Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
i
Luận văn
Khuếch đại Raman trong hệ
thống thông tin quang
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
ii
LỜI NÓI ĐẦU
Mặc dù tán xạ không đàn hồi của phần tử ánh sáng, một hiện tượng được
biết như tán xạ Raman, được tìm ra bởi C.V. Raman trong năm 1928, nhưng
hiện tượng phi tuyến của tán xạ Raman kích thích không được chứng minh cho
đến năm 1962. Không lâu sau đó, sợi quang silica suy hao thấp được sử dụng
trong năm 1970, Roger Stolen và những người đồng nghiệp sử dụng tán xạ
Raman kích thích trong nhiều sợi quang không chỉ cho khuếch đại của tín hiệu
quang mà còn cho cấu tạo laser Raman sợi cơ sở. Khả năng của bộ khuếch đại
Raman cho bù suy hao sợi quang trong hệ thống sóng ánh sáng được chứng
minh trong những năm 1980 trong một vài thí nghiệm được làm bởi Linn
Mollenauer và đồng nghiệp của ông. Tuy nhiên, những thí nghiệm này không
phù hợp cho sự phát triển bộ khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang
thương mại. Tiếp theo bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium có bơm sử dụng
laser bán dẫn có tính thực tiễn hơn nên khuếch đại Raman đã bị bỏ qua suốt
nhưng năm 1990.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu laser bơm thích ứng cho khuếch đại Raman vẫn
được tiến hành. Một vài công nghệ tiên tiến được tìm ra trong những năm 1990
giúp cho việc sản xuất ra laser bán dẫn đơn mode ngang có khả năng phát mức
công suất vượt quá 0,2 W. Người ta cũng nhận thấy rằng một vài laser bơm có
thể sử dụng tương thích tại bước sóng khác nhau và cung cấp độ khuếch đại
Raman qua một băng tần rộng bao gồm cả băng truyền dẫn C và L. Hơn nữa,
người ta cũng chế tạo ra bộ khuếch đại Raman phân bố có độ khuếch đại trên 10
km có nhiễu nhỏ hơn so với bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium có độ khuếch đại
trên 10 mét. Khi laser bán dẫn công suất lớn có giá trị về thương mại vào cuối
thế kỷ 20, bộ khuếch đại Raman đã được sử dụng trong một số thí nghiệm và
thấy rằng nó cải thiện hiệu năng của hệ thống WDM. Tới năm 2003, việc sử
dụng bộ khuếch đại Raman đã khá phổ biến cho hệ thống tầm xa được thiết kế
để hoạt động qua hàng ngàn kilomet. Các bộ khuếch đại quang Raman có rất
nhiều ưu điểm so với những loại khuếch 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
khuếch đại quang Raman được coi là lời giải cho bài toán khuếch đại quang
trong các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, cự ly dài và rất dài.
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
iii
Nhận thức được tầm quan trọng của khuếch đại Raman trong hệ thống
thông tin quang, nên em chọn đề tài “ Khuếch đại Raman trong hệ thống thông
tin quang” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp.
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về khuếch đại quang: nguyên lý
khuếch đại quang và một số tham số khuếch đại quang.
Chương 2: Trình bày về khuếch đại Raman: tán xạ Raman, ưu
nhược điểm của khuếch đại Raman, nguyên lý khuếch đại Raman,
bơm và phương trình tín hiệu, nhiễu trong khuếch đại Raman, phân
loại các bộ khuếch đại Raman.
Chương 3: Trình bày ứng dụng của bộ khuếch đại Raman.
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do khuếch đại Raman 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 cô giáo, ThS. Nguyễn Thị Thu Nga 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 tháng năm 2008
Sinh viên
Vương Thành Nam
Đồ án tốt nghiệp M
ục lục
iv
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................... i
MỤC LỤC ........................................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................... viii
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG ................................... 1
1.1.Giới thiệu chung ..................................................................................... 1
1.2. Nguyên lý bộ khuếch đại quang ............................................................ 1
1.3.Phân loại khuếch đại quang ................................................................... 3
1.4. Hệ số độ lợi ............................................................................................. 3
1.5. Băng thông độ lợi ................................................................................... 5
1.6. Công suất ngõ ra bão hoà ...................................................................... 5
1.6.1. Độ lợi bão hoà .................................................................................. 5
1.6.2. Công suất ngõ ra bão hoà ................................................................. 6
1.7. Hệ số nhiễu ............................................................................................. 7
1.8. Ứng dụng bộ khuếch đại quang ............................................................ 7
Kết luận chương I ............................................................................................. 9
CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN...................................................... 10
2.1.Tán xạ Raman ....................................................................................... 10
2.1.1.Ánh sáng .......................................................................................... 10
2.1.2.Tương tác của ánh sáng và môi trường ............................................ 10
2.1.3.Sợi quang ......................................................................................... 11
2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang ..................................... 13
2.1.5.Tính chất phi tuyến của sợi quang ................................................... 16
2.1.6.Tán xạ ánh sáng ............................................................................... 18
2.1.7.Tán xạ Raman .................................................................................. 19
2.2. Ưu điểm của khuếch đại Raman ......................................................... 21
2.2.1.Cải thiện hệ số nhiễu ....................................................................... 21
2.2.2. Cải thiện hệ số phẳng ..................................................................... 23
2.3.Nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại Raman ........................................ 26
2.4.Bơm và phương trình tín hiệu ............................................................. 27
2.4.1. Phổ độ khuếch đại Raman. ............................................................. 29
2.4.2.Bộ khuếch đại Raman đơn bơm. ...................................................... 34
2.4.3 Khuếch đại Raman đa bơm. ............................................................. 43
2.5.Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman........................................... 47
2.6.Phân loại các bộ khuếch đại Raman .................................................... 49
2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) ... 49
2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) ........ 51
2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA ................................... 51
Kết luận chương II ......................................................................................... 52
CHƯƠNG 3 :ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN ...................... 53
3.1.Ứng dụng trong hệ thống WDM .......................................................... 53
Đồ án tốt nghiệp M
ục lục
v
3.2. Ứng dụng vào thiết bị khuếch đại quang OPTera Long Haul 1600G –
CQ40Gbit/s Nortel ...................................................................................... 54
3.2.1. Giới thiệu chung hệ thống OPTera Long Haul 1600 ....................... 54
3.2.1.1 1600 Amplifier ...................................................................... 56
3.2.1.2.MOR Plus Amplifier ................................................................. 57
3.2.1.3.Wavelength Combiner .............................................................. 57
3.2.1.4.Wavelength Translator .............................................................. 57
3.2.1.5.Dense Regenerator .................................................................... 58
3.2.1.6.Optical Dedicated Protection Ring ............................................ 58
3.2.2. Sơ đồ nguyên lý của một trạm có khuếch đại Raman ...................... 58
3.2.3. Chức năng các thành phần. ............................................................ 60
3.2.3.1.Các bộ khuếch đại Raman Dra-A và Dra-B: ............................. 60
3.2.3.2.Card phân tích phổ quang OSA ................................................. 62
3.2.3.3.Bộ bù tán sắc và suy hao MSA.................................................. 63
3.2.3.4.Card kênh dịch vụ quang OSC đơn chiều UniOSC ................... 63
3.2.3.5.Card khuếch đại kép ( Dual Amplifier Circuit Pack ) ................ 64
3.2.3.6.Card khuếch đại Booster ........................................................... 65
Kết luận chương III ........................................................................................ 66
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 68