Tán xạ Raman.doc

Tán xạ Raman

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầu

1.1.4Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 4

1.1.5Tính chất phi tuyến của sợi quang 7

1.2.3Ảnh hưởng của các chất phụ gia trong sợi thuỷ tinh 17

1.2.4Ảnh hưởng của phân cực ánh sáng 17

1.3Ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang 18

1.3.1Ảnh hưởng của SRS đối với hệ thống đơn kênh 18

1.3.2Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM 23

1.4Thí nghiệm tán xạ Raman kích thích 27

1.4.1Thí nghiệm đo hệ số khuyếch đại Raman 27

1.4.2Thí nghiệm đo ngưỡng Raman 30

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU QUANG 32

2.1Sự cần thiết phải khuyếch đại quang 32

2.2Những khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang 33

2.2.1Phổ khuyếch đại và băng tần bộ khuyếch đại 33

2.2.2Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang 35

2.2.3Các ứng dụng khuyếch đại 37

2.3Bộ khuyếch đại quang Raman 38

2.3.1Nguyên lý bơm 38

2.3.2Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman 40

2.3.3Tăng ích quang Raman 41

2.3.4Hiệu năng khuyếch đại 44

2.3.5Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman 47

2.3.6Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 49

2.3.7Khuyếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 52

2.3.8Bộ khuyếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 55

2.4Ứng dụng bộ khuyếch đại quang Raman trong hệ thống WDM 55

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 58

3.1Tính toán tham số 58

3.1.1Tham số “Walk-off” d 58

3.1.2Hệ số khuyếch đại Raman 58

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầu

3.2Các lưu đồ thuật toán 59

3.2.1Lưu đồ thuật toán tính hằng số lan truyền sóng 59

3.2.2Lưu đồ thuật toán tính hệ số khuyếch đại Raman 60

3.2.3Lưu đồ tính hệ số phi tuyến .61

3.2.4Lưu đồ thuật toán mô phỏng SRS 62

3.3Kết quả mô phỏng và giải thích 63

3.3.1Kết quả mô phỏng phổ khuyếch đại Raman 63

3.3.2Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của SRS 64

3.3.3 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 đầu

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc

DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuyếch đại Raman phân bố DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Rayleigh kép

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch tán sắc

EDFA Erbium Droped Fiber Amplifer Khuyếch đại quang sợi pha Erbium FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuyếch đại Raman tập trung MFD Mode Field Diameter Đường kính trường mode

NLSE Nonliear Schrodinger Equation Phương trình Schrodinger phi tuyến

SBS Stimulated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích thích SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

Đồ án tốt nghiệp Đại họcMở đầu

MỞ ĐẦU

Tán 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.

Đồ án tốt nghiệp Đại họcMở đầu

Mặc 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

CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN

1.1 Tổng quan về tán xạ Raman

1.1.1Ánh 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.

1.1.2Tương 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 e=−1,6.10−19 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 Trong đó k là hằng số chuẩn của lực đàn hồi, xác định tần số dao động riêng của electron theo hệ thức: ω1 = 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 ω1 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

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 n2(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 1.1 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 1.2 Trong đó mỗi nguyên tử silic được bao quanh bởi bốn nguyên

Hình 1.2 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 khuyếch đại quang.

1.1.4Quá 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 (1.6)

nc

v= , c=3.108(m/s) (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,P0 là công suất đầu vào sợi quang, công suất đầu ra sợi quang có chiều dài L được tính theo công thức:

LTPe

P = 0 −α (1.0)

Để tính toán hệ số suy hao, đơn vị thường được sử dụng là αdB[dB /km] Phương trình chuyển đổi đơn vị :

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).

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 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:

Hình 1.3 Hệ số tán sắc của sợi quang SMF-28TM.

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 dụngLeff bởi 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 1.4

Hình 1.4 (a) Công suất truyền dọc theo sợi có chiều dài L (b) Mô hình tương ứng của chiều dài hiệu dụng.

Ở Hình 1.4 (a) công suất bị suy hao khi truyền dọc theo toàn bộ sợi có chiều dài L, ở hình 1.4 (b) công suất được coi là không đổi trên một chiều dài sợi:

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 Acore là diện tích mặt cắt của sợi quang,Pmeas 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 Aeff được tính

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 Aeff có thể được tính theo công thức:

( )λ πw2

Aeff = (1.0)

Trong đó 2w( )λ là đưòng kính trường mode của sợi ở bước sóng λ.

1.1.5Tính 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 Trong đó ε0 là hằng số điện môi trong chân không χ( j) là độ điện cảm cấp j.

Độ điện cảm tuyến tínhχ(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 haoα Độ điện cảm cấp hai χ(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 nhưSiO2,χ(2)gần như bằng 0 nên có thể bỏ qua Các độ điện cảm

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:

Trong đó n0 là thành phần phụ thuộc bước sóng của chiết suất n,Aeff là diện tích hiệu dụng của sợi quang, n2được gọi là chỉ số chiết suất phi tuyến Tỉ số n /2 Aeff 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 γ gọi là tham số phi tuyến (nonlinear parameter) và quan hệ với

chiết suất phi tuyến n2 theo công thức:

ω là tần số góc của ánh sáng, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, λ là bước sóng ánh sáng,Aeff 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)

1.1.6Tán 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

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

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 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 độ môi trường tại những nơi mà bộ cảm ứng

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 1.7 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

Hình 1.7 Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman (a)Tán xạ Stoke (b)Tán xạ phản Stoke.

