Xác định độ dài tối ưu và hệ số khuếch đại cực đại của sợi quang Germani bơm ngược phân bố

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM THỊ CHÍNH XÁC ĐỊNH ĐỘ DÀI TỐI ƯU VÀ HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI CỰC ĐẠI CỦA SỢI QUANG GERMANI BƠM NGƯỢC PHÂN BỐ CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.01.09 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS HỒ QUANG QUÝ VINH, 2013 LỜI CẢM ƠN Bản luận văn hoàn thành hướng dẫn PGS.TS HỒ QUANG QUÝ, người định hướng cho đề tài giúp đỡ tận tình suốt trình làm luận văn Với tình cảm trân trọng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giúp đỡ quý báu Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy cô giáo chuyên ngành Quang học trường Đại học Vinh, người trực tiếp tham gia giảng dạy trình học tập nghiên cứu Cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý, khoa đào tạo Sau Đại học tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập nghiên cứu trường Đại học Vinh Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo phản biện nhận xét sửa chữa thiếu sót để luận văn hoàn chỉnh Tôi xin cảm ơn tập thể lớp Cao học 19 chuyên ngành Quang học trường Đại học Vinh, gia đình bạn bè, tạo điều kiện thuận lợi, động viên, giúp đỡ suốt trình làm luận văn Tác giả Phạm Thị Chính MỤC LỤC Trang Danh mục ký hiệu Danh mục hình Mở đầu Chương KHUẾCH ĐẠI RAMAN TRONG SỢI QUANG 1.1 Tán xạ Raman tự phát cưỡng 1.1.1 Tán xạ Raman tự phát 12 12 1.1.2 Tán xạ Raman cưỡng 16 1.1.3 Tán xạ Raman theo quan điểm lượng tử 18 1.1.4 Tán xạ Raman cưỡng theo quan điểm lượng tử 21 1.2 Khuếch đại Raman sợi quang 25 1.2.1 Các cấu hình khuếch đại Raman sợi quang 25 1.2.2 Phương trình động học trình khuếch đại Raman 28 1.2.3 Cấu hình thực tế khuếch đại Raman sử dụng thông tin quang sợi 29 1.3 Kết luận chương 31 Chương ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ LÊN ĐỘ DÀI TỐI ƯU VÀ HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI CỰC ĐẠI 2.1 Phân tích lý thuyết 33 2.1.1 Các biểu thức cho độ khuếch đại 33 2.1.2 Xác định độ dài tối ưu độ khuếch đại cực đại 37 2.2 Khảo sát cho sợi quang Germani 38 2.2.1 Ảnh hưởng chu kỳ xung bơm 38 2.2.2 Ảnh hưởng độ chênh lệch chiết suất 40 2.2.3 Ảnh hưởng chu kỳ trường hợp công suất bơm trung bình không đổi 42 2.3 Kết luận chương 44 KẾT LUẬN CHUNG 46 Tài liệu tham khảo 48 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu ω0 ωs ωas ωi φ c Ni h N0 ε0 ∆ε Ý nghĩa Tần số ánh sáng kích thích Tần số ánh sáng tán xạ Stokes Tần số ánh sáng tán xạ đối Stokes Tần số dao động mức i Góc tạo hướng thu trục chùm tia tới Vận tốc ánh sáng chân không Số phân tử nằm trạng thái kích thích nhiệt động Hằng số Planck Số phân tử nằm trạng thái điện tử Hằng số điện môi môi trường Đại lượng đặc trưng cho thăng giáng độ thẩm điện Ps môi Cường độ ánh sáng kích thích Cường độ vạch Stokes Cường độ vạch đối Stokes Số phân tử tương ứng với vạch Stokes Số phân tử tương ứng vạch đối Stokes Thể tích môi trường tán xạ Hệ số tán xạ Hằng số Boltzmann Nhiệt độ tuyệt đối Bước sóng hiệu chiết suất lõi vỏ Chiết suất lõi sợi quang Chiết suất vỏ sợi quang Số phân tử môi trường Số photon trung bình mode laser Số photon trung bình mode Stokes Xác suất để photon từ mode laser chuyển sang mode τ G Stokes Độ rộng xung Hằng số tán xạ Raman cưỡng I0 Is Ia Ns Na V R KB T λ ∆n nl nv N mL ms L υg υs Ep Es Q Ip Is PL T αp αs g A Lopt Gmax Chiều dài sợi quang Vận tốc nhóm xung bơm Vận tốc nhóm xung tín hiệu Cường độ điện trường sóng bơm với tần số ν p Cường độ điện trường sóng Stokes với tần số ν s Số lượng phonon quang ứng với tần số vr = ν p −ν s Cường độ sóng bơm Cường độ sóng Stokes Công suất đỉnh Chu kỳ lặp Hệ số mát sợi quang sóng bơm Hệ số mát sợi quang sóng tín hiệu Hằng số khuếch đại Raman Tiết diện tán xạ Raman sợi quang Độ dài sợi quang tối ưu Hệ số khuếch đại cực đại DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Tên hình Trang Hình Sơ đồ cấu trúc khuếch đại tín hiệu sợi quang 11 Germani bơm ngược phân bố Hình 1.1 Hiện tượng tán xạ Raman 12 Hình 1.2 Sơ đồ mức lượng chuyển dịch 13 tán xạ Raman Hình 1.3 Các trình tán xạ cường độ tương đối 15 chúng Hình 1.4 Phân bố trường tán xạ Raman 17 Hình 1.5 Cấu hình khuếch đại Raman bơm thẳng 26 Hình 1.6 Phân bố xung bơm sợi quang 27 Hình 1.7 Cấu hình bơm ngược phân bố 28 Hình 1.8 Hệ khuếch đại Raman kết hợp khuếch đại Raman 30 10 11 12 phân bố khuếch đại Raman rời rạc Hình 2.1 Quá trình truyền ngược chiều gặp 34 xung sợi quang Hình 2.2 Hệ số Gmax phụ thuộc vào T/ τ cố định PL =1W 39 τ =10-6s Hình 2.3 Độ dài sợi quang tối ưu Lopt phụ thuộc vào tỉ số T/ τ 40 PL=1W τ =10-6s Hình 2.4 Độ khuếch đại cực đại Gmax phụ thuộc vào độ chênh 41 13 lệch chiết suất ∆ n với tỉ số T/ τ =20 tham số khác không đổi 14 15 16 Hình 2.5 Độ dài tối ưu Lopt phụ thuộc vào ∆ n với tỉ số T/ τ =20 41 tham số khác không đổi Hình 2.6 Độ khuếch đại Gmax phụ thuộc vào T/ τ với P0 =0.01W 43 τ =0.1 µ s Hình 2.7 Độ dài tối ưu Lopt phụ thuộc vào T/ τ với P0 =0.01W τ = 0.1 µ s 44 MỞ ĐẦU Do nhu cầu ngày cao người việc trao đổi thông tin phát triển công nghệ thông tin, nên mạng viễn thông quốc tế ngày cần nâng cao chất lượng truyền tải Vì vậy, việc nghiên cứu mở rộng dải khuếch đại quang trực tiếp sợi quang thực nhiều năm gần [1, 2, 3] Hiện nay, băng tần thông tin quang mở rộng từ 1420nm đến 1620nm (băng tần khuếch đại 200nm) với hệ số suy hao nhỏ 0,3 dB Nếu sử dụng khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium cho ta băng tần khuếch đại 40nm sợi quang ta ghép tối đa 100 kênh Vì băng tần mà mở rộng theo lý thuyết 200nm có khuếch đại quang hiệu khác, ta tăng số kênh ghép lên từ giảm giá thành sử dụng Chính vậy, nhiều công trình công bố nghiên cứu khuếch đại quang mới, sợi quang khuếch đại Raman, dựa hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng [3, 4] Trong hệ thống truyền dẫn quang tách-ghép đa bước sóng (WDMWavelength Divison Multiplexing), để khắc phục suy hao sợi quang, người ta sử dụng trạm lặp quang-điện Tại trạm lặp, tín hiệu quang biến đổi thành tín hiệu điện Sau khuếch đại, tín hiệu điện biến thành tín hiệu quang truyền tiếp Qua nhiều trạm lặp, tín hiệu truyền khoảng cách xa hồi phục [1, 2, 5] Tuy nhiên, sử dụng hệ thống truyền thông tin quang có sử dụng WDM, nhiều trạm lặp quang điện cần sử dụng để khuếch đại tái tạo kênh có bước sóng khác Điều làm tăng độ phức tạp mạng thông tin, đồng thời tăng giá thành Chính vậy, khuếch đại quang khắc phục nhược điểm trên, đặc biệt giảm thiểu trạm lặp [6, 7,8,9] Khuếch đại quang nghiên cứu nhiều, sử dụng số mạng thông