ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU QUANG

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH
ĐẠI TÍN HIỆU QUANG
2.1 Sự cần thiết phải khuyếch đại quang
Như đã thấy ở chương 1, khoảng cách truyền dẫn của bất kỳ hệ thống thông tin
quang sợi nào đều bị giới hạn bởi suy hao. Đối với các hệ thống cự ly dài, có thể khắc
phục suy hao này bằng cách sử dụng các bộ lặp quang điện.
Trong các bộ lặp điện này tín hiệu quang trước hết được chuyển đổi thành tín hiệu
điện, tái tạo và chuyển lại thành tín hiệu quang.
Hình 2.- Bộ lặp điện.
Nhược điểm của bộ lặp điện
Các bộ lặp điện như trên rất phức tạp về thành phần cũng như hoạt động, chúng bị
hạn chế bởi khả năng của các thiết bị điện tử. Việc giám sát các bộ lặp điện này cũng rất
phức tạp. Các bộ lặp điện chỉ phù hợp cho các hệ thống đơn kênh tốc độ thấp. Đối với
các hệ thống ghép kênh WDM thì các bộ lặp điện không đáp ứng được các yêu cầu của
hệ thống vì nó quá phức tạp. Mỗi bộ lặp chỉ đáp ứng được cho một kênh bước sóng, do
đó phải thực hiện tách các kênh quang trước khi thực hiện lặp điện và sau khi lặp từng
kênh phải sử dụng bộ ghép kênh quang để ghép các kênh lại với nhau. Hơn nữa hoạt
động của các bộ lặp điện phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu, phải tái tạo lại tín
hiệu điện bằng phương pháp giải điều chế tương ứng. Vì vậy việc nâng cấp hệ thống sử
dụng bộ lặp điện rất phức tạp.
Ngược lại, trong các hệ thống sử dụng khuyếch đại quang, các bộ khuyếch đại quang
không bị giới hạn bởi các thiết bị điện tử vì bộ khuyếch đại quang khuyếch đại trực tiếp
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
tín hiệu quang, không qua bất kỳ một giai đoạn chuyển đổi quang điện nào. Khuyếch
đại quang không phụ thuộc vào dạng tín hiệu và dạng điều chế do nó chỉ tác động vào
thành phần biên độ chứ không tác động vào thành phần thời gian và dạng tín hiệu. Khi
thay đổi phương pháp điều chế thì hệ thống không cần thay đổi các bộ khuyếch đại. Do
đó khuyếch đại quang tạo điều kiện dễ dàng nâng cấp hệ thống. Ngoài ra, khuyếch đại
quang có thể cho phép khuyếch đại đồng thời các kênh quang trong toàn bộ dải tần. Do
đó khi thêm một kênh quang nếu như bước sóng mới nằm trong dải khuyếch đại bằng

phẳng của bộ khuyếch đại quang thì không cần thiết thay đổi bộ khuyếch đại quang.
Năm 1996, bộ khuyếch đại quang đầu tiên được sử dụng trong hệ thống cáp quang
TAT 12,13 do AT&T và các đối tác lắp đặt. Hệ thống thông tin này với việc sử dụng
khuyếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA đã tăng dung lượng của hệ thống lên gấp
10 lần. Tuyến TAT-12 có tổng chiều dài là 5900 km với khoảng cách giữa các bộ
khuyếch đại quang là 33 km. Có thể nói khuyếch đại quang là chìa khoá cho sự phát
triển của các mạng quang dung lượng lớn và cự ly xa.
2.2 Những khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang.
2.2.1 Phổ khuyếch đại và băng tần bộ khuyếch đại
Hầu hết các bộ khuyếch đại quang đều thông qua hiệu ứng phát xạ kích thích.
Khuyếch đại đạt được khi bộ khuyếch đại được bơm quang hay bơm điện để thoả mãn
điều kiện đảo lộn mật độ. Nhìn chung khuyếch đại quang không chỉ phụ thuộc vào tần
số (hoặc bước sóng) của tín hiệu tới mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm ở các điểm
bên trong sợi tức là phụ thuộc cả vào môi trường khuyếch đại. Để đơn giản giả sử môi
trường khuyếch đại là đồng nhất. Khi đó hệ số khuyếch đại có thể được tính theo công
thức:
s
PPT
g
g
/)(1
)(
2
2
2
0
0
+−+
=
ωω

ω
(2.)
Trong đó g
0
là giá trị đỉnh của khuyếch đại,
ω
là tần số của tín hiệu quang tới,
0
ω
là
tần số dao động của nguyên tử,
P
là công suất của tín hiệu được khuyếch đại,
s
P
là công
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
suất bão hoà. Công suất bão hoà
s
P
phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuyếch
đại. Hệ số
2
T
trong phương trình (2.1) được gọi là thời gian hồi phục phân cực, thường
nhỏ hơn 1 ps [2]. Phương trình (2.1) có thể dùng để mô tả các đặc tính quan trọng của
bộ khuyếch đại như là băng tần khuyếch đại, hệ số khuyếch đại và công suất đầu ra bão
hoà.
Ở chế độ chưa bão hoà trong đó
1/ <<

s
PP
, bằng cách bỏ qua đại lượng
s
PP /
trong
phương trình (2.1) hệ số khuyếch đại trở thành:
2
2
2
0
0
)(1
)(
T
g
g
ωω
ω
−+
=
(2.)
Phương trình này chỉ ra rằng khuyếch đại đạt được lớn nhất khi mà tần số
ω
trùng
với tần số dao động nguyên tử
0
ω
. Sự suy giảm khuyếch đại có thể xem xét trong điều
kiện Lorentzian áp dụng cho các hệ thống hai mức đồng nhất. Trong thực tế phổ

khuyếch đại có thể khác xa điều kiện Lorentzian. Băng tần khuyếch đại được định nghĩa
là
2
/2 T
g
=∆
ω
hoặc:
2
1
2 T
v
g
g
ππ
ω
=
∆
=∆
(2.)
Ví dụ
5~
g
v
∆
THz đối với bộ khuyếch đại quang bán dẫn khi
60~
2
T
fs. Các bộ

khuyếch đại quang với băng tần rộng được sử dụng trong các hệ thống WDM do chúng
có hệ số khuyếch đại tương đối bằng phẳng trên một dải tần rộng.
Nếu gọi
in
P
và
out
P
lần lượt là công suất quang vào và sau khuyếch đại thì tăng ích
của bộ khuyếch đại định nghĩa theo công thức:
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
in
out
P
P
G
=
(2.)
Từ phương trình
gP
dz
dP
=
(2.)
Với
)(zP
là công suất quang ở khoảng cách z tính từ đầu vào. Với
( )
in
PP =0

ta có
)exp()( gzPzP
in
=
(2.)
Chú ý rằng
out
PLP
=
)(
và sử dụng phương trình (2.4) ta suy ra tăng ích quang của bộ
khuyếch đại có độ dài L là:
[ ]
LgG )(exp)(
ωω
=
(2.)
Cả
)(
ω
G
và
)(
ω
g
đều có thể được dùng để đặc trưng cho bộ khuyếch đại và đều đạt
giá trị lớn nhất khi
0
ωω
=

và đều giảm khi hiệu
0
ωω
−
tăng. Tuy nhiên
)(
ω
G
giảm
nhanh hơn so với
)(
ω
g
. Điều này có thể thấy rõ trên Hình 2., đây là đồ thị biểu diễn sự
phụ thuộc của
0
/ gg
và
0
/ GG
vào
20
)( T
ωω
−
.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
Hình 2.- Hệ số khuyếch đại chuẩn hoá của bộ khuyếch đại quang.
2.2.2 Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang.
Tất cả các bộ khuyếch đại đều làm giảm SNR (Signal-to-Noise ratio) của tín hiệu

được khuyếch đại do hiện tuợng phát xạ tự phát cộng thêm nhiễu trong quá trình
khuyếch đại. Tương tự như các bộ khuyếch đại điện sự suy giảm của SNR được biểu thị
qua tham số
n
F
được gọi là hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại (Amplifier noise figure)
được định nghĩa là:
out
in
n
SNR
SNR
F
=
. (2.)
n
F
phụ thuộc vào các tham số của bộ thu quang. Trong trường hợp bộ thu quang là
lý tưởng tức là hiệu năng của bộ thu quang chỉ phụ thuộc vào nhiễu nổ.
fhv
P
fRPq
RP
I
SNR
in
in
in
s
in

∆
=
∆
==
2)(2
)(
)(
2
2
2
σ
(2.)
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
Với
in
RPI
=
là giá trị trung bình của dòng điện,
hv
q
R
=
là độ nhạy của bộ thu
quang.
2
s
σ
là phương sai của nhiễu nổ và được xác định theo công thức:
fRPq
ins

∆=
)(2
2
σ
(2.)
f
∆
là băng tần của bộ thu quang. Để xác định SNR của tín hiệu sau khuyếch đại ta
cần phải tính thêm ảnh hưởng của hiện tượng tán xạ tự phát vào biểu thức của SNR.
Ta có thể coi mật độ phổ của nhiễu nổ là không đổi (nhiễu trắng) và được biểu diễn
theo công thức:
hvnGvS
spsp
)1()(
−=
(2.)
Trong đó
v
là tần số quang, tham số
sp
n
được gọi là hệ số phát xạ tự phát và được
tính theo công thức:
12
2
NN
N
n
sp
−

=
(2.)
Trong đó
1
N
và
2
N
là mật độ nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích.
Hiệu ứng phát xạ tự phát gây ra hiện tượng thăng giáng của tín hiệu sau khuyếch đại
dẫn đến sự thăng giáng của cường độ dòng điện sau bộ thu quang. Dòng điện đầu ra của
bộ thu quang:
spin
EEGRI +=
2
(2.)
Chú ý rằng
in
E
và
sp
E
dao động với tần số khác nhau và có hiệu pha thay đổi một cách
ngẫu nhiên. Dòng nhiễu gây ra do hiện tượng phát xạ tự phát được tính theo công thức :
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
θ
cos)(2
2/1
spin
EGPRI

=∆
(2.)
Với
θ
là pha thay đổi ngẫu nhiên. Phương sai của dòng điện đầu ra bộ thu quang:
fRSRGP
spin
∆≈
))((4
2
σ
(2.)
SNR đầu ra của bộ thu quang là:
fS
GPRGP
I
SNR
sp
inin
out
∆
≈==
4
)(
2
2
2
2
σσ
(2.)

Hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại:
spspn
nGGnF 2/)1(2
≈−=
(2.)
Phương trình (2.17) chỉ ra rằng SNR của tín hiệu sau khuyếch đại sẽ giảm 3
dB

ngay cả khi bộ khuyếch đại là lý tưởng có
1
=
sp
n
. Đối với hầu hết các bộ khuyếch đại
trong thực tế
n
F
có giá trị
86
÷
dB
. Đối với các bộ khuyếch đại quang thì
n
F
càng nhỏ
càng tốt.
2.2.3 Các ứng dụng khuyếch đại
Các bộ khuyếch đại có rất nhiều ứng dụng trong hệ thống thông tin quang, ba ứng
dụng phổ biến nhất được chỉ ra trên Hình 2..
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang

Tx:Phía phát Rx:Phía thu.
Hình 2.- Các ứng dụng của bộ khuyếch đại quang: (a) Khuyếch đại quang sợi; (b)
Khuyếch đại công suất; (c) Bộ tiền khuyếch đại.
Đối với các hệ thống thông tin quang đường dài, các bộ khuyếch đại quang nằm
ngay bên trong sợi quang được sử dụng thay cho các bộ lặp điện. Số lượng các bộ
khuyếch đại quang sử dụng trên hệ thống có thể tăng chừng nào mà hiệu năng của hệ
thống không bị giới hạn bởi các hiệu ứng tích luỹ như tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến và
nhiễu khuyếch đại. Đối với các hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM) thì các bộ
khuyếch đại quang giữ vai trò rất quan trọng vì tất cả các kênh sẽ được khuyếch đại
đồng thời.
Ngoài ra có thể sử dụng bộ khuyếch đại quang đặt ngay sau nguồn phát quang để
tăng công suất phát. Những bộ khuyếch đại quang như vậy được gọi là bộ khuyếch đại
công suất (power booster). Một bộ khuyếch đại quang có thể tăng khoảng cách truyền
dẫn lên 100 km hoặc hơn tuỳ thuộc vào hệ số khuyếch đại và suy hao sợi. Cũng có thể
tăng khoảng cách truyền dẫn bằng cách đặt một bộ khuyếch đại quang ngay trước bộ thu
quang để khuyếch đại công suất thu. Những bộ khuyếch đại như vậy được gọi là bộ tiền
khuyếch đại và thường được sử dụng để tăng độ nhạy thu. Các bộ khuyếch đại quang
còn được ứng dụng rất rộng rãi trong hệ thống ghép bước sóng WDM.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
2.3 Bộ khuyếch đại quang Raman
2.3.1 Nguyên lý bơm
Bộ khuyếch đại quang Raman dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (SRS) .
SRS khác phát xạ kích thích ở chỗ: Trong trường hợp phát xạ kích thích thì một photon
tới kích thích sự phát xạ của một photon khác giống hệt mà không bị mất năng lượng
của nó. Trong trường hợp SRS thì photon bơm sẽ mất một phần năng lượng và tạo ra
một photon khác có tần số nhỏ hơn. Phần năng lượng mất đi bị hấp thụ bởi môi trường
dưới dạng dao động phân tử. Do đó bộ khuyếch đại Raman phải được bơm quang để có
thể khuyếch đại. Luồng bơm và tín hiệu ở tần số
p
ω

và
s
ω
được đưa vào sợi quang thông
qua một coupler quang. Năng lượng sẽ được truyền từ sóng bơm sang tín hiệu vì cả
sóng bơm và tín hiệu cùng truyền trong sợi quang. Bước sóng bơm được lựa chọn theo
phương thức mà một trong số các ánh sáng Stoke chính là bước sóng tín hiệu: trong điều
kiện này, tín hiệu hoạt động như một mầm cho quá trình tán xạ kích thích.
Hình 2.- Nguyên lý bơm thuận và bơm ngược.
Nguồn bơm là điểm trở ngại chủ yếu của thiết bị khuyếch đại quang Raman. Trong
thực tế hầu hết các thí nghiệm đã được thực hiện với các thiết bị laser Nd:YAG cồng
kềnh. Đối với các thiết bị khuyếch đại quang Raman, có hai kiểu bơm cơ bản là bơm
thuận và bơm ngược. Trong cấu hình bơm thuận, tín hiệu và công suất bơm được đưa
vào sợi cùng một chiều, trong khi đó, với cấu hình bơm ngược, tín hiệu và sóng bơm
được ghép vào hai đầu của sợi quang và truyền theo hướng ngược nhau. Trong trường
hợp đầu, bộ khuyếch đại Raman sử dụng tốt như là bộ khuyếch đại công suất, làm mạnh
tín hiệu tại đầu vào. Cấu hình thứ hai thì phù hợp hơn với ứng dụng khuyếch đại các tín
hiệu yếu tại đầu thu. Cấu hình bơm ngược có ưu điểm là sự dao động công suất bơm
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
vừa phải, đây cũng là cấu hình thường được sử dụng trong thực tế. Ngoài ra cũng có thể
sử dụng cấu hình bơm hai chiều hoặc sử dụng nhiều sóng bơm để mở rộng và làm bằng
phẳng phổ khuyếch đại Raman.
Hình 2.- Khuyếch đại Raman sử dụng nhiều ánh sáng bơm.
2.3.2 Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman
Phổ khuyếch đại Raman đã được trình bày ở Error: Reference source not found. Hệ
số khuyếch đại Raman
R
g
liên quan đến hệ số khuyếch đại quang g(z) theo công thức:
)()( zIgzg

pR
=
trong đó
p
I
là cường độ bơm. Nếu gọi
p
P
là công suất bơm, hệ số
khuyếch đại có thể tính theo công thức:
)/)(()(
effpR
APgg
ωω
=
(2.)
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
Hình 2. Hiệu suất khuyếch đại Raman (
effR
Ag /
) cho các
loại sợi quang khác nhau.
Vì
eff
A
có thể thay đổi đáng kể đối với nhiều loại sợi khác nhau, tỉ lệ
effR
Ag /
xác
định hiệu suất khuyếch đại Raman. Tỉ lệ này được biểu thị trên Hình 2. cho ba loại sợi

khác nhau. Sợi bù tán sắc (DCF) có hiệu quả gấp 8 lần so với sợi silic đơn mode tiêu
chuẩn (SMF) do đường kính lõi sợi bé hơn. Sự phụ thuộc của hệ số khuyếch đại Raman
vào tần số gần như nhau đối với cả ba loại sợi .
Do có độ rộng băng tần lớn nên bộ khuyếch đại Raman đang được chú ý trong các
ứng dụng thông tin quang. Tuy nhiên để đạt được khuyếch đại đòi hỏi phải có một công
suất bơm tương đối lớn. Ví dụ nếu
R
g
=
)/(106
14
Wm
−
×
ở đỉnh khuyếch đại, bước sóng
bơm 1.55
m
µ
và
2
50 mA
eff
µ
=
, đòi hỏi công suất bơm là 5W đối với sợi dài 1 km. Công
suất bơm yêu cầu có thể nhỏ hơn nếu như sợi quang dài hơn.
2.3.3 Tăng ích quang Raman
Để xem xét đặc tính bộ khuyếch đại Raman chúng ta cần phải tính toán đến cả suy
hao trên sợi quang, do chiều dài sợi yêu cầu đối với khuyếch đại Raman. Như chương 1
đã trình bày, sự biến đổi của công suất bơm và công suất tín hiệu dọc theo sợi được tính

toán băng cách giải hệ phương trình:
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
speffRsss
PPAgPdzdP )/(/
+−=
α
(2.)
pseffRspppp
PPAgPdzdP )/)(/(/
ωωα
−−=

(2.)
trong đó
p
α
và
s
α
là hệ số suy hao của sóng bơm và tín hiệu. Đại lượng (
sp
ωω
/
) thể
hiện sự khác nhau về năng lượng của photon bơm và photon tín hiệu và sẽ không xuất
hiện nếu phương trình được viết dưới dạng số lượng photon.
Ta xem xét trong trường hợp khuyếch đại tín hiệu nhỏ, khi đó có thể bỏ qua sự suy
giảm của xung bơm. Tương tự như ở chương 1 ta xác định được công suất tín hiệu ở
đầu ra của sợi có chiều dài L:
)/exp().0()(

0
LALPgPLP
seffeffRss
α
−=
(2.)
Trong
)0(
0 p
PP
=
là công suất bơm đầu vào còn
eff
L
là chiều dài hiệu dụng của sợi.
eff
L
=
p
p
L
α
α
)exp(1
−−
(2.)
Vì
)exp()0()( LPLP
sss
α

−=
nên trong trường hợp không có khuyếch đại Raman thì hệ
số tăng ích quang được xác định theo công thức:
)exp()0(
)(
LP
LP
G
ss
s
A
α
−
=
=
)exp(
0
Lg
(2.)
Trong đó:

















=
L
L
A
P
gg
eff
eff
RO
0
LA
Pg
peff
R
α
0
≈
(2.)