Nghiên cứu khuếch đại quang Raman cưỡng bức ứng dụng trong khuếch đại quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Tuấn Linh


NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMAN
CƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG
KHUẾCH ĐẠI QUANG
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Vật lý kỹ thuật
HÀ NỘI - 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Tuấn Linh
NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMAN
CƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG
KHUẾCH ĐẠI QUANG
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Vật lý kỹ thuật
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Văn Hội
Cán bộ đồng hướng dẫn: TS.Bùi Huy

HÀ NỘI - 2011
Lời cảm ơn
Khoá luận tốt nghiệp này là kết quả nghiên cứu trong nhiều tháng nỗ lực của bản

thân em dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ của rất nhiều người
Qua bản khoá luận này cho phép em bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất
đến PGS.TS Phạm Văn Hội và TS. Bùi Huy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn
thành khoá luận tốt nghiệp.
Em cũng rất biết ơn các cán bộ và anh chị hiện đang công tác tại phòng Vật liệu và
Ứng dụng Quang sợi, viện Khoa học vật liệu: anh Thế Anh, anh Thanh Hải …đã quan
tâm, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất cũng như thiết bị cho việc nghiên
cứu và hoàn thành khoá luận này.
Em cũng xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô cùng các cán bộ công tác tại
khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ nano đã đào tạo cho em không chỉ về kiến thức
chuyên môn mà cả về kỹ năng sống, học tập và làm việc.
Khoá luận này cũng là một lời cảm ơn sâu sắc tới những người thân của em-những
người luôn ở bên cạnh quan tâm em giúp đỡ em hoàn thành khoá luận.
Hà Nội 20/05/11
Sinh viên
Lê Tuấn Linh



Tóm tắt nội dung
Tán xạ Raman là quá trình tán xạ không đàn hồi, 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 thông tin quang nhưng mặt khác tán xạ Raman cũng có
những ảnh hưởng tích cực, nổi bật nhất là khả năng khuếch đại tín hiệu quang. Bởi vậy,
ngay từ khi mới được phát hiện, tán xạ Raman đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm,
nghiên cứu. Tán xạ Raman kích thích(SRS) chính là cơ sở để phát triển các bộ khuếch
đại quang Raman. 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. Nhận thức được tầm quan trọng cũng như ý nghĩa to lớn của bộ khuếch
đại quang Raman, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Phạm Văn Hội và TS. Bùi Huy, em
đã tập trung nghiên đề tài “tán xạ Raman và ứng dụng trong khuếch đại thông tin
quang”. Những kết quả trong khoá luận là những kết quả bước đầu để tiến tới những
nghiên cứu sâu hơn nhằm đưa đến những ứng dụng trong thực tế.

5
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan nội dung trong bản đồ án tốt nghiệp này là kết quả trong công trình
nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Văn Hội và TS. Bùi
Huy. Tất cả các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công
bố tại các tài liệu, ấn phẩm nào khác. Các số liệu tham khảo khác đều có chỉ dẫn rõ ràng
về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phần phụ lục cuối khoá luận.
Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2011
Lê Tuấn Linh

Mục lục
Lê Tuấn Linh....................................................................................................................................1
HÀ NỘI - 2011..................................................................1
Lê Tuấn Linh....................................................................................................................................2
HÀ NỘI - 2011............................................................................................................................2
HÀ NỘI - 2010............................................................................................................................2
Lời cảm ơn.......................................................................................................................................3
Tóm tắt nội dung .............................................................................................................................4
Mục lục............................................................................................................................................7
1.1 Vài nét về hệ thống thông tin quang....................................................................................8
1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang...............................................................8
1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang.......................................................9

1.1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang............................................................................10
1.2 Tổng quan về khuyếch đại quang........................................................................................11
1.2.2 Ứng dụng của khuyếch đại quang....................................................................................14
1.3 Phân loại khuếch đại quang................................................................................................19
1.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn.............................................................................................19
1.3.2Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA).................................................................................20
2.1 Hiệu ứng tán xạ Raman.......................................................................................................22
2.2 Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (SRS)..........................................................................25
2.3 Khuếch đại quang Raman .................................................................................................27
2.3.1 Khuếch đại quang Raman................................................................................................27
2.3.2 Độ lợi băng thông gr của phổ Raman trong sợi thủy tinh Silica tinh khiết và trong sợi
nhạy quang , sợi bù tán sắc DCF...............................................................................................29
........................................................................................................................................36
Chương 3 Kết quả và thảo luận.............................................................................36
3.1 Các thiết bị và linh kiện sử dụng trong thực nghiệm..........................................................36
3.2 Sơ đồ thiết lập cho thực nghiệm ........................................................................................39
3.3 Các kết quả thực nghiệm và thảo luận................................................................................40
........................................................................................................................................................42
....................................................................................................................................43
Hình 3.10. Hệ số khuếch đại khi có tán xạ Raman cưỡng bức theo.............................43
chiều dài sợi quang........................................................................................................................43
Nhìn vào đồ thị ta có thể rút ra nhận xét :nguồn tín hiệu rõ ràng là được khuếch đại và hệ số
khuếch đại này có giá trị tăng dần đến 26 km nó đạt giá trị lớn nhất nhưng hệ số khuếch đại G
nhỏ, không đạt được giá trị lớn như mong đợi. Điều này có thể giải thích như sau:..................43
Khi công suất quang của Laser bơm không đổi, các photon của laser bơm chỉ có thể truyền
cho một số lượng phân tử nhất định để chúng dao động và tạo ra hiệu ứng Raman cưỡng bức.
Khi tăng chiều dài sợi quang, đồng thời giữ nguyên giá trị công suất bơm, tức là chúng ta đã
tăng số lượng các phân tử trong môi trường tán xạ trong khi không tăng năng lượng kích thích,
do vậy mà cường độ của tán xạ Raman cưỡng bức giảm xuống dẫn đến hệ số khuếch đại giảm.
Mặt khác do hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức yêu cầu nguồn bơm công suất cao thì mới đạt

được giá trị tối ưu trong khi nguồn laser bơm tối đa chỉ đạt 200mW vẫn là nhỏ để có thể đạt giá
trị G cao hơn. Một điểm quan trọng khác là tán xạ Raman cưỡng bức sẽ xảy ra mạnh nhất với
∆λ=80-100nm, do vậy khảo sát với laser đơn mốt sẽ có hiện tượng chênh bước sóng giữa bước
sóng được khuếch đại với bước sóng cần được khuếch đại. Điều này có thể giảm thiểu bằng
cách khảo sát với nguồn tín hiệu là laser đa mốt ở phần dưới đây...............................................43

Tài liệu tham khảo.........................................................................................................................48
.......................................................................................................................................................49
Chương 1. Tổng quan về khuếch đại quang
1.1 Vài nét về hệ thống thông tin quang
1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang
Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng như các hệ thống thông tin khác, thành
phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông
tin chung. Đây là nguyên lý mà loài người đã sử dụng ngay từ thời kỳ khai sinh ra các
hình thức thông tin.
Tín hiệu cần truyền được phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng và đầu thu sẽ
thu lại tín hiệu cần truyền. Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trường truyền dẫn ở
đây chính là sợi quang. Sợi quang thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ
phía phát tới phía thu.
Vào năm 1960, việc phát minh ra laser làm nguồn phát quang đã mở ra một thời
kỳ mới có ý nghĩa to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng.
Thông tin bằng tia laser xuyên qua không trung xuất hiện nhưng chịu ảnh hưởng của
thời tiết, máy phát và phải nhìn thấy nhau, tia laser nguy hiểm cho mắt người…nên việc
sử dụng bị hạn chế.
Laser bán dẫn xuất hiện vào năm 1962 cùng với sợi quang giá thành hạ lần đầu
tiên được chế tạo vào năm 1970 làm cho thông tin quang trở thành hiện thực. Ánh sáng
được ghép từ laser bán dẫn vào sợi quang và truyền trong sợi quang theo nguyên lý phản
xạ nội toàn phần nên khắc phục được các nhược điểm của thông tin bằng tia laser.
Trong những năm 1970 laser bán dẫn GaAs/GaAlAs phát ở vùng hồng ngoại gần 0.8μm
đã được chế tạo và sử dụng cho thông tin quang sợi. Năm 1980 các hệ thống thông tin

quang sợi thế hệ đầu tiên được đưa vào hoạt động (tốc độ 45Mb/s và khoảng cách lặp
10km).
Đầu những năm 80, hệ thống thông tin quang thế hệ thứ hai sử dụng laser 1310nm
bắt đầu được sử dụng. Thời gian đầu, tốc độ bít chỉ đạt 100Mb/s do tán sắc sợi đa mode.
Khi sợi đơn mode được đưa vào sử dụng, tốc độ bít đã được tăng lên rất cao. Năm 1987,
hệ thống thông tin quang 1310nm có tốc độ bít 1.7Gb/s với khoảng cách lặp 50km đã có
mặt trên thị trường.
Thế hệ thứ ba của các hệ thống thông tin quang sợi hoạt động ở vùng sóng 1.55μm
với tốc độ bít 2.5Gb/s và khoảng cách lặp 60 ÷ 70km. Khi sử dụng các loại sợi quang bù
tán sắc và làm phẳng tán sắc, khoảng cách lặp sẽ tăng lên.
Thế hệ thứ tư của thông tin cáp quang là sử dụng khuyếch đại quang để tăng
khoảng cách lặp và ghép nhiều bước sóng trong một sợi quang để tăng tốc độ bít trong
sợi quang. Khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng bù công suất
cho suy hao quang trong các khoảng cách lớn hơn 100km. Năm 1991 lần đầu tiên hệ
thống thông tin quang có EDFA được thử nghiệm truyền tín hiệu số tốc độ 2.5Gb/s trên
khoảng cách 21000km và 5Gb/s trên khoảng cách 14300km. Năm 1996 hệ thống thông
tin quang quốc tế dưới biển đã được lặp đặt, năm 1997 đường cáp quang vòng quanh thê
8
giới dưới biển dài 27300km đã được đưa vào hoạt động kết nối nhiều nước ở châu Âu,
châu Á với tốc độ 5Gb/s và ở vài nơi tới 10Gb/s.
Sử dụng công nghệ ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang (WDM) làm tăng
dung lượng thông tin quang một cách đáng kể. Trong năm 1996 đã thử nghiệm tuyến
truyền dẫn 20 bước sóng quang với tốc độ bít của từng bước sóng là 5Gb/s trên khoảng
cách 9100km, tốc độ bít của tuyến đã đạt 100Gb/s. Năm 2000 hệ thống TPC-6 xuyên
Đại Tây Dương có tốc độ bít 100Gb/s đã được đưa vào hoạt động.
Thế hệ thứ năm của hệ thống thông tin quang dựa trên cơ sở giải quyết vấn đề tán
sắc trong sợi quang. Khuyếch đại quang đã giải quyết rất hoàn hảo sự suy hao trong sợi
nhưng không giải quyết được vấn đề tán sắc. Giải pháp tốt nhất để giải quyết vấn đề tán
sắc là sử dụng hiệu ứng Soliton quang. Hiệu ứng Soliton quang là hiệu ứng phi tuyến
trong sợi quang. Chúng dựa trên cơ sở tương tác bù trừ tán sắc của các thành phần

quang trong một xung quang cực ngắn được truyền trong sợi quang không có
suy hao.
Năm 1994 hệ Soliton thử nghiệm truyền tín hiệu 10Gb/s trên khoảng cách
35000km và 15Gb/s trên khoảng cách 24000km. Năm 1996 hệ thống WDM có 7 bước
sóng truyền Soliton trên khoảng cách 9400km với tốc độ bít 70Gb/s.
Ngày nay, các mạng thông tin hoàn toàn quang đang được nghiên cứu mạnh mẽ
nhằm tăng hơn nữa tốc độ thông tin. Các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng
rộng rãi trên thế giới. Chúng đáp ứng được cả tín hiệu tương tự và số. Chúng cho phép
truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng mọi nhu cầu của
mạng số hoá liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặt trên
thế giới với số lượng lớn, đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu
trúc mạng đa dạng. Nhiều nước lấy cáp quang làm môi trường truyền dẫn chính cho
mạng viễn thông. Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền
dẫn và cấu trúc linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao.
1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang sợi cũng giống như hệ thống thông tin quang khác bao
gồm bốn thành phần cơ bản là máy phát quang, máy thu quang, môi trường truyền và tín
hiệu thông tin (tín hiệu lối vào, tín hiệu lối ra như trên hình 1.1).
Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin quang
Vai trò của bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín
hiệu quang vào sợi quang. Linh kiện chính của bộ phát quang là nguồn phát quang: hệ
thống thông tin quang sợi thường sử dụng các bộ nguồn phát quang bán dẫn là diốt phát
quang (LED) và laser bán dẫn. Môi trường truyền dẫn quang chia làm hai loại: truyền
trong sợi quang và truyền trong không gian. Để tăng khoảng cách truyền bị giới hạn bởi
sự suy hao trong sợi quang người ta có thể sử dụng các bộ lặp hoặc các bộ khuyếch đại
9
Máy phát
quang
Môi trường
truyền

Máy thu
quang
Tín hiệu
lối vào
Tín hiệu
lối ra
quang sợi. Bộ lặp có nhiệm vụ thu tín hiệu quang, biến đổi quang - điện (O/E), sửa lại
xung điện, khuyếch đại tín hiệu và biến đổi điện - quang (E/O) trở lại. Những hệ thống
thông tin quang hiện đại chủ yếu sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi pha Erbium
(EDFA),bộ khuếch đại Raman.. các bộ khuyếch đại Raman khuyếch đại trực tiếp tín
hiệu quang và có nhiều ưu việt so với các bộ lặp. Tín hiệu quang ở đầu phía bên kia của
hệ thống được thu bởi máy thu quang. Vai trò của bộ thu quang là chuyển đổi tín hiệu
quang thành tín hiệu điện và phục hồi các số liệu đã truyền qua hệ thông thông tin
quang. Linh kiện chủ yếu trong bộ thu quang là các photodiode có cấu trúc và vật liệu
chế tạo thích hợp cho băng tần và bước sóng cần thu.
1.1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang
• Dung lượng lớn: Các sợi quang có khả năng truyền những lượng lớn thông
tin. Với công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời 60.000
cuộc đàm thoại. Một cáp sợi quang (có đường kính ngoài 2 cm) có thể chứa được
khoảng 200 sợi quang, sẽ tăng được dung lượng đường truyền lên 6.000.000 cuộc đàm
thoại. So với các phương tiện truyền dẫn bằng dây thông thường, một cáp lớn gồm
nhiều đôi dây có thể truyền được 500 cuộc đàm thoại. Một cáp đồng trục có khả năng
với 10.000 cuộc đàm thoại và một tuyến viba hay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc
gọi đồng thời.
• Kích thước và trọng lượng nhỏ: So với một cáp đông có cùng dung lượng,
cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn nhiều. Do đó dễ lắp đặt
hơn, đặc biệt ở những vị trí có sẵn dành cho cáp.
• Không bị nhiễu điện: Truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi
nhiễu điện từ (EMI) hay nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và nó không tạo ra bất kỳ sự nhiễu
nội tại nào. Sợi quang có thể cung cấp một đường truyền “sạch” ở những môi trường

khắc nghiệt nhất. Các công ty điện lực sử dụng cáp quang, dọc theo các đường dây điện
cao thế để cung cấp đường thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp. Cáp sợi quang cũng
không bị xuyên âm. Thậm chí dù ánh sáng bị bức xạ ra từ một sợi quang thì nó không
thể thâm nhập vào sợi quang khác được.
• Tính cách điện: Sợi quang là một vật cách điện. Sợi thủy tinh này loại bỏ nhu
cầu về các dòng điện cho đường thông tin. Cáp sợi quang làm bằng chất điện môi thích
hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cho phép cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng
dụng. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy vòng dưới đất hay
những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như
sét hay những trục trặc về điện. Đây thực sự là một phương tiện an toàn thường được
dùng ở nơi cần cách điện.
• Tính bảo mật: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao. Một sợi quang
không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường như sự
dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thông tin ở dạng tín
hiệu quang. Các tia sáng truyền lan ở tâm sợi quang và rất ít hoặc không có tia nào thoát
khỏi sợi quang đó. Thậm chí nếu đã trích vào sợi quang được rồi thì nó có thể bị phát
hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu được tại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu thông
tin vệ tinh và viba có thể dễ dàng thu để giải mã được.
10
• Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: Sợi quang là một phương tiện truyền dẫn
đồng nhất và không gây ra hiện tượng pha-đinh. Những tuyến cáp quang được thiết kế
thích hợp có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt và
thậm chí có thể hoạt động ở dưới nước. Sợi quang có thời gian hoạt động lâu, khoảng 20
– 30 năm. Yêu cầu về bảo dưỡng đối với một hệ thống cáp quang là ít hơn so với yêu
cầu của một hệ thống thông thường do cần ít bộ lặp điện hơn trong một tuyến thông tin.
• Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các
dạng thông tin số liệu, thoại và video. Các hệ thống này đều có thể tương thích với các
chuẩn RS.232, RS422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu
E/M, video tổng hợp và còn nhiều nữa.
• Tính mở rộng: Các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp có thể dễ dàng

được mở rộng khi cần thiết. Một hệ thống dùng cho tốc độ số liệu thấp, ví dụ T1 (I 544
Mb/s) có thể được nâng cấp trở thành một hệ thống tốc độ số liệu cao hơn, OC-12 (622
Mb/s), bằng cách thay đổi các thiết bị điện tử. Hệ thống cáp sợi quang có thế vẫn được
giữ nguyên như cũ.
• Sự tái tạo tín hiệu: Công nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đường
truyền thông bằng cáp quang dài trên 70 km trước khi cần tái tạo tín hiệu, khoảng cách
này còn có thể tăng lên tới 150 km nhờ sử dụng các bộ khuếch đại laze. Trong tương lai,
công nghệ có thể mở rộng khoảng cách này lên tới 200 km và có thể 1000 km. Chi phí
tiết kiệm được do sử dụng ít các bộ lắp trung gian và việc bảo dưỡng chúng có thể là
khá lớn. Ngược lại, các hệ thống cáp điện thông thường cứ vài km có thể đã cần có một
bộ lặp.
Suy hao thấp: sự phát triển của sợi quang qua nhiều năm đã đạt đươck kết quả
trong việc chế tạo sợi quang có độ suy hao rất thấp. Sợi quang được chế tạo với độ suy
hao 0.2dB/km và đặc tính này trở thành lợi thế chính của thông tin quang. Điều này
thuận lợi cho việc đặt bộ khuyếch đại cho mỗi khoảng cách trên đường truyền mà không
cần chuyển sang tín hiệu điện ở bước trung gian, do đó giảm được giá thành và cả độ
phức tạp của hệ thống.
1.2 Tổng quan về khuyếch 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 khuyếch 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 khuyếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch
khuyếch 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 khuyếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện.
11

Hình 1.2. Bộ 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:
- Khuyếch 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 khuyếch 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.
- Khuyếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi
quang.
Việc nghiên cứu khuyếch đại quang ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng
rãi. Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuyếch đại quang, và trong thời gian qua các
nghiên cứu thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính:
- Khuyếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier)
- Khuyếch 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 (ROA) được
đặc biệt quan tâm trên thế giới.
1.2.1 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.
12
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 1.3. 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 nhauE
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 ký
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.
13
1.2.2 Ứng dụng của khuyếch đại quang

Hình 1.4. Các ứng dụng khuếch đại
a) Khuếch đại công suất(Booster Amplifier)
b) Khuếch đại trên tuyến (in-line amplifỉer)
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 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
14
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 khuyếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã bị suy hao trong
tuyến truyền dẫn. Do khuyếch 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 khuyếch đại quang
vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra.
Sử dụng khuyếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM
có ý nghĩa công nghệ quan trọng vì khuyếch đại quang có thể khuyếch đại tất cả các
bước sóng tới trong băng tần khuyếch đại.
1.2.3 Các thông số chính của sợi quang
1.2.3.1 Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại
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:
(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.
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 khuyếch đại. Nó đặc trưng
cho khả năng khuyếch đại công suất ánh sáng của bộ khuyếch đại. Tuy nhiên, hệ số
15
khuếch đại của một bộ khuyếch 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 khuyếch 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)
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 1.5. Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi

1.2.3.2Băng 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:
16
(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.
1.2.3.3 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.
Hình 1.6. Sự phụ thuộc của công suất ra (theo P
s
) theo G(theo G
0
)

Công suất ngõ ra bão hoà (Saturation Output Power)

17
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
khuyếch 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 khuyếch đại quang cho biết công suất ngõ
ra lớn nhất mà bộ khuyếch đại đó có thể hoạt động được. Thông thường, một bộ
khuyếch 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:
= (1.11)
1.2.3.4 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, 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 tưọng nhiễu 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 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,và giá trị nhỏ nhất có thể
đạt được là 3dB. Tại giá trị này,chúng ta gọi là giá trị lượng tử.
18
1.3 Phân loại khuếch đại quang
Trong một bộ khuếch đại quang ,quá trình khuếch dại 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. Tuỳ 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 ký thuật so với SOA. Ta sẽ chủ yếu tập trung nghiên cứu vào EDFA ở phần tới.
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 tượng tán xạ Raman kích thích SRS)
hơn là hiện tượng phát xạ kích thích.
1.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn.
Hình 1.7. Sơ đồ khối một SOA
Khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) là hệ khuếch
đại tín hiệu quang với môi trường khuếch đại sử dụng vật liệu bán dẫn. Hệ khuếch đại
này có cấu trúc tương tự như những diode laser Fabry-Perot, nhưng được trang bị thêm
các lớp chống phản xạ ở hai gương của môi trường khuếch đại (hệ số phản xạ nhỏ hơn
0.001%) để tránh cộng hưởng tạo nên hiệu ứng laser.
Hoạt động của SOA dựa vào nguyên lý khuếch đại sóng chạy (traveling-wave)

trong vùng điện tích không gian nằm giữa 2 vùng bán dẫn loại p và loại n. Khi có dòng
điện bơm cho SOA, các điện tử sẽ được bơm vào vùng dẫn (bán dẫn loại n) và lỗ trống
19