Luận văn khuếch đại raman trong hệ thống thông tin quang

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

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 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

 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

Hà Nội, ngày tháng năm 2008

Sinh viên

Vương Thành Nam

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 1

1.1.Giới thiệu chung 1

1.2 Nguyên lý bộ khuếch đại quang 1

1.3.Phân loại khuếch đại quang 3

1.4 Hệ số độ lợi 3

1.5 Băng thông độ lợi 5

1.6 Công suất ngõ ra bão hoà 5

1.6.1 Độ lợi bão hoà 5

1.6.2 Công suất ngõ ra bão hoà 6

1.7 Hệ số nhiễu 7

1.8 Ứng dụng bộ khuếch đại quang 7

Kết luận chương I 9

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 11

2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 13

2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang 16

2.1.6.Tán xạ ánh sáng 18

2.1.7.Tán xạ Raman 19

2.2 Ưu điểm của khuếch đại Raman 21

2.2.1.Cải thiện hệ số nhiễu 21

2.2.2 Cải thiện hệ số phẳng 23

2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 26

2.4.Bơm và phương trình tín hiệu 27

2.4.1 Phổ độ khuếch đại Raman 29

2.4.2.Bộ khuếch đại Raman đơn bơm 34

2.4.3 Khuếch đại Raman đa bơm 43

2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 47

2.6.Phân loại các bộ khuếch đại Raman 49

2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 49

2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 51

2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 51

Kết luận chương II 52

CHƯƠNG 3 :ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 53

3.1.Ứng dụng trong hệ thống WDM 53

3.2 Ứng dụng vào thiết bị khuếch đại quang OPTera Long Haul 1600G –

CQ40Gbit/s Nortel 54

3.2.1 Giới thiệu chung hệ thống OPTera Long Haul 1600 54

3.2.1.1 1600 Amplifier 56

3.2.1.2.MOR Plus Amplifier 57

3.2.1.3.Wavelength Combiner 57

3.2.1.4.Wavelength Translator 57

3.2.1.5.Dense Regenerator 58

3.2.1.6.Optical Dedicated Protection Ring 58

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của một trạm có khuếch đại Raman 58

3.2.3 Chức năng các thành phần 60

3.2.3.1.Các bộ khuếch đại Raman Dra-A và Dra-B: 60

3.2.3.2.Card phân tích phổ quang OSA 62

3.2.3.3.Bộ bù tán sắc và suy hao MSA 63

3.2.3.4.Card kênh dịch vụ quang OSC đơn chiều UniOSC 63

3.2.3.5.Card khuếch đại kép ( Dual Amplifier Circuit Pack ) 64

3.2.3.6.Card khuếch đại Booster 65

Kết luận chương III 66

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1:Bộ lặp quang điện 1

Hình 1.2: Các hiện tượng biến đổi quang điện 2

Hình 1.3: Mối tương quan hệ số khuếch đại 5

Hình 1.4: Sự phụ thuộc của công suất ra (theo Ps) theo độ lợi G (theo G0) 6

Hình 1.5:Các ứng dụng khuếch đại 8

Hình 2.1:Cấu tạo của sợi quang 12

Hình 2.2:Cấu trúc tứ diện của Silic dioxide trong thuỷ tinh 12

Hình 2.3:Hệ số tán sắc của sợi quang SMF-28 TM 14

Hình 2.4: (a) Công suất truyền dọc theo sợi có chiều dài L(b) Mô hình tương ứng của chiều dài hiệu dụng 15

Hình 2.5:Quá trình tán xạ ánh sáng 18

Hình 2.6:Tần số của ánh sáng tán xạ 19

Hình 2.7:Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman 20

Hình 2.8: Sơ đồ của hệ thống khuếch đại Raman phân bố (a) và hệ thống tương đương của băng truyền dẫn và bộ khuếch đại sợi Er pha tạp (b) 22

Hình 2.9: Độ khuếch đại được tổng hợp từ các bước sóng riêng lẻ ( 1420, 1435, 1450, 1465, và 1480nm), xếp chồng logarit của nó, và tổng hợp biểu đồ độ khuếch đại với sự tương tác bơm tới bơm cho băng 25km của sợi quang dịch tán sắc Công suất bơm tương ứng là 61, 55, 48,47 và 142 mW 24

Hình 2.10:Các công suất bơm khác nhau trong một hệ thống khuếch đại Raman 25

Hình 2.11: So sánh giữa công suất bơm phát và độ khuếch đại cung cấp bởi mỗi bước sóng bơm 25

Hình 2.12:Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman 26

Hình 2.13: Cấu trúc bộ khuếch đại Raman 27

Hình 2.14:Sơ đồ minh họa của quá trình tán xạ Raman từ quan điểm cơ học lượng tử Một photon Stokes năng lượng giảm hωs được tạo tức thời khi một photon bơm có năng lượng hωp được nâng lên tới mức ảo như đường nét đứt 28

Hình 2.15:Bộ khuếch đại Raman sợi quang cơ sở trong cấu hình bơm thuận 29

Hình 2.16: Phổ độ khuếch đại Raman cho khối silica được đo khi bơm và tín hiệu không phân cực (nét liền) hoặc phân cực vuông góc (nét đứt) Độ khuếch đại đỉnh được chuẩn hóa tới 1 trong trường hợp không phân cực 31

Hình 2.17: Phổ độ khuếch đại Raman được chỉ định cho 3 loại sợi quang

Hình 2.18:Sự biến thiên của công suất tín hiệu trong bơm hai chiều, bộ

khuếch đại Raman có chiều dài 100km với bơm thuận thay đổi từ 0

đến 100% Phần giới hạn bởi đường thẳng là trường hợp sợi quang

thụ động không có độ khuếch đại Raman 36

Hình 2.19: Sự cải thiện trong hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc độ khuếch đại trong chiều dài 100km, bơm hai chiều, bộ khuếch đại Raman phân bố với bơm thuận thay đổi từ 0 đến 100% Đường dọc chỉ ra trường hợp mà độ khuếch đại Raman bù tổng suy hao sợi quang 37

Hình 2.20:Sự biến thiên của độ khuếch đại bộ khuếch đại G A với công suất bơm P 0 39

Hình 2.21: Đặc điểm độ khuếch đại bão hòa của bộ khuếch đại Raman với một vài giá trị của độ khuếch đại bộ khuếch đại chưa bão hòa G A 41

Hình 2.22:Sơ đồ tổng độ khuếch đại Raman ( đường nét liền) của bộ khuếch đại Raman được bơm với 6 laser với bước sóng và công suất đầu vào khác nhau( cột dọc) Đường nét đứt biểu thị độ khuếch đại Raman cung cấp bởi bơm riêng lẻ 44

Hình 2.23: Độ khuếch đại Raman được xác định phụ thuộc chiều dài bước sóng tín hiệu cho một bộ khuếch đại chiều dài 25 km được bơm với 12 laser Tần số bơm và mức công suất bơm đã sử dụng cho trong bảng bên phải 46

Hình 2.24: Khuếch đại tập trung (a) và khuếch đại phân bố (b) 49

Hình 2.25: Công suất tín hiệu trong hệ thống sử dụng DRA 49

Hình 2.26: Khuếch đại Raman tập trung 51

Hình 2.27: Khuếch đại quang lai ghép EDFA/Raman 51

Hình 3.1: Khuếch đại quang trong hệ thống DWDM đa băng 53

Hình 3.2: Hiệu suất chuyển đổi công suất của Raman và EDFA 54

Hình 3.3:Kiến trúc chung Long Haul 1600 55

Hình 3.4:Các lớp của Long Haul 1600 55

Hình 3.5: Các ứng dụng của OPTera Long Haul 1600 56

Hình 3.6: Trạm đầu cuối có khuếch đại băng C, băng L và khuếch đại Raman 59

Hình 3.7:Sơ đồ khối card khuếch đại Raman 61

Hình 3.8: Card OSA 63

Hình 3.9:Bước sóng hoạt động của UniOSC 1510/ 1615nm 64

Hình 3.10: Các cổng của card OSC 64

Hình 3.11:Các cổng card Dual Amp 65

Hình 3.12:Sơ đồ khối card Booster 66

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu tự phát

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

LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman tập

trung

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

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín trên tạp

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán

dẫn

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

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

Bộ thu quang Bộ khuếch đại Bộ phát quang

Miền quang Miền điện

Sợi quang

Miền quang

Sợi quang

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 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 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

chuyển xuống mức năng lượng thấp, đồng thời phát ra một photon có mức năng

lượng Ev bằng độ lớn dải cấm Eg 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

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi có một ánh sáng có năng lượng

photon Ev chính bằng năng lượng dải cấm Eg Khi đó, một điện tử ở mức năng

lượng cao sẽ bị chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon có

cùng pha với ánh sáng kích thích Đây chính là nguyên lý khuếch đại của bộ

khuếch đại quang

Có thể dễ dàng nhận thấy rằng, hiện tượng bức xạ tự phát có thể xảy ra bất kỳ

lúc 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

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 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 bán dẫn SOA, vùng tích cực được cấu tạo bằng

vật liệu bán dẫn Nguồn cung cấp 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 hiện nay là 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 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 đều được thực hiện thông qua hiệu ứng

bức xạ kích thích Khuếch đại đạt được khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm

quang, hay bơm điện để đảo lộn mật độ 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:

s

P P T

g g

/ )

( 1 ) (

2 2 2 0

Trong đó g 0 là giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω 0

là tần số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu được khuếch đại, P s là

công suất bão hoà Công suất bão hoà P s phụ thuộc vào các tham số của môi

trường khuếch đại Hệ số T 2 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 để 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 độ chưa bão hoà, coi P/P s << 1, khi đó phương trình 1.1 trở thành:

2 2 2 0

0 ) (

1 ) (

T

g g

Từ phương trình này có thể nhận thấy, hệ số độ lợi lớn nhất khi tần số

khuếch đại ω= ω0 tần số trung tâm

Nếu gọi Pin, Pout lần lượt là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại Vậy

gP dz

dP 

(1.4) Suy ra:

) exp(

) (z P gz

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:

L g in L in

out

e P

P P

P

G(  )    ()

(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

1.5 Băng thông độ lợi

Băng tần độ lợi được định nghĩa là  g  2 / T2 hay là:

Như vậy, nếu ∆vg ~ 5THz với bộ khuếch đại quang bán dẫn có T 2 = 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 ∆vA được định nghĩa là một FWHM, và liên quan tới ∆vg

theo công thức sau:

2 / 1

0 / 2 ) ln(

2 ln

v A g

(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

1.6 Công suất ngõ ra bão hoà

1.6.1 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:

s

P P

P g dz

dP

/ 1

0





(1.9)

Xét phương trình với chiều dài bộ khuếch đại là L, và coi P 0 = Pin, và

)

1 exp(

G G

(1.10)

Dễ dàng nhận thấy, G bắt đầu giảm dần từ giá trị đỉnh G 0 khi giá trị P out

đạt gần tới giá trị công suất bão hoà P s, mô tả trong hình 1.4

Hình 1.4: Sự phụ thuộc của công suất ra (theo Ps) theo độ lợi G (theo G0)

1.6.2 Công suất ngõ ra bão hoà

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 s

out

P 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:

s s

G

G P

2

2 ln 0

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, hay từ dải

dẫn sang dải hoá trị, đây chính là bức xạ tự phát Bức xạ này, khi có phương

cùng luồng điện tử, sẽ gây ảnh hưởng lên biên độ và pha của tín hiệu Hiện

tượng này được gọi là hiện tượng nhiễu bức xạ tự phát ASE Do vậy, công suất

cửa 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 trên tạp tại đầu ra và đầu vào:

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 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

Hình 1.5:Các ứng dụng khuếch đại

(a)Khuếch đại đường dây (In-line amplifier)

(b)Khuếch đại công suất (Booster Amplifier)

(c)Bộ tiền khuếch đại (Preamplifier)

Bộ khuếch đại đường dây được thực hiện nhằm làm bù sự mất mát tín

hiệu trên đường dây do hàn nối, do khoảng cách… Yêu cầu của bộ này là giữ

nhiễu ở mức độ thấp, thực hiện việc trao đổi tín hiệu quang với sợi quang tốt

nhất, và ổn định trên toàn bộ dải thông của WDM

Bộ khuếch đại công suất được đặt ngay bộ phát quang nhằm làm tăng cực

đại nhất tín hiệu truyền, nhằm đường truyền xa nhất có thể Yêu cầu của bộ

khuếch đại này công suất ngõ ra lớn nhất, không phải là độ lợi

Bộ tiền khuếch đại được đặt ngay phía trước bộ thu nhằm khuếch đại tín

hiệu thu được Điều này làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt độ nhạy thiết bị thu, và

cho phép hệ thống truyền dẫn với tốc độ cao hơn Yêu cầu của bộ tiền khuếch

đại này là độ nhạy lớn, độ lợi lớn, và nhiễu thấp

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

Ở chương tiếp theo em sẽ trình bày chi tiếp về bộ khuếch đại Raman

CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN

2.1.Tán xạ Raman

2.1.1.Ánh sáng

Ánh 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

2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường

Một 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 19

10 6 ,

 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 kết cố định 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  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 

Trong đó k là hằng số chuẩn của lực đàn hồi, xác định tần số dao động

riêng của electron theo hệ thức: 1  k / m, 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 1 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

m    2   

1

 (2.4) Đặt g / m , gọi đó là hệ số tắt dần, ta được phương trình dao động của

electron

m E e r r

r     12  / (2.5)

Phương trình (2.5) cùng với các giả thuyết của Lorentx là cơ sở cho việc

giải các bài toán tán sắc và hấp thụ ánh sáng

2.1.3.Sợi quang

Sợi quang gồm một lõi hình trụ bằng thuỷ tinh có chiết suất n1, bao

quanh lõi là một lớp vỏ phản xạ đồng tâm với lõi Lớp vỏ có chiết suất

2

n (n2<n1)

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

(c)

Hình 2.1:Cấu tạo của sợi quang

(a) Sợi quang (b) Sợi chiết suất bậc (c) Sợi chiết suất giảm dần

Một 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 2.2 Trong đó mỗi nguyên tử silic được

bao quanh bởi bốn nguyên tử Oxygen

O O

O O

Si

Hình 2.2:Cấu trúc tứ diện của Silic dioxide trong thuỷ tinh

Sợi quang cũng có thể được pha tạp với nhiều chất khác nhau để thay đổi

chỉ số chiết suất Ví dụ GeO2 và P2O5 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 khuếch đại quang

2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang

Suy hao

Vận 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 (2.6)

n

c

v , c 3 108m/s (2.6)

Ánh sáng khi truyền dọc theo sợi sẽ bị suy hao Ký hiệu [1/m] là hệ số

suy hao của sợi quang,P0 là công suất đầu vào sợi quang, công suất đầu ra sợi

quang có chiều dài L được tính theo công thức:

L

T P e

P  0  (2.7)

Để tính toán hệ số suy hao, đơn vị thường được sử dụng là dBdB / km

Phương trình chuyển đổi đơn vị :

 m

d B

/ 1 1000

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 (2.9)

     

W

W P dBm

10 log

10 (2.9)

Tán sắc

Tán 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  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

dốc tán sắc không, 0 bước sóng tán sắc không (ZDW) Tán sắc của loại sợi này

được biểu diễn trên Hình 2.3

Chiều dài hiệu dụng

Khi 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 hiệu dụngL effbởi vì hầu hết các hiệu ứng phi tuyến đều xảy ra ở

phía đầu của sợi Định nghĩa chiều dài hiệu dụng của sợi quang được thể hiện

trên Hình 2.4

Hình 2.4: (a) Công suất truyền dọc theo sợi có chiều dài L(b) Mô hình tương

ứng của chiều dài hiệu dụng

Ở hình 2.4 (a) công suất bị suy hao khi truyền dọc theo toàn bộ sợi có

chiều dài L, ở hình 2.4 (b) công suất được coi là không đổi trên một chiều dài

e dz

e P P

(2.11)

Diện tích hiệu dụng

Tất cả các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang đều phụ thuộc vào cường

độ ánh sáng truyền dọc theo sợi Tuy nhiên trong thực tế các phép đo đều thực

hiện đo công suất đầu vào và đầu ra sợi quang Công suất đi ra khỏi sợi quang

chính là tích phân của phân bố cường độ ánh sáng trên diện tích mặt cắt của sợi

quang Nếu gọi A core là diện tích mặt cắt của sợi quang,P meas là công suất đo được

ở đầu ra của sợi quang Giả thiết cường độ I phân bố đều trên diện tích mặt cắt

của sợi Ta có:

Tuy nhiên trong sợi quang đơn mode, cường độ ánh sáng không phân bố

đều trên toàn bộ diện tích mặt cắt của sợi, cường độ ánh sáng sẽ tăng dần từ lớp

tiếp giáp giữa lõi và vỏ tới trục của sợi Mức độ tăng phụ thuộc vào chiết suất

của sợi

Do đó để tính toán trong trường hợp này, tham số diện tích hiệu dụng A eff

được tính theo công thức:

 

 r rdr E

rdr r E

0

2 0

Với E r là cường độ điện trường của mode cơ bản tại khoảng cách r so

với trục của sợi Đối với sợi chiết suất bậc diện tích hiệu dụng A eff có thể được

Trong đó 2w  là đường kính trường mode của sợi ở bước sóng 

2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang

Trong nguyên tử có các điện tử mang điện tích âm và hạt nhân mang điện

tích dương Do đó khi điện trường tác động vào vật liệu các điện tử và các hạt

nhân bị dịch chuyển về hai hướng ngược nhau Lực điện trường làm cho các

nguyên tử bị phân cực, ký hiệu là P, phụ thuộc vào điện trường tác động và bản

chất của vật liệu và được tính như sau:

)

.

Độ điện cảm tuyến tính ( 1 )đóng vai trò rất lớn trong P, những ảnh hưởng

do nó đem lại được biểu hiện qua hệ số chiết suất n, hệ số suy hao Độ điện

cảm cấp hai  ( 2 )là nguyên nhân gây ra các hiệu ứng như sinh hoà âm cấp hai

Tuy nhiên với các phân tử có cấu trúc đối xứng như SiO2, ( 2 )gần như bằng 0

nên có thể bỏ qua Các độ điện cảm  ( 4 ), ( 5 ) rất nhỏ so với  ( 3 ) Vì vậy chỉ

có ( 3 ) là nguyên nhân chủ yếu gây ra các hiệu ứng phi tuyến

Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia thành hai loại Loại thứ nhất sinh ra do

sự tương tác của sóng ánh sáng với các phonon Loại này bao gồm hai hiệu ứng

quan trọng là tán xạ Raman kích thích (SRS-Stimulated Raman Scattering) và

tán xạ Brilloin kích thích (SBS-Stimulated Brilloin Scattering) Loại thứ hai

gồm các hiệu ứng phi tuyến Kerr, sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất phi

tuyến vào cường độ điện trường E Các hiệu ứng phi tuyến Kerr bao gồm: SPM,

XPM và FWM

Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang đều sinh ra do chiết suất

phi tuyến, đó là sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng lan truyền trong sợi vào

chiết suất Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng, chiết suất và công suất P được

biểu thị bằng phương trình:

P A

n n I n n n

eff

.

2 0 2

Trong đó n0 là thành phần phụ thuộc bước sóng của chiết suất n,A eff là

diện tích hiệu dụng của sợi quang, n2được gọi là chỉ số chiết suất phi tuyến Tỷ

số n /2 A eff được gọi là hệ số phi tuyến Tham số này có thể đo được mà không

cần biết diện tích hiệu dụng của sợi quang

Ngoài ra khi nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang một tham

số nữa cũng được đưa ra là  gọi là tham số phi tuyến (nonlinear parameter) và

quan hệ với chiết suất phi tuyến n2 theo công thức:

 là tần số góc của ánh sáng, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, 

là bước sóng ánh sáng,A eff là diện tích hiệu dụng của sợi

Chỉ số chiết suất phi tuyến n2( 20

Ngoài ra đặc tính của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang còn chịu ảnh

hưởng của nhiều tham số như cường độ của tín hiệu, chiều dài sợi, khoảng cách

giữa các kênh (trong hệ thống WDM)

2.1.6.Tán xạ ánh sáng

Khi ánh sáng truyền qua môi trường vật chất trong suốt thì phần lớn ánh

sáng truyền thẳng 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 đổi sau khi ánh sáng truyền qua Ngược lại, tán xạ Brillouin và tán

xạ Ramman là các quá trình tán xạ không đàn hồi, các nguyên 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

a-Quá trình tán xạ đàn hồi b-Quá trình tán xạ không đàn hồi

Hình 2.5:Quá trình tán xạ ánh sáng

Quá trình tán xạ không 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 Nếu ánh sáng tán xạ có tần số nhỏ hơn ánh sáng tới thì ánh sáng

tán xạ 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

 2

Các hiệu ứng tán xạ sẽ làm giới hạn công 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 khuếch đại

quang Raman ở những bước sóng mà bộ khuếch đại quang EDFA không phù

hợp Hiệu ứng tán xạ Brilloin là nguyên lý trong các bộ cảm ứng đo nhiệt độ

môi trường tại những nơi mà bộ cảm ứng điện không phù hợp

Ánh sáng 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 2.6:Tần số của ánh sáng tán xạ

2.1.7.Tán 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 Raman tự phát đã được dự đoán bởi Smekal vào

năm 1923 và đến năm 1928 được Raman chỉ ra bằng thực nghiệm

Trong quá trình tán xạ Raman tự phát, ánh sáng tới tương tác với môi

trường làm sinh ra các photon Tuỳ 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

Giản đồ năng lượng của quá trình tán xạ Raman được thể hiện trên Hình

2.7 Electron sẽ chuyển từ trạng thái khởi đầu (trạng thái cơ bản) lên trạng thái

ảo (trạng thái kích thích) khi hấp thụ một photon có năng lượng bằng hiệu năng

lượng giữa trạng thái ảo và trạng thái khởi đầu Khi chuyển từ trạng thái ảo về

trạng thái cuối electron sẽ phát xạ một photon có năng lượng bằng hiệu năng

lượng trạng thái ảo 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

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 2.7:Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman

(a)Tán xạ Stoke (b)Tán xạ phản Stoke

Giả sử 1,2lần lượt là tần số của ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ,  là

tần số phonon được sinh ra Khi đó theo định luật bảo toàn chuyển hoá năng

lượng thì 2  1-

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 2  1 , 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

Tần số của các photon tán xạ được xác định bằng tần số dao động của

nguyên tử Với thuỷ tinh, quang phổ của ánh sáng tán xạ Raman gồm nhiều

thành phần tần số khác nhau là do các nguyên tử trong thuỷ tinh dao động trong

một khoảng tần số rất rộng

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

Khi ta tăng dần công suất bơm đầu vào thì công suất của sóng Stoke cũng

tăng dần Nhưng nếu như công suất sóng bơm vượt quá một giá trị xác định thì

công suất sóng Stoke sẽ tăng lên rất nhanh theo hàm mũ Nguyên nhân gây ra

hiện tượng này là quá trình tán xạ Raman kích thích

2.2 Ưu điểm của khuếch đại Raman

Trong phần này, ta xét hai ưu điểm của khuếch đại Raman trong hệ thống

truyền dẫn Trước hết nó có thể được sử dụng như thế nào để cải thiện hệ số

nhiễu của hệ thống; thứ hai là mẫu độ khuếch đại phẳng có thể đạt được như thế

nào Tất cả ưu điểm có thể áp dụng cho bất kỳ sợi quang truyền dẫn nào

2.2.1.Cải thiện hệ số nhiễu

Hệ số nhiễu(NF) của bộ khuếch đại là tỷ số của SNR tín hiệu đầu vào và

SNR tín hiệu đầu ra Nó là thước đo để biết bộ khuếch đại suy giảm tín hiệu như

thế nào Trong hệ thống khuếch đại Raman, hệ số nhiễu tương đương (NFeq),

biểu diễn hệ số nhiễu một bộ khuếch đại được đặt tại cuối bộ thu của băng

truyền dẫn, không có bộ khuếch đại Raman, để cung cấp cùng SNR đạt được

như khi sử dụng bộ khuếch đại Raman phân bố Hai hệ thống tương đương được

chỉ ra trong sơ đồ hình 2.8 Suy hao trong băng hình 2.8b là S L; do đó độ lợi là

G = (S L)-1, và hệ số nhiễu của băng không bơm là S L(không thêm nhiễu vì

NF = Pin/ Pout) Biểu thức đã biết cho hệ số nhiễu cho hai bộ khuếch đại bậc đưa

ra là NFsys = NF1 + (NF2 – 1)/ G1 Trong đó NF1(NF2) là hệ số nhiễu của bộ

khuếch đại đầu tiên (thứ hai) và G1 là độ lợi của bộ khuếch đại đầu tiên Cho hệ

thống tương đương trong hình 2.8b:

NFsys = NFeq S L (2.19)

Phương trình hệ số nhiễu của hệ thống khuếch đại Raman cũng giống hệ thống

Hình 2.8: Sơ đồ của hệ thống khuếch đại Raman phân bố (a) và hệ thống

tương đương của băng truyền dẫn và bộ khuếch đại sợi Er pha tạp (b)

Từ phương trình (2.20) ta thấy rằng NFdB

eq có thể bé hơn 0 Như là một bộ khuếch đại không được thực hiện về mặt vật lý, nhưng bộ khuếch đại Raman

phân bố có hiệu năng tốt hơn mặc dù không được ghép với một bộ khuếch đại

rời rạc đặt sau băng Rõ ràng, khuếch đại luôn luôn làm tăng thêm nhiễu cho tín

hiệu, làm giảm SNR của nó Trong trường hợp tốt nhất, nếu tín hiệu lan truyền

dọc theo sợi cáp mà không có suy hao và không có khuếch đại, SNR của nó sẽ

bằng giá trị đầu vào và bằng NF Trường hợp xấu nhất là tín hiệu bị suy hao toàn

bộ và sau đó được khuếch đại Đây là trường hợp xấu nhất vì độ lợi yêu cầu từ

bộ khuếch đại tại điểm cuối của băng đã được tăng lên; bởi vì nhiều nguồn bơm

đã được yêu cầu, nhiều khuếch đại bức xạ tự phát(ASE) được sinh ra trong bộ

khuếch đại Thêm nữa công suất tín hiệu đầu vào cho bộ khuếch đại được giảm

bớt Công suất tín hiệu thấp hơn có nghĩa là ASE có thể chiếm ưu thế hơn với

tín hiệu cho độ lợi trong bộ khuếch đại Hai hệ số phối hợp cho SNR đầu ra thấp

hơn và tăng NF Nếu băng truyền dẫn được xét cho một loạt bộ khuếch đại rời

rạc, sau đó các độ lợi đều được phân bố dọc theo cáp, thì độ lợi ít nhất được yêu

cầu từ mỗi bộ khuếch đại riêng lẻ và công suất tín hiệu cao hơn được yêu cầu

trong mỗi bộ khuếch đại đó Đây là lý do tại sao khuếch đại phân bố cung cấp

hiệu năng được cải thiện hơn so với khuếch đại rời rạc Thêm nữa, nó cũng giải

thích tại sao mỗi khi khuếch đại Raman làm việc, độ khuếch đại đều được phân

bố dọc theo chiều dài sợi quang, cải thiện hiệu năng tốt hơn là cung cấp bởi hệ

thống khuếch đại phân bố Mục đích của nhiều cuộc thảo luận sau này là làm

tăng độ khuếch đại bằng việc phân bố đều dọc theo sợi quang

2.2.2 Cải thiện hệ số phẳng

Trong hệ thống viễn thông đa bước sóng một điều quan trọng là tất cả các

bước sóng tín hiệu có nguồn quang tương tự nhau Sự biến thiên trong độ lợi của

mỗi bước sóng khác nhau sau khi đi qua một bộ khuếch đại đều được tham

chiếu đến độ lợi phẳng Nếu tín hiệu tại một bước sóng không tỷ lệ với khuếch

đại, khi nó đi qua một vài bộ khuếch đại, nó sẽ tăng tương đối với kênh khác

làm giảm độ lợi cho kênh khác Tuy nhiên hệ thống sẽ bị giới hạn bởi kênh với

độ khuếch đại thấp nhất Kết quả, sau mỗi bộ khuếch đại phổ khuếch đại nói

chung là phẳng Gần như là chèn phần tử tổn hao vào bước sóng phụ thuộc trong

bộ khuếch đại với mẫu phổ tương ứng Khuếch đại Raman đưa ra khả năng đạt

được điều này mà không cần phần tử tổn hao

Trong khuếch đại Raman một mẫu phổ phẳng có thể nhận được bằng sử

dụng nhiều bước sóng bơm Xét cho một sợi quang, độ khuếch đại Raman chuẩn

chỉ phụ thuộc vào bước sóng bơm, độ lớn của độ khuếch đại tỷ lệ với công suất

bơm, và dạng biểu đồ của độ khuếch đại không phụ thuộc bước sóng bơm Vì

thế, nếu đa bơm được sử dụng một mẫu phổ khuếch đại phẳng có thể đạt được

Bước sóng bơm và độ khuếch đại được yêu cầu tại mỗi bước sóng có thể

xác nhận bằng phép cộng logarit mẫu độ khuếch đại tại bước sóng bơm riêng lẻ

Hình 2.9 chỉ ra mẫu độ khuếch đại riêng lẻ theo xếp chồng logarit Ta có thể

thấy rằng phần lớn độ khuếch đại là do bước sóng bơm lớn nhất Tuy nhiên,

công suất bơm yêu cầu không thể đạt được một cách dễ dàng từ sự tính toán số

lượng nguồn bơm cần thiết để sinh ra một giá trị của độ khuếch đại Raman Đó

là bởi vì trong khuếch đại Raman bơm liên kết thì bơm bước sóng ngắn khuếch

đại bơm bước sóng dài Tác động này cũng chỉ ra trong hình 2.9, mà đường

cong đánh dấu là “bơm – bơm” dốc hơn 3 dB trong phổ khuếch đại khi khuếch

đại Raman bơm liên kết được xét

Hình 2.9: Độ khuếch đại được tổng hợp từ các bước sóng riêng lẻ ( 1420,

1435, 1450, 1465, và 1480nm), xếp chồng logarit của nó, và tổng hợp biểu đồ

độ khuếch đại với sự tương tác bơm tới bơm cho băng 25km của sợi quang

dịch tán sắc Công suất bơm tương ứng là 61, 55, 48,47 và 142 mW

Sự tương tác bơm – bơm cũng tác động vào sự phát triển công suất bơm

như chỉ ra trong hình 2.10 Nó chỉ ra sự giảm của công suất bơm trong băng

25km của sợi quang dịch tán sắc khi công suất là 100mW tại mỗi bước sóng

bơm Ban đầu công suất tại bước sóng bơm lớn nhất tăng khi nó nhận độ khuếch

đại Raman từ bước sóng bơm khác Do đó, việc phân bố công suất bơm điển

hình như trong hình 2.11 Mặc dù hầu hết độ khuếch đại được cung cấp bởi

bước sóng dài nhưng công suất bơm tại bước sóng này tương đối kém Như

bước sóng và công suất bơm đã chỉ ra trong hình 2.11, độ khuếch đại 12 dB có

thể thu được với độ khuếch đại biến thiên ít hơn 0,5 dB từ 1525 tới 1595nm

Hình 2.10:Các công suất bơm khác nhau trong một hệ thống khuếch đại

Raman

Hình 2.11: So sánh giữa công suất bơm phát và độ khuếch đại cung cấp

bởi mỗi bước sóng bơm

2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman

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

(Stimulated Raman Scattering) 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 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 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

Mức năng lượng chuyển (Transition state)

E 3

Laser bơm Tín hiệu cần

khuếch đại

Tín hiệu được khuếch đại E

E 1

2 Mức năng lượng dao động (vibration state)

Mức năng lượng nền (ground state)

Hình 2.12:Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman

Dựa trên giản đồ năng lượng trên, tần số ánh sáng bơm fbơm và tần số ánh

sáng được khuếch đại fkhuếch đại được tính như sau

fkhuếch đại= (E2-E1)/h (2.22) Trong đó: h là hằng số Plank;E1, E2, E3 là năng lượng của các trạng thái

năng lượng cao(transition state), trạng thái năng lượng trung gian (vibration

state) và trạng thái năng lượng thấp (ground state) của các nguyên tử trong sợi

quang

Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang được khuếch đại dọc theo toàn

bộ chiều dài của sợi quang silic bình thường Cấu trúc của một bộ khuếch đại

Raman được minh họa trong hình 2.13

Couple

Laser bơm

Isolator

Sợi quang thường

Hình 2.13: Cấu trúc bộ khuếch đại Raman

Sợi quang: là nơi xảy ra quá trình khuếch đại Sợi quang này cũng là sợi

quang truyền tín hiệu như sợi SMF, DCF

Bộ ghép(Coupler): dùng để ghép các bước sóng tín hiệu vào 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):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

2.4.Bơm và phương trình tín hiệu

Trong bất kỳ phần tử môi trường nào, tán xạ Raman tự phát có thể chuyển

một phần nhỏ năng lượng ( thông thường < 10-6

) từ một miền quang tới một miền quang khác mà tần số của nó bị dịch xuống bởi một đại lượng được xác

định bằng kiểu dao động của môi trường Hiện tượng này đã được tìm ra bởi

Raman trong năm 1928 và được biết như tác động Raman Như trong hình 2.14,

nó có thể được nhìn dưới dạng cơ học lượng tử như tán xạ của một photon có

năng lượng hP tạo ra một phần tử có năng lượng photon tần số thấp hơn hS

Phonon quang có năng lượng khác nhau được sinh ra trong suốt quá trình này,

đó là do phần tử này chuyển tới trạng thái dao động kích thích Thực vậy, ánh

sáng tới tác động như một bơm cho phát sinh sự dịch bức xạ RED gọi là dòng

Stokes Bộ phận dịch BLUE được biết như là dòng phản Stokes, nó cũng được

sinh ra nhưng cường độ của nó yếu hơn nhiều so với dòng Stokes bởi vì quá

trình phản Stokes yêu cầu trạng thái dao động xác định ban đầu của một phonon

phải đúng năng lượng và động lượng Trong phần sau chúng ta bỏ qua quá trình

phản Stokes coi như nó chạy ảo không có vai trò trong khuếch đại quang

Hình 2.14:Sơ đồ minh họa của quá trình tán xạ Raman từ quan điểm cơ

Mặc dù tán xạ Raman tự phát xảy ra trong bất kỳ phần tử môi trường nào,

nhưng nó đủ yếu để có thể bỏ qua khi một chùm tín hiệu quang lan truyền qua

một sợi quang Nó đã được quan sát trong năm 1962 cho trường quang cường độ

lớn, hiện tượng phi tuyến của SRS có thể xảy ra trong đó sóng Stokes tăng

nhanh bên trong môi trường giống như hầu hết công suất chùm ánh sáng bơm

truyền qua nó Kể từ năm 1962, SRS đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều

môi trường phần tử và đã tìm ra một số ứng dụng SRS đã được quan sát trong

sợi quang silica năm 1972; sớm sau đó, suy hao lớn nhất của sợi quang đã được

giảm tới mức có thể chấp nhận được Kể từ đó, đặc điểm của quá trình tán xạ

Raman đã được lượng tử hóa cho nhiều gương quang trong cả dạng sợi và dạng

khối

Thực tế, SRS không dễ dàng quan sát trong sợi quang sử dụng chùm ánh

sáng bơm CW bởi vì giá trị ngưỡng của nó tương đối cao ( ~ 1W) Tuy nhiên,

nếu một chùm ánh sáng Stokes với tần số đúng được bơm cùng với chùm ánh

sáng bơm như trong hình 2.15 nó có thể được khuếch đại đáng kể khi sử dụng

một chùm ánh sáng bơm CW với mức công suất ~ 100mW Bơm và tín hiệu có

thể được bơm trong hướng đối nhau bởi vì bản chất gần như đẳng hướng của

SRS Trong thực tế, cấu hình bơm nghịch lại được ưu tiên bởi vì nó làm hiệu

năng bộ khuếch đại Raman tốt hơn Mặc dầu, bộ khuếch đại Raman sợi quang

cơ sở thu hút sự chú ý đáng kể suốt những năm 1980, nhưng nó chỉ có giá trị

với laser bơm thích ứng trong cuối những năm 1990

Hình 2.15:Bộ khuếch đại Raman sợi quang cơ sở trong cấu hình bơm

thuận

2.4.1 Phổ độ khuếch đại Raman

Đặc tính quan trọng nhất của bộ khuếch đại Raman là hệ số khuếch đại

Raman gR Nó mô tả công suất Stokes tăng như công suất bơm được truyền qua

nó thông qua SRS như thế nào gR được liên hệ với phần ảo của độ nhạy phi

tuyến cấp 3 Một cách gần đúng, thỏa mãn điều kiện CW hoặc chuẩn – CW, sự

gia tăng ban đầu của tín hiệu quang yếu được điều chỉnh bằng:

, )

R

S

I I dz

dI



  (2.23)

trong đóR(  ) được liên hệ với gR,   P S biểu diễn dịch Raman, và P và

S

 là tần số quang liên hệ với trường bơm và tín hiệu có cường độ tương ứng là

Ip và Is

Phổ độ khuếch đại Raman được đo cho thủy tinh silica cũng như sợi

quang silica cơ bản Hình 2.16 chỉ ra hệ số khuếch đại Raman cho khối silica

như một hàm của dịch tần số Ω khi bơm và tín hiệu không phân cực (nét liền )

hoặc phân cực vuông góc (nét đứt) Độ khuếch đại đỉnh được chuẩn hóa tới 1

trong trường hợp không phân cực vì thế biểu đồ tương đương có thể được sử

dụng cho bước sóng bơm bất kỳ P Giá trị đỉnh tỷ lệ nghịch với P và bằng

khoảng 6  10 – 14 m/W cho bơm gần 1,5m

Đặc điểm quan trọng nhất của phổ khuếch đại Raman cho sợi quang silica

là độ khuếch đại tồn tại qua một băng tần rộng (lên tới 40THz) với vị trí bề rộng

cao nhất gần 13,2THz Có được trạng thái này là vì đặc tính không kết tinh của

thủy tinh silica Trong những vật liệu vô định hình như silica hỗn hợp, tần số

dao động phần tử lan truyền trong băng tần lập và tạo ra dải liên tục Kết quả là,

tương phản với hầu hết môi trường phân tử, mà độ khuếch đại Raman xảy ra tại

tần số dễ xác định đặc biệt, nó kéo dài liên tục qua băng rộng trong sợi quang

silica Sợi quang có thể hoạt động như bộ khuếch đại Raman băng rộng bởi

những đặc điểm này Đặc điểm quan trọng khác của hình 2.16 là sự phụ thuộc

phân cực của độ khuếch đại Raman; độ khuếch đại gần như triệt tiêu khi bơm

và tín hiệu phân cực vuông góc