Bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang

Bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TÁN XẠ RAMAN 2

1.1 Tổng quan về tán xạ Raman 2

1.1.1 Sợi quang 2

1.1.2 Các hiệu ứng phi tuyến 2

1.1.3 Tán xạ ánh sáng 4

1.1.4 Tán xạ Raman 5

1.2 Đặc tính của tán xạ Raman kích thích 7

1.2.1 Phổ độ khuếch đại Raman 7

1.2.2 Ngưỡng Raman 8

1.3 Ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang 9

1.3.1 Ảnh hưởng của SRS đối với hệ thống đơn kênh 9

1.3.2 Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM 10

CHƯƠNG II ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU QUANG 15

2.1 Sự cần thiết phải khuếch đại quang 15

2.2 Nguyên lý bộ khuếch đại quang 16

2.3 Phân loại khuếch đại quang 17

2.4 Các tham số cơ bản của bộ khuếch đại quang 19

2.4.1 Hệ số độ lợi 19

2.4.2 Băng thông độ lợi 21

2.4.3 Công suất ngõ ra bão hòa 21

2.4.4 Hệ số nhiễu 23

2.4.5 Ứng dụng của bộ khuếch đại Raman 23

2.5 Bộ khuếch đại Raman 25

2.5.1 Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại Raman 25

2.5.2 Cấu hình bơm 26

2.5.3 Tăng ích quang Raman 27

2.5.4 Hiệu năng khuếch đại 30

2.5.5 Nhiễu trong các bộ khuếch đại Raman 33

2.5.6 Khuếch đại Raman phân bố DRA 34

2.5.7 Khuếch đại Raman tập trung LRA 36

2.5.8 Bộ khuếch đại lai ghép Raman/EDFA 39

Chương III ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 40

3.1 Tổng quát về hệ thống DWDM 40

3 2 Ứng dụng của khuếch đại Raman trong hệ thống DWDM 42

KẾT LUẬN 45

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện tượng tán xạ Raman được nhà khoa học C.V.Raman phát hiện ra vàonăm 1928 Một mặt tán xạ Raman gây ảnh hưởng xấu tới quá trình truyền dẫn, mặtkhác nó có khả năng khuếch đại tín hiệu Các nghiên cứu sau này chủ yếu nghiêncứu khả năng khuếch đại tín hiệu của tán xạ Raman Bộ khuếch đại Raman ra đờitrên cơ sở của hiện tượng này.Với nhiều ưu điểm thì bộ khuếch đại Raman rất phùhợp với hệ thống WDM Nó cho phép khoảng cách truyền dẫn tín hiệu xa hơn,dung lượng lớn hơn

Nhận thấy được tầm quan trọng của bộ khuếch đại Raman, em đã chọn đề tài

“ Bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang”

Nội dung đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về tán xạ Raman cũng như ảnh hưởng của nó đến các hệthống thông tin quang

Chương 2: Bộ khuếch đại Raman

Chương 3: Ứng dụng của bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Vũ Văn Rực đã giúp em hoànthành đồ án này cùng tất cả các thầy, cô giáo trong bộ môn

CHƯƠNG I TÁN XẠ RAMAN 1.1 Tổng quan về tán xạ Raman

1.1.1 Sợi quang

Sợi quang là ống dẫn sóng có khả năng truyền thông tin dưới dạng ánh sáng.Kíchthước rất nhỏ

Về cấu tạo thì sợi quang gồm 2 lớp cơ bản:

+ Lớp lõi ở trong thường làm bằng thủy tinh, hình trụ tròn, có chiết suất n1

+ Lớp vỏ bọc ngoài thường làm bằng thủy tinh hoặc plastic hình trụ, có chiết suất

n2 < n1

Hình 1.1 Cấu tạo của sợi quang

Cần phải để ý đến các yếu tố như tán sắc, suy hao trong sợi, các hiệu ứng phi tuyến, … có thể tác động tới tín hiệu quang trong sợi quang

Sợi quang thường được chế tạo từ SiO2.Cũng có thể thay đổi một số thông số củasợi quang bằng cách pha tạp sợi quang với một số chất khác Ví dụ muốn thay đổichiết suất lõi của sợi quang thì thêm vào nó GeO2 và P2O5

1.1.2 Các hiệu ứng phi tuyến

“Các hiệu ứng phi tuyến là các hiệu ứng quang mà các tham số của nó phụ thuộcvào cường độ ánh sáng”

Đối với các hệ thống thông tin quang làm việc ở các mức công suất trung bình thì

ta coi như ảnh hưởng của các hiện tượng phi tuyến là không đáng kể Còn đối vớicác hệ thống làm việc ở mức công suất cao hơn thì cần phải xem xét đến sự ảnhhưởng của các hiện tượng phi tuyến.Đặc biệt trong các hệ thống WDM, với yêucầu cao về chất lượng thì việc nghiên cứu các hiện tượng phi tuyến là rất quangtrọng

Các hiệu ứng phi tuyến gồm hai loại:

Đầu tiên là tán xạ Rayleigh sinh ra do sự tác động tương tác lẫn nhau giữa sóngánh sáng và phonon Trong tán xạ Rayleigh thì lại gồm tán xạ do kích thíchBrillouin và tán xạ do kích thích Raman

Thứ hai là hiệu ứng Kerr sinh ra do sự ảnh hưởng của cường độ điện trường hoạtđộng đối với chiết suất Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng trong loại này gồmhiệu ứng tự điều pha(SPM),hiệu ứng điều chế xuyên pha(CPM),hiệu ứng trộn bướcsóng(FWM)

Sau đây là một số công thức tính toán

Mối liên quan giữa công suất, chiết suất và cường độ ánh sáng:

n= n0 + n0I = n0 + ( n2

A eff) (1.1)Trong đó A eff là diện tích hiệu dụng của sợi quang, n2được gọi là chỉ số chiết suất phi tuyến, n o là thành phần phụ thuộc bước sóng của chiết suất Hệ số phi tuyến chính là tỷ số n /2 A eff Một tham số nữa cũng không thể bỏ qua khi tìm hiểu về các hiện tượng phi tuyến đó là tham số γ

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

là diện tích hiệu dụng của sợi. là bước sóng ánh sáng

Ngoài những yếu tố nêu ở trên còn một số yếu tố có thể kể đến ở đây đó là độ dài sợi, khoảng cách giữa các kênh, công suất của tín hiệu

1.1.3 Tán xạ ánh sáng

Tán xạ là hiện tượng ánh sáng bị lệch phương so với phương ban đầu khi truyền qua môi trường vật chất

Năm 1928 nhà khoa học Raman phát hiện ra hiện tượng tán xạ Raman

Khi chiếu chùm ánh sáng vào môi trường vật chất thì một phần ánh sáng bị tán xạcòn đa phần ánh sáng sẽ truyền thẳng Tùy vào môi trường mà ánh sáng chiếu vào

sẽ gây ra những loại tán xạ khác nhau Điển hình là các loại tán xạ Raman,Brillouin,Rayleigh…

Tán xạ Raman và tán xạ Brilouin là các quá trình tán xạ không đàn hồi , các phân

tử sẽ bị đẩy nên trạng thái kích thích khi có ánh sáng truyền qua và làm cho tần sốánh sáng tới sẽ khác với tần số của ánh sáng tán xạ Trong khi đó tán xạ Rayleigh

là tán xạ đàn hồi, khi có ánh sáng truyền qua thì các phân tử vật chất không bị kíchthích mà vẫn giữ nguyên trạng thái và tần số ánh sáng tới bằng tần số ánh sáng tánxạ

Trong sợi quang thì các hiệu ứng tán xạ sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng đườngtruyền, làm giảm cự ly truyền cũng như giảm chất lượng hệ thống truyền dẫnquang Tán xạ cũng là tác nhân gây nhiễu lẫn nhau giữa các kênh trong hệ thốngWDM

Bên cạnh những ảnh hưởng xấu đến chất lượng truyền dẫn thì tán xạ Raman cũng

có những ưu điểm như sử dụng để khuếch đại Tán xạ Raman được ứng dụng trongcác bộ khuếch đại Raman làm việc ở những ánh sáng có bước sóng mà khuếch đạiquang sợi EDFA không thể hoạt động được Ngoài tán xạ Raman thì tán xạ

Brilouin cũng có một số ưu điểm, nó được ứng dụng trong các bộ cảm ứng nhiệtđộ.

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

+ Thành phần Stokes ứng với tần số nhỏ hơn tần số ánh sáng tới

+ Thành phần đối Stokes ứng với tần số lớn hơn tần số ánh sáng tới

Hình 1.3 Hiện tượng tán xạ Raman

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

Trong quá trình tán xạ Raman tự phát, các photon sẽ được sinh ra khi ánh sáng tớitương tác với môi trường Các photon sinh ra sẽ có tần số nhỏ hơn hoặc lớn hơntần số của ánh sáng tới tuỳ thuộc vào bản chất của môi trường

Khi được hấp thụ một photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa trạng tháikích thích và trạng thái đầu thì electron sẽ chuyển từ trạng thái khởi đầu lên trạngthái kích thích Khi từ trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cuối electron sẽphát xạ một photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng trạng thái ảo và trạng tháicuối

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 1.4 Giản đồ năng lượng của hiện tượng tán xạ Raman

Hiệu suất tán xạ Raman có thể được nâng cao ( có thể đạt đến 20-30 %)bằng cách kích thích bởi chùm laser với mật độ photon rất cao Tán xạ Raman kíchthích tiêu biểu cho một quá trình tán xạ mạnh với tác dụng của trường laser và vậtchất

Công suất bơm đầu vào sẽ tỉ lệ với công suất của sóng Stoke Nhưng khi công suấtsóng bơm vượt qua một ngưỡng nhất định thì công suất sóng Stoke sẽ tăng lên theo

quy luật hàm mũ Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là quá trình tán xạ Ramankích thích

1.2 Đặc tính của tán xạ Raman kích thích.

1.2.1 Phổ độ khuếch đại Raman.

Đối với một bộ khuếch đại thì hệ số khuếch đại là yếu tố quan trọng để đánh giáchất lượng của bộ khuếch đại đó Trong bộ khuếch đại Raman thì hệ số khuếch đại

g R mô tả sự tăng cường về mặt cường độ của sóng Stoke và được xác định như sau:

d I S

d Z = g R(Ω)I P I S (1.3)Trong đó, IS là cường độ sóng Stoke, IP là cường độ sóng bơm và gR là hệ sốkhuyếch đại Raman

g R thường phụ thuộc vào cấu tạo cũng như vật liệu chế tạo nên sợi quang,khi tathay đổi cấu tạo, vật liệu chế tạo nên sợi quang thì ta có thể thay đổi được hệ số g R,thường thì người ta thường pha thêm tạp chất vào lõi sợi quang.Dưới đây là hệ sốkhuếch đại của sợi silic tại bước sóng bơm p =1 μmm (Hình 1.5) Nếu p ≠ 1 μmm

, thì gR được tính bằng cách lấy nghịch đảo sự phụ thuộc của gR vào p

Hình 1.5 Phổ khuếch đại Raman của Silic ở bước sóng bơm p  1 m

Với sợi Silic thì phổ khuếch đại Raman trải dài và liên tục trên một phạm vi khárộng( từ 0 đến 42 THz).Nhờ đó mà sợi quang có thể làm việc như một bộ khuyếch đại ở dải tần rộng.

1.2.2 Ngưỡng Raman.

Ngưỡng Raman được định nghĩa là công suất bơm đầu vào sao cho ở đầu racông suất bơm và công suất Stoke là bằng nhau

) exp(

) ( )

P s  p  o  p (1.4 )Trong đó:

eff

A o I

P0  0( ). ( 1.5 )Phần lớn công suất bơm sẽ chuyển thành công suất Stoke nếu như công suấtbơm vượt quá giá trị ngưỡng

eff

P exp( / )  (1.6)Trong đó P so eff cũng phụ thuộc vào P o Từ phương trình (1.6) ta có thể tính đượcgiá trị ngưỡng Raman Giá trị công suất bơm tới hạn (P O th) gần đúng được cho bởi:

eff eff

th o

g / 16 (1.7)Công thức trên là điều kiện ngưỡng Raman thuận, điều khiện ngưỡng Ramanngược có được bằng cách thay giá trị 16 trong phương trình (1.7) bằng 20 Cũngcần phải chú ý là khi đi xây dựng phương trình (1.7) ta giả sử phân cực của sóngbơm và sóng dò bảo toàn trong quá trình lan truyền Nếu sự phân cực không đượcbảo toàn, ngưỡng Raman sẽ tăng lên một hệ số trong khoảng 1 đến 2 Đặc biệt, nếunhư sự phân cực bị xáo trộn hoàn toàn thì ngưỡng Raman sẽ tăng lên 2 lần

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

sổ có suy hao nhỏ nhất cỡ 0.2dB/km), L eff 20km. Thông thường thì A eff=50 m 2,giá trị ngưỡng Raman cỡ khoảng 600mW Bởi vì trong thực tế công suất của các

hệ thống thông tin quang vào cỡ 110mW nên hệ thống không bị ảnh hưởng bởiSRS Trong vùng ánh sáng nhìn thấy A eff=1020 m 2, giá trị công suất ngưỡng

W

P th

o ~ 10 với cự ly truyền dẫn L=10m Khi công suất vào bằng với giá trị ngưỡng,công suất bơm chuyển thành công suất Stoke rất nhanh chóng Trong thực tế, sóngStoke sẽ hoạt động như một sóng bơm và sinh ra sóng Stoke cấp 2 nếu như côngsuất của nó đủ lớn để thoả mãn phương trình (1.7) Kết quả là nếu công suất bơmlớn, bên trong sợi sinh ra rất nhiều sóng Stoke và số lượng các sóng Stoke phụthuộc vào công suất vào

1.3 Ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang.

1.3.1 Ảnh hưởng của SRS đối với hệ thống đơn kênh.

Sự chuyển dịch năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh cóbước sóng cao hơn xảy ra khi ta đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu cóbước sóng khác nhau.Nguyên nhân gây ra hiệu ứng này chính là do tán xạ Ramankích thích SRS Đây là một hiệu ứng cơ bản làm cơ sở cho khuếch đại quang vàlaser

Hình1.6 Ảnh hưởng của SRS Năng lượng từ kênh bước sóng thấp được chuyển

sang kênh bước sóng cao hơn.

Không giống như SBS, SRS là một hiệu ứng băng rộng Hình 1.7 cho thấy

độ lợi là một hàm của khoảng cách bước sóng Giá trị đỉnh của hệ số độ lợi gRxấp xỉ 6x10-14 m/W ở bước sóng 1550 nm nhỏ hơn nhiều so với độ lợi của SBS.Tuy nhiên, các kênh cách nhau đến 15 THz (125nm) sẽ bị tác động của SRS SRSgây ảnh hưởng trên cả hướng truyền và hướng ngược lại Mặc SRS giữa các kênhtrong hệ thống WDM ảnh hưởng xấu cho hệ thống, SRS có thể được dùng đểkhuếch đại hệ thống

Khoảng cách kênh

Hình1.7 Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh.

Công suất ngưỡng cho SRS có thể tính bằng công thức sau:

Pth(SRS)= R eff

eff

L g

Ảnh hưởng của tán xạ Raman sẽ tăng khi có hai hay nhiều hơn tín hiệu quang truyền trong một sợi quang Nếu như hai kênh có khoảng cách tần số bằng đúng độ dịch tần của áng sáng tán xạ, tín hiệu tại tần số cao sẽ bị suy hao và tín hiệu tại tần số thấp sẽ được khuếch đại Tín hiệu tại tần số cao sẽ đóng vai trò là tín hiệu bơm.

Tỉ lệ chuyển đổi công suất quang giữa hai kênh phụ thuộc vào tần số Stoke Vì độ rộng băng tán

xạ Raman rất rộng nên hiệu ứng tán xạ Raman vẫn xảy ra khi hai kênh cách nhau tới 13 THz

Hình 1.8 Mẫu xung NRZ trong hệ thống WDM hai kênh

a)Tín hiệu vào sợi quang b)Tín hiệu ra do ảnh hưởng của SRS

Như vậy đối với hệ thống WDM, do hiệu ứng tán xạ Raman kích các kênh tạibước sóng ngắn sẽ bị suy hao mất một phần và đóng vai trò là ánh sáng bơm Giữacác kênh sẽ có xuyên âm và SRS của các kênh sẽ bị giảm.Trên hình 1.8 là mẫuxung NRZ của một hệ thống WDM hai kênh đơn giản Kênh thứ nhất có tần sốlớn hơn bị mất một phần công suất cho kênh thứ hai đặc biệt khi truyền bit “1” tạicùng một thời điểm Hiệu ứng SRS sẽ không xuất hiện tại thời điểm của các bit

“0”

Các hệ thống sử dụng khuếch đại, ảnh hưởng của SRS lớn hơn Trên toàn bộđường truyền cả tín hiệu và nhiễu đều bị suy giảm Mức suy giảm của nhiễu chỉbằng một nửa mức suy giảm của tín hiệu

Với hệ thống DWDM, mỗi bước sóng đóng vai trò vừa là sóng Stoke với bướcsóng ngắn hơn,vừa là một nguồn bơm với bước sóng nào dài hơn nó.Công suất sẽchuyển đổi từ các kênh có tần số cao hơn đến các kênh có tần số thấp hơn Nếu tađưa vào công suất của các kênh là như nhau, thì ta được phổ như sau:

Hình 1.9 Các kênh trong WDM không có tán xạ Raman

Hình 1.10 Các kênh trong WDM khi có tán xạ Raman

Hình 1.11 sẽ mô tả sự phụ thuộc của số kênh tối đa theo chiều dài tuyến truyềndẫn, giả thiết hệ thống WDM sử dụng các bộ khuếch đại lý tưởng

10 50 100 500 1000

100 200 500 1000 2000 5000

100 1000

5000

10000

Số lượng kênh

Dung lượng(Gb/s)

Chiều dài (km)

LA=25 km

50 km

100 km

150 km

Hình 1.11 Số kênh tối đa phụ thuộc vào chiều dài tuyến truyền dẫn

Với 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

Nếu hệ thống có tổng công suất và băng tần không đổi, ảnh hưởng của SRS có thểđược xác định trước Phần công suất tín hiệu bị suy giảm có thể được bù chính xácbằng 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 bướcsóng Hệ thống này cũng khá đơn giản không cần thêm thiết bị quang nào khác nếu

nó sử dụng EDFA làm bằng phẳng tăng ích quang

Tham số độ nghiêng Raman

Tán xạ Raman gây ra hiện tượng xuyên âm không những làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu( SNR) của các kênh mà dẫn đến hiện tượng gọi là “độ nghiêng Raman” trong phân bố công suất đầu ra của các kênh trong hệ thống WDM.

Trong hệ thống WDM gồm có N kênh, tham số “ Độ nghiêng Raman” tính như sau:

P

P Log dB

(1.10)Tham số “ Độ nghiêng Raman” gây ra do hiệu ứng tán xạ Raman làm giảmhiệu năng của hệ thống Nếu khắc phục được hiện tượng này ta có thể tăng khoảngcách giữa các bộ khuếch đại, tăng băng tần tổng, tăng công suất của mỗi kênh.Một phương pháp hiệu quả để khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng “ nghiêngRaman” là sử dụng hai nguồn bơm thuận với bước sóng được lựa chọn thích hợp.Khi đó nguồn bơm bước sóng ngắn hơn sẽ khuyếch đại những kênh có bước sóngngắn trong khi nguồn bơm thứ hai sẽ chuyển công suất cho những kênh bước sóngtrung bình Kết quả là các kênh có bước sóng cao hơn sẽ có độ dịch tần so với sóngbơm vượt ra ngoài phổ khuyếch đại Raman Do đó các kênh này sẽ được khuyếchđại bởi chính những kênh có bước sóng thấp hơn thông qua hiện tượng SRS dẫnđến độ chênh lệch công suất đầu ra của các kênh sẽ giảm như chỉ ra trên Hình 1

Khoảng cách [km]

0

1.0 0.9

0.8

Hình 1.12 - Công suất đầu ra chuẩn hoá của hệ thống WDM khi sử dụng hai nguồn bơm với P1  1422nm, P2  1448nm,P P1  28 8mW,P P2  24mW

CHƯƠNG II ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUẾCH ĐẠI

2.1 Sự cần thiết phải khuếch đại quang.

Với nhu cầu truyền dẫn thông tin ngày càng tăng, với sự phát triển của cácdịch vụ đa phương tiện lưu lượng mạng đang ngày một gia tăng một cách nhanhchóng.Điều này dẫn đến sự ra đời của các tuyến đường trục cáp quang với dunglượng lớn hơn, khoảng cách truyền xa hơn Nhưng khi truyền thông tin đi xa bằngcác sợi quang lại gặp phải một vấn đề là tín hiệu quang sẽ bị suy yếu dần trênđường truyền Khi khoảng cách mà quá lớn có thể dẫn đến không thể thu được tínhiệu quang hoặc thu được tín hiệu với mức công suất rất nhỏ, khi đó ta phải sửdụng các bộ lặp quang để khôi phục lại tín hiệu quang để bảm bảo cự ly thông tintruyền Một bộ lặp quang sẽ hoạt động như sau: đầu tiên các tín hiệu quang suy yếuđược đưa vào bộ lặp sẽ không được khuếch đại trực tiếp mà phải chuyển đổi từ tínhiệu quang sang tín hiệu điện nhờ khối O/E.Các tín hiệu quang đã được chuyển đồithành tín hiệu điện sẽ được khuếch đại.Sau đó bộ E/O sẽ chuyển từ tín hiệu điệnsang tín hiệu quang

Sợi quang

Miền quang

Sợi quang

Hình 2.1 Các bộ lặp quang điện

Khối E/O: Tại đây tín hiệu sẽ được tiếp nhận và sẽ được biến đổi từ tín hiệu điệnthành tín hiệu quang và đưa tín hiệu lên đường truyền

Khối O/E: Thu nhận tín hiệu quang và biến trở lại như thành tín hiệu điện như ở đầu phát

Trạm lặp: Các tín hiệu quang đã suy yếu sẽ được đi qua trạm lặp.Trạm lặp

có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu ở dạng điện sau đó chuyển tín hiệu đã đượckhuếch đại thành tín hiệu quang

Tuy nhiên các bộ lặp quang điện cũng tồn tại rất nhiều hạn chế Phức tạp vềthành phần cũng như hoạt động, bị hạn chế bởi khả năng làm việc của các thiết bịđiện tử Các bộ lặp quang điện chỉ phù hợp sử dụng cho các hệ thống đơn giản như

hệ thống đơn kênh tốc độ thấp Khi mà các hệ thống WDM ra đời thì các bộ lặpquang điện không đáp ứng được yêu cầu của hệ thống vì nó quá phức tạp Một bộlặp chỉ đáp ứng đủ cho một kênh bước sóng Khi mà sử dụng hệ thống có nhiềukênh thì đòi hỏi phải có các bộ ghép kênh quang để ghép các kênh với nhau Mặtkhác, hoạt động của bộ lặp quang điện phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu vìvậy việc nâng cấp hệ thống sử dụng bộ lặp quang điện rất phức tạp

Với nhiều hạn chế của trạm lặp thì kỹ thuật khuếch đại quang đã được ra đời

để khắc phục được nhiều hạn chế trên.Với việc sử dụng cácbộ khuếch đại quangthì thay vì phải khuếch đại điện thì ta khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, do đókhông cần phải các mạch điện tử để chuyển đổi E/O và O/E Khuếch đại quang còncho phép khuếch đại đồng thời các kênh quang trong bộ toàn bộ dải tần Ngoài ra

nó không phụ thuộc vào phương thức điều chế và tốc độ bit do nó chỉ tác động vàothành phần biên độ chứ nó không tác động vào thành phần thời gian và dạng tínhiệu

2.2 Nguyên lý bộ khuếch đại quang

“Nguyên lý khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và không có cộng hưởng trong khuếch đại.”

Dưới đây là ba hiện tượng biến đổi quang điện

a.Hấp thụ b.Phát xạ tự phát c.Phát xạ kích thích

Hình 2.2 Các hiện tượng biến đổi quang điện

Hiện tượng phát xạ kích thích:Khi ta kích thích một điện tử ở mức nănglượng cao bằng một photon mang năng lượng Eg với điều kiện Eg= E2 – E1.Khi

đó, sẽ xảy ra sự chuyển dịch năng lượng của điện tử từ mức cao xuống mức thấphơn và giải phóng năng lượng Đây là tiền đề để ra đời bộ khuếch đại quang

Hiện tượng hấp thụ: Khi một điện tử ở mức năng lượng thấp hấp thụ mộtphoton mang năng lượng với điều kiện photon mang năng lượng Eg = E2–E1.Khi

đó điện tử sẽ chuyển lên mức năng lượng Nó chính là tác nhân dẫn đến mất máttín hiệu quang

Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi có sự chuyển dịch năng lượng củađiện tử từ mức cao xuống thấp, đồng thời tạo ra photon mang năng lượng Nóchính là tác nhân gây nhiễu

2.3 Phân loại khuếch đại quang.

Cấu tạo tổng quát của một bộ khuếch đại quang như sau:

Hình 2.3 Mô hình tổng quát của khuếch đại quang

Trong mỗi bộ khuêch đại quang luôn tồn tai một vùng được gọi là vùng tích

cực( active medium) , tại vùng tích cực thì xảy ra quá trình khuếch đại các tín hiệu quang

Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính:

Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier):

- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn

Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laserbán dẫn Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạngthái dưới mức ngưỡng phát xạ

- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu

quang là dòng điện Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber

Amplifier)

Loại thứ 2 đó là khuếch đại quang OFA

Khác với bộ khuêch đại SOA, vùng tích cực của khuếch đại quang OFAđược cấu tạo từ sợi quang pha đất hiếm Nguồn bơm của loại khuếch đại này lànăng lượng của các laser quang.

