Tán xạ Raman và ứng dụng trong khuyếch đại quang Raman

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG

TIỂU LUẬN
CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN QUANG
Chuyên đề: Tán xạ Raman và ứng dụng trong khuyếch đại quang Raman.
Giáo viên hướng dẫn:Cao Hồng Sơn
Nhóm thực hiện:Nguyễn Thị Thuý Hà.
Hoàng Anh Tuấn.
Vũ Anh Tuấn.
Hà nội - 2007
MỤC LỤC
Trang
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN 2
1.1. Hiện tượng tán xạ 2
1.1.1. Hiện tượng phi tuyến của sợi quang 2
1.1.2. Hiện tượng tán xạ 2
1.2. Tán xạ Raman 4
1.2.1. Phổ của khuyếch đại Raman 5
1.2.2. Ngưỡng Raman 6
1.2.3. Ảnh hưởng của các chất phụ gia trong sợ thủy tinh đến tán xạ
Raman
7
1.2.4. Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM 8
CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN TRONG KHUYẾCH
ĐẠI QUANG
11
2.1. Bộ khuyếch đại quang Raman 11
2.1.1. Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman 13

2.1.2. Hệ số khuyếch đại quang Raman 14
2.1.3. Hiệu năng khuyếch đại 15
2.2. Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman 17
2.2.1. Nhiễu phát xạ tự phát ASE (Amplified Spontaneous Emission) 17
2.2.2. Nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS (Double Rayleigh Scattering) 18
2.2.3. Nhiễu do thời gian sống của electron tại trạng thái kích thích
ngắn.
18
2.2.4. Nhiễu do bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu gần nhau 19
2.3. Các loại khuyếch đại Raman. 19
2.3.1. Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman
Amplifier)
19
2.3.2. Khuyếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 21
2.3.3. Bộ khuyếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 23
KẾT LUẬN 24
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 Tần số của ánh sáng tán xạ. 3
Hình 1.2 Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman. 4
Hình 1.3. Phổ khuyếch đại Raman của sợi Silic ở bước sóng bơm
m
p
µλ
1=
.
5
Hình 1.4. Quang phổ tán xạ Raman của các loại thuỷ tinh oxide được sử
dụng trong các sợi quang.

8
Hình 1.5.
Mẫu xung NRZ trong hệ thống WDM hai kênh.
9
Hình 1.6.
Sự phụ thuộc số kênh tối đa theo chiều dài tuyến truyền dẫn
10
Hình 2.1. Nguyên lý bơm thuận và bơm ngược. 11
Hình 2.2. Cấu hình bơm trong Khuyếch đại Raman 12
Hình 2.3. Phổ khuyếch đại Raman 13
Hình 2.4. Hiệu suất khuyếch đại Raman cho các loại sợi quang khác nhau. 13
Hình 2.5. Sự thay đổi của hệ số khuyếch đại Go theo công suất Po. 14
Hình 2.6. Làm bằng phẳng phổ khuyếch đại Raman bằng cách sử dụng
nhiều nguồn bơm.
17
Hình 2.7. Khuyếch đại tập trung (a) và khuyếch đại phân bố (b). 19
Hình 2.8. Công suất tín hiệu trong hệ thống sử dụng DRA 20
Hình 2.9. Khuyếch đại Raman tập trung. 21
Hình 2.10. Hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại Raman tập trung. 22
Hình 2.11. Sự phụ thuộc của suy hao theo bước sóng 23
Hình 2.12. Khuyếch đại quang lai ghép EDFA/Raman. 23
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit
DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc
DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuyếch đại Raman phân bố
DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Rayleigh kép
DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch tán sắc
EDFA Erbium Droped Fiber Amplifer Khuyếch đại quang sợi pha Erbium
FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng
GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuyếch đại Raman tập trung
MFD Mode Field Diameter Đường kính trường mode
NF Noise Figure Hệ số tạp âm
NLSE Nonliear Schrodinger Equation Phương trình Schrodinger phi tuyến
NRZ Non-Return-to-Zero Mã NRZ
SBS Stimulated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích thích
SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode
SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha
SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích
WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng
XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo
Nhóm 1 - HCD05VT2
LỜI NÓI ĐẦU
Tán xạ Raman là quá trình tán xạ xảy ra do sự tương tác của ánh sáng với môi
trường vật chất trong sợi quang.
Tán xạ Raman bao gồm tán xạ Raman tự phát và tán xạ Raman kích thích
SRS. Một mặt tán xạ Raman gây ảnh hưởng xấu đến quá trình truyền tín hiệu trong
sợi quang, làm tăng nhiễu trong hệ thống thống tin quang nhưng mặt khác tán xạ
Raman cũng có những ảnh hưởng tích cực, nổi bật nhất là khả năng khuyếch đại tín
hiệu quang. Tán xạ Raman kích thích SRS chính là cơ sở để phát triển các bộ
khuyếch đại quang Raman.
Các bộ khuyếch đại quang Raman có rất nhiều ưu điểm so với những loại
khuyếch 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 khuyếch đại quang Raman được coi là lời giải
cho bài toán khuyếch đại quang trong các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn,
cự ly dài và rất dài.
Do thời gian có hạn, trong tiểu luận với nội dung "Tán xạ Raman và ứng
dụng trong khuyếch đại quang Raman" nhóm sẽ trình bày một số nội dung chính
sau:

Chương 1: Tán xạ Raman:
- Hiện tượng tán xạ.
- Hiện tượng tán xạ Raman.
Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman kích thích trong khuyếch đại tín hiệu
quang.
- Bộ khuyếch đại Raman.
- Một số loại khuyếch đại Raman.
Trong quá trình thực hiện, các thành viên trong nhóm đã rất cố gắng để hoàn
thành bài tiểu luận nhưng do khả năng còn hạn chế nên rất mong nhận được sự góp ý,
bổ sung của thầy giáo và các bạn trong lớp để bài tiểu luận trên được đầy đủ hơn.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!
Nhóm 1 - HCD05VT2
1
Chương 1: Tán xạ Raman
CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN
1.1. Hiện tượng tán xạ
1.1.1. Hiện tượng phi tuyến của sợi quang
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 photon. 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
Trong đó
0
n
là thành phần phụ thuộc bước sóng của chiết suất
eff
An,
là diện
tích hiệu dụng của sợi quang,
2
n
được gọi là chỉ số chiết suất phi tuyến. Tỉ số
eff
A
n
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:
effeff
A
n
cA
n
2
20
2
λ
π
ω
γ
==
Trong đó 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.
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).

1.1.2. Hiện tượng tán xạ
Nhóm 1 - HCD05VT2
2
Chương 1: Tán xạ Raman
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.
Quá trình tán xạ không đàn hồi có sự tham gia của các photon. Trong quá trình
này các photon 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 photon. Tán xạ Brilloin liên quan đến các
photon âm học còn tán xạ Raman liên quan đến các photon 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.
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 khuyếch đại quang Raman ở
những bước sóng mà bộ khuyếch 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.
Nhóm 1 - HCD05VT2

3
Chương 1: Tán xạ Raman
Tần số
Hình 1.1. Tần số của ánh sáng tán xạ.
1.2. 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
Scattering).
Trong quá trình tán xạ Raman tự phát, ánh sáng tới tương tác với 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 thể hiện trên hình 1.2.
Electron sẽ chuyển từ trạng thái khởi đầu (trạng thái cơ bản) lên trạng 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 chuyển từ trạng thái ảo về 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.
Nhóm 1 - HCD05VT2
4
Chương 1: Tán xạ Raman
Hình 1.2. Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman.
Giả sử
21
,
ωω
lần lượt là tần số của ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ,
Ω

là tần số
photon được sinh ra. Khi đó theo định luật bảo toàn chuyển hoá năng lượng thì
Ω−≈
12
ωω
.
Ngược lại nếu trạng thái cuối có năng lượng thấp hơn thì quá trình tán xạ tạo
ra ánh sáng phản Stoke có tần số
Ω+≈
12
ωω
, chêch lệch giữa mức năng lượng trạng
thái khởi đầu và trạng thái cuối chính là năng lượng của một photon. 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 nhiều thành phần tần số
khác nhau là do các nguyên tử trong thuỷ tinh dao động 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 công suất bơm đầu vào thì công suất của sóng Stoke cũng tăng
dần. Nhưng nếu như công suất sóng bơm vượt quá một giá trị xác định thì công 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.
1.2.1. Phổ của khuyếch đại Raman
Nhóm 1 - HCD05VT2
5
Chương 1: Tán xạ Raman
Hình 1.3. Phổ khuyếch đại Raman của sợi Silic ở bước sóng bơm
m

p
µλ
1=
.
Sự gia tăng của cường độ sóng Stoke được mô tả bởi công thức:
SPR
IIg
dz
dIs
=
Trong đó
S
I
là cường độ sóng Stoke,
P
I
là cường độ sóng bơm và
R
g
là hệ số
khuyếch đại Raman. Hệ số khuếch đại Raman liên quan đến mặt cắt chiết suất của tán
xạ tự phát Raman và có thể đo lường được bằng thực nghiệm.
Thông thường
R
g
phụ thuộc vào thành phần lõi sợi quang và có thể thay đổi
rất lớn nếu pha thêm tạp chất vào lõi sợi. Hình 1.3 biểu diễn
R
g
của sợi silic theo độ

dịch tần ở bước sóng bơm
m
p
µλ
1=
. Nếu bước sóng bơm khác
m
µ
1
, có thể tính được
R
g
bằng cách lấy nghịch đảo sự phụ thuộc của
R
g
vào
p
λ
.
Điểm đáng chú ý nhất trong phổ khuyếch đại Raman của sợi silic là
R
g
kéo
dài trong một phạm vi tần số rất rộng (đạt tới 40 THz) với đỉnh khuyếch đại gần độ
dịch tần 13THz. Điều này xảy ra là do tính phi tinh thể tự nhiên của thuỷ tinh silic.
Trong các vật liệu vô định hình như silic tần số dao động phân tử trải rộng thành
nhiều dải chồng chéo lên nhau và trở thành một dải liên tục. Kết quả là khác hẳn với
các phương tiện truyền dẫn trước đây (có phổ khuyếch đại Raman nằm trong một dải
tần số hẹp), phổ khuyếch đại Raman của sợi silic liên tục và trải dài trong một phạm
Nhóm 1 - HCD05VT2

6
Chương 1: Tán xạ Raman
vi rất rộng. Chính vì đặc điểm này mà sợi quang có thể làm việc như một bộ khuyếch
đại dải rộng.
Để hiểu quá trình SRS xảy ra như thế nào, ta xét một chùm sóng bơm liên tục
lan truyền bên trong sợi ở tần số
P
ω
. Nếu tần số của chùm dò ở tần số
S
ω
được đưa
vào đầu sợi quang cùng với sóng bơm, nó sẽ được khuyếch đại bởi khuyếch đại
Raman với điều kiện độ lệch tần
SP
ωω
−
nằm bên trong phổ khuyếch đại Raman như
trên hình 1.3. Nếu chỉ có một mình sóng bơm được đưa vào đầu sợi quang, tán xạ tự
phát Raman sẽ sinh ra một tín hiệu yếu hoạt động như là sóng dò và được khuyếch
đại trong quá trình truyền dẫn. Bởi vì các tín hiệu sinh ra do tán xạ tự phát Raman
nằm trong miền phổ khuyếch đại Raman nên chúng được khuyếch đại. Tuy nhiên tần
số nào có độ dịch tần (dịch từ tần số bơm) ứng với giá trị lớn nhất của
R
g
sẽ được
khuyếch đại nhanh nhất. Trong trường hợp sợi silic là tinh khiết,
R
g
đạt giá trị lớn

nhất đối với độ dịch tần giảm xuống cỡ 13.2 THz. Nếu như công suất bơm vượt quá
một giá trị ngưỡng, thành phần tần số này được khuyếch đại có dạng quy luật hàm
mũ. Chính vì vậy thành phần tần số Stoke được sinh ra do SRS phụ thuộc giá trị đỉnh
trong phổ khuyếch đại Raman. Độ dịch tần giữa sóng bơm và sóng Stoke trong
trường hợp này được gọi là dịch chuyển Raman hay dịch chuyển Stoke.
1.2.2. Ngưỡng Raman
Để tìm được ngưỡng Raman, ta quan tâm đến sự tương tác giữa sóng Stoke và
sóng bơm.
Ngưỡng Raman được định nghĩa là công suất bơm đầu vào sao cho ở đầu ra
công suất bơm và công suất Stoke là bằng nhau.
Phần lớn công suất bơm sẽ chuyển thành công suất Stoke nếu như công suất
bơm vượt quá giá trị ngưỡng.
Giá trị công suất bơm tới hạn
th
o
P
gần đúng được cho bởi:
16.
0
=
Eff
eff
thR
A
L
Pg
Công thức trên là điều kiện ngưỡng Raman thuận, điều khiện ngưỡng Raman
ngược có được bằng cách thay giá trị 16 bằng 20. Khi xây dựng công thức trên ta phải
giả sử phân cực của sóng bơm bảo toàn trong quá trình lan truyền. Nếu sự phân cực
không được bảo toàn, ngưỡng Raman sẽ tăng lên một hệ số trong khoảng 1 đến 2.

Đặc biệt, nếu như sự phân cực bị xáo trộn hoàn toàn thì ngưỡng Raman sẽ tăng lên 2
lần.
Nhóm 1 - HCD05VT2
7
Chương 1: Tán xạ Raman
Mặc dù khi tính toán giá trị ngưỡng ta sử dụng rất nhiều phép tính gần đúng
nhưng giá trị ngưỡng Raman vẫn được tính khá chính xác. Nếu như với sợi có
P
effP
LL
α
α
1
,1. ≈>>
, bước sóng
m
P
µλ
55,1=
(bước sóng nằm trong vùng cửa sổ có
suy hao nhỏ nhất cỡ 0.2dB/km),
kmL
eff
20=
, thông thường thì
2
50 mA
eff
µ
=

, giá trị
ngưỡng Raman cỡ khoảng 600mW. Bởi vì trong thực tế công suất của các hệ thống
thông tin quang vào cỡ
mW101÷
nên hệ thống không bị ảnh hưởng bởi SRS. Trong
vùng ánh sáng nhìn thấy
2
2010 mA
eff
µ
÷=
, giá trị công suất ngưỡng
WP
th
10
0
≈
với cự
ly truyền dẫn L=10m. Khi công suất vào bằng với giá trị ngưỡng, công suất bơm
chuyển thành công suất Stoke rất nhanh chóng. Trong thực tế, sóng Stoke sẽ hoạt
động như một sóng bơm và sinh ra sóng Stoke cấp 2 nếu như công suất của nó đủ lớn.
Kết quả là nếu công suất bơm lớn, bên trong sợi sinh ra rất nhiều sóng Stoke và số
lượng các sóng Stoke phụ thuộc vào công suất vào.
1.2.3. Ảnh hưởng của các chất phụ gia trong sợ thủy tinh đến tán xạ Raman
Sợi thuỷ tinh được tạo từ các hỗn hợp oxide nóng chảy. Các oxide này tạo ra
một vật liệu mới có cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp. Thông thường các sợi
thuỷ tinh được pha các hợp chất khác nhau ví dụ như
252
, GeOOP
để thay đổi một số

tính chất của thuỷ tinh như chỉ số chiết suất, hệ số tán sắc. Các chất phụ gia này cũng
làm thay đổi quang phổ tán xạ Raman của sợi thuỷ tinh.
Hình 1.4 thể hiện quang phổ tán xạ Raman của các sợi quang thuỷ tinh oxide.
Thuỷ tinh có thành phần cơ bản là dioxide silic có độ rộng phổ rất rộng (khoảng
40THz) với một đỉnh chính trong khu vực từ 440
m
µ
đến 490
m
µ
. Với chất pha tạp là
2
GeO
độ rộng phổ hẹp hơn nhưng cường độ ánh sáng tán xạ lại mạnh hơn. Với
52
OP
không những cường độ ánh sáng tán xạ tăng mà còn xuất hiện vùng phổ mới có đỉnh
tại 1390
m
µ
với khoảng dịch tần rất lớn.
Nhóm 1 - HCD05VT2
8
Chương 1: Tán xạ Raman
Hình 1.4. Quang phổ tán xạ Raman của các loại thuỷ tinh oxide được sử dụng trong
các sợi quang.
1.2.4. Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM
Như các phần trên ta thấy, hiệu ứng tán xạ Raman là một hiệu ứng dãn băng.
Sự thay đổi tần số quang tương ứng với tần số dao động của nguyên tử. Tán xạ
Raman nói chung và tán xạ Raman kích thích SRS nói riêng ảnh hưởng rất lớn đến hệ

thống thông tin quang đặc biệt là hệ thống WDM.
Trong hệ thống đơn kênh, ánh sáng truyền trong sợi quang chỉ có một bước
sóng. Tán xạ Raman làm phát sinh ánh sáng tán xạ có tần số nhỏ hơn. Công suất
ngưỡng
th
P
được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của tán xạ Raman. Với hệ thống
đơn kênh
th
P
được xác định theo công thức:
eff
R
Eff
th
Lg
A
SRSP
.
16)(
0
=
Ánh sáng tán xạ Raman trong các hệ thống đơn kênh cũng dễ dàng loại bỏ bởi
các bộ lọc quang do chúng có khoảng dịch tần khá lớn.
Ảnh hưởng của tán xạ Raman sẽ tăng khi có hai hay nhiều hơn tín hiệu quang
truyền trong một sợi quang. Nếu như hai kênh có khoảng cách tần số bằng đúng độ
dịch tần của ánh sáng tán xạ, tín hiệu tại tần số cao sẽ bị suy hao và tín hiệu tại tần số
thấp sẽ được khuếch đại. Tín hiệu tại tần số cao sẽ đóng vai trò là tín hiệu bơm. Tỉ lệ
chuyển đổi công suất quang giữa hai kênh phụ thuộc vào tần số Stoke. Vì độ rộng
băng tán xạ Raman rất rộng nên hiệu ứng tán xạ Raman vẫn xảy ra khi hai kênh cách

nhau tới 13THz.
Nhóm 1 - HCD05VT2
9
Chương 1: Tán xạ Raman
Hình 1.5. Mẫu xung NRZ trong hệ thống WDM hai kênh.
Như vậy trong hệ thống WDM các kênh tại bước sóng ngắn đóng vai trò ánh
sáng bơm và sẽ bị suy hao mất một phần công suất do hiệu ứng tán xạ Raman kích
thích. Giữa các kênh sẽ có xuyên âm và SRS của các kênh sẽ bị giảm. Trên hình 1.5
là mẫu xung NRZ của một hệ thống WDM hai kênh đơn giản (bỏ qua tán sắc). Kênh
thứ nhất có tần số lớn hơn bị mất một phần công suất cho kênh thứ hai đặc biệt khi
truyền bit “1” tại cùng một thời điểm. Hiệu ứng SRS sẽ không xuất hiện tại thời điểm
của các bit “0”.
Trong các hệ thống sử dụng khuyếch đại, ảnh hưởng của SRS lớn hơn. Trên
toàn bộ đường truyền cả tín hiệu và nhiễu đều bị suy giảm. Tuy nhiên mức suy giảm
của nhiễu chỉ bằng một nửa mức suy giảm của tín hiệu. Giới hạn của tổng số kênh
của hệ thống WDM theo chiều dài tuyến truyền dẫn được miêu tả trên hình 1.6, trong
đó hệ thống WDM sử dụng các bộ khuyếch đại lý tưởng có hệ số tạp âm NF là 3dB,
hệ số suy hao trên hệ thống 0.2 dB/km, tốc độ mỗi kênh là 2.5 Gb/s, khoảng cách
giữa các kênh là 0.5nm, băng tần quang máy thu là 10GHz, tỉ số SNR trung bình là 9
(
14
10
−
=BER
) tương ứng cho khoảng cách giữa các bộ lặp lần lượt là 25, 50, 100 và
150 km.
Nhóm 1 - HCD05VT2
10
Chương 1: Tán xạ Raman
Hình 1.6. Sự phụ thuộc số kênh tối đa theo chiều dài tuyến truyền dẫn

Trong hệ thống WDM với rất nhiều kênh, xác suất tất cả các kênh đều truyền
bit “1” đồng thời rất thấp. Tỉ lệ công suất bị mất của các kênh bước sóng ngắn biến
đổi phụ thuộc vào các bit được truyền trên tất cảc các kênh khác. Với hệ thống có
nhiều hơn 10 kênh và sử dụng sợi tán sắc không, công suất suy giảm trung bình chỉ
phụ thuộc vào công suất trung bình của mỗi kênh quang. Công suất suy giảm trung
bình của kênh có bước sóng ngắn nhất:
K
NN
4
)1(
0
−
=
η
Trong đó N là số kênh và K là công suất suy giảm của kênh do các kênh lân cận:
Nếu hệ thống có tổng công suất và băng tần không đổi, ảnh hưởng của SRS có
thể được xác định trước. Phần công suất tín hiệu bị suy giảm có thể được bù chính
xác bằng cách sử dụng một bộ lọc sau các bộ khuyếch đại đường dây, các bộ lọc này
có hệ số suy hao ngược với hệ số suy giảm công suất tín hiệu do SRS theo bước sóng.
Hệ thống này cũng khá đơn giản không cần thêm thiết bị quang nào khác nếu nó sử
dụng EDFA làm bằng phẳng tăng ích quang.
Nhóm 1 - HCD05VT2
11
Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman trong khuyếch đại quang
CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN TRONG
KHUYẾCH ĐẠI QUANG
2.1. Bộ khuyếch đại quang Raman
Bộ khuyếch đại quang Raman dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman kích thích
(SRS). SRS khác phát xạ kích thích ở chỗ: Trong trường hợp phát xạ kích thích thì
một photon tới kích thích sự phát xạ của một photon khác giống hệt mà không bị mất

năng lượng của nó. Trong trường hợp SRS thì photon bơm sẽ mất một phần năng
lượng và tạo ra một photon khác có tần số nhỏ hơn. Phần năng lượng mất đi bị hấp
thụ bởi môi trường dưới dạng dao động phân tử. Do đó bộ khuyếch đại Raman phải
được bơm quang để có thể khuyếch đại. Luồng bơm và tín hiệu ở tần số
p
ω
và
s
ω
được
đưa vào sợi quang thông qua một coupler quang. Năng lượng sẽ được truyền từ sóng
bơm sang tín hiệu vì cả sóng bơm và tín hiệu cùng truyền trong sợi quang. Bước sóng
bơm được lựa chọn theo phương thức mà một trong số các ánh sáng Stoke chính là
bước sóng tín hiệu: trong điều kiện này, tín hiệu hoạt động như một mầm kích thích
cho quá trình tán xạ kích thích.
Hình 2.1. Nguyên lý bơm thuận và bơm ngược.
Nhóm 1 - HCD05VT2
b. Khuyếch đại Raman sử dụng bơm ngược
Sợi quang khuyếch
đại Raman
Laser
pump
Coupler
a. Khuyếch đại Raman sử dụng bơm thuận
Coupler
Laser
pump
Sợi quang khuyếch
đại Raman
12

Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman trong khuyếch đại quang
Nguồn bơm là điểm trở ngại chủ yếu của thiết bị khuyếch đại quang Raman.
Trong thực tế hầu hết các thí nghiệm đã được thực hiện với các thiết bị laser cồng
kềnh. Đối với các thiết bị khuyếch đại quang Raman, có hai kiểu bơm cơ bản là bơm
thuận và bơm ngược. Trong cấu hình bơm thuận, tín hiệu và công suất bơm được đưa
vào sợi cùng một chiều, trong khi đó, với cấu hình bơm ngược, tín hiệu và sóng bơm
được ghép vào hai đầu của sợi quang và truyền theo hướng ngược nhau. Trong trường
hợp đầu, bộ khuyếch đại Raman sử dụng tốt như là bộ khuyếch đại công suất, làm
mạnh tín hiệu tại đầu vào. Cấu hình thứ hai thì phù hợp hơn với ứng dụng khuyếch
đại các tín hiệu yếu tại đầu thu. Cấu hình bơm ngược có ưu điểm là sự dao động công
suất bơm vừa phải, đây cũng là cấu hình thường được sử dụng trong thực tế. Ngoài ra
cũng có thể sử dụng cấu hình bơm hai chiều. Để mở rộng và làm bằng phẳng phổ
khuyếch đại Raman người ta sử dụng nhiều sóng bơm tần số khác nhau.
Hình 2.2. (a): Khuyếch đại Raman cấu hình bơm hai chiều
(b): Khuyếch đại Raman sử dụng nhiều sóng bơm.
Nhóm 1 - HCD05VT2
13
Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman trong khuyếch đại quang
2.1.1. Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman
Hình 2.3. Phổ khuyếch đại Raman
Hệ số khuyếch đại:
eff
p
r
A
P
gg *)()(
ωω
=
)(

ω
g
: Hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại
)(
ω
r
g
: Hệ số khuyếch đại Raman .
p
P
: Công suất bơm
eff
A
: Diện tích vùng bơm bên trong sợi.
.
Hình 2.4. Hiệu suất khuyếch đại Raman
eff
r
A
g
cho các loại sợi quang khác nhau.
Nhóm 1 - HCD05VT2
14
Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman trong khuyếch đại quang
Vì
eff
A
có thể thay đổi đáng kể đối với nhiều loại sợi khác nhau, tỉ lệ
eff
r

A
g
xác định hiệu suất khuyếch đại Raman. Sợi bù tán sắc (DCF) có hiệu quả gấp 8 lần so
với sợi silic đơn mode tiêu chuẩn (SMF) do đường kính lõi sợi bé hơn. Sự phụ thuộc
của hệ số khuyếch đại Raman vào tần số gần như nhau đối với cả ba loại sợi .
Do có độ rộng băng tần lớn nên bộ khuyếch đại Raman đang được chú ý trong
các ứng dụng thông tin quang. Tuy nhiên để đạt được khuyếch đại đòi hỏi phải có
một công suất bơm tương đối lớn. Công suất bơm yêu cầu có thể nhỏ hơn nếu như sợi
quang dài hơn.
2.1.2. Hệ số khuyếch đại quang Raman
Để xem xét đặc tính bộ khuyếch đại Raman chúng ta cần phải tính toán đến cả
suy hao trên sợi quang, do chiều dài sợi yêu cầu đối với khuyếch đại Raman. Hệ số
khuyếch đại quang
A
G

sẽ không phụ thuộc vào chiều dài sợi nếu như
L
p
α
đủ lớn.
Hình 5 thể hiện sự phụ thuộc của
A
G
vào
0
P
đối với các công suất bơm đầu vào khác
nhau cho bộ khuyếch đại Raman dài 1,3 km hoạt động ở bước sóng 1,017
m

µ
. Ban
đầu hệ số khuyếch đại quang
A
G
sẽ tăng theo hàm mũ khi
0
P
tăng nhưng đến khi
0
P
>
30dBm thì điều này không đúng nữa do tính chất bão hoà khuyếch đại.
Hình 2.5. Sự thay đổi của hệ số khuyếch đại Go theo công suất Po.
Nguyên nhân gây ra sự bão hoà khuyếch đại trong bộ khuyếch đại Raman khác
với trong bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA bởi vì sóng bơm cung cấp năng lượng
để khuyếch đại tín hiệu, do đó công suất sóng bơm sẽ giảm dần cùng với sự tăng công
Nhóm 1 - HCD05VT2
15
Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman trong khuyếch đại quang
suất của tín hiệu. Sự giảm công suất sóng bơm sẽ làm giảm khuyếch đại quang. Hiện
tượng này được gọi là bão hoà khuyếch đại.
2.1.3. Hiệu năng khuyếch đại
Quan sát trong hình 2.5 ta thấy các bộ khuyếch đại Raman có thể đạt được hệ
số tăng ích 20dB với công suất bơm khoảng 30dBm. Trong trường hợp lý tưởng, độ
dịch tần giữa sóng bơm và tín hiệu sẽ tương ứng với giá trị đỉnh của hệ số khuyếch
đại Raman (đạt được ở độ dịch tần khoảng 13THz ≈200nm).
Ở vùng gần hồng ngoại, nguồn bơm phổ biến nhất là laser hoạt động ở bước
sóng 1,06
m

µ
. Đối với loại nguồn bơm này khuyếch đại lớn nhất đạt được đối với tín
hiệu có bước sóng khoảng 1,12
m
µ
. Tuy nhiên bước sóng thường được sử dụng nhiều
nhất trong hệ thống thông tin quang WDM là ở các cửa sổ 1,3
m
µ
và 1,5
m
µ
.
Phổ khuyếch đại rộng của bộ khuyếch đại Raman rất hữu ích trong việc
khuyếch đại nhiều kênh đồng thời. Vào năm 1988, trong một thử nghiệm, người ta đã
sử dụng một một nguồn bơm ở bước sóng 1,47
m
µ
để khuyếch đại đồng thời ba tín
hiệu được lấy từ ba laser bán dẫn DFB hoạt động ở dải bước sóng 1,57-1,58
m
µ

. Hệ
số khuyếch đại
5

dB
đạt được ở công suất bơm 17dBm. Trong một thử nghiệm khác,
một bộ khuyếch đại Raman được bơm bởi một Laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng

1,55
m
µ
, đầu ra được khuyếch đại sử dụng EDFA. Các xung bơm có độ rộng 140-ns,
công suất đỉnh 31,4dBm được bơm liên tục với tần số 1kHz có khả năng khuyếch đại
tín hiệu bước sóng 1,66
m
µ
với khuyếch đại là 23dB bởi SRS trên 20km sợi dịch tán
sắc. Ngoài ra những bộ khuyếch đại Raman 1,3
m
µ

còn thích hợp dùng làm bộ tiền
khuyếch đại cho các bộ thu quang tốc độ cao. Các bộ khuyếch đại này có thể dùng để
nâng cấp dung lượng của các hệ thống sợi quang hiện có từ 2,5 Gb/s thành 10 Gb/s.
Các bộ khuyếch đại Raman được phân thành khuyếch đại Raman tập trung
LRA và khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifer). Sự khác
nhau này là do cấu tạo của chúng. Đối với LRA có một thiết bị riêng biệt chế tạo
bằng cách quấn khoảng 1-2 km sợi quang được pha tạp Ge hoặc Photpho để cải thiện
hệ số khuyếch đại. Sợi được bơm ở bước sóng khoảng 1,45
m
µ
để khuyếch đại một
tín hiệu ở bước sóng 1,55
m
µ
. Trong trường hợp bộ khuyếch đại phân bố DRA, sợi
quang vừa được dùng để truyền tín hiệu vừa để khuyếch đại. Trong bộ khuyếch đại
DRA thường sử dụng kỹ thuật bơm ngược. Một điểm hạn chế của cả hai cấu hình trên

Nhóm 1 - HCD05VT2
16
Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman trong khuyếch đại quang
là cần phải sử dụng các Laser bơm có công suất lớn. Chính vì lý do này mà bộ
khuyếch đại Raman ít được sử dụng trong thập kỷ 90, khi đó phổ biến nhất là bộ
khuyếch đại EDFA. Ngày nay với sự xuất hiện của các Laser công suất lớn, bộ
khuyếch đại Raman hứa hẹn sẽ được sử dụng rộng rãi. Trong bộ khuyếch đại DRA,
hiện tượng tán xạ Rayleigh ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của bộ khuyếch đại.
Hiệu ứng tán xạ Rayleigh xảy ra trong mọi sợi quang và là nguyên nhân chính dẫn
đến suy hao. Một phần ánh sáng sẽ bị tán xạ theo hướng ngược lại do hiệu ứng tán xạ
Rayleigh. Đối với hệ thống nhỏ, tán xạ Rayleigh có thể bỏ qua. Tuy nhiên,đối với các
hệ thống đường dài sử dụng khuyếch đại DRA thì hiệu ứng tán xạ Rayleigh ảnh
hưởng đến hiệu năng hệ thống theo hai cách. Thứ nhất, làm tăng nhiễu tổng trên toàn
bộ hệ thống. Thứ hai, tán xạ Rayleigh kép của tín hiệu gây ra hiện tượng xuyên âm.
Xuyên âm Rayleigh được khuyếch đại bởi DRA là một trong những nguyên nhân
chính làm giảm công suất của hệ thống. Phần công suất tín hiệu truyền theo hướng
thuận sau tán xạ Rayleigh kép được gọi là xuyên âm Rayleigh. Mức độ xuyên âm có
thể vượt quá 1% nếu L>80 km và G(L)>10. Vì xuyên âm này sẽ được tích luỹ qua
nhiều bộ khuyếch đại, dẫn đến sự suy giảm công suất đối với các hệ thống có khoảng
cách lớn.
Bộ khuyếch đại Raman có thể làm việc ở bất kỳ bước sóng tín hiệu nào với
điều kiện bước sóng bơm phải được lựa chọn phù hợp. Đặc tính này, cùng với băng
tần rất rộng, bộ khuyếch đại Raman phù hợp với các hệ thống WDM. Một đặc điểm
không mong muốn của bộ khuyếch đại Raman là rất nhạy về phân cực. Nói chung, hệ
số khuyếch đại tốt nhất khi tín hiệu và sóng bơm đồng phân cực . Vấn đề phân cực có
thể được giải quyết bằng cách bơm bởi nhiều sóng bơm. Một yêu cầu nữa đối với hệ
thống WDM là phổ khuyếch đại phải tương đối bằng phẳng trên toàn bộ dải tần để tất
cả các kênh đều được khuyếch đại như nhau. Trong thực tế phổ khuyếch đại có thể
làm bằng phẳng sử dụng nhiều sóng bơm ở các bước sóng khác nhau. Mỗi sóng bơm
sẽ có phổ khuyếch đại được mô tả như sự chồng lấn của nhiều phổ khuyếch đại như

vậy sẽ làm cho phổ khuyếch đại tổng hợp tương đối bằng phẳng trên một vùng phổ
rộng.
Các bộ khuyếch đại Raman băng rộng dùng cho hệ thống WDM còn yêu cầu
một số tham số khác, trong đó có sự tương tác giữa các sóng bơm. Trong thực tế sử
dụng nhiều sóng bơm cũng bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng tán xạ Raman, làm cho một
Nhóm 1 - HCD05VT2
17
Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman trong khuyếch đại quang
phần công suất của các sóng bơm bước sóng ngắn chuyển sang cho các sóng bơm có
bước sóng dài hơn.
Hình 2.6. Làm bằng phẳng phổ khuyếch đại Raman bằng cách sử
dụng nhiều nguồn bơm.
Để thiết kế bộ khuyếch đại Raman băng rộng, phải tìm hệ số khuyếch đại của
từng kênh, các công suất sóng bơm đầu vào sẽ được điều chỉnh sao cho hệ số
khuyếch đại là như nhau đối với tất cả các kênh. chỉ ra một ví dụ phổ khuyếch đại
được tính toán cho bộ khuyếch đại Raman bằng cách sử dụng 8 laser bơm cho một
sợi dịch tán sắc có chiều dài là 25 km. Với tất cả các mức công suất là dưới 20dBm.
Bộ khuyếch đại này có hệ số khuyếch đại khoảng 10,5 dB trên băng tần rộng 80 nm
với độ gợn nhỏ hơn 0,1
.dB
Bộ khuyếch đại này phù hợp với hệ thống WDM bao
gồm cả băng L và băng C.
Các bộ khuyếch đại quang cũng có thể được thực hiện dựa vào hiệu ứng tán xạ
Brillouin kích thích (SBS-Stimulated Brillouin Scattering). Nguyên lý hoạt động của
các bộ khuyếch đại sử dụng SBS giống như bộ khuyếch đại dựa trên SRS, đều
khuyếch đại tín hiệu quang thông qua quá trính tán xạ. Tuy nhiên bộ khuyếch đại dựa
trên hiệu ứng SBS rất ít được ứng dụng trong thực tế do băng tần của chúng thường
dưới 100 MHz. Ngoài ra độ dịch tần của SBS chỉ khoảng 10 GHz, do đó bước sóng
bơm và tín hiệu gần như trùng nhau. Đặc điểm này làm cho các bộ khuyếch đại
Brillouin không phù hợp với các hệ thống WDM.

Nhóm 1 - HCD05VT2
18
Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman trong khuyếch đại quang
2.2. Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman
2.2.1. Nhiễu phát xạ tự phát ASE (Amplified Spontaneous Emission)
Phát xạ tự phát bổ sung vào ánh sáng tín hiệu nhiều thành phần tần số khác
nhau. Về nguyên lý tất cả những thành phần có tần số nằm trong dải phổ của tín hiệu
hữu ích các loại nhiễu này có thể được loại trừ . Phát xạ tự phát không những ảnh
hưởng đến đặc tính nhiễu mà còn ảnh hưởng đến hệ số khuyếch đại quang.
Mật độ phổ công suất nhiễu ASE:
( ) ( )
12
2
1
NN
N
hvGvS
ase
−
−=
Hệ số tạp âm:






+
=
1

1
)(2
1
hv
vS
G
NF
ase
Trong đó
2
N
và
1
N
lần lượt là mật độ electron tại trạng thái năng lượng cao và
trạng thái năng lượng thấp. Với khuyếch đại Raman
( )
122
NNN −
thường bằng 1 do
khuyếch đại Raman luôn ở trạng thái gần như đảo lộn mật độ hoàn toàn. Đây là một
ưu điểm của khuyếch đại Raman so với EDFA (với EDFA
( )
122
NNN −
thường lớn
hơn 1).
2.2.2. Nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS (Double Rayleigh Scattering)
Tán xạ Rayleigh kép tương ứng với hai quá trình tán xạ (một cùng chiều và
một ngược chiều với chiều truyền của ánh sáng tín hiệu) do sự không đồng nhất của

sợi quang. Nhiễu phát xạ tự phát ASE truyền theo hướng ngược sẽ bị phản xạ lại do
tán xạ Rayleigh kép và tiếp tục được khuyếch đại do quá trình tán xạ Raman kích
thích.
Nhiễu tán xạ Rayleigh kép trong khuyếch đại Raman rất lớn do ánh sáng tán
xạ Rayleigh được khuyếch đại trong quá trình truyền và khuyếch đại Raman yêu cầu
độ dài sợi tăng ích Raman khá lớn. Thực tế nhiễu tán xạ Rayleigh kép làm giảm tăng
ích quang cho mỗi đoạn khoảng từ 10dB đến 15dB.
Để giảm nhiễu tán xạ Rayleigh kép có thể sử dụng các bộ cách li giữa các bộ
khuyếch đại. Ví dụ với các hệ thống sử dụng 2 bộ khuyếch đại Raman tập trung (tăng
ích khoảng 30
)dB
và bộ cách ly quang hệ số tạp âm thấp hơn 5,5
.dB

2.2.3. Nhiễu do thời gian sống của electron tại trạng thái kích thích ngắn.
Nhóm 1 - HCD05VT2
19
Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman trong khuyếch đại quang
Thời gian sống của electron trong khuyếch đại Raman ở trạng thái năng lượng
kích thích ngắn chỉ khoảng 3 đến 6 fs (với EDFA là ms). Thời gian đáp ứng nhanh
của quá trình tán xạ Raman làm cho cường độ ánh sáng tín hiệu bị ảnh hưởng bởi sự
biến đổi cường độ ánh sáng bơm. Một phương pháp được sử dụng để giảm nhiễu do
thời gian đáp ứng nhanh của tán xạ Raman là áp dụng cơ chế bơm ngược: ánh sáng
bơm và ánh sáng tín hiệu truyền ngược chiều nhau. Với cơ chế bơm ngược thời gian
của điện tử tại trạng thái năng lượng cao cân bằng với thời gian truyền qua sợi.
Cũng có thể sử dụng cơ chế bơm cùng chiều cho khuyếch đại Raman. Tuy
nhiên khi bơm cùng chiều công suất ánh sáng bơm phải có độ ổn định cao để giảm
nhiễu tương quan cường độ. Ví dụ có thể sử dụng laser Fabry-Perot thay thế cho các
cách tử.
2.2.4. Nhiễu do bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu gần nhau

Bình thường trong bộ khuyếch đại Raman có một phần ánh sáng bơm bị tán xạ
tự phát. Ánh sáng tán xạ tự phát này gây nhiễu cho các kênh tín hiệu có bước sóng
gần bước sóng ánh sáng bơm. Theo một số kết quả nghiên cứu hiệu ứng này có thể
làm cho hệ số tạp âm NF tới 3
dB
với các kênh tín hiệu có bước sóng gần bước sóng
bơm.
2.3. Các loại khuyếch đại Raman.
2.3.1. Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier)
Hình 2.7. Khuyếch đại tập trung (a) và khuyếch đại phân bố (b).
Với bộ khuyếch đại Raman phân bố DRA, ánh sáng bơm được phân bố trải dài
trong sợi quang. DRA tận dụng sợi quang sẵn có trong mạng như một phương tiện để
Nhóm 1 - HCD05VT2
20
Chương 2: Ứng dụng tán xạ Raman trong khuyếch đại quang
khuyếch đại tín hiệu và như vậy ánh sáng sẽ được khuyếch đại đồng đều dọc theo sợi
quang trên một khoảng cách lớn.
Với các bộ khuyếch đại DRA, thông thường ánh sáng bơm có công suất cao
được bơm theo hướng ngược để kết hợp với các bộ khuyếch đại tập trung khác như
các bộ khuyếch đại quang sợi pha đất hiếm EDFA. Ưu điểm chính của DRA là cải
thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR và giảm tính phi tuyến.
Hình 2.8 biểu diễn mức công suất ánh sáng tín hiệu của hệ thống khuyếch đại
theo chu kỳ. Đỉnh hình răng cưa tương ứng với các điểm khuyếch đại tập trung.
Đường nét đứt là biểu diễn công suất ánh sáng tín hiệu trong hệ thống chỉ sử dụng các
bộ khuyếch đại tập trung với tăng ích cao. Đường cong trên tương ứng với công suất
ánh sáng tín hiệu trong trường hợp sử dụng bộ khuyếch đại DRA kết hợp với bộ
khuyếch đại quang tập trung có tăng ích nhỏ.
Hình 2.8. Công suất tín hiệu trong hệ thống sử dụng DRA
Khi sử dụng DRA mức công suất tín hiệu dọc theo sợi quang sẽ đồng đều
hơn. Nếu kết hợp các bộ khuyếch tập trung mức ánh sáng tín hiệu đỉnh không quá

lớn. Như vậy sẽ tránh được các hiệu ứng phi tuyến. Đồng thời mức công suất ánh
sáng tín hiệu cũng không xuống thấp quá do ảnh hưởng của suy hao do đó tỉ số SNR
được cải thiện. Tỉ số SNR cao tương ứng với khả năng tăng khoảng cách giữa các bộ
khuyếch đại hoặc tăng dung lượng của kênh tín hiệu. Khoảng cách giữa các bộ
khuyếch đại quang tập trung thường khoảng 80km, bằng cách sử dụng DRA hiệu
năng của hệ thống tương đương với sử dụng khuyếch đại quang tập trung với khoảng
cách giữa chúng là 35km đến 38km. Ngoài khả năng tăng khoảng cách giữa các bộ
Nhóm 1 - HCD05VT2
21