Giả sử ω1,ω2lần lượt là tần số của ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ, Ω là tần số phonon được sinh ra Khi đó theo định luật bảo toàn chuyển hoá năng lượng thì ω ≈2 ω1

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 ω2 ≈ω1+Ω, 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.

1.2 Đặc tính của tán xạ Raman kích thích

1.2.1 Phổ khuếch đại Raman

Hình 1.8 Phổ khuyếch đại Raman của sợi Silic ở bước sóng bơm λp =1µm.

Sự gia tăng của cường độ sóng Stoke được mô tả bởi công thức:

dzdIs

=gRIPIS (1.0) Trong đó IS là cường độ sóng Stoke, IP là cường độ sóng bơm và gR là hệ số khuyếch đại Raman Hệ số khuếch đại Raman liên quan đến mặt cắt chiết suất của tán xạ tự phát Raman và có thể đo lường được bằng thực nghiệm Ở mức độ cơ bản gR liên quan đến phần ảo của độ điện cảm phi tuyến cấp 3 χ(3).

Thông thường gR phụ thuộc vào thành phần lõi sợi quang và có thể thay đổi rất lớn nếu pha thêm tạp chất vào lõi sợi Hình 1.8 biểu diễn gR của sợi silic theo độ dịch tần ở bước sóng bơm λp =1µm Nếu bước sóng bơm khác 1µm, có thể tính được gR bằng

cách lấy nghịch đảo sự phụ thuộc của gR vào λp.

Điểm đáng chú ý nhất trong phổ khuyếch đại Raman của sợi silic là gR kéo dài trong một phạm vi tần số rất rộng (đạt tới 40 THz) với đỉnh khuyếch đại gần độ dịch tần

13THz Điều này xảy ra là do tính phi tinh thể tự nhiên của thuỷ tinh silic Trong các vật liệu vô định hình như silic tần số dao động phân tử trải rộng thành nhiều dải chồng chéo lên nhau và trở thành một dải liên tục Kết quả là khác hẳn với các phương tiện truyền dẫn trước đây (có phổ khuyếch đại Raman nằm trong một dải tần số hẹp), phổ khuyếch đại Raman của sợi silic liên tục và trải dài trong một phạm vi rất rộng Chính vì đặc điểm này mà sợi quang có thể làm việc như một bộ khuyếch đại dải rộng.

Để hiểu quá trình SRS xảy ra như thế nào, ta xét một chùm sóng bơm liên tục lan truyền bên trong sợi ở tần số ωp Nếu tần số của chùm dò ở tần số ωs được đưa vào đầu

sợi quang cùng với sóng bơm, nó sẽ được khuyếch đại bởi khuyếch đại Raman với điều kiện độ lệch tần ωp-ωs nằm bên trong phổ khuyếch đại Raman như trên Hình 1.8 Nếu

chỉ có một mình sóng bơm được đưa vào đầu sợi quang, tán xạ tự phát Raman sẽ sinh ra một tín hiệu yếu hoạt động như là sóng dò và được khuyếch đại trong quá trình truyền dẫn Bởi vì các tín hiệu sinh ra do tán xạ tự phát Raman nằm trong miền phổ khuyếch đại Raman nên chúng được khuyếch đại Tuy nhiên tần số nào có độ dịch tần (dịch từ tần số bơm) ứng với giá trị lớn nhất của gR sẽ được khuyếch đại nhanh nhất Trong trường hợp sợi silic là tinh khiết, gR đạt giá trị lớn nhất đối với độ dịch tần giảm xuống cỡ 13.2 THz (440 cm−1) Nếu như công suất bơm vượt quá một giá trị ngưỡng, thành phần tần số này được khuyếch đại có dạng quy luật hàm mũ Chính vì vậy thành phần tần số Stoke được sinh ra do SRS phụ thuộc giá trị đỉnh trong phổ khuyếch đại Raman Độ dịch tần giữa sóng bơm và sóng Stoke trong trường hợp này được gọi là dịch chuyển Raman hay dịch chuyển Stoke.

1.2.2 Ngưỡng Raman

Để tìm được ngưỡng Raman, ta quan tâm đến sự tương tác giữa sóng Stoke và sóng bơm Trong trường hợp sóng là liên tục, sự tương tác này được khống chế bởi cặp

α ,αs là các hệ số suy hao của sóng bơm và sóng Stoke

gR là hệ số khuếch đại Raman.

