tìm hiểu về bộ khuếch đại raman và khảo sát ứng dụng raman trong thiết kế tuyến

TRƯỜNG: CĐ CNTT HỮU NGHỊ VIỆT HÀN KHOA : TIN HỌC ỨNG DỤNG TÊN : TRẦN THỊ MINH PHƯƠNG LỚP : VT02A ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT ĐỀ TÀI:    I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Với nhu cầu về chiều dài đường truyền lớn, khuếch đại quang trở thành một thành phần thiết yếu trong hệ thống quang đường dài. Có ba loại thiết bị quang đang được sử dụng hiện nay là: EDFA, RAMAN và HFA. RAMAN mặc dù được phát hiện trước EDFA nhưng mới được triển khai trong những năm gần đây. Chính vì điều này em muốn tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lí hoạt động của sợi RAMAN để từ đó so sánh những ưu điểm và những hạn chế của thiết bị khuếch đại RAMAN so với thiết bị khuếch đại EDFA. II. Ý NGHĨA THỰC TIỄN: RAMAN ngày nay hứa hẹn sẽ được sử dụng rộng rãi vì vậy khi tìm hiểu được nguyên lí hoạt động, những ưu và nhược điểm của khuếch đại quang này sẽ giúp chúng ta áp dụng vào trong thiết kế, tận dụng được những ưu điểm khi sử dụng bộ khuếch đại này. III. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN: THỜI GIAN CÔNG VIỆC KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ TUẦN I (26/3- 02/4) - Viết đề cương sơ bộ - Tìm, sưu tầm tài liệu về khuếch đại RAMAN - Hoàn thành đề cương sơ bộ TUẦN II (03/4- 10/4) - Soạn đề cương chi tiết - Làm thêm phần 1.1 - Gặp giáo viên hướng dẫn TUẦN III (11/4- 18/4) - Làm chương I Chương I TUẦN IV (19/4- 26/4) - Làm chương II Chương II TUẦN V (27/4- 04/5) - Làm chương III Chương III TUẦN VI (05/5- 12/5) - Làm slide - Đọc, chỉnh sửa, bổ sung -Hoàn thành đề tài 1 CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN 1.1 Tổng quan về tán xạ Raman 1.1.1 Sợi quang 1.1.2 Hiệu ứng tán xạ Raman SRS 1.2 Đặc tính của tán xạ Raman kích thích 1.2.1 Phổ khuếch đại Raman 1.2.2 Ngưỡng Raman 1.3 Ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang 1.3.1 Ảnh hưởng của SRS đối với hệ thống đơn kênh 1.3.2 Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU QUANG 2.1 Bộ khuyếch đại quang Raman 2.1.1 Cấu tạo của bộ khuếch đại Raman 2.1.2 Nguyên lý bơm 2.1.3 Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman 2.1.4 Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman 2.1.5 Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 2.1.6 Khuyếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 2.2 Ứng dụng bộ khuyếch đại quang Raman trong hệ thống WDM CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH KHẢO SÁT THIẾT KẾ TUYẾN CÓ ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI RAMAN ( dùng phần mềm optical system) 3.1 Tính toán tham số 3.2 Kết quả thiết kế tuyến có ứng dụng bộ khuếch đại Raman 3.2.1 Kết quả thay đổi phổ khuyếch đại Raman 3.2.2 Kết quả thay đổi bước sóng bơm 3.2.3 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của SRS KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO  !"# 1.1 Tổng quan về tán xạ Raman 1.1.1 Sợi quang Sơi quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang , như vậy nó có dạng hình trụ bình thường và có chức năng dẫn sóng ánh sáng lan truyền theo hướng song song với trục của nó. Để đảm bảo được sự lan truyền cảu ánh sáng trong sợi, cấu trúc cơ bản của nó gồm có một lỡi hình trụ làm bằng sợi thủy tinh có chỉ số chiết xuất n1 lớn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2<n1. Sự lan truyền của ánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng các sóng điện từ truyền dẫn được gọi là các mode trong sợi. Mỗi mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng . Chỉ có một và mode riêng biệt nào đó là có khả năng truyền dọc theo suốt chiều dài sợi trong số nhiều mode được ghép vào tại đầu sợi. Lớp vỏ phản xạ mặc dù không là môi 2 trường truyền ánh sáng nhưng nó là môi trường tao ra ranh giới với lõi và nhăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm độ bền của sợi. Vật liệu cấu tạo ra lõi sợi thông thường là thủy tinh, còn vỏ phản xạ có thể là thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt, loại sợi có cấu trúc vật liệu như vậy thường có suy hao nhỏ và trung bình. Để tránh cọ trầy xước vỏ , sợi quang thường bao bọc quanh một lớp chất dẻo. Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào sợi , gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị răn lượn sóng, kéo dãn hoặc cọ xát bề mặt; mặt khác cũng tạo điều kiện để bọc sợi thành cáp sau này. Lớp vỏ này gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp. 1.1.2 Hiệu ứng tán xạ raman SRS(stimualated raman scattering): Hiệu ứng tán xạ Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó các photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình do dao động cơ học của các phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được phát xạ ánh sang có bước song lớn hơn bước song của ánh sang tới( sóng stoke). Khi ánh sang tín hiệu truyền trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích mà trong đó ánh sang tín hiệu đóng vai trò sóng bơm, chuyển năng lượng sóng stoke. Nếu goi Ps(L) là công suất bước sóng stoke trong sợi quang thì: Trong đó: gr là hệ số khuếch đại Raman, Po là bước sóng đưa vào sợi tại bước sóng tín hiệu, K là hệ số đặc trưng cho mối quan hệ phân cực giữa tín hiệu, sóng Stoke và sợi(K gần bằng 2). Trong hệ thống WDM , hiệu ứng này cũng hạn chế số lượng kênh, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống. Hơn nữa nếu bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì sẽ gây xuyên âm giữa các kênh. 1.2 Đặc tính của tán xạ Raman kích thích 1.2.1 Phổ khuếch đại Raman Phổ khuếch đại Raman trong sợi silica pha tap được mô tả trong hình . Dải thông khuếch đại rộng trên 40THz với đỉnh tối ưu gần 13,2 THz và dịch chuyển theo phổ bơm , giá trị đỉnh của độ khuếch đại tỉ lệ nghịch với bước sóng bơm. Trong viển thông, băng thông 13,2 THz là xấp xỉ 100 nm tương ứng với bước sóng 1550 nm. Do đó đáp ứng cảu sợi raman với thủy tinh silic không rộng nên cần phải bố trí nhiều bơm cách nhau khoảng vài nm để có thể có bộ khuếch đại kết hợp trùm cả băng thông khuếch dại của EDFA 3 1.2.2 Ngưỡng Raman 1.3 Ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang 1.3.1 Ảnh hưởng của SRS đối với hệ thống đơn kênh Nếu đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau thì SRS gây ra sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng cao hơn (xem hình). Sự chuyển năng lượng từ kênh tín hiệu có bước sóng thấp sang kênh tín hiệu có bước sóng cao là một hiệu ứng cơ bản làm cơ sở cho khuếch đại quang và laser. Năng lượng của photon ở bước sóng λ là hc/λ với h là hằng số Planck (6.63x10-34 Js). Do đó, photon của bứơc sóng thấp có năng lượng cao hơn. Sự chuyển năng lượng từ tín hiệu bước sóng thấp sang tín hiệu bước sóng cao tương ứng với sự sinh ra các photon năng lượng thấp từ các photon năng lượng cao hơn Hình: Ảnh hưởng của SRS. Năng lượng từ kênh bước sóng thấp được chuyển sang kênh bước sóng cao hơn. Không giống như SBS, SRS là một hiệu ứng băng rộng. Hình 1.8 cho thấy độ lợi là một hàm của khoảng cách bước sóng. Giá trị đỉnh của hệ số độ lợi gR xấp xỉ 6x10-14 m/W ở bước sóng 1550 nm nhỏ hơn nhiều so với độ lợi của SBS. Tuy nhiên, các kênh cách nhau đến 15 THz (125nm) sẽ bị tác động của SRS. SRS gây ảnh hưởng trên cả hướng truyền và hướng ngược lại. Mặc SRS giữa các kênh trong hệ thống WDM ảnh hưởng xấu cho hệ thống, SRS có thể được dùng để khuếch đại hệ thống. Sợi quang λλλλ 4321 4 Hình: Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh. Công suất ngưỡng cho SRS có thể tính bằng công thức sau: ( ) g L L g A P R eff eff eff thSRS R α 1616 == Gía trị đặc trưng của 10 1 13 − ×≈ g R m/W tại λ = 1550 nm. Lấy α = 0.046 1/km=0.2 dB/Km và m A eff µ 55 2 = , tính được P thSRS = 405mW cho một kênh. Con số này cho thấy có thể bỏ qua SRS trong hệ thống đơn kênh Một cách khác để tính công suất ngưỡng này là : λα d P thSRS 22 109.5 × − = watts (1.9) Với d: đường kính lõi sợi quang (μm) λ: bước sóng hoạt động (μm) α: hệ số suy hao (dB/Km)  1.3.2 Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM Đối với các hệ thống WDM, sợi quang hoạt động như một bộ khuếch đại Raman sao cho các kênh bước sóng dài được khuếch đại bởi các kênh bước sóng ngắn với sự sai khác bước sóng nằm trong dải thông của độ khuếch đại Raman. Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic bị giãn rộng khiến cho sự khuếch đại có thể xáy ra đối với các kênh có khoảng cách khá xa tới 200 nm. Kênh bước sóng ngắn nhất sẽ bị suy giảm nhiều nhất, vì nó có thể bơm nhiều kênh trong cùng một lúc. Sự chuyển đổi giữa các kênh này có thể gây hại cho chất lượng hệ thống vì nó còn phụ thuộc vào dạng bit: khuếch đại xảy ra chỉ khi các bit ”1” xuất hiện đồng thời trong cả hai kênh. Sự khuếch đaih phụ thuộc tín hiệu sẽ làm tăng mức độ thăng giáng công suất do đó sẽ làm tăng nhiễu ở bộ thu và làm xuống cấp bộ thu. Có thể tránh được xuyên kênh Raman nếu các công suất kênh nhỏ sao cho khuếch đại Raman là không đáng kể trên chiều dài sợi quang. Đây là điều rất quan trọng cho việc đánh giá giá trị giới hạn của công suất kênh. 5  $"#%%% &' 2.1 Bộ khuyếch đại quang Raman 2.1.1 Cấu tạo và nguyên lí của bộ khuếch đại Raman 2.1.1.a. Cấu tạo Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman được minh họa trong hình ()*$+, cấu trúc bộ khuếch đại raman Không giống như nguyên lý khuếch đại của EDFA, khuếch đại Raman không cần một sợi quang riêng và đặc biệt (pha trộn ion Er3+). Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang được khuếch đại dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi quang silic bình thường.Gồm các thành phần sau:  /01234 (Pump laser): để truyền năng lượng vào sợi truyền dẫn thông qua bộ ghép quang hay là 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. 567189:);<) là sợi quang thông thường được sử dụng đồng thời như một sợi khuếch đại. Trong khuếch đại quang này không cần sử dụng sợi quang đặc biệt (pha ion Erbium) như bộ khuếch đại EDFA. =>*?@ (Coupler): dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với sóng bơm. =ABA*C9 (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. 2.1.1.b. Nguyên lí hoạt động: 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. 6 Sơ đ chuyn năng lưng trong khuch đi Raman Nguyên lý hoạt động của khuếch đại raman Theo cơ chế lượng tử, thì đây là quá trình trong đó một photon bơm tần số V p kích thích một phân tử môi trường từ mức năng lượng g lên mức năng lượng ảo , phần tử năng lượng này nhanh chóng nhảy xuống mức năng lượng g’ thấp hơn và phát ra 1 photon tần số V s . Sự sai lệch về năng lượng của photon bơm so với photon ánh sáng vừa được 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 V v =V p -V s được gọi là độ dịch stokes. Trong các sợi quang chuẩn, độ lệch này xấp xỉ 13,2 THz tương ứng với độ lệch bước sóng nm psv 100≈−= λλλ . Do đó, để photon vừa được phát xạ ra có cùng bước với bước sóng tín hiệu thì bước sóng của ánh sáng bơm phải nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng tín hiệu khoảng 100nm. 2.1.2 Cấu hình bơm raman 7 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 tìn hiệu. Nếu hướng bơm của tín hiệu cùng hướng lan truyền của tín hiệu vào thì ta gọi đó là cấu hình bơm cùng hướng (co- pumping), còn gọi là bơm xuôi, trái lại nếu ngược với hướng tín hiệu gọi là cấu hình bơm ngược hướng( counter- pumping) còn gọi là bơm ngược. Ngoài ra còn có cấu hình bơm hai hướng là dạng kết hợp của hai cấu hình bơm trên. 2.1.2.a. Cấu hình bơm cùng hướng: 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 trung pha. Do đó nhiễu bơm ảnh hưởng mạnh đến các tín hiệu WBM. Hình mô tả cấu hình bơm cùng hướng và ngược hướng 2.1.2.b. Cấu hình bơm ngược hướng: Nếu dùng cấu hình bơm ngược, các dao động của công suất bơm Raman sẽ lấy được công suất bơm trung bình ở ngõ ra, nhờ đó có thể giảm được nhiễu khuếch đại cộng bơm. Do đó, cấu hình bơm ngược được sử dụng phổ biến hơn. Tuy nhiên,với các nguồn bơm thấp sẵn có như hiện nay, các sơ đồ bơm cùng hướng và ngược hướng vẫn có thể áp dụng trong thực tế. 2.1.3 Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman 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 8 Hình: Sơ đồ hệ số khuếch đại - 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. 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 Hình: độ rộng băng tần 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 a). 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 Hình b. 2.1.4 Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman Trong bộ khuếch đại Raman phân bố DRA, hiện tượng tán xạ Rayleigh ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của bộ khuếch đại. Hiệu ứng tán xạ Rayleigh xảy ra trong mọi sợi quang và là nguyên nhân chính dẫn đến suy hao. Một phần ánh sáng sẽ bị tán xạ theo hướng ngược lại. Đối với hệ thống nhỏ, tán xạ Rayleigh co thể bỏ qua. Tuy nhiên, đối với hệ thống đường dài sử dụng DRA thì hiệu ứng tán xạ Rayleigh ảnh hưởng hiệu năng hệ thống theo hai cách. Thứ nhất. làm tăng nhiễu tổng trên toàn bộ hệ thống. Thứ hai, tán xạ Rayleigh kep của tín hiệu gây ra hiện tượng xuyên âm. Xuyên âm Rayleigh được khuếch đại bởi DRA là nguyên nhân chính làm giảm công suất của hệ thống. 2.1.5 Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) Trong bộ khuếch đại phân bố, sợi quang vừa được dùng để truyền tín hiệu vừa để khuếch đại. Nghĩa là khi, sợi quang được bơm là một sợi truyền dẫn thực sự, liên kết hai điểm trong tuyến thì tương ứng với sơ đồ khuếch đại Raman phân bố. 2.1.6 Khuyếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) Bộ khuếch đại Raman tập trung được chế tạo bằng cách quấn một sợi quang có chiều dài vài km được pha tạp chất đặc biệt để cải thiện hệ số khuếch đại. Trong phần trình bày ở trên, chủ yếu tập trung về khuếch đại Raman phân bố là loại được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin quang hiện nay. 2.2 Ưu nhược điểm của bộ khuyếch đại quang Raman Ưu điểm Raman và nhược điểm 9 • So với các loại khuếch đại quang khác, khuếch đại Raman có những D8E6F4 sau: 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. • Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm đó bộ khuếch đại Raman cũng có những )*D5AE6F4 như sau: - Xuyên âm giữa các kênh tín hiệu do hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS. Đây là một trong các hiệu hứng phi tuyến của sợi quang có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM. - Hệ số khuếch đại thấp. - Hiệu suất khuếch đại thấp hơn so với EDFA: khuếch đại Raman cần một công suất bơm lớn hơn để đạt cùng một giá trị độ lợi. 10 . CHƯƠNG TRÌNH KHẢO SÁT THIẾT KẾ TUYẾN CÓ ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI RAMAN ( dùng phần mềm optical system) 3.1 Tính toán tham số 3.2 Kết quả thiết kế tuyến có ứng dụng bộ khuếch đại Raman 3.2.1 Kết quả. 2.1 Bộ khuyếch đại quang Raman 2.1.1 Cấu tạo của bộ khuếch đại Raman 2.1.2 Nguyên lý bơm 2.1.3 Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman 2.1.4 Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman. $"#%%% &' 2.1 Bộ khuyếch đại quang Raman 2.1.1 Cấu tạo và nguyên lí của bộ khuếch đại Raman 2.1.1.a. Cấu tạo Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman được minh họa trong hình ()*$+, cấu trúc bộ khuếch đại