Bài giảng Chương 2: Khuếch đại quang

BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 57 CHƯƠNG 2 KHUẾCH ĐẠI QUANG BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 58 KHUẾCH ĐẠI QUANG  2.1 GIỚI THIỆU CHUNG  2.2. KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA)  2.3. KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA)  2.4. KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG RAMAN (RA)  2.5. SO SÁNH CÁC LOẠI BỘ KHUẾCH ĐẠI BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 59  Trong mọi hệ thống thông tin quang, suy hao của sợi làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn  Đối với các hệ thống quang cự ly dài, để bù suy hao thường sử dụng các trạm lặp quang - điện (rất phức tạp và đắt tiền đối với hệ thống quang WDM).  Giải pháp khác: dùng các bộ khuếch đại quang (OA) để khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang.  1980: một số loại bộ OA đã được nghiên cứu chế tạo  SOA : Semiconductor Optical Amplifier  RFA : Raman-based Fiber Amplifier  EDFA : Erbium-doped Fiber Amplifier  1990: ứng dụng OA để bù suy hao  Với các hệ thống quang: EDFA được sử dụng phổ biến nhất  Đối với các hệ thống cự li dài: RFA hoạt động tốt hơn KHUẾCH ĐẠI QUANG BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 60 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Các tham số cơ bản :  Hệ số khuếch đại G = Pout / Pin G (dB) = 10 log (Pout / Pin) Pin và Pout là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang [mW]. BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 61 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Độ rộng băng tần khuếch đại: - Là đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) khi đo hệ số khuếch đại G của các tín hiệu quang ở các tần số khác nhau - Bo được xác định bởi điểm -3dB so với hệ số khuếch đại đỉnh của bộ khuếch đại  Công suất ra bão hòa  HÖ sè K§ G gi¶m khi c«ng suÊt tÝn hiÖu t¨ng (b·o hoµ G)  Công suất ở đầu ra tại điểm G giảm 3 dB được gọi là công suất ra bão hòa Psat, out. Pin Pout Pout, sat Pin,sat Pout 3dB Pout,sat G BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 62 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Nhiễu bộ khuếch đại - Các bộ KĐ gây ra nhiễu và làm giảm tỉ số SNR - Nguồn nhiễu: phát xạ tự phát (ASE-Amplified Spontaneous Emission) - Mật độ phổ nhiễu phát xạ tự phát gần như là không đổi: - Hệ số đảo mật độ (hs phát xạ tự phát): - Giá trị nhiễu bộ KĐ được định nghĩa: - SNR là tỉ số SNR điện tạo ra trong bộ tách quang  hnGS spsp )1()(  1 12 2    NN N nsp  out in n SNR SNR F )(  BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 63 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Nhiễu bộ khuếch đại - Với mọi bộ KĐ: Pout=GPin - SNR của tín hiệu vào khi hạn chế được nhiễu bắn: - Để đánh giá SNR của tín hiệu KĐ cần thêm phân bố phát xạ tự phát vào nhiễu máy thu. - Phát xạ tự phát kết hợp với tín hiệu tạo ra dòng trong bộ tách quang có đáp ứng R: - Vì Ein và Esp có pha ngẫu nhiên khác nhau. Dòng nhiễu: fh P fRPq RPI SNR in in in s in D  D   2)(2 )( )( 2 2 2 2 spin EEGRI  cos)(2 2/1 spin EGPRI D BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 64 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Nhiễu bộ khuếch đại  Lấy trung bình đối với  (cos  =1/2) và bỏ qua với các nguồn nhiễu khác: - Do đó SNR của tín hiệu KĐ có dạng: - Giá trị nhiễu của bộ KĐ: - SNR giảm 3dB ngay cả với bộ KĐ lí tưởng (nsp=1) - Thực tế, Fn vượt 3 dB và có thể tới 6-8 dB fRSRGP spinspsig D ))((4 2   spspn nGGnF 2/12    