trong sợi nhạy quang , sợi bù tán sắc DCF
Quá trình chuyển đổi năng lượng giữa nguồn bơm và Stokes được đặc trưng bởi một thông số được gọi là hệ số độ lợi Raman gR. Giá trị này phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc vật liệu của lõi sợi quang và thành phần pha tạp trong đó. Đồ thị biểu diễn độ lợi băng thông đối với thủy tinh silica tinh khiết có một vùng chính và nhiều vùng nhỏ cực đại xung quanh. Nếu tính đến các đỉnh nhỏ trong phổ thì hệ số độ lợi Raman đạt băng thông rộng đến khoảng 40 Thz. Hệ số độ lợi cực đại gần như là không đổi trong vùng băng tần từ 9Thz đến 16 Thz. Nó có nghĩa là vùng hệ số khuếch đại cao này dịch chuyển xung quanh 13 Thz (tại bước sóng 1550 nm thì ứng với độ dịch bước sóng lân cận khoảng ∆ =λ 112 nm ). Giá trị hệ số độ lợi băng thông Raman cực đại trong thủy
tinh nguyên chất là gRmax =1.9 10× −13m/W.
Hình 2.6. Độ lợi băng thông Raman được chuẩn hóa ứng với độ dịch tần số tính từ tần số ánh sáng nguồn bơm
Độ lợi băng thông Raman tỷ lệ nghịch với bước sóng nguồn bơm và phụ thuộc vào trạng thái phân cực của sóng. Độ lợi này đối với quá trình phân cực song song (ánh sáng nguồn bơm và ánh sáng tín hiệu có cùng cực) thì cao hơn nhiều so với trường hợp phân cực trực giao (ví dụ như khi ánh sáng nguồn bơm phân cực trực giao với sóng Stokes ).
Tuy nhiên trong sợi quang thì do hiện tượng lưỡng chiết mà các trạng thái phân cực của nguồn bơm và sóng Stokes thay đổi liên tục và nếu sợi quang đủ dài thì hệ số khuếch đại Raman hiệu dụng là giá trị trung bình của các hệ số khuếch đại song song và trực giao.
Khi pha tạp thêm GeO2 vào sợi quang Silica khi đó chiết suất của lõi sợi tăng lên. Với việc pha GeO2 sẽ tạo ra sợi nhạy quang hoặc sợi bù tán sắc với nồng độ pha GeO2
khác nhau. Khi bơm chùm laser có bước sóng thích hợp vào 2 loại sợi này, chúng ta nhận được đỉnh của độ lợi băng thông Raman cao hơn, đồng thời độ dịch bước sóng cũng ngắn hơn so với sợi thủy tinh Silica thuần.
Chúng ta nhận thấy rằng độ chênh lệch giữa chiết suất lõi và vỏ càng cao thì thu được đỉnh độ lợi Raman càng lớn. Trong sợi nhạy quang và bù tán sắc có độ lệch chiết suất tỷ đối ∆ lớn hơn so với sợi thường khoảng một bậc (10 lần).
0 10 20 30 40 Độ dịch tần (THz) Độ lợi băng thông Raman đã được chuẩn hóa 0 0.5 1.0 BW
Hình 2.7. Phân bố độ lợi Raman khi pha tạp germanium vào sơi quang, khi được bơm bằng nguồn laser có bước sóng 1.24 µm.∆n = n2 – n1, trong đó n2, n1 là chiết suất lõi và vỏ của sợi quang
2.3.3 Mô hình của bộ khuếch đại quang Raman
Cấu trúc tiêu biểu của một bộ khuếch đại Raman như sau:
Tín hiệu vào Isolater
Sợi nhạy quang hoặc sợi DCF
Hình 2.8. Sơ đồ bộ khuếch đại quang Raman điển hình
Bộ khuếch đại quang Raman bao gồm các linh kiện quang tử và quang – điện tử sau:
- Nguồn laser bơm bán dẫn có công suất cao (có thể 1 hoặc nhiều laser bán dẫn ghép nối kiểu cộng công suất) dùng để bơm quang vào sợi tạo hiệu ứng Raman tự phát.
