M Ở ĐẦ U 4
B ộ phát quang 6
2.3.2 Nguyên lý và đặ c đ i ể m c ủ a khu ế ch đạ i Raman 56
Hiện tượng tán xạ Raman là một ví dụ về hiệu ứng phi tuyến và được mô tả qua hình vẽ dưới đây.
Mức ảo ν s νp Dao động của các nguyên tử
Hình 2.3.2.1. Quá trình cơ lượng tử trong hiện tượng tán xạ
Raman
Trong quá trình tán xạ Raman, tia sáng chiếu tới một môi trường sẽ bị giảm xuống tần số thấp hơn (nhưở hình 2.3.2.1). Một photon được bơm vào (νp) sẽ kích
Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang Ph ổ khu ế ch đạ i Rama n (W -1 .km -1 )
thích một phân tử và chuyển nó lên mức năng lượng cao hơn (mức ảo hay trạng thái không cộng hưởng). Phân tử này nhanh chóng phân rã tới một mức năng lượng thấp hơn và phát ra một photon mang tín hiệu (νs). Sự trênh lệch về mức năng lượng giữa photon bơm và photon mang tín hiệu này sẽ bị giảm dần bởi các dao 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 đường cong khuếch đại Raman này sẽ trải đều trong sợi quang. Hình vẽ 2.3.2.2 dưới đây mô tả phổ khuếch đại Raman của 3 loại sợi quang khác nhau. Sự trênh lệch tần số (bước sóng) giữa photon mang tín hiệu và photon bơm (νp-νs) được gọi là độ dịch Stokes và trong sợi quang tiêu chuẩn được pha thêm Ge ở lõi thì đỉnh của độ dịch tần số này khoảng 13.2 THz.
Độ dịch tần số (THz)
Hình 2.3.2.2 Phổ khuếch đại Raman của 3 loại sợi quang theo độ dịch tần số
Khi công suất bơm đủ lớn, ánh sáng tán xạ có thể tăng lên rất nhanh với hầu hết năng lượng bơm được biến thành ánh sáng tán xạ. Quá trình này được gọi là tán xạ Raman kích thích (SRS) và nó chính là cơ chế khuếch đại của các bộ khuếch đại Raman. Trong khuếch đại Raman có 3 điểm cần chú ý khi so sánh với khuếch đại EDFA như sau:
Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang
• Tán xạ Raman kích thích (SRS) có thể xuất hiện trong bất kỳ sợi quang nào. EDFA yêu cầu loại sợi quang được chế tạo đặc biệt, pha tạp Erbium. • Do photon bơm được kích thích tới mức ảo, khuếch đại Raman có thể
xuất hiện tại mọi bước sóng của tín hiệu khi lựa chọn các bước sóng bơm phù hợp. Trong EDFA các bước sóng bơm và bước sóng mang tín hiệu được xác định bởi các mức cộng hưởng của Erbium.
• Quá trình khuếch đại Raman diễn ra rất nhanh, trong khi đó EDFA do có năng lượng được trữ ở lớp cao của Erbium nên việc chuyển năng lượng sẽ chậm hơn.
Sơ đồ tổng quan về hệ thống truyền dẫn quang sử dụng khuếch đại Raman được minh họa ở hình vẽ 2.3.2.3 dưới đây. Tín hiệu được truyền từ bộ phát (Tx) tới bộ thu (Rx), khi dòng bơm truyền dọc theo chiều tín hiệu thì được gọi là bơm thuận chiều (co-pumping), ngược lại được gọi là bơm ngược chiều (Counter- pumping). Khi sợi quang được bơm ánh sáng dọc theo toàn bộ chiều dài tuyến giữa hai điểm thì được gọi là khuếch đại Raman phân tán (DRA). Nếu bộ khuếch đại được đặt tại 1 đầu phát hoặc thu của hệ thống thì được gọi là khuếch đại Raman rời rạc (LRA). Một đặc điểm khác biệt nữa giữa hai kiểu khuếch đại Raman này là chiều dài sợi sử dụng. Đối với khuếch đại phân tán thì khoảng 40km trong khi đó khuếch đại rời rạc khoảng 5km.
Sợi quang Tín hiệu Tín hiệu Các bơm Laser Bơm thuận Bơm ngược
Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang