Nsp
Ps
h
e
f
sisp .
.
1
4
1
.
.
.
.
4
2
2








 


 . (2.20)
Với Is .
là dòng photon tín hiệu trung bình
   Bo
n
e
h
Bo
h
n
e
h
ePs
Is 





 0
.
.
0






Tƣơng tự thành phần dòng tạp âm phát xạ tự phát đƣợc viết là:
,
   
Bo
G
N
e
h
Bo
G
eehNsp
h
ePsp
I sp
sp .
1
.
.
.
1




 




Với:
 .
là hiệu suất lƣợng tử
e là điện tích điện tử.
n(0) là số photon trung bình vào bộ khuếch đại.
 Tạp âm phách giữa bức xạ tự phát với bức xạ tự phát.
Tạp âm là phách giữa các thành phần phổ khác nhau của bức xạ tự phát
này
ASE dẫn đến tạp âm cƣờng độ. Các cặp thành phần tần số sẽ gây ra một hay nhiều
phách ở tần số khác. Vì thế mà toàn bộ phổ ASE sẽ đóng góp vào tạp âm phách

44. 42
cƣờng độ tự phát tự phát. Số các cặp phách sẽ giảm đi khi băng tần quang giảm
-
hay tạp âm phách tự phát tự phát sẽ giảm khi co hẹp băng tần quang.
-
Mật độ phổ công suất của tạp âm phách tự phát tự phát:
-
  








Bo
f
Bo
I
f
sp
sp
sp 1
2
2
2
 (2.21)
Nhƣ vậy, 2
sp
sp
 giảm tuyến tính theo f và bị triệt tiêu tại f = Bo.
Cả hai thành phần mật độ phổ đều tồn tại với f Bo và bằng 0 khi f > Bo.

Vậy, tổng công suất tạp âm phách rơi vào trong băng tần điện Be (của bộ tách sóng
quang) đƣợc viết nhƣ sau:
Isp
GIs
Bo
Be
sp
sp .
4
2












Bo
Be
I
B
Be
sp
sp
sp 1
2 2
0
2
2

 Tạp âm phản xạ.
Trong bộ khuếch đại quang thƣờng có sự phản xạ tại hai đầu sợi EDF, quá
trình này tạo ra sự biến đổi giao thoa của nhiều pha thành tạp âm cƣờng độ. Nó làm
giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tại bộ thu quang. Trong thực tế tạp âm phản xạ quang
có thể đƣợc bỏ qua nếu ánh sáng tín hiệu đến bộ khuếch đại quang là hoàn toàn kết
hợp để cho giá trị tạp âm phản xạ nref = 0.
2.5 Các đặc tính kỹ thuật của bộ khuếch đại EDFA
2 .
.5.1 Đặc tính tăng ích.
Biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, đƣợc định nghĩa là:
 s
sp
out P
P
P
G /


Tăng ích lớn hay nhỏ có quan hệ với nhiều yếu tố thƣờng là 15 - 40 dB.
 Quan hệ giữa tăng ích với nồng độ pha Er 3+
.
trong sợi quang

45. 43
Nồng độ Er3+
G
Hình 2. 10. Quan hệ giữa tăng ích với nồng độ pha Er3+
.
trong sợi quang
Khi nồng độ Erbium vƣợt quá một trị số cho phép nhất định thì tăng ích
giảm nguyên nhân là khi có quá nhiều Er
, 3+
sẽ gây tích tụ dẫn đến hiện tƣợng tiêu
hao quang, do đó cần khống chế lƣợng Erbium pha vào.
 Quan hệ giữa tăng ích tín hiệu và công suất bơm quang.
Hình 2. 11. Quan hệ giữa độ lợi tín hiệu và công suất bơm quang.
Khi đƣa tín hiệu nhỏ vào, hệ số tăng ích lớn hơn khi đƣa tín hiệu lớn vào. Giả
thiết định nghĩa tăng ích bằng không thì công suất bơm quang là công suất giới hạn
bơm Pth. Khi công suất PP thỏa mãn PP/Pth > 3 thì tăng ích của bộ khuếch đại bão
hòa, tức là công suất bơm tăng rất nhiều mà tăng ích không đổi, lúc này hiệu suất
tăng ích của bộ khuếch đại (độ dốc của đƣờng cong) sẽ giảm khi công suất bơm
tăng.

46. 44
 Quan hệ giữa tăng ích và chiều dài sợi quang pha Erbium.
Hình 2. 12. Quan hệ giữa và chiều dài sợi quang trộn Erbium tại bƣớc sóng
G
bơm 1480 nm.
Lúc đầu tăng ích tăng theo chiều dài sợi quang pha tạp erbium tăng đến khi
,
sợi quang dài quá độ dài nhất định thì tăng ích giảm dần, vì vậy có một độ dài tối ƣu
để tăng ích đạt tối đa. Độ dài này chỉ là độ dài tăng ích lớn nhất, mà không phải là
độ dài tốt nhất của sợi quang pha tạp erbium vì còn liên quan đến nhiều đặc tính
khác nhƣ đặc tính tạp âm…Ngoài ra tăng ích còn phụ thuộc vào điều kiện bơm
(gồm bƣớc sóng và công suất bơm). Hiện nay ủ yếu sử dụng bƣớc sóng bơm 980
, ch
nm và 1480 nm.
Hình 2. 13. Hệ số khuếch đại phụ thuộc chiều dài sợi và phƣơng thức bơm.
2.5 .
.2 Đặc tính công suất ra.
Tín hiệu quang thƣờng đƣợc khuếch đại theo tỷ lệ nhƣ nhau đối với bộ
khuếch đại quang lý tƣởng không kể công suất vào cao bao nhiêu, nhƣng thực tế bộ
khuếch đại EDFA không phải nhƣ vậy. Khi công suất vào tăng lên, bức xạ kích

47. 45
thích tăng nhanh, làm giảm nhanh nồng độ hạt ở mức trên giảm số hạt chuyển
ngƣợc lại, quang bức xạ bị kích yếu đi dẫn đến bão hòa tăng ích, công suất ra có xu
hƣớng ổn định.
Để có đƣợc công suất đầu ra lớn nhất thƣờng dùng công suất đầu vào 3 dB,
nghĩa là công suất đầu ra tƣơng ứng khi tăng ích bão hòa giảm 3 dB. Tham số này
rất quan trọng nó thể hiện khả năng đƣa ra lớn nhất của EDFA.
Đặc tính đầu ra bão hòa của EDFA có quan hệ với công suất bơm quang và
chiều dài sợi quang pha tạp erbium. Công suất bơm càng lớn, công suất đƣa ra bão
hòa 3 dB càng lớn.
2 .
.5.3 Đặc tính tạp âm.
Tại đầu ra của bộ khuếch đại EDFA, tín hiệu quang ngoài tín hiệu còn có bức
xạ tự phát cũng đƣợc khuếch đại tạo lên nguồn tạp âm ảnh hƣởng đến tín hiệu
quang. Tạp âm của EDFA có bốn loại chủ yếu: Tạp âm tan hạt của tín hiệu quang,
tạp âm tan hạt của quang bức xạ tự phát đƣợc khuếch đại; tạp âm phách giữa các
quang phổ ASE và tín hiệu; tạp âm phách giữa các quang phổ ASE. Trong bốn loại
tạp âm trên, hai loại sau có ảnh hƣởng lớn nhất, nhất là tạp âm thứ ba quyết định
tính năng quan trọng của EDFA.
Đánh giá đặc tính tạp âm của EDFA qua hệ số tạp âm,
  out
in SNR
SNR
F /


48. 46
nó có quan hệ mật thiết với tần phổ ASE truyền cùng chiều và tăng ích của bộ
khuếch đại. Khi công suất tín hiệu quang tăng càng nhanh tức là sự chuyển ngƣợc
số hạt càng cao, thì ASE đầu ra càng nhỏ.
Ảnh hƣởng của các phƣơng thức bơm khác nhau đối với hệ số tạp âm:
Hình 2. 14. Ảnh hƣởng của các phƣơng thức bơm đối với hệ số tạp âm.
Đối với bƣớc sóng bơm khác nhau hệ số tạp âm sẽ hơi bị lệch. EDFA bơm ở
bƣớc sóng 980 nm có hệ số tạp âm tốt hơn EDFA bơm 1480 nm ƣớc chừng 1 - 2
dB. Lý thuyết đã chứng minh đối với bất kỳ bộ khuếch đại quang sợi nào sử dụng
bức xạ kích thích để khuếch đại, giá trị hệ số tạp âm nhỏ nhất là 3 dB, giới hạn này
đƣợc gọi là giới hạn lƣợng tử của hệ thống tạp âm. Đối với bơm ở bƣớc sóng 980
nm, hệ số tạp âm cơ bản đạt tới giới hạn đó, trị số ƣớc bằng 3.2 3.4 dB mà bơm
- ở
bƣớc sóng 1480 nm thì hệ số tạp âm nhỏ nhất ƣớc bằng 4 dB. Do công suất đầu ra
tăng lên số hạt chuyển ngƣợc lại giảm, vì vậy trong khu vực chƣa bão hòa, hệ số tạp
âm của EDFA kiểu bơm cùng chiều là nhỏ nhất nhƣng ở khu vực bão hòa thì có
thay đổi. NF của bộ khuếch đại quang khi tăng chiều dài đối với bơm cùng chiều là
ổn định nhất.
Hiện nay trên thị trƣờng đã có EDFA đạt tăng ích trên 30 dB. Hệ số tạp âm là
3 - -
4 dB, công suất đầu ra của EDFA là 10 17 dBm, tại cửa sổ 1550 nm có băng
tần 20 40 nm, do đó đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống nhiều kên
- h.

49. 47
2.6. Kết cấu cơ bản và kết cấu tối ƣu của EDFA.
2 .
.6.1 Kết cấu cơ bản của EDFA.
Căn cứ theo phƣơng thức bơm của EDFA chia thành 3 kết cấu cơ bản: bơm
cùng chiều, bơm ngƣợc chiều và bơm hai chiều.
2.6.1.1. Bơm cùng chiều.
Tín hiệu quang và bơm quang đƣa vào sợi quang trộn erbium trên cùng một
chiều, hay còn gọi là bơm phía trƣớc.
Optical
input
signal
Amplified
optical
signal
EDFA
Transmission
fiber
Erbium-doped fiber
Transmission
fiber
Residual
pumping
light
Splice
Splice
Pumping
light
Pump
laser
WDM
coupler
WDM
coupler
Isolator
and
filter
Hình 2. 15. Kết cấu của EDFA bơm cùng chiều.
2.6.1.2. Bơm ngƣợc chiều.
Tín hiệu quang và bơm quang đƣa vào sợi quang trộn erbium từ hai hƣớng
khác nhau.
Transmission
fiber
Erbium-doped fiber
Transmission
fiber
EDFA
Splice Splice
WDM
coupler
Residual
pumping
light
WDM
coupler
Pumping
light
Pump
laser
Isolator
and
filter
Hình 2. 16. Kết cấu EDFA bơm ngƣợc chiều.
2.6.1.3. Bơm hai chiều.
Đây là kết cấu đồng thời bơm ngƣợc chiều và cùng chiều.

50. 48
Optical
input
signal
Amplified
optical
signal
EDFA
Transmission
fiber
WDM
coupler
Transmission
fiber
Erbium-doped fiber
Splice Splice
Pumping
light
Pumping
light
Pump
laser
Pump
laser
WDM
coupler
Isolator
and
filter
Hình 2. 17. Kết cấu EDFA bơm hai chiều.
2.6 . So sánh
.2 các đặc tính của ba phƣơng thức bơm.
2.6.2.1. Công suất của tín hiệu đầu ra và công suất bơm.
Hình 2. 18. Quan hệ giữa công suất tín hiệu đầu ra và công suất bơm.
Trên hình vẽ ta thấy độ dốc tƣơng ứng của cùng chiều, ngƣợc chiều và hai
,
chiều là 61 %, 76% và 77% do vậy trong điều kiện bơm nhƣ nhau thì bơm cùng
chiều có công suất ra thấp nhất.
2.6.2.2. Đặc tính bão hòa ở đầu ra.
EDFA bơm cùng chiều có đầu ra bão hòa l nhỏ nhất, công suất ra của
à
EDFA kiểu bơm hai chiều là lớn nhất và tính năng của bộ khuếch đại và chiều của
tín hiệu đầu vào không có liên quan, nhƣng tổn hao phối ghép tƣơng đối lớn, và
tăng thêm một nguồn bơm làm cho giá thành lên cao.
2 .
.6.3 Kết cấu EDFA tối ƣu.
Với các ứng dụng khác nhau yêu cầu tính năng cũng khác nhau, trên cơ sở
kết cấu cơ bản các nhà khoa học đã cải tiến và tối ƣu hóa nó.

51. 49
2.6.3.1. Bơm kiểu phản xạ.
Tín hiệu
quang vào
Tín hiệu
quang ra
Bộ mạch
vòng
Bộ phân
tách chùm
Nguồn bơm
quang
Gƣơng
phản xạ
Hình 2. 19. Sơ đồ EDFA bơm kiểu phản xạ.
Tín hiệu quang ở đầu vào đi qua bộ tách chùm vào EDF, đƣợc khuếch đại lần
thứ nhất thông qua kính phản xạ và đƣợc EDF khuếch đại lần thứ hai và đƣa ra. Bộ
mạch vòng quang có tác dụng đảm bảo tín hiệu quang truyền theo một hƣớng và có
độ cách ly tƣơng đối cao. hƣơng pháp này là dùng công suất bơm tƣơng đối nhỏ để
P
có đƣợc tăng ích tƣơng đối cao.
2.6.3.2. EDFA băng rộng.
Nhằm giải quyết tăng ích không bằng phẳng của EDFA trong phạm vi
khuếch đại và ứng dụng WDM. Các nhà khoa học đã thay đổi thành phần trộn sợi
quang, làm cho các tín hiệu nhiều bƣớc sóng đƣợc khuếch đại nhƣ nhau. Một
phƣơng pháp khác là dùng bộ cách ly sóng, hấp thụ trị số đỉnh của công suất ở điểm
tăng ích lớn nhất, từ đó đạt đƣợc mục đích làm phẳng tăng ích mở rộng băng tần.
2.6.4. EDFA khuếch đại tín hiệu theo hai chiều.
Hình 2. 20. Sơ đồ của EDFA hai chiều.

52. 50
EDFA khuếch đại theo hai chiều, cấu tạo bao gồm hai nhánh EDF mắc song
song, trên hai nhánh này khuếch đại tín hiệu theo hai chiều ngƣợc nhau dựa theo
chiều của hai bộ truyền tín hiệu ở hai phía.
2.7. Các bộ khuếch đại quang sợi băng rộng.
Raman 132 nm
E-Band S-Band C-Band L-Band U-Band
1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 1660 nm
1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 1660 nm
Raman 100 nm
Raman 40 nm
Raman 18 nm
Raman TDFA 53
+ nm
Dist. Raman Fluoride EDFA 83
+ nm
Dist. Raman Fluoride EDFA 80
+ nm
TDFA 35 nm
TDFA 37 nm
Tellurite EDFA 76 nm
Tellurite EDFA 62 nm
EDFA 52 nm
EDFA 47 nm
Hình 2. 21. Sơ đồ vùng bƣớc sóng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang.
2.7.1. Bộ khuếch đại sợi quang trộn Praseodymium (Pr) PDFA.
PDFA làm việc ở bƣớc sóng 1310 nm có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc
mở rộng dung lƣợng và nâng cấp đƣờng dây thông tin hiện có. Hiện nay đã nghiên
,
cứu chế tạo PDFA tạp âm thấp, hiệu xuất cao nhƣng hiệu xuất bơm của nó không
cao, làm việc không ổn định, tăng ích nhạy cảm với nhiệt độ, cho lên chƣa đƣợc sử
dụng ở thực tế. Đã chế tạo đƣợc PDFA có tạp âm nhỏ, công suất cao, tăng ích tín
hiệu lớn nhất và hệ số tạp là 40,6 dB và 5dB. Khi công suất đầu vào là 0 dBm, công
suất đầu ra là 20,1 dBm.
2 .
.7.2. EDFA trộn nhôm (Al)
Để đạt đƣợc tăng ích bằng phẳng của EDFA hƣơng pháp phổ biến nhất
, p
hiện nay là pha tạp nhôm cùng với Ebrium trong lõi. Nhƣ vậy có thể thay đổi thành

53. 51
phần thủy tinh, làm thay đổi sự phân bố cấp năng lƣợng khuếch đại Er mở rộng tần
số có thể khuếch đại. Việc trộn nhôm vào EDF có thể mở rộng khu bƣớc sóng tới
1550 nm, nếu nâng cao thêm nồng độ trộn nhôm, bất kể là đối với công suất tín hiệu
nhỏ hay lớn đều nâng cao tăng ích ở 1540 nm, đó là giảm sai số tăng ích, làm cho
tăng ích bằng phẳng.
2.7.3. EDFA pha tạp Flo.
Bộ k -Flo (F-
huếch đại quang sợi Ebrium EDFA) là bộ khuếch đại quang lấy
chất Flo là vật liệu chính và sợi quang trộn Ebrium làm chủ thể. Công suất ASE của
bộ khuếch đại này dao động trong đoạn sóng 1530 nm thấp hơn dao động
-1560
trong EDFA, có thể đảm bảo cân bằng tăng ích ở 30 EDFA đã đƣợc
nm. F- dùng
trong hệ thống truyền dẫn, EDFA có tăng ích bằng phẳng rất tốt nên tiềm lực
do F-
ứng dụng trong hệ thống truyền dẫn nhiều bƣớc sóng tƣơng đối lớn. Nhƣng do bộ
,
khuếch đại sợi quang trộn Ebrium thạch anh chƣa đƣợc nghiên cứu về tính bền
vững lâu dài của nó, ợi quang Flo hút nƣớc, không thể kết nối nóng chảy với sợi
s
quang thạch anh, cần phải nối bằng phƣơng pháp cơ học.
Hình 2. 22. Công suất ASE theo bƣớc sóng trong bộ EDFA sợi quang Flo.
B k
ộ huếch đại sợi quang Flo chỉ có thể bơm ở 1480 nm, làm cho hệ số tạp
âm thấp nhất so với bộ khuếch đại sợi quang trộn erbium thạch anh bơm ở 980 nm
cao hơn 1dB. ột số thiết kế sử dụng bộ huếch đại sợi quang trộn erbium thạch
M k
anh bơm quang 980 nm làm một tầng trong khuếch đại nhiều tầng để giải quyết vấn

54. 52
đề này. hắc phục nhƣợc điểm trên thì bộ huếch đại sợi quang trộn Flo có tiềm lực
K k
lớn.
2.7.4. EDFA băng rộng trộn tellurium.
Sợi quang tellurium có iệu suất khúc xạ cao, có thể cung cấp tiết diện phát
h
xạ kích thích lớn hơn Flo và thạch anh. Ở bƣớc sóng 1600 nm tiết diện phát xạ bị
kích thích của Er3+
,
tellurium gấp đôi của Flo và thạch anh. Hơn nữa tuổi thọ bức xạ
của vật liệu tellurium ngắn, không đến 1/2 trị số tƣơng ứng của sợi quang Flo và
thạch anh, tiết diện phản xạ bị kích thích của nó về cũng nhỏ, cho nên bộ huếch đại
k
ứng dụng sợi quang trộn Erbium tellurium có thể khuếch đại băng rộng.
k
Sử dụng sợi quang này chế tạo bộ huếch đại quang tăng ích bằng phẳng,
băng tần có thể khuếch đại rất rộng. Đã nghiên cứu và chế tạo EDFA tellurium
khuếch đại tín hiệu băng rộng ở khu vực bƣớc sóng 1550nm, có thể đạt băng rộng
lớn nhất là 80nm gấp đôi giá trị tốt nhất của EDFA. Trong khu vực bƣớc sóng là
1530-1610nm có đƣợc độ tăng ích trên 20 dB, tăng ích bằng phẳng đạt 1,5dB. Đặc
tính băng rộng của bộ khuếch đại tellurium có sức hấp dẫn cực lớn đối với hệ thống
WDM.
EDFA pha tạp Si và Flo không thể khuếch đại đƣợc tín hiệu vƣợt quá bƣớc
sóng 1627nm, mà EDFA tellurium có thể làm việc với bƣớc sóng 1634nm, đó là ƣu
điểm của EDFA tellurium.
Hình 2. 23 .
. Phổ khuếch đại của EDFA tellurium