THUYẾT TRÌNH QUANG ĐIỆN TỬ

KHẢO SÁT
LINH KIỆN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

GVHD: Thầy giáo Hoàng Phú An
Phó trưởng khoa Điện - Điện tử
SVTH:
1. Vũ Văn Tài 4. Nguyễn Thị Kiều
2. Nguyễn Duy Thìn 5. Ngô Tiến Huân
3. Nguyễn VănTrung
Khái niệm về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng -WDM











Hình 6.3. Một nguồn quang đơn sử dụng một phần rất nhỏ băng truyền dẫn của phổ có sẵn của sợi quang ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) tạo ra rất nhiều kênh phổ sử dụng đồng thời.
Khái niệm về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng -WDM











Hình 6.4. Hệ thống WDM đơn hướng kết hợp N tín hiệu độc lập để truyền trên 1 sợi quang đơn.
Trong hình trên, linh kiện WDM đơn hướng được sử dụng để kết hợp các bước sóng mang tín hiệu khác nhau trên một sợi quang đơn tại một đầu và để tách chúng vào bộ tách quang thích hợp tại đầu kia.
Khái niệm về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng -WDM












Hình 6.5. Hệ thống WDM hai hướng, trong đó, hai bước sóng hoặc nhiều hơn được truyền đồng thời trong các hướng ngược nhau trên cùng một sợi quang.
Sơ đồ này gồm việc gửi tin tức trong một hướng tại một bước sóng λ1 và đồng thời trong hướng ngược lại tại bước sóng λ2.
Khái niệm về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng -WDM
Bộ lọc quang bằng các linh kiện tán sắc (hay bộ ghép kênh tán sắc cạnh)










Hình 6.6. Sơ đồ biểu diễn một phần tử WDM tán sắc cạnh cho 3 bước sóng. Nhiều bước sóng có thể kết hợp hoặc phân chia với loại linh kiện này.
Khi linh kiện sử dụng như một bộ phận kênh, ánh sáng từ sợi quang đi ra được chuẩn trực bằng thấu kính L1 (gọi là thấu kính chuẩn trực) và đi qua phần tử tán sắc cạnh và nó được phân chia thành các kênh có bước sóng đi vào các chùm tia có định hướng không gian khác nhau. Thấu kính L2 (thấu kính hội tụ) sẽ hội tụ các tia đầu ra vào các sợi quang thu thích hợp hoặc các bộ tách quang thích hợp.
Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM)
Ghép/tách tín hiệu














Hình 6.10. Sơ đồ chức năng hệ thống WDM
Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM)
Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot...
Khi dùng bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ, xuyên âm đầu gần đầu xa...
Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM)
Truyền dẫn tín hiệu
Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu ... Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi...)
Khuếch đại tín hiệu
Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại.
Thu tín hiệu
Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.
Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM)
Phân loại hệ thống WDM

Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM)
Ưu nhược điểm của 2 hệ thống trên
Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm.
Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng.
Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời.
Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM)
Các linh kiện trong kiện trong hệ thống WDM
Các linh kiện được sử dụng trong các mạng quang hiện đại bao gồm
các bộ ghép/tách (couplers)
bộ phát laser (lasers)
bộ tách quang (photodetectors)
bộ khuếch đại quang (optical amplifiers)
bộ chuyển mạch quang (optical switches)
bộ lọc (filters)
bộ ghép/tách kênh (multiplexers).
Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler)
Định nghĩa
Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) là thiết bị quang dùng để kết hợp các tín hiệu truyền đến từ các sợi quang khác nhau. Nếu coupler chỉ cho phép ánh sáng truyền qua nó theo một chiều, ta gọi là coupler có hướng (directional coupler). Nếu nó cho phép ánh sáng đi theo 2 chiều, ta gọi là coupler song hướng (bidirectional coupler).








