Tán xạ Raman kích thích – Nguyên nhân, ảnh hưởng và ứng dụng

MỤC LỤC I. NGUYÊN NHÂN…………………………………............................. 2 II. ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ RAMAN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ……............... 3 III. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH : BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN........................ 3 III.1 CẤU TRÚC BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN....................... ........ 4 III.2 ĐẶC TÍNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI.................. .......... ............5 III.2.1 Sơ đồ chuyển hóa năng lượng trong khuếch đại Raman ......................................................5 III.2.2 Phổ của khuếch đại Raman..................................................5 III.2.3 Băng thông của bộ khuếch đại Raman…………………….7 III.2.4 Ảnh hưởng của sự suy hao sợi quang..................................8 III.2.5 Bảo hòa hệ số khuếch đại.....................................................9 III.2.6 Nhiễu xuyên kênh Raman...................................................10 III.2.7 Ưu nhược điểm của khuếch đại Raman..............................11 I. NGUYÊN NHÂN Tán xạ Raman kích thích là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ năng lượng của một photon, sau đó tạo ra một photon có năng lượng khác. Vì vậy tán xạ Raman kích thích được định nghĩa là hiện tượng photon thứ cấp được sinh ra do kích thích từ nguồn bên ngoài. Hiện tượng trên có thể giải thích cụ thể như sau: Nếu đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều bước sóng thì hiệu ứng tán xạ kích thích của tia sáng sẽ xảy ra. Sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng cao hơn sẽ xảy ra. Có hai tán xạ chủ yếu xảy ra là tán xạ kích thích Brilouin (SBS) và tán xạ kích thích Raman (SRS). Cả hai đều là tán xạ Photon để đạt được photon có năng lượng thấp hơn. Điểm khác biệt giữa chúng là phonon quang trong tán xạ Raman và tán xạ phonon âm học trong tán xạ Brilouin. Cả hai đều cho kết quả là mất năng lượng ở tần số biến cố. Tuy nhiên những tán xạ đó không đáng kể ở các mức năng lượng thấp. Tại các mức năng lượng cao hơn các hiện tượng phi tuyến tán trở nên quan trọng. Cường độ tán xạ tia sáng trong cả hai trường hợp tăng theo cấp số mũ một khi năng lượng bơm vượt qua giá trị ngưỡng. Mặc dù cả SRS và SBS đều giống nhau về bản chất nhưng mối quan hệ tán sắc khác nhau cho phonon quang và phonon âm dẫn đến sự khác nhau giữa hai sợi đơn mode là : - SBS chỉ xảy ra theo chiều hướng ngược lại trong khi SRS xảy ra ở cả hai hướng. - Tán xạ tia sáng được dịch chuyển trong tần số 10 GHz cho SBS và 1,3 THz cho SRS (được gọi là dịch chuyển Stoker ). - Băng thông khuếch đại của Brilouin là cực kỳ hẹp ( < 100 MHz ) so với băng thông khuếch đại của Raman là 20 – 30 THz. Một vài Photon bơm bỏ năng lượng của mình để tạo thành Photon khác có năng lượng giảm và tần số thấp hơn. Năng lượng còn lại được hấp thụ bởi các phân tử Silica và kết thúc ở trạng thái rung. Một điểm khác quan trọng so với tán xạ Brillouin là mức năng lượng rung của phân tử Silica là cơ chế của giá trị dịch chuyển Raman : ΩR = ωp – ωs Trong đó : ωp là tần số sóng bơm ; ωs là tần số tín hiệu. Tán xạ Raman là một quá trình đẳng hướng xảy ra ở tất cả mọi hướng. Tiến trình tán xạ Raman trở nên bị kích thích nếu công suất bơm vượt giá trị ngưỡng. SRS có thể xảy ra cả hướng tới và hướng ngược lại. Nói một cách vật lý : Sự va đập của sóng bơm và tia sáng kích thích theo hai hướng này tạo nên một thành phần tần số tại tần số va đập : ωp – ωs Các hoạt động này có vai trò như là nguồn phát sinh các dao động phân tử. Khi đó biên độ của sóng kích thích được gia tăng để phù hợp với những dao động này, phản hồi dương được thiết lập. Trong trường hợp sóng truyền sóng truyền phía trước tiến trình hồi tiếp được cho bởi hai phương trình : Trong đó : gR là độ khuếch đại SRS , nếu sóng truyền ngược thì thêm dấu - vào phương trình sau. II. ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ RAMAN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Hiện tượng tán xạ Raman không xảy ra trong hệ thống quang đơn kênh bởi vì mức ngưỡng tương đối cao của nó (khoảng 500 mW gần bước sóng 1550 nm). Tình trạng này sẽ khác trong hệ thống WDM. Ảnh hưởng của các hiện tượng phi tuyến có thể sẽ ảnh hưởng đến chỉ tiêu toàn hệ thống. Trong hệ thống WDM, sợi quang hoạt động như là bộ khuếch đại Raman, những kênh có bước sóng dài sẽ được khuếch đại bởi những kênh có bước sóng ngắn. Băng thông khuếch đại của sợi Silica thì rộng đến nỗi mà hiện tượng khuếch đại có thể xảy ra ở tất cả các khoảng cách kênh hơn 100nm. Kênh có bước sóng ngắn nhất hầu như không còn năng lượng khi nó bơm năng lượng cho nhiều kênh cùng lúc. Sự chuyển giao năng lượng giữa các kênh như vậy có thể bất lợi đến chỉ tiêu của hệ thống khi nó phụ thuộc vào mẫu bít 1 xuất hiện ở cả tất cả các kênh cùng 1 lúc. III. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH : BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN Hầu hết những hệ thống khuếch đại quang đều dựa trên cơ chế hiện tượng phát xạ kích thích. Như vậy bộ khuếch đại quang hầu như không có gì, nó chỉ là bộ khuếch đại khi được bơm quang hoặc điện để đạt được nghịch đảo nồng độ. Nói chung bộ khuếch đại quang không chỉ phụ thuộc tần số ( hay bước sóng ) mà nó còn phục thuộc vào cường độ tia bơm tại bất kỳ điểm nào bên trong bộ khuếch đại. Nền tảng của bộ khuếch đại Raman sử dụng hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra trong sợi Silica khi tia bơm truyền qua nó. SRS khác phát xạ kích thích khác ở một khía cạnh cơ bản : trong trường hợp phát xạ kích thích photon va chạm phát ra một dạng photon khác mà không mất năng lượng. Trong tán xạ SRS, photon va chạm truyền năng lượng của nó để tạo 1 photon khác có tần số và năng lượng thấp. Năng lượng còn lại được hấp thu bởi môi trường trong dạng rung của phân tử ( phonon quang ) III.1 CẤU TRÚC BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN Trong đó : - Sợi quang là nơi xảy ra quá trình khuếch đại, là sợi quang thường truyền tín hiệu như sợi SMF, DSF..... Trong khuếch đại Raman, không cần sử dụng sợi quang đặc biệt như EDFA. - Fiber coupler : dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với bước sóng bơm. - Laser bơm có tần số ωp : dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích, giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Laser phát ra ánh sáng có bước sóng thích hợp tùy thuộc vào vùng bước sóng cần khuếch đại. Đây là một ưu điểm quan trọng của khuếch đại Raman so với EDFA (chỉ khuếch đại được các bước sóng ở băng C). - Filter : (hoặc bộ cách ly) đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệu phản xạ ở hai đầu bộ khuếch đại. Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo hướng ngược về phía đầu vào có thể gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào. Hình trên trình bày làm thế nào mà sợi quang được sử dụng như bộ khuếch đại Raman. Nguồn bơm và tia tín hiệu ở tần số ωp và ωs , nó được tiêm vào sợi quang qua coupler, năng lượng được chuyển qua từ nguồn bơm đến tia tín hiệu, cả hai tia được truyền trong sợi quang. Trong thực tế nguồn bơm và tia tín hiệu được tính toán truyền theo hướng ngược nhau. III.2 ĐẶC TÍNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI : III.2.1 Sơ đồ chuyển hóa năng lượng trong khuếch đại Raman : Để có khuếch đại Raman thì phải tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Điều này đạt được bằng cách cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang từ một laser bơm có bước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu. Khi đó các nguyên tử của sợi quang (đang ở mức năng lượng nền) sẽ hấp thụ năng lượng bơm có năng lượng cao (bước sóng ngắn) và chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Khi có tín hiệu đến, nó sẽ kích thích các nguyên tử đang ở mức năng lượng cao chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn và giải phóng ra một năng lượng dưới dạng photon ánh sáng có cùng bước sóng (dài hơn bước sóng bơm) và cùng pha với tín hiệu đến. Do đó, tín hiệu đã được khuếch đại. Dựa trên giản đồ năng lượng trên, tần số ánh sáng bơm fbơm và tần số ánh sáng được khuếch đại fkhuếchđại được xác định như sau : fbơm = (E3 – E1)/h fkhuếchđại = (E2 – E1)/h trong đó h  : là hằng số Plank ; E1 : năng lượng của trạng thái năng lượng cao (transition state) ; E2 : năng lượng của trạng thái trung gian ( vibration state) ; E3 : năng lượng của trạng thái năng lượng thấp (năng lượng nền ground state) ; III.2.2 Phổ của khuếch đại Raman Phổ khuếch đại Raman của sợi quang được trình bày theo hình dưới đây : Hiệu quả của hệ số gR liên quan đến hệ số khuếch đại quang g(z) = gR x Ip Trong đó Ip là cường độ bơm liên quan đến công suất bơm Pp. Khi đó độ khuếch đại được cho bởi : g(ω) = gR.( Pp/ap) Hình trên cho biết phổ của khuếch đại cho các loại sợi SMF dịch chuyển tán sắc DSF và sợi bù đắp tán sắc DCF. Trong đó ap là mặt cắt của tia bơm đi qua trong sợi quang .Khi đó ap có thể xem là các kiểu khác nhau của sợi quang Tỉ số gR/ap đo mức độ hiệu quả của khuếch đại Raman. Tỉ số này là đồ thị ở hình trên của 3 loại sợi khác nhau . Sợi bù đắp tán sắc hiệu quả gấp 8 lần so với sợi SMF bởi vì đường kính lõi của nó nhỏ hơn. Sự phụ thuộc tần số của khuếch đại Raman thì hầu như giống nhau ở cả ba loại sợi. Từ đó ta nhận xét : phổ độ lợi Raman : Phụ thuộc vào môi trường khuếch đại. Đối với sợi quang silic : . Phổ độ lợi rộng và có nhiều đỉnh . Giá trị độ lợi phụ thuộc vào bước sóng bơm Ví dụ giả sử bộ khuếch đại hoạt động ở vùng không bão hòa gl ≈ 6,7 ; G=30 dB ; gR = 6x 10m/W tại đỉnh 1,55µm và ap = 50 µm Nó đòi hỏi nguồn bơm có công suất 5 W dọc theo chiều dài 1 Km của sợi quang. III.2.3 Băng thông của bộ khuếch đại Raman Phụ thuộc vào thời gian phân rã kiên kết với trạng thái kích thích rung. Trong trường hợp phân từ là chất khí hoặc chất lỏng thời gian phân rã rất dài (~ 1ns) băng thông trong trường hợp này là 1GHz Trong sợi quang băng thông đạt được là 10THz (a) (b) Hình (a) trình bày băng thông bộ khuếch đại Raman của sợi quang. Băng rộng và đa đỉnh của phổ là tính vô định hình của sợi thủy tinh. Cụ thể hơn các mức năng lượng của trạng thái rung trong phân tử Silica liên kết với nhau tạo thành dạng của băng thông. Kết quả là tần số Stokes ωs có thể khác nhau phụ thuộc vào tần số bơm ωp qua một phạm vi rộng. Độ khuếch đại tối đa xảy ra khi tần số dịch Raman : ΩR = ωp - ωs khoảng 13THz Một đỉnh chính khác xảy ra ở gần tần số 15 THz , một đỉnh nhỏ khác ở tấn số 35 THz Giá trị đỉnh của hệ số khuếch đại gR khoảng 1x10m/W tại bước sóng 1 µm . Giá trị này tỉ lệ tuyến tính với với ωp ( hoặc nghịch đảo với bước sóng bơm λp ) Kết quả là gR ≈ 6x 10m/W tại bước sóng 1.55 µm Hình (b) biểu diễn sự thay đổi của độ lợi khuếch đại Raman theo độ chênh lệch bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm. Qua đó cho thấy hệ số khuếch đại Raman tăng hầu như tuyến tính với độ chênh lệch bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm, đạt giá trị đỉnh tại 100nm và giảm nhanh sau đó. Hình cũng cho thấy băng thông độ lợi có thể đạt từ 45-50nm. Nếu dãi tần của các tín hiệu cần khuếch đại Raman lớn hơn băng thông độ lợi khuếch đại Raman (giả sử 40nm), cần phải sử dụng nhiều nguồn bơm khác nhau. Mỗi nguồn bơm có bước sóng cách nhau 40nm (bằng với băng thông độ lợi) khi đó dãi tần của tín hiệu có thể được khuếch đại một cách hiệu quả như hình (a) bên dưới. Tuy nhiên do đặc tính khuếch đại của khuếch đại Raman và do khoảng cách của các bước sóng bơm nên băng thông độ lợi tổng cộng có dạng gợn sóng như hình (b) dưới đây. III.2.4 Ảnh hưởng của sự suy hao sợi quang : Cần phải tính đến ảnh hưởng của sự suy hao sợi quang bởi vì bộ khuếch đại Raman chạy dọc theo chiều dài của sợi quang. Sự thay đổi của công suất tín hiệu và nguồn bơm dọc theo chiều dài sợi quang có thể nghiên cứu giải quyết thông qua hệ phương trình : d ps/ dz = αs. Ps + (gR/ ap)Pp Ps d ps/ dz = αp. Pp + (ωp/ ωs)(gR/ ap)Pp Ps trong đó αs và αp là suy hao của sợi tại tần số bơm ωp và tần số tín hiệu ωs. Hệ số ωp/ωs là kết quả từ các các năng lượng khác của photon bơm và photon tín hiệu và nó sẽ biến mất nếu phương trình trên được viết dưới dạng số photon. - Đầu tiên chúng ta xét trường hợp khuếch đại tín hiệu nhỏ, bỏ qua nguồn bơm, giả sử : Pp(z) = Pp(0)exp(-αpz) thì công suất ngõ ra bộ khuếch đại có chiều dài L được cho bởi công thức : Trong đó : P0 = Pp(0) là công suất nguồn bơm đầu vào và Leff được định nghĩa như sau : Bởi vì suy hao của sợi quang tại bước sóng bơm nên ảnh hưởng của chiều dài vào bộ khuếch đại nhỏ hơn chiều dài thực sự L : Khi đó hệ số khuếch đại được cho bởi công thức : Trong đó độ khuếch đại tín hiệu nhỏ g0 được định nghĩa : Sự tương quan cuối cùng : αp.L>>1, hệ số khuếch đại GA trở thành độc lập với chiều dài khi giá trị αp.L lớn. III.2.5 Bảo hòa hệ số khuếch đại Nguồn gốc của bảo hòa hệ số khuếch đại trong khuếch đại Raman hơi khác so với khuếch đại bán dẫn SOA : do nguồn cung cấp năng lượng cho việc khuếch đại tín hiệu. Nguồn này sẽ hết khi gia tăng công suất tín hiệu Ps. Giảm nguồn bơm Pp sẽ giảm độ khuếch đại. Việc giảm này được xem như là độ bảo hòa của bộ khuếch đại. Hình sau sẽ trình bày đặc tính bão hòa Hàm GA.ro sẽ cho cho ta nhiều giá trị của GA. Độ khuếch đại giảm 3dB khi GA.ro~1. Điều kiện này được thỏa mãn khi công suất của tín hiệu khuếch đại được so sánh với nguồn bơm Po. Thực vậy Po là công suất bão hòa đo được. Thường thì Po~1W. Công suất bão hòa của khuếch đại Raman lớn hơn so với SOA. Khi công suất ngõ vào của hệ thống WDM ~1mW, bộ khuếch đại Raman hoạt động ở vùng không bảo hòa hay tuyến tính Hình trên cho thấy sự thay đổi của hệ số khuếch đại Go với nguồn bơm Po dọc theo chiều dài 1.3km của bộ khuếch đại Raman với 3 giá trị tương ứng ngõ vào. III.2.6 Nhiễu xuyên kênh Raman Có thể tránh được nếu chúng ta giảm công suất các kênh đủ nhỏ để tránh hiện tượng khuếch đại. Để ước lượng giá trị giới hạn công suất của một kênh, kiểu đơn giản chúng ta xét năng lượng kênh có tần số cao nhất truyền hết cho các kênh khác ( bít 1 xuất hiện cùng lúc ở tất cả các kênh ) khi đó hệ số khuếch đại ở mỗi kênh là Gm =exp(gm.Leff) Trong đó Leff là hiệu quả của chiều dài tương tác Gm là hệ số khuếch đại Raman tại Ωm = ω1 – ωm Công suất phát tán đến m kênh là : Dr =1/2 M(M-1) Cr PchLeff Trong đó Cr = SrΔVch/2Aeff Ta có biểu đồ quan hệ công suất ngõ vào, số kênh, công suất Dr Với giá trị 1dB với công suất ngõ vào 10 mW chúng ta có số kênh là 20 Khi giá trị ngõ vảo giảm dưới 1mW số kênh khi ấy là 70 III.2.7 Ưu nhược điểm của khuếch đại Raman : Ưu điểm: Tạp âm nhiễu thấp Cấu trúc bộ khuếch đại đơn giản, không cần sợi quang đặc biệt. Có thể chọn băng tần để khuếch đại. Có thể đạt được băng thông rộng nhờ kết hợp nhiều laser bơm. Nhược điểm: Xuyên âm giữa các kênh tính hiệu do hiện tượng SRS làm ảnh hưởng đến chất lượng toàn hệ thống. Hệ số khuếch đại thấp. Hiệu suất khuếch đại thấp hơn so với EDFA nên cần đến một công suất bơm lớn hơn để đạt cùng một giá trị độ lợi.