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 l ợ i R am an Bước sóng [µm] WDM Laser bơm
25
- 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 đểđưa 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. Pump Fiber Signal Pump Coupler Pump Fiber Isolator Signal
26
Sử dụng nhiều nguồn bơm,khuếch đại dải rộng với độ lợi thăng giáng nhỏ là có thể thiết kếđược. 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
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
27
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
28
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 nν B G−
(2.8) Với m là số bộ khuếch đại(m=L/LA, L là chiều dài liên kết và LA khoảng 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:
1 10 100 1000 mW 0.01 0.1 1 10 100
Maximum power per channel vs Number of channels offachacchannels ccccccchannels
n
29
P = 2 (L / LA) hν ns p B0 (G −1) R
(2.9)
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 nν L 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 .
30
Chương 3 Kết quả và thảo luận
3.1 Các thiết bị và linh kiện sử dụng trong thực nghiệm
Nguồn laser bơm công suất cao
Hình 3.1. Nguồn laser bơm phát xạ trong vùng 1420 -1480 nm công suất đến 200 mW
Bộ nguồn bơm là một laser bán dẫn có bước sóng λ = 1420-1460 nm có công suất cực đại là 200 mW, phát xạ đơn mốt, nhiệt độ làm việc luôn luôn được đặt ở 250C. Laser
được hàn trên mạch điện tử cung cấp dòng bơm đến 700 mA, độ chính xác +/- 1%.
Laser bơm phát xạ tại bước sóng 1460 nm với độ rộng phổ khá hẹp đã cho công suất phát xạ tổng đạt đến 22, 75 dBm (gần 200 mW) tại dòng bơm 660 mA.
Hình 3.2. Phổ phát xạ của mô-đun laser bơm…khi dòng bơm đạt 660 mA,
31
Máy đo phổ quang (OSA)
Hình 3.3. Máy đo phổ quang (OSA) với băng tần từ 600 nm đến 1700 nm,
độ phân giải phổ 0,01 nm
Để đo phổ phát xạ laser và phổ tán xạ Raman xảy ra trong sợi quang chúng tôi sử
dụng phân tích phổ quang. Thiết bị đo phổ Advantest Q8384 là máy phân tích phổ chuyên dụng cho sợi quang sử dụng cách tử nhiễu xạ. Thiết bị Q8384 có độ phân giải phổ theo bước sóng 10pm, độ chính xác của bước sóng đo ±20pm, vùng bước sóng hoạt động từ
600nm đến 1700nm, vùng công suất quang đo được từ -87dBm đến 23dBm (tương
đương từ 1 pW đến 200 mW). Số liệu đo đạc được lấy ra bằng ổđĩa mềm 3.5 inch hoặc
đồ thị qua máy in nội.
Sợi nhạy quang (Photoensitive fiber)
Hình 3.4. Sợi nhạy quang với nồng độ pha tạp Ge đến 18 mol% sử dụng trong thực
32
Sợi nhạy quang có nồng độ pha tạp Ge cao được chế tạo nhằm mục đích sử dụng trong một số linh kiện quang sợi đặc biệt như: cách tử Bragg trong sợi quang(FBG), bộ
trễ quang… Các nghiên cứu gần đây cho thấy sợi nhạy quang sử dụng nồng độ Ge pha tạp từ 14 mol% trở lên có thể dùng để tạo môi trường tán xạ Raman mạnh cho bộ khuếch đại Raman. Cần lưu ý rằng, các bộ khuếch đại Raman đang sử dụng trên tuyến thực tế luôn luôn có cấu trúc sợi quang tiêu chuẩn + sợi quang đặc biệt (DCF hoặc nhạy quang), vì vậy chúng tôi cũng tiến hành nghiên cứu theo cấu trúc này.
Bộ ghép đa bước sóng (WDM)
Bộ ghép kênh theo bước sóng, cho phép ghép các bước sóng trong khoảng 1420 nm - 1490 nm được sử dụng để khảo sát cấu hình bơm – tín hiệu và các cấu trúc bơm đa bước sóng cho bộ khuếch đại ROA.
Hình 3.5. Bộ ghép kênh theo bước sóng WDM 1480/1550 nm.
3.2 Sơđồ thiết lập cho thực nghiệm
Sơđồ khảo sát hiệu ứng laser cưỡng bức Sợi nhạy quang Hình 3.6. Sơđồ khảo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức. WDM Laser tín hiệu OSA Laser bơm
33
Sơđồ để khảo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là laser đơn mốt và laser đa mốt cơ bản giống nhau. Quá trình thực nghiệm để khảo sát hiệu ứng tán xạ
Raman cưỡng bức được thực hiện như sau:
Hàn lối ra của 2 mô-đun laser tín hiệu và laser bơm với 2 đầu vào của bộ ghếp kênh theo bước sóng (WDM), đầu ra còn lại của bộ WDM được hàn với một đầu của sợi nhạy quang + sợi quang tiêu chuẩn SMF-28, đầu ra của cuộn sợi đựoc hàn với conector quang và nối với thiết bị phân tích phổ quang Advantest Q8384.
Thay đổi chiều dài sợi quang với chiều dài tăng dần từ 14 km cho tới 28km với mỗi sự thay đổi của chiều dài sợi quang, phổ phát xạ qua sợi quang được ghi lại bằng thiết bị
phân tích phổ.
3.3 Các kết quả thực nghiệm và thảo luận
3.3.1.Kết quả thực nghiệm
Khảo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là Laser đơn mốt.
Bộ nguồn tín hiệu
Hình 3.7. Bộ nguồn tín hiệu quang laser đơn mốt phát xạ tại bước sóng 1552 nm
a)Nguồn tín hiệu là một laser đơn mốt.
Nguồn tín hiệu quang là một laser DFB phát xạ đơn mốt có bước sóng 1552 nm. Công suất của tín hiệu quang qua khuếch đại EDFA có thể đạt đến 16.85 dBm (tương
đương ~ 50 mW). Nguồn tín hiệu quang với công suất quang thay đổi được từ -6 dBm
đến +17 dBm rất thích hợp để khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức trong sợi quang Tuy nhiên tại các vùng sóng chung quanh phổ tín hiệu có các đỉnh phổ nhỏ, vì vậy các phổ này có thểảnh hưởng đến thông số tạp âm của tín hiệu đã khuếch đại.
34
Hình 3.8. Phổ phát xạ của tín hiệu quang từ laser DFB đã được khuếch đại
Hệ khảo sát sự phụ thuộc công suất của nguồn tín hiệu đã được khuếch đại dọc theo sợi quang nhờ hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức theo sơ đồ 3.10.Laser bơm có bước sóng 1460 nm hoạt động ổn định ở 250 C, nguồn tín hiệu là laser đơn mốt có đỉnh là 1552,9 nm, hoạt động ổn định ở 250C. Tiến hành khảo sát thí nghiệm lần lượt với các sợi quang có chiều dài khác nhau theo thứ tự:khảo sát laser tín hiệu mà không có laser bơm , giá trị công suất của nguồn tín hiệu được ghi lại, sau đó tiến hành khảo sát laser tín hiệu có nguồn bơm. Giá trị đo được như sau:
Bảng 3.1.Khảo sát công suất tại đỉnh của laser đơn mốt
Băng thông khuếch đại:∆λ=0,580 nm. Chiều dài sợi(km) Công suất tín hiệu ra Pout(dBm) Hệ số khuếch đại G(dB)
Không có laser bơm Có laser bơm
10 -12,58 -12,14 0,44 14 -13,43 -12,97 0,46 18 -14,62 -14,15 0,47 20 -15,60 -15,01 0,59 24 -17,34 -16,64 0,7 26 -18,52 -17,70 0,82 28 -19 -18,42 0,58
35
Dưạ vào bảng số liệu ta có sơđồ phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào chiều dài sợi quang cũng như sự thay đổi của công suất ra khi có và không có laser bơm.
Hình 3.9.Sự phụ thuộc của công suất ra khi có và không có laser bơm
Hình 3.10. Hệ số khuếch đại khi có tán xạ Raman cưỡng bức theo chiều dài sợi quang
Nhìn vào đồ thị ta có thể rút ra nhận xét :nguồn tín hiệu rõ ràng là được khuếch đại và hệ số khuếch đại này có giá trị tăng dần đến 26 km nó đạt giá trị lớn nhất nhưng hệ số
khuếch đại G nhỏ, không đạt được giá trị lớn như mong đợi. Điều này có thể giải thích như sau:
Khi công suất quang của Laser bơm không đổi, các photon của laser bơm chỉ có thể
truyền cho một số lượng phân tử nhất định để chúng dao động và tạo ra hiệu ứng Raman cưỡng bức. Khi tăng chiều dài sợi quang, đồng thời giữ nguyên giá trị công suất bơm, tức
36
là chúng ta đã tăng số lượng các phân tử trong môi trường tán xạ trong khi không tăng năng lượng kích thích, do vậy mà cường độ của tán xạ Raman cưỡng bức giảm xuống dẫn
đến hệ số khuếch đại giảm. Mặt khác do hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức yêu cầu nguồn bơm công suất cao thì mới đạt được giá trị tối ưu trong khi nguồn laser bơm tối đa chỉ đạt 200mW vẫn là nhỏđể có thể đạt giá trị G cao hơn. Một điểm quan trọng khác là tán xạ Raman cưỡng bức sẽ xảy ra mạnh nhất với ∆λ=80-100nm, do vậy khảo sát với laser đơn mốt sẽ có hiện tượng chênh bước sóng giữa bước sóng được khuếch đại với bước sóng cần được khuếch đại.Điều này có thể giảm thiểu bằng cách khảo sát với nguồn tín hiệu là laser đa mốt ở phần dưới đây.
Khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là một laser đa mốt. b)Nguồn tín hiệu là một laser đa mốt.
Nguồn tín hiệu là một laser đa mốt, trong đó các mốt chính được khảo sát có đỉnh là 1542,28 nm;1546,6 nm;1545,52 nm. Laser đa mốt có dòng nuôi tối đa là tới 30 mA ,ngưỡng phát là 9,7 mA và được tiến hành thí nghiệm trong điều kiện nhiệt độ ổn định là 250C.
Hình 3.11. Bộ nguồn tín hiệu là laser đa mốt và phổ của nó
Cấu hình khảo sát,cách tiến hành giống như khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là laser đa mốt,chỉ khác một điều là nguồn tín hiệu là laser đa mốt. Kết quả khảo sát thu được được trình bày ở dưới đây:
Khảo sát tín hiệu khi qua sợi quang với các chiều dài khác nhau ta lần lượt thu được phổ của nguồn tín hiệu được khuếch đại bởi nguồn bơm như sau
37 (a) (b) (c) (d) (e)
Hình 3.12Phổ của tín hiệu tại các chiều dài khác nhau: