Giới thiệu
Bộ khuếch đại sợi quang được sử dụng để khuếch đại tín hiệu quang mà không cần chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu điện qua lại. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về các bộ khuếch đại sợi quang, cách chúng hoạt động và giá thị trường của chúng.
Bộ khuếch đại sợi quang là gì?
Mạng cáp quang sử dụng các sợi quang trong suốt, được thiết kế đặc biệt để truyền tín hiệu dưới dạng xung ánh sáng. Thông thường, các tín hiệu này nằm trong phổ hồng ngoại (850, 1300 và 1550 nanomet) cung cấp các đặc tính suy hao thấp nhất trong sợi quang. Mức này nằm trong khoảng dưới 0.2dB trên mỗi km đối với dải 1550 nanomet, thấp hơn nhiều so với đối tác điện của nó.
Tuy nhiên, không có tín hiệu nào hoàn toàn miễn dịch với sự suy giảm. Do đó, khi tín hiệu truyền qua cáp quang, nó có xu hướng yếu đi trên một khoảng cách dài. Ví dụ, khi chiều dài cáp quang vượt quá 10km, suy hao đường truyền sẽ tăng lên đáng kể. Khi độ dài trở nên cao hơn nhiều, tín hiệu sẽ yếu đi theo cấp số nhân.
Bộ khuếch đại sợi quang giúp giảm thiểu vấn đề này bằng cách tăng cường tín hiệu khi tín hiệu bị yếu.
Bộ khuếch đại sợi quang (còn được gọi là Bộ khuếch đại sợi quang) khuếch đại tín hiệu quang mà không chuyển đổi nó thành tín hiệu điện. Điều này rất quan trọng vì nếu tín hiệu được chuyển đổi thành tín hiệu điện trước để khuếch đại, độ trễ lan truyền giữa chuyển đổi quang -> điện -> quang sẽ cao hơn nhiều. Bộ khuếch đại sợi quang bỏ qua các chuyển đổi trung gian và khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang.
Có ba loại bộ khuếch đại sợi quang chính:
- EDFA (Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium)
- FRA (Bộ khuếch đại Raman sợi quang)
- SOA (Bộ khuếch đại quang bán dẫn)
Chúng ta hãy xem cách các loại bộ khuếch đại này hoạt động để khuếch đại tín hiệu sợi quang yếu.
Bộ khuếch đại sợi quang hoạt động như thế nào?
Hãy bắt đầu với EDFA, một trong những thiết kế bộ khuếch đại sợi quang sớm nhất nhưng mạnh mẽ hơn được sử dụng cho đến nay.
EDFA – Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium
Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium là bộ khuếch đại sợi quang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Chúng có thể được sử dụng trong nhiều giai đoạn của mạng cáp quang như
- tăng cường
- Bộ khuếch đại nội tuyến
- Tiền khuếch đại.
Khi được sử dụng làm bộ tiền khuếch đại, EDFA được đặt ngay trước bộ thu. Khi được đặt ở giữa đường truyền để tăng cường tín hiệu, nó sẽ được sử dụng 'nội tuyến' với quang học. Một EDFA được đặt ngay sau bộ phát được gọi là 'bộ khởi động' giúp tăng cường tín hiệu được đưa vào liên kết quang.
Bộ khuếch đại EDFA hoạt động bằng cách 'bơm' ánh sáng laze 980nm hoặc 1480nm đầu tiên vào Erbium được pha tạp vào các sợi quang. Điều này kích thích các ion vào trạng thái kích thích tương ứng là 2 hoặc 1, như thể hiện trong hình bên dưới. Trạng thái kích thích 1 là dải ổn định hơn, do đó, các electron bị kích thích bởi tia laser 980mm sẽ rơi trở lại trạng thái kích thích 1 bằng cách phát ra nhiệt (không có bất kỳ photon nào) và ổn định.
Khi một tín hiệu đến được kết hợp với các electron bị kích thích này, tín hiệu sẽ kích thích các electron chuyển sang trạng thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng được lưu trữ trong chúng dưới dạng photon. Cả hai photon phát ra này và tín hiệu quang đều có bước sóng 1550nm, do đó tín hiệu tới được khuếch đại nhiều lần. Các tín hiệu này được gọi là tín hiệu 'kết hợp' (cùng bước sóng, tần số và pha) để có thể khuếch đại.
Bộ khuếch đại Raman sợi quang
Bộ khuếch đại Raman cũng là một loại bộ khuếch đại sợi quang phổ biến khác. Những bộ khuếch đại này sử dụng một hiện tượng gọi là 'Tán xạ Raman được kích thích' để khuếch đại tín hiệu quang học.
Môi trường sợi quang được làm bằng mạng tinh thể/thủy tinh. Khi tín hiệu ánh sáng truyền qua môi trường mạng tinh thể như vậy, tốc độ di chuyển là phi tuyến tính và có thể được quan sát là không tức thời. Điều này được gây ra bởi các rung động xảy ra trong cấu trúc mạng khi tín hiệu lan truyền.
Bằng cách khai thác hiện tượng này, một chùm tia có bước sóng dài hơn (được gọi là sóng Stokes), là tín hiệu thực tế được khuếch đại, có thể được khuếch đại bằng chùm tia có bước sóng ngắn hơn. Để tín hiệu có bước sóng dài hơn được khuếch đại, tín hiệu kia phải có cùng phân cực, cùng hướng và được truyền qua môi trường hoạt động Raman. Đây có thể là khối tinh thể, ống dẫn sóng hoặc mạch tích hợp quang tử hoặc tế bào có môi trường khí hoặc lỏng.
Hình ảnh dưới đây cho thấy nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại Raman.
Bơm và các chùm tín hiệu ở tần số ωp và ωs được đưa vào sợi quang thông qua bộ ghép sợi quang. Trong quá trình khuếch đại, một photon được bơm sẽ giải phóng năng lượng của nó để tạo ra một photon khác có năng lượng giảm đi. Năng lượng dư thừa được vật liệu sợi hấp thụ dưới dạng dao động phân tử. Năng lượng rung động này sau đó được chuyển thành tín hiệu ban đầu, cùng lan truyền với chùm bơm.
Không giống như bộ khuếch đại pha tạp Erbium, bộ khuếch đại Raman thường không cần vật liệu pha tạp ion đất hiếm. Tuy nhiên, có những sợi đặc biệt đã tăng Raman đạt được có hiệu suất cao hơn sợi quang đơn mode thông thường.
Bộ khuếch đại quang bán dẫn
Bộ khuếch đại quang bán dẫn sử dụng chất bán dẫn làm môi trường khuếch đại để khuếch đại tín hiệu quang. Về cơ bản, SOA là một diode laser kết hợp sợi quang có các gương cuối được thay thế bằng lớp phủ chống phản xạ.
Trong SOA, tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trong một lần truyền khi di chuyển giữa hai vật liệu bán dẫn. Đây là vùng hoạt động và hoạt động tương tự như tia laser nhưng không có phản hồi và nhiều lần truyền theo yêu cầu trong EDFA.
SOA có hai vùng chính, chủ động và thụ động. Khi tín hiệu đi qua vùng tích cực, các electron trong vùng tích cực sẽ mất năng lượng (dưới dạng photon) và đạt trạng thái cơ bản. Những photon bị kích thích này có cùng bước sóng với chính tín hiệu và cùng pha. Do đó, hiện tượng này khuếch đại tín hiệu gốc khi nó rời khỏi vùng hoạt động.
Bộ khuếch đại SOA là loại bộ khuếch đại sợi quang kinh tế nhất do ít phức tạp hơn trong sản xuất.
Giá khuếch đại sợi quang
Khi nói đến giá cả, chi phí của bộ khuếch đại sợi quang khác nhau tùy thuộc vào số lượng kênh và công nghệ được sử dụng. Thông thường, bộ khuếch đại EDFA có giá từ $400 đến $3000. Loại rẻ nhất, bộ khuếch đại SOA có giá từ $150 trở đi.
Kết luận
Tương tự như các mạng sử dụng tín hiệu điện, mạng quang cũng bị suy giảm tín hiệu trên các liên kết khoảng cách xa. Với việc sử dụng bộ khuếch đại quang chính xác ở khoảng cách chính xác, có thể giảm thiểu sự suy giảm tín hiệu và băng thông có thể được cải thiện trên một khoảng cách dài.
