Tán xạ Raman.doc

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầu

Mục lục

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ................................................................................. 3

MỞ ĐẦU ............................................................................................................. i

CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN ....................................................................... 1

1.1Tổng quan về tán xạ Raman............................................................................1

1.1.1Ánh sáng....................................................................................................1

1.1.2Tương tác của ánh sáng và môi trường.......................................................1

1.1.3Sợi quang...................................................................................................2

1.1.4Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang..................................................4

1.1.5Tính chất phi tuyến của sợi quang..............................................................7

1.1.6Tán xạ ánh sáng..........................................................................................9

1.1.7Tán xạ Raman..........................................................................................10

1.2Đặc tính của tán xạ Raman kích thích.........................................................12

1.2.1Phổ khuếch đại Raman.............................................................................12

1.2.2Ngưỡng Raman........................................................................................13

1.2.3Ảnh hưởng của các chất phụ gia trong sợi thuỷ tinh.................................17

1.2.4Ảnh hưởng của phân cực ánh sáng...........................................................17

1.3Ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong thông tin quang.............18

1.3.1Ảnh hưởng của SRS đối với hệ thống đơn kênh.......................................18

1.3.2Ảnh hưởng của SRS trong hệ thống WDM...............................................23

1.4Thí nghiệm tán xạ Raman kích thích...........................................................27

1.4.1Thí nghiệm đo hệ số khuyếch đại Raman.................................................27

1.4.2Thí nghiệm đo ngưỡng Raman.................................................................30

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG TÁN XẠ RAMAN KÍCH THÍCH KHUYẾCH ĐẠI

TÍN HIỆU QUANG .......................................................................................... 32

2.1Sự cần thiết phải khuyếch đại quang............................................................32

2.2Những khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang.........................................33

2.2.1Phổ khuyếch đại và băng tần bộ khuyếch đại............................................33

2.2.2Nhiễu trong bộ khuyếch đại quang...........................................................35

2.2.3Các ứng dụng khuyếch đại.......................................................................37

2.3Bộ khuyếch đại quang Raman.......................................................................38

2.3.1Nguyên lý bơm.........................................................................................38

2.3.2Hệ số khuyếch đại và băng tần của bộ khuyếch đại Raman......................40

2.3.3Tăng ích quang Raman.............................................................................41

2.3.4Hiệu năng khuyếch đại.............................................................................44

2.3.5Nhiễu trong các bộ khuyếch đại Raman....................................................47

2.3.6Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier)..........49

2.3.7Khuyếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier).............52

2.3.8Bộ khuyếch đại quang lai ghép Raman/EDFA..........................................55

2.4Ứng dụng bộ khuyếch đại quang Raman trong hệ thống WDM..............55

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG .............................................. 58

3.1Tính toán tham số...........................................................................................58

3.1.1Tham số “Walk-off” d..............................................................................58

3.1.2Hệ số khuyếch đại Raman........................................................................58

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầu

3.2Các lưu đồ thuật toán.....................................................................................59

3.2.1Lưu đồ thuật toán tính hằng số lan truyền sóng ........................................59

3.2.2Lưu đồ thuật toán tính hệ số khuyếch đại Raman......................................60

3.2.3Lưu đồ tính hệ số phi tuyến ....................................................................61

3.2.4Lưu đồ thuật toán mô phỏng SRS.............................................................62

3.3Kết quả mô phỏng và giải thích.....................................................................63

3.3.1Kết quả mô phỏng phổ khuyếch đại Raman..............................................63

3.3.2Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của SRS....................................................64

3.3.3 Đặc tuyến công suất................................................................................68

KẾT LUẬN ...................................................................................................... 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 70

CHƯƠNG 4: PHỤ LỤC A. Phương pháp biến đổi Fourier rời rạc ................ 71

PHỤ LỤC B. Chương trình mô phỏng ............................................................ 73

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầu

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit

DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc

DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuyếch đại Raman phân bố

DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Rayleigh kép

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch tán sắc

EDFA Erbium Droped Fiber Amplifer Khuyếch đại quang sợi pha Erbium

FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuyếch đại Raman tập trung

MFD Mode Field Diameter Đường kính trường mode

NF Noise Figure Hệ số tạp âm

NLSE Nonliear Schrodinger Equation Phương trình Schrodinger phi tuyến

NRZ Non-Return-to-Zero Mã NRZ

SBS Stimulated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích thích

SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng

XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầu

MỞ ĐẦU

Tán xạ Raman là quá trình tán xạ không đàn hồi, xảy ra do sự tương tác của ánh sáng

với môi trường vật chất trong sợi quang.

Tán xạ Raman bao gồm tán xạ Raman tự phát và tán xạ Raman kích thích SRS. Một

mặt tán xạ Raman gây ảnh hưởng xấu đến quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang, làm

tăng nhiễu trong hệ thống thống tin quang nhưng mặt khác tán xạ Raman cũng có những

ảnh hưởng tích cực, nổi bật nhất là khả năng khuyếch đại tín hiệu quang. Bởi vậy, ngay

từ khi mới được phát hiện, tán xạ Raman đã thu hút rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu.

Các nghiên cứu này tập trung theo hai hướng: giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực và ứng

dụng tán xạ Raman kích thích trong khuyếch đại tín hiệu quang. Tán xạ Raman kích

thích SRS chính là cơ sở để phát triển các bộ khuyếch đại quang Raman. Các bộ

khuyếch đại quang Raman có rất nhiều ưu điểm so với những loại khuyếch đại quang đã

được sử dụng trước đó và rất phù hợp với các hệ thống WDM đang được triển khai hiện

nay. Các bộ khuyếch đại quang Raman được coi là lời giải cho bài toán khuyếch đại

quang trong các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, cự ly dài và rất dài.

Nhận thức được tầm quang trọng của vấn đề và được sự hướng dẫn của Thầy giáo,

ThS. Nguyễn Đức Nhân, em chọn đề tài “Tán xạ Raman kích thích” để làm đề tài đồ án

tốt nghiệp đại học.

Nội dung đồ án được trình bày trong ba chương:

Chương 1 trình bày tổng quan về quá trình tán xạ ánh sáng, tán xạ Raman, đồng thời

trình bày những đặc tính cũng như ảnh hưởng của tán xạ Raman kích thích trong hệ

thống đơn kênh và hệ thống WDM.

Chương 2 trình bày một số khái niệm cơ bản về khuyếch đại quang, nêu ứng dụng

của tán xạ Raman kích thích trong khuyếch đại tín hiệu quang, nguyên lý của các bộ

khuyếch đại Raman phân bố, khuyếch đại Raman tập trung.

Chương 3 xây dựng chương trình mô phỏng, làm rõ các ảnh hưởng của tán xạ

Raman kích thích đối với quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang, các lưu đồ thuật

toán xác định các tham số liên quan.

Mai Nguyên Dũng- D2001VT Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông i

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mở đầu

Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do tán xạ Raman kích thích là một vấn đề khó nên

nội dung đồ án khó tránh khỏi các thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của

các Thầy, Cô giáo, các bạn sinh viên để đồ án này được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, ThS. Nguyễn Đức Nhân đã nhiệt tình hướng

dẫn em hoàn thành đồ án này.

Em xin cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong bộ môn thông tin quang, Khoa viễn thông

đã dạy dỗ, dìu dắt em trong suốt 5 năm học vừa qua.

Xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong suốt thời

gian qua.

Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2005

Sinh viên

Mai Nguyên Dũng

Mai Nguyên Dũng- D2001VT Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông ii

CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN

1.1 Tổng quan về tán xạ Raman

1.1.1Ánh sáng

Ánh sáng có tính lưỡng tính sóng hạt. Tính chất sóng của ánh sáng được quan sát

thấy qua các hiện tượng giao thoa, tán sắc. Ánh sáng có bản chất sóng điện từ. Các

mode trường điện từ là tập các nghiệm của phương trình sóng. Tính chất hạt của ánh

sáng được thể hiện qua khả năng đâm xuyên, hiện tượng quang điện, tác dụng ion hoá.

Ánh sáng bao gồm các photon mang năng lượng xác định bằng hf trong đó h là hằng số

Plank còn f là tần số của ánh sáng.

1.1.2Tương tác của ánh sáng và môi trường

Một chùm sáng đi từ chân không vào môi trường bị phản xạ một phần ở mặt ngăn

cách. Phần khúc xạ vào môi trường lại bị tán sắc, bị môi trường hấp thụ và bị tán xạ một

phần về mọi phía.

Theo Lorentx ta thừa nhận những giả thiết cơ bản sau đây:

 Phân tử của mọi chất được tạo thành từ ion và electron. Electron có khối lượng m

và mang điện tích nguyên tố 19 1,6.10−

e = − C và được coi như điện tích điểm.

 Bên trong vật dẫn, electron chuyển động hoàn toàn tự do. Chuyển động có hướng

của electron trong vật dẫn dưới ảnh hưởng của điện trường tạo nên dòng điện

dẫn.

 Trong điện môi, electron không thể chuyển động tự do. Nhưng cũng không liên

hệ cố kết với ion, mà có thể dịch chuyển một chút dưới tác dụng của những lực

bên ngoài. Ion mang điện tích âm hoặc dương cũng có thể dịch chuyển dưới tác

dụng của điện trường. Nhưng ion có khối lượng lớn hơn electron nhiều nên di

chuyển chậm. Trong điện trường biến đổi nhanh của sóng ánh sáng trong miền

thấy được, ion hầu như không kịp dịch chuyển. Chỉ khi nào khảo sát trong miền

hồng ngoại ta mới cần kể đến ảnh hưởng của ion.

Những electron có khả năng dao động cưỡng bức với tần số ω của sóng điện từ

trong vùng quang học gọi là electron quang học. Chúng là các electron lớp ngoài.

Các electron nằm trong lớp sâu, gần hạt nhân nguyên tử, liên hệ chặt chẽ hơn với hạt

nhân. Chúng chỉ có thể dao động với biên độ đáng kể khi tần số ω nằm vào vùng

Rơngen.

Lực của dao động cưỡng bức do điện từ trường tác dụng lên electron được gọi là lực

Lorentx và bằng :

f

1 = eE (1.0)

Mặt khác electron vốn chịu một lực chuẩn đàn hồi, ràng buộc nó với hạt nhân

f kr m r

2

2 = − = − ω1

(1.0)

Trong đó k là hằng số chuẩn của lực đàn hồi, xác định tần số dao động riêng của

electron theo hệ thức: ω1 = k / m , r là độ lệch của electron ra khỏi vị trí cân bằng. Hằng

số lực k phụ thuộc vào điện tích hạt nhân nguyên tử, hoặc cấu trúc phân tử nên ω1

là

hoàn toàn đặc trưng cho nguyên tử, phân tử đã cho. Do electron dao động trở thành

lưỡng cực dao động, bức xạ sóng điện từ thứ cấp. Lưỡng cực dao động cũng có thể va

chạm với các phân tử xung quanh, truyền năng lượng dao động cho chúng. Sự bảo tồn

năng lượng dao động vì phát sóng và vì va chạm tương đương với tác dụng của một lực

hãm

,

3

f = −gr (1.0)

g là gia tốc của electron khi dao động, kết quả là phương trình chuyển động của

electron có dạng:

mr′′ = −m r − gr′ + eE 2

ω1

(1.0)

Đặt g / m = ξ , gọi đó là hệ số tắt dần, ta được phương trình dao động của electron

r r r e.E / m

2

′′ + ξ ′ +ω1 = (1.0)

Phương trình (1.5) cùng với các giả thuyết của Lorentx là cơ sở cho việc giải các bài

toán tán sắc và hấp thụ ánh sáng.

1.1.3Sợi quang

Sợi quang gồm một lõi hình trụ bằng thuỷ tinh có chiết suất n1

, bao quanh lõi là một

lớp vỏ phản xạ đồng tâm với lõi. Lớp vỏ có chiết suất 2 n ( 2 n <n1 ).

Sợi quang có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Nếu phân loại theo sự

thay đổi chiết suất của lõi sợi thì sợi quang được chia thành hai loại. Loại sợi có chiết

suất đồng đều ở lõi được gọi là sợi quang chiết suất bậc. Loại sợi có chỉ số chiết suất ở

lõi giảm dần từ tâm lõi ra tới lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ phản xạ được gọi là sợi có

chiết suất Gradient (GI-Graded Index). Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì có loại

sợi quang đa mode và sợi đơn mode. Sợi đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn

trong nó còn sợi đơn mode chỉ cho phép một mode truyền dẫn trong nó.

