Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
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 2.- 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
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
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

ω
(2.)
Trong đó g
0
là giá trị đỉnh của khuyếch đại,
ω
là tần số của tín hiệu quang tới,
0
ω
là
tần số dao động của nguyên tử,
P
là công suất của tín hiệu được khuyếch đại,
s
P
là công
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
suất bão hoà. Công suất bão hoà
s
P
phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuyếch
đại. Hệ số
2
T
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
1/ <<

khuyếch đại có thể khác xa điều kiện Lorentzian. Băng tần khuyếch đại được định nghĩa
là
2
/2 T
g
=∆
ω
hoặc:
2
1
2 T
v
g
g
ππ
ω
=
∆
=∆
(2.)
Ví dụ
5~
g
v
∆
THz đối với bộ khuyếch đại quang bán dẫn khi
60~
2
T
fs. Các bộ

ta có
)exp()( gzPzP
in
=
(2.)
Chú ý rằng
out
PLP
=
)(
và sử dụng phương trình (2.4) ta suy ra tăng ích quang của bộ
khuyếch đại có độ dài L là:
[ ]
LgG )(exp)(
ωω
=
(2.)
Cả
)(
ω
G
và
)(
ω
g
đều có thể được dùng để đặc trưng cho bộ khuyếch đại và đều đạt
giá trị lớn nhất khi
0
ωω
=

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
n
F
được gọi là hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại (Amplifier noise figure)
được định nghĩa là:
out
in
n
SNR
SNR
F
=
. (2.)
n
F
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.
fhv
P
fRPq
RP
I
SNR
in
in
in
s
in

∆=
)(2
2
σ
(2.)
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:
hvnGvS
spsp
)1()(
−=
(2.)
Trong đó
v
là tần số quang, tham số
sp
n
được gọi là hệ số phát xạ tự phát và được
tính theo công thức:
12
2
NN
N
n
sp
−

=∆
(2.)
Với
θ
là pha thay đổi ngẫu nhiên. Phương sai của dòng điện đầu ra bộ thu quang:
fRSRGP
spin
∆≈
))((4
2
σ
(2.)
SNR đầu ra của bộ thu quang là:
fS
GPRGP
I
SNR
sp
inin
out
∆
≈==
4
)(
2
2
2
2
σσ
(2.)

Tx:Phía phát Rx:Phía thu.
Hình 2.- 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.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
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
ω

pR
=
trong đó
p
I
là cường độ bơm. Nếu gọi
p
P
là công suất bơm, hệ số
khuyếch đại có thể tính theo công thức:
)/)(()(
effpR
APgg
ωω
=
(2.)
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
Hình 2. Hiệu suất khuyếch đại Raman (
effR
Ag /
) cho các
loại sợi quang khác nhau.
Vì
eff
A
có thể thay đổi đáng kể đối với nhiều loại sợi khác nhau, tỉ lệ
effR
Ag /
xác
định hiệu suất khuyếch đại Raman. Tỉ lệ này được biểu thị trên Hình 2. cho ba loại sợi

toán băng cách giải hệ phương trình:
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Ứng dụng SRS khuyếch đại tín hiệu quang
speffRsss
PPAgPdzdP )/(/
+−=
α
(2.)
pseffRspppp
PPAgPdzdP )/)(/(/
ωωα
−−=

(2.)
trong đó
p
α
và
s
α
là hệ số suy hao của sóng bơm và tín hiệu. Đại lượng (
sp
ωω
/
) 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:
)/exp().0()(

−=
nên trong trường hợp không có khuyếch đại Raman thì hệ
số tăng ích quang được xác định theo công thức:
)exp()0(
)(
LP
LP
G
ss
s
A
α
−
=
=
)exp(
0
Lg
(2.)
Trong đó:









