Tán xạ Raman và ứng dụng trong khuyếch đại quang Raman

Tiểu luận chuyên đề thông tin quang : Tán xạ Raman và ứng dụng trong khuyếch đại quang Raman Gồm : Tán xạ ra man Ứng dụng tán xạ Raman trong khuyếch đại quang Raman Tài liệu cho các bạn làm tiểu luận và chuyên đề môn thông tin quang

KHOA VIỄN THÔNG

-TIỂU LUẬN CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN QUANG Chuyên đề: Tán xạ Raman và ứng dụng trong khuyếch đại quang Raman.

Giáo viên hướng dẫn:Cao Hồng Sơn Nhóm thực hiện:Nguyễn Thị Thuý Hà.

Hoàng Anh Tuấn.

Vũ Anh Tuấn.

Hà nội - 2007

1.2.4 Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM 8

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN TRONG KHUYẾCH

ĐẠI QUANG

11

2.1.1 Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman 13

2.2 Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman 172.2.1 Nhiễu phát xạ tự phát ASE (Amplified Spontaneous Emission) 172.2.2 Nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS (Double Rayleigh Scattering) 182.2.3 Nhiễu do thời gian sống của electron tại trạng thái kích thích

ngắn

18

2.2.4 Nhiễu do bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu gần nhau 19

2.3.1 Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman

Hình 1.6 Sự phụ thuộc số kênh tối đa theo chiều dài tuyến truyền dẫn 10Hình 2.1 Nguyên lý bơm thuận và bơm ngược 11Hình 2.2 Cấu hình bơm trong Khuyếch đại Raman 12

Hình 2.4 Hiệu suất khuyếch đại Raman cho các loại sợi quang khác nhau 13Hình 2.5 Sự thay đổi của hệ số khuyếch đại Go theo công suất Po 14Hình 2.6 Làm bằng phẳng phổ khuyếch đại Raman bằng cách sử dụng

nhiều nguồn bơm

17

Hình 2.7 Khuyếch đại tập trung (a) và khuyếch đại phân bố (b) 19Hình 2.8 Công suất tín hiệu trong hệ thống sử dụng DRA 20

Hình 2.10 Hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại Raman tập trung 22Hình 2.11 Sự phụ thuộc của suy hao theo bước sóng 23Hình 2.12 Khuyếch đại quang lai ghép EDFA/Raman 23

BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit

DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc

DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuyếch đại Raman phân bốDRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Rayleigh kép

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch tán sắc

EDFA Erbium Droped Fiber Amplifer Khuyếch đại quang sợi pha ErbiumFWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuyếch đại Raman tập trungMFD Mode Field Diameter Đường kính trường mode

NLSE Nonliear Schrodinger Equation Phương trình Schrodinger phi tuyếnNRZ Non-Return-to-Zero Mã NRZ

SBS Stimulated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích thích

SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóngXPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

Tán xạ Raman là quá trình tán xạ xảy ra do sự tương tác của ánh sáng với môitrường vật chất trong sợi quang

Tán xạ Raman bao gồm tán xạ Raman tự phát và tán xạ Raman kích thíchSRS Một mặt tán xạ Raman gây ảnh hưởng xấu đến quá trình truyền tín hiệu trongsợi quang, làm tăng nhiễu trong hệ thống thống tin quang nhưng mặt khác tán xạRaman cũng có những ảnh hưởng tích cực, nổi bật nhất là khả năng khuyếch đại tínhiệu quang Tán xạ Raman kích thích SRS chính là cơ sở để phát triển các bộkhuyếch đại quang Raman

Các bộ khuyếch đại quang Raman có rất nhiều ưu điểm so với những loạikhuyếch đại quang đã được sử dụng trước đó và rất phù hợp với các hệ thống WDMđang được triển khai hiện nay Các bộ khuyếch đại quang Raman được coi là lời giảicho bài toán khuyếch đại quang trong các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn,

cự ly dài và rất dài

Do thời gian có hạn, trong tiểu luận với nội dung "Tán xạ Raman và ứng

dụng trong khuyếch đại quang Raman" nhóm sẽ trình bày một số nội dung chính

sau:

Chương 1: Tán xạ Raman:

- Hiện tượng tán xạ.

- Hiện tượng tán xạ Raman

Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman kích thích trong khuyếch đại tín hiệu quang.

- Bộ khuyếch đại Raman

- Một số loại khuyếch đại Raman

Trong quá trình thực hiện, các thành viên trong nhóm đã rất cố gắng để hoànthành bài tiểu luận nhưng do khả năng còn hạn chế nên rất mong nhận được sự góp ý,

bổ sung của thầy giáo và các bạn trong lớp để bài tiểu luận trên được đầy đủ hơn

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN 1.1 Hiện tượng tán xạ

1.1.1 Hiện tượng phi tuyến của sợi quang

Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia thành hai loại Loại thứ nhất sinh ra do sựtương tác của sóng ánh sáng với các photon Loại này bao gồm hai hiệu ứng quantrọng là tán xạ Raman kích thích (SRS-Stimulated Raman Scattering) và tán xạBrilloin kích thích (SBS-Stimulated Brilloin Scattering) Loại thứ hai gồm các hiệuứng phi tuyến Kerr, sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất phi tuyến vào cường độđiện 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 suất phituyến, đó là sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng lan truyền trong sợi vào chiết suất.Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng, chiết suất và công suất P được biểu thị bằng

A

n n I n n n

=+

0 2 0

Trong đó n0 là thành phần phụ thuộc bước sóng của chiết suất n, A eff là diện

tích hiệu dụng của sợi quang, n2 được gọi là chỉ số chiết suất phi tuyến Tỉ số

n cA

0 2

λ

πω

γ = =

Trong đó là tần số góc của ánh sáng, c là vận tốc ánh sáng trong chân không,

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

Ngoài ra đặc tính của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang còn chịu ảnhhưởng của nhiều tham số như cường độ của tín hiệu, chiều dài sợi, khoảng cách giữacác kênh (trong hệ thống WDM)

1.1.2 Hiện tượng tán xạ

Khi ánh sáng truyền qua môi trường vật chất trong suốt thì phần lớn ánh sángtruyền thẳng và một phần nhỏ sẽ bị tán xạ Môi trường có thể gây ra nhiều loại tán xạtrong đó điển hình là tán xạ Rayleigh, tán xạ Brillouin, tán xạ Raman… Tuỳ thuộcvào loại vật chất, ánh sáng, điều kiện môi trường… mà mỗi loại tán xạ xảy ra khácnhau.

Tán xạ Rayleigh là quá trình tán xạ đàn hồi, tần số ánh sáng tán xạ bằng tần sốánh sáng tới Trạng thái của các phân tử vật chất do tán xạ Rayleigh không thay đổisau khi ánh sáng truyền qua Ngược lại, tán xạ Brillouin và tán xạ Ramman là các quátrình tán xạ không đàn hồi, các nguyên tử bị kích thích khi có ánh sáng đi qua và tần

số ánh sáng tán xạ bị dịch chuyển so với tần số của ánh sáng tới

Quá trình tán xạ không đàn hồi có sự tham gia của các photon Trong quá trìnhnày các photon có thể sinh ra hoặc bị hấp thụ Mức thay đổi tần số của ánh sáng tán

xạ so với ánh sáng tới bằng với tần số của photon Tán xạ Brilloin liên quan đến cácphoton âm học còn tán xạ Raman liên quan đến các photon quang học Do đó ánhsáng tán xạ Raman có mức dịch chuyển tần số lớn hơn ánh sáng tán xạ Brilloin Nếuánh sáng tán xạ có tần số nhỏ hơn ánh sáng tới thì ánh sáng tán xạ được gọi là ánhsáng 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 phản Stoke

Các hiệu ứng tán xạ sẽ làm giới hạn công suất quang lớn nhất có thể truyền ởtrong sợi Trong hệ thống WDM tán xạ là nguyên nhân gây nhiễu giữa các kênh Tuynhiên tán xạ Raman cũng được ứng dụng trong các bộ khuyếch đại quang Raman ởnhững bước sóng mà bộ khuyếch đại quang EDFA không phù hợp Hiệu ứng tán xạBrilloin là nguyên lý trong các bộ cảm ứng đo nhiệt độ môi trường tại những nơi mà

bộ cảm ứng điện không phù hợp

Tần sốHình 1.1 Tần số của ánh sáng tán xạ.

1.2 Tán xạ Raman

Tán xạ Raman được phân chia thành hai loại: Tán xạ Raman tự phát(Spontaneous Raman Scattering) và tán xạ Raman kích thích (Stimulated RamanScattering)

Trong quá trình tán xạ Raman tự phát, ánh sáng tới tương tác với môi trườnglàm sinh ra các photon Tuỳ thuộc vào bản chất của môi trường các photon 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 hình 1.2.Electron sẽ chuyển từ trạng thái khởi đầu (trạng thái cơ bản) lên trạng thái ảo (trạngthái kích thích) khi hấp thụ một photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng giữatrạng thái ảo và trạng thái khởi đầu Khi chuyển từ trạng thái ảo về trạng thái cuốielectron sẽ phát xạ một photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng trạng thái ảo vàtrạng thái cuối

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

Hình 1.2 Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman.

Giả sử ω1,ω2 lần lượt là tần số của ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ, Ω là tần sốphoton được sinh ra Khi đó theo định luật bảo toàn chuyển hoá năng lượng thì

Ngược lại nếu trạng thái cuối có năng lượng thấp hơn thì quá trình tán xạ tạo

ra ánh sáng phản Stoke có tần số ω2 ≈ω1+Ω, chêch lệch giữa mức năng lượng trạngthái khởi đầu và trạng thái cuối chính là năng lượng của một photon Thực tế, tán xạphản Stoke thường yếu hơn tán xạ Stoke

Tần số của các photon tán xạ được xác định bằng tần số dao động của nguyên

tử Với thuỷ tinh, quang phổ của ánh sáng tán xạ Raman gồm nhiều thành phần tần sốkhác nhau là do các nguyên tử trong thuỷ tinh dao động trong một khoảng tần số rấtrộng

Hiệu ứng tán xạ Raman tự phát được ứng dụng để xác định cấu trúc của cácphân 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 cũng tăngdần Nhưng nếu như công suất sóng bơm vượt quá một giá trị xác định thì công suấtsóng Stoke sẽ tăng lên rất nhanh theo hàm mũ Nguyên nhân gây ra hiện tượng này làquá trình tán xạ Raman kích thích

1.2.1 Phổ của khuyếch đại Raman

Hình 1.3 Phổ khuyếch đại Raman của sợi Silic ở bước sóng bơm λp =1µm.

Sự gia tăng của cường độ sóng Stoke được mô tả bởi công thức:

S P

R I I g dz

Trong đó I Slà cường độ sóng Stoke, I P là cường độ sóng bơm và g R là hệ sốkhuyếch đại Raman Hệ số khuếch đại Raman liên quan đến mặt cắt chiết suất của tán

xạ tự phát Raman và có thể đo lường được bằng thực nghiệm

Thông thường g R phụ thuộc vào thành phần lõi sợi quang và có thể thay đổirất lớn nếu pha thêm tạp chất vào lõi sợi Hình 1.3 biểu diễn g R của sợi silic theo độdịch tần ở bước sóng bơmλp =1µm Nếu bước sóng bơm khác 1µm, có thể tính được

R

g bằng cách lấy nghịch đảo sự phụ thuộc của g R vào λp.

Điểm đáng chú ý nhất trong phổ khuyếch đại Raman của sợi silic là g R kéodài trong một phạm vi tần số rất rộng (đạt tới 40 THz) với đỉnh khuyếch đại gần độdịch tần 13THz Điều này xảy ra là do tính phi tinh thể tự nhiên của thuỷ tinh silic.Trong các vật liệu vô định hình như silic tần số dao động phân tử trải rộng thànhnhiều dải chồng chéo lên nhau và trở thành một dải liên tục Kết quả là khác hẳn vớicác phương tiện truyền dẫn trước đây (có phổ khuyếch đại Raman nằm trong một dảitần số hẹp), phổ khuyếch đại Raman của sợi silic liên tục và trải dài trong một phạm

vi rất rộng Chính vì đặc điểm này mà sợi quang có thể làm việc như một bộ khuyếchđại dải rộng.

Để hiểu quá trình SRS xảy ra như thế nào, ta xét một chùm sóng bơm liên tụclan truyền bên trong sợi ở tần số ωP Nếu tần số của chùm dò ở tần số ωS được đưa

vào đầu sợi quang cùng với sóng bơm, nó sẽ được khuyếch đại bởi khuyếch đạiRaman với điều kiện độ lệch tần ω −P ωS nằm bên trong phổ khuyếch đại Raman nhưtrên hình 1.3 Nếu chỉ có một mình sóng bơm được đưa vào đầu sợi quang, tán xạ tựphát Raman sẽ sinh ra một tín hiệu yếu hoạt động như là sóng dò và được khuyếchđại trong quá trình truyền dẫn Bởi vì các tín hiệu sinh ra do tán xạ tự phát Ramannằm trong miền phổ khuyếch đại Raman nên chúng được khuyếch đại Tuy nhiên tần

số nào có độ dịch tần (dịch từ tần số bơm) ứng với giá trị lớn nhất của g Rsẽ đượckhuyếch đại nhanh nhất Trong trường hợp sợi silic là tinh khiết, g R đạt giá trị lớnnhất đối với độ dịch tần giảm xuống cỡ 13.2 THz Nếu như công suất bơm vượt quámột giá trị ngưỡng, thành phần tần số này được khuyếch đại có dạng quy luật hàm

mũ Chính vì vậy thành phần tần số Stoke được sinh ra do SRS phụ thuộc giá trị đỉnhtrong phổ khuyếch đại Raman Độ dịch tần giữa sóng bơm và sóng Stoke trongtrường hợp này được gọi là dịch chuyển Raman hay dịch chuyển Stoke

A

L P g

Công thức trên là điều kiện ngưỡng Raman thuận, điều khiện ngưỡng Ramanngược có được bằng cách thay giá trị 16 bằng 20 Khi xây dựng công thức trên ta phảigiả sử phân cực của sóng bơm bảo toàn trong quá trình lan truyền Nếu sự phân cựckhông được bảo toàn, ngưỡng Raman sẽ tăng lên một hệ số trong khoảng 1 đến 2.Đặc biệt, nếu như sự phân cực bị xáo trộn hoàn toàn thì ngưỡng Raman sẽ tăng lên 2lần

Mặc dù khi tính toán giá trị ngưỡng ta sử dụng rất nhiều phép tính gần đúngnhưng giá trị ngưỡng Raman vẫn được tính khá chính xác Nếu như với sợi có

P eff

α . >>1, ≈ 1 , bước sóng λP =1,55µm (bước sóng nằm trong vùng cửa sổ có

suy hao nhỏ nhất cỡ 0.2dB/km), L eff =20km, thông thường thì A eff =50 mµ 2, giá trị

ngưỡng Raman cỡ khoảng 600mW Bởi vì trong thực tế công suất của các hệ thốngthông tin quang vào cỡ 1÷10mW nên hệ thống không bị ảnh hưởng bởi SRS Trongvùng ánh sáng nhìn thấy A eff =10÷20µm2, giá trị công suất ngưỡng P0th ≈10W với cự

ly truyền dẫn L=10m Khi công suất vào bằng với giá trị ngưỡng, công suất bơmchuyển thành công suất Stoke rất nhanh chóng Trong thực tế, sóng Stoke sẽ hoạtđộng như một sóng bơm và sinh ra sóng Stoke cấp 2 nếu như công suất của nó đủ lớn.Kết quả là nếu công suất bơm lớn, bên trong sợi sinh ra rất nhiều sóng Stoke và sốlượng các sóng Stoke phụ thuộc vào công suất vào

1.2.3 Ảnh hưởng của các chất phụ gia trong sợ thủy tinh đến tán xạ Raman

Sợi thuỷ tinh được tạo từ các hỗn hợp oxide nóng chảy Các oxide này tạo ramột vật liệu mới có cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp Thông thường các sợithuỷ tinh được pha các hợp chất khác nhau ví dụ như P2O5, GeO2 để thay đổi một sốtính chất của thuỷ tinh như chỉ số chiết suất, hệ số tán sắc Các chất phụ gia này cũnglàm thay đổi quang phổ tán xạ Raman của sợi thuỷ tinh

Hình 1.4 thể hiện quang phổ tán xạ Raman của các sợi quang thuỷ tinh oxide.Thuỷ tinh có thành phần cơ bản là dioxide silic có độ rộng phổ rất rộng (khoảng40THz) với một đỉnh chính trong khu vực từ 440µm đến 490µm Với chất pha tạp là

2

GeO độ rộng phổ hẹp hơn nhưng cường độ ánh sáng tán xạ lại mạnh hơn Với P2O5

không những cường độ ánh sáng tán xạ tăng mà còn xuất hiện vùng phổ mới có đỉnhtại 1390 µm với khoảng dịch tần rất lớn.

Hình 1.4 Quang phổ tán xạ Raman của các loại thuỷ tinh oxide được sử dụng trong

các sợi quang

1.2.4 Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM

Như các phần trên ta thấy, hiệu ứng tán xạ Raman là một hiệu ứng dãn băng

Sự thay đổi tần số quang tương ứng với tần số dao động của nguyên tử Tán xạRaman nói chung và tán xạ Raman kích thích SRS nói riêng ảnh hưởng rất lớn đến hệthống thông tin quang đặc biệt là hệ thống WDM

Trong hệ thống đơn kênh, ánh sáng truyền trong sợi quang chỉ có một bướcsóng Tán xạ Raman làm phát sinh ánh sáng tán xạ có tần số nhỏ hơn Công suấtngưỡng P th được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của tán xạ Raman Với hệ thốngđơn kênh P th được xác định theo công thức:

eff R Eff th

L g

A SRS

P

.16)(

Hình 1.5 Mẫu xung NRZ trong hệ thống WDM hai kênh.

Như vậy trong hệ thống WDM các kênh tại bước sóng ngắn đóng vai trò ánhsáng bơm và sẽ bị suy hao mất một phần công suất do hiệu ứng tán xạ Raman kíchthích Giữa các kênh sẽ có xuyên âm và SRS của các kênh sẽ bị giảm Trên hình 1.5

là mẫu xung NRZ của một hệ thống WDM hai kênh đơn giản (bỏ qua tán sắc) Kênhthứ nhất có tần số lớn hơn bị mất một phần công suất cho kênh thứ hai đặc biệt khitruyền bit “1” tại cùng một thời điểm Hiệu ứng SRS sẽ không xuất hiện tại thời điểmcủa các bit “0”

Trong các hệ thống sử dụng khuyếch đại, ảnh hưởng của SRS lớn hơn Trêntoàn bộ đường truyền cả tín hiệu và nhiễu đều bị suy giảm Tuy nhiên mức suy giảmcủa nhiễu chỉ bằng một nửa mức suy giảm của tín hiệu Giới hạn của tổng số kênhcủa hệ thống WDM theo chiều dài tuyến truyền dẫn được miêu tả trên hình 1.6, trong

đó hệ thống WDM sử dụng các bộ khuyếch đại lý tưởng có hệ số tạp âm NF là 3dB,

hệ số suy hao trên hệ thống 0.2 dB/km, tốc độ mỗi kênh là 2.5 Gb/s, khoảng cáchgiữa các kênh là 0.5nm, băng tần quang máy thu là 10GHz, tỉ số SNR trung bình là 9(BER=10−14) tương ứng cho khoảng cách giữa các bộ lặp lần lượt là 25, 50, 100 và

150 km

Hình 1.6 Sự phụ thuộc số kênh tối đa theo chiều dài tuyến truyền dẫn

Trong hệ thống WDM với rất nhiều kênh, xác suất tất cả các kênh đều truyềnbit “1” đồng thời rất thấp Tỉ lệ công suất bị mất của các kênh bước sóng ngắn biếnđổi phụ thuộc vào các bit được truyền trên tất cảc các kênh khác Với hệ thống cónhiều hơn 10 kênh và sử dụng sợi tán sắc không, công suất suy giảm trung bình chỉphụ thuộc vào công suất trung bình của mỗi kênh quang Công suất suy giảm trungbình của kênh có bước sóng ngắn nhất:

K N N

4

)1(

0

−

=η

Trong đó N là số kênh và K là công suất suy giảm của kênh do các kênh lân cận:

Nếu hệ thống có tổng công suất và băng tần không đổi, ảnh hưởng của SRS cóthể được xác định trước Phần công suất tín hiệu bị suy giảm có thể được bù chínhxác bằng cách sử dụng một bộ lọc sau các bộ khuyếch đại đường dây, các bộ lọc này

có hệ số suy hao ngược với hệ số suy giảm công suất tín hiệu do SRS theo bước sóng

Hệ thống này cũng khá đơn giản không cần thêm thiết bị quang nào khác nếu nó sửdụng EDFA làm bằng phẳng tăng ích quang