Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Chương GHÉP QUANG VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 7.1 Ghép quang Bộ ghép quang gọi Photo coupled isolator, Photo-couplers, Photo-coupled pairs Optically Coupled pairs.Từ thông thường cho linh kiện Opto-Couplers Bộ ghép quang dùng để truyền đạt tín hiệu đồng thời tạo cách điện mạch điện Ngồi cịn dùng tránh vòng đất (ground circuit circuit terrestre) gây nhiễu mạch điện Sự truyền đạt tín hiệu thực qua ánh sáng 7.1.1 Cơ chế hoạt động Thông thường ghép quang gồm diot với vật liệu bán dẫn loại III/V (v.d.GaAs) phát tia hồng ngoại phototransitor với vật liệu silic.Với dòng điện thuận, diot phát xạ hồng ngoại với chiều dài sóng khoảng 650-950nm Dịng điện thuận IF có cường độ khoảng 1-30mA Hình 7.1 Opto-Couplers Năng lượng xạ chiếu lên bề mặt phototransitor (face to face) hay chiếu gián tiếp qua môi trường dẫn quang Bộ ghép quang face to face thường dùng Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Đầu tin tín hiệu phần phát (LED hồng ngoại) ghép quang biến thành tín hiệu ánh sáng Sau tín hiệu ánh sáng phần nhận (photodiot, phototransitor, IC có tổ hợp diot) biến lại thành tín hiệu điện Hình 7.2 Nguyên lý làm việc Opto-Couplers Tuỳ theo loại ghép quang tần số truyền đạt tín hiệu từ DC đến 20MHz Bộ ghép quang vỏ nhựa loại DIP (Dual-In-Line-Plastic) bảo vệ Vỏ nhựa chắn sáng cách điện Phần phát phần thu ghép loại nhựa suốt cách điện 7.1.2 Các tính chất quan trọng Tính cách điện Như nói ghép quang thường dùng để cách điện mạch điện có điện cách biệt lớn Bộ ghép quang làm việc với dịng điện chiều hay tín hiệu điện có tần số cao Đặc biệt với thể tích nhỏ bé, ghép quang tỏ ưu việt so với biến Điện trở cách điện Đó điện trở với dịng điện chiều ngõ vào ngõ ghép quang Nó có trị số bé 1011Ω, đủ đáp ứng yêu cầu thông thường Như cần ý, với dòng điện rò khoảng nA ảnh hưởng đến hoạt động mạch điện, ví dụ dịng điện rị chạy vào cực gốc phototransitor để trống Gặp trường hợp ta tạo khe trống mạch in hay đường mạch in nối với điện đất ngõ ngõ vào Với ghép quang ta cần có mạch in loại tốt Điện dung ghép nối Sự miễn nhiễu tín hiệu đồng hành (common mode transient immunity) Cấu trúc ghép quang gồm có phototransitor, LED, phần Giữa phần tử tạo điện dung từ 0.3…2pF Điện dung đo chân ngõ vào chân ngõ nối tắt Với thay đổi cao áp nhanh (500V/µs – ví dụ xung điện nhiễu lưới điện) ngõ ngõ vào, điện dung ký sinh truyền thay đổi xung điện ngõ có gai nhọn Trong trường hợp này, nên sử dụng Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang ghép quang khơng có chân nối với cực gốc, cực thu cực phát nên nối tụ điện để làm giảm gai nhiễu xung Để không tạo thêm điện dung ký sinh , với ghép quang ta không nên dùng chân đế cắm IC Với trị số điện dung ghép nối cáng bé ta có miễn nhiễu đồng hành tốt Điện cách ly: Điện cách ly điện cao ngõ vào mà ghép quang chịu đựng Điện cách ly tuỳ thuộc vào cấu trúc ghép quang, khơng khí… Hiệu ứng trường Dưới cao LED phototransitor có khoảng cách gần, ta có điện trường lớn Nếu ghép quang làm việc với điều kiện liên tục vài ngày, thông số ghép quang (đặc biệt phototransitor) bị thay đổi Hiệu ứng trường rõ ràng với nhiệt độ cao (100 o) điện chiều cao (1kV) Các thông số độ khuếch đại, điện áp dịng điện ngược bị thay đổi, với điện trường lớn So với transitor, thông số LED ổn định tác dụng điện trường Người ta bảo vệ lớp chuyển tiếp pn transitor silic màng ion suốt để chống lại ảnh hường điện trường (Transparent Ion Shield – Trios) Sự lão hoá Với thời gian, công suất phát sáng LED bị giảm đi, ta có hệ số truyền đạt ghép quang bé Người ta tránh lão hoá ghép quang phương pháp “Burn in “ Sau sản xuất, ghép quang cho làm việc với dòng điện với nhiệt độ xung quanh lớn thời gian (ví dụ 24 giờ) Do ghép quang bị lão hố trước khơng bị lão hố nhanh ghép quang chưa qua “Burn in” Để cho ghép quang làm việc lâu dài không bị lão hố nhanh, nhiệt độ xung quanh dịng điện làm việc thấp tốt Hệ số truyền đạt Hệ số truyền đạt (current transfer ratio-CTR) giống độ khuếch đại dòng điện transitor Hệ số truyền đạt hệ số tính theo phần trăm cho biết dịng điện điện ( ví dụ phototransitor) lớn so với dòng điện vào LED hồng ngoại ghép quang ( CTR= (IC/IF ) x 100% ) Theo sơ đồ mạch dưới, ta đo hệ số truyền đạt Nguồn dịng IF tạo điện áp ổn định nối tiếp với điện trở Trong đặc trưng kỹ thuật loại ghép quang CNY17…ta có liên hệ dòng điện I F qua LED hệ số truyền đạt Sự liên hệ không tuyến tính Cả cường độ chiếu sáng LED hồng ngoại độ khuếch đại phototransitor Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang gia tăng nhanh IF tăng Với dòng IF lớn, đặt tuyến khơng cịn dốc nhiều Cường độ chiếu sáng LED khơng cịn tăng theo IF phototransitor bão hoà Như ghép quang hoạt động với tín hiệu tương đối bé Trong ghép quang digital phần nhận mạch tổ hợp, trị số CTR khơng cịn ý nghĩa Ở người ta cần biết với cường độ dòng điện ngõ vào để có trạng thái High hay Low ngõ Hình 7.3 Hệ số truyền đạt Độ rộng dải tần số - Tần số truyền đạt: Các ghép quang đạt đến tần số  Bộ ghép quang loại transitor đến 250kHz  Bộ ghép quang với nhận tổ hợp đơn giản ( photodiode, transitor nhanh) đến 2MHz  Bộ ghép quang với nhận mạch tổ hợp (IC) đến 20 MHz 7.1.3 Các lựa chọn dùng ghép quang Để đáp ứng đòi hỏi cho ứng dụng ghép quang chọn thử nghiệm đặc biệt Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang 1/ Đảm bảo cách điện: Với điện VI/O =500V nhiệt độ 175oC điện trở cách nhiệt phải ≥109Ω.để đảm bảo cách điện ghép quang phải làm việc với thông số giới hạn mạch điện bảo vệ 2/Bộ ghép quang thử nghiệm 100% để đảm bảo thời gian chuyển tiếp ngắn ton ≤ 4,5 µs (IF = 10mA) toff ≤ 4,5 µs (IF = 10mA) 3/ Có độ ổn định cao với ảnh hưởng mơi trường: Vì lý kinh tế vỏ bọc ghép quang không làm kim loại hay gốm mà làm plastic dù phẩm chất tồi Trong điều kiện nóng (25-55oC) ẩm (trên 90% độ ẩm tương đối, hàm ẩm khơng khí thấm vào bên linh kiện làm độc cách điện giảm Người ta dùng silicon bọc bên 7.1.4 Bộ ghép quang với phototransistor Hình 7.4 Thơng thường cực gốc phototransitor nối ngồi ( ví dụ trường hợp với mạch phản hồi ) Tuy nhiên ghép quang làm việc trường hợp khơng có cực gốc trường hợp khơng có cực gốc, ghép quang có hệ số truyền đạt LED phototransitor lớn hơn, bề mặt cực gốc khơng bị che lấp phần công tắc cực gốc.Tuy nhiên cực gốc ghép quang có bất lợi  Bộ ghép quang làm việc không ổn định với nhiệt độ cao ( dịng điện ngược tăng cao với nhiệt độ)  Bộ ghép quang làm việc chậm Nếu ta nối cực gốc cực phát điện trở ghép quang làm việc nhanh hơn, dòng điện ngược bé Tuy nhiên hệ số truyền đạt bé phần dịng điện cực gốc bị dẫn Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang  Cường độ sáng LED bị giảm đi, dòng quang điện phototransitor gia tăng nhiệt độ tăng cao Do ghép quang làm việc ổn định với nhiệt độ Hình 7.5 7.1.5 Bộ ghép quang với photo-darlingtontransistor Hoạt động ghép quang với photo-darlingtontransistor giống với phototransistor, với hệ số truyền đạt lớn hơn(từ 200…1500) nhờ khuếch đại lớn darlington-transistor Tuy nhiên với photo darlington-transistor ta có số nhược điểm  Thời gian đóng mở chậm  Dịng tối tăng Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang  Tuỳ thuộc nhiều vào nhiệt độ Với mạch điện khơng có điện trở cực phát cực gốc Khơng có điện trở, ghép quang có hệ số truyền đạt lớn với dòng điện qua diot nhỏ, bị ảnh hưởng nhiệt độ lớn.Với điện trở (trong khoảng M)bộ ghép quang có hệ số truyền đạt bé làm việc tốt với nhiệt độ cao Hình 7.6 7.1.6 Bộ ghép quang với photothyristor phototriac Với ánh sáng ,ta có dịng điện IB làm thông photothyristor dẫn điện Để cho photoristor nhạy với ánh sáng làm việc với điện áp dịng điện bé cấu trúc bé mỏng Khi điện cường độ dòng điện thay đổi nhanh theo thời gian ,trị số dV/dt di/dt lớn ,thyristor tự kích dẫn điện ngồi ý muốn.Để chống lại hiệu ứng này,ta nối điện trở Rgk catôt Gate.Với trị số Rgk bé ,chống nhiễu dV/dt tốt ,nhưng cần dòng điện If qua LED lớn ,ngược lại với trị số Rgk lớn (từ 10k đến 100k),dòng If bé chống nhiễu dV/dt tồi Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Hình 7.7 7.1.7 Một số lưu ý với ghép quang Với mạch điều khiển Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang  Để điều khiển ghép quang ,ta cần dòng vào cho LED hồng ngoại 10mA dòng cho phototransistor khoảng 2mA bé Để giảm thời gian lên (rise time) thời gian trễ (propagation delay),dòng diơt hồng ngoại giảm cịn 1mA chống nhiễu tồi  Với mạch điện ,bộ ghép quang thay rơ-le.Bộ ghép quang làm việc nhanh hơn,khơng có tượng nảy (contact bounce), an toàn cách điện tốt hơn.Tuy nhiên rơ-le làm việc với dòng điện lớn ,điện ngõ lớn hơn,điện trở rơ-le nối điện nhỏ điện trở ngắt điện cao  Bộ ghép quang thay biến xung.Nó truyền tín hiệu chiều hay tín hiệu có tần số thấp.Trong biến xung làm việc tốt với tần số cao đệm (latch) để lưu giữ tín hiệu chiều Biến xung có thời gian lên nhanh ghép quang với phototransistor  Các IC tải nhận tín hiệu dùng việc truyền tín hiệu digital qua đường truyền liệu dài diện tín hiệu nhiễu.Biên độ tín hiệu nhiễu cao cho phép không 30V.Trong nhiều trường hợp thực tế ,tín hiệu nhiễu lên đến vài trăm Volt đường truyền.Bộ ghép quang với độ cách điện hàng nghìn Volt tỏ hữu dụng trường hợp Với mạch tuyến tính Dịng điện thuận diơt hồng ngoại phải có cường độ khoảng từ 5mA đến 20mA.Tín hiệu biến điệu (modulating signal) ghép vào điện chiều Với tần số cao phototransistor phải làm việc với khuếch đại có tổng trở vào thấp,thường khuếch đại có cực gốc nối đất Tóm tắt đặc tính linh kiện ghép tín hiệu Linh kiện Bộ ghép quang Ưu điểm Khuyết điểm - Kinh tế , rẻ tiền - Khi ngắt điện hay dẫn điện - Có thể chế tạo với vật liệu bán có điện trở giới hạn dẫn (điện trở Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Rơ-le - Làm việc từ tín hiệu chiều đến tín hiệu xoay chiều với tần số cao - cách điện tốt đến vài KV - Tổng trở cách điện cao - Kích thước nhỏ - Khơng có cơng tắc nên khơng bị nảy - Cơng suất tiêu thụ - Làm việc với công suất lớn - Khi dẫn điện có điện trở thấp - Có thể truyền tín hiệu chiều - Cách điện tốt -Truyền tín hiệu với vận tốc cao -Kích thước trung bình -Có hệ số truyền đạt tốt zero hay vơ cực) - Dịng điện dẫn điện điện áp ngắt điện có trị số giới hạn - Hệ số truyền đạt CTR thấp -Đắt tiền má rơ-le làm kim loại quý -Công suất tiêu thụ cao -Vận tốc làm việc chậm -Kích thước lớn Biến -Khơng thể truyền tín hiệu xung chiều hay xoay chiều có tần số thấp -Để cách điện(có tổng trở cao hay điện cao)rất đắt tiền IC phát -Có thể chế tạo với vật liệu bán -Tổng trở cách điện bé nhận tín hiệu dẫn -Điện đánh thủng đường dài -Kích thước bé (Dip)/Truyền tin thấp ≤ 30v với vận tốc cao -Có thể truyền tín hiệu DC rẻ tiền 10 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang - Khi ion chuyển từ vùng lượng cao xuống vùng lượng thấp xảy hai trường hợp sau:  Phân rã khơng xạ (nonradiative decay): lượng giải phóng dạng photon tạo dao động phân tử sợi quang  Phát xạ ánh sáng (radiation): lượng giải phóng dạng photon Độ chênh lệch lượng vùng giả bền ( ) vùng ( )  0.775eV (tương ứng với lượng photon có bước sóng 1600nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đỉnh vùng  0.814eV (1527 nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đáy vùng  0.841 eV (1477nm) tính từ đỉnh vùng giả bền đến đáy vùng Mật độ phân bố lượng ion vùng giả bền khơng nhau: ion có khuynh hướng tập trung nhiều mức lượng thấp Điều dẫn đến khả hấp thụ phát xạ photon ion Erbium thay đổi theo bước sóng Phổ hấp thụ (absortion spectrum) phổ độ lợi (gain spectrum) EDFA có lõi pha Ge biểu diễn hình Hình 7.18 Phổ hấp thụ (absorption spectrum) phổ độ lợi (gain spectrum) EDFA có lõi pha Ge b) Nguyên lý hoạt động EDFA Nguyên lý khuếch đại EDFA dựa tượng phát xạ kích thích Q trình khuếch đại tín hiệu quang EDFA thực theo bước sau 29 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, ion vùng hấp thụ lượng từ photon (có lượng Ephoton =1.27eV) chuyển lên trạng thái lượng cao vùng bơm (pumping band) (1) Tại vùng bơm, ion phân rã không xạ nhanh (khoảng 1μs) chuyển xuống vùng giả bền (2) Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, ion vùng hấp thụ lượng từ photon (có lượng Ephoton =0.841eV) chuyển sang trạng thái lượng cao đỉnh vùng giả bền (3) Hình 7.19 Q trình khuếch đại tín hiệu xảy EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm 1480nm Các ion vùng giả bền ln có khuynh hướng chuyển xuống vùng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4) Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), khơng kích thích photon có lượng thích hợp (phát xạ kích thích) ion chuyển sang trạng thái lượng thấp vùng phát xạ photon (phát xạ tự phát) (5) Khi cho tín hiệu ánh sáng vào EDFA, xảy đồng thời hai tượng sau: - Các photon tín hiệu bị hấp thụ ion hiệu ánh sáng bị suy hao 30 vùng (6) Tín Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang - Các photon tín hiệu kích thích ion vùng giả bền (7) Hiện tượng phát xạ kích thích xảy Khi đó, ion bị kích thích chuyển trạng thái lượng từ mức lượng cao vùng giả bền xuống mức lượng thấp vùng phát xạ photon có hướng truyền, phân cực, pha bước sóng Tín hiệu ánh sáng khuếch đại Độ rộng vùng giả bền vùng cho phép phát xạ kích thích (khuếch đại) xảy khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm Đây vùng bước sóng hoạt động EDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng bước sóng lớn 1565 nm dB bước sóng 1616nm 7.4.3 Yêu cầu nguồn bơm a) Bước sóng bơm Với vùng lượng nêu phần trên, ánh sáng bơm sử dụng bước sóng khác 650 nm ( ), 800 nm ( ), 980 nm ( ), 1480 nm ( ) Tuy nhiên, bước sóng bơm ngắn ion phải trải qua nhiều giai đoạn chuyển đổi lượng trước trở vùng phát xạ photon ánh sáng Do đó, hiệu suất bơm khơng cao, lượng bơm bị hao phí qua việc tạo phonon thay photon Vì vậy, thực tế, ánh sáng bơm sử dụng cho EDFA sử dụng hai bước sóng 980nm 1480nm Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu đạt nghịch đảo nồng độ cách sử dụng nguồn bơm để bơm ion erbium lên trạng thái kích thích Có hai cách thực q trình này: bơm trực tiếp bước sóng 1480 nm bơm gián tiếp bước sóng 980 nm  Phương pháp bơm gián tiếp (bơm 980 nm): Trong trường hợp này, ion erbium liên tục chuyển tiếp từ vùng lượng thấp lên vùng lượng cao , sau ion phân rã xuống vùng không phát xạ Từ vùng này, có ánh sáng kích thích ion phát xạ bước sóng mong muốn (từ 1550 đến 1600 nm) chuyển từ vùng lượng xuống vùng Đây hệ thống ba mức Thời gian sống ion erbium mức khoảng 1μs tới 10ms Với thời gian sống dài, vùng gọi vùng ổn định Vì vậy, ion bơm lên mức cao, sau nhanh chóng rơi xuống vùng tồn khoảng thời gian tương đối dài tạo nên nghịch đảo nồng độ  Với phương pháp bơm trực tiếp (1480 nm): ion erbium hoạt động hai vùng lượng Đây hệ thống mức Các ion erbium 31 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang liên tục chuyển từ vùng lượng lên vùng lượng kích thích nhờ lượng bơm Vì thời gian tồn mức dài nên chúng tích lũy tạo nghịch đảo nồng độ Nguồn bơm có hiệu cao hai bước sóng 980 1480 nm Để có hệ số khuếch đại 20 dB cần tạo nguồn bơm có cơng suất nhỏ mW, cần phải có nguồn bơm từ 10 đến 100 mW để đảm bảo cho công suất đủ lớn Chỉ số nhiễu lượng tử giới hạn dB đạt bước sóng 980 nm Đối với bước sóng 1480 nm số nhiễu vào khoảng dB tiết diện ngang phát xạ tại•1480 nm cao 980 nm xạ kích thích nguồn bơm giới hạn nghịch đảo tích luỹ 1480nm Do đó, bước sóng bơm 980 nm ứng dụng cho khuếch đại tạp âm thấp Hệ số độ lợi bước sóng bơm 980 nm cao 1480 nm cơng suất bơm Do đó, để đạt hệ số độ lợi cơng suất bơm 1480 nm phải cao 980 nm Vì cơng suất bơm 1480 nm lớn nên công suất ngõ lớn hơn, bơm bước sóng 1480nm ứng dụng cho khuếch đại công suất Ngồi ra, bước sóng bơm 1480 nm truyền sợi quang với suy hao thấp Do đó, nguồn bơm laser đặt xa khuếch đại Hiện nay, bơm bước sóng 1480 nm sử dụng rộng rãi chúng sẵn có độ tin cậy cao Độ tin cậy đặc điểm quan trọng laser bơm dùng để bơm cho khoảng cách dài để tránh làm nhiễu tín hiệu Các thiết bị khuếch đại cơng suất địi hỏi cơng suất bơm cao độ ổn định chúng mấu chốt trình nghiên cứu phát triển chúng Nếu tăng độ ổn định laser có bước sóng 980 nm chúng chọn làm nguồn bơm Một số EDFA bơm hai bước sóng để tận dụng ưu điểm hai bước sóng Bảng So sánh hai bước sóng bơm 980nm 1480nm Bước sóng bơm Tính chất: Độ lợi Độ lợi công suất bơm Suy hao công suất bơm Hệ số nhiễu Ứng dụng 980 nm 1480 nm Cao Thấp Cao Thấp Tiền khuếch đại Thấp Cao Thấp Cao Khuếch đại công suất b) Công suất bơm Công suất bơm lớn có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổi lượng với tín hiệu cần khuếch đại làm cho hệ số khuếch đại tăng lên Tuy nhiên, hệ số khuếch đại tăng theo công suất bơm 32 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang số lượng ion erbium cấy vào sợi có giới hạn Ngồi ra, cơng suất bơm tăng lên hệ số nhiễu giảm Điều trình bày phần tính hệ số nhiễu EDFA c) Hướng bơm Bộ khuếch đại EDFA bơm theo ba cách: Bơm thuận (codirectional pumping): nguồn bơm bơm chiều với hướng truyền tín hiệu Bơm ngược (counterdirectional pumping): nguồn bơm bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu Bơm hai chiều (dual pumping): sử dụng hai nguồn bơm theo hai chiều ngược Hướng bơm thuận có ưu điểm nhiễu thấp nhiễu nhạy cảm với độ lợi mà độ lợi tín hiệu cao cơng suất tín hiệu vào thấp Trong đó, hướng bơm ngược cung cấp cơng suất bão hồ cao có hệ số nhiễu cao bơm thuận Do vậy, người ta đề nghị sử dụng hai laser bơm có bước sóng bơm khác Việc bơm bước sóng 1480 nm thường sử dụng theo chiều ngược với hướng truyền tín hiệu bơm 980 nm theo hướng thuận để sử dụng tốt ưu điểm loại bơm Bơm 1480 nm có hiệu suất lượng tử cao có hệ số nhiễu cao hơn, bơm bước sóng 980 nm cung cấp hệ số nhiễu gần mức giới hạn lượng tử Hệ số nhiễu thấp phù hợp cho ứng dụng tiền khuếch đại Một EDFA bơm nguồn bơm cung cấp cơng suất đầu cực đại khoảng +16 dBm vùng bão hoà hệ số nhiễu từ 5-6 dB vùng tín hiệu nhỏ Cả hai bước sóng bơm sử dụng đồng thời cung cấp công suất đầu cao hơn; EDFA bơm kép cung cấp cơng suất tới +26 dBm vùng công suất bơm cao đạt Hình thể EDFA bơm kép Giá trị đặc tính khuếch đại EDFA trình bày bảng 33 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Hình 7.20 Cấu hình khuếch đại EDFA bơm kép 7.4.4 Phổ khuếch đại Phổ độ lợi EDFA trình bày hình Hình 7.18 tính chất quan trọng EDFA xác định kênh tín hiệu khuếch đại hệ thống WDM Hình dạng phổ khuếch đại phụ thuộc vào chất sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al) nồng độ tạp chất pha lõi sợi quang Hình Hình 7.18 cho thấy phổ độ lợi EDFA có lõi pha Ge rộng Tuy nhiên, phổ độ lợi không phẳng Điều dẫn đến việc hệ số khuếch đại khác bước sóng khác Nếu độ lợi kênh tín hiệu không đồng nhất, sau qua nhiều tầng EDFA, sai số độ lợi tích luỹ tuyến tính đến mức tới đầu thu kênh bước sóng có độ lợi cao làm cho đầu vào máy thu q tải Ngược lại, kênh tín hiệu có độ lợi nhỏ tỉ số SNR khơng đạt u cầu Sự làm phẳng độ lợi cần thiết để loại bỏ khuếch đại méo tín hiệu qua EDFA đường truyền ghép tầng Một số biện pháp sử dụng để khắc phục không phẳng phổ độ lợi: • Chọn lựa bước sóng có độ lợi gần WDM làm việc dải sóng băng C (1530 – 1565 nm) Trong dải bước sóng chọn 40 bước sóng làm bước sóng cơng tác WDM Các bước sóng có độ lợi gần • Cơng nghệ cân độ lợi: dùng cân (equalizer) hấp thụ bớt công suất bước sóng có độ lợi lớn khuếch tăng cơng suất bước sóng có độ lợi nhỏ • Thay đổi thành phần trộn sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm nhôm, photpho nhôm hay flo với erbium tạo nên khuếch đại có băng tần mở rộng phổ khuếch đại phẳng Ngoài ra, phổ độ lợi EDFA phụ thuộc vào chiều dài sợi EDF Lý trạng thái nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc theo chiều dài sợi quang công suất bơm thay đổi Bộ khuếch đại EDFA hoạt động băng C (1530-1565 nm) Tuy nhiên, độ lợi sợi pha tạp có trải rộng đến khoảng 1605 nm Điều kích thích phát triển hệ thống hoạt động băng L từ 1565 đến 1625 nm Nguyên lý hoạt động EDFA băng L giống EDFA băng C Tuy nhiên, có khác việc thiết kế EDFA cho băng C băng L Các phần tử bên khuếch đại quang cách ly (isolator) ghép (coupler) phụ thuộc vào bước sóng nên chúng khác băng C 34 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang băng L Sự so sánh tính chất EDFA băng C băng L thể bảng Bảng Bảng so sánh EDFA hoạt động băng C băng L Tính chất Băng C Băng L Độ lợi Cao Nhỏ khoảng lần Phơ độ lợi Ít phẳng Bằng phẳng Nhiễu ASE Thấp Cao Hình trình bày cấu trúc khuếch đại băng L làm phẳng độ lợi khoảng bước sóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng Tầng bơm bước sóng 980nm hoạt động EDFA truyền thống (sợi quang dài 20-30nm) có khả cung cấp độ lợi khoảng bước sóng 1530-1570 nm Ngược lại, tầng thứ hai có sợi quang dài 200m bơm hai chiều sử dụng laser 1480nm Một isolator đặt hai tầng cho phép nhiễu ASE truyền từ tầng thứ sang tầng thứ ngăn ASE truyền ngược tầng thứ Với cấu trúc nối tiếp vậy, khuếch đại hai tầng cung cấp độ lợi phẳng vùng băng thông rộng trì mức nhiễu thấp Optical Isolator Bulk-type WDM Coupler Optical Isolator Bulk-type WDM Bulk-type WDM Optical Isolator Coupler Coupler Signal Out Signal In 0,98 μm LD Er3+ -Doped Fiber 1,48 μm 1,48 μm 3+ LD Er -Doped LD Fiber First Amp Unit Second Amp Unit Hình 7.21 Cấu hình khuếch đại băng L làm phẳng độ lợi khoảng bước sóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng 7.4.5 Các tính chất EDFA a) Độ lợi (Gain) Độ lợi EDFA tính theo phương trình sau: 35 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang – (z) (2.11) Trong đó: - (z), (z): mật độ ion erbium trạng thái kích thích trạng thái vị trí z đoạn sợi quang pha erbium : chiều dài sợi pha erbium , : tiết diện ngang hấp thụ phát xạ ion erbium bước sóng tín hiệu - Phương trình (2.11) cho thấy độ lợi liên quan đến nghịch đảo nồng độ trung bình Gọi nồng độ ion Erbium mức lượng mức lượng kích thích trung bình Khi cơng thức sau: = (z)ds (z)ds tính theo (2.12) = , (2.13) Phương trình (2.11) viết lại cách đơn giản sau: – (2.14) Từ phương trình ta thấy độ lợi tín hiệu sau qua sợi quang phụ thuộc vào nghịch đảo nồng độ ion erbium trung bình sợi quang mà không phụ thuộc vào chi tiết dạng nghịch đảo hàm vị trí dọc theo chiều dài sợi quang Trong phương trình (2.12), (2.13) có hai tham số (z) (z) hàm theo vị trí z dọc theo sợi quang cho (z) = N 36 (2.15) Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang (z) = N – (z) (2.16) Trong đó:  : thời gian sống ion erbium trạng thái kích thích  Ps(z): cơng suất tín hiệu vị trí z sợi quang  Pp(z): cơng suất bơm vị trí z sợi quang   : hệ số chồng lắp bước sóng tín hiệu : hệ số chồng lắp bước sóng bơm  : tần số tín hiệu  : tần số bơm  mật độ ion erbium tổng cộng  tiết diện ngang hấp thụ phát xạ bước sóng tín hiệu  : tiết diện ngang hấp thụ phát xạ bước sóng bơm  h : số Planck; h= 6,625 J.s Từ công thức (2.15) ta thấy hệ số khuếch đại EDFA phụ thuộc vào yếu tố sau:  Phụ thuộc vào nồng độ ion : Khi nồng độ sợi quang EDFAtăng khả chúng chuyển lên mức lượng cao nhiều, hệ số khuếch đại tăng Nhưng nồng độ tăng cao gây tích tụ dẫn đến tượng tiêu hao quang làm cho hệ số khuếch đại giảm  Phụ thuộc vào cơng suất tín hiệu đến công suất bơm quang: Khi công suất vào tăng, xạ bị kích tăng nhanh, nghĩa ion mức lượng cao trở mức lượng nhiều làm giảm nồng độ số ion mức lượng cao, làm yếu khả xạ ion tín hiệu quang đưa tới, hệ số khuếch đại giảm Sẽ có mức giới hạn mà cơng suất tín hiệu vào tăng công suất không tăng gọi công suất bão hoà  Phụ thuộc vào chiều dài sợi: Khi chiều dài sợi ngắn tín hiệu khơng khuếch đại nhiều độ lợi tín hiệu nhỏ Ngược lại, chiều dài tăng lên tín hiệu khuếch đại nhiều hơn, độ lợi lớn Tuy nhiên, chiều dài dài so với công suất bơm độ lợi tín hiệu bị giảm chiều dài lớn mà công suất bơm lại không 37 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang đáp ứng hết chiều dài sợi tín hiệu bị suy hao dần làm giảm độ lợi  Phụ thuộc vào công suất bơm: Công suất bơm lớn có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổi lượng với tín hiệu cần khuếch đại làm cho hệ số khuếch đại tăng lên Tuy nhiên, hệ số khuếch đại tăng theo cơng suất bơm số lượng ion erbium cấy vào sợi có giới hạn Do vậy, tùy theo ứng dụng EDFA, yếu tố hiệu chỉnh sau cho độ lợi EDFA đạt giá trị yêu cầu với hiệu suất cao Thông thường, độ lợi EDFA vào khoảng 20-40 dB tuỳ theo ứng dụng EDFA khuếch đại công suất, khuếch đại đường truyền hay tiền khuếch đại b) Cơng suất bão hồ (Output saturation power) Sự bão hồ xảy cơng suất tín hiệu vào EDFA lớn gây giảm hệ số khuếch đại Vì vậy, giới hạn cơng suất khuếch đại Sự bão hoà hệ số khuếch đại xuất cơng suất tín hiệu tăng cao gây phát xạ kích thích tỷ lệ cao làm giảm nghịch đảo nồng độ Điều có nghĩa số ion erbium trạng thái kích thích giảm cách đáng kể Hệ là, cơng suất tín hiệu ngõ bị hạn chế bão hồ cơng suất Cơng suất bảo hịa định nghĩa tín hiệu mà hệ số khuếch đại bị giảm dB so với khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 7.22 Cơng suất bão hồ tăng tuyến tính theo cơng suất bơm vào bước sóng bơm 975 nm bước sóng tín hiệu 1555 nm 1532 nm 38 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Công suất bão hồ khơng phải số mà tăng lên tuyến tính với cơng suất bơm (xem hình 8) Cơng suất bão hồ xác định cơng suất tín hiệu ngõ mà độ lợi độ lợi tín hiệu nhỏ trừ dB Như cách xác định độ lợi tín hiệu nhỏ ta suy điểm bão hồ từ xác định cơng suất bão hồ Cơng suất bão hồ thay đổi tùy theo bước sóng tín hiệu mật độ ion phân bố vùng lượng giả bền khơng Hình 2.16 cho thấy cơng suất bảo hịa 1.55 μm cao 1.53 μm với công suất bơm 7.4.6 Ưu khuyết điểm EDFA a) Ưu điểm: - Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn cơng suất cao - Cấu hình đơn giản: hạ giá thành hệ thống - Cấu trúc nhỏ gọn: lắp đặt nhiều EDFA trạm, dễ vận chuyển thay - Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi áp dụng cho tuyến thơng tin quang vượt biển - Khơng có nhiễu xuyên kênh khuếch đại tín hiệu WDM khuếch đại quang bán dẫn - Hầu khơng phụ thuộc vào phân cực tín hiệu b) Khuyết điểm: - Phổ độ lợi EDFA không phẳng - Băng tần hiên bị giới hạn băng C băng L - Nhiễu tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn 2.4 Bộ khuếch đại quang RAMAN (RA) 2.4.1 Nguyên lý hoạt động Khuếch đại Raman dựa tượng tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering) Tán xạ Raman kích thích tượng nguyên tử hấp thụ lượng photon, sau tạo photon có lượng khác Vì vậy, tán xạ Raman kích thích định nghĩa tượng photon thứ cấp sinh kích thích từ nguồn bên 39 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Hình 7.23 Sơ đồ chuyển lượng khuếch đại Raman Để có khuếch đại Raman phải tạo nghịch đảo nồng độ Điều đạt cách cung cấp lượng cho nguyên tử sợi quang từ laser bơm có bước sóng thấp bước sóng tín hiệu Khi đó, nguyên tử sợi quang hấp thụ lượng bơm có lượng cao (bước sóng ngắn) chuyển lên mức lượng cao Khi có tín hiệu đến, kích thích ngun tử mức lượng cao chuyển sang trạng thái lượng thấp giải phóng lượng dạng photon ánh sáng có bước sóng (dài bước sóng bơm) pha với tín hiệu đến Do đó, tín hiệu khuếch đại Dựa giản đồ lượng trên, tần số ánh sáng bơm fbơm tần số ánh sáng khuếch đại fkhuếch đại xác định sau fbơm = (E3 – E1)/h f khuếch đại = (E2 – E1)/h Trong  h số Plank;  E1, E2, E3 lượng trạng thái lượng cao (transition state), trạng thái lượng trung gian (vibration state) trạng thái lượng thấp (ground state) nguyên tử sợi quang Không giống nguyên lý khuếch đại EDFA, khuếch đại Raman không cần sợi quang riêng đặc biệt (pha trộn ion Er3+) Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang khuếch đại dọc theo toàn chiều dài sợi quang silic bình thường Cấu trúc khuếch đại Raman minh họa hình 2.19 40 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Hình 7.24 Cấu trúc khuếch đại Raman Sợi quang: nơi xảy trình khuếch đại Sợi quang sợi quang truyền tín hiệu sợi SMF, DSF, … Trong khuếch đại quang không cần sử dụng sợi quang đặc biệt (pha ion Erbium) khuếch đại EFDA Bộ ghép (Coupler): dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với sóng bơm Laser bơm (Pump laser): dùng để cung cấp lượng cho nguyên tử sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích, giúp tạo nghịch đảo nồng độ Bộ cách ly (Isolator): đặt hai đầu khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệu phản xạ hai đầu khuếch đại Đồng thời giúp loại trừ nhiễu ASE theo hướng ngược phía đầu vào gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào 2.4.2 Độ rộng băng tần hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại Raman tăng tuyến tính với độ chênh lệch bước sóng tín hiệu nguồn bơm (wavelength offset), đạt giá trị đỉnh 100 nm giảm nhanh chóng sau Trong hình cho thấy, băng thơng độ lợi khuếch đại Raman đạt từ 45-50nm 41 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Hình 7.25 Hệ số độ lợi Raman thay đổi theo độ chênh lệch bước sóng tín hiệu nguồn bơm (wavelength offset) Nếu dải tần tín hiệu cần khuếch đại Raman lớn băng thơng độ lợi khuếch đại Raman (giả sử 40nm), cần phải sử dụng nhiều nguồn bơm khác Mỗi nguồn bơm có bước sóng cách khoảng 40nm (bằng với băng thơng độ lợi) Khi đó, dải tần lớn tín hiệu khuếch đại cách hiệu (xem Hình 7.26.-a) Tuy nhiên, đặc tính khuếch đại khuếch đại Raman khoảng bước sóng bơm, băng thơng độ lợi tổng cộng có dạng gợn sóng hình Hình 7.26.-b Với ưu điểm băng thông độ lợi lớn, khuếch đại Raman quan tâm đến ứng dụng thông tin quang Tuy nhiên hiệu suất độ lợi khuếch đại Raman không cao Để đạt hệ số khuếch đại lớn, cần phải sử dụng công suất bơm tương đối cao 42 Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Hình 7.26 (a)Với khoảng cách nguồn bơm 40nm, kênh nằm dải tần rộng khuếch đại (b) Gợn độ lợi khuếch đại Raman khoảng cách cách nguồn bơm 2.4.3 Ưu khuyết điểm khuếch đại Raman: So với loại khuếch đại quang khác, khuếch đại Raman có ưu điểm sau: - Tạp âm nhiễu thấp - Cấu trúc đơn giản, không cần sợi đặc biệt - Dễ chọn băng tần - Có thể đạt băng thông rộng nhờ kết hợp vài laser bơm Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm khuếch đại Raman có nhược điểm sau: - Xuyên âm kênh tín hiệu tượng tán xạ Raman kích thích SRS Đây hiệu hứng phi tuyến sợi quang gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM - Hệ số khuếch đại thấp - Hiệu suất khuếch đại thấp so với EDFA: khuếch đại Raman cần công suất bơm lớn để đạt giá trị độ lợi 43 ... điểm Khuyết điểm - Kinh tế , rẻ tiền - Khi ngắt điện hay dẫn điện - Có thể chế tạo với vật liệu bán có điện trở giới hạn dẫn (điện trở Chương 5: Ghép quang khuếch đại quang Rơ-le - Làm việc từ tín... cao - cách điện tốt đến vài KV - Tổng trở cách điện cao - Kích thước nhỏ - Khơng có cơng tắc nên khơng bị nảy - Cơng suất tiêu thụ - Làm việc với cơng suất lớn - Khi dẫn điện có điện trở thấp -. .. hiệu chiều - Cách điện tốt -Truyền tín hiệu với vận tốc cao -Kích thước trung bình -Có hệ số truyền đạt tốt zero hay vơ cực) - Dịng điện dẫn điện điện áp ngắt điện có trị số giới hạn - Hệ số truyền