Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI 3
1.1. Tổng Quan Về Khuếch Đại Quang 3
1.2. Nguyên Lý Bộ Khuếch Đại Quang 5
1.3. Phân Loại Khuếch Đại Quang 6
1.4. Các Thông Số Kĩ Thuật Chính Của Khuếch Đại Quang 7
1.4.1. Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại 7
1.4.2. Băng thông độ lợi 9
1.4.3 Công suất ngõ ra bão hoà 10
1.4.4. Hệ số nhiễu 12
1.5. Ứng Dụng Của Khuyếch Đại Quang 13
Kết Luận Chương I: 14
CHƯƠNG II: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 15
2.1. Tán Xạ Raman 15
2.1.1. Tán Xạ raman Tự Phát 15
2.1.2. Tán Xạ Raman Cưỡng Bức (SRS) 17
2.2. Cấu Trúc Bộ Khuếch Đại Raman 18
Nhóm 12- L11CQVT07-B 1
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
2.3. Nguyên Lý Hoạt Động Khuếch Đại Raman 21
2.4. Phân Loại Khuếch Đại Raman 26
2.4.1.Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 26
2.4.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 29
2.4.3. Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 31
2.4. Ưu, Nhược điểm khuếch đại Raman 32
Kết Luận Chương II: 33
3.1. Ứng dụng bộ khuếch đại quang Raman trong hệ thống WDM 34
LỜI MỞ ĐẦU
Khuếch đại Raman đang được triển khai ở hầu hết các hệ thống thông tin
quang mới ở những cự ly dài và rất dài trong truyền dẫn quang. Làm cho chúng trở

quang. Như vậy, quá trình khuếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 3
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Hình 1.1. Cấu trúc của một trạm 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:
- Khuếch 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 khuếch 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.
- Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi
quang.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 4
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Việc nghiên cứu khuyếch đại quang ngày càng phát triển và được ứng dụng
rộng rãi. Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang, và trong thời gian
qua các nghiên cứu thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính:
- Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier)
- Khuếch 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

chuyển xuống mức năng lượng thấp E1, đồng thời phát ra một photon có mức năng
lượng E
g
= E2-E1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này sảy ra một cách tự
Nhóm 12- L11CQVT07-B 5
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững
của điện tử. Sau một khoảng thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao, các
điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng ền
vững ). 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
(nhiễu ASE) gọi là nhiễu phát xạ tự phát.
Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng
lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf12 bằng với độ chênh lệch
năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử
(Eg=E2-E1).Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái
năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với của photon kích
thích ban đầu. Như vậy từ một photon ban đầu sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và
photon mới tạo ra ) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số.
Hay nói cách khác quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện.
Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser.
1.3. Phân Loại Khuếch Đại Quang
Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại 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.
Tùy 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 bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp năng lượng để khuếch đại
tín hiệu là dòng điện.

s
là công suất bão
hoà . Công suất bão hoà P
s
phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại. Hệ
số T
2
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.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 7
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Ở chế dộ chưa bão hoà, coi P/P
s
<<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=ω
0
tần số trung tâm.
Nếu gọi P
in
, P
out
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 khuếch đại. Nó đặc trưng
cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, hệ số
khuếch đại của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hoà khuếch đại. Điều

(1.7)
Như vậy, nếu với bộ khuếch đại quang bán dẫn có T
2
=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:
Nhóm 12- L11CQVT07-B 9
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
(1.8)
Với G
0
= exp(g
0
L).
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.
1.4.3 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 P
s
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=ω
0
. Theo 1.1 và 1.4, chúng ta có:
(1.9)
Xét phương trình với chiều dài bộ khuếch đại là L, và coi P

tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số G: P
out
= G.P
in
. Tuy nhiên công suất ngõ
ra không thể tăng mãi được. Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất cả các bộ
khuếch đại quang, khi công suất ngõ vào P
in
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 khuếch đại quang cho biết công suất ngõ
ra lớn nhất mà bộ khuếch đại đó có thể hoạt động được. Thông thường một bộ khuếch
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=G
0
/2. Khi
đó, ta có công thức:
Nhóm 12- L11CQVT07-B 11
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
= (1.11)
1.4.4. 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, đây chính là bức xạ tự phát. Bức xạ
nàykhi có phương cùng điện tử, sẽ gây ảnh hưởng lên biên độ và pha của tín hiệu.


Nhóm 12- L11CQVT07-B 12
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
1.5. Ứng Dụng Của Khuyếch Đại Quang

Hình 1.5. Các ứng dụng khuếch đại
a) Khuếch đại trên tuyến (In-line amplifỉer)
b) Khuếch đại công suất (Booster Amplifier)
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
Nhóm 12- L11CQVT07-B 13
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
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,

ω
≈
1
ω
-
Ω
.
Thành phần đối Stokes có tần số lớn hơn tần số của ánh sáng tới
Ω+≈
12
ωω
.
Nhóm 12- L11CQVT07-B 15
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Hình 2.1. Giản đồ năng lượng quá trình tán xạ Raman.
Electron sẽ chuyển từ trạng thái khởi đầu (trạng thái cơ bản) lên trạng thái cao hơn
(trạng thái kích thích) khi đó nó sẽ hấp thụ một photon có năng lượng bằng hiệu năng
lượng giữa trạng thái kích thích và trạng thái khởi đầu. Khi chuyển từ trạng thái kích
thích về trạng thái cuối electron sẽ phát xạ một photon có năng lượng bằng hiệu năng
lượng trạng thái kích thích và trạng thái cuối.
Nếu như trạng thái khởi đầu có năng lượng thấp hơn năng lượng của trạng thái
cuối, tần số photon phát xạ sẽ nhỏ hơn tần số ánh sáng tới và quá trình tán xạ tạo ra
ánh sáng Stoke. Ta có
2
ω
≈
1
ω
-
Ω

) 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 điện tử nhảy xuống mức thấp hơn phát ra photon mới
có cùng bước sóng và pha với photon tín hiệu đến. E1
Hình 2.2.Mô tả quá trình tán xạ raman cưỡng bức
Nhóm 12- L11CQVT07-B 17
E
3
E
2
Tín hiệu
ћ (ν – ν
d
)
Laserbơm
h ν
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Trong đó:
E
1
: mức năng lượng nền.

Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc bộ khuếch đại quang Raman
Bộ khuếch đại quang Raman bao gồm:
Nhóm 12- L11CQVT07-B 18
WDM
Laser bơm
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
- Sợi quang : Là nơi xảy ra quá trình khuếch đại. Sợi quang này cũng là sợi
quang truyền tín hiệu như sợi SMF, hoặc sợi DCF …Trong khuếch đại quang
không cần sử dụng sợi quang đặc biệt (pha ion Erbium ) như bộ khuếch đại
EDFA.
- Bộ ghép (Coupler): Dùng để ghép tín hiệu vào với sóng bơm.
- Laser bơm (Pump laser) : 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.
- Bộ cách ly (Isolator) : 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 ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ
laser bơm vào trong sợi quang.
Có một số cấu hình bơm phổ biến cho khuếch đại quang Raman như:
 Bơm thuận: Nguồn bơm được bơm cùng chiều với hướng truyền tín hiệu
Hình 2.4. Cấu hình bơm thuận cho khuếch đại quang Raman phân bố
Nhóm 12- L11CQVT07-B 19
Pump
Fiber
rr
Signal
Pump
pp
Coupler
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ

(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. Thêm vào đó các bộ
khuếch đại Raman băng rộng hiện nay có băng tần lên tới 136 nm nhờ sử dụng kỹ
thuật đan xen bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu.
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.
2.3. Nguyên Lý Hoạt Động Khuếch Đại Raman
Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích. Tán xạ raman
kích thích là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ năng lượng của một photon, sau đó tạo
Nhóm 12- L11CQVT07-B 21
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
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.
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 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 .
Hình 2.7. Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman
Nhóm 12- L11CQVT07-B 22
Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ
Dựa trên giản đồ năng lượng trên, tần số ánh sáng bơm f bơm và tần số ánh
sáng được khuếch đại f kđại được xác định như sau:
f bơm =(E3-E1)/h
f khuếch đại = (E2-E1)/h
Trong đó : h là hằng số Plank