Khóa luận Nghiên cứu khuếch đại RAMAN cưỡng bức ứng dụng trong khuếch đại quang

ển và được ứng dụng rộng rãi. Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuyếch đại quang, và trong thời gian qua các nghiên cứu thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính: - Khuyếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier) - Khuyếch 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 kênh, việc nghiên cứu phát triển các loại khuếch đại quang khác đã được đẩy mạnh, trong đó khuếch đại quang trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (ROA) được đặc biệt quan tâm trên thế giới. 1.2.1 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. 12 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: Hình 1.3. Các hiện tượng biến đổi quang điện Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng lượng Ev =hf12 tác động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm Eg =E2-E1 bằng nhauEv=Eg). Khi đó, điện tử sẽ nhận năng lượng và được nhẩy lên mức năng lượng cao hơn. Đây chính là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng suy hao cho tín hiệu quang. Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử ở mức năng lượng cao chuyển xuống mức năng lượng thấp, đồng thời phát ra một photon có mức năng lượng Ev bằng độ lớn dải cấm Eg. 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. Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi có một ánh sáng có năng lượng photon Ev chính bằng năng lượng dải cấm Eg. Khi đó, một điện tử ở mức năng lượng cao sẽ bị chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và 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 ký 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. 13 1.2.2 Ứng dụng của khuyếch đại quang Hình 1.4. Các ứng dụng khuếch đại a) Khuếch đại công suất(Booster Amplifier) b) Khuếch đại trên tuyến (in-line amplifỉer) 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 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, các bộ tiền khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao. Do 14 vậy, yêu cầu của bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, hệ số G trung bình nhưng thông số nhiễu phải rất thấp. Khuếch đại quang Raman có thông số nhiễu nhỏ, vì vậy chúng luôn được sử dụng cho tiền khuếch quang. Tuy nhiên khuyếch đại quang chỉ bù được công suất quang đã bị suy hao trong tuyến truyền dẫn. Do khuyếch đại quang không cải thiện được các tạp âm, tán sắc và các hiệu ứng quang phi tuyến, cho nên tuyến thông tin quang sử dụng khuyếch đại quang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra. Sử dụng khuyếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM có ý nghĩa công nghệ quan trọng vì khuyếch đại quang có thể khuyếch đại tất cả các bước sóng tới trong băng tần khuyếch đại. 1.2.3 Các thông số chính của sợi quang 1.2.3.1 Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại Hầu hết các bộ khuếch đại quang đều được thực hiện thông qua hiệu ứng bức xạ kích thích. Khuếch đại đạt được khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm quang, hay bơm điện để đảo lộn mật độ. Nhìn chung khuếch đại quang không chỉ phụ thuộc vào bước sóng truyền mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm,mật độ hạt có trong vật liệu. Chúng ta coi vật liệu là đồng nhất, ta có được phương trình sau: (1.1) Trong đó g0 là giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω0 là tần số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu được khuếch đại Ps là công suất bão hoà . Công suất bão hoà Ps phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại. Hệ số T2 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. Ở chế dộ chưa bão hoà, coi P/Ps <<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=ω0 tần số trung tâm. Nếu gọi Pin, Pout 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 khuyếch đại. Nó đặc trưng cho khả năng khuyếch đại công suất ánh sáng của bộ khuyếch đại. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại của một bộ khuyếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hoà khuếch đại. Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuyếch đại. 15 Mặt khác ta lại có công thức sau (1.4) Suy ra: P(z) = Pin exp(gz) (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 Pout =P(L). Suy ra hệ số khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là: G(ω)= = = (1.6) Dễ dàng nhận thấy rằng, g(ω) đạt giá trị lớn nhất tại ω=ω0 nên G(ω) cũng đạt giá trị lớn nhất tại ω0. Và giá trị hai hệ số này cũng đều giảm khi (ω-ω0 ) tăng, Ta có biểu đồ sau: Hình 1.5. Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi 1.2.3.2Băng thông độ lợi Băng thông độ lợi được định nghĩa là =2/T2 hay là: (1.7) Như vậy, nếu với bộ khuếch đại quang bán dẫn có T2 =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: (1.8) Với G0 = exp(g0L). 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. 16 1.2.3.3 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 Ps 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=ω0 . Theo 1.1 và 1.4, chúng ta có: (1.9) Xét phương trình với chiều dài bộ khuếch đại là L, và coi P0=Pin và P(L)=GPin =Pout , từ đó ta có phương trình: G=G0 exp ( ) (1.10) Dễ dàng nhận thấy, G bắt đầu giảm dần từ giá trị đỉnh G0 khi giá trị Pout đạt gần tới giá trị công suất bão hoà Ps mô tả trong hình 1.4. Hình 1.6. Sự phụ thuộc của công suất ra (theo Ps) theo G(theo G0) Công suất ngõ ra bão hoà (Saturation Output Power) Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ta sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số G: Pout = G.Pin. Tuy nhiên, công suất ngõ ra không thể tăng mãi được. Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất cả các bộ khuyếch đại quang, khi công suất ngõ vào Pin 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 khuyếch đại quang cho biết công suất ngõ ra lớn nhất mà bộ khuyếch đại đó có thể hoạt động được. Thông thường, một bộ khuyếch 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. 17 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=G0/2. Khi đó, ta có công thức: = (1.11) 1.2.3.4 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, 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 tưọng nhiễu xạ tự phát ASE. Do vậy, công suất cửa ra gồm có công suất vào khuếch đại và công suất bức xạ tự phát: Pout=G.Pin+PASE (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 hiệu trên tạp tại đầu ra và đầu vào: SNFout SNRinNF = Hay NF=SNRin(dB)-SNFout(dB) (1.13) Người ta cũng chứng minh được rằng, giá trị hằng số nhiễu tính cụ thể theo công thức sau: NF=2nsp 2nsp (1.14) Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ càng tốt,và giá trị nhỏ nhất có thể đạt được là 3dB. Tại giá trị này,chúng ta gọi là giá trị lượng tử. 1.3 Phân loại khuếch đại quang Trong một bộ khuếch đại quang ,quá trình khuếch dại 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. Tuỳ 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 . 18 Một trong những loại OFA tiêu biểu là EDFA. EDFA có nhiều ưu điểm về đặc tính ký thuật so với SOA. Ta sẽ chủ yếu tập trung nghiên cứu vào EDFA ở phần tới. 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 tượng tán xạ Raman kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích. 1.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn. Hình 1.7. Sơ đồ khối một SOA Khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) là hệ khuếch đại tín hiệu quang với môi trường khuếch đại sử dụng vật liệu bán dẫn. Hệ khuếch đại này có cấu trúc tương tự như những diode laser Fabry-Perot, nhưng được trang bị thêm các lớp chống phản xạ ở hai gương của môi trường khuếch đại (hệ số phản xạ nhỏ hơn 0.001%) để tránh cộng hưởng tạo nên hiệu ứng laser. Hoạt động của SOA dựa vào nguyên lý khuếch đại sóng chạy (traveling-wave) trong vùng điện tích không gian nằm giữa 2 vùng bán dẫn loại p và loại n. Khi có dòng điện bơm cho SOA, các điện tử sẽ được bơm vào vùng dẫn (bán dẫn loại n) và lỗ trống bơm vào vùng hóa trị (bán dẫn loại p). Photon đến có bước sóng thích hợp sẽ kích thích điện tử và lỗ trống tái hợp trong miền điện tích không gian và sẽ phát xạ thêm một photon nữa có cùng tần số và pha với photon đến, như vậy tín hiệu quang đã được khuếch đại. Các hệ khuếch đại quang bán dẫn được làm từ hợp chất bán dẫn như GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP, các vật liệu này có thể khuếch đại quang trong vùng bước sóng từ 0.85 µm đến 1.6 µm. Bước sóng khuếch đại của SOA phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm và có thể thay đổi tùy theo loại vật liệu bán dẫn. Các loại khuếch đại quang bán dẫn dùng trong thông tin quang sợi là loại có phổ khuếch đại trong vùng bước sóng 1310 nm và 1550 nm. Những ưu điểm của SOA: - Băng tần khuếch đại khá rộng 40 nm – 80 nm. 19 - Kích thước nhỏ gọn và dễ bảo trì. Nhược điểm của SOA: - Đặc điểm của SOA là vùng không gian khuếch đại dẫn sóng có chiều dài khá bé (cỡ mm) nên khó đạt được hệ số khuếch đại cao (G < 16 dB). - Công suất tín hiệu quang lối ra thấp (P < 10 dBm). - Hệ số tạp âm NF khá cao (NF ~ 7 - 10 dB ). - Nhạy cảm với phân cực ánh sáng của tín hiệu quang, nên công suất quang lối ra không ổn định. - Các hiệu ứng phi tuyến như hiện tượng xuyên kênh, trộn 4 sóng xảy ra khá mạnh. Hình 1.8. Các ứng dụng cơ bản của SOA Các ứng dụng cơ bản của SOA trong các hệ thống thông tin quang có thể phân thành ba loại: khuếch đại công suất để tăng công suất phát của laser, khuếch đại đường truyền để bù suy hao truyền dẫn của sợi quang và tiền khuếch đại để cải thiện độ nhậy thu. Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA) Nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+, có thể tóm tắt như sau: - Ion Er3+ có sơ đồ các mức năng lượng như hình 1.9, quá trình khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+ chủ yếu liên quan đến 3 mức năng lượng bên dưới của ion Er3+, đó là các mức 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2. 20 Hình 1.9. Sơ đồ các mức năng lượng của ion Er3+ tự do - Đặc điểm rất quan trọng là mức năng lượng 4I13/2 có thời gian sống rất lớn (τ ~ 10 ms) so với thời gian sống của các mức 4I11/2 và 4I9/2 (τ ~ μs). Khi kích thích thủy tinh pha tạp erbium bằng laser có bước sóng 980 nm hoặc 810 nm, các ion Er3+ sẽ chuyển dời từ mức cơ bản 4I15/2 lên mức năng lượng 4I11/2 hoặc 4I9/2, vì thời gian sống của ion Er3+ ở trạng thái mức năng lượng 4I11/2 và 4I9/2 rất bé nên các ion Er3+ sẽ nhanh chóng chuyển dời không phát xạ về mức kích thích 4I13/2. - Thời gian sống của ion Er3+ ở mức 4I13/2 lớn hơn hàng ngàn lần so với các mức bên trên, nên khi bơm với mật độ năng lượng đủ lớn chúng ta dễ dàng tạo được trạng thái nghịch đảo mật độ phân bố giữa mức 4I13/2 và mức cơ bản 4I15/2. - Khi một photon có bước sóng trong vùng 1550 nm đi vào vùng dẫn sóng thủy tinh pha tạp Er3+ có nghịch đảo mật độ trạng thái giữa hai mức 4I13/2 và 4I15/2, hiện tượng phát xạ cưỡng bức sẽ xảy ra. Photon tới sẽ kích thích ion Er3+ chuyển dời từ mức 4I13/2 về mức cơ bản 4I15/2, chuyển dời này phát xạ thêm một photon nữa có cùng bước sóng và pha với photon tới, đây chính là nguyên lý khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp Er3+. Khuếch đại quang của thủy tinh pha tạp ion Er3+ đã góp phần rất lớn trong phát triển thông tin quang sợi vì vùng bước sóng khuếch đại phù hợp với cửa sổ thông tin thứ 3 (1530 nm – 1610 nm) đang được sử dụng, hiện nay có rất nhiều các nghiên cứu cơ bản về tính chất quang của thủy tinh pha tạp Er3+ nhằm chế tạo được các hệ khuếch đại quang có chất lượng ngày càng hoàn thiện. - Khuếch đại quang Raman (Raman Optical Amplifier:ROA): dựa trên cơ sở tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường có tán xạ Raman mạnh. Môi trường tán xạ Raman là sợi quang có pha tạp Ge với nồng độ cao và có cấu trúc dẫn sóng phức tạp (sợi quang bù tán sắc –DCF). Khác với khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium, yêu cầu đối với ROA là nguồn bơm có công suất cao (vài trăm miliwatt trở lên) và sợi quang có độ dài từ vài kilômét đến vài chục kilômét. Khuếch đại quang Raman sử dụng trong 21 hệ thống thông tin quang chủ yếu dựa vào sóng Stoke phát ra từ tán xạ Raman trên các phân tử trong sợi quang. Do sóng Stoke từ tán xạ Raman yếu, vì vậy sợi quang cần phải có độ dài lớn (hàng chục kilômét) để tích luỹ sóng Stoke dọc theo sợi quang. Đây là điều khác biệt rất cơ bản giữa ROA và EDFA. 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.Các khảo sát về tán xạ Raman và khuếch đại quang Raman được trình bày chi tiết trong chương 2 và một số kết quả thực nghiệm về hiệu ứng Raman trong sợi quang có pha tạp Ge cao (sợi nhạy quang) kết hợp sợi quang tiêu chuẩn sẽ trình bày trong chương 3 của khoá luận này. Chương 2. Hiệu ứng tán xạ Raman và bộ khuếch đại quang sợi Raman 2.1 Hiệu ứng tán xạ Raman Hiện tượng tán xạ Raman được nhà khoa học Raman phát hiện ra vào năm 1928. Khi hội tụ chùm sáng vào môi trường vật chất (chất lỏng) ông phát hiện ra rằng, trong chùm sáng thứ cấp sau khi đi qua môi trường, ngoài thành phần có tần số bằng tần số ánh sáng tới còn có hai thành phần ánh sáng có tần số lớn hơn và nhỏ hơn. Hiệu tần số của các thành phần chính bằng tần số dịch chuyển giữa các mức năng lượng dao động hoặc quay của phân tử môi trường. Như vậy khi chiếu một chùm ánh sáng có tần số ν0 vào một môi trường gồm các phân tử sẽ xảy ra hiện tượng sau: Tán xạ Rayleigh tự phát, là ánh sáng thứ cấp, tần số bức xạ của nó bằng tần số ánh sáng chiếu vào ν0; 22 Hình 2.1. Hiện tượng tán xạ Raman Tán xạ Raman tự phát: là kết quả tương tác của ánh sáng tới với những kiểu dao động hoặc quay của phần tử môi trường. Tán xạ Raman bao gồm hai thành phần Stokes và đối Stokes. Thành phần Stokes ứng với tần số nhỏ hơn tần số ánh sáng tới νS = ν0– νR, thành phần đối Stokes có tần số lớn hơn tần số của ánh sáng tới νA = ν0 + νR J Mức trung gian bơm stokes đối stokes bj b Eb - Ea = hνR aj a Hình 2.2. Sơ đồ các mức năng lượng và các chuyển dịch trong tán xạ Raman a,b: 23 các mức dao động; aj, bj: các mức quay; J: là các mức điện tử kích thích cao Hiện tượng tán xạ Raman tự phát được giải thích dựa trên sơ đồ lượng tử các mức năng lượng của phân tử trình bày trong hình 2.1. Các mức năng lượng của điện tử bao gồm các mức điện tử được đánh số a,b… trong đó J là các mức điện tử kích thích cao. Trong mức điện tử cơ bản chứa nhiều mức dao động. Các mức dao động này cách nhau một khoảng bằng nhau ứng với tần số ωd nằm trong vùng hồng ngoại trung.Trong mỗi mức năng lượng dao động này lại có nhiều mức quay. Các mức quay này cách nhau một khoảng bằng nhau ứng với tần số ωq nằm trong vùng hồng ngoại xa. Đối với môi trường tán xạ Raman các mức kích thích cao J được gọi là các mức cộng hưởng xa khi có điều kiện ν0 << (Ej –Ea)/h; và gọi là kích thích νS νS ν0 νA νA Hình 2.3. Các quá trình tán xạ Nguốn sáng chiếu vào môi trường có tần số ν0, là tập hợp các photon có năng lượng hν0. Sau khi hấp thụ photon, các phân tử đang ở trạng thái a hoặc b sẽ chuyển dời lên một mức năng lượng trung gian nào đó (Etg<Ej). Nguyên tử hay phân tử tồn tại ở trạng thái trung gian một thời gian nhất định rồi chuyển dời về trạng thái có mức năng lượng a hoặc b và tái bức xạ ra photon. Phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và trạng thái cuối của các dịch chuyển mà có thể bức xạ thứ cấp Rayleigh, Stokes hay đối Stokes. Nếu trạng thái ban đầu và trạng thái cuối đều là a hoặc đều là b (cùng mức năng lượng) ta có tán xạ Rayleigh. Nếu trạng thái ban đầu có mức năng lượng thấp hơn mức năng lượng của trạng thái cuối thì ta có tán xạ Raman Stokes. Ngược lại nếu trạng thái ban đầu có mức năng lượng lớn hơn trạng thái cuối ta có đối Stokes. Cường độ ánh sáng tán xạ khác nhau đối với tần số khác nhau. Trong đó mạnh nhất là tán xạ Rayleigh với tần số ν0. Điều này có thể giải thích trong trạng thái cân bằng nhiệt: phần lớn các phân tử nằm ở trạng thái năng lượng thấp nhất a tuân theo phân bố Boltzmann. Số phân tử nằm ở trạng thái dao động kích thích b là rất nhỏ. Do đó khi các photon tới tác động vào môi trường thì số lượng phân tử có năng lượng thấp sẽ hấp thụ nhiều photon hơn. Từ nguyên tắc này người ta luôn nhận được cường độ ánh sáng Stokes lớn hơn cường độ đối Stokes. Chúng ta chỉ quan sát được sóng đối Stokes khi kích thich bằng ánh sáng không đơn sắc có cường độ rất cao. 24 ν 2.2 Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (SRS) Tán xạ Raman được trình bày tổng quát ở trên là loại tán xạ tự phát đặc trưng cho một quá trình tán xạ Raman phổ rộng có cường độ yếu và hiệu suất không lớn, thậm chí đối với những chất ngưng tụ mạnh (mật độ cao) thì tiết diện tán xạ trong một đơn vị thể tích đối với tán xạ Raman Stokes cũng chỉ đạt 10-6 cm-1, có nghĩa là nếu có 106 hạt đi qua 1 cm môi trường thì chỉ có một hạt được tham gia tán xạ. Dưới sự kích thích bởi chùm laser với mật độ photon rất lớn hiệu suất tán xạ Raman trong môi trường sẽ được nâng cao lên rất nhiều ( có thể đạt đến 20-30 %). Tán xạ Raman cưỡng bức tiêu biểu cho một quá trình tán xạ mạnh với tác dụng của trường laser và vật chất. Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức (Stimulated Raman effect) là hiện tượng xảy ra khi đưa vào môi trường dẫn sóng hai nguồn ánh sáng là nguồn laser bơm có tần số ν và tín hiệu quang ở tần số Stokes (ν– νd). Trong mô hình bơm quang này các photon tín hiệu có tần số (ν– νd) 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 nguyên tử nhảy xuống mức thấp hơn phát phát ra photon mới có cùng bước sóng và pha với photon tín hiệu đến. Hình 2.4. Mô tả quá trình tán xạ Raman cưỡng bức Hình 2.4 mô tả hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường có 3 mức năng lượng, trong đó: E1 : mức năng lượng nền. E2 : mức năng lượng dao động. E3 : mức năng lượng trung gian. 25 Laser bơm h ν E 3 E 2 Tín hiệu ћ (ν – ν d ) E1 Nhiều kết quả nghiên cứu tán xạ Raman trong thuỷ tinh SiO2 :GeO2 để chế tạo sợi quang cho thấy: độ dịch chuyển Raman Δλ ~ 80nm - 100 nm, phụ thuộc vào nồng độ và cấu trúc sợi quang. Nếu ta dùng bước sóng bơm λp = 1450 nm thì tín hiệu quang có bước sóng λs = λp + Δλ =1550 nm (trùng với vạch Stokes) sẽ được khuếch đại. Khi cường độ ánh sáng kích thích hay cường độ laser bơm mạnh hơn một giá trị ngưỡng xác định thì ánh sáng Stokes phát ra được khuếch đại theo hàm mũ. Quá trình này gọi là tán xạ Raman cưỡng bức. Biểu thức thể hiện sự thay đổi công suất sóng bơm và sóng tín hiệu theo khoảng cách z. (2.1) αs, αp : độ hao phí của sóng tín hiệu, sóng bơm khi truyền trong sợi quang. �r : hệ số khuếch đại Raman trong sợi quang. Nếu chúng ta bỏ qua số hạng thứ nhất bên vế phải của phương trình (2.1) (số hạng thể hiện sự suy giảm của sóng bơm ), ta được. (2.2) Aeff :tiết diện hiệu dụng cho sự tăng cường Raman. Leff: Chiều dài hiệu dụng đối với sóng bơm. Hệ số khuếch đại Raman đối với sóng tín hiệu: (2.3) Hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức không những có ưu điểm về mặt cường độ mà còn có ưu điểm về mặt cấu trúc chùm tia phát xạ. Nhờ hiệu ứng phát xạ cưỡng bức mà các photon phát xạ sẽ cùng pha và cùng hướng với photon kích thích. 2.3 Khuếch đại quang Raman 2.3.1 Khuếch đại quang Raman. Thiết bị khuếch đại quang Raman (Raman Optical Amplifier) sử dụng trong hệ thống thông tin quang dựa trên nguyên lý tán xạ Raman cưỡng bức trong sợi quang với các loại sợi có cấu trúc dẫn sóng đặc biệt (sợi DCF) hoặc sợi pha tạp Ge nồng độ cao (sợi nhạy quang). 26 PPSPR S PP SSSPR S PPPg dz dP PPPg dz dP α ω ω α −−= −= P P eff Seff eff RSS LL LL A PgPLP α α α )exp(1 exp)0()( 0 −− =     −=     −= L KA P LgG S eff effR α 034,4 Mô hình lý thuyết để giả