TÁN XẠ RAMAN CÓ KÍCH THÍCH CHƯƠNG 2_1 pptx

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI:
TÁN XẠ RAMAN CÓ KÍCH THÍCH

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH
ĐẠI TÍN HIỆU QUANG
2.1 Sự cần thiết phải khuyếch đại quang
Như đã thấy ở chương 1, khoảng cách truyền dẫn của bất kỳ hệ thống thông tin
quang sợi nào đều bị giới hạn bởi suy hao. Đối với các hệ thống cự ly dài, có thể
khắc phục suy hao này bằng cách sử dụng các bộ lặp quang điện.
Trong các bộ lặp điện này tín hiệu quang trước hết được chuyển đổi thành tín
hiệu điện, tái tạo và chuyển lại thành tín hiệu quang.

Hình 0.1- Bộ lặp điện.
Nhược điểm của bộ lặp điện
Các bộ lặp điện như trên rất phức tạp về thành phần cũng như hoạt động, chúng
bị hạn chế bởi khả năng của các thiết bị điện tử. Việc giám sát các bộ lặp điện này
cũng rất phức tạp. Các bộ lặp điện chỉ phù hợp cho các hệ thống đơn kênh tốc độ
thấp. Đối với các hệ thống ghép kênh WDM thì các bộ lặp điện không đáp ứng
được các yêu cầu của hệ thống vì nó quá phức tạp. Mỗi bộ lặp chỉ đáp ứng được
cho một kênh bước sóng, do đó phải thực hiện tách các kênh quang trước khi thực
hiện lặp điện và sau khi lặp từng kênh phải sử dụng bộ ghép kênh quang để ghép
các kênh lại với nhau. Hơn nữa hoạt động của các bộ lặp điện phụ thuộc vào dạng
điều chế của tín hiệu, phải tái tạo lại tín hiệu điện bằng phương pháp giải điều chế
tương ứng. Vì vậy việc nâng cấp hệ thống sử dụng bộ lặp điện rất phức tạp.
Ngược lại, trong các hệ thống sử dụng khuyếch đại quang, các bộ khuyếch đại
quang không bị giới hạn bởi các thiết bị điện tử vì bộ khuyếch đại quang khuyếch
đại trực tiếp tín hiệu quang, không qua bất kỳ một giai đoạn chuyển đổi quang điện
nào. Khuyếch đại quang không phụ thuộc vào dạng tín hiệu và dạng điều chế do nó
chỉ tác động vào thành phần biên độ chứ không tác động vào thành phần thời gian

và dạng tín hiệu. Khi thay đổi phương pháp điều chế thì hệ thống không cần thay
đổi các bộ khuyếch đại. Do đó khuyếch đại quang tạo điều kiện dễ dàng nâng cấp
hệ thống. Ngoài ra, khuyếch đại quang có thể cho phép khuyếch đại đồng thời các
kênh quang trong toàn bộ dải tần. Do đó khi thêm một kênh quang nếu như bước
sóng mới nằm trong dải khuyếch đại bằng phẳng của bộ khuyếch đại quang thì
không cần thiết thay đổi bộ khuyếch đại quang.
Năm 1996, bộ khuyếch đại quang đầu tiên được sử dụng trong hệ thống cáp
quang TAT 12,13 do AT&T và các đối tác lắp đặt. Hệ thống thông tin này với việc
sử dụng khuyếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA đã tăng dung lượng của hệ
thống lên gấp 10 lần. Tuyến TAT-12 có tổng chiều dài là 5900 km với khoảng
cách giữa các bộ khuyếch đại quang là 33 km. Có thể nói khuyếch đại quang là
chìa khoá cho sự phát triển của các mạng quang dung lượng lớn và cự ly xa.
2.2 Những khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang.
2.2.1 Phổ khuyếch đại và băng tần bộ khuyếch đại
Hầu hết các bộ khuyếch đại quang đều thông qua hiệu ứng phát xạ kích thích.
Khuyếch đại đạt được khi bộ khuyếch đại được bơm quang hay bơm điện để thoả
mãn điều kiện đảo lộn mật độ. Nhìn chung khuyếch đại quang không chỉ phụ thuộc
vào tần số (hoặc bước sóng) của tín hiệu tới mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm
ở các điểm bên trong sợi tức là phụ thuộc cả vào môi trường khuyếch đại. Để đơn
giản giả sử môi trường khuyếch đại là đồng nhất. Khi đó hệ số khuyếch đại có thể
được tính theo công thức:
(0.1)
Trong đó g là giá trị đỉnh của khuyếch đại, là tần số của tín hiệu quang tới,
là tần số dao động của nguyên tử, là công suất của tín hiệu được khuyếch đại,
là công suất bão hoà. Công suất bão hoà phụ thuộc vào các tham số của môi
trường khuyếch đại. Hệ số trong phương trình (2.1) được gọi là thời gian hồi
phục phân cực, thường nhỏ hơn 1 ps [2]. Phương trình (2.1) có thể dùng để mô tả
các đặc tính quan trọng của bộ khuyếch đại như là băng tần khuyếch đại, hệ số
khuyếch đại và công suất đầu ra bão hoà.
Ở chế độ chưa bão hoà trong đó , bằng cách bỏ qua đại lượng

trong phương trình (2.1) hệ số khuyếch đại trở thành:
(0.2)
s
PPT
g
g
/)(1
)(
2
2
2
0
0




0

0

P
s
P
s
P
2
T
1/ 
s

PP
s
PP/
2
2
2
0
0
)(1
)(
T
g
g




Phương trình này chỉ ra rằng khuyếch đại đạt được lớn nhất khi mà tần số
trùng với tần số dao động nguyên tử . Sự suy giảm khuyếch đại có thể xem xét
trong điều kiện Lorentzian áp dụng cho các hệ thống hai mức đồng nhất. Trong
thực tế phổ khuyếch đại có thể khác xa điều kiện Lorentzian. Băng tần khuyếch đại
được định nghĩa là hoặc:
(0.3)
Ví dụ THz đối với bộ khuyếch đại quang bán dẫn khi fs. Các bộ
khuyếch đại quang với băng tần rộng được sử dụng trong các hệ thống WDM do
chúng có hệ số khuyếch đại tương đối bằng phẳng trên một dải tần rộng.
Nếu gọi và lần lượt là công suất quang vào và sau khuyếch đại thì tăng
ích của bộ khuyếch đại định nghĩa theo công thức:
(0.4)
Từ phương trình

(0.5)
Với là công suất quang ở khoảng cách z tính từ đầu vào. Với ta
có
(0.6)
Chú ý rằng và sử dụng phương trình (2.4) ta suy ra tăng ích quang
của bộ khuyếch đại có độ dài L là:
(0.7)

0

2
/2 T
g


2
1
2 T
v
g
g





5~
g
v
60~

2
T
in
P
out
P
in
out
P
P
G 
gP
dz
dP

)(zP


in
PP 0
)exp()( gzPzP
in

out
PLP )(


LgG )(exp)(



Cả và đều có thể được dùng để đặc trưng cho bộ khuyếch đại và đều
đạt giá trị lớn nhất khi và đều giảm khi hiệu tăng. Tuy nhiên
giảm nhanh hơn so với . Điều này có thể thấy rõ trên hình 0.2, đây là đồ thị
biểu diễn sự phụ thuộc của và vào .

Hình 0.2- Hệ số khuyếch đại chuẩn hoá của bộ khuyếch đại quang.
2.2.2 Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang.
Tất cả các bộ khuyếch đại đều làm giảm SNR (Signal-to-Noise ratio) của tín
hiệu được khuyếch đại do hiện tuợng phát xạ tự phát cộng thêm nhiễu trong quá
trình khuyếch đại. Tương tự như các bộ khuyếch đại điện sự suy giảm của SNR
được biểu thị qua tham số được gọi là hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại (Amplifier
noise figure) được định nghĩa là:
. (0.8)
phụ thuộc vào các tham số của bộ thu quang. Trong trường hợp bộ thu
quang là lý tưởng tức là hiệu năng của bộ thu quang chỉ phụ thuộc vào nhiễu nổ.
)(

G )(

g
0


0

 )(

G
)(


g
0
/ gg
0
/GG
20
)( T


n
F
out
in
n
SNR
SNR
F 
n
F
(0.9)
Với là giá trị trung bình của dòng điện, là độ nhạy của bộ thu
quang. là phương sai của nhiễu nổ và được xác định theo công thức:
(0.10)
là băng tần của bộ thu quang. Để xác định SNR của tín hiệu sau khuyếch đại
ta cần phải tính thêm ảnh hưởng của hiện tượng tán xạ tự phát vào biểu thức của
SNR.
Ta có thể coi mật độ phổ của nhiễu nổ là không đổi (nhiễu trắng) và được biểu
diễn theo công thức:
(0.11)
Trong đó là tần số quang, tham số được gọi là hệ số phát xạ tự phát và

được tính theo công thức:
(0.12)
Trong đó và là mật độ nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích
thích. Hiệu ứng phát xạ tự phát gây ra hiện tượng thăng giáng của tín hiệu sau
khuyếch đại dẫn đến sự thăng giáng của cường độ dòng điện sau bộ thu quang.
Dòng điện đầu ra của bộ thu quang:
(0.13)
Chú ý rằng và dao động với tần số khác nhau và có hiệu pha thay đổi một
cách ngẫu nhiên. Dòng nhiễu gây ra do hiện tượng phát xạ tự phát được tính theo
công thức :
fhv
P
fRPq
RP
I
SNR
in
in
in
s
in




2)(2
)(
)(
2
2

2

in
RPI 
hv
q
R 
2
s

fRPq
ins
 )(2
2

f

hvnGvS
spsp
)1()( 
v
sp
n
12
2
NN
N
n
sp



1
N
2
N
spin
EEGRI 
2
in
E
sp
E
(0.14)
Với là pha thay đổi ngẫu nhiên. Phương sai của dòng điện đầu ra bộ thu
quang:
(0.15)
SNR đầu ra của bộ thu quang là:
(0.16)
Hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại:
(0.17)
Phương trình (2.17) chỉ ra rằng SNR của tín hiệu sau khuyếch đại sẽ giảm 3
ngay cả khi bộ khuyếch đại là lý tưởng có . Đối với hầu hết các bộ khuyếch
đại trong thực tế có giá trị . Đối với các bộ khuyếch đại quang thì càng
nhỏ càng tốt.
2.2.3 Các ứng dụng khuyếch đại
Các bộ khuyếch đại có rất nhiều ứng dụng trong hệ thống thông tin quang, ba
ứng dụng phổ biến nhất được chỉ ra trên hình 0.3.

cos)(2
2/1

spin
EGPRI 

fRSRGP
spin
 ))((4
2

fS
GPRGP
I
SNR
sp
inin
out


4
)(
2
2
2
2

spspn
nGGnF 2/)1(2 
dB
1
sp
n

n
F 86

dB
n
F

Tx:Phía phát Rx:Phía thu.
Hình 0.3- Các ứng dụng của bộ khuyếch đại quang: (a) Khuyếch đại quang sợi;
(b) Khuyếch đại công suất; (c) Bộ tiền khuyếch đại.
Đối với các hệ thống thông tin quang đường dài, các bộ khuyếch đại quang nằm
ngay bên trong sợi quang được sử dụng thay cho các bộ lặp điện. Số lượng các bộ
khuyếch đại quang sử dụng trên hệ thống có thể tăng chừng nào mà hiệu năng của
hệ thống không bị giới hạn bởi các hiệu ứng tích luỹ như tán sắc, các hiệu ứng phi
tuyến và nhiễu khuyếch đại. Đối với các hệ thống ghép kênh theo bước sóng
(WDM) thì các bộ khuyếch đại quang giữ vai trò rất quan trọng vì tất cả các kênh
sẽ được khuyếch đại đồng thời.
Ngoài ra có thể sử dụng bộ khuyếch đại quang đặt ngay sau nguồn phát quang
để tăng công suất phát. Những bộ khuyếch đại quang như vậy được gọi là bộ
khuyếch đại công suất (power booster). Một bộ khuyếch đại quang có thể tăng
khoảng cách truyền dẫn lên 100 km hoặc hơn tuỳ thuộc vào hệ số khuyếch đại và
suy hao sợi. Cũng có thể tăng khoảng cách truyền dẫn bằng cách đặt một bộ
khuyếch đại quang ngay trước bộ thu quang để khuyếch đại công suất thu. Những
bộ khuyếch đại như vậy được gọi là bộ tiền khuyếch đại và thường được sử dụng
để tăng độ nhạy thu. Các bộ khuyếch đại quang còn được ứng dụng rất rộng rãi
trong hệ thống ghép bước sóng WDM.
2.3 Bộ khuyếch đại quang Raman
2.3.1 Nguyên lý bơm
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 và
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 cho quá trình tán xạ kích thích.

Hình 0.4- Nguyên lý bơm thuận và bơm ngược.
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
p

s

Nd:YAG 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 hoặc sử dụng nhiều sóng bơm để mở rộng và làm bằng phẳng phổ khuyếch
đại Raman.
1


2

4

3


Hình 0.5- Khuyếch đại Raman sử dụng nhiều ánh sáng bơm.
2.3.2 Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman
Phổ khuyếch đại Raman đã được trình bày ở Error! Reference source not
found Hệ số khuyếch đại Raman liên quan đến hệ số khuyếch đại quang g(z)
R
g
theo công thức: trong đó là cường độ bơm. Nếu gọi là công suất
bơm, hệ số khuyếch đại có thể tính theo công thức:
(0.18)

Hình 0.6 Hiệu suất khuyếch đại Raman ( ) cho các
loại sợi quang khác nhau.
Vì có thể thay đổi đáng kể đối với nhiều loại sợi khác nhau, tỉ lệ
xác định hiệu suất khuyếch đại Raman. Tỉ lệ này được biểu thị trên hình 0.6 cho ba
loại sợi khác nhau. 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. Ví dụ nếu = ở đỉnh khuyếch
đại, bước sóng bơm 1.55 và , đòi hỏi công suất bơm là 5W đối với
sợi dài 1 km. Công suất bơm yêu cầu có thể nhỏ hơn nếu như sợi quang dài hơn.

)()( zIgzg
pR

p
I
p
P
)/)(()(
effpR
APgg


effR
Ag /
eff
A
effR
Ag /
R
g )/(106
14
Wm


m

2
50 mA
eff



2.3.3 Tăng ích 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. Như
chương 1 đã trình bày, sự biến đổi của công suất bơm và công suất tín hiệu dọc
theo sợi được tính toán băng cách giải hệ phương trình:
(0.19)

(0.20)
trong đó và là hệ số suy hao của sóng bơm và tín hiệu. Đại lượng ( )
thể hiện sự khác nhau về năng lượng của photon bơm và photon tín hiệu và sẽ
không xuất hiện nếu phương trình được viết dưới dạng số lượng photon.
Ta xem xét trong trường hợp khuyếch đại tín hiệu nhỏ, khi đó có thể bỏ qua sự
suy giảm của xung bơm. Tương tự như ở chương 1 ta xác định được công suất tín
hiệu ở đầu ra của sợi có chiều dài L:
(0.21)
Trong là công suất bơm đầu vào còn là chiều dài hiệu dụng của
sợi.
= (0.22)
Vì nên trong trường hợp không có khuyếch đại Raman thì
hệ số tăng ích quang được xác định theo công thức:
= (0.23)
Trong đó:
speffRsss
PPAgPdzdP )/(/ 

pseffRspppp
PPAgPdzdP )/)(/(/



p

s

sp

/
)/exp().0()(
0
LALPgPLP
seffeffRss


)0(
0 p
PP 
eff
L
eff
L
p
p
L


)exp(1


)exp()0()( LPLP
sss



)exp()0(
)(
LP
LP
G
ss
s
A



)exp(
0
Lg
(0.24)
Hệ số tăng ích quang G sẽ không phụ thuộc vào chiều dài sợi nếu như đủ
lớn. Hình 2.7 thể hiện sự phụ thuộc của vào 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
. Ban đầu hệ số tăng ích quang sẽ tăng theo hàm mũ khi tăng nhưng đến
khi > 1W thì điều này không đúng nữa do tính chất bão hoà khuyếch đại.
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
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.

Hình 0.7- Sự thay đổi của hệ số khuyếch đại Go theo công suất Po


















L
L
A
P
gg
eff
eff
RO
0
LA
Pg
peff
R


0

A
L
p

A
G
0
P
m

A
G
0
P
0
P
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
m
p



017.1

m
s

064.1
trong bộ khuyếch đại Raman 1.3 km với ba giá trị
khác nhau của công suất đầu vào.
Ta có thể tính toán gần đúng giá trị bão hoà này bằng cách cho trong
phương trình 2.19 và 2.20 . Kết quả được cho bởi phương trình 2.25.
, (0.25)
Hình 2.8 chỉ ra đặc tính bão hoà bằng cách vẽ đồ thị là hàm của với
các giá trị khác nhau của

[2].
Hệ số tăng ích giảm 3dB khi mà . Điều kiện này thoả mãn khi công suất
của tín hiện sau khuyếch đại gần bằng công suất bơm đầu vào . Vì thông thường
~ 1W nên hệ số khuyếch đại lớn hơn nhiều so với bộ khuyếch đại quang bán dẫn
SOA. Nhìn chung, công suất của một kênh trong hệ thống WDM khoảng 1mW,
nên bộ khuyếch đại Raman làm việc ở chế độ chưa bão hoà hay chế độ phi tuyến.
Khi đó phương trình (2.24) được sử dụng thay thế phương trình (2.25).

Hình 0.8- Đặc tính bão hoà của bộ khuyếch đại Raman.
sp


)1(
0

0
0
1
r
A
s
Gr
r
G




)0(
)0(
0
ps
sp
P
P
r



As
GG /
0
rG
A
A

G
0
rG
A
1

0
P
0
P
Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang Raman bắt nguồn từ hiệu ứng tán xạ Raman
tự phát. Để tính thêm yếu tố này, trong phương trình (2.19) ta có thể thay trong
số hạng cuối bằng trong đó là tổng công suất tán xạ Raman
tự phát trên toàn bộ băng tần . Hệ số 2 là biểu thị các hướng phân cực. Hệ số
tính theo công thức:
= trong đó là năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng.
Nhìn chung trong các bộ khuyếch đại Raman nhiễu cộng thêm vào khá nhỏ. [2]

s
P
sps
PP 
Rsspsp
vhvnP  2
R
v
sp
n
sp
n



1
)/exp(1

 Tk
Bs

Tk
B