Khuếch đại Raman do hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (SRS) gây ra. Khuếch đại Raman có những đặc tính khuyếch đại nổi bật trong dải sóng rộng. Khuếch đại Raman xảy ra khi tín hiệu bơm đ−ợc truyền trong sợi quang. Tín hiệu bơm th−ờng có b−ớc sóng thấp hơn và tạo ra sóng Stokes (khuếch đại cao băng thông rộng), sóng này sẽ khuếch đại rất nhiều kênh trong hệ thống WDM. Khuếch đại Raman chỉ dùng cho khuếch đại nhiều kênh WDM chứ không dùng cho thông tin quang đơn kênh. Phổ khuếch đại của khuếch đại Raman khá rộng (150-200nm) phủ toàn bộ băng thông hoạt động. Khuếch đại
Raman bơm năng l−ợng vào băng rộng và tạo sự khuếch đại bằng t−ơng tác phonon-phonon (phonon quang)
Mặc dù t−ơng tự nh− EDFA nh−ng hoạt động của bộ khuếch đại Raman không dựa trên cơ sở phát xạ kích thích. Trong EDFA, một photon bơm sẽ kích thích một photon khác và năng l−ợng của cả 2 photon (gồm cả tần số, pha, năng l−ợng) sẽ tạo ra đầu ra đ−ợc khuếch đại. Năng l−ợng của photon tới không bị mất mát trong quá trình này. Trái lại, trong khuếch đại Raman, photon bơm sẽ bị mất năng l−ợng của nó để tạo ra một photon khác ở tần số thấp hơn (b−ớc sóng cao hơn) và năng l−ợng thấp hơn. Sự chênh lệch năng l−ợng này sẽ tạo ra các photon quang để vật liệu hấp thụ.
Do không có phát xạ kích thích trong khuếch đại Raman nên không cần nghịch đảo nồng độ. Hơn nữa, không cần chuyểndịch giữa các mức năng l−ợng. Bơm có thể đ−ợc thực hiện cùng h−ớng (với tín hiệu) hoặc ng−ợc h−ớng. Tín hiệu chỉ đ−ợc khuếch đại khi cả tín hiệu và bơm đều ở mức logic cao (cả hai đều là bit 1). Do đó để khuếch đại một chuỗi bit giả ngẫu nhiên cần bơm mức cao liên tục. Việc này có thể dẫn đến các hiệu ứng phi tuyến khác nh− tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo (XPM).
Sóng Stokes tần số thấp hơn sinh ra do t−ơng tác phi tuyến giữa tín hiệu và tín hiệu bơm. Sóng Stokes này có thuộc tính khuếch đại và sẽ truyền năng l−ợng của nó cho tín hiệu truyền dẫn. Sự khuếch đại xảy ra khi do truyền năng l−ợng trực tiếp giữa bơm và tín hiệu chứ không phải do phát xạ kích thích nh− EDFA. Sự chênh lệch phổ giữa sóng bơm và sóng Stokes tạo ra gọi là phổ khuếch đại Raman (gr(Ω))2. Hơn nữa, phổ khuếch đại này tỷ lệ nghịch với tần số bơm và nó mở rộng trên một dải rộng. Nhìn chung, Ω = fp x fs (trong đó fp là tần số bơm và fs là tần số Stokes, Ω xấp xỉ bằng 13THz.
Các tín hiệu tới sẽ đ−ợc khuếch đại nếu phổ của nó rơi vào vùng phổ khuếch đại Raman Ω. Phổ Raman đ−ợc cho trên hình 3.12 và sơ đồ hoạt động trên hình 3.13. Hệ số khuếch đại cao nhất khi Ω = 13.2THz. Hơn nữa, độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất tín hiệu bơm vào công suất bơm cần v−ợt
qua giá trị ng−ỡng. Phổ khuếch đại gr(Ω) tăng theo công suất bơm vào cho đến khi bo hoà.
Nói cách khác, năng l−ợng bơm đ−ợc chuyển sang sóng Stokes và số photon trong sóng bơm và sóng Stokes duy trì không đổi. Đặc tr−ng cho chức năng của bộ khuếch đại Raman là ng−ỡng Raman đ−ợc định nghĩa bằng công suất bơm cần thiết để tạo bơm bằng công suất của sóng Stokes. Ng−ỡng Raman cần phải có sóng bơm vào sóng Stokes phải có cùng trạng thái phân cực. Nếu không cùng trạng thái phân cực, ng−ỡng Raman sẽ tăng theo hệ số 2. Ng−ỡng Raman cho hệ thống WDM 1550nm th−ờng khoảng từ 500-700mW.
Hình 3.12. Phổ khuếch đại Raman
Khi bơm đầu vào đạt ng−ỡng Raman, toàn bộ năng l−ợng từ bơm sẽ chuyển thành sóng Stokes. Công suất của sóng Stokes có thể tăng lên một điểm ng−ỡng mới, do đó có thể tạo đ−ợc sóng Stokes bậc 2. Trong hội thảo Châu Âu về thông tin quang tại Amsterdam năm 2001 đ báo cáo kết quả thực nghiệm về sóng Stokes nhiều bậc tạo ra khuếch đại băng rộng cho tín hiệu WDM. Hình 3.13 là bộ khuếch đại Raman điển hình dùng bơm cùng chiều. Khuếch đại xảy ra do hiệu ứng SRS khi tín hiệu đầu vào thuộc băng khuếch đại. Độ khuếch đại sẽ tỷ lệ với công suất bơm đến khi bộ khuếch đại bi hà và độ khuếch đại sẽ đạt ổn định. Nhìn chung, độ khuếch đại của bộ khuếch đại Raman khoảng từ 20 - 35dB với công suất bơm từ 800mW đến 1W. Laser sử dụng là Nd: YAG. khuếch đại SRS xảy ra khi có đủ 3 điều kiện:
- Công suất bơm v−ợt qua ng−ỡng
- Tín hiệu và bơm có cùng phân cực. Nếu chúng trực giao nhau sẽ không xảy ra khuếch đại. khuếch đại cũng xảy ra khi tín hiệu đầu vào ở mức cao.
- Tín hiệu nằm trong phổ khuếch đại Raman.
Khuếch đại Raman rất hiệu quả cho tín hiệu WDM vì dải khuếch đại rộng. Vấn đề chính cần quan tâm là công suất bơm cao nên dẫn đến các hiệu ứng phi tuyến khác.
Điểm nổi bật của khuếch đại Raman so với EDFA là hệ số nhiễu NF của nó thấp nên sẽ có OSNR của tín hiệu cao hơn khi dùng khuếch đại Raman so với EDFA. Tuy nhiên nh−ợc điểm của khuếch đại Raman là giá thành, độ khuếch đại, công suất bơm cao nên ch−a đ−ợc triển khai rộng ri.
Hình 3.13. Khuếch đại Raman
Khuếch đại dùng rất hiệu quả cho trạm lặp quang (1R) vì có NF thấp so với EDFA. Phổ khuếch đại Raman phẳng hơn và rộng hơn so với EDFA nên thể khuếch đại đồng thời nhiều kênh hơn. Do NF thấp hơn EDFA nên OSNR sẽ cao hơn của EDFA. Trung bình, OSNR dùng khuếch đại Raman cao hơn 5dB so với dùng EDFA. Hơn nữa do khuếch đại Raman không phụ thuộc thời gian sống của hạt dẫn trạng thái ổn định biến đổi nên chúng có thể hoạt động ở tốc độ bit cao hơn.