1. Phân loạiFiberAbộ khuếch đại
Có ba loại bộ khuếch đại quang chính:
(1) Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA, Bộ khuếch đại quang bán dẫn);
(2) Bộ khuếch đại sợi quang được pha tạp các nguyên tố đất hiếm (erbium Er, thulium Tm, praseodymium Pr, rubidium Nd, v.v.), chủ yếu là bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA), cũng như các bộ khuếch đại sợi quang pha tạp thulium (TDFA) và các bộ khuếch đại sợi quang pha tạp praseodymium (PDFA), v.v.
(3) Bộ khuếch đại sợi quang phi tuyến, chủ yếu là bộ khuếch đại Raman sợi quang (FRA, Fiber Raman Amplifier). Bảng so sánh hiệu năng chính của các bộ khuếch đại quang này được thể hiện trong bảng.
EDFA (Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium)
Hệ thống laser đa cấp có thể được tạo thành bằng cách pha tạp sợi thạch anh với các nguyên tố đất hiếm (như Nd, Er, Pr, Tm, v.v.), và ánh sáng tín hiệu đầu vào được khuếch đại trực tiếp dưới tác dụng của ánh sáng bơm. Sau khi cung cấp phản hồi thích hợp, một laser sợi quang được hình thành. Bước sóng hoạt động của bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Nd là 1060nm và 1330nm, và sự phát triển và ứng dụng của nó bị hạn chế do sự sai lệch so với cổng thu tối ưu của truyền thông sợi quang và các lý do khác. Bước sóng hoạt động của EDFA và PDFA lần lượt nằm trong cửa sổ bước sóng tổn hao thấp nhất (1550nm) và bước sóng tán xạ bằng không (1300nm) của truyền thông sợi quang, và TDFA hoạt động trong băng tần S, rất phù hợp cho các ứng dụng hệ thống truyền thông sợi quang. Đặc biệt, EDFA, với tốc độ phát triển nhanh nhất, đã được ứng dụng thực tiễn.
CáiPnguyên lý EDFA
Cấu trúc cơ bản của EDFA được thể hiện trong Hình 1(a), chủ yếu bao gồm môi trường hoạt tính (sợi silica pha tạp erbium dài khoảng vài chục mét, đường kính lõi 3-5 micromet và nồng độ pha tạp (25-1000)x10-6), nguồn sáng bơm (LD 990 hoặc 1480nm), bộ ghép quang và bộ cách ly quang. Ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm có thể truyền theo cùng một hướng (bơm cùng chiều), ngược chiều (bơm ngược) hoặc cả hai hướng (bơm hai chiều) trong sợi erbium. Khi ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm được đưa vào sợi erbium cùng lúc, các ion erbium được kích thích lên mức năng lượng cao dưới tác dụng của ánh sáng bơm (Hình 1(b), hệ ba mức), và nhanh chóng phân rã xuống mức năng lượng không bền vững. Khi trở về trạng thái cơ bản dưới tác dụng của ánh sáng tín hiệu tới, nó phát ra các photon tương ứng với ánh sáng tín hiệu, do đó tín hiệu được khuếch đại. Hình 1 (c) là phổ phát xạ tự phát khuếch đại (ASE) của nó với băng thông rộng (lên đến 20-40nm) và hai đỉnh tương ứng với 1530nm và 1550nm.
Những ưu điểm chính của EDFA là độ khuếch đại cao, băng thông rộng, công suất đầu ra cao, hiệu suất bơm cao, tổn hao chèn thấp và không nhạy cảm với trạng thái phân cực.
2. Các vấn đề với bộ khuếch đại quang sợi
Mặc dù bộ khuếch đại quang (đặc biệt là EDFA) có nhiều ưu điểm vượt trội, nhưng nó không phải là một bộ khuếch đại lý tưởng. Bên cạnh nhiễu bổ sung làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), còn có một số nhược điểm khác, chẳng hạn như:
- Sự không đồng đều của phổ khuếch đại trong băng thông của bộ khuếch đại ảnh hưởng đến hiệu suất khuếch đại đa kênh;
- Khi các bộ khuếch đại quang được ghép nối tiếp, các hiệu ứng nhiễu ASE, tán sắc sợi quang và hiệu ứng phi tuyến sẽ tích lũy lại.
Những vấn đề này cần được xem xét trong quá trình thiết kế ứng dụng và hệ thống.
3. Ứng dụng của bộ khuếch đại quang trong hệ thống truyền thông cáp quang
Trong hệ thống truyền thông cáp quang,Bộ khuếch đại quang sợiNó có thể được sử dụng không chỉ như một bộ khuếch đại tăng công suất cho máy phát để tăng công suất truyền dẫn, mà còn như một bộ tiền khuếch đại cho máy thu để cải thiện độ nhạy thu, và cũng có thể thay thế bộ lặp quang-điện-quang truyền thống, để mở rộng khoảng cách truyền dẫn và thực hiện giao tiếp hoàn toàn bằng quang học.
Trong các hệ thống truyền thông cáp quang, các yếu tố chính giới hạn khoảng cách truyền dẫn là sự suy hao và tán sắc của sợi quang. Bằng cách sử dụng nguồn sáng có phổ hẹp, hoặc hoạt động gần bước sóng tán sắc bằng không, ảnh hưởng của tán sắc sợi quang là nhỏ. Hệ thống này không cần thực hiện tái tạo thời gian tín hiệu hoàn chỉnh (rơle 3R) tại mỗi trạm chuyển tiếp. Chỉ cần khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang bằng bộ khuếch đại quang (rơle 1R). Bộ khuếch đại quang có thể được sử dụng không chỉ trong các hệ thống đường trục đường dài mà còn trong các mạng phân phối cáp quang, đặc biệt là trong các hệ thống WDM, để khuếch đại nhiều kênh cùng một lúc.
1) Ứng dụng của bộ khuếch đại quang trong hệ thống truyền thông cáp quang đường trục
Hình 2 là sơ đồ minh họa ứng dụng của bộ khuếch đại quang trong hệ thống truyền thông cáp quang trục chính. (a) Hình ảnh cho thấy bộ khuếch đại quang được sử dụng làm bộ khuếch đại tăng công suất của máy phát và bộ tiền khuếch đại của máy thu để khoảng cách không cần trạm chuyển tiếp được tăng gấp đôi. Ví dụ, bằng cách sử dụng EDFA, hệ thống truyền dẫn Khoảng cách truyền dẫn 1,8Gb/s tăng từ 120km lên 250km hoặc thậm chí đạt tới 400km. Hình 2 (b)-(d) minh họa ứng dụng của bộ khuếch đại quang trong hệ thống đa trạm chuyển tiếp; Hình (b) là chế độ chuyển tiếp 3R truyền thống; Hình (c) là chế độ chuyển tiếp hỗn hợp của bộ lặp 3R và bộ khuếch đại quang; Hình 2 (d) là chế độ chuyển tiếp hoàn toàn bằng quang; trong hệ thống truyền thông hoàn toàn bằng quang, nó không bao gồm các mạch định thời và tái tạo, do đó nó trong suốt từng bit và không có hạn chế "râu chai điện tử". Chỉ cần thay thế thiết bị gửi và nhận ở cả hai đầu, việc nâng cấp từ tốc độ thấp lên tốc độ cao rất dễ dàng và không cần phải thay thế bộ khuếch đại quang.
2) Ứng dụng của bộ khuếch đại quang trong mạng phân phối cáp quang
Ưu điểm về công suất đầu ra cao của bộ khuếch đại quang (đặc biệt là EDFA) rất hữu ích trong các mạng phân phối băng thông rộng (chẳng hạn nhưCATV(Mạng lưới). Mạng CATV truyền thống sử dụng cáp đồng trục, cần được khuếch đại sau mỗi vài trăm mét, và bán kính phục vụ của mạng khoảng 7km. Mạng CATV cáp quang sử dụng bộ khuếch đại quang không chỉ giúp tăng đáng kể số lượng người dùng phân tán mà còn mở rộng đáng kể đường truyền mạng. Những phát triển gần đây cho thấy việc phân phối cáp quang/lai (HFC) tận dụng được ưu điểm của cả hai loại và có tính cạnh tranh cao.
Hình 4 là một ví dụ về mạng phân phối cáp quang cho điều chế AM-VSB của 35 kênh truyền hình. Nguồn sáng của máy phát là DFB-LD có bước sóng 1550nm và công suất đầu ra 3,3dBm. Sử dụng EDFA 4 cấp làm bộ khuếch đại phân phối công suất, công suất đầu vào của nó khoảng -6dBm và công suất đầu ra khoảng 13dBm. Độ nhạy của bộ thu quang là -9,2dBm. Sau khi phân phối qua 4 cấp, tổng số người dùng đã đạt 4,2 triệu và đường truyền mạng dài hơn hàng chục km. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu có trọng số của thử nghiệm lớn hơn 45dB và EDFA không gây ra sự suy giảm CSO.
Thời gian đăng bài: 23/04/2023