Đồ án Tán xạ Raman kích thích

chế độ chưa bão hoà trong đó , bằng cách bỏ qua đại lượng trong phương trình (2.1) hệ số khuyếch đại trở thành: (2.2) Phương trình này chỉ ra rằng khuyếch đại đạt được lớn nhất khi mà tần số trùng với tần số dao động nguyên tử . 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 hoặc: (2.3) Ví dụ THz đối với bộ khuyếch đại quang bán dẫn khi 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 và lần lượt là công suất quang vào và sau khuyếch đại thì tăng ích của bộ khuyếch đại định nghĩa theo công thức: (2.4) Từ phương trình (2.5) Với là công suất quang ở khoảng cách z tính từ đầu vào. Với ta có (2.6) Chú ý rằng và sử dụng phương trình (2.4) ta suy ra tăng ích quang của bộ khuyếch đại có độ dài L là: (2.7) Cả và đều có thể được dùng để đặc trưng cho bộ khuyếch đại và đều đạt giá trị lớn nhất khi và đều giảm khi hiệu tăng. Tuy nhiên giảm nhanh hơn so với . Điều này có thể thấy rõ trên hình 2.2, đây là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của và vào . Hình 2.2- Hệ số khuyếch đại chuẩn hoá của bộ khuyếch đại quang. 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 được gọi là hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại (Amplifier noise figure) được định nghĩa là: . (2.8) 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. (2.9) Với là giá trị trung bình của dòng điện, là độ nhạy của bộ thu quang. là phương sai của nhiễu nổ và được xác định theo công thức: (2.10) 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: (2.11) Trong đó là tần số quang, tham số được gọi là hệ số phát xạ tự phát và được tính theo công thức: (2.12) Trong đó và 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: (2.13) Chú ý rằngvàdao 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 : (2.14) Với là pha thay đổi ngẫu nhiên. Phương sai của dòng điện đầu ra bộ thu quang: (2.15) SNR đầu ra của bộ thu quang là: (2.16) Hình ảnh nhiễu bộ khuyếch đại: (2.17) Phương trình (2.17) chỉ ra rằng SNR của tín hiệu sau khuyếch đại sẽ giảm 3 ngay cả khi bộ khuyếch đại là lý tưởng có . Đối với hầu hết các bộ khuyếch đại trong thực tếcó giá trị. Đối với các bộ khuyếch đại quang thì càng nhỏ càng tốt. 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 2.3. Tx:Phía phát Rx:Phía thu. Hình 2.3- 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. Bộ khuyếch đại quang Raman 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 sốvà 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 2.4- 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. Hình 2.5- Khuyếch đại Raman sử dụng nhiều ánh sáng bơm. Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman Phổ khuyếch đại Raman đã được trình bày ở hình 1.8. Hệ số khuyếch đại Raman liên quan đến hệ số khuyếch đại quang g(z) theo công thức:trong đó là cường độ bơm. Nếu gọi là công suất bơm, hệ số khuyếch đại có thể tính theo công thức: (2.18) Hình 2.6 Hiệu suất khuyếch đại Raman () cho các loại sợi quang khác nhau. Vì có thể thay đổi đáng kể đối với nhiều loại sợi khác nhau, tỉ lệ xác định hiệu suất khuyếch đại Raman. Tỉ lệ này được biểu thị trên hình 2.6 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 một công suất bơm tương đối lớn. Ví dụ nếu = ở đỉnh khuyếch đại, bước sóng bơm 1.55và, 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. 