Nghiên cứu về khuếch đại raman và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang

Nguyễn Đức Tuyến
LỜI NÓI ĐẦU
Mặc dù tán xạ không đàn hồi của phần tử ánh sáng, một hiện tượng
được biết như tán xạ Raman, được tìm ra bởi C.V. Raman trong năm
1928, nhưng hiện tượng phi tuyến của tán xạ Raman kích thích không
được chứng minh cho đến năm 1962. Không lâu sau đó, sợi quang silica
suy hao thấp được sử dụng trong năm 1970, Roger Stolen và những
người đồng nghiệp sử dụng tán xạ Raman kích thích trong nhiều sợi
quang không chỉ cho khuếch đại của tín hiệu quang mà còn cho cấu tạo
laser Raman sợi cơ sở. Khả năng của bộ khuếch đại Raman cho bù suy
hao sợi quang trong hệ thống sóng ánh sáng được chứng minh trong
những năm 1980 trong một vài thí nghiệm được làm bởi Linn Mollenauer
và đồng nghiệp của ông. Tuy nhiên, những thí nghiệm này không phù
hợp cho sự phát triển bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin
quang thương mại. Tiếp theo bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium có
bơm sử dụng laser bán dẫn có tính thực tiễn hơn nên khuếch đại Raman
đã bị bỏ qua suốt nhưng năm 1990.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu laser bơm thích ứng cho khuếch đại
Raman vẫn được tiến hành. Một vài công nghệ tiên tiến được tìm ra trong
những năm 1990 giúp cho việc sản xuất ra laser bán dẫn đơn mode ngang
có khả năng phát mức công suất vượt quá 0,2 W. Người ta cũng nhận
thấy rằng một vài laser bơm có thể sử dụng tương thích tại bước sóng
i
Nguyễn Đức Tuyến
khác nhau và cung cấp độ khuếch đại Raman qua một băng tần rộng bao
gồm cả băng truyền dẫn C và L. Hơn nữa, người ta cũng chế tạo ra bộ
khuếch đại Raman phân bố có độ khuếch đại trên 10 km có nhiễu nhỏ
hơn so với bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium có độ khuếch đại trên 10
mét. Khi laser bán dẫn công suất lớn có giá trị về thương mại vào cuối thế
kỷ 20, bộ khuếch đại Raman đã được sử dụng trong một số thí nghiệm và
thấy rằng nó cải thiện hiệu năng của hệ thống WDM. Tới năm 2003, việc

sử dụng bộ khuếch đại Raman đã khá phổ biến cho hệ thống tầm xa được
thiết kế để hoạt động qua hàng ngàn kilomet. 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 của khuếch đại Raman trong hệ
thống thông tin quang, nên em chọn đề tài “ Khuếch đại Raman trong hệ
thống thông tin quang” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp.
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về khuếch đại quang:
nguyên lý khuếch đại quang và một số tham số khuếch đại
quang.
ii
Nguyễn Đức Tuyến
 Chương 2: Trình bày về khuếch đại Raman: tán xạ Raman,
ưu nhược điểm của khuếch đại Raman, nguyên lý khuếch đại
Raman, bơm và phương trình tín hiệu, nhiễu trong khuếch
đại Raman, phân loại các bộ khuếch đại Raman.
 Chương 3: Trình bày ứng dụng của bộ khuếch đại Raman.
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do khuếch đại Raman là một vấn
đề khó nên nội dung đồ án khó tránh khỏi các thiếu sót. Rất mong nhận
được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy, cô giáo, các bạn sinh viên để đồ án
này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn cô giáo, ThS. Nguyễn Thị Thu Nga đã
nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.
Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn thông tin quang,
khoa viễn thông đã dạy dỗ, dìu dắt em trong suốt 5 năm học vừa qua.
Xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, giúp đỡ

trong suốt thời gian qua.

iii
Đồ án tốt nghiệp
Mục lục
MỤC LỤC
1.2. Nguyên lý bộ khuếch đại quang 2
1.3.Phân loại khuếch đại quang 4
1.4. Hệ số độ lợi 5
1.5. Băng thông độ lợi 7
1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà 9
1.7. Hệ số nhiễu 10
1.8. Ứng dụng bộ khuếch đại quang 11
Kết luận chương I 12
CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 10
2.1.Tán xạ Raman 10
2.1.1.Ánh sáng 10
2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường 10
2.1.3.Sợi quang 13
2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 14
2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang 19
2.1.6.Tán xạ ánh sáng 22
2.1.7.Tán xạ Raman 25
2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 34
2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 65
2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman
Amplifier) 68
2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier)
72
2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 73

3.1.Ứng dụng trong hệ thống WDM 53
iv
Đồ án tốt nghiệp
Mục lục
DANH MỤC HÌNH VẼ
1.2. Nguyên lý bộ khuếch đại quang 2
1.3.Phân loại khuếch đại quang 4
1.4. Hệ số độ lợi 5
1.5. Băng thông độ lợi 7
1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà 9
1.7. Hệ số nhiễu 10
1.8. Ứng dụng bộ khuếch đại quang 11
Kết luận chương I 12
CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 10
2.1.Tán xạ Raman 10
2.1.1.Ánh sáng 10
2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường 10
2.1.3.Sợi quang 13
2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 14
2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang 19
2.1.6.Tán xạ ánh sáng 22
2.1.7.Tán xạ Raman 25
2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 34
2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 65
v
Đồ án tốt nghiệp
Mục lục
2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman
Amplifier) 68
2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier)

72
2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 73
3.1.Ứng dụng trong hệ thống WDM 53
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu tự phát
CW Continuous Wave Sóng liên tục
DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc
DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman
phân bố
DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Raman kép
DWDM Dense Wavelength Division
Multiplexing
Ghép phân chia theo
bước sóng dày đặc
EDFA Erbium Droped Fiber Amplifer Khuếch đại quang sợi
pha Erbium
FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng
LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman
vi
Đồ án tốt nghiệp
Mục lục
tập trung
NF Noise Figure Hệ số nhiễu
NZDF Nonzero Dispersion Fiber Sợi quang tán sắc khác
không
OFA Optical Fiber Amplifer Bộ khuếch đại sợi
quang
OSA Optical Spectrum Analyzer Bộ phân tích phổ quang
OSC Optical Service Channel Kênh dịch vụ quang

SBS Stimulated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích
thích
SLA Superlarge Area Miền siêu rộng
SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín trên tạp
SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang
bán dẫn
SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha
SRS Stimulated Raman Scattering Hiện tượng tán xạ
Raman kích thích
WDM Wavelength Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia
theo bước sóng
XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo
ZDW Zero Dispersion Wave Bước sóng tán sắc
không
vii
Đồ án tốt nghiệp
Mục lục
viii
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
1.1.Giới thiệu chung
Đối với tín hiệu quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn, sự suy
giảm tín hiệu là không thể tránh khỏi. Do vậy, trên một đường truyền dẫn
thông tin, tất yếu phải có bộ lặp nhằm khôi phục tín hiệu quang, khôi
phục lại dạng xung, khôi phục lại biên độ Trong hệ thống thông tin cũ,
các bộ lặp thường được thực hiện trên điện. Tín hiệu quang được truyền

qua một bộ chuyển đổi O/E, sau khi khuếch đại, nó lại qua bộ E/O để
thực hiện truyền dữ liệu tiếp đến đích.
Hình 1.1:Bộ lặp quang điện
Các hệ thống hiện nay (WDM – Wavelength Division
Multiplexing), số lượng bước sóng là rất nhiều. Nếu sử dụng bộ lặp như
hiện nay, tức là khuếch đại tín hiệu trên tín hiệu điện, thì sẽ phải cần rất
nhiều các bộ lặp khác nhau, mỗi bộ lặp thực hiện khuếch đại một bước
sóng. Điều này sẽ làm cho chi phí tăng lên rất nhiều lần, mà hiệu quả
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
không cao. Để giải quyết chúng ta đặt ra vấn đề phải thực hiện khuếch đại
ngay trên tín hiệu quang.
Điều này sẽ dẫn tới có một số ưu điểm sau (so với trạm lặp):
+) Không cần chuyển đổi E/O và O/E, nên mạch linh động hơn, đỡ cồng
kềnh.
+) Có thể khuếch đại cùng lúc nhiều bước sóng.
+) Không phụ thuộc vào phương thức điều chế và tốc độ bit.
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 1.2.
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
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
= 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 kỳ 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.
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
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 lợi 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 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 kỹ thuật so với SOA.
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

Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
thượng tán xạ Raman được kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ
kích thích.
1.4. Hệ số độ lợi
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:
s
PPT
g
g
/)(1
)(
2
2
2
0
0
+−+
=
ωω
ω
(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 để 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 độ chưa bão hoà, coi P/P
s
<< 1, khi đó phương trình 1.1 trở
thành:
2
2
2
0
0
)(1
)(
T
g
g
ωω
ω

−+
=
(1.2)
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
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:
in
out
P
P
G =
(1.3)
Mặt khác, ta lại có công thức sau:
gP
dz
dP
=
(1.4)
Suy ra:

)exp()( gzPzP
in
=
(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:
Lg
in
L
in
out
e
P
P
P
P
G
)(
)(
ω
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:
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
Hình 1.3: Mối tương quan hệ số khuếch đại
1.5. Băng thông độ lợi
Băng tần độ lợi được định nghĩa là
2g
T/2=ω∆
hay là:
2
1
2 T
v
g
g
ππ
ω
=
∆
=∆
(1.7)
Như vậy, nếu ∆v
g
~ 5THz 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 ∆v
A
được định nghĩa là một FWHM, và liên quan tới
∆v
g
theo công thức sau:

2/1
0
)2/ln(
2ln






∆=∆
G
vv
gA
(1.8)
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
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.
1.6. Công suất ngõ ra bão hoà
1.6.1. 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:
s
PP
Pg
dz
dP
/1
0
+
=
(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:
)
1
exp(
0
s
out
P
P
G
G
GG
−
−=
(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.
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
Hình 1.4: Sự phụ thuộc của công suất ra (theo P

s
) theo độ lợi G (theo G
0
)
1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà
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
s
out
P
. 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:
s
s
out
P
G
G
P
2
2ln
0
0
−
=
(1.11)
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại

quang
1.7. 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 tượng
nhiễu bức 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 trên tạp tại đầu ra và đầu vào:
out
in
SNR
SNR
NF =
Hay NF = SNR
in
(dB) – SNR
out
(dB) (1.13)

Người ta cũng chứng minh được rằng, giá trị hằng số nhiễu tính cụ thể
theo công thức sau:
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
NF = 2n
sp
(G-1)/G ≈ 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.
1.8. Ứng dụng bộ khuếch đại quang
Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn
quang như bộ làm tăng công suất trên đường truyền, khắc phục suy hao
do sợi quang và các mối hàn nối trên đường truyền. Tuỳ theo vị trí lắp đặt
mà các bộ khuếch đại được chia ra làm 3 loại, như hình vẽ 1.5 phía dưới.
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
Hình 1.5:Các ứng dụng khuếch đại
(a)Khuếch đại đường dây (In-line amplifier)
(b)Khuếch đại công suất (Booster Amplifier)
(c)Bộ tiền khuếch đại (Preamplifier)
Bộ khuếch đại đường dây được thực hiện nhằm làm bù sự mất mát
tín hiệu trên đường dây do hàn nối, do khoảng cách… Yêu cầu của bộ
này là giữ nhiễu ở mức độ thấp, thực hiện việc trao đổi tín hiệu quang với
sợi quang tốt nhất, và ổn định trên toàn bộ dải thông của WDM.
Bộ khuếch đại công suất được đặt ngay bộ phát quang nhằm làm
tăng cực đại nhất tín hiệu truyền, nhằm đường truyền xa nhất có thể. Yêu
cầu của bộ khuếch đại này công suất ngõ ra lớn nhất, không phải là độ
lợi.

Bộ tiền khuếch đại được đặt ngay phía trước bộ thu nhằm khuếch
đại tín hiệu thu được. Điều này làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt độ nhạy
thiết bị thu, và cho phép hệ thống truyền dẫn với tốc độ cao hơn. Yêu cầu
của bộ tiền khuếch đại này là độ nhạy lớn, độ lợi lớn, và nhiễu thấp.
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.
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
Ở chương tiếp theo em sẽ trình bày chi tiếp về bộ khuếch đại
Raman.
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại
Raman
CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN
2.1.Tán xạ Raman
2.1.1.Ánh sáng
Ánh sáng có tính lưỡng tính sóng hạt. Tính chất sóng của ánh sáng
được quan sát thấy qua các hiện tượng giao thoa, tán sắc. Ánh sáng có
bản chất sóng điện từ. Các mode trường điện từ là tập các nghiệm của
phương trình sóng. Tính chất hạt của ánh sáng được thể hiện qua khả
năng đâm xuyên, hiện tượng quang điện, tác dụng ion hoá. Ánh sáng bao
gồm các photon mang năng lượng xác định bằng hf trong đó h là hằng số
Plank còn f là tần số của ánh sáng.
2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường
Một chùm sáng đi từ chân không vào môi trường bị phản xạ một
phần ở mặt ngăn cách. Phần khúc xạ vào môi trường lại bị tán sắc, bị môi
trường hấp thụ và bị tán xạ một phần về mọi phía.
Theo Lorentx ta thừa nhận những giả thiết cơ bản sau đây:
 Phân tử của mọi chất được tạo thành từ ion và electron. Electron có

khối lượng m và mang điện tích nguyên tố
19
10.6,1
−
−=e
C và được
coi như điện tích điểm.
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại
Raman
 Bên trong vật dẫn, electron chuyển động hoàn toàn tự do. Chuyển
động có hướng của electron trong vật dẫn dưới ảnh hưởng của điện
trường tạo nên dòng điện dẫn.
 Trong điện môi, electron không thể chuyển động tự do. Nhưng
cũng không liên kết cố định với ion, mà có thể dịch chuyển một
chút dưới tác dụng của những lực bên ngoài. Ion mang điện tích
âm hoặc dương cũng có thể dịch chuyển dưới tác dụng của điện
trường. Nhưng ion có khối lượng lớn hơn electron nhiều nên di
chuyển chậm. Trong điện trường biến đổi nhanh của sóng ánh sáng
trong miền thấy được, ion hầu như không kịp dịch chuyển. Chỉ khi
nào khảo sát trong miền hồng ngoại ta mới cần kể đến ảnh hưởng
của ion.
Những electron có khả năng dao động cưỡng bức với tần số
ω
của
sóng điện từ trong vùng quang học gọi là electron quang học. Chúng là
các electron lớp ngoài.
Các electron nằm trong lớp sâu, gần hạt nhân nguyên tử, liên hệ
chặt chẽ hơn với hạt nhân. Chúng chỉ có thể dao động với biên độ đáng
kể khi tần số
ω

nằm vào vùng Rơngen.
Lực của dao động cưỡng bức do điện từ trường tác dụng lên
electron được gọi là lực Lorentx và bằng :

eEf =
1
(2.0)
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại
Raman
Mặt khác electron vốn chịu một lực chuẩn đàn hồi, ràng buộc nó
với hạt nhân

rmkrf
2
12
ω
−=−=
(2.0)
Trong đó k là hằng số chuẩn của lực đàn hồi, xác định tần số dao
động riêng của electron theo hệ thức:
mk /
1
=
ω
, r là độ lệch của electron
ra khỏi vị trí cân bằng. Hằng số lực k phụ thuộc vào điện tích hạt nhân
nguyên tử, hoặc cấu trúc phân tử nên
1
ω
là hoàn toàn đặc trưng cho

nguyên tử, phân tử đã cho. Do electron dao động trở thành lưỡng cực dao
động, bức xạ sóng điện từ thứ cấp. Lưỡng cực dao động cũng có thể va
chạm với các phân tử xung quanh, truyền năng lượng dao động cho
chúng. Sự bảo tồn năng lượng dao động vì phát sóng và vì va chạm tương
đương với tác dụng của một lực hãm
,
3
grf −=
(2.0)
g là gia tốc của electron khi dao động, kết quả là phương trình
chuyển động của electron có dạng:
eErgrmrm +
′
−−=
′′
2
1
ω
(2.0)
Đặt
ξ
=mg /
, gọi đó là hệ số tắt dần, ta được phương trình dao
động của electron
mEerrr /.
2
1
=+
′
+

′′
ωξ
(2.0)
Phương trình (2.5) cùng với các giả thuyết của Lorentx là cơ sở
cho việc giải các bài toán tán sắc và hấp thụ ánh sáng.
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại
Raman
2.1.3.Sợi quang
Sợi quang gồm một lõi hình trụ bằng thuỷ tinh có chiết suất
1
n
,
bao quanh lõi là một lớp vỏ phản xạ đồng tâm với lõi. Lớp vỏ có chiết
suất
2
n
(
2
n
<
1
n
).
Sợi quang có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Nếu
phân loại theo sự thay đổi chiết suất của lõi sợi thì sợi quang được chia
thành hai loại. Loại sợi có chiết suất đồng đều ở lõi được gọi là sợi quang
chiết suất bậc. Loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi ra tới
lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ phản xạ được gọi là sợi có chiết suất Gradient
(GI-Graded Index). Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì có loại sợi
quang đa mode và sợi đơn mode. Sợi đa mode cho phép nhiều mode

truyền dẫn trong nó còn sợi đơn mode chỉ cho phép một mode truyền dẫn
trong nó.
(a) (b)
(c)