Đề tài: các mô hình cấu trúc của EDFA

Phần 2: các mô hình khuếch đại của EDFA

2.1 Các mô hình khuếch đại EDFA 1 tầng

Ø Sơ đồ khối:

v Hình : Khuếch đại EDFA sử dung bơm laser

Ø Nguyên lý:

Các thành phần của EDFA:

ü EDF (Erbium Doped Fiber), sợi quang pha ion đất hiếm Erbium: là nơi xảy ra quá trình khuếch đại( vùng tích cực của EDFA )

ü Coupler(DWDM): (Dense wavelength division multiplexing): hệ thông ghép kênh theo bước sóng mật độ cao: ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang cho phép ghép tín hiệu có bước sóng 980/1550 nm hoặc 1480/1550 nm.

ü Bộ cách ly quang: ( Optical isolator): ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền phản xạ ngược về EDFA.

ü Laser bơm (pumping laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đạo nồng độ trong vùng tích cực.

Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion erbium lên trạng thái kích thích. Có hai cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp tại bước sóng 1480 nm hoặc bơm gián tiếp tại bước sóng 980 nm.(Theo như hình vẽ trên về quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm va 1480 nm)

· Phương pháp bơm gián tiếp( bơm ở 980 nm ). trong trường hợp này, ion erbium liên tục được chuyển tiếp từ vùng năng lượng 4I15/2 thấp nên vùng năng lượng cao 4I11/2, sau đó các ion sẽ phân rã xuống vùng 4I13/2 nhưng không phát xạ. Từ vùng này, khi có ánh sáng kích thích thì các iom sẽ phát xạ bước sóng mong muốn ( từ 1550 đến 1600 nm)

Khi chuyển từ vùng năng lượng 4I13/2 xuống vùng 4I15/2. Đây chính là hệ thống ba mức, thời gian sống của ion erbium ở mức 4I11/2 khoảng 1µs trong khi ở 4I13/2 thì tới 10µs. Với thời gian sống dài, vùng 4I15/2 được gọi là vùng ổn định. Vì vậy, các ion được bơm nên mức cao, sau đó nhanh chóng rơi xuống vùng 4I13/2 và tồn tại ở đó trong khoảng thời gian tương đối dài tạo nên sự nghịch đảo về nồng độ.

· Với phương pháp bơm trực tiếp( 1480 nm ): các ion erbium chỉ hoạt động trong hai vùng năng lượng 4I15/2 và 4I13/2. Đây là hệ thống hai mức. Các ion erbium liên tục được chuyển từ vùng năng lượng nền 4I15/2 nên vùng năng lượng kích thích 4I13/2 nhờ năng lượng bơm. Vì thời gian tồn tại ở mức này dài nên chúng tích lũy tại đây tạo ra sự nghịch đảo nồng độ.

Nguồn bơm có hiệu quả cao ở cả hai bước sóng 980 nm va 1480 nm. Để có hệ số khuếch đại hơn 20 dB thì chỉ cần tạo ra nguồn bơm có công suất nhỏ hơn 5 mW, nhưng vẫn phải có nguồn bơm từ 10 đến 100 mW để đảm bảo cho công suất ra đủ lớn.

Chỉ số nhiễu lượng tử giới hạn là 3 dB đạt được ở bước sóng 980 nm. Đối với bước sóng 1480 nm thì chỉ số nhiễu là 4 dB vì tiết diện ngang phát xạ tại 1480 nm cao hơn tại 980 nm và sự bức xạ kích thích do nguồn bơm đã giới hạn sự nghịch đảo tích lũy tại 1480 nm. Do đó, bước sóng bơm 980 nm được ứng dụng cho các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Hệ số độ lợi tại bước sóng bơm 980 nm cao hơn tại 1480 nm tại cùng công suất bơm. Do đó, để đạt được cùng một hệ số độ lợi thì công suất bơm tại 1480 nm phải cao hơn tại 980 nm. Vì công suất bơm tại 1480 nm lớn hơn nên công suất ngõ ra lớn hơn, do đó bơm ở bước sóng 1480 nm được ứng dụng cho các bộ khuếch đại công suất. Ngoài ra, bước sóng bơm 1480 nm được truyền trong sợi quang với suy hao thấp. Do đó, nguồn bơm laser có thể đặt xa bộ khuếch đại