Cặp phương trình trên có thể xây dựng dựa trên phát biểu: trong môi trường truyền dẫn các photon của sóng bơm và sóng Stoke có thể sinh ra hay mất đi trong suốt quá trình nhưng tổng số các photon là không đổi do đó:

Mặc dù phải tính đến cả sự suy thoái xung khi mô tả quá trình SRS nhưng ta có thể bỏ qua để nhằm mục đích ước lượng ngưỡng Raman Lúc này phương trình (1.21) có thể giải được bằng cách bỏ qua thành phần đầu tiên vế phải (là thành phần gây ra suy thoái xung) ta được:

Để tính được Is(L) trong phương trình (1.26) ta cần phải biết Is(o) ở đầu vào z=0 Điều này là không thể bởi vì sóng Stoke không có ở đầu vào mà nó sinh ra trong quá

trình tán xạ Raman, nó giống như là ta cho một photon không có thật ở đầu vào Tuy vậy ta vẫn có thể tính toán được công suất sóng Stoke bằng cách để ý rằng biên độ năng lượng của mỗi một thành phần tần số là ω Tương tự như phương trình (1.26) ta thu được phương trình công suất sóng Stoke như sau:

Trong đó sợi quang được giả định là sợi đơn mode Sự phụ thuộc của gR(ω) vào tần số được thể hiện ở trên Hình 1.8 Thậm chí nếu không biết dạng của hàm của gR(ω) ta vẫn có thể tính toán được tích phân (1.28) vì giá trị của nó phụ thuộc chủ yếu vào vùng hẹp gần đỉnh khuếch đại Từ (1.28) ta tính ra được:

ω = Mặc dù Beff phụ thuộc vào cường độ bơm và chiều dài sợi nhưng giá trị đỉnh của phổ trên Hình 1.8 đóng vai trò quan trọng trong việc định lượng Beff

Ngưỡng Raman được định nghĩa là công suất bơm đầu vào sao cho ở đầu ra công suất bơm và công suất Stoke là bằng nhau Phần lớn công suất bơm sẽ chuyển thành công suất Stoke nếu như công suất bơm vượt quá giá trị ngưỡng.

P là công suất bơm ở đầu vào vàAeff là diện tích vùng lõi hiệu dụng Từ phương trình (1.29) và (1.32) và giả sử αs =αp =α, điều kiện ngưỡng trở thành :

P cũng phụ thuộc vào Po thông qua hai phương trình (1.29) và (1.30) Từ phương trình (1.34) ta có thể tính được giá trị ngưỡng Raman Giá trị công suất bơm Công thức trên là điều kiện ngưỡng Raman thuận, điều khiện ngưỡng Raman ngược có được bằng cách thay giá trị 16 trong phương trình (1.35) bằng 20 Cũng cần phải chú ý là khi đi xây dựng phương trình (1.35) ta giả sử phân cực của sóng bơm và sóng dò bảo toàn trong quá trình lan truyền Nếu sự phân cực không được bảo toàn, ngưỡng Raman sẽ tăng lên một hệ số trong khoảng 1 đến 2 Đặc biệt, nếu như sự phân cực bị xáo trộn hoàn toàn thì ngưỡng Raman sẽ tăng lên 2 lần.

Mặc dù khi tính toán giá trị ngưỡng ta sử dụng rất nhiều phép tính gần đúng nhưng giá trị ngưỡng Raman vẫn được tính khá chính xác Nếu như với sợi có αp.L>>1,

peff

L ≈1/α Ở bước sóng λp =1.55µm (bước sóng nằm trong vùng cửa sổ có suy hao

nhỏ nhất cỡ 0.2dB/km), Leff =20km. Thông thường thì Aeff =50 mµ 2, giá trị ngưỡng Raman cỡ khoảng 600mW Bởi vì trong thực tế công suất của các hệ thống thông tin quang vào cỡ 1÷10mW nên hệ thống không bị ảnh hưởng bởi SRS Trong vùng ánh sáng nhìn thấy Aeff =10÷20 mµ 2, giá trị công suất ngưỡng PthW

o ~10 với cự ly truyền dẫn L=10m Khi công suất vào bằng với giá trị ngưỡng, công suất bơm chuyển thành công suất Stoke rất nhanh chóng Trong thực tế, sóng Stoke sẽ hoạt động như một sóng bơm và sinh ra sóng Stoke cấp 2 nếu như công suất của nó đủ lớn để thoả mãn phương trình (1.35) Kết quả là nếu công suất bơm lớn, bên trong sợi sinh ra rất nhiều sóng Stoke và số lượng các sóng Stoke phụ thuộc vào công suất vào.

1.2.3 Ảnh hưởng của các chất phụ gia trong sợi thuỷ tinh

Sợi thuỷ tinh được tạo từ các hỗn hợp oxide nóng chảy Các oxide này tạo ra một vật liệu mới có cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp Thông thường các sợi thuỷ tinh được pha các hợp chất khác nhau ví dụ nhưP2O5,GeO2để thay đổi một số tính chất của thuỷ tinh như chỉ số chiết suất, hệ số tán sắc Các chất phụ gia này cũng làm thay đổi quang phổ tán xạ Raman của sợi thuỷ tinh.

Hình 1.9- Quang phổ tán xạ Raman của các loại thuỷ tinh oxide được

sử dụng trong các sợi quang.

Hình 1.9 thể hiện quang phổ tán xạ Raman của các sợi quang thuỷ tinh oxide Thuỷ tinh có thành phần cơ bản là dioxide silic có độ rộng phổ rất rộng (khoảng 40THz) với một đỉnh chính trong khu vực từ 440 đến 490 cm−1 Với chất pha tạp là GeO2độ rộng phổ hẹp hơn nhưng cường độ ánh sáng tán xạ lại mạnh hơn Với P2O5 không những cường độ ánh sáng tán xạ tăng mà còn 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 Quá trình tán xạ Raman xảy ra rất mạnh khi ánh sáng bơm và ánh sáng tín

hiệu đồng phân cực Khi ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu có phân cực trực giao quá trình tán xạ xảy ra yếu hơn rất nhiều Do đó mức tăng ích thực tế bằng tổng giá trị tăng ích song song và tăng ích trực giao Đối với sợi thuỷ tinh trộn GeO2, tăng ích quang có thể được xác định theo công thức

Trong đó K là hệ số phân cực Hệ số phân cực nhận giá trị “1” khi ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu đồng phân cực và nhận giá trị “2” khi hai ánh sáng này trực giao.

Hình 1.10 Ảnh hưởng của tương quan phân cực giữa ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm.

1.3 Ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang

1.3.1 Ảnh hưởng của SRS đối với hệ thống đơn kênh

Quá trình truyền một xung trong sợi quang có thể được mô tả bằng phương trình Schrodinger phi tuyến (NLS-Nonlinear Schrodinger equation) [1]:

Trong đó A là biên độ xung đã được chuẩn hoá nghĩa là A2 chính là công suất quang α là hệ số suy hao của sợi quang, β1,β2 là các hệ số trong khai triển Taylor của

Mặc dù phương trình (1.37) là khá đầy đủ để chứng minh nhiều hiệu ứng phi tuyến nhưng trên thực tế nó cần phải có sự thay đổi Bởi vì trong phương trình (1.37) không bao gồm hiệu ứng phi tuyến liên quan đến tán xạ kích thích không đàn hồi như SRS và SBS Nếu đỉnh công suất của tín hiệu vào vượt quá giá trị ngưỡng SRS thì quá trình tán xạ SRS sẽ làm biến đổi năng lượng của sóng bơm thành sóng Stoke (cùng truyền với sóng bơm bên trong sợi quang theo cả hai hướng thuận và ngược) Các xung sẽ tác động lẫn nhau thông qua khuyếch đại Raman tương tự như hai hay nhiều sóng có bước sóng khác nhau cùng truyền trong sợi quang.

Hơn nữa phương trình (1.37) chỉ xây dựng cho các xung có độ rộng lớn hơn 1ps, do đó cần phải điều chỉnh đối với các xung cực ngắn nhỏ hơn 100 ps Khi xung có độ rộng nhỏ hơn 100 ps, bề rộng phổ ∆ω của nó có thể so sánh với tần số mang ω0 nên những

phép tính gần đúng để xây dựng phương trình (1.37) cũng cần phải xem xét lại.

Hoạt động của SRS trong sợi quang sẽ đơn giản đi rất nhiều nếu giả sử rằng đáp ứng của môi trường là tức thời Trừ trường hợp xung có độ rộng cỡ 10fs, lúc này đáp ứng của môi trường thậm trí còn chậm hơn cả đáp ứng xung.

Khi đó từ phương trình (1.37) tính cả ảnh hưởng của SRS, sự tương tác giữa xung bơm và xung Stoke được khống chế bởi cặp phương trình :

Với T là thời gian chuẩn hoá phụ thuộc vào vận tốc nhóm vgp, tham số d được gọi là tham số “Walk-off”, đây là tham số đặc trưng cho độ chênh lệch vận tốc giữa sóng bơm và sóng Stoke, thông thường có giá trị 2÷6 ps/m Các tham số GVD β2j, hệ số phi

tuyến γ j và hệ số khuyếch đại Raman gj(j=p hoặc s) của sóng bơm và sóng Stoke khác

nhau rất ít, sự khác nhau đó liên quan đến tỷ số λs /λp như sau:

Trong bốn độ dài trên, độ dài nào nhỏ nhất, hiệu ứng tương ứng với độ dài đó sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu nhiều nhất Nếu tín hiệu bơm có độ rộng xung TO ≤10ps, công suất

đỉnh PO ≥100W thì thông số LW~1km (tại TO=10ps) Vì vậy ảnh hưởng của GVD khống chế bởi thành phần thứ hai trong phương trình (1.42) và (1.43) bị bỏ qua nếu độ rộng xung cỡ 10 ps Từ (1.47) ta thấy nếu độ rộng xung giảm nhưng công suất đỉnh PO

đủ lớn thì ta cũng có thể bỏ qua ảnh hưởng của GVD Bỏ qua ảnh hưởng của GVD từ

Phương trình (1.54) mô tả sự khuyếch đại Raman khi một tín hiệu yếu được đưa vào bên trong sợi cùng với sóng bơm Nó cũng đúng cho cả trường hợp tín hiệu yếu đó được sinh ra do nhiễu bên trong sợi Để đơn giản ta giả sử đáp ứng của môi trường là tức thời so với đáp ứng xung Lúc này từ phương trình (1.30) ta tìm được biên độ đỉnh của sóng Giá trị ngưỡng đạt được khi Ps(L)=P0 So sánh (1.34) với (1.57) ta tìm được độ dài hiệu dụng cho bởi công thức sau:

L = π (1.0)

Như vậy ta có thể tính được giá trị công suất ngưỡng trong (1.35) từ giá trị của Leff

được cho bởi công thức (1.58) Từ hai phương trình này ta cũng thấy rằng ngưỡng Raman phụ thuộc vào độ rộng xung bơm Với xung có độ rộng ~ 10ps (LW~1m), công suất ngưỡng ~ 100W.

1.3.2 Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM

Xuyên âm

Như các phần trên ta thấy, hiệu ứng tán xạ Raman là một hiệu ứng dãn băng Sự thay đổi tần số quang tương ứng với tần số dao động của nguyên tử Tán xạ Raman nói chung và tán xạ Raman kích thích SRS nói riêng ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống thông tin quang đặc biệt là hệ thống WDM.

Trong hệ thống đơn kênh, ánh sáng truyền trong sợi quang chỉ có một bước sóng Tán xạ Raman làm phát sinh ánh sáng tán xạ có tần số nhỏ hơn Công suất ngưỡng Pth

được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của tán xạ Raman Với hệ thống đơn kênh Pth

được xác định theo công thức:

Ảnh hưởng của tán xạ Raman sẽ tăng khi có hai hay nhiều hơn tín hiệu quang truyền trong một sợi quang Nếu như hai kênh có khoảng cách tần số bằng đúng độ dịch tần của ánh sáng tán xạ, tín hiệu tại tần số cao sẽ bị suy hao và tín hiệu tại tần số thấp sẽ được khuếch đại Tín hiệu tại tần số cao sẽ đóng vai trò là tín hiệu bơm Tỉ lệ chuyển đổi công suất quang giữa hai kênh phụ thuộc vào tần số Stoke Vì độ rộng băng tán xạ Raman rất rộng nên hiệu ứng tán xạ Raman vẫn xảy ra khi hai kênh cách nhau tới 13THz.

Hình 1.11 Mẫu xung NRZ trong hệ thống WDM hai kênh a)Tín hiệu vào sợi quang b)Tín hiệu ra do ảnh hưởng của SRS.

Như vậy trong hệ thống WDM các kênh tại bước sóng ngắn đóng vai trò ánh sáng bơm và sẽ bị suy hao mất một phần công suất do hiệu ứng tán xạ Raman kích thích Giữa các kênh sẽ có xuyên âm và SRS của các kênh sẽ bị giảm Trên hình 1.11 là mẫu xung NRZ của một hệ thống WDM hai kênh đơn giản (bỏ qua tán sắc) Kênh thứ nhất có tần số lớn hơn bị mất một phần công suất cho kênh thứ hai đặc biệt khi truyền bit “1” tại cùng một thời điểm Hiệu ứng SRS sẽ không xuất hiện tại thời điểm của các bit “0”.

Trong các hệ thống sử dụng khuyếch đại, ảnh hưởng của SRS lớn hơn Trên toàn bộ đường truyền cả tín hiệu và nhiễu đều bị suy giảm Tuy nhiên mức suy giảm của nhiễu chỉ bằng một nửa mức suy giảm của tín hiệu Giới hạn của tổng số kênh của hệ thống WDM theo chiều dài tuyến truyền dẫn được miêu tả trên Hình 1.12, trong đó hệ thống WDM sử dụng các bộ khuyếch đại lý tưởng có hệ số tạp âm NF là 3dB, hệ số suy hao trên hệ thống 0.2 dB/km, tốc độ mỗi kênh là 2.5 Gb/s, khoảng cách giữa các kênh là 0.5nm, băng tần quang máy thu là 10GHz, tỉ số SNR trung bình là 9 (BER=10−14) tương ứng cho khoảng cách giữa các bộ lặp lần lượt là 25, 50, 100 và

Hình 1.12 Sự phụ thuộc số kênh tối đa theo chiều dài tuyến truyền dẫn

Trong hệ thống WDM với rất nhiều kênh, xác suất tất cả các kênh đều truyền bit “1” đồng thời rất thấp Tỉ lệ công suất bị mất của các kênh bước sóng ngắn biến đổi phụ thuộc vào các bit được truyền trên tất cảc các kênh khác Với hệ thống có nhiều hơn 10 kênh và sử dụng sợi tán sắc không, công suất suy giảm trung bình chỉ phụ thuộc vào

công suất trung bình của mỗi kênh quang Công suất suy giảm trung bình của kênh có

P là công suất đỉnh của mỗi kênh và ∆f là khoảng cách giữa các kênh (Hz).

Nếu hệ thống có tổng công suất và băng tần không đổi, ảnh hưởng của SRS có thể được xác định trước Phần công suất tín hiệu bị suy giảm có thể được bù chính xác bằng cách sử dụng một bộ lọc sau các bộ khuyếch đại đường dây, các bộ lọc này có hệ số suy hao ngược với hệ số suy giảm công suất tín hiệu do SRS theo bước sóng Hệ thống này cũng khá đơn giản không cần thêm thiết bị quang nào khác nếu nó sử dụng EDFA làm bằng phẳng tăng ích quang.

Tham số độ nghiêng Raman

Hiện tượng xuyên âm do tán xạ Raman không chỉ làm giảm SNR của các kênh mà còn dẫn đến một “độ nghiêng Raman” trong phân bố công suất đầu ra của các kênh trong hệ thống WDM Hiện tượng này được thể hiện trên Hình 1.13 với hệ thống WDM gồm 6 kênh truyền trên sợi quang đơn mode tiêu chuẩn [3].

Khoảng cách [km]

Hình 1.13 Công suất đầu ra chuẩn hoá của các kênh trong hệ thống WDM gồm 6 kênh với các thông số D=16.7ps/(nm.km), L=10km, công suất đầu vào mỗi kênh

Pt = 48 mW, khoảng cách giữa các kênh ∆λ =8nm.[3]

Đối với một hệ thống WDM gồm có N kênh ta có thể định nghĩa một tham số gọi là “Độ nghiêng Raman” [3] được tính theo công thức: Trong trường hợp công suất đầu vào của N kênh là như nhau và khoảng cách giữa các kênh không đổi thì tham số “độ nghiêng Raman” có thể tính theo công thức (1.64)

Với N là tổng số kênh, g′ là độ dốc của phổ khuyếch đại Raman, ∆f là khoảng cách

giữa các kênh,Aeff và Leff lần lượt là diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng của sợi quang.

Vì hiện tượng “Nghiêng Raman” gây ra do hiệu ứng tán xạ Raman làm giảm hiệu năng của hệ thống, nếu khắc phục được ảnh hưởng này ta có thể tăng băng tần tổng, tăng công suất của mỗi kênh và tăng khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại Một phương pháp để khắc phục hiện tượng “nghiêng Raman” là sử dụng hai nguồn bơm thuận với

bước sóng được lựa chọn thích hợp [3] Khi đó nguồn bơm bước sóng ngắn hơn sẽ khuyếch đại những kênh có bước sóng ngắn trong khi nguồn bơm thứ hai sẽ chuyển công suất cho những kênh bước sóng trung bình Kết quả là các kênh có bước sóng cao hơn sẽ có độ dịch tần so với sóng bơm vượt ra ngoài phổ khuyếch đại Raman Do đó các kênh này sẽ được khuyếch đại bởi chính những kênh có bước sóng thấp hơn thông qua hiện tượng SRS dẫn đến độ chênh lệch công suất đầu ra của các kênh sẽ giảm như

Hình 1.14- Công suất đầu ra chuẩn hoá của hệ thống WDM trên khi sử dụng hai nguồn bơm với λP1 =1422nm,λP2 =1448nm,PP1 =28.8mW,PP2 =24mW.

1.4 Thí nghiệm tán xạ Raman kích thích

1.4.1 Thí nghiệm đo hệ số khuyếch đại Raman

Sơ đồ thí nghiệm được chỉ ra trên hình (1.15).

Hình 1.15 Thí nghiệm đo hệ số khuyếch đại Raman

Trong thí nghiệm này sóng bơm có bước sóng 1450.4 nm được bơm ngược chiều với chiều truyền của tín hiệu

Sóng bơm được lấy từ một Laser Diode MQW (Multi-Quantum Well) với cách tử Bragg (FBG-Fiber Bragg Gratting) có bước sóng trung tâm là 1450.4nm Phổ của sóng bơm được chỉ ra trên hình (1.16) Độ rộng băng tần 3 dB khoảng 0.8 nm (0.114 THz).

Hình 1.16-Phổ của sóng bơm được sử dụng trong thí nghiệm đo hệ số khuyếch đại Raman.

Bước sóng của ánh sáng tín hiệu là 1550 nm được lấy từ một Laser có thể hiệu chỉnh được Việc sử dụng kỹ thuật bơm ngược sẽ giảm thiểu được ảnh hưởng của phân cực và dao động biên độ giữa ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu Một bộ tách quang (isolator) được đặt trước Laser để không cho ánh sáng bơm đi vào Laser này Máy phân tích quang phổ (OSA-Optical Spectrum Analyzer) thực hiện đo công suất tín hiệu ra trong hai trường hợp có sóng bơm và không có sóng bơm.

Sợi quang được sử dụng trong thí nghiệm là loại sợi SPECTRAN chiết suất bậc có chiều dài L=22.195 km, diện tích hiệu dụng Aeff = 80µm2, hệ số suy hao α =0.261

dB / , do đó chiều dài hiệu dụng Leff =12.249 km.

Khi không có sóng bơm công suất tín hiệu đầu ra do suy hao là:

Trong đó αslà hệ số suy hao trên sợi, L là chiều dài của sợi quang, Ps(0) là công suất tín hiệu đầu vào.

Trong trường hợp có sóng bơm, do tác động của hiện tượng khuyếch đại Raman kích thích, công suất tín hiệu đầu ra là : Với g=gR là hệ số khuyếch đại Raman, Aeff là diện tích hiệu dụng của lõi sợi, Leff là chiều dài hiệu dụng của sợi Khi đó tăng ích quang được xác định theo công thức (1.67).

Hình 1.17-Phổ công suất tín hiệu đầu ra trong hai trường hợp có sóng bơm và không có sóng bơm.

Bằng cách lấy tích phân phổ của tín hiệu đầu ra trong hai trường hợp có sóng bơm và không có sóng bơm ta tính được hai giá trị Ps _on( )L và Ps _off( )L , từ đó tính được giá trị tăng ích quang theo phương trình (1.68) kết quả thu được G=3.324dB.

1.4.2 Thí nghiệm đo ngưỡng Raman

Công suất ngưỡng được định nghĩa là công suất bơm đầu vào sao cho ở đầu ra của sợi công suất sóng bơm và sóng Stoke sinh ra bằng nhau Do đó để đo được công suất ngưỡng đòi hỏi đo công suất bơm đầu vào, công suất sóng bơm và sóng Stoke ở đầu ra

CW Laser - Continuous Wave Laser: Laser tạo sóng liên tục PC - Polarisation Controler : Bộ điều khiển phân cực

FUT- Fiber under test : Sợi quang thử nghiệm PM- Power meter : Thiết bị đo công suất

RF Source-Radio Frequency Source: Tạo sóng tần số cao Hình 1.18- Thí nghiệm đo công suất ngưỡng Raman kích thích.

CW Laser tạo ra sóng bơm liên tục có bước sóng là 1550 nm Sóng bơm này khi được đưa vào trong sợi sẽ làm sinh ra các sóng Stoke do ảnh hưởng của quá trình tán xạ Raman kích thích Hiện tượng tán xạ Brilloin kích thích (SBS) được loại bỏ bằng cách

sử dụng một bộ điều chế pha hoạt động ở tần số 3 GHz Bộ điều khiển phân cực PC nhằm tạo cho sóng bơm phân cực ngẫu nhiên Bằng cách sử dụng một bộ suy hao biến đổi (Optical Attenuator) ta có thể điều chỉnh được công suất đưa vào sợi quang, giá trị công suất bơm đầu vào sẽ được đo bởi thiết bị đo công suất PM1.

Ở đầu ra ta sử dụng một Coupler quang để phân tách sóng bơm và sóng Stoke sinh ra trong sợi quang, chênh lệch tần số giữa sóng bơm và sóng Stoke vào khoảng 12 THz

Thay đổi công suất đưa vào sợi quang (bằng bộ suy hao biến đổi) cho đến khi công suất sóng bơm và sóng Stoke đầu ra bằng nhau thì trên PM1 ta đo được công suất ngưỡng của SRS Giá trị công suất ngưỡng đối với các loại sợi quang cóAeff =50µm2,

Hình 1.19- Ngưỡng Raman kích thích đối với các loại sợi đơn mode có hệ số suy hao khác nhau.

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU QUANG

2.1 Sự cần thiết phải khuyếch đại quang

Như đã thấy ở chương 1, khoảng cách truyền dẫn của bất kỳ hệ thống thông tin quang sợi nào đều bị giới hạn bởi suy hao Đối với các hệ thống cự ly dài, có thể khắc phục suy hao này bằng cách sử dụng các bộ lặp quang điện.

Trong các bộ lặp điện này tín hiệu quang trước hết được chuyển đổi thành tín hiệu điện, tái tạo và chuyển lại thành tín hiệu quang.

Nhược điểm của bộ lặp điện

Các bộ lặp điện như trên rất phức tạp về thành phần cũng như hoạt động, chúng bị hạn chế bởi khả năng của các thiết bị điện tử Việc giám sát các bộ lặp điện này cũng rất phức tạp Các bộ lặp điện chỉ phù hợp cho các hệ thống đơn kênh tốc độ thấp Đối với các hệ thống ghép kênh WDM thì các bộ lặp điện không đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống vì nó quá phức tạp Mỗi bộ lặp chỉ đáp ứng được cho một kênh bước sóng, do đó phải thực hiện tách các kênh quang trước khi thực hiện lặp điện và sau khi lặp từng kênh phải sử dụng bộ ghép kênh quang để ghép các kênh lại với nhau Hơn nữa hoạt động của các bộ lặp điện phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu, phải tái tạo lại tín hiệu điện bằng phương pháp giải điều chế tương ứng Vì vậy việc nâng cấp hệ thống sử dụng bộ lặp điện rất phức tạp.

Ngược lại, trong các hệ thống sử dụng khuyếch đại quang, các bộ khuyếch đại quang không bị giới hạn bởi các thiết bị điện tử vì bộ khuyếch đại quang khuyếch đại trực tiếp

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang tín hiệu quang, không qua bất kỳ một giai đoạn chuyển đổi quang điện nào Khuyếch đại quang không phụ thuộc vào dạng tín hiệu và dạng điều chế do nó chỉ tác động vào thành phần biên độ chứ không tác động vào thành phần thời gian và dạng tín hiệu Khi thay đổi phương pháp điều chế thì hệ thống không cần thay đổi các bộ khuyếch đại Do đó khuyếch đại quang tạo điều kiện dễ dàng nâng cấp hệ thống Ngoài ra, khuyếch đại quang có thể cho phép khuyếch đại đồng thời các kênh quang trong toàn bộ dải tần Do đó khi thêm một kênh quang nếu như bước sóng mới nằm trong dải khuyếch đại bằng phẳng của bộ khuyếch đại quang thì không cần thiết thay đổi bộ khuyếch đại quang.

Năm 1996, bộ khuyếch đại quang đầu tiên được sử dụng trong hệ thống cáp quang TAT 12,13 do AT&T và các đối tác lắp đặt Hệ thống thông tin này với việc sử dụng khuyếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA đã tăng dung lượng của hệ thống lên gấp 10 lần Tuyến TAT-12 có tổng chiều dài là 5900 km với khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại quang là 33 km Có thể nói khuyếch đại quang là chìa khoá cho sự phát triển của các mạng quang dung lượng lớn và cự ly xa.

2.2 Những khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang.

2.2.1 Phổ khuyếch đại và băng tần bộ khuyếch đại

Hầu hết các bộ khuyếch đại quang đều thông qua hiệu ứng phát xạ kích thích Khuyếch đại đạt được khi bộ khuyếch đại được bơm quang hay bơm điện để thoả mãn điều kiện đảo lộn mật độ Nhìn chung khuyếch đại quang không chỉ phụ thuộc vào tần số (hoặc bước sóng) của tín hiệu tới mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm ở các điểm bên trong sợi tức là phụ thuộc cả vào môi trường khuyếch đại Để đơn giản giả sử môi trường khuyếch đại là đồng nhất Khi đó hệ số khuyếch đại có thể được tính theo công

Trong đó g0là giá trị đỉnh của khuyếch đại,ω là tần số của tín hiệu quang tới,ω0 là tần số dao động của nguyên tử,P là công suất của tín hiệu được khuyếch đại,Ps là công suất bão hoà Công suất bão hoà Ps phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuyếch đại Hệ số T2 trong phương trình (2.1) được gọi là thời gian hồi phục phân cực, thường

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang nhỏ hơn 1 ps [2] Phương trình (2.1) có thể dùng để mô tả các đặc tính quan trọng của bộ khuyếch đại như là băng tần khuyếch đại, hệ số khuyếch đại và công suất đầu ra bão hoà.

Ở chế độ chưa bão hoà trong đó P/Ps <<1, bằng cách bỏ qua đại lượng P /Ps trong phương trình (2.1) hệ số khuyếch đại trở thành:

Phương trình này chỉ ra rằng khuyếch đại đạt được lớn nhất khi mà tần số ω trùng

với tần số dao động nguyên tử ω0 Sự suy giảm khuyếch đại có thể xem xét trong điều

kiện Lorentzian áp dụng cho các hệ thống hai mức đồng nhất Trong thực tế phổ khuyếch đại có thể khác xa điều kiện Lorentzian Băng tần khuyếch đại được định nghĩa

Ví dụ ∆vg ~5 THz đối với bộ khuyếch đại quang bán dẫn khi T2 ~60fs Các bộ khuyếch đại quang với băng tần rộng được sử dụng trong các hệ thống WDM do chúng có hệ số khuyếch đại tương đối bằng phẳng trên một dải tần rộng.

Nếu gọi Pin và Pout lần lượt là công suất quang vào và sau khuyếch đại thì tăng ích của bộ khuyếch đại định nghĩa theo công thức:

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang Chú ý rằngP(L)= Pout và sử dụng phương trình (2.4) ta suy ra tăng ích quang của bộ khuyếch đại có độ dài L là:

G(ω =) exp (ω) (2.0) Cả G(ω) và g(ω) đều có thể được dùng để đặc trưng cho bộ khuyếch đại và đều đạt giá trị lớn nhất khi ω =ω0 và đều giảm khi hiệu ω −ω0 tăng Tuy nhiên G(ω) giảm nhanh hơn so với g(ω) Điều này có thể thấy rõ trên Hình 2.21, đây là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của g/ g0 và G/ G0 vào (ω −ω0)T2.

Hình 2.21- Hệ số khuyếch đại chuẩn hoá của bộ khuyếch đại quang.

2.2.2 Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang.

Tất cả các bộ khuyếch đại đều làm giảm SNR (Signal-to-Noise ratio) của tín hiệu được khuyếch đại do hiện tuợng phát xạ tự phát cộng thêm nhiễu trong quá trình khuyếch đại Tương tự như các bộ khuyếch đại điện sự suy giảm của SNR được biểu thị qua tham sốFn được gọi là hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại (Amplifier noise figure)