Bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang

MỤC LỤC


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện tượng tán xạ Raman được nhà khoa học C.V.Raman phát hiện ra vào
năm 1928. Một mặt tán xạ Raman gây ảnh hưởng xấu tới quá trình truyền dẫn, mặt
khác nó có khả năng khuếch đại tín hiệu. Các nghiên cứu sau này chủ yếu nghiên
cứu khả năng khuếch đại tín hiệu của tán xạ Raman. Bộ khuếch đại Raman ra đời
trên cơ sở của hiện tượng này.Với nhiều ưu điểm thì bộ khuếch đại Raman rất phù
hợp với hệ thống WDM. Nó cho phép khoảng cách truyền dẫn tín hiệu xa hơn,
dung lượng lớn hơn.
Nhận thấy được tầm quan trọng của bộ khuếch đại Raman, em đã chọn đề tài
“ Bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang”.
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về tán xạ Raman cũng như ảnh hưởng của nó đến các hệ
thống thông tin quang
Chương 2: Bộ khuếch đại Raman.
Chương 3: Ứng dụng của bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Vũ Văn Rực đã giúp em hoàn
thành đồ án này cùng tất cả các thầy, cô giáo trong bộ môn.

2


CHƯƠNG I TÁN XẠ RAMAN
1.1 Tổng quan về tán xạ Raman
1.1.1 Sợi quang
Sợi quang là ống dẫn sóng có khả năng truyền thông tin dưới dạng ánh sáng.Kích
thước rất nhỏ.
Về cấu tạo thì sợi quang gồm 2 lớp cơ bản:
+ Lớp lõi ở trong thường làm bằng thủy tinh, hình trụ tròn, có chiết suất .

+ Lớp vỏ bọc ngoài thường làm bằng thủy tinh hoặc plastic hình trụ, có chiết suất
<.

Hình 1.1 Cấu tạo của sợi quang
Cần phải để ý đến các yếu tố như tán sắc, suy hao trong sợi, các hiệu ứng phi
tuyến, … có thể tác động tới tín hiệu quang trong sợi quang.
Sợi quang thường được chế tạo từ Si.Cũng có thể thay đổi một số thông số của sợi
quang bằng cách pha tạp sợi quang với một số chất khác. Ví dụ muốn thay đổi
chiết suất lõi của sợi quang thì thêm vào nó Ge và .
1.1.2 Các hiệu ứng phi tuyến
“Các hiệu ứng phi tuyến là các hiệu ứng quang mà các tham số của nó phụ thuộc
vào cường độ ánh sáng”.
3


Đối với các hệ thống thông tin quang làm việc ở các mức công suất trung bình thì
ta coi như ảnh hưởng của các hiện tượng phi tuyến là không đáng kể. Còn đối với
các hệ thống làm việc ở mức công suất cao hơn thì cần phải xem xét đến sự ảnh
hưởng của các hiện tượng phi tuyến.Đặc biệt trong các hệ thống WDM, với yêu
cầu cao về chất lượng thì việc nghiên cứu các hiện tượng phi tuyến là rất quang
trọng.
Các hiệu ứng phi tuyến gồm hai loại:
Đầu tiên là tán xạ Rayleigh sinh ra do sự tác động tương tác lẫn nhau giữa sóng
ánh sáng và phonon. Trong tán xạ Rayleigh thì lại gồm tán xạ do kích thích
Brillouin và tán xạ do kích thích Raman.
Thứ hai là hiệu ứng Kerr sinh ra do sự ảnh hưởng của cường độ điện trường hoạt
động đối với chiết suất. Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng trong loại này gồm
hiệu ứng tự điều pha(SPM),hiệu ứng điều chế xuyên pha(CPM),hiệu ứng trộn bước
sóng(FWM)
Sau đây là một số công thức tính toán

Mối liên quan giữa công suất, chiết suất và cường độ ánh sáng:
n= + I = + ()

(1.1)

Trong đó Aeff là diện tích hiệu dụng của sợi quang, n2 được gọi là chỉ số chiết suất
phi tuyến, là thành phần phụ thuộc bước sóng của chiết suất .Hệ số phi tuyến
chính là tỷ số

n 2 / Aeff

.Một tham số nữa cũng không thể bỏ qua khi tìm hiểu về các

hiện tượng phi tuyến đó là tham số .
γ =

ω 0 n2
cAeff

=

2π n2
λ Aeff

(1.2)