- Môi trường khuếch đại quang trên cơ sở tán xạ Raman có thể sử dụng sợi nhạy quang hoặc sợi DCF có độ dài thích hợp.
Đ ộ lợ i R am an Bước sóng [µm] WDM Laser bơm
- Linh kiện cách ly quang (Isolater)dùng để cho ánh sáng chỉ đi theo một chiều trong sợi và ngăn ánh sáng phản xạ chiều ngược vào môi trường khuếh đại để tránh gây nhiễu cho bộ khuếch đại.
- Linh kiện WDM dùng để kết hợp nguồn bơm và tín hiệu để tạo hiệu ứng Raman cưỡng bức cũng như dùng để đưa tín hiệu vào bộ khuếch đại.
Có một số cấu hình bơm phổ biến cho khuếch đại quang Raman như: Có thể dùng cách bơm đồng hướng tức là bơm cùng chiều với chiều tín hiệu. Cũng có thể bơm ngược hướng tức là bơm ngược với hướng truyền tín hiệu. Ngoài ra còn cách bơm song công tức là bơm từ cả 2 hướng. Mỗi cấu hình bơm có những ưu nhược điểm khác nhau.
Hình 2.9. Cấu hình bơm đồng hướng cho khuếch đại quang Raman phân bố
Hình 2.10. Cấu hình bơm ngược hướng cho khuếch đại quang Raman phân bố.
2.3.3 Khuếch đại dải rộng của khuếch đại Raman
Khuếch đại Raman với một nguồn bơm có băng thông vào khoảng 7THz (xấp xỉ 60 nm). Cửa sổ truyền qua của sợi quang vào khoảng 400 nm(1200 nm tới 1600). Khuếch đại băng thông rộng do vậy là rất phù hợp.
Sử dụng nhiều nguồn bơm,khuếch đại dải rộng với độ lợi thăng giáng nhỏ là có thể thiết kế được. Tuy nhiên cần nhớ rằng trong cấu hình nhiều nguồn bơm, có sự chuyển đổi năng lượng giữa các nguồn bơm do hiệu ứng Raman.
2.4 Ảnh hưởng của tán xạ raman trong hệ thống WDM
Pump Fiber rr Signal Pump pp Coupler Pump Fiber Isolator rrr Signal
Nếu chỉ có một kênh truyền trong sợi quang, hiệu ứng Raman chỉ có thể quan sát được nếu như công suất của kênh truyền lớn hơn ngưỡng nhất định. Do vậy nếu như mức ngưỡng quá cao, hiệu ứng SRS sẽ không quan sát được trong hệ thống đơn kênh
Mọi chuyện sẽ khác trong hệ thống WDM.Tại đó sóng Stokes ban đầu không phải được sinh ra bởi quá trình tự phát bởi các sóng có tần số nhỏ hơn vốn đã tự có trong hệ thống. Hơn nữa công suất đầu vào của sóng Stoke là lớn hay nhỏ nh ư công suất của nguồn bơm(kênh truyền mà có bước sóng ngắn hơn đóng vai trò là nguồn bơm cho kênh truyền có bước sóng dài hơn).
Với đỉnh độ lợi Raman dịch chuyển xung quanh 13Thz,các kênh cách nhau 100nm sẽ ảnh hưởng lẫn nhau mạnh nhất. Nói cách khác, các kênh từ các băng L, C ảnh hưởng lẫn nhau nhiều hơn. Tuy nhiên, các kênh trong một băng cũng ảnh hưởng lẫn nhau dù cho ở một mức độ nhỏ hơn.
Với hệ thống DWDM ,tương tác Raman là vô cùng phức tạp. Mỗi một bước sóng vừa đóng vai trò là một nguồn bơm với bước sóng nào dài hơn nó, vừa đóng vai trò là sóng Stoke với bước sóng ngắn hơn nó. Do hiện tượng tán xạ Raman, mỗi kênh đều nhận năng lượng cũng như mất đi năng lượng. Có một sự chuyển đổi công suất từ các kênh có tần số cao hơn đến các kênh có tần số thấp hơn. Nếu như tất cả các kênh có cùng công suất như nhau, thì cuối cùng ta có phổ như sau:
Hình 2.11. Các kênh trong WDM không có tán xạ Raman
1530nm 1540nm
Hình 2.12. Các kênh trong WDM khi có tán xạ Raman
Sự suy giảm công suất của các kênh truyền là một vấn đề trong hệ thống WDM khi mà điều đó làm giảm SNR và làm tăng BER.
