Thông tin quang sợi_ Phạm Văn Hội

i gian hoạt động lên đến 106 giờ. CHƯƠNG IV BỘ THU QUANG Vai trò của bộ thu quang là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và phục hồi các số liệu đã truyền qua hệ thống thông tin quang. Linh kiện chủ yếu trong bộ thu quang là các photodiode có cấu trúc và vật liệu chế tạo thích hợp cho băng tần và bước sóng cần thu. §1. Cơ sở lý thuyết của thu tách quang Cơ chế cơ bản của quá trình thu tách tín hiệu quang là hấp thụ quang. Xét có một chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm Eg, nếu photon tới có năng lượng hν lớn hơn Eg, một cặp điện tử-lỗ trống sẽ được tạo ra trong bán dẫn khi photon bị hấp thụ và khi áp đặt một điện thế V vào chất bán dẫn, điện tử và lỗ trống sinh ra sẽ chuyển động về hai cực và tạo thành dòng điện qua bán dẫn. Ta thấy dòng điện do photon sinh ra Ip tỷ lệ thuận với công suất quang tới bán dẫn: Ip = R. Pin (4.1) R là hệ số tương thích của bộ tách quang. R có đơn vị là WA Hiệu suất lượng tử η của bộ tách quang là: η = (tốc độ sinh điện tử)/(tốc độ photon tới) = P in I hq R P q h    (4.2.a) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 58 - ta có: 1,24 q R h     (4.2.b) Trong bán dẫn khi hν < Eg, hiệu suất lượng tử η = 0. Hiệu suất lượng tử η phụ thuộc vào bước sóng λ thông qua hệ số hấp thụ α. Giả sử ta có một lớp bán dẫn độ dày W; hệ số phản xạ trên bề mặt bán dẫn R≈ 0. Công suất quang chiếu vào bán dẫn là Pin và công suất truyền qua lớp bán dẫn là Ptr, công suất quang bị hấp thụ trong lớp bán dẫn là Pabs = Pin – Ptr . Ta biết Ptr = Pin exp(–αW) suy ra :  1 exp Wabs inP P      (4.3) Mỗi một photon hấp thụ trong bán dẫn sỉnh ra một cặp điện tử-lỗ trống, hiệu suất lượng tử η sẽ là:  1 exp Wabs in P P      (4.4) Ta thấy η tiến đến 0 khi α gần bằng 0 và η gần bằng 1 khi αW >> 1. Các chất bán dẫn đều có độ rộng vùng cấm xác định, vì vậy chỉ có các photon có năng lượng hν ≥ Eg mới có thể hấp thụ trong bán dẫn và sinh cặp điện Ohmic Contact hγ Hình 4.1. Sơ đồ hấp thụ quang trong khối bán dẫn Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 59 - tử - lỗ trống. Lưu ý rằng ν.λ = c vậy g c hc h E   . Bước sóng ánh sáng λc tại đó α= 0 gọi là bước sóng cắt, vì thế bán dẫn có thể sử dụng là các bộ thu quang cho các bước sóng λ < λc. Thí dụ λc = 1,1µm cho Si ; Ge có λc=1,6µm ; In0,63Ga0,47As có λc = 1,7µm; GaAs có λc = 0,89µm. Các chất bán dẫn có α ~ 104 cm–1 rất thích hợp để chế tạo bộ thu quang và η có thể đạt đến 100% khi W = 10µm. Đây là các thông số rất hữu ích để chế tạo các linh kiện thu quang. Băng tần của bộ thu quang xác định bằng thời gian đủ để dòng quang điện tăng từ 10% đến 90% khi công suất quang tới đột ngột thay đổi: thời gian lên  ln9r tr RCT    (4.5) Vùng nghèo Loại p Loại n W hγ P k.tán Cuốn _ + + + V0 Ec Ev _ _ Hình 4.2. Sơ đồ chuyển tiếp p-n của bộ thu quang bán dẫn Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 60 - Trong đó τtr là thời gian chuyển tải và τRC là hằng số thời gian của mạch RC của bộ thu quang. τtr có nghĩa là thời gian thu góp điện tử sau khi nó được sinh ra do photon hấp thụ. τRC giảm khi độ dày bán dẫn W giảm. τRC hạn chế băng tần thu quang do nhiễu điện. Băng tần Δf liên hệ với thời gian lên và thời gian RC theo công thức sau:   12 tr RCf         (4.6) Ngoài ra tần số và thời gian đáp ứng của bộ thu quang, dòng tối Id cũng là một thông số rất quan trọng. Dòng tối là dòng sinh ra trong bộ thu quang do các ánh sáng nền và do năng lượng nhiệt tạo ra cặp điện tử - lỗ trống. Đối với bộ thu quang chất lượng cao Id < 10nA. §2. Thiết kế bộ thu quang Linh kiện thu quang từ bán dẫn có 2 loại: loại quang dẫn và loại photodiode. Linh kiện quang dẫn là một khối bán dẫn đồng nhất có contact ohmic ở hai đầu. Khi ánh sáng chiếu được hấp thụ trong nó sẽ sinh ra cặp điện tử - lỗ trống và các hạt tải sẽ chuyển động về hai phía cực do điện trường áp đặt tạo ra và như vậy làm giảm điện trở của khối bán dẫn. Linh kiện quang dẫn có băng tần và hiệu suất thu góp không cao, do đó hiện nay không còn được sử dụng trong các thiết bị quang-điện tử tần số cao. Chúng ta sẽ tập trung khảo sát cấu trúc của photodiode là linh kiện dùng trong các thiết bị thông tin quang.  Photodiode p-n Photodiode được cấu tạo từ 2 loại bán dẫn có tính chất điện n và p và có cấu trúc chuyển tiếp p-n. Khi chuyển tiếp p-n được áp đặt thiên áp ngược, lớp chuyển tiếp tạo thành vung nghèo có độ rộng W và có điện trường nội khá lớn. Điện trường này có xu hướng ngăn cản dòng điện tử di chuyển từ vùng n sang vùng p (và lỗ trống từ vùng p sang vùng n). Nếu chuyển tiếp p-n này được chiếu Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 61 - sáng từ một phía (thí dụ từ phía p theo hình vẽ), các cặp điện tử-lỗ trống được sinh ra do hấp thu photon. Do điện trường nội trong vùng chuyển tiếp khá lớn các hạt tải sinh ra trong vùng nghèo sẽ được “cuốn” về hai phía n và p và kết quả ta sẽ thu được dòng quang-điện. Thiên áp ngược của chuyển tiếp p-n hoạt động như một linh kiện thu quang và linh kiện loại này gọi là photodiode. Dòng quang điện tỷ lệ với cường độ chùm sáng tới theo biểu thức Ip = R.Pin với R khá lớn. Băng tần của p-n photodiode bị hạn chế bởi thời gian chuyển tải τtr. Nếu W là độ rộng vùng nghèo và vd là vần tốc “cuốn” (drift) của hạt tải, thời gian chuyển tải sẽ là: d W vtr   (4.7) Thông thưòng: W=10µm, vd ~ 105m/s và τtr=100ps. Các thông số W, τtr có thể thiết kế tối ưu để giảm τtr. Độ rộng vùng nghèo phụ thuộc vào mật độ donor và acceptor pha tạp trong bán dẫn loại n và p, do đó W có thể kiểm soát được bằng mật độ pha tạp. Vận tốc cuốn vd phụ thuộc vào điện thế thiên áp ngược và sẽ đạt đến tốc độ cuốn bão hòa (~105 m/s). Vận tốc cuốn bão hòa phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn. Thời gian RC được tính theo biểu thức:  RC L S PR R C   (4.8) Trong đó RL là điện trở tải, Rs là điện trở nội tiếp của photodiode và Cp là điện dung ký sinh của chuyển tiếp p-n. τRC ~ 100ps và có thể giảm xuống nữa khi có thiết kế thích hợp. Các giá trị τtr và τRC đều khá nhỏ và băng tần của photodiode trong khoảng 1Gb/s. Dòng hạt tải khuếch tán là một yếu tố hạn chế băng tần của photodiode. Bản chất vật lý của dòng hạt tải khuếch tán là: các photon được hấp thụ vùng p hoặc n nằm ngoài vùng nghèo sẽ sinh ra các cặp điện tử-lỗ trống. Điện tử sinh ra trong vùng p sẽ khuếch tán về phía biên vùng nghèo trước khi nó có thể cuốn về phía n (tương tự lỗ trống sinh ra trong vùng n sẽ khuếch tán về phía biên vùng nghèo). Quá trình khuếch tán là quá trình chậm, các hạt tải cần khoảng nano-giây để di chuyển khoảng cách 1µm. Quá trình khuếch tán Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 62 - hạt tải này sẽ gây ra méo dạng tín hiệu thu thời gian (méo dạng xung) của photodiode. Nếu ta giảm độ rộng của vùng p và n và tăng độ rộng vùng nghèo W sao cho đại đa số ánh sáng tới được hấp thụ trong vùng này thì sẽ hạn chế được ảnh hưởng của dòng khuếch tán (và làm giảm độ méo tín hiệu quang-điện).  Photodiode p-i-n: lớp bán dẫn thuần được đưa vào giữa 2 lớp p và n, điện trường do thiên áp tạo ra sẽ tập trung chủ yếu tại vùng này. Vì là lớp bán dẫn thuần, do đó chúng có điện trở khá cao. * Độ dày lớp i là bao nhiêu thì thích hợp? Xung quang t1 t t Khuếch tán Công suất quang Dòng quang điện Xung quang điện t2 Lớp p Lớp ni hγ Z E P InP i n InP n+-InP (Đế) Công tắc Công tắc Au/Au-S Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 63 - Độ dày W cần phải thoả mãn các yêu cầu về tốc độ và độ nhạy của photodiode. Nếu độ dày W tăng, thì η→100%, tuy nhiên thời gian thích ừng (thời gian chuyển tải) cũng sẽ tăng theo. Si ; Ge (bán dẫn chuyển tiếp nghiêng):W ≈ 20÷30µm;τtr > 200ps vd = 10 5m/s InGaAs (bán dẫn chuyển tiếp thẳng) : W ≈ 3÷5µm; τtr > 30÷50ps Và từ InGaAs ta có thể chế tạo photodiode có băng tần thu Δf =3÷5GHz nếu τtr >> τRC. Photodiode có cấu trúc dị thể kép có thể làm tăng các thông số có lợi của linh kiện thu quang. Lớp i kẹp giữa hai lớp n và p chế tạo từ các chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác biệt sao cho ánh sáng tới chỉ hấp thụ trong vùng i. Cấu trúc InP-InGaAs-InP có các thông số: Eg̣(InP) = 1,35eV sẽ trong suốt đối với các bước sóng lớn hơn 0,92µm. Eg(InGaAs) = 0,75eV có bước sóng cắt 1,65µm, do đó lớp InGaAs hấp thụ rất mạnh các bước sóng trong vùng 1,3-1,6µm. η trong vùng InGa As đạt tới 100% khi W = 4÷5µm. Photodiode tốc độ cao được nghiên cứu phát triển rất mạnh trong những năm 90. Băng tần đạt đến 70GHz khi sử dụng lớp hấp thụ có độ dày <1µm và làm giảm điện dung ký sinh CP bằng giảm kích thước của photodiode. Tuy nhiên, photodiode này có hiệu suất lượng tử thấp. Năm 1995, photodiode có băng tần 10GHz đã được chế tạo với việc giảm thời gian RC xuống cỡ 1ps. Rất nhiều kỹ thuật đã được nghiên cứu phát triển để tăng hiệu suất lượng tử của photodiode tốc độ cao, trong đó đáng chú ý là tạo cộng hưỏng Fabry-Perot chung quanh cấu trúc p-i-n để tăng hiệu suất lượng tử và sử dụng dẫn sóng quang ghép nối theo cạnh để giảm τRC. Hiệu suất lượng tử trong các cấu trúc này đã tăng đáng kể (>80%) và băng tần thu có thể đạt tới >100GHz.  Photodiode thác lũ (Avalanche Photodiode – APD) Các bộ thu quang cần có một dòng cực tiểu nào đó để hoạt động. Dòng quang điện cực tiểu yêu cầu có công suất quang tới hạn Pin I P R  để tạo ra nó. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 64 - Bộ thu quang có R lớn sẽ chỉ cần công suất quang Pin nhỏ. Hệ số tương thích R của p-i-n có giá trị cực đại theo (4.2) là ln q R  (η=1). Photodiode thác lũ (ký hiệu là APD) có thể đạt được R lớn khi nó thiết kế để có khuếch đại dòng điện nội trong bộ thu. Hiện tượng vật lý để khuếch đại dòng điện nội là hiệu ứng ion hoá. Với điều kiện điện trường cao, các điện tử có gia tốc lớn do điện trường cung cấp sẽ đủ năng lượng để tạo thêm các cặp điện tử-lỗ trống trong bán dẫn. Điện tử có năng lượng cao có thể truyền một phần động năng của mình cho điện tử ở vùng hoá trị và làm cho điện tử này nhảy lên vùng dẫn, tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống mới. Quá trình này tiếp tục xảy ra nhiều lần trong bán dẫn và ta sẽ thu được dòng quang - điện được khuếch đại. Tốc độ sinh hạt được kiểm soát bằng 2 thông số sau: αe và αh gọi là hệ số ion hoá của điện tử và lỗ trống. Giá trị của αe và αh phụ thuộc vào vật liệu và điện trường áp đặt để gia tốc hạt tải. Điện trường 2 - 4.105V/cm sẽ cho các giá trị αe, αh ~104cm–1 cho các chất InGaAs và GaAs. Để tạo được trường này, thiên áp cho APD sẽ phải đạt >100V. Dòng khuếch đại của APD có thể tính toán khi sử dụng 2 công thức sau: E Lớp p Z i n+ Hấp thụ Khuếch đại dòng i Pt Công tắc P n+ hγ Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 65 - e e e h h h e e h h di i i dx di i i dx          (4.9) ie là dòng điện tử và ih là dòng lỗ trống. Tổng dòng quang điện là: I = ie(x) + ih(x) (4.10) Giả thiết là không đổi tại mọi điểm trong vùng khuếch đại, thay ih = I – ie ta có:  e e h e hdi i Idx      αe, αh là hàm của x nếu điện trường trong vùng khuếch đại không đồng nhất. Để đơn giản, ta giả thiết E=const trong vùng khuếch đại, và αe > αh, độ dài d. Quá trình thác lũ bắt đầu xảy ra do điện tử tại điểm x=0. Sử dụng điều kiện ih(h) = I. Yếu tố khuếch đại M xác định bằng biểu thức    0 e e i d M i  sẽ được tính bằng công thức:   1 exp 1 A A e A K M K d K       (4.11) trong đó h A e K   Nếu αh= 0 → M=exp(αed) và khuếch đại thác lũ theo quy luật hàm mũ với d. Nếu αe=αh → KA=1 và   11 eM d   . Khi αed =1 M → 0. Điều kiện này gọi là điều kiện đánh thủng thác lũ. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 66 - Hiệu ứng thác lũ trong thực tế sủ dụng các trường hợp αe >> αh hoặc αh >> αe và quá trình thác lũ xảy ra chỉ với một loại hạt tải. Hệ số thích ứng: APD q R MR M h    (4.12) Băng tần của APD phụ thuộc vào M. Hệ số khuếch đại APD giảm tại tần số cao do sự tăng của thời gian chuyển tiếp τtr. Sự giảm M phụ thuộc tần số được tính theo công thức:     1 2 2 0 01 eM M M      (4.13)  0 0M M là hệ số khuếch đại tần số thấp, τe - thời gian chuyển tải hiệu dụng phụ thuộc vào hA e K   . Trong trường hợp αh < αe ; τe = CAKAτtr với CA là hằng số và gần bằng 1. Giả thiết τRC << τtr băng tần của APD được tính gần đúng là:   102 ef M   . Đa số các APD có độ dày lớp hấp thụ ~ 1µm để hiệu suất lượng tử η vượt quá 50%. Độ dày lớp hấp thụ ảnh hưởng đến thời gian τtr và thiên áp Vb. Năm 1997 kết quả thí nghiệm đã đưa ra băng tần APD là 300GHz. Hiện nay APD có băng tần >9GHz với M = 35 và η = 60% đã trở nên thông dụng trong các hệ thống thông tin quang. Một số cấu trúc Schottky cũng có thể tạo ra các linh kiện thu quang, tuy nhiên linh kiện này không được sử dụng phổ biến trong hệ thống thông tin quang hiện nay. §3. Thiết kế bộ thu quang điện tử Hiện nay các bộ thu quang-điện đang có xu hướng tổ hợp trên một đế bán dẫn với đầy đủ các tính năng khuếch đại và sửa dạng trong một mạch tổ hợp IC. Các mạch này gọi là tổ hợp quang-điện (Optoelectronic Integrated Circuit – Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 67 - OFIC). Các mạch tổ hợp này có khả năng hoạt đông ở băng tần rất cao (~10GHz hoặc hơn). Ưu thế của mạch tổ hợp OEIC làm giảm các hiệu ứng ký sinh và tạp âm do nối tầng đến các giá trị cực tiểu, do đó đã làm tăng chất lượng của tín hiệu quang-điện lên rất cao. §4. Tạp âm của bộ thu quang - điện  Tạp âm shot – nguyên nhân do dòng điện tạo ra bởi các điện tử được sinh ra ngẫu nhiên theo thời gian.  Tạp âm nhiệt – do chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của điện tử (không tuân theo dòng). Các tạp âm này gây ra nhiễu tín hiệu (méo dạng, suy giảm ngẫu nhiên). Tín hiệu vào Nguồn V PD Tiền KĐ KĐ chính Điều chỉnh KĐ tự động Bộ lọc tín hiệu Sửa dạng Bộ giữ nhịp Số liệu ra Sơ đồ nguyên lí của bộ thu quang – điện tử G RL Tiền KĐ Tiền KĐ -G Mạch thu quang trở kháng cao Mạch thu quang hồi tiếp RL Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 68 - §5. Độ nhạy của bộ thu quang - điện Các bộ thu quang-điện cho tín hiệu số được đặc trưng bởi tỷ số lỗi bit (Bit-error Rate – BER) xác định bằng xác suất nhận dạng sai bit của bộ thu. Trong thực tế BER cho các hệ thống thông tin quang yêu cầu phải nhỏ hơn 10–9. Độ nhạy của bộ thu được xác định bằng công suất thu quang trung bình nhỏ nhất để BER < 10–9. Chúng ta sẽ tính BER.  Tỷ số lỗi bít (BER): Giá trị mẫu I thay đổi từ bit này sang bit khác chung quanh giá trị trung bình I1 và I0 phụ thuộc vào bit tương ứng “1” hoăc “0” trong dòng bit. Giá trị ngưỡng của bộ sửa dạng là I0, và ta được bit “1” khi I>I0 hoặc được bit “0” khi I<I0. Lỗi xảy ra khi I<I0 mà bộ sửa dạng lại nhận là bit “1” hoặc khi I>I0 lại nhận là bit “0”. Xác suất lỗi được tính bằng công thức:        R P 1 0 1 0 1 0BE P P P  (4.14) trong đó P(1) và P(0) là xác suất nhận bit “1” và “0” tương ứng. P(0/1) là xác suất sửa dạng thành “0” khi bit “1” được nhận, P(1/0) là xác suất sửa dạng thành “1” khi nhận được bit “0”. Ta thấy     11 0 2 P P  và    1 0 1R 1 02BE P P    (4.15) Sử dụng giá trị ngẫu nhiên theo phân bố Gauss, và giá trị I là hàm xác suất mật độ Gauss với các biến số 2 2 2S T    với S biến số phụ thuộc tạp âm shot và T phụ thuộc tạp âm nhiệt. Ta có công thức tính: 01 1 0 1 R 4 2 2 DD I II IBE erfc erfc                    (4.16) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 69 - (với hàm    22erfc x exp y dy     ) BER phụ thuộc vào mức ngưỡng sử dụng ID. BER nhỏ nhất khi: 01 1 0 DD I II I Q     (4.17) và 0 1 1 0 0 1 D I I I       (4.18) Khi 1 0  ; 0 12D I I I  suy ra ID ở vị trí giữa xung. BER tối ưu khi được tính bằng (4.16) và (4.17): 2 exp 21 2 2 2 Q Q BER erfc Q           (4.19) với 1 0 1 0 I I Q     TD I1 ID I0 Xác suất Tín hiệu P(1/0) P(0/1) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 70 - khi Q>7 ta có BER<<10–12 khi Q≥6 ta có BER<<10–9  Tính độ nhạy đầu thu Để đơn giản, ta giả thiết khi bit “0” không có công suất quang (Po=0) do đó Io=0 và công thức quang tại bit “0” và công suất quang tại bit “1” được tính theo I như sau: 1 1MRP 2 SEEI MRP  (4.20) trong đó SEEP là công suất thu quang trung bình được xác định bằng biểu thức: 1 0 SEE 2 P P P  ta đã biết  12 2 21 S T    và 0 T  . Vậy thông số Q sẽ là:   SEE1 1 2 2 2 1 0 2 S T T MRPI Q          (4.21) từ (4.21) ta tính được: SEE . T A Q P qF Q f R M       (4.22) với FA là thành phần tạp âm nhiệt gây ra thay đổi điện trở trong bộ tiền khuếch đại và khuếch đại chính. Trong trường hợp photodiode p-i-n, M=1 ta có SEEP gần đúng như sau: Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 71 -  SEE Tp i n QP R     (4.23) với tạp âm nhiệt là tạp âm chủ yếu trong bộ thu quang-điện. Thí dụ: với photodiode p-i-n thu tại bước sóng λ=1,55µm, ta có 1 W A R      . Nếu hệ số tạp âm nhiệt T =100nA và Q=6 (để cho BER<10–9) thì độ nhạy đầu thu sẽ là: SEEP = 0,6µW hoặc = 32, 2 dBm Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 72 - CHƯƠNG V KHUẾCH ĐẠI QUANG Độ dài của hệ thống thông tin quang sợi bị hạn chế bởi hai yếu tố: mất mát công suất quang khi truyền trong sợi quang và tán sắc tín hiệu quang. Trong các đường thông tin quang truyền thống có khoảng cách lớn, mất mát quang được khắc phục bằng các trạm lặp quang-điện tử, trong đó tín hiệu quang đã suy giảm được biến đổi thành tín hiệu điện và bơm vào bộ phát lại để phục hồi tín hiệu quang và truyền tiếp tục. Các bộ tái lặp tín hiệu quang bằng quang-điện tử đã trở nên phức tạp và đắt tiền khi chúng ta sử dụng kỹ thuật ghép nhiều bước sóng WDM trong sợi quang. Từ năm 1980, vấn đề khuếch đại quang trực tiếp bằng các linh kiện quang đã được nghiên cứu và trong những 90 các đường trục thông tin quang đã sử dụng các bộ khuếch đại quang trực tiếp một cách rộng rãi. Trong năm 1996 các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng trong các tuyến cáp biển xuyên Đại Tây Dương và Thái Bình Dương. Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về khuếch đại quang trực tiếp và nghiên cứu hai loại khuếch đại quang trực tiếp đang được sử dụng rộng rãi là khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er+3 (EDFA). §1. Cơ sở lý thuyết của khuếch đại quang Khuếch đại ánh sáng trực tiếp bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo mật độ phân bố hạt tải có cơ chế vật lý giống như laser, tuy nhiên khuếch đại quang không yêu cầu có phản hồi quang bằng phản xạ trong bộ cộng hưởng như laser. Để có trạng thái đảo mật độ phân bố trong môi trường, ta luôn luôn cần có các nguồn bơm (quang hoặc điện). Hệ số tăng ích quang trong môi trường khuếch đại phụ thuộc vào tần số (hoặc bước sóng) của tín hiệu quang tới vì cường độ chùm sáng nội tại các vị trí trong bộ khuếch đại là khác nhau. Sự phụ thuộc của hệ số tăng ích quang vào tần số và cường độ liên hệ chặt chẽ với bản thân môi trường khuếch đại quang. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 73 - Để đơn giản chúng ta giả thiết có môi trường khuếch đại là một hệ 2 mức năng lượng mở rộng đồng nhất. Hệ số tăng ích g(ω) trong môi trường khuếch đại được tính bằng biểu thức:     0 2 2 0 21 S g g PT P        (5.1) trong đó: go là giá trị tăng ích cực đại, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ωo là tần số của chuyển dời nguyên tử, P là công suất quang của chùm sáng tới và Ps là công suất bão hòa của bộ khuếch đại. Ps phụ thuộc vào các thông số của môi trường khuếch đại như:  T1 là thời gian phát xạ huỳnh quang và e là tiết diện chuyển dời của nguyên tử kích thích. Thời gian phát xạ huỳnh quang T1 cũng được gọi là thời gian phục hồi mật độ hạt tải. T1 có giá trị trong khoảng 100ps÷10ms phụ thuộc vào môi trường khuếch đại.  T2 là thời gian phục hồi dipole (dipole relaxation time) thường có giá trị rất nhỏ (T2 < 1ps). Biểu thức (5.1) có thể sử dụng để tính toán các đặc trưng quan trọng của khuếch đại quang như: băng tần khuếch đại, thông số khuếch đại và công suất ra bão hòa. §2. Phổ tăng ích và băng tần Ta xét trường hợp 1 S P P  là trường hợp không bão hòa của khuếch đại. Biểu thức (5.1) khi bỏ qua S P P sẽ là:     0 2 2 0 21 g g T       (5.2) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 74 - Ta thấy g(ω) cực đại khi ω=ωo. Khi ω ≠ ωo tăng ích giảm trên theo quy luật áp dụng cho hệ hai mức mở rộng đồng nhất. Băng tần tăng ích được xác định bằng độ rộng của phổ tăng ích g(ω) tại điểm giữa giá trị cực đại (FWHM). Với phổ Lorentz, băng tần tăng ích 2 2 g T   . Thay .2g g     , ta có: 2 1 .g T    (5.3) Thí dụ: Δνg ~3THz cho khuếch đại quang bán dẫn khi T2 ~ 0,1ps (Δλ ≈ 22,5nm). Khuếch đại với băng tần rộng rất có ích cho các hệ thống thông tin quang đa bước sóng. Hệ số khuếch đại G (thông số khuếch đại) được xác định bởi: ra vao P G P  (5.4) Ta có thể tính G theo hướng khác: ( ) dP gP z dz  (5.5) trong đó P(z) là công suất quang tại toạ độ z tính từ lối vào bộ khuếch đại. P(0) = Pvào ta có: P(z) = Pvàoexp(g.z) (5.6) P(z) = Pra, z = L độ dài bộ khuếch đại    expG g L     (5.7) G(ω) giảm nhanh hơn g(ω) khi 0  tăng dần. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 75 - Băng tần khuếch đại ΔνA tại điểm giữa cực đại G(ω) liên hệ với băng tần tăng ích Δνg là: 1 2 0 ln 2 ln 2 A g G                  (5.8) trong đó  0 0expG g L §3. Tăng ích bão hòa Công suất ra của bộ khuếch đại phụ thuộc vào g(ω) theo biểu thức (5.1), g(ω) giảm khi P tăng gần bằng Po, ta có hệ số khuếch đại G giảm vói sự tăng của công suất quang tới, hiện tượng này gọi là tăng ích bão hòa. Xét trường hợp ω=ωo, ta có: 0 1 S g PdP Pdz P   P(0) = Pvào P(L) = Pra = GPvào 0 0,5 1 -4 -2 0 2 4 Tăng ích g(ω) Δωg Phân bố tăng ích Lorentz g(ω) và hệ số khuếch đại G(ω) cho hệ hai mức mở rộng đồng nhất G(ω) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 76 - Ta có 0 1 exp ra S PG G G G P        (5.9) Công suất ra bão hòa của bộ khuếch đại SraP được xác định khi G giảm xuống 2 lần (3dB) so với 0G ( 02 G G  ), ta có: 0 0 ln 2 2 S ra S G P P G   (5.10) Go>>2 trên thực tế, do đó:  ln 2 . 0,69Sra S SP P P  §4. Tạp âm khuếch đại Trong các bộ khuếch đại quang, thành phần phát xạ ngẫu nhiên cũng sẽ được khuếch đại cùng tín hiệu, do đó sẽ làm tăng thêm tạp âm. Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR được xác định thông qua thông số hình ảnh nhiễu (Noise Figure – NF) theo biểu thức sau:     vao n ra SRN F SRN  (5.11) Trong đó SNR được xác định theo công suất điện được tạo thành bởi chuyển đổi tín hiệu quang thành dòng điện. Nhìn chung Fn phụ thuộc vào thông số của bộ thu quang, đặc biệt là tạp âm nhiệt trong bộ thu quang. Để đơn giản cho việc phân tích Fn của bộ thu quang lý tưởng, ta coi tạp âm shot là chủ yếu trong bộ thu quang. Xét bộ khuếch đại với tăng ích G: Pra=GPvào, tỷ lệ SNR của tín hiệu vào là:   2 2 2 2 2 . vao vao vao S vao I RP P SRN q RP f b f     (5.12) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 77 - Trong đó vaoI RP là dòng quang điện trung bình, 4 q R  là tỷ số tương thích của bộ thu quang lý tưởng với η = 1.  2 2S vaoq RP f   là tạp âm shot khi dòng tối Id = 0. Δf là băng tần của bộ thu. Để tính tỷ lệ SNR lối ra của tín hiệu đã khuếch đại, chúng ta cần phải đưa thêm phần đóng góp của phát xạ ngẫu nhiên vào tạp âm bộ thu. Mật độ phổ của tạp âm phát xạ ngẫu nhiên cảm ứng (spontaneous-emission induced noise) là một hằng số (tạp âm trắng) và có thể tính theo công thức sau:    1SP SPS G n h   (5.13) trong đó ν là tần số quang. Thông số SPn gọi là yếu tố phát xạ ngẫu nhiên (hoặc yếu tố đảo mật độ): 2 2 1 SP N n N N   (5.14) N1, N2 là mật độ nguyên tử tại trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích. Phát xạ ngẫu nhiên đã đóng góp thêm nhiễu loạn vào công suất khuếch đại vì phát xạ ngẫu nhiên luôn đi kèm với tín hiệu khuếch đại. Dòng quang điện do phát xạ ngẫu nhiên đóng góp là ΔI:  122 cosvao SPI R GP P   Trong đó 2SP SPP S f  là công suất phát xạ ngẫu nhiên trong băng tần khuếch đại Δf và θ là độ lệch pha ngẫu nhiên. Giả thiết các nguồn tạp âm khác được bỏ qua, sự thay đổi của dòng quang điện sẽ là:   2 4 vao SPRGP RS f   (5.15) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 78 - Trong đó cos2θ có giá trị trung bình là 1 2 . Tỷ số SNR của tín hiệu ra (tín hiệu đã khuếch đại) là:   2 2 2 4 4 vao vao ra vao SP SP I RGP GP SNR RGP RS f S f    (5,16) Ta sẽ có hình ảnh của nhiễu Fn của bộ khuếch đại là:    2 12 . 2 4 1 . vao SP n SP vao SP P n Gh f F n GP G G n h f        (5.17) Công thức (5.17) chỉ ra rằng tỷ lệ tín hiệu-nhiễu (SNR) của bộ khuếch đại có bậc là 3dB cho bộ khuếch đại lý tưởng khi ηsp=1. Các bộ khuếch đại quang trong thực tế có Fn= 6÷8dB. §5. Các ứng dụng của khuếch đại quang trong hệ thống Có 4 ứng dụng chính của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang là: a) Khuếch đại công suất (booster) để tăng công suất quang vào đường truyển; b) Khuếch đại trên tuyến (in-line) để thay thế các bộ lặp quang-điện trên tuyến quang sợi khoảng cách lớn; c) Tiền khuếch đại cho bộ thu quang để tăng công suât tín hiệu quang vào bộ thu; d) Khuếch đại công suất phân bố cho các mạng rẽ nhánh. Cần chú ý rằng khuếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã suy hao trong tuyến truyền dẫn. Do khuếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc và các hiệu ứng quang phi tuyến, cho nên tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 79 - Sử dụng khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM có ý nghĩa công nghệ quan trọng vì khuếch đại quang có thể khuếch đại tất cả các bước sóng tới trong băng tần khuếch đại Δf. §6. Khuếch đại quang bán dẫn Mọi loại laser đều hoạt động như các bộ khuếch đại quang trước khi đạt đến ngưỡng phát laser. Khuếch đại quang bán dẫn (SOA – Semiconductor Optical Amplifier) đã được nghiên cứu ngay từ khi phát minh ra laser bán dẫn (1962), tuy nhiên đến năm 1980 SOA mới được phát triển để ứng dụng. 6.1. Thiết kế bộ khuếch đại quang bán dẫn Có thể nói, khuếch đại quang bán dẫn là các laser bán dẫn không có bộ cộng hưởng. Bộ khuếch đại quang này gọi là khuếch đại sóng chạy (traveling-wave) với nghĩa là tín hiệu khuếch đại có hướng về phía trước mà thôi (không có phản hồi). Laser bán dẫn sử dụng các cạnh tinh thể là gương phản xạ trong bộ cộng hưởng (R ≈ 30%). Khi dòng bơm laser bán dẫn ở dưới ngưỡng phát, nó hoạt động như một bộ khuếch đại, tuy nhiên các thành phần phản xạ trên gương vẫn tham gia vào quá trình khuếch đại. Ta gọi trường hợp này là khuếch đại quang Fabry-Perot (FP - amplifier). Hệ số khuếch đại GFP(ν) có thể được tính bằng công thức của giao thoa kế Fabry-Perot với bộ cộng hưởng R1, R2:           1 2 2 2 1 2 1 2 1 1 1 4 sin FP m L R R G G G R R G R R              (5.18) R1, R2 - hệ số phản xạ trên 2 gương, νm là tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng Fabry-Perot và ΔνL là khoảng cách giữa các mốt dọc (ta cũng gọi là vùng phổ trống của bộ cộng hưỏng Fabry-Perot). Hệ số khuếch đại G cho ánh sáng chỉ một lần đi qua bộ khuếch đại được tính là    expG g L     ta thấy GFP giảm đến G(ω) khi R1=R2=0. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 80 - Xét công thức (5.18), GFP(ν) là các giá trị “đỉnh” khi ν=νm (m=1,2...m) và giảm đột ngột giữa các νm. Băng tần khuếch đại được tính trong trường hợp GFP giảm một nửa (3dB) từ giá trị “đỉnh” khi ta xét dãy (ν – νm) thay đổi.   1 21 1 2 1 2 12 sin 4 L A G R R G R R              (5.19) Trong đó 2L g c n L   ng - chiết suất nhóm có tính đến tán sắc. L - độ dài buồng cộng hưởng. c - vận tốc ánh sáng. Từ (5.19) ta thấy ΔνA<ΔνL (ΔνL~100GHz và ΔνA<10GHz), do đó khuếch đại FP với băng tần khuếch đại nhỏ không thích hợp với hệ thống thông tin quang. Khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy có thể chế tạo từ laser bán dẫn khi ta huỷ hai gương phản xạ của laser. Muốn huỷ hai gương phản xạ này, ta có thể phủ lên chúng lớp chống phản xạ. Để cho SOA có băng tần khuếch dại lớn ta cần có R1≈R2<0,1%. Điểu này có thể chứng minh như sau: Giá trị  2max 1 21FPG G R R  và  2min 1 21FPG G R R  , tỷ số: 2 1 2max min 1 2 1 1 FP FP G R RG G G G R R         (5.20) Nếu ΔG<2 là điều kiện để băng tần khuếch đại phụ thuộc vào phổ tăng ích. (ΔG>2 băng tần khuếch đại phụ thuộc vào cộng hưởng trong buồng cộng hưởng), ta có: 1 2 0,17G R R  (5.21) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 81 - 6.2. Các thông số của bộ khuếch đại SOA Điều kiện 1 2 0,17G R R  được đáp ứng với G=1000, ta có 41 2 1,7.10R R  . Trong thực tế, các bộ khuếch đại SOA có độ rộng phổ khuếch đại khoảng 70nm tại -3dB trong dải phổ 1,5μm. Chúng ta xét một số thông số quan trọng của SOA trong các mục dưới đây 6.2.1. Tăng ích bão hòa Tăng ích đỉnh được giả thiết sẽ tăng dần theo mật độ hạt tải N như sau:    0gg N N NV   (5.22) Trong đó Г là yếu tố chặn, σg là tăng ích vi phân, V là thể tích vùng hoạt tính và No là giá trị mật độ của hạt tải cần thiết để môi trường trở nên trong suốt với bước sóng. Tăng ích giảm đi khi yếu tố chặn Г tính đến sự dãn nở của các mốt dẫn sóng vượt ra khỏi vùng tăng ích. Mật độ hạt tải N thay đổi theo dòng bơm I, ta có công thức cho tốc độ thay đổi N là:  0g C m N NdN I N P dt q h        (5.23) P - công suất quang tín hiệu tới. τc - thời gian sống của hạt tải. σm - diện tích của mốt dẫn sóng. Trong trường hợp chùm tới là liên tục hoặc là xung với độ rộng lớn hơn τc, trạng thái dừng của N có thể xác định khi 0 dN dt  , ta tính được N. Thay giá trị N ở trạng thái dừng vào công thức (5.22), ta được: Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 82 - 0 1 S g g P P   (5.24) trong đó 0 0 g CIg N V q        (5.25) và m S g C h P    (5.26) Ps là công suất bão hòa của bộ khuếch đại. Ta thấy tăng ích bão hòa của SOA giống hệt như hệ 2 mức. Công suất ra bão hòa của bộ khuếch đại SoutP là:  0 0 ln 2 2 S out S G P P G   (5.27) Giá trị SoutP của bộ khuếch đại hiện nay là 5-10mW. 6.2.2. Tạp âm của SOA Fn của SOA lớn hơn 3dB và phụ thuộc vào nhiều thông số, đặc biệt là yếu tố phát xạ ngẫu nhiên nsp: 0 SP N n N N   (5.28) Sự mất mát quang nội như hấp thụ quang do hạt tải tự do và tán xạ sẽ đóng góp thêm tạp âm vào hình ảnh nhiễu thông qua hệ số tăng ích intg  . Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 83 - n 0 int F 2 N g N N g           (5.29) Giá trị thông thường của Fn cho SOA nằm trong khoảng 5-7dB. 6.3. Hiệu ứng nhạy phân cực Hệ số khuếch đại G đối với các mốt TE và TM là khác nhau (5÷8dB) do G và σg khác nhau với các mốt phân cực trực giao. Hiệu ứng trên dẫn tới hệ số khuếch đại phụ thuộc vào trạng thái phân cực của chùm sáng tới. Hiệu ứng này không có lợi cho các hệ thống thông tin quang. Có rất nhiều phương án dể làm giảm hiệu ứng nhạy phân cực của bộ khuếch đại SOA, và phương án khả thi trong công nghệ chế tạo là độ dày và độ rộng của vùng hoạt tính phải tương thích. Thí dụ độ chênh lệch tăng ích giữa các mốt TE và TM là 1,3dB khi độ rộng của lớp hoạt tính là 0,26μm và độ dày 0,24μm. §7. Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Khuếch đại quang trong sợi pha tạp đất hiếm là một thành tựu lớn của công nghệ thông tin quang trong những năm cuối thế kỷ ΧΧ. Có thể nói rằng nói rằng chưa có một công nghệ nào được ứng dụng vào thực tiễn nhanh như khuếch đại quang sợi pha tạp Er+3. Năm 1987 thành công trong việc chế tạo các sợi quang pha tạp Erbium và có các kết quả đầu tiên về khuếch đại quang tại bước sóng 1,55μm khi bơm bằng laser Argon thì năm 1992 đã đưa khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) bơm bằng laser bán dẫn bước sóng 980nm vào sử dụng trong hệ thống thông tin quang sợi đường dài. Đến nay, các bộ khuếch đại quang EDFA được sử dụng rất rộng rãi trong mạng truyền thông cáp quang và đặc biệt trong các hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM. Có thẻ nói rằng bộ khuếch đại quang EDFA đã tạo ra bước nhảy vọt trong công nghệ viễn thông cáp quang dung lượng lớn bằng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng. Khuếch đại quang sợi EDFA có băng tần khuếch đại khá rộng, có thể khuếch đại đồng thời hàng trăm bước sóng trong dải 1525÷1600nm. Đặc biệt khuếch Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 84 - đại quang sợi EDFA không nhạy với phân cực của chùm sáng tới, do đó có thể sử dụng rất dễ dàng trong mọi tuyến truyền dẫn quang sợi. Các ion đất hiếm họ Lanthanide được pha tạp vào lõi sợi quang sẽ đóng vai trò là môi trường tăng ích quang. Rất nhiều ion đất hiếm khác nhau như: Erbium, Holmium, Neodym, Praseodym, Samanium, Thulium and Ytterbium pha tạp vào trong sợi quang có khả năng khuếch đại các bước sóng trong dải rộng 0,5÷3,5μm. Erbium là nguyên tố được chú ý đặc biệt bởi chúng có khả năng khuếch đại quang ở vùng bước sóng 1,55μm là vùng cửa sổ thông tin thứ 3 của sợi quang thuỷ tinh SiO2. Tại vùng bước sóng 1,55μm , suy hao quang trong sợi SiO2 là nhỏ nhất. Khuếch đại quang sợi EDFA lần đầu tiên được sử dụng để tăng công suất quang cho mạng truyển hình cáp quang đến nhiều thuê bao (1992), và sử dụng trong mạng cáp biển xuyên đại dương và lục địa năm 1996 với tốc độ bit 5Gb/s. Hiện nay, khuếch đại quang sợi EDFA được sử dụng trong tất cả hệ thống WDM. 7.1. Yêu cầu về bơm cho khuếch đại 4F 9/2 1.53μm 1.48 980 0.80 0.65 4I 9/2 4I 11/2 4I 13/2 4I 15/2 Hình : Sơ đồ mức năng lượng và các trạng thái chuyển dời hấp thụ, phát xạ của Er Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 85 - Trong môi trường SiO2 vô định hình các mức năng lượng của ion Er được mở rộng (mở rộng Stark) thành các vùng hẹp. Rất nhiều mức năng lượng trong ion Er có thể sử dụng để bơm. Những thí nghiệm đầu tiên người ta thường sử dụng các laser khí Argon hoặc laser rắn Nd có nhân tần bậc 2 và laser màu trong vùng khả kiến để bơm kích thích ion Er+3 trong thuỷ tinh. Sau năm 1990 những laser bán dẫn bước sóng 0,98μm và 1,48μm được chế tạo để bơm kích thích ion Er+3. Các laser bán dẫn này rất thích hợp cho bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Đặc trưng rất quan trọng của ion Er+3 là nó có mức 13 2 4I là mức siêu bền với thời gian sống của hạt tải tại mức này lên đến 10 msec. Thời gian sống hạt tải tại mức 11 2 4I cỡ vài micro giây. Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laser 0,98μm, các ion Er được kích thích lên mức 11 2 4I và sau thời gian cỡ micro giây, chúng chuyển dời không phát xạ xuống mức 13 2 4I với thời gian sống tại mức này gấp hàng vạn lần thời gian sống tại mức 11 2 4I . Điều kiện này cho phép chúng ta tạo trạng thái mật độ phân bố trong môi trường pha tạp Er. Hấp thụ Phát xạ 1.48 1.5 1.52 1.54 1.56 1.58 λ(μm) Hấp thụ và phát xạ Hình :Phổ hấp thụ và phổ phát xạ của Er+3 trong thủy tinh SiO2 – GeO2 Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 86 - Phổ hấp thụ và phát xạ của ion Er trong thuỷ tinh SiO2 pha tạp GeO2 để tăng chiết suất lõi sợi có sự khác biệt rất rõ ràng trong vùng 1,54 ÷ 1,6μm (phát xạ lớn hơn hấp thụ trong vùng này), do đó hiệu suất khuếch đại khá cao trong vùng này. Hiệu suất bơm cho EDFA có hiệu quả cao tại bước sóng 0,98μm và 1,48μm. Tại các bước sóng bơm này tăng ích của bộ khuếch đại đạt đến 30 ÷ 40dB khi hấp thụ 10 ÷ 20mW công suất quang bơm bước sóng 0,98μm. Hiệu suất 11dB/mW đã đạt được khi bơm bằng 0,98μm. Đây là hiệu suất tăng ích rất cao. Khi bơm bằng bước sóng 820nm, hiệu suất bơm đạt 1dB/mW. Các bước sóng trong vùng khả kiến cũng có thể sử dụng để bơm kích thích ion Er, tuy nhiên một số hiệu ứng hấp thụ trên mức kích thích (ESA) làm ảnh hưởng đến hiệu suất bơm. Khuếch đại quang sợi EDFA có thể thiết kế hướng bơm theo 3 cấu hình sau: a) Bơm đồng hướng: tín hiệu khuếch đại và chùm sáng bơm đồng hướng. b) Bơm ngược hướng: tín hiệu khuếch đại và chùm sáng bơm ngược hướng. c) Bơm song công: chùm sáng bơm vào vùng khuếch đại bằng cả hai hướng. Mỗi cấu hình bơm có tính ưu việt riêng của mình. Cấu hình bơm đồng hướng có hệ số khuếch đại cao khi bộ khuếch đại làm việc ở trạng thái không bão hoà, cấu hình bơm ngược hướng có tạp âm thấp tại trạng thái bão hoà và cấu hình bơm song công có độ ổn định cao dọc theo toàn bộ pha tạp do đó tăng ích cho các tín hiệu nhỏ là đồng nhất. 7.2. Phổ tăng ích của EDFA Các mức năng lượng của ion Er được mở rộng theo hiệu ứng Stank trong thuỷ tinh SiO2, do đó chúng thành các vùng năng lượng hẹp với mở rộng đồng đều. Công thức hoá học cho tăng ích g(ω) cần được lấy trung bình trong toàn bộ phân bố các tần số chuyển dời ωo của nguyên tử, nghĩa là:      0 0 0,offg g f d      (5.30) Trong đó f(ω0) là hàm phân bố phụ thuộc vào các chất đồng pha tạp trong lõi sợi. Độ rộng phổ tăng ích của EDFA có cấu trúc hai đỉnh và thông thường có độ rộng khoảng 30nm khi pha tạp thêm nhôm (Aluminosilicate). Phổ tăng ích của Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 87 - EDFA phụ thuộc vào độ dài của sợi khuếch đại vì tăng ích phụ thuộc vào tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạ của các ion Er trong toàn sợi quang. Mật độ đảo cục bộ (hoặc tăng ích cục bộ) thay đổi theo chiều dài sợi quang do công suất bơm thay đổi dọc theo sợi quang, do vậy tăng ích tổng là tích phân của các thành phần tăng ích trên toàn sợi. Khi bơm mạnh để bão hoà sợi, ta có thể điều khiển các hệ số tăng ích và phổ tăng ích. 7.3. Đặc tính tăng ích quang Hệ số tăng ích của EDFA phụ thuộc vào rất nhiều thông số của linh kiện như: nồng độ ion Er+3, độ dài khuếch đại, bán kính lõi sợi và bán kính pha tạp, công suất bơm.v.v.. Để hiểu sâu các đặc tính tăng ích của EDFA ta sử dụng mô hình 3 mức năng lượng rất phổ biến cho một số loại laser rắn pha tạp. Trong một số trường hợp, chúng ta có thể sử dụng mô hình 4 mức năng lượng bao gồm cả hấp thụ trên mức kích thích (E.S.A). Tuy nhiên, trong trường hợp mức 3 của mô hình 3 mức gần như rỗng (không có ion kích thích) và không tính đến khuếch đại của phát xạ ngẫu nhiên và hấp thụ trên mức kích thích, ta có thể sử dụng mô hình đơn giản 2 mức năng lượng. Giả sử N2 là mật độ ion kích thích tại mức 2, phương trình tốc độ được viết như sau:  2 2p 1 S 2 1 1 W W N N N N N t T      (5.31) trong đó: 1 2tN N N  là mật độ tại mức cơ bản, Nt là mật độ của nguyên tử, T1 là thời gian sống ngẫu nhiên tại mức kích thích. pW , SW là độ chuyển dời của sóng bơm và sóng tín hiệu. pW P P P P P a h   (5.32) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 88 - S S W S S S P a h   (5.33) P , S là tiết diện chuyển dời của tần số bơm và tín hiệu tại tần số bơm P và tần số tín hiệu S ; Pa , Sa diện tích tiết diện của mốt bơm và mốt tín hiệu và PP là công suất bơm và SP là công suất tín hiệu. Lời giải tại trạng thái dừng của phương trình (5.31) sẽ là:   2W 1 2 P S S P P P Nt P P       (5.33) trong đó PP sat P P P P   ; SS sat S P P P   và công suất bão hoà được xác định bằng biểu thức: 1 sat P P P P a h P T   ; S 1 sat S S S a h P T   (5.34) Công suất bơm và công suất tín hiệu thay đổi dọc theo độ dài bộ khuếch đại bởi hấp thụ, phát xạ cưỡng bức và phát xạ ngẫu nhiên. Nếu ta giả thiết thành phần tham gia của phát xạ ngẫu nhiên rất nhỏ, có thể bỏ qua, PP và SP sẽ tuân theo quy luật sau:  2 1S S SdP N N Pdz     ; 1 P P P dP N P dz     (5.35) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 89 - trong đó S S tN  và P P tN  được tính cho hấp thụ cảm ứng của tạp chất và α, α’ đươc tính cho suy hao sợi quang đối với tín hiệu và bơm. Suy hao của sợi SiO2 trong khoảng 10÷20m rất nhỏ, có thể bỏ qua. Thay các giá trị 1 2tN N N  và 2N từ biểu thức (5.33) và phương trình (5.35), ta có:  1 1 2 P S S S S S P P PdP P dz P P         (5.36)  1 1 2 S P P P P S P P PdP P dz P P          (5.37) Các phương trình (5.36) và (5.37) là phương trình cơ bản để tính sự tăng trưởng của công suất tín hiệu khuếch đại trong EDFA trong cả hai trường hợp khuếch đại tín hiệu nhỏ và khuếch đại tín hiệu lớn. Các kết quả lý thuyết từ các phương trình trên rất phù hợp với kết quả thực nghiệm khi bỏ qua khuếch đại phát xạ ngẫu nhiên. Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào độ dài bộ khuếch đại L khi ta có dòng bơm cố định bởi lý do khi độ dài L lớn hơn giá trị tối ưu nào đó đối với dòng bơm, đoạn sợi pha tạp thứa sẽ không đựơc bơm đủ và trong bộ khuếch đại sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ tín hiệu đã khuếch đại trong đoạn sợi trước. Hệ số khuếch đại lúc đầu tăng nhanh theo luật exponent (e mũ) đối với công suất bơm, sau đó tốc độ tăng của G sẽ nhỏ dần khi công suất bơm vượt quá ngưỡng xác định bão hoà. Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 90 - Từ thực nghiệm người ta thấy rằng giá trị tối ưu của L phụ thuộc vào công suất bơm PP , do đó công nghệ chế tạo khuếch đại yêu cầu phải chọn lựa chính xác L và PP . Thực tế cho thấy hệ số khuếch đại G = 35dB có thể đạt được khi ta có 5mWPP  với độ dài L=30m. Công suất ra bão hoà thường nhỏ hơn công suất ra của bơm khi không có tín hiệu. Công suất ra thay đổi trong khoảng rất rộng phụ thuộc vào thiết kế của bộ khuếch (thông thường khoảng 10mW). Tất cả các thông số của bộ khuếch đại quang sợi nêu ở trên được tính cho trường hợp dòng bơm và dòng tín hiệu là liên tục. Trong thực tế chỉ có dòng bơm cho EDFA là liên tục từ laser bán dẫn, còn dòng tín hiệu cấn khuếch đại là các chuỗi xung “1” và “0” và độ rộng của mỗi xung bằng 1 B , trong đó B là tốc độ bit. Tất cả các xung này cần phải có tăng ích như nhau. Do thời gian sống T1 của ion kích thích ở mức siêu bền 13 2 4I cỡ 10 msec nên tăng ích của bộ khuếch đại không thay đổi từ xung này đến xung khác. Trong một số ứng dụng (thí dụ như mạng chuyển mạch gói) công suất tín hiệu thay đổi trong khoảng thời gian tương đương T1 trên tăng ích của khuếch đại sẽ trở nên phụ thuộc thời gian. Ở trường hợp này cần phải có một số cơ chế kiểm soát tăng ích trong bộ khuếch đại để giữ hệ số tăng ích gần như không đổi. 7.4. Tạp âm của bộ khuếch đại -10 0 0 10 20 30 40 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 L = 20m 0 0 -10 302010 5040 40 20 10 30 9 8 7 6mW 5mW 4mW 3mW 2mW 1mW Tăng ích tín hiệu nhỏ G = f(Pp) L = 15m L = 10m L = 05m Công suất bơm (mW) Tăng ích tín hiệu nhỏ G = f(L) L độ dài khuếch đại (m) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 91 - Tạp âm của bộ khuếch đại quang sợi được đánh giá thông qua hình ảnh tạp âm 2n SPF n đã được phân tích ở trên. Yếu tố phát xạ ngẫu nhiên 2 2 1 SP N n N N   và 1 0N  trong mô hình 3 mức năng lượng, vì vậy nsp luôn luôn lớn hơn 1 và hình ảnh tạp âm Fn của EDFA luôn lớn hơn 3dB, Trong khuếch đại quang sợi, nsp có thể tính được bằng mô hình 3 mức năng lượng, tuy nhiên cần phải đưa vào các tham số thay đổi của N1 và N2 theo sự tăng, giảm của độ dài bộ khuếch đại bởi vì N1 và N2 phụ thuộc vào công suất bơm và công suất tín hiệu. Từ đó suy ra yếu tố phát xạ ngẫu nhiên nsp là hàm độ dài L và của công suất bơm Pp (giống như hệ số khuếch đại mà chúng ta đã bàn luận ở mục trước). Khi sat P P P >>1, hình ảnh tạp âm Fn là nhỏ nhất (gần với giá trị 3dB là ngưỡng lượng tử của tạp âm). Thực nghiệm đã thu được kết quả Fn=3,2dB của bộ khuếch đại quang EDFA có độ dài 30m hơm với công suất 11mW ở bước sóng 980nm. Nhìn chung rất khó đạt được tăng ích cao, hiệu suất bơm lớn với hình ảnh tạp âm nhỏ. Nguyên nhân của tạp âm trong EDFA là do khuếch đại phát xạ ngẫu nhiên đồng thời với khuếch đại tín hiệu. Khi bơm bằng bước sóng 1,48μm, hình ảnh tạp âm Fn thường lớn hơn so với bơm bằng bước sóng 0,48μm. Nguyên nhân của sự tăng Fn khi bơm bằng 1,48μm là sự rất gần nhau của mức bơm và mức phát xạ (cùng nằm trên mức 13 2 4I ) do đó ta không thể đạt được trạng thái đảo mật độ phân bố hoàn toàn (N1≈ 0). Thực nghiệm cho thấy ta không thể thu được Fn<3,5dB khi bơm bằng bước sóng 1,48μm. Tạp âm trong bộ khuếch đại sẽ được tích luỹ dần khi ta sử dụng nhiều 100 L(m) 0 302010 5 10 15 0 G(dB)=f(L) 70605040 1009080 -10 0 20 10 30 40 5 10 3 4020 3010 80706050 90 5 3 1 ' 2pP  Fn = f(Pp/Psat) Khi công suất tín hiệu ra Ps = 1mW ' 10pP  L(m) Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 92 - tầng khuếch đại trong tuyến thông tin quang đường dài, vì thế chúng sẽ hạn chế độ dài của tuyến đường trục. 7.5. Ứng dụng EDFA trong hệ thống đa bước sóng WDM Đặc tính vượt trội của EDFA là chúng ta có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng trong dải phổ khá rộng (~30÷40nm). Trong khuếch đại EDFA, thời gian sống của ion trên mức kích thích là T1 là đại lượng khá lớn (10ms) so với 0,5ms là thời gian sống của hạt tải trong khuếch địa quang bãn dẫn, vì vậy độ xuyên kênh của các bước sóng trong EDFA rất nhỏ (~10KHz). Đặc tính này của EDFA rất thích hợp với hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM. Hiệu ứng xuyên kênh giữa các bước sóng còn phụ thuộc vào trạng thái hoạt động bão hoà của bộ khuếch đại Xuyên kênh bão hoà là hiêụ ứng bão hoà tăng ích của các kênh không những phụ thuộc vào công suất của kênh đó (tự bão hoà) mà còn phụ thuộc vào đại lượng công suất của các kênh bên cạnh. Để tính hiệu ứng xuyên kênh bão hoà, ta thường để bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở chế độ không bão hoà. Thực nghiệm đã chứng minh kết luận nêu trên. Nguồn gốc thứ 3 của hiệu ứng xuyên kênh giữa các bước sóng liên quan tới sự không đồng nhất của phổ tăng ích của EDFA. Phổ phát xạ của Er+3 trong dải 1525÷1650nm không đồng đều, chúng có 2 đỉnh tại các bước sóng 1530 và 1570nm, vì vậy phổ tăng ích của EDFA không “thẳng” trong vùng phổ rộng. Kết quả là các kênh bước sóng khác nhau sẽ có hệ số khuếch đại khác nhau. Ta có thể khắc phục hiện tượng này bằng các bộ khuếch đại EDFA hai tầng sử dụng hiệu ứng tăng ích phụ thuộc công suất tín hiệu vào của từng kênh bước sóng. §8. Ứng dụng EDFA trong hệ thống thông tin quang * EDFA có thể ứng dụng làm tiền khuếch đại tín hiệu quang trước khi tín hiệu đó vào bộ thu tách quang-điện. Các bộ thu quang có tiền khuếch đại là EDFA đã đạt đến độ nhạy đầu thu 37 dBm ÷ 39dBm tại tần số bit 10Gb/s (147 photon ÷ 102 photon/bit). * Khuếch đại quang EDFA được ứng dụng rộng rãi trong việc tăng cường công suất phát tín hiệu quang (Power Booster) trong tuyến truyền quang điểm tới điểm Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội - 93 - (point-to-point). Thí nghiệm đã cho kết quả truyền tín hiệu với tốc độ bit 2,5Gb/s trên khoảng cách 318km và với 5Gb/s trên khoảng cách 226km với EDFA tăng cường công suất phát đến 35mW (15,5dBm). Với khoảng cách đường truyền quang lớn hơn 300km, ta cần phải sử dụng khuếch đại quang trong tuyến (in-line). Một số thí nghiệm cho thấy có thể truyền 2,5Gb/s không cần bộ lặp trên khoảng cách lớn hơn 500km khi sử dụng 2 bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong tuyến với laser bơm từ xa bằng công suất lớn (laser 1,48μm với công suất vài trăm mW). * Khuếch đại quang EDFA được sử dụng trong các mạng thông tin quang cục bộ kiểu phân bố đến người sử dụng, đặc biệt thích hợp với mạng cục bộ phân bố truyền hình cáp quang. Bộ khuếch đại EDFA là một thành phần không thể thiếu tron gcác mạng truyền thông cáp quang phân bố đến tận nhà trong tương lai. * Khuếch đại quang EDFA còn được sử dụng để khuếch đại nhiều lần trong tuyến cáp quang đường dài. Thí nghiệm đã cho kết quả tốt với tuyến cáp quang có 100 bộ khuếch đại EDFA với khoảng các lặp 100km và hệ số khuếch đại là 35dB (toàn tuyến 10.000km). Công suất phát của bộ phát là 1mW, 8 WSoutP m , 1,3SPn  và  0 exp 3AG L  (với LA là độ dài khoảng cách lặp, trong thí dụ LA = 100km). Công suất tín hiệu và công suất khuếch đại phát xạ tự phát sẽ tương đương nhau sau khoảng cách lớn hơn 10.000km. Hiện nay khuếch đại quang sợi EDFA đang được sử dụng rất rộng rãi trong mạng truyền thông cáp quang trên toàn thế giới. Xu hướng phát triển các loại khuếch đại quang bằng tán xạ Raman cưỡng bức, tán xạ Brilouin cưỡng bức để mở rộng phổ tăng ích từ 1200nm đến 1700nm đang được nghiên cứu phát triển rất mạnh. Trong những năm 2000-2001, các kết quả nghiên cứu về khuếch đại quang bằng tán xạ Raman cưỡng bức trong vùng phổ 1300÷1500 cho phép chúng ta thiết kế các hệ thống thông tin quang trong các băng S-C và L của vùng 1300÷1650nm.