ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU QUANG

Mỗi bộ lặp chỉ đáp ứng được cho một kênh bước sóng, do đó phải thực hiện tách các kênh quang trước khi thực hiện lặp điện và sau khi lặp từng kênh phải sử dụng bộ ghép kênh quang để ghép

ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH

ĐẠI TÍN HIỆU QUANG

2.1 Sự cần thiết phải khuyếch đại quang

Như đã thấy ở chương 1, khoảng cách truyền dẫn của bất kỳ hệ thống thông tin quang sợi nào đều bị giới hạn bởi suy hao Đối với các hệ thống cự ly dài, có thể khắc phục suy hao này bằng cách sử dụng các bộ lặp quang điện

Trong các bộ lặp điện này tín hiệu quang trước hết được chuyển đổi thành tín hiệu điện, tái tạo và chuyển lại thành tín hiệu quang

Hình 2.- Bộ lặp điện.

Nhược điểm của bộ lặp điện

Các bộ lặp điện như trên rất phức tạp về thành phần cũng như hoạt động, chúng bị hạn chế bởi khả năng của các thiết bị điện tử Việc giám sát các bộ lặp điện này cũng rất phức tạp Các bộ lặp điện chỉ phù hợp cho các hệ thống đơn kênh tốc độ thấp Đối với các hệ thống ghép kênh WDM thì các bộ lặp điện không đáp ứng được các yêu cầu của

hệ thống vì nó quá phức tạp Mỗi bộ lặp chỉ đáp ứng được cho một kênh bước sóng, do

đó phải thực hiện tách các kênh quang trước khi thực hiện lặp điện và sau khi lặp từng kênh phải sử dụng bộ ghép kênh quang để ghép các kênh lại với nhau Hơn nữa hoạt động của các bộ lặp điện phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu, phải tái tạo lại tín hiệu điện bằng phương pháp giải điều chế tương ứng Vì vậy việc nâng cấp hệ thống sử dụng bộ lặp điện rất phức tạp

Ngược lại, trong các hệ thống sử dụng khuyếch đại quang, các bộ khuyếch đại quang không bị giới hạn bởi các thiết bị điện tử vì bộ khuyếch đại quang khuyếch đại trực tiếp

tín hiệu quang, không qua bất kỳ một giai đoạn chuyển đổi quang điện nào Khuyếch đại quang không phụ thuộc vào dạng tín hiệu và dạng điều chế do nó chỉ tác động vào thành phần biên độ chứ không tác động vào thành phần thời gian và dạng tín hiệu Khi thay đổi phương pháp điều chế thì hệ thống không cần thay đổi các bộ khuyếch đại Do

đó khuyếch đại quang tạo điều kiện dễ dàng nâng cấp hệ thống Ngoài ra, khuyếch đại quang có thể cho phép khuyếch đại đồng thời các kênh quang trong toàn bộ dải tần Do

đó khi thêm một kênh quang nếu như bước sóng mới nằm trong dải khuyếch đại bằng phẳng của bộ khuyếch đại quang thì không cần thiết thay đổi bộ khuyếch đại quang.Năm 1996, bộ khuyếch đại quang đầu tiên được sử dụng trong hệ thống cáp quang TAT 12,13 do AT&T và các đối tác lắp đặt Hệ thống thông tin này với việc sử dụng khuyếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA đã tăng dung lượng của hệ thống lên gấp

10 lần Tuyến TAT-12 có tổng chiều dài là 5900 km với khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại quang là 33 km Có thể nói khuyếch đại quang là chìa khoá cho sự phát triển của các mạng quang dung lượng lớn và cự ly xa

2.2 Những khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang.

2.2.1 Phổ khuyếch đại và băng tần bộ khuyếch đại

Hầu hết các bộ khuyếch đại quang đều thông qua hiệu ứng phát xạ kích thích Khuyếch đại đạt được khi bộ khuyếch đại được bơm quang hay bơm điện để thoả mãn điều kiện đảo lộn mật độ Nhìn chung khuyếch đại quang không chỉ phụ thuộc vào tần

số (hoặc bước sóng) của tín hiệu tới mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm ở các điểm bên trong sợi tức là phụ thuộc cả vào môi trường khuyếch đại Để đơn giản giả sử môi trường khuyếch đại là đồng nhất Khi đó hệ số khuyếch đại có thể được tính theo công thức:

s

P P T

g g

/)

(1)

2

2 0

0+

−+

=

ωω

ω

(2.)

