Nghiên Cứu Ứng Dụng Khuếch Đại Quang Sợi Trong Truyền Dẫn Quang WDM

Trong thời gian gần đây, các hệ thống thông tin quang đã chiếm lĩnh hầu hết các tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông toàn cầu, và được coi là phương thức truyền dẫn hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa. Trong thời gian tới, để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do bùng nổ thông tin trong xã hội, mạng truyền dẫn phải có sự phát triển mạnh cả về qui mô và trình độ công nghệ, nhằm tạo ra các cấu trúc mạng gồm các hệ thống truyền dẫn quang hiện đại. Các hệ thống thông tin quang này đòi hỏi phải có tốc độ cao, công nghệ tiên tiến. Đây cũng là nhu cầu rất cần thiết cho mạng lưới ở nước ta trong giai đoạn phát triển mới. Để triển khai lắp đặt các hệ thống thông tin quang có hiệu quả, bảo đảm chất lượng truyền dẫn trong thời gian khai thác dài, công việc thiết kế tuyến là hết sức quan trọng.

Khi xây dựng các tuyến truyền dẫn tốc độ cao, cự ly xa, và trong trường hợp thiết kế các tuyến sử dụng công nghệ WDM (Wavelength Division Multiplexing) hay tuyến thông tin quang hiện đại, thì các tuyến này thường hay sử dụng các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) và Raman. Luận văn trình bày một số hiểu biết về các bộ khuếch đại quang sợi, nghiên cứu ảnh hưởng của công suất sóng liên tục CW đến tỷ số SNR trong khuếch đại Raman và chương trình mô phỏng. Luận văn được chia làm các chương: Tổng quan về khuếch đại quang sợi; Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất sóng liên tục CW đến tỷ số SNR trong khuếch đại Raman; Chương trình mô phỏng.

Bộ khuếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu vẫn dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là EDFA. Trong sợi EDF, các nguyên tử Erbium hóa trị ba Er3+ là các phần tử tích cực trong bộ khuếch đại quang, có chức năng khuếch đại ánh sáng. Năng lượng và sự chuyển tiếp quang có liên quan tới các ion Erbium hóa trị ba. Nguyên lý khuếch đại được thực hiện nhờ cơ chế bức xạ kích thích như sau: Khi các ion Erbium Er3+ được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ ở các mức năng lượng cao hơn cho tới khi nó tiến tới trạng thái siêu bền (trạng thái 4I13/2).

Tín hiệu quang tới đầu vào sợi EDF tương tác với các ion Erbium đã được kích thích và được phân bố dọc theo lõi sợi. Quá trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng quang như là tín hiệu tới, và chính vì thế mà ta thu được cường độ ánh sáng tín hiệu tại đầu ra EDF lớn hơn đầu vào. Như vậy, đã đạt được quá trình khuếch đại trong EDFA. Các ion đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền với hằng số thời gian xấp xỉ 10 ms. Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emission) có pha và hướng ngẫu nhiên.

Phổ khuếch đại của EDFA là tham số quan trọng vì băng tần khuếch đại là một tham số trọng yếu để xác định băng truyền dẫn. Đặc tính này đã được nghiên cứu với các sợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các EDFA. Trong các kết quả thí nghiệm thu được bằng cách pha tạp Al và (hoặc) P trong lõi của sợi thủy tinh pha Er 3+ sẽ có tác dụng mở rộng phổ khuếch đại. Gần đây người ta cũng tìm thấy rằng pha tạp Al có thể thu được mức khuếch đại rất cao trong một mặt phẳng trải trong vùng bước sóng 1540 nm đến 1560 nm.

Tán xạ Raman kích thích (SRS) là một hiệu ứng phi tuyến quang xảy ra khi ánh sáng cường độ cao tương tác với vật chất. Trong sợi quang, SRS có thể được sử dụng để khuếch đại tín hiệu quang. Khi một sóng bơm (pump wave) cường độ cao được truyền qua sợi quang, nó tạo ra các photon Raman có tần số thấp hơn. Các photon Raman này có thể truyền năng lượng cho tín hiệu quang, dẫn đến khuếch đại tín hiệu.

Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của công suất sóng liên tục CW đến tỷ số SNR trong khuếch đại Raman. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là một thước đo quan trọng về chất lượng tín hiệu trong hệ thống truyền thông quang. Trong khuếch đại Raman, SNR có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm công suất sóng bơm, chiều dài sợi quang, và các đặc tính của sợi quang. Việc tối ưu hóa các thông số này có thể cải thiện SNR và hiệu suất của hệ thống khuếch đại Raman.

Khuếch đại Raman có một số ưu điểm so với EDFA, bao gồm khả năng khuếch đại trong dải bước sóng rộng hơn và khả năng phân bố khuếch đại dọc theo toàn bộ tuyến truyền dẫn. Điều này có thể giúp giảm nhiễu và cải thiện hiệu suất của hệ thống truyền dẫn quang. Tuy nhiên, khuếch đại Raman cũng có một số nhược điểm, bao gồm yêu cầu công suất bơm cao hơn và độ phức tạp cao hơn.

Trong hệ thống thông tin quang các bộ khuếch đại quang sợi Erbium EDFA thường ở dưới dạng cấu trúc modul. Ngoài ra, EDFA được kết hợp với các thiết bị khác như bộ phát quang hoặc thu quang tùy thuộc vào các ứng dụng khác nhau. Nhìn chung các cấu hình EDFA được phân loại thành ba loại chính theo các cấu hình bơm xuôi, bơm ngược và bơm hai hướng. Theo đặc tính khuếch đại và nhiễu của EDFA cấu hình bơm xuôi đơn hướng có thể cho ra các đặc tính nhiễu thấp và phù hợp với ứng dụng làm tiền khuếch đại PA (Preamplifier).

Từ các modul đơn hướng và hai hướng các dạng cải tiến của nó đã được đưa ra với các cấu hình khác nhau. Trong các EDFA phản xạ có loại dụng cụ gọi là gương, cách tử được đặt tại đầu ra của EDFA để phản xạ cả ánh sáng bơm và tín hiệu. Ánh sáng bơm và tín hiệu đi qua EDFA hai lần sẽ cho ra độ khuếch đại thực tăng lên. Các EDFA hai hướng cho phép tín hiệu truyền cả hai hướng.

Một số các chức năng tiên tiến khác được thêm vào như tự động điều khiển khuếch đại AGC (Automatic Gain Control) và tự động điều khiển công suất APC (Automatic Power Control) để có được các ứng dụng ổn định trong các hệ thống thông tin quang sợi thực tế. Các modul EDFA đã được phát triển trong các hệ thống thông tin quang analog và digital. Ngoài ra còn có các cấu hình khác phù hợp với các yêu cầu ứng dụng khác nhau được triển khai từ các dạng này.

Các hướng nghiên cứu mới tập trung vào việc phát triển các loại sợi quang đặc biệt, vật liệu pha tạp mới và kỹ thuật bơm quang tiên tiến để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí của hệ thống khuếch đại quang. Một trong những hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn là sử dụng cấu trúc nano trong sợi quang để tăng cường tương tác giữa ánh sáng và vật liệu khuếch đại, từ đó nâng cao hiệu quả khuếch đại.

Tích hợp khuếch đại quang sợi với các công nghệ truyền dẫn mới như truyền dẫn quang không gian tự do (free-space optics) và truyền dẫn quang lượng tử (quantum optics) hứa hẹn sẽ mở ra những khả năng mới trong việc xây dựng các mạng lưới thông tin quang siêu tốc và bảo mật cao.

Khuếch đại quang sợi đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ mạng 5G và các ứng dụng tương lai như Internet of Things (IoT) và trí tuệ nhân tạo (AI), bằng cách cung cấp băng thông rộng và tốc độ truyền dẫn cao cần thiết cho các ứng dụng này.