TÁN XẠ RAMAN CÓ KÍCH THÍCH CHƯƠNG 2_2 pps

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.. Tuy nhiên bước sóng thườn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI:

TÁN XẠ RAMAN CÓ KÍCH THÍCH

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH

ĐẠI TÍN HIỆU QUANG

2.3.1 Hiệu năng khuyếch đại

Quan sát trong Error! Reference source not found 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 1.06 Đối với loại nguồn bơm này khuyếch đại lớn nhất đạt được đối với tín hiệu có bước sóng khoảng 1.12 Tuy nhiên bước sóng thường được sử dụng nhiều nhất trong hệ thống thông tin quang WDM là ở các

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

thời ba tín hiệu được lấy từ ba laser bán dẫn DFB hoạt động ở dải bước sóng

m



m



m

m



m

Trong một thử nghiệm khác, một bộ khuyếch đại Raman được bơm bởi một Laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1.55 , 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 với khuyếch đại là 23 dB bởi SRS trên 20 km sợi dịch tán sắc Ngoài ra những

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

khuyếch đại một tín hiệu ở bước sóng 1.55 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 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

m



m



m



m

 m



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)

(0.1)

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 Error! Reference source not found 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

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



z S

Pf

0

2 2 2 1 2 1 2

1

) ( ) (

1 4

10

~  km

r s

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]

(0.2)

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 0.1 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

này có hệ số khuyếch đại khoảng 10.5 dB trên băng tần rộng 80 nm với độ gợn

băng L và băng C

) ( ) ( ) (

) ( 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 g

dz

v dP

b s f

sp f

b f

v

v R

sp f

b f

v R f

































































) / exp(

1 ) (      k T 

n sp  B

mW

.

dB

Hình 0.1 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

2.3.2 Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman

Trong khuyếch đại quang Raman có bốn loại nhiễu chính

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 Mật độ phổ công suất nhiễu ASE:

(0.3)

N N

N hv G v

S ase







Hệ số tạp âm:

(0.4)

bằng 1 do khuyếch đại Raman luôn ở trạng thái gần như đảo lộn mật độ hoàn toàn Đây là một ưu điểm của khuyếch đại Raman so với EDFA, với EDFA,

thường lớn hơn 1

Nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS

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 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

Để giảm nhiễu tán xạ Rayleigh kép có thể sử dụng các bộ cách li giữa các bộ khuyếch đại Ví dụ với các hệ thống sử dụng 2 bộ khuyếch đại Raman tập trung

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

















1

1 ) ( 2 1

hv v S G

NF ase

2

 2 1

 2 1

.

dB

)

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

Cũng có thể sử dụng cơ chế bơm cùng chiều cho khuyếch đại Raman Tuy nhiên khi bơm cùng chiều công suất ánh sáng bơm phải có độ ổn định cao để giảm nhiễu tương quan cường độ RIN Ví dụ có thể sử dụng laser Fabry-Perot thay thế cho các cách tử

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

gần bước sóng bơm

2.3.3 Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier)

Hình 0.2- 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 0.2b)

dB

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

Hình 0.3- Công suất tín hiệu trong hệ thống sử dụng DRA Hình 0.3 biểu diễn mức công suất ánh sáng tín hiệu của hệ thống khuyếch đại theo chu kỳ Đỉnh hình răng cưa tương ứng với các điểm khuyếch đại tập trung Đường nét đứt là biểu diễn công suất ánh sáng tín hiệu trong hệ thống chỉ sử dụng các bộ khuyếch đại tập trung với tăng ích cao Đường cong trên hình 0.3 tương ứng với công suất ánh sáng tín hiệu trong trường hợp sử dụng bộ khuyếch đại DRA kết hợp với bộ khuyếch đại quang tập trung có tăng ích nhỏ Khi sử dụng DRA mức công suất tín hiệu dọc theo sợi quang sẽ đồng đều hơn Nếu kết hợp các bộ khuyếch tập trung mức ánh sáng tín hiệu đỉnh không quá lớn Như vậy sẽ tránh được các hiệu ứng phi tuyến Đồng thời mức công suất ánh sáng tín hiệu cũng không xuống thấp quá do ảnh hưởng của suy hao do đó tỉ số SNR được cải thiện Tỉ số SNR cao tương ứng với khả năng tăng khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại hoặc tăng dung lượng của kênh tín hiệu Khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại quang tập trung thường khoảng 80 km, bằng cách sử dụng

DRA hiệu năng của hệ thống tương đương với sử dụng khuyếch đại quang tập trung với khoảng cách giữa chúng là 35 đến 38 km [5], [8]

Ngoài khả năng tăng khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại hoặc tăng tốc độ bit DRA còn được sử dụng trong hệ thống WDM để giảm khoảng cách giữa các kênh hoặc hoạt động tại bước sóng tán sắc không

Một số thí nghiệm với DRA [5], [8]:

 Terahara và các cộng sự đã triển khai hệ thống sử dụng DRA hai băng (băng C và băng L) cho hệ thống WDM cự ly dài Trong hệ thống này tốc độ truyền là 12.8 Tb/s với khoảng cách là 840 km Hệ thống sử dụng sợi đơn mode chuẩn với khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại là 140 km (tăng 60 km so với hệ thống thông thường) Với bộ khuyếch đại DRA hai băng, tỉ số giữa tín hiệu trên

 Các thí nghiệm của Nielsen thực hiện trên hệ thống 3.28 Tb/s (82 x 40 Gb/s mã NRZ) với sợi dịch tán sắc có chiều dài 3x100 km Hệ thống bao gồm

40 kênh WDM băng C (khoảng cách giữa các kênh là 100 GHz) và 42 kênh WDM băng L (khoảng cách giữa các kênh cũng là 100 GHz) Hệ thống này có tỉ

số lỗi bit (BER) dưới dù các kênh đều không sử dụng sửa lỗi trước (forward error correction)

1Tb/s băng C (100 x 10Gb/s, khoảng cách giữa các kênh là 25 Ghz) có khoảng cách 320 km (4x80 km) và sử dụng sợi dịch tán sắc DSF Với việc sử dụng DRA và ghép kênh đan xen phân cực, ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng FWM không đáng kể

Bên cạnh các ưu điểm vừa nêu, khuyếch đại Raman tập trung cũng có một số nhược điểm:

của sợi Trong các bộ khuyếch đại DRA chiều dài hiệu dụng của sợi quang

dB

10

10

eff

L

thường nhỏ hơn 40 km.Chiều dài hiệu dụng thấp làm giảm khả năng tăng khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại

 DRA có công suất ánh sáng bơm rất cao, ví dụ để tối ưu hoá mức nhiễu

đơn mode chuẩn Với mức công suất ánh sáng bơm cao như vậy các thiết bị quang như connector rất dễ bị hư hại

 DRA rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm… và

sự thay đổi cơ học

 Một vấn đề đáng được quan tâm khác đối với DRA là nhiễu tán xạ Rayleigh kép Các bộ khuyếch đại DRA thường có nhiễu DRS cao hơn so với các bộ khuyếch đại Raman tập trung khi sử dụng cùng loại sợi và có chiều dài sợi như nhau

Những vấn đề trên làm giảm tính ưu việt của DRA Tuy nhiên do lợi ích từ tỉ

số SNR và giảm hiệu ứng phi tuyến của DRA là rất lớn nên DRA đã được sử dụng khá rộng rãi trong các hệ thống cự ly dài

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

Hình 0.4- 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 0.4 là một thí dụ kết nối bộ khuyếch đại Raman tập trung trong hệ

mW