(a) (b)

(c)

Hình 1.1 Cấu tạo của sợi quang

(a) Sợi quang (b) Sợi chiết suất bậc (c) Sợi chiết suất giảm dần

Một trong các vật liệu được sử dụng rộng rãi để chế tạo sợi quang hiện nay là silic

dioxide SiO2. Mỗi nguyên tử trong thuỷ tinh liên kết với các nguyên tử khác theo cấu

trúc tứ diện như Hình 1.2. Trong đó mỗi nguyên tử silic được bao quanh bởi bốn nguyên

tử Oxygen.

O

O

O

O

Si

Hình 1.2 Cấu trúc tứ diện của Silic dioxide trong thuỷ tinh

Sợi quang cũng có thể được pha tạp với nhiều chất khác nhau để thay đổi chỉ số

chiết suất. Ví dụ GeO2

và P2O5 được pha thêm vào để tăng chiết suất của lõi. Để giảm

chiết suất của lõi, có thể sử dụng các vật liệu như là Boron (B) và Fluorine (F)…Ngoài

ra một số chất khác như Eribium cũng được sử dụng trong các bộ khuyếch đại quang.

1.1.4Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang

Suy hao

Vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang nhỏ hơn vận tốc truyền ánh sáng trong chân

không. Ký hiệu c là vận tốc truyền ánh sáng trong chân không, n là chiết suất của lõi

sợi, khi đó vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang được tính theo công thức (1.6)

n

c

v = , c 3.10 ( m /s)

8

= (1.0)

Ánh sáng khi truyền dọc theo sợi sẽ bị suy hao. Ký hiệu α [1/m] là hệ số suy hao của

sợi quang, P0 là công suất đầu vào sợi quang, công suất đầu ra sợi quang có chiều dài L

được tính theo công thức:

L

TP P e

−α

= 0

(1.0)

Để tính toán hệ số suy hao, đơn vị thường được sử dụng là α dB [dB / km] .

Phương trình chuyển đổi đơn vị :

[ m]

dB

1/

1000

ln 10 10 















=

α

α

(1.0)

Công suất quang cũng thường được tính theo đơn vị là dBm thay cho Watt. Quan hệ

giữa hai đơn vị này được biểu thị trong công thức (1.9).

[ ]

[ ]













= − W

P W

P dBm 10 3

10

10.log (1.0)

Tán sắc

Tán sắc là hiện tượng dãn rộng xung ánh sáng khi truyền trong sợi quang. Tán sắc có

nhiều loại như tán sắc mode, tán sắc màu và tán sắc mode phân cực.

Tán sắc mode chỉ xảy ra trong sợi quang đa mode. Do các mode có tốc độ lan truyền

khác nhau nên thời gian truyền các mode là khác nhau, gây ra tán sắc mode.

Tán sắc màu được phân chia thành tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc

vật liệu xảy ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng. Tán sắc ống dẫn sóng xảy

ra do ánh sáng truyền trong sợi không phải là ánh sáng đơn sắc, hằng số lan truyền β là

hàm của bước sóng. Các thành phần bước sóng khác nhau có vận tốc nhóm khác nhau

gây ra tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc màu có ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống thông tin

quang. Tán sắc màu làm tăng ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang dẫn

đến giới hạn về khoảng cách truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang.

Loại sợi quang phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là sợi quang đơn mode tiêu

chuẩn (theo khuyến nghị G.652 của ITU-T) SMF-28 TM có hệ số tán sắc:

( ) 











≈ − 3

4

0 0

4 λ

λ

λ λ

S

D , 











nm km

ps

.

(1.0)

Trong đó D là hệ số tán sắc, λ là bước sóng, S0 = 0.085 /( . )

2

ps nm km là độ dốc tán

sắc không, λ0 bước sóng tán sắc không (ZDW). Tán sắc của loại sợi này được biểu diễn

trên Hình 1.3

Bước sóng [nm]

H

ệ

s

ố tá

n

s

ắ

c [p

s/(n

m.k

m)]

Hình 1.3 Hệ số tán sắc của sợi quang SMF-28 TM

.

Chiều dài hiệu dụng

Khi một tín hiệu truyền dọc theo sợi quang, công suất tín hiệu bị giảm dần do suy

hao. Tuy nhiên, trong thực tế có thể giả sử rằng công suất là hằng số trên một chiều dài