Trong đó g0là giá trị đỉnh của khuyếch đại,ω

là tần số của tín hiệu quang tới, 0

suất bão hoà Công suất bão hoà s

2 2

2 0

0

) (

1 ) (

T

g g

ωω

ω

− +

T

fs Các bộ khuyếch đại quang với băng tần rộng được sử dụng trong các hệ thống WDM do chúng

có hệ số khuyếch đại tương đối bằng phẳng trên một dải tần rộng

giảm

nhanh hơn so với g(ω)

Điều này có thể thấy rõ trên Hình 2., đây là đồ thị biểu diễn sự

phụ thuộc của 0

/ g g

và 0

/ G G

)

Hình 2.- Hệ số khuyếch đại chuẩn hoá của bộ khuyếch đại quang.

2.2.2 Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang.

Tất cả các bộ khuyếch đại đều làm giảm SNR (Signal-to-Noise ratio) của tín hiệu được khuyếch đại do hiện tuợng phát xạ tự phát cộng thêm nhiễu trong quá trình khuyếch đại Tương tự như các bộ khuyếch đại điện sự suy giảm của SNR được biểu thị

phụ thuộc vào các tham số của bộ thu quang Trong trường hợp bộ thu quang là

lý tưởng tức là hiệu năng của bộ thu quang chỉ phụ thuộc vào nhiễu nổ

f hv

P f

RP q

RP I

in

in s

in = = 2 ( )∆ = 2 ∆

)()

(

2 2

2σ

(2.)

N N

bộ thu quang:

sp

in E E G R

cos )

(

sp

in E GP R

2σ

(2.)SNR đầu ra của bộ thu quang là:

f S

GP RGP

I SNR

sp

in in

)(2

2 2

2σ

σ

(2.)Hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại:

sp sp

F = 2 ( − 1 ) / ≈ 2

(2.)

Phương trình (2.17) chỉ ra rằng SNR của tín hiệu sau khuyếch đại sẽ giảm 3 dB

ngay cả khi bộ khuyếch đại là lý tưởng có

2.2.3 Các ứng dụng khuyếch đại

Các bộ khuyếch đại có rất nhiều ứng dụng trong hệ thống thông tin quang, ba ứng dụng phổ biến nhất được chỉ ra trên Hình 2

Tx:Phía phát Rx:Phía thu.

Hình 2.- Các ứng dụng của bộ khuyếch đại quang: (a) Khuyếch đại quang sợi; (b)

Khuyếch đại công suất; (c) Bộ tiền khuyếch đại

Đối với các hệ thống thông tin quang đường dài, các bộ khuyếch đại quang nằm ngay bên trong sợi quang được sử dụng thay cho các bộ lặp điện Số lượng các bộ khuyếch đại quang sử dụng trên hệ thống có thể tăng chừng nào mà hiệu năng của hệ thống không bị giới hạn bởi các hiệu ứng tích luỹ như tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến và nhiễu khuyếch đại Đối với các hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM) thì các bộ khuyếch đại quang giữ vai trò rất quan trọng vì tất cả các kênh sẽ được khuyếch đại đồng thời

Ngoài ra có thể sử dụng bộ khuyếch đại quang đặt ngay sau nguồn phát quang để tăng công suất phát Những bộ khuyếch đại quang như vậy được gọi là bộ khuyếch đại công suất (power booster) Một bộ khuyếch đại quang có thể tăng khoảng cách truyền dẫn lên 100 km hoặc hơn tuỳ thuộc vào hệ số khuyếch đại và suy hao sợi Cũng có thể tăng khoảng cách truyền dẫn bằng cách đặt một bộ khuyếch đại quang ngay trước bộ thu quang để khuyếch đại công suất thu Những bộ khuyếch đại như vậy được gọi là bộ tiền khuyếch đại và thường được sử dụng để tăng độ nhạy thu Các bộ khuyếch đại quang còn được ứng dụng rất rộng rãi trong hệ thống ghép bước sóng WDM

2.3 Bộ khuyếch đại quang Raman

2.3.1 Nguyên lý bơm

Bộ khuyếch đại quang Raman dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (SRS) SRS khác phát xạ kích thích ở chỗ: Trong trường hợp phát xạ kích thích thì một photon tới kích thích sự phát xạ của một photon khác giống hệt mà không bị mất năng lượng của nó Trong trường hợp SRS thì photon bơm sẽ mất một phần năng lượng và tạo ra một photon khác có tần số nhỏ hơn Phần năng lượng mất đi bị hấp thụ bởi môi trường dưới dạng dao động phân tử Do đó bộ khuyếch đại Raman phải được bơm quang để có

thể khuyếch đại Luồng bơm và tín hiệu ở tần số

p

ω

và s

ωđược đưa vào sợi quang thông qua một coupler quang Năng lượng sẽ được truyền từ sóng bơm sang tín hiệu vì cả sóng bơm và tín hiệu cùng truyền trong sợi quang Bước sóng bơm được lựa chọn theo phương thức mà một trong số các ánh sáng Stoke chính là bước sóng tín hiệu: trong điều kiện này, tín hiệu hoạt động như một mầm cho quá trình tán xạ kích thích

Hình 2.- Nguyên lý bơm thuận và bơm ngược

Nguồn bơm là điểm trở ngại chủ yếu của thiết bị khuyếch đại quang Raman Trong thực tế hầu hết các thí nghiệm đã được thực hiện với các thiết bị laser Nd:YAG cồng kềnh Đối với các thiết bị khuyếch đại quang Raman, có hai kiểu bơm cơ bản là bơm thuận và bơm ngược Trong cấu hình bơm thuận, tín hiệu và công suất bơm được đưa vào sợi cùng một chiều, trong khi đó, với cấu hình bơm ngược, tín hiệu và sóng bơm được ghép vào hai đầu của sợi quang và truyền theo hướng ngược nhau Trong trường hợp đầu, bộ khuyếch đại Raman sử dụng tốt như là bộ khuyếch đại công suất, làm mạnh tín hiệu tại đầu vào Cấu hình thứ hai thì phù hợp hơn với ứng dụng khuyếch đại các tín hiệu yếu tại đầu thu Cấu hình bơm ngược có ưu điểm là sự dao động công suất bơm

vừa phải, đây cũng là cấu hình thường được sử dụng trong thực tế Ngoài ra cũng có thể

sử dụng cấu hình bơm hai chiều hoặc sử dụng nhiều sóng bơm để mở rộng và làm bằng phẳng phổ khuyếch đại Raman

Hình 2.- Khuyếch đại Raman sử dụng nhiều ánh sáng bơm

2.3.2 Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman

Phổ khuyếch đại Raman đã được trình bày ở Error: Reference source not found Hệ

số khuyếch đại Raman R

g

liên quan đến hệ số khuyếch đại quang g(z) theo công thức:

) (

( ) ( g R P p A eff

(2.)

Hình 2 Hiệu suất khuyếch đại Raman (

eff

R A

g /

) cho các loại sợi quang khác nhau

Do có độ rộng băng tần lớn nên bộ khuyếch đại Raman đang được chú ý trong các ứng dụng thông tin quang Tuy nhiên để đạt được khuyếch đại đòi hỏi phải có một công

suất bơm tương đối lớn Ví dụ nếu R

g

=

)/(10

2.3.3 Tăng ích quang Raman

Để xem xét đặc tính bộ khuyếch đại Raman chúng ta cần phải tính toán đến cả suy hao trên sợi quang, do chiều dài sợi yêu cầu đối với khuyếch đại Raman Như chương 1

đã trình bày, sự biến đổi của công suất bơm và công suất tín hiệu dọc theo sợi được tính toán băng cách giải hệ phương trình:

s p eff R s s

s dz P g A P P

dP / = −α + ( / )

(2.)

p s eff R s p p p

Ta xem xét trong trường hợp khuyếch đại tín hiệu nhỏ, khi đó có thể bỏ qua sự suy giảm của xung bơm Tương tự như ở chương 1 ta xác định được công suất tín hiệu ở đầu ra của sợi có chiều dài L:

) /

exp(

).

0 ( )

)0()

P s = s −αs

nên trong trường hợp không có khuyếch đại Raman thì hệ

số tăng ích quang được xác định theo công thức:

)exp(

)0(

)(

L P

L P G

s s

s

=

)exp(g0L

(2.)Trong đó:

P g

eff R O

0

L A

P g

p eff

R

α0

≈

(2.)

Hệ số tăng ích quang GA sẽ không phụ thuộc vào chiều dài sợi nếu như

đối với các công suất bơm đầu vào khác

nhau cho bộ khuyếch đại Raman dài 1.3 km hoạt động ở bước sóng 1.017

m

µ Ban đầu

Hình 2.- Sự thay đổi của hệ số khuyếch đại Go theo công suất Po

trong bộ khuyếch đại Raman 1.3 km với ba giá trị

khác nhau của công suất đầu vào

Ta có thể tính toán gần đúng giá trị bão hoà này bằng cách cho

s

p α

trong phương trình 2.19 và 2.20 Kết quả được cho bởi phương trình 2.25

) 1 ( 0

0

0

1

r A s

G r

)0(0

p s

s p

P

P r

Điều kiện này thoả mãn khi công suất của

tín hiện sau khuyếch đại gần bằng công suất bơm đầu vào 0

P

Vì thông thường 0

P

~ 1W nên hệ số khuyếch đại lớn hơn nhiều so với bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA Nhìn chung, công suất của một kênh trong hệ thống WDM khoảng 1mW, nên bộ khuyếch đại Raman làm việc ở chế độ chưa bão hoà hay chế độ phi tuyến Khi đó phương trình (2.24) được sử dụng thay thế phương trình (2.25)

Hình 2.- Đặc tính bão hoà của bộ khuyếch đại Raman

Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang Raman bắt nguồn từ hiệu ứng tán xạ Raman tự

phát Để tính thêm yếu tố này, trong phương trình (2.19) ta có thể thay s

sp

n

tính theo công thức:

sp

n

)/exp(

2.3.4 Hiệu năng khuyếch đại

Quan sát trong Hình 2 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

m

µ Đối với loại nguồn bơm này khuyếch đại lớn nhất đạt được đối với

tín hiệu có bước sóng khoảng 1.12

m

µ Tuy nhiên bước sóng thường được sử dụng

nhiều nhất trong hệ thống thông tin quang WDM là ở các cửa sổ 1.3

một nguồn bơm ở bước sóng 1.47

m

µ

để khuyếch đại đồng thời ba tín hiệu được lấy từ

ba laser bán dẫn DFB hoạt động ở dải bước sóng 1.57-1.58

m

µ[2] Hệ số khuyếch đại 5

dB

đạt được ở công suất bơm 60 mW Trong một thử nghiệm khác, một bộ khuyếch đại

Raman được bơm bởi một Laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1.55

m

µ, 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

m

µ

với khuyếch đại là 23 dB bởi SRS trên 20 km sợi dịch tán sắc Ngoài ra những bộ

khuyếch đại Raman 1.3

m

µcòn thích hợp dùng làm bộ tiền khuyếch đại cho 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 để cải thiện hệ số khuyếch đại

Sợi được bơm ở bước sóng khoảng 1.45

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 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)

z S

DRS r dz G z G z dz Pf

0

2 2

2 1

2 1 2

1

)()(

(2.)

Trong đó

1 4

10

~ − km−

r s

là hệ số tán xạ Rayleigh và G(z) là hệ số khuyếch đại 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 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]

[ ][ ]

)()

()(

)(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

+

−

−+

+

−

−

−+

µµ

µµ

µµ

µµ

1)

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 2 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 25 km Chú ý rằng tất cả các mức công

suất là dưới 100 mW Bộ khuyếch đại này có hệ số khuyếch đại khoảng 10.5 dB trên

băng tần rộng 80 nm với độ gợn nhỏ hơn 0.1 dB. Bộ khuyếch đại này phù hợp với hệ thống WDM bao gồm cả băng L và băng C

Hình 2 Làm bằng phẳng phổ khuyếch đại Raman bằng cách sửdụng nhiều nguồn bơm Tần số và công suất sóng bơm được chỉ ra ở bên phải