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
3.3.1 Phổ độ khuếch đại Raman
Thông số quan trọng nhất của bộ khuếch đại Raman là hệ số khuếch đại Raman gR. Nó mô tả công suất sóng Stokes tăng lên như nào khi được truyền năng lượng từ các nguồn bơm qua quá trình tán xạ Raman. Một cách gần đúng sự gia tăng công suất của tín hiệu quang được mô tả như sau:
(3.21)
trong đó được liên hệ với gR, biểu diễn dịch tần Raman, và và là tần số quang liên hệ với dòng bơm và tín hiệu có cường độ tương ứng là Ip và Is.
Phổ độ khuếch đại Raman được đo cho thủy tinh silica cũng như sợi quang silica cơ bản. Hình 3.10 chỉ ra hệ số khuếch đại Raman cho khối silic như một hàm của dịch tần số Ω khi tín hiệu bơm và tín hiệu đầu vào không phân cực (nét liền) hoặc phân cực vuông góc (nét đứt). Độ khuếch đại đỉnh được chuẩn hóa tới 1 trong trường hợp không phân cực vì thế biểu đồ tương đương có thể được sử dụng cho
, )
( P S
R
S I I
dz
dI
()
R PS P
S
53
bước sóng bơm bất kỳ . Giá trị đỉnh tỷ lệ nghịch với và bằng khoảng 6 10 –
14 m/W cho nguồn bơm gần 1,5 .
Đặc điểm quan trọng nhất của phổ khuếch đại Raman cho sợi quang silic là độ khuếch đại tồn tại trong một băng tần rộng (lên tới 40THz) với vị trí đỉnh gần 13,2THz. Có được trạng thái này là vì đặc tính không kết tinh của thủy tinh silic.
Trong nh ng vật liệu vô định hình như silic hỗn hợp, tần số dao động phần tử lan truyền trong băng tần và tạo ra dải liên tục. Kết quả là, sự khuếch đại kéo dài liên tục qua băng rộng trong sợi quang silic. Sợi quang có thể hoạt động như bộ khuếch đại Raman băng rộng bởi nh ng đặc điểm này. Đặc điểm quan trọng khác của hình 3.10 là sự phụ thuộc vào phân cực của độ khuếch đại Raman: độ khuếch đại gần như triệt tiêu khi tín hiệu bơm và tín hiệu phân cực vuông góc.
Hình 3.10 Phổ độ khuếch đại Raman cho khối silic [3]
Trong sợi quang đơn mode, đặc tính phổ của cả nguồn bơm và tín hiệu phụ thuộc cấu trúc sợi quang và không biến đổi dọc theo chiều dài toàn bộ sợi quang.
Cũng vì lẽ ấy, tổng công suất quang xác định như sau:
Pj(z) = , (3.21)
P P
m
y dxd z y x Ij
( , , )
54
Trong đó j = p hoặc s. Phương trình (2.23) có thể được viết lại trong điều kiện của nguồn quang như sau:
, (3.22) Trong đó diện tích lõi hiệu dụng được xác định như sau:
Aeff = (3.23)
Biểu thức phức tạp này rút gọn đáng kể nếu chúng ta giả sử rằng F(x,y) gần giống nhau cho cả hai bơm và Stokes. Khi đó Aeff có thể được viết như sau:
Aeff= (3.24)
Nếu chúng ta ước lượng mẫu mode bởi một hàm Gaussian của dạng F(x,y) = exp[ - (x2 + y2)/ω2], trong đó ω là bán kính trường mode, và sử dụng phép tính tích phân trong phương trình (3.26), chúng ta có được kết quả đơn Aeff . Aeff là tham số đó biết mà giỏ trị cú thể thay đổi trong khoảng 10 tới 100àm2 phụ thuộc vào thiết kế của sợi quang, giá trị thấp của Aeff xảy ra cho sợi quang bù tán sắc (DCF) khi đường kính lõi tương đối nhỏ.
Hình 3.11 mô tả giá trị gR /Aeff (được gọi là hệ số khuếch đại Raman) cho sợi quang bù tán sắc DCF, sợi quang tán sắc khác không (NZDF) và sợi quang miền siờu rộng (SLA) tương ứng với Aeff = 15,55 và 105àm2. Trong tất cỏc trường hợp, sợi quang được bơm tại bước súng 1,45àm. Phổ khuếch đại thay đổi như hỡnh 3.11 cho 3 sợi quang do mức pha tạp GeO2 khác nhau.
S P R S P eff R
S A P P g P P
dz
dP ( / )
dxdy x y x I z y x I
dxdy z y x I dxdy
z y x I
S P
S P
) , , ( ) , , (
) ) , , ( )(
) , , ( (
dxdy y
x F
dxdy y
x F
4 2 2
) , (
) , (
2
R
55
Hỡnh 3.11 Phổ độ khuếch đại Raman cho 3 loại sợi quang tại 1,45àm [3]
Rõ ràng từ hình 3.11 cho thấy rằng khi một chùm ánh sáng được bơm vào sợi quang, nó sẽ được khuếch đại bởi vì bộ khuếch đại Raman chỉ cần độ dịch tần số Ω
= trong phạm vi băng tần của phổ khuếch đại Raman. Độ khuếch đại tín hiệu phụ thuộc đáng kể vào giá trị dịch tần Ω. Từ quan sát tại hình 3.11 cũng như nhiều kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số khuếch đại G đạt cực đại tại Ω = 13,2 THz, tương ứng độ dịch bước sóng 100 nm. Hệ số khuếch đại là đáng kể trong khoảng dịch bước sóng từ 90 - 110 nm [3]. Độ khuếch đại Raman tồn tại trong tất cả dải phổ; tức là sợi quang có thể được sử dụng để khuếch đại bất kỳ tín hiệu nào khi cung cấp một nguồn bơm phù hợp. Đặc điểm đáng chú ý của bộ khuếch đại Raman này khác so với bộ khuếch đại sợi quang pha Eribium là chỉ có thể khuếch đại tớn hiệu cú bước súng khụng biến đổi xảy ra tại bước súng gần 1,53àm (băng C và băng L).
Đặc tính không đều của phổ độ khuếch đại Raman trong hình 3.11 liên quan đến hệ thống sóng quang ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) bởi vì các kênh khác nhau sẽ được khuếch đại bằng giá trị khác nhau. Vấn đề này được giải quyết trong thực tiễn bằng sử dụng nhiều nguồn bơm tại các bước sóng khác nhau.
Mỗi nguồn bơm cung cấp độ khuếch đại không đều nhưng phổ độ khuếch đại được
S
P
56
tổng hợp từ phổ của các nguồn bơm riêng lẻ đó. Với một sự lựa chọn bước sóng và công suất phù hợp cho mỗi nguồn bơm, có thể tạo ra độ khuếch đại gần phẳng qua một dải bước sóng rộng đáng kể. Ta sẽ xét hệ thống 01 nguồn bơm trước, để đưa ra khái niệm cơ bản trong phương pháp đơn bơm, và sau đó sẽ phân tích cấu hình nhiều nguồn bơm của khuếch đại Raman.