đồ án thông tin quang khuếch đại raman sợi

2.3.4 Nhiễu do bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu gần nhau 2.4 Phân loại 2.4.1 Khuếch đại Raman phân bố DRA Distributed Raman Amplifier 2.4.2 Khuếch đại Raman tập trung LRA Lum

ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI: KHUẾCH ĐẠI RAMAN SỢI

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Vũ Anh Quang

Sinh viên thực hiện: Đỗ Hồng Nhật

Lớp VT02A

1 Lý do chọn đề tài

thông tin càng cao Để đáp ứng được nhu cầu đó mạng viễn thông cần phải phát triển Ngày nay đất nước chúng ta ngày càng phát triển do đó nhu cầu của con người về để đạt được tốc độ cao, dung lượng lớn… Để đạt được những yêu cầu như vậy bắt buộc đường truyền phải chất lượng Hiên nay người ta hay sử dụng nhất đó là: cáp đồng trục, cáp xoắn đôi, đặc biệt là cáp quang

Tuy nhiên chưa có đường truyền nào đáp ứng được nhu cầu tuyệt đối về chất lượng, nên trong hệ thống truyền dẫn người ta cần phải có lắp đặt các hệ thống khuếch đại để phục hồi các thông tin được truyền đi Vì vậy hệ thống khuếch đại cũng là một phần không thể thiếu trong thông tin quang ngày nay

Vì thế em xin chọn đề tài hệ thông khuếch đại, cụ thể là khuếch đại Raman để tìm hiểu những ưu nhược điểm của bộ khuếch đại này

2 Ý nghĩa thực tiễn

Đóng vai trò quang trọng trong việc phục hồi tín hiệu, là một phần không thể thiếu trong thông tin quang

Nội dung trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Nguyên lý tán xạ ánh sáng

1.1 Ánh sáng

1.2 Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang

1.2.1 Suy hao ánh sáng

1.2.2 Tán sắc ánh sáng

1.3 Tán xạ ánh sáng và tán xạ Raman

1.3.1 Tán xạ ánh sáng

1.3.2 Tán xạ Raman

1.4 Phổ khuếch đại quang

Chương 2: Bộ khuếch đại Raman

2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoat động của bộ khuếch đại Raman

2.1.1 Cấu trúc

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

2.2 Hệ số khuếch đại

2.3 Nhiễu trong khuếch đại raman

2.3.1 Nhiễu phát xạ tự phát ASE

2.3.2 Nhiễu tán xạ Rayleigh kép DSR

2.3.3 Nhiễu do thời gian sống của electron tại trạng thái kích thích ngắn 2.3.4 Nhiễu do bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu gần nhau 2.4 Phân loại

2.4.1 Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 2.4.2 Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 2.5 Ứng dụng bộ khuếch đại Raman trong hệ thống WDM

Chương 3 : Khảo sát tuyến có ứng dụng của bộ khuếch đại Raman

Chương1: NGUYÊN LÝ TÁN XẠ ÁNH SÁNG

1.1 Ánh sáng

Ánh sáng có tính lưỡng tính sóng hạt Tính chất sóng của ánh sáng được quan sát thấy qua các hiện tượng giao thoa, tán sắc Ánh sáng có bản chất sóng điện từ Các mode trường điện từ là tập các nghiệm của phương trình sóng Tính chất hạt của ánh sáng được thể hiện qua khả năng đâm xuyên, hiện tượng quang điện, tác dụng ion hoá

1.2 Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang

1.2.1 suy hao ánh sáng

Vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang nhỏ hơn vận tốc truyền ánh sáng trong chân không Ký hiệu c là vận tốc truyền ánh sáng trong chân không, n là chiết suất của lõi sợi, khi đó vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang được tính theo công thức dưới

n

c

v=

, c= 3 10 8(m/s) ( 1.1)

Ánh sáng khi truyền dọc theo sợi sẽ bị suy hao Ký hiệu α[1/m] là hệ số suy

hao của sợi quang,P0 là công suất đầu vào sợi quang, công suất đầu ra sợi quang

có chiều dài L được tính theo công thức:

L

T P e

P = 0 −α ( 1.2 )

Để tính toán hệ số suy hao, đơn vị thường được sử dụng là αdB[dB / km]

Phương trình chuyển đổi đơn vị :

[ ]m

dB

/ 1 1000

10









=

α

α

(1.3)

Công suất quang cũng thường được tính theo đơn vị là dBm thay cho Watt Quan hệ giữa hai đơn vị này được biểu thị trong công thức (1.4)

W

W P dBm

10 log 10

( 1.4)

1.2.2 tán sắc ánh sáng

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 độ lan truyền khác nhau nên thời gian truyền các mode là khác nhau, gây ra tán sắc mode

1.3 Tán xạ ánh sáng và tán xạ raman

1.3.1 Tán xạ ánh sáng

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

xạ xảy ra khác nhau

Tán xạ Rayleigh là quá trình tán xạ đàn hồi, tần số ánh sáng tán xạ bằng tần

số ánh sáng tới Trạng thái của các phân tử vật chất do tán xạ Rayleigh không 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 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

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

Hình 1.1 quá trình tán xạ ánh sáng.

với ánh sáng tới bằng với tần số của phonon Tán xạ Brilloin liên quan đến các phonon âm học còn tán xạ Raman liên quan đến các phonon quang học Do

đó ánh sáng tán xạ Raman có mức dịch chuyển tần số lớn hơn ánh sáng tán xạ Brilloin Nếu ánh sáng tán xạ có tần số nhỏ hơn ánh sáng tới thì ánh sáng tán 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 phản Stoke 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

π

2

Ω

=

−

(−

v là dịch chuyển tần số theo cm− 1, Ω là dịch chuyển tần số theo rad/s và c là vận tốc của ánh sáng trong chân không theo cm/s)

1.3.2 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 Raman Scattering) Hiệu ứng tán xạ Raman tự phát đã được dự đoán bởi Smekal vào năm 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 môi trường làm 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

ar

Trước tương tác Sau tương tác

Trước tương tác Sau tương tác

Giản đồ năng lượng của quá trình tán xạ Raman được thể hiện trên Hình 1 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 năng lượng giữa trạng thái ảo và trạng thái khởi đầu Khi chuyển từ trạng thái ảo về trạng thái cuối electron sẽ phát xạ một photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng trạng thái ảo và trạng thái cuối

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

xạ tạo ra ánh sáng Stoke

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

(a)Tán xạ Stoke (b)Tán xạ phản Stoke.

1.4 Phổ khuếch đại quang

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

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

dz

dIs

=gRIPIS (1.5)

Trong đó IS là cường độ sóng Stoke, IP là cường độ sóng bơm và gR là hệ số khuyếch 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 Ở mức độ

cơ bản gR liên quan đến phần ảo của độ điện cảm phi tuyến cấp 3 χ ( 3 )

Thông thường gR phụ thuộc vào thành phần lõi sợi quang và có thể thay đổi rất lớn nếu pha thêm tạp chất vào lõi sợi 1.3 biểu diễn gR của sợi silic theo độ dịch tần ở bước sóng bơm λp =1µm Nếu bước sóng bơm khác 1µm, có thể tính

được gR bằng cách lấy nghịch đảo sự phụ thuộc của gR vào λp.

Chương 2: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN

2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoat động của bộ khuếch đại Raman

2.1.1 Cấu trúc

Bao gồm một nguồn bơm để truyền năng lượng vào sợi truyền dẫn thông qua

bộ ghép quang Sợi truyền dẫn là sợi quang thông thường được sử dụng đồng thời như một sợi khuếch đai

Tín hiệu vào Sợi quan Tín hiệu ra

Nguồn bơm

Khi nguồn bơm có công suất Pp đủ lớn và tần số Vp (cao hơn tần số tín hiệu đén Vs)

bơm năng lượng vào sợi thì xảy ra quá trình tán xạ raman kích thích Hình 1.3 minh họa nguyên lý hoạt động của khuếch đại raman Theo cơ chế lượng tử, thì đây là quá trình trong đó một photon bơm tần số Vp kích thích một phân tử môi trường từ mức năng lượng g lên một mức ảo Phân tử này nhanh chóng nhảy xuống mức năng lượng g’ thấp hơn và phát ra một photon tần số Vs

Sự sai lệch về năng lượng của photon bơm so với photon ánh sáng vừa được tạo ra là do năng lượng bơm bị các phân tử của môi trường hấp thụ dưới dạng dao đọng phân tử

Đọ lệch tần số Vv =Vp – Vs dược gọi là độ dịch Stokes Trong các sợi quang chuẩn, thì đọ lệch này xấp xỉ 13,2THz tương ứng với đọ lệch bước sóng là:

λ λ λv = − ≈s p 100 nm

Do đó đẻ photon vừa được phát xạ ra có cùng bước sóng tín hiệu thì bước sóng của ánh sáng bơm phải nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng tín hiệu khoảng 100nm

2.2 Hệ số khuếch đại.

Phổ khuyếch đại Raman đã được trình bày ở Hình 1 Hệ số khuyếch đại Raman g R liên quan đến hệ số khuyếch đại quang g(z) theo công thức:

) (

)

g = R p trong đó I plà cường độ bơm Nếu gọi P plà công suất bơm, hệ số khuyếch đại có thể tính theo công thức:

) / )(

( )

g ω = ω (2.0)

Hình 2.1 Hiệu suất khuyếch đại Raman (g / R A eff ) cho các

loại sợi quang khác nhau

Vì A eff có thể thay đổi đáng kể đối với nhiều loại sợi khác nhau, tỉ lệ g / R A eff

xác định hiệu suất khuyếch đại Raman Tỉ lệ này được biểu thị trên Hình 2 cho

ba loại sợi khác nhau Sợi bù tán sắc (DCF) có hiệu quả gấp 8 lần so với sợi silic đơn mode tiêu chuẩn (SMF) do đường kính lõi sợi bé hơn Sự phụ thuộc của hệ

số khuyếch đại Raman vào tần số gần như nhau đối với cả ba loại sợi

2.3 Nhiễu trong khuếch đại raman.

2.3.1 Nhiễu phát xạ tự phát ASE.

Phát xạ tự phát bổ sung vào ánh sáng tín hiệu nhiều thành phần tần

số khác nhau Về nguyên lý tất cả các loại nhiễu này có thể được loại trừ những thành phần có tần số nằm trong dải phổ của tín hiệu hữu ích Phát xạ tự phát không những ảnh hưởng đến đặc tính nhiễu mà còn ảnh hưởng đến tăng ích quang

Tán xạ Rayleigh kép tương ứng với hai quá trình tán xạ (một cùng chiều và một ngược chiều với chiều truyền của ánh sáng tín hiệu) do sự không đồng nhất

0.0

3.5

0.5

3.0

2.0

1.0 1.5 2.5

DCF

SMF DSF

Độ dịch tần (THz)

1510 nm pump

của sợi quang Nhiễu phát xạ tự phát ASE truyền theo hướng ngược sẽ bị phản

xạ lại do tán xạ Rayleigh kép và tiếp tục được khuyếch đại do quá trình tán xạ Raman kích thích

Nhiễu tán xạ Rayleigh kép trong khuyếch đại Raman rất lớn do ánh sáng tán

xạ Rayleigh được khuyếch đại trong quá trình truyền và khuyếch đại Raman yêu cầu độ dài sợi tăng ích Raman khá lớn Thực tế nhiễu tán xạ Rayleigh kép làm giảm tăng ích quang cho mỗi đoạn khoảng từ 10 đến 15 dB.

Để giảm nhiễu tán xạ Rayleigh kép có thể sử dụng các bộ cách li giữa các bộ khuyếch đại

2.3.3 Nhiễu do thời gian sống của electron tại trạng thái kích thích ngắn

Thời gian sống của electron trong khuyếch đại Raman ở trạng thái năng

lượng kích thích ngắn chỉ khoảng 3 đến 6 fs (với EDFA là ms) Thời gian đáp ứng nhanh của quá trình tán xạ Raman làm cho cường độ ánh sáng tín hiệu bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi cường độ ánh sáng bơm Một phương pháp được sử dụng để giảm nhiễu do thời gian đáp ứng nhanh của tán xạ Raman là áp dụng cơ chế bơm ngược: ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu truyền ngược chiều nhau Với cơ chế bơm ngược thời gian của điện tử tại trạng thái năng lượng cao cân bằng với thời gian truyền qua sợi

2.3.4 Nhiễu do bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu gần nhau.

Bình thường trong bộ khuyếch đại Raman có một phần ánh sáng bơm bị tán

xạ tự phát Ánh sáng tán xạ tự phát này gây nhiễu cho các kênh tín hiệu có bước sóng gần bước sóng ánh sáng bơm Theo một số kết quả nghiên cứu hiệu ứng này có thể làm cho hệ số tạp âm NF tới 3 dBvới các kênh tín hiệu có bước sóng gần bước sóng bơm

2.4 Phân loại

2.4.1 Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman

Amplifier)

Hình 2.2 - Khuyếch đại tập trung (a) và khuyếch đại phân bố (b)

Với bộ khuyếch đại Raman phân bố DRA, ánh sáng bơm được phân bố trải dài trong sợi quang DRA tận dụng sợi quang sẵn có trong mạng như một phương tiện để khuyếch đại tín hiệu và như vậy ánh sáng sẽ được khuyếch đại đồng đều dọc theo sợi quang trên một khoảng cách lớn (Hình 2 b)

Với các bộ khuyếch đại DRA, thông thường ánh sáng bơm có công suất cao được bơm theo hướng ngược để kết hợp với các bộ khuyếch đại tập trung khác như các bộ khuyếch đại quang sợi pha đất hiếm EDFA Ưu điểm chính của DRA là cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR và giảm tính phi tuyến

Tín hiệu ra Tín hiệu vào

a)

b) Khuyếch đại quang

Mức công suất tín hiệu Sợi quang

2.4.2 Khuyếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier)

Hình 2.3 - Khuyếch đại Raman tập trung

Bộ khuyếch đại Raman tập trung LRA là một khối đơn Trong bộ khuyếch đại Raman tập trung tất cả công suất ánh sáng bơm được tập trung trong một khối Hình 2 là một thí dụ kết nối bộ khuyếch đại Raman tập trung trong hệ thống thông tin quang Trong sơ đồ trên ánh sáng bơm được giữ trong bộ khuyếch đại bằng các bộ cách ly xung quanh bộ khuyếch đại với chiều dài sợi tăng ích Raman khoảng vài km Như vậy khác với bộ khuyếch đại Raman phân

bố ánh sáng bơm không đi vào sợi quang từ bên ngoài bộ khuyếch đại

Hình 2.4 - Tăng ích của bộ khuyếch đại Raman tập trung

Đặc điểm đáng lưu ý nhất của khuyếch đại Raman tập trung đó là khả năng

sử dụng dải bước sóng mới mà tại các dải băng này EDFA không thể hoạt động

2.5 Ứng dụng bộ khuếch đại Raman trong hệ thống WDM.

Khuyếch đại quang Raman mang lại một nền tảng đơn giản và đơn nhất cho các yêu cầu của các bộ khuyếch đại quang trong mạng thông tin quang cự ly dài và cực dài Khuyếch đại quang Raman có thể hoạt động với băng tần rộng và tại các tần số mà các bộ khuyếch đại quang khác không thể hoạt động Ví dụ băng tần tăng ích 100 nm có thể sử dụng trong bất kỳ dải nào trong khoảng từ 1300-1650 nm Thêm vào đó các bộ khuyếch đại Raman băng rộng hiện nay có băng tần lên tới 136 nm nhờ sử dụng kỹ thuật đan xen bước sóng ánh sáng bơm

và ánh sáng tín hiệu Các bộ khuyếch đại quang Raman không những có thể sử dụng như bộ tiền khuyếch đại tạp âm nhỏ cho các bộ khuyếch đại quang sợi pha đất hiếm EDFA mà chúng còn có thể sử dụng cho toàn bộ yêu cầu khuyếch đại của hệ thống

Trong các hệ thống DWDM cự ly dài và siêu dài, khuyếch đại Raman chiếm

ưu thế do sự đơn giản và mềm dẻo, linh hoạt