Trong suốt quá trình tán xạ Raman, tia sáng chiếu tới một môi tr−ờng sẽ bị chuyển xuống một tần số thấp hơn (điều này đ−ợc biểu diễn d−ới dạng biểu đồ nh−
ở hình 3.4).
Hình 3.3 Phổ lúc truyền a) và khi thu đ−ợc b) của bộ khuếch đại Raman
a) b)
Một photon đ−ợc bơm vào (υP) sẽ kích thích một phân tử và chuyển nó lên mức năng l−ợng cao hơn (mức ảo hay trạng thái không cộng h−ởng). Phân tử này nhanh chóng phân rã tới một mức năng l−ợng thấp hơn và phát ra một photon mang tín hiệu (υS) trong quá trình này. Sự chênh lệch về mức năng l−ợng giữa photon bơm và photon mang tín hiệu này sẽ bị giảm dần bởi các dao động (rung động) của các phân tử trong vật liệu. Các mức dao động này sẽ xác định độ dịch tần số và dạng đồ thị mô tả độ khuếch đại Raman.
Do đặc tính tự nhiên của Silic thì đ−ờng cong khuếch đại Raman này sẽ trải đều trong sợi quang. Hình 3.5 mô tả phổ khuếch đại Raman của ba loại sợi quang khác nhau. Sự chênh lệch tần số (b−ớc sóng) giữa photon mang tín hiệu và photon
Dao động của các nguyên tử P υ υS Mức ảo Mức nền
Hình 3.4 Quá trình cơ l−ợng tử trong hiện t−ợng tán xạ Raman
Hình 3.5 Phổ khuếch đại Raman của ba loại sợi quang
Độ dịch tần số (THz) Phổ kh u ếch đại Ram an (W -1 .km -1 )
bơm (υP - υS) đ−ợc gọi là độ dịch Stokes và trong sợi quang tiêu chuẩn đ−ợc pha thêm Ge ở lõi thì đỉnh của độ dịch tần số này khoảng 13,2THz.
Đối với những công suất bơm đủ lớn, ánh sáng tán xạ có thể tăng lên rất nhanh với hầu hết năng l−ợng bơm đ−ợc biến thành ánh sáng tán xạ. Quá trình này đ−ợc gọi là tán xạ Raman kích thích (SRS) và nó chính là cơ chế khuếch đại của các bộ khuếch đại Raman. Có ba điểm quan trọng khác với EDFA là:
- Tán xạ Raman kích thích SRS có thể xuất hiện trong bất kỳ sợi quang nào. EDFA yêu cầu loại sợi quang đ−ợc chế tạo đặc biệt, pha tạp Erbium.
- Do photon bơm đ−ợc kích thích tới mức ảo, khuếch đại Raman có thể xuất hiện tại mọi b−ớc sóng của tín hiệu khi lựa chọn các b−ớc sóng bơm phù hợp. Trong EDFA các b−ớc sóng bơm và b−ớc sóng mang tín hiệu đ−ợc xác định bởi các mức cộng h−ởng của Erbium.
- Quá trình khuếch đại Raman diễn ra rất nhanh, trong khi đó EDFA do có năng l−ợng dự trữ ở lớp cao của Erbium nên việc chuyển năng l−ợng sẽ chậm hơn.
Sơ đồ tổng quan về hệ thống truyền dẫn quang sử dụng khuếch đại Raman đ−ợc minh họa ở hình vẽ 3.6. Tín hiệu đ−ợc truyền từ bộ phát (Tx) tới bộ thu (Rx), khi dòng bơm truyền dọc theo chiều tín hiệu thì đ−ợc gọi là bơm thuận chiều, ng−ợc
Hình 3.6 Mô hình hệ thống truyền dẫn quang có sử dụng bộ khuếch đại Raman
Tín hiệu
Sợi quang
Laser bơm
Bơm thuận Bơm ng−ợc Tín hiệu
lại đ−ợc gọi là bơm ng−ợc chiều. Khi sợi quang đ−ợc bơm ánh sáng dọc theo toàn bộ chiều dài tuyến giữa hai điểm thì đ−ợc gọi là khuếch đại Raman phân tán (DRA). Nếu bộ khuếch đại đ−ợc đặt tại một đầu phát hoặc thu của hệ thống thì đ−ợc gọi là khuếch đại Raman rời rạc (LRA). Nét đặc tr−ng khác để phân biệt giữa khuếch đại Raman phân bố và rời rạc là dựa vào chiều dài sợi sử dụng. Khuếch đại Raman phân bố điển hình có chiều dài lớn hơn hoặc bằng 40km, trong khi khuếch đại Raman rời rạc có chiều dài khoảng 5km.