tin quang quốc tế có xu đưa vào sử dụng thực tế Việt Nam Đối với Việt Nam, công nghệ có giá thành cao Mới đây, Viện Vật liệu/ Viện Hàn Lâm KH Việt Nam bước đầu nghiên cứu chế tạo khuếch đại sợi quang pha tạp Germani dựa nguyên lý tán xạ Raman bơm tổng bơm phân bố Các kết áp dụng cho mạng thông tin quang Công ty Viettel cho thấy, hệ số khuếch đại tăng băng tần khuếch đại mở rộng [3] Tuy nhiên, theo kết nghiên cứu công trình [3], thời điểm này, việc chọn độ dài tối ưu hệ số khuếch đại cực đại đạt sợi quang Germani khuếch đại Raman bơm ngược phân bố chưa nghiên cứu Trong thí nghiệm, việc xác định độ dài tối ưu hệ số khuếch đại cực đại thực được, nhiên, điều kiện để có nhiều sợi quang với chiều dài khác khó khăn có giá thành cao Điều gây khó khăn cho việc chọn độ dài tuyến thông tin cần khuếch đại phù hợp với cấu hình có điểm (trạm chuyển tiếp) cố định sẵn theo địa lý Để góp phần vào việc nghiên cứu thành công sợi quang Germani khuếch đại Raman bơm ngược phân bố thông qua việc xác định độ dài tối ưu hệ số khuếch đại cực đại (để xác định vị trí đặt nguồn bơm) đề xuất đề tài: “Xác định độ dài tối ưu hệ số khuếch đại cực đại sợi quang Germani bơm ngược phân bố” 10 Nội dung luận văn tập trung vào số vấn đề sau: * Tổng quan tán xạ Raman cưỡng bức; * Khuếch đại quang môi trường sợi quang; * Hệ khuếch đại tán xạ Raman bơm ngược phân bố (hình 1); Hình Sơ đồ cấu trúc khuếch đại tín hiệu sợi quang Germani bơm ngược phân bố * Dẫn biểu thức tính hệ số khuếch đại, hệ số khuếch đại cực đại độ dài tối ưu chế độ bơm ngược phân bố; * Mô ảnh hưởng số tham số lên độ dài tối ưu hệ số khuếch đại sợi quang Germani Các nội dung cấu trúc thành hai chương Chương Tổng quan tán xạ Raman cưỡng bức, khuếch đại Raman ứng dụng khuếch đại Raman bơm ngược sợi quang Chương Trình bày mẫu hệ khuếch đại Raman bơm ngược phân bố sợi quang Germani, đưa biểu thức tính độ khuếch đại, độ dài tối ưu Mô bình luận ảnh hưởng vài tham số vào độ khuếch đại cực đại độ dài tối ưu 36 P ( zi ) = PL e −α p ( L − zi ) (2.5) Mặt khác, truyền ngược chiều nên quãng đường tương tác sợi quang xung tín hiệu xung bơm thứ i là: Ltt = υbτ (2.6) Biểu thức (2.6) có nghĩa tương tác khoảng thời gian nửa độ rộng xung bơm (giả thiết lượng xung bơm tập trung vào tâm có thời gian độ rộng xung) Trong thời gian nửa độ rộng xung bơm đó, xung tín hiệu khuếch đại lên với hệ số sau [16]:  gP ( zi ) Lint  Gi* = exp   A   (2.7) đó, P( zi ) / A mật độ công suất xung bơm tiết diện tương tác Tuy nhiên, cần ý hai lần gặp nhau, tín hiệu bị suy giảm mát sợi quang hệ số sau: α = e −α D s (2.8) đó, α s hệ số suy giảm đơn vị độ dài sợi quang Từ (2.7) (2.8) hệ số khuếch đại cho lần tương tác, hay gọi độ khuếch đại xung bơm là:  gP ( zi ) Lint  Gi = exp  −αs D  A   (2.9) Sau truyền qua sợi quang, tín hiệu gặp N xung bơm đó, khuếch đại N lần Từ (2.9), độ khuếch đại tổng sau N lần va chạm là: 37  gPLτ − e −αp L  G = ∏Gi = exp  − α L s  −α pTυp / 2 A − e i =1   N (2.10) Từ (2.10) thấy độ khuếch đại tổng phụ thuộc vào tham số thiết kế tuyến thông tin như: - tiết diện tương tác (A), - độ dài sợi quang (L), - hệ số mát sợi ( α p , α s ), - số khuếch đại ( g ), - công suất đỉnh xung ( PL ), - độ rộng xung bơm ( τ ) Hơn nữa, số khuếch đại g phụ thuộc vào bước sóng tín hiệu ( λ ) chênh lệch chiết suất ∆n = nl − nv sau [19]:  36(∆n − 0.005)  g (∆n ) ≈ g 0.005 1 +  1.07  (2.11) đó, g0.005 = 1.07 ×10−11 m / W số khuếch đại Raman sợi quang có hiệu chiết suất lõi vỏ ∆n = 0.005 2.1.2 Xác định độ dài tối ưu độ khuếch đại cực đại Trong thiết kế xây dựng hệ khuếch đại Raman sợi quang, độ khuếch đại tổng cực đại đặt lên hàng đầu đó, độ dài tối ưu sợi quang ứng với tham số quan trọng Từ (2.10) ta thấy, với tham số không đổi khác hệ, tồn độ dài sợi quang tối ưu ( Lopt ), đó, độ khuếch đại tổng lớn nhất, tức cho dG ( L) = dL 38 Sau áp dụng cho biểu thức (2.10) tìm được: Lopt  α p = ln  α p  α s gυ p PLτ       −α pTυ p /2 A (1 − e )    (2.12) Để tính độ khuếch đại tổng cực đại ứng với độ dài tối ưu, ta thay (2.12) vào (2.10) Kết thu biểu thức:  gPLτ − e −α P Lopt  = ∏ Gi = exp  − α L S opt  −α PTυ P / 2 A − e i =1   N Gmax (2.12’) Như vậy, từ (2.12’) ta thấy với tuyến thông tin quang sợi xác định với nguồn bơm cho, loại sợi quang cho giá trị độ khuếch đại tổng cực đại ứng với độ dài sợi quang xác định 2.2 Khảo sát cho sợi quang Germani Trong mục này, tập trung khảo sát ảnh hưởng tham số thiết kế hệ khuếch đại Raman sợi quang cấy Germani lên độ khuếch đại tổng độ dài tuyến tối ưu 2.2.1 Ảnh hưởng chu kỳ xung bơm Ngoài công suất bơm, chu kỳ bơm đại lượng đóng vai trò quan trọng công nghệ bơm phân bố ngược, định phân bố công suất suốt chiều dài tuyến thông tin Do đó, trước tiên quan tâm đến tham số Giả sử hệ cấu tạo từ sợi quang đơn mode có diện tích tiết diện ngang: A = ×10−11 m Diện tích xem tiết diện tương tác hai sóng sợi quang [14] Hệ bơm laser diode có bước sóng trung tâm λb = 1.471µ m [3] Chúng ta quan tâm đến trình khuếch đại cho sóng tín hiệu đặc trưng có bước sóng λs = 1.570µ m [3, 4, 5] Đây bước sóng thông 39 dụng thông tin quang Với bước sóng bơm sóng tín hiệu gần nhau, giả thiết vận tốc nhóm xung tín hiệu xung bơm gần υb ≈ υ s = ×108 m / s [19] Sợi quang cấy thêm Germani có hệ số mát −3 hai sóng cho sau: α p = 0.91×10 dB / m α s = 0.191×10−3 dB / m [17] Hằng số khuếch đại sợi quang cấy Germani g = 1.25 ×10−11 m / W [3, 9] Laser diode thông dụng thông tin quang có công suất lân cận W (hoặc phương pháp bơm tổng công suất đạt 1W) Do đó, giả thiết laser bán dẫn có công suất cố định PL = 1W độ rộng xung τ = 10−6 s Chu kỳ lặp xung bơm điều khiển thay đổi tỉ lệ so với độ rộng xung Hình 2.2 Hệ số Gmax phụ thuộc vào T/ τ cố định PL =1W τ =10-6s Sử dụng tham số cho vào biểu thức (2.10) (2.12), phụ thuộc độ khuếch đại Gmax chiều dài sợi tối ưu Lopt vào tần số lặp T mô trình bày hình 2.2 hình 2.3 40 Từ hình 2.2 ta thấy, độ khuếch đại cực đại Gmax giảm nhanh tỉ số T / τ lớn, tức thời gian lặp xung bơm lớn Điều rõ ràng, chu kỳ lớn, xung bơm cách xa dẫn đến làm giảm vùng chồng lấn xung tín hiệu xung bơm, tức giảm môi trường khuếch đại Kết làm giảm độ khuếch đại Cũng với lý trên, độ dài sợi quang tối ưu Lopt giảm chu kỳ tăng (xem hình 2.3) Tuy nhiên, độ dài tối ưu thay đổi không lớn Có thể kết luận độ dài tối ưu khoảng 10km ứng với giá trị T / τ = 10 ÷ 40 Hình 2.3 Độ dài sợi quang tối ưu Lopt phụ thuộc vào tỉ số T/ PL=1W =10-6s Hơn nữa, kết luận, độ khuếch đại tăng, độ rộng xung bơm tăng (tỉ số T / τ giảm) Điều hoàn toàn giải thích 41 lượng xung phân bố sợi quang vùng tương tác xung tín hiệu xung bơm lớn 2.2.2 Ảnh hưởng độ chênh lệch chiết suất Những kết khảo sát cho trường hợp độ chênh lệch chiết suất vỏ lõi sợi quang không đổi, ∆n = nl − nv = 0.01 Như biết công trình [19], số khuếch đại Raman sợi quang phụ thuộc vào bước sóng bơm hiệu chiết suất Do đó, quan tâm đến tham số này, tham số định việc lựa chọn chế tạo lựa chọn sợi quang thiết kế xây dựng tuyến thông tin quang có khuếch đại Raman Cụ thể, sợi quang Germani bơm bước sóng λ p = 1.472µ m [19] số khuếch đại Raman hàm thực nghiệm phụ thuộc vào ∆n cho theo (2.11) Sử dụng (2.11), với tham số khác không đổi cho trên, độ khuếch đại cực đại Gmax độ dài sợi quang tối ưu Lopt ứng với sợi quang khác có ∆n thay đổi thể tương ứng hình 2.4 hình 2.5 Hình 2.4 Độ khuếch đại cực đại Gmax phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất ∆ n với tỉ số T/ τ = 20 tham số khác không đổi 42 Hình 2.5 Độ dài tối ưu Lopt phụ thuộc vào ∆ n với tỉ số T/ τ = 20 tham số khác không đổi Từ kết hình 2.4 2.5, thấy độ khuếch đại phụ thuộc mạnh vào độ chênh lệch chiết suất Trong trường hợp sợi Germani khảo sát, độ khuếch đại tăng lên từ 20 dB lên đến 40 dB tăng chênh lệch chiết suất từ 0,01 lên 0,05 Điều giải thích thông qua hiệu ứng phản xạ toàn phần Khi hiệu chiết suất tăng, tức lõi có chiết suất lớn chiết suất vỏ Điều dẫn đến hiệu suất phản xạ toàn phần tăng, tượng mát công suất bơm khúc xạ vỏ giảm Theo kết hình 2.5, chênh lệch chiết suất tăng độ dài tối ưu tăng lên Có thể hiểu, số khuếch đại Raman tăng, chiều dài sợi quang ứng với độ khuếch đại cực đại kéo dài Tuy nhiên, phụ thuộc chiều dài tối ưu vào chệnh lệch chiết suất không lớn, tăng khoảng 800 m thay đổi chênh lệch chiết suất khoảng 0,05 2.2.3 Ảnh hưởng chu kỳ trường hợp công suất bơm trung bình không đổi 43 Theo công thức (2.10) (2.12), rõ ràng độ khuếch đại tín hiệu chiều dài sợi quang tối ưu phụ thuộc vào công suất đỉnh xung bơm Tuy nhiên, trình bơm, công suất bơm phân bố toàn sợi quang (xem hình 1.6) Mặt khác, trình bơm công suất đỉnh xung laser bơm ổn định Do đó, thường sử dụng công suất bơm trung bình Gọi P0 = PLτ / T công suất bơm trung bình lượng xung bơm chia cho chu kỳ bơm Sau thay vào biểu thức (2.12) sau (2.10) nhận biểu thức cho độ khuếch đại cực đại độ dài tối ưu tính theo công suất trung bình Giả thiết công suất trung bình P0 không đổi Chúng ta khảo sát ảnh hưởng chu kỳ bơm lên độ khuếch đại độ dài tối ưu Kết khảo sát thể hình 2.6 2.7 Hình 2.6 Độ khuếch đại Gmax phụ thuộc vào T/ với P0 =0.01W =0.1s 44 Hình 2.7 Độ dài tối ưu Lopt phụ thuộc vào T/ với P0 =0.01W = 0.1s Trong trường hợp này, chu kỳ T tăng đồng nghĩa với công suất đỉnh laser PL giảm Kết hình 2.6 cho thấy, tỉ số T / τ nhỏ, tức công suất đỉnh xung bơm nhỏ, thay đổi khoảng từ 0.01W đến 1W độ khuếch đại Gmax độ dài tối ưu L opt không phụ thuộc vào chu kỳ T Nhưng hai đại lượng tăng nhanh tỉ số T / τ tăng, tức công suất đỉnh xung bơm lớn 2.3 Kết luận chương 45 Trong chương quan tâm đến độ khuếch đại Raman tổng sợi quang bơm ngược phân bố Với gần công suất bơm không thay đổi dựa nguyên lý truyền xung ánh sáng sợi quang, biểu thức tường minh cho độ khuếch đại, độ dài tối ưu độ khuếch đại cực đại dẫn Trên sở đó, khảo sát bình luận độ khuếch đại cực đại độ dài tối ưu cho sợi quang pha tạp Germani Vấn đề quan trọng ảnh hưởng chu kỳ bơm, công suất bơm chênh lệch chiết suất lên hai đại lượng khảo sát bình luận rõ ràng Những kết hữu ích cho việc khẳng định trình khuếch đại tín hiệu sợi quang Raman pha tạp Germani Ngoài ra, kết làm tham khảo cho trình thiết kế hệ khuếch đại Raman tách-ghép bước sóng thực tế Việt Nam, vấn đề quan tâm 46 KẾT LUẬN CHUNG Nghiên cứu khảo sát độ khuếch đại Raman độ dài tối ưu cho hệ thông tin quang sợi cần thiết Trong công trình này, quan tâm cụ thể vấn đề cho loại sợi quang cụ thể, sợi thủy tinh pha tạp Germani Các kết nghiên cứu trình bày luận văn tóm gọn điểm sau đây: Đã tổng quan tán xạ Raman, tán xạ Raman cưỡng khuếch đại Raman môi trường phi tuyến Trên sở đó, số lý thuyết khuếch đại Raman số cấu hình bơm thường sử dụng công nghệ thông tin quang trình bày Đây sở để giải toán tìm biểu thức tính độ khuếch đại độ dài tối ưu cho tuyến thông tin quang Đã phân tích dẫn biểu thức tính độ khuếch đại tổng cho tuyến thông tin quang sợi, từ đó, tìm độ dài tối ưu cho độ khuếch đại đạt cực đại Đã khảo sát ảnh hưởng chu kỳ bơm, độ lệch chiết suất lên độ khuếch đại cực đại độ dài tối ưu tuyến thông tin quang Từ bình luận rút ra: để có độ khuếch đại lớn, việc sử dụng công suất bơm lớn cần phải sử dụng sợi quang có độ chênh lệch chiết suất lõi vỏ lớn, đồng thời cần rút ngắn chu kỳ bơm Trong trường hợp 47 nguồn bơm bảo đảm có giá trị trung bình không đổi độ khuếch đại cực đại độ dài tối ưu tăng lên nhanh chu kỳ bơm tăng Tuy nhiên, cần ý rằng, việc tăng chu kỳ bơm phải đồng thời với việc tăng công suất đỉnh xung bơm Trong khuôn khổ luận văn chưa đề cập đến ảnh hưởng số tham số khác bước sóng, hệ số mát, tiết diện sợi quang, Thực tế cho thấy hệ số mát tiết diện ngang sợi quang đơn mode không thay đổi lớn vùng phổ khoảng vài trăm nm Do đó, không đề cập nghiên cứu 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Văn Võ, 2008, “Mạng quang hệ sau,” NXB Bưu điện [2] Đinh Xuân Khoa, Hồ Quang Quý, 2007,“Nhập môn thông tin quang sợi,” NXB ĐHQGHN [3] Phạm Văn Hội, 2011, “Nghiên cứu thiết kế hệ khuếch đại Raman, sử dụng mạch tách-ghép đa bước sóng,” đề tài KHCN,Viện KHCNVN [4] N Takachio and H Suzuki, 2001, “Application of Raman-distributed amplification to WDM transmission systems using 1.55μm dispersionshifted fiber,” J Lightwave Technol., vol.19, pp 60-69 [5] N Nielson, et al, 2000, “3.28-Tb/s transmission over 3x100km of nonzero-dispersion fiber using dual C- and L-band distributed Raman amplification,” IEEE Photon Technol.Lett., vol 12, pp 1079-1081 [6] M N Zervas and R.L Laming, 1995, “Rayleigh scattering effect on the gain efficiency and noise of erbium-doped fiber amplifiers,” J Lightwave Technol., vol.31, pp.468-471 [7] M N Islam, 2002, “Raman amplifiers for telecommunication,” IEEE J of Select Topics in Quantum Electron., vol.8, pp 548-559 [8] J Bromage, 2004, “Raman Amplification for fiber communication systems,” IEEE J Lightwave Technol., vol.22, pp.79-93 49 [9] H.S Seo, et al, 2001, “Gain Optimization of Germanosiliate Fiber Raman Amplifier and Its Application in the compensation of Raman-Induced Crosstalk Among Wavelength Division Multiplexing Chanels,” IEEE of J Quant Elect., vol.37, pp.1110-1116 [10] H.Q Quý, 2007, “Quang phi tuyến ứng dụng,” NXB DDHQGHN [11] R W Boyd, 1992, “Nonlinear Optics,” Academic Press Inc [12] F Emami, M Katebi, 2007, “Analysis and comparison of optimized multipump Raman amplifier,” In Proc Of ICEEE-2007 Conf Mexico city, Mexico [13] M Katebi, F Emami, 2009, “Analysis and Comparison of Optimized Multipump distributed Raman amplifiers in different fiber Medias,” Proc Of 8th WSEAS Int Conf on Electronics, Harwave, Wireless and Optical Communication (EHAC’09), Cambridge, UK, pp 112-115 [14] Farzin Emami, Amir H Jafari, 2009, “Analysis of Low Noise and Gain Flattened Distributed Raman amplifiers Using different Fibers,” Proc Of 8th WSEAS Int Conf on Electronics, Harwave, Wireless and Optical Communication (EHAC’09), Cambridge, UK, pp 119-123 [15] Amann et al,1983, ”Laser Doide-high-power light source for Optical communications,” Telcom Report, Special Issue “Optical communication,” p.79 [16] C X Lin and R H Stolen, 1976, “Backward Raman Amplification and Pulse Steepening in silica Fiber,” Appl Phys Lett., vol.9, pp 428-430 [17] J Wu and M S Kao, 1988, “Light amplification using backward Raman pumping,” Microwave and Optical Technol Lett., vol.1, pp 129-131 50 [18] M E Lines, 1987, “Raman estimates for high-gain optical fibers,” J Appl Phys., vol.62, pp 4363-4370 [19] S T Davey, et al, 1989, “Optical gain spectrum of GeO2-SiO2 Raman fiber amplifiers,” Proc Inst Elect Eng., vol 136, pp.468-471 [20] H Q Quy et al, (2012) “Optical pulse self-compressor combined the nonlinear coupler with backward Raman fiber amplifier,” Commun in Phys Vol.22, No.3, pp 254-262 [21] Q Q Ho, V B Chu, (2012) “Two Models of Optical Pulse SelfCompressor combined the Nonlinear Coupler with Backward Raman Amplifier,” J Electromagnetic Analysis and Applications, 4, 379-385 [...]... để bơm khuếch đại tín hiệu Raman [7, 8] Một số công trình lý thuyết đã quan tâm đến việc tối ưu quá trình bơm ngược phân bố[ 12, 13, 14] Sau đây, chúng tôi sẽ quan tâm quá trình khuếch đại Raman bơm ngược trong sợi quang pha tạp Germani Nội dung chủ yếu tập trung khảo sát bằng lý thuyết tìm ra độ dài tối ưu và hệ số khuếch đại cực đại của một sợi quang và sự phụ thuộc của chúng vào các tham số của hệ. .. phận khuếch đại rời rạc đảm nhiệm Những bước sóng nào cần được khuếch đại một lần nữa sẽ do khóa kiểm tra bước sóng xác định Hình 1.8 Hệ khuếch đại Raman kết hợp khuếch đại Raman phân bố và khuếch đại Raman rời rạc 31 Ngoài hai kiểu khuếch đại đã nói trên, trong thông tin quang còn sử dụng một số hệ khuếch đại khác như: Khuếch đại ba băng; Khuếch đại Raman tương tự laser vòng; … Tất cả các kiểu của hệ. .. yếu tố để áp dụng vào công nghệ khuếch đại Raman, một trong những công nghệ được ứng dụng trong thông tin quang sợi Sau đây, chúng ta sẽ xem xét đến quá trình khuếch đại Raman trong sợi quang và ứng dụng của nó 1.2 Khuếch đại Raman trong sợi quang 1.2.1 Các cấu hình khuếch đại Raman trong sợi quang Cấu hình bơm thẳng Từ đây chúng ta quan tâm đến môi trường khuếch đại Raman là sợi quang Dựa trên nguyên... HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ LÊN ĐỘ DÀI TỐI ƯU VÀ HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI CỰC ĐẠI Sợi quang Raman được nghiên cứu nhiều trong thông tin quang Nó đóng vai trò như một linh kiện tách-ghép đa bước sóng từ khi laser bán dẫn phát triển [4] Khuếch đại phân bố trên các đường dẫn quang đó được xây dựng lắp đặt với mục đích tách-ghép đa bước sóng cho nhiều tuyến đường dài [4, 5] Để có được hệ số khuếch đại đáng kể cho... tin quang hàng chục đến hàng trăm km, phải bơm bằng laser vài trăm mW khi sử dụng đến khuếch đại Raman Bằng cách này hệ số khuếch đại chỉ có thể thay thế cho sợi quang pha thêm Erbium, bơm vài chục mW Nguyên nhân chính là do hệ số khuếch đại Raman của thủy tinh đơn thuần không cao, chỉ đạt đến 1.2 ×10−11 cm / W [16] Hiện nay hệ số khuếch đại Raman của sợi quang có thể tăng lên nhiều lần khi pha thêm Germani. .. thông tin quang sợi, cấu hình bơm ngược phân bố được sử dụng nhiều hơn cả [16, 17, 18] Cấu hình bơm ngược phân bố Cấu hình bơm ngược phân bố được trình bày trên hình 1.7 Một laser phát xung, truyền lan theo chiều từ phải sang trái qua sợi quang chứa tâm hoạt Raman Nguồn bơm này sẽ tạo ra hệ số khuếch đại Raman ở tần số ν s = ν p − ν r Một sóng có tần số ν s gọi là sóng Stokes, được đưa vào sợi quang tại... Khuếch đại Raman tương tự laser vòng; … Tất cả các kiểu của hệ khuếch đại Raman trong sợi quang đều hoạt động theo nguyên lý bơm ngược Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất của nguồn bơm và phân bố của công suất bơm trong sợi quang 1.3 Kết luận chương 1 Tán xạ Raman cưỡng bức là hiệu ứng gây ra do cường độ bơm lớn tác động lên môi trường có độ cảm bậc ba lớn Tán xạ Raman có tính chất kết hợp, do đó,... có thể sử dụng bơm phân bố nhờ các laser xung có độ rộng xung lớn Để thỏa mãn sự chồng chập của xung bơm và xung tín hiệu cần phải bảo đảm tần số lặp của laser bơm Giả sử chiều dài của sợi quang là L, độ rộng xung bơm là τ b , khi đó, số xung cần thiết để bơm cho toàn bộ sợi quang sẽ là: N= 2L υ gτ b (1.20) trong đó, υ g là vận tốc nhóm của xung bơm và chu kỳ lặp của nguồn phát xung bơm sẽ làτ b /... công suất đỉnh PL , độ rộng xung là τ và chu kỳ lặp là T được bơm vào sợi quang tại tọa độ z = L và truyền theo chiều ngược lại, tương ứng với chiều − z Hãy giả thiết rằng hệ số mất mát trong sợi quang đối với sóng bơm và sóng tín hiệu tương ứng là α p và α s Ký hiệu g và A tương ứng là hằng số khuếch đại Raman và tiết diện tán xạ Raman của sợi quang Trong thực tế, công suất bơm lớn hơn nhiều so... thành trong sợi quang truyền Nhờ bộ phận bơm phân bố (hay khuếch đại toàn băng), các tín hiệu Raman được khuếch đại Tuy nhiên, bộ phận bơm phân bố sẽ khuếch đại nhiều bước sóng trong vùng phổ Raman Do bơm phân bố nên tín hiệu ứng với các bước sóng khác nhau sẽ có hằng số khuếch đại khác nhau, dẫn đến cường độ ra khác nhau Như vậy, một số tín hiệu có bước sóng cần thiết sẽ phải được khuếch đại một lần ... góp phần vào việc nghiên cứu thành công sợi quang Germani khuếch đại Raman bơm ngược phân bố thông qua việc xác định độ dài tối ưu hệ số khuếch đại cực đại (để xác định vị trí đặt nguồn bơm) đề... trường sợi quang; * Hệ khuếch đại tán xạ Raman bơm ngược phân bố (hình 1); Hình Sơ đồ cấu trúc khuếch đại tín hiệu sợi quang Germani bơm ngược phân bố * Dẫn biểu thức tính hệ số khuếch đại, hệ số khuếch. .. tính hệ số khuếch đại, hệ số khuếch đại cực đại độ dài tối ưu chế độ bơm ngược phân bố; * Mô ảnh hưởng số tham số lên độ dài tối ưu hệ số khuếch đại sợi quang Germani Các nội dung cấu trúc thành