CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM
CHƯƠNG 3: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN
3.3 Bơm và phương trình tín hiệu
3.3.3 Khuếch đại Raman nhiều nguồn bơm
Từ năm 1998, việc sử dụng nhiều nguồn bơm cho các bộ khuếch đại Raman đă được quan tâm để thiết kế các bộ khuếch đại băng rộng cho các hệ thống WDM làm việc ở dải bước sóng lân cận 1,5μm. Nh ng hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM) với số kênh >80 thường yêu cầu các bộ khuếch đại quang độ khuếch đại phẳng trong dải bước sóng rộng cỡ 70-80 nm. Để đơn giản có thể sử dụng kiểu khuếch đại hỗn hợp EDFA và Raman. Ví dụ, sử dụng EDFA và các bộ khuếch đại Raman ở 2 đầu bơm đồng thời ở 3 bước sóng khác nhau (1471, 1495 và 1503 nm) với 4 module bơm khác nhau mỗi module có công suất >150mW sẽ được khuếch đại tổng khoảng 30dB phẳng trong khoảng bước sóng 1,53–1,61μm.
Ngoài ra, khuếch đại quang băng rộng qua khoảng 80nm hoặc hơn có thể sử dụng toàn khuếch đại Raman. Trong trường hợp này, các chặng sợi quang dài được bơm bởi các nguồn laser với nhiều bước sóng khác nhau. Các bộ khuếch đại Raman băng rộng tận dụng đặc điểm khuếch đại Raman có thể tồn tại ở bất kỳ bước sóng nào chỉ cần chọn bước sóng bơm phù hợp. Do đó, mặc dù phổ khuếch đại của 1 nguồn bơm riêng lẻ không rộng và chỉ phẳng trong khoảng bước sóng hẹp nhưng nó phổ khuếch đại Raman tổng có thể rộng và phẳng nếu ghép nhiều nguồn bơm ở các bước sóng phù hợp. Hình 3.16 chỉ ra một số ví dụ khi 6 laser bơm hoạt động tại bước sóng trong vùng 1420 – 1500nm. Công suất bơm riêng (thanh dọc) được chọn
64
để cung cấp phổ độ khuếch đại riêng (đường cong nét đứt) sao cho tổng độ khuếch đại Raman là 18 dB gần như phẳng qua một băng rộng 80nm (đường nét liền).
Khoảng công suất bơm từ 40 đến 200 mW và công suất lớn hơn cho nh ng bước sóng bơm ngắn hơn do tương tác SRS gi a các bước sóng bơm và hiện tượng công suất của các bước sóng ngắn được chuyển tới nh ng bước sóng bơm dài hơn trong bộ khuếch đại. Công nghệ này có thể cung cấp độ khuếch đại trên băng tần hơn 100nm với thiết kế phù hợp.
Hình 3.16 Sơ đồ tổng khuếch đại của bộ khuếch đại Raman được bơm với 6 laser với bước sóng và công suất đầu vào khác nhau [3]
Từ hình 3.10, ta thấy hệ số khuếch đại Raman nhạy với độ phân cực. Điều này tạo ra một vấn đề trong thực tế khi mà độ phân cực tín hiệu không thể đoán trước trong hầu hết hệ thống sóng quang. Vấn đề phân cực có thể được giải quyết bằng kiểu bơm của bộ khuếch đại Raman như là hai laser phân cực vuông góc được sử dụng tại bước sóng bơm hoặc bằng đầu ra không phân cực của laser bơm. Trạng thái phân cực của bơm và trường tín hiệu thay đổi ngẫu nhiên trong bất kỳ sợi quang nào vì tính lưỡng chiết quang biến thiên dọc theo chiều dài sợi quang.
Bộ khuếch đại Raman băng rộng được thiết kế sử dụng kiểu tương tác bơm – bơm, tán xạ ngược Rayleigh, và tán xạ Raman tự phát. Giống như xét với mỗi tần số thành phần riêng và yêu cầu giải phương trình kép sau:
65
v R f b
f g v P P
dz v dP
(, ) () () )
(
-
- (3.42)
Trong đó và biểu diễn tần số quang và chỉ số dưới và biểu diễn sóng lan truyền theo thứ tự tiến và lùi. Tham số nsp được định nghĩa như:
nsp (Ω) = [1 – exp( - hΩ/kBT)] - 1 (3.43)
Trong đó Ω = là chuyển vị Raman và T biểu diễn nhiệt độ tuyệt đối của bộ khuếch đại. Trong phương trình (3.42), điều kiện thứ nhất và thứ hai giải thích cho năng lượng Raman cảm ứng chuyển vào và ra mỗi băng tần. Hệ số 2 trong điều kiện đầu tiên giải thích cho hai mode phân cực của sợi quang. Hệ số 2 bổ sung trong điều kiện thứ hai bao gồm phát xạ tự phát trong cả hai hướng thuận và nghịch.
Suy hao sợi quang và tán xạ ngược Rayleigh bao gồm cả hai điều kiện cuối và phụ thuộc bởi tham số theo thứ tự và ; biểu diễn một phần của năng lượng tán xạ ngược hấp thụ bởi mode sợi quang.
Hình 3.17 Độ khuếch đại Raman của một bộ khuếch đại chiều dài 25 km được bơm với 12 laser [3]
Để thiết kế bộ khuếch đại Raman băng rộng cần giải toàn bộ phương trình để tìm độ khuếch đại kênh, và công suất bơm được điều chỉnh tới khi độ khuếch đại
[Pf(v)2hvnsp(v)]d
vgR v Pf Pb
( ,)[ () ()] [Pf(v)4hvnsp(v)]d ),
( )
( )
(v Pf v frrPb v
f b
v
r fr
66
gần như giống nhau cho tất cả các kênh (hình 3.17). Hình 3.17 mô tả một phổ độ khuếch đại được đo qua thực nghiệm của bộ khuếch đại Raman được tạo bởi bơm sợi quang dịch tán sắc chiều dài 25km với 12 laser diode [6]. Tần số và công suất của laser bơm được chỉ thị trong dạng bảng. Chú ý rằng tất cả công suất đều dưới 100 mW. Bộ khuếch đại này cung cấp độ khuếch đại khoảng 10,5 dB trên băng tần 80 nm với độ gợn sóng nhỏ hơn 0,1 dB. Một vài thí nghiệm đã sử dụng bộ khuếch đại Raman băng rộng để truyền dẫn qua khoảng cách dài tại tốc độ bit cao, như thí nghiệm trong năm 2001 với 77 kênh mỗi kênh hoạt động tại tốc độ 42,7 Gb/s được truyền dẫn qua 1200km sử dụng băng C và L một cách đồng thời [6].