BÁO CÁO TIẾN ĐỘ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Tìm hiểu khuếch đại RAMAN

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO TIẾN ĐỘ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Tìm hiểu khuếch đại RAMAN Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Phương Chi Sinh viên thưc Mã số sinh viên : Cao Hải Phương : 20122241 Hà Nội, tháng 11/2017 I GIỚI THIỆU VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG I.1 Giới thiệu chung Khuếch đại quang học hay khuếch đại tín hiệu quang học thiết bị trực tiếp khuếch đại tín hiệu quang học mà khơng cần phải chuyển đổi thành tín hiệu điện Một khuếch đại quang học coi laser mà khơng có hốc quang học, phản hồi từ khoang bị tri ệt tiêu B ộ khuếch đại quang học có vai trị quan trọng truyền thơng sợi quang I.2 Nguyên lý khuếch đại Nguyên lý khuếch đại quang dựa ngun lý phát xạ kích thích khơng có cộng hưởng khuếch đại Hiện tượng phát xạ kích thích ba tượng biến đổi quang điện ứng dụng thông tin quang Các tượng minh hoạ hình 1.3.Phân loại khuếch đại quang Trong khuếch đại quang, trình khuếch đại ánh sáng thực vùng tích cực Các tín hiệu quang khuếch đại vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ phụ thuộc vào lượng cung cấp từ nguồn bơm bên ngồi Tùy theo cấu tạo vùng tích cực, có th ể chia khu ếch đại quang thành hai loại là: Khuếch đại quang bán d ẫn SOA khu ếch đ ại quang sợi OFA Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực cấu tạo vật liệu bán dẫn Nguồn cung cấp lượng để khuếch đại tín hiệu dịng điện Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực s ợi quang pha đ ất Nguồn cung cấp lượng laser có bước sóng phát quang nhỏ bước sóng tín hiệu cần khuếch đại Một loại OFA tiêu biểu EDFA EDFA có nhiều ưu ểm v ề đặc tính kỹ thuật so với SOA Ngồi ra, cịn có loại khuếch đại sử dụng nhiều h ệ thống WDM khuếch đại Raman Khuếch đại Raman sử dụng s ợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng SOA EDFA hoạt động dựa phát xạ kích thích cịn khuếch đại Raman dựa ảnh hưởng phi tuyến sợi quang (hiện thượng tán xạ Raman kích thích SRS) tượng phát xạ kích thích 1.4 Ứng dụng khuếch đại quang Khuếch đại quang ứng dụng hệ thống truyền dẫn quang làm tăng công suất đường truyền, khắc phục suy hao s ợi quang mối hàn nối đường truyền Tuỳ theo vị trí lắp đặt mà khuếch đại chia làm lo ại, nh hình vẽ 1.5 phía Hình 2.1:Các ứng dụng khuếch đại (a)Khuếch đại đường dây (b)Khuếch đại công suất (c)Bộ tiền khuếch đại Bộ khuếch đại đường dây thực nhằm làm bù mát tín hiệu đường dây hàn nối, khoảng cách…Yêu cầu gi ữ nhiễu mức độ thấp, thực việc trao đổi tín hiệu quang với s ợi quang t ốt nhất, ổn định tồn dải thơng WDM Bộ khuếch đại công suất đặt phát quang nhằm làm tăng cực đại tín hiệu truyền, nhằm đường truyền xa có th ể Yêu cầu khuếch đại công suất ngõ lớn nhất, độ l ợi Bộ tiền khuếch đại đặt phía trước thu nhằm khuếch đại tín hiệu thu Điều làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt đ ộ nhạy thi ết b ị thu, cho phép hệ thống truyền dẫn với tốc độ cao Yêu cầu b ộ ti ền khu ếch đại độ nhạy lớn, độ lợi lớn, nhiễu thấp II BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 2.1 Tán xạ Raman 2.1.1 Ánh sáng Ánh sáng có tính lưỡng tính sóng hạt Tính chất sóng ánh sáng đ ược quan sát thấy qua tượng giao thoa, tán s ắc Ánh sáng có b ản ch ất sóng điện từ Các mode trường điện từ tập nghiệm phương trình sóng Tính chất hạt ánh sáng thể qua khả đâm xuyên, hi ện tượng quang điện, tác dụng ion hoá Ánh sáng bao gồm photon mang lượng xác định hf h số Plank f tần số ánh sáng 2.1.2 Tương tác ánh sáng môi trường Một chùm sáng từ chân không vào môi trường bị phản xạ phần mặt ngăn cách Phần khúc xạ vào môi trường lại bị tán sắc, bị môi trường hấp thụ bị tán xạ phần phía Theo Lorentx ta có giả thiết sau đây:  Phân tử chất tạo thành từ ion electron Electron có khối lượng m mang điện tích nguyên tố C coi điện tích ểm  Bên vật dẫn, electron chuyển động hồn tồn tự Chuyển động có hướng electron vật dẫn ảnh hưởng điện trường tạo nên dịng điện dẫn Trong điện mơi, electron chuyển động tự Nhưng không liên kết cố định với ion, mà dịch chuyển chút tác dụng lực bên ngồi Ion mang điện tích âm dương dịch chuyển tác dụng điện trường Nhưng ion có khối lượng lớn electron nhiều nên di chuyển chậm Trong điện trường biến đổi nhanh sóng ánh sáng miền thấy được, ion không kịp dịch chuyển Chỉ khảo sát miền hồng ngoại ta cần kể đến ảnh hưởng ion 2.1.3 Sợi quang Sợi quang thành phần quan trọng mạng, tao s ự k ết n ối thiết bị Hai thông số s ợi quang suy hao tán săc Do dó, người ta sử dụng sợi quang có suy hao nhỏ, chủ yếu sử dụng s ợi quang theo chuẩn G.652 Trên thực tế, để khắc phục nhược điểm truyền dẫn thông tin cáp đồng, từ lâu người ta cho đời cáp quang v ới nh ững tính ưu Viêt Khơng giống cáp đồng truyền tín hiệu ện, cáp quang dùng ánh sáng đê truyền tín hiệu Chính khác bi ệt đó, mà cáp quang bi nhiễu, tốc độ cao có khả truyền xa Hình 2.2 : Cấu tạo sợi quang Cáp quang có cấu tạo gồm dây dẫn trung tâm sợi thủy tinh plastic tinh chế nhằm cho phép truyền tối đa tín hi ệu ánh sáng S ợi quang tráng lớp lót nhằm phản chiếu tốt tín hiệu Cáp quang gồm phần sau:  Lõi: Trung tâm phản chiếu sợi quang nơi ánh sáng  Cladding: Vật chất quang bên bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi  Buffer coating: Lớp phủ dẻo bên bảo vệ sợi không bị hỏng ẩm ướt  Jacket: Hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang đặt bó gọi Cáp quang Những bó bảo vệ lớp phủ bên cáp gọi jacket 2.1.4 Quá trình truyền ánh sáng sợi quang Suy hao Vận tốc truyền ánh sáng sợi quang nhỏ vận tốc truy ền ánh sáng chân không Ký hiệu c vận tốc truyền ánh sáng chân không, n chiết suất lõi sợi, vận tốc truy ền ánh sáng s ợi quang đ ược tính theo cơng thức (2.1) v c n , c 3.10  m / s  (2.1) Ánh sáng truyền dọc theo sợi bị suy hao Ký hi ệu  [1/m] hệ số suy hao sợi quang, P0 công suất đầu vào sợi quang, công suất đầu s ợi quang có chiều dài L tính theo cơng thức: PT  P0 e  L (2.2) Để tính toán