LỜI MỞ ĐẦU
Cuộc sống ngày càng phát triển, thông tin liên lạc ngày càng trở nên quan trọng và
là một phần không thể thiếu được trong đời sống của con người. Để đáp ứng nhu cầu của
con người ngày càng cao, thông tin quang ra đời và nhanh chóng trở thành hệ thống có
những tính năng ưu việt vượt bậc hơn hẳn những hệ thống thông tin hữu tuyến trước nó.
Khả năng truyền dẫn lớn, tốc độ cao, suy hao nhỏ và không bị ảnh hưởng của sóng
điện từ là những ưu điểm của hệ thống thông tin quang.
Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống quang
đường dài, phổ biến trong các loại khuếch đại quang là bộ khuếch đại quang sợi pha tạp
Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA). EDFA đã thực hiện thành công việc
khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình
biến đổi về điện nào. Với hệ thống WDM, khuếch đại tín hiệu cho phép khuếch đại đồng
thời các kênh quang trong toàn bộ dải bước sóng. Do đó bộ khuếch đại quang sợi chính là
giải pháp cho sự phát triển của tất các mạng quang dung lượng lớn và có khoảng cách
truyền lớn.
Do vậy, em chọn đề tài này để có cơ hội tìm hiểu kĩ hơn về các kỹ thuật khuếch đại
đang được sử dụng trong hệ thống thông tin quang ngày nay, đặc biệt là kỹ thuật khuếch
đại quang sử dụng bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium - EDFA ( Erbium Doped
Fiber Amplifier ).
Em xin chân thành cảm ơn ThS.Nguyễn Văn Lành đã tận tình giúp đỡ trong quá
trình hoàn thành đề tài này.
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
1.1 Giới thiệu về khuếch đại quang
Trong truyền dẫn thông tin quang, suy hao của sợi quang sẽ làm hạn chế khoảng
cách truyền dẫn. Để khắc phục điều đó, tăng khoảng cách truyền dẫn, trước đây người ta
sử dụng các trạm lặp quang điện. Trong các trạm lặp quang điện, quá trình khuếch đại tín
hiệu được thực hiện qua nhiều bước. Đầu tiên, tín hiệu quang tới sẽ được chuyển thành
tín hiệu điện. Sau đó, tín hiệu điện này sẽ được khuếch đại nhờ các mạch khếch đại điện
và được chuyển lại thành tín hiệu quang để truyền đi tiếp trên sợi quang. Vậy, quá trình

khuếch đại này được diễn ra trong miền điện.
Các trạm lặp quang điện này được sử dụng trong hệ thống truyền dẫn một bước
sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử dụng trong hệ thống truyền
dẫn quang đa bước sóng, rất nhiều trạm lặp sẽ được sử dụng để khuếch đại tín hiệu tại
các bước sóng khác nhau. Điều này làm tăng độ phức tạp của hệ thống WDM.
Giải pháp khắc phục nhược điểm trên của trạm lặp quang điện là sử dụng bộ khuếch
đại quang. Trong các bộ khuếch đại quang, tín hiệu ánh sáng sẽ được khuếch đại trực tiếp
trong miền quang. Đặc biệt, nó có thể khuếch đại nhiều tín hiệu ở nhiều bước sóng khác
nhau trên cùng một sợi quang.
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang:
Hình 1.1: Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang.
Trong đó:
- Active medium ( vùng tích cực ): vùng xảy ra quá trình khuếch đại.
- Pump Source ( nguồn bơm ): nguồn kích thích để xảy ra quá trình khuếch đại.
Khuếch đại SOA thì đây là nguồn điện. Khuếch đại OFA thì đây là nguồn sáng.
1.2 Phân loại khuếch đại quang
1.2.1 Khuếch đại quang bán dẫn SOA
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
Hình 1.2: Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA.
Vùng tích cực được cấu tạo từ vật liệu bán dẫn, được đặt giữa hai lớp bán dẫn n và
p. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang bán dẫn SOA tương tự vùng
tích cực của laser bán dẫn. Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở
trạng thái dưới mức ngưỡng phát xạ. Điều này xảy ra khi dòng điện phân cực I
bias
nhỏ hơn
dòng điện ngưỡng I
th

của laser hoặc hệ số phản xạ của hai mặt phản xạ của vùng tích cực
nhỏ.
Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện phân cực.
Dựa trên hệ số phản xạ của hai mặt phản xạ ở lớp tích cực mà SOA được chia làm
hai loại. Loại thứ nhất, khuếch đại Fabry-Perot FPA ( Fabry-Prot Amplifier) có hệ số
phản xạ cao. Với cấu trúc hốc cộng hưởng có hệ số phản xạ cao, quá trình hồi tiếp, chọn
lọc tần số xảy ra. Kết quả là FPA có độ lợi cao nhưng phổ độ lợi khuếch đại lại nhấp nhô,
làm giảm băng thông đường truyền. Để khắc phục hạn chế này, người ta đặt hai lớp
chống phản xạ có hệ số phản xạ R = 0 tại hai đầu của vùng tích cực để không cho quá
trình phản xạ xảy ra trong bộ khuếch đại. Khi đó, tín hiệu qua SOA chỉ được khuếch đại
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
một lần. Đây là cấu trúc của loại thứ hai của khuếch đại SOA: khuếch đại sóng chạy
TWA ( Traveling Wave Amplifier ).
1.2.2 Khuếch đại quang sợi OFA
Hình 1.3: Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi OFA.
Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm.
Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được phát ra bởi laser có bước sóng phát
quang nhỏ hơn bước sóng cần khuếch đại.
Một số loại OFA tiêu biểu:
- EDFA ( Erbium- Doped fiber Amplifier) : 1530 nm – 1565 nm.
- PDFA ( Praseodymium- Doped fiber Amplifier): 1280 nm – 1340 nm.
- TDFA( Thulium- Doped fiber Amplifier): 1440 nm – 1520 nm.
- NDFA( Neodymium- Doped fiber Amplifier): 900 nm, 1065 nm hoặc 1400 nm.
Trong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến nhất vì có nhiều ưu điểm
và có vùng ánh sáng khuếch đại ( 1530 nm – 1565 nm ) phù hợp với dải tần hoạt động
của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao.
1.2.3 Khuếch đại Raman
Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích. Tán xạ Raman
kích thích là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ năng lượng của một photon , sau đó tạo ra

một photon có năng lượng khác.
Để có khuếch đại Raman thì phải tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Điều này đạt được
bằng cách cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang bằng một laser bơm có
bước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu. Khi đó, các nguyên tử của sợi quang sẽ hấp
thụ năng lượng bơm để chuyển lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn. Khi có tín hiệu
đến, các nguyên tử đang ở mức năng lượng cao sẽ bị kích thích và chuyển về trạng thái
có mức năng lượng, đồng thời giải phóng ra một năng lượng dưới dạng photon ánh sáng
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
có cùng bước sóng ( dài hơn bước sóng bơm) và cùng pha với tín hiệu đến. Do đó, tín
hiệu đã được khuếch đại.
Hình 1.4: Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman.
Trong cấu trúc của bộ khuếch đại Raman, sợi quang là nơi xảy ra quá trình khuếch
đại. Nhưng khác với khuếch đại quang sợi OFA, sợi quang này có thể là một sợi quang
bình thường, không cần sử dụng sợi quang đặc biệt ( pha thêm các ion khác ).
1.3 Nguyên lý khuếch đại quang
Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trên
hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếch
đại.
Hình 1.5 Các hiện tượng biến đổi quang điện
Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi một photon có năng lượng là hf
12
bị hấp thụ bởi một
điện tử khác có mức năng lượng thấp. Khi đó, điện tử này sẽ chuyển lên mức năng lượng
cao hơn. Hiện tượng này chỉ xảy ra khi năng lượng hf
12
bằng với độ chênh lệch năng
lượng giữa trạng thái cao và trạng thái thấp của điện tử ( E
g
= E

2
– E
1
). Đây chính là
nguyên nhân gây ra suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang. Quá trình
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
này xảy ra đồng thởi với hiện tượng phát xạ kích thích và hiện tượng phát xạ tự phát
trong vùng tích cực của bộ khuếch đại.
Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử ở trạng thái năng lượng cao
E
2
bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa
trái thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử ( E
g
= E
2
– E
1
). Khi đó
điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và
tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu.
Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai
photon ( photon ban đầu và photon được tạo ra ) có cùng phương truyền, cùng pha và
cùng tần số. Tới đây, quá trình khuếch đại ánh sáng đã được thực hiện. Hiện tượng này
được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn ( SOA ) và khuếch đại quang sợi (
OFA ).
Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ
mức năng lượng cao E
2

xuống mức năng lượng thấp E
1
và phát ra một năng lượng
bằng E
g
= E
2
– E
1
dưới dạng một photon ánh sáng . Quá trình này xảy ra mà không cần
có tín hiệu quang đưa vào, bởi vì các điện tử ở trạng thái mức năng lượng giả bền không
tồn tại được lâu theo xu hướng nó phải nhảy về trạng thía bền và phát ra ánh sáng.
Mặc dù hiện tượng phát xạ tự phát vẫn tạo ra các photon ánh sáng nhưng trong
khuếch đại quang, hiện tượng này không tạo ra độ lợi khuếch đại. Nguyên nhân là do các
photon tạo ra bởi phát xạ tự phát không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích
thích. Ngoài ra, hiện tượng này xảy ra không phụ thuôc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào bộ
khuếch đại. Nếu không có ánh sáng tín hiệu thu vào, vẫn có năng lượng ánh sáng được
tạo ra ở ngõ ra bộ khuếch đại. Do vây, hiện tượng phát xạ tự phát được xem là nguyên
nhân chính gây ra nhiễu trong các bộ khuếch đại. Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát
xạ tự phát được khuếch đại ASE ( Amplified Spontaneous Emission noise ).
1.4 Ứng dụng của khuếch đại quang
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
Việc áp dụng các kỹ thuật khuếch đại vào các hệ thống truyền dẫn quang nhằm mục
đích làm tăng công suất của tín hiệu quang, khắc phục các suy hao do sợi quang và các
mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền, đảm bảo tín hiệu tới đầu thu trên ngưỡng độ nhạy
của máy thu.
Tùy vào vị trí lắp đặt mà các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia
làm ba loại: khuếch đại công suât, khuếch đại đường dây và tiền khuếch đại.
1.4.3 Khuếch đại công suất

Hình 1.6: Mô hình bộ khuếch đại quang có vai trò là khuếch đại công suất.
Khuếch đại công suất là bộ khuếch đại quang được sử dụng ngay sau thiết bị phát
nhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu quang lên mức cao nhất để làm cho khoảng
cách truyền cực đại. Yêu cầu của bộ khuếch đại công suất là tạo ra công suất đầu ra cực
đại chứ không phải là độ lợi cực đại vì công suất ngõ vào lớn.
1.4.4 Khuếch đại đường dây
Hình 1.7: Mô hình bộ khuếch đại quang có vai trò là khuếch đại đường dây.
Khuếch đại đường dây là bộ khuếch đại được đặt trên tuyến quang nhằm mục đích
bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do phân phối
tín hiệu quang trong mạng. Các bộ khuếch đại đường dây có thể lắp đặt nối tiếp nhau trên
đường truyền để gia tăng khoảng cách lắp đặt. Yêu cầu của bộ khuếch đại đường dây là
độ ổn định trên toàn bộ dải thông của hệ thống WDM, giữ nhiễu ở mức cực tiểu và thực
hiện trao đổi tốt tín hiệu quang với sợi quang trên dẫn.
1.4.3 Tiền khuếch đại
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
Hình 1.8: Mô hình bộ khuếch đại quang có vai trò là tiền khuếch đại.
Tiền khuếch đại là các bộ khuếch đại được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm
khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tín hiệu được đưa vào thiết bị. Điều này giúp làm giảm
yêu cầu nghiêm ngặt về độ nhạy của thiết bị thu và cho phép hệ thống truyền dẫn quang
hoạt động ở tốc độ bit cao hơn. Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại sẽ hoạt động với
công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao. Do vậy, yêu cầu của bộ tiền
khuếch đại là độ nhạy lớn, độ lợi lớn, nhiễu thấp.
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 9
CHƯƠNG 2: BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
2.1 Cấu trúc của bộ khuếch đại quang EDFA
Hình 2.1: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA.
Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi EDFA bao gồm:
- Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium : là nơi xảy ra quá trình khuếch đại( vùng tích
cực của EDFA). Cấu tạo của sợi quang pha ion Er

3+

:
Hình 2.2: Mặt cắt ngang của sợi quang pha ion Er
3+
.
Vùng lõi trung tâm( có đường kính từ 3 - 6 µm) của sợi được pha trộn ion Er
3+
là nơi
có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất. Nếu không kể đến chất pha Erbium thì cấu
trúc của sợi quang này giống với cấu trúc của sợi quang đơn mode chuẩn.
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 10
CHƯƠNG 2:BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
- Laser bơm: cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo nên sự nghịch đảo nồng độ trong
vùng tích cực. Bước sóng ánh sáng do laser bơm phát ra thường dùng là 980 nm hoặc
1480 nm.
- Coupler: ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong
sợi quang.
- Bộ cách ly quang ( Optical isolator ): Ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch
đại không phản xạ ngược về phía phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền không
phản xạ ngược về phía bộ khuếch đại EDFA.
2.2 Giản đồ năng lượng
Hình 2.3: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er
3+
trong sợi silica
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 11
CHƯƠNG 2:BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er
3+
trong sợi silica được minh họa ở hình 2.3

Theo đó, các ion Er
3+
có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau:
- Vùng ( vùng nền ) có mức năng lượng thấp nhất.
- Vùng ( vùng giả nền ) ion Er
3+
có thời gian sống tại vùng này lâu ( khoảng 10ms )
trước khi chuyển xuống vùng nền.
- Các vùng , : ( vùng kích thích ) có năng lượng cao. Thời gian sống của ion Er
3+
ở
vùng này ngắn ( khoảng 1µs ).
2.3 Nguyên lý hoạt động
Hình 2.4: Quá trình khuếch đại trong EDFA
Nguyên lý hoạt động của EDFA dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích.
- Các ion Er
3+
ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng của các photon từ nguồn bơm vào
để chuyển lên trạng thái cao hơn ở vùng bơm (pumping band ).
- Tại đây, các ion Er
3+
phân rã không bức xạ rất nhanh và chuyển về vùng giả nền.
- Sau khoảng thời gian sống, nếu không được kích thích bởi các photon có năng
lượng thích hợp thì các ion Er
3+
sẽ phát xạ tự phát, phát ra photon và chuyển về trạng thái
nền.
- Khi ánh sáng đi qua bộ khếch đại EDFA sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng:
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 12
CHƯƠNG 2:BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA

+ Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er
3+
ở vùng nền. Tín hiệu ánh sáng bị
suy hao.
+ Các photon tín hiệu kích thích các ion Er
3+
ở vùng giả nền. Hiện tượng phát xạ
kích thích xảy ra. Khi đó, các ion Er
3+
bị kích thích sẽ chuyển trạng thái từ mức năng
lượng cao ở vùng giả nền xuống mức năng lượng thấp ở vùng nền và phát xạ ra photon
mới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng bước sóng. Khi đó, tín hiệu
qua bộ khuếch đại EDFA sẽ được khếch đại.
2.4 Yêu cầu về nguồn bơm
Trong EDFA, điều kiện để khuếch đại được tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng
độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion lên trạng thái kích thích.
2.4.1 Bước sóng bơm
Dựa vào giản đồ năng lượng khi bước sóng bơm càng ngắn thì ion Er
3+
phải trải
qua nhiều giai đoạn trước khi trở về vùng nền và phát xạ ra photon ánh sáng. Do đó, hiệu
suất bơm không cao. Vì vậy, trên thực tế EDFA chỉ sử dụng bước sóng 980 nm và 1480
nm.
Chỉ số nhiễu lượng tử ở bước sóng 1480nm cao hơn ở bước sóng 980nm vì tiết
diện ngang phát xạ tại 1480nm cao hơn tại 980nm và sự bức xạ tại nguồn bơm đã giới
hạn sự nghịch đảo tích lũy tại 1480nm.
So sánh bước sóng bơm:
980nm
Hệ số nhiễu thấp.
Hệ số độ lợi cao.

Suy hao công suất bơm lớn.
1480nm
Hệ số nhiễu cao.
Hệ số độ lợi thấp.
Suy hao công suất thấp
Hiện nay, bước sóng bơm 1480 nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng có sẵn và
có độ tin cậy cao hơn. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó dùng để
bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Các thiết bị khuếch đại công
suất đòi hỏi công suất bơm cao nhất và độ ổn định của chúng là mấu chốt trong quá trình
nghiên cứu phát triển chúng.
2.4.2 Công suất bơm
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 13
CHƯƠNG 2:BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion Er
3+
bị kích thích bởi tín hiệu cần
khuếch đại và làm cho hệ số khếch đại tăng lên. Tuy nhiên, do số lượng ion Er
3+
trong sợi
quang có hạn nên hệ số khếch đại không thể tăng lên mãi được.
Công suất bơm tăng thì hệ số nhiễu sẽ giảm.
2.4.3 Hướng bơm
2.4.3.1 Bơm một chiều
Bơm thuận: Nguồn bơm được bơm cùng chiều với hướng truyền tín hiệu. Bước
sóng bơm thường dùng là 980nm.
Hình 2.5: Phương pháp bơm thuận
Bơm nghịch: Nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu.
Bước sóng bơm thường là 1480nm.
Hình 2.6: Phương pháp bơm nghịch.
2.4.3.2 Bơm hai chiều

Sử dụng hai nguồn bơm được bơm theo hai chiều khác nhau.
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 14
CHƯƠNG 2:BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
Hình 2.7: Phương pháp bơm hai chiều
*So sánh các hướng bơm
Hướng bơm thuận có ưu điểm là nhiễu thấp.
Hướng bơm ngược cung cấp công suất ra bão hòa lớn.
2.5 Các đặc tính kỹ thuật của bộ khuếch đại quang EDFA
2.5.1 Độ lợi
Độ lợi của bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ngõ ra và công suất
quang ở ngõ vào.
G = ( 2.1 )
Độ lợi của một bộ EDFA có thể được tính theo phương trình:
G = exp ( 2.2 )
Trong đó:
- N
2
(z), N
1
(z) lần lượt là mật độ ion Erbium ở trạng thái kích thích và trạng thái
nền tại vị trí z trong đoạn sợi quang pha ion Erbium.
- L: chiều dài sợi quang pha ion Erbium.
- , : lần luợt là tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ của ion Erbium tại bước sóng tín
hiệu.
Gọi , lần lượt là nồng độ ion Erbium ở mức năng lượng nền và mức năng lượng
kích thích trung bình. Khi đó:
= ( 2.3 )
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 15
CHƯƠNG 2:BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
= ( 2.4 )

Khi đó, phương trình ( 2.2 ) có thể viết lại như sau:
G = exp ( 2.5 )
Từ phương trình (2.4), ta thấy độ lợi tín hiệu sau khi đi qua sợi quang chỉ phụ
thuộc vào sự nghịch đảo nồng độ các ion Erbium trung bình trong sợi quang mà không
phụ thuộc vào chi tiết về dạng nghịch đảo như một hàm đối với vị trí dọc theo chiều dài
sợi quang.
Độ lợi của bộ EDFA phụ thuộc vào:
- Nồng độ ion Er
3+
: Nồng độ ion Er
3+
trong EDFA tăng thì khả năng chúng chuyển
lên mức năng lượng cao càng nhiều, do đó hệ số khuếch đại tăng.
- Phụ thuộc vào chiều dài sợi: Khi chiều dài sợi ngắn thì tín hiệu không được
khuếch đại nhiều. Việc tăng chiều dài sợi sẽ làm tăng độ lợi. Tuy nhiên, với mỗi công
suất bơm chỉ đáp ứng cho một giá trị chiều dài sợi. Nếu vượt quá trị này, tín hiệu suy hao
dần và do đó làm giảm độ lợi.
- Phụ thuộc vào công suất bơm: công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion erbium
bị kích thích hơn. Tuy vậy, vì số lượng các ion erbium cấy vào sợi là có hạn, nên độ lợi
không tăng mãi theo công suất bơm được.
- Phụ thuộc vào công suất tín hiệu đến: khi công suất vào tăng, bức xạ kích thích
tăng nhanh, số ion Er
3+
chuyển từ mức cao xuống mức thấp tăng nhanh, làm yếu đi khả
năng bức xạ của ion Er
3+
dẫn đến độ lợi giảm. Sẽ có một mức giới hạn mà công suất tín
hiệu vào tăng nhưng công suất ra không tăng nữa được gọi là công suất bão hòa.
Thông thường, độ lợi của bộ EDFA vào khoảng 20 – 40 dB tùy theo ứng dụng của
EDFA là bộ khuếch đại công suất, khuếch đại đường dây hay tiền khuếch đại.

SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 16
CHƯƠNG 2:BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
2.5.2 Phổ khuếch đại
Mật độ phân bố năng lượng của các ion Er
3+
trong vùng giả nền không đều nhau:
các ion Er
3+
có khuynh hướng tập trung nhiều ở các mức năng lượng thấp. Điều này dẫn
đến khả năng hấp thụ và phát xạ photon của ion Erbium thay đổi theo bước sóng. Phổ hấp
thụ ( absortion spectrum ) và phổ độ lợi ( gain spectrum ) của EDFA có lõi pha Ge được
biểu diễn trên hình 2.8
Hình 2.8: Phổ độ lợi và phổ hấp thụ của EDFA có lõi Ge
Ứng với mỗi bước sóng tín hiệu khác nhau thì độ lợi của bộ EDFA sẽ khác nhau
dẫn đến phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng.
Bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở băng C (1530nm – 1565nm). Tuy nhiên, độ lợi
cả sợi pha tạp trải rộng đến khoảng 1605nm. Điều này dẫn đến sự ra đời của bộ EDFA
hoạt động ở băng L (1565nm – 1625nm).
So sánh bộ EDFA hoạt động ở băng C và băng L:
Băng C Băng L
Độ lợi Cao hơn Nhỏ hơn khoảng 3 lần
Phổ độ lợi Ít bằng phẳng hơn Bằng phẳng hơn
Nhiễu ASE Thấp hơn Cao hơn
Bảng 2.1: So sánh bộ EDFA hoạt động ở băng C và băng L.
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 17
CHƯƠNG 2:BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
Phổ khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào nồng độ ion Er
3+
và chiều dài sợi quang.
( vì trạng thái nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc sợi quang).

2.5.3 Công suất ra bão hòa
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến tính
với công suất quang ngõ vào P
out
= G.P
in
. Tuy nhiên, công suất ngõ ra không thể tăng mãi
được. Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng, khi công suất ngõ vào P
in
tăng đền một mức
nào đó thì độ lợi G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính
với công suất ngõ vào mà đạt trạng thái bão hòa.
Hình 2.9: a. Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào.
b. Độ lợi khuếch đại theo công suất quang ngõ ra
Sự bão hòa xảy ra khi công suất tín hiệu vào EDFA lớn gây ra sự giảm hệ số
khuếch đại. Khi công suất tín hiệu vào tăng làm cho bức xạ kích thích của ion Er
3+
xảy ra
mạnh. Khi đó, nồng độ ion Er
3+
ở trạng thái kích thích sẽ giảm. Hệ quả là công suất tín
hiệu ngõ ra bị hạn chế bởi sự bão hòa công suất. Công suất ra bão hòa P
out,sat
được định
nghĩa là tín hiệu ra mà ở đó hệ số khuếch đại giảm đi 3 dB so với khi khuếch đại tín hiệu
nhỏ.
Công suất ra bão hòa phụ thuộc vào:
- Công suất bơm: tăng tuyến tính theo công suất bơm.
- Bước sóng của tín hiệu: nồng độ ion Er
3+

