ứng dụng khuếch đại raman trong mạng viễn thông việt nam

Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI 3
1.1. Tổng Quan Về Khuếch Đại Quang 3
1.2. Nguyên Lý Bộ Khuếch Đại Quang 5
1.3. Phân Loại Khuếch Đại Quang 6
1.4. Các Thông Số Kĩ Thuật Chính Của Khuếch Đại Quang 7
1.4.1. Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại 7
1.4.2. Băng thông độ lợi 9
1.4.3 Công suất ngõ ra bão hoà 10
1.4.4. Hệ số nhiễu 12
1.5. Ứng Dụng Của Khuyếch Đại Quang 13
Kết Luận Chương I: 14
CHƯƠNG II: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 15
2.1. Tán Xạ Raman 15
2.1.1. Tán Xạ raman Tự Phát 15
2.1.2. Tán Xạ Raman Cưỡng Bức (SRS) 17
2.2. Cấu Trúc Bộ Khuếch Đại Raman 18
Nhóm 12- L11CQVT07-B 1
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
2.3. Nguyên Lý Hoạt Động Khuếch Đại Raman 21
2.4. Phân Loại Khuếch Đại Raman 26
2.4.1.Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 26
2.4.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 29
2.4.3. Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 31
2.4. Ưu, Nhược điểm khuếch đại Raman 32
Kết Luận Chương II: 33
3.1. Ứng dụng bộ khuếch đại quang Raman trong hệ thống WDM 34
LỜI MỞ ĐẦU
Khuếch đại Raman đang được triển khai ở hầu hết các hệ thống thông tin
quang mới ở những cự ly dài và rất dài trong truyền dẫn quang. Làm cho chúng trở

thành một trong những tuyến quang phi tuyến đầu tiên được thương mại hóa. Khuếch
đại Raman nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu và giảm hiệu ứng phi tuyến trong hệ
thống. Cho phép khuếch đại ở những khoảng cách xa, tốc độ bit cao và hoạt động gần
bước sóng có độ tán sắc không. Khuếch đại Raman được dùng chủ yếu để nâng cao
dung lượng hệ thống, mở rộng nhiều cửa sổ bước sóng mới của ghép kênh phân chia
theo bước sóng như 1300nm, 1400nm hoặc những bước sóng ngắn trong băng S.
Khuếch đại raman cung cấp đơn giản nhưng rất cần thiết và là nền tảng cho khuếch
Nhóm 12- L11CQVT07-B 2
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
đại trên những khoảng cách dài và cực dài. Do đó, nên mở rộng phạm vi của nó và
phát triển trong những năm tiếp theo.
Ứng dụng khuếch đại Raman trong mạng viễn thông Việt Nam để cải thiện cự
ly truyền dẫn, nâng cao dung lượng, giảm chi phí hệ thống; kỹ thuật chuyển mạch
nhóm bước sóng (WBS) vào các mạng ghép kênh theo bước sóng để giải quyết vấn đề
giá thành thiết bị chuyển mạch quang cũng như độ phức tạp trong điều khiển mạng
toàn quang; Xu hướng mạng truyền tải quang dung lượng Terabit tạo kỷ lục
thế giới mới về dung lượng truyền dẫn; Tiềm năng FTTN trong việc cung cấp các ứng
dụng truy nhập đạt chuẩn quốc tế.
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI
1.1. Tổng Quan Về Khuếch Đại Quang
Đối với tín hiệu quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn, sự suy giảm tín hiệu là
không thể tránh khỏi. Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của
các hệ thống thông tin quang. Giới hạn về suy hao được khắc phục bằng cách sử dụng
các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater). Trong các trạm lặp quang điện này,
quá trình khuếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước. Đầu tiên tín hiệu
quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ thu quang (optical receiver) sử
dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay PAD. Dòng quang điện thu được sẽ được
tái tạo lại dạng xung, định thời và khuếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch
khuếch đại. Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua các
nguồn quang trong bộ phát quang (optical transmitter) và được truyền đi trong sợi

quang. Như vậy, quá trình khuếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 3
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Hình 1.1. Cấu trúc của một trạm lặp quang điện
Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền
dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử
dụng cho các hệ thống truyền dẫn đa bước song như hệ thống WDM, rất nhiều trạm
lặp quang điện cần được sử dụng để khuyếch đại và tái tạo các kênh quang có bước
sóng khác nhau. Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống
truyền dẫn quang WDM.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, người ta thực hiện được quá
trình khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến
đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuyếch đại quang (Optical Amplifier). Kỹ
thuật khuyếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp. So với
các trạm lặp, các bộ khuyếch đại quang có các ưu điểm sau:
- Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay
mạch phục hồi (các bộ biến đổi E/O hoặc O/E). Do đó khuếch đại quang sẽ trở nên
linh hoạt hơn.
- Không phụ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điều chế tín hiệu nên nâng
cấp hệ thống đơn giản hơn.
- Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi
quang.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 4
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Việc nghiên cứu khuyếch đại quang ngày càng phát triển và được ứng dụng
rộng rãi. Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang, và trong thời gian
qua các nghiên cứu thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính:
- Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier)
- Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier)
Tuy nhiên, do yêu cầu nâng cấp mạng thông tin quang DWDM lên hàng trăm

kênh, việc nghiên cứu phát triển các loại khuếch đại quang khác đã được đẩy mạnh,
trong đó khuếch đại quang trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức được đặc
biệt quan tâm trên thế giới.
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.
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:


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 E2

chuyển xuống mức năng lượng thấp E1, đồng thời phát ra một photon có mức năng
lượng E
g
= E2-E1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này sảy ra một cách tự
Nhóm 12- L11CQVT07-B 5
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững
của điện tử. Sau một khoảng thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao, các
điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng ền
vững ). 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
(nhiễu ASE) gọi là nhiễu phát xạ tự phát.
Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng
lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf12 bằng với độ chênh lệch
năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử
(Eg=E2-E1).Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái
năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với của photon kích
thích ban đầu. Như vậy từ một photon ban đầu sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và
photon mới tạo ra ) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số.
Hay nói cách khác quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện.
Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser.
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
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 bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp năng lượng để khuếch đại
tín hiệu là dòng điện.

Trong khuếch đại sợi quang OFA (Optical Fiber Amplifier) vùng tích cực là
sợi quang được pha đất hiếm. Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi
các laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại.
Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm của nguồn
bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi.
Một số loại OFA tiêu biểu: EDFA, PDFA, TDFA, NDFA. Trong số loại OFA
này EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì nó có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ
thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích hợp với
dải tần hoạt động của hệ thống DWDM.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 6
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Cả hai loại khuếch đại quang 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
tượng tán xạ Raman kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích.
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.
1.4. Các Thông Số Kĩ Thuật Chính Của Khuếch Đại Quang
1.4.1. Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại
Khuếch đại đạt được khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm quang, hay bơm
điện . 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:
(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 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 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.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 7
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Ở chế dộ chưa bão hoà, coi P/P
s
<<1, khi đó phương trình 1.1 trở thành:
(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 :
G= (1.3)
Hệ số khuếch đại là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại. Nó đặc trưng
cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, hệ số
khuếch đại của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hoà khuếch đại. Điều

này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại.
Mặt khác ta lại có công thức sau
(1.4)
Suy ra:
P(z) = P
in
exp(gz) (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:
G(ω)= = = (1.6)
Nhóm 12- L11CQVT07-B 8
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
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:

Hình 1.3 . Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi
1.4.2. Băng thông độ lợi
Băng thông độ lợi được định nghĩa là =2/T
2
hay là:

(1.7)
Như vậy, nếu 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 được định nghĩa là một FWHM (full width at half maximum-độ rộng
xung tại nửa giá trị cực đại) và liên quan với theo công thức sau:
Nhóm 12- L11CQVT07-B 9
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
(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.
1.4.3 Công suất ngõ ra bão hoà
- 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 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:
(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:
G=G
0
exp ( ) (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.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 10
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Hình 1.4. Sự phụ thuộc của công suất ra (theo P
s
) theo G (theo G
0
)

- Công suất ngõ ra bão hoà (Saturation Output Power)
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ta sẽ tăng tuyến

tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số G: P
out
= G.P
in
. Tuy nhiên công suất ngõ
ra không thể tăng mãi được. Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất cả các bộ
khuếch đại quang, khi công suất ngõ vào P
in
tăng đến một mức nào đó, hệ số G bắt
đầu giảm. Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ngõ ra
nữa mà đạt trạng thái bão hoà.
Công suất ra bão hoà của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất ngõ
ra lớn nhất mà bộ khuếch đại đó có thể hoạt động được. Thông thường một bộ khuếch
đại quang có khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão hoà cao bởi vì sự nghịch đảo nồng
độ cao có thể được duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng.
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 . Có thể nhận thấy rằng, giá 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:
Nhóm 12- L11CQVT07-B 11
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
= (1.11)
1.4.4. 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, đây chính là bức xạ tự phát. Bức xạ
nàykhi có phương cùng điện tử, sẽ gây ảnh hưởng lên biên độ và pha của tín hiệu.

Hiện tượng này được gọi là hiện tưọng nhiễu xạ tự phát ASE. Do vậy, công suất đầu
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 hiệu trên tạp tại đầu ra và đầu vào:

SNFout
SNRin
NF =

Hay NF= SNR
in
(dB)-SNF
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
2n
sp
(1.14)
Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ càng tốt, giá trị nhỏ nhất có thể đạt
được là 3dB. Tại giá trị này chúng ta gọi là giá trị lượng tử.

Nhóm 12- L11CQVT07-B 12
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
1.5. Ứng Dụng Của Khuyếch Đại Quang

Hình 1.5. Các ứng dụng khuếch đại
a) Khuếch đại trên tuyến (In-line amplifỉer)
b) Khuếch đại công suất (Booster Amplifier)
c) Bộ tiền khuếch đại (Preamplifier)
Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang như các
bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc
phục suy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền. Tuỳ theo vị
trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại:
Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt
ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất quang đến mức cao nhất để
làm cho khoảng cách truyền cực đại. Yêu cầu của các bộ khuếch đại công suất là tạo
ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độ lợi cực đại vì công suất tín hiệu ngõ
vào lớn.
Khuếch đại trên tuyến (In-line Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt
ngay trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi,
suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng. Các bộ
Nhóm 12- L11CQVT07-B 13
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
khuếch đại đường dây có thể được lắp đặt nối tiếp nhau trên đường truyền để làm gia
tăng khoảng cách lắp đặt. Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ
làm giảm hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền dẫn quang.
Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay
trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tin hiệu được đưa
vào thiết bị. Điều này làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt của bộ nhạy thiết bị thu và cho
phép hệ thống truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao hơn. Do vị trí lắp đặt,

các bộ tiền khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu
thu cao. Do vậy, yêu cầu của bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, hệ số G trung bình
nhưng thông số nhiễu phải rất thấp. Khuếch đại quang Raman có thông số nhiễu nhỏ,
vì vậy chúng luôn được sử dụng cho tiền khuếch quang.
Tuy nhiên khuếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã bị suy hao trong
tuyến truyền dẫn. Do khuếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc và
các hiệu ứng quang phi tuyến, cho nên tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại
quang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra.
Sử dụng khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM
có ý nghĩa công nghệ quan trọng vì khuếch đại quang có thể khuếch đại tất cả các
bước sóng tới trong băng tần khuếch đại.
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. Chương tiếp theo sẽ đi tìm hiểu cụ thể về bộ khuếch đại Raman.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 14
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
CHƯƠNG II: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN
2.1. Tán Xạ Raman
Hiện tượng tán xạ Raman được nhà khoa học Raman chỉ ra bằng thực nghiệm
vào năm 1928 .
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).
2.1.1. Tán Xạ raman Tự Phát
Là hiện tượng ánh sáng tới tương tác với môi trường làm sinh ra các photon. Tùy
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. Tán xạ Raman bao gồm hai thành phần Stokes và đối
Stokes. Thành phần Stokes ứng với tần số nhỏ hơn tần số ánh sáng tới
2

ω
≈
1
ω
-
Ω
.
Thành phần đối Stokes có tần số lớn hơn tần số của ánh sáng tới
Ω+≈
12
ωω
.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 15
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Hình 2.1. Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman.
Electron sẽ chuyển từ trạng thái khởi đầu (trạng thái cơ bản) lên trạng thái cao hơn
(trạng thái kích thích) khi đó nó sẽ hấp thụ một photon có năng lượng bằng hiệu năng
lượng giữa trạng thái kích thích và trạng thái khởi đầu. Khi chuyển từ trạng thái kích
thích về trạng thái cuối electron sẽ phát xạ một photon có năng lượng bằng hiệu năng
lượng trạng thái kích thích 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. Ta có
2
ω
≈
1
ω
-
Ω

. Trong đó :

1
ω
,
2
ω
lần lượt là tần số của ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ
• là tần số phonon được sinh ra.
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 phonon. Thực tế, tán xạ
Nhóm 12- L11CQVT07-B 16
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
phản Stoke thường yếu hơn tán xạ Stoke. Chúng ta chỉ quan sát được sóng đối Stokes
khi kích thich bằng ánh sáng không đơn sắc có cường độ rất cao.
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.
2.1.2. Tán Xạ Raman Cưỡng Bức (SRS)
Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (Stimulated Raman Scattering ) là hiện tượng
xảy ra khi đưa vào môi trường dẫn sóng hai nguồn ánh sáng là nguồn laser bơm có tần
số ν và tín hiệu quang ở tần số Stokes (ν– ν
d
). Trong mô hình bơm quang này các
photon tín hiệu có tần số (ν– ν
d

) sẽ cưỡng bức các phân tử cùng dao động và làm phát
sinh thêm một photon nữa có cùng tần số và pha với photon đến. Quá trình tán xạ
cưỡng bức sẽ được tiếp tục nhân lên bên trong lõi sợi quang.
Bản chất của hiện tượng tán xạ Raman cưỡng bức là các nguyên tử của sợi
quang hấp thụ năng lượng từ các photon phát ra từ nguồn bơm có bước sóng nhỏ hơn
bước sóng tín hiệu. Khi đó, các nguyên tử sẽ nhảy từ trạng thái có mức năng lượng
thấp sang trạng thái có mức năng lượng cao hơn (mức năng lượng trung gian). Khi có
photon của tín hiệu đến thì nó sẽ kích thích các nguyên tử đang ở trạng thái có mức
năng lượng cao. Kết quả là các điện tử nhảy xuống mức thấp hơn phát ra photon mới
có cùng bước sóng và pha với photon tín hiệu đến.


E1
Hình 2.2.Mô tả quá trình tán xạ raman cưỡng bức
Nhóm 12- L11CQVT07-B 17
E
3
E
2
Tín hiệu
ћ (ν – ν
d
)
Laserbơm
h ν
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Trong đó:
E
1
: mức năng lượng nền.

E
2
: mức năng lượng dao động.
E
3
: mức năng lượng trung gian.
Nhiều kết quả nghiên cứu tán xạ Raman trong thuỷ tinh SiO
2
: GeO
2
để chế tạo sợi
quang cho thấy: độ dịch chuyển Raman Δλ ~ 80nm - 100 nm, phụ thuộc vào nồng độ
và cấu trúc sợi quang. Nếu ta dùng bước sóng bơm λ
p
= 1450 nm thì tín hiệu quang
có bước sóng λ
s
= λ
p
+ Δλ =1550 nm (trùng với vạch Stokes) sẽ được khuếch đại. Khi
cường độ ánh sáng kích thích hay cường độ laser bơm mạnh hơn một giá trị ngưỡng
xác định thì ánh sáng Stokes phát ra được khuếch đại theo hàm mũ. Quá trình này gọi
là tán xạ Raman cưỡng bức.
Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức không những có ưu điểm về mặt cường độ mà
còn có ưu điểm về mặt cấu trúc chùm tia phát xạ. Nhờ hiệu ứng phát xạ cưỡng bức mà
các photon phát xạ sẽ cùng pha và cùng hướng với photon kích thích.
2.2. Cấu Trúc Bộ Khuếch Đại Raman
Tín hiệu vào Isolater
Sợi quang

Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc bộ khuếch đại quang Raman
Bộ khuếch đại quang Raman bao gồm:
Nhóm 12- L11CQVT07-B 18
WDM
Laser bơm
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
- Sợi quang : Là nơi xảy ra quá trình khuếch đại. Sợi quang này cũng là sợi
quang truyền tín hiệu như sợi SMF, hoặc sợi DCF …Trong khuếch đại quang
không cần sử dụng sợi quang đặc biệt (pha ion Erbium ) như bộ khuếch đại
EDFA.
- Bộ ghép (Coupler): Dùng để ghép tín hiệu vào với 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 sự nghịch đảo nồng độ.
- Bộ cách ly (Isolator) : Dùng để cho ánh sáng chỉ đi theo một chiều trong sợi
và ngăn ánh sáng phản xạ chiều ngược vào môi trường khuếh đại để tránh gây
nhiễu cho bộ khuếch đại.
- Linh kiện WDM: Dùng để ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ
laser bơm vào trong sợi quang.
Có một số cấu hình bơm phổ biến cho khuếch đại quang Raman như:
 Bơm thuận: Nguồn bơm được bơm cùng chiều với hướng truyền tín hiệu
Hình 2.4. Cấu hình bơm thuận cho khuếch đại quang Raman phân bố
Nhóm 12- L11CQVT07-B 19
Pump
Fiber
rr
Signal
Pump
pp
Coupler
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ

 Bơm ngược :Nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu
Hình 2.5. Cấu hình bơm ngược hướng cho khuếch đại quang Raman phân bố
Ngoài ra còn cách bơm hai chiều : Tức là sử dụng hai nguồn bơm và được bơm theo
hai chiều ngược nhau.

Hình 2.6. Cấu hình bơm song hướng cho khuếch đại Raman
Nhóm 12- L11CQVT07-B 20
Pump
Fiber
Isolator
rrr
Signal
Pump
Fiber
rr
Signal
Pump
pp
Coupler
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Mỗi cấu hình bơm có những ưu nhược điểm khác nhau:
Bơm thuận có ưu điểm giảm nhiễu tốt hơn bộ khuếch đại Raman, sử dụng tốt
như là bộ khuếch đại công suất làm mạnh tín hiệu tại đầu vào. Bơm ngược thì phù hợp
hơn với ứng dụng khuếch đại các tín hiệu yếu tại đầu thu.
Bơm ngược có ưu điểm là sự dao động công suất bơm vừa phải đây cũng là cấu
hình thường được sử dụng trong thực tế. Ngoài ra cũng có thể sử dụng cấu hình bơm
hai chiều hoặc sử dụng nhiều sóng bơm để mở rộng và làm bằng phẳng phổ khuếch
đại Raman.
* Khuếch đại dải rộng của khuếch đại Raman
Khuếch đại Raman với một nguồn bơm có băng thông vào khoảng 7(THz)

(xấp xỉ 60 nm). Cửa sổ truyền qua của sợi quang vào khoảng 400 nm(1200 nm tới
1600). Khuếch đại băng thông rộng do vậy là rất phù hợp. Thêm vào đó các bộ
khuếch đại Raman băng rộng hiện nay có băng tần lên tới 136 nm nhờ sử dụng kỹ
thuật đan xen bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu.
Sử dụng nhiều nguồn bơm, khuếch đại dải rộng với độ lợi thăng giáng nhỏ là
có thể thiết kế được. Tuy nhiên cần nhớ rằng trong cấu hình nhiều nguồn bơm, có sự
chuyển đổi năng lượng giữa các nguồn bơm do hiệu ứng Raman.
2.3. Nguyên Lý Hoạt Động Khuếch Đại Raman
Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích. Tán xạ raman
kích thích là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ năng lượng của một photon, sau đó tạo
Nhóm 12- L11CQVT07-B 21
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
ra một photon có năng lượng khác. Vì vậy tán xạ Raman kích thích được định nghĩa là
hiện tượng photon thứ cấp được sinh ra do kích thích từ nguồn bên ngoài.
Để có khuếch đại Raman thì phải tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Điều 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 nguyên tử của sợi
quang sẽ hấp thụ năng lượng bơm có năng lượng cao (bước sóng ngắn) và chuyển lên
mức năng lượng cao hơn. Khi có tín hiệu đến, nó sẽ kích thích các nguyên tử đang ở
mức năng lượng cao chuyển sang trạng thái năng lượng thấp 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 hiệu đến. Do đó, tín hiệu đã được khuếch đại .
Hình 2.7. Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman
Nhóm 12- L11CQVT07-B 22
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Dựa trên giản đồ năng lượng trên, tần số ánh sáng bơm f bơm và tần số ánh
sáng được khuếch đại f kđại được xác định như sau:
f bơm =(E3-E1)/h
f khuếch đại = (E2-E1)/h
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.
- Độ rộng băng tần và hệ số khuếch đại
Hình 2.8 biểu diễn sự thay đổi của độ lợi khuếch đại Raman theo độ chênh lệch
bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm . Qua đó cho thấy, hệ số khuếch đại Raman
tăng hầu như tuyến tính với độ chênh lệch bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm
(wavelength offset), đạt giá trị đỉnh tại 100nm và giảm nhanh chóng sau đó. Trong
hình cũng cho thấy băng thông độ lợi của khuếch đại Raman có thể đạt từ 45-50nm.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 23
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Hình 2.8. Hệ số độ lợi Raman thay đổi theo độ chênh lệch bước sóng của tín hiệu và
nguồn bơm.
Nếu dải tần của các tín hiệu cần khuếch đại Raman lớn hơn băng thông độ lợi
của khuếch đại raman (giả sử 40nm), cần phải sử dụng nhiều nguồn bơm khác nhau .
Mỗi nguồn bơm có bước sóng cách nhau khoảng 40nm (bằng với băng thông độ lợi ),
khi đó dải tần lớn của các tín hiệu có thể đạt được khuếch đại hiệu quả (như hình
2.9a). Tuy nhiên, do đặc tính khuếch đại của khuếch đại Raman và do khoảng của các
bước sóng bơm băng thông độ lợi tổng cộng có dạng gợn sóng như hình 2.9b. Với ưu
điểm băng thông độ lợi lớn, khuếch đại Raman được quan tâm đến trong các ứng dụng
Nhóm 12- L11CQVT07-B 24
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
thông tin quang .Tuy nhiên, do hiệu suất độ lợi của khuếch đại Raman không cao, để
đạt được khuếch đại lớn cần phải sử dụng công suất bơm tương đối cao.
Hình 2.9. (a).Với khoảng cách nguồn bơm 40nm, các kênh nằm trong dải tần rộng
được khuếch đại.
(b) Gợn độ lợi do khuếch đại Raman và do khoảng cách nguồn bơm.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 25