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

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang 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. Hình 2.- Bộ lặp điện. 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 thức: s PPT g g /)(1 )( 2 2 2 0 0 +−+ = ωω ω (2.) Trong đó g 0 là giá trị đỉnh của khuyếch đại, ω là tần số của tín hiệu quang tới, 0 ω là tần số dao động của nguyên tử, P là công suất của tín hiệu được khuyếch đại, s P là công Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang suất bão hoà. Công suất bão hoà s P phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuyếch đại. Hệ số 2 T trong phương trình (2.1) được gọi là thời gian hồi phục phân cực, thường 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 1/ << s PP , bằng cách bỏ qua đại lượng s PP / trong phương trình (2.1) hệ số khuyếch đại trở thành: 2 2 2 0 0 )(1 )( T g g ωω ω −+ = (2.) 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 0 ω . 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 là 2 /2 T g =∆ ω hoặc: 2 1 2 T v g g ππ ω = ∆ =∆ (2.) Ví dụ 5~ g v ∆ THz đối với bộ khuyếch đại quang bán dẫn khi 60~ 2 T fs. 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 in P và out P 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 in out P P G = (2.) Từ phương trình gP dz dP = (2.) Với )(zP là công suất quang ở khoảng cách z tính từ đầu vào. Với ( ) in PP =0 ta có )exp()( gzPzP in = (2.) Chú ý rằng out PLP = )( và sử dụng phương trình (2.4) ta suy ra tăng ích quang của bộ khuyếch đại có độ dài L là: [ ] LgG )(exp)( ωω = (2.) Cả )( ω G và )( ω g đều có thể được dùng để đặc trưng cho bộ khuyếch đại và đều đạt giá trị lớn nhất khi 0 ωω = và đều giảm khi hiệu 0 ωω − tăng. Tuy nhiên )( ω G giảm nhanh hơn so với )( ω g . Điều này có thể thấy rõ trên Hình 2., đây là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của 0 / gg và 0 / GG vào 20 )( T ωω − . Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang Hình 2.- 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 số n F được gọi là hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại (Amplifier noise figure) được định nghĩa là: out in n SNR SNR F = . (2.) n F phụ thuộc vào các tham số của bộ thu quang. Trong trường hợp bộ thu quang là lý tưởng tức là hiệu năng của bộ thu quang chỉ phụ thuộc vào nhiễu nổ. fhv P fRPq RP I SNR in in in s in ∆ = ∆ == 2)(2 )( )( 2 2 2 σ (2.) Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang Với in RPI = là giá trị trung bình của dòng điện, hv q R = là độ nhạy của bộ thu quang. 2 s σ là phương sai của nhiễu nổ và được xác định theo công thức: fRPq ins ∆= )(2 2 σ (2.) f ∆ là băng tần của bộ thu quang. Để xác định SNR của tín hiệu sau khuyếch đại ta cần phải tính thêm ảnh hưởng của hiện tượng tán xạ tự phát vào biểu thức của SNR. Ta có thể coi mật độ phổ của nhiễu nổ là không đổi (nhiễu trắng) và được biểu diễn theo công thức: hvnGvS spsp )1()( −= (2.) Trong đó v là tần số quang, tham số sp n được gọi là hệ số phát xạ tự phát và được tính theo công thức: 12 2 NN N n sp − = (2.) Trong đó 1 N và 2 N là mật độ nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích. Hiệu ứng phát xạ tự phát gây ra hiện tượng thăng giáng của tín hiệu sau khuyếch đại dẫn đến sự thăng giáng của cường độ dòng điện sau bộ thu quang. Dòng điện đầu ra của bộ thu quang: spin EEGRI += 2 (2.) Chú ý rằng in E và sp E dao động với tần số khác nhau và có hiệu pha thay đổi một cách ngẫu nhiên. Dòng nhiễu gây ra do hiện tượng phát xạ tự phát được tính theo công thức : Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang θ cos)(2 2/1 spin EGPRI =∆ (2.) Với θ là pha thay đổi ngẫu nhiên. Phương sai của dòng điện đầu ra bộ thu quang: fRSRGP spin ∆≈ ))((4 2 σ (2.) SNR đầu ra của bộ thu quang là: fS GPRGP I SNR sp inin out ∆ ≈== 4 )( 2 2 2 2 σσ (2.) Hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại: spspn nGGnF 2/)1(2 ≈−= (2.) Phương trình (2.17) chỉ ra rằng SNR của tín hiệu sau khuyếch đại sẽ giảm 3 dB ngay cả khi bộ khuyếch đại là lý tưởng có 1 = sp n . Đối với hầu hết các bộ khuyếch đại trong thực tế n F có giá trị 86 ÷ dB . Đối với các bộ khuyếch đại quang thì n F càng nhỏ càng tốt. 2.2.3 Các ứng dụng khuyếch đại Các bộ khuyếch đại có rất nhiều ứng dụng trong hệ thống thông tin quang, ba ứng dụng phổ biến nhất được chỉ ra trên Hình 2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang Tx:Phía phát Rx:Phía thu. Hình 2.- Các ứng dụng của bộ khuyếch đại quang: (a) Khuyếch đại quang sợi; (b) Khuyếch đại công suất; (c) Bộ tiền khuyếch đại. Đối với các hệ thống thông tin quang đường dài, các bộ khuyếch đại quang nằm ngay bên trong sợi quang được sử dụng thay cho các bộ lặp điện. Số lượng các bộ khuyếch đại quang sử dụng trên hệ thống có thể tăng chừng nào mà hiệu năng của hệ thống không bị giới hạn bởi các hiệu ứng tích luỹ như tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến và nhiễu khuyếch đại. Đối với các hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM) thì các bộ khuyếch đại quang giữ vai trò rất quan trọng vì tất cả các kênh sẽ được khuyếch đại đồng thời. Ngoài ra có thể sử dụng bộ khuyếch đại quang đặt ngay sau nguồn phát quang để tăng công suất phát. Những bộ khuyếch đại quang như vậy được gọi là bộ khuyếch đại công suất (power booster). Một bộ khuyếch đại quang có thể tăng khoảng cách truyền dẫn lên 100 km hoặc hơn tuỳ thuộc vào hệ số khuyếch đại và suy hao sợi. Cũng có thể tăng khoảng cách truyền dẫn bằng cách đặt một bộ khuyếch đại quang ngay trước bộ thu quang để khuyếch đại công suất thu. Những bộ khuyếch đại như vậy được gọi là bộ tiền khuyếch đại và thường được sử dụng để tăng độ nhạy thu. Các bộ khuyếch đại quang còn được ứng dụng rất rộng rãi trong hệ thống ghép bước sóng WDM. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang 2.3 Bộ khuyếch đại quang Raman 2.3.1 Nguyên lý bơm Bộ khuyếch đại quang Raman dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (SRS) . SRS khác phát xạ kích thích ở chỗ: Trong trường hợp phát xạ kích thích thì một photon tới kích thích sự phát xạ của một photon khác giống hệt mà không bị mất năng lượng của nó. Trong trường hợp SRS thì photon bơm sẽ mất một phần năng lượng và tạo ra một photon khác có tần số nhỏ hơn. Phần năng lượng mất đi bị hấp thụ bởi môi trường dưới dạng dao động phân tử. Do đó bộ khuyếch đại Raman phải được bơm quang để có thể khuyếch đại. Luồng bơm và tín hiệu ở tần số p ω và s ω được đưa vào sợi quang thông qua một coupler quang. Năng lượng sẽ được truyền từ sóng bơm sang tín hiệu vì cả sóng bơm và tín hiệu cùng truyền trong sợi quang. Bước sóng bơm được lựa chọn theo phương thức mà một trong số các ánh sáng Stoke chính là bước sóng tín hiệu: trong điều kiện này, tín hiệu hoạt động như một mầm cho quá trình tán xạ kích thích. Hình 2.- Nguyên lý bơm thuận và bơm ngược. Nguồn bơm là điểm trở ngại chủ yếu của thiết bị khuyếch đại quang Raman. Trong thực tế hầu hết các thí nghiệm đã được thực hiện với các thiết bị laser Nd:YAG cồng kềnh. Đối với các thiết bị khuyếch đại quang Raman, có hai kiểu bơm cơ bản là bơm thuận và bơm ngược. Trong cấu hình bơm thuận, tín hiệu và công suất bơm được đưa vào sợi cùng một chiều, trong khi đó, với cấu hình bơm ngược, tín hiệu và sóng bơm được ghép vào hai đầu của sợi quang và truyền theo hướng ngược nhau. Trong trường hợp đầu, bộ khuyếch đại Raman sử dụng tốt như là bộ khuyếch đại công suất, làm mạnh tín hiệu tại đầu vào. Cấu hình thứ hai thì phù hợp hơn với ứng dụng khuyếch đại các tín hiệu yếu tại đầu thu. Cấu hình bơm ngược có ưu điểm là sự dao động công suất bơm Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang vừa phải, đây cũng là cấu hình thường được sử dụng trong thực tế. Ngoài ra cũng có thể sử dụng cấu hình bơm hai chiều hoặc sử dụng nhiều sóng bơm để mở rộng và làm bằng phẳng phổ khuyếch đại Raman. Hình 2.- Khuyếch đại Raman sử dụng nhiều ánh sáng bơm. 2.3.2 Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman Phổ khuyếch đại Raman đã được trình bày ở Error: Reference source not found. Hệ số khuyếch đại Raman R g liên quan đến hệ số khuyếch đại quang g(z) theo công thức: )()( zIgzg pR = trong đó p I là cường độ bơm. Nếu gọi p P là công suất bơm, hệ số khuyếch đại có thể tính theo công thức: )/)(()( effpR APgg ωω = (2.) [...]... bộ khuyếch đại quang lai ghép Raman/ EDFA Loại khuyếch đại quang này có thể thay thế bộ khuyếch đại EDFA trong đó khuyếch đại Raman phân bố đóng vai trò của một bộ khuyếch đại tạp âm nhỏ (tiền khuyếch đại) 2.4 Ứng dụng bộ khuyếch đại quang Raman trong hệ thống WDM Khuyếch đại quang Raman mang lại một nền tảng đơn giản và đơn nhất cho các yêu cầu của các bộ khuyếch đại quang trong mạng thông tin quang. .. của ánh sáng tín hiệu) do sự không đồng nhất của sợi quang Nhiễu phát xạ tự phát ASE truyền theo hướng ngược sẽ bị phản xạ lại do tán xạ Rayleigh kép và tiếp tục được khuyếch đại do quá trình tán xạ Raman kích thích Nhiễu tán xạ Rayleigh kép trong khuyếch đại Raman rất lớn do ánh sáng tán xạ Rayleigh được khuyếch đại trong quá trình truyền và khuyếch đại Raman yêu cầu độ dài sợi tăng ích Raman khá lớn... số loại khuyếch đại được nghiên cứu ứng dụng cho băng S như là khuyếch đại quang bán dẫn, khuyếch đại quang sợi pha Thilium nhưng chỉ có khuyếch đại Raman là giải pháp tối ưu cho vấn đề này [8] Để tìm hiểu về khả năng sử dụng băng S của LRA ta nghiên cứu hệ thống thử nghiệm của B.A Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang Puc lần đầu tiên sử dụng khuyếch đại Raman tập... mạng thông tin quang sang dải băng S Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang 2.3.8 Bộ khuyếch đại quang lai ghép Raman/ EDFA Hình 2.- Khuyếch đại quang lai ghép EDFA /Raman Như trong phần (2.3.6) đã trình bày, khuyếch đại quang Raman phân bố DRA có thể được sử dụng kết hợp với các bộ khuyếch đại tập trung khác điển hình trong số đó là kết hợp với bộ khuyếch đại EDFA hình... phẳng phổ khuyếch đại Raman bằng cách sử dụng nhiều nguồn bơm Tần số và công suất sóng bơm được chỉ ra ở bên phải Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang Các bộ khuyếch đại quang cũng có thể được thực hiện dựa vào hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích (SBS-Stimulated Brillouin Scattering) Nguyên lý hoạt động của các bộ khuyếch đại sử dụng SBS giống như bộ khuyếch đại dựa... án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang Khả năng sử dụng băng S với khuyếch đại quang Raman Trong các dải băng cửa sổ thông tin khuyếch đại quang sợi EDFA chỉ có thể hoạt động tại băng C và băng L mà không thể hoạt động tại băng S (1480-1530 nm) Với khuyếch đại Raman bước sóng khuyếch đại được quyết định bởi bước sóng ánh sáng bơm và như vậy khuyếch đại Raman có thể hoạt... lượng thấp Với khuyếch đại Raman N 2 ( N 2 − N1 ) thường bằng 1 do khuyếch đại Raman luôn ở trạng thái gần như đảo lộn mật độ hoàn toàn Đây là một ưu điểm của khuyếch đại Raman so với EDFA, với EDFA, N 2 ( N 2 − N1 ) thường lớn hơn 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang Nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS Tán xạ Rayleigh kép tương ứng với hai quá trình tán xạ (một cùng... Đặc tính bão hoà của bộ khuyếch đại Raman Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang Raman bắt nguồn từ hiệu ứng tán xạ Raman tự phát Để tính thêm yếu tố này, trong phương trình (2.19) ta có thể thay Ps + Psp cuối bằng trong số hạng Psp = 2n sp hv s ∆v R trong đó toàn bộ băng tần Ps ∆v R là tổng công suất tán xạ Raman tự phát trên nsp... bộ khuyếch đại quang sợi pha đất hiếm EDFA Ưu điểm chính của DRA là cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR và giảm tính phi tuyến Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang Hình 2.- Công suất tín hiệu trong hệ thống sử dụng DRA Hình 2 biểu diễn mức công suất ánh sáng tín hiệu của hệ thống khuyếch đại theo chu kỳ Đỉnh hình răng cưa tương ứng với các điểm khuyếch đại. .. sợi quang dài hơn 2.3.3 Tăng ích quang Raman Để xem xét đặc tính bộ khuyếch đại Raman chúng ta cần phải tính toán đến cả suy hao trên sợi quang, do chiều dài sợi yêu cầu đối với khuyếch đại Raman Như chương 1 đã trình bày, sự biến đổi của công suất bơm và công suất tín hiệu dọc theo sợi được tính toán băng cách giải hệ phương trình: Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang . nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU QUANG 2.1 Sự cần thiết phải khuyếch đại. Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang 2.3 Bộ khuyếch đại quang Raman 2.3.1 Nguyên lý bơm Bộ khuyếch đại quang Raman dựa trên hiệu ứng