La Cong Huan-thuc Tap

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp

Môc lôc CHƯƠNG 1: Tæng quan vÒ t¸n x¹.................................................................iii 1.1¸nh s¸ng.......................................................................................................iii 1.2T¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng vµ m«i trêng.............................................................iii 1.3Sîi quang.......................................................................................................v 1.4Qu¸ tr×nh truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang.................................................vii 1.5TÝnh chÊt phi tuyÕn cña sîi quang.............................................................xi 1.6T¸n x¹ ¸nh s¸ng...........................................................................................xiii

CHƯƠNG 2: Kh¸i qu¸t vÒ t¸n x¹ raman..........................................................1 1.1T¸n x¹ Raman................................................................................................1 1.2Phæ khuÕch ®¹i Raman...............................................................................3 1.3Ngìng Raman................................................................................................5 1.4¶nh hëng cña c¸c chÊt phô gia trong sîi thuû tinh.........................................9 1.5¶nh hëng cña ph©n cùc ¸nh s¸ng................................................................10

CHƯƠNG 3: ¶nh hëng cña t¸n x¹ Raman kÝch thÝch trong th«ng tin quang ........................................................................................................................11 3.1¶nh hëng cña SRS ®èi víi hÖ thèng ®¬n kªnh...........................................11 3.2¶nh hëng cña SRS trong hÖ thèng WDM...................................................15

KÕT LUËN...................................................................................................21 THUËT NG÷ VIÕT T¾T..............................................................................23 TµI LIÖU THAM KH¶O..............................................................................24

L· C«ng HuÊn

i

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp

Më §ÇU T¸n x¹ Raman lµ qu¸ tr×nh t¸n x¹ kh«ng ®µn håi, x¶y ra do sù t¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng víi m«i trêng vËt chÊt trong sîi quang. T¸n x¹ Raman bao gåm t¸n x¹ Raman tù ph¸t vµ t¸n x¹ Raman kÝch thÝch SRS. Mét mÆt t¸n x¹ Raman g©y ¶nh hëng xÊu ®Õn qu¸ tr×nh truyÒn tÝn hiÖu trong sîi quang nhng mÆt kh¸c nã còng cã nh÷ng ¶nh hëng tÝch cùc, næi bËt nhÊt lµ kh¶ n¨ng khuyÕch ®¹i tÝn hiÖu quang. Bëi vËy, ngay tõ khi míi ®îc ph¸t hiÖn, t¸n x¹ Raman ®· thu hót rÊt nhiÒu sù quan t©m, nghiªn cøu theo híng gi¶m thiÓu ¶nh hëng tiªu cùc vµ øng dông t¸n x¹ Raman kÝch thÝch trong khuyÕch ®¹i tÝn hiÖu quang. T¸n x¹ Raman kÝch thÝch SRS chÝnh lµ c¬ së ®Ó ph¸t triÓn c¸c bé khuyÕch ®¹i quang Raman. C¸c bé khuyÕch ®¹i quang Raman ®îc coi lµ lêi gi¶i cho bµi to¸n khuyÕch ®¹i quang trong c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn quang dung lîng lín, cù ly dµi vµ rÊt dµi. NhËn thøc ®îc tÇm quang träng cña vÊn ®Ò vµ ®îc sù híng dÉn cña ThÇy gi¸o, GVC NguyÔn TiÕn Kh¶i, em chän ®Ò tµi “Kh¸i qu¸t vÒ t¸n x¹ vµ t¸n x¹ Raman trong th«ng tin quang” ®Ó lµm b¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp. Néi dung b¸o c¸o ®îc tr×nh bµy trong ba ch¬ng: Ch¬ng 1 tr×nh bµy tæng quan vÒ t¸n x¹, nh÷ng kh¸i niÖm vµ tÝnh chÊt cña ¸nh s¸ng, sù t¬ng t¸c vµ qu¸ tr×nh truyÒn sãng trong sîi quang. Ch¬ng 2 tr×nh bµy kh¸i qu¸t vÒ t¸n x¹ Raman, phæ Raman, ngìng Raman vµ mét sè ¶nh hëng tíi t¸n x¹ Raman. Ch¬ng 3 TËp trung nghiªn cøu vÒ ¶nh hëng cña t¸n x¹ Raman kÝch thÝch víi hÖ thèng ®¬n kªnh vµ hÖ thèng WDM. MÆc dï ®· hÕt søc cè g¾ng nhng do t¸n x¹ Raman kÝch thÝch lµ mét vÊn ®Ò khã nªn néi dung ®å ¸n khã tr¸nh khái

L· C«ng HuÊn

ii

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp c¸c thiÕu sãt. RÊt mong nhËn ®îc sù chØ b¶o, gãp ý cña c¸c ThÇy, C« gi¸o, c¸c b¹n sinh viªn ®Ó b¸o c¸o nµy ®îc hoµn thiÖn h¬n. Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n thÇy gi¸o, GVC NguyÔn TiÕn Kh¶i ®· nhiÖt t×nh híng dÉn em hoµn thµnh b¸o c¸o nµy. Hµ Néi, ngµy 22 th¸ng 01 n¨m 2008 Sinh viªn L· C«ng HuÊn

CHƯƠNG 1: Tæng quan vÒ t¸n x¹ 1.1 ¸nh s¸ng

¸nh s¸ng cã tÝnh lìng tÝnh sãng h¹t. TÝnh chÊt sãng cña ¸nh s¸ng ®îc quan s¸t thÊy qua c¸c hiÖn tîng giao thoa, t¸n s¾c. ¸nh s¸ng cã b¶n chÊt sãng ®iÖn tõ. C¸c mode trêng ®iÖn tõ lµ tËp c¸c nghiÖm cña ph¬ng tr×nh sãng. TÝnh chÊt h¹t cña ¸nh s¸ng ®îc thÓ hiÖn qua kh¶ n¨ng ®©m xuyªn, hiÖn tîng quang ®iÖn, t¸c dông ion ho¸. ¸nh s¸ng bao gåm c¸c photon mang n¨ng lîng x¸c ®Þnh b»ng hf trong ®ã h lµ h»ng sè Plank cßn f lµ tÇn sè cña ¸nh s¸ng. 1.2 T¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng vµ m«i trêng

Mét chïm s¸ng ®i tõ ch©n kh«ng vµo m«i trêng bÞ ph¶n x¹ mét phÇn ë mÆt ng¨n c¸ch. PhÇn khóc x¹ vµo m«i trêng l¹i bÞ t¸n s¾c, bÞ m«i trêng hÊp thô vµ bÞ t¸n x¹ mét phÇn vÒ mäi phÝa. Theo Lorentx ta thõa nhËn nh÷ng gi¶ thiÕt c¬ b¶n sau ®©y:

L· C«ng HuÊn

iii

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp  Ph©n tö cña mäi chÊt ®îc t¹o thµnh tõ ion vµ electron.

Electron cã khèi lîng m vµ mang ®iÖn tÝch nguyªn tè e = −1,6.10 −19

C vµ ®îc coi nh ®iÖn tÝch ®iÓm.

 Bªn trong vËt dÉn, electron chuyÓn ®éng hoµn toµn tù

do. ChuyÓn ®éng cã híng cña electron trong vËt dÉn díi ¶nh hëng cña ®iÖn trêng t¹o nªn dßng ®iÖn dÉn.  Trong ®iÖn m«i, electron kh«ng thÓ chuyÓn ®éng tù

do. Nhng còng kh«ng liªn hÖ cè kÕt víi ion, mµ cã thÓ dÞch chuyÓn mét chót díi t¸c dông cña nh÷ng lùc bªn ngoµi. Ion mang ®iÖn tÝch ©m hoÆc d¬ng còng cã thÓ dÞch chuyÓn díi t¸c dông cña ®iÖn trêng. Nhng ion cã khèi lîng lín h¬n electron nhiÒu nªn di chuyÓn chËm. Trong ®iÖn trêng biÕn ®æi nhanh cña sãng ¸nh s¸ng trong miÒn thÊy ®îc, ion hÇu nh kh«ng kÞp dÞch chuyÓn. ChØ khi nµo kh¶o s¸t trong miÒn hång ngo¹i ta míi cÇn kÓ ®Õn ¶nh hëng cña ion. Nh÷ng electron cã kh¶ n¨ng dao ®éng cìng bøc víi tÇn sè

ω cña sãng ®iÖn tõ trong vïng quang häc gäi lµ electron quang häc. Chóng lµ c¸c electron líp ngoµi. C¸c electron n»m trong líp s©u, gÇn h¹t nh©n nguyªn tö, liªn hÖ chÆt chÏ h¬n víi h¹t nh©n. Chóng chØ cã thÓ dao ®éng víi biªn ®é ®¸ng kÓ khi tÇn sè ω n»m vµo vïng R¬ngen. Lùc cña dao ®éng cìng bøc do ®iÖn tõ trêng t¸c dông lªn electron ®îc gäi lµ lùc Lorentx vµ b»ng : f 1 = eE

(1.0) MÆt kh¸c electron vèn chÞu mét lùc chuÈn ®µn håi, rµng buéc nã víi h¹t nh©n f 2 = −kr = −mω1 r 2

L· C«ng HuÊn

(1.0)

iv

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp Trong ®ã k lµ h»ng sè chuÈn cña lùc ®µn håi, x¸c ®Þnh tÇn sè dao ®éng riªng cña electron theo hÖ thøc: ω1 =

k/m ,

r

lµ ®é lÖch cña electron ra khái vÞ trÝ c©n b»ng. H»ng sè lùc k phô thuéc vµo ®iÖn tÝch h¹t nh©n nguyªn tö, hoÆc cÊu tróc ph©n tö nªn ω1 lµ hoµn toµn ®Æc trng cho nguyªn tö, ph©n tö ®· cho. Do electron dao ®éng trë thµnh lìng cùc dao ®éng, bøc x¹ sãng ®iÖn tõ thø cÊp. Lìng cùc dao ®éng còng cã thÓ va ch¹m víi c¸c ph©n tö xung quanh, truyÒn n¨ng lîng dao ®éng cho chóng. Sù b¶o tån n¨ng lîng dao ®éng v× ph¸t sãng vµ v× va ch¹m t¬ng ®¬ng víi t¸c dông cña mét lùc h·m f 3 = −gr ,

(1.0)

g lµ gia tèc cña electron khi dao ®éng, kÕt qu¶ lµ ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña electron cã d¹ng: mr ′′ = − mω 1 r − gr ′ + eE 2

§Æt

g / m =ξ ,

(1.0)

gäi ®ã lµ hÖ sè t¾t dÇn, ta ®îc ph¬ng tr×nh

dao ®éng cña electron r ′′ + ξr ′ + ω 1 r = e.E / m 2

(1.0)

Ph¬ng tr×nh (1.5) cïng víi c¸c gi¶ thuyÕt cña Lorentx lµ c¬ së cho viÖc gi¶i c¸c bµi to¸n t¸n s¾c vµ hÊp thô ¸nh s¸ng. 1.3 Sîi quang

Sîi quang gåm mét lâi h×nh trô b»ng thuû tinh cã chiÕt suÊt n1 , bao quanh lâi lµ mét líp vá ph¶n x¹ ®ång t©m víi lâi. Líp vá cã chiÕt suÊt n2 ( n2 < n1 ). Sîi quang cã thÓ ®îc ph©n lo¹i theo nhiÒu c¸ch kh¸c nhau. NÕu ph©n lo¹i theo sù thay ®æi chiÕt suÊt cña lâi sîi th× sîi quang ®îc chia thµnh hai lo¹i. Lo¹i sîi cã chiÕt suÊt ®ång ®Òu ë lâi ®îc gäi lµ sîi quang chiÕt suÊt bËc. Lo¹i sîi cã chØ sè chiÕt suÊt ë lâi gi¶m dÇn tõ t©m lâi ra tíi líp tiÕp gi¸p gi÷a lâi vµ vá ph¶n x¹ ®îc gäi lµ sîi cã chiÕt suÊt Gradient

L· C«ng HuÊn

v

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp (GI-Graded Index). NÕu ph©n chia theo mode truyÒn dÉn th× cã lo¹i sîi quang ®a mode vµ sîi ®¬n mode. Sîi ®a mode cho phÐp nhiÒu mode truyÒn dÉn trong nã cßn sîi ®¬n mode chØ cho phÐp mét mode truyÒn dÉn trong nã.

(a)

(b)

(c) H×nh 1. CÊu t¹o cña sîi quang (a) Sîi quang (b) Sîi chiÕt suÊt bËc (c) Sîi chiÕt suÊt gi¶m dÇn Mét trong c¸c vËt liÖu ®îc sö dông réng r·i ®Ó chÕ t¹o sîi quang hiÖn nay lµ silic dioxide SiO2. Mçi nguyªn tö trong thuû tinh liªn kÕt víi c¸c nguyªn tö kh¸c theo cÊu tróc tø diÖn nh H×nh 1.. Trong ®ã mçi nguyªn tö silic ®îc bao quanh bëi bèn nguyªn tö Oxygen. O

Si

O

O O

H×nh 1. CÊu tróc tø diÖn cña Silic dioxide trong thuû tinh

L· C«ng HuÊn

vi

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp Sîi quang còng cã thÓ ®îc pha t¹p víi nhiÒu chÊt kh¸c nhau ®Ó thay ®æi chØ sè chiÕt suÊt. VÝ dô GeO2 vµ P2 O5 ®îc pha thªm vµo ®Ó t¨ng chiÕt suÊt cña lâi. §Ó gi¶m chiÕt suÊt cña lâi, cã thÓ sö dông c¸c vËt liÖu nh lµ Boron (B) vµ Fluorine (F)…Ngoµi ra mét sè chÊt kh¸c nh Eribium còng ®îc sö dông trong c¸c bé khuyÕch ®¹i quang. 1.4 Qu¸ tr×nh truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang

Suy hao VËn tèc truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang nhá h¬n vËn tèc truyÒn ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng. Ký hiÖu c lµ vËn tèc truyÒn ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng, n lµ chiÕt suÊt cña lâi sîi, khi ®ã vËn tèc truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang ®îc tÝnh theo c«ng thøc (1.6) v=

c , c = 3.10 8 ( m / s ) n

(1.0)

¸nh s¸ng khi truyÒn däc theo sîi sÏ bÞ suy hao. Ký hiÖu α [1/m] lµ hÖ sè suy hao cña sîi quang, P0 lµ c«ng suÊt ®Çu vµo sîi quang, c«ng suÊt ®Çu ra sîi quang cã chiÒu dµi L ®îc tÝnh theo c«ng thøc: PT = P0 e −αL

(1.0)

§Ó tÝnh to¸n hÖ sè suy hao, ®¬n vÞ thêng ®îc sö dông lµ α dB [ dB / km] .

Ph¬ng tr×nh chuyÓn ®æi ®¬n vÞ :  α dB ln10 10 α=  1000

L· C«ng HuÊn

    [1 / m]

(1.0)

vii

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp C«ng suÊt quang còng thêng ®îc tÝnh theo ®¬n vÞ lµ dBm thay cho Watt. Quan hÖ gi÷a hai ®¬n vÞ nµy ®îc biÓu thÞ trong c«ng thøc (1.9).  P[W ]  P[ dBm] = 10. log10  −3  10 W 

(1.0)

T¸n s¾c T¸n s¾c lµ hiÖn tîng d·n réng xung ¸nh s¸ng khi truyÒn trong sîi quang. T¸n s¾c cã nhiÒu lo¹i nh t¸n s¾c mode, t¸n s¾c mµu vµ t¸n s¾c mode ph©n cùc. T¸n s¾c mode chØ x¶y ra trong sîi quang ®a mode. Do c¸c mode cã tèc ®é lan truyÒn kh¸c nhau nªn thêi gian truyÒn c¸c mode lµ kh¸c nhau, g©y ra t¸n s¾c mode. T¸n s¾c mµu ®îc ph©n chia thµnh t¸n s¾c vËt liÖu vµ t¸n s¾c èng dÉn sãng. T¸n s¾c vËt liÖu x¶y ra do sù phô thuéc cña chiÕt suÊt vµo bíc sãng. T¸n s¾c èng dÉn sãng x¶y ra do ¸nh s¸ng truyÒn trong sîi kh«ng ph¶i lµ ¸nh s¸ng ®¬n s¾c, h»ng sè lan truyÒn β lµ hµm cña bíc sãng. C¸c thµnh phÇn bíc sãng kh¸c nhau cã vËn tèc nhãm kh¸c nhau g©y ra t¸n s¾c èng dÉn sãng. T¸n s¾c mµu cã ¶nh hëng rÊt lín ®Õn hÖ thèng th«ng tin quang. T¸n s¾c mµu lµm t¨ng ¶nh hëng cña c¸c hiÖu øng phi tuyÕn trong sîi quang dÉn ®Õn giíi h¹n vÒ kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn trong hÖ thèng th«ng tin quang. Lo¹i sîi quang phæ biÕn nhÊt trªn thÕ giíi hiÖn nay lµ sîi quang ®¬n mode tiªu chuÈn (theo khuyÕn nghÞ G.652 cña ITU-T) SMF-28 TM cã hÖ sè t¸n s¾c: D( λ ) ≈

S0 4

 λ40   ps  λ −   , λ3   nm.km  

(1.0)

Trong ®ã D lµ hÖ sè t¸n s¾c, λ lµ bíc sãng, S 0 = 0.085 ps /(nm 2 .km) lµ ®é dèc t¸n s¾c kh«ng, λ0 bíc sãng t¸n s¾c

L· C«ng HuÊn

viii

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp kh«ng (ZDW). T¸n s¾c cña lo¹i sîi nµy ®îc biÓu diÔn trªn

Hệ số tán sắc [ps/(nm.km)]

H×nh 1.

Bước sóng [nm]

H×nh 1. HÖ sè t¸n s¾c cña sîi quang SMF-28 TM . ChiÒu dµi hiÖu dông Khi mét tÝn hiÖu truyÒn däc theo sîi quang, c«ng suÊt tÝn hiÖu bÞ gi¶m dÇn do suy hao. Tuy nhiªn, trong thùc tÕ cã thÓ gi¶ sö r»ng c«ng suÊt lµ h»ng sè trªn mét chiÒu dµi hiÖu dông Leff bëi v× hÇu hÕt c¸c hiÖu øng phi tuyÕn ®Òu x¶y ra ë phÝa ®Çu cña sîi. §Þnh nghÜa chiÒu dµi hiÖu dông cña sîi quang ®îc thÓ hiÖn trªn H×nh 1..

H×nh 1. (a) C«ng suÊt truyÒn däc theo sîi cã chiÒu dµi L (b) M« h×nh t¬ng øng cña chiÒu dµi hiÖu dông.

L· C«ng HuÊn

ix

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp ë H×nh 1. (a) c«ng suÊt bÞ suy hao khi truyÒn däc theo toµn bé sîi cã chiÒu dµi L, ë h×nh 1.4 (b) c«ng suÊt ®îc coi lµ kh«ng ®æi trªn mét chiÒu dµi sîi: 1 1 L −αz 1 −αL 1 − e −αL −αz = P0 e dz = − / 0 e = − e − 1 = P0 ∫0 α α α L

Leff

(

)

(1.0)

DiÖn tÝch hiÖu dông TÊt c¶ c¸c hiÖu øng phi tuyÕn trong sîi quang ®Òu phô thuéc vµo cêng ®é ¸nh s¸ng truyÒn däc theo sîi. Tuy nhiªn trong thùc tÕ c¸c phÐp ®o ®Òu thùc hiÖn ®o c«ng suÊt ®Çu vµo vµ ®Çu ra sîi quang. C«ng suÊt ®i ra khái sîi quang chÝnh lµ tÝch ph©n cña ph©n bè cêng ®é ¸nh s¸ng trªn diÖn tÝch mÆt c¾t cña sîi quang. NÕu gäi Acore lµ diÖn tÝch mÆt c¾t cña sîi quang, Pmeas lµ c«ng suÊt ®o ®îc ë ®Çu ra cña sîi quang. Gi¶ thiÕt cêng ®é I ph©n bè ®Òu trªn diÖn tÝch mÆt c¾t cña sîi. Ta cã: I=

Pmeas Acore

(1.0)

Tuy nhiªn trong sîi quang ®¬n mode, cêng ®é ¸nh s¸ng kh«ng ph©n bè ®Òu trªn toµn bé diÖn tÝch mÆt c¾t cña sîi, cêng ®é ¸nh s¸ng sÏ t¨ng dÇn tõ líp tiÕp gi¸p gi÷a lâi vµ vá tíi trôc cña sîi. Møc ®é t¨ng phô thuéc vµo chiÕt suÊt cña sîi. Do ®ã ®Ó tÝnh to¸n trong trêng hîp nµy, tham sè diÖn tÝch hiÖu dông Aeff ®îc tÝnh theo c«ng thøc:

Aeff

∞  2 2π  ∫ E ( r ) rdr   = 0 4 ∞

∫ E( r )

2

(1.0)

rdr

0

Víi E ( r ) lµ cêng ®é ®iÖn trêng cña mode c¬ b¶n t¹i kho¶ng c¸ch r so víi trôc cña sîi. §èi víi sîi chiÕt suÊt bËc diÖn

L· C«ng HuÊn

x

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp tÝch hiÖu dông Aeff cã thÓ ®îc tÝnh theo c«ng thøc: Aeff = πw 2 ( λ )

(1.0)

Trong ®ã 2w( λ ) lµ ®ßng kÝnh trêng mode cña sîi ë bíc sãng λ . 1.5 TÝnh chÊt phi tuyÕn cña sîi quang

Trong nguyªn tö cã c¸c ®iÖn tö mang ®iÖn tÝch ©m vµ h¹t nh©n mang ®iÖn tÝch d¬ng. Do ®ã khi ®iÖn trêng t¸c ®éng vµo vËt liÖu c¸c ®iÖn tö vµ c¸c h¹t nh©n bÞ dÞch chuyÓn vÒ hai híng ngîc nhau. Lùc ®iÖn trêng lµm cho c¸c nguyªn tö bÞ ph©n cùc, ký hiÖu lµ P, phô thuéc vµo ®iÖn trêng t¸c ®éng vµ b¶n chÊt cña vËt liÖu vµ ®îc tÝnh nh sau: P = ε 0 ( χ (1) .E + χ ( 2 ) .EE + χ ( 3) .EEE + ...)

(1.0)

Trong ®ã ε 0 lµ h»ng sè ®iÖn m«i trong ch©n kh«ng. χ ( j ) lµ ®é ®iÖn c¶m cÊp j.

§é ®iÖn c¶m tuyÕn tÝnh χ (1) ®ãng vai trß rÊt lín trong P, nh÷ng ¶nh hëng do nã ®em l¹i ®îc biÓu hiÖn qua hÖ sè chiÕt suÊt n, hÖ sè suy hao α . §é ®iÖn c¶m cÊp hai χ ( 2) lµ nguyªn nh©n g©y ra c¸c hiÖu øng nh sinh hoµ ©m cÊp hai. Tuy nhiªn víi c¸c ph©n tö cã cÊu tróc ®èi xøng nh SiO2 , χ ( 2) gÇn nh b»ng 0 nªn cã thÓ bá qua. C¸c ®é ®iÖn c¶m χ ( 4) , χ (5) rÊt nhá so víi χ (3) . V× vËy chØ cã χ (3) lµ nguyªn nh©n chñ yÕu g©y ra c¸c hiÖu øng phi tuyÕn. C¸c hiÖu øng phi tuyÕn cã thÓ chia thµnh hai lo¹i. Lo¹i thø nhÊt sinh ra do sù t¬ng t¸c cña sãng ¸nh s¸ng víi c¸c phonon. Lo¹i nµy bao gåm hai hiÖu øng quan träng lµ t¸n x¹ Raman kÝch thÝch (SRS-Stimulated Raman Scattering) vµ t¸n x¹ Brilloin kÝch thÝch (SBS-Stimulated Brilloin Scattering). Lo¹i thø hai gåm c¸c hiÖu øng phi tuyÕn Kerr, sinh ra do sù phô

L· C«ng HuÊn

xi

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp thuéc cña chiÕt suÊt phi tuyÕn vµo cêng ®é ®iÖn trêng E. C¸c hiÖu øng phi tuyÕn Kerr bao gåm: SPM, XPM vµ FWM. HÇu hÕt c¸c hiÖu øng phi tuyÕn trong sîi quang ®Òu sinh ra do chiÕt suÊt phi tuyÕn, ®ã lµ sù phô thuéc cña cêng ®é ¸nh s¸ng lan truyÒn trong sîi vµo chiÕt suÊt. Mèi quan hÖ gi÷a cêng ®é ¸nh s¸ng, chiÕt suÊt vµ c«ng suÊt P ®îc biÓu thÞ b»ng ph¬ng tr×nh:  n n = n 0 + n 2 I = n0 +  2 A  eff

 .P  

(1.0)

Trong ®ã n0 lµ thµnh phÇn phô thuéc bíc sãng cña chiÕt suÊt n , Aeff lµ diÖn tÝch hiÖu dông cña sîi quang, n2 ®îc gäi lµ chØ sè chiÕt suÊt phi tuyÕn. TØ sè n2 / Aeff ®îc gäi lµ hÖ sè phi tuyÕn. Tham sè nµy cã thÓ ®o ®îc mµ kh«ng cÇn biÕt diÖn tÝch hiÖu dông cña sîi quang. Ngoµi ra khi nghiªn cøu c¸c hiÖu øng phi tuyÕn trong sîi quang mét tham sè n÷a còng ®îc ®a ra lµ γ gäi lµ tham sè phi tuyÕn (nonlinear parameter) vµ quan hÖ víi chiÕt suÊt phi tuyÕn n2 theo c«ng thøc: γ = •

ω 0 n2 2π n2 = cAeff λ Aeff

(1.0)

lµ tÇn sè gãc cña ¸nh s¸ng, c lµ vËn tèc ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng.

λ lµ bíc sãng ¸nh s¸ng. Aeff lµ diÖn tÝch hiÖu dông cña sîi.

ChØ sè chiÕt suÊt phi tuyÕn n2 ( n2 = 2.2 ÷ 3.4 × 10 −20 m 2 / W ) liªn quan víi χ (3) nh sau: n2 =

L· C«ng HuÊn

(

3 ⋅ Re χ ( 3) 8n

)

(1.0)

xii

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp Víi Re( χ (3) ) lµ phÇn thùc cña χ (3) . Ngoµi ra ®Æc tÝnh cña c¸c hiÖu øng phi tuyÕn trong sîi quang cßn chÞu ¶nh hëng cña nhiÒu tham sè nh cêng ®é cña tÝn hiÖu, chiÒu dµi sîi, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c kªnh (trong hÖ thèng WDM). 1.6 T¸n x¹ ¸nh s¸ng

Khi ¸nh s¸ng truyÒn qua m«i trêng vËt chÊt trong suèt th× phÇn lín ¸nh s¸ng truyÒn th¼ng vµ mét phÇn nhá sÏ bÞ t¸n x¹. M«i trêng cã thÓ g©y ra nhiÒu lo¹i t¸n x¹ trong ®ã ®iÓn h×nh lµ t¸n x¹ Rayleigh, t¸n x¹ Brillouin, t¸n x¹ Raman… Tuú thuéc vµo lo¹i vËt chÊt, ¸nh s¸ng, ®iÒu kiÖn m«i trêng… mµ mçi lo¹i t¸n x¹ x¶y ra kh¸c nhau. T¸n x¹ Rayleigh lµ qu¸ tr×nh t¸n x¹ ®µn håi, tÇn sè ¸nh s¸ng t¸n x¹ b»ng tÇn sè ¸nh s¸ng tíi. Tr¹ng th¸i cña c¸c ph©n tö vËt chÊt do t¸n x¹ Rayleigh kh«ng thay ®æi sau khi ¸nh s¸ng truyÒn qua. Ngîc l¹i, t¸n x¹ Brillouin vµ t¸n x¹ Ramman lµ c¸c qu¸ tr×nh t¸n x¹ kh«ng ®µn håi, c¸c nguyªn tö bÞ kÝch thÝch khi cã ¸nh s¸ng ®i qua vµ tÇn sè ¸nh s¸ng t¸n x¹ bÞ dÞch chuyÓn so víi tÇn sè cña ¸nh s¸ng tíi. Trước tương tác

Sau tương tác

Phân tử

Phân tử ar

L· C«ng HuÊn

xiii

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp Trước tương tác

Phân tử

Sau tương tác

Phân tử

a-Qu¸ tr×nh t¸n x¹ ®µn håi

b-Qu¸ tr×nh t¸n x¹ kh«ng

®µn håi. H×nh 1. Qu¸ tr×nh t¸n x¹ ¸nh s¸ng Qu¸ tr×nh t¸n x¹ kh«ng ®µn håi cã sù tham gia cña c¸c phonon. Trong qu¸ tr×nh nµy c¸c phonon cã thÓ sinh ra hoÆc bÞ hÊp thô. Møc thay ®æi tÇn sè cña ¸nh s¸ng t¸n x¹ so víi ¸nh s¸ng tíi b»ng víi tÇn sè cña phonon. T¸n x¹ Brilloin liªn quan ®Õn c¸c phonon ©m häc cßn t¸n x¹ Raman liªn quan ®Õn c¸c phonon quang häc. Do ®ã ¸nh s¸ng t¸n x¹ Raman cã møc dÞch chuyÓn tÇn sè lín h¬n ¸nh s¸ng t¸n x¹ Brilloin. NÕu ¸nh s¸ng t¸n x¹ cã tÇn sè nhá h¬n ¸nh s¸ng tíi th× ¸nh s¸ng t¸n x¹ ®îc gäi lµ ¸nh s¸ng Stoke vµ qu¸ tr×nh t¸n x¹ ®îc gäi lµ t¸n x¹ Stoke. Ngîc l¹i, nÕu ¸nh s¸ng t¸n x¹ cã tÇn sè lín h¬n ¸nh s¸ng tíi th×

¸nh s¸ng t¸n x¹ ®îc gäi lµ ¸nh s¸ng ph¶n

Stoke vµ qu¸ tr×nh t¸n x¹ ®îc gäi lµ t¸n x¹ ph¶n Stoke. Víi t¸n x¹ kh«ng ®µn håi, ®¬n vÞ ®o ®é dÞch tÇn cña ¸nh s¸ng t¸n − x¹ lµ (rad/s) hoÆc lµ cm −1 víi v = Ω ( v− lµ dÞch chuyÓn tÇn sè 2πc

theo cm −1 , Ω lµ dÞch chuyÓn tÇn sè theo rad/s vµ c lµ vËn tèc cña ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng theo cm/s). C¸c hiÖu øng t¸n x¹ sÏ lµm giíi h¹n c«ng suÊt quang lín nhÊt cã thÓ truyÒn ë trong sîi. Trong hÖ thèng WDM t¸n x¹ lµ nguyªn nh©n g©y nhiÔu gi÷a c¸c kªnh. Tuy nhiªn t¸n x¹ Raman còng ®îc øng dông trong c¸c bé khuyÕch ®¹i quang

L· C«ng HuÊn

xiv

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp Raman ë nh÷ng bíc sãng mµ bé khuyÕch ®¹i quang EDFA kh«ng phï hîp. HiÖu øng t¸n x¹ Brilloin lµ nguyªn lý trong c¸c bé c¶m øng ®o nhiÖt ®é m«i trêng t¹i nh÷ng n¬i mµ bé c¶m øng ®iÖn kh«ng phï hîp. Ánh sáng tới

Ánh sáng tán xạ Raman Stoke

Ánh sáng tán xạ Brillouin Stoke

Ánh sáng tán xạ Rayleigh Ánh sáng tán xạ Brillouin phản Stoke

Ánh sáng tán xạ Raman phản Stoke

TÇn sè H×nh 1. TÇn sè cña ¸nh s¸ng t¸n x¹.

L· C«ng HuÊn

xv

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman

CHƯƠNG 2: Kh¸i qu¸t vÒ t¸n x¹ raman 1.1 T¸n x¹ Raman T¸n x¹ Raman ®îc ph©n chia thµnh hai lo¹i: T¸n x¹ Raman tù ph¸t (Spontaneous Raman Scattering) vµ t¸n x¹ Raman kÝch thÝch (Stimulated Raman Scattering). HiÖu øng t¸n x¹ Raman tù ph¸t ®· ®îc dù ®o¸n bëi Smekal vµo n¨m 1923 vµ ®Õn n¨m 1928 ®îc Raman chØ ra b»ng thùc nghiÖm. Trong qu¸ tr×nh t¸n x¹ Raman tù ph¸t, ¸nh s¸ng tíi t¬ng t¸c víi m«i trêng lµm sinh ra c¸c photon. Tuú thuéc vµo b¶n chÊt cña m«i trêng c¸c photon sinh ra sÏ cã tÇn sè lín h¬n hoÆc nhá h¬n tÇn sè cña ¸nh s¸ng tíi. Gi¶n ®å n¨ng lîng cña qu¸ tr×nh t¸n x¹ Raman ®îc thÓ hiÖn trªn h×nh 2.1 Electron sÏ chuyÓn tõ tr¹ng th¸i khëi ®Çu (tr¹ng th¸i c¬ b¶n) lªn tr¹ng th¸i ¶o (tr¹ng th¸i kÝch thÝch) khi hÊp thô mét photon cã n¨ng lîng b»ng hiÖu n¨ng lîng gi÷a tr¹ng th¸i ¶o vµ tr¹ng th¸i khëi ®Çu. Khi chuyÓn tõ tr¹ng th¸i ¶o vÒ tr¹ng th¸i cuèi electron sÏ ph¸t x¹ mét photon cã n¨ng lîng b»ng hiÖu n¨ng lîng tr¹ng th¸i ¶o vµ tr¹ng th¸i cuèi. NÕu nh tr¹ng th¸i khëi ®Çu cã n¨ng lîng thÊp h¬n n¨ng lîng cña tr¹ng th¸i cuèi, tÇn sè photon ph¸t x¹ sÏ nhá h¬n tÇn sè ¸nh s¸ng tíi vµ qu¸ tr×nh t¸n x¹ t¹o ra ¸nh s¸ng Stoke. Năng lượng Trạng thái kích thích

Photon tán xạ Trạng thái cuối Trạng thái đầu

a)Tán xạ Stoke

Trạng thái kích thích

Photon tán xạ Trạng thái đầu Trạng thái cuối

a)Tán xạ phản Stoke

H×nh 2.1 Gi¶n ®å n¨ng lîng qu¸ tr×nh t¸n x¹ Raman.

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman (a)T¸n x¹ Stoke (b)T¸n x¹ ph¶n Stoke. Gi¶ sö ω1 , ω 2 lÇn lît lµ tÇn sè cña ¸nh s¸ng tíi vµ ¸nh s¸ng t¸n x¹, Ω lµ tÇn sè phonon ®îc sinh ra. Khi ®ã theo ®Þnh luËt b¶o toµn chuyÓn ho¸ n¨ng lîng th× ω 2 ≈ ω1 - Ω . Ngîc l¹i nÕu tr¹ng th¸i cuèi cã n¨ng lîng thÊp h¬n th× qu¸ tr×nh t¸n x¹ t¹o ra ¸nh s¸ng ph¶n Stoke cã tÇn sè ω 2 ≈ ω1 + Ω , chªch lÖch gi÷a møc n¨ng lîng tr¹ng th¸i khëi ®Çu vµ tr¹ng th¸i cuèi chÝnh lµ n¨ng lîng cña mét phonon. Thùc tÕ, t¸n x¹ ph¶n Stoke thêng yÕu h¬n t¸n x¹ Stoke. TÇn sè cña c¸c photon t¸n x¹ ®îc x¸c ®Þnh b»ng tÇn sè dao ®éng cña nguyªn tö. Víi thuû tinh, quang phæ cña ¸nh s¸ng t¸n x¹ Raman gåm nhiÒu thµnh phÇn tÇn sè kh¸c nhau lµ do c¸c nguyªn tö trong thuû tinh dao ®éng trong mét kho¶ng tÇn sè rÊt réng. HiÖu øng t¸n x¹ Raman tù ph¸t ®îc øng dông ®Ó x¸c ®Þnh cÊu tróc cña c¸c ph©n tö, thµnh phÇn cÊu t¹o vµ lo¹i liªn kÕt trong c¸c ph©n tö ®ã. Khi ta t¨ng dÇn c«ng suÊt b¬m ®Çu vµo th× c«ng suÊt cña sãng Stoke còng t¨ng dÇn. Nhng nÕu nh c«ng suÊt sãng b¬m vît qu¸ mét gi¸ trÞ x¸c ®Þnh th× c«ng suÊt sãng Stoke sÏ t¨ng lªn rÊt nhanh theo hµm mò. Nguyªn nh©n g©y ra hiÖn tîng nµy lµ qu¸ tr×nh t¸n x¹ Raman kÝch thÝch.

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman 1.2 Phæ khuÕch ®¹i Raman

H×nh 2.2 Phæ khuyÕch ®¹i Raman cña sîi Silic ë bíc sãng b¬m λ p = 1µm . Sù gia t¨ng cña cêng ®é sãng Stoke ®îc m« t¶ bëi c«ng thøc: dIs =g R I P I S dz

(2.1)

Trong ®ã I S lµ cêng ®é sãng Stoke, I P lµ cêng ®é sãng b¬m vµ g R lµ hÖ sè khuyÕch ®¹i Raman. HÖ sè khuÕch ®¹i Raman liªn quan ®Õn mÆt c¾t chiÕt suÊt cña t¸n x¹ tù ph¸t Raman vµ cã thÓ ®o lêng ®îc b»ng thùc nghiÖm. ë møc ®é c¬ b¶n g R liªn quan ®Õn phÇn ¶o cña ®é ®iÖn c¶m phi tuyÕn cÊp 3 χ (3) . Th«ng thêng g

R

phô thuéc vµo thµnh phÇn lâi sîi quang vµ

cã thÓ thay ®æi rÊt lín nÕu pha thªm t¹p chÊt vµo lâi sîi. H×nh 2.2 biÓu diÔn g R cña sîi silic theo ®é dÞch tÇn ë bíc sãng b¬m λ p =1 µm . NÕu bíc sãng b¬m kh¸c 1 µm , cã thÓ

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman tÝnh ®îc g R b»ng c¸ch lÊy nghÞch ®¶o sù phô thuéc cña g R vµo λ p . §iÓm ®¸ng chó ý nhÊt trong phæ khuyÕch ®¹i Raman cña sîi silic lµ g R kÐo dµi trong mét ph¹m vi tÇn sè rÊt réng (®¹t tíi 40 THz) víi ®Ønh khuyÕch ®¹i gÇn ®é dÞch tÇn 13THz. §iÒu nµy x¶y ra lµ do tÝnh phi tinh thÓ tù nhiªn cña thuû tinh silic. Trong c¸c vËt liÖu v« ®Þnh h×nh nh silic tÇn sè dao ®éng ph©n tö tr¶i réng thµnh nhiÒu d¶i chång chÐo lªn nhau vµ trë thµnh mét d¶i liªn tôc. KÕt qu¶ lµ kh¸c h¼n víi c¸c ph¬ng tiÖn truyÒn dÉn tríc ®©y (cã phæ khuyÕch ®¹i Raman n»m trong mét d¶i tÇn sè hÑp), phæ khuyÕch ®¹i Raman cña sîi silic liªn tôc vµ tr¶i dµi trong mét ph¹m vi rÊt réng. ChÝnh v× ®Æc ®iÓm nµy mµ sîi quang cã thÓ lµm viÖc nh mét bé khuyÕch ®¹i d¶i réng. §Ó hiÓu qu¸ tr×nh SRS x¶y ra nh thÕ nµo, ta xÐt mét chïm sãng b¬m liªn tôc lan truyÒn bªn trong sîi ë tÇn sè ω p . NÕu tÇn sè cña chïm dß ë tÇn sè ω s ®îc ®a vµo ®Çu sîi quang cïng víi sãng b¬m, nã sÏ ®îc khuyÕch ®¹i bëi khuyÕch ®¹i Raman víi ®iÒu kiÖn ®é lÖch tÇn ω p - ω s n»m bªn trong phæ khuyÕch ®¹i Raman nh trªn h×nh 2.2. NÕu chØ cã mét m×nh sãng b¬m ®îc ®a vµo ®Çu sîi quang, t¸n x¹ tù ph¸t Raman sÏ sinh ra mét tÝn hiÖu yÕu ho¹t ®éng nh lµ sãng dß vµ ®îc khuyÕch ®¹i trong qu¸ tr×nh truyÒn dÉn. Bëi v× c¸c tÝn hiÖu sinh ra do t¸n x¹ tù ph¸t Raman n»m trong miÒn phæ khuyÕch ®¹i Raman nªn chóng ®îc khuyÕch ®¹i. Tuy nhiªn tÇn sè nµo cã ®é dÞch tÇn (dÞch tõ tÇn sè b¬m) øng víi gi¸ trÞ lín nhÊt cña g R sÏ ®îc khuyÕch ®¹i nhanh nhÊt. Trong trêng hîp sîi silic lµ tinh khiÕt, g R ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt ®èi víi ®é dÞch tÇn gi¶m xuèng cì 13.2 THz (440 cm −1 ). NÕu nh c«ng suÊt b¬m vît qu¸ mét gi¸ trÞ ngìng, thµnh phÇn tÇn sè nµy ®-

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman îc khuyÕch ®¹i cã d¹ng quy luËt hµm mò. ChÝnh v× vËy thµnh phÇn tÇn sè Stoke ®îc sinh ra do SRS phô thuéc gi¸ trÞ ®Ønh trong phæ khuyÕch ®¹i Raman. §é dÞch tÇn gi÷a sãng b¬m vµ sãng Stoke trong trêng hîp nµy ®îc gäi lµ dÞch chuyÓn Raman hay dÞch chuyÓn Stoke. 1.3 Ngìng Raman §Ó t×m ®îc ngìng Raman, ta quan t©m ®Õn sù t¬ng t¸c gi÷a sãng Stoke vµ sãng b¬m. Trong trêng hîp sãng lµ liªn tôc, sù t¬ng t¸c nµy ®îc khèng chÕ bëi cÆp ph¬ng tr×nh sau: dI s = g R I P I S -α s I S dz

(2.2) dI p dz

=−

ωp g R I p I s −α p I p ωs

(2.3)

Trong ®ã: I P , I S lµ cêng ®é sãng b¬m vµ sãng Stoke ω p , ωs lµ tÇn sè sãng b¬m vµ sãng Stoke α p , α s lµ c¸c hÖ sè suy hao cña sãng b¬m vµ sãng

Stoke g R lµ hÖ sè khuÕch ®¹i Raman. CÆp ph¬ng tr×nh trªn cã thÓ x©y dùng dùa trªn ph¸t biÓu: trong m«i trêng truyÒn dÉn c¸c photon cña sãng b¬m vµ sãng Stoke cã thÓ sinh ra hay mÊt ®i trong suèt qu¸ tr×nh nhng tæng sè c¸c photon lµ kh«ng ®æi do ®ã: d dz

   I s + ωs I p  = 0  ω p  

(2.4)

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman MÆc dï ph¶i tÝnh ®Õn c¶ sù suy tho¸i xung khi m« t¶ qu¸ tr×nh SRS nhng ta cã thÓ bá qua ®Ó nh»m môc ®Ých íc lîng ngìng Raman. Lóc nµy ph¬ng tr×nh (2.3) cã thÓ gi¶i ®îc b»ng c¸ch bá qua thµnh phÇn ®Çu tiªn vÕ ph¶i (lµ thµnh phÇn g©y ra suy tho¸i xung) ta ®îc: dI p dz

= -α p I p

(2.5)

⇒ I p = I p (o)exp(- α p z )

(2.6)

Trong ®ã I p (o) lµ cêng ®é tia tíi ë z=0, thay (2.6) vµo (2.2) ta ®îc: dI s = g R . I p (o)exp(- α p z ) I s - α s I S dz

( 2.7)

⇒ I s ( L) = I s (0). exp( g R I p (0).Leff − α s L)

( 2.8)

Víi :

Leff =

[

1 1 − exp(−α p L) αp

]

(2.9) §Ó tÝnh ®îc I s (L) trong ph¬ng tr×nh (2.8) ta cÇn ph¶i biÕt I s (o) ë ®Çu vµo z=0. §iÒu nµy lµ kh«ng thÓ bëi v× sãng Stoke kh«ng cã ë ®Çu vµo mµ nã sinh ra trong qu¸ tr×nh t¸n x¹ Raman, nã gièng nh lµ ta cho mét photon kh«ng cã thËt ë ®Çu vµo. Tuy vËy ta vÉn cã thÓ tÝnh to¸n ®îc c«ng suÊt sãng Stoke b»ng c¸ch ®Ó ý r»ng biªn ®é n¨ng lîng cña mçi mét thµnh phÇn tÇn sè lµ ω . T¬ng tù nh ph¬ng tr×nh (2.8) ta thu ®îc ph¬ng tr×nh c«ng suÊt sãng Stoke nh sau: Ps ( L) =

+∞

∫ ω exp[ g

R

]

(ω ) I p (o).Leff − α s L dω

(2.10)

−∞

Trong ®ã sîi quang ®îc gi¶ ®Þnh lµ sîi ®¬n mode. Sù phô thuéc cña g R (ω ) vµo tÇn sè ®îc thÓ hiÖn ë trªn h×nh 2.2. ThËm chÝ nÕu kh«ng biÕt d¹ng cña hµm cña g R (ω ) ta vÉn cã thÓ tÝnh to¸n ®îc tÝch ph©n (2.10) v× gi¸ trÞ cña nã phô

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman thuéc chñ yÕu vµo vïng hÑp gÇn ®Ønh khuÕch ®¹i. Tõ (2.10)

[

Ps ( L) = PSoeff . exp g R (ω s ) I p (o).Leff − α s L

ta tÝnh ra ®îc:

]

( 2.11) Trong ®ã c«ng suÊt hiÖu dông ®Çu vµo t¹i z=0 lµ: = ω s Beff

PSoeff

(2.12)

Víi :

Beff

 2π =  | g ′R′ (ω s ) | I p (o) Leff

  

1/ 2

,

 ∂2gR g ′R′ (ω s ) =  2  ∂ω

   ω =ωS

(2.13) Beff lµ d¶i tÇn hiÖu dông cña sãng bøc x¹ Stoke tËp trung ë

®Ønh khuyÕch ®¹i víi ω = ω s . MÆc dï Beff phô thuéc vµo cêng ®é b¬m vµ chiÒu dµi sîi nhng gi¸ trÞ ®Ønh cña phæ trªn h×nh 2.2 ®ãng vai trß quan träng trong viÖc ®Þnh lîng Beff . Ngìng Raman ®îc ®Þnh nghÜa lµ c«ng suÊt b¬m ®Çu vµo sao cho ë ®Çu ra c«ng suÊt b¬m vµ c«ng suÊt Stoke lµ b»ng nhau. Ps ( L) = Pp ( L) = Po . exp(−α p L)

(2.14) P0 = I 0 (o). Aeff

Trong ®ã: (2.15)

PhÇn lín c«ng suÊt b¬m sÏ chuyÓn thµnh c«ng suÊt Stoke nÕu nh c«ng suÊt b¬m vît qu¸ gi¸ trÞ ngìng. P0 lµ c«ng suÊt b¬m ë ®Çu vµo vµ Aeff lµ diÖn tÝch vïng lâi

hiÖu dông. Tõ ph¬ng tr×nh (2.11) vµ (2.14) vµ gi¶ sö αs = α p = α ,

®iÒu

Psoeff . exp( g R PO Leff / Aeff ) = PO

kiÖn

ngìng

trë

thµnh

:

(2.16)

Trong ®ã Psoeff còng phô thuéc vµo Po th«ng qua hai ph¬ng tr×nh (2.11) vµ (2.12). Tõ ph¬ng tr×nh (2.16) ta cã thÓ tÝnh

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman ®îc gi¸ trÞ ngìng Raman. Gi¸ trÞ c«ng suÊt b¬m tíi h¹n ( POth ) gÇn ®óng ®îc cho bëi: g R .Poth .Leff / Aeff . ≈ 16

(2.17)

C«ng thøc trªn lµ ®iÒu kiÖn ngìng Raman thuËn, ®iÒu khiÖn ngìng Raman ngîc cã ®îc b»ng c¸ch thay gi¸ trÞ 16 trong ph¬ng tr×nh (2.17) b»ng 20. Còng cÇn ph¶i chó ý lµ khi ®i x©y dùng ph¬ng tr×nh (2.17) ta gi¶ sö ph©n cùc cña sãng b¬m vµ sãng dß b¶o toµn trong qu¸ tr×nh lan truyÒn. NÕu sù ph©n cùc kh«ng ®îc b¶o toµn, ngìng Raman sÏ t¨ng lªn mét hÖ sè trong kho¶ng 1 ®Õn 2. §Æc biÖt, nÕu nh sù ph©n cùc bÞ x¸o trén hoµn toµn th× ngìng Raman sÏ t¨ng lªn 2 lÇn. MÆc dï khi tÝnh to¸n gi¸ trÞ ngìng ta sö dông rÊt nhiÒu phÐp tÝnh gÇn ®óng nhng gi¸ trÞ ngìng Raman vÉn ®îc tÝnh kh¸ chÝnh x¸c. NÕu nh víi sîi cã

αp .L >> 1 , Leff ≈ 1 / α p .

ë bíc sãng

λ p = 1.55µm (bíc sãng n»m trong vïng cöa sæ cã suy hao nhá

nhÊt cì 0.2dB/km), Leff = 20km. Th«ng thêng th× Aeff = 50µm 2 , gi¸ trÞ ngìng Raman cì kho¶ng 600mW. Bëi v× trong thùc tÕ c«ng suÊt cña c¸c hÖ thèng th«ng tin quang vµo cì 1 ÷ 10mW nªn hÖ thèng kh«ng bÞ ¶nh hëng bëi SRS. Trong vïng ¸nh s¸ng nh×n thÊy Aeff =10 ÷ 20µm 2 , gi¸ trÞ c«ng suÊt ngìng Poth ~ 10W víi cù ly truyÒn dÉn L=10m. Khi c«ng suÊt vµo b»ng víi gi¸ trÞ ngìng, c«ng suÊt b¬m chuyÓn thµnh c«ng suÊt Stoke rÊt nhanh chãng. Trong thùc tÕ, sãng Stoke sÏ ho¹t ®éng nh mét sãng b¬m vµ sinh ra sãng Stoke cÊp 2 nÕu nh c«ng suÊt cña nã ®ñ lín ®Ó tho¶ m·n ph¬ng tr×nh (2.17). KÕt qu¶ lµ nÕu c«ng suÊt b¬m lín, bªn trong sîi sinh ra rÊt nhiÒu sãng Stoke vµ sè lîng c¸c sãng Stoke phô thuéc vµo c«ng suÊt vµo.

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman 1.4

¶nh hëng cña c¸c chÊt phô gia trong sîi thuû tinh

Sîi thuû tinh ®îc t¹o tõ c¸c hçn hîp oxide nãng ch¶y. C¸c oxide nµy t¹o ra mét vËt liÖu míi cã cÊu tróc m¹ng ph©n tö liªn kÕt hçn hîp. Th«ng thêng c¸c sîi thuû tinh ®îc pha c¸c hîp chÊt kh¸c nhau vÝ dô nh P2 O5 ,

GeO 2 ®Ó

thay ®æi mét sè tÝnh

chÊt cña thuû tinh nh chØ sè chiÕt suÊt, hÖ sè t¸n s¾c. C¸c chÊt phô gia nµy còng lµm thay ®æi quang phæ t¸n x¹ Raman cña sîi thuû tinh.

H×nh 2.3 Quang phæ t¸n x¹ Raman cña c¸c lo¹i thuû tinh oxide ®îc sö dông trong c¸c sîi quang. H×nh 2.3 thÓ hiÖn quang phæ t¸n x¹ Raman cña c¸c sîi quang thuû tinh oxide. Thuû tinh cã thµnh phÇn c¬ b¶n lµ dioxide silic cã ®é réng phæ rÊt réng (kho¶ng 40THz) víi mét ®Ønh chÝnh trong khu vùc tõ 440 ®Õn 490 cm −1 . Víi chÊt pha t¹p lµ GeO 2 ®é réng phæ hÑp h¬n nhng cêng ®é ¸nh s¸ng t¸n x¹ l¹i m¹nh h¬n. Víi P 2 O 5 kh«ng nh÷ng cêng ®é ¸nh s¸ng t¸n x¹ t¨ng mµ cßn xuÊt hiÖn vïng phæ míi cã ®Ønh t¹i 1390 cm −1 víi kho¶ng dÞch tÇn rÊt lín.

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman 1.5

¶nh hëng cña ph©n cùc ¸nh s¸ng

Ph©n cùc ¸nh s¸ng cã ¶nh hëng rÊt lín ®Õn kh¶ n¨ng x¶y ra t¸n x¹ Raman. HÖ sè khuyÕch ®¹i Raman phô thuéc rÊt nhiÒu vµo sù t¬ng quan gi÷a ¸nh s¸ng b¬m vµ ¸nh s¸ng tÝn hiÖu. Qu¸ tr×nh t¸n x¹ Raman x¶y ra rÊt m¹nh khi ¸nh s¸ng b¬m vµ ¸nh s¸ng tÝn hiÖu ®ång ph©n cùc. Khi ¸nh s¸ng b¬m vµ ¸nh s¸ng tÝn hiÖu cã ph©n cùc trùc giao qu¸ tr×nh t¸n x¹ x¶y ra yÕu h¬n rÊt nhiÒu. Do ®ã møc t¨ng Ých thùc tÕ b»ng tæng gi¸ trÞ t¨ng Ých song song vµ t¨ng Ých trùc giao. §èi víi sîi thuû tinh trén GeO 2 , t¨ng Ých quang cã thÓ ®îc x¸c ®Þnh

theo

c«ng

  P0 G (dB ) = 4.34  g R Leff − α s L KAeff  

thøc

(2.18) Trong ®ã K lµ hÖ sè ph©n cùc. HÖ sè ph©n cùc nhËn gi¸ trÞ “1” khi ¸nh s¸ng b¬m vµ ¸nh s¸ng tÝn hiÖu ®ång ph©n cùc vµ nhËn gi¸ trÞ “2” khi hai ¸nh s¸ng nµy trùc giao. 1.2 1.0 H ệ s ố kh u yế ch đ ạ i R a m a n (

S o n g so n g

0.8

T rự c g ia o

0.6 0.4 0.2 0

6

12

18

24

30

36

42

Đ ộ d ịch tầ(TnH z)

H×nh 2.4 ¶nh hëng cña t¬ng quan ph©n cùc gi÷a ¸nh s¸ng tÝn hiÖu vµ ¸nh s¸ng b¬m.

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman

CHƯƠNG 3: ¶nh hëng cña t¸n x¹ Raman kÝch thÝch trong th«ng tin quang ¶nh hëng cña SRS ®èi víi hÖ thèng ®¬n kªnh

3.1

Qu¸ tr×nh truyÒn mét xung trong sîi quang cã thÓ ®îc m« t¶ b»ng ph¬ng tr×nh Schrodinger phi tuyÕn (NLS-Nonlinear Schrodinger equation) [1]: ∂A ∂A i ∂2 A α 2 + β1 + β 2 2 + A = iγ A A ∂z ∂t 2 2 ∂t

(3.1)

Trong ®ã A lµ biªn ®é xung ®· ®îc chuÈn ho¸ nghÜa lµ A

2

chÝnh lµ c«ng suÊt quang. α lµ hÖ sè suy hao cña sîi

quang, β1 , β2 lµ c¸c hÖ sè trong khai triÓn Taylor cña β . Ph¬ng tr×nh NLS ®· bao gåm suy hao th«ng qua α , t¸n s¾c mµu th«ng qua β1 , β 2 vµ hÖ sè phi tuyÕn γ . HÖ sè t¸n s¾c D quan hÖ víi c¸c h»ng sè lan truyÒn β1 , β 2 theo ph¬ng tr×nh:

D=

dβ 1 2πc λ d 2n = − 2 β2 ≈ dλ c dλ2 λ

(3.2) Trong ®ã c lµ vËn tèc ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng, λ lµ bíc sãng, n lµ chiÕt suÊt lâi sîi. MÆc dï ph¬ng tr×nh (3.1) lµ kh¸ ®Çy ®ñ ®Ó chøng minh nhiÒu hiÖu øng phi tuyÕn nhng trªn thùc tÕ nã cÇn ph¶i cã sù thay ®æi. Bëi v× trong ph¬ng tr×nh (3.1) kh«ng bao gåm hiÖu øng phi tuyÕn liªn quan ®Õn t¸n x¹ kÝch thÝch kh«ng ®µn håi nh SRS vµ SBS. NÕu ®Ønh c«ng suÊt cña tÝn hiÖu vµo vît qu¸ gi¸ trÞ ngìng SRS th× qu¸ tr×nh t¸n x¹ SRS sÏ lµm biÕn ®æi n¨ng lîng cña sãng b¬m thµnh sãng Stoke (cïng truyÒn víi sãng b¬m bªn trong sîi quang theo c¶ hai híng thuËn vµ ngîc). C¸c xung sÏ t¸c ®éng lÉn nhau th«ng qua

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman khuyÕch ®¹i Raman t¬ng tù nh hai hay nhiÒu sãng cã bíc sãng kh¸c nhau cïng truyÒn trong sîi quang. H¬n n÷a ph¬ng tr×nh (3.1) chØ x©y dùng cho c¸c xung cã ®é réng lín h¬n 1ps, do ®ã cÇn ph¶i ®iÒu chØnh ®èi víi c¸c xung cùc ng¾n nhá h¬n 100 ps. Khi xung cã ®é réng nhá h¬n 100 ps, bÒ réng phæ ∆ω cña nã cã thÓ so s¸nh víi tÇn sè mang ω 0 nªn nh÷ng phÐp tÝnh gÇn ®óng ®Ó x©y dùng ph¬ng tr×nh (3.3) còng cÇn ph¶i xem xÐt l¹i. Ho¹t ®éng cña SRS trong sîi quang sÏ ®¬n gi¶n ®i rÊt nhiÒu nÕu gi¶ sö r»ng ®¸p øng cña m«i trêng lµ tøc thêi. Trõ trêng hîp xung cã ®é réng cì 10fs, lóc nµy ®¸p øng cña m«i trêng thËm trÝ cßn chËm h¬n c¶ ®¸p øng xung. Khi ®ã tõ ph¬ng tr×nh (3.1) tÝnh c¶ ¶nh hëng cña SRS, sù t¬ng t¸c gi÷a xung b¬m vµ xung Stoke ®îc khèng chÕ bëi cÆp ph¬ng tr×nh : ∂A p ∂z

+

∂ 2 Ap α p gp 1 ∂A p i + β2p + A p = iγ p | A p | 2 +2 | As | 2 A p − | As | 2 A p 2 v gp ∂t 2 2 2 ∂t

[

]

(3.4) ∂As ∂ 2 As α s g 1 ∂As i + + β 2s + As = iγ s | As | 2 +2 | A p | 2 As − s | A p | 2 As 2 ∂z v gp ∂t 2 2 2 ∂t

[

]

(3.5) Trong ®ã v gi lµ vËn tèc nhãm, β 2 j lµ hÖ sè t¸n s¾c vËn tèc nhãm, γ j lµ hÖ sè phi tuyÕn víi j=p hoÆc s. HÖ sè khuyÕch ®¹i gs =

gs gR , Aeff

vµ

g p liªn gp =

ωp ωs

quan gs

®Õn

gi¸

trÞ

®Ønh (3.6)

cña

gR :

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman NÕu bá qua suy hao vµ ®a ph¬ng tr×nh (3.3) vµ (3.4) vÒ miÒn

thêi

[

gian

]

iγ p | Ap |2 +2 | As |2 Ap −

gp 2

chuÈn | As |2 Ap

ho¸

ta

®îc:

∂Ap

∂2 A

i

+ β2 p 2p = ∂z 2 ∂t

(3.7)

∂As ∂As g i ∂2 A iγ s | As |2 +2 | Ap |2 As − s | Ap |2 As β 2 s 2 s -d + = ∂z ∂T 2 2 ∂t

[

Trong ®ã:

]

(3.8) −1 d = v gp − v gs−1

T=t-z/v gp ,

(3.9) Víi T lµ thêi gian chuÈn ho¸ phô thuéc vµo vËn tèc nhãm v gp , tham sè d ®îc gäi lµ tham sè “Walk-off”, ®©y lµ tham sè ®Æc trng cho ®é chªnh lÖch vËn tèc gi÷a sãng b¬m vµ sãng Stoke, th«ng thêng cã gi¸ trÞ 2 ÷ 6 ps/m. C¸c tham sè GVD β 2 j , hÖ sè phi tuyÕn γ j vµ hÖ sè khuyÕch ®¹i Raman g j (j=p hoÆc s) cña sãng b¬m vµ sãng Stoke kh¸c nhau rÊt Ýt, sù kh¸c nhau ®ã liªn quan ®Õn tû sè λ s / λ p nh sau: γ 2s =

λp λs

γ p , gs =

λp λs

gp

β 2s =

λp λs

β2p ,

(3.10)

§èi víi xung cã ®é réng T0 ta ®Þnh nghÜa ®é dµi “WalkOff” LW , vµ ®é dµi t¸n s¾c LD :

LW =

T0 , d

LD =

T0

β2p

(3.11) Bèn ®é dµi tû lÖ øng víi ¶nh hëng cña GVD, ”Walk-off”, phi 1 TO2 T tuyÕn vµ khuyÕch ®¹i Raman: LD = , LW = O , L NL = γ P , | β2p | |d| P o LG =

1 g p Po

(3.12)

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman Trong bèn ®é dµi trªn, ®é dµi nµo nhá nhÊt, hiÖu øng t¬ng øng víi ®é dµi ®ã sÏ ¶nh hëng ®Õn tÝn hiÖu nhiÒu nhÊt. NÕu tÝn hiÖu b¬m cã ®é réng xung TO ≤ 10 ps , c«ng suÊt ®Ønh P O ≥ 100 W th× th«ng sè L W ~1km (t¹i T O =10ps). V× vËy ¶nh hëng cña GVD khèng chÕ bëi thµnh phÇn thø hai trong ph¬ng tr×nh (3.6) vµ (3.7) bÞ bá qua nÕu ®é réng xung cì 10 ps. Tõ (3.12) ta thÊy nÕu ®é réng xung gi¶m nhng c«ng suÊt ®Ønh P O ®ñ lín th× ta còng cã thÓ bá qua ¶nh hëng cña GVD. Bá qua ¶nh hëng cña GVD tõ cÆp ph¬ng tr×nh (3.6) vµ (3.7) ta

[

A p ( z , T ) = A p (0, T ) exp ψ p ( z , T )

®îc:

]

(3.13) As ( z , T ) = As (0, T + zd ) exp[ψ s ( z, T + zd )]

Víi:

(3.14)

g   P ψ p ( z , T ) =z iγ p Pp exp(−τ 2 ) + (2iγ p − p ). s π (erf (τ + δ ) − erf (τ )) 2 2δ  

(3.15)   g Pp ψ s ( z , T + zd ) =z iγ s Ps exp(−(τ + δ ) 2 ) + (2iγ s − s ). π (erf (τ + δ ) − erf (τ )) 2 2δ  

(3.16) Vµ:

τ=

T TO

,

δ=

zd z = T0 LW

(3.17) 2 2 V× | As | <<| A p | , íc lîng (3.15) vµ (3.16) ta ®îc:

P   Ap ( z , T ) = A p (0, T ) exp ( − g p / 2 + 2iγ p ) s z π [ erf (τ + δ ) − erf (τ )]  2δ  

(3.18) Pp   As ( z, T ) = As (0, T + zd ) exp ( g s / 2 + 2iγ s ) z π [ erf (τ + δ ) − erf (τ )]  2δ  

(3.19)

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman Ph¬ng tr×nh (3.19) m« t¶ sù khuyÕch ®¹i Raman khi mét tÝn hiÖu yÕu ®îc ®a vµo bªn trong sîi cïng víi sãng b¬m. Nã còng ®óng cho c¶ trêng hîp tÝn hiÖu yÕu ®ã ®îc sinh ra do nhiÔu bªn trong sîi. §Ó ®¬n gi¶n ta gi¶ sö ®¸p øng cña m«i trêng lµ tøc thêi so víi ®¸p øng xung. Lóc nµy tõ ph¬ng tr×nh (2.12) ta t×m ®îc biªn ®é ®Ønh cña sãng Stoke: (3.20)

As (0, T ) = Psoeff

T¬ng tù nh sãng b¬m, sãng Stoke còng cã d¹ng ph©n bè hµm Gaussian: As (0, T ) = Psoeff exp(

−T 2 ) 2T02

(3.21)

Vµ c«ng suÊt ®Çu ra cña sîi (víi gi¶ ®Þnh L/L W >>1): Ps ( L) =| As ( L,0) | 2 = Pseff0 exp( g s P0 π Lω )

(3.22)

Gi¸ trÞ ngìng ®¹t ®îc khi Ps (L)= P0 . So s¸nh (2.16) víi (3.22) ta t×m ®îc ®é dµi hiÖu dông cho bëi c«ng thøc sau: Leff = π LW

(3.23)

Nh vËy ta cã thÓ tÝnh ®îc gi¸ trÞ c«ng suÊt ngìng trong (2.17) tõ gi¸ trÞ cña Leff ®îc cho bëi c«ng thøc (3.23). Tõ hai ph¬ng tr×nh nµy ta còng thÊy r»ng ngìng Raman phô thuéc vµo ®é réng xung b¬m. Víi xung cã ®é réng ~ 10ps (L W ~1m), c«ng suÊt ngìng ~ 100W. 3.2

¶nh hëng cña SRS trong hÖ thèng WDM Xuyªn ©m Nh c¸c phÇn trªn ta thÊy, hiÖu øng t¸n x¹ Raman lµ mét

hiÖu øng d·n b¨ng. Sù thay ®æi tÇn sè quang t¬ng øng víi tÇn sè dao ®éng cña nguyªn tö. T¸n x¹ Raman nãi chung vµ t¸n x¹ Raman kÝch thÝch SRS nãi riªng ¶nh hëng rÊt lín ®Õn hÖ thèng th«ng tin quang ®Æc biÖt lµ hÖ thèng WDM.

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman Trong hÖ thèng ®¬n kªnh, ¸nh s¸ng truyÒn trong sîi quang chØ cã mét bíc sãng. T¸n x¹ Raman lµm ph¸t sinh ¸nh s¸ng t¸n x¹ cã tÇn sè nhá h¬n. C«ng suÊt ngìng P th ®îc sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ ¶nh hëng cña t¸n x¹ Raman. Víi hÖ thèng ®¬n kªnh P th ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: Aeff

P th (SRS)=16 g L R eff

(3.24)

¸nh s¸ng t¸n x¹ Raman trong c¸c hÖ thèng ®¬n kªnh còng dÔ dµng lo¹i bá bëi c¸c bé läc quang do chóng cã kho¶ng dÞch tÇn kh¸ lín. ¶nh hëng cña t¸n x¹ Raman sÏ t¨ng khi cã hai hay nhiÒu h¬n tÝn hiÖu quang truyÒn trong mét sîi quang. NÕu nh hai kªnh cã kho¶ng c¸ch tÇn sè b»ng ®óng ®é dÞch tÇn cña ¸nh s¸ng t¸n x¹, tÝn hiÖu t¹i tÇn sè cao sÏ bÞ suy hao vµ tÝn hiÖu t¹i tÇn sè thÊp sÏ ®îc khuÕch ®¹i. TÝn hiÖu t¹i tÇn sè cao sÏ ®ãng vai trß lµ tÝn hiÖu b¬m. TØ lÖ chuyÓn ®æi c«ng suÊt quang gi÷a hai kªnh phô thuéc vµo tÇn sè Stoke. V× ®é réng b¨ng t¸n x¹ Raman rÊt réng nªn hiÖu øng t¸n x¹ Raman vÉn x¶y ra khi hai kªnh c¸ch nhau tíi 13THz.

H×nh 3.1 MÉu xung NRZ trong hÖ thèng WDM hai kªnh. a)TÝn hiÖu vµo sîi quang

b)TÝn hiÖu ra do ¶nh hëng cña SRS.

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman Nh vËy trong hÖ thèng WDM c¸c kªnh t¹i bíc sãng ng¾n ®ãng vai trß ¸nh s¸ng b¬m vµ sÏ bÞ suy hao mÊt mét phÇn c«ng suÊt do hiÖu øng t¸n x¹ Raman kÝch thÝch. Gi÷a c¸c kªnh sÏ cã xuyªn ©m vµ SRS cña c¸c kªnh sÏ bÞ gi¶m. Trªn h×nh 3.1 lµ mÉu xung NRZ cña mét hÖ thèng WDM hai kªnh ®¬n gi¶n (bá qua t¸n s¾c). Kªnh thø nhÊt cã tÇn sè lín h¬n bÞ mÊt mét phÇn c«ng suÊt cho kªnh thø hai ®Æc biÖt khi truyÒn bit “1” t¹i cïng mét thêi ®iÓm. HiÖu øng SRS sÏ kh«ng xuÊt hiÖn t¹i thêi ®iÓm cña c¸c bit “0”. Trong c¸c hÖ thèng sö dông khuyÕch ®¹i, ¶nh hëng cña SRS lín h¬n. Trªn toµn bé ®êng truyÒn c¶ tÝn hiÖu vµ nhiÔu ®Òu bÞ suy gi¶m. Tuy nhiªn møc suy gi¶m cña nhiÔu chØ b»ng mét nöa møc suy gi¶m cña tÝn hiÖu. Giíi h¹n cña tæng sè kªnh cña hÖ thèng WDM theo chiÒu dµi tuyÕn truyÒn dÉn ®îc miªu t¶ trªn h×nh 3.2, trong ®ã hÖ thèng WDM sö dông c¸c bé khuyÕch ®¹i lý tëng cã hÖ sè t¹p ©m NF lµ 3dB, hÖ sè suy hao trªn hÖ thèng 0.2 dB/km, tèc ®é mçi kªnh lµ 2.5 Gb/s, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c kªnh lµ 0.5nm, b¨ng tÇn quang m¸y thu lµ 10GHz, tØ sè SNR trung b×nh lµ 9 ( BER = 10 −14 ) t¬ng øng cho kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c bé lÆp lÇn lît lµ 25, 50, 100 vµ 150 km.

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman Số lượng kênh 5000

LA=25 km 50 km

1000

100 km 150 km

500

10000 Dung lượng(Gb/s) 1000

100 50

100

10 100

200

500

1000

2000

5000

Chiều dài (km)

H×nh 3.2 Sù phô thuéc sè kªnh tèi ®a theo chiÒu dµi tuyÕn truyÒn dÉn Trong hÖ thèng WDM víi rÊt nhiÒu kªnh, x¸c suÊt tÊt c¶ c¸c kªnh ®Òu truyÒn bit “1” ®ång thêi rÊt thÊp. TØ lÖ c«ng suÊt bÞ mÊt cña c¸c kªnh bíc sãng ng¾n biÕn ®æi phô thuéc vµo c¸c bit ®îc truyÒn trªn tÊt c¶c c¸c kªnh kh¸c. Víi hÖ thèng cã nhiÒu h¬n 10 kªnh vµ sö dông sîi t¸n s¾c kh«ng, c«ng suÊt suy gi¶m trung b×nh chØ phô thuéc vµo c«ng suÊt trung b×nh cña mçi kªnh quang. C«ng suÊt suy gi¶m trung b×nh cña kªnh cã bíc sãng ng¾n nhÊt: η0 =

N ( N − 1) K 4

(3.25)

Víi ph¬ng sai:

σ 02 =

N ( N − 1)(2 N − 1) 2 K 24

(3.26) Trong ®ã N lµ sè kªnh vµ K lµ c«ng suÊt suy gi¶m cña kªnh do c¸c kªnh l©n cËn: (3.27)

K=

P∆fg R Le 3× 1013 Aeff

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman P lµ c«ng suÊt ®Ønh cña mçi kªnh vµ ∆f lµ kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c kªnh. NÕu hÖ thèng cã tæng c«ng suÊt vµ b¨ng tÇn kh«ng ®æi, ¶nh hëng cña SRS cã thÓ ®îc x¸c ®Þnh tríc. PhÇn c«ng suÊt tÝn hiÖu bÞ suy gi¶m cã thÓ ®îc bï chÝnh x¸c b»ng c¸ch sö dông mét bé läc sau c¸c bé khuyÕch ®¹i ®êng d©y, c¸c bé läc nµy cã hÖ sè suy hao ngîc víi hÖ sè suy gi¶m c«ng suÊt tÝn hiÖu do SRS theo bíc sãng. HÖ thèng nµy còng kh¸ ®¬n gi¶n kh«ng cÇn thªm thiÕt bÞ quang nµo kh¸c nÕu nã sö dông EDFA lµm b»ng ph¼ng t¨ng Ých quang. Tham sè ®é nghiªng Raman HiÖn tîng xuyªn ©m do t¸n x¹ Raman kh«ng chØ lµm gi¶m SNR cña c¸c kªnh mµ cßn dÉn ®Õn mét “®é nghiªng Raman” trong ph©n bè c«ng suÊt ®Çu ra cña c¸c kªnh trong hÖ thèng WDM. HiÖn tîng nµy ®îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3.3 víi hÖ thèng WDM gåm 6 kªnh truyÒn trªn sîi quang ®¬n mode tiªu chuÈn [3].

Khoảng cách [km]

H×nh 3.3 C«ng suÊt ®Çu ra chuÈn ho¸ cña c¸c kªnh trong hÖ thèng WDM

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman C«ng suÊt ®Çu ra chu¶n ho¸ cña c¸c kªnh trong hÖ thèng WDM gåm 6 kªnh víi c¸c th«ng sè D=16.7ps/(nm.km), L=10km, c«ng suÊt ®Çu vµo mçi kªnh Pt = 48 mW, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c kªnh ∆λ = 8nm .[3] §èi víi mét hÖ thèng WDM gåm cã N kªnh ta cã thÓ ®Þnh nghÜa mét tham sè gäi lµ “§é nghiªng Raman” [3] ®îc tÝnh theo c«ng thøc: P tilt (dB ) = 10 Log 10  N  P1

  

(3.28)

Trong trêng hîp c«ng suÊt ®Çu vµo cña N kªnh lµ nh nhau vµ kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c kªnh kh«ng ®æi th× tham sè “®é nghiªng Raman” cã thÓ tÝnh theo c«ng thøc (3.29) . tilt (dB ) = 4.343

N ( N − 1) g ′∆fLeff

(3.29)

2 Aeff

Víi N lµ tæng sè kªnh, g ′ lµ ®é dèc cña phæ khuyÕch ®¹i Raman, ∆f lµ kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c kªnh, Aeff vµ Leff lÇn lît lµ diÖn tÝch hiÖu dông vµ chiÒu dµi hiÖu dông cña sîi quang.

1.0

0.9 0.8 0

2

4 6 8 Khoảng cách [km]

10

H×nh 3.4 C«ng suÊt ®Çu ra chuÈn ho¸ cña hÖ thèng WDM trªn khi sö dông hai nguån b¬m víi λ P1 = 1422nm, λ P 2 = 1448nm, PP1 = 28.8mW , PP 2 = 24mW .

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman V× hiÖn tîng “Nghiªng Raman” g©y ra do hiÖu øng t¸n x¹ Raman lµm gi¶m hiÖu n¨ng cña hÖ thèng, nÕu kh¾c phôc ®îc ¶nh hëng nµy ta cã thÓ t¨ng b¨ng tÇn tæng, t¨ng c«ng suÊt cña mçi kªnh vµ t¨ng kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c bé khuyÕch ®¹i. Mét ph¬ng ph¸p ®Ó kh¾c phôc hiÖn tîng “nghiªng Raman” lµ sö dông hai nguån b¬m thuËn víi bíc sãng ®îc lùa chän thÝch hîp [3]. Khi ®ã nguån b¬m bíc sãng ng¾n h¬n sÏ khuyÕch ®¹i nh÷ng kªnh cã bíc sãng ng¾n trong khi nguån b¬m thø hai sÏ chuyÓn c«ng suÊt cho nh÷ng kªnh bíc sãng trung b×nh. KÕt qu¶ lµ c¸c kªnh cã bíc sãng cao h¬n sÏ cã ®é dÞch tÇn so víi sãng b¬m vît ra ngoµi phæ khuyÕch ®¹i Raman. Do ®ã c¸c kªnh nµy sÏ ®îc khuyÕch ®¹i bëi chÝnh nh÷ng kªnh cã bíc sãng thÊp h¬n th«ng qua hiÖn tîng SRS dÉn ®Õn ®é chªnh lÖch c«ng suÊt ®Çu ra cña c¸c kªnh sÏ gi¶m nh chØ ra trªn h×nh 3.4. KÕT LUËN VÊn ®Ò nghiªn cøu ¶nh hëng cña hiÖu øng t¸n x¹ ®Æc biÖt lµ t¸n x¹ Raman kÝch thÝch lªn chÊt lîng truyÒn dÉn trong hÖ thèng th«ng tin quang ®ang lµ mét vÊn ®Ò cã tÝnh thêi sù. ChÝnh hiÖu øng nµy ®· g©y nªn mét lo¹i c¸c hiÖn tîng nh thay ®æi phæ tÝn hiÖu quang, g©y nhiÔu trong hÖ thèng th«ng tin quang ®ång thêi còng ®îc øng dông trong viÖc khuyÕch ®¹i tÝn hiÖu quang. Khi c«ng suÊt tÝn hiÖu truyÒn trong sîi quang cµng lín th× ¶nh hëng cña SRS cµng râ nÐt. Tõ viÖc thùc hiÖn b¸o c¸o thùc tËp “Kh¸i qu¸t vÒ t¸n x¹ Raman trong th«ng tin quang”, cã thÓ rót ra mét sè kÕt qu¶:

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman 1. Nghiªn cøu qu¸ tr×nh t¸n x¹ Raman khi ¸nh s¸ng truyÒn trong m«i trêng sîi quang, c¸c ®Æc tÝnh cña t¸n x¹ Raman kÝch thÝch nh phæ khuyÕch ®¹i Raman, t¨ng Ých quang Raman, ngìng Raman. 2. Tr×nh bµy c¸c ¶nh hëng cña t¸n x¹ Raman kÝch thÝch trong hÖ thèng th«ng tin quang bao gåm ¶nh hëng cña SRS ®Õn d¹ng xung trong hÖ thèng ®¬n kªnh, c¸c ¶nh hëng cña SRS ®Õn hÖ thèng WDM nh xuyªn ©m, thay ®æi c«ng suÊt ®Çu ra cña c¸c kªnh trong hÖ thèng WDM vµ c¸ch kh¾c phôc nh÷ng ¶nh hëng nµy. Do t¸n x¹ Raman kÝch thÝch lµ mét vÊn ®Ò rÊt réng nªn néi dung b¸o c¸o cha thÓ ®Ò cËp ®Õn mäi vÊn ®Ò liªn quan. Híng ph¸t triÓn tiÕp theo cña b¸o c¸o lµ tiÕp tôc t×m hiÓu s©u h¬n n÷a nh÷ng ¶nh hëng vµ kh¶ n¨ng øng dông cña t¸n x¹ Raman kÝch thÝch. Trong qu¸ tr×nh lµm ®å ¸n, cÇn t×m hiÓu kh¶ n¨ng sö dông t¸n x¹ Raman kÝch thÝch trong khuÕch ®¹i tÝn hiÖu quang, cÊu tróc vµ øng dông cña c¸c bé khuÕch ®¹i quang Raman trong m¹ng th«ng tin quang. MËt kh¸c, x©y dùng ch¬ng tr×nh m« pháng ®Ó lµm râ nh÷ng ®Æc tÝnh cña t¸n x¹ Raman kÝch thÝch dùa theo ph¬ng tr×nh SchrodingÎ phi tuyÕn ®Ó tÝnh to¸n vµ vÏ ®îc d¹ng sãng b¬m vµ sãng sotoke trªn miÒn thêi gian vµ miÒn tÇn sè. Sinh viªn: L· C«ng HuÊn

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp T¸n x¹ Raman THUËT NG÷ VIÕT T¾T

EDFA FWM GVD

Erbium Droped Fiber

KhuÕch ®¹i quang sîi pha

Amplifer

Erbium

Four Wave Mixing

Trén bèn sãng

Group Velocity

T¸n s¾c vËn tèc nhãm

Dispersion

NF

Noise Figure

HÖ sè t¹p ©m

NRZ

Non-Return-to-Zero

M· NRZ

Stimulated Brilloin

T¸n x¹ Brilloin kÝch thÝch

SBS

Scattering

SMF

Single Mode Fiber

Sîi ®¬n mode

SNR

Signal-to-Noise Ratio

TØ sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu

SPM

Self Phase Modulation

§iÒu chÕ tù dÞch pha

Stimulated Raman

T¸n x¹ Raman kÝch thÝch

SRS WDM XPM

Scattering Wavelength Division

GhÐp kªnh ph©n chia theo

Multiplexing

bíc sãng

Cross Phase Modulation

§iÒu chÕ pha chÐo

B¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp Tµi liÖu tham kh¶o TµI LIÖU THAM KH¶O 1 Trung t©m th«ng tin bu ®iÖn - HÖ thèng th«ng tin quang. NXB Bu ®iÖn - n¨m 2003. 2 Vò V¨n San - Kü thuËt th«ng tin quang Nguyªn lý c¬ b¶n . c«ng nghÖ tiªn tiÕn - NXB Khoa häc vµ kü thuËt - n¨m 1997. 3 NguyÔn V¨n NhÞ - Gi¸o tr×nh c¸p quang - NXB Bu ®iÖn . n¨m 2006. 4 NguyÔn V¨n Tu©n - So s¸nh vµ ®¸nh gi¸ c¸c ph¬ng ¸n .

truyÒn dÉn trong hÖ thèng th«ng tin quang Conherence tèc

®é bit cao 5 Mohammed N. Islam, Raman Amplifiers for .

Telecommunications, IEEE Journal of Selected Topics in

Quantum Electronics, Vol. 8, No. 3, May/June 2002. 6 Hoµng Duy H©n, Nghiªn cøu c¸c hiÖu øng phi tuyÕn trong sîi . quang. 7 NguyÔn VÜnh Nam, Vò V¨n San, TrÇn ThÞ Thuû B×nh, Vâ .

§øc Hïng, TrÇn Hoµng DiÖu, §ç ThÞ Nhµn, Nghiªn cøu ¶nh hëng cña c¸c hiÖu øng phi tuyÕn tíi chÊt lîng truyÒn dÉn trong th«ng tin quang, §Ò tµi 13-2000-HV-R-DT, ViÖn khoa häc kü thuËt bu ®iÖn.