phân bố tại vùng giả nền không bằng
nhau.
2.5.4 Nhiễu trong bộ khuếch đại quang EDFA
2.5.4.1 Nhiễu phát xạ tự phát
Trong bộ khuếch đại EDFA, ngoài quá trình hấp thụ và phát xạ kích thích còn
xảy ra hiện tượng phát xạ tự phát. Phát xạ tự phát chính là nguồn nhiễu chính trong bộ
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 18
CHƯƠNG 2:BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
khuếch đại EDFA. Năng lượng của phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ được khuếch đại khi
chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía ngõ ra. Do đó, tại ngõ ra của bộ khuếch đại
EDFA thu được công suất P
out
bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại và công
suất nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE .
P
out
= G.P
in
+ P
ASE
( 2.6 )
Xét các bộ khuếch đại EDFA được ghép tầng dọc theo một khoảng cách truyền
dẫn để bù suy hao sợi quang. Công suất ngõ vào bộ khuếch đại sẽ bao gồm cả công suất
tín hiệu và công suất nhiễu ASE của bộ khuếch đại trước đó. Do sự công suất ra bão hòa
phụ thuộc vào công suất vào nên công suất nhiễu ASE từ đầu ra của các tầng trước đó có
thể lớn tới mức nó sẽ làm bão hòa các bộ khuếch đại phía sau.
2.5.4.2 Hệ số nhiễu
Hệ số nhiễu: NF = 2.n
sp
( 2.7 )

n
sp
= : hệ số phát xạ tự phát. ( 2.8 )
N
2
: Nồng độ ion Er
3+
ở mức năng lượng kích thích.
N
1
: Nồng độ ion Er
3+
ở mức nền.
Do N
1
, N
2
phụ thuộc vào chiều dài sợi quang nên hệ số nhiễu cũng phụ thuộc
vào chiều dài sợi quang.
Hệ số nhiễu mô tả sự suy giảm của tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR do nhiễu của bộ
khuếch đại thêm vào. Hệ số này càng nhỏ càng tốt. Giá trị nhỏ nhất của NF có thể đạt
được là 3 dB. Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số nhiễu tối thiểu này được gọi là đang
hoạt động dưới mức lượng tử.
2.6 Ưu điểm và khuyết điểm của bộ khuếch đại quang EDFA
2.6.1 Ưu điểm
Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao.
Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống.
Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển
và thay thế.
Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang

trên biển.
Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại bán
dẫn.
Hầu như không phụ thuộc vào phân cực tín hiệu.
2.6.2 Khuyết điểm
Phổ độ lợi EDFA không bằng phẳng.
Băng tần hiện nay bị giới hạn trong băng C và băng L.
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 19
CHƯƠNG 2:BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại làm hạn chế cự ly truyền dẫn.
SVTH: NGÔ VĂN THỊNH LỚP: D11CQVT01 Trang 20
CHƯƠNG 2:BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA BẰNG
PHẦN MỀM OPTICSYSTEM V7.0
CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OPTICSYSTEM V7.0
3.1 Giới thiệu về phần mềm Opticsystem
Ngày nay, các hệ thống thông tin quang ngày càng trở nên phức tạp. Để phân tích,
thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải sử dụng công cụ mô phỏng.
OpticSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang. Phần mềm này có
khả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa nhiều loại tuyến thông tin quang,
dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế. Bên cạnh đó,
phần mềm cũng có thể dễ dàng mở rộng do người sử dụng có thể đưa thêm các phần tử tự
định nghĩa vào.
Phần mềm có giao diện thân thiện, khả năng hiển thị trực quang.
3.2 Các thành phần chính của Opticsystem
3.2.1 Thư viện các phần tử
Hình 3.1: Thư viện các phần tử trong Opticsystem
Opticsystem có một thư viện các phần tử phong phú đã được mô hình hóa giống
như các thiết bị trong thực tế. Bao gồm:
- Thư viện nguồn quang ( Transmitters Library ).

- Thư viện các bộ thu quang ( Receivers Library ).
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA BẰNG
PHẦN MỀM OPTICSYSTEM V7.0
- Thư viện sợi quang ( Optical Fibers Library ).
- Thư viện các bộ khuếch đại (quang, điện) ( Amplifiers Library ).
- Thư viện các bộ MUX, DEMUX.
- Thư viện các bộ lọc (quang, điện) ( Filters Library ).
- Thư viện các phần tử FSO (Free Space Optics).
- Thư viện các phần tử truy nhập ( Cable Acess Library ).
- Thư viện các phần tử thụ động (quang, điện) (Passive Library).
- Thư viện các phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện) ( Signal Processing Library ).
- Thư viện các phần tử mạng quang ( Netword Library ).
- Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện ( Visualizer Library ).
Ngoài các phần tử được định nghĩa sẵn. Opticsystem còn có:
- Các phần tử Measured components. Với các phần tử này, Opticsystem cho phép
nhập các tham số được đo từ các thiết bị thực của các nhà cung cấp khác nhau.
- Các phần tử do người sử dụng tự định nghĩa (User-defined Components).
3.2.2 Tích hợp các công cụ phần mềm của optiwave
Opticsystem cho phép người sử dụng kết hợp với các công cụ khác của optiwave
như: OptiAmplifier, OptiBPM, OptiGrating, WDM_Phasar và OptiFiber để thiết kế ở
mức phần tử.
3.2.3 Các công cụ hiển thị
Optisystem có đầy đủ các thiết bị đo quang, đo điện. Cho phép hiển thị tham số,
dạng, chất lượng tín hiệu tại mọi điểm trên hệ thống.
Thiết bị đo quang:
Hình mô phỏng Tên thiết bị
Thiết bị phân tích phổ
Thiết bị đo công suất
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA BẰNG
PHẦN MỀM OPTICSYSTEM V7.0

Thiết bị đo miền thời gian
Thiết bị phân tích WDM
Thiết bị phân tích phân cực
Bảng 3.1: Thiết bị đo quang trong phần mềm Opticsystem.
Thiết bị đo điện:
Hình mô phỏng Tên thiết bị
Oscilloscope
Thiết bị phân tích phổ RF
Thiết bị phân tích biểu đồ hình mắt
Thiết bị phân tích lỗi bit
Thiết bị đo công suất
Thiết bị phân tích sóng mang điện
Bảng 3.2: Thiết bị đo điện trong phần mềm Opticsystem.
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA BẰNG
PHẦN MỀM OPTICSYSTEM V7.0
3.3 Giao diện phần mềm
Project layout: phần người sử dụng để thiết kế.
Hình 3.2: Project Layout
Project Brower: Quản lý các dự án hiện tại một cách hiệu quả. Để hiện thị Project
Brower chọn View -> Project Brower hoặc ấn tổ hợp phím Ctrl + 2.
Hình 3.3: Project Brower
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA BẰNG
PHẦN MỀM OPTICSYSTEM V7.0
Description: Miêu tả chi tiết các thông tin của dự án hiện tại. Để hiện thị Description
chọn View -> Description hoặc ấn tổ hợp phím Ctrl + 3.
Hình 3.4: Descipttion.
Thanh trạng thái: Hiển thị các thông tin trong tiến trình tính toán, giúp ích trong quá
trình sử dụng phần mềm. Được đặt tại vị trí dưới cùng bên phải. Để hiển thị thanh trạng
thái chọn View -> click vào Status Bar.
Hình 3.5: Thanh trạng thái.

Các thanh công cụ:
Thanh công cụ Tên và chức năng
Standard: Các chức
năng thông dụng như
new, open, save,
cut,
Layout bar: chọn
layout thực hiện,
chỉnh số lần quét,