Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN TOÀN QUANG
1.1 Lịch sử phát triển
Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người
về chuyển động, hình dáng và màu sắc của sự vật thông qua đôi mắt. Tiếp đó, một hệ
thống thông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng, các
đèn hiệu.
Năm 1960 phát minh ra laser rắn và sau đó 1973-1977 chế tạo được laser bán dẫn
và LED tạo ra nguồn phát quang cho tia hẹp, điện áp nguồn nuôi thấp, công suất và dải
sóng đáp ứng phù hợp làm nguồn phát ánh sáng cho thông tin quang sợi.
Năm 1967 sản xuất sợi quang có tiêu hao lớn α= 1000 dB/km
Năm 1970 hãng Corming Glass Works (Mỹ) sản xuất thành công sợi quang thạch
anh có tiêu hao đạt α= 20dB/km tương đương với tiêu hao của cáp đồng trục. Mở ra
khả năng dùng sợi quang làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trở thành hiện thực.
Năm 1971,VC Chape phát minh ra điện máy phát quang. Thiết bị này sử dụng khí
quyển như là một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện
thời tiết. Để giải quyết hạn chế này, Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có
khả năng thực hiện thông tin giữa những người gửi và người nhận ở xa nhau.
Năm 1978 ra đời hệ thống thông tin quang thương mại thế hệ 1 làm việc ở bước
sóng λ=0,78μm, dùng sợi đa mode chiều dài khoảng lặp L= 12km, tốc độ bit 90Mb/s.
Năm 1979 đến nay đã sản xuất được các loại sợi quang có tiêu hao thấp đạt
α=0,2dB/km.
Đầu năm 1980, A.G.Bell- người phát minh ra hệ thống điện thoại đã nghĩ ra một
thiết bị quang thoại có khả năng biến đổi dao động của máy hát thành ánh sáng. Tuy
nhiên, sự phát triển tiếp theo của hệ thống này đã bị bỏ rơi do sự xuất hiện của hệ
thống vô tuyến.
Năm 1987 hệ thống thông tin quang sợi thế hệ thứ 2 ra đời làm việc với α= 1,3μm,
dùng sợi quang đơn mode tốc độ bit 1,7Gb/s, cự ly khoảng lặp L= 45km.
1
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang

Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
của thông tin sợi quang trong hơn 2 thập niên qua. Ngày nay, cáp sợi quang đã tạo ra
những triển vọng mới cho công nghệ truyền thông tốc độ cao cũng như việc hiện đại
hóa mạng thông tin và nhu cầu kết nối thông tin. Sự kết hợp sợi quang vào bên trong
dây chống sét cũng như dây dẫn đã đem lại những giải pháp tối ưu cho nhà thiết kế.
Với sự gia tăng của dây chống sét và dây dẫn điện kết hợp với sợi quang không những
chỉ truyền dẫn và phân phối điện mà còn đem lại những lợi ích to lớn về thông tin.
Điều đó làm giảm giá thành của hệ thống và cũng chính vì những lý do trên mà cáp
quang đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Với giá trị suy hao này đã gần đạt
được giá trị suy hao 0.14dB/km của sợi đơn mode, từ đó đã cho ta thấy hệ thống
thông tin quang có các đặc điểm nổi bật hơn hệ thống cáp kim loại là:
 Suy hao truyền dẫn rất nhỏ.
 Băng tần truyền dẫn rất lớn.
 Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
 Có tính bảo mật tốt.
 Có kích thước và trọng tải nhỏ.
 Sợi có tính cách điện tốt và được chế tạo từ vật liệu có sẵn.
Với các ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rãi trên
mạng lưới. Chúng có thể được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh,
thuê bao kéo dài cho tới cả việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng
được mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới các hệ
thống truyền dẫn xuyên lục địa, vượt đại dương Các hệ thống thông tin quang cũng
rất phù hợp cho các hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép
kênh nào, các tiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu hay Nhật Bản.
1.3 Hệ thống truyền dẫn quang
Tín hiệu điện từ các thiết bị đầu cuối như: điện thoại, điện báo, fax số liệu sau khi
được mã hóa sẽ đưa đến thiết bị phát quang. Tại đây, tín hiệu điện sẽ được chuyển đổi
sang tín hiệu quang. Tín hiệu trong suốt quá trình truyền đi trong sợi quang thì sẽ bị
suy hao do đó trên đường truyền người ta đặt các trạm lặp có nhiệm vụ khuếch đại tín
3

