raman affective

Hoc viên Công Nghê Bưu Chinh Viên Thông – Cơ sơ TPHCM –Đ08VTH2MỤC LỤC

I. NGUYÊN NHÂN…………………………………............................. 2II. ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ RAMAN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ……............... 3III. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠRAMAN KÍCH THÍCH : BỘ KHUẾCH ĐẠIRAMAN........................ 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 ......................................................5III.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 sợiquang..................................8

III.2.5 Bảo hòa hệ số khuếchđại.....................................................9

III.2.6 Nhiễu xuyên kênhRaman...................................................10

- 1 -Tan xa Raman kich thich – Nguyên nhân, Anh hương va Ưngdung

Hoc viên Công Nghê Bưu Chinh Viên Thông – Cơ sơ TPHCM –Đ08VTH2

III.2.7 Ưu nhược điểm của khuếch đại Raman..............................11



I. NGUYÊN NHÂNTán xạ Raman kích thích là hiện tượng một

nguyên tử hấp thụ năng lượng của một photon, sauđó tạo ra một photon có năng lượng khác. Vì vậytán xạ Raman kích thích được định nghĩa là hiệntượng photon thứ cấp được sinh ra do kích thíchtừ nguồn bên ngoài.Hiện tượng trên có thể giải thích cụ thể như sau:

Nếu đưa vào trong sợi quang hai hay nhiềubước sóng thì hiệu ứng tán xạ kích thích của tiasáng sẽ xảy ra. Sự chuyển năng lượng từ các kênhcó bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng caohơn sẽ xảy ra. Có hai tán xạ chủ yếu xảy ra làtán xạ kích thích Brilouin (SBS) và tán xạ kíchthích Raman (SRS). Cả hai đều là tán xạ Photon đểđạt được photon có năng lượng thấp hơn. Điểm khácbiệt giữa chúng là phonon quang trong tán xạRaman và tán xạ phonon âm học trong tán xạBrilouin. Cả hai đều cho kết quả là mất nănglượng ở tần số biến cố. Tuy nhiên những tán xạ đókhông đáng kể ở các mức năng lượng thấp. Tại cácmức năng lượng cao hơn các hiện tượng phi tuyếntrở nên quan trọng. Cường độ tán xạ tia sángtrong cả hai trường hợp tăng theo cấp số mũ mộtkhi năng lượng bơm vượt qua giá trị ngưỡng. Mặcdù cả SRS và SBS đều giống nhau về bản chất nhưngmối quan hệ tán sắc khác nhau cho phonon quang vàphonon âm dẫn đến sự khác nhau giữa hai sợi đơnmode là :

- SBS chỉ xảy ra theo chiều hướng ngược lạitrong khi SRS xảy ra ở cả hai hướng.

- Tán xạ tia sáng được dịch chuyển trong tầnsố 10 GHz cho SBS và 1,3 THz cho SRS (được gọi làdịch chuyển Stoker ).



- Băng thông khuếch đại của Brilouin là cựckỳ hẹp ( < 100 MHz ) so với băng thông khuếch đạicủa Raman là 20 – 30 THz.

Một vài Photon bơm bỏ năng lượng của mìnhđể tạo thành Photon khác có năng lượng giảm vàtần số thấp hơn. Năng lượng còn lại được hấp thụbởi các phân tử Silica và kết thúc ở trạng tháirung. Một điểm khác quan trọng so với tán xạBrillouin là mức năng lượng rung của phân tửSilica là cơ chế của giá trị dịch chuyển Raman :

ΩR = ωp – ωsTrong 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. SRScó thể xảy ra cả hướng tới và hướng ngược lại.Nói một cách vật lý :

Sự va đập của sóng bơm và tia sáng kíchthích 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 nguồnphát sinh các dao động phân tử. Khi đó biên độcủa sóng kích thích được gia tăng để phù hợp vớinhững dao động này, phản hồi dương được thiếtlập. Trong trường hợp sóng truyền sóng truyềnphía trước tiến trình hồi tiếp được cho bởi haiphương trình :



Trong đó : gR là độ khuếch đại SRS , nếusóng truyền ngược thì thêm dấu - vào phươngtrình sau.

II. ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ RAMAN TRONGHỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Hiện tượng tán xạ Raman không xảy ra tronghệ thống quang đơn kênh bởi vì mức ngưỡng tươngđối cao của nó (khoảng 500 mW gần bước sóng 1550nm).

Tình trạng này sẽ khác trong hệ thống WDM.Ảnh hưởng của các hiện tượng phi tuyến có thể sẽảnh hưởng đến chỉ tiêu toàn hệ thống. Trong hệthống WDM, sợi quang hoạt động như là bộ khuếchđại Raman, những kênh có bước sóng dài sẽ đượckhuếch đại bởi những kênh có bước sóng ngắn.

Băng thông khuếch đại của sợi Silica thìrộng đến nỗi mà hiện tượng khuếch đại có thể xảyra ở tất cả các khoảng cách kênh hơn 100nm.

Kênh có bước sóng ngắn nhất hầu như khôngcòn năng lượng khi nó bơm năng lượng cho nhiềukênh cùng lúc. Sự chuyển giao năng lượng giữa cáckênh như vậy có thể bất lợi đến chỉ tiêu của hệthống khi nó phụ thuộc vào mẫu bít 1 xuất hiện ởcả tất cả các kênh cùng 1 lúc.

III. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ RAMAN KÍCHTHÍCH : BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN

Hầu hết những hệ thống khuếch đại quang đềudựa 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 hoặcđiện 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 cườngđộ tia bơm tại bất kỳ điểm nào bên trong bộkhuếch đại.

Nền tảng của bộ khuếch đại Raman sử dụnghiện tượng phát xạ kích thích xảy ra trong sợiSilica khi tia bơm truyền qua nó. SRS khác phátxạ kích thích khác ở một khía cạnh cơ bản : trongtrường hợp phát xạ kích thích photon va chạm phátra một dạng photon khác mà không mất năng lượng.Trong tán xạ SRS, photon va chạm truyền nănglượng của nó để tạo 1 photon khác có tần số vànăng lượng thấp. Năng lượng còn lại được hấp thubởi 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 sợiSMF, DSF..... Trong khuếch đại Raman, không cầnsử dụng sợi quang đặc biệt như EDFA.

- Fiber coupler : dùng để ghép bước sóng tínhiệu vào với bước sóng bơm.

- Laser bơm có tần số ωp : dùng để cung cấpnăng lượng cho các nguyên tử của sợi quang chuyểnlên trạng thái kích thích, giúp tạo ra sự nghịchđảo nồng độ. Laser phát ra ánh sáng có bước sóngthích hợp tùy thuộc vào vùng bước sóng cần khuếch



đại. Đây là một ưu điểm quan trọng của khuếch đạiRaman so với EDFA (chỉ khuếch đại được các bướcsóng ở băng C).

- Filter : (hoặc bộ cách ly) đặt ở hai đầucủa bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệuphản xạ ở hai đầu bộ khuếch đại. Đồng thời nócũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo hướng ngược vềphía đầu vào có thể gây ảnh hưởng đến tín hiệuđầu vào.

Hình trên trình bày làm thế nào mà sợi quangđược sử dụng như bộ khuếch đại Raman. Nguồn bơm

và tia tín hiệu ở tần số ωp và ωs , nó đượctiêm vào sợi quang qua coupler, năng lượng đượcchuyển qua từ nguồn bơm đến tia tín hiệu, cả haitia được truyền trong sợi quang. Trong thực tếnguồn bơm và tia tín hiệu được tính toán truyềntheo hướng ngược nhau.

III.2 ĐẶC TÍNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI :III.2.1 Sơ đồ chuyển hóa năng lượng trongkhuếch đại Raman :



Để có khuếch đại Raman thì phải tạo ra sựnghịch đảo nồng độ. Điều này đạt được bằng cáchcung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợiquang từ một laser bơm có bước sóng thấp hơn bướcsóng của tín hiệu. Khi đó các nguyên tử của sợiquang (đang ở mức năng lượng nền) sẽ hấp thụ nănglượng bơm có năng lượng cao (bước sóng ngắn) vàchuyển lên mức năng lượng cao hơn. Khi có tínhiệu đến, nó sẽ kích thích các nguyên tử đang ởmức năng lượng cao chuyển sang trạng thái nănglượng thấp hơn và giải phóng ra một năng lượngdưới dạng photon ánh sáng có cùng bước sóng (dàihơn 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 sángbơm fbơm và tần số ánh sáng được khuếch đạifkhuếchđại được xác định như sau :

fbơm = (E3 – E1)/hfkhuếchđại = (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 khuếchđại quang

g(z) = gR x Ip Trong đó Ip là cường độ bơm liên quan đến côngsuất 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 sợibù đắp tán sắc DCF.

Trong đó ap là mặt cắt của tia bơm đi quatrong sợi quang .Khi đó ap có thể xem là các kiểukhác nhau của sợi quang



Tỉ số gR/ap đo mức độ hiệu quả của khuếchđại Raman.

Tỉ số này là đồ thị ở hình trên của 3 loạisợi khác nhau . Sợi bù đắp tán sắc hiệu quả gấp 8lần so với sợi SMF bởi vì đường kính lõi của nónhỏ hơn. Sự phụ thuộc tần số của khuếch đại Ramanthì 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 sóngbơm

Vi du giả sử bộ khuếch đại hoạt động ở vùng khôngbão hòa

gl ≈ 6,7 ; G=30 dB ; gR = 6x 10 m/Wtại đỉnh 1,55µm

và ap = 50 µmNó đòi hỏi nguồn bơm có công suất 5 W dọc theochiều 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 là10THz

- 10 -Tan xa Raman kich thich – Nguyên nhân, Anh hương vaƯng dung


(a) (b)

Hình (a) trình bày băng thông bộ khuếch đạiRaman của sợi quang. Băng rộng và đa đỉnh của phổlà tính vô định hình của sợi thủy tinh.

Cụ thể hơn các mức năng lượng của trạng tháirung trong phân tử Silica liên kết với nhau tạothành dạng của băng thông. Kết quả là tần sốStokes ωs có thể khác nhau phụ thuộc vào tần sốbơm ωp qua một phạm vi rộng.

Độ khuếch đại tối đa xảy ra khi tần số dịchRaman :

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 THzGiá trị đỉnh của hệ số khuếch đại gR khoảng

1x10 m/W tại bước sóng 1 µm . Giá trị này tỉlệ tuyến tính với với ωp ( hoặc nghịch đảo vớibước sóng bơm λp )

Kết quả là gR ≈ 6x 10 m/W tại bước sóng1.55 µm



Hình (b) biểu diễn sự thay đổi của độ lợikhuếch đại Raman theo độ chênh lệch bước sónggiữa tín hiệu và nguồn bơm. Qua đó cho thấy hệ sốkhuếch đại Raman tăng hầu như tuyến tính với độchênh 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 đạttừ 45-50nm.

Nếu dãi tần của các tín hiệu cần khuếch đạiRaman lớn hơn băng thông độ lợi khuếch đại Raman(giả sử 40nm), cần phải sử dụng nhiều nguồn bơmkhác nhau. Mỗi nguồn bơm có bước sóng cách nhau40nm (bằng với băng thông độ lợi) khi đó dãi tầncủa tín hiệu có thể được khuếch đại một cách hiệuquả như hình (a) bên dưới. Tuy nhiên do đặc tínhkhuếch đại của khuếch đại Raman và do khoảng cáchcủa các bước sóng bơm nên băng thông độ lợi tổngcộng 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 dọctheo chiều dài của sợi quang. Sự thay đổi củacông suất tín hiệu và nguồn bơm dọc theo chiềudài sợi quang có thể nghiên cứu giải quyếtthông 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 sốbơm ωp và tần số tín hiệu ωs. Hệ số ωp/ωs là kếtquả từ các các năng lượng khác của photon bơm vàphoton tín hiệu và nó sẽ biến mất nếu phươngtrình trên được viết dưới dạng số photon.

- Đầu tiên chúng ta xét trường hợp khuếch đạitín hiệu nhỏ, bỏ qua nguồn bơm, giả sử :

Pp(z) =Pp(0)exp(-αpz) thì công suất ngõ ra bộ khuếch đại có chiều dàiL được cho bởi công thức :

Trong đó : P0 = Pp(0) là công suất nguồn bơm đầuvào và Leff được định nghĩa như sau :

Bởi vì suy hao của sợi quang tại bước sóng bơmnên ảnh hưởng của chiều dài vào bộ khuếch đại nhỏhơn 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 địnhnghĩa :



Sự tương quan cuối cùng : αp.L>>1, hệ số khuếchđại GA trở thành độc lập với chiều dài khi giátrị αp.L lớn.

III.2.5 Bảo hòa hệ số khuếch đạiNguồn gốc của bảo hòa hệ số khuếch đại trong

khuếch đại Raman hơi khác so với khuếch đại bándẫn SOA : do nguồn cung cấp năng lượng cho việckhuếch đại tín hiệu. Nguồn này sẽ hết khi giatăng công suất tín hiệu Ps. Giảm nguồn bơm Pp sẽgiảm độ khuếch đại. Việc giảm này được xem như làđộ 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. Độkhuếch đại giảm 3dB khi GA.ro~1. Điều kiện nàyđược thỏa mãn khi công suất của tín hiệu khuếchđại 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 lớnhơn so với SOA. Khi công suất ngõ vào của hệ



thống WDM ~1mW, bộ khuếch đại Raman hoạt động ởvùng không bảo hòa hay tuyến tính

Hình trên cho thấy sự thay đổi của hệ số khuếchđại Go với nguồn bơm Po dọc theo chiều dài 1.3kmcủa bộ khuếch đại Raman với 3 giá trị tương ứngngõ vào.

III.2.6 Nhiễu xuyên kênh RamanCó thể tránh được nếu chúng ta giảm công

suất các kênh đủ nhỏ để tránh hiện tượng khuếchđại.

Để ước lượng giá trị giới hạn công suấtcủa một kênh, kiểu đơn giản chúng ta xét nănglượng kênh có tần số cao nhất truyền hết cho cáckênh khác ( bít 1 xuất hiện cùng lúc ở tất cả cáckênh ) 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/2AeffTa có biểu đồ quan hệ công suất ngõ vào, sốkênh, công suất Dr

Với giá trị 1dB với công suất ngõ vào 10 mW chúngta có số kênh là 20Khi giá trị ngõ vảo giảm dưới 1mW số kênh khi ấylà 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 hiệntượng SRS làm ảnh hưởng đến chất lượngtoàn 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 đểđạt cùng một giá trị độ lợi.


raman affective

Documents