fS GPRGPI SNR SP inin out D  4 )( 2 2 2 2  BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 65 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Nhiễu bộ khuếch đại - Minh hoạ cách xác định Fn : Sourse Spontaneous Emission (SE) Input Ideal output Actual output Wavelenght Power Sourse SE*Gain EDFA ASE Gain SNRout Sourse SE*Gain+EDFA ASE Input Sinal*Gain BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 66 KHUẾCH ĐẠI QUANG  2.2. KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA) BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 67 KHUẾCH ĐẠI QUANG  SOA còn được gọi SLA- Semiconductor Laser Amplifier  Hoạt động ở chế độ định thiên thấp hơn dòng ngưỡng  Thực tế, so với LD thì SLA có ống dẫn sóng rộng hơn và 2 mặt được phủ một lớp chống phản xạ để tránh ngưỡng LD và đạt được khuếch đại cao  Các bộ SOA thường là các bộ khuếch đại cộng hưởng (R1 và R2 0)  Phân loại SLA theo cấu trúc:  FP-SLA (bộ khuếch đại bán dẫn có khoang cộng hưởng FP )  DFB-SLA (bộ khuếch đại bán dẫn hồi tiếp phân tán )  TW-SLA (bộ khuếch đại bán dẫn sóng chạy ) input fiber output fiber R1 R2 Pin Pout=GtotPout in out BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 68 KHUẾCH ĐẠI QUANG  FP-SOA: - Hệ số KĐ của FP-SOA được xác định như sau: trong đó: - Thực tế GFP giảm tới G khi R1=R2=0 và GFP đạt đỉnh khi  trùng m và giảm mạnh khi ở giữa chúng. - Hệ số khuếch đại thực bị giảm còn inoutGFP - Nếu dòng điều khiển là 10mA thì hệ số KĐ đạt được khoảng 25-30 dB, công suất ra bão hoà là 8dB với độ rộng băng tần 1-3GHz R2 R1 Pout Pin L IB G - Hệ số khuyếch đại thông đơn m - tần số céng hưởng của khoang DL - khoảng cách các mode còn gọi là dải phổ tự do của khoang FP    Lm FP RRGRRG GRR G   D   /)(sin4)1( )1)(1( 2 21 2 21 21 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 69 KHUẾCH ĐẠI QUANG  FP-SOA: - Độ rộng băng tần bộ KĐ từ điều hưởng -m với GFP giảm 3dB so với giá trị đỉnh: - Để DA lớn thì phải gần bằng 1. - Hạn chế của FP-SOA: + Phổ khuếch đại bị nhấp nhô do sự phản xạ, đỉnh tại =m + Độ rộng băng tần bộ KĐ (A) là một phần nhỏ của dải phổ tự do của khoang PF (L=100GHz và A=10GHz). A nhỏ làm cho bộ KĐ FP không phù hợp với các ứng dụng hệ thống quang. - Để khắc phục những hạn chế này phải sử dụng loại TW-SOA           D D  2/1 21 211 4 1 sin 2 RRG RRGL A    21RRG BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 70 KHUẾCH ĐẠI QUANG  TW-SOA: - Để cải thiện đặc tính khuếch đại cấu trúc dẫn sóng trong FP-SOA được thay đổi: ống dẫn sóng ở lớp tích cực được chạy xiên, hai đầu được bọc lớp chống phản xạ: giảm ngưỡng LD, tăng hệ số KĐ và mở rộng phổ KĐ. - TW- SOA có hệ số phản xạ rất nhỏ (<0,1 %). Để đánh giá trị số chênh lệch của phản xạ bề mặt thông qua biểu thức: - Để duy trì DG<2 thì hệ số phản xạ phải thoả mãn đk: - Để có G=1000 (30dB) thì 2 1 21 min max 1 1           D RRG RRG G G G FP FP 17,021 RRG 4 21 107,1 RR BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 71 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Các vấn đề đối với SOA: - SOA rất nhạy cảm với phân cực, cần có các biện pháp khắc phục như: mắc nối tiếp các SOA trực giao, phân tập phân cực hoặc quay phân cực. - Hệ số nhiễu của SOA tương đối lớn (7-12 dB). - Suy hao ghép nối lớn 6-8 dB hoặc hơn. - Thực tế, SOA thường ít được sử dụng để KĐ tín hiệu WDM, tuy nhiên các hiệu ứng xẩy ra trong SOA thường được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác trong mạng quang (chuyển đổi bước sóng, chuyển mạch quang). BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 