Nghiên cứu khuếch đại raman cưỡng bức ứng dụng trong khuếch đại quang

ể giải mã được. Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: Sợi quang là một phương tiện truyền dẫn đồng nhất và không gây ra hiện tượng pha-đinh. Những tuyến cáp quang được thiết kế thích hợp có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt và thậm chí có thể hoạt động ở dưới nước. Sợi quang có thời gian hoạt động lâu, khoảng 20 – 30 năm. Yêu cầu về bảo dưỡng đối với một hệ thống cáp quang là ít hơn so với yêu cầu của một hệ thống thông thường do cần ít bộ lặp điện hơn trong một tuyến thông tin. Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video. Các hệ thống này đều có thể tương thích với các chuẩn RS.232, RS422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp và còn nhiều nữa. Tính mở rộng: Các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp có thể dễ dàng được mở rộng khi cần thiết. Một hệ thống dùng cho tốc độ số liệu thấp, ví dụ T1 (I 544 Mb/s) có thể được nâng cấp trở thành một hệ thống tốc độ số liệu cao hơn, OC-12 (622 Mb/s), bằng cách thay đổi các thiết bị điện tử. Hệ thống cáp sợi quang có thế vẫn được giữ nguyên như cũ. Sự tái tạo tín hiệu: Công nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đường truyền thông bằng cáp quang dài trên 70 km trước khi cần tái tạo tín hiệu, khoảng cách này còn có thể tăng lên tới 150 km nhờ sử dụng các bộ khuếch đại laze. Trong tương lai, công nghệ có thể mở rộng khoảng cách này lên tới 200 km và có thể 1000 km. Chi phí tiết kiệm được do sử dụng ít các bộ lắp trung gian và việc bảo dưỡng chúng có thể là khá lớn. Ngược lại, các hệ thống cáp điện thông thường 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 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 cả độ 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 của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thống thông tin quang. Giới hạn về suy hao được khắc phục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater). Trong các trạm lặp quang điện này, quá trình khuyếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước. Đầu tiên tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay PAD. Dòng quang điện thu được sẽ được tái tạo lại dạng xung, định thời và khuyếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuyếch đại. Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua các nguồn quang trong bộ phát quang (optical transmitter) và được truyền đi trong sợi quang. Như vậy, quá trình khuyếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện. Hình 1.2. Bộ lặp quang điện Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn đa bước song như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuyếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau. Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, người ta thực hiện được quá trình khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuyếch đại quang (Optical Amplifier). Kỹ thuật khuyếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp. So với các trạm lặp, các bộ khuyếch đại quang có các ưu điểm sau: Khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi (các bộ biến đổi E/O hoặc O/E). Do đó khuyếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn. Không phụ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống đơn giản hơn. Khuyếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang. Việc nghiên cứu khuyếch đại quang ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi. Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuyếch đại quang, và trong thời gian qua các nghiên cứu thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính: Khuyếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier) Khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên, do yêu cầu nâng cấp mạng thông tin quang DWDM lên hàng trăm kênh, việc nghiên cứu phát triển các loại khuếch đại quang khác đã được đẩy mạnh, trong đó khuếch 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 Nguyên lý khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và không có cộng hưởng trong khuếch đại. Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang.Các hiện tượng này được minh hoạ trong hình: Hình 1.3. Các hiện tượng biến đổi quang điện Hiện 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 và được nhẩy lên mức năng lượng cao hơn. Đây chính là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng suy hao cho tín hiệu quang. Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử ở mức năng lượng cao chuyển xuống mức năng lượng thấp, đồng thời phát ra một photon có mức năng lượng Ev bằng độ lớn dải cấm Eg. Mỗi một vật liệu sẽ có một thời gian sống khác nhau, khi hết thời gian sống nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát. Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiễu của bộ khuếch đại. Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi có một ánh sáng có năng lượng photon Ev chính bằng năng lượng dải cấm Eg. Khi đó, một điện tử ở mức năng lượng cao sẽ bị chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon có cùng pha với ánh sáng kích thích. Đây chính là nguyên lý khuếch đại của bộ khuếch đại quang. Có thể dễ dàng nhận thấy rằng, hiện tượng bức xạ tự phát có thể xảy ra bất ký lúc nào, và sẽ gây ra nhiễu cho bộ khuếch đại, được gọi là nhiễu tự phát(ASE). Hiện tượng hấp thụ thì sẽ gây ra suy yếu bộ khuếch đại. Như vậy, nếu mật độ năng lượng trong vật liệu khuếch đại là thấp sẽ gây ra hiện tượng hấp thụ lớn. Điều đó dẫn đến, nếu muốn khuếch đại lớn chúng ta phải thực hiện đảo mật độ hạt. 1.2.2 Ứng dụng của khuyếch đại quang Hình 1.4. Các ứng dụng khuếch đại a) 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 thống truyền dẫn quang như các bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc phục suy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền. Tuỳ theo vị trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại: Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại. Yêu cầu của các bộ khuếch đại công suất là tạo ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độ lợi cực đại vì công suất tín hiệu ngõ vào lớn. Khuếch đại trên tuyến (In-line Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngay trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng. Các bộ khuếch đại đường dây có thể được lắp đặt nối tiếp nhau trên đường truyền để làm gia tăng khoảng cách lắp đặt. Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền dẫn quang. Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tin hiệu được đưa vào thiết bị. Điều này làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt của bộ nhạy thiết bị thu và cho phép hệ thống truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao hơn. Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại hoạt động với 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 số G trung bình nhưng thông số nhiễu phải rất thấp. Khuếch đại quang Raman có thông số nhiễu nhỏ, vì vậy chúng luôn được sử dụng cho tiền khuếch quang. Tuy nhiên khuyếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã bị suy hao trong tuyến truyền dẫn. Do khuyếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc và các hiệu ứng quang phi tuyến, cho nên tuyến thông tin quang sử dụng khuyếch đại quang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra. Sử dụng khuyếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM có ý nghĩa công nghệ quan trọng vì khuyếch đại quang có thể khuyếch đại tất cả các bước sóng tới trong băng tần khuyếch đại. 1.2.3 Các thông số chính của sợi quang 1.2.3.1 Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại Hầu hết các bộ khuếch đại quang đều được thực hiện thông qua hiệu ứng bức xạ kích thích. Khuếch đại đạt được khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm quang, hay bơm điện để đảo lộn mật độ. Nhìn chung khuếch đại quang không chỉ phụ thuộc vào bước sóng truyền mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm,mật độ hạt có trong vật liệu. Chúng ta coi vật liệu là đồng nhất, ta có được phương trình sau: (1.1) Trong đó g0 là giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω0 là tần số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu được khuếch đại Ps là công suất bão hoà . Công suất bão hoà Ps phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại. Hệ số T2 trong phương trình 1.1 được gọi là thời gian hồi phục phân cực, thường nhỏ hơn 1 ps. Phương trình 1.1 có thể dùng mô tả các đặc tính quan trọng của bộ khuếch đại như là băng tần độ lợi, hệ số khuếch đại và công suất đầu ra bão hoà. Ở chế dộ chưa bão hoà, coi P/Ps <<1, khi đó phương trình 1.1 trở thành:  (1.2) Từ phương trình này có thể nhận thấy, hệ số độ lợi lớn nhất khi tần số khuếch đại ω=ω0 tần số trung tâm. Nếu gọi Pin, Pout lần lượt là công suất đầu vào và đầu ra 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 bộ khuyếch đại. Nó đặc trưng cho khả năng khuyếch đại công suất ánh sáng của bộ khuyếch đại. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại của một bộ khuyếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hoà khuếch đại. Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại 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 đó Pout =P(L). Suy ra hệ số khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là: G(ω)= = = (1.6) Dễ dàng nhận thấy rằng, g(ω) đạt giá trị lớn nhất 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: Hình 1.5. Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi 1.2.3.2Băng 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 dẫn có T2 =60fs. Bộ khuếch đại băng rộng thích hợp với các hệ thống viễn thông thông tin quang, vì độ lợi của cả băng tần gần như là hằng số, thậm chí cả khi đó là tín hiệu đa kênh. Băng tần khuếch đại được định nghĩa là một FWHM(full width 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). Dễ dàng nhận thấy, băng tần khuếch đại nhỏ hơn băng tần độ lợi, và sự khác biệt này còn tuỳ thuộc vào độ lợi khuếch 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) trong phương 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 cũng giảm theo độ tăng của công suất tín hiệu. Chúng ta coi giá trị 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, và coi 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 đỉnh G0 khi giá trị Pout đạt gần tới giá trị công suất bão hoà Ps mô tả trong hình 1.4. Hình 1.6. Sự phụ thuộc của công suất ra (theo Ps) 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 ở ngõ ta sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số G: Pout = G.Pin. Tuy nhiên, công suất ngõ ra không thể tăng mãi được. Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất 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 là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bão hoà. Công suất ra bão hoà của một bộ khuyếch đại quang cho biết công suất ngõ ra lớn nhất mà bộ khuyếch đại đó có thể hoạt động được. Thông thường, một bộ khuyếch đại quang có khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão hoà cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng. Từ công thức 1.10, chúng ta xem xét đến công suất ngõ ra bão hoà,là công suất lớn nhất tạo được ở cổng ra, ký hiệu là . Có thể nhận thấy rằng, giá trị độ lợi này đạt được khi độ lợi khuếch đại giảm từ 2 đến 3 dB, tương ứng với giá trị G=G0/2. Khi đó, ta có công thức: = (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 đại là dựa trên nguyên lý bức xạ kích thích. Nhưng trong quá trình khuếch đại, có rất nhiều các điện tử hết thời gian sống, chuyển đổi từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, hay từ dải dẫn sang dải hoá trị, đây chính là bức xạ tự phát. Bức xạ này, khi có phương cùng luồng điện tử, sẽ gây ảnh hưởng lên biên độ và pha của tín hiệu. Hiện tượng này được gọi là hiện tưọng nhiễu xạ tự phát ASE. Do vậy, công suất cửa ra gồm có công suất vào khuếch đại và công suất bức xạ tự phát: Pout=G.Pin+PASE (1.12) Ảnh hưởng nhiễu đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF, mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu 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 hằng số nhiễu tính cụ thể theo công thức sau: NF=2nsp2nsp (1.14) Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ càng tốt,và giá trị nhỏ nhất có thể đạt được là 3dB. Tại giá trị này,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 ánh sáng được thực hiện trong vùng tích cực. Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lớn hay nhỏ thì phụ thuộc vào năng lượng được cung cấp từ nguồn bơm bên ngoài. Tuỳ theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính là: Khuếch đại quang bán dẫn SOA và khuếch đại quang sợi OFA. Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn. Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu là dòng điện. Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm. Nguồn cung cấp năng lượng là laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại . Một trong những loại OFA tiêu biểu là EDFA. EDFA có nhiều ưu điểm về đặc tính ký thuật so với SOA. Ta sẽ chủ yếu tập trung nghiên cứu vào EDFA ở phần tới. Ngoài ra, còn có một loại khuếch đại được sử dụng nhiều trong các hệ thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman. Khuếch đại Raman cũng sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng. SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên phát xạ kích thích còn khuếch đại Raman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang(hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích. 1.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn. Hình 1.7. Sơ đồ khối một SOA Khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) là hệ khuếch đại tín hiệu quang với môi trường khuếch đại sử dụng vật liệu bán dẫn. Hệ khuếch đại này có cấu trúc tương tự như những diode laser Fabry-Perot, nhưng được trang bị thêm các lớp chống phản xạ ở hai gương của môi trường khuếch đại (hệ số phản xạ nhỏ hơn 0.001%) để tránh cộng hưởng tạo nên hiệu ứng laser. Hoạt động của SOA dựa vào nguyên lý khuếch đại sóng chạy (traveling-wave) trong vùng điện tích không gian nằm giữa 2 vùng bán dẫn loại p và loại n. Khi có dòng điện bơm cho SOA, các điện tử sẽ được bơm vào vùng dẫn (bán dẫn loại n) và lỗ trống bơm vào vùng hóa trị (bán dẫn loại p). Photon đến có bước sóng thích hợp sẽ kích thích điện tử và lỗ trống tái hợp trong miền điện tích không gian và sẽ phát xạ thêm một photon nữa có cùng tần số và pha với photon đến, như vậy tín hiệu quang đã được khuếch đại. Các hệ khuếch đại quang bán dẫn được làm từ hợp chất bán dẫn như GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP, các vật liệu này có thể khuếch đại quang trong vùng bước sóng từ 0.85 µm đến 1.6 µm. Bước sóng khuếch đại của SOA phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm và có thể thay đổi tùy theo loại vật liệu bán dẫn. Các loại khuếch đại quang bán dẫn dùng trong thông tin quang sợi là loại có phổ khuếch đại trong vùng bước 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 số khuếch 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 thông tin quang có thể phân thành ba loại: khuếch đại công suất để tăng công suất phát của laser, khuếch đại đường truyền để bù suy hao truyền dẫn của sợi quang và tiền khuếch đại để cải thiện độ nhậy thu. Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA) Nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+, có thể tóm tắt như sau: - Ion Er3+ có sơ đồ các mức năng lượng như hình 1.9, quá trình khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+ chủ yếu liên quan đến 3 mức năng lượng bên dưới của ion Er3+, đó là các mức 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2. Hình 1.9. Sơ đồ các mức năng lượng của ion Er3+ tự do - Đặc điểm rất quan trọng là mức năng lượng 4I13/2 có thời gian sống rất lớn (τ ~ 10 ms) so với thời gian sống của các mức 4I11/2 và 4I9/2 (τ ~ μs). Khi kích thích thủy tinh pha tạp erbium bằng laser có bước sóng 980 nm hoặc 810 nm, các ion Er3+ sẽ chuyển dời từ mức cơ bản 4I15/2 lên mức năng lượng 4I11/2 hoặc 4I9/2, vì thời gian sống của ion Er3+ ở trạng thái mức năng lượng 4I11/2 và 4I9/2 rất bé nên các ion Er3+ sẽ nhanh chóng chuyển dời không phát xạ về mức kích thích 4I13/2. - Thời gian sống của ion Er3+ ở mức 4I13/2 lớn hơn hàng ngàn lần so với các mức bên trên, nên khi bơm với mật độ năng lượng đủ lớn chúng ta dễ dàng tạo được trạng thái nghịch đảo mật độ phân bố giữa mức 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2. - Khi một photon có bước sóng trong vùng 1550 nm đi vào vùng dẫn sóng thủy tinh pha tạp Er3+ có nghịch đảo mật độ trạng thái giữa hai mức 4I13/2 và 4I15/2, hiện tượng phát xạ cưỡng bức sẽ xảy ra. Photon tới sẽ kích thích ion Er3+ chuyển dời từ mức 4I13/2 về mức cơ bản 4I15/2, chuyển dời này phát xạ thêm một photon nữa có cùng bước sóng và pha với photon tới, đây chính là nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+. Khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp ion Er3+ đã góp phần rất lớn trong phát triển thông tin quang sợi vì vùng bước sóng khuếch đại phù hợp với cửa sổ thông tin thứ 3 (1530 nm – 1610 nm) đang được sử dụng, hiện nay có rất nhiều các nghiên cứu cơ bản về tính chất quang của thủy tinh pha tạp Er3+ nhằm chế tạo được các hệ khuếch đại quang có chất lượng ngày càng hoàn thiện. - Khuếch đại quang Raman (Raman Optical Amplifier:ROA): dựa trên cơ sở tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường có tán xạ Raman mạnh. Môi trường tán xạ Raman là sợi quang có pha 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 sợi pha tạp Erbium, yêu cầu đối với ROA là nguồn bơm có công suất cao (vài trăm miliwatt trở lên) và sợi quang có độ dài từ vài kilômét đến vài chục kilômét. Khuếch đại quang Raman sử dụng trong hệ thống thông tin quang chủ yếu dựa vào sóng Stoke phát ra từ tán xạ Raman trên các phân tử trong sợi quang. Do sóng Stoke từ tán xạ Raman yếu, vì vậy sợi quang cần phải có độ dài lớn (hàng chục kilômét) để tích luỹ sóng Stoke dọc theo sợi quang. Đây là điều khác biệt rất cơ bản giữa 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 đại quang.Các khảo sát về tán xạ Raman và khuếch đại quang Raman 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 bộ khuếch đại quang sợi Raman 2.1 Hiệu ứng tán xạ Raman Hiện tượng tán xạ Raman được nhà khoa học Raman phát hiện ra vào năm 1928. Khi hội tụ chùm sáng vào môi trường vật chất (chất lỏng) ông phát hiện ra rằng, trong chùm sáng thứ cấp sau khi đi qua môi trường, ngoài thành phần có tần số bằng tần số ánh sáng tới còn có hai thành phần ánh sáng có tần số lớn hơn và nhỏ hơn. Hiệu tần số của các thành phần chính bằng tần số dịch chuyển giữa các mức năng lượng dao động hoặc quay của phân tử môi trường. Như vậy khi chiếu một chùm ánh sáng có tần số ν0 vào một môi trường gồm các phân tử sẽ xảy ra hiện tượng sau: Tán xạ Rayleigh tự phát, là ánh sáng thứ cấp, tần số bức xạ của nó bằng tần số ánh sáng chiếu vào ν0; Hình 2.1. Hiện tượng tán xạ Raman Tán xạ Raman tự phát: là kết quả tương tác của ánh sáng tới với những kiểu dao động hoặc quay của phần tử môi trường. Tán xạ Raman bao gồm hai thành phần Stokes và đối Stokes. Thành phần Stokes ứng với tần số nhỏ hơn tần số ánh sáng tới νS = ν0– νR, thành phần đối Stokes có tần số lớn hơn tần số của ánh sáng tới νA = ν0 + νR J Mức trung gian bơm stokes đối stokes bj b Eb - Ea = hνR aj a Hình 2.2. Sơ đồ các mức năng lượng và các chuyển dịch trong tán xạ Raman a,b: các mức dao động; aj, bj: các mức quay; J: là các mức điện tử kích thích cao Hiện tượng tán xạ Raman tự phát được giải thích dựa trên sơ đồ lượng tử các mức năng lượng của phân tử trình bày trong hình 2.1. Các mức năng lượng của điện tử bao gồm các mức điện tử được đánh số a,b… trong đó J là các mức điện tử kích thích cao. Trong mức điện tử cơ bản chứa nhiều mức dao động. Các mức dao động này cách nhau một khoảng bằng nhau ứng với tần số ωd nằm trong vùng hồng ngoại trung.Trong mỗi mức năng lượng dao động này lại có nhiều mức quay. Các mức quay này cách nhau một khoảng bằng nhau ứng với tần số ωq nằm trong vùng hồng ngoại xa. Đối với môi trường tán xạ Raman các mức kích thích cao J được gọi là các mức cộng hưởng xa khi có điều kiện ν0 << (Ej –Ea)/h; và gọi là kích thích ν νS νS ν0 νA νA Hình 2.3. Các quá trình tán xạ Nguốn sáng chiếu vào môi trường có tần số ν0, là tập hợp các photon có năng lượng hν0. Sau khi hấp thụ photon, các phân tử đang ở trạng thái a hoặc b sẽ chuyển dời lên một mức năng lượng trung gian nào đó (Etg<Ej). Nguyên tử hay phân tử tồn tại ở trạng thái trung gian một thời gian nhất định rồi chuyển dời về trạng thái có mức năng lượng a hoặc b và tái bức xạ ra photon. Phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và trạng thái cuối của các dịch chuyển mà có thể bức xạ thứ cấp Rayleigh, Stokes hay đối Stokes. Nếu trạng thái ban đầu và trạng thái cuối đều là a hoặc đều là b (cùng mức năng lượng) ta có tán xạ Rayleigh. Nếu trạng thái ban đầu có mức năng lượng thấp hơn mức năng lượng của trạng thái cuối thì ta có tán xạ Raman Stokes. Ngược lại nếu trạng thái ban đầu có mức năng lượng lớn hơn trạng thái cuối ta có đối Stokes. Cường độ ánh sáng tán xạ khác nhau đối với tần số khác nhau. Trong đó mạnh nhất là tán xạ Rayleigh với tần số ν0. Điều này có thể giải thích trong trạng thái cân bằng nhiệt: phần lớn các phân tử nằm ở trạng thái năng lượng thấp nhất a tuân theo phân bố Boltzmann. Số phân tử nằm ở trạng thái dao động kích thích b là rất nhỏ. Do đó khi các photon tới tác động vào môi trường thì số lượng phân tử có năng lượng thấp sẽ hấp thụ nhiều photon hơn. Từ nguyên tắc này người ta luôn nhận được cường độ ánh sáng Stokes lớn hơn cường độ đối Stokes. Chúng ta chỉ quan sát được sóng đối Stokes khi kích thich bằng ánh sáng không đơn sắc có cường độ rất cao. 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 rộng có cường độ yếu và hiệu suất không lớn, thậm chí đối với những chất ngưng tụ mạnh (mật độ cao) thì tiết diện tán xạ trong một đơn vị thể tích đối với tán xạ Raman Stokes cũng chỉ đạt 10-6 cm-1, có nghĩa là nếu có 106 hạt đi qua 1 cm môi trường thì chỉ có một hạt được tham gia tán xạ. Dưới sự kích thích bởi chùm laser với mật độ photon rất lớn hiệu suất tán xạ Raman trong môi trường sẽ được nâng cao lên rất nhiều ( có thể đạt đến 20-30 %). Tán xạ Raman cưỡng bức tiêu biểu cho một quá trình tán xạ mạnh với tác dụng của trường laser và vật chất. Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (Stimulated Raman effect) là hiện tượng xảy ra khi đưa vào môi trường dẫn sóng hai nguồn ánh sáng là nguồn laser bơm có tần số ν và tín hiệu quang ở tần số Stokes (ν– νd). Trong mô hình bơm quang này các photon tín hiệu có tần số (ν– νd) sẽ cưỡng bức các phân tử cùng dao động và làm phát sinh thêm một photon nữa có cùng tần số và pha với photon đến. Quá trình tán xạ cưỡng bức sẽ được tiếp tục nhân lên bên trong lõi sợi quang. Bản chất của hiện tượng tán xạ Raman cưỡng bức là các nguyên tử của sợi quang hấp thụ năng lượng từ các photon phát ra từ nguồn bơm có bước sóng nhỏ hơn bước sóng tín hiệu. Khi đó, các nguyên tử sẽ nhảy từ trạng thái có mức năng lượng thấp sang trạng thái có mức năng lượng cao hơn (mức năng lượng trung gian). Khi có photon của tín hiệu đến thì nó sẽ kích thích các nguyên tử đang ở trạng thái có mức năng lượng cao. Kết quả là các nguyên tử nhảy xuống mức thấp hơn phát phát ra photon mới có cùng bước sóng và pha với photon tín hiệu đến. E3 E2 Tín hiệu ћ (ν – νd) Laser bơm h ν E1 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 môi trường 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 chuyển Raman Δλ ~ 80nm - 100 nm, phụ thuộc vào nồng độ và cấu trúc sợi quang. Nếu ta dùng bước sóng bơm λp = 1450 nm thì tín hiệu quang có bước sóng λs = λp + Δλ =1550 nm (trùng với vạch Stokes) sẽ được khuếch đại. Khi cường độ ánh sáng kích thích hay cường độ laser bơm mạnh hơn một giá trị ngưỡng xác định thì ánh sáng Stokes phát ra được khuếch đại theo hàm mũ. Quá trình này gọi là tán xạ Raman cưỡng bức. Biểu thức thể hiện sự thay đổi công suất sóng bơm và sóng tín hiệu theo khoảng cách z. (2.1) αs, αp : độ hao phí của sóng tín hiệu, sóng bơm khi 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 sóng bơm ), 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 điểm về mặt cường độ mà còn có ưu điểm về mặt cấu trúc chùm tia phát xạ. Nhờ hiệu ứng phát xạ cưỡng bức mà các photon phát xạ 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 Optical Amplifier) sử dụng trong hệ thống thông tin quang dựa trên nguyên lý tán xạ Raman cưỡng bức trong sợi quang với các loại sợi có cấu trúc dẫn sóng đặc biệt (sợi DCF) hoặc sợi pha tạp Ge nồng độ cao (sợi nhạy quang). Mô hình lý thuyết để giải thích hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức sử dụng trong khuếch đại quang dựa trên hệ thống các cặp phương trình vi phân mô tả sự tiến triển của công suất nguồn bơm, công suất phát xạ ngẫu nhiên và công suất tín hiệu khuếch đại dọc theo trục sợi quang (trục z). Các hệ phương trình này có thể áp dụng cho kiểu bơm một hoặc bơm nhiều bước sóng cho khuếch đại Raman, đồng thời cũng chỉ ra sự ảnh hưởng của bơm tới bơm, bơm tới tín hiệu, tín hiệu tới tín hiệu và sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới bức xạ Raman tự phát được khuếch đại (ASE) (2.4) Trong đó là công suất của bơm hoặc tín hiệu ở giá trị k, là công suất của nhiễu ASE dọc theo hướng lan truyền , h là hằng số Planck, là phân cực của ánh sáng tín hiệu, Aefc là diện tích hiệu dụng của sợi quang, η(T) là hệ số 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 tạp âm. (2.5) Trong đó PS là công suất tín hiệu; PASE là công suất ASE thuận; Δν là băng thông; ν là tần số của tín hiệu. Hệ số khuếch đại Raman thay đổi theo độ chênh lệch bước sóng 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 chênh lệch bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm (wavelength offset) và đạt giá trị đỉnh tại 100 nm và giảm nhanh chóng sau đó. Băng thông khuếch đại này có thể đạt từ 45-50 nm tính từ hệ số khuếch đại cực đại. 45- 50 Hình 2.5. Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại Raman theo độ chênh lệch bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm theo đơn vị bước sóng 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 Quá trình chuyển đổi năng lượng giữa nguồn bơm và Stokes được đặc trưng bởi một thông số được gọi là hệ số độ lợi Raman . Giá trị này phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc vật liệu của lõi sợi quang và thành phần pha tạp trong đó. Đồ thị biểu diễn độ lợi băng thông đối với thủy tinh silica tinh khiết có một vùng chính và nhiều vùng nhỏ cực đại xung quanh. Nếu tính đến các đỉnh nhỏ trong phổ thì hệ số độ lợi Raman đạt băng thông rộng đến khoảng 40 Thz. Hệ số độ lợi cực đại gần như là không đổi trong vùng băng tần từ 9Thz đến 16 Thz. Nó có nghĩa là vùng hệ số khuếch đại cao này dịch chuyển xung quanh 13 Thz (tại bước sóng 1550 nm thì ứng với độ dịch bước sóng lân cận khoảng ). Giá trị hệ số độ lợi băng thông Raman cực đại trong thủy tinh nguyên chất là . 0 10 20 30 40 Độ dịch tần (THz) Độ lợi băng thông Raman đã được chuẩn hóa 0 0.5 1.0 BW Hình 2.6. Độ lợi băng thông Raman được chuẩn hóa ứng với độ dịch tần số tính từ tần số ánh sáng nguồn bơm Độ lợi băng thông Raman tỷ lệ nghịch với bước sóng nguồn bơm và phụ thuộc vào trạng thái phân cực của sóng. Độ lợi này đối với quá trình phân cực song song (ánh sáng nguồn bơm và ánh sáng tín hiệu có cùng cực) thì cao hơn nhiều so với trường hợp phân cực trực giao (ví dụ như khi ánh sáng nguồn bơm phân cực trực giao với sóng Stokes ). Tuy nhiên trong sợi quang thì do hiện tượng lưỡng chiết mà các trạng thái phân cực của nguồn bơm và sóng Stokes thay đổi liên tục và nếu sợi quang đủ dài thì hệ số khuếch đại Raman hiệu dụng là giá trị trung bình của các hệ số khuếch đại song song và trực giao. Khi pha tạp thêm GeO2 vào sợi quang Silica khi đó chiết suất của lõi sợi tăng lên. Với việc pha GeO2 sẽ tạo ra sợi nhạy quang hoặc sợi bù tán sắc với nồng độ pha GeO2 khác nhau. Khi bơm chùm laser có bước sóng thích hợp vào 2 loại sợi này, chúng ta nhận được đỉnh của độ lợi băng thông Raman cao hơn, đồng thời độ dịch bước sóng cũng ngắn hơn so với sợi thủy tinh Silica thuần. Chúng ta nhận thấy rằng độ chênh lệch giữa chiết suất lõi 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 tỷ đối D lớn hơn so với sợi thường khoảng một bậc (10 lần). Bước sóng [µm] Độ lợi Raman 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 = n2 – n1, trong đó n2, n1 là chiết suất lõi và vỏ của sợi quang 2.3.3 Mô hình của bộ khuếch đại quang Raman Cấu trúc tiêu biểu của một bộ khuếch đại Raman như sau: WDM Laser bơm 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 kiện quang tử và quang – điện tử sau: - Nguồn laser bơm bán dẫn có công suất cao (có thể 1 hoặc nhiều laser bán dẫn ghép nối kiểu cộng công suất) dùng để bơm quang vào sợi tạo hiệu ứng Raman tự phát. - Môi trường khuếch đại quang trên cơ sở tán xạ Raman có thể sử dụng sợi nhạy quang hoặc sợi DCF có độ dài thích hợp. - Linh kiện cách ly quang (Isolater)dùng để cho ánh sáng chỉ đi theo một chiều trong sợi và ngăn ánh sáng phản xạ chiều ngược vào môi trường khuếh đại để tránh gây nhiễu cho bộ khuếch đại. - Linh kiện WDM dùng để kết hợp nguồn bơm và tín hiệu để tạo hiệu ứng Raman cưỡng bức cũng như dùng để đưa tín hiệu vào bộ khuếch đại. Có một số cấu hình bơm phổ biến cho khuếch đại quang Raman như: Có thể dùng cách bơm đồng hướng tức là bơm cùng chiều với chiều tín hiệu. Cũng có thể bơm ngược hướng tức là bơm ngược với hướng truyền tín hiệu. Ngoài ra còn cách bơm song công tức là bơm từ cả 2 hướng. Mỗi cấu hình bơm có những ưu nhược điểm khác nhau. Pump Fiber rr Signal Pumppp Coupler Hình 2.9. Cấu hình bơm đồng hướng cho khuếch đại quang Raman phân bố Pump Fiber Isolatorrrr Signal Hình 2.10. Cấu hình bơm ngược hướng cho khuếch đại quang Raman phân bố. 2.3.3 Khuếch đại dải rộng của khuếch đại Raman Khuếch đại Raman với một nguồn bơm có băng thông vào khoảng 7THz (xấp xỉ 60 nm). Cửa sổ truyền qua của sợi quang vào khoảng 400 nm(1200 nm tới 1600). Khuếch đại băng thông rộng do vậy là rất phù hợp. Sử dụng nhiều nguồn bơm,khuếch đại dải rộng với độ lợi thăng giáng nhỏ là có thể thiết kế được. Tuy nhiên cần nhớ rằng trong cấu hình nhiều nguồn bơm, có sự chuyển đổi năng lượng 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 ứng Raman chỉ có thể quan sát được nếu như công suất của kênh truyền lớn hơn ngưỡng nhất định. Do vậy nếu như mức ngưỡng quá cao, hiệu ứng SRS sẽ không quan sát được trong hệ thống đơn kênh Mọi chuyện sẽ khác trong hệ thống WDM.Tại đó sóng Stokes ban đầu không phải được sinh ra bởi quá trình tự phát bởi các sóng có tần số nhỏ hơn vốn đã tự có trong hệ thống. Hơn nữa công suất đầu vào của sóng Stoke là lớn hay nhỏ nh ư công suất của nguồn bơm(kênh truyền mà có bước sóng ngắn hơn đóng vai trò là nguồn bơm cho kênh truyền có bước sóng dài hơn). Với đỉnh độ lợi Raman dịch chuyển xung quanh 13Thz,các kênh cách nhau 100nm sẽ ảnh hưởng lẫn nhau mạnh nhất. Nói cách khác, các kênh từ các băng L, C ảnh hưởng lẫn nhau nhiều hơn. Tuy nhiên, các kênh trong một băng cũng ảnh hưởng lẫn 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 sóng nào dài hơn nó, vừa đóng vai trò là sóng Stoke với bước sóng ngắn hơn nó. Do hiện tượng tán xạ Raman, mỗi kênh đều nhận năng lượng cũng như mất đi năng lượng. Có một sự chuyển đổi công suất từ các kênh có tần số cao hơn đến các kênh có tần số thấp hơn. Nếu như tất cả các kênh có cùng công suất như nhau, thì cuối cùng ta có phổ như sau: WDM Channels with out Raman Scattering 1530nm 1540nm Hình 2.11. Các kênh trong WDM không có tán xạ Raman WDM Channels with Raman Scattering 1530nm 1540nm Hình 2.12. Các kênh trong WDM khi có tán xạ Raman Sự suy giảm công suất của các kênh truyền là một vấn đề trong hệ thống WDM khi mà điều đó làm giảm SNR và làm tăng BER. Sự suy giảm công suất của một kênh có thể tính toán khi giả thiết phổ của độ lợi Raman từ 0 đến 15 Thz. Nếu sự suy giảm công suất chấp nhận được của một kênh là 1dB, ta có mối liên 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 một kênh giảm theo 1/n, nếu số lượng kênh là lớn, công suất giảm theo 1/n2. Biểu đồ của công suất tối đa trên một kênh là một hàm của số kênh được chỉ ra theo hình: n mW 1 10 100 1000 mW 0.01 0.1 1 10 100 Maximum power per channel vs Number of channels offachacchannels ccccccchannels Hình 2.13. Công suất tối đa trên một kênh và số lượng các kênh Trong một hệ thống truyền tải xa với các bộ khuếch đại được sắp xếp tuần hoàn, SNR do sự xuất hiện của tán xạ Raman có thể tính toán được. Nếu sự suy giảm của SNR trong kênh với bước sóng nhỏ nhất là 0,5 dB, số lượng các kênh truyền n có thể được tính theo công thức: (2.7) Với Leff là chiều dài tương tác hiệu dụng của hệ thống với 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 lượng photon,nsp là hệ số nhiễu của khuếch đại, B0 là băng thông quang học của bộ thu, và G là hệ số khuếch đại của mỗi bộ khuếch đại. Nếu SNR đòi hỏi là R, công suất đầu vào trung bình của mỗi kênh là: (2.9) Nếu như số lượng các kênh là lớn, khả năng truyền tải có thể nhận được: (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 dữ liệu. 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 có hiệu ứng tán sắc hay phân bố tuỳ tiện của các bit là các kênh khác nhau. Một số trường hợp, kết quả nhận được là rất kém. Độ lợi Raman đạt được lớn nhất khi các xung của các kênh khác nhau xuất hiện trong cùng thời điểm.Trong hệ thống WDM, nếu các kênh khác nhau là không đồng bộ, và các bít dữ liệu phân bố ngẫu nhiên giữa mức 0 và 1, các mức 1 trong tất cả các kênh sẽ không xuất hiện cùng lúc, mức trung bình của mức 1 trong bất kỳ kênh nào sẽ xuất hiện với mức 1 ở các kênh khác. Tương tác Raman, do đó sẽ bị suy giảm. Hơn nữa,do sợi quang là vật liệu tán sắc, do đó có sự khác biệt về vận tốc nhóm trong các kênh khác nhau. Xung dữ liệu của các kênh khác nhau sẽ xuống tương ứng với mỗi xung giảm, điều đó làm giảm tương tác Raman . Chương 3 Kết quả và thảo luận 3.1 Các thiết bị và linh kiện sử dụng trong thực nghiệm Nguồn laser bơm công suất cao Hình 3.1. Nguồn laser bơm phát xạ trong vùng 1420 -1480 nm công suất đến 200 mW Bộ nguồn bơm là một laser bán dẫn có bước sóng λ = 1420-1460 nm có công suất cực đại là 200 mW, phát xạ đơn mốt, nhiệt độ làm việc luôn luôn được đặt ở 250C. Laser được hàn trên mạch điện tử cung cấp dòng bơm đến 700 mA, độ chính xác +/- 1%. Laser bơm phát xạ tại bước sóng 1460 nm với độ rộng phổ khá hẹp đã cho công suất phát xạ tổng đạt đến 22, 75 dBm (gần 200 mW) tại dòng bơm 660 mA. Hình 3.2. Phổ phát xạ của mô-đun laser bơm…khi dòng bơm đạt 660 mA, nhiệt độ đế laser 250C Máy đo phổ quang (OSA) Hình 3.3. Máy đo phổ quang (OSA) với băng tần từ 600 nm đến 1700 nm, độ phân giải phổ 0,01 nm Để đo phổ phát xạ laser và phổ tán xạ Raman xảy ra trong sợi quang chúng tôi sử dụng phân tích phổ quang. Thiết bị đo phổ Advantest Q8384 là máy phân tích phổ chuyên dụng cho sợi quang sử dụng cách tử nhiễu xạ. Thiết bị Q8384 có độ phân giải phổ theo bước sóng 10pm, độ chính xác của bước sóng đo ±20pm, vùng bước sóng hoạt động từ 600nm đến 1700nm, vùng công suất quang đo được từ -87dBm đến 23dBm (tương đương từ 1 pW đến 200 mW). Số liệu đo đạc được lấy ra bằng ổ đĩa mềm 3.5 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 dụng trong thực nghiệm Sợi nhạy quang có nồng độ pha tạp Ge cao được chế tạo nhằm mục đích sử dụng trong một số linh kiện quang sợi đặc biệt như: cách tử Bragg trong sợi quang(FBG), bộ trễ quang… Các nghiên cứu gần đây cho thấy sợi nhạy quang sử dụng nồng độ Ge pha tạp từ 14 mol% trở lên có thể dùng để tạo môi trường tán xạ Raman mạnh cho bộ khuếch đại Raman. Cần lưu ý rằng, các bộ khuếch đại Raman đang sử dụng trên tuyến thực tế luôn luôn có cấu trúc sợi quang tiêu chuẩn + sợi quang đặc biệt (DCF hoặc nhạy quang), vì vậy chúng tôi cũng tiến hành nghiên cứu theo cấu trúc này. Bộ ghép đa bước sóng (WDM) Bộ ghép kênh theo bước sóng, cho phép ghép các bước sóng trong khoảng 1420 nm - 1490 nm được sử dụng để khảo sát cấu hình bơm – tín hiệu và các cấu trúc bơm đa bước sóng cho 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 WDM Laser tín hiệu OSA Laser bơm Sợi nhạy quang Hình 3.6. Sơ đồ khảo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức. Sơ đồ để khảo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là laser đơn mốt và laser đa mốt cơ bản giống nhau. Quá trình thực nghiệm để khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức được thực hiện như sau: Hàn lối ra của 2 mô-đun laser tín hiệu và laser bơm với 2 đầu vào của bộ ghếp kênh theo bước sóng (WDM), đầu ra còn 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 hàn với conector quang và nối với thiết bị phân tích phổ quang Advantest Q8384. Thay đổi chiều dài sợi quang với chiều dài tăng dần từ 14 km cho tới 28km với mỗi sự thay đổi của chiều dài sợi quang, phổ phát xạ qua sợi quang được ghi lại bằng thiết bị phân tích phổ. 3.3 Các kết quả thực nghiệm và thảo luận 3.3.1. Kết quả thực nghiệm Khảo 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 sóng 1552 nm 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 khuếch đại EDFA có thể đạt đến 16.85 dBm (tương đương ~ 50 mW). Nguồn tín hiệu quang với công suất quang thay đổi được từ -6 dBm đến +17 dBm rất thích hợp để khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức trong sợi quang Tuy nhiên tại các vùng sóng chung quanh phổ tín hiệu có các đỉnh phổ nhỏ, vì vậy các phổ này có thể ảnh hưởng đến thông số tạp âm của tín hiệu đã khuếch đại. Hình 3.8. Phổ phát xạ của tín hiệu quang từ laser DFB đã được khuếch đại Hệ khảo sát sự phụ thuộc công suất của nguồn tín hiệu đã được khuếch đại dọc theo sợi quang nhờ hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức theo sơ đồ 3.10.Laser bơm có bước sóng 1460 nm hoạt động ổn định ở 250 C, nguồn tín hiệu là laser đơn mốt có đỉnh là 1552,9 nm, hoạt động ổn định ở 250C. Tiến hành khảo sát thí nghiệm lần lượt với các sợi quang có chiều dài khác nhau theo thứ tự:khảo sát laser tín hiệu mà không có laser bơm , giá trị công suất của nguồn tín hiệu được ghi lại, 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 Chiều dài sợi(km) Công suất tín hiệu ra Pout(dBm) Hệ số khuếch đại G(dB) Không có laser bơm Có laser bơm 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 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. Hình 3.9. Sự phụ thuộc của công suất ra khi có và không có laser bơm Hình 3.10. Hệ số khuếch đại khi có tán xạ Raman cưỡng bức theo chiều dài sợi quang Nhìn 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 giá trị tăng dần đến 26 km nó đạt giá trị lớn nhất nhưng hệ số khuếch đại G nhỏ, không đạt được giá trị lớn như mong đợi. Điều này có thể giải thích như sau: Khi công suất quang của Laser bơm không đổi, các photon của laser bơm chỉ có thể truyền cho một số lượng phân tử nhất định để chúng dao động và tạo ra hiệu ứng Raman cưỡng bức. Khi tăng chiều dài sợi quang, đồng thời giữ nguyên giá trị công suất bơm, tức là chúng ta đã tăng số lượng các phân tử trong môi trường tán xạ trong khi không tăng năng lượng kích thích, do vậy mà cường độ của tán xạ Raman cưỡng bức giảm xuống dẫn đến hệ số khuếch đại giảm. Mặt khác do hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức yêu cầu nguồn bơm công suất cao thì mới đạt được giá trị tối ưu trong khi nguồn laser bơm tối đa chỉ đạt 200mW vẫn là nhỏ để có thể đạt giá trị G cao hơn. Một điểm quan trọng khác là tán xạ Raman cưỡng bức sẽ xảy ra mạnh nhất với ∆λ=80-100nm, do vậy khảo sát với laser đơn mốt sẽ có hiện tượng chênh bước sóng giữa bước sóng được khuếch đại với bước sóng cần được khuếch đại. Điều này có thể giảm thiểu bằng cách khảo sát với nguồn tín hiệu là laser đa mốt ở phần dưới đây. Khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là một laser đa mốt. b)Nguồn tín hiệu là một laser đa mốt. Nguồn tín hiệu là một laser đa mốt, trong đó các mốt chính được khảo sát có đỉnh là 1542,28 nm;1546,6 nm;1545,52 nm. Laser đa mốt có dòng nuôi tối đa là tới 30 mA ,ngưỡng phát là 9,7 mA và được tiến hành thí nghiệm trong điều kiện nhiệt độ ổn định là 250C. 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 hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức với nguồn tín hiệu là laser đa mốt,chỉ khác một điều là nguồn tín hiệu là laser đa mốt. Kết quả khảo sát thu được được trình bày ở dưới đây: Khảo sát tín hiệu khi qua sợi quang với các chiều dài khác nhau ta lần lượt thu được phổ của nguồn tín hiệu được khuếch đại bởi nguồn bơm như sau (a) (b) (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 Km Kết quả khảo sát tại một số đỉnh như sau: Bảng 3.2. Khảo sát công suất tại 3 đỉnh của laser đa mốt Chiều dài sợi quang (km) Côngsuất(dBm) tại 1542,28 nm Công suất (dBm) tại 1545,52 nm G (dB) Công suất (dBm) tại 1546,6 nm Không có laser bơm Có laser bơm Không có laser bơm Có laser bơm Không có laser bơm Có laser bơm 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 tượng khuếch đại khi có sự xuất hiện của sóng bơm. Xét cụ thể tại bước sóng 1545,52 nm, ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại theo chiều dài sợi quang như sau: 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 có chiều dài thay đổi từ 16 km đến 26 km, khi sợi quang có chiều dài 26 km thì G đạt giá trị lớn nhất sau đó nó giảm dần khi chiều dài sợi quang tiếp tục tăng, nguyên nhân về cơ bản là giống với trường hợp nguồn tín hiệu là laser đơn mốt, nhưng đối với riêng trường hợp laser đa mốt ta tránh được hiện tượng chênh bước sóng. Mặt khác, khi nguồn tín hiệu là laser đa mốt thì các mốt có bước sóng nhỏ hơn cũng đóng vai trò là nguồn bơm (sóng Stokes), do đó hệ số khuếch đại sẽ lớn hơn đối với trường hợp là laser đơn mốt Kết luận Tóm lại ,những kết quả nổi bật mà chúng tôi đã thu được khi tiến hành khảo sát phổ tán xạ Raman trên sợi quang là như sau: Trong trường hợp nguồn tín hiệu là laser đơn mốt hay đa mốt, phổ tán xạ Raman trong sợi quang silica pha tạp Ge 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 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 dài của sợi quang, đối với nguồn bơm bước sóng 1460 nm có công suất 200 mW chiều dài sợi quang 26 km cho hệ số khuếch đại là lớn nhất. Trên cơ sở những kết quả thực nghiệm đã thu được tôi đề xuất hướng phát triển của đề tài như sau: Tiến hành khảo sát sự phụ thuộc công suất vào nguồn bơm ở 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 hiệu ứng Raman với công suất bơm lớn. Ghép thêm tín hiệu vào thông qua WDM để kháo sát hiệu ứng Raman cưỡng bức đồng thời khảo sát hệ số khuếch đại tín hiệu cũng như chỉ số nhiễu. Trên cơ sở những kết quả thu được chế tạo thử nghiệm bộ khuếch đại quang sợi Raman. Tài liệu tham khảo Tiếng 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).