Tán xạ RAMAN

Tán xạ RAMAN

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầuMục lục THUẬT NGỮ VIẾT TẮT . 3 MỞ ĐẦU . i CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN . 1 1.1Tổng quan về tán xạ Raman 11.1.1Ánh sáng 11.1.2Tương tác của ánh sáng và môi trường .11.1.3Sợi quang .21.1.4Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 41.1.5Tính chất phi tuyến của sợi quang 71.1.6Tán xạ ánh sáng 91.1.7Tán xạ Raman 101.2Đặc tính của tán xạ Raman kích thích .121.2.1Phổ khuếch đại Raman .121.2.2Ngưỡng Raman 131.2.3Ảnh hưởng của các chất phụ gia trong sợi thuỷ tinh .171.2.4Ảnh hưởng của phân cực ánh sáng .171.3Ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang .181.3.1Ảnh hưởng của SRS đối với hệ thống đơn kênh .181.3.2Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM .231.4Thí nghiệm tán xạ Raman kích thích .271.4.1Thí nghiệm đo hệ số khuyếch đại Raman .271.4.2Thí nghiệm đo ngưỡng Raman .30CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU QUANG 32 2.1Sự cần thiết phải khuyếch đại quang 322.2Những khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang .332.2.1Phổ khuyếch đại và băng tần bộ khuyếch đại 332.2.2Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang .352.2.3Các ứng dụng khuyếch đại .372.3Bộ khuyếch đại quang Raman .382.3.1Nguyên lý bơm .382.3.2Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman 402.3.3Tăng ích quang Raman .412.3.4Hiệu năng khuyếch đại .442.3.5Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman 472.3.6Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 492.3.7Khuyếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) .522.3.8Bộ khuyếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 552.4Ứng dụng bộ khuyếch đại quang Raman trong hệ thống WDM 55CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 58 3.1Tính toán tham số .583.1.1Tham số “Walk-off” d 583.1.2Hệ số khuyếch đại Raman 58 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầu3.2Các lưu đồ thuật toán .593.2.1Lưu đồ thuật toán tính hằng số lan truyền sóng 593.2.2Lưu đồ thuật toán tính hệ số khuyếch đại Raman 603.2.3Lưu đồ tính hệ số phi tuyến 613.2.4Lưu đồ thuật toán mô phỏng SRS .623.3Kết quả mô phỏng và giải thích .633.3.1Kết quả mô phỏng phổ khuyếch đại Raman 633.3.2Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của SRS 643.3.3 Đặc tuyến công suất 68 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 70 CHƯƠNG 4: PHỤ LỤC A. Phương pháp biến đổi Fourier rời rạc 71 PHỤ LỤC B. Chương trình mô phỏng 73 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầuTHUẬT NGỮ VIẾT TẮTBER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bitDCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắcDRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuyếch đại Raman phân bốDRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Rayleigh képDSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch tán sắcEDFA Erbium Droped Fiber Amplifer Khuyếch đại quang sợi pha ErbiumFWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóngGVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhómLRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuyếch đại Raman tập trungMFD Mode Field Diameter Đường kính trường modeNF Noise Figure Hệ số tạp âmNLSE Nonliear Schrodinger Equation Phương trình Schrodinger phi tuyếnNRZ Non-Return-to-Zero Mã NRZSBS Stimulated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích thíchSMF Single Mode Fiber Sợi đơn modeSNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễuSPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch phaSRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thíchWDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóngXPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầuMỞ ĐẦUTán xạ Raman là quá trình tán xạ không đàn hồi, xảy ra do sự tương tác của ánh 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 thống tin quang nhưng mặt khác tán xạ Raman cũng có những ảnh hưởng tích cực, nổi bật nhất là khả năng khuyếch đại tín hiệu quang. Bởi vậy, ngay từ khi mới được phát hiện, tán xạ Raman đã thu hút rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu. Các nghiên cứu này tập trung theo hai hướng: giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực và ứng dụng tán xạ Raman kích thích trong khuyếch đại tín hiệu quang. Tán xạ Raman kích thích SRS chính là cơ sở để phát triển các bộ khuyếch đại quang Raman. Các bộ khuyếch đại quang Raman có rất nhiều ưu điểm so với những loại khuyếch 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 khuyếch đại quang Raman được coi là lời giải cho bài toán khuyếch đại quang trong các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, cự ly dài và rất dài.Nhận thức được tầm quang trọng của vấn đề và được sự hướng dẫn của Thầy giáo, ThS. Nguyễn Đức Nhân, em chọn đề tài “Tán xạ Raman kích thích” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp đại học.Nội dung đồ án được trình bày trong ba chương:Chương 1 trình bày tổng quan về quá trình tán xạ ánh sáng, tán xạ Raman, đồng thời trình bày những đặc tính cũng như ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong hệ thống đơn kênh và hệ thống WDM.Chương 2 trình bày một số khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang, nêu ứng dụng của tán xạ Raman kích thích trong khuyếch đại tín hiệu quang, nguyên lý của các bộ khuyếch đại Raman phân bố, khuyếch đại Raman tập trung. Chương 3 xây dựng chương trình mô phỏng, làm rõ các ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích đối với quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang, các lưu đồ thuật toán xác định các tham số liên quan.Mai Nguyên Dũng- D2001VT Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thôngi Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầuMặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do tán xạ Raman kích thích 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 thầy giáo, ThS. Nguyễn Đức Nhân 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.Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2005Sinh viênMai Nguyên DũngMai Nguyên Dũng- D2001VT Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thôngii CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN1.1 Tổng quan về tán xạ Raman1.1.1Ánh sángÁnh sáng có tính lưỡng tính sóng hạt. Tính chất sóng của ánh sáng được quan sát thấy qua các hiện tượng giao thoa, tán sắc. Ánh sáng có bản chất sóng điện từ. Các mode trường điện từ là tập các nghiệm của phương trình sóng. Tính chất hạt của ánh sáng được thể hiện qua khả năng đâm xuyên, hiện tượng quang điện, tác dụng ion hoá. Ánh sáng bao gồm các photon mang năng lượng xác định bằng hf trong đó h là hằng số Plank còn f là tần số của ánh sáng.1.1.2Tương tác của ánh sáng và môi trườngMột chùm sáng đi từ chân không vào môi trường bị phản xạ một phần ở mặt ngăn cách. Phần khúc xạ vào môi trường lại bị tán sắc, bị môi trường hấp thụ và bị tán xạ một phần về mọi phía.Theo Lorentx ta thừa nhận những giả thiết cơ bản sau đây: Phân tử của mọi chất được tạo thành từ ion và electron. Electron có khối lượng m và mang điện tích nguyên tố 1910.6,1−−=e C và được coi như điện tích điểm. Bên trong vật dẫn, electron chuyển động hoàn toàn tự do. Chuyển động có hướng của electron trong vật dẫn dưới ảnh hưởng của điện trường tạo nên dòng điện dẫn. Trong điện môi, electron không thể chuyển động tự do. Nhưng cũng không liên hệ cố kết với ion, mà có thể dịch chuyển một chút dưới tác dụng của những lực bên ngoài. Ion mang điện tích âm hoặc dương cũng có thể dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường. Nhưng ion có khối lượng lớn hơn electron nhiều nên di chuyển chậm. Trong điện trường biến đổi nhanh của sóng ánh sáng trong miền thấy được, ion hầu như không kịp dịch chuyển. Chỉ khi nào khảo sát trong miền hồng ngoại ta mới cần kể đến ảnh hưởng của ion.Những electron có khả năng dao động cưỡng bức với tần số ω của sóng điện từ trong vùng quang học gọi là electron quang học. Chúng là các electron lớp ngoài. Các electron nằm trong lớp sâu, gần hạt nhân nguyên tử, liên hệ chặt chẽ hơn với hạt nhân. Chúng chỉ có thể dao động với biên độ đáng kể khi tần số ω nằm vào vùng Rơngen.Lực của dao động cưỡng bức do điện từ trường tác dụng lên electron được gọi là lực Lorentx và bằng : eEf =1 (1.0)Mặt khác electron vốn chịu một lực chuẩn đàn hồi, ràng buộc nó với hạt nhân rmkrf212ω−=−= (1.0)Trong đó k là hằng số chuẩn của lực đàn hồi, xác định tần số dao động riêng của electron theo hệ thức: mk /1=ω, r là độ lệch của electron ra khỏi vị trí cân bằng. Hằng số lực k phụ thuộc vào điện tích hạt nhân nguyên tử, hoặc cấu trúc phân tử nên 1ω là hoàn toàn đặc trưng cho nguyên tử, phân tử đã cho. Do electron dao động trở thành lưỡng cực dao động, bức xạ sóng điện từ thứ cấp. Lưỡng cực dao động cũng có thể va chạm với các phân tử xung quanh, truyền năng lượng dao động cho chúng. Sự bảo tồn năng lượng dao động vì phát sóng và vì va chạm tương đương với tác dụng của một lực hãm,3grf −= (1.0)g là gia tốc của electron khi dao động, kết quả là phương trình chuyển động của electron có dạng: eErgrmrm +′−−=′′21ω (1.0)Đặt ξ=mg /, gọi đó là hệ số tắt dần, ta được phương trình dao động của electronmEerrr /.21=+′+′′ωξ (1.0) Phương trình (1.5) cùng với các giả thuyết của Lorentx là cơ sở cho việc giải các bài toán tán sắc và hấp thụ ánh sáng.1.1.3Sợi quang Sợi quang gồm một lõi hình trụ bằng thuỷ tinh có chiết suất 1n, bao quanh lõi là một lớp vỏ phản xạ đồng tâm với lõi. Lớp vỏ có chiết suất 2n(2n<1n).Sợi quang có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Nếu phân loại theo sự thay đổi chiết suất của lõi sợi thì sợi quang được chia thành hai loại. Loại sợi có chiết suất đồng đều ở lõi được gọi là sợi quang chiết suất bậc. Loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi ra tới lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ phản xạ được gọi là sợi có chiết suất Gradient (GI-Graded Index). Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì có loại sợi quang đa mode và sợi đơn mode. Sợi đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nó còn sợi đơn mode chỉ cho phép một mode truyền dẫn trong nó.(a) (b)(c)Hình 1.1 Cấu tạo của sợi quang(a) Sợi quang (b) Sợi chiết suất bậc (c) Sợi chiết suất giảm dầnMột trong các vật liệu được sử dụng rộng rãi để chế tạo sợi quang hiện nay là silic dioxide SiO2. Mỗi nguyên tử trong thuỷ tinh liên kết với các nguyên tử khác theo cấu trúc tứ diện như Hình 1.2. Trong đó mỗi nguyên tử silic được bao quanh bởi bốn nguyên tử Oxygen.OOOOSiHình 1.2 Cấu trúc tứ diện của Silic dioxide trong thuỷ tinhSợi quang cũng có thể được pha tạp với nhiều chất khác nhau để thay đổi chỉ số chiết suất. Ví dụ 2GeO và 52OP được pha thêm vào để tăng chiết suất của lõi. Để giảm chiết suất của lõi, có thể sử dụng các vật liệu như là Boron (B) và Fluorine (F)…Ngoài ra một số chất khác như Eribium cũng được sử dụng trong các bộ khuyếch đại quang.1.1.4Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quangSuy haoVận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang nhỏ hơn vận tốc truyền ánh sáng trong chân không. Ký hiệu c là vận tốc truyền ánh sáng trong chân không, n là chiết suất của lõi sợi, khi đó vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang được tính theo công thức (1.6)ncv =, ( )smc /10.38= (1.0)Ánh sáng khi truyền dọc theo sợi sẽ bị suy hao. Ký hiệu α[1/m] là hệ số suy hao của sợi quang,0P là công suất đầu vào sợi quang, công suất đầu ra sợi quang có chiều dài L được tính theo công thức:LTePPα−=0 (1.0)Để tính toán hệ số suy hao, đơn vị thường được sử dụng là dBα[ ]kmdB /.Phương trình chuyển đổi đơn vị :[ ]mdB/1100010ln10=αα (1.0)Công suất quang cũng thường được tính theo đơn vị là dBm thay cho Watt. Quan hệ giữa hai đơn vị này được biểu thị trong công thức (1.9).[ ][ ]=−WWPdBmP31010log.10 (1.0)Tán sắcTán sắc là hiện tượng dãn rộng xung ánh sáng khi truyền trong sợi quang. Tán sắc có nhiều loại như tán sắc mode, tán sắc màu và tán sắc mode phân cực.Tán sắc mode chỉ xảy ra trong sợi quang đa mode. Do các mode có tốc độ lan truyền khác nhau nên thời gian truyền các mode là khác nhau, gây ra tán sắc mode. Tán sắc màu được phân chia thành tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc vật liệu xảy ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng. Tán sắc ống dẫn sóng xảy ra do ánh sáng truyền trong sợi không phải là ánh sáng đơn sắc, hằng số lan truyền β là hàm của bước sóng. Các thành phần bước sóng khác nhau có vận tốc nhóm khác nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc màu có ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống thông tin quang. Tán sắc màu làm tăng ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang dẫn đến giới hạn về khoảng cách truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang.Loại sợi quang phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (theo khuyến nghị G.652 của ITU-T) SMF-28TM có hệ số tán sắc:( )−≈34004λλλλSD , kmnmps. (1.0)Trong đó D là hệ số tán sắc, λ là bước sóng, 085.00=S )./(2kmnmps là độ dốc tán sắc không, 0λ bước sóng tán sắc không (ZDW). Tán sắc của loại sợi này được biểu diễn trên Hình 1.3Bước sóng [nm]Hệ số tán sắc [ps/(nm.km)]Hình 1.3 Hệ số tán sắc của sợi quang SMF-28TM.Chiều dài hiệu dụngKhi một tín hiệu truyền dọc theo sợi quang, công suất tín hiệu bị giảm dần do suy hao. Tuy nhiên, trong thực tế có thể giả sử rằng công suất là hằng số trên một chiều dài [...]... tán xạ Raman Stoke Ánh sáng tán xạ Brillouin Stoke Ánh sáng tán xạ Raman phản Stoke Ánh sáng tán xạ Brillouin phản Stoke Ánh sáng tới Ánh sáng tán xạ Rayleigh Tần số Hình 1.6 Tần số của ánh sáng tán xạ. 1.1. 7Tán xạ Raman Tán xạ Raman được phân chia thành hai loại: Tán xạ Raman tự phát (Spontaneous Raman Scattering) và tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering). Hiệu ứng tán xạ. .. và một phần nhỏ sẽ bị tán xạ. Môi trường có thể gây ra nhiều loại tán xạ trong đó điển hình là tán xạ Rayleigh, tán xạ Brillouin, tán xạ Raman Tuỳ thuộc vào loại vật chất, ánh sáng, điều kiện môi trường… mà mỗi loại tán xạ xảy ra khác nhau. Tán xạ Rayleigh là quá trình tán xạ đàn hồi, tần số ánh sáng tán xạ bằng tần số ánh sáng tới. Trạng thái của các phân tử vật chất do tán xạ Rayleigh không thay... 