TÀI LIỆU VỀ Bộ khuyếch đại Raman

Bộ khuyếch đại Raman
Bộ khuyếch đại Raman
Bộ khuyếch đại Raman sử dụng những
Bộ khuyếch đại Raman sử dụng những
tính chất bên trong sợi quang để khuyếch
tính chất bên trong sợi quang để khuyếch
đại tín hiệu.
đại tín hiệu.
Có 2 loại khuyếch đại Raman:
Có 2 loại khuyếch đại Raman:

Khuyếch đại Raman phân phối
Khuyếch đại Raman phân phối
(
(
D
D
istributed
istributed
R
R
aman
aman
A
A
mplifier – DRA)
mplifier – DRA)

Khuyếch đại Raman kết hợp
Khuyếch đại Raman kết hợp

(
(
L
L
umped
umped
R
R
aman
aman
A
A
mplifier – LRA)
mplifier – LRA)
Trong bộ khuyếch đại Raman kết hợp,
người ta sử dụng một sợi quang chuyên
dụng làm từ vật liệu phi tuyến có chiều dài
ngắn và tiết diện nhỏ để cung cấp sự
khuyếch đại.
Tiết diện nhỏ của sợi quang làm gia
tăng sự tương tác giữa sóng bơm và sóng
tín hiệu (sự trộn 3 sóng) và do đó có thể
giảm chiều dài sợi quang cần thiết.
Trong bộ khuyếch đại Raman phân phối, sự khuyếch
Trong bộ khuyếch đại Raman phân phối, sự khuyếch
đại dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (
đại dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (
S
S
timulated

timulated
R
R
aman
aman
S
S
cattering – SRS). Sóng tín hiệu được khuyếch đại
cattering – SRS). Sóng tín hiệu được khuyếch đại
nếu sóng bơm có tần số và công suất thích hợp được đưa
nếu sóng bơm có tần số và công suất thích hợp được đưa
vào trong sợi quang.
vào trong sợi quang.
Sự tắt dần của cường độ tín hiệu khi truyền trong sợi
Sự tắt dần của cường độ tín hiệu khi truyền trong sợi
quang có thể được khắc phục
quang có thể được khắc phục
 Cơ chế của bộ khuyếch đại Raman
phân phối là tán xạ Raman kích thích
(SRS)
Signal
Amplified Signal
 Độ tăng cường Raman
phụ thuộc vào:
 Công suất bơm
 Độ chênh lệch tần số
giữa sóng bơm và sóng tín
hiệu
3 điều kiện sóng bơm:
1. Công suất lớn

2. Phát đồng thời với
sóng tín hiệu
3. ω
P
>> ω
S
Sự khuyếch đại xảy ra
khi photon của sóng
bơm phóng thích năng
lượng của nó để tạo
thành photon mới có
bước sóng bằng bước
sóng của sóng tín hiệu
Signal, ω
S
Pump, ω
P
ω
P
ω
S
Δω
ω
S
ω=ω
S
ω
P
= ω

+ Δω
ω = nω
S
; n є Z
+
Phần năng lượng
dư thừa Δω sẽ
được hấp thụ
bởi các phonon.
Phân tử môi trường có nhiều trạng thái
dao động phía trên trạng thái nền  Có
nhiều chuyển dời khả dĩ thỏa:
ω
P
= ω

+ Δω
ω = nω
S
tùy thuộc vào tần số sóng bơm
Nhận xét:

Độ tăng cường
Raman (Raman
Gain) gần như tăng
tuyến tính theo tần
số sóng bơm khi
tần số sóng bơm
nằm trong khoảng
0 -12 THz


Sau đó độ tăng
cường giảm đột
ngột khi tần số
sóng bơm lớn hơn
12 THz
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của
độ tăng cường Raman theo tần số
sóng bơm đối với sợi quang SiO
2
Biểu thức thể hiện sự thay đổi công suất sóng
bơm và sóng tín hiệu theo khoảng cách z
Pump, ω
P
, P
P
Signal, ω
S
, P
S
z
PPSPR
S
PP
SSSPR
S
PPPg
dz
dP
PPPg

dz
dP
α
ω
ω
α
−−=
−=
(1)
(2)
α
S
,α
P
: độ hao phí
(the fiber loss) của
sóng tín hiệu và sóng bơm
khi truyền trong sợi quang
g
R
: hệ số tăng cường
Raman trong sợi quang
(the Raman gain coefficient)

Dấu trừ thể hiện công suất sóng bơm giảm dần theo khoảng cách
0
L
Nếu chúng ta bỏ qua số hạng thứ nhất bên vế
phải của phương trình (2) (số hạng thể hiện sự
suy giảm của sóng bơm), ta được:

PPSPR
S
PP
SSSPR
S
PPPg
dz
dP
PPPg
dz
dP
α
ω
ω
α
−−=
−=
(1)
(2)
P
P
eff
Seff
eff
RSS
L
L
LL
A
P

gPLP
α
α
α
)exp(1
exp)0()(
0
−−
=








−=
: chiều dài hiệu dụng đối với sóng bơm
A
eff
: tiết diện hiệu
dụng cho sự
tăng cường
Raman
Độ tăng cường Raman (Raman Gain) đối với sóng
tín hiệu:









−=
L
KA
P
LgG
S
eff
effR
α
0
34,4
K: hệ số phân cực (polarization factor)
G tính bằng đơn vị dB (decibel)








−= L
KA
P
LgG

S
eff
effR
α
0
34,4
Bộ khuyếch đại Raman phân phối (Distributed
Raman Amplifier – DRA) được sử dụng rộng rãi
trong các hệ thông tin liên lạc đường dài, đặc biệt
là hệ đa hợp chia bước sóng (Wavelength Division
Multiplexing – WDM)
Trong thực nghiệm, khi đưa sóng bơm và sóng
tín hiệu vào sợi quang, thường có 2 cách bố trí:
Bơm ngược hướng
Bơm đồng hướng
Bơm ngược hướng được sử dụng phổ biến hơn độ nhiễu
của sóng tín hiệu nhỏ.
Hệ đa hợp chia bước sóng (WDM) là hệ
khuyếch đại đồng thời nhiều sóng tín hiệu có tần số
khác nhau (gọi là tín hiệu đa kênh (multi – channel),
mỗi kênh phát ra một sóng tín hiệu tần số nhất
định).
Sự khuyếch đại Raman xảy ra bên trong sợi
quang sẽ bù vào sự hao phí của tín hiệu trong
quá trình truyền sóng
Tín hiệu có thể truyền đi trên một khoảng cách
lớn mà vẫn đảm bảo cường độ
Máy phát quang học (Optical Transmitter): phát các tín hiệu đa kênh
Bộ đa hợp quang (Optical Multiplexer): tổng hợp các tín hiệu đa kênh để
đưa vào sợi quang

Sợi truyền quang (Transmision Fiber): truyền tín hiệu
Bộ khuyếch đại quang (Optical Amplifier): khuyếch đại tín hiệu
Bộ giải đa hợp quang (Optical Demultiplexer): phân giải tín hiệu trong sợi
quang trở lại thành các tín hiệu đa kênh
Máy thu quang (Optical Receiver): thu nhận các tín hiệu đa kênh

Hạn chế lớn nhất của bộ khuyếch đại
Raman phân phối (DRA) là đòi hỏi sóng
bơm phải có công suất rất lớn để đủ
khuyếch đại sóng tín hiệu trong suốt quãng
đường truyền.
Người ta thường sử dụng bộ khuyếch
đại bằng sợi quang pha tạp Erbium
(Erbium-doped fiber amplifier – EDFA)
hay kết hợp cả hai
Bộ khuyếch đại bằng sợi quang pha tạp
Erbium (Erbium – Doped Fiber Amplifier)
Bộ khuyếch đại bằng sợi quang pha tạp Erbium (còn
được gọi là bộ khuyếch đại Erbium hay bộ khuyếch đại
quang) là một thiết bị sử dụng một sợi quang có chiều dài
ngắn pha tạp nguyên tố Erbium (Erbium là một nguyên tố
hiếm thuộc họ Lantan)
IIIB
Sợi quang pha tạp Erbium đóng vai trò
như một môi trường cộng hưởng để
khuyếch đại sóng tín hiệu thông qua sự
tương tác giữa sóng bơm, sóng tín hiệu
với các ion pha tạp.
Sóng bơm laser kích thích các ion tạp chất
chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Khi có

sóng tín hiệu truyền qua, các ion tạp chất sẽ trở
về mức năng lượng thấp hơn và phóng thích
photon có tần số bằng đúng tần số của sóng tín
hiệu  Sóng tín hiệu được khuyếch đại
ω
S
ω
S
ω
S
ω
P
Sự xuất hiện các
mức tạp chất
cho phép giảm
công suất sóng
bơm  Khắc
phục được hạn
chế của DRA
Bộ khuyếch đại kết hợp EDFA và DRA
(Hybrid EDFA/DRA Amplifier)
Mặc dù bộ khuyếch đại bằng sợi quang pha
tạp Erbium (EDFA) có thể hoàn toàn thay thế bộ
khuyếch đại Raman phân phối (DRA) trong các
hệ thống thông tin liên lạc, các nhà thiết kế vẫn
tìm cách nâng cao hơn nữa hiệu suất truyền tín
hiệu bằng cách kết hợp 2 bộ khuyếch đại.
ω
S
ω

P
EDFA
DRA
ω
S
’
ω
S
’
ω
P
Khuyếch đại sóng tín hiệu
Duy trì công suất và tần số
sóng tín hiệu trong suốt quãng
đường truyền