Nguyễn Đức Tuyến
LỜI NÓI ĐẦU
Mặc dù tán xạ không đàn hồi của phần tử ánh sáng, một hiện tượng
được biết như tán xạ Raman, được tìm ra bởi C.V. Raman trong năm
1928, nhưng hiện tượng phi tuyến của tán xạ Raman kích thích không
được chứng minh cho đến năm 1962. Không lâu sau đó, sợi quang silica
suy hao thấp được sử dụng trong năm 1970, Roger Stolen và những
người đồng nghiệp sử dụng tán xạ Raman kích thích trong nhiều sợi
quang không chỉ cho khuếch đại của tín hiệu quang mà còn cho cấu tạo
laser Raman sợi cơ sở. Khả năng của bộ khuếch đại Raman cho bù suy
hao sợi quang trong hệ thống sóng ánh sáng được chứng minh trong
những năm 1980 trong một vài thí nghiệm được làm bởi Linn Mollenauer
và đồng nghiệp của ông. Tuy nhiên, những thí nghiệm này không phù
hợp cho sự phát triển bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin
quang thương mại. Tiếp theo bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium có
bơm sử dụng laser bán dẫn có tính thực tiễn hơn nên khuếch đại Raman
đã bị bỏ qua suốt nhưng năm 1990.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu laser bơm thích ứng cho khuếch đại
Raman vẫn được tiến hành. Một vài công nghệ tiên tiến được tìm ra trong
những năm 1990 giúp cho việc sản xuất ra laser bán dẫn đơn mode ngang
có khả năng phát mức công suất vượt quá 0,2 W. Người ta cũng nhận
thấy rằng một vài laser bơm có thể sử dụng tương thích tại bước sóng
i
Nguyễn Đức Tuyến
khác nhau và cung cấp độ khuếch đại Raman qua một băng tần rộng bao
gồm cả băng truyền dẫn C và L. Hơn nữa, người ta cũng chế tạo ra bộ
khuếch đại Raman phân bố có độ khuếch đại trên 10 km có nhiễu nhỏ
hơn so với bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium có độ khuếch đại trên 10
mét. Khi laser bán dẫn công suất lớn có giá trị về thương mại vào cuối thế
kỷ 20, bộ khuếch đại Raman đã được sử dụng trong một số thí nghiệm và
thấy rằng nó cải thiện hiệu năng của hệ thống WDM. Tới năm 2003, việc

trong suốt thời gian qua.

iii
Đồ án tốt nghiệp
Mục lục
MỤC LỤC
1.2. Nguyên lý bộ khuếch đại quang 2
1.3.Phân loại khuếch đại quang 4
1.4. Hệ số độ lợi 5
1.5. Băng thông độ lợi 7
1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà 9
1.7. Hệ số nhiễu 10
1.8. Ứng dụng bộ khuếch đại quang 11
Kết luận chương I 12
CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 10
2.1.Tán xạ Raman 10
2.1.1.Ánh sáng 10
2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường 10
2.1.3.Sợi quang 13
2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 14
2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang 19
2.1.6.Tán xạ ánh sáng 22
2.1.7.Tán xạ Raman 25
2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman 34
2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman 65
2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman
Amplifier) 68
2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier)
72
2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 73

72
2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 73
3.1.Ứng dụng trong hệ thống WDM 53
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu tự phát
CW Continuous Wave Sóng liên tục
DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc
DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman
phân bố
DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Raman kép
DWDM Dense Wavelength Division
Multiplexing
Ghép phân chia theo
bước sóng dày đặc
EDFA Erbium Droped Fiber Amplifer Khuếch đại quang sợi
pha Erbium
FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng
LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman
vi
Đồ án tốt nghiệp
Mục lục
tập trung
NF Noise Figure Hệ số nhiễu
NZDF Nonzero Dispersion Fiber Sợi quang tán sắc khác
không
OFA Optical Fiber Amplifer Bộ khuếch đại sợi
quang
OSA Optical Spectrum Analyzer Bộ phân tích phổ quang
OSC Optical Service Channel Kênh dịch vụ quang

qua một bộ chuyển đổi O/E, sau khi khuếch đại, nó lại qua bộ E/O để
thực hiện truyền dữ liệu tiếp đến đích.
Hình 1.1:Bộ lặp quang điện
Các hệ thống hiện nay (WDM – Wavelength Division
Multiplexing), số lượng bước sóng là rất nhiều. Nếu sử dụng bộ lặp như
hiện nay, tức là khuếch đại tín hiệu trên tín hiệu điện, thì sẽ phải cần rất
nhiều các bộ lặp khác nhau, mỗi bộ lặp thực hiện khuếch đại một bước
sóng. Điều này sẽ làm cho chi phí tăng lên rất nhiều lần, mà hiệu quả
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
không cao. Để giải quyết chúng ta đặt ra vấn đề phải thực hiện khuếch đại
ngay trên tín hiệu quang.
Điều này sẽ dẫn tới có một số ưu điểm sau (so với trạm lặp):
+) Không cần chuyển đổi E/O và O/E, nên mạch linh động hơn, đỡ cồng
kềnh.
+) Có thể khuếch đại cùng lúc nhiều bước sóng.
+) Không phụ thuộc vào phương thức điều chế và tốc độ bit.
1.2. 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 1.2.
Hình 1.2: Các hiện tượng biến đổi quang điện
Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng lượng E
v
=
hf
12
tác động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm E

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 kỳ 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.
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
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 lợi 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 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 kỹ thuật so với SOA.
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

tới, ω
0
là tần số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu được khuếch
đại, P
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 để 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 độ chưa bão hoà, coi P/P
s
<< 1, khi đó phương trình 1.1 trở
thành:
2
2
2
0
0
)(1
)(
T
g
g
ωω
ω

)exp()( gzPzP
in
=
(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 P
out
= P(L). Suy
ra hệ số khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là:
Lg
in
L
in
out
e
P
P
P
P
G
)(
)(
ω
ω
===
(1.6)
Dễ dàng nhận thấy rằng, g(ω) đạt giá trị lớn nhất tại ω = ω
0
nên G(ω)
cũng đạt giá trị lớn nhất tại ω

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 ∆v
A
được định nghĩa là một FWHM, và liên quan tới
∆v
g
theo công thức sau:

2/1
0
)2/ln(
2ln






∆=∆
G
vv
gA
(1.8)
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
Với G
0
= exp(g

P(L)=GP
in
= P
out
, từ đó ta có phương trình:
)
1
exp(
0
s
out
P
P
G
G
GG
−
−=
(1.10)
Dễ dàng nhận thấy, G bắt đầu giảm dần từ giá trị đỉnh G
0
khi giá trị
P
out
đạt gần tới giá trị công suất bão hoà P
s
, mô tả trong hình 1.4.
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
Hình 1.4: Sự phụ thuộc của công suất ra (theo P

quang
1.7. 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 tượng
nhiễu bức xạ tự phát ASE. Do vậy, công suất cửa ra gồm có công suất
vào khuếch đại và công suất bức xạ tự phát:
P
out
= G.P
in
+ P
ASE
(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 trên tạp tại đầu ra và đầu vào:
out
in
SNR
SNR
NF =
Hay NF = SNR
in
(dB) – SNR
out
(dB) (1.13)

Bộ tiền khuếch đại được đặt ngay phía trước bộ thu nhằm khuếch
đại tín hiệu thu được. Điều này làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt độ nhạy
thiết bị thu, và cho phép hệ thống truyền dẫn với tốc độ cao hơn. Yêu cầu
của bộ tiền khuếch đại này là độ nhạy lớn, độ lợi lớn, và nhiễu thấp.
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.
Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu về khuếch đại
quang
Ở chương tiếp theo em sẽ trình bày chi tiếp về bộ khuếch đại
Raman.
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại
Raman
CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN
2.1.Tán xạ Raman
2.1.1.Ánh sáng
Ánh sáng có tính lưỡng tính sóng hạt. Tính chất sóng của ánh sáng
được quan sát thấy qua các hiện tượng giao thoa, tán sắc. Ánh sáng có
bản chất sóng điện từ. Các mode trường điện từ là tập các nghiệm của
phương trình sóng. Tính chất hạt của ánh sáng được thể hiện qua khả
năng đâm xuyên, hiện tượng quang điện, tác dụng ion hoá. Ánh sáng bao
gồm các photon mang năng lượng xác định bằng hf trong đó h là hằng số
Plank còn f là tần số của ánh sáng.
2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường
Một chùm sáng đi từ chân không vào môi trường bị phản xạ một
phần ở mặt ngăn cách. Phần khúc xạ vào môi trường lại bị tán sắc, bị môi
trường hấp thụ và bị tán xạ một phần về mọi phía.
Theo Lorentx ta thừa nhận những giả thiết cơ bản sau đây:
 Phân tử của mọi chất được tạo thành từ ion và electron. Electron có

nằm vào vùng Rơngen.
Lực của dao động cưỡng bức do điện từ trường tác dụng lên
electron được gọi là lực Lorentx và bằng :

eEf =
1
(2.0)
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại
Raman
Mặt khác electron vốn chịu một lực chuẩn đàn hồi, ràng buộc nó
với hạt nhân

rmkrf
2
12
ω
−=−=
(2.0)
Trong đó k là hằng số chuẩn của lực đàn hồi, xác định tần số dao
động riêng của electron theo hệ thức:
mk /
1
=
ω
, r là độ lệch của electron
ra khỏi vị trí cân bằng. Hằng số lực k phụ thuộc vào điện tích hạt nhân
nguyên tử, hoặc cấu trúc phân tử nên
1
ω
là hoàn toàn đặc trưng cho

′′
ωξ
(2.0)
Phương trình (2.5) cùng với các giả thuyết của Lorentx là cơ sở
cho việc giải các bài toán tán sắc và hấp thụ ánh sáng.
Đồ án tốt nghiệp Chương II:Bộ khuếch đại
Raman
2.1.3.Sợi quang
Sợi quang gồm một lõi hình trụ bằng thuỷ tinh có chiết suất
1
n
,
bao quanh lõi là một lớp vỏ phản xạ đồng tâm với lõi. Lớp vỏ có chiết
suất
2
n
(
2
n
<
1
n
).
Sợi quang có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Nếu
phân loại theo sự thay đổi chiết suất của lõi sợi thì sợi quang được chia
thành hai loại. Loại sợi có chiết suất đồng đều ở lõi được gọi là sợi quang
chiết suất bậc. Loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi ra tới
lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ phản xạ được gọi là sợi có chiết suất Gradient
(GI-Graded Index). Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì có loại sợi
quang đa mode và sợi đơn mode. Sợi đa mode cho phép nhiều mode