ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Tuấn Linh

NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMANCƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG

KHUẾCH ĐẠI QUANG

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Vật lý kỹ thuật

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Tuấn Linh

NGHIÊN CỨU KHUẾCH ĐẠI RAMANCƯỠNG BỨC ỨNG DỤNG TRONG

KHUẾCH ĐẠI QUANG

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Vật lý kỹ thuật

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Văn Hội

Cán bộ đồng hướng dẫn: TS.Bùi Huy

Lời cảm ơn

Khoá luận tốt nghiệp này là kết quả nghiên cứu trongnhiều tháng nỗ lực của bản thân em dưới sự hướng dẫn, giúpđỡ của rất nhiều người

Qua bản khoá luận này cho phép em bày tỏ lòng biết ơnchân thành, sâu sắc nhất đến PGS.TS Phạm Văn Hội và TS.Bùi Huy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành khoáluận tốt nghiệp.

Em cũng rất biết ơn các cán bộ và anh chị hiện đangcông tác tại phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, việnKhoa học vật liệu: anh Thế Anh, anh Thanh Hải …đã quantâm, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất cũngnhư thiết bị cho việc nghiên cứu và hoàn thành khoá luậnnày.

Em cũng xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy côcùng các cán bộ công tác tại khoa Vật lý kỹ thuật và côngnghệ nano đã đào tạo cho em không chỉ về kiến thức chuyênmôn mà cả về kỹ năng sống, học tập và làm việc.

Khoá luận này cũng là một lời cảm ơn sâu sắc tới nhữngngười thân của em-những người luôn ở bên cạnh quan tâm emgiúp đỡ em hoàn thành khoá luận.

Hà Nội 20/05/11

Sinh viên

Lê TuấnLinh

Tóm tắt nội dung

Tán xạ Raman là quá trình tán xạ không đàn hồi, xảy rado sự tương tác của ánh sáng với môi trường vật chất trongsợi quang.

Tán xạ Raman bao gồm tán xạ Raman tự phát và tán xạRaman kích thích SRS. Một mặt tán xạ Raman gây ảnh hưởngxấu đến quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang, làmtăng nhiễu trong hệ thống thông tin quang nhưng mặt kháctán xạ Raman cũng có những ảnh hưởng tích cực, nổi bậtnhất là khả năng khuếch đại tín hiệu quang. Bởi vậy, ngaytừ khi mới được phát hiện, tán xạ Raman đã thu hút đượcrất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu. Tán xạ Raman kíchthích(SRS) chính là cơ sở để phát triển các bộ khuếch đạiquang Raman. Các bộ khuếch đại quang Raman có rất nhiều ưuđiểm so với những loại khuếch đại quang đã được sử dụngtrước đó và rất phù hợp với các hệ thống WDM đang đượctriển khai hiện nay. Các bộ khuếch đại quang Raman đượccoi là lời giải cho bài toán khuếch đại quang trong các hệthống truyền dẫn quang dung lượng lớn, cự ly dài và rấtdài. Nhận thức được tầm quan trọng cũng như ý nghĩa to lớncủa bộ khuếch đại quang Raman, dưới sự hướng dẫn củaPGS.TS. Phạm Văn Hội và TS. Bùi Huy, em đã tập trungnghiên đề tài “tán xạ Raman và ứng dụng trong khuếch đạithông tin quang”. Những kết quả trong khoá luận là nhữngkết quả bước đầu để tiến tới những nghiên cứu sâu hơn nhằmđưa đến những ứng dụng trong thực tế.

1

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan nội dung trong bản đồ án tốt nghiệp nàylà kết quả trong công trình nghiên cứu của riêng tôi dướisự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Văn Hội và TS. Bùi Huy. Tấtcả các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực vàchưa từng được công bố tại các tài liệu, ấn phẩm nào khác.Các số liệu tham khảo khác đều có chỉ dẫn rõ ràng về nguồngốc xuất xứ và được nêu trong phần phụ lục cuối khoá luận.

Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2011

Lê Tuấn Linh

Mục lụcChương 1. Tổng quan về khuếch đại quang……………………………………..1 1.1 Vài nét về hệ thống thông tin quang……………………………………...1 1.1.1.Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang…………..…………….1 1.1.2.Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tinquang…………...............2 1.1.3. Ưu điểm của hệ thống thông tin quang…………………………………3 1.2 Tổng quan về khuyếch đại quang…………………………………………4 1.2.1 Nguyên lý của khuếch đại quang……………………………………….5 1.2.2 Ứng dụng của khuếch đại quang……………………………………….7 1.2.3 Các thông số chính của khuếch đại quang……………………………...8

1.2.3.1 Hệ số độ lợi,hệ số khuếch đại…………………………………..........8

1.2.3.2 Băng thông độ lợi,băng thông khuếch đại………………………..…9

1.2.3.3 Công suất ngõ ra bão hoà…………………………………………...10

1.2.3.4 Hệ số nhiễu…………………………………………………….........11 1.3 Phân loại khuếch đại quang……………………………………………......12 1.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn……………………………………………..12 1.3.2 Khuếch đại quang sợi OFA(EDFA)……………………………………...14 Chương 2. Hiệu ứng tán xạ Raman và bộ khuếch đại quang sợi Raman……...16

2.1 Hiệu ứng tán xạ Raman……………………………………………..…..….16 2.2 Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (SRS)………………………………...18 2.3 Khuếch đại quang Raman …………………………………………………20 2.3.1 Khuếch đại quang Raman……………………………………………….20 2.3.2 Độ lợi băng thông gr của phổ Raman trong sợi thủy tinh Silica tinh khiết và trong sợi nhạy quang, sợi bù tán sắc DCF………………………………….22 2.3.3 Mô hình của bộ khuếch đại quang Raman……………………………...24 2.3.4 Dải rộng của khuếch đại quang Raman…………………………………25 2.4 Ảnh hưởng của tán xạ Raman trong hệ thống WDM……………………26Chương 3 Kết quả và thảo luận…………………………………………………..30 3.1 Các thiết bị và linh kiện sử dụng trong thực nghiệm…………………….30 3.2 Các sơ đồ thiết lập cho thực nghiệm………………………………………32 3.3 Các kết quả thực nghiệm và thảo luận……………………………………33Kết luận…………………………………………………………………………….40Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………41

1

Chương 1. Tổng quan về khuếch đại quang1.1 Vài nét về hệ thống thông tin quang1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang

Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng như các hệthống thông tin khác, thành phần cơ bản nhất của hệ thốngthông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông tinchung. Đây là nguyên lý mà loài người đã sử dụng ngay từthời kỳ khai sinh ra các hình thức thông tin.

Tín hiệu cần truyền được phát vào môi trường truyền dẫntương ứng và đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Đối vớihệ thống thông tin quang thì môi trường truyền dẫn ở đâychính là sợi quang. Sợi quang thực hiện truyền ánh sáng mangtín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu.

Vào năm 1960, việc phát minh ra laser làm nguồn phátquang đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa to lớn trong lịchsử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng. Thôngtin bằng tia laser xuyên qua không trung xuất hiện nhưngchịu ảnh hưởng của thời tiết, máy phát và phải nhìn thấynhau, tia laser nguy hiểm cho mắt người…nên việc sử dụng bịhạn chế.

Laser bán dẫn xuất hiện vào năm 1962 cùng với sợi quanggiá thành hạ lần đầu tiên được chế tạo vào năm 1970 làm chothông tin quang trở thành hiện thực. Ánh sáng được ghép từlaser bán dẫn vào sợi quang và truyền trong sợi quang theonguyên lý phản xạ nội toàn phần nên khắc phục được các nhượcđiểm của thông tin bằng tia laser. Trong những năm 1970laser bán dẫn GaAs/GaAlAs phát ở vùng hồng ngoại gần 0.8μmđã được chế tạo và sử dụng cho thông tin quang sợi. Năm 1980các hệ thống thông tin quang sợi thế hệ đầu tiên được đưavào hoạt động (tốc độ 45Mb/s và khoảng cách lặp 10km).

2

Đầu những năm 80, hệ thống thông tin quang thế hệ thứhai sử dụng laser 1310nm bắt đầu được sử dụng. Thời gianđầu, tốc độ bít chỉ đạt 100Mb/s do tán sắc sợi đa mode. Khisợi đơn mode được đưa vào sử dụng, tốc độ bít đã được tănglên rất cao. Năm 1987, hệ thống thông tin quang 1310nm cótốc độ bít 1.7Gb/s với khoảng cách lặp 50km đã có mặt trênthị trường.

Thế hệ thứ ba của các hệ thống thông tin quang sợi hoạtđộng ở vùng sóng 1.55μm với tốc độ bít 2.5Gb/s và khoảngcách lặp 60 ÷ 70km. Khi sử dụng các loại sợi quang bù tánsắc và làm phẳng tán sắc, khoảng cách lặp sẽ tăng lên.

Thế hệ thứ tư của thông tin cáp quang là sử dụng khuyếchđại quang để tăng khoảng cách lặp và ghép nhiều bước sóngtrong một sợi quang để tăng tốc độ bít trong sợi quang.Khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng bùcông suất cho suy hao quang trong các khoảng cách lớn hơn100km. Năm 1991 lần đầu tiên hệ thống thông tin quang cóEDFA được thử nghiệm truyền tín hiệu số tốc độ 2.5Gb/s trênkhoảng cách 21000km và 5Gb/s trên khoảng cách 14300km. Năm1996 hệ thống thông tin quang quốc tế dưới biển đã được lặpđặt, năm 1997 đường cáp quang vòng quanh thê giới dưới biểndài 27300km đã được đưa vào hoạt động kết nối nhiều nước ởchâu Âu, châu Á với tốc độ 5Gb/s và ở vài nơi tới 10Gb/s.

Sử dụng công nghệ ghép nhiều bước sóng trên một sợiquang (WDM) làm tăng dung lượng thông tin quang một cáchđáng kể. Trong năm 1996 đã thử nghiệm tuyến truyền dẫn 20bước sóng quang với tốc độ bít của từng bước sóng là 5Gb/strên khoảng cách 9100km, tốc độ bít của tuyến đã đạt100Gb/s. Năm 2000 hệ thống TPC-6 xuyên Đại Tây Dương có tốcđộ bít 100Gb/s đã được đưa vào hoạt động.

Thế hệ thứ năm của hệ thống thông tin quang dựa trên cơsở giải quyết vấn đề tán sắc trong sợi quang. Khuyếch đạiquang đã giải quyết rất hoàn hảo sự suy hao trong sợi nhưngkhông giải quyết được vấn đề tán sắc. Giải pháp tốt nhất để

3

giải quyết vấn đề tán sắc là sử dụng hiệu ứng Soliton quang.Hiệu ứng Soliton quang là hiệu ứng phi tuyến trong sợiquang. Chúng dựa trên cơ sở tương tác bù trừ tán sắc của cácthành phần quang trong một xung quang cực ngắn được truyềntrong sợi quang không có suy hao.

Năm 1994 hệ Soliton thử nghiệm truyền tín hiệu 10Gb/strên khoảng cách 35000km và 15Gb/s trên khoảng cách 24000km.Năm 1996 hệ thống WDM có 7 bước sóng truyền Soliton trênkhoảng cách 9400km với tốc độ bít 70Gb/s.

Ngày nay, các mạng thông tin hoàn toàn quang đang đượcnghiên cứu mạnh mẽ nhằm tăng hơn nữa tốc độ thông tin. Cáchệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thếgiới. Chúng đáp ứng được cả tín hiệu tương tự và số. Chúngcho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp vàbăng rộng, đáp ứng mọi nhu cầu của mạng số hoá liên kết đadịch vụ (ISDN). Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặttrên thế giới với số lượng lớn, đủ mọi tốc độ truyền dẫn vớicác cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều nướclấy cáp quang làm môi trường truyền dẫn chính cho mạng viễnthông. Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốcđộ, cự ly truyền dẫn và cấu trúc linh hoạt cho dịch vụ viễnthông cấp cao.1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang sợi cũng giống như hệ thốngthông tin quang khác bao gồm bốn thành phần cơ bản là máyphát quang, máy thu quang, môi trường truyền và tín hiệuthông tin (tín hiệu lối vào, tín hiệu lối ra như trên hình1.1).

Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin quang

4

Máy phát quang

Môi trường truyền

Máy thu quang

Tín hiệu lối vào

Tín hiệu

lối ra

Vai trò của bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điệnthành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào sợi quang.Linh kiện chính của bộ phát quang là nguồn phát quang: hệthống thông tin quang sợi thường sử dụng các bộ nguồn phátquang bán dẫn là diốt phát quang (LED) và laser bán dẫn. Môitrường truyền dẫn quang chia làm hai loại: truyền trong sợiquang và truyền trong không gian. Để tăng khoảng cách truyềnbị giới hạn bởi sự suy hao trong sợi quang người ta có thểsử dụng các bộ lặp hoặc các bộ khuyếch đại quang sợi. Bộ lặpcó nhiệm vụ thu tín hiệu quang, biến đổi quang - điện (O/E),sửa lại xung điện, khuyếch đại tín hiệu và biến đổi điện -quang (E/O) trở lại. Những hệ thống thông tin quang hiện đạichủ yếu sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi pha Erbium(EDFA),bộ khuếch đại Raman.. các bộ khuyếch đại Ramankhuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang và có nhiều ưu việt sovới các bộ lặp. Tín hiệu quang ở đầu phía bên kia của hệthống được thu bởi máy thu quang. Vai trò của bộ thu quanglà chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và phục hồicác số liệu đã truyền qua hệ thông thông tin quang. Linhkiện chủ yếu trong bộ thu quang là các photodiode có cấutrúc và vật liệu chế tạo thích hợp cho băng tần và bước sóngcần thu. 1.1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang

Dung lượng lớn: Các sợi quang có khả năng truyềnnhững lượng lớn thông tin. Với công nghệ hiện nay trên haisợi quang có thể truyền được đồng thời 60.000 cuộc đàmthoại. Một cáp sợi quang (có đường kính ngoài 2 cm) có thểchứa được khoảng 200 sợi quang, sẽ tăng được dung lượngđường truyền lên 6.000.000 cuộc đàm thoại. So với các phươngtiện truyền dẫn bằng dây thông thường, một cáp lớn gồm nhiềuđôi dây có thể truyền được 500 cuộc đàm thoại. Một cáp đồngtrục có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại và một tuyến vibahay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc gọi đồng thời.

5

Kích thước và trọng lượng nhỏ: So với một cáp đông cócùng dung lượng, cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khốilượng nhẹ hơn nhiều. Do đó dễ lắp đặt hơn, đặc biệt ở nhữngvị trí có sẵn dành cho cáp.

Không bị nhiễu điện: Truyền dẫn bằng sợi quang khôngbị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ (EMI) hay nhiễu tần số vôtuyến (RFI) và nó không tạo ra bất kỳ sự nhiễu nội tại nào.Sợi quang có thể cung cấp một đường truyền “sạch” ở nhữngmôi trường khắc nghiệt nhất. Các công ty điện lực sử dụngcáp quang, dọc theo các đường dây điện cao thế để cung cấpđường thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp. Cáp sợi quangcũng không bị xuyên âm. Thậm chí dù ánh sáng bị bức xạ ra từmột sợi quang thì nó không thể thâm nhập vào sợi quang khácđược.

Tính cách điện: Sợi quang là một vật cách điện. Sợithủy tinh này loại bỏ nhu cầu về các dòng điện cho đườngthông tin. Cáp sợi quang làm bằng chất điện môi thích hợpkhông chứa vật dẫn điện và có thể cho phép cách điện hoàntoàn cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gâybởi các dòng điện chạy vòng dưới đất hay những trường hợpnguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tinnhư sét hay những trục trặc về điện. Đây thực sự là mộtphương tiện an toàn thường được dùng ở nơi cần cách điện.

Tính bảo mật: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tincao. Một sợi quang không thể bị trích để lấy trộm thông tinbằng các phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện trênbề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thôngtin ở dạng tín hiệu quang. Các tia sáng truyền lan ở tâm sợiquang và rất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quangđó. Thậm chí nếu đã trích vào sợi quang được rồi thì nó cóthể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu đượctại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu thông tin vệ tinh vàviba có thể dễ dàng thu để giải mã được.

6

Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: Sợi quang là mộtphương tiện truyền dẫn đồng nhất và không gây ra hiện tượngpha-đinh. Những tuyến cáp quang được thiết kế thích hợp cóthể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắcnghiệt và thậm chí có thể hoạt động ở dưới nước. Sợi quangcó thời gian hoạt động lâu, khoảng 20 – 30 năm. Yêu cầu vềbảo dưỡng đối với một hệ thống cáp quang là ít hơn so vớiyêu cầu của một hệ thống thông thường do cần ít bộ lặp điệnhơn trong một tuyến thông tin.

Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khảdụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video.Các hệ thống này đều có thể tương thích với các chuẩnRS.232, RS422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet,thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp và còn nhiềunữa.

Tính mở rộng: Các hệ thống sợi quang được thiết kếthích hợp có thể dễ dàng được mở rộng khi cần thiết. Một hệthống dùng cho tốc độ số liệu thấp, ví dụ T1 (I 544 Mb/s) cóthể được nâng cấp trở thành một hệ thống tốc độ số liệu caohơn, OC-12 (622 Mb/s), bằng cách thay đổi các thiết bị điệntử. Hệ thống cáp sợi quang có thế vẫn được giữ nguyên nhưcũ.

Sự tái tạo tín hiệu: Công nghệ ngày nay cho phép thựchiện những đường truyền thông bằng cáp quang dài trên 70 kmtrước khi cần tái tạo tín hiệu, khoảng cách này còn có thểtăng lên tới 150 km nhờ sử dụng các bộ khuếch đại laze.Trong tương lai, công nghệ có thể mở rộng khoảng cách nàylên tới 200 km và có thể 1000 km. Chi phí tiết kiệm được dosử dụng ít các bộ lắp trung gian và việc bảo dưỡng chúng cóthể là khá lớn. Ngược lại, các hệ thống cáp điện thôngthường cứ vài km có thể đã cần có một bộ lặp.

Suy hao thấp: sự phát triển của sợi quang qua nhiều năm đã đạt đươck kết quả trong việc chế tạo sợi quang có độ suy hao rất thấp. Sợi quang được chế tạo với độ suy hao 0.2dB/km

7

và đặc tính này trở thành lợi thế chính của thông tin quang.Điều này thuận lợi cho việc đặt bộ khuyếch đại cho mỗi khoảng cách trên đường truyền mà không cần chuyển sang tín hiệu điện ở bước trung gian, do đó giảm được giá thành và cảđộ phức tạp của hệ thống. 1.2 Tổng quan về khuyếch đại quang

Đối với tín hiệu quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn,sự suy giảm tín hiệu là không thể tránh khỏi. Suy hao củasợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệthống thông tin quang. Giới hạn về suy hao được khắc phụcbằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronicrepeater). Trong các trạm lặp quang điện này, quá trìnhkhuyếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước.Đầu tiên tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởicác bộ thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện táchsóng quang như PIN hay PAD. Dòng quang điện thu được sẽ đượctái tạo lại dạng xung, định thời và khuyếch đại bởi các mạchphục hồi tín hiệu và mạch khuyếch đại. Sau đó, tín hiệu điệnsẽ được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua các nguồnquang trong bộ phát quang (optical transmitter) và đượctruyền đi trong sợi quang. Như vậy, quá trình khuyếch đạitín hiệu được thực hiện trên miền điện.

Hình 1.2. Bộ lặp quang điệnCác trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong

các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như hệ thốngtruyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệthống truyền dẫn đa bước song như hệ thống WDM, rất nhiều

8

trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuyếch đại và táitạo các kênh quang có bước sóng khác nhau. Điều này làm tăngđộ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫnquang WDM.

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, người tathực hiện được quá trình khuyếch đại trực tiếp tín hiệuquang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi về tínhiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuyếch đại quang (OpticalAmplifier). Kỹ thuật khuyếch đại quang ra đời đã khắc phụcđược nhiều hạn chế của trạm lặp. So với các trạm lặp, các bộkhuyếch đại quang có các ưu điểm sau:

- Khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạchtái tạo thời gian hay mạch phục hồi (các bộ biến đổi E/Ohoặc O/E). Do đó khuyếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn.

- Không phụ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điềuchế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống đơn giản hơn.

- Khuyếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhaucùng truyền trên một sợi quang.

Việc nghiên cứu khuyếch đại quang ngày càng phát triểnvà được ứng dụng rộng rãi. Có nhiều xu hướng nghiên cứu vềbộ khuyếch đại quang, và trong thời gian qua các nghiên cứuthành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính:

- Khuyếch đại quang bán dẫn SOA (Optical SemiconductorAmplifier)

- Khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium (Erbium DopedFiber Amplifier) Tuy nhiên, do yêu cầu nâng cấp mạng thông tinquang DWDM lên hàng trăm kênh, việc nghiên cứu phát triểncác loại khuếch đại quang khác đã được đẩy mạnh, trong đókhuếch đại quang trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức(ROA) được đặc biệt quan tâm trên thế giới.1.2.1 Nguyên lý bộ khuếch đại quang

9

Nguyên lý khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạkích thích và không có cộng hưởng trong khuếch đại.

Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiệntượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tinquang.Các hiện tượng này được minh hoạ trong hình:

Hình 1.3. Các hiện tượng biến đổi quang điệnHiện tượng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng

lượng Ev =hf12 tác động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm Eg

=E2-E1 bằng nhauEv=Eg). Khi đó, điện tử sẽ nhận năng lượng vàđược nhẩy lên mức năng lượng cao hơn. Đây chính là nguyênnhân chính gây ra hiện tượng suy hao cho tín hiệu quang.

Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử ở mứcnăng lượng cao chuyển xuống mức năng lượng thấp, đồng thờiphát ra một photon có mức năng lượng Ev bằng độ lớn dải cấmEg. Mỗi một vật liệu sẽ có một thời gian sống khác nhau, khihết thời gian sống nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát. Đây chínhlà nguyên nhân gây ra nhiễu của bộ khuếch đại.

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi có một ánhsáng có năng lượng photon Ev chính bằng năng lượng dải cấmEg. Khi đó, một điện tử ở mức năng lượng cao sẽ bị chuyểnxuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon có cùng phavới ánh sáng kích thích. Đây chính là nguyên lý khuếch đạicủa bộ khuếch đại quang.

Có thể dễ dàng nhận thấy rằng, hiện tượng bức xạ tựphát có thể xảy ra bất ký lúc nào, và sẽ gây ra nhiễu cho bộ

10

khuếch đại, được gọi là nhiễu tự phát(ASE). Hiện tượng hấpthụ thì sẽ gây ra suy yếu bộ khuếch đại. Như vậy, nếu mật độnăng lượng trong vật liệu khuếch đại là thấp sẽ gây ra hiệntượng hấp thụ lớn. Điều đó dẫn đến, nếu muốn khuếch đại lớnchúng ta phải thực hiện đảo mật độ hạt.1.2.2 Ứng dụng của khuyếch đại quang

Hình 1.4. Các ứng dụng khuếch đạia) Khuếch đại công suất(Booster Amplifier)b) Khuếch đại trên tuyến (in-line amplifỉer)c) Bộ tiền khuếch đại(Preamplifier)

Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thốngtruyền dẫn quang như các bộ khuếch đại nhằm làm tăng côngsuất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc phục suy haodo sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền.Tuỳ theo vị trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyềndẫn quang được chia làm ba loại:

Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếchđại quang được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm

11

tăng công suất quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cáchtruyền cực đại. Yêu cầu của các bộ khuếch đại công suất làtạo ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độ lợi cựcđại vì công suất tín hiệu ngõ vào lớn.

Khuếch đại trên tuyến (In-line Amplifier): là bộ khuếchđại quang được đặt ngay trên tuyến quang nhằm mục đích bùmất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nốivà suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng. Cácbộ khuếch đại đường dây có thể được lắp đặt nối tiếp nhautrên đường truyền để làm gia tăng khoảng cách lắp đặt. Tuynhiên, việc lắp đặt nối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ làmgiảm hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyềndẫn quang.

Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đạiquang được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đạitín hiệu ngay trước khi tin hiệu được đưa vào thiết bị. Điềunày làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt của bộ nhạy thiết bị thu vàcho phép hệ thống truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bitcao hơn. Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại hoạt độngvới công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao.Do vậy, yêu cầu của bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, hệ sốG trung bình nhưng thông số nhiễu phải rất thấp. Khuếch đạiquang Raman có thông số nhiễu nhỏ, vì vậy chúng luôn được sửdụng cho tiền khuếch quang.

Tuy nhiên khuyếch đại quang chỉ bù được công suất quangđã bị suy hao trong tuyến truyền dẫn. Do khuyếch đại quangkhông cải thiện được các tạp âm, tán sắc và các hiệu ứngquang phi tuyến, cho nên tuyến thông tin quang sử dụngkhuyếch đại quang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệuứng nêu trên tạo ra.

Sử dụng khuyếch đại quang trong hệ thống thông tinquang đa bước sóng WDM có ý nghĩa công nghệ quan trọng vì

12

khuyếch đại quang có thể khuyếch đại tất cả các bước sóngtới trong băng tần khuyếch đại.1.2.3 Các thông số chính của sợi quang1.2.3.1 Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại Hầu hết các bộ khuếch đại quang đều được thực hiệnthông qua hiệu ứng bức xạ kích thích. Khuếch đại đạt đượckhi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm quang, hay bơm điện đểđảo lộn mật độ. Nhìn chung khuếch đại quang không chỉ phụthuộc vào bước sóng truyền mà còn phụ thuộc vào cường độbơm,mật độ hạt có trong vật liệu. Chúng ta coi vật liệu làđồng nhất, ta có được phương trình sau:

(1.1)

Trong đó g0 là giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần sốcủa tín hiệu quang tới, ω0 là tần số truyền trung tâm, P làcông suất của tín hiệu được khuếch đại Ps là công suất bãohoà . Công suất bão hoà Ps phụ thuộc vào các tham số của môitrường khuếch đại. Hệ số T2 trong phương trình 1.1 được gọilà thời gian hồi phục phân cực, thường nhỏ hơn 1 ps. Phươngtrình 1.1 có thể dùng mô tả các đặc tính quan trọng của bộkhuếch đại như là băng tần độ lợi, hệ số khuếch đại và côngsuất đầu ra bão hoà. Ở chế dộ chưa bão hoà, coi P/Ps <<1, khi đó phươngtrình 1.1 trở thành:

(1.2) Từ phương trình này có thể nhận thấy, hệ số độ lợilớn nhất khi tần số khuếch đại ω=ω0 tần số trung tâm.

13

Nếu gọi Pin, Pout lần lượt là công suất đầu vào và đầura của bộ khuếch đại.Vậy thì hệ số khuếch đại là :

G=(1.3)

Hệ số khuếch đại là một thông số quan trọng của bộkhuyếch đại. Nó đặc trưng cho khả năng khuyếch đại côngsuất ánh sáng của bộ khuyếch đại. Tuy nhiên, hệ số khuếchđại của một bộ khuyếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bãohoà khuếch đại. Điều này làm giới hạn công suất quang ra cựcđại của bộ khuyếch đại.Mặt khác ta lại có công thức sau

(1.4)Suy ra:

P(z) = Pin exp(gz)(1.5)Với P(z) là công suất tín hiệu tại vị trí z so với đầu vào. Giả sử khoảng rộng của bộ khuếch đại là L, khi đóPout =P(L). Suy ra hệ số khuếch đại của tín hiệu quang có độdài L là:

G(ω)= = =

(1.6) Dễ dàng nhận thấy rằng, g(ω) đạt giá trị lớn nhấttại ω=ω0 nên G(ω) cũng đạt giá trị lớn nhất tại ω0. Và giátrị hai hệ số này cũng đều giảm khi (ω-ω0 ) tăng, Ta có biểuđồ sau:

14

Hình 1.5. Mối tương quan hệ sốkhuếch đại và hệ số độ lợi1.2.3.2Băng thông độ lợi

Băng thông độ lợi được định nghĩa là =2/T2 hay là:

(1.7)

Như vậy, nếu với bộ khuếch đại quang bán dẫncó T2 =60fs. Bộ khuếch đại băng rộng thích hợp với các hệthống viễn thông thông tin quang, vì độ lợi của cả băng tầngần như là hằng số, thậm chí cả khi đó là tín hiệu đa kênh.Băng tần khuếch đại được định nghĩa là một FWHM(fullwidth at half maximum-độ rộng xung tại nửa giá trị cực đại),và liên quan với theo công thức sau:

(1.8)Với G0 = exp(g0L).

15

Dễ dàng nhận thấy, băng tần khuếch đại nhỏ hơn băngtần độ lợi, và sự khác biệt này còn tuỳ thuộc vào độ lợikhuếch đại.1.2.3.3 Công suất ngõ ra bão hoà Độ lợi bão hoà

Độ bão hoà của độ lợi phụ thuộc vào giá trị g(ω) trongphương trình 1.1. Dễ dàng nhận thấy rằng, khi P tiến tới Ps

thì giá trị g giảm dần, đồng thời hệ số khuếch đại G cũnggiảm theo độ tăng của công suất tín hiệu. Chúng ta coi giátrị đỉnh xảy ra khi ω=ω0 . Theo 1.1 và 1.4, chúng ta có:

(1.9)

Xét phương trình với chiều dài bộ khuếch đại là L, vàcoi P0=Pin và P(L)=GPin =Pout , từ đó ta có phương trình:

G=G0 exp (

)(1.10)

Dễ dàng nhận thấy, G bắt đầu giảm dần từ giá trị đỉnhG0 khi giá trị Pout đạt gần tới giá trị công suất bão hoà Ps

mô tả trong hình 1.4.

16

Hình 1.6. Sự phụ thuộc của công suất ra (theoPs) theo G(theo G0)

Công suất ngõ ra bão hoà (Saturation Output Power)

Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ởngõ ta sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ở ngõ vào theohệ số G: Pout = G.Pin. Tuy nhiên, công suất ngõ ra không thểtăng mãi được. Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trongtất cả các bộ khuyếch đại quang, khi công suất ngõ vào Pin

tăng đến một mức nào đó, hệ số G bắt đầu giảm. Kết quả làcông suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệungõ ra nữa mà đạt trạng thái bão hoà.

Công suất ra bão hoà của một bộ khuyếch đại quangcho biết công suất ngõ ra lớn nhất mà bộ khuyếch đại đó cóthể hoạt động được. Thông thường, một bộ khuyếch đại quangcó khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão hoà cao bởi vì sựnghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dảicông suất vào và ra rộng.

Từ công thức 1.10, chúng ta xem xét đến công suất ngõra bão hoà,là công suất lớn nhất tạo được ở cổng ra, ký hiệulà . Có thể nhận thấy rằng, giá trị độ lợi này đạt đượckhi độ lợi khuếch đại giảm từ 2 đến 3 dB, tương ứng với giátrị G=G0/2. Khi đó, ta có công thức:

17

=

(1.11)1.2.3.4 Hệ số nhiễu Cũng giống như các hệ thống thông tin quang khác,bộ khuếch đại này cũng có nhiễu. Nguyên lý của bộ khuếch đạilà dựa trên nguyên lý bức xạ kích thích. Nhưng trong quátrình khuếch đại, có rất nhiều các điện tử hết thời giansống, chuyển đổi từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượngthấp, hay từ dải dẫn sang dải hoá trị, đây chính là bức xạtự phát. Bức xạ này, khi có phương cùng luồng điện tử, sẽgây ảnh hưởng lên biên độ và pha của tín hiệu. Hiện tượngnày được gọi là hiện tưọng nhiễu xạ tự phát ASE. Do vậy,công suất cửa ra gồm có công suất vào khuếch đại và côngsuất bức xạ tự phát:

Pout=G.Pin+PASE (1.12) Ảnh hưởng nhiễu đối với bộ khuếch đại quang đượcbiểu diễn bởi hệ số nhiễu NF, mô tả sự suy giảm tỷ số tínhiệu trên tạp tại đầu ra và đầu vào:

Hay NF=SNRin(dB)-SNFout(dB)(1.13) Người ta cũng chứng minh được rằng, giá trị hằngsố nhiễu tính cụ thể theo công thức sau:

NF=2nsp 2nsp

(1.14)

18

Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ càngtốt,và giá trị nhỏ nhất có thể đạt được là 3dB. Tại giá trịnày,chúng ta gọi là giá trị lượng tử.1.3 Phân loại khuếch đại quang

Trong một bộ khuếch đại quang ,quá trình khuếch dại ánhsáng được thực hiện trong vùng tích cực. Các tín hiệu quangđược khuếch đại trong vùng tích cực với độ lớn hay nhỏ thìphụ thuộc vào năng lượng được cung cấp từ nguồn bơm bênngoài. Tuỳ theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chiakhuếch đại quang thành hai loại chính là: Khuếch đại quangbán dẫn SOA và khuếch đại quang sợi OFA.

Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực đượccấu tạo bằng vật liệu bán dẫn. Nguồn cung cấp năng lượng đểkhuếch đại tín hiệu là dòng điện.

Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là sợiquang được pha đất hiếm. Nguồn cung cấp năng lượng là lasercó bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cầnkhuếch đại .

Một trong những loại OFA tiêu biểu là EDFA. EDFA cónhiều ưu điểm về đặc tính ký thuật so với SOA. Ta sẽ chủ yếutập trung nghiên cứu vào EDFA ở phần tới.

Ngoài ra, còn có một loại khuếch đại được sử dụng nhiềutrong các hệ thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman. Khuếchđại Raman cũng sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếchđại ánh sáng.

SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên phát xạ kích thíchcòn khuếch đại Raman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợiquang(hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS) hơn là hiệntượng phát xạ kích thích.

19

1.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn.

Hình 1.7. Sơ đồ khối một SOAKhuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical

Amplifier - SOA) là hệ khuếch đại tín hiệu quang với môitrường khuếch đại sử dụng vật liệu bán dẫn. Hệ khuếch đạinày có cấu trúc tương tự như những diode laser Fabry-Perot,nhưng được trang bị thêm các lớp chống phản xạ ở hai gươngcủa môi trường khuếch đại (hệ số phản xạ nhỏ hơn 0.001%) đểtránh cộng hưởng tạo nên hiệu ứng laser.

Hoạt động của SOA dựa vào nguyên lý khuếch đại sóngchạy (traveling-wave) trong vùng điện tích không gian nằmgiữa 2 vùng bán dẫn loại p và loại n. Khi có dòng điện bơmcho SOA, các điện tử sẽ được bơm vào vùng dẫn (bán dẫn loạin) và lỗ trống bơm vào vùng hóa trị (bán dẫn loại p). Photonđến có bước sóng thích hợp sẽ kích thích điện tử và lỗ trốngtái hợp trong miền điện tích không gian và sẽ phát xạ thêmmột photon nữa có cùng tần số và pha với photon đến, như vậytín hiệu quang đã được khuếch đại.

Các hệ khuếch đại quang bán dẫn được làm từ hợp chấtbán dẫn như GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP, các vậtliệu này có thể khuếch đại quang trong vùng bước sóng từ0.85 µm đến 1.6 µm. Bước sóng khuếch đại của SOA phụ thuộcvào độ rộng vùng cấm và có thể thay đổi tùy theo loại vậtliệu bán dẫn. Các loại khuếch đại quang bán dẫn dùng trong

20

thông tin quang sợi là loại có phổ khuếch đại trong vùngbước sóng 1310 nm và 1550 nm.Những ưu điểm của SOA:

- Băng tần khuếch đại khá rộng 40 nm – 80 nm.- Kích thước nhỏ gọn và dễ bảo trì.

Nhược điểm của SOA:- Đặc điểm của SOA là vùng không gian khuếch đại dẫn

sóng có chiều dài khá bé (cỡ mm) nên khó đạt được hệ sốkhuếch đại cao (G < 16 dB).

- Công suất tín hiệu quang lối ra thấp (P < 10 dBm).- Hệ số tạp âm NF khá cao (NF ~ 7 - 10 dB ).- Nhạy cảm với phân cực ánh sáng của tín hiệu quang,

nên công suất quang lối ra không ổn định.- Các hiệu ứng phi tuyến như hiện tượng xuyên kênh,

trộn 4 sóng xảy ra khá mạnh.

Hình 1.8. Các ứng dụng cơ bản của SOA

Các ứng dụng cơ bản của SOA trong các hệ thống thôngtin quang có thể phân thành ba loại: khuếch đại công suất đểtăng công suất phát của laser, khuếch đại đường truyền để bùsuy hao truyền dẫn của sợi quang và tiền khuếch đại để cảithiện độ nhậy thu.1.3.2 Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA)

Nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+, cóthể tóm tắt như sau:

21

- Ion Er3+ có sơ đồ các mức năng lượng như hình 1.9, quátrình khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+ chủ yếuliên quan đến 3 mức năng lượng bên dưới của ion Er3+, đó làcác mức 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2.

Hình 1.9. Sơ đồ các mức nănglượng của ion Er3+ tự do

- Đặc điểm rất quan trọng là mức năng lượng 4I13/2 cóthời gian sống rất lớn (τ ~ 10 ms) so với thời gian sống củacác mức 4I11/2 và 4I9/2 (τ ~ μs). Khi kích thích thủy tinh phatạp erbium bằng laser có bước sóng 980 nm hoặc 810 nm, cácion Er3+ sẽ chuyển dời từ mức cơ bản 4I15/2 lên mức năng lượng4I11/2 hoặc 4I9/2, vì thời gian sống của ion Er3+ ở trạng tháimức năng lượng 4I11/2 và 4I9/2 rất bé nên các ion Er3+ sẽ nhanhchóng chuyển dời không phát xạ về mức kích thích 4I13/2.

- Thời gian sống của ion Er3+ ở mức 4I13/2 lớn hơn hàngngàn lần so với các mức bên trên, nên khi bơm với mật độnăng lượng đủ lớn chúng ta dễ dàng tạo được trạng tháinghịch đảo mật độ phân bố giữa mức 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2.

22

- Khi một photon có bước sóng trong vùng 1550 nm đi vàovùng dẫn sóng thủy tinh pha tạp Er3+ có nghịch đảo mật độtrạng thái giữa hai mức 4I13/2 và 4I15/2, hiện tượng phát xạcưỡng bức sẽ xảy ra. Photon tới sẽ kích thích ion Er3+ chuyểndời từ mức 4I13/2 về mức cơ bản 4I15/2, chuyển dời này phát xạthêm một photon nữa có cùng bước sóng và pha với photon tới,đây chính là nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh phatạp Er3+.

Khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp ion Er3+ đã gópphần rất lớn trong phát triển thông tin quang sợi vì vùngbước sóng khuếch đại phù hợp với cửa sổ thông tin thứ 3(1530 nm – 1610 nm) đang được sử dụng, hiện nay có rất nhiềucác nghiên cứu cơ bản về tính chất quang của thủy tinh phatạp Er3+ nhằm chế tạo được các hệ khuếch đại quang có chấtlượng ngày càng hoàn thiện.

- Khuếch đại quang Raman (Raman Optical Amplifier:ROA):dựa trên cơ sở tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường cótán xạ Raman mạnh. Môi trường tán xạ Raman là sợi quang cópha tạp Ge với nồng độ cao và có cấu trúc dẫn sóng phức tạp(sợi quang bù tán sắc –DCF). Khác với khuếch đại quang sợipha tạp Erbium, yêu cầu đối với ROA là nguồn bơm có côngsuất cao (vài trăm miliwatt trở lên) và sợi quang có độ dàitừ vài kilômét đến vài chục kilômét. Khuếch đại quang Ramansử dụng trong hệ thống thông tin quang chủ yếu dựa vào sóngStoke phát ra từ tán xạ Raman trên các phân tử trong sợiquang. Do sóng Stoke từ tán xạ Raman yếu, vì vậy sợi quangcần phải có độ dài lớn (hàng chục kilômét) để tích luỹ sóngStoke dọc theo sợi quang. Đây là điều khác biệt rất cơ bảngiữa ROA và EDFA. Kết luận chương I Chương này đã giới thiệu tổng quan về khuếch đại quang.Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang.Một số thông số của bộ khuếch đại quang. Ứng dụng của bộ khuếch đạiquang.Các khảo sát về tán xạ Raman và khuếch đại quang Raman

23

được trình bày chi tiết trong chương 2 và một số kết quả thực nghiệm về hiệu ứng Raman trong sợi quang có pha tạp Ge cao (sợi nhạy quang) kết hợp sợi quang tiêu chuẩn sẽ trình bày trong chương 3 của khoá luận này.

Chương 2. Hiệu ứng tán xạ Raman và bộkhuếch đại

quang sợi Raman2.1 Hiệu ứng tán xạ Raman

Hiện tượng tán xạ Raman được nhà khoa học Raman pháthiện ra vào năm 1928. Khi hội tụ chùm sáng vào môi trườngvật chất (chất lỏng) ông phát hiện ra rằng, trong chùm sángthứ cấp sau khi đi qua môi trường, ngoài thành phần có tầnsố bằng tần số ánh sáng tới còn có hai thành phần ánh sángcó tần số lớn hơn và nhỏ hơn.

24

Hiệu tần số của các thành phần chính bằng tần số dịchchuyển giữa các mức năng lượng dao động hoặc quay của phântử môi trường. Như vậy khi chiếu một chùm ánh sáng có tần sốν0 vào một môi trường gồm các phân tử sẽ xảy ra hiện tượngsau: Tán xạ Rayleigh tự phát, là ánh sáng thứ cấp, tần sốbức xạ của nó bằng tần số ánh sáng chiếu vào ν0;

Hình 2.1. Hiện tượng tán xạ RamanTán xạ Raman tự phát: là kết quả tương tác của ánh sáng

tới với những kiểu dao động hoặc quay của phần tử môitrường. Tán xạ Raman bao gồm hai thành phần Stokes và đốiStokes. Thành phần Stokes ứng với tần số nhỏ hơn tần số ánhsáng tới νS = ν0– νR, thành phần đối Stokes có tần số lớn hơntần số của ánh sáng tới νA = ν0 + νR

25

J

Mức trung gian bơmstokes đối stokes

bj

b Eb - Ea = hνR

aj a

Hình 2.2. Sơ đồ các mức năng lượng và các chuyển dịch trong tán xạRaman a,b:

các mức dao động; aj, bj: các mức quay; J: là các mức điện tử kích thích caoHiện tượng tán xạ Raman tự phát được giải thích dựa trên

sơ đồ lượng tử các mức năng lượng của phân tử trình bàytrong hình 2.1. Các mức năng lượng của điện tử bao gồm cácmức điện tử được đánh số a,b… trong đó J là các mức điện tửkích thích cao. Trong mức điện tử cơ bản chứa nhiều mức daođộng. Các mức dao động này cách nhau một khoảng bằng nhauứng với tần số ωd nằm trong vùng hồng ngoại trung.Trong mỗimức năng lượng dao động này lại có nhiều mức quay. Các mức

26

quay này cách nhau một khoảng bằng nhau ứng với tần số ωq

nằm trong vùng hồng ngoại xa. Đối với môi trường tán xạRaman các mức kích thích cao J được gọi là các mức cộnghưởng xa khi có điều kiện ν0 << (Ej –Ea)/h; và gọi là kíchthích

νS νS ν0 νA νA

Hình 2.3. Các quá trình tán xạNguốn sáng chiếu vào môi trường có tần số ν0, là tập hợp

các photon có năng lượng hν0. Sau khi hấp thụ photon, cácphân tử đang ở trạng thái a hoặc b sẽ chuyển dời lên một mứcnăng lượng trung gian nào đó (Etg<Ej). Nguyên tử hay phân tửtồn tại ở trạng thái trung gian một thời gian nhất định rồichuyển dời về trạng thái có mức năng lượng a hoặc b và táibức xạ ra photon. Phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và trạngthái cuối của các dịch chuyển mà có thể bức xạ thứ cấpRayleigh, Stokes hay đối Stokes.

Nếu trạng thái ban đầu và trạng thái cuối đều là a hoặcđều là b (cùng mức năng lượng) ta có tán xạ Rayleigh. Nếutrạng thái ban đầu có mức năng lượng thấp hơn mức năng lượngcủa trạng thái cuối thì ta có tán xạ Raman Stokes. Ngược lạinếu trạng thái ban đầu có mức năng lượng lớn hơn trạng tháicuối ta có đối Stokes. Cường độ ánh sáng tán xạ khác nhauđối với tần số khác nhau. Trong đó mạnh nhất là tán xạRayleigh với tần số ν0.

Điều này có thể giải thích trong trạng thái cân bằngnhiệt: phần lớn các phân tử nằm ở trạng thái năng lượng thấpnhất a tuân theo phân bố Boltzmann. Số phân tử nằm ở trạngthái dao động kích thích b là rất nhỏ. Do đó khi các photontới tác động vào môi trường thì số lượng phân tử có nănglượng thấp sẽ hấp thụ nhiều photon hơn. Từ nguyên tắc nàyngười ta luôn nhận được cường độ ánh sáng Stokes lớn hơncường độ đối Stokes. Chúng ta chỉ quan sát được sóng đốiStokes khi kích thich bằng ánh sáng không đơn sắc có cườngđộ rất cao.

27

ν

2.2 Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (SRS)Tán xạ Raman được trình bày tổng quát ở trên là loại tán

xạ tự phát đặc trưng cho một quá trình tán xạ Raman phổ rộngcó cường độ yếu và hiệu suất không lớn, thậm chí đối vớinhững chất ngưng tụ mạnh (mật độ cao) thì tiết diện tán xạtrong một đơn vị thể tích đối với tán xạ Raman Stokes cũngchỉ đạt 10-6 cm-1, có nghĩa là nếu có 106 hạt đi qua 1 cm môitrường thì chỉ có một hạt được tham gia tán xạ. Dưới sự kíchthích bởi chùm laser với mật độ photon rất lớn hiệu suấttán xạ Raman trong môi trường sẽ được nâng cao lên rất nhiều( có thể đạt đến 20-30 %). Tán xạ Raman cưỡng bức tiêu biểucho một quá trình tán xạ mạnh với tác dụng của trường laservà vật chất.

Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (Stimulated Ramaneffect) là hiện tượng xảy ra khi đưa vào môi trường dẫn sónghai nguồn ánh sáng là nguồn laser bơm có tần số ν và tínhiệu quang ở tần số Stokes (ν– νd). Trong mô hình bơm quangnày các photon tín hiệu có tần số (ν– νd) sẽ cưỡng bức cácphân tử cùng dao động và làm phát sinh thêm một photon nữacó cùng tần số và pha với photon đến. Quá trình tán xạ cưỡngbức sẽ được tiếp tục nhân lên bên trong lõi sợi quang.

Bản chất của hiện tượng tán xạ Raman cưỡng bức là cácnguyên tử của sợi quang hấp thụ năng lượng từ các photonphát ra từ nguồn bơm có bước sóng nhỏ hơn bước sóng tínhiệu. Khi đó, các nguyên tử sẽ nhảy từ trạng thái có mứcnăng lượng thấp sang trạng thái có mức năng lượng cao hơn(mức năng lượng trung gian). Khi có photon của tín hiệu đếnthì nó sẽ kích thích các nguyên tử đang ở trạng thái có mứcnăng lượng cao. Kết quả là các nguyên tử nhảy xuống mức thấphơn phát phát ra photon mới có cùng bước sóng và pha vớiphoton tín hiệu đến.

28

E3

E2

Tín hiệuћ (ν – νd)

Hình 2.4. Mô tả quá trình tán xạ Raman cưỡng bức

Hình 2.4 mô tả hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức trong môitrường có 3 mức năng lượng, trong đó:

E1 : mức năng lượng nền.E2 : mức năng lượng dao động.E3 : mức năng lượng trung gian.Nhiều kết quả nghiên cứu tán xạ Raman trong thuỷ tinh

SiO2 :GeO2 để chế tạo sợi quang cho thấy: độ dịch chuyểnRaman Δλ ~ 80nm - 100 nm, phụ thuộc vào nồng độ và cấu trúcsợi quang. Nếu ta dùng bước sóng bơm λp = 1450 nm thì tínhiệu quang có bước sóng λs = λp + Δλ =1550 nm (trùng với vạchStokes) sẽ được khuếch đại.

Khi cường độ ánh sáng kích thích hay cường độ laser bơmmạnh hơn một giá trị ngưỡng xác định thì ánh sáng Stokesphát ra được khuếch đại theo hàm mũ. Quá trình này gọi làtán xạ Raman cưỡng bức.

Biểu thức thể hiện sự thay đổi công suất sóng bơm vàsóng tín hiệu theo khoảng cách z.

(2.1)

29

Laser bơm h ν

E1

αs, αp : độ hao phí của sóng tín hiệu, sóng bơmkhi truyền trong sợi quang.

𝑔r : hệ số khuếch đại Raman trong sợi quang.Nếu chúng ta bỏ qua số hạng thứ nhất bên vế phải của

phương trình (2.1) (số hạng thể hiện sự suy giảm của sóngbơm ), ta được.

(2.2)

Aeff :tiết diện hiệu dụng cho sự tăng cường Raman. Leff: Chiều dài hiệu dụng đối với sóng bơm.Hệ số khuếch đại Raman đối với sóng tín hiệu:

(2.3)

Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức không những có ưu điểmvề mặt cường độ mà còn có ưu điểm về mặt cấu trúc chùm tiaphát xạ. Nhờ hiệu ứng phát xạ cưỡng bức mà các photon phátxạ sẽ cùng pha và cùng hướng với photon kích thích.2.3 Khuếch đại quang Raman 2.3.1 Khuếch đại quang Raman.

Thiết bị khuếch đại quang Raman (Raman OpticalAmplifier) sử dụng trong hệ thống thông tin quang dựa trênnguyên lý tán xạ Raman cưỡng bức trong sợi quang với cácloại sợi có cấu trúc dẫn sóng đặc biệt (sợi DCF) hoặc sợipha tạp Ge nồng độ cao (sợi nhạy quang).

Mô hình lý thuyết để giải thích hiệu ứng tán xạ Ramancưỡng bức sử dụng trong khuếch đại quang dựa trên hệ thống

30

các cặp phương trình vi phân mô tả sự tiến triển của côngsuất nguồn bơm, công suất phát xạ ngẫu nhiên và công suấttín hiệu khuếch đại dọc theo trục sợi quang (trục z). Các hệphương trình này có thể áp dụng cho kiểu bơm một hoặc bơmnhiều bước sóng cho khuếch đại Raman, đồng thời cũng chỉ rasự ảnh hưởng của bơm tới bơm, bơm tới tín hiệu, tín hiệu tớitín hiệu và sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới bức xạ Raman tựphát được khuếch đại (ASE)

31

(2.4)

Trong đó là công suất của bơm hoặc tín hiệu ở giá trịk, là công suất của nhiễu ASE dọc theo hướng lan truyền

, h là hằng số Planck, là phân cực của ánh sáng tínhiệu, Aefc là diện tích hiệu dụng của sợi quang, η(T) là hệsố giam giữ phonon.

Với việc lựa chon các giá trị α = 0.2 dB/Km; kp = 2;η(300K) = 0.1226 và Aefc = 80 μm2 .Tính được hệ số khuếch đại Gon/off và chỉ số tạpâm.

(2.5)

32

Trong đó PS là công suất tín hiệu; PASE là công suất ASEthuận; Δν là băng thông; ν là tần số của tín hiệu.

Hệ số khuếch đại Raman thay đổi theo độ chênh lệch bướcsóng giữa tín hiệu và nguồn bơm được biểu diễn bởi hình 2.5.Hệ số khuếch đại Raman tăng hầu như tuyến tính với độ chênhlệch bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm (wavelengthoffset) và đạt giá trị đỉnh tại 100 nm và giảm nhanh chóngsau đó.

Băng thông khuếch đại này có thể đạt từ 45-50 nm tínhtừ hệ số khuếch đại cực đại.

Hình 2.5. Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại Raman theo độ chênh lệchbước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm theo đơn vị bước sóng

33

45- 50

2.3.2 Độ lợi băng thông gr của phổ Raman trong sợi thủy tinhSilica tinh khiết và trong sợi nhạy quang , sợi bù tán sắc DCF

Quá trình chuyển đổi năng lượng giữa nguồn bơm và Stokesđược đặc trưng bởi một thông số được gọi là hệ số độ lợiRaman . Giá trị này phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc vậtliệu của lõi sợi quang và thành phần pha tạp trong đó. Đồthị biểu diễn độ lợi băng thông đối với thủy tinh silicatinh khiết có một vùng chính và nhiều vùng nhỏ cực đại xungquanh. Nếu tính đến các đỉnh nhỏ trong phổ thì hệ số độ lợiRaman đạt băng thông rộng đến khoảng 40 Thz. Hệ số độ lợicực đại gần như là không đổi trong vùng băng tần từ 9Thz đến16 Thz. Nó có nghĩa là vùng hệ số khuếch đại cao này dịchchuyển xung quanh 13 Thz (tại bước sóng 1550 nm thì ứng vớiđộ dịch bước sóng lân cận khoảng ). Giá trị hệ sốđộ lợi băng thông Raman cực đại trong thủy tinh nguyên chấtlà .

Hình 2.6. Độ lợi băng thông Raman được chuẩn hóa ứng với độ dịchtần số tính từ tần số ánh sáng nguồn bơm

34

Độ dịch tần (THz)

Độ lợi băng thông Raman đã

được chuẩn hóa

BW

Độ lợi băng thông Raman tỷ lệ nghịch với bước sóng nguồnbơm và phụ thuộc vào trạng thái phân cực của sóng. Độ lợinày đối với quá trình phân cực song song (ánh sáng nguồn bơmvà ánh sáng tín hiệu có cùng cực) thì cao hơn nhiều so vớitrường hợp phân cực trực giao (ví dụ như khi ánh sáng nguồnbơm phân cực trực giao với sóng Stokes ).

Tuy nhiên trong sợi quang thì do hiện tượng lưỡng chiếtmà các trạng thái phân cực của nguồn bơm và sóng Stokes thayđổi liên tục và nếu sợi quang đủ dài thì hệ số khuếch đạiRaman hiệu dụng là giá trị trung bình của các hệ số khuếchđại song song và trực giao.

Khi pha tạp thêm GeO2 vào sợi quang Silica khi đó chiếtsuất của lõi sợi tăng lên. Với việc pha GeO2 sẽ tạo ra sợinhạy quang hoặc sợi bù tán sắc với nồng độ pha GeO2 khácnhau. Khi bơm chùm laser có bước sóng thích hợp vào 2 loạisợi này, chúng ta nhận được đỉnh của độ lợi băng thông Ramancao hơn, đồng thời độ dịch bước sóng cũng ngắn hơn so vớisợi thủy tinh Silica thuần.

Chúng ta nhận thấy rằng độ chênh lệch giữa chiết suấtlõi và vỏ càng cao thì thu được đỉnh độ lợi Raman càng lớn.Trong sợi nhạy quang và bù tán sắc có độ lệch chiết suất tỷđối lớn hơn so với sợi thường khoảng một bậc (10 lần).

35

Độ l

ợi R

aman

Bước sóng [µm]

Hình 2.7. Phân bố độ lợi Raman khi pha tạp germanium vào sơi quang, khi được bơm bằng nguồn laser có bước sóng 1.24 µm. n = n∆ 2 – n1, trong đó n2, n1 là chiết suất lõi và vỏ của sợi quang2.3.3 Mô hình của bộ khuếch đại quang Raman

Cấu trúc tiêu biểu của một bộ khuếch đại Raman như sau:

Tín hiệu vào Isolater

Sợi nhạy quang hoặc sợi DCF

Hình 2.8. Sơ đồ bộ khuếch đại quang Raman điển hình

Bộ khuếch đại quang Raman bao gồm các linh kiệnquang tử và quang – điện tử sau: - Nguồn laser bơm bán dẫn có công suất cao (có thể 1 hoặcnhiều laser bán dẫn ghép nối kiểu cộng công suất) dùng đểbơm quang vào sợi tạo hiệu ứng Raman tự phát.- Môi trường khuếch đại quang trên cơ sở tán xạ Raman có thểsử dụng sợi nhạy quang hoặc sợi DCF có độ dài thích hợp.- Linh kiện cách ly quang (Isolater)dùng để cho ánh sáng chỉđi theo một chiều trong sợi và ngăn ánh sáng

36

WDM

Laser bơm

phản xạ chiều ngược vào môi trường khuếh đại để tránh gâynhiễu cho bộ khuếch đại.- Linh kiện WDM dùng để kết hợp nguồn bơm và tín hiệu để tạohiệu ứng Raman cưỡng bức cũng như dùng để đưa tín hiệu vàobộ khuếch đại. Có một số cấu hình bơm phổ biến cho khuếch đại quangRaman như: Có thể dùng cách bơm đồng hướng tức là bơm cùngchiều với chiều tín hiệu. Cũng có thể bơm ngược hướng tức làbơm ngược với hướng truyền tín hiệu. Ngoài ra còn cách bơmsong công tức là bơm từ cả 2 hướng. Mỗi cấu hình bơm cónhững ưu nhược điểm khác nhau.

Hình 2.9. Cấu hình bơm đồng hướng cho khuếch đại quangRaman phân bố

37

Pump

Fiber rrSign

al

Pumppp

Coupler

Pump

Fiber

Isolatorrrr

Signal

Hình 2.10. Cấu hình bơm ngược hướng cho khuếch đại quangRaman phân bố.2.3.3 Khuếch đại dải rộng của khuếch đại Raman

Khuếch đại Raman với một nguồn bơm có băng thông vàokhoảng 7THz (xấp xỉ 60 nm). Cửa sổ truyền qua của sợi quangvào khoảng 400 nm(1200 nm tới 1600). Khuếch đại băng thôngrộng do vậy là rất phù hợp.

Sử dụng nhiều nguồn bơm,khuếch đại dải rộng với độ lợithăng giáng nhỏ là có thể thiết kế được. Tuy nhiên cần nhớrằng trong cấu hình nhiều nguồn bơm, có sự chuyển đổi nănglượng giữa các nguồn bơm do hiệu ứng Raman.2.4 Ảnh hưởng của tán xạ raman trong hệ thống WDM

Nếu chỉ có một kênh truyền trong sợi quang, hiệu ứngRaman chỉ có thể quan sát được nếu như công suất của kênhtruyền lớn hơn ngưỡng nhất định. Do vậy nếu như mức ngưỡngquá cao, hiệu ứng SRS sẽ không quan sát được trong hệ thốngđơn kênh

Mọi chuyện sẽ khác trong hệ thống WDM.Tại đó sóngStokes ban đầu không phải được sinh ra bởi quá trình tựphát bởi các sóng có tần số nhỏ hơn vốn đã tự có trong hệthống. Hơn nữa công suất đầu vào của sóng Stoke là lớn haynhỏ nh ư công suất của nguồn bơm(kênh truyền mà có bước sóngngắn hơn đóng vai trò là nguồn bơm cho kênh truyền có bướcsóng dài hơn).

Với đỉnh độ lợi Raman dịch chuyển xung quanh 13Thz,cáckênh cách nhau 100nm sẽ ảnh hưởng lẫn nhau mạnh nhất. Nóicách khác, các kênh từ các băng L, C ảnh hưởng lẫn nhaunhiều hơn. Tuy nhiên, các kênh trong một băng cũng ảnh hưởnglẫn nhau dù cho ở một mức độ nhỏ hơn.

Với hệ thống DWDM ,tương tác Raman là vô cùng phức tạp.Mỗi một bước sóng vừa đóng vai trò là một nguồn bơm với bước

38

sóng nào dài hơn nó, vừa đóng vai trò là sóng Stoke với bướcsóng ngắn hơn nó. Do hiện tượng tán xạ Raman, mỗi kênh đềunhận năng lượng cũng như mất đi năng lượng. Có một sự chuyểnđổi công suất từ các kênh có tần số cao hơn đến các kênh cótần số thấp hơn. Nếu như tất cả các kênh có cùng công suấtnhư nhau, thì cuối cùng ta có phổ như sau:

Hình 2.11. Các kênh trong WDM không có tán xạ Raman

Hình 2.12. Các kênh trong WDM khi có tán xạ Raman

39

1530nm 1540nm

1530nm 1540nm

WDM Channels with Raman

WDM Channels with out Raman

Sự suy giảm công suất của các kênh truyền là một vấn đềtrong hệ thống WDM khi mà điều đó làm giảm SNR và làm tăngBER.

Sự suy giảm công suất của một kênh có thể tính toán khigiả thiết phổ của độ lợi Raman từ 0 đến 15 Thz. Nếu sự suygiảm công suất chấp nhận được của một kênh là 1dB, ta có mốiliên hệ công suất-băng thông: (nP)(n-1)∆f<500 (W-GHz) (2.6)

Với n là số kênh trong DWDM,P là công suất của kênh,∆f là khoảng cách giữa các kênh.

Nếu số lượng các kênh là nhỏ,công suất tối đa trên mộtkênh giảm theo 1/n, nếu số lượng kênh là lớn, công suất giảmtheo 1/n2. Biểu đồ của công suất tối đa trên một kênh là mộthàm của số kênh được chỉ ra theo hình:

40

mW

Maximum power per channel vs Number of channelsoffachacchannels ccccccchannels

n

Hình 2.13. Công suất tối đa trên một kênh và số lượng các kênh

Trong một hệ thống truyền tải xa với các bộkhuếch đại được sắp xếp tuần hoàn, SNR do sự xuất hiện củatán xạ Raman có thể tính toán được. Nếu sự suy giảm của SNRtrong kênh với bước sóng nhỏ nhất là 0,5 dB, số lượng cáckênh truyền n có thể được tính theo công thức:

(2.7)

Với Leff là chiều dài tương tác hiệu dụng của hệ thốngvới bộ khuếch đại.

Nhiễu công suất của hệ thống do khuếch đại:

(2.8)Với m là số bộ khuếch đại(m=L/LA, L là chiều dài liên kết

và LA khoảng cách giữa các bộ khuếch đại), hv là năng lượngphoton,nsp là hệ số nhiễu của khuếch đại, B0 là băng thôngquang học của bộ thu, và G là hệ số khuếch đại của mỗi bộkhuếch đại.

Nếu SNR đòi hỏi là R, công suất đầu vào trung bình củamỗi kênh là:

(2.9)Nếu như số lượng các kênh là lớn, khả năng truyền tải

có thể nhận được:

41

(2.10) Với giả thiết khoảng cách giữa các kênh gấp 6 lần tốc

độ dữ liệu và và băng thông bộ lọc 4 lần lớn hơn tốc độ dữliệu.

Với những chiều dài liên kết vào khoảng vài nghìn Km,khả năng truyền tải <100Gbps ngay cả với hệ thống DWDM.

Công thức trên đây không đúng đối với trường hợp cóhiệu ứng tán sắc hay phân bố tuỳ tiện của các bit là cáckênh khác nhau. Một số trường hợp, kết quả nhận được là rấtkém.Độ lợi Raman đạt được lớn nhất khi các xung của các kênhkhác nhau xuất hiện trong cùng thời điểm.Trong hệ thốngWDM, nếu các kênh khác nhau là không đồng bộ, và các bít dữliệu phân bố ngẫu nhiên giữa mức 0 và 1, các mức 1 trongtất cả các kênh sẽ không xuất hiện cùng lúc, mức trung bìnhcủa mức 1 trong bất kỳ kênh nào sẽ xuất hiện với mức 1 ởcác kênh khác. Tương tác Raman, do đó sẽ bị suy giảm.

Hơn nữa,do sợi quang là vật liệu tán sắc, do đó có sựkhác biệt về vận tốc nhóm trong các kênh khác nhau. Xung dữliệu của các kênh khác nhau sẽ xuống tương ứng với mỗi xunggiảm, điều đó làm giảm tương tác Raman .

42

Chương 3 Kết quả vàthảo luận3.1 Các thiết bị và linh kiện sử dụng trong thực nghiệmNguồn laser bơm công suất cao

Hình 3.1. Nguồn laser bơmphát xạ trong vùng 1420 -1480 nmcông suất đến 200 mW

Bộ nguồn bơm là mộtlaser bán dẫn có bước sóngλ = 1420-1460 nm có côngsuất cực đại là 200 mW,phát xạ đơn mốt, nhiệt độ làm việc luôn luôn được đặt ở250C. Laser được hàn trên mạch điện tử cung cấp dòng bơm đến700 mA, độ chính xác +/- 1%.

43

Laser bơm phát xạ tại bước sóng 1460 nm với độ rộngphổ khá hẹp đã cho công suất phát xạ tổng đạt đến 22, 75 dBm(gần 200 mW)tại dòng bơm660 mA.

Hình 3.2. Phổ phát xạ của mô-đun laser bơm…khi dòng bơm đạt660 mA, nhiệt độ đế laser 250C

Máy đo phổ quang (OSA)

44

Hình 3.3. Máy đo phổ quang (OSA) với băng tần từ 600 nm đến 1700nm, độ phân giải phổ 0,01 nm

Để đo phổ phát xạ laser và phổ tán xạ Raman xảy ra trongsợi quang chúng tôi sử dụng phân tích phổ quang. Thiết bị đophổ Advantest Q8384 là máy phân tích phổ chuyên dụng cho sợiquang sử dụng cách tử nhiễu xạ. Thiết bị Q8384 có độ phângiải phổ theo bước sóng 10pm, độ chính xác của bước sóng đo±20pm, vùng bước sóng hoạt động từ 600nm đến 1700nm, vùngcông suất quang đo được từ -87dBm đến 23dBm (tương đương từ1 pW đến 200 mW). Số liệu đo đạc được lấy ra bằng ổ đĩa mềm3.5 inch hoặc đồ thị qua máy in nội. Sợi nhạy quang (Photoensitive fiber)

Hình 3.4. Sợi nhạy quang với nồng độ pha tạp Ge đến 18 mol% sử dụngtrong thực nghiệm

Sợi nhạy quang có nồng độ pha tạp Ge cao được chế tạonhằm mục đích sử dụng trong một số linh kiện quang sợi đặcbiệt như: cách tử Bragg trong sợi quang(FBG), bộ trễ quang…Các nghiên cứu gần đây cho thấy sợi nhạy quang sử dụng nồngđộ Ge pha tạp từ 14 mol% trở lên có thể dùng để tạo môitrường tán xạ Raman mạnh cho bộ khuếch đại Raman. Cần lưu ýrằng, các bộ khuếch đại Raman đang sử dụng trên tuyến thựctế luôn luôn có cấu trúc sợi quang tiêu chuẩn + sợi quang

45

đặc biệt (DCF hoặc nhạy quang), vì vậy chúng tôi cũng tiếnhành nghiên cứu theo cấu trúc này.Bộ ghép đa bước sóng (WDM)

Bộ ghép kênh theo bước sóng, cho phép ghép các bướcsóng trong khoảng 1420 nm - 1490 nm được sử dụng để khảosát cấu hình bơm – tín hiệu và các cấu trúc bơm đa bước sóngcho bộ khuếch đại ROA.

Hình 3.5. Bộ ghép kênh theo bước sóng WDM 1480/1550 nm.

3.2 Sơ đồ thiết lập cho thực nghiệm Sơ đồ khảo sát hiệu ứng laser cưỡng bức

Sợi nhạy quang

Hình 3.6. Sơ đồ khảo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức.

46

WDM

Laser tín hiệu

OSALaser

bơm

Sơ đồ để khảo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức với nguồn tínhiệu là laser đơn mốt và laser đa mốt cơ bản giống nhau. Quátrình thực nghiệm để khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman cưỡngbức được thực hiện như sau: Hàn lối ra của 2 mô-đun laser tín hiệu và laser bơmvới 2 đầu vào của bộ ghếp kênh theo bước sóng (WDM), đầu racòn lại của bộ WDM được hàn với một đầu của sợi nhạy quang +sợi quang tiêu chuẩn SMF-28, đầu ra của cuộn sợi đựoc hànvới conector quang và nối với thiết bị phân tích phổ quangAdvantest Q8384. Thay đổi chiều dài sợi quang với chiều dài tăng dầntừ 14 km cho tới 28km với mỗi sự thay đổi của chiều dài sợiquang, phổ phát xạ qua sợi quang được ghi lại bằng thiết bịphân tích phổ.3.3 Các kết quả thực nghiệm và thảo luận3.3.1. Kết quả thực nghiệmKhảo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là Laser đơn mốt.

Bộ nguồn tín hiệu

Hình 3.7. Bộ nguồn tín hiệu quang laser đơn mốt phát xạ tại bước sóng1552 nm

47

a)Nguồn tín hiệu là một laser đơn mốt.Nguồn tín hiệu quang là một laser DFB phát xạ đơn mốt có

bước sóng 1552 nm. Công suất của tín hiệu quang qua khuếchđại EDFA có thể đạt đến 16.85 dBm (tương đương ~ 50 mW).Nguồn tín hiệu quang với công suất quang thay đổi được từ -6dBm đến +17 dBm rất thích hợp để khảo sát hiệu ứng tán xạRaman cưỡng bức trong sợi quang Tuy nhiên tại các vùng sóngchung quanh phổ tín hiệu có các đỉnh phổ nhỏ, vì vậy các phổnày có thể ảnh hưởng đến thông số tạp âm của tín hiệu đãkhuếch đại.

Hình 3.8. Phổ phát xạ của tín hiệu quang từ laser DFB đã được khuếch đạiHệ khảo sát sự phụ thuộc công suất của nguồn tín hiệu đã

được khuếch đại dọc theo sợi quang nhờ hiệu ứng tán xạ Ramancưỡng bức theo sơ đồ 3.10.Laser bơm có bước sóng 1460 nmhoạt động ổn định ở 250 C, nguồn tín hiệu là laser đơn mốtcó đỉnh là 1552,9 nm, hoạt động ổn định ở 250C. Tiến hànhkhảo sát thí nghiệm lần lượt với các sợi quang có chiều dàikhác nhau theo thứ tự:khảo sát laser tín hiệu mà không cólaser bơm , giá trị công suất của nguồn tín hiệu được ghilại, sau đó tiến hành khảo sát laser tín hiệu có nguồn bơm.Giá trị đo được như sau:

Bảng 3.1. Khảo sát công suất tại đỉnh của laser đơn mốt

48

Băng thông khuếch đại:∆λ=0,580 nm.

Dưạ vào bảng số liệu ta có sơ đồ phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào chiều dài sợi quang cũng như sự thay đổi của công suất ra khi có và không có laser bơm.

49

Chiềudàisợi(km)

Công suất tín hiệu raPout(dBm)

Hệ sốkhuếchđạiG(dB)Không có

laser bơmCó laserbơm

10 -12,58 -12,14 0,44

14 -13,43 -12,97 0,46

18 -14,62 -14,15 0,47

20 -15,60 -15,01 0,59

24 -17,34 -16,64 0,7

26 -18,52 -17,70 0,82

28 -19 -18,42 0,58

Hình 3.9. Sự phụ thuộc của công suất ra khi có và không có laser bơm

50

Hình 3.10. Hệ số khuếch đại khi có tán xạ Raman cưỡng bức theo

chiều dài sợi quangNhìn vào đồ thị ta có thể rút ra nhận xét :nguồn tín hiệu

rõ ràng là được khuếch đại và hệ số khuếch đại này có giátrị tăng dần đến 26 km nó đạt giá trị lớn nhất nhưng hệ sốkhuếch đại G nhỏ, không đạt được giá trị lớn như mong đợi.Điều này có thể giải thích như sau:

51

Khi công suất quang của Laser bơm không đổi, các photoncủa laser bơm chỉ có thể truyền cho một số lượng phân tửnhất định để chúng dao động và tạo ra hiệu ứng Raman cưỡngbức. Khi tăng chiều dài sợi quang, đồng thời giữ nguyên giátrị công suất bơm, tức là chúng ta đã tăng số lượng các phântử trong môi trường tán xạ trong khi không tăng năng lượngkích thích, do vậy mà cường độ của tán xạ Raman cưỡng bứcgiảm xuống dẫn đến hệ số khuếch đại giảm. Mặt khác do hiệuứng tán xạ Raman cưỡng bức yêu cầu nguồn bơm công suất caothì mới đạt được giá trị tối ưu trong khi nguồn laser bơmtối đa chỉ đạt 200mW vẫn là nhỏ để có thể đạt giá trị G caohơn. Một điểm quan trọng khác là tán xạ Raman cưỡng bức sẽxảy ra mạnh nhất với ∆λ=80-100nm, do vậy khảo sát với laserđơn mốt sẽ có hiện tượng chênh bước sóng giữa bước sóngđược khuếch đại với bước sóng cần được khuếch đại. Điều nàycó thể giảm thiểu bằng cách khảo sát với nguồn tín hiệu làlaser đa mốt ở phần dưới đây.Khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là một laser đamốt.b)Nguồn tín hiệu là một laser đa mốt.

Nguồn tín hiệu là một laser đa mốt, trong đó các mốtchính được khảo sát có đỉnh là 1542,28 nm;1546,6 nm;1545,52nm. Laser đa mốt có dòng nuôi tối đa là tới 30 mA ,ngưỡngphát là 9,7 mA và được tiến hành thí nghiệm trong điều kiệnnhiệt độ ổn định là 250C.

52

Hình 3.11. Bộ nguồn tín hiệu là laser đa mốt và phổ của nó

Cấu hình khảo sát,cách tiến hành giống như khảo sát hiệuứng tán xạ Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là laser đamốt,chỉ khác một điều là nguồn tín hiệu là laser đa mốt. Kếtquả khảo sát thu được được trình bày ở dưới đây: Khảo sát tín hiệu khi qua sợi quang với các chiềudài khác nhau ta lần lượt thu được phổ của nguồn tín hiệuđược khuếch đại bởi nguồn bơm như sau

(a) (b)

53

(c) (d)

(e)

Hình 3.12 Phổ của tín hiệu tại các chiều dài khác nhau: a)14 Km ; b)16 Km ; c) 22 Km; d)26 Km; e)28 KmKết quả khảo sát tại một số đỉnh như sau: Bảng 3.2. Khảo sát công suất tại 3 đỉnh của laser đa mốt

Chiềudài

Côngsuất(dBm)tại 1542,28 nm

Công suất(dBm) tại 1545,52

G(dB

Công suất(dBm)tại 1546,6 nm

54

sợiquang(km)

nm )

Khôngcólaserbơm

Cólaserbơm

Khôngcólaserbơm

Cólaserbơm

Khôngcólaserbơm

Cólaserbơm

14 -25,57 -16,51

-11,71 -9,82 1,89

-22,65 -22,44

16 -21,60 -20,8 -15,69 -14,86

0,83

-37,92 -35,15

18 -25,84 -21,32

-15,23 -14,34

0,89

-33,99 -33,27

22 -25,63 -25,15

-19,89 -18,88

1,01

-34,35 -32,56

26 -25,53 -25,48

-21,36 -20,17

1,19

-35,53 -32,99

28 -36,97 -36,49

-30,35 -30,15

0,20

-36,93 -36,38

Nhận xét:tại cả ba đỉnh ta đều nhận thấy hiện tượngkhuếch đại khi có sự xuất hiện của sóng bơm. Xét cụ thể tạibước sóng 1545,52 nm, ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộccủa hệ số khuếch đại theo chiều dài sợi quang như sau:

55

Hình 3.13. Hệ số khuếch đại G thay đổi theo chiều dài sợi quang.

Ta thấy hệ số khuếch đại G tăng dần khi sợi quang cóchiều dài thay đổi từ 16 km đến 26 km, khi sợi quang cóchiều dài 26 km thì G đạt giá trị lớn nhất sau đó nó giảmdần khi chiều dài sợi quang tiếp tục tăng, nguyên nhân về cơbản là giống với trường hợp nguồn tín hiệu là laser đơn mốt,nhưng đối với riêng trường hợp laser đa mốt ta tránh đượchiện tượng chênh bước sóng. Mặt khác, khi nguồn tín hiệu làlaser đa mốt thì các mốt có bước sóng nhỏ hơn cũng đóng vaitrò là nguồn bơm (sóng Stokes), do đó hệ số khuếch đại sẽlớn hơn đối với trường hợp là laser đơn mốt

56

Kết luận

Tóm lại ,những kết quả nổi bật mà chúng tôi đã thu đượckhi tiến hành khảo sát phổ tán xạ Raman trên sợi quang lànhư sau:

Trong trường hợp nguồn tín hiệu là laser đơn mốt hay đa mốt, phổ tán xạ Raman trong sợi quang silica pha tạpGe nồng độ cao đều dịch về phía sóng dài so với bước sóng bơm là 80-100 nm. Tuy nhiên hệ số khuếch đại thu được tại một số mốt xác định của laser đa mốt là tốt hơn rất nhiều so

57

với trường hợp của laser đơn mốt do hiện tượng chênh bước sóng giữa tín hiệu được khuếch đại và tín hiệu được nghiên cứu.

Cường độ tán xạ Raman trong sợi phụ thuộc vào chiều dàicủa sợi quang, đối với nguồn bơm bước sóng 1460 nm có côngsuất 200 mW chiều dài sợi quang 26 km cho hệ số khuếch đạilà lớn nhất.

Trên cơ sở những kết quả thực nghiệm đã thu được tôi đềxuất hướng phát triển của đề tài như sau:

Tiến hành khảo sát sự phụ thuộc công suất vào nguồn bơmở các sợi nhạy quang khác với chiều dài lớn hơn nữa: 40 km,50 km hoặc hơn nữa.

Nâng công suất bơm lên đến bậc 1 watt và khảo sát hiệuứng Raman với công suất bơm lớn.

Ghép thêm tín hiệu vào thông qua WDM để kháo sát hiệuứng Raman cưỡng bức đồng thời khảo sát hệ số khuếch đại tínhiệu cũng như chỉ số nhiễu.

Trên cơ sở những kết quả thu được chế tạo thử nghiệm bộkhuếch đại quang sợi Raman.

58

Tài liệu tham khảoTiếng Việt

[1] Đỗ Văn Việt Em “Kỹ thuật thông tin quang 2”. [2] PGS.TS Phạm Văn Hội “Giáo trình thông tin quang sợi”. [3] PGS.TS Vũ Doãn Miên “Cơ sở thông tin quang sợi” ,2001.

Tiếng Anh

[1] A.M. Rocha, B. Neto, M. Facao, P.S. Andre, “Low cost incoherent pump solution for Raman fiber amplifier”, J.Opt. Applicata, v.XXXIX, No.2, pp. 287-293 (2009)

[2] P.C.Beker, N.A.Olssonm, J.R.Simpson “Erbium Doped Fiber Amplifiers: Fundamentals and Technology”, Academic Press, 1998.

[3] Govind P.Agrawal “Fiber Optics Communication Systems” Rochester, NY 1997.

[4] S.A. Varshney, K. Saitoh, M. Koshiba, P.J. Roberts,“Analysis of a realistic and idealized dispersion compensating photonic crystal fiber Raman amplifier”, Opt. Fiber Techno., 13, pp. 174-179, (2007).

59