Trong đó, c là vận tốc ánh sáng trong chân không,là tần số góc của ánh sáng ,
diện tích hiệu dụng của sợi. λ là bước sóng ánh sáng.
4

Aeff

là


Ngoài những yếu tố nêu ở trên còn một số yếu tố có thể kể đến ở đây đó là độ dài
sợi, khoảng cách giữa các kênh, công suất của tín hiệu.
1.1.3 Tán xạ ánh sáng
Tán xạ là hiện tượng ánh sáng bị lệch phương so với phương ban đầu khi truyền
qua môi trường vật chất.
Năm 1928 nhà khoa học Raman phát hiện ra hiện tượng tán xạ Raman.
Khi chiếu chùm ánh sáng vào môi trường vật chất thì một phần ánh sáng bị tán xạ
còn đa phần ánh sáng sẽ truyền thẳng. Tùy vào môi trường mà ánh sáng chiếu vào
sẽ gây ra những loại tán xạ khác nhau. Điển hình là các loại tán xạ Raman,
Brillouin,Rayleigh…
Tán xạ Raman và tán xạ Brilouin là các quá trình tán xạ không đàn hồi , các phân
tử sẽ bị đẩy nên trạng thái kích thích khi có ánh sáng truyền qua và làm cho tần số
ánh sáng tới sẽ khác với tần số của ánh sáng tán xạ. Trong khi đó tán xạ Rayleigh
là tán xạ đàn hồi, khi có ánh sáng truyền qua thì các phân tử vật chất không bị kích
thích mà vẫn giữ nguyên trạng thái và tần số ánh sáng tới bằng tần số ánh sáng tán
xạ.
Trong sợi quang thì các hiệu ứng tán xạ sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng đường
truyền, làm giảm cự ly truyền cũng như giảm chất lượng hệ thống truyền dẫn
quang. Tán xạ cũng là tác nhân gây nhiễu lẫn nhau giữa các kênh trong hệ thống
WDM.
Bên cạnh những ảnh hưởng xấu đến chất lượng truyền dẫn thì tán xạ Raman cũng
có những ưu điểm như sử dụng để khuếch đại. Tán xạ Raman được ứng dụng trong
các bộ khuếch đại Raman làm việc ở những ánh sáng có bước sóng mà khuếch đại
quang sợi EDFA không thể hoạt động được. Ngoài tán xạ Raman thì tán xạ
Brilouin cũng có một số ưu điểm, nó được ứng dụng trong các bộ cảm ứng nhiệt

độ.
5


Tần số
Hình 1.2 Tần số của ánh sáng tán xạ
1.1.4 Tán xạ Raman
Khi chiếu chùm sáng vào môi trường vật chất Raman đã phát hiện ra rằng chùm
sáng thu được sau khi đi qua môi trường sẽ có nhiều thành phần khác nhau.
Khi ta hội tụ một chùm ánh sáng vào một môi trường gồm các phân tử sẽ xảy ra
hiện tượng sau: Tán xạ Rayleigh tự phát, hiện tượng tán xạ raman.
Tán xạ Raman gồm 2 thành phần:
+ Thành phần Stokes ứng với tần số nhỏ hơn tần số ánh sáng tới.
+ Thành phần đối Stokes ứng với tần số lớn hơn tần số ánh sáng tới

Hình 1.3 Hiện tượng tán xạ Raman

6


Tán xạ Raman được phân chia thành hai loại: Tán xạ Raman kích thích
(Spontaneous Raman Scattering) và tán xạ Raman tự phát (Stimulated Raman
Scattering).
Trong quá trình tán xạ Raman tự phát, các photon sẽ được sinh ra khi ánh sáng tới
tương tác với môi trường. Các photon sinh ra sẽ có tần số nhỏ hơn hoặc lớn hơn
tần số của ánh sáng tới tuỳ thuộc vào bản chất của môi trường.
Khi được hấp thụ một photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa trạng thái
kích thích và trạng thái đầu thì electron sẽ chuyển từ trạng thái khởi đầu lên trạng
thái kích thích. Khi từ trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cuối electron sẽ
phát xạ một photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng trạng thái ảo và trạng thái

cuối.

Hình 1.4 Giản đồ năng lượng của hiện tượng tán xạ Raman
Hiệu suất tán xạ Raman có thể được nâng cao ( có thể đạt đến 20-30 %)
bằng cách kích thích bởi chùm laser với mật độ photon rất cao. Tán xạ Raman kích
thích tiêu biểu cho một quá trình tán xạ mạnh với tác dụng của trường laser và vật
chất.
Công suất bơm đầu vào sẽ tỉ lệ với công suất của sóng Stoke. Nhưng khi công suất
sóng bơm vượt qua một ngưỡng nhất định thì công suất sóng Stoke sẽ tăng lên theo
quy luật hàm mũ. Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là quá trình tán xạ Raman
kích thích
7


1.2 Đặc tính của tán xạ Raman kích thích.
1.2.1 Phổ độ khuếch đại Raman.
Đối với một bộ khuếch đại thì hệ số khuếch đại là yếu tố quan trọng để đánh giá
chất lượng của bộ khuếch đại đó. Trong bộ khuếch đại Raman thì hệ số khuếch đại
mô tả sự tăng cường về mặt cường độ của sóng Stoke và được xác định như sau:

= (Ω)

(1.3)

Trong đó, I S là cường độ sóng Stoke, I P là cường độ sóng bơm và g R là hệ số
khuyếch đại Raman
thường phụ thuộc vào cấu tạo cũng như vật liệu chế tạo nên sợi quang,khi ta thay
đổi cấu tạo, vật liệu chế tạo nên sợi quang thì ta có thể thay đổi được hệ số ,
thường thì người ta thường pha thêm tạp chất vào lõi sợi quang.Dưới đây là hệ số
khuếch đại của sợi silic tại bước sóng bơm λ p =1

µm

(Hình 1.5) Nếu λ p 1

µm

, thì

g R được tính bằng cách lấy nghịch đảo sự phụ thuộc của g R vào λ p .

Hình 1.5 Phổ khuếch đại Raman của Silic ở bước sóng bơm

λ p = 1µm

Với sợi Silic thì phổ khuếch đại Raman trải dài và liên tục trên một phạm vi khá
rộng( từ 0 đến 42 THz).Nhờ đó mà sợi quang có thể làm việc như một bộ khuyếch
đại ở dải tần rộng.
8


1.2.2 Ngưỡng Raman.
Ngưỡng Raman được định nghĩa là công suất bơm đầu vào sao cho ở đầu ra
công suất bơm và công suất Stoke là bằng nhau.
Ps ( L) = Pp ( L) = Po . exp( −α p L)

(1.4 )

Trong đó:
P0 = I 0 (o). Aeff

( 1.5 )

Phần lớn công suất bơm sẽ chuyển thành công suất Stoke nếu như công suất
bơm vượt quá giá trị ngưỡng.
P0 là công suất bơm ở đầu vào và Aeff là diện tích vùng lõi hiệu dụng. Giả sử

αs = α p = α

, điều kiện ngưỡng trở thành :
Psoeff . exp( g R PO Leff / Aeff ) = PO

(1.6)

eff
Trong đó Pso cũng phụ thuộc vào Po . Từ phương trình (1.6) ta có thể tính được
th

giá trị ngưỡng Raman. Giá trị công suất bơm tới hạn ( PO ) gần đúng được cho bởi:
g R .Poth .Leff / Aeff ≈ 16

(1.7)

Công thức trên là điều kiện ngưỡng Raman thuận, điều khiện ngưỡng Raman
ngược có được bằng cách thay giá trị 16 trong phương trình (1.7) bằng 20. Cũng
cần phải chú ý là khi đi xây dựng phương trình (1.7) ta giả sử phân cực của sóng
bơm và sóng dò bảo toàn trong quá trình lan truyền. Nếu sự phân cực không được
bảo toàn, ngưỡng Raman sẽ tăng lên một hệ số trong khoảng 1 đến 2. Đặc biệt, nếu
như sự phân cực bị xáo trộn hoàn toàn thì ngưỡng Raman sẽ tăng lên 2 lần.
Mặc dù khi tính toán giá trị ngưỡng ta sử dụng rất nhiều phép tính gần đúng

nhưng giá trị ngưỡng Raman vẫn được tính khá chính xác. Nếu như với sợi có
α p .L >> 1 Leff ≈ 1 / α p

,

. Ở bước sóng

λ p = 1.55µm

9

(bước sóng nằm trong vùng cửa sổ


có suy hao nhỏ nhất cỡ 0.2dB/km),

Leff = 20km.

Thông thường thì

Aeff

= 50µm , giá
2

trị ngưỡng Raman cỡ khoảng 600mW. Bởi vì trong thực tế công suất của các hệ
thống thông tin quang vào cỡ 1 ÷ 10mW nên hệ thống không bị ảnh hưởng bởi SRS.
Trong vùng ánh sáng nhìn thấy

Aeff

th
2
=10 ÷ 20µm , giá trị công suất ngưỡng Po ~ 10W

với cự ly truyền dẫn L=10m. Khi công suất vào bằng với giá trị ngưỡng, công suất
bơm chuyển thành công suất Stoke rất nhanh chóng. Trong thực tế, sóng Stoke sẽ
hoạt động như một sóng bơm và sinh ra sóng Stoke cấp 2 nếu như công suất của nó
đủ lớn để thoả mãn phương trình (1.7). Kết quả là nếu công suất bơm lớn, bên
trong sợi sinh ra rất nhiều sóng Stoke và số lượng các sóng Stoke phụ thuộc vào
công suất vào.
1.3. Ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang.
1.3.1 Ảnh hưởng của SRS đối với hệ thống đơn kênh.
Sự chuyển dịch năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có
bước sóng cao hơn xảy ra khi ta đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có
bước sóng khác nhau.Nguyên nhân gây ra hiệu ứng này chính là do tán xạ Raman
kích thích SRS. Đây là một hiệu ứng cơ bản làm cơ sở cho khuếch đại quang và
laser.

Hình1.6 Ảnh hưởng của SRS. Năng lượng từ kênh bước sóng thấp được chuyển
sang kênh bước sóng cao hơn.

10


Không giống như SBS, SRS là một hiệu ứng băng rộng. Hình 1.7 cho thấy
độ lợi là một hàm của khoảng cách bước sóng. Giá trị đỉnh của hệ số

độ lợi gR

xấp xỉ 6x10-14 m/W ở bước sóng 1550 nm nhỏ hơn nhiều so với độ lợi của SBS.
Tuy nhiên, các kênh cách nhau đến 15 THz (125nm) sẽ bị tác động của SRS. SRS
gây ảnh hưởng trên cả hướng truyền và hướng ngược lại. Mặc SRS giữa các kênh
trong hệ thống WDM ảnh hưởng xấu cho hệ thống, SRS có thể được dùng để
khuếch đại hệ thống.

Khoảng cách kênh
Hình1.7 Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh.
Công suất ngưỡng cho SRS có thể tính bằng công thức sau:
16

P th (SRS)=

Aeff
g R Leff

(1.8)

1.3.2 Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM
Xuyên âm
Tán xạ Raman kích thích SRS nói riêng và tán xạ Raman nói chung ảnh
hưởng rất lớn đến hệ thống thông tin quang đặc biệt là hệ thống WDM.

11


Trong hệ thống đơn kênh, chỉ có một bước sóng ánh sáng truyền trong sợi
quang. Dưới sự ảnh hưởng của tán xạ Raman làm phát sinh ánh sáng tán xạ có tần
số nhỏ hơn. Với hệ thống đơn kênh được xác định theo như sau:
(SRS)= 16

(1.9)

Ánh sáng tán xạ Raman trong các hệ thống đơn kênh cũng dễ dàng loại bỏ bởi các bộ lọc quang do chúng
có khoảng dịch tần rất lớn.
Ảnh hưởng của tán xạ Raman sẽ tăng khi có hai hay nhiều hơn tín hiệu quang truyền trong một
sợi quang. Nếu như hai kênh có khoảng cách tần số bằng đúng độ dịch tần của áng sáng tán xạ, tín hiệu
tại tần số cao sẽ bị suy hao và tín hiệu tại tần số thấp sẽ được khuếch đại. Tín hiệu tại tần số cao sẽ đóng
vai trò là tín hiệu bơm.
Tỉ lệ chuyển đổi công suất quang giữa hai kênh phụ thuộc vào tần số Stoke. Vì độ rộng băng tán
xạ Raman rất rộng nên hiệu ứng tán xạ Raman vẫn xảy ra khi hai kênh cách nhau tới 13 THz.

Hình 1.8 Mẫu xung NRZ trong hệ thống WDM hai kênh.
a)Tín hiệu vào sợi quang

b)Tín hiệu ra do ảnh hưởng của SRS

Như vậy đối với hệ thống WDM, do hiệu ứng tán xạ Raman kích các kênh tại
bước sóng ngắn sẽ bị suy hao mất một phần và đóng vai trò là ánh sáng bơm. Giữa
các kênh sẽ có xuyên âm và SRS của các kênh sẽ bị giảm.Trên hình 1.8 là mẫu
xung NRZ của một hệ thống WDM hai kênh đơn giản . Kênh thứ nhất có tần số
lớn hơn bị mất một phần công suất cho kênh thứ hai đặc biệt khi truyền bit “1” tại
cùng một thời điểm. Hiệu ứng SRS sẽ không xuất hiện tại thời điểm của các bit
“0”.
12


Các hệ thống sử dụng khuếch đại, ảnh hưởng của SRS lớn hơn. Trên toàn bộ
đường truyền cả tín hiệu và nhiễu đều bị suy giảm. Mức suy giảm của nhiễu chỉ
bằng một nửa mức suy giảm của tín hiệu.

Với hệ thống DWDM, mỗi bước sóng đóng vai trò vừa là sóng Stoke với bước
sóng ngắn hơn,vừa là một nguồn bơm với bước sóng nào dài hơn nó.Công suất sẽ
chuyển đổi từ các kênh có tần số cao hơn đến các kênh có tần số thấp hơn. Nếu ta
đưa vào công suất của các kênh là như nhau, thì ta được phổ như sau:

Hình 1.9 Các kênh trong WDM không có tán xạ Raman

13


1530nm

1540nm

Hình 1.10 Các kênh trong WDM khi có tán xạ Raman
Hình 1.11 sẽ mô tả sự phụ thuộc của số kênh tối đa theo chiều dài tuyến truyền
dẫn, giả thiết hệ thống WDM sử dụng các bộ khuếch đại lý tưởng.

Hình 1.11 Số kênh tối đa phụ thuộc vào chiều dài tuyến truyền dẫn
Với hệ thống WDM với rất nhiều kênh, xác suất tất cả các kênh đều truyền
bit “1” đồng thời rất thấp. Tỉ lệ công suất bị mất của các kênh bước sóng ngắn biến
đổi phụ thuộc vào các bit được truyền trên tất cảc các kênh khác.
Nếu hệ thống có tổng công suất và băng tần không đổi, ảnh hưởng của SRS có thể
được xác định trước. Phần công suất tín hiệu bị suy giảm có thể được bù chính xác
bằng cách sử dụng một bộ lọc sau các bộ khuyếch đại đường dây, các bộ lọc này
có hệ số suy hao ngược với hệ số suy giảm công suất tín hiệu do SRS theo bước
sóng. Hệ thống này cũng khá đơn giản không cần thêm thiết bị quang nào khác nếu
nó sử dụng EDFA làm bằng phẳng tăng ích quang.
Tham số độ nghiêng Raman
14

Tán xạ Raman gây ra hiện tượng xuyên âm không những làm giảm tỉ số tín
hiệu trên nhiễu( SNR) của các kênh mà dẫn đến hiện tượng gọi là “độ nghiêng
Raman” trong phân bố công suất đầu ra của các kênh trong hệ thống WDM.
Trong hệ thống WDM gồm có N kênh, tham số “ Độ nghiêng Raman” tính như
sau:
P
tilt ( dB) = 10 Log 10  N
 P1





(1.10)

Tham số “ Độ nghiêng Raman” gây ra do hiệu ứng tán xạ Raman làm giảm
hiệu năng của hệ thống. Nếu khắc phục được hiện tượng này ta có thể tăng khoảng
cách giữa các bộ khuếch đại, tăng băng tần tổng, tăng công suất của mỗi kênh.
Một phương pháp hiệu quả để khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng “ nghiêng
Raman” là sử dụng hai nguồn bơm thuận với bước sóng được lựa chọn thích hợp.
Khi đó nguồn bơm bước sóng ngắn hơn sẽ khuyếch đại những kênh có bước sóng
ngắn trong khi nguồn bơm thứ hai sẽ chuyển công suất cho những kênh bước sóng
trung bình. Kết quả là các kênh có bước sóng cao hơn sẽ có độ dịch tần so với sóng
bơm vượt ra ngoài phổ khuyếch đại Raman. Do đó các kênh này sẽ được khuyếch
đại bởi chính những kênh có bước sóng thấp hơn thông qua hiện tượng SRS dẫn
đến độ chênh lệch công suất đầu ra của các kênh sẽ giảm như chỉ ra trên Hình 1.

Hình 1.12 - Công suất đầu ra chuẩn hoá của hệ thống WDM khi sử dụng hai

nguồn bơm với λ P1 = 1422nm, λ P 2 = 1448nm, PP1 = 28.8mW , PP 2 = 24mW
15


CHƯƠNG II ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUẾCH ĐẠI
TÍN HIỆU QUANG.
2.1 Sự cần thiết phải khuếch đại quang.
Với nhu cầu truyền dẫn thông tin ngày càng tăng, với sự phát triển của các
dịch vụ đa phương tiện lưu lượng mạng đang ngày một gia tăng một cách nhanh
chóng.Điều này dẫn đến sự ra đời của các tuyến đường trục cáp quang với dung
lượng lớn hơn, khoảng cách truyền xa hơn. Nhưng khi truyền thông tin đi xa bằng
các sợi quang lại gặp phải một vấn đề là tín hiệu quang sẽ bị suy yếu dần trên
đường truyền. Khi khoảng cách mà quá lớn có thể dẫn đến không thể thu được tín
hiệu quang hoặc thu được tín hiệu với mức công suất rất nhỏ, khi đó ta phải sử
dụng các bộ lặp quang để khôi phục lại tín hiệu quang để bảm bảo cự ly thông tin
truyền. Một bộ lặp quang sẽ hoạt động như sau: đầu tiên các tín hiệu quang suy yếu
được đưa vào bộ lặp sẽ không được khuếch đại trực tiếp mà phải chuyển đổi từ tín
hiệu quang sang tín hiệu điện nhờ khối O/E.Các tín hiệu quang đã được chuyển đồi
thành tín hiệu điện sẽ được khuếch đại.Sau đó bộ E/O sẽ chuyển từ tín hiệu điện
sang tín hiệu quang .

Hình 2.1 Các bộ lặp quang điện

16


Khối E/O: Tại đây tín hiệu sẽ được tiếp nhận và sẽ được biến đổi từ tín hiệu điện
thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu lên đường truyền
Khối O/E: Thu nhận tín hiệu quang và biến trở lại như thành tín hiệu điện như ở
đầu phát

Trạm lặp: Các tín hiệu quang đã suy yếu sẽ được đi qua trạm lặp.Trạm lặp
có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu ở dạng điện sau đó chuyển tín hiệu đã được
khuếch đại thành tín hiệu quang.
Tuy nhiên các bộ lặp quang điện cũng tồn tại rất nhiều hạn chế. Phức tạp về
thành phần cũng như hoạt động, bị hạn chế bởi khả năng làm việc của các thiết bị
điện tử. Các bộ lặp quang điện chỉ phù hợp sử dụng cho các hệ thống đơn giản như
hệ thống đơn kênh tốc độ thấp. Khi mà các hệ thống WDM ra đời thì các bộ lặp
quang điện không đáp ứng được yêu cầu của hệ thống vì nó quá phức tạp. Một bộ
lặp chỉ đáp ứng đủ cho một kênh bước sóng. Khi mà sử dụng hệ thống có nhiều
kênh thì đòi hỏi phải có các bộ ghép kênh quang để ghép các kênh với nhau. Mặt
khác, hoạt động của bộ lặp quang điện phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu vì
vậy việc nâng cấp hệ thống sử dụng bộ lặp quang điện rất phức tạp.
Với nhiều hạn chế của trạm lặp thì kỹ thuật khuếch đại quang đã được ra đời
để khắc phục được nhiều hạn chế trên.Với việc sử dụng cácbộ khuếch đại quang
thì thay vì phải khuếch đại điện thì ta khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, do đó
không cần phải các mạch điện tử để chuyển đổi E/O và O/E. Khuếch đại quang còn
cho phép khuếch đại đồng thời các kênh quang trong bộ toàn bộ dải tần. Ngoài ra
nó không phụ thuộc vào phương thức điều chế và tốc độ bit do nó chỉ tác động vào
thành phần biên độ chứ nó không tác động vào thành phần thời gian và dạng tín
hiệu

17


2.2 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.”
Dưới đây là ba hiện tượng biến đổi quang điện.

a.Hấp thụ

b.Phát xạ tự phát

c.Phát xạ kích thích

Hình 2.2 Các hiện tượng biến đổi quang điện
Hiện tượng phát xạ kích thích:Khi ta kích thích một điện tử ở mức năng
lượng cao bằng một photon mang năng lượng E g với điều kiện Eg= E2 – E1.Khi
đó, sẽ xảy ra sự chuyển dịch năng lượng của điện tử từ mức cao xuống mức thấp
hơn và giải phóng năng lượng. Đây là tiền đề để ra đời bộ khuếch đại quang.
Hiện tượng hấp thụ: Khi một điện tử ở mức năng lượng thấp hấp thụ một
photon mang năng lượng với điều kiện photon mang năng lượng Eg = E2–E1.Khi
đó điện tử sẽ chuyển lên mức năng lượng . Nó chính là tác nhân dẫn đến mất mát
tín hiệu quang.
Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi có sự chuyển dịch năng lượng của
điện tử từ mức cao xuống thấp, đồng thời tạo ra photon mang năng lượng. Nó
chính là tác nhân gây nhiễu

18


2.3 Phân loại khuếch đại quang.
Cấu tạo tổng quát của một bộ khuếch đại quang như sau:

Hình 2.3 Mô hình tổng quát của khuếch đại quang
Trong mỗi bộ khuêch đại quang luôn tồn tai một vùng được gọi là vùng tích
cực( active medium) , tại vùng tích cực thì xảy ra quá trình khuếch đại các tín hiệu
quang.
Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại
chính:

Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier):
- Vùng

tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn.

Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laser
bán dẫn. Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạng
thái dưới mức ngưỡng phát xạ.
- Nguồn

cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu

quang là dòng điện Khuếch đại quang sợi OFA (Optical
Fiber Amplifier)
Loại thứ 2 đó là khuếch đại quang OFA
19


Khác với bộ khuêch đại SOA, vùng tích cực của khuếch đại quang OFA
được cấu tạo từ sợi quang pha đất hiếm. Nguồn bơm của loại khuếch đại này là
năng lượng của các laser quang.
Để cung cấp năng lượng cho bộ khuếch đại thì yêu cầu nguồn bơm phải có
bước sóng nhỏ hơn bước sóng tín hiệu cần truyền.
Nổi bật trong OFA là bộ khuếch đại EDFA. Thực tế đã chứng minh bộ khuếch
đại EDFA có nhiều ưu điểm và đang được sử dụng khá rộng rãi.
Gần đây với sự phát triển của hệ thống WDM thì bộ khuếch đại Raman cũng
được sử dụng nhiều. Loại khuếch đại này hoạt động dựa trên hiện tượng tán xạ
Raman kích thích
2.4 Các tham số cơ bản của bộ khuếch đại quang.
2.4.1 .Hệ số độ lợi

Từ nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại . Bộ khuếch đại hoạt động được
thì phải thỏa mãn điều kiện đảo lộn mật độ. Muốn thực hiện được điều này thì ta
cần phải bơm quang hay bơm điện vào bộ khuếch đại. Như vậy ngoài bước sóng
truyền, khuếch đại quang còn phụ thuộc vào mật độ hạt của vật liệu, cường độ
bơm.
Nếu vật liệu là đồng nhất ta có phương trình:
g()=

(2.1)

Với là giá trị đỉnh của độ lợi
là tần số của tín hiệu quang tới
là tần số truyền trung tâm
là công suất của tín hiệu được khuếch đại
là công suất bão hòa
Hệ số là thời gian hồi phục phân cực.
Công suất bão hòa phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại.
20


Phương trình (2.1) có thể được dùng để mô tả các đặc tính của bộ khuếch đại
như hệ số khuếch đại, công suất đầu ra bão hòa, băng tần độ lợi.
Khi <<1, tức là ở chế độ chưa bão hòa, phương trình (2.1) sẽ là:
g()=

(2.2)

Khi tần số khuếch đại bằng tần số trung tâm = ) ta có được hệ số độ lợi lớn
nhất.
Nếu gọi , lần lượt là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại. Khi đó hệ

số khuếch đại sẽ là:
G=

(2.3)

Mặt khác, ta có:
=gP

(2.4)

Suy ra: P(z)= exp(gz)

(2.5)

Trong đó, P(z) là công suất tín hiệu tại vị trí z với đầu vào.
Giả sử khoảng rộng của bộ khuếch đại là L, khi đó = P(L). Suy ra hệ số
khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là:
G() = = =

(2.6)

G() đạt giá trị lớn nhất tại tại ω=ω0 nên G(ω) cũng đạt giá trị lớn nhất tại ω0. Và giá
trị hai hệ số này cũng đều giảm khi (ω-ω0 ) tăng, Ta có biểu đồ sau:

21


Hình2.4 Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi.
2.4.2 Băng thông độ lợi
Công thức xác định độ lợi:

= =

(2.7)

Các tín hiệu đưa vào có tần số khác nhau sẽ không có cùng độ lợi
Băng tần khuếch đại liên quan đến được xác định theo công thức sau:
 ln 2 
∆v A = ∆v g 

 ln(G0 / 2) 

1/ 2

(2.8)

Với G0 = exp(g0L).
Ta có thể thấy, băng tần khuếch đại nhỏ hơn băng tần độ lợi.
2.4.3 Công suất ngõ ra bão hòa.
2.4.3.1 Độ lợi bão hòa.
Từ phương trình (2.1) ta thấy độ bão hòa của độ lợi phụ thuộc vào giá trị g( Khi P
tiệm cận thì g giảm dần, khi công suất tín hiệu tăng thì hệ số khuếch đại G giảm.
Chúng ta coi giá trị đỉnh xảy ra khi = . Theo công thức 2.1 và 2.4, chúng ta có:
=

(2.9)
22


Với chiều dài bộ khuếch đại là L, và coi = và P(L)== , ta có phương trình:
G = G0 exp(−

G − 1 Pout
)
G Ps

(2.10)
G bắt đầu giảm dần từ giá trị

đỉnh Go khi giá trị đạt gần tới công suất bão hòa và được mô tả như hình sau:

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của công suất ra( theo ) theo độ lợi G( theo Go).
2.4.3.2 Công suất ngõ ra bão hòa
Công suất ngõ ra bão hòa là công suất cực đại được tạo ra ở cổng ra ( ).
Từ phương trình (2.10) ta thấy giá trị độ lợi này đạt được khi độ lợi khuếch đại
giảm từ 2 đến 3dB , ứng với G = G0/2. Ta được:
s
Pout
=

G0 ln 2
Ps
G0 − 2

(2.11)
23


2.4.4 Hệ số nhiễu
Với sự ảnh hưởng của nhiễu kết hợp với hiện tượng bức xạ tự phát đã làm
giảm SNR của tín hiệu được khuếch đại trong các bộ khuếch đại.

Khi cùng phương với luồng điện tử thì bức xạ này sẽ gây tác động lên pha
và biên độ của tín hiệu. Như vậy công suất ở đầu ra sẽ gồm công suất bức xạ tự
phát và công suất tín hiệu đưa vào.
= .G +P

(2.12)

Nhiễu là một trong những thông số ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng
khuếch đại của bộ khuếch đại quang. Hệ số NF dùng để biểu diễn sự tác động của
nhiễu lên bộ khuếch đại quang:
NF=

(2.13)

Nhiễu là thành phần không mong muốn của bộ khuếch đại nên hệ số nhiễu
càng nhỏ càng tốt.
2.4.5 Ứng dụng của bộ khuếch đại Raman
Trong các hệ thống thông tin quang thì bộ khuếch đại quang đang đóng một
vai trò hết sức quan trọng. Nó được ứng dụng vào hệ thống thông tin quang nhằm
mục đích giảm suy hao trên đường truyền và khuếch đại công suất trên đường
truyền. Tùy theo mục đích sử dụng mà các bộ khuếch đại quang được lắp đặt ở các
vị trí khác nhau.

24


Hình 2.6 Các ứng dụng của bộ khuếch đại quang.
a, Khuếch đại đường dây

b, Khuếch đại tăng cường

c, Bộ tiền khuếch đại

Bộ khuếch đại tăng cường có nhiệm vụ tăng công suất tín hiệu đầu vào lên
cao trước khi truyền .Khi tăng công suất laser bơm thì có thể xây dựng các đường
dây dài với đường truyền có khoảng cách xa hơn.Với ưu điểm có thể tăng công
suất tín hiệu truyền và giảm số bộ khuếch đại đường dây hoặc số bộ tái sinh cần
thiết thì khuếch đại tăng cường được sử dụng nhiều cho các đường truyền có cự ly
xa.Đối với bộ khuếch đại tăng cường thì phải đảm bảo công suất tín hiệu ra là lớn
nhất.
Bộ tiền khuếch đại có nhiệm vụ tăng mức công suất của tín hiêu nhận được
nên nó thường được đặt ở trước bộ thu. Tăng mức công suất tín hiệu có thể tăng
khả nawngthu của bộ thu vì vậy năng lượng công suất đường truyền được tăng
lên. Bộ tiền khuếch đại phải đảm bảo là nhiễu thấp, độ lợi lớn, độ nhạy lớn.
Nhiệm vụ bù mất mát trong sợi quang sẽ do bộ khuếch đại đường dây đảm
nhiệm. Yêu cầu của bộ khuếch đại này là hạn chế nhiễu ở mức cho phép, đảm bảo
trao đổi với tín hiệu quang tốt nhất và ổn định.

25