Đề tài Tán xạ raman có kích thích chương 2: ứng dụng tán xạ raman kích thích khuyếch đại tín hiệu quang

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: TÁN XẠ RAMAN CÓ KÍCH THÍCH CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU QUANG 2.1 Sự cần thiết phải khuyếch đại quang Như đã thấy ở chương 1, khoảng cách truyền dẫn của bất kỳ hệ thống thông tin quang sợi nào đều bị giới hạn bởi suy hao. Đối với các hệ thống cự ly dài, có thể khắc phục suy hao này bằng cách sử dụng các bộ lặp quang điện. Trong các bộ lặp điện này tín hiệu quang trước hết được chuyển đổi thành tín hiệu điện, tái tạo và chuyển lại thành tín hiệu quang. Hình 0.1- Bộ lặp điện. Nhược điểm của bộ lặp điện Các bộ lặp điện như trên rất phức tạp về thành phần cũng như hoạt động, chúng bị hạn chế bởi khả năng của các thiết bị điện tử. Việc giám sát các bộ lặp điện này cũng rất phức tạp. Các bộ lặp điện chỉ phù hợp cho các hệ thống đơn kênh tốc độ thấp. Đối với các hệ thống ghép kênh WDM thì các bộ lặp điện không đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống vì nó quá phức tạp. Mỗi bộ lặp chỉ đáp ứng được cho một kênh bước sóng, do đó phải thực hiện tách các kênh quang trước khi thực hiện lặp điện và sau khi lặp từng kênh phải sử dụng bộ ghép kênh quang để ghép các kênh lại với nhau. Hơn nữa hoạt động của các bộ lặp điện phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu, phải tái tạo lại tín hiệu điện bằng phương pháp giải điều chế tương ứng. Vì vậy việc nâng cấp hệ thống sử dụng bộ lặp điện rất phức tạp. Ngược lại, trong các hệ thống sử dụng khuyếch đại quang, các bộ khuyếch đại quang không bị giới hạn bởi các thiết bị điện tử vì bộ khuyếch đại quang khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không qua bất kỳ một giai đoạn chuyển đổi quang điện nào. Khuyếch đại quang không phụ thuộc vào dạng tín hiệu và dạng điều chế do nó chỉ tác động vào thành phần biên độ chứ không tác động vào thành phần thời gian và dạng tín hiệu. Khi thay đổi phương pháp điều chế thì hệ thống không cần thay đổi các bộ khuyếch đại. Do đó khuyếch đại quang tạo điều kiện dễ dàng nâng cấp hệ thống. Ngoài ra, khuyếch đại quang có thể cho phép khuyếch đại đồng thời các kênh quang trong toàn bộ dải tần. Do đó khi thêm một kênh quang nếu như bước sóng mới nằm trong dải khuyếch đại bằng phẳng của bộ khuyếch đại quang thì không cần thiết thay đổi bộ khuyếch đại quang. Năm 1996, bộ khuyếch đại quang đầu tiên được sử dụng trong hệ thống cáp quang TAT 12,13 do AT&T và các đối tác lắp đặt. Hệ thống thông tin này với việc sử dụng khuyếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA đã tăng dung lượng của hệ thống lên gấp 10 lần. Tuyến TAT-12 có tổng chiều dài là 5900 km với khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại quang là 33 km. Có thể nói khuyếch đại quang là chìa khoá cho sự phát triển của các mạng quang dung lượng lớn và cự ly xa. 2.2 Những khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang. 2.2.1 Phổ khuyếch đại và băng tần bộ khuyếch đại Hầu hết các bộ khuyếch đại quang đều thông qua hiệu ứng phát xạ kích thích. Khuyếch đại đạt được khi bộ khuyếch đại được bơm quang hay bơm điện để thoả mãn điều kiện đảo lộn mật độ. Nhìn chung khuyếch đại quang không chỉ phụ thuộc vào tần số (hoặc bước sóng) của tín hiệu tới mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm ở các điểm bên trong sợi tức là phụ thuộc cả vào môi trường khuyếch đại. Để đơn giản giả sử môi trường khuyếch đại là đồng nhất. Khi đó hệ số khuyếch đại có thể được tính theo công thức: g 0 g()  2 2 (0.1) 1 (  0 ) T2  P / Ps Trong đó g 0 là giá trị đỉnh của khuyếch đại,  là tần số của tín hiệu quang tới, 0 là tần số dao động của nguyên tử, P là công suất của tín hiệu được khuyếch đại, Ps là công suất bão hoà. Công suất bão hoà Ps phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuyếch đại. Hệ số T2 trong phương trình (2.1) được gọi là thời gian hồi phục phân cực, thường nhỏ hơn 1 ps [2]. Phương trình (2.1) có thể dùng để mô tả các đặc tính quan trọng của bộ khuyếch đại như là băng tần khuyếch đại, hệ số khuyếch đại và công suất đầu ra bão hoà. Ở chế độ chưa bão hoà trong đó P / Ps  1, bằng cách bỏ qua đại lượng P / Ps trong phương trình (2.1) hệ số khuyếch đại trở thành: g0 g()  2 2 (0.2) 1 ( 0 ) T2 Phương trình này chỉ ra rằng khuyếch đại đạt được lớn nhất khi mà tần số  trùng với tần số dao động nguyên tử 0 . Sự suy giảm khuyếch đại có thể xem xét trong điều kiện Lorentzian áp dụng cho các hệ thống hai mức đồng nhất. Trong thực tế phổ khuyếch đại có thể khác xa điều kiện Lorentzian. Băng tần khuyếch đại được định nghĩa là  g  2 /T2 hoặc:  g 1 v g   (0.3) 2 T2 Ví dụ vg ~ 5 THz đối với bộ khuyếch đại quang bán dẫn khi T2 ~ 60 fs. Các bộ khuyếch đại quang với băng tần rộng được sử dụng trong các hệ thống WDM do chúng có hệ số khuyếch đại tương đối bằng phẳng trên một dải tần rộng. Nếu gọi Pin và Pout lần lượt là công suất quang vào và sau khuyếch đại thì tăng ích của bộ khuyếch đại định nghĩa theo công thức: P G  out (0.4) Pin Từ phương trình dP  gP (0.5) dz Với P(z) là công suất quang ở khoảng cách z tính từ đầu vào. Với P0  Pin ta có P(z)  Pin exp(gz) (0.6) Chú ý rằng P(L)  Pout và sử dụng phương trình (2.4) ta suy ra tăng ích quang của bộ khuyếch đại có độ dài L là: G()  expg()L (0.7) Cả G() và g() đều có thể được dùng để đặc trưng cho bộ khuyếch đại và đều đạt giá trị lớn nhất khi   0 và đều giảm khi hiệu   0 tăng. Tuy nhiên G() giảm nhanh hơn so với g() . Điều này có thể thấy rõ trên hình 0.2, đây là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của g / g 0 và G / G0 vào (  0 )T2 . Hình 0.2- Hệ số khuyếch đại chuẩn hoá của bộ khuyếch đại quang. 2.2.2 Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang. Tất cả các bộ khuyếch đại đều làm giảm SNR (Signal-to-Noise ratio) của tín hiệu được khuyếch đại do hiện tuợng phát xạ tự phát cộng thêm nhiễu trong quá trình khuyếch đại. Tương tự như các bộ khuyếch đại điện sự suy giảm của SNR được biểu thị qua tham số Fn được gọi là hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại (Amplifier noise figure) được định nghĩa là: SNRin Fn  . (0.8) SNRout Fn phụ thuộc vào các tham số của bộ thu quang. Trong trường hợp bộ thu quang là lý tưởng tức là hiệu năng của bộ thu quang chỉ phụ thuộc vào nhiễu nổ. 2 2 I (RPin ) Pin (SNR)in  2   (0.9)  s 2q(RPin )f 2hvf q Với I  RP là giá trị trung bình của dòng điện, R  là độ nhạy của bộ thu in hv 2 quang.  s là phương sai của nhiễu nổ và được xác định theo công thức: 2  s  2q(RPin )f (0.10) f là băng tần của bộ thu quang. Để xác định SNR của tín hiệu sau khuyếch đại ta cần phải tính thêm ảnh hưởng của hiện tượng tán xạ tự phát vào biểu thức của SNR. Ta có thể coi mật độ phổ của nhiễu nổ là không đổi (nhiễu trắng) và được biểu diễn theo công thức: S sp (v)  (G 1)nsp hv (0.11) Trong đó v là tần số quang, tham số nsp được gọi là hệ số phát xạ tự phát và được tính theo công thức: N 2 nsp  (0.12) N 2  N1 Trong đó N1 và N 2 là mật độ nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích. Hiệu ứng phát xạ tự phát gây ra hiện tượng thăng giáng của tín hiệu sau khuyếch đại dẫn đến sự thăng giáng của cường độ dòng điện sau bộ thu quang. Dòng điện đầu ra của bộ thu quang: 2 I  R GEin  Esp (0.13) Chú ý rằng Ein và Esp dao động với tần số khác nhau và có hiệu pha thay đổi một cách ngẫu nhiên. Dòng nhiễu gây ra do hiện tượng phát xạ tự phát được tính theo công thức : 1/ 2 I  2R(GPin ) Esp cos (0.14) Với  là pha thay đổi ngẫu nhiên. Phương sai của dòng điện đầu ra bộ thu quang: 2   4(RGPin )(RSsp )f (0.15) SNR đầu ra của bộ thu quang là: 2 2 I (RGPin ) GPin SNRout  2  2  (0.16)   4S sp f Hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại: Fn  2nsp (G 1) / G  2nsp (0.17) Phương trình (2.17) chỉ ra rằng SNR của tín hiệu sau khuyếch đại sẽ giảm 3 dB ngay cả khi bộ khuyếch đại là lý tưởng có nsp  1. Đối với hầu hết các bộ khuyếch đại trong thực tế Fn có giá trị 6  8 dB. Đối với các bộ khuyếch đại quang thì Fn càng nhỏ càng tốt. 2.2.3 Các ứng dụng khuyếch đại Các bộ khuyếch đại có rất nhiều ứng dụng trong hệ thống thông tin quang, ba ứng dụng phổ biến nhất được chỉ ra trên hình 0.3. Tx:Phía phát Rx:Phía thu. Hình 0.3- Các ứng dụng của bộ khuyếch đại quang: (a) Khuyếch đại quang sợi; (b) Khuyếch đại công suất; (c) Bộ tiền khuyếch đại. Đối với các hệ thống thông tin quang đường dài, các bộ khuyếch đại quang nằm ngay bên trong sợi quang được sử dụng thay cho các bộ lặp điện. Số lượng các bộ khuyếch đại quang sử dụng trên hệ thống có thể tăng chừng nào mà hiệu năng của hệ thống không bị giới hạn bởi các hiệu ứng tích luỹ như tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến và nhiễu khuyếch đại. Đối với các hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM) thì các bộ khuyếch đại quang giữ vai trò rất quan trọng vì tất cả các kênh sẽ được khuyếch đại đồng thời. Ngoài ra có thể sử dụng bộ khuyếch đại quang đặt ngay sau nguồn phát quang để tăng công suất phát. Những bộ khuyếch đại quang như vậy được gọi là bộ khuyếch đại công suất (power booster). Một bộ khuyếch đại quang có thể tăng khoảng cách truyền dẫn lên 100 km hoặc hơn tuỳ thuộc vào hệ số khuyếch đại và suy hao sợi. Cũng có thể tăng khoảng cách truyền dẫn bằng cách đặt một bộ khuyếch đại quang ngay trước bộ thu quang để khuyếch đại công suất thu. Những bộ khuyếch đại như vậy được gọi là bộ tiền khuyếch đại và thường được sử dụng để tăng độ nhạy thu. Các bộ khuyếch đại quang còn được ứng dụng rất rộng rãi trong hệ thống ghép bước sóng WDM. 2.3 Bộ khuyếch đại quang Raman 2.3.1 Nguyên lý bơm Bộ khuyếch đại quang Raman dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (SRS) . SRS khác phát xạ kích thích ở chỗ: Trong trường hợp phát xạ kích thích thì một photon tới kích thích sự phát xạ của một photon khác giống hệt mà không bị mất năng lượng của nó. Trong trường hợp SRS thì photon bơm sẽ mất một phần năng lượng và tạo ra một photon khác có tần số nhỏ hơn. Phần năng lượng mất đi bị hấp thụ bởi môi trường dưới dạng dao động phân tử. Do đó bộ khuyếch đại Raman phải được bơm quang để có thể khuyếch đại. Luồng bơm và tín hiệu ở tần số p và s được đưa vào sợi quang thông qua một coupler quang. Năng lượng sẽ được truyền từ sóng bơm sang tín hiệu vì cả sóng bơm và tín hiệu cùng truyền trong sợi quang. Bước sóng bơm được lựa chọn theo phương thức mà một trong số các ánh sáng Stoke chính là bước sóng tín hiệu: trong điều kiện này, tín hiệu hoạt động như một mầm cho quá trình tán xạ kích thích. Hình 0.4- Nguyên lý bơm thuận và bơm ngược. Nguồn bơm là điểm trở ngại chủ yếu của thiết bị khuyếch đại quang Raman. Trong thực tế hầu hết các thí nghiệm đã được thực hiện với các thiết bị laser Nd:YAG cồng kềnh. Đối với các thiết bị khuyếch đại quang Raman, có hai kiểu bơm cơ bản là bơm thuận và bơm ngược. Trong cấu hình bơm thuận, tín hiệu và công suất bơm được đưa vào sợi cùng một chiều, trong khi đó, với cấu hình bơm ngược, tín hiệu và sóng bơm được ghép vào hai đầu của sợi quang và truyền theo hướng ngược nhau. Trong trường hợp đầu, bộ khuyếch đại Raman sử dụng tốt như là bộ khuyếch đại công suất, làm mạnh tín hiệu tại đầu vào. Cấu hình thứ hai thì phù hợp hơn với ứng dụng khuyếch đại các tín hiệu yếu tại đầu thu. Cấu hình bơm ngược có ưu điểm là sự dao động công suất bơm vừa phải, đây cũng là cấu hình thường được sử dụng trong thực tế. Ngoài ra cũng có thể sử dụng cấu hình bơm hai chiều hoặc sử dụng nhiều sóng bơm để mở rộng và làm bằng phẳng phổ khuyếch đại Raman.  1 2 3 4 Hình 0.5- Khuyếch đại Raman sử dụng nhiều ánh sáng bơm. 2.3.2 Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman Phổ khuyếch đại Raman đã được trình bày ở Error! Reference source not found.. Hệ số khuyếch đại Raman g R liên quan đến hệ số khuyếch đại quang g(z) theo công thức: g(z)  g R I p (z) trong đó I p là cường độ bơm. Nếu gọi Pp là công suất bơm, hệ số khuyếch đại có thể tính theo công thức: g()  g R ()(Pp / Aeff ) (0.18) Hình 0.6 Hiệu suất khuyếch đại Raman ( g R / Aeff ) cho các loại sợi quang khác nhau. Vì Aeff có thể thay đổi đáng kể đối với nhiều loại sợi khác nhau, tỉ lệ g R / Aeff xác định hiệu suất khuyếch đại Raman. Tỉ lệ này được biểu thị trên hình 0.6 cho ba loại sợi khác nhau. Sợi bù tán sắc (DCF) có hiệu quả gấp 8 lần so với sợi silic đơn mode tiêu chuẩn (SMF) do đường kính lõi sợi bé hơn. Sự phụ thuộc của hệ số khuyếch đại Raman vào tần số gần như nhau đối với cả ba loại sợi . Do có độ rộng băng tần lớn nên bộ khuyếch đại Raman đang được chú ý trong các ứng dụng thông tin quang. Tuy nhiên để đạt được khuyếch đại đòi hỏi phải có 14 một công suất bơm tương đối lớn. Ví dụ nếu gR = 610 (m /W ) ở đỉnh khuyếch 2 đại, bước sóng bơm 1.55  m và Aeff  50m , đòi hỏi công suất bơm là 5W đối với sợi dài 1 km. Công suất bơm yêu cầu có thể nhỏ hơn nếu như sợi quang dài hơn. 2.3.3 Tăng ích quang Raman Để xem xét đặc tính bộ khuyếch đại Raman chúng ta cần phải tính toán đến cả suy hao trên sợi quang, do chiều dài sợi yêu cầu đối với khuyếch đại Raman. Như chương 1 đã trình bày, sự biến đổi của công suất bơm và công suất tín hiệu dọc theo sợi được tính toán băng cách giải hệ phương trình: dPs / dz   s Ps  (g R / Aeff )Pp Ps (0.19) dP / dz   P  ( / )(g / A )P P (0.20) p p p p s R eff s p trong đó  p và  s là hệ số suy hao của sóng bơm và tín hiệu. Đại lượng (  p /s ) thể hiện sự khác nhau về năng lượng của photon bơm và photon tín hiệu và sẽ không xuất hiện nếu phương trình được viết dưới dạng số lượng photon. Ta xem xét trong trường hợp khuyếch đại tín hiệu nhỏ, khi đó có thể bỏ qua sự suy giảm của xung bơm. Tương tự như ở chương 1 ta xác định được công suất tín hiệu ở đầu ra của sợi có chiều dài L: Ps (L)  Ps (0).exp(g R P0 Leff / Aeff   s L) (0.21) Trong P0  Pp (0) là công suất bơm đầu vào còn Leff là chiều dài hiệu dụng của sợi. 1 exp( p L) Leff = (0.22)  p Vì Ps (L)  Ps (0)exp( s L) nên trong trường hợp không có khuyếch đại Raman thì hệ số tăng ích quang được xác định theo công thức: Ps (L) GA  = exp(g 0 L) (0.23) Ps (0)exp( s L) Trong đó:  P  Leff  g P g  g  0    R 0 (0.24) O R  A  L   eff   Aeff  p L Hệ số tăng ích quang G A sẽ không phụ thuộc vào chiều dài sợi nếu như  p L đủ lớn. Hình 2.7 thể hiện sự phụ thuộc của G A vào P0 đối với các công suất bơm đầu vào khác nhau cho bộ khuyếch đại Raman dài 1.3 km hoạt động ở bước sóng 1.017 m . Ban đầu hệ số tăng ích quang GA sẽ tăng theo hàm mũ khi P0 tăng nhưng đến khi P0 > 1W thì điều này không đúng nữa do tính chất bão hoà khuyếch đại. Nguyên nhân gây ra sự bão hoà khuyếch đại trong bộ khuyếch đại Raman khác với trong bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA bởi vì sóng bơm cung cấp năng lượng để khuyếch đại tín hiệu, do đó công suất sóng bơm sẽ giảm dần cùng với sự tăng công suất của tín hiệu. Sự giảm công suất sóng bơm sẽ làm giảm khuyếch đại quang. Hiện tượng này được gọi là bão hoà khuyếch đại. 104  p  1.017m 3 10 s  1.064m 102 101 100 Hình 0.7- Sự thay đổi của hệ số khuyếch đại Go theo công suất Po trong bộ khuyếch đại Raman 1.3 km với ba giá trị khác nhau của công suất đầu vào. Ta có thể tính toán gần đúng giá trị bão hoà này bằng cách cho  p   s trong phương trình 2.19 và 2.20 . Kết quả được cho bởi phương trình 2.25.  P (0) 1 r0 p s G  , r0  (0.25) s (1r0 ) r0  GA s Pp (0) Hình 2.8 chỉ ra đặc tính bão hoà bằng cách vẽ đồ thị Gs / G A là hàm của GAr0 với các giá trị khác nhau của [2]. GA Hệ số tăng ích giảm 3dB khi mà G Ar0  1. Điều kiện này thoả mãn khi công suất của tín hiện sau khuyếch đại gần bằng công suất bơm đầu vào P0 . Vì thông thường P0 ~ 1W nên hệ số khuyếch đại lớn hơn nhiều so với bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA. Nhìn chung, công suất của một kênh trong hệ thống WDM khoảng 1mW, nên bộ khuyếch đại Raman làm việc ở chế độ chưa bão hoà hay chế độ phi tuyến. Khi đó phương trình (2.24) được sử dụng thay thế phương trình (2.25). Hình 0.8- Đặc tính bão hoà của bộ khuyếch đại Raman. Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang Raman bắt nguồn từ hiệu ứng tán xạ Raman tự phát. Để tính thêm yếu tố này, trong phương trình (2.19) ta có thể thay Ps trong số hạng cuối bằng Ps  Psp trong đó Psp  2nsp hvs vR là tổng công suất tán xạ Raman tự phát trên toàn bộ băng tần vR . Hệ số 2 là biểu thị các hướng phân cực. Hệ số nsp tính theo công thức: 1 nsp =1 exp( s / kBT) trong đó kBT là năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng. Nhìn chung trong các bộ khuyếch đại Raman nhiễu cộng thêm vào khá nhỏ. [2]