Hình 6.13. Cấu tạo coupler FBT 2 x 2 Hình 6.14. Coupler hình sao với 8 ngõ vào và 8 ngõ ra
Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler)
Nguyên lý hoạt động
Khi hai sợi quang được đặt cạnh nhau, ánh sáng sẽ được ghép từ sợi này sang sợi kia và ngược lại. Ðó là do quá trình truyền mốt ánh sáng trên sợi quang qua vùng ghép sẽ khác so với truyền trên sợi quang đơn. Khi đó, toàn bộ ánh sáng thuộc một sợi quang sẽ được ghép hoàn toàn sang sợi quang ghép với nó, phần ánh sáng này lại tiếp tục được ghép ngược trở lại sang sợi quang ban đầu theo một chu kỳ tuần hoàn khép kín. Kết quả ta có cường độ trường điện từ ở đầu ra của bộ ghép
Ứng dụng
- Bộ coupler với tỉ số ghép α ≈ 1 được dùng để trích một phần nhỏ tín hiệu quang, phục vụ cho mục đích giám sát.
- Coupler còn là bộ phận cơ bản để tạo nên các thành phần quang khác, chẳng hạn như: các bộ chuyển mạch tĩnh, các bộ điều chế, bộ giao thoa..
- Thực hiện ghép/tách bước sóng trên sợi quang. Coupler 2 x 2 ghép 50:50 phân bố công suất ánh sáng từ một đầu vào ra làm 2 phần bằng nhau ở 2 ngõ ra. Coupler này còn được gọi là coupler 3 dB, ứng dụng phổ biến nhất.
Bộ isolator/circulator
Isolator là thiết bị không thuận ngược (nonreciprocal). Nó chỉ truyền ánh sáng qua nó theo một chiều và ngăn không cho truyền theo chiều ngược lại. Nó được dùng tại đầu ra của các thiết bị quang (bộ khuếch đại, nguồn phát laser) để ngăn quá trình phản xạ ngược trở lại các thiết bị đó, gây nhiễu và hư hại thiết bị. Hai tham số chính của Isolator là suy hao xen và độ cách ly.
Circulator cũng thực hiện chức năng tương tự như bộ Isolator nhưng nó thường có nhiều cổng, thường là 3 hoặc 4 cửa. Chính vì sự tương đồng giữa hai loại thiết bị, ta sẽ chỉ trình bày hoạt động của bộ Isolator mà thôi.
Bộ isolator/circulator
Sơ đồ khối của bộ isolator/circulator












Hình 6.15.
(a) Sơ đồ khối của bộ Circulator 3 cửa.
(b) Sơ đồ khối của bộ Circulator 4 cửa.
(c) Sơ đồ khối của bộ Isolator.
Bộ isolator/circulator
Nguyên lý hoạt động















Hình 6.16.
(a) Cấu tạo bộ Isolator khi ánh sáng vào phân cực dọc.
(b) Cấu tạo bộ Isolator khi ánh sáng vào phân cực bất kỳ.
Bộ isolator/circulator
Nguyên lý hoạt động
Ánh sáng truyền trong sợi quang với trạng thái phân cực bất kì được đưa đến bộ tách/ghép trạng thái phân cực SWP (Spatial Walk-off Polarizer), tách thành hai dòng tín hiệu phân cực dọc và ngang theo hai đường độc lập nhau. Tiếp theo, đến bộ quay pha Faraday, quay pha 45o theo chiều kim đồng hồ. Mặt phẳng λ/2 (Half-wave plate) thực hiện quay pha 45o theo chiều kim đồng hồ đối với tín hiệu truyền từ trái sang phải, quay pha 45o theo chiều ngược kim đồng hồ theo chiều truyền ngược lại. Cuối cùng, tín hiệu ở hai nhánh được kết hợp lại nhờ bộ SWP thứ hai. Nếu theo chiều ngược lại, hai bộ SWP sẽ khử lẫn nhau. Ánh sáng truyền qua bộ SWP thứ hai, qua bộ quay pha Faraday sẽ không thể kết hợp lại được tại bộ SWP thứ nhất như minh hoạ trên Hình 6.16.













Bộ isolator/circulator
Ứng dụng
Bộ Isolator và Circulator có những ứng dụng sau:
Bộ Isolator thường đứng trước đầu ra bộ khuếch đại quang hoặc nguồn phát laser để ngăn ánh sáng phản xạ ngược trở lại thiết bị gây nhiễu và có thể làm hư thiết bị.
Bộ Circulator được dùng như một bộ phận để chế tạo phần tử xen rớt quang OADM.











THUYẾT TRÌNH QUANG ĐIỆN TỬ

KHẢO SÁT
GHÉP QUANG VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG

GVHD: Thầy giáo Hoàng Phú An
Phó trưởng khoa Điện - Điện tử
SVTH:
1. Vũ Văn Tài 4. Nguyễn Thị Kiều
2. Nguyễn Duy Thìn 5. Ngô Tiến Huân
3. Nguyễn VănTrung

Các vấn đề cơ bản
Ghép quang
Bộ ghép quang với photothyristor và phototriac,….
Khuếch đại quang
Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA)
Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA)
Bộ khuếch đại quang RAMAN (RA)
Bộ ghép quang
Cơ chế hoạt động
Hình 7.1. Opto-Couplers
Bộ ghép quang và cơ chế hoạt động
Ghép quang
Bộ ghép quang còn gọi là Photo coupled isolator, Photo-couplers, Photo-coupled pairs và Optically Coupled pairs.Từ thông thường nhất cho linh kiện này là Opto-Couplers. Bộ ghép quang dùng để truyền đạt tín hiệu và đồng thời tạo sự cách điện giữa những mạch điện. Ngoài ra nó còn dùng tránh các vòng đất (ground circuit circuit terrestre) gây nhiễu trong mạch điện. Sự truyền đạt tín hiệu được thực hiện qua ánh sáng.
2. Cơ chế hoạt động
Thông thường bộ ghép quang gồm 1 diot với vật liệu bán dẫn loại III/V (v.d.GaAs) phát ra tia hồng ngoại và 1 phototransitor với vật liệu silic.Với dòng điện thuận, diot phát ra bức xạ hồng ngoại với chiều dài sóng khoảng 650-950nm. Dòng điện thuận IF có cường độ khoảng 1-30mA.
Cơ chế hoạt động của bộ ghép quang


Năng lượng bức xạ này được chiếu lên trên bề mặt của phototransitor (face to face) hay chiếu gián tiếp qua một môi trường dẫn quang. Bộ ghép quang face to face thường được dùng nhất.
Đầu tin tín hiệu được phần phát (LED hồng ngoại) trong bộ ghép quang biến thành tín hiệu ánh sáng. Sau đó tín hiệu ánh sáng được phần nhận (photodiot, phototransitor, IC có tổ hợp diot) biến lại thành tín hiệu điện
Hình 7.2. Nguyên lý làm việc của Opto-Couplers
Các tính chất quan trọng của
bộ ghép quang
Tính cách điện
Bộ ghép quang thường được dùng để cách điện giữa 2 mạch điện có điện thế cách biệt khá lớn. Bộ ghép quang có thể làm việc với dòng điện 1 chiều hay tín hiệu điện có tần số khá cao.
Điện trở cách điện
Đó là điện trở với dòng điện 1 chiều giữa ngõ vào và ngõ ra của bộ ghép quang. Nó có trị số bé nhất là , như thế đủ đáp ứng yêu cầu thông thường
Điện dung ghép nối
Cấu trúc của bộ ghép quang gồm có phototransitor, LED, phần cơ. Giữa các phần tử này có thể tạo ra 1 điện dung từ 0.3…2pF. Điện dung này được đo khi chân ở ngõ vào cũng như chân ở ngõ ra được nối tắt.

Các tính chất quan trọng của
bộ ghép quang
Điện thế cách ly
Điện thế cách ly là điện thế cao nhất giữa ngõ vào và ra mà bộ ghép quang có thể chịu đựng nổi. Điện thế cách ly còn tuỳ thuộc vào cấu trúc của bộ ghép quang, không khí…
Hiệu ứng trường
Dưới 1 một thế khá cao giữa LED và phototransitor có khoảng cách khá gần, ta có 1 điện trường khá lớn. Nếu bộ ghép quang làm việc với điều kiện như thế liên tục vài ngày, các thông số của bộ ghép quang (đặc biệt là phototransitor) bị thay đổi.
Sự lão hoá
Với thời gian, công suất phát sáng của LED bị giảm đi, do đó ta có hệ số truyền đạt của 1 bộ ghép quang bé đi. Để cho bộ ghép quang làm việc lâu dài không bị lão hoá nhanh, nhiệt độ xung quanh và dòng điện làm việc càng thấp càng tốt.
Các tính chất quan trọng của
bộ ghép quang
Hệ số truyền đạt
Hình 7.3. Hệ số truyền đạt
Hệ số truyền đạt (current transfer ratio-CTR) giống như độ khuếch đại dòng điện của 1 transitor. Hệ số truyền đạt là hệ số tính theo phần trăm cho biết dòng điện điện ra
Độ rộng dải tần số - Tần số truyền đạt:
- Bộ ghép quang loại transitor đến 250kHz
- Bộ ghép quang với bộ nhận tổ hợp đơn giản ( photodiode, transitor nhanh) đến 2MHz
- Bộ ghép quang với bộ nhận là mạch tổ hợp (IC) đến 20 MHz
Bộ ghép quang với phototransistor












