Nghiên cứu về khuếch đại raman và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang

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.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:

Nguyễn Đức Tuyến 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 i Nguyễn Đức Tuyến 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. 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. ii Nguyễn Đức Tuyến  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. iii Đồ án tốt nghiệp Mục lục MỤC LỤC 1.2. Nguyên lý bộ khuếch đại quang 2 1.3.Phân loại khuếch đại quang 4 1.4. Hệ số độ lợi 5 1.5. Băng thông độ lợi 7 1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà 9 1.7. Hệ số nhiễu 10 1.8. Ứng dụng bộ khuếch đại quang 11 Kết luận chương I 12 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 13 2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 14 2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang 19 2.1.6.Tán xạ ánh sáng 22 2.1.7.Tán xạ Raman 25 2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 34 2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 65 2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 68 2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 72 2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 73 3.1.Ứng dụng trong hệ thống WDM 53 iv Đồ án tốt nghiệp Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ 1.2. Nguyên lý bộ khuếch đại quang 2 1.3.Phân loại khuếch đại quang 4 1.4. Hệ số độ lợi 5 1.5. Băng thông độ lợi 7 1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà 9 1.7. Hệ số nhiễu 10 1.8. Ứng dụng bộ khuếch đại quang 11 Kết luận chương I 12 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 13 2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 14 2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang 19 2.1.6.Tán xạ ánh sáng 22 2.1.7.Tán xạ Raman 25 2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 34 2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 65 v Đồ án tốt nghiệp Mục lục 2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 68 2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 72 2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 73 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 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 vi Đồ án tốt nghiệp Mục lục 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 bước sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo ZDW Zero Dispersion Wave Bước sóng tán sắc không vii Đồ án tốt nghiệp Mục lục viii 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 Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang 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. 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 [...]... 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 Đồ án tốt nghiệp quang Chương I:Giới thiệu về khuếch đại Ở chương tiếp theo em sẽ trình bày chi tiếp về bộ khuếch đại Raman Đồ án tốt nghiệp Raman Chương II:Bộ khuếch đại CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 2.1.Tán xạ Raman 2.1.1.Ánh sáng Ánh sáng có... 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. .. 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 Đồ án tốt nghiệp quang Chương I:Giới thiệu về khuếch đại 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. .. ta cũng chứng minh được rằng, giá trị hằng số nhiễu tính cụ thể theo công thức sau: Đồ án tốt nghiệp quang Chương I:Giới thiệu về khuếch đại NF = 2nsp(G-1)/G ≈ 2nsp (1.14) Hệ số 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... khuếch đại giảm từ 2 đến 3 dB, tương ứng với giá trị G = G0/2 Khi đó, ta có công thức: s Pout = G0 ln 2 Ps G0 − 2 (1.11) Đồ án tốt nghiệp quang Chương I:Giới thiệu về khuếch đại 1.7 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... 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... 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 Đồ án tốt nghiệp quang Chương I:Giới thiệu về khuếch đại 1.3.Phân loại khuếch đại quang Trong. .. hệ thống truyền dẫn quang như bộ làm tăng công suất trên đường truyền, khắc phục suy hao do sợi quang và các mối hàn nối trên đường truyền Tuỳ theo vị trí lắp đặt mà các bộ khuếch đại được chia ra làm 3 loại, như hình vẽ 1.5 phía dưới Đồ án tốt nghiệp quang Chương I:Giới thiệu về khuếch đại Hình 1.5:Các ứng dụng khuếch đại (a )Khuếch đại đường dây (In-line amplifier) (b )Khuếch đại công suất (Booster... khuếch đại Hình 1.3: Mối tương quan hệ số khuếch đại 1.5 Băng thông độ lợi Băng tần độ lợi được định nghĩa là ∆ωg = 2 / T2 hay là: ∆v g = ∆ω g 2π = 1 πT2 (1.7) Như vậy, nếu ∆vg ~ 5THz 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. .. và công suất đầu ra bão hoà Ở chế độ chưa bão hoà, coi P/Ps . về khuếch đại quang: nguyên lý khuếch đại quang và một số tham số khuếch đại quang. ii Nguyễn Đức Tuyến  Chương 2: Trình bày về khuếch đại Raman: tán xạ Raman, ưu nhược điểm của khuếch đại Raman, . dài. 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. 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