Khuếch đại Raman trong truyền thông quang

Khuếch đại Raman trong truyền thông quang

LỜI NÓI ĐẦU

Mặc dù tán xạ không đàn hồi của phần tử ánh sáng, một hiện tượng đượcbiết như tán xạ Raman, được tìm ra bởi C.V Raman trong năm 1928, nhưnghiện tượng phi tuyến của tán xạ Raman kích thích không được chứng minh chođến năm 1962 Không lâu sau đó, sợi quang silica suy hao thấp được sử dụngtrong năm 1970, Roger Stolen và những người đồng nghiệp sử dụng tán xạRaman kích thích trong nhiều sợi quang không chỉ cho khuếch đại của tín hiệuquang mà còn cho cấu tạo laser Raman sợi cơ sở Khả năng của bộ khuếch đạiRaman cho bù suy hao sợi quang trong hệ thống sóng ánh sáng được chứngminh trong những năm 1980 trong một vài thí nghiệm được làm bởi LinnMollenauer và đồng nghiệp của ông Tuy nhiên, những thí nghiệm này khôngphù hợp cho sự phát triển bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quangthương mại Tiếp theo bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium có bơm sử dụnglaser bán dẫn có tính thực tiễn hơn nên khuếch đại Raman đã bị bỏ qua suốtnhưng năm 1990

Tuy nhiên, việc nghiên cứu laser bơm thích ứng cho khuếch đại Raman vẫnđược tiến hành Một vài công nghệ tiên tiến được tìm ra trong những năm 1990giúp cho việc sản xuất ra laser bán dẫn đơn mode ngang có khả năng phát mứccông suất vượt quá 0,2 W Người ta cũng nhận thấy rằng một vài laser bơm cóthể sử dụng tương thích tại bước sóng khác nhau và cung cấp độ khuếch đạiRaman qua một băng tần rộng bao gồm cả băng truyền dẫn C và L Hơn nữa,người ta cũng chế tạo ra bộ khuếch đại Raman phân bố có độ khuếch đại trên 10

km có nhiễu nhỏ hơn so với bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium có độ khuếch đạitrên 10 mét Khi laser bán dẫn công suất lớn có giá trị về thương mại vào cuốithế kỷ 20, bộ khuếch đại Raman đã được sử dụng trong một số thí nghiệm vàthấy rằng nó cải thiện hiệu năng của hệ thống WDM Tới năm 2003, việc sửdụng bộ khuếch đại Raman đã khá phổ biến cho hệ thống tầm xa được thiết kế

nhiều ưu điểm so với những loại khuếch đại quang đã được sử dụng trước đó vàrất phù hợp với các hệ thống WDM đang được triển khai hiện nay Các bộkhuếch đại quang Raman được coi là lời giải cho bài toán khuếch đại quang

Nhận thức được tầm quan trọng của khuếch đại Raman trong hệ thốngthông tin quang, nên em chọn đề tài “ Khuếch đại Raman trong hệ thống thôngtin quang” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp.

Nội dung đồ án gồm 3 chương:

khuếch đại quang và một số tham số khuếch đại quang

nhược điểm của khuếch đại Raman, nguyên lý khuếch đại Raman,bơm và phương trình tín hiệu, nhiễu trong khuếch đại Raman, phânloại các bộ khuếch đại Raman

 Chương 3: Trình bày ứng dụng của bộ khuếch đại Raman

Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do khuếch đại Raman là một vấn đềkhó nên nội dung đồ án khó tránh khỏi các thiếu sót Rất mong nhận được sự chỉbảo, góp ý của các thầy, cô giáo, các bạn sinh viên để đồ án này được hoàn thiệnhơn

Em xin chân thành cảm ơn cô giáo, ThS Nguyễn Thị Thu Nga đã nhiệttình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này

Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn thông tin quang, khoa viễnthông đã dạy dỗ, dìu dắt em trong suốt 5 năm học vừa qua

Xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, giúp đỡ trongsuốt thời gian qua

Hà Nội, ngày tháng năm 2008

Sinh viên

Vương Thành Nam

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 1

1.1.Giới thiệu chung 1

1.2 Nguyên lý bộ khuếch đại quang 1

1.3.Phân loại khuếch đại quang 3

1.4 Hệ số độ lợi 3

1.5 Băng thông độ lợi 5

1.6 Công suất ngõ ra bão hoà 5

1.6.1 Độ lợi bão hoà 5

1.6.2 Công suất ngõ ra bão hoà 6

1.7 Hệ số nhiễu 7

1.8 Ứng dụng bộ khuếch đại quang 7

Kết luận chương I 9

CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 10

2.1.Tán xạ Raman 10

2.1.1.Ánh sáng 10

2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường 10

2.1.3.Sợi quang 11

2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 13

2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang 16

2.1.6.Tán xạ ánh sáng 18

2.1.7.Tán xạ Raman 19

2.2 Ưu điểm của khuếch đại Raman 21

2.2.1.Cải thiện hệ số nhiễu 21

2.2.2 Cải thiện hệ số phẳng 23

2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 26

2.4.Bơm và phương trình tín hiệu 27

2.4.1 Phổ độ khuếch đại Raman 29

2.4.2.Bộ khuếch đại Raman đơn bơm 34

2.4.3 Khuếch đại Raman đa bơm 43

2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 47

2.6.Phân loại các bộ khuếch đại Raman 49

2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 49

2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 51

2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 51

Kết luận chương II 52

CHƯƠNG 3 :ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 53

3.1.Ứng dụng trong hệ thống WDM 53

3.2 Ứng dụng vào thiết bị khuếch đại quang OPTera Long Haul 1600G –

CQ40Gbit/s Nortel 54

3.2.1 Giới thiệu chung hệ thống OPTera Long Haul 1600 54

3.2.1.1 1600 Amplifier 56

3.2.1.2.MOR Plus Amplifier 57

3.2.1.3.Wavelength Combiner 57

3.2.1.4.Wavelength Translator 57

3.2.1.5.Dense Regenerator 58

3.2.1.6.Optical Dedicated Protection Ring 58

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của một trạm có khuếch đại Raman 58

3.2.3 Chức năng các thành phần 60

3.2.3.1.Các bộ khuếch đại Raman Dra-A và Dra-B: 60

3.2.3.2.Card phân tích phổ quang OSA 62

3.2.3.3.Bộ bù tán sắc và suy hao MSA 63

3.2.3.4.Card kênh dịch vụ quang OSC đơn chiều UniOSC 63

3.2.3.5.Card khuếch đại kép ( Dual Amplifier Circuit Pack ) 64

3.2.3.6.Card khuếch đại Booster 65

Kết luận chương III 66

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1:Bộ lặp quang điện 1

Hình 1.2: Các hiện tượng biến đổi quang điện 2

Hình 1.3: Mối tương quan hệ số khuếch đại 5

Hình 1.4: Sự phụ thuộc của công suất ra (theo P s ) theo độ lợi G (theo G 0 ) .6

Hình 1.5:Các ứng dụng khuếch đại 8

Hình 2.1:Cấu tạo của sợi quang 12

Hình 2.2:Cấu trúc tứ diện của Silic dioxide trong thuỷ tinh 12

Hình 2.3:Hệ số tán sắc của sợi quang SMF-28 TM 14

Hình 2.4: (a) Công suất truyền dọc theo sợi có chiều dài L(b) Mô hình tương ứng của chiều dài hiệu dụng 15

Hình 2.5:Quá trình tán xạ ánh sáng 18

Hình 2.6:Tần số của ánh sáng tán xạ 19

Hình 2.7:Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman 20

Hình 2.8: Sơ đồ của hệ thống khuếch đại Raman phân bố (a) và hệ thống tương đương của băng truyền dẫn và bộ khuếch đại sợi Er pha tạp (b) .22

Hình 2.9: Độ khuếch đại được tổng hợp từ các bước sóng riêng lẻ ( 1420, 1435, 1450, 1465, và 1480nm), xếp chồng logarit của nó, và tổng hợp biểu đồ độ khuếch đại với sự tương tác bơm tới bơm cho băng 25km của sợi quang dịch tán sắc Công suất bơm tương ứng là 61, 55, 48,47 và 142 mW 24

Hình 2.10:Các công suất bơm khác nhau trong một hệ thống khuếch đại Raman 25

Hình 2.11: So sánh giữa công suất bơm phát và độ khuếch đại cung cấp bởi mỗi bước sóng bơm 25

Hình 2.12:Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman 26

Hình 2.13: Cấu trúc bộ khuếch đại Raman 27

Hình 2.14:Sơ đồ minh họa của quá trình tán xạ Raman từ quan điểm cơ học lượng tử Một photon Stokes năng lượng giảm hω s được tạo tức thời khi một photon bơm có năng lượng hω p được nâng lên tới mức ảo như đường nét đứt 28

Hình 2.15:Bộ khuếch đại Raman sợi quang cơ sở trong cấu hình bơm thuận 29

Hình 2.16: Phổ độ khuếch đại Raman cho khối silica được đo khi bơm và tín hiệu 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 31 Hình 2.17: Phổ độ khuếch đại Raman được chỉ định cho 3 loại sợi quang

Hình 2.18:Sự biến thiên của công suất tín hiệu trong bơm hai chiều, bộ khuếch đại Raman có chiều dài 100km với bơm thuận thay đổi từ 0 đến 100% Phần giới hạn bởi đường thẳng là trường hợp sợi quang

thụ động không có độ khuếch đại Raman 36

Hình 2.19: Sự cải thiện trong hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc độ khuếch đại trong chiều dài 100km, bơm hai chiều, bộ khuếch đại Raman phân bố với bơm thuận thay đổi từ 0 đến 100% Đường dọc chỉ ra trường hợp mà độ khuếch đại Raman bù tổng suy hao sợi quang 37

Hình 2.20:Sự biến thiên của độ khuếch đại bộ khuếch đại G A với công suất bơm P 0 39

Hình 2.21: Đặc điểm độ khuếch đại bão hòa của bộ khuếch đại Raman với một vài giá trị của độ khuếch đại bộ khuếch đại chưa bão hòa G A. .41

Hình 2.22:Sơ đồ tổng độ khuếch đại Raman ( đường nét liền) của bộ khuếch đại Raman được bơm với 6 laser với bước sóng và công suất đầu vào khác nhau( cột dọc) Đường nét đứt biểu thị độ khuếch đại Raman cung cấp bởi bơm riêng lẻ 44

Hình 2.23: Độ khuếch đại Raman được xác định phụ thuộc chiều dài bước sóng tín hiệu cho một bộ khuếch đại chiều dài 25 km được bơm với 12 laser Tần số bơm và mức công suất bơm đã sử dụng cho trong bảng bên phải 46

Hình 2.24: Khuếch đại tập trung (a) và khuếch đại phân bố (b) 49

Hình 2.25: Công suất tín hiệu trong hệ thống sử dụng DRA 49

Hình 2.26: Khuếch đại Raman tập trung 51

Hình 2.27: Khuếch đại quang lai ghép EDFA/Raman 51

Hình 3.1: Khuếch đại quang trong hệ thống DWDM đa băng 53

Hình 3.2: Hiệu suất chuyển đổi công suất của Raman và EDFA 54

Hình 3.3:Kiến trúc chung Long Haul 1600 55

Hình 3.4:Các lớp của Long Haul 1600 55

Hình 3.5: Các ứng dụng của OPTera Long Haul 1600 56

Hình 3.6: Trạm đầu cuối có khuếch đại băng C, băng L và khuếch đại Raman 59

Hình 3.7:Sơ đồ khối card khuếch đại Raman 61

Hình 3.8: Card OSA 63

Hình 3.9:Bước sóng hoạt động của UniOSC 1510/ 1615nm 64

Hình 3.10: Các cổng của card OSC 64

Hình 3.11:Các cổng card Dual Amp 65

Hình 3.12:Sơ đồ khối card Booster 66

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

phân bố

trung

không

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán

dẫn

kích thích

bước sóng

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG

1.1.Giới thiệu chung

Đối với tín hiệu quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn, sự suy giảm tínhiệu là không thể tránh khỏi Do vậy, trên một đường truyền dẫn thông tin, tấtyếu phải có bộ lặp nhằm khôi phục tín hiệu quang, khôi phục lại dạng xung,khôi phục lại biên độ Trong hệ thống thông tin cũ, các bộ lặp thường đượcthực hiện trên điện Tín hiệu quang được truyền qua một bộ chuyển đổi O/E, saukhi khuếch đại, nó lại qua bộ E/O để thực hiện truyền dữ liệu tiếp đến đích

Bộ thu quang Bộ khuếch đại Bộ phát quang

Miền quang Miền điện

bộ lặp thực hiện khuếch đại một bước sóng Điều này sẽ làm cho chi phí tăng lênrất nhiều lần, mà hiệu quả không cao Để giải quyết chúng ta đặt ra vấn đề phảithực hiện khuếch đại ngay trên tín hiệu quang

Điều này sẽ dẫn tới có một số ưu điểm sau (so với trạm lặp):

+) Không cần chuyển đổi E/O và O/E, nên mạch linh động hơn, đỡ cồng kềnh.+) Có thể khuếch đại cùng lúc nhiều bước sóng

+) Không phụ thuộc vào phương thức điều chế và tốc độ bit

1.2 Nguyên lý bộ khuếch đại quang

Nguyên lý khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích vàkhông có cộng hưởng trong khuếch đại

Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quangđiện được ứng dụng trong thông tin quang Các hiện tượng này được minh hoạtrong hình 1.2.