72 KHUẾCH ĐẠI QUANG 2.3 – KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA) BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 73 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Cấu trúc: - Thành phần chớnh là sợi pha tạp Erbium, nồng độ pha tạp 100 – 2000 ppm - Quỏ trỡnh bơm cú thể thực hiện theo hai hướng thuận và nghịch - Cỏc bộ cỏch ly quang ngăn nhiễu phản xạ và tớn hiệu truyền dẫn theo hướng ngược lại làm giảm chất lượng bộ KĐ - Cỏc thành phần giỏm sỏt và điều khiển khỏc. BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 74 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Nguyên lý: - Ion Er+3 hấp thụ photon của laser bơm chuyển lờn mức năng lượng cao hơn. - Ion kớch thớch sau một thời gian sẽ chuyển về mức năng lượng nền và phỏt xạ photon theo hai quỏ trỡnh phỏt xạ tự phỏt và phỏt xạ kớch thớch. - Phỏt xạ kớch thớch là cơ chế khuyếch đại tớn hiệu, phỏt xạ tự phỏt gõy ra nhiễu quang trong bộ khuyếch đại. BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 75 KHUẾCH ĐẠI QUANG Mặt cắt ngang của sợi quang pha ion Erbium BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 76 KHUẾCH ĐẠI QUANG - Phổ khuyếch đại của EDFA phụ thuộc vào chất đồng pha tạp, công suất bơm và nồng độ Er. BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 77 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Cấu hình bộ khuếch đại EDFA bơm hai chiều Coupler Bộ cách li Sợi pha Er3+ Bộ cách li Laser bơm Coupler Laser bơm BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 78 KHUẾCH ĐẠI QUANG  2.4- BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN (RA) BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 79 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Khái niệm: - Bộ KĐ sợi Raman dựa vào tán xạ Raman kích thích (SRS) xảy ra trong sợi quang silica khi có ánh sáng bơm. - SRS khác với phát xạ kích thích: . Trong phát xạ kích thích, một photon tới kích thích phát xạ một photon khác có bước sóng và pha giống photon kích thích mà không làm mất năng lượng . Trong SRS photon bơm trao năng lượng để tạo ra photon khác có năng lượng giảm tại tần số thấp; năng lượng còn lại bị hấp thụ bởi môi trường dưới dạng dao động phân tử (các phonon quang). - Vì vậy các bộ KĐ Raman cần được bơm để cung cấp khả năng khuếch đại. BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 80 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Cấu trúc: - Tần số tín hiệu (ωs) và tần số sóng bơm (ωp) được đưa vào sợi quang qua coupler. Năng lượng được chuyển từ sóng bơm tới tín hiệu thông qua SRS như là hai sóng cùng truyền bên trong sợi. - Tín hiệu và sóng bơm cùng truyền đồng thời theo cấu hình bơm thuận hoặc ngược. Có thể hoạt động ở bất kỳ bước sóng nào với sóng bơm phù hợp. - Có thể cung cấp độ rộng băng tần KĐ lớn bằng cách sử dụng nhiều nguồn bơm - Khuếch đại không phụ thuộc phân cực nhờ sử dụng bơm phân cực trực giao ở từng bước sóng BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 81 KHUẾCH ĐẠI QUANG  Hệ số khuếch đại và độ rộng băng tần Raman: - Hệ số KĐ Raman quan hệ với hệ số KĐ quang như sau: g(ω) = gR(ω) (PP / aP) trong đó: ap là diện tích vùng bơm bên trong sợi, tỷ số gR/aP là số đo của hệ số KĐ Raman - Đỉnh hệ số khuếch đại bị dịch 13,2 THz (khoảng 100nm) so với bước sóng bơm và độ rộng băng tần KĐ khoảng 6THz. - Thực tế, Phổ khuếch đại Raman có thể lên đến hơn 20THz BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 82 KHUẾCH ĐẠI QUANG  2.5 SO SÁNH CÁC LOẠI BỘ KHUẾCH ĐẠI