ứng dụng khuếch đại raman trong mạng viễn thông việt nam

Ứng dụng bộ khuếch đại quang Raman trong hệ thống WDM...34 LỜI MỞ ĐẦU Khuếch đại Raman đang được triển khai ở hầu hết các hệ thống thông tin quang mới ở những cự ly dài và rất dài trong

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI 3

1.1 Tổng Quan Về Khuếch Đại Quang 3

1.2 Nguyên Lý Bộ Khuếch Đại Quang 5

1.3 Phân Loại Khuếch Đại Quang 6

1.4 Các Thông Số Kĩ Thuật Chính Của Khuếch Đại Quang 7

1.4.1 Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại 7

1.4.2 Băng thông độ lợi 9

1.4.3 Công suất ngõ ra bão hoà 10

1.4.4 Hệ số nhiễu 12

1.5 Ứng Dụng Của Khuyếch Đại Quang 13

Kết Luận Chương I: 14

CHƯƠNG II: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 15

2.1 Tán Xạ Raman 15

2.1.1 Tán Xạ raman Tự Phát 15

2.1.2 Tán Xạ Raman Cưỡng Bức (SRS) 17

2.2 Cấu Trúc Bộ Khuếch Đại Raman 18

2.3 Nguyên Lý Hoạt Động Khuếch Đại Raman 21

2.4 Phân Loại Khuếch Đại Raman 26

2.4.1.Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 26

2.4.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 29

2.4.3 Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 31

2.4 Ưu, Nhược điểm khuếch đại Raman 32

Kết Luận Chương II: 33

3.1 Ứng dụng bộ khuếch đại quang Raman trong hệ thống WDM 34

LỜI MỞ ĐẦU

Khuếch đại Raman đang được triển khai ở hầu hết các hệ thống thông tin quang mới ở những cự ly dài và rất dài trong truyền dẫn quang Làm cho chúng trở thành một trong những tuyến quang phi tuyến đầu tiên được thương mại hóa Khuếch đại Raman nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu và giảm hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống Cho phép khuếch đại ở những khoảng cách xa, tốc độ bit cao và hoạt động gần bước sóng có độ tán sắc không Khuếch đại Raman được dùng chủ yếu để nâng cao dung lượng hệ thống, mở rộng nhiều cửa sổ bước sóng mới của ghép kênh phân chia theo bước sóng như 1300nm, 1400nm hoặc những bước sóng ngắn trong băng S Khuếch đại raman cung cấp đơn giản nhưng rất cần thiết và là nền tảng cho khuếch

đại trên những khoảng cách dài và cực dài Do đó, nên mở rộng phạm vi của nó và phát triển trong những năm tiếp theo.

Ứng dụng khuếch đại Raman trong mạng viễn thông Việt Nam để cải thiện cự

ly truyền dẫn, nâng cao dung lượng, giảm chi phí hệ thống; kỹ thuật chuyển mạch nhóm bước sóng (WBS) vào các mạng ghép kênh theo bước sóng để giải quyết vấn đề giá thành thiết bị chuyển mạch quang cũng như độ phức tạp trong điều khiển mạng toàn quang; Xu hướng mạng truyền tải quang dung lượng Terabit tạo kỷ lục thế giới mới về dung lượng truyền dẫn; Tiềm năng FTTN trong việc cung cấp các ứng dụng truy nhập đạt chuẩn quốc tế

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI

1.1 Tổng Quan Về Khuếch Đại Quang

Đối với tín hiệu quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn, sự suy giảm tín hiệu là không thể tránh khỏi Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thống thông tin quang Giới hạn về suy hao được khắc phục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) Trong các trạm lặp quang điện này, quá trình khuếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước Đầu tiên tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay PAD Dòng quang điện thu được sẽ được tái tạo lại dạng xung, định thời và khuếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuếch đại Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua các nguồn quang trong bộ phát quang (optical transmitter) và được truyền đi trong sợi quang Như vậy, quá trình khuếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện

Hình 1.1 Cấu trúc của một trạm lặp quang điện

Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn đa bước song như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuyếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, người ta thực hiện được quá trình khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuyếch đại quang (Optical Amplifier) Kỹ thuật khuyếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp So với các trạm lặp, các bộ khuyếch đại quang có các ưu điểm sau:

- Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi (các bộ biến đổi E/O hoặc O/E) Do đó khuếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn

- Không phụ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống đơn giản hơn

- Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang

Việc nghiên cứu khuyếch đại quang ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang, và trong thời gian qua các nghiên cứu thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính:

- Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier)

- Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên, do yêu cầu nâng cấp mạng thông tin quang DWDM lên hàng trăm kênh, việc nghiên cứu phát triển các loại khuếch đại quang khác đã được đẩy mạnh, trong đó khuếch đại quang trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức được đặc biệt quan tâm trên thế giới

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

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:

Hình 1.2 Các hiện tượng biến đổi quang điện

Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng lượng Ev =hf12 tác động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm Eg =E2-E1 bằng nhau Ev=Eg) 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 E2 chuyển xuống mức năng lượng thấp E1, đồng thời phát ra một photon có mức năng lượng Eg = E2-E1 dưới dạng một photon ánh sáng Quá trình này sảy ra một cách tự

nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử Sau một khoảng thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao, các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng ền vững ) 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 (nhiễu ASE) gọi là nhiễu phát xạ tự phát

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf12 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg=E2-E1).Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với của photon kích thích ban đầu Như vậy từ một photon ban đầu sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới tạo ra ) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số Hay nói cách khác quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện

Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser

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 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 bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu là dòng điện

Trong khuếch đại sợi quang OFA (Optical Fiber Amplifier) vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi

Một số loại OFA tiêu biểu: EDFA, PDFA, TDFA, NDFA Trong số loại OFA này EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì nó có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống DWDM

Cả hai loại khuếch đại quang 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 tượng tán xạ Raman kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích.

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

1.4 Các Thông Số Kĩ Thuật Chính Của Khuếch Đại Quang

1.4.1 Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại

Khuếch đại đạt được khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm quang, hay bơm điện 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:

Trong đó g0 là giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω0 là tần

số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu được khuếch đại Ps là công suất bão hoà Công suất bão hoà Ps phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại Hệ

số T2 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 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 dộ chưa bão hoà, coi P/Ps <<1, khi đó phương trình 1.1 trở thành:

Mặt khác ta lại có công thức sau

(1.4)Suy ra:

P(z) = Pin exp(gz) (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 Pout =P(L) Suy ra hệ số khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là:

G(ω)= = = (1.6)

Dễ dàng nhận thấy rằng, g(ω) đạt giá trị lớn nhất tại ω=ω0 nên G(ω) cũng đạt giá trị lớn nhất tại ω0 Và giá trị hai hệ số này cũng đều giảm khi (ω-ω0 ) tăng, ta có biểu đồ sau:

Hình 1.3 Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi

1.4.2 Băng thông độ lợi

Băng thông độ lợi được định nghĩa là =2/T2 hay là:

(1.7)

Như vậy, nếu với bộ khuếch đại quang bán dẫn có T2 =60fs Bộ khuếch đại băng rộng thích hợp với các hệ thống viễn thông thông tin quang, vì độ lợi của cả băng tần gần như là hằng số, thậm chí cả khi đó là tín hiệu đa kênh Băng tần khuếch đại được định nghĩa là một FWHM (full width at half maximum-độ rộng

xung tại nửa giá trị cực đại) và liên quan với theo công thức sau:

(1.8)

Với G0 = exp(g0L)

Dễ dàng nhận thấy băng tần khuếch đại nhỏ hơn băng tần độ lợi và sự khác biệt này còn tuỳ thuộc vào độ lợi khuếch đại

1.4.3 Công suất ngõ ra bão hoà

- Độ lợi bão hoà

Độ bão hoà của độ lợi phụ thuộc vào giá trị g(ω) trong phương trình 1.1 Dễ dàng nhận thấy rằng, khi P tiến tới Ps thì giá trị g giảm dần, đồng thời hệ số khuếch đại G cũng giảm theo độ tăng của công suất tín hiệu Chúng ta coi giá trị đỉnh xảy ra khi ω=ω0 Theo 1.1 và 1.4, chúng ta có:

Hình 1.4 Sự phụ thuộc của công suất ra (theo P s ) theo G (theo G 0 )

- Công suất ngõ ra bão hoà (Saturation Output Power)

Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ta sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số G: Pout = G.Pin Tuy nhiên công suất ngõ

ra không thể tăng mãi được Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất cả các bộ khuếch đại quang, khi công suất ngõ vào Pin tăng đến một mức nào đó, hệ số G bắt đầu giảm Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bão hoà

Công suất ra bão hoà của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất ngõ

ra lớn nhất mà bộ khuếch đại đó có thể hoạt động được Thông thường một bộ khuếch đại quang có khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão hoà cao bởi vì sự nghịch đảo nồng

độ cao có thể được duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng

Từ công thức 1.10, chúng ta xem xét đến công suất ngõ ra bão hoà, là công suất lớn nhất tạo được ở cổng ra, ký hiệu là Có thể nhận thấy rằng, giá trị độ lợi này đạt được khi độ lợi khuếch đại giảm từ 2 đến 3 dB, tương ứng với giá trị G=G0/2 Khi

đó, ta có công thức:

= (1.11)

1.4.4 Hệ số nhiễu

Cũng giống như các hệ thống thông tin quang khác bộ khuếch đại này cũng có nhiễu Nguyên lý của bộ khuếch đại là dựa trên nguyên lý bức xạ kích thích, nhưng trong quá trình khuếch đại có rất nhiều các điện tử hết thời gian sống chuyển đổi từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, đây chính là bức xạ tự phát Bức xạ nàykhi có phương cùng điện tử, sẽ gây ảnh hưởng lên biên độ và pha của tín hiệu Hiện tượng này được gọi là hiện tưọng nhiễu xạ tự phát ASE Do vậy, công suất đầu

ra gồm có công suất vào khuếch đại và công suất bức xạ tự phát:

Pout=G.Pin+PASE (1.12)

Ảnh hưởng nhiễu đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu

NF, mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp tại đầu ra và đầu vào:

1.5 Ứng Dụng Của Khuyếch Đại Quang

Hình 1.5 Các ứng dụng khuếch đại

a) Khuếch đại trên tuyến (In-line amplifỉer)

b) Khuếch đại công suất (Booster Amplifier)

c) Bộ tiền khuếch đại (Preamplifier)

Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang như các

bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc phục suy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền Tuỳ theo vị trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại:

Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại Yêu cầu của các bộ khuếch đại công suất là tạo

ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độ lợi cực đại vì công suất tín hiệu ngõ vào lớn

Khuếch đại trên tuyến (In-line Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngay trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng Các bộ

khuếch đại đường dây có thể được lắp đặt nối tiếp nhau trên đường truyền để làm gia tăng khoảng cách lắp đặt Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền dẫn quang.

Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tin hiệu được đưa vào thiết bị Điều này làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt của bộ nhạy thiết bị thu và cho phép hệ thống truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao hơn Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao Do vậy, yêu cầu của bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, hệ số G trung bình nhưng thông số nhiễu phải rất thấp Khuếch đại quang Raman có thông số nhiễu nhỏ,

vì vậy chúng luôn được sử dụng cho tiền khuếch quang

Tuy nhiên khuếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã bị suy hao trong tuyến truyền dẫn Do khuếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc và các hiệu ứng quang phi tuyến, cho nên tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra

Sử dụng khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM

có ý nghĩa công nghệ quan trọng vì khuếch đại quang có thể khuếch đại tất cả các bước sóng tới trong băng tần khuếch đại

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 Chương tiếp theo sẽ đi tìm hiểu cụ thể về bộ khuếch đại Raman

CHƯƠNG II: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN

2.1.1 Tán Xạ raman Tự Phát

Là hiện tượng ánh sáng tới tương tác với môi trường làm sinh ra các photon Tùy thuộc vào bản chất của môi trường các photon sinh ra sẽ có tần số lớn hơn hoặc nhỏ hơn tần số của ánh sáng tới Tán xạ Raman bao gồm hai thành phần Stokes và đối Stokes Thành phần Stokes ứng với tần số nhỏ hơn tần số ánh sáng tới ω ≈2 ω1-Ω

Thành phần đối Stokes có tần số lớn hơn tần số của ánh sáng tới ω2 ≈ω1 +Ω

Hình 2.1 Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman.

Electron sẽ chuyển từ trạng thái khởi đầu (trạng thái cơ bản) lên trạng thái cao hơn (trạng thái kích thích) khi đó nó sẽ hấp thụ một photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa trạng thái kích thích và trạng thái khởi đầu Khi chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cuối electron sẽ phát xạ một photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng trạng thái kích thích và trạng thái cuối

Nếu như trạng thái khởi đầu có năng lượng thấp hơn năng lượng của trạng thái cuối, tần số photon phát xạ sẽ nhỏ hơn tần số ánh sáng tới và quá trình tán xạ tạo ra ánh sáng Stoke Ta có ω ≈2 ω1-Ω Trong đó :

ω1,

2

ω lần lượt là tần số của ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ

• là tần số phonon được sinh ra

Ngược lại nếu trạng thái cuối có năng lượng thấp hơn thì quá trình tán xạ tạo ra ánh sáng phản Stoke có tần số ω2 ≈ω1 +Ω, chêch lệch giữa mức năng lượng trạng thái khởi đầu và trạng thái cuối chính là năng lượng của một phonon Thực tế, tán xạ

phản Stoke thường yếu hơn tán xạ Stoke Chúng ta chỉ quan sát được sóng đối Stokes khi kích thich bằng ánh sáng không đơn sắc có cường độ rất cao.

Hiệu ứng tán xạ Raman tự phát được ứng dụng để xác định cấu trúc của các phân

tử, thành phần cấu tạo và loại liên kết trong các phân tử đó

Bản chất của hiện tượng tán xạ Raman cưỡng bức là các nguyên tử của sợi quang hấp thụ năng lượng từ các photon phát ra từ nguồn bơm có bước sóng nhỏ hơn bước sóng tín hiệu Khi đó, các nguyên tử sẽ nhảy từ trạng thái có mức năng lượng thấp sang trạng thái có mức năng lượng cao hơn (mức năng lượng trung gian) Khi có photon của tín hiệu đến thì nó sẽ kích thích các nguyên tử đang ở trạng thái có mức năng lượng cao Kết quả là các điện tử nhảy xuống mức thấp hơn phát ra photon mới

có cùng bước sóng và pha với photon tín hiệu đến

h ν

Trong đó:

E1 : mức năng lượng nền

E2 : mức năng lượng dao động

E3 : mức năng lượng trung gian

Nhiều kết quả nghiên cứu tán xạ Raman trong thuỷ tinh SiO2: GeO2 để chế tạo sợi quang cho thấy: độ dịch chuyển Raman Δλ ~ 80nm - 100 nm, phụ thuộc vào nồng độ

và cấu trúc sợi quang Nếu ta dùng bước sóng bơm λp = 1450 nm thì tín hiệu quang

có bước sóng λs = λp + Δλ =1550 nm (trùng với vạch Stokes) sẽ được khuếch đại Khi cường độ ánh sáng kích thích hay cường độ laser bơm mạnh hơn một giá trị ngưỡng xác định thì ánh sáng Stokes phát ra được khuếch đại theo hàm mũ Quá trình này gọi

là tán xạ Raman cưỡng bức

Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức không những có ưu điểm về mặt cường độ mà còn có ưu điểm về mặt cấu trúc chùm tia phát xạ Nhờ hiệu ứng phát xạ cưỡng bức mà các photon phát xạ sẽ cùng pha và cùng hướng với photon kích thích

2.2 Cấu Trúc Bộ Khuếch Đại Raman

Tín hiệu vào Isolater

Sợi quang

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc bộ khuếch đại quang Raman

Bộ khuếch đại quang Raman bao gồm:

WDM

Laser bơm

- Sợi quang : Là nơi xảy ra quá trình khuếch đại Sợi quang này cũng là sợi quang truyền tín hiệu như sợi SMF, hoặc sợi DCF …Trong khuếch đại quang không cần sử dụng sợi quang đặc biệt (pha ion Erbium ) như bộ khuếch đại EDFA.

- Bộ ghép (Coupler): Dùng để ghép tín hiệu vào với sóng bơm

- Laser bơm (Pump laser) : 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) : Dùng để cho ánh sáng chỉ đi theo một chiều trong sợi

và ngăn ánh sáng phản xạ chiều ngược vào môi trường khuếh đại để tránh gây nhiễu cho bộ khuếch đại

- Linh kiện WDM: Dùng để ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang

Có một số cấu hình bơm phổ biến cho khuếch đại quang Raman như:

 Bơm thuận: Nguồn bơm được bơm cùng chiều với hướng truyền tín hiệu

Hình 2.4 Cấu hình bơm thuận cho khuếch đại quang Raman phân bố

Pump

Fiber rr Signal

Pump

pp

Coupler

 Bơm ngược :Nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu

Hình 2.5 Cấu hình bơm ngược hướng cho khuếch đại quang Raman phân bố Ngoài ra còn cách bơm hai chiều : Tức là sử dụng hai nguồn bơm và được bơm theo

hai chiều ngược nhau

Sign al

Pump

Fiber rr Signal

Pump

pp

Coupler

Mỗi cấu hình bơm có những ưu nhược điểm khác nhau:

Bơm thuận có ưu điểm giảm nhiễu tốt hơn bộ khuếch đại Raman, sử dụng tốt như là bộ khuếch đại công suất làm mạnh tín hiệu tại đầu vào Bơm ngược thì phù hợp hơn với ứng dụng khuếch đại các tín hiệu yếu tại đầu thu

Bơm ngược có ưu điểm là sự dao động công suất bơm vừa phải đây cũng là cấu hình thường được sử dụng trong thực tế Ngoài ra cũng có thể sử dụng cấu hình bơm hai chiều hoặc sử dụng nhiều sóng bơm để mở rộng và làm bằng phẳng phổ khuếch đại Raman

* Khuếch đại dải rộng của khuếch đại Raman

Khuếch đại Raman với một nguồn bơm có băng thông vào khoảng 7(THz) (xấp xỉ 60 nm) Cửa sổ truyền qua của sợi quang vào khoảng 400 nm(1200 nm tới 1600) Khuếch đại băng thông rộng do vậy là rất phù hợp Thêm vào đó các bộ khuếch đại Raman băng rộng hiện nay có băng tần lên tới 136 nm nhờ sử dụng kỹ thuật đan xen bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu

Sử dụng nhiều nguồn bơm, khuếch đại dải rộng với độ lợi thăng giáng nhỏ là

có thể thiết kế được Tuy nhiên cần nhớ rằng trong cấu hình nhiều nguồn bơm, có sự chuyển đổi năng lượng giữa các nguồn bơm do hiệu ứng Raman

2.3 Nguyên Lý Hoạt Động Khuếch Đại Raman

Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích 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.

Để có khuếch đại Raman thì phải tạo ra sự nghịch đảo nồng độ Điều này đạt được bằng cách cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang từ một laser bơm có bước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu Khi đó, các nguyên tử của sợi quang sẽ hấp thụ năng lượng bơm có năng lượng cao (bước sóng ngắn) và chuyển lên mức năng lượng cao hơn Khi có tín hiệu đến, nó sẽ kích thích các nguyên tử đang ở mức năng lượng cao chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn và giải phóng ra một năng lượng dưới dạng photon ánh sáng có cùng bước sóng (dài hơn bước sóng bơm )

và cùng pha với tín hiệu đến Do đó, tín hiệu đã được khuếch đại

Hình 2.7 Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman