Nghiên cứu bộ khuếch đại raman trong hệ thống thông tin quang

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG I TÁN XẠ RAMAN ............................................................................ 2
1.1 Tổng quan về tán xạ Raman .......................................................................... 2
1.1.1 Sợi quang ................................................................................................ 2
1.1.2 Các hiệu ứng phi tuyến ........................................................................... 2
1.1.3 Tán xạ ánh sáng ...................................................................................... 4
1.1.4 Tán xạ Raman ......................................................................................... 5
1.2 Đặc tính của tán xạ Raman kích thích. .......................................................... 7
1.2.1 Phổ độ khuếch đại Raman. ...................................................................... 7
1.2.2 Ngưỡng Raman. ...................................................................................... 8
1.3. Ảnh hƣởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang. .................. 9
1.3.1 Ảnh hưởng của SRS đối với hệ thống đơn kênh. ...................................... 9
1.3.2 Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM .............................................10
CHƢƠNG II ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUẾCH ĐẠI TÍN
HIỆU QUANG. ....................................................................................................15
2.1 Sự cần thiết phải khuếch đại quang. .............................................................15
2.2 Nguyên lý bộ khuếch đại quang ...................................................................16
2.3 Phân loại khuếch đại quang. ........................................................................17
2.4 Các tham số cơ bản của bộ khuếch đại quang. .............................................19
2.4.1 .Hệ số độ lợi...........................................................................................19
2.4.2 Băng thông độ lợi...................................................................................21
2.4.3 Công suất ngõ ra bão hòa. .....................................................................21
2.4.4 Hệ số nhiễu ...........................................................................................23
2.4.5 Ứng dụng của bộ khuếch đại Raman ......................................................23
2.5 Bộ khuếch đại Raman ..................................................................................25
2.5.1 Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại Raman .....................................25
2.5.2 Cấu hình bơm.........................................................................................26

2.5.3 Tăng ích quang Raman. .........................................................................27
2.5.4 Hiệu năng khuếch đại. ...........................................................................30
2.5.5 Nhiễu trong các bộ khuếch đại Raman. ..................................................33
2.5.6 Khuếch đại Raman phân bố DRA ..........................................................34
2.5.7 Khuếch đại Raman tập trung LRA ..........................................................36
2.5.8 Bộ khuếch đại lai ghép Raman/EDFA. ...................................................39
Chƣơng III ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN. .............................40
3.1 Tổng quát về hệ thống DWDM ....................................................................40
3. 2 Ứng dụng của khuếch đại Raman trong hệ thống DWDM. ..........................42
KẾT LUẬN ..........................................................................................................45


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện tƣợng tán xạ Raman đƣợc nhà khoa học C.V.Raman phát hiện ra vào
năm 1928.Một mặt tán xạ Raman gây ảnh hƣởng 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 tƣợng này.Với nhiều ƣu 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 lƣợng lớn hơn.
Nhận thấy đƣợc 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 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về tán xạ Raman cũng nhƣ ảnh hƣởng của nó đến các hệ
thống thông tin quang
Chƣơng 2: Bộ khuếch đại Raman.
Chƣơng 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.

1


CHƢƠNG 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 dƣới dạng ánh sáng.Kích
thƣớc rất nhỏ.
Về cấu tạo thì sợi quang gồm 2 lớp cơ bản:
+ Lớp lõi ở trong thƣờng làm bằng thủy tinh, hình trụ tròn, có chiết suất 𝑛1 .
+ Lớp vỏ bọc ngoài thƣờng làm bằng thủy tinh hoặc plastic hình trụ, có chiết suất
𝑛2 <𝑛1 .

Hình 1.1 Cấu tạo của sợi quang
Cần phải để ý đến các yếu tố nhƣ tán sắc, suy hao trong sợi, các hiệu ứng phi
tuyến, … có thể tác động tới tín hiệu quang trong sợi quang.
Sợi quang thƣờng đƣợc chế tạo từ Si𝑂2 .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 Ge𝑂2 và 𝑃2 𝑂5 .
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 cƣờng độ ánh sáng”.
2


Đối với các hệ thống thông tin quang làm việc ở các mức công suất trung bình thì
ta coi nhƣ ảnh hƣởng của các hiện tƣợng 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
hƣởng của các hiện tƣợng phi tuyến.Đặc biệt trong các hệ thống WDM, với yêu
cầu cao về chất lƣợng thì việc nghiên cứu các hiện tƣợng 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 tƣơng 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 hƣởng của cƣờng độ điện trƣờng 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 bƣớc
sóng(FWM)
Sau đây là một số công thức tính toán
Mối liên quan giữa công suất, chiết suất và cƣờng độ ánh sáng:
n= 𝑛0 + 𝑛0 I = 𝑛0 + (

𝑛2

𝐴 𝑒𝑓𝑓

)

(1.1)

Trong đó Aeff là diện tích hiệu dụng của sợi quang, n2 đƣợc gọi là chỉ số chiết suất
phi tuyến, 𝑛𝑜 là thành phần phụ thuộc bƣớc sóng của chiết suất.Hệ số phi tuyến
chính là tỷ số n2 / Aeff .Một tham số nữa cũng không thể bỏ qua khi tìm hiểu về các
hiện tƣợng phi tuyến đó là tham số 𝛾.
 

 0 n2
cAeff

=

2 n2
 Aeff

(1.2)

Trong đó, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, 𝜔𝑜 là tần số góc của ánh sáng ,
Aeff là diện tích hiệu dụng của sợi.  là bƣớc sóng ánh sáng.
3


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 tƣợng ánh sáng bị lệch phƣơng so với phƣơng ban đầu khi truyền
qua môi trƣờng vật chất.
Năm 1928 nhà khoa học Raman phát hiện ra hiện tƣợng tán xạ Raman.
Khi chiếu chùm ánh sáng vào môi trƣờng vật chất thì một phần ánh sáng bị tán xạ
còn đa phần ánh sáng sẽ truyền thẳng. Tùy vào môi trƣờng 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 hƣởng đến chất lƣợng đƣờng
truyền, làm giảm cự ly truyền cũng nhƣ giảm chất lƣợng 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 hƣởng xấu đến chất lƣợng truyền dẫn thì tán xạ Raman cũng
có những ƣu điểm nhƣ sử dụng để khuếch đại. Tán xạ Raman đƣợc ứng dụng trong
các bộ khuếch đại Raman làm việc ở những ánh sáng có bƣớc sóng mà khuếch đại
quang sợi EDFA không thể hoạt động đƣợc. Ngoài tán xạ Raman thì tán xạ
Brilouin cũng có một số ƣu điểm, nó đƣợc ứng dụng trong các bộ cảm ứng nhiệt
độ.

4


Ánh sáng
tới

Ánh sáng tán
xạ Raman
Stoke

Ánh sáng tán
xạ Rayleigh

Ánh sáng tán
xạ Brillouin
Stoke

Ánh sáng tán
xạ Brillouin
phản Stoke

Ánh sáng tán
xạ Raman phản
Stoke

Tần số
Hình 1.2 Tần số của ánh sáng tán xạ
1.1.4 Tán xạ Raman
Khi chiếu chùm sáng vào môi trƣờng vật chất Raman đã phát hiện ra rằngchùm
sáng thu đƣợc sau khi đi qua môi trƣờng sẽ có nhiều thành phần khác nhau.
Khi ta hội tụ một chùm ánh sáng vào một môi trƣờng gồm các phân tử sẽ xảy ra
hiện tƣợng sau: Tán xạ Rayleigh tự phát, hiện tƣợng 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

5


Tán xạ Raman đƣợc 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 đƣợc sinh ra khi ánh sáng tới
tƣơng tác với môi trƣờng. Các photon sinh ra sẽ có tần số nhỏ hơn hoặc lớn hơn
tần số của ánh sáng tớituỳ thuộc vào bản chất của môi trƣờng.
Khi đƣợc hấp thụ một photon có năng lƣợng bằng hiệu năng lƣợng 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 thíchchuyển về trạng thái cuối electron sẽ
phát xạ một photon có năng lƣợng bằng hiệu năng lƣợng trạng thái ảo và trạng thái

cuối.
Năng lượng
Trạng thái kích thích

Photon tán xạ

Trạng thái kích thích

Photon tán xạ

Trạng thái cuối

Trạng thái đầu

Trạng thái đầu

Trạng thái cuối
a)Tán xạ phản Stoke

a)Tán xạ Stoke

Hình 1.4 Giản đồ năng lượng của hiện tượng tán xạ Raman
Hiệu suất tán xạ Raman có thể đƣợc 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 trƣờng laser và vật
chất.
Công suất bơm đầu vào sẽ tỉ lệ với công suất của sóng Stoke. Nhƣng khi công suất
sóng bơm vƣợt qua một ngƣỡng nhất định thì công suất sóng Stoke sẽ tăng lên theo
quy luật hàm mũ. Nguyên nhân gây ra hiện tƣợng này là quá trình tán xạ Raman
kích thích

6


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 lƣợng của bộ khuếch đại đó. Trong bộ khuếch đại Raman thì hệ số khuếch đại
𝑔𝑅 mô tả sự tăng cƣờng về mặt cƣờng độ của sóng Stoke và đƣợc xác định nhƣ
sau:

𝑑𝐼𝑆
𝑑𝑍

= 𝑔𝑅 (Ω)𝐼𝑃 𝐼𝑆

(1.3)

Trong đó, I S là cƣờngđộ sóng Stoke, I P là cƣờng độ sóng bơm và g R là hệ số
khuyếch đại Raman
𝑔𝑅 thƣờng phụ thuộc vào cấu tạo cũng nhƣ 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 đƣợc hệ số 𝑔𝑅 ,
thƣờng thì ngƣời ta thƣờng pha thêm tạp chất vào lõi sợi quang.Dƣới đây là hệ số
khuếch đại của sợi silic tại bƣớc sóng bơm  p =1 m (Hình 1.5) Nếu  p ≠1 m , thì
g R đƣợc tính bằng cách lấy nghịch đảo sự phụ thuộc của g R vào  p .

Hình 1.5 Phổ khuếch đại Raman của Silic ở bước sóng bơm  p  1m

7

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 nhƣ một bộ khuyếch
đại ở dải tần rộng.
1.2.2 Ngưỡng Raman.
Ngƣỡng Raman đƣợc 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(  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 nhƣ công suất
bơm vƣợt quá giá trị ngƣỡng.
P0 là công suất bơm ở đầu vào và Aeff là diện tích vùng lõi hiệu dụng. Giả sử

 s   p   , điều kiện ngƣỡng trở thành :
Psoeff . exp( g R PO Leff / Aeff )  PO (1.6)

Trong đó Psoeff cũng phụ thuộc vào Po . Từ phƣơng trình (1.6) ta có thể tính đƣợc
giá trị ngƣỡng Raman. Giá trị công suất bơm tới hạn( POth ) gần đúng đƣợc cho bởi:
g R .Poth .Leff / Aeff  16 (1.7)

Công thức trên là điều kiện ngƣỡng Raman thuận, điều khiện ngƣỡng Raman
ngƣợc có đƣợc bằng cách thay giá trị 16 trong phƣơng trình (1.7) bằng 20. Cũng
cần phải chú ý là khi đi xây dựng phƣơng 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 đƣợc
bảo toàn, ngƣỡng Raman sẽ tăng lên một hệ số trong khoảng 1 đến 2. Đặc biệt, nếu
nhƣ sự phân cực bị xáo trộn hoàn toàn thì ngƣỡng Raman sẽ tăng lên 2 lần.
Mặc dù khi tính toán giá trị ngƣỡng ta sử dụng rất nhiều phép tính gần đúng
nhƣng giá trị ngƣỡng Raman vẫn đƣợc tính khá chính xác. Nếu nhƣ với sợi có

8


 p .L  1, Leff  1 /  p . Ở bƣớc sóng  p  1.55m (bƣớc sóng nằm trong vùng cửa sổ

có suy hao nhỏ nhất cỡ 0.2dB/km), Leff  20km. Thông thƣờng thì Aeff = 50m 2 , giá
trị ngƣỡng 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 hƣởng bởi SRS.
Trong vùng ánh sáng nhìn thấy Aeff =10  20m 2 , giá trị công suất ngƣỡng Poth ~ 10W
với cự ly truyền dẫn L=10m. Khi công suất vào bằng với giá trị ngƣỡng, công suất
bơm chuyển thành công suất Stoke rất nhanh chóng. Trong thực tế, sóng Stoke sẽ
hoạt động nhƣ một sóng bơm và sinh ra sóng Stoke cấp 2 nếu nhƣ công suất của nó
đủ lớn để thoả mãn phƣơng trình (1.7). Kết quả là nếu công suất bơm lớn, bên
trong sợi sinh ra rất nhiều sóng Stoke và số lƣợng các sóng Stoke phụ thuộc vào
công suất vào.
1.3. Ảnh hƣởng 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 lƣợng từ các kênh có bƣớc sóng thấp sang các kênh có
bƣớc sóng cao hơn xảy ra khi ta đƣa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có
bƣớc 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
vàlaser.

Hình1.6 Ảnh hưởng của SRS. Năng lượng từ kênh bước sóng thấp được chuyển
sang kênh bước sóng cao hơn.
9


Không giống nhƣ SBS, SRS là một hiệu ứng băng rộng. Hình 1.7 cho thấy
độ lợi là một hàm của khoảng cách bƣớc sóng.Giá trị đỉnh của hệ sốđộ lợi gR xấp

xỉ 6x10-14 m/W ở bƣớc 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 hƣởng trên cả hƣớng truyền vàhƣớng ngƣợc lại.Mặc SRS giữa các kênh trong
hệ thống WDM ảnh hƣởng xấu cho hệ thống, SRS có thể đƣợc dùng để khuếch đại
hệ thống.

Khoảng cách kênh
Hình1.7 Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh.
Công suất ngƣỡng cho SRS có thể tính bằng công thức sau:
P th (SRS)= 16

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
hƣởng rất lớn đến hệ thống thông tin quang đặc biệt là hệ thống WDM.

10


Trong hệ thống đơn kênh, chỉ có một bƣớc sóng ánh sáng truyền trong sợi
quang. Dƣới sự ảnh hƣởng của tán xạ Raman làm phát sinh ánh sáng tán xạ có tần
số nhỏ hơn. Với hệ thống đơn kênh 𝑃𝑡𝑕 đƣợc xác định theo nhƣ sau:
𝑃𝑡𝑕 (SRS)= 16

𝐴 𝑒𝑓𝑓

(1.9)

𝑔 𝑅 𝐿𝑒𝑓𝑓

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 hƣởng của tán xạ Raman sẽ tăng khi có hai hay nhiều hơn tín hiệu
quang truyền trong một sợi quang. Nếu nhƣ 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 đƣợc 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 hƣởng của SRS

Nhƣ vậy đối với hệ thống WDM, do hiệu ứng tán xạ Raman kích các kênh tại
bƣớc sóng ngắn sẽ bị suy hao mất một phần và đóngvai trò là ánh sáng bơm.
11


Giữacác 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”.
Các hệ thống sử dụng khuếch đại, ảnh hƣởng của SRS lớn hơn. Trên toàn bộ
đƣờng 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 bƣớc sóng đóng vai trò vừa là sóng Stoke với bƣớc
sóng ngắn hơn,vừa là một nguồn bơm với bƣớc 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
đƣa vào công suất của các kênh là nhƣ nhau, thì ta đƣợc phổ nhƣ sau:

Hình 1.9 Các kênh trong WDM không có tán xạ Raman

12


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 tƣởng.
Số lượng
kênh
5000

LA=25 km
50 km

1000

100 km
150 km

500

10000
Dung
lượng(Gb/s)
1000

100
50

100

10
100

200

500
1000
Chiều dài
(km)

2000

5000

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 bƣớc sóng ngắn biến
đổi phụ thuộc vào các bit đƣợc truyền trên tất cảc các kênh khác.
Nếu hệ thống có tổng công suất và băng tần không đổi, ảnh hƣởng của SRS có thể
đƣợc xác định trƣớc. Phần công suất tín hiệu bị suy giảm có thể đƣợc bù chính xác
bằng cách sử dụng một bộ lọc sau các bộ khuyếch đại đƣờng dây, các bộ lọc này
có hệ số suy hao ngƣợc với hệ số suy giảm công suất tín hiệu do SRS theo bƣớc
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
13


Tán xạ Raman gây ra hiện tƣợng xuyên âm không những làm giảm tỉ số tín
hiệu trên nhiễu( SNR) của các kênh mà dẫn đến hiện tƣợng 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 nhƣ
sau:
P
tilt (dB)  10 Log10  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 đƣợc hiện tƣợng này ta có thể tăng khoảng

cách giữa các bộ khuếch đại, tăng băng tần tổng, tăng công suất của mỗi kênh.
Một phƣơng pháp hiệu quả để khắc phục ảnh hƣởng của hiện tƣợng “ nghiêng
Raman” là sử dụng hai nguồn bơm thuận với bƣớc sóng đƣợc lựa chọn thích hợp.
Khi đó nguồn bơm bƣớc sóng ngắn hơn sẽ khuyếch đại những kênh có bƣớc sóng
ngắn trong khi nguồn bơm thứ hai sẽ chuyển công suất cho những kênh bƣớc sóng
trung bình. Kết quả là các kênh có bƣớc sóng cao hơn sẽ có độ dịch tần so với sóng
bơm vƣợt ra ngoài phổ khuyếch đại Raman. Do đó các kênh này sẽ đƣợc khuyếch
đại bởi chính những kênh có bƣớc sóng thấp hơn thông qua hiện tƣợng SRS dẫn

Pj / Pm

đến độ chênh lệch công suất đầu ra của các kênh sẽ giảm nhƣ chỉ ra trên hình 1.

1.0

0.9

0.8
0

2

4
6
8
Khoảng cách [km]

10

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

nguồn bơm với P1  1422nm, P 2  1448nm, PP1  28.8mW , PP 2  24mW
14


CHƢƠNG 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 phƣơng tiện lƣu lƣợng mạng đang ngày một gia tăng một cách nhanh
chóng.Điều này dẫn đến sự ra đời của các tuyến đƣờng trục cáp quang với dung
lƣợng lớn hơn, khoảng cách truyền xa hơn. Nhƣng 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
đƣờng truyền. Khi khoảng cách mà quá lớn có thể dẫn đến không thể thu đƣợc tín
hiệu quang hoặc thu đƣợc 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 nhƣ sau: đầu tiên các tín hiệu quang suy yếu
đƣợc đƣa vào bộ lặp sẽ không đƣợc 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 đƣợc chuyển đồi
thành tín hiệu điện sẽ đƣợc khuếch đại.Sau đó bộ E/O sẽ chuyển từ tín hiệu điện
sang tín hiệu quang .

Sợi quang

Sợi quang

KĐ

O/E

Bộ thu quang Bộ khuếch đại

Miền quang

E/O
Bộ phát quang

Miền điện

Miền quang

Hình 2.1 Các bộ lặp quang điện
Khối E/O: Tại đây tín hiệu sẽ đƣợc tiếp nhận và sẽ đƣợc biến đổi từ tín hiệu điện
thành tín hiệu quang và đƣa tín hiệu lên đƣờng truyền
15


Khối O/E: Thu nhận tín hiệu quang và biến trở lại nhƣ thành tín hiệu điện nhƣ ở
đầu phát
Trạm lặp: Các tín hiệu quang đã suy yếu sẽ đƣợc đi qua trạm lặp.Trạm lặp
có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu ở dạng điện sau đó chuyển tín hiệu đã đƣợc
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 nhƣ 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 nhƣ
hệ thống đơn kênh tốc độ thấp. Khi mà các hệ thống WDMra đời thì các bộ lặp
quang điện không đáp ứng đƣợc yêu cầu của hệ thống vì nó quá phức tạp.Một bộ
lặp chỉ đáp ứng đủ cho một kênh bƣớc 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 đƣợc ra đời
để khắc phục đƣợc 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 phƣơng 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
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 hƣởng trong khuếch đại.”
Dƣới đây là ba hiện tƣợng biến đổi quang điện.

16


a.Hấp thụ

b.Phát xạ tự phát

c.Phát xạ kích thích

Hình 2.2 Các hiện tượng biến đổi quang điện
Hiện tƣợng phát xạ kích thích:Khita kích thích một điện tử ở mức năng lƣợng cao
bằng một photon mang năng lƣợng Eg với điều kiện Eg= E2 – E1.Khi đó, sẽ xảy ra
sự chuyển dịch năng lƣợng của điện tử từ mức cao xuống mức thấp hơn và giải
phóng năng lƣợng. Đây là tiền đề để ra đời bộ khuếch đại quang.
Hiện tƣợng hấp thụ: Khi một điện tử ở mức năng lƣợng thấp hấp thụ một
photon mang năng lƣợngvới điều kiện photon mang năng lƣợng Eg = E2–E1.Khi
đó điện tử sẽ chuyển lên mức năng lƣợng .Nó chính là tác nhân dẫn đến mất mát

tín hiệu quang.
Hiện tƣợng phát xạ tự phát xảy ra khi có sự chuyển dịch năng lƣợngcủa
điện tử từmức cao xuống thấp, đồng thời tạo ra photon mang năng lƣợng. Nó
chính là tác nhân gây nhiễu
2.3 Phân loại khuếch đại quang.
Cấu tạo tổng quát của một bộ khuếch đại quang nhƣ sau:

17


Hình 2.3 Mô hình tổng quát của khuếch đại quang
Trong mỗi bộ khuêch đại quang luôn tồn tai một vùng đƣợc gọi là vùng tích cực(
active medium) , tại vùng tích cực thì xảy ra quá trình khuếch đại các tín hiệu
quang.
Tùytheocấutạocủavùngtíchcực,cóthểchiakhuếchđạiquangthànhhailoạichính:
Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical SemiconductorAmplifier):
- Vùng tích cực

đƣợc cấu tạo bằng vật liệu bándẫn.

Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tƣơng tự nhƣ vùng tích cực của laser
bán dẫn.Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạng
thái dƣới mức ngƣỡng phátxạ.
- Nguồn

cung cấp năng lƣợng để khuếch đại tín hiệu quang là

dòng

điện

Khuếch

đại

quang

sợi

OFA

(Optical

FiberAmplifier)
Loại thứ 2 đó là khuếch đại quang OFA
Khác với bộ khuêch đại SOA, vùng tích cực của khuếch đại quang OFA
đƣợc cấu tạo từ sợi quang pha đất hiếm. Nguồn bơm của loại khuếch đại này là
năng lƣợng của các laser quang.
18


Để cung cấp năng lƣợng cho bộ khuếch đại thì yêu cầu nguồn bơm phải có
bƣớc sóng nhỏ hơn bƣớc 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 ƣu điểm và đang đƣợc sử dụng khá rộng rãi.
Gần đây với sự phát triển của hệ thống WDM thì bộ khuếch đại Raman cũng
đƣợc sử dụng nhiều. Loại khuếch đại này hoạt động dựa trên hiện tƣợng 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 đƣợc
thì phải thỏa mãn điều kiện đảo lộn mật độ. Muốn thực hiện đƣợc điều này thì ta
cần phải bơm quang hay bơm điện vào bộ khuếch đại. Nhƣ vậy ngoài bƣớc sóng
truyền, khuếch đại quang còn phụ thuộc vào mật độ hạt của vật liệu, cƣờng độ
bơm.
Nếu vật liệu là đồng nhất ta có phƣơng trình:
g(𝜔)=

𝑔𝑜

1+(𝜔 −𝜔 0 )2 𝑇2 2 +𝑃𝑃

(2.1)

𝑠

Với 𝑔𝑜 là giá trị đỉnh của độ lợi
𝜔 là tần số của tín hiệu quang tới
𝜔0 là tần số truyền trung tâm
𝑃là công suất của tín hiệu đƣợc khuếch đại
𝑃𝑠 là công suất bão hòa
Hệ số 𝑇2 là thời gian hồi phục phân cực.
Công suất bão hòa 𝑃𝑠 phụ thuộc vào các tham số của môi trƣờng khuếch đại.
Phƣơng trình (2.1) có thể đƣợc dùng để mô tả các đặc tính của bộ khuếch đại
nhƣ hệ số khuếch đại, công suất đầu ra bão hòa, băng tần độ lợi.

19


𝑃

Khi <<1, tức là ở chế độ chƣa bão hòa, phƣơng trình (2.1) sẽ là:
𝑃𝑠

g(𝜔)=

𝑔𝑜

1+(𝜔 −𝜔 0 )2 𝑇2 2

(2.2)

Khi tần số khuếch đại bằng tần số trung tâm (𝜔 =𝜔0 ) ta có đƣợc hệ số độ lợi
lớn nhất.
Nếu gọi 𝑃𝑖𝑛 , 𝑃𝑜𝑢𝑡 lần lƣợt là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại.
Khi đó hệ số khuếch đại sẽ là:
G=

𝑃𝑜𝑢𝑡

(2.3)

𝑃𝑖𝑛

Mặt khác, ta có:
𝑑𝑃
𝑑𝑧

=gP

(2.4)

Suy ra: P(z)= 𝑃𝑖𝑛 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 𝑃𝑜𝑢𝑡 = P(L). Suy ra hệ số
khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là:
G(𝜔) =

𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛

=

𝑃𝐿

𝑃𝑖𝑛

=𝑒 𝑔

𝜔 𝐿

(2.6)

G(𝜔) 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:

20

Hệ số khuyếch đại chuẩn hoá

  0 T2
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:
∆𝑣𝑔 =

∆𝜔 𝑔
2𝜋

=

1

(2.7)

𝜋𝑇2

Các tín hiệu đƣa vào có tần số khác nhau sẽ không có cùng độ lợi
Băng tần khuếch đại ∆𝑣𝐴 liên quan đến ∆𝑣𝑔 đƣợc 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 phƣơng trình (2.1) ta thấy độ bão hòa của độ lợi phụ thuộc vào giá trị g(𝜔). Khi
P tiệm cận 𝑃𝑠 thì g giảm dần, khi công suất tín hiệu tăng thì hệ số khuếch đại G

21


giảm. Chúng ta coi giá trị đỉnh xảy ra khi 𝜔= 𝜔𝑜 . Theo công thức 2.1 và 2.4, chúng
ta có:
𝑑𝑃
𝑑𝑧

=

𝑔𝑜 𝑃

(2.9)

𝑃
𝑃𝑠

1+

Với chiều dài bộ khuếch đại là L, và coi 𝑃0 = 𝑃𝑖𝑛 và P(L)=𝑃0 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 , ta có phƣơng
trình:

G  G0 exp( 

G  1 Pout
)
G Ps

(2.10)

G bắt đầu giảm dần từ giá trị đỉnh Go khi giá trị 𝑃𝑜𝑢𝑡 đạt gần tới công suất bão
hòa𝑃𝑠 và đƣợc mô tả nhƣ hình sau:

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của công suất ra( theo 𝑃𝑠 ) theo độ lợi G( theo Go).
2.4.3.2 Công suất ngõ ra bão hòa
22


𝑠
Công suất ngõ ra bão hòa là công suất cực đại đƣợc tạo ra ở cổng ra (𝑃𝑜𝑢𝑡
).

Từ phƣơng trình (2.10) ta thấy giá trị độ lợi này đạt đƣợc khi độ lợi khuếch đại
giảm từ 2 đến 3dB , ứng với G = G0/2. Ta đƣợc:
s
Pout


G0 ln 2
Ps
G0  2

(2.11)

2.4.4 Hệ số nhiễu
Với sự ảnh hƣởng của nhiễu kết hợp với hiện tƣợng bức xạ tự phát đã làm
giảm SNR của tín hiệu đƣợc khuếch đại trong các bộ khuếch đại.
Khi cùng phƣơng với luồng điện tử thì bức xạ này sẽ gây tác động lên pha
và biên độ của tín hiệu. Nhƣ vậy công suất ở đầu ra sẽ gồm công suất bức xạ tự
phát và công suất tín hiệu đƣa vào.
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑃𝑖𝑛 .G +P

(2.12)

Nhiễu là một trong những thông số ảnh hƣởng rất nhiều đến chất lƣợng
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=

𝑆𝑁𝑅 𝑖𝑛

(2.13)

𝑆𝑁𝑅 𝑜𝑢𝑡

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 đƣợc ứng dụng vào hệ thống thông tin quang nhằm
mục đích giảm suy hao trên đƣờng truyền và khuếch đại công suất trên đƣờng
truyền. Tùy theo mục đích sử dụng mà các bộ khuếch đại quang đƣợc lắp đặt ở các

vị trí khác nhau.

23