Hình 1.2: Các hiện tượng biến đổi quang điện

Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng lượng Ev = hf12 tácđộng vào vật liệu có độ rộng vùng cấm Eg = E2 – E1 bằng nhau (Ev = Eg) Khi đó,điện tử sẽ nhận năng lượng và được nhẩy lên mức năng lượng cao hơn Đâychính là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng suy hao cho tín hiệu quang

Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử ở mức năng lượng caochuyển xuống mức năng lượng thấp, đồng thời phát ra một photon có mức nănglượng Ev bằng độ lớn dải cấm Eg Mỗi một vật liệu sẽ có một thời gian sốngkhác nhau, khi hết thời gian sống nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát Đây chính lànguyên nhân gây ra nhiễu của bộ khuếch đại

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi có một ánh sáng có năng lượngphoton Ev chính bằng năng lượng dải cấm Eg Khi đó, một điện tử ở mức nănglượng cao sẽ bị chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon cócùng pha với ánh sáng kích thích Đây chính là nguyên lý khuếch đại của bộkhuếch đại quang

Có thể dễ dàng nhận thấy rằng, hiện tượng bức xạ tự phát có thể xảy ra bất kỳlúc nào, và sẽ gây ra nhiễu cho bộ khuếch đại, được gọi là nhiễu tự phát (ASE).Hiện tượng hấp thụ thì sẽ gây ra suy yếu bộ khuếch đại Như vậy, nếu mật độnăng lượng trong vật liệu khuếch đại là thấp sẽ gây ra hiện tượng hấp thụ lớn.Điều đó dẫn đến, nếu muốn khuếch đại lớn chúng ta phải thực hiện đảo mật độhạt

1.3.Phân loại khuếch đại quang

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được thựchiện trong vùng tích cực Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tíchcực với độ lợi lớn hay nhỏ thì phụ thuộc vào năng lượng được cung cấp từnguồn bơm bên ngoài Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếchđại quang thành hai loại chính là: Khuếch đại quang bán dẫn SOA và khuếch đạiquang sợi OFA

Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực được cấu tạo bằngvật liệu bán dẫn Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu là dòngđiện

Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là sợi quang được phađất hiếm Nguồn cung cấp năng lượng là laser có bước sóng phát quang nhỏ hơnbước sóng của tín hiệu cần khuếch đại

Một trong những loại OFA tiêu biểu là EDFA EDFA có nhiều ưu điểm

về đặc tính kỹ thuật so với SOA

Ngoài ra, còn có một loại khuếch đại được sử dụng nhiều trong các hệthống WDM hiện nay là khuếch đại Raman Khuếch đại Raman cũng sử dụngsợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng

SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên phát xạ kích thích còn khuếch đạiRaman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang (hiện thượng tán xạ Ramanđược kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích

1.4 Hệ số độ lợi

Hầu hết các bộ khuếch đại quang đều được thực hiện thông qua hiệu ứngbức xạ kích thích Khuếch đại đạt được khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơmquang, hay bơm điện để đảo lộn mật độ Nhìn chung khuếch đại quang khôngchỉ phụ thuộc vào bước sóng truyền mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm, mật

độ hạt có trong vật liệu Chúng ta coi vật liệu là đồng nhất, ta có được phươngtrình sau:

s P P T

g g

/ )

( 1 )

2

2 0

công suất bão hoà Công suất bão hoà Ps phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại Hệ số T2 trong phương trình (1.1) được gọi là thời gian hồi

phục phân cực, thường nhỏ hơn 1 ps Phương trình (1.1) có thể dùng để mô tảcác đặc tính quan trọng của bộ khuếch đại như là băng tần độ lợi, hệ số khuếchđại và công suất đầu ra bão hoà

Ở chế độ chưa bão hoà, coi P/Ps << 1, khi đó phương trình 1.1 trở thành:

2 2

2 0

0

) (

1 ) (

T

g g

P

G 

(1.3)Mặt khác, ta lại có công thức sau:

gP dz

dP



(1.4)Suy ra:

) exp(

)

Với P(z) là công suất tín hiệu tại vị trí z so với đầu vào

Giả sử khoảng rộng của bộ khuếch đại là L, khi đó Pout = P(L) Suy ra hệ

số khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là:

L g in

L in

P

P P

   0  T2

Hình 1.3: Mối tương quan hệ số khuếch đại

1.5 Băng thông độ lợi

Băng tần độ lợi được định nghĩa là   g  2 / T 2 hay là:

khuếch đại băng rộng thích hợp với các hệ thống viễn thông thông tin quang, vì

độ lợi của cả băng tần gần như là hằng số, thậm chí cả khi đó là tín hiệu đa kênh.Băng tần khuếch đại ∆vA được định nghĩa là một FWHM, và liên quan tới ∆vgtheo công thức sau:

2 / 1

0 / 2 ) ln(

2 ln

(1.8)Với G0 = exp(g0L)

Dễ dàng nhận thấy, băng tần khuếch đại nhỏ hơn băng tần độ lợi, và sự khác biệtnày còn tuỳ thuộc vào độ lợi khuếch đại

1.6 Công suất ngõ ra bão hoà

1.6.1 Độ lợi bão hoà

Độ bão hoà của độ lợi phụ thuộc vào giá trị g(ω) trong phương trình 1.1

Dễ dàng nhận thấy rằng, khi P tiến tới Ps thì giá trị g giảm dần, đồng thời hệ số

khuếch đại G cũng giảm theo độ tăng của công suất tín hiệu Chúng ta coi giá trịđỉnh xảy ra khi ω = ω0 Theo 1.1 và 1.4, chúng ta có:

s P P

P g dz

dP

/ 1

0

s

out P

P G

G G

(1.10)

Dễ dàng nhận thấy, G bắt đầu giảm dần từ giá trị đỉnh G0 khi giá trị Pout đạt gần tới giá trị công suất bão hoà Ps, mô tả trong hình 1.4.

1.6.2 Công suất ngõ ra bão hoà

Từ công thức 1.10, chúng ta xem xét đến công suất ngõ ra bão hoà, làcông suất lớn nhất tạo được ở cổng ra, ký hiệu là s

out

P Có thể nhận thấy rằng,

giá trị độ lợi này đạt được khi độ lợi khuếch đại giảm từ 2 đến 3 dB, tương ứngvới giá trị G = G0/2 Khi đó, ta có công thức:

2

2 ln

Ảnh hưởng nhiễu đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu

NF, mô tả sự suy giảm tỷ số tín trên tạp tại đầu ra và đầu vào:

out

in SNR

SNR

NF 

Người ta cũng chứng minh được rằng, giá trị hằng số nhiễu tính cụ thể theo côngthức sau:

Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ càng tốt, và giá trị nhỏ nhất có thểđạt được là 3dB Tại giá trị này, chúng ta gọi là giá trị lượng tử

1.8 Ứng dụng bộ khuếch đại quang

Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang

và các mối hàn nối trên đường truyền Tuỳ theo vị trí lắp đặt mà các bộ khuếchđại được chia ra làm 3 loại, như hình vẽ 1.5 phía dưới.

Hình 1.5:Các ứng dụng khuếch đại

(a)Khuếch đại đường dây (In-line amplifier)

(b)Khuếch đại công suất (Booster Amplifier)

(c)Bộ tiền khuếch đại (Preamplifier)

Bộ khuếch đại đường dây được thực hiện nhằm làm bù sự mất mát tínhiệu trên đường dây do hàn nối, do khoảng cách… Yêu cầu của bộ này là giữnhiễu ở mức độ thấp, thực hiện việc trao đổi tín hiệu quang với sợi quang tốtnhất, và ổn định trên toàn bộ dải thông của WDM

Bộ khuếch đại công suất được đặt ngay bộ phát quang nhằm làm tăng cựcđại nhất tín hiệu truyền, nhằm đường truyền xa nhất có thể Yêu cầu của bộkhuếch đại này công suất ngõ ra lớn nhất, không phải là độ lợi

Bộ tiền khuếch đại được đặt ngay phía trước bộ thu nhằm khuếch đại tínhiệu thu được Điều này làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt độ nhạy thiết bị thu, và

cho phép hệ thống truyền dẫn với tốc độ cao hơn Yêu cầu của bộ tiền khuếchđại này là độ nhạy lớn, độ lợi lớn, và nhiễu thấp.

Kết luận chương I

Chương này đã giới thiệu tổng quan về khuếch đại quang Nguyên lý hoạtđộng của bộ khuếch đại quang Một số thông số của bộ khuếch đại quang Ứng dụng của bộ khuếch đại quang

Ở chương tiếp theo em sẽ trình bày chi tiếp về bộ khuếch đại Raman

CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN

2.1.Tán xạ Raman

2.1.1.Ánh sáng

Ánh sáng có tính lưỡng tính sóng hạt Tính chất sóng của ánh sáng đượcquan sát thấy qua các hiện tượng giao thoa, tán sắc Ánh sáng có bản chất sóngđiện từ Các mode trường điện từ là tập các nghiệm của phương trình sóng Tínhchất hạt của ánh sáng được thể hiện qua khả năng đâm xuyên, hiện tượng quangđiện, tác dụng ion hoá Ánh sáng bao gồm các photon mang năng lượng xácđịnh bằng hf trong đó h là hằng số Plank còn f là tần số của ánh sáng

2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường

Một chùm sáng đi từ chân không vào môi trường bị phản xạ một phần ởmặt ngăn cách Phần khúc xạ vào môi trường lại bị tán sắc, bị môi trường hấpthụ và bị tán xạ một phần về mọi phía

Theo Lorentx ta thừa nhận những giả thiết cơ bản sau đây:

 Phân tử của mọi chất được tạo thành từ ion và electron Electron có khốilượng m và mang điện tích nguyên tố 1 , 6 10  19

 Trong điện môi, electron không thể chuyển động tự do Nhưng cũngkhông liên kết cố định với ion, mà có thể dịch chuyển một chút dưới tácdụng của những lực bên ngoài Ion mang điện tích âm hoặc dương cũng

có thể dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường Nhưng ion có khốilượng lớn hơn electron nhiều nên di chuyển chậm Trong điện trường biếnđổi nhanh của sóng ánh sáng trong miền thấy được, ion hầu như khôngkịp dịch chuyển Chỉ khi nào khảo sát trong miền hồng ngoại ta mới cần

kể đến ảnh hưởng của ion

Những electron có khả năng dao động cưỡng bức với tần số  của sóngđiện từ trong vùng quang học gọi là electron quang học Chúng là các electronlớp ngoài

Các electron nằm trong lớp sâu, gần hạt nhân nguyên tử, liên hệ chặt chẽhơn với hạt nhân Chúng chỉ có thể dao động với biên độ đáng kể khi tần số 

và vì va chạm tương đương với tác dụng của một lực hãm

m  12   (2.0)

Đặt g / m  , gọi đó là hệ số tắt dần, ta được phương trình dao động củaelectron

m E e r r

Sợi quang có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau Nếu phânloại theo sự thay đổi chiết suất của lõi sợi thì sợi quang được chia thành hai loại.Loại sợi có chiết suất đồng đều ở lõi được gọi là sợi quang chiết suất bậc Loạisợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi ra tới lớp tiếp giáp giữa lõi và

vỏ phản xạ được gọi là sợi có chiết suất Gradient (GI-Graded Index) Nếu phânchia theo mode truyền dẫn thì có loại sợi quang đa mode và sợi đơn mode Sợi

đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nó còn sợi đơn mode chỉ chophép một mode truyền dẫn trong nó

(c)

Hình 2.1:Cấu tạo của sợi quang

(a) Sợi quang (b) Sợi chiết suất bậc (c) Sợi chiết suất giảm dần

Một trong các vật liệu được sử dụng rộng rãi để chế tạo sợi quang hiệnnay là silic dioxide SiO2 Mỗi nguyên tử trong thuỷ tinh liên kết với các nguyên

tử khác theo cấu trúc tứ diện như Hình 2.2 Trong đó mỗi nguyên tử silic đượcbao quanh bởi bốn nguyên tử Oxygen

O O

O O

Si

Hình 2.2:Cấu trúc tứ diện của Silic dioxide trong thuỷ tinh

Sợi quang cũng có thể được pha tạp với nhiều chất khác nhau để thay đổichỉ số chiết suất Ví dụ GeO2 và P2O5 được pha thêm vào để tăng chiết suất củalõi Để giảm chiết suất của lõi, có thể sử dụng các vật liệu như là Boron (B) vàFluorine (F)…Ngoài ra một số chất khác như Eribium cũng được sử dụng trongcác bộ khuếch đại quang.

2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang

Suy hao

Vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang nhỏ hơn vận tốc truyền ánh sángtrong chân không Ký hiệu c là vận tốc truyền ánh sáng trong chân không, n làchiết suất của lõi sợi, khi đó vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang được tínhtheo công thức (2.6)

10 log

10 (2.0)

Tán sắc

Tán sắc là hiện tượng dãn rộng xung ánh sáng khi truyền trong sợi quang.Tán sắc có nhiều loại như tán sắc mode, tán sắc màu và tán sắc mode phân cực

Tán sắc mode chỉ xảy ra trong sợi quang đa mode Do các mode có tốc độlan truyền khác nhau nên thời gian truyền các mode là khác nhau, gây ra tán sắcmode.

