Khuếch đại Raman trong truyền thông quang

Khuếch đại Raman trong truyền thông quang

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Mặc dù tán xạ không đàn hồi của phần tử ánh sáng, một hiện tượng được biết như tán xạ Raman, được tìm ra bởi C.V. Raman trong năm 1928, nhưng hiện tượng phi tuyến của tán xạ Raman kích thích không được chứng minh cho đến năm 1962. Không lâu sau đó, sợi quang silica suy hao thấp được sử dụng trong năm 1970, Roger Stolen và những người đồng nghiệp sử dụng tán xạ Raman kích thích trong nhiều sợi quang không chỉ cho khuếch đại của tín hiệu quang mà còn cho cấu tạo laser Raman sợi cơ sở. Khả năng của bộ khuếch đại Raman cho bù suy hao sợi quang trong hệ thống sóng ánh sáng được chứng minh trong những năm 1980 trong một vài thí nghiệm được làm bởi Linn Mollenauer và đồng nghiệp của ông. Tuy nhiên, những thí nghiệm này không phù hợp cho sự phát triển bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang thương mại. Tiếp theo bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium có bơm sử dụng laser bán dẫn có tính thực tiễn hơn nên khuếch đại Raman đã bị bỏ qua suốt nhưng năm 1990. Tuy nhiên, việc nghiên cứu laser bơm thích ứng cho khuếch đại Raman vẫn được tiến hành. Một vài công nghệ tiên tiến được tìm ra trong những năm 1990 giúp cho việc sản xuất ra laser bán dẫn đơn mode ngang có khả năng phát mức công suất vượt quá 0,2 W. Người ta cũng nhận thấy rằng một vài laser bơm có thể sử dụng tương thích tại bước sóng khác nhau và cung cấp độ khuếch đại Raman qua một băng tần rộng bao gồm cả băng truyền dẫn C và L. Hơn nữa, người ta cũng chế tạo ra bộ khuếch đại Raman phân bố có độ khuếch đại trên 10 km có nhiễu nhỏ hơn so với bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium có độ khuếch đại trên 10 mét. Khi laser bán dẫn công suất lớn có giá trị về thương mại vào cuối thế kỷ 20, bộ khuếch đại Raman đã được sử dụng trong một số thí nghiệm và thấy rằng nó cải thiện hiệu năng của hệ thống WDM. Tới năm 2003, việc sử dụng bộ khuếch đại Raman đã khá phổ biến cho hệ thống tầm xa được thiết kế để hoạt động qua hàng ngàn kilomet. Các bộ khuếch đại quang Raman có rất nhiều ưu điểm so với những loại khuếch đại quang đã được sử dụng trước đó và rất phù hợp với các hệ thống WDM đang được triển khai hiện nay. Các bộ khuếch đại quang Raman được coi là lời giải cho bài toán khuếch đại quang trong các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, cự ly dài và rất dài. i Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Nhận thức được tầm quan trọng của khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang, nên em chọn đề tài “ Khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp. Nội dung đồ án gồm 3 chương:  Chương 1: Giới thiệu tổng quan về khuếch đại quang: nguyên lý khuếch đại quang và một số tham số khuếch đại quang.  Chương 2: Trình bày về khuếch đại Raman: tán xạ Raman, ưu nhược điểm của khuếch đại Raman, nguyên lý khuếch đại Raman, bơm và phương trình tín hiệu, nhiễu trong khuếch đại Raman, phân loại các bộ khuếch đại Raman.  Chương 3: Trình bày ứng dụng của bộ khuếch đại Raman. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do khuếch đại Raman là một vấn đề khó nên nội dung đồ án khó tránh khỏi các thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy, cô giáo, các bạn sinh viên để đồ án này được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn cô giáo, ThS. Nguyễn Thị Thu Nga đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn thông tin quang, khoa viễn thông đã dạy dỗ, dìu dắt em trong suốt 5 năm học vừa qua. Xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày tháng năm 2008 Sinh viên Vương Thành Nam ii Đồ án tốt nghiệp Mục lục MỤC LỤC 1.2. Nguyên lý bộ khuếch đại quang 1 1.3.Phân loại khuếch đại quang 3 1.4. Hệ số độ lợi 3 1.5. Băng thông độ lợi 5 1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà 6 1.7. Hệ số nhiễu 7 1.8. Ứng dụng bộ khuếch đại quang 7 Kết luận chương I 9 CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 10 2.1.Tán xạ Raman 10 2.1.1.Ánh sáng 10 2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường 10 2.1.3.Sợi quang 11 2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 13 2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang 16 2.1.6.Tán xạ ánh sáng 18 2.1.7.Tán xạ Raman 19 2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 26 2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 47 2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 49 2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 51 2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 51 3.1.Ứng dụng trong hệ thống WDM 53 iii Đồ án tốt nghiệp Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ 1.2. Nguyên lý bộ khuếch đại quang 1 1.3.Phân loại khuếch đại quang 3 1.4. Hệ số độ lợi 3 1.5. Băng thông độ lợi 5 1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà 6 1.7. Hệ số nhiễu 7 1.8. Ứng dụng bộ khuếch đại quang 7 Kết luận chương I 9 CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 10 2.1.Tán xạ Raman 10 2.1.1.Ánh sáng 10 2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường 10 2.1.3.Sợi quang 11 2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 13 2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang 16 2.1.6.Tán xạ ánh sáng 18 2.1.7.Tán xạ Raman 19 2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 26 2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 47 2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 49 2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 51 2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 51 3.1.Ứng dụng trong hệ thống WDM 53 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu tự phát CW Continuous Wave Sóng liên tục DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc iv Đồ án tốt nghiệp Mục lục DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman phân bố DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Raman kép DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Ghép phân chia theo bước sóng dày đặc EDFA Erbium Droped Fiber Amplifer Khuếch đại quang sợi pha Erbium FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman tập trung NF Noise Figure Hệ số nhiễu NZDF Nonzero Dispersion Fiber Sợi quang tán sắc khác không OFA Optical Fiber Amplifer Bộ khuếch đại sợi quang OSA Optical Spectrum Analyzer Bộ phân tích phổ quang OSC Optical Service Channel Kênh dịch vụ quang SBS Stimulated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích thích SLA Superlarge Area Miền siêu rộng SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín trên tạp SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Hiện tượng tán xạ Raman kích thích WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo v Đồ án tốt nghiệp Mục lục bước sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo ZDW Zero Dispersion Wave Bước sóng tán sắc không vi Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 1.1.Giới thiệu chung Đối với tín hiệu quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn, sự suy giảm tín hiệu là không thể tránh khỏi. Do vậy, trên một đường truyền dẫn thông tin, tất yếu phải có bộ lặp nhằm khôi phục tín hiệu quang, khôi phục lại dạng xung, khôi phục lại biên độ Trong hệ thống thông tin cũ, các bộ lặp thường được thực hiện trên điện. Tín hiệu quang được truyền qua một bộ chuyển đổi O/E, sau khi khuếch đại, nó lại qua bộ E/O để thực hiện truyền dữ liệu tiếp đến đích. Hình 1.1:Bộ lặp quang điện Các hệ thống hiện nay (WDM – Wavelength Division Multiplexing), số lượng bước sóng là rất nhiều. Nếu sử dụng bộ lặp như hiện nay, tức là khuếch đại tín hiệu trên tín hiệu điện, thì sẽ phải cần rất nhiều các bộ lặp khác nhau, mỗi bộ lặp thực hiện khuếch đại một bước sóng. Điều này sẽ làm cho chi phí tăng lên rất nhiều lần, mà hiệu quả không cao. Để giải quyết chúng ta đặt ra vấn đề phải thực hiện khuếch đại ngay trên tín hiệu quang. Điều này sẽ dẫn tới có một số ưu điểm sau (so với trạm lặp): +) Không cần chuyển đổi E/O và O/E, nên mạch linh động hơn, đỡ cồng kềnh. +) Có thể khuếch đại cùng lúc nhiều bước sóng. +) Không phụ thuộc vào phương thức điều chế và tốc độ bit. 1.2. Nguyên lý bộ khuếch đại quang Nguyên lý khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và không có cộng hưởng trong khuếch đại. Vương Thành Nam - D04VT1 1 Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang. Các hiện tượng này được minh hoạ trong hình 1.2. Hình 1.2: Các hiện tượng biến đổi quang điện Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng lượng E v = hf 12 tác động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm E g = E 2 – E 1 bằng nhau (E v = E g ). Khi đó, điện tử sẽ nhận năng lượng và được nhẩy lên mức năng lượng cao hơn. Đây chính là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng suy hao cho tín hiệu quang. Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử ở mức năng lượng cao chuyển xuống mức năng lượng thấp, đồng thời phát ra một photon có mức năng lượng E v bằng độ lớn dải cấm E g . Mỗi một vật liệu sẽ có một thời gian sống khác nhau, khi hết thời gian sống nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát. Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiễu của bộ khuếch đại. Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi có một ánh sáng có năng lượng photon E v chính bằng năng lượng dải cấm E g . Khi đó, một điện tử ở mức năng lượng cao sẽ bị chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon có cùng pha với ánh sáng kích thích. Đây chính là nguyên lý khuếch đại của bộ khuếch đại quang. Có thể dễ dàng nhận thấy rằng, hiện tượng bức xạ tự phát có thể xảy ra bất kỳ lúc nào, và sẽ gây ra nhiễu cho bộ khuếch đại, được gọi là nhiễu tự phát (ASE). Hiện tượng hấp thụ thì sẽ gây ra suy yếu bộ khuếch đại. Như vậy, nếu mật độ năng lượng trong vật liệu khuếch đại là thấp sẽ gây ra hiện tượng hấp thụ lớn. Điều đó dẫn đến, nếu muốn khuếch đại lớn chúng ta phải thực hiện đảo mật độ hạt. Vương Thành Nam - D04VT1 2 Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang 1.3.Phân loại khuếch đại quang Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện trong vùng tích cực. Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ thì phụ thuộc vào năng lượng được cung cấp từ nguồn bơm bên ngoài. Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính là: Khuếch đại quang bán dẫn SOA và khuếch đại quang sợi OFA. Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn. Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu là dòng điện Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm. Nguồn cung cấp năng lượng là laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại. Một trong những loại OFA tiêu biểu là EDFA. EDFA có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA. Ngoài ra, còn có một loại khuếch đại được sử dụng nhiều trong các hệ thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman. Khuếch đại Raman cũng sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng. SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên phát xạ kích thích còn khuếch đại Raman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang (hiện thượng tán xạ Raman được kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích. 1.4. Hệ số độ lợi Hầu hết các bộ khuếch đại quang đều được thực hiện thông qua hiệu ứng bức xạ kích thích. Khuếch đại đạt được khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm quang, hay bơm điện để đảo lộn mật độ. Nhìn chung khuếch đại quang không chỉ phụ thuộc vào bước sóng truyền mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm, mật độ hạt có trong vật liệu. Chúng ta coi vật liệu là đồng nhất, ta có được phương trình sau: s PPT g g /)(1 )( 2 2 2 0 0 +−+ = ωω ω (1.1) Trong đó g 0 là giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω 0 là tần số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu được khuếch đại, P s là Vương Thành Nam - D04VT1 3 Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang công suất bão hoà. Công suất bão hoà P s phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại. Hệ số T 2 trong phương trình (1.1) được gọi là thời gian hồi phục phân cực, thường nhỏ hơn 1 ps . Phương trình (1.1) có thể dùng để mô tả các đặc tính quan trọng của bộ khuếch đại như là băng tần độ lợi, hệ số khuếch đại và công suất đầu ra bão hoà. Ở chế độ chưa bão hoà, coi P/P s << 1, khi đó phương trình 1.1 trở thành: 2 2 2 0 0 )(1 )( T g g ωω ω −+ = (1.2) Từ phương trình này có thể nhận thấy, hệ số độ lợi lớn nhất khi tần số khuếch đại ω = ω 0 tần số trung tâm. Nếu gọi P in , P out lần lượt là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại. Vậy thì hệ số khuếch đại là: in out P P G = (1.3) Mặt khác, ta lại có công thức sau: gP dz dP = (1.4) Suy ra: )exp()( gzPzP in = (1.5) Với P(z) là công suất tín hiệu tại vị trí z so với đầu vào. Giả sử khoảng rộng của bộ khuếch đại là L, khi đó P out = P(L). Suy ra hệ số khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là: Lg in L in out e P P P P G )( )( ω ω === (1.6) Dễ dàng nhận thấy rằng, g(ω) đạt giá trị lớn nhất tại ω = ω 0 nên G(ω) cũng đạt giá trị lớn nhất tại ω 0 . Và giá trị hai hệ số này cũng đều giảm khi (ω – ω 0 ) tăng. Ta có biểu đồ sau: Vương Thành Nam - D04VT1 4 [...]