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: (2.19) (2.20) trong đó và là hệ số suy hao của sóng bơm và tín hiệu. Đại lượng () 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: (2.21) Trong là công suất bơm đầu vào còn là chiều dài hiệu dụng của sợi. = (2.22) Vì nên trong trường hợp không có khuyếch đại Raman thì hệ số tăng ích quang được xác định theo công thức: = (2.23) Trong đó: (2.24) Hệ số tăng ích quang G sẽ không phụ thuộc vào chiều dài sợi nếu như đủ lớn. Hình 2.7 thể hiện sự phụ thuộc của vào 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 . Ban đầu hệ số tăng ích quang sẽ tăng theo hàm mũ khi tăng nhưng đến khi > 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. Hình 2.7- 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 trong phương trình 2.19 và 2.20 . Kết quả được cho bởi phương trình 2.25. , (2.25) Hình 2.8 chỉ ra đặc tính bão hoà bằng cách vẽ đồ thị là hàm của với các giá trị khác nhau của [2]. Hệ số tăng ích giảm 3dB khi mà . Điều kiện này thoả mãn khi công suất của tín hiện sau khuyếch đại gần bằng công suất bơm đầu vào . Vì thông thường ~ 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 2.8- 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 trong số hạng cuối bằng trong đó là tổng công suất tán xạ Raman tự phát trên toàn bộ băng tần . Hệ số 2 là biểu thị các hướng phân cực. Hệ số tính theo công thức: = trong đó là năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng. Nhìn chung trong các bộ khuyếch đại Raman nhiễu cộng thêm vào khá nhỏ. [2] Hiệu năng khuyếch đại Quan sát trong hình 2.7 ta thấy các bộ khuyếch đại Raman có thể đạt được hệ số tăng ích 20-dB với công suất bơm khoảng 1W. Trong trường hợp lý tưởng, độ dịch tần giữa sóng bơm và tín hiệu sẽ tương ứng với giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Raman (đạt được ở độ dịch tần khoảng 13THz). Ở vùng gần hồng ngoại, nguồn bơm phổ biến nhất là laser Nd:YAG hoạt động ở bước sóng 1.06. Đối với loại nguồn bơm này khuyếch đại lớn nhất đạt được đối với tín hiệu có bước sóng khoảng 1.12. Tuy nhiên bước sóng thường được sử dụng nhiều nhất trong hệ thống thông tin quang WDM là ở các cửa sổ 1.3 và 1.5 . Phổ khuyếch đại rộng của bộ khuyếch đại Raman rất hữu ích trong việc khuyếch đại nhiều kênh đồng thời. Vào năm 1988, trong một thử nghiệm, người ta đã sử dụng một một nguồn bơm ở bước sóng 1.47 để khuyếch đại đồng thời ba tín hiệu được lấy từ ba laser bán dẫn DFB hoạt động ở dải bước sóng 1.57-1.58 [2]. Hệ số khuyếch đại đạt được ở công suất bơm 60 mW. Trong một thử nghiệm khác, một bộ khuyếch đại Raman được bơm bởi một Laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1.55 , đầu ra được khuyếch đại sử dụng EDFA. Các xung bơm có độ rộng 140-ns, công suất đỉnh 1.4 W được bơm liên tục với tần số 1 kHz có khả năng khuyếch đại tín hiệu bước sóng 1.66 với khuyếch đại là 23 dB bởi SRS trên 20 km sợi dịch tán sắc. Ngoài ra những bộ khuyếch đại Raman 1.3 còn thích hợp dùng làm bộ tiền khuyếch đại cho các bộ thu quang tốc độ cao. Các bộ khuyếch đại này có thể dùng để nâng cấp dung lượng của các hệ thống sợi quang hiện có từ 2.5 Gb/s thành 10 Gb/s. Các bộ khuyếch đại Raman được phân thành khuyếch đại Raman tập trung LRA và khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifer). Sự khác nhau này là do cấu tạo của chúng. Đối với LRA có một thiết bị riêng biệt chế tạo bằng cách quấn khoảng 1-2 km sợi quang được pha tạp Ge hoặc Photpho để cải thiện hệ số khuyếch đại. Sợi được bơm ở bước sóng khoảng 1.45 để khuyếch đại một tín hiệu ở bước sóng 1.55. Trong trường hợp bộ khuyếch đại phân bố DRA, sợi quang vừa được dùng để truyền tín hiệu vừa để khuyếch đại. Trong bộ khuyếch đại DRA thường sử dụng kỹ thuật bơm ngược. Một điểm hạn chế của cả hai cấu hình trên là cần phải sử dụng các Laser bơm có công suất lớn. Chính vì lý do này mà bộ khuyếch đại Raman ít được sử dụng trong thập kỷ 90, khi đó phổ biến nhất là bộ khuyếch đại EDFA. Ngày nay với sự xuất hiện của các Laser công suất lớn, bộ khuyếch đại Raman hứa hẹn sẽ được sử dụng rộng rãi. Trong bộ khuyếch đại DRA, hiện tượng tán xạ Rayleigh ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của bộ khuyếch đại. Hiệu ứng tán xạ Rayleigh xảy ra trong mọi sợi quang và là nguyên nhân chính dẫn đến suy hao. Một phần ánh sáng sẽ bị tán xạ theo hướng ngược lại do hiệu ứng tán xạ Rayleigh. Đối với hệ thống nhỏ, tán xạ Rayleigh có thể bỏ qua. Tuy nhiên,đối với các hệ thống đường dài sử dụng khuyếch đại DRA thì hiệu ứng tán xạ Rayleigh ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống theo hai cách. Thứ nhất, làm tăng nhiễu tổng trên toàn bộ hệ thống. Thứ hai, tán xạ Rayleigh kép của tín hiệu gây ra hiện tượng xuyên âm. Xuyên âm Rayleigh được khuyếch đại bởi DRA là một trong những nguyên nhân chính làm giảm công suất của hệ thống. Phần công suất tín hiệu truyền theo hướng thuận sau tán xạ Rayleigh kép được gọi là xuyên âm Rayleigh, có thể tính toán được theo công thức (2.26) (2.26) Trong đó là hệ số tán xạ Rayleigh và G(z) là hệ số khuyếch đại Raman ở khoảng cách z, bộ khuyếch đại có chiều dài L. Mức độ xuyên âm có thể vượt quá 1% nếu L>80 km và G(L)>10. Vì xuyên âm này sẽ được tích luỹ qua nhiều bộ khuyếch đại, dẫn đến sự suy giảm công suất đối với các hệ thống có khoảng cách lớn. Bộ khuyếch đại Raman có thể làm việc ở bất kỳ bước sóng tín hiệu nào với điều kiện bước sóng bơm phải được lựa chọn phù hợp. Đặc tính này, cùng với băng tần rất rộng, bộ khuyếch đại Raman phù hợp với các hệ thống WDM. Một đặc điểm không mong muốn của bộ khuyếch đại Raman là rất nhạy về phân cực. Nói chung, hệ số khuyếch đại tốt nhất khi tín hiệu và sóng bơm đồng phân cực . Vấn đề phân cực có thể được giải quyết bằng cách bơm bởi nhiều sóng bơm. Một yêu cầu nữa đối với hệ thống WDM là phổ khuyếch đại phải tương đối bằng phẳng trên toàn bộ dải tần để tất cả các kênh đều được khuyếch đại như nhau. Trong thực tế phổ khuyếch đại có thể làm bằng phẳng sử dụng nhiều sóng bơm ở các bước sóng khác nhau. Mỗi sóng bơm sẽ có phổ khuyếch đại được mô tả như hình 1.8. Sự chồng lấn của nhiều phổ khuyếch đại như vậy sẽ làm cho phổ khuyếch đại tổng hợp tương đối bằng phẳng trên một vùng phổ rộng. Các bộ khuyếch đại Raman băng rộng dùng cho hệ thống WDM còn yêu cầu một số tham số khác, trong đó có sự tương tác giữa các sóng bơm. Trong thực tế sử dụng nhiều sóng bơm cũng bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng tán xạ Raman, làm cho một phần công suất của các sóng bơm bước sóng ngắn chuyển sang cho các sóng bơm có bước sóng dài hơn. Sự thay đổi của công suất tín hiệu theo hướng thuận bao gồm cả tương tác giữa các sóng bơm, tán xạ Rayleigh ngược, tán xạ Raman tự phát có thể được mô tả bởi phương trình (2.27) [2]. (2.27) Trong đó và là các tần số quang. , f và b lần lượt là ký hiệu cho hướng thuận và hướng ngược. Trong phương trình này hai biểu thức thứ nhất và thứ hai thể hiện sự tương tác, trao đổi năng lượng ở hai tần số. Đại lượng thứ ba và thứ tư biểu thị suy hao sợi quang và tán xạ Rayleigh ngược. Nhiễu gây ra do tán xạ Raman tự phát được biểu thị bằng thành phần phụ thuộc vào nhiệt độ ở trong hai tích phân. Ta cũng có thể viết một phương trình tương tự cho hướng ngược. Để thiết kế bộ khuyếch đại Raman băng rộng, phải giải phương trình (2.27) để tìm hệ số khuyếch đại của từng kênh, các công suất sóng bơm đầu vào sẽ được điều chỉnh sao cho hệ số khuyếch đại là như nhau đối với tất cả các kênh. Hình 2.9 chỉ ra một ví dụ phổ khuyếch đại được tính toán cho bộ khuyếch đại Raman bằng cách sử dụng 8 laser bơm cho một sợi dịch tán sắc có chiều dài là 25 km. Chú ý rằng tất cả các mức công suất là dưới 100 . Bộ khuyếch đại này có hệ số khuyếch đại khoảng 10.5 dB trên băng tần rộng 80 nm với độ gợn nhỏ hơn 0.1 Bộ khuyếch đại này phù hợp với hệ thống WDM bao gồm cả băng L và băng C. Hình 2.9 Làm bằng phẳng phổ khuyếch đại Raman bằng cách sử dụng nhiều nguồn bơm. Tần số và công suất sóng bơm được chỉ ra ở bên phải. Các bộ khuyếch đại quang cũng có thể được thực hiện dựa vào hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích (SBS-Stimulated Brillouin Scattering). Nguyên lý hoạt động của các bộ khuyếch đại sử dụng SBS giống như bộ khuyếch đại dựa trên SRS, đều khuyếch đại tín hiệu quang thông qua quá trính tán xạ. Tuy nhiên bộ khuyếch đại dựa trên hiệu ứng SBS rất ít được ứng dụng trong thực tế do băng tần của chúng thường dưới 100 MHz. Ngoài ra độ dịch tần của SBS chỉ khoảng 10 GHz, do đó bước sóng bơm và tín hiệu gần như trùng nhau. Đặc điểm này làm cho các bộ khuyếch đại Brillouin không phù hợp với các hệ thống WDM. Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman Trong khuyếch đại quang Raman có bốn loại nhiễu chính Nhiễu phát xạ tự phát ASE Phát xạ tự phát bổ sung vào ánh sáng tín hiệu nhiều thành phần tần số khác nhau. Về nguyên lý tất cả các loại nhiễu này có thể được loại trừ những thành phần có tần số nằm trong dải phổ của tín hiệu hữu ích. Phát xạ tự phát không những ảnh hưởng đến đặc tính nhiễu mà còn ảnh hưởng đến tăng ích quang. Mật độ phổ công suất nhiễu ASE: (2.28) Hệ số tạp âm: (2.29) Trong đó và lần lượt là mật độ electron tại trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp. Với khuyếch đại Raman thường bằng 1 do khuyếch đại Raman luôn ở trạng thái gần như đảo lộn mật độ hoàn toàn. Đây là một ưu điểm của khuyếch đại Raman so với EDFA, với EDFA, thường lớn hơn 1. Nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS Tán xạ Rayleigh kép tương ứng với hai quá trình tán xạ (một cùng chiều và một ngược chiều với chiều truyền của ánh sáng tín hiệu) do sự không đồng nhất của sợi quang. Nhiễu phát xạ tự phát ASE truyền theo hướng ngược sẽ bị phản xạ lại do tán xạ Rayleigh kép và tiếp tục được khuyếch đại do quá trình tán xạ Raman kích thích. Nhiễu tán xạ Rayleigh kép trong khuyếch đại Raman rất lớn do ánh sáng tán xạ Rayleigh được khuyếch đại trong quá trình truyền và khuyếch đại Raman yêu cầu độ dài sợi tăng ích Raman khá lớn. Thực tế nhiễu tán xạ Rayleigh kép làm giảm tăng ích quang cho mỗi đoạn khoảng từ 10 đến 15 Để giảm nhiễu tán xạ Rayleigh kép có thể sử dụng các bộ cách li giữa các bộ khuyếch đại. Ví dụ với các hệ thống sử dụng 2 bộ khuyếch đại Raman tập trung (tăng ích khoảng 30 và bộ cách ly quang hệ số tạp âm thấp hơn 5.5 Nhiễu do thời gian sống của electron tại trạng thái kích thích ngắn. Thời gian sống của electron trong khuyếch đại Raman ở trạng thái năng lượng kích thích ngắn chỉ khoảng 3 đến 6 fs (với EDFA là ms). Thời gian đáp ứng nhanh của quá trình tán xạ Raman làm cho cường độ ánh sáng tín hiệu bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi cường độ ánh sáng bơm. Một phương pháp được sử dụng để giảm nhiễu do thời gian đáp ứng nhanh của tán xạ Raman là áp dụng cơ chế bơm ngược: ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu truyền ngược chiều nhau. Với cơ chế bơm ngược thời gian của điện tử tại trạng thái năng lượng cao cân bằng với thời gian truyền qua sợi. Cũng có thể sử dụng cơ chế bơm cùng chiều cho khuyếch đại Raman. Tuy nhiên khi bơm cùng chiều công suất ánh sáng bơm phải có độ ổn định cao để giảm nhiễu tương quan cường độ RIN. Ví dụ có thể sử dụng laser Fabry-Perot thay thế cho các cách tử. Nhiễu do bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu gần nhau Bình thường trong bộ khuyếch đại Raman có một phần ánh sáng bơm bị tán xạ tự phát. Ánh sáng tán xạ tự phát này gây nhiễu cho các kênh tín hiệu có bước sóng gần bước sóng ánh sáng bơm. Theo một số kết quả nghiên cứu hiệu ứng này có thể làm cho hệ số tạp âm NF tới 3 với các kênh tín hiệu có bước sóng gần bước sóng bơm. Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) Hình 2.10- Khuyếch đại tập trung (a) và khuyếch đại phân bố (b). Với bộ khuyếch đại Raman phân bố DRA, ánh sáng bơm được phân bố trải dài trong sợi quang. DRA tận dụng sợi quang sẵn có trong mạng như một phương tiện để khuyếch đại tín hiệu và như vậy ánh sáng sẽ được khuyếch đại đồng đều dọc theo sợi quang trên một khoảng cách lớn (Hình 2.10b). Với các bộ khuyếch đại DRA, thông thường ánh sáng bơm có công suất cao được bơm theo hướng ngược để kết hợp với các bộ khuyếch đại tập trung khác như các bộ khuyếch đại quang sợi pha đất hiếm EDFA. Ưu điểm chính của DRA là cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR và giảm tính phi tuyến. Hình 2.11- Công suất tín hiệu trong hệ thống sử dụng DRA Hình 2.11 biểu diễn mức công suất ánh sáng tín hiệu của hệ thống khuyếch đại theo chu kỳ. Đỉnh hình răng cưa tương ứng với các điểm khuyếch đại tập trung. Đường nét đứt là biểu diễn công suất ánh sáng tín hiệu trong hệ thống chỉ sử dụng các bộ khuyếch đại tập trung với tăng ích cao. Đường cong trên hình 2.11 tương ứng với công suất ánh sáng tín hiệu trong trường hợp sử dụng bộ khuyếch đại DRA kết hợp với bộ khuyếch đại quang tập trung có tăng ích nhỏ. Khi sử dụng DRA mức công suất tín hiệu dọc theo sợi quang sẽ đồng đều hơn. Nếu kết hợp các bộ khuyếch tập trung mức ánh sáng tín hiệu đỉnh không quá lớn. Như vậy sẽ tránh được các hiệu ứng phi tuyến. Đồng thời mức công suất ánh sáng tín hiệu cũng không xuống thấp quá do ảnh hưởng của suy hao do đó tỉ số SNR được cải thiện. Tỉ số SNR cao tương ứng với khả năng tăng khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại hoặc tăng dung lượng của kênh tín hiệu. Khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại quang tập trung thường khoảng 80 km, bằng cách sử dụng DRA hiệu năng của hệ thống tương đương với sử dụng khuyếch đại quang tập trung với khoảng cách giữa chúng là 35 đến 38 km [5], [8]. Ngoài khả năng tăng khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại hoặc tăng tốc độ bit DRA còn được sử dụng trong hệ thống WDM để giảm khoảng cách giữa các kênh hoặc hoạt động tại bước sóng tán sắc không. Một số thí nghiệm với DRA [5], [8]: Terahara và các cộng sự đã triển khai hệ thống sử dụng DRA hai băng (băng C và băng L) cho hệ thống WDM cự ly dài. Trong hệ thống này tốc độ truyền là 12.8 Tb/s với khoảng cách là 840 km. Hệ thống sử dụng sợi đơn mode chuẩn với khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại là 140 km (tăng 60 km so với hệ thống thông thường). Với bộ khuyếch đại DRA hai băng, tỉ số giữa tín hiệu trên tạp âm quang OSNR tăng 3.7 tại băng C và băng L. Các thí nghiệm của Nielsen thực hiện trên hệ thống 3.28 Tb/s (82 x 40 Gb/s mã NRZ) với sợi dịch tán sắc có chiều dài 3x100 km. Hệ thống bao gồm 40 kênh WDM băng C (khoảng cách giữa các kênh là 100 GHz) và 42 kênh WDM băng L (khoảng cách giữa các kênh cũng là 100 GHz). Hệ thống này có tỉ số lỗi bit (BER) dưới dù các kênh đều không sử dụng sửa lỗi trước (forward error correction) H. Suzuki thực hiện nghiên cứu hiệu ứng phi tuyến trên hệ thống DWDM 1Tb/s băng C (100 x 10Gb/s, khoảng cách giữa các kênh là 25 Ghz) có khoảng cách 320 km (4x80 km) và sử dụng sợi dịch tán sắc DSF. Với việc sử dụng DRA và ghép kênh đan xen phân cực, ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng FWM không đáng kể. Bên cạnh các ưu điểm vừa nêu, khuyếch đại Raman tập trung cũng có một số nhược điểm: Sợi quang có chiều dài hiệu dụng thấpđược xác định từ hệ số suy hao của sợi. Trong các bộ khuyếch đại DRA chiều dài hiệu dụng của sợi quang thường nhỏ hơn 40 km.Chiều dài hiệu dụng thấp làm giảm khả năng tăng khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại. DRA có công suất ánh sáng bơm rất cao, ví dụ để tối ưu hoá mức nhiễu công suất ánh sáng bơm với sợi dịch tán sắc khoảng 580 và 1.28 W với sợi đơn mode chuẩn. Với mức công suất ánh sáng bơm cao như vậy các thiết bị quang như connector rất dễ bị hư hại. DRA rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm… và sự thay đổi cơ học. Một vấn đề đáng được quan tâm khác đối với DRA là nhiễu tán xạ Rayleigh kép. Các bộ khuyếch đại DRA thường có nhiễu DRS cao hơn so với các bộ khuyếch đại Raman tập trung khi sử dụng cùng loại sợi và có chiều dài sợi như nhau. Những vấn đề trên làm giảm tính ưu việt của DRA. Tuy nhiên do lợi ích từ tỉ số SNR và giảm hiệu ứng phi tuyến của DRA là rất lớn nên DRA đã được sử dụng khá rộng rãi trong các hệ thống cự ly dài. Khuyếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) Hình 2.12- Khuyếch đạ