BÁO CÁO TIẾN ĐỘ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Tìm hiểu khuếch đại RAMAN

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG

BÁO CÁO TIẾN ĐỘ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: Tìm hiểu về bộ khuếch đại RAMAN
Giảng viên hướng dẫn: TS. Hoàng Phương Chi
Sinh viên thưc hiện
Mã số sinh viên

: Cao Hải Phương
: 20122241

Hà Nội, tháng 11/2017
1


I.
GIỚI THIỆU VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG
I.1 Giới thiệu chung
Khuếch đại quang học hay khuếch đại tín hiệu quang học là thiết bị trực
tiếp khuếch đại tín hiệu quang học mà khơng cần phải chuyển đổi nó thành tín
hiệu điện. Một bộ khuếch đại quang học có thể được coi là một laser mà khơng
có một hốc quang học, hoặc trong đó phản hồi từ khoang đó bị tri ệt tiêu. B ộ
khuếch đại quang học có vai trị quan trọng trong truyền thông sợi quang.
I.2 Nguyên lý khuếch đại
Nguyên lý khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và khơng
có cộng hưởng trong khuếch đại.
Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quang
điện được ứng dụng trong thông tin quang. Các hiện tượng này được minh hoạ
trong hình.

1.3.Phân loại khuếch đại quang
Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được
thực hiện trong vùng tích cực. Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng
tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ thì phụ thuộc vào năng lượng được cung cấp từ
nguồn bơm bên ngoài. Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có th ể chia khu ếch
đại quang thành hai loại chính là: Khuếch đại quang bán d ẫn SOA và khu ếch đ ại
quang sợi OFA.
Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực được cấu tạo bằng
vật liệu bán dẫn. Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu là dịng
điện

2


Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là s ợi quang được pha đ ất
hiếm. Nguồn cung cấp năng lượng là laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn
bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại.
Một trong những loại OFA tiêu biểu là EDFA. EDFA có nhiều ưu đi ểm v ề
đặc tính kỹ thuật so với SOA.
Ngồi ra, cịn có một loại khuếch đại được sử dụng nhiều trong các h ệ
thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman. Khuếch đại Raman cũng sử dụng s ợi
quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng.
SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên phát xạ kích thích còn khuếch đại
Raman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang (hiện thượng tán xạ Raman
được kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích.
1.4 Ứng dụng của bộ khuếch đại quang
Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang
như bộ làm tăng công suất trên đường truyền, khắc phục suy hao do s ợi quang
và các mối hàn nối trên đường truyền.
Tuỳ theo vị trí lắp đặt mà các bộ khuếch đại được chia ra làm 3 lo ại, nh ư

hình vẽ 1.5 phía dưới.

3


Hình 2.1:Các ứng dụng khuếch đại
(a)Khuếch đại đường dây
(b)Khuếch đại công suất
(c)Bộ tiền khuếch đại

Bộ khuếch đại đường dây được thực hiện nhằm làm bù sự mất mát tín
hiệu trên đường dây do hàn nối, do khoảng cách…Yêu cầu của bộ này là gi ữ
nhiễu ở mức độ thấp, thực hiện việc trao đổi tín hiệu quang với s ợi quang t ốt
nhất, và ổn định trên toàn bộ dải thông của WDM.
Bộ khuếch đại công suất được đặt ngay bộ phát quang nhằm làm tăng
cực đại nhất tín hiệu truyền, nhằm đường truyền xa nhất có th ể. Yêu cầu của
bộ khuếch đại này công suất ngõ ra lớn nhất, không phải là độ l ợi.
Bộ tiền khuếch đại được đặt ngay phía trước bộ thu nhằm khuếch đại tín
hiệu thu được. Điều này làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt đ ộ nhạy thi ết b ị thu, và
4


cho phép hệ thống truyền dẫn với tốc độ cao hơn. Yêu cầu của b ộ ti ền khu ếch
đại này là độ nhạy lớn, độ lợi lớn, và nhiễu thấp.
II.

BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN

2.1. Tán xạ Raman
2.1.1. Ánh sáng

Ánh sáng có tính lưỡng tính sóng hạt. Tính chất sóng của ánh sáng đ ược
quan sát thấy qua các hiện tượng giao thoa, tán s ắc. Ánh sáng có b ản ch ất sóng
điện từ. Các mode trường điện từ là tập các nghiệm của phương trình sóng. Tính
chất hạt của ánh sáng được thể hiện qua khả năng đâm xuyên, hi ện tượng
quang điện, tác dụng ion hoá. Ánh sáng bao gồm các photon mang năng lượng
xác định bằng hf trong đó h là hằng số Plank cịn f là tần số của ánh sáng.
2.1.2. Tương tác của ánh sáng và môi trường
Một chùm sáng đi từ chân không vào môi trường bị phản xạ một phần ở
mặt ngăn cách. Phần khúc xạ vào môi trường lại bị tán sắc, bị môi trường hấp
thụ và bị tán xạ một phần về mọi phía.
Theo Lorentx ta có những giả thiết cơ bản sau đây:
 Phân tử của mọi chất được tạo thành từ ion và electron. Electron có khối
lượng m và mang điện tích nguyên tố C và được coi như điện tích đi ểm.
 Bên trong vật dẫn, electron chuyển động hồn tồn tự do. Chuyển động
có hướng của electron trong vật dẫn dưới ảnh hưởng của điện trường
tạo nên dịng điện dẫn.
Trong điện mơi, electron khơng thể chuyển động tự do. Nhưng cũng
không liên kết cố định với ion, mà có thể dịch chuyển một chút dưới tác dụng
của những lực bên ngồi. Ion mang điện tích âm hoặc dương cũng có thể dịch
chuyển dưới tác dụng của điện trường. Nhưng ion có khối lượng lớn hơn
electron nhiều nên di chuyển chậm. Trong điện trường biến đổi nhanh của sóng
ánh sáng trong miền thấy được, ion hầu như khơng kịp dịch chuyển. Chỉ khi nào
khảo sát trong miền hồng ngoại ta mới cần kể đến ảnh hưởng của ion.
2.1.3. Sợi quang
Sợi quang là một thành phần quan trọng trong mạng, nó tao s ự k ết n ối
giữa các thiết bị. Hai thông số cơ bản của s ợi quang là suy hao và tán săc. Do dó,

5

người ta sử dụng sợi quang có suy hao nhỏ, chủ yếu là sử dụng s ợi quang theo
chuẩn G.652.
Trên thực tế, để khắc phục nhược điểm trong truyền dẫn thông tin của
cáp đồng, đã từ lâu người ta đã cho ra đời cáp quang cùng v ới nh ững tính năng
ưu Viêt hơn. Khơng giống như cáp đồng truyền tín hiệu bằng đi ện, cáp quang
dùng ánh sáng đê truyền tín hiệu đi. Chính vì sự khác bi ệt đó, mà cáp quang ít bi
nhiễu, tốc độ cao và có khả năng truyền xa hơn.

Hình 2.2 : Cấu tạo của sợi quang
Cáp quang có cấu tạo gồm dây dẫn trung tâm là sợi thủy tinh hoặc plastic
đã được tinh chế nhằm cho phép truyền đi tối đa các tín hi ệu ánh sáng. S ợi
quang được tráng một lớp lót nhằm phản chiếu tốt các tín hiệu.
Cáp quang gồm các phần sau:


Lõi: Trung tâm phản chiếu của sợi quang nơi ánh sáng đi



Cladding: Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở
lại vào lõi.



Buffer coating: Lớp phủ dẻo bên ngồi bảo vệ sợi khơng bị hỏng và ẩm
ướt



Jacket: Hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang được đặt trong bó gọi là Cáp

quang. Những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp được gọi là
jacket.

2.1.4. Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang
Suy hao
Vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang nhỏ hơn vận tốc truy ền ánh
sáng trong chân không. Ký hiệu c là vận tốc truyền ánh sáng trong chân không, n

6


là chiết suất của lõi sợi, khi đó vận tốc truy ền ánh sáng trong s ợi quang đ ược
tính theo công thức (2.1)
v

c
8
n , c 3.10  m / s 

(2.1)

Ánh sáng khi truyền dọc theo sợi sẽ bị suy hao. Ký hi ệu  [1/m] là hệ số
suy hao của sợi quang, P0 là công suất đầu vào sợi quang, cơng suất đầu ra s ợi
quang có chiều dài L được tính theo cơng thức:
PT  P0 e  L

(2.2)

Để tính tốn hệ số suy hao, đơn vị thường được sử dụng là  dB  dB / km .
Phương trình chuyển đổi đơn vị :

 10dB
ln10
 
1000




 1 / m 

(2.3)

Cơng suất quang cũng thường được tính theo đơn vị là dBm thay cho Watt.
Quan hệ giữa hai đơn vị này được biểu thị trong công thức (2.9).
 PW  
P dBm 10. log10   3 
10 W 

(2.4)

Tán sắc
Tán sắc là hiện tượng dãn rộng xung ánh sáng khi truyền trong s ợi quang.
Tán sắc có nhiều loại như tán sắc mode, tán sắc màu và tán sắc mode phân cực.
Tán sắc mode chỉ xảy ra trong sợi quang đa mode. Do các mode có tốc độ
lan truyền khác nhau nên thời gian truyền các mode là khác nhau, gây ra tán sắc
mode.
Tán sắc màu được phân chia thành tán sắc vật liệu và tán s ắc ống d ẫn
sóng. Tán sắc vật liệu xảy ra do sự phụ thuộc của chi ết su ất vào b ước sóng. Tán
sắc ống dẫn sóng xảy ra do ánh sáng truyền trong s ợi không ph ải là ánh sáng
đơn sắc, hằng số lan truyền  là hàm của bước sóng. Các thành phần bước sóng

khác nhau có vận tốc nhóm khác nhau gây ra tán s ắc ống d ẫn sóng. Tán s ắc màu
có ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống thông tin quang. Tán sắc màu làm tăng ảnh

7


hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang dẫn đến gi ới hạn về khoảng
cách truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang.
2.1.5 .Tán xạ ánh sáng
Khi ánh sáng truyền qua mơi trường vật chất trong suốt thì phần l ớn ánh
sáng truyền thẳng và một phần nhỏ sẽ bị tán xạ. Mơi trường có th ể gây ra nhi ều
loại tán xạ trong đó điển hình là tán xạ Rayleigh, tán xạ Brillouin, tán x ạ
Raman… Tuỳ thuộc vào loại vật chất, ánh sáng, đi ều kiện môi tr ường… mà m ỗi
loại tán xạ xảy ra khác nhau.
Tán xạ Rayleigh là quá trình tán xạ đàn hồi, tần số ánh sáng tán x ạ b ằng
tần số ánh sáng tới. Trạng thái của các phân tử vật chất do tán x ạ Rayleigh
không thay đổi sau khi ánh sáng truyền qua. Ngược lại, tán xạ Brillouin và tán x ạ
Ramman là các quá trình tán xạ khơng đàn hồi, các ngun tử b ị kích thích khi có
ánh sáng đi qua và tần số ánh sáng tán xạ bị dịch chuy ển so v ới t ần s ố c ủa ánh
sáng tới.

a-Quá trình tán xạ đàn hồi

b-Q trình tán xạ khơng đàn h ồi.

Hình 2.3:Q trình tán xạ ánh sáng

Các hiệu ứng tán xạ sẽ làm giới hạn cơng suất quang lớn nhất có thể
truyền ở trong sợi. Trong hệ thống WDM tán xạ là nguyên nhân gây nhiễu gi ữa
các kênh. Tuy nhiên tán xạ Raman cũng được ứng dụng trong các bộ khuếch đại

8


quang Raman ở những bước sóng mà bộ khuếch đại quang EDFA không phù
hợp.
2.1.7. Tán xạ Raman
Tán xạ Raman được phân chia thành hai loại: Tán xạ Raman tự phát) và
tán xạ Raman kích thích. Hiệu ứng tán xạ Raman tự phát đã được dự đoán b ởi
Smekal vào năm 1923 và đến năm 1928 được Raman chỉ ra bằng thực nghiệm.
Trong quá trình tán xạ Raman tự phát, ánh sáng tới tương tác v ới môi
trường làm sinh ra các photon. Tuỳ thuộc vào bản chất của môi trường các
photon sinh ra sẽ có tần số lớn hơn hoặc nhỏ hơn tần số của ánh sáng tới.
Giản đồ năng lượng của quá trình tán xạ Raman được th ể hi ện trên Hình
2.. Electron sẽ chuyển từ trạng thái khởi đầu (trạng thái cơ bản) lên tr ạng thái
ảo (trạng thái kích thích) khi hấp thụ một photon có năng lượng bằng hiệu năng
lượng giữa trạng thái ảo và trạng thái khởi đầu. Khi chuy ển từ tr ạng thái ảo v ề
trạng thái cuối electron sẽ phát xạ một photon có năng lượng bằng hiệu năng
lượng trạng thái ảo và trạng thái cuối.
Nếu như trạng thái khởi đầu có năng lượng thấp hơn năng lượng của
trạng thái cuối, tần số photon phát xạ sẽ nhỏ hơn tần số ánh sáng tới và quá
trình tán xạ tạo ra ánh sáng Stoke.

Hình 2.4:Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman .
(a)Tán xạ Stoke (b)Tán xạ phản Stoke.
Giả sử 1 ,  2 lần lượt là tần số của ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ,  là
tần số phonon được sinh ra. Khi đó theo định luật bảo tồn chuy ển hố năng
lượng thì  2 1 -  .

9

Ngược lại nếu trạng thái cuối có năng lượng thấp hơn thì quá trình tán xạ
tạo ra ánh sáng phản Stoke có tần s ố  2 1   , chêch lệch giữa mức năng
lượng trạng thái khởi đầu và trạng thái cuối chính là năng lượng của m ột
phonon. Thực tế, tán xạ phản Stoke thường yếu hơn tán xạ Stoke.
Tần số của các photon tán xạ được xác định bằng tần số dao động của
nguyên tử. Với thuỷ tinh, quang phổ của ánh sáng tán xạ Raman gồm nhi ều
thành phần tần số khác nhau là do các nguyên tử trong thuỷ tinh dao đ ộng trong
một khoảng tần số rất rộng.
Hiệu ứng tán xạ Raman tự phát được ứng dụng để xác định cấu trúc của
các phân tử, thành phần cấu tạo và loại liên kết trong các phân tử đó.
Khi ta tăng dần cơng suất bơm đầu vào thì cơng suất của sóng Stoke cũng
tăng dần. Nhưng nếu như cơng suất sóng bơm vượt q một giá tr ị xác đ ịnh thì
cơng suất sóng Stoke sẽ tăng lên rất nhanh theo hàm mũ. Nguyên nhân gây ra
hiện tượng này là quá trình tán xạ Raman kích thích.
2.2. Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman
Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích
(Stimulated Raman Scattering). Tán xạ Raman kích thích là hi ện t ượng m ột
nguyên tử hấp thụ năng lượng của một photon, sau đó tạo ra một photon có
năng lượng khác. Vì vậy, tán xạ Raman kích thích được đ ịnh nghĩa là hi ện t ượng
photon thứ cấp được sinh ra do nguồn bên ngồi.
Để có khuếch đại Raman thì phải tạo ra sự nghịch đảo n ồng đ ộ. Đi ều này
đạt được bằng cách cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang từ
một laser bơm có bước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu. Khi đó, các
ngun tử của sợi quang sẽ hấp thụ năng lượng bơm có năng lượng cao(b ước
sóng ngắn) và chuyển lên mức cao hơn. Khi có tín hi ệu đ ến, nó sẽ kích thích các
ngun tử đang ở mức năng lượng cao chuyển sang trạng thái năng l ượng th ấp
hơn và giải phóng ra một năng lượng dưới dạng photon ánh sáng có cùng bước
sóng (dài hơn bước sóng bơm) và cùng pha với tín hi ệu đến. Do đó, tín hi ệu đã
được khuếch đại

10


Hình 2.12:Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman

Hình 2.5:Sơ đồ chuyển năng lượng trong khu ếch đại Raman
Dựa trên giản đồ năng lượng trên, tần số ánh sáng bơm fbơm và tần số ánh
sáng được khuếch đại fkhuếch đại được tính như sau
fbơm= E3-E1

(2.21)

fkhuếch đại= (E2-E1)/h

(2.22)

Trong đó: h là hằng số Plank;E1, E2, E3 là năng lượng của các trạng thái
năng lượng cao(transition state), trạng thái năng lượng trung gian ( vibration
state) và trạng thái năng lượng thấp ( ground state) của các nguyên tử trong sợi
quang.
Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang được khuếch đại dọc theo tồn
bộ chiều dài của sợi quang silic bình thường. Cấu trúc của một bộ khuếch đại
Raman được minh họa trong hình 2.13

11


Hình 2.6: Cấu trúc bộ khuếch đại Raman
Sợi quang: là nơi xảy ra quá trình khuếch đại. S ợi quang này cũng là s ợi

quang truyền tín hiệu như sợi SMF, DCF..
Bộ ghép(Coupler): dùng để ghép các bước sóng tín hiệu vào sóng bơm
Laser bơm(Pump Laser):dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử
của sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích giúp tạo ra s ự ngh ịch đ ảo n ồng
độ
Bộ cách ly(Isolator): Đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang đ ể ngăn
chặn tín hiệu phản xạ ở hai đầu bộ khuếch đại. Đồng th ời nó cũng giúp loại tr ừ
nhiễu ASE theo hướng ngược về phía đầu vào có thể gây ảnh h ưởng đến tín
hiệu đầu vào.
2.3. Bơm và phương trình tín hiệu
Trong bất kỳ phần tử môi trường nào, tán xạ Raman tự phát có th ể
chuyển một phần nhỏ năng lượng ( thông thường < 10-6 ) từ một miền quang tới
một miền quang khác mà tần số của nó bị dịch xuống bởi một đại l ượng đ ược
xác định bằng kiểu dao động của môi trường. Hiện tượng này đã được tìm ra bởi
Raman trong năm 1928 và được biết như tác động Raman. Như trong hình 2.14,
nó có thể được nhìn dưới dạng cơ học lượng tử như tán xạ của một photon có
năng lượng h  P tạo ra một phần tử có năng lượng photon tần số thấp hơn h  S .
Phonon quang có năng lượng khác nhau được sinh ra trong suốt quá trình này, đó
là do phần tử này chuyển tới trạng thái dao động kích thích. Th ực v ậy, ánh sáng
tới tác động như một bơm cho phát sinh sự dịch bức xạ RED g ọi là dòng Stokes.
Bộ phận dịch BLUE được biết như là dịng phản Stokes, nó cũng được sinh ra
nhưng cường độ của nó yếu hơn nhiều so với dịng Stokes bởi vì q trình phản
Stokes yêu cầu trạng thái dao động xác định ban đầu của m ột phonon phải

12


đúng năng lượng và động lượng. Trong phần sau chúng ta bỏ qua q trình ph ản
Stokes coi như nó chạy ảo khơng có vai trị trong khuếch đại quang.

Hình 2.7:Sơ đồ minh họa của quá trình tán xạ Raman t ừ quan đi ểm c ơ h ọc
lượng tử. Một photon Stokes năng lượng giảm hωs được tạo tức thời khi một
photon bơm có năng lượng hωp được nâng lên tới mức ảo như đường nét đứt.
Mặc dù tán xạ Raman tự phát xảy ra trong bất kỳ phần tử mơi trường nào,
nhưng nó đủ yếu để có thể bỏ qua khi một chùm tín hi ệu quang lan truy ền qua
một sợi quang. Nó đã được quan sát trong năm 1962 cho trường quang cường độ
lớn, hiện tượng phi tuyến của SRS có thể xảy ra trong đó sóng Stokes tăng nhanh
bên trong mơi trường giống như hầu hết công suất chùm ánh sáng b ơm truy ền
qua nó. Kể từ năm 1962, SRS đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhi ều môi
trường phần tử và đã tìm ra một số ứng dụng. SRS đã được quan sát trong sợi
quang silica năm 1972; sớm sau đó, suy hao lớn nhất của s ợi quang đã đ ược
giảm tới mức có thể chấp nhận được. Kể từ đó, đặc đi ểm của quá trình tán x ạ
Raman đã được lượng tử hóa cho nhiều gương quang trong cả dạng s ợi và dạng
khối.
Thực tế, SRS không dễ dàng quan sát trong sợi quang sử dụng chùm ánh
sáng bơm CW bởi vì giá trị ngưỡng của nó tương đối cao ( ~ 1W). Tuy nhiên, nếu
một chùm ánh sáng Stokes với tần số đúng được bơm cùng v ới chùm ánh sáng
13


bơm như trong hình 2.15 nó có thể được khuếch đại đáng kể khi sử dụng một
chùm ánh sáng bơm CW với mức cơng suất ~ 100mW. Bơm và tín hiệu có thể
được bơm trong hướng đối nhau bởi vì bản chất gần như đẳng hướng của SRS.
Trong thực tế, cấu hình bơm nghịch lại được ưu tiên bởi vì nó làm hi ệu năng b ộ
khuếch đại Raman tốt hơn. Mặc dầu, bộ khuếch đại Raman s ợi quang c ơ s ở thu
hút sự chú ý đáng kể suốt những năm 1980, nhưng nó ch ỉ có giá tr ị v ới laser
bơm thích ứng trong cuối những năm 1990.

Hình 2.8:Bộ khuếch đại Raman sợi quang cơ sở trong cấu hình bơm thu ận.
2.4.Phân loại các bộ khuếch đại Raman

2.4.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier)

Hình 2.9: Khuếch đại tập trung (a) và khuếch đại phân bố (b)
Với bộ khuếch đại Raman phân bố DRA, ánh sáng bơm được phân b ố tr ải
dài trong sợi quang. DRA tận dụng sợi quang s ẵn có trong m ạng nh ư m ột
phương tiện để khuếch đại tín hiệu và như vậy ánh sáng sẽ được khu ếch đ ại
đồng đều dọc theo sợi quang trên một khoảng cách l ớn (V ới các b ộ khu ếch đ ại
14


DRA, thơng thường ánh sáng bơm có cơng suất cao được bơm theo hướng ngược
để kết hợp với các bộ khuếch đại tập trung khác như các b ộ khu ếch đ ại quang
sợi pha đất hiếm EDFA. Ưu điểm chính của DRA là cải thi ện tỷ s ố tín hi ệu trên
nhiễu SNR và giảm tính phi tuyến.

Hình 2.10: Cơng suất tín hiệu trong hệ thống s ử dụng DRA
Hình 2.25 biểu diễn mức cơng suất ánh sáng tín hi ệu theo kho ảng cách
của hệ thống khuếch đại theo chu kỳ. Đỉnh hình răng cưa tương ứng với các
điểm khuếch đại tập trung. Đường nét đứt là bi ểu di ễn cơng suất ánh sáng tín
hiệu trong hệ thống chỉ sử dụng các bộ khuếch đại tập trung v ới tăng ích cao.
Đường cong trên hình tương ứng với cơng suất ánh sáng tín hiệu trong trường
hợp sử dụng bộ khuếch đại DRA kết hợp với bộ khuếch đại quang t ập trung có
tăng ích nhỏ. Khi sử dụng DRA mức cơng suất tín hiệu dọc theo s ợi quang sẽ
đồng đều hơn. Nếu kết hợp các bộ khuếch tập trung mức ánh sáng tín hi ệu đ ỉnh
không quá lớn. Như vậy sẽ tránh được các hiệu ứng phi tuyến. Đồng th ời m ức
công suất ánh sáng tín hiệu cũng khơng xuống thấp q do ảnh h ưởng của suy
hao do đó tỷ số SNR được cải thiện. Tỷ số SNR cao tương ứng với khả năng tăng
khoảng cách giữa các bộ khuếch đại hoặc tăng dung lượng của kênh tín hi ệu.
Khoảng cách giữa các bộ khuếch đại quang tập trung th ường kho ảng 80 km,
bằng cách sử dụng DRA hiệu năng của hệ thống tương đương v ới sử dụng

khuếch đại quang tập trung với khoảng cách giữa chúng là 35 đến 38 km .

15


Ngoài khả năng tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch đại hoặc tăng t ốc
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 khơng.
Bên cạnh các ưu điểm vừa nêu, khuếch đại Raman tập trung cũng có m ột s ố
nhược điểm:
 Sợi quang có chiều dài hiệu dụng thấp Leff được xác định từ hệ số suy hao
của sợi. Trong các bộ khuếch đại DRA chiều dài hiệu dụng của s ợi quang
thường nhỏ hơn 40 km. Chiều dài hiệu dụng thấp làm giảm khả năng
tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch đại.
 DRA có cơng suất ánh sáng bơm rất cao, ví dụ để tối ưu hố mức nhi ễu
cơng suất ánh sáng bơm với sợi dịch tán sắc khoảng 580 mW và 1.28 W
với sợi 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, đ ộ 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 khuếch đại DRA thường có nhiễu DRS cao hơn so
với các bộ khuếch 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 l ợi ích t ừ t ỷ s ố
SNR và giảm hiệu ứng phi tuyến của DRA là rất lớn nên DRA đã được s ử dụng
khá rộng rãi trong các hệ thống cự ly dài.
2.4.2 .Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier)

Bộ cách ly quang

Sợi quang khuếch
đại Raman
Coupler

Ánh sáng bơm

Ánh sáng tín hiệu được
khuếch đại
Laser bơm

16


Hình 2.11: Khuếch đại Raman tập trung
Bộ khuếch đại Raman tập trung LRA là một khối đơn. Trong bộ khuếch
đại Raman tập trung tất cả công suất ánh sáng bơm được tập trung trong m ột
khối. Hình 2.26 là một thí dụ kết nối bộ khuếch đại Raman tập trung trong hệ
thống thông tin quang. Trong sơ đồ trên ánh sáng b ơm được gi ữ trong b ộ
khuếch đại bằng các bộ cách ly xung quanh bộ khuếch đại với chi ều dài s ợi tăng
ích Raman khoảng vài km. Như vậy khác với bộ khu ếch đại Raman phân b ố ánh
sáng bơm không đi vào sợi quang từ bên ngoài bộ khuếch đại.
Đặc điểm đáng lưu ý nhất của khuếch đại Raman tập trung đó là khả
năng sử dụng dải bước sóng mới mà tại các dải băng này EDFA không th ể ho ạt
động.
2.4.3 .Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA

Hình 2.12: Khuếch đại quang lai ghép EDFA/Raman
Như trong phần (2.6.1) đã trình bày, khuếch đại quang Raman phân bố
DRA có thể được sử dụng kết hợp với các bộ khuếch đại tập trung khác đi ển

hình trong số đó là kết hợp với bộ khuếch đại EDFA hình thành bộ khu ếch đ ại
quang lai ghép Raman/EDFA. Loại khuếch đại quang này có th ể thay th ế b ộ
khuếch đại EDFA trong đó khuếch đại Raman phân bố đóng vai trị của một b ộ
khuếch đại tạp âm nhỏ (tiền khuếch đại).
2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman
Có 4 nguồn nhiễu cơ bản trong kỹ thuật Raman, đó là:
Nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS
Nó tương đương với 2 hiện tượng tán xạ đơn (một tán xạ phản xạ và một
tán xạ tới) do tính chất không đồng nhất của b ộ vi hi ển th ị b ằng thu ỷ tinh t ổng
hợp. Khuếch đại bức xạ tự phát(ASE) truyền trong huớng nghịch sẽ được phản
17


xạ lại trong hướng thuận nhờ DRS và những kết quả thu được là do kích thích
Raman phân tán tạo nên. Điều này góp phần làm cho ASE phản xạ rất nhi ều l ần,
nó sẽ làm giảm tỷ số S/N. Hơn thế nữa, DRS gây ra rất nhi ều tuy ến nhiễu giao
thoa và điều đó cũng làm giảm SNR. DRS tương ứng v ới chi ều dài c ủa s ợi và h ệ
số tăng ích bên trong sợi, vì thế nó là điều hết sức quan tr ọng trong kỹ thu ật
Raman bởi trên độ dài của sợi quang, nhất là ở những nơi có chi ều dài vài km thì
đó là u cầu điển hình. Đứng trên quan đi ểm thực tế, hệ số tăng ích của DRS
giới hạn trên một tầng cỡ khoảng xấp xỉ 10 đến 15 dB. Để bộ khuếch đại đạt
được hệ số tăng ích cao hơn thì sử dụng biện pháp cách ly giữa các tầng v ới
nhau trong bộ khuếch đại. Ví dụ, một bộ khuếch đại Raman phân tán 30 dB
được giới thiệu với 2 tầng khuếch đại cho độ nhiễu nhỏ hơn 5.5 dB.
Nhiễu do thời gian sống của electron tại trạng thái kích thích ngắn
Nguồn nhiễu thứ hai xuất hiện trong thời gian sống rất ngắn ( cỡ khoảng
3 đến 6 fs) của bức xạ Raman ở trạng thái cao hơn ( bức xạ từ trạng thái thấp
lên trạng thái cao). Kết quả của hiện tượng gần như xảy ra tức thì này là s ự
ghép nối của dao động kích thích tới tín hiệu. Cách thơng d ụng đ ể tránh ghép
nối bất lợi này là tạo một bộ kích thích và m ột bộ đếm truy ền tín hi ệu, nó sẽ có

tác dụng hữu hiệu khi mở đầu cho thời gian sống ở trạng thái cao mà tương
đương với thời gian truyền trong toàn bộ sợi. Nếu sử dụng bộ đếm truyền tín
hiệu và bộ kích thích thì Laser kích thích sẽ khơng bị kích thích. Đi ều đó khi ến
chúng có cường độ rất nhỏ, bởi vậy mới được gọi là Cường độ nhiễu tương đ ối
(RIN). Ví dụ, bộ đếm truyền kích thích sử dụng Laser Diode Fabry-Perot thay vì
sử dụng LD có bộ lọc quang ổn định.

Nhiễu phát xạ tự phát ASE
Nguồn nhiễu chủ yếu thứ ba trong kỹ thuật Raman thường là ASE. Đi ển
hình là các mức cơng suất trung bình, với tín hiệu ASE ln có nhiễu tổng hợp
tồn tại trên nó - gọi là nhiễu tổng ASE. Rất may là bộ khu ếch đ ại Raman v ốn đã
có độ nhiễu thấp đối với ảnh hưởng từ tín hiệu ASE tổng bởi vì hệ thống Raman
ln hoạt động như là một hệ thống đảo hồn tồn. Ví dụ, cơng thức tính mật
độ phổ cơng suất ASE :
SASE (ν) = (G – 1).hν.N2/(N2 – N1)
18

(2.47)


Và cơng thức tính dạng nhiễu là :

NF = 1/G.[ 2.SASE (ν)/ hν + 1 ]

(2.48)

Với N2 là mẫu ở trạng thái cao hơn, N 1 ở trạng thái thấp. Với kỹ thuật
Raman thì tỷ số N2/(N2 – N1) ln giới hạn xung quanh mức ‘1’. Chẳng hạn kỹ
thuật EDFAs thì tỷ số này thường lớn hơn ‘1’. Trong một sợi EDFAs thì giới hạn
tỷ số này chỉ ngang bằng mức ‘1’ đối với bộ khuếch đại đảo hoàn toàn trên toàn

bộ chiều dài sợi quang thu. Mặt khác, từ khi kỹ thu ật Raman s ử d ụng s ợi quang
tuyến dài, phần mất mát thụ động rất nhỏ của sợi thu cũng cần được tính thêm
vào khi xét tới dạng nhiễu. Nhưng dù sao, bộ khuếch đại Raman phân tán v ới đ ộ
nhiễu khoảng 4.2 dB cũng đã được xét đến.

Nhiễu do bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu gần nhau
Nó xuất hiện khi một thanh tử bị kích thích bởi nhiễu quang t ạo ra khi
bước sóng của tín hiệu có phổ của nó được khuếch đại gần bằng v ới b ước sóng
kích thích được sử dụng khi khuếch đại. Nói một cách khác thì ở nhiệt đ ộ phịng
hay nhiệt độ trong thang máy, có một mẫu nhiệt khi ến cho các thanh tử trong
sợi thủy tinh có thể tự động kích hoạt từ các bộ tạo sóng kích thích, theo đó mà
nó tạo thêm nhiễu cho tín hiệu gần với bước sóng kích thích. Nó cho th ấy r ằng
điều này có thể dẫn đến việc tăng độ nhiễu lên tới 3 dB đối với tín hiệu có bước
sóng gần bằng bước sóng kích thích.

III.
III.1

ĐÁNH GIÁ BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN
Ưu điểm

 Đối với các ứng dụng trong hệ thống viễn thông, trong cáp quang các b ộ
khuếch đại Raman cạnh tranh với EDFA. So với những tính năng điển hình
của nó là:
19


 Bộ khuếch đại Raman có thể khuếch đại trong vùng bước sóng khác nhau
miễn là có một nguồn bơm có sẵn.
 Phổ đạt được có thể được thiết kế bằng cách sử dụng bước sóng bơm

khác nhau cùng một lúc.
 Tạp âm nhiễu thấp.
 Cấu trúc đơn giản không cần sợi đặc biệt
 Dễ chọn băng tần.
 Có thể đạt được băng thông rộng nhờ kết hợp vài laser bơm.
III.2

Nhược điểm

 Xuyên âm giữa các kênh tín hiệu do hiện tượng tán xạ Raman kishc thích
SRN. Đây là một trong những hiệu ứng phi tuyến của sợi quang có th ể ảnh
hưởng đến chất lượng của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM.
 Hệ số khếch đại thấp.
 Hiệu suất khuếch đại thấp hơn so với EDFA, khuếch đại Raman cần một
máy bơm lớn để đạt cùng độ lợi.
3.3. Ứng dụng của bộ khuếch đại Raman
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truy ền d ẫn
cũng không ngừng đạt được thành tựu to lớn đặc bi ệt là kỹ thu ật truy ền d ẫn
trên môi trường cáp sợi quang. Tương lai cáp sợi quang được sử dụng rộng rãi
trên mạng viễn thông và coi như một môi trường truyền dẫn lý tưởng . Các h ệ
thống với ưu điểm băng thông rộng, cự li xa, không bị ảnh hưởng của nhi ễu và
khả năng bảo mật cao…
Raman phân tích khí có nhiều ứng dụng thực tế như chúng đ ược s ử d ụng
trong y học để theo dõi thời gian của khí gây mê và hơ hấp trong khi phẫu thu ật.
Quang phổ Raman đang được điều tra nhưng một phương tiện để phát
hiện chất nổ cho an ninh sân bay.
Quang phổ Raman cũng đang được sủ dụng để xác nhận các dự đoán về
sự tồn tại của các tần số thấp phonon của các protein và DNA
Khuếch đại Raman là nền tảng cho khuếch đại công suất tại c ự ly truy ền
dẫn dài và cực dài, hoạt động tại băng tần rộng và tại các tàn s ố mà EDFA không

thể hoạt động. Mặt khác, nhờ các kỹ thuật đan xen nên khu ếch đ ại Raman có
thể có độ rộng băng tần lớn hơn. Hiện nay, khuếch đại Raman băng r ộng lên
đến 136nm thay vì 100nm như trước.
20


Đối với hệ thống này chỉ cần một bộ khuếch đại Raman tập trung băng
rộng đi kèm với một bộ khuếch đại Raman phân bố băng rộng là có th ể đáp ứng
nhu cầu. Bộ khuếch đại Raman phân bố băng rộng có thể khơng khác v ới h ệ
thống trên. Tuy nhiên, bộ khuếch đại tập trung thì đơn gi ản hơn rất nhi ều: s ố
lượng nguồn bơm ít hơn, một hệ thống giám sát và đặc bi ệt là khơng có các b ộ
hợp và chia băng. Đồng thời có thể kết hợp sợi tăng ích và sợi bù tán s ắc trong
bộ khuếch đại tập trung để nâng cao hiệu năng của hệ thống.
Trở ngại lớn nhất cho việc sử dụng khuếch đại Raman trong mạng vi ễn
thơng đó là hiệu quả thấp so với EDFA. Tuy nhiên, khi tốc độ bit và tổng số kênh
tăng lên, khuếch đại Raman càng trở nên hấp dẫn hơn. Tăng ích c ủa khu ếch đ ại
Raman lớn hơn

Hình 3.1: Hiệu suất chuyển đổi công suất của Raman và EDFA

21