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. Trạng thái kích thích Trạng thái đầu Trạng thái cuối Photon tán xạ a )Tán xạ Stoke Photon tán xạ Trạng thái cuối Trạng thái đầu Trạng thái kích thích a )Tán xạ phản Stoke Năng lượng Hình 1.7 Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman. (a )Tán xạ Stoke (b )Tán xạ phản Stoke. Giả sử 1 ω , 2 ω lần... lại, tán xạ Brillouin và tán xạ Ramman là các quá trình tán xạ khơng đàn hồi, các ngun tử bị kích thích khi có ánh sáng đi qua và tần số ánh sáng tán xạ bị dịch chuyển so với tần số của ánh sáng tới. ar Trước tương tác Sau tương tác Phân tử Phân tử Trước tương tác Sau tương tác Phân tử Phân tử a-Quá trình tán xạ đàn hồi b-Quá trình tán xạ khơng đàn hồi. Hình 1.5 Q trình tán xạ ánh sáng Q trình tán. .. sóng. Tán xạ Raman làm phát sinh ánh sáng tán xạ có tần số nhỏ hơn. Công suất ngưỡng P th được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của tán xạ Raman. Với hệ thống đơn kênh P th được xác định theo công thức: P th (SRS)= effR eff Lg A 16 (1.0) Ánh sáng tán xạ Raman trong các hệ thống đơn kênh cũng dễ dàng loại bỏ bởi các bộ lọc quang do chúng có khoảng dịch tần khá lớn. Ảnh hưởng của tán xạ Raman sẽ... sáng Q trình tán xạ khơng đàn hồi có sự tham gia của các phonon. Trong quá trình này các phonon có thể sinh ra hoặc bị hấp thụ. Mức thay đổi tần số của ánh sáng tán xạ so với ánh sáng tới bằng với tần số của phonon. Tán xạ Brilloin liên quan đến các phonon âm học còn tán xạ Raman liên quan đến các phonon quang học. Do đó ánh sáng tán xạ Raman có mức dịch chuyển tần số lớn hơn ánh sáng tán xạ Brilloin.... được gọi là ánh sáng Stoke và quá trình tán xạ được gọi là tán xạ Stoke. Ngược lại, nếu ánh sáng tán xạ có tần số lớn hơn ánh sáng tới thì ánh sáng tán xạ được gọi là ánh sáng phản Stoke và quá trình tán xạ được gọi là tán xạ phản Stoke. Với tán xạ không đàn hồi, đơn vị đo độ dịch tần của ánh sáng tán xạ là (rad/s) hoặc là cm 1− với c v π 2 Ω = − ( − v là dịch chuyển tần số theo cm 1− , Ω ... suất lớn, bộ khuyếch đại Raman hứa hẹn sẽ được sử dụng rộng rãi. Trong bộ khuyếch đại DRA, hiện tượng tán xạ Rayleigh ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của bộ khuyếch 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 do hiệu ứng tán xạ Rayleigh. Đối với hệ thống nhỏ, tán xạ Rayleigh có thể bỏ qua.... sáng tán xạ lại mạnh hơn. Với P 2 O 5 không những cường độ ánh sáng tán xạ tăng mà cịn xuất hiện vùng phổ mới có đỉnh tại 1390 cm 1− với khoảng dịch tần rất lớn. 1.2.4 Ảnh hưởng của phân cực ánh sáng Phân cực ánh sáng có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng xảy ra tán xạ Raman. Hệ số khuyếch đại Raman phụ thuộc rất nhiều vào sự tương quan giữa ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu. Q trình tán xạ Raman. .. ánh sáng trong chân không theo cm/s). Các hiệu ứng tán xạ sẽ làm giới hạn cơng suất quang lớn nhất có thể truyền ở trong sợi. Trong hệ thống WDM tán xạ là nguyên nhân gây nhiễu giữa các kênh. Tuy nhiên tán xạ Raman cũng được ứng dụng trong các bộ khuyếch đại quang Raman ở những bước sóng mà bộ khuyếch đại quang EDFA không phù hợp. Hiệu ứng tán xạ Brilloin là nguyên lý trong các bộ cảm ứng đo nhiệt . của ánh sáng tán xạ. 1.1. 7Tán xạ RamanTán xạ Raman được phân chia thành hai loại: Tán xạ Raman tự phát (Spontaneous Raman Scattering) và tán xạ Raman kích. sáng tán xạ Raman StokeÁnh sáng tán xạ Brillouin StokeÁnh sáng tán xạ Raman phản StokeÁnh sáng tán xạ Brillouin phản StokeÁnh sáng tớiÁnh sáng tán xạ RayleighTần