... II:Bộ khuếch đại Raman state) và trạng thái năng lượng thấp (ground state) của các nguyên tử trong sợi quang Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang được khuếch đại dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi quang silic bình thường Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman được minh họa trong hình 2.13 Hình 2.13: Cấu trúc bộ khuếch đại Raman Sợi quang: là nơi xảy ra quá trình khuếch đại Sợi quang này cũng là sợi quang. .. thiệu về khuếch đại quang cho phép hệ thống truyền dẫn với tốc độ cao hơn Yêu cầu của bộ tiền khuếch đại này là độ nhạy lớn, độ lợi lớn, và nhiễu thấp Kết luận chương I Chương này đã giới thiệu tổng quan về khuếch đại quang Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang Một số thông số của bộ khuếch đại quang Ứng dụng của bộ khuếch đại quang Ở chương tiếp theo em sẽ trình bày chi tiếp về bộ khuếch đại Raman. .. II:Bộ khuếch đại Raman Hình 2.10:Các công suất bơm khác nhau trong một hệ thống khuếch đại Raman Hình 2.11: So sánh giữa công suất bơm phát và độ khuếch đại cung cấp bởi mỗi bước sóng bơm Vương Thành Nam - D04VT1 25 Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại Raman 2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering) Tán xạ Raman. .. mỗi bộ khuếch đại riêng lẻ và công suất tín hiệu cao hơn được yêu cầu trong mỗi bộ khuếch đại đó Đây là lý do tại sao khuếch đại phân bố cung cấp hiệu năng được cải thiện hơn so với khuếch đại rời rạc Thêm nữa, nó cũng giải thích tại sao mỗi khi khuếch đại Raman làm việc, độ khuếch đại đều được phân bố dọc theo chiều dài sợi quang, cải thiện hiệu năng tốt hơn là cung cấp bởi hệ thống khuếch đại phân... những năm 1980, nhưng nó chỉ có giá trị với laser bơm thích ứng trong cuối những năm 1990 Hình 2.15:Bộ khuếch đại Raman sợi quang cơ sở trong cấu hình bơm thuận 2.4.1 Phổ độ khuếch đại Raman Đặc tính quan trọng nhất của bộ khuếch đại Raman là hệ số khuếch đại Raman gR Nó mô tả công suất Stokes tăng như công suất bơm được truyền qua nó thông qua SRS như thế nào gR được liên hệ với phần ảo của độ nhạy... nhiễu(NF) của bộ khuếch đại là tỷ số của SNR tín hiệu đầu vào và SNR tín hiệu đầu ra Nó là thước đo để biết bộ khuếch đại suy giảm tín hiệu như thế nào Trong hệ thống khuếch đại Raman, hệ số nhiễu tương đương (NF eq), biểu diễn hệ số nhiễu một bộ khuếch đại được đặt tại cuối bộ thu của băng truyền dẫn, không có bộ khuếch đại Raman, để cung cấp cùng SNR đạt được như khi sử dụng bộ khuếch đại Raman phân bố Hai... nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ càng tốt, và giá trị nhỏ nhất có thể đạt được là 3dB Tại giá trị này, chúng ta gọi là giá trị lượng tử 1.8 Ứng dụng bộ khuếch đại quang Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang như bộ làm tăng công suất trên đường truyền, khắc phục suy hao do sợi quang Vương Thành Nam - D04VT1 7 Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang và các... bộ khuếch đại, nó sẽ tăng tương đối với kênh khác làm giảm độ lợi cho kênh khác Tuy nhiên hệ thống sẽ bị giới hạn bởi kênh với độ khuếch đại thấp nhất Kết quả, sau mỗi bộ khuếch đại phổ khuếch đại nói chung là phẳng Gần như là chèn phần tử tổn hao vào bước sóng phụ thuộc trong bộ khuếch đại với mẫu phổ tương ứng Khuếch đại Raman đưa ra khả năng đạt được điều này mà không cần phần tử tổn hao Trong khuếch. .. thực hiện việc trao đổi tín hiệu quang với sợi quang tốt nhất, và ổn định trên toàn bộ dải thông của WDM Bộ khuếch đại công suất được đặt ngay bộ phát quang nhằm làm tăng cực đại nhất tín hiệu truyền, nhằm đường truyền xa nhất có thể Yêu cầu của bộ khuếch đại này công suất ngõ ra lớn nhất, không phải là độ lợi Bộ tiền khuếch đại được đặt ngay phía trước bộ thu nhằm khuếch đại tín hiệu thu được Điều này... là vận tốc của ánh sáng trong chân không theo cm/s) Các hiệu ứng tán xạ sẽ làm giới hạn công suất quang lớn nhất có thể truyền ở trong sợi Trong hệ thống WDM tán xạ là nguyên nhân gây nhiễu giữa các kênh Tuy nhiên tán xạ Raman cũng được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang Raman ở những bước sóng mà bộ khuếch đại quang EDFA không phù hợp Hiệu ứng tán xạ Brilloin là nguyên lý trong các bộ cảm ứng đo . khuếch đại Raman: tán xạ Raman, ưu nhược điểm của khuếch đại Raman, nguyên lý khuếch đại Raman, bơm và phương trình tín hiệu, nhiễu trong khuếch đại Raman, . xạ Raman 19 2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 26 2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 47 2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman