khuếch đại raman

PHẦN 2: THUYẾT KẾ TUYẾN QUANG...Trang 15 CHƯƠNG I: Thiết Kế Tuyến Quang...Trang 15 CHƯƠNG II: Nhận Xét Và Đánh Giá...Trang 15 PHẦN 1: LÝ THUYẾT KHUẾCH ĐẠI RAMAN CHƯƠNG I: Tổng Quan Về Ng

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

TRƯỜNG CAO DẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HỮU NGHỊ VIỆT – HÀN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ỨNG DỤNG

= = = o0o = = =

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI: KHUẾCH ĐẠI RAMAN

Sinh viên thực hiện : Ngô Hồng Phong

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Vũ Anh Quang

ĐÀ NẴNG 06 - 2011

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

TRƯỜNG CAO DẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HỮU NGHỊ VIỆT – HÀN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ỨNG DỤNG

= = = o0o = = =

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI: KHUẾCH ĐẠI RAMAN

Sinh viên thực hiện : Ngô Hồng Phong

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Vũ Anh Quang

ĐÀ NẴNG 06 - 2011

MỤC LỤC

PHẦN 1: LÝ THUYẾT KHUẾCH ĐẠI RAMAN Trang 4 CHƯƠNG I: Tổng Quan Về Nguyên Lý Khuếch Đại Raman Trang 4

I.1 Nguồn Gốc Của Các Bộ Khuếch Đại Raman Trang 4

I.1.1 Nguồn gốc ra đời Trang 4

I.1.2 Sự hình thành khuếch đại Raman Trang 4

I.2 Cấu Trúc Của Bộ Khuếch Đại Raman Trang 5 I.3 Phân Loại Khuếch Đại Raman Trang 5

I.3.1 Khuếch đại Raman phân bố DRA Trang 5

I.3.2 Khuếch đại Raman tập trung LRA Trang 6

I.4 Nguyên Lý Hoạt Động Của Bộ Khuếch Đại Raman Trang 6

CHƯƠNG II: Một Số Đặc Tính Của Bộ Khuếch Đại Raman Trang 7

II.1 Phổ Khuếch Đại Raman Trang 7 II.2 Nhiễu Trong Bộ Khuếch Đại Raman Trang 8

II.2.1 Nhiễu do bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu gần nhau Trang 8 II.2.2 Nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS Trang 8 II.2.3 Nhiễu phát xạ tự phát ASE Trang 9 II.2.4 Nhiễu do thời gian sống của electron tại trạng thái kích thích ngắn Trang 9

II.3 Hiệu Ứng Phi Tuyến Trang 10 II.4 Hệ Số Khuếch Đại Và Độ Rộng Băng Tần Trang 10

II.4.1 Hệ số khuếch đại Trang 10

II.4.2 Độ rộng băng tần Trang 11

II.5 Cấu Hình Bơm Raman Trang 12

CHƯƠNG III: Ưu - Nhược Điểm Và Ứng Dụng Của Khuếch Đại Raman Trang 13

III.1 Ưu – Nhược Điểm Trang 13 III.2 Ứng Dụng Trang 14

PHẦN 2: THUYẾT KẾ TUYẾN QUANG Trang 15 CHƯƠNG I: Thiết Kế Tuyến Quang Trang 15 CHƯƠNG II: Nhận Xét Và Đánh Giá Trang 15

PHẦN 1: LÝ THUYẾT KHUẾCH ĐẠI RAMAN

CHƯƠNG I: Tổng Quan Về Nguyên Lý Khuếch Đại Raman

I.1 Nguồn Gốc Của Các Bộ Khuếch Đại Raman

I.1.1 Nguồn gốc ra đời

Một thất bại trong việc truyền tín hiệu ánh sáng là ánh sáng thiếu năng lượng để

di chuyển trên quãng đường dài Khoảng 70 km (km) trong một cáp sợi quang, các bộ khuếch đại là cần thiết để đẩy mạnh tín hiệu Những mạch khuếch đại đắt tiền và dễ bị phân hủy, nếu sự cố xảy ra trong một khu vực không thể tiếp cận phần nào, nó có thể tốn kém và khó khăn để sửa chữa Do các công ty cố gắng để đẩy quá nhiều thông tin thông qua sợi quang học, các bộ khuếch đại đã phải đối mặt với khó khăn trong việc giữ với sự phức tạp của các tín hiệu (Grubb, SG, Sentz, AJ (1996))

Hiện nay, các kỹ sư đang làm việc về các cách thức mới để cải thiện mạng lưới viễn thông sử dụng sợi quang Sợi quang truyền thông tin thông qua việc sử dụng các tín hiệu ánh sáng ở dạng của laser Những du lịch ở tốc độ cao và mang theo nhiều thông tin Điều này cung cấp như là nhiều hơn hoặc ít hơn tất cả các hệ thống đường ultralong đã được phát triển

I.1.2 Sự hình thành khuếch đại Raman

Tán xạ Raman là quá trình tán xạ không đàn hồi, xảy ra do sự tương tác của áng sáng với môi trường vật chất trong sợi quang

Tán xạ Raman bao gồm tán xạ Raman tự phát và tán xạ Raman kích thích SRS Một mặt tán xạ Raman gây ảnh hưởng xấu đến quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang, làm tăng nhiễu trong hệ thống thong tin quang Mặt khác, tán xạ Raman cũng

có những ảnh hưởng tích cực, nổi bật là khả năng khuếch đại tín hiệu quang.

Bởi vậy ngay từ khi mới được phát hiện, tán xạ Raman đã thu hút được nhiều sự quan tâm, nguyên cứu các nguyên cứu này tập trung theo hai hướng: giảm thiểu tiêu

cực và ứng dụng tán xạ Raman kích thích SRS chính là cơ sở để phát triển các bộ

khuếch đại Raman.

Các bộ khuếch đại Raman có nhiều ưu điểm hơn so với các loại khuếch đại quang trước đó và rất phù hợp các với hệ thống WDM đang được triển khai hiện nay

I.2 Cấu Trúc Của Bộ Khuếch Đại Raman

Hình I.1 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman

Sợi quang là nơi xảy ra quá trình khuếch đại Sợi quang này cũng là sợi quang truyền

tín hiệu như sợi SMF, DSF

Bộ ghép (Coupler): dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với sóng bơm.

Laser bơm: dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang chuyển

lên trạng thái kích thích, giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ

Bộ cách ly (Isolator): đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệu

phản xạ ở hai đầu bộ khuếch đại Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo hướng ngược về phía đầu vào có thể gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào

I.3 Phân Loại Khuếch Đại Raman

I.3.1 Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifer)

Sợi quang vừa được dùng để truyền tín hiệu vừa để khuếch đại Khi sợi quang được bơm vào là một sợi truyền dẫn thật sự, liên kết 2 điểm trong tuyến thì tương ứng với sơ đồ khuếch đại Raman phân bố

Hình I.2 Khuếch đại Raman phân bố

Với bộ khuyếch đại Raman phân bố DRA, ánh sáng bơm được phân bố trải dài trong sợi quang DRA tận dụng sợi quang sẵn có trong mạng như một phương tiện để khuyếch đại tín hiệu và như vậy ánh sáng sẽ được khuyếch đại đồng đều dọc theo sợi quang trên một khoảng cách lớn

Với các bộ khuyếch đại DRA, thông thường ánh sáng bơm có công suất cao được bơm theo hướng ngược để kết hợp với các bộ khuyếch đại tập trung khác như các bộ khuyếch đại quang sợi pha đất hiếm EDFA Ưu điểm chính của DRA là cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR và giảm tính phi tuyến

I.3.2 Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifer)

Bộ khuếch đại Raman tập trung được chế tạo bằng cách quấn 1 sợi quang có chiều dài vài km được pha tạp chất đặc biệt để cải thiện hệ số khuếch đại

Đặc điểm đáng lưu ý nhất của khuyếch đại Raman tập trung đó là khả năng sử dụng dải bước sóng mới mà tại các dải băng này EDFA không thể hoạt động

Hình I.3 Khuếch đại Raman tập trung Trong phần này chỉ tập trung trình bày về khuếch đại Raman phân bố là loại được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin sợi quang hiện nay

I.4 Nguyên Lý Hoạt Động Của Bộ Khuếch Đại Raman

Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering) 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 Vì vậy, tán

xạ Raman kích thích được định nghĩa là hiện tượng photon thứ cấp được sinh ra do kích thích từ nguồn bên ngoài

Hình I.4 Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại Raman

Theo cơ chế lượng tử, thì đây là quá trình trong đó một photon bơm với tần số Vp kích thích một phân tử môi trường từ mức năng lượng g lên một mức ảo phân tử này nhanh chóng chuyển xuống mức năng lượng g’ thấp hơn và phát ra một photon với tần số Vs Sự sai lệnh về năng lượng của photon bơm so với photon ánh sáng vừa tạo

ra là do năng lượng bơm bị các phân tử của môi trường hấp thụ dưới dạng dao động phân tử Độ lệch tần số Vv = Vp – Vs được gọi là độ dịch Stokes Trong các sợi quang chuẩn, độ lệch này xấp xỉ 13,2 THz Do đó, để photon vừa được phát xạ ra có cùng bước song với tín hiệu thì bước song của ánh sáng bơm phải nhỏ hơn bước song của tín hiệu khoảng 100nm

CHƯƠNG II: Một Số Đặc Tính Của Bộ Khuếch Đại Raman

II.1 Phổ Khuếch Đại Raman

Phổ khuếch đại Raman trong sợi Silica pha tạp trong hình trên có dải thông khuếch đại rộng trên 40 THz với đỉnh tối ưu gần 13,2 THz và dịch chuyển theo phổ

g’

g’

g

Mức năng lượng nền Mức năng lượng giao động

Mức năng lượng chuyển

g’’

Vv

bơm, giá trị đỉnh của bộ khuếch đại tỉ lệ nghịch với bước sóng bơm Trong viễn thông, băng thông 13,2 THz là xấp xỉ 100 nm tương ứng với bước sóng 1550 nm Do đáp ứng của khuếch đại Raman với thủy tinh Silic không rộng nên cần phải bố trí nhiều bơm cách nhau khoang vài nm để có thể có một bộ khuếch đại kết hợp bao trùm

cả băng khuếch đại của EDFA

Hình II.1 Phổ khuếch đại Raman

Nhận xét:

Độ tăng cường Raman (Raman Gain) gần như tăng tuyến tính theo tần số sóng bơm khi tần số sóng bơm nằm trong khoảng 0 -12 THz

Sau đó độ tăng cường giảm đột ngột khi tần số sóng bơm lớn hơn 12 THz

II.2 Nhiễu Trong Bộ Khuếch Đại Raman

II.2.1 Nhiễu do bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu gần nhau

Bình thường trong bộ khuyếch đại Raman có một phần ánh sáng bơm bị tán xạ tự phát Ánh sáng tán xạ tự phát này gây nhiễu cho các kênh tín hiệu có bước sóng gần bước sóng ánh sáng bơm Theo một số kết quả nghiên cứu hiệu ứng này có thể làm cho hệ số tạp âm NF tới 3 dB với các kênh tín hiệu có bước sóng gần bước sóng bơm

II.2.2 Nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS

Tán xạ Rayleigh kép tương ứng với hai quá trình tán xạ (một cùng chiều và một ngược chiều với chiều truyền của ánh sáng tín hiệu) do sự không đồng nhất của sợi

quang Nhiễu phát xạ tự phát ASE truyền theo hướng ngược sẽ bị phản xạ lại do tán

xạ Rayleigh kép và tiếp tục được khuyếch đại do quá trình tán xạ Raman kích thích Nhiễu tán xạ Rayleigh kép trong khuyếch đại Raman rất lớn do ánh sáng tán xạ Rayleigh được khuyếch đại trong quá trình truyền và khuyếch đại Raman yêu cầu độ dài sợi tăng ích Raman khá lớn Thực tế nhiễu tán xạ Rayleigh kép làm giảm tăng ích quang cho mỗi đoạn khoảng từ 10 đến 15 dB

Để giảm nhiễu tán xạ Rayleigh kép có thể sử dụng các bộ cách li giữa các bộ khuyếch đại Ví dụ với các hệ thống sử dụng 2 bộ khuyếch đại Raman tập trung và bộ cách ly quang hệ số tạp âm thấp hơn 5.5 dB

II.2.3 Nhiễu phát xạ tự phát ASE

ASE là từ viết tắt của Amplified Spontaneous Emission, tức bức xạ tự phát được khuếch đại Đây là nguồn nhiễu chủ yếu của một đường truyền viễn thông

quang có bộ khuếch đại

Phát xạ tự phát bổ sung vào ánh sáng tín hiệu nhiều thành phần tần số khác nhau

Về nguyên lý tất cả các loại nhiễu này có thể được loại trừ những thành phần có tần

số nằm trong dải phổ của tín hiệu hữu ích Phát xạ tự phát không những ảnh hưởng đến đặc tính nhiễu mà còn ảnh hưởng đến tăng ích quang

Mật độ phổ công suất nhiễu ASE:

Hệ số tạp âm:

Trong đó N2 và N1 lần lượt là mật độ electron tại trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp Với khuyếch đại Raman N2 (N2 −N1) thường bằng 1 do

khuyếch đại Raman luôn ở trạng thái gần như đảo lộn mật độ hoàn toàn

II.2.4 Nhiễu do thời gian sống của electron tại trạng thái kích thích ngắn

( ) ( )

1 2

2

1

N N

N hv

G v

Sase

−

−

=













+

=

1

1 ) ( 2

1

hv v S G

Thời gian sống của electron trong khuyếch đại Raman ở trạng thái năng lượng

kích thích ngắn chỉ khoảng 3 đến 6 fs (với EDFA là ms) Thời gian đáp ứng nhanh của quá trình tán xạ Raman làm cho cường độ ánh sáng tín hiệu bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi cường độ ánh sáng bơm Một phương pháp được sử dụng để giảm nhiễu do thời gian đáp ứng nhanh của tán xạ Raman là áp dụng cơ chế bơm ngược: ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu truyền ngược chiều nhau Với cơ chế bơm ngược thời gian của điện tử tại trạng thái năng lượng cao cân bằng với thời gian truyền qua sợi

Cũng có thể sử dụng cơ chế bơm cùng chiều cho khuyếch đại Raman Tuy nhiên khi bơm cùng chiều công suất ánh sáng bơm phải có độ ổn định cao để giảm nhiễu tương quan cường độ RIN Ví dụ có thể sử dụng laser Fabry-Perot thay thế cho các cách tử

II.3 Hiệu Ứng Phi Tuyến

Hiệu ứng tán xạ kích thích Raman (SRS):

Tán xạ Raman kích thích SRS là một hiệu ứng dãn băng, trong đó bao gồm tương tác của ánh sáng và các photon quang học, ánh sáng bị dịch tần một khoảng 15THz SRS có thể xuất hiện trong các hệ thống đơn kênh và đa kênh, với hệ thống đơn kênh

để hiệu ứng SRS có thể ảnh hưởng đến chất lượng thì mức công suất ngưỡng phải

>1W Với Hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều cỡ vài mW do có hiện tượng khuếch đại với các bước sóng lớn, trong khi công suất của các kênh có bước song nhỏ lại giảm đi, kết quả là sẽ giới hạn tổng dung lượng hệ thống dựa trên tổng số kênh, khoảng cách giữa các kênh, trung bình công suất đầu vào và độ dài toàn

hệ thống

Ngưỡng SRS cho hệ thống áp dụng sợi G.653 thấp hơn một chút so với hệ thống

sử dụng sợi G.652 SRS hầu như không làm suy giảm hệ thống đơn kênh, ngược lại

có thể làm giới hạn khả năng của hệ thống WDM

Hạn chế các ảnh hưởng của hiệu ứng Raman:

Trong hệ thống đơn kênh có thể sử dụng các bộ lọc để loại bỏ các phổ không mong muốn

Chưa có kĩ thuật thực tế nào để loại trừ SRS trong hệ thống đa kênh được chính thức công bố, tuy nhiên việc tăng khoảng cách các kênh có thể làm giảm SRS

Hiệu ứng SRS còn có thể giảm bằng cách giảm công suất đầu vào

II.4 Hệ Số Khuếch Đại Và Độ Rộng Băng Tần

II.4.1 Hệ số khuếch đại

Hệ số khuếch đại Raman tăng hầu như tuyến tính với độ chênh lệch bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm (wavelength offset), đạt giá trị đỉnh tại 100 nm và giảm nhanh chóng sau đó Trong hình cũng cho thấy, băng thông độ lợi của khuếch đại Raman có thể đạt được từ 45-50nm

Hình II.2 Hệ số độ lợi Raman thay đổi theo độ chênh lệch bước sóng của tín hiệu và

nguồn bơm (wavelength offset)

II.4.2 Độ rộng băng tần

Hình II.3 Dải tần được sử dụng

Hình II.4 Gợn dộ lợi

Nếu dải tần của các tín hiệu cần khuếch đại Raman lớn hơn băng thông độ lợi của khuếch đại Raman (giả sử 40nm), cần phải sử dụng nhiều nguồn bơm khác nhau Mỗi nguồn bơm có bước sóng cách nhau khoảng 40nm (bằng với băng thông độ lợi) Khi

đó, dải tần lớn của các tín hiệu có thể được khuếch đại một cách hiệu quả (xem hình II.3) Tuy nhiên, do đặc tính khuếch đại của khuếch đại Raman và do khoảng của các bước sóng bơm, băng thông độ lợi tổng cộng có dạng gợn sóng như hình II.4

II.5 Cấu Hình Bơm Raman

Hình II.5 Sơ đồ bơm cùng hướng

Hình II.6 Sơ đồ bơm ngược hướng

Tín hiệu

Bơm Tx

Tùy theo cấu hình bơm mà tín hiệu bơm được đưa vào sợi truyền dẫn có thể có hướng lan truyền cùng hoặc ngược với hướng của tín hiệu

Nếu hướng của tín hiệu bơm cùng hướng lan truyền của tín hiệu vào thì ta gọi đó

là cấu hình bơm cùng hướng, ngược lại gọi là cấu hình bơm ngược hướng ngoài ra còn có loại cấu hình bơm hai hướng là dạng kết hợp của hai cấu hình bơm trên

Trong cấu hình bơm cùng hướng, quá trình Raman gần như tức thời khi nguồn bơm Raman nhiễu cao, các bit riêng lẻ có thể bị khuếch đại khác nhau dẫn đến các dao động về biên độ hay rung pha.Do đó nhiễu bơm ảnh hưởng mạnh đến các tín hiệu WDM Nếu dung cấu hình bơm ngược, các dao động của công suất bơm Raman sẽ được lấy trung bình ở ngõ ra, nhờ đó mà có thể giảm được nhiễ khuếch đại cộng bơm

Do đó, cấu hình bơm ngược được sử dụng phổ biến hơn Tuy nhiên, với các nguồn bơm nhiễu thấp hiện nay, các sơ đồ bơm cùng hướng và hai hướng vẫn có thể được thực hiện trong thực tế

CHƯƠNG III: Ưu - Nhược Điểm Và Ứng Dụng Của Khuếch Đại Raman

III.1 Ưu – Nhược Điểm

Ưu điểm:

Đối với các ứng dụng trong các hệ thống viễn thông , trong cáp quang các bộ khuếch đại Raman cạnh tranh với các bộ khuếch đại EDFA So với những tính năng điển hình của nó là:

 bộ khuếch đại Raman có thể hoạt động trong vùng bước sóng khác nhau, miễn

là một nguồn bơm thích hợp có sẵn

 Phổ đạt được có thể được thiết kế bằng cách sử dụng bước sóng bơm khác nhau cùng một lúc

 Tạp âm nhiễu thấp

 Cấu trúc đơn giản, không cần sợi đặc biệt

 Dễ chọn băng tần

 Có thể đạt được băng thông rộng nhờ kết hợp vài laser bơm

Nhược điểm: