Quang phi tuyến - Bộ khuếch đại Raman

Địa chỉ bạn đã tải:
/>Địa chỉ bạn đã tải:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:
Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:
Bộ khuyếch đại Raman
Bộ khuyếch đại Raman
Bộ khuyếch đại Raman sử dụng những tính
Bộ khuyếch đại Raman sử dụng những tính
chất bên trong sợi quang để khuyếch đại tín
chất bên trong sợi quang để khuyếch đại tín
hiệu.
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
Trong bộ khuyếch đại Raman kết hợp, người
ta sử dụng một sợi quang chuyên dụng làm từ
ta sử dụng một sợi quang chuyên dụng làm từ
vật liệu phi tuyến có chiều dài ngắn và tiết diện
vật liệu phi tuyến có chiều dài ngắn và tiết diện
nhỏ để cung cấp sự khuyếch đại.
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
Cơ chế của bộ khuyếch đại Raman phân phối
là tán xạ Raman kích thích (SRS)
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
Sự khuyếch đại xảy ra
khi photon của sóng
khi photon của sóng
bơm phóng thích năng
bơm phóng thích năng
lượng của nó để tạo
lượng của nó để tạo
thành photon mới có
thành photon mới có
bước sóng bằng bước
bước sóng bằng bước
sóng của sóng tín hiệu
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
Phân tử môi trường có nhiều trạng thái dao
động phía trên trạng thái nền
động phía trên trạng thái nền


Có nhiều
Có nhiều
chuyển dời khả dĩ thỏa:
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
Biểu thức thể hiện sự thay đổi công suất sóng
bơm và sóng tín hiệu theo khoảng cách z
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
Nếu chúng ta bỏ qua số hạng thứ nhất bên vế
phải của phương trình (2) (số hạng thể hiện sự
phải của phương trình (2) (số hạng thể hiện sự
suy giảm của sóng bơm), ta được:
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
Độ tăng cường Raman (Raman Gain) đối với sóng
tín hiệu:
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 (
Bộ khuyếch đại Raman phân phối (
D
D
istributed
istributed
R
R
aman

aman
A
A
mplifier – DRA) được sử dụng rộng rãi
mplifier – DRA) được sử dụng rộng rãi
trong các hệ thông tin liên lạc đường dài, đặc biệt
trong các hệ thông tin liên lạc đường dài, đặc biệt
là hệ đa hợp chia bước sóng (
là hệ đa hợp chia bước sóng (
W
W
avelength
avelength
D
D
ivision
ivision
M
M
ultiplexing – WDM)
ultiplexing – 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
Hệ đa hợp chia bước sóng (WDM) là hệ
khuyếch đại đồng thời nhiều sóng tín hiệu có tần số

khuyếch đại đồng thời nhiều sóng tín hiệu có tần số
khác nhau (gọi là tín hiệu đa kênh (multi – channel),
khác nhau (gọi là tín hiệu đa kênh (multi – channel),
mỗi kênh phát ra một sóng tín hiệu tần số nhất
mỗi kênh phát ra một sóng tín hiệu tần số nhất
định
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
Hạn chế lớn nhất của bộ khuyếch đại Raman
phân phối (DRA) là đòi hỏi sóng bơm phải có công
phân phối (DRA) là đòi hỏi sóng bơm phải có công
suất rất lớn để đủ khuyếch đại sóng tín hiệu trong

suất rất lớn để đủ khuyếch đại sóng tín hiệu trong
suốt quãng đường truyền.
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
Bộ khuyếch đại bằng sợi quang pha tạp Erbium (còn
được gọi là bộ khuyếch đại Erbium hay bộ khuyếch đại
được gọi là bộ khuyếch đại Erbium hay bộ khuyếch đại
quang) là một thiết bị sử dụng một sợi quang có chiều dài
quang) là một thiết bị sử dụng một sợi quang có chiều dài
ngắn pha tạp nguyên tố Erbium (Erbium là một nguyên tố
ngắn pha tạp nguyên tố Erbium (Erbium là một nguyên tố
hiếm thuộc họ Lantan)
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
Sóng bơm laser kích thích các ion tạp chất
chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Khi có
chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Khi có
sóng tín hiệu truyền qua, các ion tạp chất sẽ trở

sóng tín hiệu truyền qua, các ion tạp chất sẽ trở
về mức năng lượng thấp hơn và phóng thích
về mức năng lượng thấp hơn và phóng thích
photon có tần số bằng đúng tần số của sóng tín
photon có tần số bằng đúng tần số của sóng tín
hiệu
hiệu


Sóng tín hiệu được khuyếch đại
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
Mặc dù bộ khuyếch đại bằng sợi quang pha

tạp Erbium (EDFA) có thể hoàn toàn thay thế bộ
tạp Erbium (EDFA) có thể hoàn toàn thay thế bộ
khuyếch đại Raman phân phối (DRA) trong các
khuyếch đại Raman phân phối (DRA) trong các
hệ thống thông tin liên lạc, các nhà thiết kế vẫn
hệ thống thông tin liên lạc, các nhà thiết kế vẫn
tìm cách nâng cao hơn nữa hiệu suất truyền tín
tìm cách nâng cao hơn nữa hiệu suất truyền tín
hiệu bằng cách kết hợp 2 bộ khuyếch đại.
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