Khuếch đại Raman trong truyền thông quang

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Mặc dù tán xạ không đàn hồi của phần tử ánh sáng, một hiện tượng được
biết như tán xạ Raman, được tìm ra bởi C.V. Raman trong năm 1928, nhưng
hiện tượng phi tuyến của tán xạ Raman kích thích không được chứng minh cho
đến năm 1962. Không lâu sau đó, sợi quang silica suy hao thấp được sử dụng
trong năm 1970, Roger Stolen và những người đồng nghiệp sử dụng tán xạ
Raman kích thích trong nhiều sợi quang không chỉ cho khuếch đại của tín hiệu
quang mà còn cho cấu tạo laser Raman sợi cơ sở. Khả năng của bộ khuếch đại
Raman cho bù suy hao sợi quang trong hệ thống sóng ánh sáng được chứng
minh trong những năm 1980 trong một vài thí nghiệm được làm bởi Linn
Mollenauer và đồng nghiệp của ông. Tuy nhiên, những thí nghiệm này không
phù hợp cho sự phát triển bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang
thương mại. Tiếp theo bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium có bơm sử dụng
laser bán dẫn có tính thực tiễn hơn nên khuếch đại Raman đã bị bỏ qua suốt
nhưng năm 1990.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu laser bơm thích ứng cho khuếch đại Raman vẫn
được tiến hành. Một vài công nghệ tiên tiến được tìm ra trong những năm 1990
giúp cho việc sản xuất ra laser bán dẫn đơn mode ngang có khả năng phát mức
công suất vượt quá 0,2 W. Người ta cũng nhận thấy rằng một vài laser bơm có
thể sử dụng tương thích tại bước sóng khác nhau và cung cấp độ khuếch đại
Raman qua một băng tần rộng bao gồm cả băng truyền dẫn C và L. Hơn nữa,
người ta cũng chế tạo ra bộ khuếch đại Raman phân bố có độ khuếch đại trên 10
km có nhiễu nhỏ hơn so với bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium có độ khuếch đại
trên 10 mét. Khi laser bán dẫn công suất lớn có giá trị về thương mại vào cuối
thế kỷ 20, bộ khuếch đại Raman đã được sử dụng trong một số thí nghiệm và
thấy rằng nó cải thiện hiệu năng của hệ thống WDM. Tới năm 2003, việc sử
dụng bộ khuếch đại Raman đã khá phổ biến cho hệ thống tầm xa được thiết kế
để hoạt động qua hàng ngàn kilomet. Các bộ khuếch đại quang Raman có rất
nhiều ưu điểm so với những loại khuếch đại quang đã được sử dụng trước đó và
rất phù hợp với các hệ thống WDM đang được triển khai hiện nay. Các bộ

khuếch đại quang Raman được coi là lời giải cho bài toán khuếch đại quang
trong các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, cự ly dài và rất dài.
i
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
Nhận thức được tầm quan trọng của khuếch đại Raman trong hệ thống
thông tin quang, nên em chọn đề tài “ Khuếch đại Raman trong hệ thống thông
tin quang” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp.
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về khuếch đại quang: nguyên lý
khuếch đại quang và một số tham số khuếch đại quang.
 Chương 2: Trình bày về khuếch đại Raman: tán xạ Raman, ưu
nhược điểm của khuếch đại Raman, nguyên lý khuếch đại Raman,
bơm và phương trình tín hiệu, nhiễu trong khuếch đại Raman, phân
loại các bộ khuếch đại Raman.
 Chương 3: Trình bày ứng dụng của bộ khuếch đại Raman.
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do khuếch đại Raman là một vấn đề
khó nên nội dung đồ án khó tránh khỏi các thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ
bảo, góp ý của các thầy, cô giáo, các bạn sinh viên để đồ án này được hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn cô giáo, ThS. Nguyễn Thị Thu Nga đã nhiệt
tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.
Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn thông tin quang, khoa viễn
thông đã dạy dỗ, dìu dắt em trong suốt 5 năm học vừa qua.
Xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong
suốt thời gian qua.

Hà Nội, ngày tháng năm 2008
Sinh viên
Vương Thành Nam
ii

Đồ án tốt nghiệp Mục lục
MỤC LỤC
1.2. Nguyên lý bộ khuếch đại quang 1
1.3.Phân loại khuếch đại quang 3
1.4. Hệ số độ lợi 3
1.5. Băng thông độ lợi 5
1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà 6
1.7. Hệ số nhiễu 7
1.8. Ứng dụng bộ khuếch đại quang 7
Kết luận chương I 9
CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 10
2.1.Tán xạ Raman 10
2.1.1.Ánh sáng 10
2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường 10
2.1.3.Sợi quang 11
2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 13
2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang 16
2.1.6.Tán xạ ánh sáng 18
2.1.7.Tán xạ Raman 19
2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 26
2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 47
2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 49
2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 51
2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 51
3.1.Ứng dụng trong hệ thống WDM 53
iii
Đồ án tốt nghiệp Mục lục
DANH MỤC HÌNH VẼ
1.2. Nguyên lý bộ khuếch đại quang 1
1.3.Phân loại khuếch đại quang 3

1.4. Hệ số độ lợi 3
1.5. Băng thông độ lợi 5
1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà 6
1.7. Hệ số nhiễu 7
1.8. Ứng dụng bộ khuếch đại quang 7
Kết luận chương I 9
CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 10
2.1.Tán xạ Raman 10
2.1.1.Ánh sáng 10
2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường 10
2.1.3.Sợi quang 11
2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 13
2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang 16
2.1.6.Tán xạ ánh sáng 18
2.1.7.Tán xạ Raman 19
2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 26
2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 47
2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 49
2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 51
2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 51
3.1.Ứng dụng trong hệ thống WDM 53
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu tự phát
CW Continuous Wave Sóng liên tục
DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc
iv
Đồ án tốt nghiệp Mục lục
DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman
phân bố

DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Raman kép
DWDM Dense Wavelength Division
Multiplexing
Ghép phân chia theo bước
sóng dày đặc
EDFA Erbium Droped Fiber Amplifer Khuếch đại quang sợi pha
Erbium
FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng
LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman tập
trung
NF Noise Figure Hệ số nhiễu
NZDF Nonzero Dispersion Fiber Sợi quang tán sắc khác
không
OFA Optical Fiber Amplifer Bộ khuếch đại sợi quang
OSA Optical Spectrum Analyzer Bộ phân tích phổ quang
OSC Optical Service Channel Kênh dịch vụ quang
SBS Stimulated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích thích
SLA Superlarge Area Miền siêu rộng
SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín trên tạp
SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán
dẫn
SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha
SRS Stimulated Raman Scattering Hiện tượng tán xạ Raman
kích thích
WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo
v
Đồ án tốt nghiệp Mục lục
bước sóng
XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

ZDW Zero Dispersion Wave Bước sóng tán sắc không
vi
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
1.1.Giới thiệu chung
Đối với tín hiệu quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn, sự suy giảm tín
hiệu là không thể tránh khỏi. Do vậy, trên một đường truyền dẫn thông tin, tất
yếu phải có bộ lặp nhằm khôi phục tín hiệu quang, khôi phục lại dạng xung,
khôi phục lại biên độ Trong hệ thống thông tin cũ, các bộ lặp thường được
thực hiện trên điện. Tín hiệu quang được truyền qua một bộ chuyển đổi O/E, sau
khi khuếch đại, nó lại qua bộ E/O để thực hiện truyền dữ liệu tiếp đến đích.
Hình 1.1:Bộ lặp quang điện
Các hệ thống hiện nay (WDM – Wavelength Division Multiplexing), số
lượng bước sóng là rất nhiều. Nếu sử dụng bộ lặp như hiện nay, tức là khuếch
đại tín hiệu trên tín hiệu điện, thì sẽ phải cần rất nhiều các bộ lặp khác nhau, mỗi
bộ lặp thực hiện khuếch đại một bước sóng. Điều này sẽ làm cho chi phí tăng lên
rất nhiều lần, mà hiệu quả không cao. Để giải quyết chúng ta đặt ra vấn đề phải
thực hiện khuếch đại ngay trên tín hiệu quang.
Điều này sẽ dẫn tới có một số ưu điểm sau (so với trạm lặp):
+) Không cần chuyển đổi E/O và O/E, nên mạch linh động hơn, đỡ cồng kềnh.
+) Có thể khuếch đại cùng lúc nhiều bước sóng.
+) Không phụ thuộc vào phương thức điều chế và tốc độ bit.
1.2. 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.
Vương Thành Nam - D04VT1 1
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang
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 1.2.

Hình 1.2: Các hiện tượng biến đổi quang điện
Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng lượng E
v
= hf
12
tác
động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm E
g
= E
2
– E
1
bằng nhau (E
v
= E
g
). Khi đó,
điện tử sẽ nhận năng lượng và được nhẩy lên mức năng lượng cao hơn. Đây
chính là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng suy hao cho tín hiệu quang.
Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử ở mức năng lượng cao
chuyển xuống mức năng lượng thấp, đồng thời phát ra một photon có mức năng
lượng E
v
bằng độ lớn dải cấm E
g
. Mỗi một vật liệu sẽ có một thời gian sống
khác nhau, khi hết thời gian sống nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát. Đây chính là
nguyên nhân gây ra nhiễu của bộ khuếch đại.
Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi có một ánh sáng có năng lượng
photon E

v
chính bằng năng lượng dải cấm E
g
. Khi đó, một điện tử ở mức năng
lượng cao sẽ bị chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon có
cùng pha với ánh sáng kích thích. Đây chính là nguyên lý khuếch đại của bộ
khuếch đại quang.
Có thể dễ dàng nhận thấy rằng, hiện tượng bức xạ tự phát có thể xảy ra bất kỳ
lúc nào, và sẽ gây ra nhiễu cho bộ khuếch đại, được gọi là nhiễu tự phát (ASE).
Hiện tượng hấp thụ thì sẽ gây ra suy yếu bộ khuếch đại. Như vậy, nếu mật độ
năng lượng trong vật liệu khuếch đại là thấp sẽ gây ra hiện tượng hấp thụ lớn.
Điều đó dẫn đến, nếu muốn khuếch đại lớn chúng ta phải thực hiện đảo mật độ
hạt.
Vương Thành Nam - D04VT1 2
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang
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 thể chia khuếch
đại quang thành hai loại chính là: Khuếch đại quang bán dẫn SOA và khuếch đại
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 dòng
điện
Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là sợi quang được pha
đất 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 điểm
về đặc tính kỹ thuật so với SOA.

Ngoài ra, còn có một loại khuếch đại được sử dụng nhiều trong các hệ
thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman. Khuếch đại Raman cũng sử dụng
sợi 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. Hệ số độ lợi
Hầu hết các bộ khuếch đại quang đều được thực hiện thông qua hiệu ứng
bức xạ kích thích. Khuếch đại đạt được khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm
quang, hay bơm điện để đảo lộn mật độ. Nhìn chung khuếch đại quang không
chỉ phụ thuộc vào bước sóng truyền mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm, mật
độ hạt có trong vật liệu. Chúng ta coi vật liệu là đồng nhất, ta có được phương
trình sau:
s
PPT
g
g
/)(1
)(
2
2
2
0
0
+−+
=
ωω
ω
(1.1)
Trong đó g

0
là giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang tới,
ω
0
là tần số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu được khuếch đại, P
s
là
Vương Thành Nam - D04VT1 3
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang
công suất bão hoà. Công suất bão hoà P
s
phụ thuộc vào các tham số của môi
trường khuếch đại. Hệ số T
2
trong phương trình (1.1) được gọi là thời gian hồi
phục phân cực, thường nhỏ hơn 1 ps . Phương trình (1.1) có thể dùng để mô tả
các đặc tính quan trọng của bộ khuếch đại như là băng tần độ lợi, hệ số khuếch
đại và công suất đầu ra bão hoà.
Ở chế độ chưa bão hoà, coi P/P
s
<< 1, khi đó phương trình 1.1 trở thành:
2
2
2
0
0
)(1
)(
T
g

g
ωω
ω
−+
=
(1.2)
Từ phương trình này có thể nhận thấy, hệ số độ lợi lớn nhất khi tần số
khuếch đại ω

= ω
0
tần số trung tâm.
Nếu gọi P
in
, P
out
lần lượt là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại. Vậy
thì hệ số khuếch đại là:
in
out
P
P
G =
(1.3)
Mặt khác, ta lại có công thức sau:
gP
dz
dP
=
(1.4)

Suy ra:
)exp()( gzPzP
in
=
(1.5)
Với P(z) là công suất tín hiệu tại vị trí z so với đầu vào.
Giả sử khoảng rộng của bộ khuếch đại là L, khi đó P
out
= P(L). Suy ra hệ
số khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là:
Lg
in
L
in
out
e
P
P
P
P
G
)(
)(
ω
ω
===
(1.6)
Dễ dàng nhận thấy rằng, g(ω) đạt giá trị lớn nhất tại ω = ω
0
nên G(ω) cũng đạt

giá trị lớn nhất tại ω
0
. Và giá trị hai hệ số này cũng đều giảm khi (ω – ω
0
) tăng.
Ta có biểu đồ sau:
Vương Thành Nam - D04VT1 4
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang
Hình 1.3: Mối tương quan hệ số khuếch đại
1.5. Băng thông độ lợi
Băng tần độ lợi được định nghĩa là
2g
T/2=ω∆
hay là:
2
1
2 T
v
g
g
ππ
ω
=
∆
=∆
(1.7)
Như vậy, nếu ∆v
g
~ 5THz với bộ khuếch đại quang bán dẫn có T
2

= 60fs. Bộ
khuếch đại băng rộng thích hợp với các hệ thống viễn thông thông tin quang, vì
độ lợi của cả băng tần gần như là hằng số, thậm chí cả khi đó là tín hiệu đa kênh.
Băng tần khuếch đại ∆v
A
được định nghĩa là một FWHM, và liên quan tới ∆v
g
theo công thức sau:

2/1
0
)2/ln(
2ln






∆=∆
G
vv
gA
(1.8)
Với G
0
= exp(g
0
L).
Dễ dàng nhận thấy, băng tần khuếch đại nhỏ hơn băng tần độ lợi, và sự khác biệt

này còn tuỳ thuộc vào độ lợi khuếch đại.
1.6. Công suất ngõ ra bão hoà
1.6.1. Độ lợi bão hoà
Độ bão hoà của độ lợi phụ thuộc vào giá trị g(ω) trong phương trình 1.1.
Dễ dàng nhận thấy rằng, khi P tiến tới P
s
thì giá trị g giảm dần, đồng thời hệ số
Vương Thành Nam - D04VT1 5
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang
khuếch đại G cũng giảm theo độ tăng của công suất tín hiệu. Chúng ta coi giá trị
đỉnh xảy ra khi ω = ω
0
. Theo 1.1 và 1.4, chúng ta có:
s
PP
Pg
dz
dP
/1
0
+
=
(1.9)
Xét phương trình với chiều dài bộ khuếch đại là L, và coi P
0
= P
in
, và
P(L)=GP
in

= P
out
, từ đó ta có phương trình:
)
1
exp(
0
s
out
P
P
G
G
GG
−
−=
(1.10)
Dễ dàng nhận thấy, G bắt đầu giảm dần từ giá trị đỉnh G
0
khi giá trị P
out
đạt gần tới giá trị công suất bão hoà P
s
, mô tả trong hình 1.4.
Hình 1.4: Sự phụ thuộc của công suất ra (theo P
s
) theo độ lợi G (theo G
0
)
1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà

Từ công thức 1.10, chúng ta xem xét đến công suất ngõ ra bão hoà, là
công suất lớn nhất tạo được ở cổng ra, ký hiệu là
s
out
P
. Có thể nhận thấy rằng, giá
Vương Thành Nam - D04VT1 6
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang
trị độ lợi này đạt được khi độ lợi khuếch đại giảm từ 2 đến 3 dB, tương ứng với
giá trị G = G
0
/2. Khi đó, ta có công thức:
s
s
out
P
G
G
P
2
2ln
0
0
−
=
(1.11)
1.7. Hệ số nhiễu
Cũng giống như các hệ thống thông tin quang khác, bộ khuếch đại này
cũng có nhiễu. Nguyên lý của bộ khuếch đại là dựa trên nguyên lý bức xạ kích
thích. Nhưng trong quá trình khuếch đại, có rất nhiều các điện tử hết thời gian

sống, chuyển đổi từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, hay từ dải
dẫn sang dải hoá trị, đây chính là bức xạ tự phát. Bức xạ này, khi có phương
cùng luồng điện tử, sẽ gây ảnh hưởng lên biên độ và pha của tín hiệu. Hiện
tượng này được gọi là hiện tượng nhiễu bức xạ tự phát ASE. Do vậy, công suất
cửa ra gồm có công suất vào khuếch đại và công suất bức xạ tự phát:
P
out
= G.P
in
+ P
ASE
(1.12)
Ảnh hưởng nhiễu đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu
NF, mô tả sự suy giảm tỷ số tín trên tạp tại đầu ra và đầu vào:
out
in
SNR
SNR
NF =
Hay NF = SNR
in
(dB) – SNR
out
(dB) (1.13)
Người ta cũng chứng minh được rằng, giá trị hằng số nhiễu tính cụ thể theo công
thức sau:
NF = 2n
sp
(G-1)/G ≈ 2n
sp

(1.14)
Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ càng tốt, và giá trị nhỏ nhất có thể
đạt được là 3dB. Tại giá trị này, chúng ta gọi là giá trị lượng tử.
1.8. Ứng dụng 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 sợi quang
Vương Thành Nam - D04VT1 7
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại 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 loại, như hình vẽ 1.5 phía dưới.
Hình 1.5:Các ứng dụng khuếch đại
(a)Khuếch đại đường dây (In-line amplifier)
(b)Khuếch đại công suất (Booster Amplifier)
(c)Bộ tiền khuếch đại (Preamplifier)
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 giữ
nhiễu ở mức độ thấp, thực hiện việc trao đổi tín hiệu quang với sợi quang tốt
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 thể. Yêu cầu của bộ
khuếch đại này công suất ngõ ra lớn nhất, không phải là độ lợi.
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 độ nhạy thiết bị thu, và
Vương Thành Nam - D04VT1 8
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại quang
cho phép hệ thống truyền dẫn với tốc độ cao hơn. Yêu cầu của bộ tiền khuếch
đại này là độ nhạy lớn, độ lợi lớn, và nhiễu thấp.
Kết luận chương I
Chương này đã giới thiệu tổng quan về khuếch đại quang. Nguyên lý hoạt
động của bộ khuếch đại quang. Một số thông số của bộ khuếch đại quang. Ứng

dụng của bộ khuếch đại quang.
Ở chương tiếp theo em sẽ trình bày chi tiếp về bộ khuếch đại Raman.
Vương Thành Nam - D04VT1 9
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại Raman
CHƯƠNG 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 được
quan sát thấy qua các hiện tượng giao thoa, tán sắc. Ánh sáng có bản chất 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, hiện 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 còn 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 thừa nhận 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
19
10.6,1
−
−=e
C và được coi như điện
tích điểm.
 Bên trong vật dẫn, electron chuyển động hoàn toàn tự do. Chuyển động có
hướng của electron trong vật dẫn dưới ảnh hưởng của điện trường tạo nên
dòng điện dẫn.
 Trong điện môi, electron không 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 ngoài. 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 không
kịp dịch chuyển. Chỉ khi nào khảo sát trong miền hồng ngoại ta mới cần
kể đến ảnh hưởng của ion.
Những electron có khả năng dao động cưỡng bức với tần số
ω
của sóng
điện từ trong vùng quang học gọi là electron quang học. Chúng là các electron
lớp ngoài.
Vương Thành Nam - D04VT1 10
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại Raman
Các electron nằm trong lớp sâu, gần hạt nhân nguyên tử, liên hệ chặt chẽ
hơn với hạt nhân. Chúng chỉ có thể dao động với biên độ đáng kể khi tần số
ω
nằm vào vùng Rơngen.
Lực của dao động cưỡng bức do điện từ trường tác dụng lên electron được
gọi là lực Lorentx và bằng :

eEf =
1
(2.0)
Mặt khác electron vốn chịu một lực chuẩn đàn hồi, ràng buộc nó với hạt
nhân

rmkrf
2
12

ω
−=−=
(2.0)
Trong đó k là hằng số chuẩn của lực đàn hồi, xác định tần số dao động
riêng của electron theo hệ thức:
mk /
1
=
ω
, r là độ lệch của electron ra khỏi vị
trí cân bằng. Hằng số lực k phụ thuộc vào điện tích hạt nhân nguyên tử, hoặc cấu
trúc phân tử nên
1
ω
là hoàn toàn đặc trưng cho nguyên tử, phân tử đã cho. Do
electron dao động trở thành lưỡng cực dao động, bức xạ sóng điện từ thứ cấp.
Lưỡng cực dao động cũng có thể va chạm với các phân tử xung quanh, truyền
năng lượng dao động cho chúng. Sự bảo tồn năng lượng dao động vì phát sóng
và vì va chạm tương đương với tác dụng của một lực hãm
,
3
grf −=
(2.0)
g là gia tốc của electron khi dao động, kết quả là phương trình chuyển
động của electron có dạng:
eErgrmrm +
′
−−=
′′
2

1
ω
(2.0)
Đặt
ξ
=mg /
, gọi đó là hệ số tắt dần, ta được phương trình dao động của
electron
mEerrr /.
2
1
=+
′
+
′′
ωξ
(2.0)
Phương trình (2.5) cùng với các giả thuyết của Lorentx là cơ sở cho việc
giải các bài toán tán sắc và hấp thụ ánh sáng.
2.1.3.Sợi quang
Sợi quang gồm một lõi hình trụ bằng thuỷ tinh có chiết suất
1
n
, bao
quanh lõi là một lớp vỏ phản xạ đồng tâm với lõi. Lớp vỏ có chiết suất
2
n
(
2
n

<
1
n
).
Vương Thành Nam - D04VT1 11
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại Raman
Sợi quang có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Nếu phân
loại theo sự thay đổi chiết suất của lõi sợi thì sợi quang được chia thành hai loại.
Loại sợi có chiết suất đồng đều ở lõi được gọi là sợi quang chiết suất bậc. Loại
sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi ra tới lớp tiếp giáp giữa lõi và
vỏ phản xạ được gọi là sợi có chiết suất Gradient (GI-Graded Index). Nếu phân
chia theo mode truyền dẫn thì có loại sợi quang đa mode và sợi đơn mode. Sợi
đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nó còn sợi đơn mode chỉ cho
phép một mode truyền dẫn trong nó.
(a) (b)
(c)
Hình 2.1:Cấu tạo của sợi quang
(a) Sợi quang (b) Sợi chiết suất bậc (c) Sợi chiết suất giảm dần
Một trong các vật liệu được sử dụng rộng rãi để chế tạo sợi quang hiện
nay là silic dioxide SiO
2
. Mỗi nguyên tử trong thuỷ tinh liên kết với các nguyên
tử khác theo cấu trúc tứ diện như Hình 2.2. Trong đó mỗi nguyên tử silic được
bao quanh bởi bốn nguyên tử Oxygen.
Hình 2.2:Cấu trúc tứ diện của Silic dioxide trong thuỷ tinh
Vương Thành Nam - D04VT1 12
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại Raman
Sợi quang cũng có thể được pha tạp với nhiều chất khác nhau để thay đổi
chỉ số chiết suất. Ví dụ
2

GeO
và
52
OP
được pha thêm vào để tăng chiết suất của
lõi. Để giảm chiết suất của lõi, có thể sử dụng các vật liệu như là Boron (B) và
Fluorine (F)…Ngoài ra một số chất khác như Eribium cũng được sử dụng trong
các bộ khuếch đại quang.
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 truyền ánh sáng
trong chân không. Ký hiệu
c
là vận tốc truyền ánh sáng trong chân không, n là
chiết suất của lõi sợi, khi đó vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang được tính
theo công thức (2.6)
n
c
v =
,
( )
smc /10.3
8
=
(2.0)
Ánh sáng khi truyền dọc theo sợi sẽ bị suy hao. Ký hiệu
α
[1/m] là hệ số
suy hao của sợi quang,
0

P
là công suất đầu vào sợi quang, công suất đầu ra sợi
quang có chiều dài L được tính theo công thức:
L
T
ePP
α
−
=
0
(2.0)
Để tính toán hệ số suy hao, đơn vị thường được sử dụng là
dB
α
[ ]
kmdB /
.
Phương trình chuyển đổi đơn vị :
[ ]
m
dB
/1
1000
10ln
10









=
α
α
(2.0)
Công 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).
[ ]
[ ]






=
−
W
WP
dBmP
3
10
10
log.10
(2.0)
Tán sắc
Tán sắc là hiện tượng dãn rộng xung ánh sáng khi truyền trong sợi quang.
Tán sắc có nhiều loại như tán sắc mode, tán sắc màu và tán sắc mode phân cực.

Vương Thành Nam - D04VT1 13
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại Raman
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 sắc ống dẫn
sóng. Tán sắc vật liệu xảy ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng. Tán
sắc ống dẫn sóng xảy ra do ánh sáng truyền trong sợi không phải là ánh sáng
đơn sắc, hằng số lan truyền
β
là hàm của bước sóng. Các thành phần bước sóng
khác nhau có vận tốc nhóm khác nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc màu
có ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống thông tin quang. Tán sắc màu làm tăng ảnh
hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang dẫn đến giới hạn về khoảng
cách truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang.
Loại sợi quang phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là sợi quang đơn mode
tiêu chuẩn (theo khuyến nghị G.652 của ITU-T) SMF-28
TM
có hệ số tán sắc:
( )






−≈
3
4
00

4
λ
λ
λλ
S
D
,






kmnm
ps
.
(2.0)
Trong đó D là hệ số tán sắc,
λ
là bước sóng,
085.0
0
=S

)./(
2
kmnmps
là độ
dốc tán sắc không,
0

λ
bước sóng tán sắc không (ZDW). Tán sắc của loại sợi này
được biểu diễn trên Hình 2.3
Hình 2.3:Hệ số tán sắc của sợi quang SMF-28
TM
.
Vương Thành Nam - D04VT1 14
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại Raman
Chiều dài hiệu dụng
Khi một tín hiệu truyền dọc theo sợi quang, công suất tín hiệu bị giảm dần
do suy hao. Tuy nhiên, trong thực tế có thể giả sử rằng công suất là hằng số trên
một chiều dài hiệu dụng
eff
L
bởi vì hầu hết các hiệu ứng phi tuyến đều xảy ra ở
phía đầu của sợi. Định nghĩa chiều dài hiệu dụng của sợi quang được thể hiện
trên Hình 2.4.
Hình 2.4: (a) Công suất truyền dọc theo sợi có chiều dài L(b) Mô hình tương
ứng của chiều dài hiệu dụng.
Ở Hình 2.4 (a) công suất bị suy hao khi truyền dọc theo toàn bộ sợi có
chiều dài L, ở hình 2.4 (b) công suất được coi là không đổi trên một chiều dài
sợi:
( )
ααα
α
ααα
L
LzLz
L
eff

e
eedzeP
P
L
−
−−−
−
=−−=−==
∫
1
1
1
/
11
0
0
0
0
(2.0)
Diện tích hiệu dụng
Tất cả các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang đều phụ thuộc vào cường
độ ánh sáng truyền dọc theo sợi. Tuy nhiên trong thực tế các phép đo đều thực
hiện đo công suất đầu vào và đầu ra sợi quang. Công suất đi ra khỏi sợi quang
chính là tích phân của phân bố cường độ ánh sáng trên diện tích mặt cắt của sợi
quang. Nếu gọi
core
A
là diện tích mặt cắt của sợi quang,
meas
P

là công suất đo được
ở đầu ra của sợi quang. Giả thiết cường độ I phân bố đều trên diện tích mặt cắt
của sợi. Ta có:
Vương Thành Nam - D04VT1 15
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại Raman
core
meas
A
P
I =
(2.0)
Tuy nhiên trong sợi quang đơn mode, cường độ ánh sáng không phân bố
đều trên toàn bộ diện tích mặt cắt của sợi, cường độ ánh sáng sẽ tăng dần từ lớp
tiếp giáp giữa lõi và vỏ tới trục của sợi. Mức độ tăng phụ thuộc vào chiết suất
của sợi.
Do đó để tính toán trong trường hợp này, tham số diện tích hiệu dụng
eff
A
được tính theo công thức:
( )
( )
rdrrE
rdrrE
A
eff
4
0
2
0
2

2
∫
∫
∞
∞








=
π
(2.0)
Với
( )
rE
là cường độ điện trường của mode cơ bản tại khoảng cách r so
với trục của sợi. Đối với sợi chiết suất bậc diện tích hiệu dụng
eff
A
có thể được
tính theo công thức:
( )
λπ
2
wA
eff

=
(2.0)
Trong đó
( )
λ
w2
là đường kính trường mode của sợi ở bước sóng
λ
.
2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang
Trong nguyên tử có các điện tử mang điện tích âm và hạt nhân mang điện
tích dương. Do đó khi điện trường tác động vào vật liệu các điện tử và các hạt
nhân bị dịch chuyển về hai hướng ngược nhau. Lực điện trường làm cho các
nguyên tử bị phân cực, ký hiệu là P, phụ thuộc vào điện trường tác động và bản
chất của vật liệu và được tính như sau:
) (
)3()2()1(
0
+++= EEEEEEP
χχχε
(2.0)
Trong đó
0
ε
là hằng số điện môi trong chân không.
)( j
χ
là độ điện cảm
cấp j.
Độ điện cảm tuyến tính

)1(
χ
đóng vai trò rất lớn trong P, những ảnh hưởng
do nó đem lại được biểu hiện qua hệ số chiết suất n, hệ số suy hao
α
. Độ điện
cảm cấp hai
)2(
χ
là nguyên nhân gây ra các hiệu ứng như sinh hoà âm cấp hai.
Vương Thành Nam - D04VT1 16
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại Raman
Tuy nhiên với các phân tử có cấu trúc đối xứng như
2
SiO
,
)2(
χ
gần như bằng 0
nên có thể bỏ qua. Các độ điện cảm
)4(
χ
,
)5(
χ
rất nhỏ so với
)3(
χ
. Vì vậy chỉ có
)3(

χ
là nguyên nhân chủ yếu gây ra các hiệu ứng phi tuyến.
Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia thành hai loại. Loại thứ nhất sinh ra do
sự tương tác của sóng ánh sáng với các phonon. Loại này bao gồm hai hiệu ứng
quan trọng là tán xạ Raman kích thích (SRS-Stimulated Raman Scattering) và
tán xạ Brilloin kích thích (SBS-Stimulated Brilloin Scattering). Loại thứ hai
gồm các hiệu ứng phi tuyến Kerr, sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất phi
tuyến vào cường độ điện trường E. Các hiệu ứng phi tuyến Kerr bao gồm: SPM,
XPM và FWM.
Hầu hết các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang đều sinh ra do chiết suất
phi tuyến, đó là sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng lan truyền trong sợi vào
chiết suất. Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng, chiết suất và công suất P được
biểu thị bằng phương trình:
P
A
n
nInnn
eff
.
2
020








+=+=

(2.0)
Trong đó
0
n
là thành phần phụ thuộc bước sóng của chiết suất
n
,
eff
A
là
diện tích hiệu dụng của sợi quang,
2
n
được gọi là chỉ số chiết suất phi tuyến. Tỷ
số
eff
An /
2
được gọi là hệ số phi tuyến. Tham số này có thể đo được mà không
cần biết diện tích hiệu dụng của sợi quang.
Ngoài ra khi nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang một tham
số nữa cũng được đưa ra là
γ
gọi là tham số phi tuyến (nonlinear parameter) và
quan hệ với chiết suất phi tuyến
2
n
theo công thức:
eff
cA

n
20
ω
γ
=
=
eff
A
n
2
2
λ
π
(2.0)
0
ω
là tần số góc của ánh sáng, c là vận tốc ánh sáng trong chân không,
λ
là bước sóng ánh sáng,
eff
A
là diện tích hiệu dụng của sợi.
Chỉ số chiết suất phi tuyến
2
n
(
20
2
104.32.2
−

×÷=n

Wm /
2
) liên quan với
)3(
χ
như sau:
Vương Thành Nam - D04VT1 17
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại Raman
( )
)3(
2
Re
8
3
χ
⋅=
n
n
(2.0)
Với
( )
)3(
Re
χ
là phần thực của
)3(
χ
.

Ngoài ra đặc tính của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang còn chịu ảnh
hưởng của nhiều tham số như cường độ của tín hiệu, chiều dài sợi, khoảng cách
giữa các kênh (trong hệ thống WDM).
2.1.6.Tán xạ ánh sáng
Khi ánh sáng truyền qua môi trường vật chất trong suốt thì phần lớn ánh
sáng truyền thẳng và một phần nhỏ sẽ bị tán xạ. Môi trường có thể gây ra nhiều
loại tán xạ trong đó điển hình là tán xạ Rayleigh, tán xạ Brillouin, tán xạ
Raman… Tuỳ thuộc vào loại vật chất, ánh sáng, điều kiện môi trường… mà mỗi
loại tán xạ xảy ra khác nhau.
Tán xạ Rayleigh là quá trình tán xạ đàn hồi, tần số ánh sáng tán xạ bằng
tần số ánh sáng tới. Trạng thái của các phân tử vật chất do tán xạ Rayleigh
không thay đổi sau khi ánh sáng truyền qua. Ngược lại, tán xạ Brillouin và tán
xạ Ramman là các quá trình tán xạ không đàn hồi, các nguyên tử bị kích thích
khi có ánh sáng đi qua và tần số ánh sáng tán xạ bị dịch chuyển so với tần số của
ánh sáng tới.

a-Quá trình tán xạ đàn hồi b-Quá trình tán xạ không đàn hồi.
Hình 2.5:Quá trình tán xạ ánh sáng
Vương Thành Nam - D04VT1 18
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại Raman
Quá trình tán xạ không đàn hồi có sự tham gia của các phonon. Trong quá
trình này các phonon có thể sinh ra hoặc bị hấp thụ. Mức thay đổi tần số của ánh
sáng tán xạ so với ánh sáng tới bằng với tần số của phonon. Tán xạ Brilloin liên
quan đến các phonon âm học còn tán xạ Raman liên quan đến các phonon quang
học. Do đó ánh sáng tán xạ Raman có mức dịch chuyển tần số lớn hơn ánh sáng
tán xạ Brilloin. Nếu ánh sáng tán xạ có tần số nhỏ hơn ánh sáng tới thì ánh sáng
tán xạ được gọi là ánh sáng Stoke và quá trình tán xạ được gọi là tán xạ Stoke.
Ngược lại, nếu ánh sáng tán xạ có tần số lớn hơn ánh sáng tới thì ánh sáng tán
xạ được gọi là ánh sáng phản Stoke và quá trình tán xạ được gọi là tán xạ phản
Stoke. Với tán xạ không đàn hồi, đơn vị đo độ dịch tần của ánh sáng tán xạ là

(rad/s) hoặc là cm
1−
với
c
v
π
2
Ω
=
−

(
−
v
là dịch chuyển tần số theo cm
1−
,
Ω
là dịch
chuyển tần số theo rad/s và c là vận tốc của ánh sáng trong chân không theo
cm/s).
Các hiệu ứng tán xạ sẽ làm giới hạn công suất quang lớn nhất có thể
truyền ở trong sợi. Trong hệ thống WDM tán xạ là nguyên nhân gây nhiễu giữa
các kênh. Tuy nhiên tán xạ Raman cũng được ứng dụng trong các bộ khuếch đại
quang Raman ở những bước sóng mà bộ khuếch đại quang EDFA không phù
hợp. Hiệu ứng tán xạ Brilloin là nguyên lý trong các bộ cảm ứng đo nhiệt độ
môi trường tại những nơi mà bộ cảm ứng điện không phù hợp.
Tần số
Hình 2.6:Tần số của ánh sáng tán xạ.
2.1.7.Tán xạ Raman

Tán xạ Raman được phân chia thành hai loại: Tán xạ Raman tự phát
(Spontaneous Raman Scattering) và tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman
Vương Thành Nam - D04VT1 19