Tài liệu luận văn: NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMAN CƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG KHUẾCH ĐẠI QUANG docx

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


Lê Tuấn Linh






NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMAN
CƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG
KHUẾCH ĐẠI QUANG






KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành:

Vật lý kỹ thuật

HÀ N
ỘI
-

20
11


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


Lê Tuấn Linh





NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMAN
CƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG
KHUẾCH ĐẠI QUANG

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Vật lý kỹ thuật

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Văn Hội
Cán bộ đồng hướng dẫn: TS.Bùi Huy










HÀ NỘI - 2011


Lời cảm ơn

Khoá lun tt nghip này là kt qu nghiên cu trong nhiu tháng n lc ca bn
thân em dưi s hưng dn, giúp  ca rt nhiu ngưi
Qua bn khoá lun này cho phép em bày t lòng bit ơn chân thành, sâu sc nht
n PGS.TS Phm Văn Hi và TS. Bùi Huy ã tn tình hưng dn, giúp  em hoàn

thành khoá lun tt nghip.
Em cũng rt bit ơn các cán b và anh ch hin ang công tác ti phòng Vt liu
và ng dng Quang si, vin Khoa hc vt liu: anh Th Anh, anh Thanh Hi …ã
quan tâm, giúp  và to mi iu kin v cơ s vt cht cũng như thit b cho vic
nghiên cu và hoàn thành khoá lun này.

Em cũng xin gi lòng bit ơn sâu sc n các thy cô cùng các cán b công tác
ti khoa Vt lý k thut và công ngh nano ã ào to cho em không ch v kin thc
chuyên môn mà c v k năng sng, hc tp và làm vic.
Khoá lun này cũng là mt li cm ơn sâu sc ti nhng ngưi thân ca em-
nhng ngưi luôn  bên cnh quan tâm em giúp  em hoàn thành khoá lun.

Hà Ni 20/05/11
Sinh viên
Lê Tun Linh



Tóm tắt nội dung

Tán x Raman là quá trình tán x không àn hi, xy ra do s tương tác ca ánh
sáng vi môi trưng vt cht trong si quang.
Tán x Raman bao gm tán x Raman t phát và tán x Raman kích thích SRS.
Mt mt tán x Raman gây nh hưng xu n quá trình truyn tín hiu trong si
quang, làm tăng nhiu trong h thng thông tin quang nhưng mt khác tán x Raman
cũng có nhng nh hưng tích cc, ni bt nht là kh năng khuch i tín hiu quang.
Bi vy, ngay t khi mi ưc phát hin, tán x Raman ã thu hút ưc rt nhiu s
quan tâm, nghiên cu. Tán x Raman kích thích(SRS) chính là cơ s  phát trin các
b khuch i quang Raman. Các b khuch i quang Raman có rt nhiu ưu im so
vi nhng loi khuch i quang ã ưc s dng trưc ó và rt phù hp vi các h

thng WDM ang ưc trin khai hin nay. Các b khuch i quang Raman ưc coi
là li gii cho bài toán khuch i quang trong các h thng truyn dn quang dung
lưng ln, c ly dài và rt dài. Nhn thc ưc tm quan trng cũng như ý nghĩa to ln
ca b khuch i quang Raman, dưi s hưng dn ca PGS.TS. Phm Văn Hi và
TS. Bùi Huy, em ã tp trung nghiên  tài “tán x Raman và ng dng trong khuch
i thông tin quang”. Nhng kt qu trong khoá lun là nhng kt qu bưc u 
tin ti nhng nghiên cu sâu hơn nhm ưa n nhng ng dng trong thc t.



















Lời cam đoan

Tôi xin cam oan ni dung trong bn  án tt nghip này là kt qu trong công trình
nghiên cu ca riêng tôi dưi s hưng dn ca PGS.TS Phm Văn Hi và TS. Bùi

Huy. Tt c các s liu ưc công b là hoàn toàn trung thc và chưa tng ưc công
b ti các tài liu, n phm nào khác. Các s liu tham kho khác u có ch dn rõ
ràng v ngun gc xut x và ưc nêu trong phn ph lc cui khoá lun.


Hà Ni ngày 20 tháng 5 năm 2011

Lê Tun Linh

Mục lục
Chương 1. Tổng quan về khuếch đại quang…………………………………… 1
1.1 Vài nét về hệ thống thông tin quang…………………………………… 1
1.1.1.Lch s phát trin ca h thng thông tin quang………… …………….1
1.1.2.Các thành phn cơ bn ca h thng thông tin quang………… 2
1.1.3. Ưu im ca h thng thông tin quang…………………………………3
1.2 Tổng quan về khuyếch đại quang…………………………………………4
1.2.1 Nguyên lý ca khuch i quang……………………………………….5
1.2.2 ng dng ca khuch i quang……………………………………….7
1.2.3 Các thông s chính ca khuch i quang…………………………… 8
1.2.3.1 H s  li,h s khuch i………………………………… 8
1.2.3.2 Băng thông  li,băng thông khuch i……………………… …9
1.2.3.3 Công sut ngõ ra bão hoà………………………………………… 10
1.2.3.4 H s nhiu…………………………………………………… 11
1.3 Phân loại khuếch đại quang…………………………………………… 12
1.3.1 Khuych i quang bán dn…………………………………………… 12
1.3.2 Khuch i quang si OFA(EDFA)…………………………………… 14

Chương 2. Hiệu ứng tán xạ Raman và bộ khuếch đại quang sợi Raman…… 16
2.1 Hiệu ứng tán xạ Raman…………………………………………… … ….16
2.2 Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (SRS)……………………………… 18

2.3 Khuếch đại quang Raman …………………………………………………20
2.3.1 Khuch i quang Raman……………………………………………….20
2.3.2  li băng thông g
r
ca ph Raman trong si thy tinh Silica tinh khit
và trong si nhy quang, si bù tán sc DCF………………………………….22
2.3.3 Mô hình ca b khuch i quang Raman…………………………… 24
2.3.4 Di rng ca khuch i quang Raman…………………………………25
2.4 Ảnh hưởng của tán xạ Raman trong hệ thống WDM……………………26
Chương 3 Kết quả và thảo luận………………………………………………… 30
3.1 Các thiết bị và linh kiện sử dụng trong thực nghiệm…………………….30
3.2 Các sơ đồ thiết lập cho thực nghiệm………………………………………32
3.3 Các kết quả thực nghiệm và thảo luận……………………………………33
Kết luận…………………………………………………………………………….40
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………41
1



Chương 1. Tổng quan về khuếch đại quang
1.1 Vài nét về hệ thống thông tin quang
1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang
Thông tin quang có t chc h thng cũng như các h thng thông tin khác, thành
phn cơ bn nht ca h thng thông tin quang luôn tuân th theo mt h thng thông tin
chung. ây là nguyên lý mà loài ngưi ã s dng ngay t thi kỳ khai sinh ra các hình
thc thông tin.
Tín hiu cn truyn ưc phát vào môi trưng truyn dn tương ng và u thu s
thu li tín hiu cn truyn. i vi h thng thông tin quang thì môi trưng truyn dn 
ây chính là si quang. Si quang thc hin truyn ánh sáng mang tín hiu thông tin t
phía phát ti phía thu.

Vào năm 1960, vic phát minh ra laser làm ngun phát quang ã m ra mt thi kỳ
mi có ý nghĩa to ln trong lch s ca k thut thông tin s dng di tn ánh sáng. Thông
tin bng tia laser xuyên qua không trung xut hin nhưng chu nh hưng ca thi tit,
máy phát và phi nhìn thy nhau, tia laser nguy him cho mt ngưi…nên vic s dng b
hn ch.
Laser bán dn xut hin vào năm 1962 cùng vi si quang giá thành h ln u tiên
ưc ch to vào năm 1970 làm cho thông tin quang tr thành hin thc. Ánh sáng ưc
ghép t laser bán dn vào si quang và truyn trong si quang theo nguyên lý phn x ni
toàn phn nên khc phc ưc các nhưc im ca thông tin bng tia laser. Trong nhng
năm 1970 laser bán dn GaAs/GaAlAs phát  vùng hng ngoi gn 0.8µm ã ưc ch
to và s dng cho thông tin quang si. Năm 1980 các h thng thông tin quang si th h
u tiên ưc ưa vào hot ng (tc  45Mb/s và khong cách lp 10km).
u nhng năm 80, h thng thông tin quang th h th hai s dng laser 1310nm
bt u ưc s dng. Thi gian u, tc  bít ch t 100Mb/s do tán sc si a mode.
Khi si ơn mode ưc ưa vào s dng, tc  bít ã ưc tăng lên rt cao. Năm 1987,
h thng thông tin quang 1310nm có tc  bít 1.7Gb/s vi khong cách lp 50km ã có
mt trên th trưng.
Th h th ba ca các h thng thông tin quang si hot ng  vùng sóng 1.55µm
vi tc  bít 2.5Gb/s và khong cách lp 60 ÷ 70km. Khi s dng các loi si quang bù
tán sc và làm phng tán sc, khong cách lp s tăng lên.
Th h th tư ca thông tin cáp quang là s dng khuych i quang  tăng khong
cách lp và ghép nhiu bưc sóng trong mt si quang  tăng tc  bít trong si quang.
Khuych i quang si pha tp Erbium (EDFA) có kh năng bù công sut cho suy hao
quang trong các khong cách ln hơn 100km. Năm 1991 ln u tiên h thng thông tin
2

quang có EDFA ưc th nghim truyn tín hiu s tc  2.5Gb/s trên khong cách
21000km và 5Gb/s trên khong cách 14300km. Năm 1996 h thng thông tin quang quc
t dưi bin ã ưc lp t, năm 1997 ưng cáp quang vòng quanh thê gii dưi bin
dài 27300km ã ưc ưa vào hot ng kt ni nhiu nưc  châu Âu, châu Á vi tc 

5Gb/s và  vài nơi ti 10Gb/s.
S dng công ngh ghép nhiu bưc sóng trên mt si quang (WDM) làm tăng
dung lưng thông tin quang mt cách áng k. Trong năm 1996 ã th nghim tuyn
truyn dn 20 bưc sóng quang vi tc  bít ca tng bưc sóng là 5Gb/s trên khong
cách 9100km, tc  bít ca tuyn ã t 100Gb/s. Năm 2000 h thng TPC-6 xuyên i
Tây Dương có tc  bít 100Gb/s ã ưc ưa vào hot ng.
Th h th năm ca h thng thông tin quang da trên cơ s gii quyt vn  tán
sc trong si quang. Khuych i quang ã gii quyt rt hoàn ho s suy hao trong si
nhưng không gii quyt ưc vn  tán sc. Gii pháp tt nht  gii quyt vn  tán
sc là s dng hiu ng Soliton quang. Hiu ng Soliton quang là hiu ng phi tuyn
trong si quang. Chúng da trên cơ s tương tác bù tr tán sc ca các thành phn quang
trong mt xung quang cc ngn ưc truyn trong si quang không có
suy hao.
Năm 1994 h Soliton th nghim truyn tín hiu 10Gb/s trên khong cách 35000km
và 15Gb/s trên khong cách 24000km. Năm 1996 h thng WDM có 7 bưc sóng truyn
Soliton trên khong cách 9400km vi tc  bít 70Gb/s.
Ngày nay, các mng thông tin hoàn toàn quang ang ưc nghiên cu mnh m
nhm tăng hơn na tc  thông tin. Các h thng thông tin quang ã ưc ng dng rng
rãi trên th gii. Chúng áp ng ưc c tín hiu tương t và s. Chúng cho phép truyn
dn tt c các tín hiu dch v băng hp và băng rng, áp ng mi nhu cu ca mng s
hoá liên kt a dch v (ISDN). S lưng cáp quang hin nay ưc lp t trên th gii
vi s lưng ln,  mi tc  truyn dn vi các c ly khác nhau, các cu trúc mng a
dng. Nhiu nưc ly cáp quang làm môi trưng truyn dn chính cho mng vin thông.
Các h thng thông tin quang s là mũi t phá v tc , c ly truyn dn và cu trúc
linh hot cho dch v vin thông cp cao.
1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang
H thng thông tin quang si cũng ging như h thng thông tin quang khác bao
gm bn thành phn cơ bn là máy phát quang, máy thu quang, môi trưng truyn và tín
hiu thông tin (tín hiu li vào, tín hiu li ra như trên hình 1.1).

Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin quang
Máy phát
quang
Môi trưng
truyn
Máy thu
quang
Tín hiu
l
i v
ào

Tín hiu
l
i ra

3

Vai trò ca b phát quang là bin i tín hiu in thành tín hiu quang và ưa tín
hiu quang vào si quang. Linh kin chính ca b phát quang là ngun phát quang: h
thng thông tin quang si thưng s dng các b ngun phát quang bán dn là dit phát
quang (LED) và laser bán dn. Môi trưng truyn dn quang chia làm hai loi: truyn
trong si quang và truyn trong không gian.  tăng khong cách truyn b gii hn bi
s suy hao trong si quang ngưi ta có th s dng các b lp hoc các b khuych i
quang si. B lp có nhim v thu tín hiu quang, bin i quang - in (O/E), sa li
xung in, khuych i tín hiu và bin i in - quang (E/O) tr li. Nhng h thng
thông tin quang hin i ch yu s dng các b khuych i quang si pha Erbium
(EDFA),b khuch i Raman các b khuych i Raman khuych i trc tip tín hiu
quang và có nhiu ưu vit so vi các b lp. Tín hiu quang  u phía bên kia ca h
thng ưc thu bi máy thu quang. Vai trò ca b thu quang là chuyn i tín hiu quang

thành tín hiu in và phc hi các s liu ã truyn qua h thông thông tin quang. Linh
kin ch yu trong b thu quang là các photodiode có cu trúc và vt liu ch to thích
hp cho băng tn và bưc sóng cn thu.
1.1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang
• Dung lưng ln: Các si quang có kh năng truyn nhng lưng ln thông tin.
Vi công ngh hin nay trên hai si quang có th truyn ưc ng thi 60.000 cuc àm
thoi. Mt cáp si quang (có ưng kính ngoài 2 cm) có th cha ưc khong 200 si
quang, s tăng ưc dung lưng ưng truyn lên 6.000.000 cuc àm thoi. So vi các
phương tin truyn dn bng dây thông thưng, mt cáp ln gm nhiu ôi dây có th
truyn ưc 500 cuc àm thoi. Mt cáp ng trc có kh năng vi 10.000 cuc àm
thoi và mt tuyn viba hay v tinh có th mang ưc 2000 cuc gi ng thi.
• Kích thưc và trng lưng nh: So vi mt cáp ông có cùng dung lưng, cáp
si quang có ưng kính nh hơn và khi lưng nh hơn nhiu. Do ó d lp t hơn, c
bit  nhng v trí có sn dành cho cáp.
• Không b nhiu in: Truyn dn bng si quang không b nh hưng bi nhiu
in t (EMI) hay nhiu tn s vô tuyn (RFI) và nó không to ra bt kỳ s nhiu ni ti
nào. Si quang có th cung cp mt ưng truyn “sch”  nhng môi trưng khc nghit
nht. Các công ty in lc s dng cáp quang, dc theo các ưng dây in cao th 
cung cp ưng thông tin rõ ràng gia các trm bin áp. Cáp si quang cũng không b
xuyên âm. Thm chí dù ánh sáng b bc x ra t mt si quang thì nó không th thâm
nhp vào si quang khác ưc.
• Tính cách in: Si quang là mt vt cách in. Si thy tinh này loi b nhu
cu v các dòng in cho ưng thông tin. Cáp si quang làm bng cht in môi thích
hp không cha vt dn in và có th cho phép cách in hoàn toàn cho nhiu ng dng.
Nó có th loi b ưc nhiu gây bi các dòng in chy vòng dưi t hay nhng trưng
hp nguy him gây bi s phóng in trên các ưng dây thông tin như sét hay nhng
trc trc v in. ây thc s là mt phương tin an toàn thưng ưc dùng  nơi cn
cách in.
4

• Tính bo mt: Si quang cung cp  bo mt thông tin cao. Mt si quang
không th b trích  ly trm thông tin bng các phương tin in thông thưng như s
dn in trên b mt hay cm ng in t, và rt khó trích  ly thông tin  dng tín hiu
quang. Các tia sáng truyn lan  tâm si quang và rt ít hoc không có tia nào thoát khi
si quang ó. Thm chí nu ã trích vào si quang ưc ri thì nó có th b phát hin nh
kim tra công sut ánh sáng thu ưc ti u cui. Trong khi các tín hiu thông tin v tinh
và viba có th d dàng thu  gii mã ưc.
•  tin cy cao và d bo dưng: Si quang là mt phương tin truyn dn ng
nht và không gây ra hin tưng pha-inh. Nhng tuyn cáp quang ưc thit k thích
hp có th chu ng ưc nhng iu kin v nhit  và  m khc nghit và thm chí
có th hot ng  dưi nưc. Si quang có thi gian hot ng lâu, khong 20 – 30 năm.
Yêu cu v bo dưng i vi mt h thng cáp quang là ít hơn so vi yêu cu ca mt
h thng thông thưng do cn ít b lp in hơn trong mt tuyn thông tin.
• Tính linh hot: Các h thng thông tin quang u kh dng cho hu ht các
dng thông tin s liu, thoi và video. Các h thng này u có th tương thích vi các
chun RS.232, RS422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoi 2/4 dây, tín hiu
E/M, video tng hp và còn nhiu na.
• Tính m rng: Các h thng si quang ưc thit k thích hp có th d dàng
ưc m rng khi cn thit. Mt h thng dùng cho tc  s liu thp, ví d T1 (I 544
Mb/s) có th ưc nâng cp tr thành mt h thng tc  s liu cao hơn, OC-12 (622
Mb/s), bng cách thay i các thit b in t. H thng cáp si quang có th vn ưc
gi nguyên như cũ.
• S tái to tín hiu: Công ngh ngày nay cho phép thc hin nhng ưng
truyn thông bng cáp quang dài trên 70 km trưc khi cn tái to tín hiu, khong cách
này còn có th tăng lên ti 150 km nh s dng các b khuch i laze. Trong tương lai,
công ngh có th m rng khong cách này lên ti 200 km và có th 1000 km. Chi phí tit
kim ưc do s dng ít các b lp trung gian và vic bo dưng chúng có th là khá ln.
Ngưc li, các h thng cáp in thông thưng c vài km có th ã cn có mt b lp.
Suy hao thp: s phát trin ca si quang qua nhiu năm ã t ươck kt qu trong
vic ch to si quang có  suy hao rt thp. Si quang ưc ch to vi  suy hao

0.2dB/km và c tính này tr thành li th chính ca thông tin quang. iu này thun li
cho vic t b khuych i cho mi khong cách trên ưng truyn mà không cn
chuyn sang tín hiu in  bưc trung gian, do ó gim ưc giá thành và c  phc tp
ca h thng.
1.2 Tổng quan về khuyếch đại quang
i vi tín hiu quang, khi khong cách truyn dn ln, s suy gim tín hiu là
không th tránh khi. Suy hao ca si quang là nguyên nhân gii hn c ly truyn ca các
h thng thông tin quang. Gii hn v suy hao ưc khc phc bng cách s dng các
trm lp quang in (optoelectronic repeater). Trong các trm lp quang in này, quá
5

trình khuych i tín hiu quang ưc thc hin qua nhiu bưc. u tiên tín hiu quang
s ưc bin i thành dòng in bi các b thu quang (optical receiver) s dng linh
kin tách sóng quang như PIN hay PAD. Dòng quang in thu ưc s ưc tái to li
dng xung, nh thi và khuych i bi các mch phc hi tín hiu và mch khuych i.
Sau ó, tín hiu in s ưc bin i thành tín hiu quang thông qua các ngun quang
trong b phát quang (optical transmitter) và ưc truyn i trong si quang. Như vy, quá
trình khuych i tín hiu ưc thc hin trên min in.

Hình 1.2. Bộ lặp quang điện
Các trm lp quang in ã ưc s dng ph bin trong các h thng truyn dn
quang mt bưc sóng như h thng truyn dn quang SDH. Tuy nhiên, khi s dng cho
các h thng truyn dn a bưc song như h thng WDM, rt nhiu trm lp quang in
cn ưc s dng  khuych i và tái to các kênh quang có bưc sóng khác nhau. iu
này làm tăng  phc tp cũng như tăng giá thành ca h thng truyn dn quang WDM.
Cùng vi s phát trin ca khoa hc công ngh, ngưi ta thc hin ưc quá trình
khuych i trc tip tín hiu quang mà không cn phi thông qua quá trình bin i v
tín hiu in, ó gi là k thut khuych i quang (Optical Amplifier). K thut khuych
i quang ra i ã khc phc ưc nhiu hn ch ca trm lp. So vi các trm lp, các
b khuych i quang có các ưu im sau:

- Khuych i trc tip tín hiu quang, không có mch tái to thi gian hay mch
phc hi (các b bin i E/O hoc O/E). Do ó khuych i quang s tr nên linh hot
hơn.
- Không ph thuc vào tc  bít và phương pháp iu ch tín hiu nên nâng cp
h thng ơn gin hơn.
- Khuych i nhiu tín hiu có bưc sóng khác nhau cùng truyn trên mt si
quang.
Vic nghiên cu khuych i quang ngày càng phát trin và ưc ng dng rng
rãi. Có nhiu xu hưng nghiên cu v b khuych i quang, và trong thi gian qua các
nghiên cu thành công ch yu tp trung vào hai loi chính:
- Khuych i quang bán dn SOA (Optical Semiconductor Amplifier)
- Khuych i quang si pha tp Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier)
6

Tuy nhiên, do yêu cu nâng cp mng thông tin quang DWDM lên hàng trăm kênh,
vic nghiên cu phát trin các loi khuch i quang khác ã ưc y mnh, trong ó
khuch i quang trên cơ s hiu ng tán x Raman cưng bc (ROA) ưc c bit quan
tâm trên th gii.
1.2.1 Nguyên lý bộ khuếch đại quang
Nguyên lý khuch i quang da trên nguyên lý phát x kích thích và không có
cng hưng trong khuch i.
Hin tưng phát x kích thích là mt trong ba hin tưng bin i quang in ưc
ng dng trong thông tin quang.Các hin tưng này ưc minh ho trong hình:

Hình 1.3. Các hiện tượng biến đổi quang điện
Hin tưng hp th xy ra khi có ánh sáng ti có năng lưng E
v
=hf
12
tác ng vào

vt liu có  rng vùng cm E
g
=E
2
-E
1
bng nhauE
v
=E
g
). Khi ó, in t s nhn năng
lưng và ưc nhy lên mc năng lưng cao hơn. ây chính là nguyên nhân chính gây ra
hin tưng suy hao cho tín hiu quang.
Hin tưng phát x t phát xy ra khi mt in t  mc năng lưng cao chuyn
xung mc năng lưng thp, ng thi phát ra mt photon có mc năng lưng E
v
bng 
ln di cm E
g
. Mi mt vt liu s có mt thi gian sng khác nhau, khi ht thi gian
sng nó s thc hin bc x t phát. ây chính là nguyên nhân gây ra nhiu ca b
khuch i.
Hin tưng phát x kích thích xy ra khi có mt ánh sáng có năng lưng photon E
v

chính bng năng lưng di cm E
g
. Khi ó, mt in t  mc năng lưng cao s b
chuyn xung mc năng lưng thp hơn và phát ra photon có cùng pha vi ánh sáng kích
thích. ây chính là nguyên lý khuch i ca b khuch i quang.

Có th d dàng nhn thy rng, hin tưng bc x t phát có th xy ra bt ký lúc
nào, và s gây ra nhiu cho b khuch i, ưc gi là nhiu t phát(ASE). Hin tưng
hp th thì s gây ra suy yu b khuch i. Như vy, nu mt  năng lưng trong vt
liu khuch i là thp s gây ra hin tưng hp th ln. iu ó dn n, nu mun
khuch i ln chúng ta phi thc hin o mt  ht.
7

1.2.2 Ứng dụng của khuyếch đại quang

Hình 1.4. Các ứng dụng khuếch đại
a) Khuch i công sut(Booster Amplifier)
b) Khuch i trên tuyn (in-line amplifer)
c) B tin khuch i(Preamplifier)

Khuch i quang ưc ng dng trong các h thng truyn dn quang như các b
khuch i nhm làm tăng công sut ca tín hiu quang trên ưng truyn, khc phc suy
hao do si quang và các mi hàn, ni xy ra trên ưng truyn. Tuỳ theo v trí lp t, các
b khuch i trên tuyn truyn dn quang ưc chia làm ba loi:
Khuch i công sut (Booster Amplifier): là b khuch i quang ưc t ngay
sau thit b phát nhm mc ích làm tăng công sut quang n mc cao nht  làm cho
khong cách truyn cc i. Yêu cu ca các b khuch i công sut là to ra công sut
u ra cc i ch không phi  li cc i vì công sut tín hiu ngõ
vào ln.
Khuch i trên tuyn (In-line Amplifier): là b khuch i quang ưc t ngay
trên tuyn quang nhm mc ích bù mt mát công sut gây ra bi suy hao si, suy hao do
kt ni và suy hao do vic phân phi tín hiu quang trong mng. Các b khuch i
ưng dây có th ưc lp t ni tip nhau trên ưng truyn  làm gia tăng khong
cách lp t. Tuy nhiên, vic lp t ni tip các b khuch i quang s làm gim h s
SNR nh hưng n cht lưng ca h thng truyn dn quang.
Tin khuch i (Preamplifier): là các b khuch i quang ưc t ngay trưc

thit b thu quang nhm khuch i tín hiu ngay trưc khi tin hiu ưc ưa vào thit b.
8

iu này làm gim yêu cu nghiêm ngt ca b nhy thit b thu và cho phép h thng
truyn dn quang hot ng vi tc  bit cao hơn. Do v trí lp t, các b tin khuch
i hot ng vi công sut tín hiu vào yu và mc nhiu  u thu cao. Do vy, yêu cu
ca b tin khuch i là  nhy ln, h s G trung bình nhưng thông s nhiu phi rt
thp. Khuch i quang Raman có thông s nhiu nh, vì vy chúng luôn ưc s dng
cho tin khuch quang.
Tuy nhiên khuych i quang ch bù ưc công sut quang ã b suy hao trong
tuyn truyn dn. Do khuych i quang không ci thin ưc các tp âm, tán sc và các
hiu ng quang phi tuyn, cho nên tuyn thông tin quang s dng khuych i quang vn
b hn ch v khong cách do các hiu ng nêu trên to ra.
S dng khuych i quang trong h thng thông tin quang a bưc sóng WDM có
ý nghĩa công ngh quan trng vì khuych i quang có th khuych i tt c các bưc
sóng ti trong băng tn khuych i.
1.2.3 Các thông số chính của sợi quang
1.2.3.1 Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại
Hu ht các b khuch i quang u ưc thc hin thông qua hiu ng bc x
kích thích. Khuch i t ưc khi b khuch i quang thc hin bơm quang, hay bơm
in  o ln mt . Nhìn chung khuch i quang không ch ph thuc vào bưc
sóng truyn mà còn ph thuc vào cưng  bơm,mt  ht có trong vt liu. Chúng ta
coi vt liu là ng nht, ta có ưc phương trình sau:
(1.1)
Trong ó g
0
là giá tr nh ca  li, ω là tn s ca tín hiu quang ti, ω
0
là tn s
truyn trung tâm, P là công sut ca tín hiu ưc khuch i P

s
là công sut bão hoà .
Công sut bão hoà P
s
ph thuc vào các tham s ca môi trưng khuch i. H s T
2

trong phương trình 1.1 ưc gi là thi gian hi phc phân cc, thưng nh hơn 1 ps.
Phương trình 1.1 có th dùng mô t các c tính quan trng ca b khuch i như là
băng tn  li, h s khuch i và công sut u ra bão hoà.
 ch d chưa bão hoà, coi P/P
s
<<1, khi ó phương trình 1.1 tr thành:


(1.2)
T phương trình này có th nhn thy, h s  li ln nht khi tn s khuch i
ω=ω
0
tn s trung tâm.
Nu gi P
in
, P
out
ln lưt là công sut u vào và u ra ca b khuch i.Vy
thì h s khuch i là :
9


G=

(1.3)
H s khuch i là mt thông s quan trng ca b khuych i. Nó c trưng cho
kh năng khuych i công sut ánh sáng ca b khuych i. Tuy nhiên, h s khuch
i ca mt b khuych i b gii hn bi các cơ ch bão hoà khuch i. iu này làm
gii hn công sut quang ra cc i ca b khuych i.
Mt khác ta li có công thc sau


(1.4)
Suy ra:
P(z) = P
in
exp(gz) (1.5)
Vi P(z) là công sut tín hiu ti v trí z so vi u vào.
Gi s khong rng ca b khuch i là L, khi ó P
out
=P(L). Suy ra h s khuch
i ca tín hiu quang có  dài L là:
G(ω)= = = (1.6)
D dàng nhn thy rng, g(ω) t giá tr ln nht ti ω=ω
0
nên G(ω) cũng t giá tr
ln nht ti ω
0
. Và giá tr hai h s này cũng u gim khi (ω-ω
0
) tăng, Ta có biu  sau:

Hình 1.5. Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi
1.2.3.2Băng thông độ lợi

Băng thông  li ưc nh nghĩa là =2/T
2
hay là:
(1.7)
Như vy, nu vi b khuch i quang bán dn có T
2
=60fs. B
khuch i băng rng thích hp vi các h thng vin thông thông tin quang, vì  li ca
c băng tn gn như là hng s, thm chí c khi ó là tín hiu a kênh. Băng tn khuch
10

i ưc nh nghĩa là mt FWHM(full width at half maximum- rng xung ti na
giá tr cc i), và liên quan vi theo công thc sau:
(1.8)
Vi G
0
= exp(g
0
L).
D dàng nhn thy, băng tn khuch i nh hơn băng tn  li, và s khác bit
này còn tuỳ thuc vào  li khuch i.
1.2.3.3 Công suất ngõ ra bão hoà
Độ lợi bão hoà
 bão hoà ca  li ph thuc vào giá tr g(ω) trong phương trình 1.1. D
dàng nhn thy rng, khi P tin ti P
s
thì giá tr g gim dn, ng thi h s khuch i G
cũng gim theo  tăng ca công sut tín hiu. Chúng ta coi giá tr nh xy ra khi ω=ω
0
.

Theo 1.1 và 1.4, chúng ta có:


(1.9)
Xét phương trình vi chiu dài b khuch i là L, và coi P
0
=P
in
và
P(L)=GP
in
=P
out
, t ó ta có phương trình:

G=G
0
exp
( )
(1.10)
D dàng nhn thy, G bt u gim dn t giá tr nh G
0
khi giá tr P
out
t gn
ti giá tr công sut bão hoà P
s
mô t trong hình 1.4.

Hình 1.6. Sự phụ thuộc của công suất ra (theo P

s
) theo G(theo G
0
)
11


Công suất ngõ ra bão hoà (Saturation Output Power)
Khi hot ng  ch  tín hiu nh, công sut quang  ngõ ta s tăng tuyn tính
vi công sut quang  ngõ vào theo h s G: P
out
= G.P
in
. Tuy nhiên, công sut ngõ ra
không th tăng mãi ưc. Bng thc nghim, ngưi ta thy rng trong tt c các b
khuych i quang, khi công sut ngõ vào P
in
tăng n mt mc nào ó, h s G bt u
gim. Kt qu là công sut  ngõ ra không còn tăng tuyn tính vi tín hiu ngõ ra na mà
t trng thái bão hoà.
Công sut ra bão hoà ca mt b khuych i quang cho bit công sut ngõ ra
ln nht mà b khuych i ó có th hot ng ưc. Thông thưng, mt b khuych i
quang có khuch i cao s có công sut ra bão hoà cao bi vì s nghch o nng  cao
có th ưc duy trì trong mt di công sut vào và ra rng.
T công thc 1.10, chúng ta xem xét n công sut ngõ ra bão hoà,là công sut ln
nht to ưc  cng ra, ký hiu là . Có th nhn thy rng, giá tr  li này t ưc
khi  li khuch i gim t 2 n 3 dB, tương ng vi giá tr G=G
0
/2. Khi ó, ta có
công thc:

=
(1.11)
1.2.3.4 Hệ số nhiễu
Cũng ging như các h thng thông tin quang khác, b khuch i này cũng có
nhiu. Nguyên lý ca b khuch i là da trên nguyên lý bc x kích thích. Nhưng trong
quá trình khuch i, có rt nhiu các in t ht thi gian sng, chuyn i t mc năng
lưng cao xung mc năng lưng thp, hay t di dn sang di hoá tr, ây chính là bc
x t phát. Bc x này, khi có phương cùng lung in t, s gây nh hưng lên biên 
và pha ca tín hiu. Hin tưng này ưc gi là hin tưng nhiu x t phát ASE. Do vy,
công sut ca ra gm có công sut vào khuch i và công sut bc x t phát:
P
out
=G.P
in
+P
ASE

(1.12)
nh hưng nhiu i vi b khuch i quang ưc biu din bi h s nhiu NF,
mô t s suy gim t s tín hiu trên tp ti u ra và u vào:

SNFout
SNRin
NF =


Hay NF=SNR
in
(dB)-SNF

out
(dB) (1.13)
Ngưi ta cũng chng minh ưc rng, giá tr hng s nhiu tính c th theo công
thc sau:


NF=2n
sp
2n
sp

(1.14)

12

H s nhiu NF ca b khuch i càng nh càng tt,và giá tr nh nht có th t
ưc là 3dB. Ti giá tr này,chúng ta gi là giá tr lưng t.
1.3 Phân loại khuếch đại quang
Trong mt b khuch i quang ,quá trình khuch di ánh sáng ưc thc hin
trong vùng tích cc. Các tín hiu quang ưc khuch i trong vùng tích cc vi  ln
hay nh thì ph thuc vào năng lưng ưc cung cp t ngun bơm bên ngoài. Tuỳ theo
cu to ca vùng tích cc, có th chia khuch i quang thành hai loi chính là: Khuch
i quang bán dn SOA và khuch i quang si OFA.
Trong khuch i quang bán dn SOA, vùng tích cc ưc cu to bng vt liu
bán dn. Ngun cung cp năng lưng  khuch i tín hiu là dòng in.
Trong khuch i si quang OFA, vùng tích cc là si quang ưc pha t him.
Ngun cung cp năng lưng là laser có bưc sóng phát quang nh hơn bưc sóng ca tín
hiu cn khuch i .
Mt trong nhng loi OFA tiêu biu là EDFA. EDFA có nhiu ưu im v c tính
ký thut so vi SOA. Ta s ch yu tp trung nghiên cu vào EDFA  phn ti.

Ngoài ra, còn có mt loi khuch i ưc s dng nhiu trong các h thng
WDM hin nay là khuch i Raman. Khuch i Raman cũng s dng si quang làm
vùng tích cc  khuch i ánh sáng.
SOA và EDFA u hot ng da trên phát x kích thích còn khuch i Raman
da trên nh hưng phi tuyn ca si quang(hin tưng tán x Raman kích thích SRS)
hơn là hin tưng phát x kích thích.

1.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn
.

Hình 1.7. Sơ đồ khối một SOA
Khuch i quang bán dn (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) là h khuch
i tín hiu quang vi môi trưng khuch i s dng vt liu bán dn. H khuch i này
có cu trúc tương t như nhng diode laser Fabry-Perot, nhưng ưc trang b thêm các
13

lp chng phn x  hai gương ca môi trưng khuch i (h s phn x nh hơn
0.001%)  tránh cng hưng to nên hiu ng laser.
Hot ng ca SOA da vào nguyên lý khuch i sóng chy (traveling-wave)
trong vùng in tích không gian nm gia 2 vùng bán dn loi p và loi n. Khi có dòng
in bơm cho SOA, các in t s ưc bơm vào vùng dn (bán dn loi n) và l trng
bơm vào vùng hóa tr (bán dn loi p). Photon n có bưc sóng thích hp s kích thích
in t và l trng tái hp trong min in tích không gian và s phát x thêm mt photon
na có cùng tn s và pha vi photon n, như vy tín hiu quang ã ưc khuch i.
Các h khuch i quang bán dn ưc làm t hp cht bán dn như
GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP, các vt liu này có th khuch i quang trong
vùng bưc sóng t 0.85 µm n 1.6 µm. Bưc sóng khuch i ca SOA ph thuc vào
 rng vùng cm và có th thay i tùy theo loi vt liu bán dn. Các loi khuch i
quang bán dn dùng trong thông tin quang si là loi có ph khuch i trong vùng bưc
sóng 1310 nm và 1550 nm.

Nhng ưu im ca SOA:
- Băng tn khuch i khá rng 40 nm – 80 nm.
- Kích thưc nh gn và d bo trì.
Nhưc im ca SOA:
- c im ca SOA là vùng không gian khuch i dn sóng có chiu dài khá bé
(c mm) nên khó t ưc h s khuch i cao (G < 16 dB).
- Công sut tín hiu quang li ra thp (P < 10 dBm).
- H s tp âm NF khá cao (NF ~ 7 - 10 dB ).
- Nhy cm vi phân cc ánh sáng ca tín hiu quang, nên công sut quang li ra
không n nh.
- Các hiu ng phi tuyn như hin tưng xuyên kênh, trn 4 sóng xy ra khá mnh.

Hình 1.8. Các ứng dụng cơ bản của SOA

Các ng dng cơ bn ca SOA trong các h thng thông tin quang có th phân
thành ba loi: khuch i công sut  tăng công sut phát ca laser, khuch i ưng
14

truyn  bù suy hao truyn dn ca si quang và tin khuch i  ci thin  nhy
thu.
1.3.2 Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA)
Nguyên lý khuch i quang ca thy tinh pha tp Er
3+
, có th tóm tt như sau:
- Ion Er
3+
có sơ  các mc năng lưng như hình 1.9, quá trình khuch i quang
ca thy tinh pha tp Er
3+
ch yu liên quan n 3 mc năng lưng bên dưi ca ion Er

3+
,
ó là các mc
4
I
15/2
,
4
I
13/2
,
4
I
11/2
.

Hình 1.9. Sơ đồ các mức năng lượng của ion Er
3+
tự do
- c im rt quan trng là mc năng lưng
4
I
13/2
có thi gian sng rt ln (τ ~ 10
ms) so vi thi gian sng ca các mc
4
I
11/2
và
4

I
9/2
(τ ~ µs). Khi kích thích thy tinh pha
tp erbium bng laser có bưc sóng 980 nm hoc 810 nm, các ion Er
3+
s chuyn di t
mc cơ bn
4
I
15/2
lên mc năng lưng
4
I
11/2
hoc
4
I
9/2
, vì thi gian sng ca ion Er
3+

trng thái mc năng lưng
4
I
11/2
và
4
I
9/2
rt bé nên các ion Er

3+
s nhanh chóng chuyn di
không phát x v mc kích thích
4
I
13/2
.
- Thi gian sng ca ion Er
3+
 mc
4
I
13/2
ln hơn hàng ngàn ln so vi các mc
bên trên, nên khi bơm vi mt  năng lưng  ln chúng ta d dàng to ưc trng thái
nghch o mt  phân b gia mc
4
I
13/2
và mc cơ bn
4
I
15/2
.
- Khi mt photon có bưc sóng trong vùng 1550 nm i vào vùng dn sóng thy
tinh pha tp Er
3+
có nghch o mt  trng thái gia hai mc
4
I

13/2
và
4
I
15/2
, hin tưng
phát x cưng bc s xy ra. Photon ti s kích thích ion Er
3+
chuyn di t mc
4
I
13/2
v
mc cơ bn
4
I
15/2
, chuyn di này phát x thêm mt photon na có cùng bưc sóng và pha
vi photon ti, ây chính là nguyên lý khuch i quang ca thy tinh pha tp Er
3+
.
15

Khuch i quang ca thy tinh pha tp ion Er
3+
ã góp phn rt ln trong phát
trin thông tin quang si vì vùng bưc sóng khuch i phù hp vi ca s thông tin th 3
(1530 nm – 1610 nm) ang ưc s dng, hin nay có rt nhiu các nghiên cu cơ bn v
tính cht quang ca thy tinh pha tp Er
3+

nhm ch to ưc các h khuch i quang có
cht lưng ngày càng hoàn thin.
- Khuch i quang Raman (Raman Optical Amplifier:ROA): da trên cơ s tán x
Raman cưng bc trong môi trưng có tán x Raman mnh. Môi trưng tán x Raman là
si quang có pha tp Ge vi nng  cao và có cu trúc dn sóng phc tp (si quang bù
tán sc –DCF). Khác vi khuch i quang si pha tp Erbium, yêu cu i vi ROA là
ngun bơm có công sut cao (vài trăm miliwatt tr lên) và si quang có  dài t vài
kilômét n vài chc kilômét. Khuch i quang Raman s dng trong h thng thông tin
quang ch yu da vào sóng Stoke phát ra t tán x Raman trên các phân t trong si
quang. Do sóng Stoke t tán x Raman yu, vì vy si quang cn phi có  dài ln (hàng
chc kilômét)  tích lu sóng Stoke dc theo si quang. ây là iu khác bit rt cơ bn
gia ROA và EDFA.
Kết luận chương I
Chương này ã gii thiu tng quan v khuch i quang.Nguyên lý hot ng ca
b khuch i quang.Mt s thông s ca b khuch i quang. ng dng ca b khuch
i quang.Các kho sát v tán x Raman và khuch i quang Raman ưc trình bày chi
tit trong chương 2 và mt s kt qu thc nghim v hiu ng Raman trong si quang có
pha tp Ge cao (si nhy quang) kt hp si quang tiêu chun s trình bày trong chương 3
ca khoá lun này.

16

Chương 2. Hiệu ứng tán xạ Raman và bộ khuếch đại
quang sợi Raman
2.1 Hiệu ứng tán xạ Raman
Hin tưng tán x Raman ưc nhà khoa hc Raman phát hin ra vào năm 1928.
Khi hi t chùm sáng vào môi trưng vt cht (cht lng) ông phát hin ra rng, trong
chùm sáng th cp sau khi i qua môi trưng, ngoài thành phn có tn s bng tn s ánh
sáng ti còn có hai thành phn ánh sáng có tn s ln hơn và nh hơn.
Hiu tn s ca các thành phn chính bng tn s dch chuyn gia các mc năng
lưng dao ng hoc quay ca phân t môi trưng. Như vy khi chiu mt chùm ánh
sáng có tn s ν
0
vào mt môi trưng gm các phân t s xy ra hin tưng sau: Tán x
Rayleigh t phát, là ánh sáng th cp, tn s bc x ca nó bng tn s ánh sáng chiu
vào ν
0;


Hình 2.1. Hiện tượng tán xạ Raman
Tán x Raman t phát: là kt qu tương tác ca ánh sáng ti vi nhng kiu dao
ng hoc quay ca phn t môi trưng. Tán x Raman bao gm hai thành phn Stokes
và i Stokes. Thành phn Stokes ng vi tn s nh hơn tn s ánh sáng ti ν
S
= ν
0
– ν
R

,
thành phn i Stokes có tn s ln hơn tn s ca ánh sáng ti ν
A
= ν
0
+ ν
R







17


J

Mc trung gian
bơm stokes i stokes


b
j

b
E
b
- E

a
= hν
R
a
j
a

Hình 2.2. Sơ đồ các mức năng lượng và các chuyển dịch trong tán xạ Raman a,b:
các mức dao động; a
j
,

b
j
: các mức quay; J: là các mức điện tử kích thích cao
Hin tưng tán x Raman t phát ưc gii thích da trên sơ  lưng t các mc
năng lưng ca phân t trình bày trong hình 2.1. Các mc năng lưng ca in t bao
gm các mc in t ưc ánh s a,b… trong ó J là các mc in t kích thích cao.
Trong mc in t cơ bn cha nhiu mc dao ng. Các mc dao ng này cách nhau
mt khong bng nhau ng vi tn s ω
d
nm trong vùng hng ngoi trung.Trong mi
mc năng lưng dao ng này li có nhiu mc quay. Các mc quay này cách nhau mt
khong bng nhau ng vi tn s ω
q
nm trong vùng hng ngoi xa. i vi môi trưng
tán x Raman các mc kích thích cao J ưc gi là các mc cng hưng xa khi có iu
kin ν
0
<< (E

j
–E
a
)/h; và gi là kích thích
ν
S
ν
S
ν
0
ν
A
ν
A

Hình 2.3. Các quá trình tán xạ
18

Ngun sáng chiu vào môi trưng có tn s ν
0,
là tp hp các photon có năng lưng
hν
0.
Sau khi hp th photon, các phân t ang  trng thái a hoc b s chuyn di lên mt
mc năng lưng trung gian nào ó (E
tg
<E
j
). Nguyên t hay phân t tn ti  trng thái
trung gian mt thi gian nht nh ri chuyn di v trng thái có mc năng lưng a hoc

b và tái bc x ra photon. Ph thuc vào trng thái ban u và trng thái cui ca các dch
chuyn mà có th bc x th cp Rayleigh, Stokes hay i Stokes.
Nu trng thái ban u và trng thái cui u là a hoc u là b (cùng mc năng
lưng) ta có tán x Rayleigh. Nu trng thái ban u có mc năng lưng thp hơn mc
năng lưng ca trng thái cui thì ta có tán x Raman Stokes. Ngưc li nu trng thái
ban u có mc năng lưng ln hơn trng thái cui ta có i Stokes. Cưng  ánh sáng
tán x khác nhau i vi tn s khác nhau. Trong ó mnh nht là tán x Rayleigh vi tn
s ν
0
.
iu này có th gii thích trong trng thái cân bng nhit: phn ln các phân t nm
 trng thái năng lưng thp nht a tuân theo phân b Boltzmann. S phân t nm  trng
thái dao ng kích thích b là rt nh. Do ó khi các photon ti tác ng vào môi trưng
thì s lưng phân t có năng lưng thp s hp th nhiu photon hơn. T nguyên tc này
ngưi ta luôn nhn ưc cưng  ánh sáng Stokes ln hơn cưng  i Stokes. Chúng
ta ch quan sát ưc sóng i Stokes khi kích thich bng ánh sáng không ơn sc có
cưng  rt cao.
2.2 Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (SRS)
Tán x Raman ưc trình bày tng quát  trên là loi tán x t phát c trưng cho
mt quá trình tán x Raman ph rng có cưng  yu và hiu sut không ln, thm chí
i vi nhng cht ngưng t mnh (mt  cao) thì tit din tán x trong mt ơn v th
tích i vi tán x Raman Stokes cũng ch t 10
-6
cm
-1
, có nghĩa là nu có 10
6
ht i qua
1 cm môi trưng thì ch có mt ht ưc tham gia tán x. Dưi s kích thích bi chùm
laser vi mt  photon rt ln hiu sut tán x Raman trong môi trưng s ưc nâng

cao lên rt nhiu ( có th t n 20-30 %). Tán x Raman cưng bc tiêu biu cho mt
quá trình tán x mnh vi tác dng ca trưng laser và vt cht.
Hiu ng tán x Raman cưng bc (Stimulated Raman effect) là hin tưng xy ra
khi ưa vào môi trưng dn sóng hai ngun ánh sáng là ngun laser bơm có tn s ν và
tín hiu quang  tn s Stokes (ν– ν
d
). Trong mô hình bơm quang này các photon tín hiu
có tn s (ν– ν
d
) s cưng bc các phân t cùng dao ng và làm phát sinh thêm mt
photon na có cùng tn s và pha vi photon n. Quá trình tán x cưng bc s ưc
tip tc nhân lên bên trong lõi si quang.
Bn cht ca hin tưng tán x Raman cưng bc là các nguyên t ca si quang
hp th năng lưng t các photon phát ra t ngun bơm có bưc sóng nh hơn bưc sóng
tín hiu. Khi ó, các nguyên t s nhy t trng thái có mc năng lưng thp sang trng
thái có mc năng lưng cao hơn (mc năng lưng trung gian). Khi có photon ca tín hiu
n thì nó s kích thích các nguyên t ang  trng thái có mc năng lưng cao. Kt qu
19

là các nguyên t nhy xung mc thp hơn phát phát ra photon mi có cùng bưc sóng và
pha vi photon tín hiu n.

Hình 2.4. Mô tả quá trình tán xạ Raman cưỡng bức
Hình 2.4 mô t hiu ng tán x Raman cưng bc trong môi trưng có 3 mc năng
lưng, trong ó:
E
1
: mc năng lưng nn.
E
2
: mc năng lưng dao ng.
E
3
: mc năng lưng trung gian.
Nhiu kt qu nghiên cu tán x Raman trong thu tinh SiO
2
:GeO
2
 ch to si
quang cho thy:  dch chuyn Raman ∆λ ~ 80nm - 100 nm, ph thuc vào nng  và
cu trúc si quang. Nu ta dùng bưc sóng bơm λ
p
= 1450 nm thì tín hiu quang có bưc
sóng λ
s
= λ
p
+ ∆λ =1550 nm (trùng vi vch Stokes) s ưc khuch i.
Khi cưng  ánh sáng kích thích hay cưng  laser bơm mnh hơn mt giá tr
ngưng xác nh thì ánh sáng Stokes phát ra ưc khuch i theo hàm mũ. Quá trình này
gi là tán x Raman cưng bc.
Biu thc th hin s thay i công sut sóng bơm và sóng tín hiu theo khong

cách z.



(2.1)
α
s
, α
p
:

 hao phí ca sóng tín hiu, sóng bơm khi truyn trong si quang.
݃
r
: h s khuch i Raman trong si quang.
Laser bơm

h
ν

E
3
E
2
Tín hi
u


(ν – ν
d

)

E
1
PPSPR
S
PP
SSSPR
S
PPPg
dz
dP
PPPg
dz
dP
α
ω
ω
α
−−=
−=