Để cung cấp năng lượng cho bộ khuếch đại thì yêu cầu nguồn bơm phải cóbước sóng nhỏ hơn bước sóng tín hiệu cần truyền

Nổi bật trong OFA là bộ khuếch đại EDFA Thực tế đã chứng minh bộ khuếchđại EDFA có nhiều ưu điểm và đang được sử dụng khá rộng rãi

Gần đây với sự phát triển của hệ thống WDM thì bộ khuếch đại Raman cũngđược sử dụng nhiều Loại khuếch đại này hoạt động dựa trên hiện tượng tán xạRaman kích thích

2.4 Các tham số cơ bản của bộ khuếch đại quang.

2.4.1 Hệ số độ lợi

Từ nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại Bộ khuếch đại hoạt động đượcthì phải thỏa mãn điều kiện đảo lộn mật độ Muốn thực hiện được điều này thì tacần phải bơm quang hay bơm điện vào bộ khuếch đại Như vậy ngoài bước sóngtruyền, khuếch đại quang còn phụ thuộc vào mật độ hạt của vật liệu, cường độbơm

Nếu vật liệu là đồng nhất ta có phương trình:

g(ω)= g o

1+ ¿ ¿ (2.1)Với g o là giá trị đỉnh của độ lợi

ωlà tần số của tín hiệu quang tới

ω0 là tần số truyền trung tâm

P là công suất của tín hiệu được khuếch đại

P s là công suất bão hòa

Hệ số T2 là thời gian hồi phục phân cực

Công suất bão hòa P s phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại

Phương trình (2.1) có thể được dùng để mô tả các đặc tính của bộ khuếch đại như hệ số khuếch đại, công suất đầu ra bão hòa, băng tần độ lợi.

Khi P P

s <<1, tức là ở chế độ chưa bão hòa, phương trình (2.1) sẽ là:

g(ω)= g o

1+ ¿ ¿ (2.2)Khi tần số khuếch đại bằng tần số trung tâm ¿ =ω0 ) ta có được hệ số độ lợi lớn nhất

Nếu gọi P¿ , P out lần lượt là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại Khi

đó hệ số khuếch đại sẽ là:

G=P out

P¿ (2.3)Mặt khác, ta có:

dP

dz=gP (2.4)

Trong đó, P(z) là công suất tín hiệu tại vị trí z với đầu vào

Giả sử khoảng rộng của bộ khuếch đại là L, khi đó P out = P(L) Suy ra hệ sốkhuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là:

   0 T2

Hình2.4 Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi.

2.4.2 Băng thông độ lợi

Công thức xác định độ lợi:

∆ v g = ∆ ω g

2 π =π T1

2 (2.7)Các tín hiệu đưa vào có tần số khác nhau sẽ không có cùng độ lợi

Băng tần khuếch đại ∆ v A liên quan đến ∆ v g được xác định theo công thức sau:

2 / 1

0 / 2 ) ln(

2 ln

v A g

(2.8)Với G0 = exp(g0L)

Ta có thể thấy, băng tần khuếch đại nhỏ hơn băng tần độ lợi

2.4.3 Công suất ngõ ra bão hòa.

2.4.3.1 Độ lợi bão hòa

Từ phương trình (2.1) ta thấy độ bão hòa của độ lợi phụ thuộc vào giá trị g(ω¿. Khi

P tiệm cận P s thì g giảm dần, khi công suất tín hiệu tăng thì hệ số khuếch đại G giảm Chúng ta coi giá trị đỉnh xảy ra khi ω = ω o Theo công thức 2.1 và 2.4, chúng

ta có:

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của công suất ra( theo P s ) theo độ lợi G( theo Go).

2.4.3.2 Công suất ngõ ra bão hòa

Công suất ngõ ra bão hòa là công suất cực đại được tạo ra ở cổng ra (P out s )

)

1 exp(

G G