Tiểu luận NỘI DUNG
LỜI NÓI ĐẦU
Sợi quang gồm một lõi hình trụ bằng thuỷ tinh có chiết suất n
1
, bao quanh lõi là
một lớp vỏ phản xạ đồng tâm với lõi. Lớp vỏ có chiết suất n
2
(n
2
< n
1
).
Ánh sáng với vận tốc v=c/n , c= 3.10
8
m/s được truyền trong sợi quang.Quá trình
truyền ánh sáng trong sợi quang, một phần ánh sáng sẽ bị suy hao do rất nhiều các
nguyên nhân gây ra, một trong những nguyên nhân đó là do hiệu ứng phi tuyến của sợi
quang.
Hiệu ứng phi tuyến xảy ra là do trong nguyên tử có các điện tử mang điện tích âm
và hạt nhân mang điện tích dương. Do đó khi điện trường tác động vào vật liệu các
điện tử và các hạt nhân bị dịch chuyển về hai hướng ngược nhau. Lực điện trường làm
cho các nguyên tử bị phân cực.
Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia thành hai loại. Loại thứ nhất sinh ra do sự tương
tác của sóng ánh sáng với các phonon. Loại này bao gồm hai hiệu ứng quan trọng là
tán xạ Raman kích thích (SRS-Stimulated Raman Scattering) và tán xạ Brilloin kích
thích (SBS-Stimulated Brilloin Scattering). Loại thứ hai gồm các hiệu ứng phi tuyến
Kerr, sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất phi tuyến vào cường độ điện trường E.
Các hiệu ứng phi tuyến Kerr bao gồm: SPM, XPM và FWM.
Hiện ứng tán xạ kích thích Raman (SRS) Tán xạ Raman được phân chia thành hai
loại: Tán xạ Raman tự phát (Spontaneous Raman Scattering) và tán xạ Raman kích
thích (Stimulated Raman Scattering).

Trong quá trình tán xạ Raman tự phát, ánh sáng tới tương tác với môi trường làm
sinh ra các photon. Tuỳ thuộc vào bản chất của môi trường các photon sinh ra sẽ có tần
số lớn hơn hoặc nhỏ hơn tần số của ánh sáng tới. Nếu như trạng thái khởi đầu có năng
lượng thấp hơn năng lượng của trạng thái cuối, tần số photon phát xạ sẽ nhỏ hơn tần số
ánh sáng tới và quá trình tán xạ tạo ra ánh sáng Stoke.
1
Tiểu luận NỘI DUNG
Dựa vào hiệu ứng tán xạ Raman kích thích người ta đã chế tạo ra bộ khuếch đại
quang. Do đó, bài tập lớn này của nhóm em chủ yếu đi vào xem xét các khía cạnh về
bộ khuếch đại quang Raman dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman kích thích.
2
NỘI DUNG
1. Nguyên lý khuếch đại của bộ khuếch đại quang Raman
Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS .Tán xạ
Raman kích thích là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ năng lượng của một photon,
sau đó tạo ra một photon có năng lượng khác. Vì vậy, tán xạ Raman kích thích được
định nghĩa là hiện tượng photon thứ cấp được sinh ra do kích thích từ nguồn bên
ngoài.
Để có khuếch đại Raman thì phải tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Điều này đạt được
bằng cách cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang từ một laser bơm có
bước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu. Khi đó, các nguyên tử của sợi quang sẽ
hấp tụ năng lượng bơm có năng lượng cao (bước sóng ngắn) và chuyển lên mức năng
lượng cao hơn. Khi có tín hiệu đến , nó sẽ kích thích các nguyên tử đang ở mức năng
lượng cao chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn và giải phóng ra một năng
lượng dưới dạng photon ánh sáng có cùng bước sóng (dài hơn bước sóng bơm) và
cùng pha với tín hiệu đến. Do đó, tín hiệu đã được khuếch đại.
Tiểu luận NỘI DUNG
Hình I- Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman.
Dựa trên giản đồ năng lượng trên, tần số ánh sáng bơm f
bơm

và tần số ánh sáng
được khuếch đại f
khuếch đại
được xác định như sau :
f
bơm
= (E
3
-E
1
)/h
f
khuếch đại
=(E
2
–E
1
)/h
Trong đó: h là hằng số Plank (h=6,625.10
-34
J.s)
E
1
, E
2
,E
3
là năng lượng của các mức trạng thái năng lượng .
2. Nguyên lý bơm trong bộ khuếch đại quang Raman.
2.1 Nguyên lý bơm

Bộ khuếch đại quang Raman dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (SRS).
Tán xạ Raman kích thích (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. Do đó , bộ khuếch
đại Raman phải được bơm quang để có thể khuếch đại. Luồng bơm và tín hiệu ở tần số
ω
p
và ω
s
được đưa vào sợi quang thông qua một Coupler (bộ ghép) quang. Năng lượng
sẽ được chuyển 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
4
Tiểu luận NỘI DUNG
ánh sáng Stoke chính là bước sóng tín hiệu : trong điều kiện này, tín hiệu hoạt động
như một nguồn khơi mào cho quá trình tán xạ kích thích.
Hình II- Nguyên lý bơm thuận và bơm ngược.
Nguồn bơm là điểm trở ngại chủ yếu của thiết bị khuếch 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 khuếch 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 khuếch đại Raman có tác dụng tốt đối với việc bộ khuếch đại công suất,
làm mạnh tín hiệu tại đầu vào. Cấu hình thứ hai thì phù hợp hơn với ứng dụng khuếch
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 khuếch đại Raman.

5
Tiểu luận NỘI DUNG
Hình II- Khuếch đại Raman sử dụng nhiều ánh sáng bơm.
2.2 Phân loại
2.2.1 Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier)
Hình II- Khuếch đại tập trung (a) và khuếch đại phân bố (b).
Với bộ khuếch 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
khuếch đại tín hiệu và như vậy ánh sáng sẽ được khuếch đại đồng đều dọc theo sợi
quang trên một khoảng cách lớn.
Với các bộ khuếch đại DRA, thông thường ánh sáng bơm có công suất cao được
bơm theo hướng ngược để kết hợp với các bộ khuếch đại tập trung khác như các bộ
khuếch 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.
6
Tiểu luận NỘI DUNG
Hình II- Công suất tín hiệu trong hệ thống sử dụng DRA
Hình II-4 biểu diễn mức công suất ánh sáng tín hiệu của hệ thống khuếch đại theo
chu kỳ. Đỉnh hình răng cưa tương ứng với các điểm khuếch đại tập trung. Đường nét
đứt là biểu diễn công suất ánh sáng tín hiệu trong hệ thống chỉ sử dụng các bộ khuếch
đại tập trung với tăng ích cao. Đường cong trên Hình II-4 tương ứng với công suất ánh
sáng tín hiệu trong trường hợp sử dụng bộ khuếch đại DRA kết hợp với bộ khuếch 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 khuếch 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 khuếch đại hoặc tăng dung lượng của kênh tín hiệu. Khoảng
cách giữa các bộ khuếch đại quang tập trung thường khoảng 80 km, bằng cách sử dụng
DRA hiệu năng của hệ thống tương đương với sử dụng khuếch đại quang tập trung với

khoảng cách giữa chúng là 35 đến 38 km
Ngoài khả năng tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch 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 :
Ánh sáng do sử dụng khuếch đại
thông thường
7
Tiểu luận NỘI DUNG
 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 khuếch đại là 140 km (tăng 60 km so với hệ thống thông
thường). Với bộ khuếch đại DRA hai băng, tỉ số giữa tín hiệu trên tạp âm quang
OSNR tăng 3.7
dB
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
10
10
−
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, khuếch đại Raman tập trung cũng có một số nhược
điểm:
 Sợi quang có chiều dài hiệu dụng thấp
eff
L
được xác định từ hệ số suy hao
của sợi. Trong các bộ khuếch 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
khuếch 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
mW
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.

8
Tiểu luận NỘI DUNG
 Một vấn đề đáng được quan tâm khác đối với DRA là nhiễu tán xạ
Rayleigh kép. Các bộ khuếch đại DRA thường có nhiễu DRS cao hơn so với các bộ
khuếch 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.
2.2.2 Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier)
Hình II- Khuếch đại Raman tập trung.
Bộ khuếch đại Raman tập trung LRA là một khối đơn. Trong bộ khuếch đại Raman

tập trung tất cả công suất ánh sáng bơm được tập trung trong một khối. Hình II-5 là
một thí dụ kết nối bộ khuếch đại Raman tập trung trong hệ thống thông tin quang.
Trong sơ đồ trên ánh sáng bơm được giữ trong bộ khuếch đại bằng các bộ cách ly
xung quanh bộ khuếch đại với chiều dài sợi tăng ích Raman khoảng vài km. Như vậy
khác với bộ khuếch đại Raman phân bố ánh sáng bơm không đi vào sợi quang từ bên
ngoài bộ khuếch đại.
9
Tiểu luận NỘI DUNG
Hình II- Tăng ích của bộ khuếch đại Raman tập trung.
Đặc điểm đáng lưu ý nhất của khuếchđại Raman tập trung đó là khả năng sử dụng
dải bước sóng mới mà tại các dải băng này EDFA không thể hoạt động.
Khả năng sử dụng băng S với khuếch đại quang Raman
Trong các dải băng cửa sổ thông tin khuếch đại quang sợi EDFA chỉ có thể hoạt
động tại băng C và băng L mà không thể hoạt động tại băng S (1480-1530 nm). Với
khuếch đại Raman bước sóng khuếch đại được quyết định bởi bước sóng ánh sáng
bơm và như vậy khuếch đại Raman có thể hoạt động ở bất kỳ vùng bước sóng nào có
suy hao thấp. Hiện nay với kỹ thuật làm khô, suy hao sợi quang do hấp thụ nước tại
bước sóng 1390 nm đã giảm mạnh. Như vậy kết hợp với sử dụng các loại sợi quang
mới, khuếch đại Raman đã không những chỉ có thể hoạt động tại băng C mà còn có
khả năng sử dụng khác trong dải 1280 đến 1550 nm.
10
Tiểu luận NỘI DUNG
Hình II- Sự phụ thuộc của suy hao theo bước sóng
Sự phát triển của DWDM không những cho phép tăng dung lượng của truyền dẫn
của mỗi kênh mà còn tăng số kênh truyền dẫn trên một sợi quang. Hiện nay các hệ
thống WDM và DWDM hầu hết đều sử dụng băng C và băng L. Khi nhu cầu về số
kênh truyền dẫn cho DWDM tăng thì các dải băng tần mới được đưa vào sử dụng.
Trong các dải băng khả chuyển có băng S là quan trọng nhất. Băng S có đặc tính suy
hao do hấp thụ và suy hao do uốn cong đối với sợi đơm mode chuẩn tốt hơn so với
băng L. Băng S cũng có tán sắc nhỏ hơn băng L khoảng 30 %. Một số loại khuếch đại

được nghiên cứu ứng dụng cho băng S như là khuếch đại quang bán dẫn, khuếch đại
quang sợi pha Thilium nhưng chỉ có khuếch đại Raman là giải pháp tối ưu cho vấn đề
này . Để tìm hiểu về khả năng sử dụng băng S của LRA ta nghiên cứu hệ thống thử
nghiệm của B.A. Puc lần đầu tiên sử dụng khuếch đại Raman tập trung bù tán sắc băng
S SLRA ( sợi tăng ích có tán sắc âm tại băng S, mỗi bộ SLRA có thể bù tán sắc cho 75
km sợi SSMF).
11
Tiểu luận NỘI DUNG
Hình II- Hệ thống thử nghiệm SLRA của A. Puc.
Trong hệ thống này 11 bộ SLRA được sử dụng để truyền 20 kênh băng S (từ 493.36
đến 1521.77 nm với khoảng cách giữa các kênh là 200 GHz) trên sợi đơn mode chuẩn
có chiều dài 867 km, với tốc độ mỗi kênh là 10.67 Gb/s. Với suy hao trung bình mỗi
chặng khoảng 21
dB
, mức công suất tín hiệu ra trung bình của mỗi bộ SLRA là 14
dBm. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm quang OSNR đạt khoảng 20.7
dB
. Với giá trị này các
kênh đều có
12
10
−
<BER
khi không sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi. Khi sử dụng kỹ thuật
sửa lỗi trước Reed-Solomon tỉ số SNR tăng khoảng 5
.dB
Thí nghiệm của B. A. Puc lần đầu tiên đã chứng minh khả năng của khuếch đại
Raman tập trung. Các thử nghiệm sau này tiếp tục được nghiên cứu đã khẳng định
SLRA là công nghệ chìa khoá cho sự mở rộng băng tần hoạt động của mạng thông tin
quang sang dải băng S.

3. Các tham số trong bộ khuếch đại quang
3.1 Hệ số khuếch đại và băng tần của bộ khuếch đại Raman
12
Tiểu luận NỘI DUNG
Hình III- Khuếch đại Raman của sợi Silic ở bước sóng bơm
m
p
µλ
1=
.
Phổ khuếch đại Raman đã được trình bày ở hình III-1. Hệ số khuếch đại Raman
R
g
liên quan đến hệ số khuếch đại quang g(z) theo công thức:
)()( zIgzg
pR
=
trong đó
p
I
là
cường độ bơm. Nếu gọi
p
P
là công suất bơm, hệ số khuếch đại có thể tính theo công
thức:
)/)(()(
effpR
APgg
ωω

=
(III.1)
Hình III- Hiệu suất khuếch đại Raman (
effR
Ag /
) cho các
loại sợi quang khác nhau.
Vì
eff
A
có thể thay đổi đáng kể đối với nhiều loại sợi khác nhau, tỉ lệ
effR
Ag /
xác
định hiệu suất khuếch đại Raman. Tỉ lệ này được biểu thị trên Hình III-2 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 khuếch đại
Raman vào tần số gần như nhau đối với cả ba loại sợi .
Do có độ rộng băng tần lớn nên bộ khuếch đại Raman đang được chú ý trong các
ứng dụng thông tin quang. Tuy nhiên để đạt được khuếch đại đòi hỏi phải có một công
13
Tiểu luận NỘI DUNG
suất bơm tương đối lớn. Ví dụ nếu
R
g
=
)/(106
14
Wm
−

×
ở đỉnh khuếch đại, bước sóng
bơm 1.55
m
µ
và
2
50 mA
eff
µ
=
, 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.
3.2 Tăng ích quang Raman
Để xem xét đặc tính bộ khuếch đại Raman chúng ta cần phải tính toán đến cả suy
hao trên sợi quang, do chiều dài sợi yêu cầu đối với khuếch đại Raman. Sự biến đổi
của công suất bơm và công suất tín hiệu dọc theo sợi được tính toán băng cách giải hệ
phương trình:
speffRsss
PPAgPdzdP )/(/ +−=
α
(III.2)
pseffRspppp
PPAgPdzdP )/)(/(/
ωωα
−−=

(III.3)
trong đó
p

α
và
s
α
là hệ số suy hao của sóng bơm và tín hiệu. Đại lượng (
sp
ωω
/
)
thể hiện sự khác nhau về năng lượng của photon bơm và photon tín hiệu và sẽ không
xuất hiện nếu phương trình được viết dưới dạng số lượng photon.
Ta xem xét trong trường hợp khuếch đại tín hiệu nhỏ, khi đó có thể bỏ qua sự suy
giảm của xung bơm. Ta xác định được công suất tín hiệu ở đầu ra của sợi có chiều dài
L:
)/exp().0()(
0
LALPgPLP
seffeffRss
α
−=
(III.4)
Trong
)0(
0 p
PP =
là công suất bơm đầu vào còn
eff
L
là chiều dài hiệu dụng của sợi.
eff

L
=
p
p
L
α
α
)exp(1 −−
(III.5)
Vì
)exp()0()( LPLP
sss
α
−=
nên trong trường hợp không có khuếch đại Raman thì hệ
số tăng ích quang được xác định theo công thức:
)exp()0(
)(
LP
LP
G
ss
s
A
α
−
=
=
)exp(
0

Lg
(III.6)
Trong đó:
14
Tiểu luận NỘI DUNG
















=
L
L
A
P
gg
eff
eff
RO

0
LA
Pg
peff
R
α
0
≈
(III.7)
Hệ số tăng ích quang G
A
sẽ không phụ thuộc vào chiều dài sợi nếu như
L
p
α
đủ
lớn. Hình III-3 thể hiện sự phụ thuộc của
A
G
vào
0
P
đối với các công suất bơm đầu
vào khác nhau cho bộ khuếch đại Raman dài 1.3 km hoạt động ở bước sóng 1.017
m
µ
.
Ban đầu hệ số tăng ích quang
A
G

sẽ tăng theo hàm mũ khi
0
P
tăng nhưng đến khi
0
P
>
1W thì điều này không đúng nữa do tính chất bão hoà khuếch đại. Nguyên nhân gây ra
sự bão hoà khuếch đại trong bộ khuếch đại Raman khác với trong bộ khuếch đại quang
bán dẫn SOA bởi vì sóng bơm cung cấp năng lượng để khuếch 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 khuếch đại quang. Hiện tượng này được gọi là bão hoà khuếch
đại.
Hình III- Sự thay đổi của hệ số khuếch đại Go theo công suất Po
trong bộ khuếch 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
sp
αα
=
trong
phương trình III.29 và III.3 . Kết quả được cho bởi phương trình III.8.
15
Tiểu luận NỘI DUNG
)1(
0
0
0
1
r
A

s
Gr
r
G
−−
+
+
=
,
)0(
)0(
0
ps
sp
P
P
r
ω
ω
=
(III.8)
Hình III-4 chỉ ra đặc tính bão hoà bằng cách vẽ đồ thị
As
GG /
là hàm của
0
rG
A
với
các giá trị khác nhau của

A
G
.
Hệ số tăng ích giảm 3dB khi mà
0
rG
A
1≈
. Điều kiện này thoả mãn khi công suất
của tín hiện sau khuếch đại gần bằng công suất bơm đầu vào
0
P
. Vì thông thường
0
P
~
1W nên hệ số khuếch đại lớn hơn nhiều so với bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA.
Nhìn chung, công suất của một kênh trong hệ thống WDM khoảng 1mW, nên bộ
khuếch đại Raman làm việc ở chế độ chưa bão hoà hay chế độ phi tuyến. Khi đó
phương trình (III.7) được sử dụng thay thế phương trình (III.8).
Hình III- Đặc tính bão hoà của bộ khuếch đại Raman.
Nhiễu trong bộ khuếch đại quang Raman bắt nguồn từ hiệu ứng tán xạ Raman tự
phát. Để tính thêm yếu tố này, trong phương trình (III.29) ta có thể thay
s
P
trong số
hạng cuối bằng
sps
PP +
trong đó

Rsspsp
vhvnP ∆= 2
là tổng công suất tán xạ Raman tự
phát trên toàn bộ băng tần
R
v∆
. Hệ số 2 là biểu thị các hướng phân cực. Hệ số
sp
n
tính
theo công thức:
sp
n
=
[ ]
1
)/exp(1
−
Ω−− Tk
Bs

trong đó
Tk
B
là năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng.
Nhìn chung trong các bộ khuếch đại Raman nhiễu cộng thêm vào khá nhỏ.
16
Tiểu luận NỘI DUNG
3.3 Hiệu năng khuếch đại
Quan sát trong Hình III-3 ta thấy các bộ khuếch 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 khuếch 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
m
µ
. Đối với loại nguồn bơm này khuếch đại lớn nhất đạt được đối với
tín hiệu có bước sóng khoảng 1.12
m
µ
. Tuy nhiên bước sóng thường được sử dụng
nhiều nhất trong hệ thống thông tin quang WDM là ở các cửa sổ 1.3
m
µ
và 1.5
m
µ
.
Phổ khuếch đại rộng của bộ khuếch đại Raman rất hữu ích trong việc khuếch 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
m
µ
để khuếch đại đồng thời ba tín hiệu được lấy từ
ba laser bán dẫn DFB hoạt động ở dải bước sóng 1.57-1.58
m
µ
. Hệ số khuếch đại
5

dB
đạt được ở công suất bơm 60 mW. Trong một thử nghiệm khác, một bộ khuếch đại
Raman được bơm bởi một Laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1.55
m
µ
, đầu ra được
khuếch 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 khuếch đại tín hiệu bước sóng 1.66
m
µ
với khuếch đại là 23 dB bởi SRS trên 20 km sợi dịch tán sắc. Ngoài ra những bộ
khuếch đại Raman 1.3
m
µ

còn thích hợp dùng làm bộ tiền khuếch đại cho các bộ thu
quang tốc độ cao. Các bộ khuếch 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 khuếch đại Raman được phân thành khuếch đại Raman tập trung LRA và
khuếch 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 khuếch đại.
Sợi được bơm ở bước sóng khoảng 1.45
m
µ
để khuếch đại một tín hiệu ở bước sóng
1.55
m
µ
. Trong trường hợp bộ khuếch đại phân bố DRA, sợi quang vừa được dùng để

17
Tiểu luận NỘI DUNG
truyền tín hiệu vừa để khuếch đại. Trong bộ khuếch 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 khuếch đại Raman ít được sử dụng
trong thập kỷ 90, khi đó phổ biến nhất là bộ khuếch đại EDFA. Ngày nay với sự xuất
hiện của các Laser công suất lớn, bộ khuếch đại Raman hứa hẹn sẽ được sử dụng rộng
rãi. Trong bộ khuếch đại DRA, hiện tượng tán xạ Rayleigh ảnh hưởng rất nhiều đến
hiệu năng của bộ khuếch 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 khuếch 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 khuếch 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 (III.9)
∫ ∫
−
=
z L
z
SDRS
dzzGzGdzrPf
0
22
2
1
2

1
2
1
)()(
(III.9)
Trong đó
14
10~
−−
kmr
s
là hệ số tán xạ Rayleigh và G(z) là hệ số khuếch đại Raman
ở khoảng cách z, bộ khuếch 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 khuếch đại,
dẫn đến sự suy giảm công suất đối với các hệ thống có khoảng cách lớn.
Bộ khuếch 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 khuếch đại Raman phù hợp với các hệ thống WDM. Một đặc điểm không
mong muốn của bộ khuếch đại Raman là rất nhạy về phân cực. Nói chung, hệ số
khuếch 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 khuếch đại phải tương đối bằng phẳng trên toàn bộ dải tần để tất cả các
18
Tiểu luận NỘI DUNG
kênh đều được khuếch đại như nhau. Trong thực tế phổ khuếch đại có thể làm bằng
phẳng sử dụng nhiều sóng bơm ở các bước sóng khác nhau. Sự chồng lấn của nhiều
phổ khuếch đại như vậy sẽ làm cho phổ khuếch đại tổng hợp tương đối bằng phẳng
trên một vùng phổ rộng.
Các bộ khuếch 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 (III.10)
[ ][ ]
[ ][ ]
)()()(
)(2)()()()(
)(2)()()()(
)(
1
1
vPrvPv
dvhvnvPPPavg
dvhvnvPPPavg
dz
vdP
bsf
spfbf
v
vR
spfbf
v
R
f
+−
−++−−
−++−=

∫
∫
<
−
>
−
α
µµµµµ
µµµµµ
µ
µ
µ
(III.10)
Trong đó
µ
và
v
là các tần số quang.
[ ]
1
)/exp(1)(
−
Ω−−=Ω Tkn
Bsp

, 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 khuếch đại Raman băng rộng, phải giải phương trình (III.10) để tìm
hệ số khuếch đại của từng kênh, các công suất sóng bơm đầu vào sẽ được điều chỉnh
sao cho hệ số khuếch đại là như nhau đối với tất cả các kênh. Hình III-5 chỉ ra một ví
dụ phổ khuếch đại được tính toán cho bộ khuếch 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
mW
. Bộ khuếch đại này có hệ số khuếch đại khoảng 10.5 dB trên
19
Tiểu luận NỘI DUNG
băng tần rộng 80 nm với độ gợn nhỏ hơn 0.1
.dB
Bộ khuếch đại này phù hợp với hệ
thống WDM bao gồm cả băng L và băng C.
Hình III- Làm bằng phẳng phổ khuếch đại Raman bằng cách sử
dụng nhiều nguồn bơm. Tần số và công suất sóng bơm được chỉ ra ở bên phải.
Các bộ khuếch 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 khuếch đại sử dụng SBS giống như bộ khuếch đại dựa trên SRS, đều khuếch
đại tín hiệu quang thông qua quá trính tán xạ. Tuy nhiên bộ khuếch 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 khuếch đại Brillouin không
phù hợp với các hệ thống WDM.
3.4 Nhiễu trong các bộ khuếch đại Raman
Trong khuếch 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:
( ) ( )
12
2
1
NN
N
hvGvS
ase
−
−=
(III.11)
20
Tiểu luận NỘI DUNG
Hệ số tạp âm:






+
=
1
1
)(2
1
hv

vS
G
NF
ase
(III.12)
Trong đó
2
N
và
1
N
lần lượt là mật độ electron tại trạng thái năng lượng cao và
trạng thái năng lượng thấp. Với khuếch đại Raman
( )
122
NNN −
thường bằng 1 do
khuếch đại Raman luôn ở trạng thái gần như đảo lộn mật độ hoàn toàn. Đây là một ưu
điểm của khuếch đại Raman so với EDFA, với EDFA,
( )
122
NNN −
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 khuếch đại do quá trình tán xạ Raman kích thích.
Nhiễu tán xạ Rayleigh kép trong khuếch đại Raman rất lớn do ánh sáng tán xạ
Rayleigh được khuếch đại trong quá trình truyền và khuếch 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
.dB
Để giảm nhiễu tán xạ Rayleigh kép có thể sử dụng các bộ cách li giữa các bộ
khuếch đại. Ví dụ với các hệ thống sử dụng 2 bộ khuếch đại Raman tập trung (tăng ích
khoảng 30
)dB
và bộ cách ly quang hệ số tạp âm thấp hơn 5.5
.dB

Nhiễu do thời gian sống của electron tại trạng thái kích thích ngắn.
Thời gian sống của electron trong khuếch 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.
21
Tiểu luận NỘI DUNG
Cũng có thể sử dụng cơ chế bơm cùng chiều cho khuếch 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 khuếch 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
dB
với các kênh tín hiệu có bước sóng gần bước sóng bơm.
4. So sánh bộ khuếch đại quang Raman với bộ khuếch đại EDFA

So với các bộ khuếch đại quang khác hệ thống khuếch đại quang Raman có một số
các ưu điểm so với các bộ khuếch đại quang khác :
• Tạp âm nhiễu thấp.
• Cấu trúc đơn giản, không cần sợi đặc biệt.
• Dễ chọn băng tần.
• Có thể đạt được băng thông rộng nhờ kết hợp vài laser bơm.
Bên cạnh đó, các bộ khuếch đại Raman cũng tồn tại một số khuyết điểm chưa giải
quyết được cần phải khắc phục:
• Xuyên âm giữa các kênh tín hiệu do hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS.
Đây là một trong các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang có thể gây ảnh hưởng
đến chất lượng của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM.
• Hệ số khuếch đại thấp.
• Hiệu suất khuếch đại thấp hơn so với EDFA: khuếch đại Raman cần một công
suất bơm lớn hơn để đạt được cùng một giá trị độ lợi.
5. Ứng dụng bộ khuếch đại quang Raman trong hệ thống WDM

22
Tiểu luận NỘI DUNG
Khuếch đại quang Raman mang lại một nền tảng đơn giản và đơn nhất cho các yêu cầu
của các bộ khuếch đại quang trong mạng thông tin quang cự ly dài và cực dài. Khuếch
đại quang Raman có thể hoạt động với băng tần rộng và tại các tần số mà các bộ
khuếch đại quang khác không thể hoạt động. Ví dụ băng tần tăng ích 100 nm có thể sử
dụng trong bất kỳ dải nào trong khoảng từ 1300-1650 nm. Thêm vào đó các bộ khuếch
đại Raman băng rộng hiện nay có băng tần lên tới 136 nm nhờ sử dụng kỹ thuật đan
xen bước sóng ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu. Các bộ khuếch đại quang Raman
không những có thể sử dụng như bộ tiền khuếch đại tạp âm nhỏ cho các bộ khuếch đại
quang sợi pha đất hiếm EDFA mà chúng còn có thể sử dụng cho toàn bộ yêu cầu
khuếch đại của hệ thống.
Trong các hệ thống DWDM cự ly dài và siêu dài, khuếch đại Raman chiếm ưu thế
do sự đơn giản và mềm dẻo, linh hoạt. Ví dụ khuếch đại Raman hỗ trợ hệ thống có độ

rộng băng tần 100 nm, nó sẽ bao gồm các băng S, C và L. Nếu các hệ thống DWDM
trong tương lai truyền dẫn trên cả ba băng S, C và L mà vẫn sử dụng các bộ khuếch đại
quang tập trung như hiện nay thì hệ thống này phải cần thêm các bộ kết hợp băng tần,
bộ chia băng tần và ba bộ khuếch đại tập trung như trên Hình IV-1.
Hình IV- Khuếch đại quang trong hệ thống DWDM đa băng.
Trong hệ thống trên cũng cần một bộ khuếch đại Raman phân bố ba băng đóng vai
trò bộ tiền khuếch đại. Mỗi bộ khuếch đại tập trung hoạt động tại các băng khác nhau
cần có một Laser bơm, một mạch điều khiển và hệ thống giám sát riêng. Các bộ lọc
băng cũng không phải là lý tưởng nên cần có thêm các khoảng bước sóng bảo vệ xung
23
Tiểu luận NỘI DUNG
quanh mỗi băng. Do nhiễu và suy hao từ các bộ ghép tách băng hệ thống cần tăng quỹ
công suất đường truyền.
Hình IV- Hệ thống WDM toàn Raman.
Với hệ thống toàn Raman cấu hình hệ thống đơn giản hơn rất nhiều Hình IV-2 .
Trong hệ thống này chỉ cần một bộ khuếch đại Raman tập trung băng rộng đi kèm với
một bộ khuếch đại Raman phân bố băng rộng là có thể đáp ứng yêu cầu. Bộ khuếch
đại Raman phân bố băng rộng có thể không khác với hệ thống trên. Tuy nhiên, bộ
khuếch đại tập trung thì đơn giản hơn rất nhiều: số lượng nguồn bơm ít hơn, một hệ
thống giám sát và đặc biệt là không có các bộ hợp và chia băng. Đồng thời có thể kết
hợp sợi tăng ích và sợi bù tán sắc trong bộ khuếch đại tập trung để nâng cao hiệu năng
của hệ thống.
Trở ngại lớn nhất cho việc sử dụng khuếch đại Raman trong mạng viễn thông đó là
hiệu quả thấp so với EDFA. Tuy nhiên, khi tốc độ bit và tổng số kênh tăng lên, khuếch
đại Raman càng trở nên hấp dẫn hơn. Tăng ích của khuếch đại Raman lớn hơn khi
công suất bơm lớn, điều này được đáp ứng bởi các hệ thống trong tương lai
Trong các hệ thống WDM ban đầu với ít hơn 32 kênh, công suất bơm vào khoảng
100 mW, đây là khoảng mà khuếch đại Raman có hiệu quả thấp hơn EDFA. Trong
những năm 1999-2001, các hệ thống WDM có từ 64 đến 160 kênh với công suất
khoảng dưới 200 mW, khi đó khuếch đại Raman có hiệu quả tương đương với EDFA

980nm. Vào năm 2002, khi hệ thống WDM 240 kênh xuất hiện, công suất ánh sáng tín
hiệu ra đạt trên 200 mW .
Trong hệ thống thông tin quang thế hệ mới, khuyếch đại Raman sẽ chiếm ưu thế vể
hiệu quả ánh sáng bơm hơn khi so sánh vơi EDFA có ánh sáng bơm 1480 nm [5]. Điều
này được chỉ ra trên hình 2.18 bằng cách so sánh hiệu suất chuyển đổi công suất
24
Tiểu luận NỘI DUNG
%100/)( ×−=
pumpinout
PPPPCE
của EDFA ánh sáng bơm 1480nm và khuyếch đại
Raman với công suất vào 200
mW
.
Hình IV- Hiệu suất chuyển đổi công suất của RA và EDFA .g suất của RA và EDFA .
25