Hiện tượng tán xạ Raman trong hệ thống thông tin quang

Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông – Cơ sở TPHCM – Đ08VTH2
MỤC LỤC
I. NGUYÊN NHÂN…………………………………............................. 2
II. ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ
RAMAN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ……............... 3
III. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ
RAMAN KÍCH THÍCH : BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN........................ 3
III.1 CẤU TRÚC BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN....................... ........ 4
III.2 ĐẶC TÍNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI.................. ......................5
III.2.1 Sơ đồ chuyển hóa năng lượng
trong khuếch đại Raman ......................................................5
III.2.2 Phổ của khuếch đại Raman..................................................5
III.2.3 Băng thông của bộ khuếch đại Raman…………………….7
III.2.4 Ảnh hưởng của sự suy hao sợi quang..................................8
III.2.5 Bảo hòa hệ số khuếch đại.....................................................9
III.2.6 Nhiễu xuyên kênh Raman...................................................10
III.2.7 Ưu nhược điểm của khuếch đại Raman..............................11
- 1 -Tán xạ Raman kích thích – Nguyên nhân, Ảnh hưởng và Ứng dụng
Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông – Cơ sở TPHCM – Đ08VTH2
I. NGUYÊN NHÂN
Tán xạ Raman kích thích là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ
năng lượng của một photon, sau đó tạo ra một photon có năng lượng
khác. Vì vậy tán xạ Raman kích thích được định nghĩa là hiện tượng
photon thứ cấp được sinh ra do kích thích từ nguồn bên ngoài.
Hiện tượng trên có thể giải thích cụ thể như sau:
Nếu đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều bước sóng thì hiệu ứng
tán xạ kích thích của tia sáng sẽ xảy ra. Sự chuyển năng lượng từ các
kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng cao hơn sẽ xảy ra.
Có hai tán xạ chủ yếu xảy ra là tán xạ kích thích Brilouin (SBS) và tán xạ
kích thích Raman (SRS). Cả hai đều là tán xạ Photon để đạt được photon
có năng lượng thấp hơn. Điểm khác biệt giữa chúng là phonon quang

trong tán xạ Raman và tán xạ phonon âm học trong tán xạ Brilouin. Cả
hai đều cho kết quả là mất năng lượng ở tần số biến cố. Tuy nhiên những
tán xạ đó không đáng kể ở các mức năng lượng thấp. Tại các mức năng
lượng cao hơn các hiện tượng phi tuyến tán trở nên quan trọng. Cường độ
tán xạ tia sáng trong cả hai trường hợp tăng theo cấp số mũ một khi năng
lượng bơm vượt qua giá trị ngưỡng. Mặc dù cả SRS và SBS đều giống
nhau về bản chất nhưng mối quan hệ tán sắc khác nhau cho phonon
quang và phonon âm dẫn đến sự khác nhau giữa hai sợi đơn mode là :
- SBS chỉ xảy ra theo chiều hướng ngược lại trong khi SRS xảy ra
ở cả hai hướng.
- Tán xạ tia sáng được dịch chuyển trong tần số 10 GHz cho SBS
và 1,3 THz cho SRS (được gọi là dịch chuyển Stoker ).
- Băng thông khuếch đại của Brilouin là cực kỳ hẹp ( < 100 MHz )
so với băng thông khuếch đại của Raman là 20 – 30 THz.
Một vài Photon bơm bỏ năng lượng của mình để tạo thành
Photon khác có năng lượng giảm và tần số thấp hơn. Năng lượng còn lại
được hấp thụ bởi các phân tử Silica và kết thúc ở trạng thái rung. Một
điểm khác quan trọng so với tán xạ Brillouin là mức năng lượng rung của
phân tử Silica là cơ chế của giá trị dịch chuyển Raman :
ΩR = ωp – ωs
Trong đó : ωp là tần số sóng bơm ; ωs là tần số tín hiệu.
Tán xạ Raman là một quá trình đẳng hướng xảy ra ở tất cả mọi
hướng.
Tiến trình tán xạ Raman trở nên bị kích thích nếu công suất bơm
vượt giá trị ngưỡng. SRS có thể xảy ra cả hướng tới và hướng ngược lại.
Nói một cách vật lý :
Sự va đập của sóng bơm và tia sáng kích thích theo hai hướng
này tạo nên một thành phần tần số tại tần số va đập : ωp – ωs
Các hoạt động này có vai trò như là nguồn phát sinh các dao
động phân tử. Khi đó biên độ của sóng kích thích được gia tăng để phù

- 2 -Tán xạ Raman kích thích – Nguyên nhân, Ảnh hưởng và Ứng dụng
Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông – Cơ sở TPHCM – Đ08VTH2
hợp với những dao động này, phản hồi dương được thiết lập. Trong
trường hợp sóng truyền sóng truyền phía trước tiến trình hồi tiếp được
cho bởi hai phương trình :
Trong đó : gR là độ khuếch đại SRS , nếu sóng truyền ngược thì
thêm dấu - vào phương trình sau.
II. ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ RAMAN TRONG
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Hiện tượng tán xạ Raman không xảy ra trong hệ thống quang đơn
kênh bởi vì mức ngưỡng tương đối cao của nó (khoảng 500 mW gần
bước sóng 1550 nm).
Tình trạng này sẽ khác trong hệ thống WDM. Ảnh hưởng của các
hiện tượng phi tuyến có thể sẽ ảnh hưởng đến chỉ tiêu toàn hệ thống.
Trong hệ thống WDM, sợi quang hoạt động như là bộ khuếch đại Raman,
những kênh có bước sóng dài sẽ được khuếch đại bởi những kênh có
bước sóng ngắn.
Băng thông khuếch đại của sợi Silica thì rộng đến nỗi mà hiện
tượng khuếch đại có thể xảy ra ở tất cả các khoảng cách kênh hơn
100nm.
Kênh có bước sóng ngắn nhất hầu như không còn năng lượng khi
nó bơm năng lượng cho nhiều kênh cùng lúc. Sự chuyển giao năng lượng
giữa các kênh như vậy có thể bất lợi đến chỉ tiêu của hệ thống khi nó phụ
thuộc vào mẫu bít 1 xuất hiện ở cả tất cả các kênh cùng 1 lúc.
III. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH
THÍCH : BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN
Hầu hết những hệ thống khuếch đại quang đều dựa trên cơ chế
hiện tượng phát xạ kích thích. Như vậy bộ khuếch đại quang hầu như
không có gì, nó chỉ là bộ khuếch đại khi được bơm quang hoặc điện để
đạt được nghịch đảo nồng độ. Nói chung bộ khuếch đại quang không chỉ

phụ thuộc tần số ( hay bước sóng ) mà nó còn phục thuộc vào cường độ
tia bơm tại bất kỳ điểm nào bên trong bộ khuếch đại.
Nền tảng của bộ khuếch đại Raman sử dụng hiện tượng phát xạ
kích thích xảy ra trong sợi Silica khi tia bơm truyền qua nó. SRS khác
phát xạ kích thích khác ở một khía cạnh cơ bản : trong trường hợp phát
xạ kích thích photon va chạm phát ra một dạng photon khác mà không
- 3 -Tán xạ Raman kích thích – Nguyên nhân, Ảnh hưởng và Ứng dụng
Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông – Cơ sở TPHCM – Đ08VTH2
mất năng lượng. Trong tán xạ SRS, photon va chạm truyền năng lượng
của nó để tạo 1 photon khác có tần số và năng lượng thấp. Năng lượng
còn lại được hấp thu bởi môi trường trong dạng rung của phân tử
( phonon quang )
III.1 CẤU TRÚC BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN
Trong đó :
- Sợi quang là nơi xảy ra quá trình khuếch đại, là sợi quang thường
truyền tín hiệu như sợi SMF, DSF..... Trong khuếch đại Raman, không
cần sử dụng sợi quang đặc biệt như EDFA.
- Fiber coupler : dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với bước
sóng bơm.
- Laser bơm có tần số ωp : 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. Laser phát ra ánh sáng có bước sóng thích hợp
tùy thuộc vào vùng bước sóng cần khuếch đại. Đây là một ưu điểm
quan trọng của khuếch đại Raman so với EDFA (chỉ khuếch đại được các
bước sóng ở băng C).
- Filter : (hoặc bộ cách ly) đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang
để ngăn chặn tín hiệu phản xạ ở hai đầu bộ khuếch đại. Đồng thời nó
cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo hướng ngược về phía đầu vào có thể
gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào.
Hình trên trình bày làm thế nào mà sợi quang được sử dụng như bộ

khuếch đại Raman. Nguồn bơm và tia tín hiệu ở tần số ωp và ωs , nó
được tiêm vào sợi quang qua coupler, năng lượng được chuyển qua từ
nguồn bơm đến tia tín hiệu, cả hai tia được truyền trong sợi quang. Trong
thực tế nguồn bơm và tia tín hiệu được tính toán truyền theo hướng
ngược nhau.

- 4 -Tán xạ Raman kích thích – Nguyên nhân, Ảnh hưởng và Ứng dụng
Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng – Cơ sở TPHCM – Đ08VTH2
III.2 ĐẶC TÍNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI :
III.2.1 Sơ đồ chuyển hóa năng lượng trong khuếch đại Raman :
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 ngun tử của
sợi quang từ một laser bơm có bước sóng thấp hơn bước sóng của tín
hiệu. Khi đó các ngun tử của sợi quang (đang ở mức năng lượng nền)
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 ngun 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.
Dựa trên giản đồ năng lượng trên, tần số ánh sáng bơm fbơm và tần số
ánh sáng được khuếch đại fkhuếchđại được xác định như sau :
fbơm = (E3 – E1)/h
fkhuếchđại = (E2 – E1)/h
trong đó
h : là hằng số Plank ;
E1 : năng lượng của trạng thái năng lượng cao (transition state) ;
E2 : năng lượng của trạng thái trung gian ( vibration state) ;
E3 : năng lượng của trạng thái năng lượng thấp (năng lượng nền
ground state) ;

- 5 -Tán xạ Raman kích thích – Ngun nhân, Ảnh hưởng và Ứng dụng
Mức năng lượng dao động (vibration state)
Mức năng lượng n?n (ground state)
Laser
bơm
Tín hiệu cần
khuếch đại
Tín hiệu
được khuếch
đại
Mức năng lượng chuyển (Transition state)
E
3
E
2
E
1