CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH ĐẠI
2.3 Bộ khuyếch đại quang Raman
2.3.4 Hiệu năng khuyếch đại
Quan sát trong Hình 2.26 ta thấy các bộ khuyếch đại Raman có thể đạt được hệ số tăng ích 20-dB với công suất bơm khoảng 1W. Trong trường hợp lý tưởng, độ dịch tần giữa sóng bơm và tín hiệu sẽ tương ứng với giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Raman (đạt được ở độ dịch tần khoảng 13THz).
Ở vùng gần hồng ngoại, nguồn bơm phổ biến nhất là laser Nd:YAG hoạt động ở bước sóng 1.06µm. Đối với loại nguồn bơm này khuyếch đại lớn nhất đạt được đối với tín hiệu có bước sóng khoảng 1.12µm. Tuy nhiên bước sóng thường được sử dụng nhiều nhất trong hệ thống thông tin quang WDM là ở các cửa sổ 1.3 µm và 1.5 µm.
Phổ khuyếch đại rộng của bộ khuyếch đại Raman rất hữu ích trong việc khuyếch đại nhiều kênh đồng thời. Vào năm 1988, trong một thử nghiệm, người ta đã sử dụng một một nguồn bơm ở bước sóng 1.47 µm để khuyếch đại đồng thời ba tín hiệu được lấy từ ba laser bán dẫn DFB hoạt động ở dải bước sóng 1.57-1.58µm [2]. Hệ số khuyếch đại 5
dB đạt được ở công suất bơm 60 mW. Trong một thử nghiệm khác, một bộ khuyếch đại Raman được bơm bởi một Laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1.55 µm, đầu ra được khuyếch đại sử dụng EDFA. Các xung bơm có độ rộng 140-ns, công suất đỉnh 1.4 W được bơm liên tục với tần số 1 kHz có khả năng khuyếch đại tín hiệu bước sóng 1.66
µm với khuyếch đại là 23 dB bởi SRS trên 20 km sợi dịch tán sắc. Ngoài ra những bộ khuyếch đại Raman 1.3µm còn thích hợp dùng làm bộ tiền khuyếch đại cho các bộ thu quang tốc độ cao. Các bộ khuyếch đại này có thể dùng để nâng cấp dung lượng của các hệ thống sợi quang hiện có từ 2.5 Gb/s thành 10 Gb/s.
Các bộ khuyếch đại Raman được phân thành khuyếch đại Raman tập trung LRA và khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifer). Sự khác nhau này là do cấu tạo của chúng. Đối với LRA có một thiết bị riêng biệt chế tạo bằng cách quấn khoảng 1-2 km sợi quang được pha tạp Ge hoặc Photpho để cải thiện hệ số khuyếch đại.
Sợi được bơm ở bước sóng khoảng 1.45µm để khuyếch đại một tín hiệu ở bước sóng 1.55µm. Trong trường hợp bộ khuyếch đại phân bố DRA, sợi quang vừa được dùng để truyền tín hiệu vừa để khuyếch đại. Trong bộ khuyếch đại DRA thường sử dụng kỹ thuật bơm ngược. Một điểm hạn chế của cả hai cấu hình trên là cần phải sử dụng các Laser bơm có công suất lớn. Chính vì lý do này mà bộ khuyếch đại Raman ít được sử
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang dụng trong thập kỷ 90, khi đó phổ biến nhất là bộ khuyếch đại EDFA. Ngày nay với sự xuất hiện của các Laser công suất lớn, bộ khuyếch đại Raman hứa hẹn sẽ được sử dụng rộng rãi. Trong bộ khuyếch đại DRA, hiện tượng tán xạ Rayleigh ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của bộ khuyếch đại. Hiệu ứng tán xạ Rayleigh xảy ra trong mọi sợi quang và là nguyên nhân chính dẫn đến suy hao. Một phần ánh sáng sẽ bị tán xạ theo hướng ngược lại do hiệu ứng tán xạ Rayleigh. Đối với hệ thống nhỏ, tán xạ Rayleigh có thể bỏ qua. Tuy nhiên,đối với các hệ thống đường dài sử dụng khuyếch đại DRA thì hiệu ứng tán xạ Rayleigh ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống theo hai cách. Thứ nhất, làm tăng nhiễu tổng trên toàn bộ hệ thống. Thứ hai, tán xạ Rayleigh kép của tín hiệu gây ra hiện tượng xuyên âm. Xuyên âm Rayleigh được khuyếch đại bởi DRA là một trong những nguyên nhân chính làm giảm công suất của hệ thống. Phần công suất tín hiệu truyền theo hướng thuận sau tán xạ Rayleigh kép được gọi là xuyên âm Rayleigh, có thể tính toán được theo công thức (2.26)
∫ − ∫
= z L
z S
DRS r dzG z G z dz
Pf
0
2 2 2 1 2 1 2
1
) ( )
( (2.0) Trong đó rs ~10−4km−1 là hệ số tán xạ Rayleigh và G(z) là hệ số khuyếch đại Raman ở khoảng cách z, bộ khuyếch đại có chiều dài L. Mức độ xuyên âm có thể vượt quá 1%
nếu L>80 km và G(L)>10. Vì xuyên âm này sẽ được tích luỹ qua nhiều bộ khuyếch đại, dẫn đến sự suy giảm công suất đối với các hệ thống có khoảng cách lớn.
Bộ khuyếch đại Raman có thể làm việc ở bất kỳ bước sóng tín hiệu nào với điều kiện bước sóng bơm phải được lựa chọn phù hợp. Đặc tính này, cùng với băng tần rất rộng, bộ khuyếch đại Raman phù hợp với các hệ thống WDM. Một đặc điểm không mong muốn của bộ khuyếch đại Raman là rất nhạy về phân cực. Nói chung, hệ số khuyếch đại tốt nhất khi tín hiệu và sóng bơm đồng phân cực . Vấn đề phân cực có thể được giải quyết bằng cách bơm bởi nhiều sóng bơm. Một yêu cầu nữa đối với hệ thống WDM là phổ khuyếch đại phải tương đối bằng phẳng trên toàn bộ dải tần để tất cả các kênh đều được khuyếch đại như nhau. Trong thực tế phổ khuyếch đại có thể làm bằng phẳng sử dụng nhiều sóng bơm ở các bước sóng khác nhau. Mỗi sóng bơm sẽ có phổ khuyếch đại được mô tả như Hình 1.8. Sự chồng lấn của nhiều phổ khuyếch đại như vậy sẽ làm cho phổ khuyếch đại tổng hợp tương đối bằng phẳng trên một vùng phổ rộng.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang Các bộ khuyếch đại Raman băng rộng dùng cho hệ thống WDM còn yêu cầu một số tham số khác, trong đó có sự tương tác giữa các sóng bơm. Trong thực tế sử dụng nhiều sóng bơm cũng bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng tán xạ Raman, làm cho một phần công suất của các sóng bơm bước sóng ngắn chuyển sang cho các sóng bơm có bước sóng dài hơn.
Sự thay đổi của công suất tín hiệu theo hướng thuận bao gồm cả tương tác giữa các sóng bơm, tán xạ Rayleigh ngược, tán xạ Raman tự phát có thể được mô tả bởi phương trình (2.27) [2].
[ ][ ]
[ ][ ]
) ( )
( ) (
) ( 2 ) ( ) ( ) ( )
(
) ( 2 ) ( ) ( ) ( )
) ( (
1
1
v P r v P v
d v hvn v
P P P
a v g
d v hvn
v P P P
a v dz g
v dP
b s f
sp f
b f
v
v R
sp f
b f
v R f
+
−
− +
+
−
−
− +
+
−
=
∫
∫
<
−
>
−
α
µ µ µ
µ µ
µ µ
µ µ
µ
µ
µ
µ
(2.0)
Trong đó µ và v là các tần số quang. nsp(Ω)=[1−exp(−Ω/kBT)]−1, f và b lần lượt là ký hiệu cho hướng thuận và hướng ngược. Trong phương trình này hai biểu thức thứ nhất và thứ hai thể hiện sự tương tác, trao đổi năng lượng ở hai tần số. Đại lượng thứ ba và thứ tư biểu thị suy hao sợi quang và tán xạ Rayleigh ngược. Nhiễu gây ra do tán xạ Raman tự phát được biểu thị bằng thành phần phụ thuộc vào nhiệt độ ở trong hai tích phân. Ta cũng có thể viết một phương trình tương tự cho hướng ngược.
Để thiết kế bộ khuyếch đại Raman băng rộng, phải giải phương trình (2.27) để tìm hệ số khuyếch đại của từng kênh, các công suất sóng bơm đầu vào sẽ được điều chỉnh sao cho hệ số khuyếch đại là như nhau đối với tất cả các kênh. Hình 2.28 chỉ ra một ví dụ phổ khuyếch đại được tính toán cho bộ khuyếch đại Raman bằng cách sử dụng 8 laser bơm cho một sợi dịch tán sắc có chiều dài là 25 km. Chú ý rằng tất cả các mức công suất là dưới 100 mW . Bộ khuyếch đại này có hệ số khuyếch đại khoảng 10.5 dB trên băng tần rộng 80 nm với độ gợn nhỏ hơn 0.1 dB. Bộ khuyếch đại này phù hợp với hệ thống WDM bao gồm cả băng L và băng C.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
1540 1560 1580 1600 1620
1520 10.5
10.0 11.5
11.0
9.5
212 .2 211 .1 210 .2 209 .2 208 .2 207 .3 206 .2 205 .3
91 98 95 52 52 39 38 29 Tần số(THz)
Công suất(mW)
Wavelength [nm]
Raman Gain[dB]
Hình 2.28 Làm bằng phẳng phổ khuyếch đại Raman bằng cách sử dụng nhiều nguồn bơm. Tần số và công suất sóng bơm được chỉ ra ở bên phải.
Các bộ khuyếch đại quang cũng có thể được thực hiện dựa vào hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích (SBS-Stimulated Brillouin Scattering). Nguyên lý hoạt động của các bộ khuyếch đại sử dụng SBS giống như bộ khuyếch đại dựa trên SRS, đều khuyếch đại tín hiệu quang thông qua quá trính tán xạ. Tuy nhiên bộ khuyếch đại dựa trên hiệu ứng SBS rất ít được ứng dụng trong thực tế do băng tần của chúng thường dưới 100 MHz.
Ngoài ra độ dịch tần của SBS chỉ khoảng 10 GHz, do đó bước sóng bơm và tín hiệu gần như trùng nhau. Đặc điểm này làm cho các bộ khuyếch đại Brillouin không phù hợp với các hệ thống WDM.