Sự suy giảm công suất của một kênh có thể tính toán khi giả thiết phổ của độ lợi Raman từ 0 đến 15 Thz. Nếu sự suy giảm công suất chấp nhận được của một kênh là 1dB, ta có mối liên hệ công suất-băng thông:
(nP)(n-1)∆f<500 (W-GHz) (2.6)
Với n là số kênh trong DWDM,P là công suất của kênh, ∆f là khoảng cách giữa các kênh.
Nếu số lượng các kênh là nhỏ,công suất tối đa trên một kênh giảm theo 1/n, nếu số lượng kênh là lớn, công suất giảm theo 1/n2. Biểu đồ của công suất tối đa trên một kênh là một hàm của số kênh được chỉ ra theo hình:
1530nm 1540nm
Hình 2.13. Công suất tối đa trên một kênh và số lượng các kênh
Trong một hệ thống truyền tải xa với các bộ khuếch đại được sắp xếp tuần hoàn, SNR do sự xuất hiện của tán xạ Raman có thể tính toán được. Nếu sự suy giảm của SNR trong kênh với bước sóng nhỏ nhất là 0,5 dB, số lượng các kênh truyền n có thể được tính theo công thức: 15 8.7 10 ( 1) eff n n P f L∆ × − = (2.7)
Với Leff là chiều dài tương tác hiệu dụng của hệ thống với bộ khuếch đại. Nhiễu công suất của hệ thống do khuếch đại:
0
2 sp ( 1)
N = m h n B Gν −
(2.8) Với m là số bộ khuếch đại(m=L/LA,L là chiều dài liên kết và LAkhoảng cách giữa các bộ khuếch đại), hv là năng lượng photon,nsp là hệ số nhiễu của khuếch đại, B0 là băng thông quang học của bộ thu, và G là hệ số khuếch đại của mỗi bộ khuếch đại.
Nếu SNR đòi hỏi là R, công suất đầu vào trung bình của mỗi kênh là: P =2(L L/ A)h nν sp B G0 ( −1) R (2.9) 1 10 100 1000 mW 0.01 0.1 1 10 100
Maximum power per channel vs Number of channels offachacchannels ccccccchannels
n
Nếu như số lượng các kênh là lớn, khả năng truyền tải có thể nhận được: 14 1.8 10 2( / A) sp eff ( 1) C L L h n Lν G R × < − (2.10)
Với giả thiết khoảng cách giữa các kênh gấp 6 lần tốc độ dữ liệu và và băng thông bộ lọc 4 lần lớn hơn tốc độ dữ liệu.
Với những chiều dài liên kết vào khoảng vài nghìn Km, khả năng truyền tải <100Gbps ngay cả với hệ thống DWDM.
Công thức trên đây không đúng đối với trường hợp có hiệu ứng tán sắc hay phân bố tuỳ tiện của các bit là các kênh khác nhau. Một số trường hợp, kết quả nhận được là rất kém.
Độ lợi Raman đạt được lớn nhất khi các xung của các kênh khác nhau xuất hiện trong cùng thời điểm.Trong hệ thống WDM, nếu các kênh khác nhau là không đồng bộ, và các bít dữ liệu phân bố ngẫu nhiên giữa mức 0 và 1, các mức 1 trong tất cả các kênh sẽ không xuất hiện cùng lúc, mức trung bình của mức 1 trong bất kỳ kênh nào sẽ xuất hiện với mức 1 ở các kênh khác. Tương tác Raman, do đó sẽ bị suy giảm.
Hơn nữa,do sợi quang là vật liệu tán sắc, do đó có sự khác biệt về vận tốc nhóm trong các kênh khác nhau. Xung dữ liệu của các kênh khác nhau sẽ xuống tương ứng với mỗi xung giảm, điều đó làm giảm tương tác Raman .
Chương 3 Kết quả và thảo luận