Bộ ghép quang với phototransistor

Thông thường cực gốc của phototransitor được nối ra ngoài ( ví dụ trong trường hợp với mạch phản hồi ). Tuy nhiên bộ ghép quang vẫn làm việc trong trường hợp không có cực gốc. trong trường hợp không có cực gốc, bộ ghép quang có hệ số truyền đạt giữa LED và phototransitor lớn hơn, vì bề mặt cực gốc không bị che lấp 1 phần bởi công tắc của cực gốc.Tuy nhiên không có cực gốc bộ ghép quang vẫn có những bất lợi
Bộ ghép quang làm việc không ổn định với nhiệt độ cao ( vì dòng điện ngược tăng cao với nhiệt độ).
+ Bộ ghép quang làm việc chậm hơn. Nếu ta nối giữa cực gốc và cực phát 1 điện trở bộ ghép quang làm việc nhanh hơn, dòng điện ngược bé hơn. Tuy nhiên hệ số truyền đạt cũng bé đi vì 1 phần dòng điện của cực gốc bị dẫn đi mất.
+ Cường độ sáng của LED bị giảm đi, nhưng dòng quang điện của phototransitor gia tăng khi nhiệt độ tăng cao. Do đó bộ ghép quang làm việc khá ổn định với nhiệt độ.





Bộ ghép quang
với photo-darlingtontransistor
Hoạt động của một bộ ghép quang với photo-darlingtontransistor giống như với 1 phototransistor, nhưng với hệ số truyền đạt lớn hơn(từ 200…1500) nhờ sự khuếch đại khá lớn của darlington-transistor. Tuy nhiên với photo darlington-transistor ta có một số nhược điểm
Thời gian đóng mở chậm
Dòng tối tăng
Tuỳ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
Không có điện trở, bộ ghép quang
có hệ số truyền đạt lớn với dòng điện qua diot nhỏ, nhưng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ rất lớn.Với điện trở (trong khoảng M )bộ ghép quang có hệ số truyền đạt bé hơn nhưng làm việc tốt với nhiệt độ cao.
Bộ ghép quang với photothyristor và phototriac
Bộ ghép quang với photothyristor và phototriac
Với ánh sáng ,ta có dòng điện IB làm thông photothyristor dẫn điện .Để cho photoristor nhạy với ánh sáng nó chỉ có thể làm việc với điện áp và dòng điện bé vì cấu trúc của nó bé và mỏng.
Khi điện thế và cường độ dòng điện thay đổi nhanh theo thời gian ,trị số dV/dt và di/dt khá lớn ,thyristor có thể tự kích và dẫn điện ngoài ý muốn.Để chống lại hiệu ứng này,ta có thể nối 1 điện trở Rgk giữa catôt và Gate.Với trị số Rgk bé ,chống nhiễu dV/dt tốt
Đặc tính các linh kiện ghép tín hiệu
Khuếch đại quang
Khuếch đại quang
Trong các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier) tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến đổi sang miền điện. Các bộ khuếch đại quang có các ưu điểm sau:
Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương thức điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống
Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang.
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.
Các hiện tượng biến đổi quang điện
(a). Hấp thụ (b). Phát xạ tự phát (c). Phát xạ kích thích
Hình 7.8. Các hiện tượng biến đổi quang điện
Hiện tượng phát xạ kích thích, hình c, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hν12 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.
Các hiện tượng biến đổi quang điện
Hiện tượng phát xạ kích thích
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.
Các hiện tượng biến đổi quang điện
Hiện tượng hấp thụ (absorption)
Hiện tượng hấp thụ, hình (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.
(a)
Hiện tượng hấp thụ
Các hiện tượng biến đổi quang điện
Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission)
(b). Phát xạ tự phát
Hiện tượng phát xạ tự phát, hình (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.
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.
Phân loại khuếch đại quang
Cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn như hình sau
Hình 7.9. 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)
Phân loại khuếch đại quang
Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính:
Khuếch đại quang bán dẫn SOA
- 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.
- 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.
Phân loại khuếch đại quang
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).
Cả hai loại khuếch đại quang SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích. Ngoài ra, một loại khuếch đại quang khác cũng được sử dụng nhiều trong các hệ thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman. Loại khuếch đại này cũng sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng. Tuy nhiên, nguyên lý khuếch đại của khuếch đại Raman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang (hiện tượng tán xạ Raman được kích thích SRS, Stimulated Raman Scattering) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích
Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang
1. Độ lợi (Gain)
Độ lợi của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở ngõ ra chia cho công suất quang ở ngõ vào.
Độ lợi là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại. Nó đặc trưng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại.
2. Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth)
Băng thông độ lợi của bộ khuếch đại quang B­0 được xác định bởi điểm -3dB so với độ lợi đỉnh của bộ khuếch đại. Giá trị B0 xác định băng thông của các tín hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại quang
Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang
3. Công suất ngõ ra bão hòa - 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 độ lợi
Sự thay đổi của tín hiệu quang ngõ ra so với công suất quang ngõ vào ở được minh họa trong hình sau
Hình 7.10. Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào
Hình 7.11. Độ lợi khuếch đại theo công suất quang ngõ ra
Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang
4. Hệ số nhiễu (Noise Figure)
Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra nhiễu. Nguồn nhiễu chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát.
Do đó, tại ngõ ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được Pout bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại và công suất nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE
Ảnh hưởng của nhiễu đối với bộ khuếch quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF (Noise Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR
Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Giá trị nhỏ nhất của NF có thể đạt được là 3dB. Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số nhiễu tối thiếu này được gọi là đang hoạt động ở giới hạn lượng tử
Ứng dụng của khuếch đại quang
Khuếch đại quang được ứng dụng trong các các hệ thống truyền dẫn quang như các bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền
Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại.
Khuếch đại đường dây (In-line Amplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng.
Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tín hiệu được đưa vào thiết bị.
Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA)
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
Hình 7.12. Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang bán dẫn SOA tương tự như laser bán dẫn. Nghĩa là cũng dựa vào hệ thống hai dải năng lượng của chất bán dẫn và các quá trình biến đổi quang điện: hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích
Trong đó, tín hiệu quang được khuếch đại
dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra trong vùng tích cực của SOA. Vùng tích cực này được đặt giữa hai lớp bán dẫn loại n va p. Nguồn bơm bên ngoài được cung cấp bởi dòng điện phân cực.
Đặc tính của bộ khuếch đại FPA
7.12. Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra trong FPA
Quá trình khuếch đại tín hiệu ánh sáng trong FPA có thể được dẫn giải như sau: Điện trường của tín hiệu quang vào Ei được đưa vào hốc cộng hưởng của FPA có chiều dài L tại mặt phản xạ R1. Sau khi xuyên qua mặt phản xạ R1, tín hiệu ban đầu sẽ được khuếch đại bởi vùng tích cực
Đặc tính của bộ khuếch đại FPA
Hình 7.13. Độ lợi G(f) của FPA thay đổi theo tần số với R = 0.3;R=0.03 và R=0
- Hệ số phản xạ R=0.03, G(ω) tiến gần tới Gs nhưng vẫn còn gợn sóng nhỏ.
- Tại các tần số cộng hưởng ω=(2πfN)/(2L) với N là số nguyên, độ lợi của FPA đạt giá trị cực đại
- Giả sử độ lợi đơn thông Gs, tương ứng với R=0 (TWA), có dạng Gauss
Nhiễu xuyên âm (Crosstalk) trong SOA
Nhiễu xuyên âm xảy ra khi các tín hiệu quang khác nhau được khuếch đại đồng thời trong cùng một bộ khuếch đại. Có hai loại nhiễu xuyên âm xảy ra trong SOA: nhiễu xuyên kênh (interchannel crosstalk) và bảo hòa độ lợi (cross saturation).
Nhiễu xuyên kênh xảy ra là do hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four Wave Mixing).
Hình 7.14. Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh trong SOA khi khuếch đại hai tín hiệu
Nhiễu xuyên âm (Crosstalk) trong SOA
Xem xét đầu vào bộ SOA là tổng của hai tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau. Giả thiết rằng cả 2 bước sóng nằm trong băng thông của SOA. Sự có mặt của tín hiệu thứ hai sẽ làm suy giảm mật độ điện tử ở vùng năng lượng cao do quá trình bức xạ kích thích làm dẫn đến sự nghịch đảo nồng độ được quan sát ở tín hiệu thứ nhất giảm xuống. Do đó, tín hiệu thứ nhất sẽ không được khuếch đại giống như tín hiệu thứ hai, và nếu mật độ điện tử ở vùng năng lượng cao không đủ lớn thì tín hiệu thứ nhất có thể bị hấp thụ
Hiện tượng xuyên âm phụ thuộc vào thời gian sống của điện tử ở trạng thái năng lượng cao. Nếu thời gian sống đủ lớn so với tốc độ dao động của công suất trong các tín hiệu vào, các điện tử không thể chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp do sự dao động này. Do đó, không có xuyên âm xảy ra.
Ưu khuyết điểm và ứng dụng của SOA
Ưu điểm
- Đô lợi cao (25-30dB).
- Kích thước nhỏ, có thể tích hợp với các linh kiện quang bán dẫn khác.
- Dải thông lớn, có thể lên tới 100 nm, rộng hơn so với EDFA.
Có thể thực hiện khuếch đại tín hiệu ở cả hai cửa sổ ánh sáng 1300nm và 1550nm
Khuyết điểm
- Công suất ra bảo hòa thấp (khoảng 5mW) hạn chế khả năng của SOA khi được sử dụng làm bộ khuếch đại công suất.
- Hệ số nhiễu cao (5-7 dB) ảnh hưởng đến chất lượng của SOA khi được sử dụng làm bộ tiền khuếch đại và khuếch đại đường dây.
- Phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu quang tới
Nhiễu xuyên kênh lớn do các hiệu ứng phi tuyến
- Phổ độ lợi có dạng gợn sóng do sự không hoàn hảo của lớp chống phản xạ tạo
- Kém ổn định do độ lợi chịu ảnh hưởng của nhiệt độ
Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA)
Các cấu trúc EDFA
Hình 7.15. Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA
Vài nét sơ lược về các bộ khuếch đại quang sợi pha tap Erbium và các ứng dụng của nó trong thông tin quang. Sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) để kéo dài cự ly và tăng tốc độ bit truyền dẫn đang được xem như là một trong những giải pháp tốt nhất để xây dựng các hệ thống thông tin quang sợi
Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA
Hình 7.16. Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium
Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) bao gồm
Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA
+) Vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha trộn ion là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất
+) Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp hơn
bao quanh vùng lõi
+) Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng cộng là 250 μm
Lý thuyết khuếch đại trong EDFA
Giản đồ phân bố năng luợng của EDFA
có mức năng lượng thấp nhất, được gọi là vùng nền (ground-state band)
được gọi là vùng giả bền (mestable band)
là các vùng năng lượng cao, được gọi là vùng kích thích hay vùng bơm (pumping band). Thời gian các ion
có trạng thái năng lượng trong các vùng này rất ngắn (khoảng 1 μs)
Nguyên lý hoạt động của EDFA
Hình 7.19. Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm và 1480nm
Nguyên lý hoạt động của EDFA
Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích.
Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện theo các bước như sau
Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn ở vùng bơm (pumping band) (1)
Tại vùng bơm, các ion phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1μs) và chuyển xuống vùng giả bền (2)
Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3)
Các ion trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng năng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4)
Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi các photon có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát) (5).
Các tính chất của EDFA
Phụ thuộc vào nồng độ ion Er
Phụ thuộc vào công suất tín hiệu đến và công suất bơm quang
Phụ thuộc vào chiều dài sợi: Khi chiều dài sợi ngắn thì tín hiệu không được khuếch đại nhiều do đó độ lợi tín hiệu nhỏ
Phụ thuộc vào công suất bơm: Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổi năng lượng với tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng lên
Các yếu tố trên sẽ được hiệu chỉnh sau cho độ lợi của EDFA đạt giá trị yêu cầu với hiệu suất cao nhất. Thông thường, độ lợi của EDFA vào khoảng 20-40 dB tuỳ theo ứng dụng của EDFA là bộ khuếch đại công suất, khuếch đại đường truyền hay tiền khuếch đại
Ưu khuyết điểm của EDFA
Ưu điểm
- Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao.
- Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống.
- Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển và thay thế.
- Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượt biển.
- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại quang bán dẫn.
- Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu
Khuyết điểm
- Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng.
- Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L.
- Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn.

Bộ khuếch đại quang RAMAN (RA)
Hình 7.23. Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman
Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering). Tán xạ Raman kích thích là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ năng lượng của một photon, sau đó tạo ra một photon có năng lượng khác. Vì vậy, tán xạ Raman kích thích được định nghĩa là hiện tượng photon thứ cấp được sinh ra do kích thích từ nguồn bên ngoài
Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman
Hình 7.24. Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman
Sợi quang là nơi xảy ra quá trình khuếch đại. Sợi quang này cũng là sợi quang truyền tín hiệu như sợi SMF, DSF
Bộ ghép dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với sóng bơm
Laser bơm dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích, giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ
Bộ cách ly (Isolator): đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệu phản xạ ở hai đầu bộ khuếch đại. Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo hướng ngược về phía đầu vào có thể gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào
Hệ số khuếch đại Raman

Hình 7.25. Hệ số độ lợi Raman thay đổi theo độ chênh lệch bước sóng của tín hiệu và nguồn bơm (wavelength offset)
Hệ số khuếch đại Raman tăng hầu như tuyến tính với độ chênh lệch bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm (wavelength offset), đạt giá trị đỉnh tại 100 nm và giảm nhanh chóng sau đó. Trong hình cũng cho thấy, băng thông độ lợi của khuếch đại Raman có thể đạt được từ 45-50nm
Độ rộng băng tần Raman
Hình 7.26.
(a)Với khoảng cách các nguồn bơm 40nm, các kênh nằm trong dải tần rộng được khuếch đại
(b) Gợn độ lợi do khuếch đại Raman và do khoảng cách cách nguồn bơm
Nếu dải tần của các tín hiệu cần khuếch đại Raman lớn hơn băng thông độ lợi của khuếch đại Raman (giả sử 40nm), cần phải sử dụng nhiều nguồn bơm khác nhau. Mỗi nguồn bơm có bước sóng cách nhau khoảng 40nm (bằng với băng thông độ lợi). Khi đó, dải tần lớn của các tín hiệu có thể được khuếch đại một cách hiệu quả (xem Hình 7.26.-a). Tuy nhiên, do đặc tính khuếch đại của khuếch đại Raman và do khoảng của các bước sóng bơm, băng thông độ lợi tổng cộng có dạng gợn sóng như hình Hình 7.26.-b.
Ưu khuyết điểm của khuếch đại Raman
So với các loại khuếch đại quang khác, khuếch đại Raman có những ưu điểm sau:
Tạp âm nhiễu thấp
Cấu trúc đơn giản, không cần sợi đặc biệt.
Dễ chọn băng tần.
Có thể đạt được băng thông rộng nhờ kết hợp vài laser bơm.
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm đó bộ khuếch đại Raman cũng có những nhược điểm như sau:
- Xuyên âm giữa các kênh tín hiệu do hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS. Đây là một trong các hiệu hứng phi tuyến của sợi quang có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM.
- Hệ số khuếch đại thấp.
- Hiệu suất khuếch đại thấp hơn so với EDFA: khuếch đại Raman cần một công suất bơm lớn hơn để đạt cùng một giá trị độ lợi
LỜI KẾT
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn của thầy giáo Hoàng Phú An và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên lớp DHDT5LTTB đã giúp nhóm chúng em hoàn thành bài thuyết trình này. Nhóm chúng em rất mong nhận được sự đóng góp phản hồi từ phía thầy và các bạn để bài thuyết trình hoàn thiện hơn.
Chúc thầy giáo dồi dào sức khoẻ để tiếp tục nâng đỡ chúng em trên con đường học tập!
Chúc các bạn trong lớp thành công với bài thuyết trình của nhóm mình!
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!