Tán sắc màu được phân chia thành tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫnsóng Tán sắc vật liệu xảy ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng Tánsắc ống dẫn sóng xảy ra do ánh sáng truyền trong sợi không phải là ánh sángđơn sắc, hằng số lan truyền  là hàm của bước sóng Các thành phần bước sóngkhác nhau có vận tốc nhóm khác nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc màu

có ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống thông tin quang Tán sắc màu làm tăng ảnhhưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang dẫn đến giới hạn về khoảngcách truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang

Loại sợi quang phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là sợi quang đơn modetiêu chuẩn (theo khuyến nghị G.652 của ITU-T) SMF-28TM có hệ số tán sắc:

Bước sóng [nm]

Chiều dài hiệu dụng

Khi một tín hiệu truyền dọc theo sợi quang, công suất tín hiệu bị giảm dần

do suy hao Tuy nhiên, trong thực tế có thể giả sử rằng công suất là hằng số trênmột chiều dài hiệu dụngL eff bởi vì hầu hết các hiệu ứng phi tuyến đều xảy ra ởphía đầu của sợi Định nghĩa chiều dài hiệu dụng của sợi quang được thể hiệntrên Hình 2.4

Hình 2.4: (a) Công suất truyền dọc theo sợi có chiều dài L(b) Mô hình tương

ứng của chiều dài hiệu dụng.

Ở Hình 2.4 (a) công suất bị suy hao khi truyền dọc theo toàn bộ sợi cóchiều dài L, ở hình 2.4 (b) công suất được coi là không đổi trên một chiều dàisợi:

z L z

L

eff

e e

e dz

e P P

(2.0)

Diện tích hiệu dụng

Tất cả các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang đều phụ thuộc vào cường

độ ánh sáng truyền dọc theo sợi Tuy nhiên trong thực tế các phép đo đều thựchiện đo công suất đầu vào và đầu ra sợi quang Công suất đi ra khỏi sợi quangchính là tích phân của phân bố cường độ ánh sáng trên diện tích mặt cắt của sợiquang Nếu gọi A core là diện tích mặt cắt của sợi quang,P meas là công suất đo được

ở đầu ra của sợi quang Giả thiết cường độ I phân bố đều trên diện tích mặt cắtcủa sợi Ta có:

meas A

P

I  (2.0)

Tuy nhiên trong sợi quang đơn mode, cường độ ánh sáng không phân bốđều trên toàn bộ diện tích mặt cắt của sợi, cường độ ánh sáng sẽ tăng dần từ lớptiếp giáp giữa lõi và vỏ tới trục của sợi Mức độ tăng phụ thuộc vào chiết suấtcủa sợi

Do đó để tính toán trong trường hợp này, tham số diện tích hiệu dụng A eff

được tính theo công thức:

 

 r rdr E

rdr r E

 

w2

A eff  (2.0)

Trong đó 2w  là đường kính trường mode của sợi ở bước sóng 

2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang

Trong nguyên tử có các điện tử mang điện tích âm và hạt nhân mang điệntích dương Do đó khi điện trường tác động vào vật liệu các điện tử và các hạtnhân bị dịch chuyển về hai hướng ngược nhau Lực điện trường làm cho cácnguyên tử bị phân cực, ký hiệu là P, phụ thuộc vào điện trường tác động và bảnchất của vật liệu và được tính như sau:

)

.

Độ điện cảm tuyến tính ( 1 )đóng vai trò rất lớn trong P, những ảnh hưởng

do nó đem lại được biểu hiện qua hệ số chiết suất n, hệ số suy hao Độ điệncảm cấp hai ( 2 )

 là nguyên nhân gây ra các hiệu ứng như sinh hoà âm cấp hai

Tuy nhiên với các phân tử có cấu trúc đối xứng như SiO2, ( 2 )

 là nguyên nhân chủ yếu gây ra các hiệu ứng phi tuyến

Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia thành hai loại Loại thứ nhất sinh ra do

sự tương tác của sóng ánh sáng với các phonon Loại này bao gồm hai hiệu ứngquan trọng là tán xạ Raman kích thích (SRS-Stimulated Raman Scattering) vàtán xạ Brilloin kích thích (SBS-Stimulated Brilloin Scattering) Loại thứ haigồm các hiệu ứng phi tuyến Kerr, sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất phituyến vào cường độ điện trường E Các hiệu ứng phi tuyến Kerr bao gồm: SPM,XPM và FWM

Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang đều sinh ra do chiết suấtphi tuyến, đó là sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng lan truyền trong sợi vàochiết suất Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng, chiết suất và công suất P đượcbiểu thị bằng phương trình:

P A

n n I n n n

eff

.

2 0 2

Ngoài ra khi nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang một tham

số nữa cũng được đưa ra là  gọi là tham số phi tuyến (nonlinear parameter) vàquan hệ với chiết suất phi tuyến n2 theo công thức:

 là tần số góc của ánh sáng, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, 

là bước sóng ánh sáng,A eff là diện tích hiệu dụng của sợi

2.1.6.Tán xạ ánh sáng

Khi ánh sáng truyền qua môi trường vật chất trong suốt thì phần lớn ánhsáng truyền thẳng và một phần nhỏ sẽ bị tán xạ Môi trường có thể gây ra nhiềuloại tán xạ trong đó điển hình là tán xạ Rayleigh, tán xạ Brillouin, tán xạRaman… Tuỳ thuộc vào loại vật chất, ánh sáng, điều kiện môi trường… mà mỗiloại tán xạ xảy ra khác nhau

Tán xạ Rayleigh là quá trình tán xạ đàn hồi, tần số ánh sáng tán xạ bằngtần số ánh sáng tới Trạng thái của các phân tử vật chất do tán xạ Rayleighkhông thay đổi sau khi ánh sáng truyền qua Ngược lại, tán xạ Brillouin và tán

xạ Ramman là các quá trình tán xạ không đàn hồi, các nguyên tử bị kích thíchkhi có ánh sáng đi qua và tần số ánh sáng tán xạ bị dịch chuyển so với tần số củaánh sáng tới

a-Quá trình tán xạ đàn hồi b-Quá trình tán xạ không đàn hồi

Hình 2.5:Quá trình tán xạ ánh sáng

Quá trình tán xạ không đàn hồi có sự tham gia của các phonon Trong quátrình này các phonon có thể sinh ra hoặc bị hấp thụ Mức thay đổi tần số của ánhsáng tán xạ so với ánh sáng tới bằng với tần số của phonon Tán xạ Brilloin liênquan đến các phonon âm học còn tán xạ Raman liên quan đến các phonon quanghọc Do đó ánh sáng tán xạ Raman có mức dịch chuyển tần số lớn hơn ánh sángtán xạ Brilloin Nếu ánh sáng tán xạ có tần số nhỏ hơn ánh sáng tới thì ánh sángtán xạ được gọi là ánh sáng Stoke và quá trình tán xạ được gọi là tán xạ Stoke.Ngược lại, nếu ánh sáng tán xạ có tần số lớn hơn ánh sáng tới thì ánh sáng tán

xạ được gọi là ánh sáng phản Stoke và quá trình tán xạ được gọi là tán xạ phảnStoke Với tán xạ không đàn hồi, đơn vị đo độ dịch tần của ánh sáng tán xạ là

(rad/s) hoặc là cm 1 với

c

v

 2

Các hiệu ứng tán xạ sẽ làm giới hạn công suất quang lớn nhất có thểtruyền ở trong sợi Trong hệ thống WDM tán xạ là nguyên nhân gây nhiễu giữacác kênh Tuy nhiên tán xạ Raman cũng được ứng dụng trong các bộ khuếch đạiquang Raman ở những bước sóng mà bộ khuếch đại quang EDFA không phùhợp Hiệu ứng tán xạ Brilloin là nguyên lý trong các bộ cảm ứng đo nhiệt độmôi trường tại những nơi mà bộ cảm ứng điện không phù hợp

Ánh sáng tán

xạ Raman Stoke

Ánh sáng tán

xạ Brillouin Stoke

Ánh sáng tán

xạ Raman phản Stoke

Ánh sáng tán

xạ Brillouin phản Stoke

Ánh sáng tới Ánh sáng tán

Scattering) Hiệu ứng tán xạ Raman tự phát đã được dự đoán bởi Smekal vàonăm 1923 và đến năm 1928 được Raman chỉ ra bằng thực nghiệm.

Trong quá trình tán xạ Raman tự phát, ánh sáng tới tương tác với môitrường làm sinh ra các photon Tuỳ thuộc vào bản chất của môi trường cácphoton sinh ra sẽ có tần số lớn hơn hoặc nhỏ hơn tần số của ánh sáng tới

Giản đồ năng lượng của quá trình tán xạ Raman được thể hiện trên Hình2.7 Electron sẽ chuyển từ trạng thái khởi đầu (trạng thái cơ bản) lên trạng thái

ảo (trạng thái kích thích) khi hấp thụ một photon có năng lượng bằng hiệu nănglượng giữa trạng thái ảo và trạng thái khởi đầu Khi chuyển từ trạng thái ảo vềtrạng thái cuối electron sẽ phát xạ một photon có năng lượng bằng hiệu nănglượng trạng thái ảo và trạng thái cuối

Nếu như trạng thái khởi đầu có năng lượng thấp hơn năng lượng của trạngthái cuối, tần số photon phát xạ sẽ nhỏ hơn tần số ánh sáng tới và quá trình tán

xạ tạo ra ánh sáng Stoke

Trạng thái kích thích

Trạng thái đầu Trạng thái cuối Photon tán xạ

a)Tán xạ Stoke

Photon tán xạ

Trạng thái cuối Trạng thái đầu Trạng thái kích thích

a)Tán xạ phản Stoke Năng lượng

Hình 2.7:Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman.

(a)Tán xạ Stoke (b)Tán xạ phản Stoke

Giả sử  1, 2lần lượt là tần số của ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ,  làtần số phonon được sinh ra Khi đó theo định luật bảo toàn chuyển hoá nănglượng thì  2  1-

Ngược lại nếu trạng thái cuối có năng lượng thấp hơn thì quá trình tán xạtạo ra ánh sáng phản Stoke có tần số 2  1 , chêch lệch giữa mức nănglượng trạng thái khởi đầu và trạng thái cuối chính là năng lượng của mộtphonon Thực tế, tán xạ phản Stoke thường yếu hơn tán xạ Stoke

Tần số của các photon tán xạ được xác định bằng tần số dao động củanguyên tử Với thuỷ tinh, quang phổ của ánh sáng tán xạ Raman gồm nhiềuthành phần tần số khác nhau là do các nguyên tử trong thuỷ tinh dao động trongmột khoảng tần số rất rộng.

Hiệu ứng tán xạ Raman tự phát được ứng dụng để xác định cấu trúc củacác phân tử, thành phần cấu tạo và loại liên kết trong các phân tử đó

Khi ta tăng dần công suất bơm đầu vào thì công suất của sóng Stoke cũngtăng dần Nhưng nếu như công suất sóng bơm vượt quá một giá trị xác định thìcông suất sóng Stoke sẽ tăng lên rất nhanh theo hàm mũ Nguyên nhân gây rahiện tượng này là quá trình tán xạ Raman kích thích

2.2 Ưu điểm của khuếch đại Raman

Trong phần này, ta xét hai ưu điểm của khuếch đại Raman trong hệ thốngtruyền dẫn Trước hết nó có thể được sử dụng như thế nào để cải thiện hệ sốnhiễu của hệ thống; thứ hai là mẫu độ khuếch đại phẳng có thể đạt được như thếnào Tất cả ưu điểm có thể áp dụng cho bất kỳ sợi quang truyền dẫn nào

2.2.1.Cải thiện hệ số nhiễu

Hệ số nhiễu(NF) của bộ khuếch đại là tỷ số của SNR tín hiệu đầu vào vàSNR tín hiệu đầu ra Nó là thước đo để biết bộ khuếch đại suy giảm tín hiệu nhưthế nào Trong hệ thống khuếch đại Raman, hệ số nhiễu tương đương (NFeq),biểu diễn hệ số nhiễu một bộ khuếch đại được đặt tại cuối bộ thu của băngtruyền dẫn, không có bộ khuếch đại Raman, để cung cấp cùng SNR đạt đượcnhư khi sử dụng bộ khuếch đại Raman phân bố Hai hệ thống tương đương đượcchỉ ra trong sơ đồ hình 2.8 Suy hao trong băng hình 2.8b là S L; do đó độ lợi

là G = (S L)-1, và hệ số nhiễu của băng không bơm là S L(không thêm nhiễu

vì NF = Pin/ Pout) Biểu thức đã biết cho hệ số nhiễu cho hai bộ khuếch đại bậcđưa ra là NFsys = NF1 + (NF2 – 1)/ G1 Trong đó NF1(NF2) là hệ số nhiễu của bộkhuếch đại đầu tiên (thứ hai) và G1 là độ lợi của bộ khuếch đại đầu tiên Cho hệthống tương đương trong hình 2.8b:

NFsys = NFeqS L (2.19)

Phương trình hệ số nhiễu của hệ thống khuếch đại Raman cũng giống hệ thống

Hình 2.8: Sơ đồ của hệ thống khuếch đại Raman phân bố (a) và hệ thống tương đương của băng truyền dẫn và bộ khuếch đại sợi Er pha tạp (b)

Từ phương trình (2.20) ta thấy rằng NFdB

eq có thể bé hơn 0 Như là một bộkhuếch đại không được thực hiện về mặt vật lý, nhưng bộ khuếch đại Ramanphân bố có hiệu năng tốt hơn mặc dù không được ghép với một bộ khuếch đạirời rạc đặt sau băng Rõ ràng, khuếch đại luôn luôn làm tăng thêm nhiễu cho tínhiệu, làm giảm SNR của nó Trong trường hợp tốt nhất, nếu tín hiệu lan truyềndọc theo sợi cáp mà không có suy hao và không có khuếch đại, SNR của nó sẽbằng giá trị đầu vào và bằng NF Trường hợp xấu nhất là tín hiệu bị suy haotoàn bộ và sau đó được khuếch đại Đây là trường hợp xấu nhất vì độ lợi yêu cầu

từ bộ khuếch đại tại điểm cuối của băng đã được tăng lên; bởi vì nhiều nguồnbơm đã được yêu cầu, nhiều khuếch đại bức xạ tự phát(ASE) được sinh ra trong

bộ khuếch đại Thêm nữa công suất tín hiệu đầu vào cho bộ khuếch đại đượcgiảm bớt Công suất tín hiệu thấp hơn có nghĩa là ASE có thể chiếm ưu thế hơnvới tín hiệu cho độ lợi trong bộ khuếch đại Hai hệ số phối hợp cho SNR đầu rathấp hơn và tăng NF Nếu băng truyền dẫn được xét cho một loạt bộ khuếch đại

rời rạc, sau đó các độ lợi đều được phân bố dọc theo cáp, thì độ lợi ít nhất đượcyêu cầu từ mỗi bộ khuếch đại riêng lẻ và công suất tín hiệu cao hơn được yêucầu trong mỗi bộ khuếch đại đó Đây là lý do tại sao khuếch đại phân bố cungcấp hiệu năng được cải thiện hơn so với khuếch đại rời rạc Thêm nữa, nó cũnggiải thích tại sao mỗi khi khuếch đại Raman làm việc, độ khuếch đại đều đượcphân bố dọc theo chiều dài sợi quang, cải thiện hiệu năng tốt hơn là cung cấpbởi hệ thống khuếch đại phân bố Mục đích của nhiều cuộc thảo luận sau này làlàm tăng độ khuếch đại bằng việc phân bố đều dọc theo sợi quang.

2.2.2 Cải thiện hệ số phẳng

Trong hệ thống viễn thông đa bước sóng một điều quan trọng là tất cả cácbước sóng tín hiệu có nguồn quang tương tự nhau Sự biến thiên trong độ lợi củamỗi bước sóng khác nhau sau khi đi qua một bộ khuếch đại đều được thamchiếu đến độ lợi phẳng Nếu tín hiệu tại một bước sóng không tỷ lệ với khuếchđại, khi nó đi qua một vài bộ khuếch đại, nó sẽ tăng tương đối với kênh kháclàm giảm độ lợi cho kênh khác Tuy nhiên hệ thống sẽ bị giới hạn bởi kênh với

độ khuếch đại thấp nhất Kết quả, sau mỗi bộ khuếch đại phổ khuếch đại nóichung là phẳng Gần như là chèn phần tử tổn hao vào bước sóng phụ thuộc trong

bộ khuếch đại với mẫu phổ tương ứng Khuếch đại Raman đưa ra khả năng đạtđược điều này mà không cần phần tử tổn hao

Trong khuếch đại Raman một mẫu phổ phẳng có thể nhận được bằng sửdụng nhiều bước sóng bơm Xét cho một sợi quang, độ khuếch đại Raman chuẩnchỉ phụ thuộc vào bước sóng bơm, độ lớn của độ khuếch đại tỷ lệ với công suấtbơm, và dạng biểu đồ của độ khuếch đại không phụ thuộc bước sóng bơm Vìthế, nếu đa bơm được sử dụng một mẫu phổ khuếch đại phẳng có thể đạt được

Bước sóng bơm và độ khuếch đại được yêu cầu tại mỗi bước sóng có thểxác nhận bằng phép cộng logarit mẫu độ khuếch đại tại bước sóng bơm riêng lẻ.Hình 2.9 chỉ ra mẫu độ khuếch đại riêng lẻ theo xếp chồng logarit Ta có thểthấy rằng phần lớn độ khuếch đại là do bước sóng bơm lớn nhất Tuy nhiên,công suất bơm yêu cầu không thể đạt được một cách dễ dàng từ sự tính toán sốlượng nguồn bơm cần thiết để sinh ra một giá trị của độ khuếch đại Raman Đó

đại bơm bước sóng dài Tác động này cũng chỉ ra trong hình 2.9, mà đườngcong đánh dấu là “bơm – bơm” dốc hơn 3 dB trong phổ khuếch đại khi khuếchđại Raman bơm liên kết được xét.

Hình 2.9: Độ khuếch đại được tổng hợp từ các bước sóng riêng lẻ ( 1420,

1435, 1450, 1465, và 1480nm), xếp chồng logarit của nó, và tổng hợp biểu đồ

độ khuếch đại với sự tương tác bơm tới bơm cho băng 25km của sợi quang dịch tán sắc Công suất bơm tương ứng là 61, 55, 48,47 và 142 mW

Sự tương tác bơm – bơm cũng tác động vào sự phát triển công suất bơm

như chỉ ra trong hình 2.10 Nó chỉ ra sự giảm của công suất bơm trong băng

25km của sợi quang dịch tán sắc khi công suất là 100mW tại mỗi bước sóngbơm Ban đầu công suất tại bước sóng bơm lớn nhất tăng khi nó nhận độ khuếchđại Raman từ bước sóng bơm khác Do đó, việc phân bố công suất bơm điểnhình như trong hình 2.11 Mặc dù hầu hết độ khuếch đại được cung cấp bởibước sóng dài nhưng công suất bơm tại bước sóng này tương đối kém Nhưbước sóng và công suất bơm đã chỉ ra trong hình 2.11, độ khuếch đại 12 dB cóthể thu được với độ khuếch đại biến thiên ít hơn 0,5 dB từ 1525 tới 1595nm

Hình 2.10:Các công suất bơm khác nhau trong một hệ thống khuếch đại Raman.

Hình 2.11: So sánh giữa công suất bơm phát và độ khuếch đại cung cấp bởi mỗi bước sóng bơm.

2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman

Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích(Stimulated Raman Scattering) Tán xạ Raman kích thích là hiện tượng mộtnguyên tử hấp thụ năng lượng của một photon, sau đó tạo ra một photon có nănglượng khác Vì vậy, tán xạ Raman kích thích được định nghĩa là hiện tượngphoton thứ cấp được sinh ra do nguồn bên ngoài

Để có khuếch đại Raman thì phải tạo ra sự nghịch đảo nồng độ Điều nàyđạt được bằng cách cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang từmột laser bơm có bước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu Khi đó, cácnguyên tử của sợi quang sẽ hấp thụ năng lượng bơm có năng lượng cao(bướcsóng ngắn) và chuyển lên mức cao hơn Khi có tín hiệu đến, nó sẽ kích thích cácnguyên tử đang ở mức năng lượng cao chuyển sang trạng thái năng lượng thấphơn và giải phóng ra một năng lượng dưới dạng photon ánh sáng có cùng bướcsóng (dài hơn bước sóng bơm) và cùng pha với tín hiệu đến Do đó, tín hiệu đãđược khuếch đại

Mức năng lượng chuyển (Transition state)

E 3

khuếch đại

Tín hiệu được khuếch đại E

E 1

Mức năng lượng nền (ground state)

Hình 2.12:Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman

Dựa trên giản đồ năng lượng trên, tần số ánh sáng bơm fbơm và tần số ánhsáng được khuếch đại fkhuếch đại được tính như sau

Trong đó: h là hằng số Plank;E1, E2, E3 là năng lượng của các trạng tháinăng lượng cao(transition state), trạng thái năng lượng trung gian (vibration

state) và trạng thái năng lượng thấp (ground state) của các nguyên tử trong sợiquang.

Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang được khuếch đại dọc theo toàn

bộ chiều dài của sợi quang silic bình thường Cấu trúc của một bộ khuếch đạiRaman được minh họa trong hình 2.13

Couple

Laser bơm

Isolator

Sợi quang thường

Hình 2.13: Cấu trúc bộ khuếch đại Raman

Sợi quang: là nơi xảy ra quá trình khuếch đại Sợi quang này cũng là sợiquang truyền tín hiệu như sợi SMF, DCF

Bộ ghép(Coupler): dùng để ghép các bước sóng tín hiệu vào sóng bơmLaser bơm(Pump Laser):dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tửcủa sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ

Bộ cách ly(Isolator):Đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặntín hiệu phản xạ ở hai đầu bộ khuếch đại Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễuASE theo hướng ngược về phía đầu vào có thể gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầuvào

2.4.Bơm và phương trình tín hiệu

Trong bất kỳ phần tử môi trường nào, tán xạ Raman tự phát có thể chuyểnmột phần nhỏ năng lượng ( thông thường < 10-6 ) từ một miền quang tới mộtmiền quang khác mà tần số của nó bị dịch xuống bởi một đại lượng được xácđịnh bằng kiểu dao động của môi trường Hiện tượng này đã được tìm ra bởiRaman trong năm 1928 và được biết như tác động Raman Như trong hình 2.14,

nó có thể được nhìn dưới dạng cơ học lượng tử như tán xạ của một photon cónăng lượng hP tạo ra một phần tử có năng lượng photon tần số thấp hơn hS.Phonon quang có năng lượng khác nhau được sinh ra trong suốt quá trình này,

sáng tới tác động như một bơm cho phát sinh sự dịch bức xạ RED gọi là dòngStokes Bộ phận dịch BLUE được biết như là dòng phản Stokes, nó cũng đượcsinh ra nhưng cường độ của nó yếu hơn nhiều so với dòng Stokes bởi vì quátrình phản Stokes yêu cầu trạng thái dao động xác định ban đầu của một phononphải đúng năng lượng và động lượng Trong phần sau chúng ta bỏ qua quá trìnhphản Stokes coi như nó chạy ảo không có vai trò trong khuếch đại quang.

Hình 2.14:Sơ đồ minh họa của quá trình tán xạ Raman từ quan điểm cơ

Mặc dù tán xạ Raman tự phát xảy ra trong bất kỳ phần tử môi trường nào,nhưng nó đủ yếu để có thể bỏ qua khi một chùm tín hiệu quang lan truyền quamột sợi quang Nó đã được quan sát trong năm 1962 cho trường quang cường độlớn, hiện tượng phi tuyến của SRS có thể xảy ra trong đó sóng Stokes tăngnhanh bên trong môi trường giống như hầu hết công suất chùm ánh sáng bơmtruyền qua nó Kể từ năm 1962, SRS đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiềumôi trường phần tử và đã tìm ra một số ứng dụng SRS đã được quan sát trongsợi quang silica năm 1972; sớm sau đó, suy hao lớn nhất của sợi quang đã đượcgiảm tới mức có thể chấp nhận được Kể từ đó, đặc điểm của quá trình tán xạ

Raman đã được lượng tử hóa cho nhiều gương quang trong cả dạng sợi và dạngkhối.

Thực tế, SRS không dễ dàng quan sát trong sợi quang sử dụng chùm ánhsáng bơm CW bởi vì giá trị ngưỡng của nó tương đối cao ( ~ 1W) Tuy nhiên,nếu một chùm ánh sáng Stokes với tần số đúng được bơm cùng với chùm ánhsáng bơm như trong hình 2.15 nó có thể được khuếch đại đáng kể khi sử dụngmột chùm ánh sáng bơm CW với mức công suất ~ 100mW Bơm và tín hiệu cóthể được bơm trong hướng đối nhau bởi vì bản chất gần như đẳng hướng củaSRS Trong thực tế, cấu hình bơm nghịch lại được ưu tiên bởi vì nó làm hiệunăng bộ khuếch đại Raman tốt hơn Mặc dầu, bộ khuếch đại Raman sợi quang

cơ sở thu hút sự chú ý đáng kể suốt những năm 1980, nhưng nó chỉ có giá trịvới laser bơm thích ứng trong cuối những năm 1990

Hình 2.15:Bộ khuếch đại Raman sợi quang cơ sở trong cấu hình bơm thuận.

2.4.1 Phổ độ khuếch đại Raman.

Đặc tính quan trọng nhất của bộ khuếch đại Raman là hệ số khuếch đạiRaman gR Nó mô tả công suất Stokes tăng như công suất bơm được truyền qua

nó thông qua SRS như thế nào gR được liên hệ với phần ảo của độ nhạy phituyến cấp 3 Một cách gần đúng, thỏa mãn điều kiện CW hoặc chuẩn – CW, sựgia tăng ban đầu của tín hiệu quang yếu được điều chỉnh bằng:

, ) ( P S

trong đóR( ) được liên hệ với gR,    P S biểu diễn dịch Raman, và P và

Đặc điểm quan trọng nhất của phổ khuếch đại Raman cho sợi quang silica

là độ khuếch đại tồn tại qua một băng tần rộng (lên tới 40THz) với vị trí bề rộngcao nhất gần 13,2THz Có được trạng thái này là vì đặc tính không kết tinh củathủy tinh silica Trong những vật liệu vô định hình như silica hỗn hợp, tần sốdao động phần tử lan truyền trong băng tần lập và tạo ra dải liên tục Kết quả là,tương phản với hầu hết môi trường phân tử, mà độ khuếch đại Raman xảy ra tạitần số dễ xác định đặc biệt, nó kéo dài liên tục qua băng rộng trong sợi quangsilica Sợi quang có thể hoạt động như bộ khuếch đại Raman băng rộng bởinhững đặc điểm này Đặc điểm quan trọng khác của hình 2.16 là sự phụ thuộcphân cực của độ khuếch đại Raman; độ khuếch đại gần như triệt tiêu khi bơm

và tín hiệu phân cực vuông góc