Sợi quang
Trạm lặp
T/h ra
Thiết bị đầu
cuối thu quang
Input
WDM
Output
EDF
A
Laser
bơm
Hình 1.2 : Cấu hình EDFA bơm xuôi tiêu chuẩn
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Hiện tại và tương lai, các cấu hình EDFA hai hướng sẽ được ứng dụng nhiều và
cho ra các ưu điểm hơn so với cấu hình phản xạ. Các tín hiệu quang ở đầu vào cả hai
đầu EDFA vì vậy cấu hình này gọi là cấu hình tín hiệu hai hướng.Tuy nhiên cấu trúc
này dẫn đến giá thành đắt khi phải sử dụng nguồn công suất bão hoà rất cao.
 Tự động điều chỉnh khuếch đại và công suất
5
Input
WDM
Output
EDF
Laser
bơm
Hình 1.3 : Cấu hình EDFA phản xạ
Input
WDM
WDM Cách ly

khuếch đại có thể được thực hiện nhờ biện pháp đơn giản như sau: khi có độ dài đã cho
của EDFA, công suất bơm có thể được chọn để các bộ khuếch đại trong các vùng đỉnh
và vai gồm các bước sóng 1580nm và 1540nm là chính xác bằng nhau, vì sự khác biệt
là do ảnh hưởng của sự tái hấp thụ tín hiệu ở bước sóng ngắn. Một cách cân bằng
khuếch đại khác là đặt các kênh quang tại các bước sóng mà nó cho ra các độ khuếch
6
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
đại bằng nhau ở điều kiện bơm lớn nhất.
 Cấu trúc cải tiến đặc tính khác
Để cải thiện đặc tính của EDFA, một số cấu trúc biến đổi có sự thay đổi chút ít
về cấu hình EDFA.
+ Trong cấu hình này, đầu tiên là cấu hình thay đổi độ dài EDF để thu được độ
khuếch đại cao hơn.
+ Thứ hai là tách độ dài EDF thành hai phần bằng bộ cách ly
+ Phương pháp thứ ba để tăng độ khuếch đại của EDFA là đặt thêm vào độ dài
EDF một bộ lọc quang băng thông hẹp.
Với bộ khuếch đại EDFA tham số quan trọng nhất là độ dài của sợi pha tạp
Erbium EDF. Độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu của EDFA đều bị ảnh hưởng từ độ dài
sợi EDF rồi sau đó là cấu hình bơm. Để thiết kế được một bộ EDFA có hiệu quả cao
nhất cần tối ưu hóa độ dài EDF.
1.4 Ưu - Nhược điểm của thông tin quang
Ưu điểm:
 Suy hao thấp
 Dải thông rộng
 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ
 Hoàn toàn cách điện
 Không bị can nhiễu của trường điện từ
 Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể
 Tính bảo mật cao
 Vật liệu chế tạo có nhiều trong tự nhiên

1
Sin
φ
1
=n
2
Sin
φ
2
với
φ
1
là góc tới và là
φ
2
là góc khúc xạ
Hình 2.1: Mô tả hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng
2.1.2 Cấu tạo
Sợi quang có cấu tạo dạng hình trụ, gồm 2 lớp chính từ các chất điện môi đồng
tâm nhau. Lớp trong gọi là lớp lõi (core) và lớp ngoài là lớp vỏ (clading). Ngoài ra còn
9
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài. Chất điện môi chế tạo sợi quang phổ biến là thủy
tinh thạch anh (Sio) hoặc chất dẻo tổng hợp. Sợi quang từ thủy tinh thạch anh có tiêu
hao thấp và đường kính nhỏ, giá thành cao, còn sợi quang từ chất dẻo có đường kính
lớn hơn và tiêu hao lớn hơn, giá thành thấp.
2.1.3 Phân loại
Sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau như:

Bảng tham số của cáp quang

Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo
2÷48 sợi 50÷96 sợi 2÷48 sợi 50÷96 sợi
Đường kính(mm) 14 18 14 18
Trọng lượng(kg/km) 200 270 190 210
Lực kéo (N) 2000 2000 2000 2000
Bán kính cong cho phép(mm) 140 180 140 180
+Bảng 2.4: Cho các tham số của cáp treo trên cột
Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo
2÷32 sợi 34÷48 sợi 2÷32 sợi 34÷48 sợi
Đường kính(mm) 14/24 18/28 12/22 15/25
Trọng lượng(kg/km) 400 470 350 460
Lực kéo (N) 11000 11000 7500 7500
Bán kính cong cho phép(mm) 140 180 120 150
2.2 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang
Sợi quang có hai đặc tính truyền dẫn là suy hao và tán sắc
2.2.1 Đặc tính suy hao
Sóng ánh sáng khi truyền dọc theo sợi quang bị suy giảm cường độ theo chiều
dài sợi. Đó là đặc tính vật lý vốn có của sợi quang gọi là sự suy hao. Nếu gọi L (km) là
chiều dài sợi quang, P
v
là công suất quang tại đầu sợi và P
ra
là công suất quang tại cuối
sợi thì lượng suy hao của ánh sáng trên đoạn sợi tính theo đơn vị dB có dạng là :
( )
)2.2(lg10
ra
v

4
. Nên suy
hao do tán xạ Rơlay sẽ giảm nhanh trong vùng bước sóng ở > 1 μm.
Ánh sáng truyền trong sợi còn bị suy hao do bức xạ ra ngoài vùng vỏ
khi sợi bị uốn cong quá mức. Tại các chỗ uốn cong, điều kiện phản xạ toàn phần không
thực hiện được, nên một lượng nhỏ ánh sáng từ lõi sợi khúc xạ ra vùng vỏ và gây nên
suy hao do bức xạ. Vì vậy để giảm loại suy hao này các nhà chế tạo sợi quang đều quy
định bán kính uốn cong cực đại cho phép theo tiêu chuẩn là Rc cho từng loại sợi.
+ Suy hao do kết nối : bao gồm suy hao do hàn nối sợi và suy hao do đấu nối
dùng Colectơ. Suy hao tại mỗi mối hàn quy định không vượt 0,1 dB/mối, và suy hao
tại mỗi Colectơ không vượt 1 dB/ c.
Vì các suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng làm việc, nên suy hao
tổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng gọi là phổ suy hao của sợi quang.
2.2.2 Đặc tính tán sắc
+ Sự tán sắc của sợi quang : khi xung quang truyền dọc sợi ngoài bị suy hao
còn bị mở rộng độ rộng xung, hiện tượng trên gọi là sự tán sắc ánh sáng trong sợi
quang.
Độ tán sắc trên một đơn vị độ dài sợi là :
Sự tán sắc của sợi quang dẫn đến phát sinh sự chồng lấn của các xung lân cận
lên nhau khi truyền ở tốc độ bít cao và cự ly dài gọi là sự giao thoa giữa các ký hiệu
12
22
1
rt
l
τττ
−=
(2.4)
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
ISI (inter symbol interference), gây ra lỗi ở máy thu, do đó hạn chế cự ly và tốc độ bit

C
n
GID
m
∆
=
(2.6)
Ở đây C là vận tốc ánh sáng trong chân không. Tán sắc mode không phụ thuộc
vào độ rộng phổ của nguồn phát, nó là trội nhất trong các loại tán sắc của sợi
quang.
+Tán sắc vật liệu : Đó là sự phụ thuộc của vận tốc truyền của các mode sóng
trong sợi quang vào bước sóng làm việc λ. Nguyên nhân của hiện tượng này là do chiết
suất của vật liệu chế tạo lõi sợi là hàm của bước sóng.
13
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Ta tính được hệ số tán sắc vật liệu theo biểu thức sau :
)./)((
1
2
1
2
2
2
1
2
nmknps
d
nd
C
Cd

Song tại vùng bước sóng gần 1,27μm thì tán sắc này lại so sánh được với tán sắc
vật liệu và cần phải tính đến ảnh hưởng của nó. Hệ số tán sắc ống dẫn sóng được tính
theo biểu thức :
)./(
)(
2
2
2
nmkmps
dV
Vbd
C
n
D
ods






∆
=
λ
(2.9) Với
2
2
2
1
2

out
của sợi có
chiều dài L và công suất quang đầu vào P
in
. Tỷ số công suất này là một hàm của bước
sóng. Người ta thường dùng
α
để biểu thị suy hao tính theo dB/km.








=
out
in
P
P
L
log
10
α
(2.10)
Các sợi dẫn quang thường có suy hao nhỏ và khi độ dài quá ngắn thì gần như
không có suy hao, khi đó P
out
= P

diễn giải như công thức dưới đây:
( )
TfBscat
Tkn
β
λ
π
α
2
2
4
3
1
3
8
−=
(2.11)
n: chỉ số chiết suất.
k
B
: hằng số Boltzman.

T
β
: hệ số đẳng nhiệt của vật liệu.
T
f
: nhiệt độ hư cấu ( là nhiệt độ mà tại đó tính bất ổn định về mật độ bị đông lại
thành thuỷ tinh)
2.3.4 Suy hao do uốn cong sợi

môi trường, lắp đặt, thi công và sửa chữa thuận tiện.
+ Vật liệu gia cường đảm bảo cho cáp chịu được lực căng, lực nén nhất định,
nhưng lại phải đảm bảo độ mềm dẻo cần thiết, trọng lượng và kích thước cáp nhỏ thuận
tiện cho sử dụng.
+ Chất độn yêu cầu có hệ số giãn nở bé, ổn định nhiệt, không bị đông cứng,
không cản trở sự linh động của sợi quang trong cáp, không tác động về mặt hoá học đối
với sợi quang.
+ Các sợi quang trong cáp được đánh dấu bằng các màu sắc khác nhau rõ ràng
để dễ phân biệt các sợi, thuận tiện cho hàn nối không bị nhầm lẫn.
+ Vỏ ngoài cáp đảm bảo chức năng bảo vệ tốt đối với môi trờng bên ngoài như
chống ẩm, tác động của loài vật phá hoại, nâng cao tuổi thọ cho cáp.
2.4.2 Phân loại cáp quang
Cáp quang đựợc phân loại theo nhiều cách khác nhau như :
17
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
+ Theo cấu trúc : có cáp đối xứng như cáp cổ điển, cáp với lõi có dạng răng
lược, cáp có cấu trúc dạng băng dẹt.
+ Theo mục đích sử dụng : có cáp dùng cho mạng nội hạt hoặc thuê bao, cáp
trung kế giữa các tổng đài, cáp mạng đường trục.
+ Theo điều kiện lắp đặt : có cáp chôn trực tiếp dới đất, cáp lắp đặt trong cống
bể, cáp treo trên cột, cáp lắp đặt trong nhà, cáp đặt dưới biển.
Ví dụ: Một số mẫu cáp quang
+ Cáp băng dẹt
+ Cáp lõi có khe răng lược

+ Cáp với sợi thả lỏng trong ống
+ Cáp treo trên cột
18
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
2.4.3 Các thành phần của cáp quang

này ít dùng trong sợi đơn mà thường được dùng cho các sợi ở dạng băng.
CHƯƠNG III: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
3.1 Giới thiệu sơ lược về kỹ thuật khuếch đại quang
Như ta đã biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự ly truyền dẫn
dài tới mức phân bổ suy hao không thoả mãn, suy hao vượt quá tuyến công suất dự
phòng thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền. Các trạm
lặp ở đây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua quá trình biến đổi quang - điện và
điện - quang. Như vậy có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thể truyền xa được nữa
sẽ được các trạm lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành khuếch
đại, chuẩn lại thời gian tái tạo, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi về tín hiệu
quang đủ lớn để truyền lên đường truyền. Với sự phát triển của khoa học công nghệ,
người ta thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần
phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuếch đại quang.
Kỹ thuật khuyếch đại quang vừa ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp
như về băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện… việc phát
triển và ứng dụng các bộ khuếch đại quang vào hệ thống thông tin quang còn đưa ra
một ý tưởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn khuếch đại
quang và từ đó tiến tới phát triển mạng toàn quang. Khuếch đại quang có thể được đặt
ở các phần khác nhau của hệ thống thông tin. Tuỳ thuộc vào vùng lắp đặt khuếch đại
20
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
trên tuyến truyền dẫn mà khuếch đại quang có thể được sử dụng như :
 Khuếch đại công suất
 Khuếch đại thu
 Khuếch đại đường truyền
Khuếch đại công suất : Bộ khuếch đại này đặt sau nguồn sáng để khuếch đại
công suất tín hiệu truyền. Nó được sử dụng khi nguồn sáng có công xuất ra bị giới hạn.
Khuếch đại thu: Ngược với bộ khuếch đại công suất, khuếch đại công suất tín
hiệu thu yếu trước khi đi vào bộ tách sóng.
Khuếch đại đường truyền: khi khoảng cách truyền dài một số bộ khuếch đại

(Hz)
1-3 G >5T 0.5-4T
Hệ số tạp âm dB 6-9 5.2 3-5
Suy hao ghép vào sợi Lớn Lớn Nhỏ
Phân cực tín hiệu TE-mode TE-mode TE-mode
Hệ số khuếch đại 25-30 20-30 40-50
21
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
tuyến tính dB
Bước sóng công tác 1.3-1.55μm 1.3-1.55μm 1.52-1.57μm
Dòng/công suất bơm 10mA 100mA 20-100mW
Nhiễu xuyên kênh Lớn Lớn Bỏ qua
3.2 Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng khuếch đại
Như ta đã biết ở trên công suất bão hoà và nhiễu xuyên kênh là các yếu tố quan
trọng trong các hệ thống sử dụng khuếch đại quang. Dưới đây là một số tiêu chuẩn khi
thiết kế các bộ khuếch đại quang :
 Khuếch đại công suất cao: Đạt được công suất cao là mục đích chính của việc
thiết kế bộ khuếch đại quang. Tuỳ theo công suất đầu vào mà công suất đạt được là 10-
30dB. Nhưng khuếch đại bão hoà làm giảm độ khuếch đại khi công suất đầu vào tăng.
 Hiệu suất bơm ngoài cao: Công suất bơm ngoài theo nhu cầu tỉ lệ với độ
khuếch đại yêu cầu. Để đạt được độ khuếch đại lớn tại công suất bơm nhỏ phía có
hiệu suất bơm ngoài cao. Yêu cầu này dẫn tới sự phát triển của các bộ khuếch đại
quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA, các bộ EDFA này vượt trội hơn thế hệ trước
của chúng dựa trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman kích thích. Một bộ EDFA điển
hình có hiệu suất bơm từ 6 -10dB/mW.
 Hiệu ứng bão hoà thấp: Khuếch đại bão hòa là không đáng quan tâm trong các
bộ khuếch đại bán dẫn nhưng rất quan trọng đối với các bộ khuếch đại quang sợi.
 Băng tần rộng: đối với bộ khuếch đại quang thì khuếch đại băng tần rộng là điều
mong muốn bởi 2 lý do quan trọng: thứ nhất nó có thể được sử dụng để khuếch đại
đồng thời nhiều tín hiệu tại các bước sóng khác nhau. Điều này là quan trọng với kỹ

đến ICI hoặc xuyên kênh.
Thực tế, công suất trung bình của tín hiệu vào là không đổi, chỉ có công suất tức thời
của chúng là có thể thay đổi do cường độ điều chế. Vì vậy, khi độ khuếch đại của bộ
khuếch đại không tăng tức theo công suất của tín hiệu vào thì bộ khuếch đại công suất
phải không đổi điều chế cường độ. Bộ EDFA dáp ứng được các điều kiện trên vì các
hạt mang điện tồn tại lâu tại trạng thái kích thích siêu bền.
 Bước sóng công tác phù hợp: Như ta đã biết có hai bước sóng quan trọng sử
dụng trong truyền dẫn quang là 1300nm và 1550nm. Tại bước sóng 1300nm tán sắc sợi
là nhỏ nhất và tại 1550nm suy hao sợi là nhỏ nhất. Vì các bộ khuếch đại chỉ giải quyết
được vấn đề suy hao nên người ta thường sử dụng các bộ khuếch đại tại bước sóng
1300nm. Nói chung sẽ không có vấn đề gì nếu sử dụng các bộ khuếch đại bán dẫn làm
23
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
từ hợp chất nhóm III và V. Nhưng bộ EDFA có thể khuếch đại bước sóng ánh sáng
xung quanh bước sóng 1550nm do dải năng lượng Erbium.
 Suy hao bộ nối thấp: Khi một bộ khuếch đại quang được sử dụng trên một tuyến
thông tin quang, nó bổ sung thêm suy hao bộ nối. Suy hao bộ nối thấp có thể đạt được
khi sử dụng kết nối tốt giữa khuếch đại quang và sợi quang.
3.3 Kỹ thuật khuếch đại quang sợi
3.3.1 Nguyên lý hoạt động của EDFA
Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể được phân cấp thành
bức xạ kích thích và bức xạ tự phát. Khi các ion Erbium Er
3+
được kích thích từ trạng
thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ từ các mức
năng lượng cao hơn cho tới khi tiến tới trạng thái siêu bền
4
I
13/2


được ứng dụng thực tế cho đến khi sợi quang pha tạp có suy hao thấp ra đời.
Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang pha tạp EDFA được biểu diễn như
(Hình 3.2). Bao gồm một đoạn ngắn sợi được pha tạp bằng các ion erbium (Er
3+)
(gọi
là sợi EDF). Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực làm tác
nhân cho sự phát xạ cưỡng bức. Để kích thích các hạt mang của Er
3+
lên các mức năng
lượng cao hơn cần một nguồn bơm bên ngoài để bơm năng lượng quang vào sợi thông
qua một bộ ghép trực tiếp. Nguồn bơm là một Laser Diode hoạt động ở bước sóng thấp
hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại. Thông thường là ở bước sóng bơm 980nm
hoặc 1480nm. Sợi EDF được nối ghép với sợi quang bình thường và có thể ghép với
các thiết bị khác.
Hình 3.3 biểu diễn quá trình bơm tại bước sóng 1450nm và phát xạ tại bước
sóng 1530nm. Do hiệu ứng Stark, ở trạng thái nền và siêu bền tồn tại nhiều mức năng
lượng. Ở điều kiện cân nhiệt, cả hai trạng thái đều có mật độ hạt mang điện cao hơn
nằm ở dải thấp hơn của chúng. Do tốc độ bơm và bức xạ kích thích đều tỉ lệ với độ
chênh lệch mật độ hạt mang điện của 2 mức nên bơm xảy ra giữa dải thấp của trạng
thái nền và dải cao của trạng thái siêu bền tương ứng với bước sóng 1450nm, và bức xạ
xảy ra giữa dải thấp của trạng thái siêu bền và dải cao của trạng thái nền, tương ứng với
bước sóng 1530nm
25
2/13
4
I
2/15
4
I
Phát xạ tại