hệ số suy hao, đơn vị thường sử dụng  dB  dB / km Phương trình chuyển đổi đơn vị :  10dB ln10   1000     1 / m  (2.3) Cơng suất quang thường tính theo đơn vị dBm thay cho Watt Quan hệ hai đơn vị biểu thị công thức (2.9)  PW   P dBm 10 log10    10 W  (2.4) Tán sắc Tán sắc tượng dãn rộng xung ánh sáng truyền s ợi quang Tán sắc có nhiều loại tán sắc mode, tán sắc màu tán sắc mode phân cực Tán sắc mode xảy sợi quang đa mode Do mode có tốc độ lan truyền khác nên thời gian truyền mode khác nhau, gây tán sắc mode Tán sắc màu phân chia thành tán sắc vật liệu tán s ắc ống d ẫn sóng Tán sắc vật liệu xảy phụ thuộc chi ết su ất vào b ước sóng Tán sắc ống dẫn sóng xảy ánh sáng truyền s ợi không ph ải ánh sáng đơn sắc, số lan truyền  hàm bước sóng Các thành phần bước sóng khác có vận tốc nhóm khác gây tán s ắc ống d ẫn sóng Tán s ắc màu có ảnh hưởng lớn đến hệ thống thông tin quang Tán sắc màu làm tăng ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến sợi quang dẫn đến gi ới hạn khoảng cách truyền dẫn hệ thống thông tin quang 2.1.5 Tán xạ ánh sáng Khi ánh sáng truyền qua môi trường vật chất suốt phần l ớn ánh sáng truyền thẳng phần nhỏ bị tán xạ Môi trường có th ể gây nhi ều loại tán xạ điển hình tán xạ Rayleigh, tán xạ Brillouin, tán x Raman… Tuỳ thuộc vào loại vật chất, ánh sáng, ều kiện môi tr ường… mà m ỗi loại tán xạ xảy khác Tán xạ Rayleigh trình tán xạ đàn hồi, tần số ánh sáng tán x b ằng tần số ánh sáng tới Trạng thái phân tử vật chất tán x Rayleigh không thay đổi sau ánh sáng truyền qua Ngược lại, tán xạ Brillouin tán x Ramman trình tán xạ không đàn hồi, nguyên tử b ị kích thích có ánh sáng qua tần số ánh sáng tán xạ bị dịch chuy ển so v ới t ần s ố c ánh sáng tới a-Quá trình tán xạ đàn hồi b-Quá trình tán xạ khơng đàn h ồi Hình 2.3:Q trình tán xạ ánh sáng Các hiệu ứng tán xạ làm giới hạn cơng suất quang lớn truyền sợi Trong hệ thống WDM tán xạ nguyên nhân gây nhiễu gi ữa kênh Tuy nhiên tán xạ Raman ứng dụng khuếch đại quang Raman bước sóng mà khuếch đại quang EDFA không phù hợp 2.1.7 Tán xạ Raman Tán xạ Raman phân chia thành hai loại: Tán xạ Raman tự phát) tán xạ Raman kích thích Hiệu ứng tán xạ Raman tự phát dự đoán b ởi Smekal vào năm 1923 đến năm 1928 Raman thực nghiệm Trong trình tán xạ Raman tự phát, ánh sáng tới tương tác v ới môi trường làm sinh photon Tuỳ thuộc vào chất môi trường photon sinh có tần số lớn nhỏ tần số ánh sáng tới Giản đồ lượng trình tán xạ Raman th ể hi ện Hình Electron chuyển từ trạng thái khởi đầu (trạng thái bản) lên tr ạng thái ảo (trạng thái kích thích) hấp thụ photon có lượng hiệu lượng trạng thái ảo trạng thái khởi đầu Khi chuy ển từ tr ạng thái ảo v ề trạng thái cuối electron phát xạ photon có lượng hiệu lượng trạng thái ảo trạng thái cuối Nếu trạng thái khởi đầu có lượng thấp lượng trạng thái cuối, tần số photon phát xạ nhỏ tần số ánh sáng tới trình tán xạ tạo ánh sáng Stoke Hình 2.4:Giản đồ lượng trình tán xạ Raman (a)Tán xạ Stoke (b)Tán xạ phản Stoke Giả sử 1 ,  tần số ánh sáng tới ánh sáng tán xạ,  tần số phonon sinh Khi theo định luật bảo tồn chuy ển hố lượng  1 -  Ngược lại trạng thái cuối có lượng thấp q trình tán xạ tạo ánh sáng phản Stoke có tần s ố  1   , chêch lệch mức lượng trạng thái khởi đầu trạng thái cuối lượng m ột phonon Thực tế, tán xạ phản Stoke thường yếu tán xạ Stoke Tần số photon tán xạ xác định tần số dao động nguyên tử Với thuỷ tinh, quang phổ ánh sáng tán xạ Raman gồm nhi ều thành phần tần số khác nguyên tử thuỷ tinh dao đ ộng khoảng tần số rộng Hiệu ứng tán xạ Raman tự phát ứng dụng để xác định cấu trúc phân tử, thành phần cấu tạo loại liên kết phân tử Khi ta tăng dần cơng suất bơm đầu vào cơng suất sóng Stoke tăng dần Nhưng cơng suất sóng bơm vượt q giá tr ị xác đ ịnh cơng suất sóng Stoke tăng lên nhanh theo hàm mũ Nguyên nhân gây tượng trình tán xạ Raman kích thích 2.2 Nguyên lý hoạt động khuếch đại Raman Khuếch đại Raman dựa tượng tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering) Tán xạ Raman kích thích hi ện t ượng m ột nguyên tử hấp thụ lượng photon, sau tạo photon có lượng khác Vì vậy, tán xạ Raman kích thích đ ịnh nghĩa hi ện t ượng photon thứ cấp sinh nguồn bên ngồi Để có khuếch đại Raman phải tạo nghịch đảo n ồng đ ộ Đi ều đạt cách cung cấp lượng cho nguyên tử sợi quang từ laser bơm có bước sóng thấp bước sóng tín hiệu Khi đó, ngun tử sợi quang hấp thụ lượng bơm có lượng cao(b ước sóng ngắn) chuyển lên mức cao Khi có tín hi ệu đ ến, kích thích nguyên tử mức lượng cao chuyển sang trạng thái l ượng th ấp giải phóng lượng dạng photon ánh sáng có bước sóng (dài bước sóng bơm) pha với tín hi ệu đến Do đó, tín hi ệu khuếch đại 10 Hình 2.12:Sơ đồ chuyển lượng khuếch đại Raman Hình 2.5:Sơ đồ chuyển lượng khu ếch đại Raman Dựa giản đồ lượng trên, tần số ánh sáng bơm fbơm tần số ánh sáng khuếch đại fkhuếch đại tính sau fbơm= E3-E1 (2.21) fkhuếch đại= (E2-E1)/h (2.22) Trong đó: h số Plank;E1, E2, E3 lượng trạng thái lượng cao(transition state), trạng thái lượng trung gian ( vibration state) trạng thái lượng thấp ( ground state) nguyên tử sợi quang Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang khuếch đại dọc theo tồn chiều dài sợi quang silic bình thường Cấu trúc khuếch đại Raman minh họa hình 2.13 11 Hình 2.6: Cấu trúc khuếch đại Raman Sợi quang: nơi xảy trình khuếch đại S ợi quang s ợi quang truyền tín hiệu sợi SMF, DCF Bộ ghép(Coupler): dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào sóng bơm Laser bơm(Pump Laser):dùng để cung cấp lượng cho nguyên tử sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích giúp tạo s ự ngh ịch đ ảo n ồng độ Bộ cách ly(Isolator): Đặt hai đầu khuếch đại quang đ ể ngăn chặn tín hiệu phản xạ hai đầu khuếch đại Đồng th ời giúp loại tr nhiễu ASE theo hướng ngược phía đầu vào gây ảnh h ưởng đến tín hiệu đầu vào 2.3 Bơm phương trình tín hiệu Trong phần tử môi trường nào, tán xạ Raman tự phát có th ể chuyển phần nhỏ lượng ( thông thường < 10-6 ) từ miền quang tới miền quang khác mà tần số bị dịch xuống đại l ượng đ ược xác định kiểu dao động môi trường Hiện tượng tìm Raman năm 1928 biết tác động Raman Như hình 2.14, nhìn dạng học lượng tử tán xạ photon có lượng h  P tạo phần tử có lượng photon tần số thấp h  S Phonon quang có lượng khác sinh suốt q trình này, phần tử chuyển tới trạng thái dao động kích thích Th ực v ậy, ánh sáng tới tác động bơm cho phát sinh dịch xạ RED g ọi dòng Stokes Bộ phận dịch BLUE biết dịng phản Stokes, sinh cường độ yếu nhiều so với dịng Stokes q trình phản Stokes u cầu trạng thái dao động xác định ban đầu m ột phonon phải 12 lượng động lượng Trong phần sau bỏ qua trình ph ản Stokes coi chạy ảo khơng có vai trị khuếch đại quang Hình 2.7:Sơ đồ minh họa trình tán xạ Raman t quan ểm c h ọc lượng tử Một photon Stokes lượng giảm hωs tạo tức thời photon bơm có lượng hωp nâng lên tới mức ảo đường nét đứt Mặc dù tán xạ Raman tự phát xảy phần tử mơi trường nào, đủ yếu để bỏ qua chùm tín hi ệu quang lan truy ền qua sợi quang Nó quan sát năm 1962 cho trường quang cường độ lớn, tượng phi tuyến SRS xảy sóng Stokes tăng nhanh bên mơi trường giống hầu hết công suất chùm ánh sáng b ơm truy ền qua Kể từ năm 1962, SRS nghiên cứu rộng rãi nhi ều mơi trường phần tử tìm số ứng dụng SRS quan sát sợi quang silica năm 1972; sớm sau đó, suy hao lớn s ợi quang đ ược giảm tới mức chấp nhận Kể từ đó, đặc ểm trình tán x Raman lượng tử hóa cho nhiều gương quang dạng s ợi dạng khối Thực tế, SRS không dễ dàng quan sát sợi quang sử dụng chùm ánh sáng bơm CW giá trị ngưỡng tương đối cao ( ~ 1W) Tuy nhiên, chùm ánh sáng Stokes với tần số bơm v ới chùm ánh sáng 13 bơm hình 2.15 khuếch đại đáng kể sử dụng chùm ánh sáng bơm CW với mức cơng suất ~ 100mW Bơm tín hiệu bơm hướng đối chất gần đẳng hướng SRS Trong thực tế, cấu hình bơm nghịch lại ưu tiên làm hi ệu b ộ khuếch đại Raman tốt Mặc dầu, khuếch đại Raman s ợi quang c s thu hút ý đáng kể suốt năm 1980, ch ỉ có giá tr ị v ới laser bơm thích ứng cuối năm 1990 Hình 2.8:Bộ khuếch đại Raman sợi quang sở cấu hình bơm thu ận 2.4.Phân loại khuếch đại Raman 2.4.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) Hình 2.9: Khuếch đại tập trung (a) khuếch đại phân bố (b) Với khuếch đại Raman phân bố DRA, ánh sáng bơm phân b ố tr ải dài sợi quang DRA tận dụng sợi quang s ẵn có m ạng nh m ột phương tiện để khuếch đại tín hiệu ánh sáng khu ếch đ ại đồng dọc theo sợi quang khoảng cách l ớn (V ới b ộ khu ếch đ ại 14 DRA, thông thường ánh sáng bơm có cơng suất cao bơm theo hướng ngược để kết hợp với khuếch đại tập trung khác b ộ khu ếch đ ại quang sợi pha đất EDFA Ưu điểm DRA cải thi ện tỷ s ố tín hi ệu nhiễu SNR giảm tính phi tuyến Hình 2.10: Cơng suất tín hiệu hệ thống s dụng DRA Hình 2.25 biểu diễn mức cơng suất ánh sáng tín hi ệu theo kho ảng cách hệ thống khuếch đại theo chu kỳ Đỉnh hình cưa tương ứng với điểm khuếch đại tập trung Đường nét đứt bi ểu di ễn công suất ánh sáng tín hiệu hệ thống sử dụng khuếch đại tập trung v ới tăng ích cao Đường cong hình tương ứng với cơng suất ánh sáng tín hiệu trường hợp sử dụng khuếch đại DRA kết hợp với khuếch đại quang t ập trung có tăng ích nhỏ Khi sử dụng DRA mức cơng suất tín hiệu dọc theo s ợi quang đồng Nếu kết hợp khuếch tập trung mức ánh sáng tín hi ệu đ ỉnh khơng lớn Như tránh hiệu ứng phi tuyến Đồng th ời m ức công suất ánh sáng tín hiệu khơng xuống thấp q ảnh h ưởng suy hao tỷ số SNR cải thiện Tỷ số SNR cao tương ứng với khả tăng khoảng cách khuếch đại tăng dung lượng kênh tín hi ệu Khoảng cách khuếch đại quang tập trung th ường kho ảng 80 km, cách sử dụng DRA hiệu hệ thống tương đương v ới sử dụng khuếch đại quang tập trung với khoảng cách chúng 35 đến 38 km 15 Ngoài khả tăng khoảng cách khuếch đại tăng t ốc độ bit DRA sử dụng hệ thống WDM để giảm khoảng cách kênh hoạt động bước sóng tán sắc khơng Bên cạnh ưu điểm vừa nêu, khuếch đại Raman tập trung có m ột s ố nhược điểm:  Sợi quang có chiều dài hiệu dụng thấp Leff xác định từ hệ số suy hao sợi Trong khuếch đại DRA chiều dài hiệu dụng s ợi quang thường nhỏ 40 km Chiều dài hiệu dụng thấp làm giảm khả tăng khoảng cách khuếch đại  DRA có cơng suất ánh sáng bơm cao, ví dụ để tối ưu hố mức nhi ễu cơng suất ánh sáng bơm với sợi dịch tán sắc khoảng 580 mW 1.28 W với sợi đơn mode chuẩn Với mức công suất ánh sáng bơm cao thiết bị quang connector dễ bị hư hại  DRA nhạy cảm với điều kiện môi trường nhiệt độ, đ ộ ẩm… thay đổi học  Một vấn đề đáng quan tâm khác DRA nhiễu tán xạ Rayleigh kép Các khuếch đại DRA thường có nhiễu DRS cao so với khuếch đại Raman tập trung sử dụng loại sợi có chiều dài sợi Những vấn đề làm giảm tính ưu việt DRA Tuy nhiên l ợi ích t t ỷ s ố SNR giảm hiệu ứng phi tuyến DRA lớn nên DRA s dụng rộng rãi hệ thống cự ly dài 2.4.2 Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) Bộ cách ly quang Sợi quang khuếch đại Raman Coupler Ánh sáng bơm Ánh sáng tín hiệu khuếch đại Laser bơm 16 Hình 2.11: Khuếch đại Raman tập trung Bộ khuếch đại Raman tập trung LRA khối đơn Trong khuếch đại Raman tập trung tất công suất ánh sáng bơm tập trung m ột khối Hình 2.26 thí dụ kết nối khuếch đại Raman tập trung hệ thống thông tin quang Trong sơ đồ ánh sáng b ơm gi ữ b ộ khuếch đại cách ly xung quanh khuếch đại với chi ều dài s ợi tăng ích Raman khoảng vài km Như khác với khu ếch đại Raman phân b ố ánh sáng bơm không vào sợi quang từ bên khuếch đại Đặc điểm đáng lưu ý khuếch đại Raman tập trung khả sử dụng dải bước sóng mà dải băng EDFA không th ể ho ạt động 2.4.3 Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA Hình 2.12: Khuếch đại quang lai ghép EDFA/Raman Như phần (2.6.1) trình bày, khuếch đại quang Raman phân bố DRA sử dụng kết hợp với khuếch đại tập trung khác ển hình số kết hợp với khuếch đại EDFA hình thành khu ếch đ ại quang lai ghép Raman/EDFA Loại khuếch đại quang có th ể thay th ế b ộ khuếch đại EDFA khuếch đại Raman phân bố đóng vai trị b ộ khuếch đại tạp âm nhỏ (tiền khuếch đại) 2.5.Nguồn nhiễu khuếch đại Raman Có nguồn nhiễu kỹ thuật Raman, là: Nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS Nó tương đương với tượng tán xạ đơn (một tán xạ phản xạ tán xạ tới) tính chất không đồng b ộ vi hi ển th ị b ằng thu ỷ tinh t hợp Khuếch đại xạ tự phát(ASE) truyền huớng nghịch phản 17 xạ lại hướng thuận nhờ DRS kết thu kích thích Raman phân tán tạo nên Điều góp phần làm cho ASE phản xạ nhi ều l ần, làm giảm tỷ số S/N Hơn nữa, DRS gây nhi ều ến nhiễu giao thoa điều làm giảm SNR DRS tương ứng v ới chi ều dài c s ợi h ệ số tăng ích bên sợi, điều quan tr ọng kỹ thu ật Raman độ dài sợi quang, nơi có chi ều dài vài km u cầu điển hình Đứng quan ểm thực tế, hệ số tăng ích DRS giới hạn tầng cỡ khoảng xấp xỉ 10 đến 15 dB Để khuếch đại đạt hệ số tăng ích cao sử dụng biện pháp cách ly tầng v ới khuếch đại Ví dụ, khuếch đại Raman phân tán 30 dB giới thiệu với tầng khuếch đại cho độ nhiễu nhỏ 5.5 dB Nhiễu thời gian sống electron trạng thái kích thích ngắn Nguồn nhiễu thứ hai xuất thời gian sống ngắn ( cỡ khoảng đến fs) xạ Raman trạng thái cao ( xạ từ trạng thái thấp lên trạng thái cao) Kết tượng gần xảy tức s ự ghép nối dao động kích thích tới tín hiệu Cách thơng d ụng đ ể tránh ghép nối bất lợi tạo kích thích m ột đếm truy ền tín hi ệu, có tác dụng hữu hiệu mở đầu cho thời gian sống trạng thái cao mà tương đương với thời gian truyền tồn sợi Nếu sử dụng đếm truyền tín hiệu kích thích Laser kích thích khơng bị kích thích Đi ều ến chúng có cường độ nhỏ, gọi Cường độ nhiễu tương đ ối (RIN) Ví dụ, đếm truyền kích thích sử dụng Laser Diode Fabry-Perot thay sử dụng LD có lọc quang ổn định Nhiễu phát xạ tự phát ASE Nguồn nhiễu chủ yếu thứ ba kỹ thuật Raman thường ASE Đi ển hình mức cơng suất trung bình, với tín hiệu ASE ln có nhiễu tổng hợp tồn - gọi nhiễu tổng ASE Rất may khu ếch đ ại Raman v ốn có độ nhiễu thấp ảnh hưởng từ tín hiệu ASE tổng hệ thống Raman ln hoạt động hệ thống đảo hoàn toàn Ví dụ, cơng thức tính mật độ phổ cơng suất ASE : SASE (ν) = (G – 1).hν.N2/(N2 – N1) 18 (2.47) Và cơng thức tính dạng nhiễu : NF = 1/G.[ 2.SASE (ν)/ hν + ] (2.48) Với N2 mẫu trạng thái cao hơn, N trạng thái thấp Với kỹ thuật Raman tỷ số N2/(N2 – N1) giới hạn xung quanh mức ‘1’ Chẳng hạn kỹ thuật EDFAs tỷ số thường lớn ‘1’ Trong sợi EDFAs giới hạn tỷ số ngang mức ‘1’ khuếch đại đảo hoàn toàn toàn chiều dài sợi quang thu Mặt khác, từ kỹ thu ật Raman s d ụng s ợi quang tuyến dài, phần mát thụ động nhỏ sợi thu cần tính thêm vào xét tới dạng nhiễu Nhưng dù sao, khuếch đại Raman phân tán v ới đ ộ nhiễu khoảng 4.2 dB xét đến Nhiễu bước sóng ánh sáng bơm ánh sáng tín hiệu gần Nó xuất tử bị kích thích nhiễu quang t ạo bước sóng tín hiệu có phổ khuếch đại gần v ới b ước sóng kích thích sử dụng khuếch đại Nói cách khác nhiệt đ ộ phòng hay nhiệt độ thang máy, có mẫu nhiệt ến cho tử sợi thủy tinh tự động kích hoạt từ tạo sóng kích thích, theo mà tạo thêm nhiễu cho tín hiệu gần với bước sóng kích thích Nó cho th r ằng điều dẫn đến việc tăng độ nhiễu lên tới dB tín hiệu có bước sóng gần bước sóng kích thích III III.1 ĐÁNH GIÁ BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN Ưu điểm  Đối với ứng dụng hệ thống viễn thông, cáp quang b ộ khuếch đại Raman cạnh tranh với EDFA So với tính điển hình là: 19  Bộ khuếch đại Raman khuếch đại vùng bước sóng khác miễn có nguồn bơm có sẵn  Phổ đạt được thiết kế cách sử dụng bước sóng bơm khác lúc  Tạp âm nhiễu thấp  Cấu trúc đơn giản không cần sợi đặc biệt  Dễ chọn băng tần  Có thể đạt băng thông rộng nhờ kết hợp vài laser bơm III.2 Nhược điểm  Xuyên âm kênh tín hiệu tượng tán xạ Raman kishc thích SRN Đây hiệu ứng phi tuyến sợi quang có th ể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM  Hệ số khếch đại thấp  Hiệu suất khuếch đại thấp so với EDFA, khuếch đại Raman cần máy bơm lớn để đạt độ lợi 3.3 Ứng dụng khuếch đại Raman Cùng với phát triển kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truy ền d ẫn không ngừng đạt thành tựu to lớn đặc bi ệt kỹ thu ật truy ền d ẫn môi trường cáp sợi quang Tương lai cáp sợi quang sử dụng rộng rãi mạng viễn thông coi môi trường truyền dẫn lý tưởng Các h ệ thống với ưu điểm băng thông rộng, cự li xa, không bị ảnh hưởng nhi ễu khả bảo mật cao… Raman phân tích khí có nhiều ứng dụng thực tế chúng đ ược s d ụng y học để theo dõi thời gian khí gây mê hơ hấp phẫu thu ật Quang phổ Raman điều tra phương tiện để phát chất nổ cho an ninh sân bay Quang phổ Raman sủ dụng để xác nhận dự đoán tồn tần số thấp phonon protein DNA Khuếch đại Raman tảng cho khuếch đại công suất c ự ly truy ền dẫn dài cực dài, hoạt động băng tần rộng tàn s ố mà EDFA hoạt động Mặt khác, nhờ kỹ thuật đan xen nên khu ếch đ ại Raman có độ rộng băng tần lớn Hiện nay, khuếch đại Raman băng r ộng lên đến 136nm thay 100nm trước 20 Đối với hệ thống cần khuếch đại Raman tập trung băng rộng kèm với khuếch đại Raman phân bố băng rộng có th ể đáp ứng nhu cầu Bộ khuếch đại Raman phân bố băng rộng khơng khác v ới h ệ thống Tuy nhiên, khuếch đại tập trung đơn gi ản nhi ều: s ố lượng nguồn bơm hơn, hệ thống giám sát đặc bi ệt khơng có b ộ hợp chia băng Đồng thời kết hợp sợi tăng ích sợi bù tán s ắc khuếch đại tập trung để nâng cao hiệu hệ thống Trở ngại lớn cho việc sử dụng khuếch đại Raman mạng vi ễn thơng hiệu thấp so với EDFA Tuy nhiên, tốc độ bit tổng số kênh tăng lên, khuếch đại Raman trở nên hấp dẫn Tăng ích c khu ếch đ ại Raman lớn Hình 3.1: Hiệu suất chuyển đổi công suất Raman EDFA 21 ... nhiên tán xạ Raman ứng dụng khuếch đại quang Raman bước sóng mà khuếch đại quang EDFA khơng phù hợp 2.1.7 Tán xạ Raman Tán xạ Raman phân chia thành hai loại: Tán xạ Raman tự phát) tán xạ Raman kích... gây tượng q trình tán xạ Raman kích thích 2.2 Ngun lý hoạt động khuếch đại Raman Khuếch đại Raman dựa tượng tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering) Tán xạ Raman kích thích hi ện t... 2.4.Phân loại khuếch đại Raman 2.4.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) Hình 2.9: Khuếch đại tập trung (a) khuếch đại phân bố (b) Với khuếch đại Raman phân bố DRA, ánh sáng