NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG SOA TRONG VIỆC XỬ LÝ TÍN HIỆU QUANG

Đề tài : NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG SOATRONG VIỆC XỬ LÝ TÍN HIỆU QUANG Nội dung đề tài gồm có : Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA Sự phi tuyến của SOA Ứng dụng của SOA trong việc xử lí tín hiệu quang

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, lời đầu tiên cho em xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô giáo Ths Trần Thủy Bình, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình viết đồ án tốt nghiệp này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các quý Thầy , Cô giáo trong khoa Viễn thông I, đặc biệt là các Thầy, Cô trong bộ môn Tín hiệu và hệ thống, trường Học viện Bưu chính viễn thông đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập vừa qua Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu đồ án này mà còn

là hành trang quý báu cho em bước vào đời một cách vững vàng và tự tin nhất

Cuối cùng, em xin gửi lời kính chúc tới các quý Thầy, Cô giáo và gia đình dồi dào sức khỏe và luôn thành công trong sự nghiệp cao quý!

LỜI CẢM ƠN i

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv

v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ KHUẾCH ĐẠI SOA 2

1.1 GIỚI THIỆU KHUẾCH ĐẠI QUANG 2

1.2 NGUYÊN LÍ CƠ BẢN 4

1.3 CẤU TẠO SOA 6

8

1.4.1 Độ lợi và băng thông độ lợi 9

1.4.2 Độ nhạy phân cực 10

1.4.3 Bão hòa độ lợi tín hiệu 11

1.4.4 Hệ số tạp nhiễu 11

1.4.5 Các hiệu ứng động lực học 12

1.4.6 Sự phi tuyến 12

12

12

1.5.1.1 Các lớp chống phản xạ 12

1.5.1.2 Cấu trúc bề mặt có góc 16

1.5.1.3 Cấu trúc bề mặt cửa sổ 18

1.5.1.4 Các cấu trúc không nhạy với sự phân cực 19

1.5.1.5 Các SOA với ống dẫn sóng tích cực tiết diện hình vuông 19

1.5.1.6 Ống dẫn sóng đỉnh SOA 20

1.5.1.7 Các cấu trúc dựa trên siêu mạng lớp biến dạng 21

1.5.2 Cấu trúc công suất đầu ra bão hòa cao 21

1.5.2.1 Mô hình cơ bản để tiên đoán tính chất bão hòa của bộ khuếch đại 21

1.6.CÁC SOA CÓ CẤU TRÚC ỔN ĐỊNH HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI 24

1.7 VẤN ĐỀ GHÉP ÁNH SÁNG VÀO VÀ RA CÁC SOA 25

Kết luận 26

CHƯƠNG II - SỰ PHI TUYẾN CỦA SOA 27

2.1 ĐIỀU CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CHÉO 27

2.2 SỰ TỰ ĐIỀU PHA VÀ ĐIỀU CHẾ PHA CHÉO 29

2.3 SỰ ĐIỀU BIẾN PHÂN CỰC CHÉO 31

2.4.TRỘN BỐN BƯỚC SÓNG 31

CHƯƠNG III - ỨNG DỤNG CỦA SOA 35

TRONG XỬ LÍ TÍN HIỆU QUANG 35

3.1 BỘ ĐIỀU BIẾN PHA VÀ CƯỜNG ĐỘ SOA 35

3.2 BỘ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG 36

3.2.1 Bộ chuyển đổi bước sóng XGM 37

3.2.2 Bộ chuyển đổi bước sóng XPM 38

3.2.3 Các bộ chuyển đổi bước sóng FWM 41

3.3 CÁC CỔNG QUANG HỌC SOA 44

3.4 LOGIC SOA 51

51

52

53

3.5 BỘ GHÉP KÊNH XEN RẼ SOA 54

3.5.1 Sự phân kênh OTDM dùng FWM 54

3.5.2 Bộ ghép kênh xen rẽ OTDM MZI 55

3.6 CÁC BỘ TẠO XUNG SOA 56

3.7 PHỤC HỒI XUNG ĐỒNG HỒ SOA 57

3.8 CÁC DETECTOR SOA 58

3.9 CHUYỂN MẠCH KHÔNG GIAN TOÀN QUANG 60

3.9.1 Giới thiệu chung 60

3.9.2 Chuyển mạch toàn quang MZI SOA cơ bản 61

63

64

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AWG Arrayed Waveguide Grating

ASE Amplifier Spontaneous Emission

DBR Distributed Bragg Rèlector Phản xạ phân bố Bragg

MMIWA

OTDM Optical Time Division

SOA Semiconductor Optical Amplier Khuếch đại quang bán dẫn

SPM Self Phase Modulation

TDM Time Division Mutiplexing

TMLL Tunable Mode- Locked Laser

XGM Cross Gain Modulation

XPM Cross Phase Modulation

VCO Voltage Control Oscilator

Phổ suy hao đặc trưng của một sợi quang đơn mode 2

ổ tán sắc đặc trưng của sợi quang đơn mode 3

Hình 1.3: Cấu trúc trạm lặp quang điện 3

Hình 1.4: Mô hình tổng quát của bộ khuếch đại quang 4

Hình 1.5: Sơ đồ của một SOA 5

Hình 1.6: Các SOA cơ bản và phổ độ lợi tương ứng 6

Hình 1.7: Các hiện tượng biến đổi quang điện 7

Hình 1.8: Cấu trúc của một SOA 7

Hình 1.9: Nguyên lí giam cầm điện tử 10

Hình 1.10: Hệ số phản xạ trung bình hình học theo độ lợi một lần truyền qua với răng cưa độ lợi như tham số 11

Hình 1.11 Đặc tuyến độ lợi SOA theo công suất tín hiệu đầu ra 13

Hình 1.12: Mô hình SOA được phủ lớp chống phản xạ đa lớp 16

Hình 1.13: Hệ số phản xạ bề mặt được phủ lớp chống phản xạ đơn lớp theo chiều dày màng 16

Hình 1.14: Nhìn từ trên của một SOA có bề mặt góc 16

Hình 1.15: Một SOA ống dẫn sóng bị loe bề mặt có góc 17

Hình 1.16: Hệ số phản xạ hiệu dụng của bề mặt góc như một hàm theo góc bề mặt với ống dẫn sóng như tham số 18

Hình 1.17: Hình chiếu từ trên của một SOA với các mặt cửa sổ 18

Hình 1.18: Mặt cắt và hình chiếu từ trên của SOA dãy đỉnh bị chôn vùi 19

Hình 1.19: Độ ợi đến sợi của chế độ phân cực TE và TM 20

Hình 1.20: Tiết diện SOA ống dẫn sóng đỉnh 20

Hình 1.21: Đặc tuyến bão hòa độ lợi của SOA thu được từ nghiệm 23

Hình 1.22: SOA công suất đầu ra bão hòa cao InGaAs- InP 24

Hình 1.23: Các GC-SOA 25

Hình 1.24: Đặc tuyến độ lợi công suất tín hiệu đầu ra GC-SOA 25

Hình 2.1 Bộ chuyển đổi bước sóng dùng XGM trong một SOA 27

Hình 2.2 Đáp ứng tần số điển hình của bộ chuyển đổi bước sóng dùng XGM Tham số là hệ số mất mát ống dẫn sóng tiêu chuẩn 28

Hình 2.3 Hệ số tăng cường độ rộng vạch phổ theo bước sóng của InGaAsP không pha tạp Tham số là mật độ hạt tải điện (x1024m-3) 29

Hình 2.4 Các giao thoa kế thông dụng được dùng trong các ứng dụng của SOA 30

Hình 2.5 FWM SOA Tín hiệu và bơm phải có trạng thái phân cực giống nhau 31

Hình 2.6 Công suất liên hợp tiêu chuẩn theo trị tuyệt đối của tần số lệch hưởng 34

Hình 2.7 Hiệu suất chuyển đổi theo trị tuyệt đối của tần số lệch hưởng 34

Hình 3.1 SOA được dùng như một bộ điều biến cường độ ngoài 35

Hình 3.2 SOA hai phần được dùng như một bộ điều biến pha với sự nén AM 36

Hình 3.3 Cấu hình bộ chuyển đổi bước sóng truyề XGM trong một SOA OBFF: Bộ lọc thông dải quang học 37

Hình 3.4 Các hiệu ứng truyền của XGM trong một SOA 38

ộ chuyển đổi bước sóng MZI dựa trên XPM trong các SOA 39

Hình 3.6 Hàm truyền bộ chuyển đổi bước sóng MZI 40

Hình 3.7 Bộ chuyển đổi bước sóng MZI với nguồn DFB tích hợp toàn khối 40

Hình 3.8 Bộ chuyển đổi bước sóng bơm kép vừa phân cực song song vừa phân cực vuông góc 42

Hình 3.9 Bộ chuyển đổi bước sóng FWM đa phân cực 43

Hình 3.10 Bộ chuyển đổi bước sóng tự bơm đường gấp 43

Hình 3.11 Bộ chuyển đổi bước sóng FWM tự do- lọc 44

Hình 3.12 Các cổng SOA được điều khiển điện và quang học cơ bản 45

Hình 3.13 Công tắc toàn quang dùng hoạt động truyề tầng 45

Hình 3.14 Modul công tắc 2x2 lai hóa 46

Hình 3.15 Sơ đồ mặt nạ bộ chọn kênh WDM tích hợp 46

Hình 3.16 Dạng hình học của cách tử Bragg có góc 47

Hình 3.17 Công tắc quang học dựa trên cấu hình MZI đối xứng 48

Hình 3.18 Công tắc quang học MZI đối xứng tích hợp lai hóa 49

Hình 3.19 Công tắc quang học dùng TOAD 49

Hình 3.20 Sơ đồ một giao thoa kế Sagnac toàn SOA 50

Hình 3.21 Sơ đồ công tắc phản xạ nội toàn phần hai ống dẫn sóng chéo nhau 51

H 51

52

H 52

53

53

54

Hình 3.28 Bộ tách kênh OTDM dùng FWM trong một SOA 55

Hình 3.29 MZI ADM 56

Hình 3.30 ADM bước sóng bộ lọc SOA có thể điều chỉnh được 56

Hình 3.31 Sự tạo xung quang học dùng laser sợi quang vòng khóa mode 56

Hình 3.32 Sự phục hồi xung đồng hồ quang học dùng vòng khóa pha điện –quang 57 Hình 3.33 Detector SOA và đặc tuyến đáp ứng phổ theo độ lợi khuếch đại 59 Hình 3.34 Chuyển mạch toàn quang dựa trên cấu hình MZI- SOA 61 Hình 3.35 Chuyển mạch MZI- SOA tổng quát với các bộ dịch pha 62

MỞ ĐẦU

Thế kỉ 21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin và viễn thông đặc biệt là công nghệ thông tin sợi quang trong suốt hơn 25 năm qua Sự nhảy vọt về công nghệ này có được là nhờ sự phát triển của công nghệ quang điện tử được sử dụng để khai thác băng thông cực kì tiểm năng của sợi quang Ngày nay các hệ thống đang vận hành đạt tốc độ bit vượt qua 100Gb/s nhờ các kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng

Công nghệ quang đang thống trị thông tin toàn cầu Nó đang là trung tâm của việc hiện thực hóa các hệ thống thông tin tương lai nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin của con người Những yêu cầu này bao gồm dải băng thông không giới hạn tới các dịch vụ kèm theo và khả năng nâng cấp dung lượng, sự linh hoạt trong định tuyến của kênh truyền

Các bộ khuếch đại quang bao gồm 3 loại: Khuếch đại quang sợi (OFA) và khuếch đại

khuếch đại đường truyền bù suy hao sợi quang Tuy nhiên với các ưu điểm trong kĩ thuật chế tạo và thiết kế linh kiện quang, SOA đang cho thấy khả năng ứng dụng rất cao Ngoài các ứng dụng làm phần tử khuếch đại, SOA còn có các ứng dụng trong xử lí tín hiệu quang như làm chuyển mạch quang, bộ chuyển đổi bước sóng, làm cổng logic Những phần tử này có vai trò

vô cùng quan trọng đối với mạng quang trong suốt vì sẽ không cần quá trình chuyển đổi quang điện

Chương I:

Chương II:

CHƯƠNG I: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ KHUẾCH ĐẠI SOA

Phần này sẽ trình bày cấu tạo và nguyên lí cơ bản của bộ khuếch đại quang bán dẫn,quá trình khuếch đại quang và nhiễu cùng các tham số thiết bị cơ bản bao gồm răng cưa độ lợi, độ nhạy phân cực, công suất đầu ra bão hòa và hệ số tạp nhiễu

1.1 GIỚI THIỆU KHUẾCH ĐẠI QUANG

Thông tin quang gặp hai hạn chế chính là: Suy hao và tán sắc Độ suy hao dẫn đến sự suy giảm năng lượng tín hiệu và do đó giảm khoảng cách truyền dẫn Vì thế suy hao là vấn đề quan trọng trong thiết kế hệ thống Trong khi đó, sự suy hao sinh ra

sự mở rộng xung và tạo ra nhiễu giao thoa kí hiệu làm tăng BER Độ tán sắc chủ yếu làm hạn chế băng thông sợi quang

Hình 1.1 cho thấy phổ suy hao của sợi quang, dễ thấy suy hao của sợi quang nhỏ nhất trong vùng 1.55m

Hình 1.1: Phổ suy hao đặc trưng của một sợi quang đơn mode

Phổ tán sắc của sợi quang đơn mode được thể hiện trong hình 1.2, tán sắc nhỏ nhất trong vùng bước sóng 1.3 m

Hình 1.2: Phổ tán sắc đặc trưng của sợi quang đơn mode Khi cự ly truyền dẫn tăng, độ suy hao tín hiệu và độ tán sắc cũng tăng lên, vì vậy tại một số điểm truyền dẫn trong sợi quang, tín hiệu cần phải được phục hồi lại Việc phục hồi bao gồm việc phát hiện biến đổi photon- electron, khuếch đại điện, dịch thời gian, điều chỉnh dạng xung và truyền lại Suy hao được khắc phục bằng bộ lặp quang điện Trong trạm lặp quang điện, quá trình khuếch đại được thực hiện qua nhiều bước

Hình 1.3: Cấu trúc trạm lặp quang điện

Hoạt động của trạm lặp: Tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ phận thu quang sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay APD Dòng

quang điện thu được sẽ được tái tạo lại dạng xung, định thời và khuếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuếch đại Sau đó tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua các nguồn quang trong bộ phát quang và được truyền

đi trong sợi quang Như vậy quá trình khuếch đại được thực hiện trong miền điện

Tuy nhiên khuếch đại quang điện có nhiều nhược điểm Một giải pháp được đặt

ra đó là khuếch đại quang Có hai loại khuếch đại quang là: OFA và SOA Tuy nhiên trong thời gian gần đây, SOA thu hút nhiều quan tâm hơn trong việc sử dụng chúng như bộ khuếch đại quang cơ bản và các thành phần chức năng trong các hệ thống thông tin quang và các thiết bị xử lí tín hiệu quang

Cấu tạo của bộ khuếch đại quang được mô tả như sau:

Hình 1.4: Mô hình tổng quát của bộ khuếch đại quang

Trong bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại sẽ diễn ra trong vùng tích cực Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực có độ lợi lớn hay nhỏ phụ thuộc vào năng lượng từ nguồn bơm Các nguồn bơm này có tính chất như nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang Dựa vào cấu trúc của vùng tích cực có thể chia khuếch đại quang làm 3 loại:

- Khuếch đại quang bán dẫn (SOA)

- Khuếch đại quang sợi (OFA)

-1.2 NGUYÊN LÍ CƠ BẢN

SOA là một thiết bị quang điện tử mà ở các điều kiện thích hợp nó có thể khuếch đại ánh sáng đầu vào Dưới đây là sơ đồ khối của SOA:

Hình 1.5: Sơ đồ của một SOA Vùng hoạt tính trong thiết bị truyền độ cho tín hiệu vào Một dòng điện bên ngoài cung cấp nguồn năng lượng làm cho quá trình khuếch đại xảy ra Một ống dẫn sóng được tích hợp để sóng lan truyền trong vùng hoạt tính Tuy nhiên, sóng quang học bị giam trong vùng này yếu nên một số sẽ bị lọt qua vùng bao bọc mất mát xung quanh Tín hiệu đầu vào có nhiễu kèm theo do quá trình khuếch đại vì vậy không thể tránh khỏi hoàn toàn Các mặt bộ khuếch đại phản xạ tạo ra các gợn sóng trong phổ khuếch đại

Các SOA được chia làm 2 loại chính: SOA Fabry Perot (FP- SOA) và SOA sóng chạy (TW- SOA) Trong đó FP- SOA có tín hiệu qua lại trong bộ khuếch đại nhiều lần TW- SOA thì tín hiệu chỉ đi qua bộ khuếch đại một lần duy nhất Các lớp phủ chống phản xạ được dùng để tạo ra SOA với hệ số phản xạ bề mặt nhỏ hơn 10-5 TW- SOA không nhạy bằng FP- SOA với sự dao động trong dòng phân cực, nhiệt độ

và sự phân cực của tín hiệu

Hình 1.6: Các SOA cơ bản và phổ độ lợi tương ứng

Ta có thể thấy một TW- SOA lí tưởng có phổ độ lợi trơn Phổ độ lợi của FP- SOA do có sự phản xạ nhiều lần tại các mặt cuối khoang cộng hưởng nên phổ có dạng răng cưa

Nguyên lí khuếch đại trong khuếch đại quang được thực hiện dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng Hiện tượng phát xạ kích thích được minh họa dựa trên hình 1.7:

Hình 1.7: Các hiện tượng biến đổi quang điện

a Hấp thụ b Phát xạ c Phát xạ kích thích

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi có một điện tử đang ở trong trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon năng lượng hv12 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp hơn của điện tử Khi đó điện tử chuyển từ trạng thái cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn

và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng photon kích thích ban đầu Như vậy từ một photon ban đầu sau khi xảy ra quá trình phát xạ kích thích sẽ tạo ra 2 photon cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện Hiện tượng này được ứng dụng trong cả khuếch đại quang bán dẫn và khuếch đại quang sợi

1.3 CẤU TẠO SOA

Cấu trúc SOA cơ bản tương tự laser bán dẫn Nghĩa là dựa trên hệ thống hai dải năng lượng của chất bán dẫn và các quá trình biến đổi quang điện: hấp thụ, phát xạ tự phát, phát xạ kích thích Trong đó, tín hiệu quang được khuếch đại dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và xảy ra trong vùng tích cực

Hình 1.8: Cấu trúc của một SOA Với cấu trúc này vùng hoạt tính nằm giữa hai vùng bao bọc loại p và loại n Giữa nơi tiếp xúc của vùng hoạt tính và các vùng bao bọc là mặt phân cách được gọi là

dị tiếp xúc Trong các vùng của một SOA thì vùng bao phủ có năng lượng cấm cao hơn nhưng chiết suất thấp hơn vùng hoạt tính

Các hạt tải được bơm vào vùng hoạt tính của SOA từ một dòng phân cực được đặt vào Các hạt tải phải tạo ra đường đi và đi xuyên qua vùng bao phủ trước khi tới vùng hoạt tính Khi không có sự giam cầm các hạt, các hạt tải điện sẽ khuếch tán ra toàn bộ thiết bị Mặt khác vùng tích cực so với toàn bộ thiết bị tương đối nhỏ nên chỉ

có một phần nhỏ các hạt tải điện được bơm cung cấp độ lợi cho một tín hiệu ánh sáng lan truyền Điều này làm cho thiết bị hoạt động kém hiệu quả Để khắc phục được điều này, người ta sử dụng các biện pháp giam cầm hạt trong vùng tích cực tránh khuếch tán đi nơi khác Cấu trúc SOA đạt được điều này nhờ sự chênh lệch độ rộng vùng cấm giữa vùng hoạt tính và vùng bao phủ Nhờ có cấu trúc dị tiếp xúc các hạt tải điện sẽ được giam cầm giữa các hàng rào

Hình 1.9: Nguyên lí giam cầm điện tử

Trong cấu trúc SOA vùng hoạt tính có chiết suất cao hơn vùng bao phủ vì vậy

nó có vai trò như là một ống dẫn sóng điện môi tiết diện hình chữ nhật Chính điều này giúp giam cầm ánh sáng qua thiết bị vào vùng hoạt tính Lượng dẫn sóng được đặc trưng bởi hệ số giam cầm quang học , được định nghĩa là phần năng lượng của một mode dẫn sóng nào đó được giam cầm vào vùng hoạt tính Các mode là nghiệm của phương trình Maxwell đối với các trường điện từ trong ống dẫn sóng tuân theo các điều kiện biên của ống dẫn sóng Độ rộng của vùng hoạt tính ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động của mode Nếu ống dẫn sóng đủ hẹp, sẽ chỉ có một mode ngang với hai chế độ phân cực, mode điện ngang TE trong đó điện trường được phân cực dọc theo mặt phẳng dị tiếp xúc và mode từ ngang TM trong đó từ trường phân cực dọc theo trục x Mode là ngang vì các trường điện và từ đều vuông góc với hướng truyền Hoạt động đơn của mode ngang giúp giảm sự phụ thuộc độ lợi vào mode vì hệ số giam cầm phụ thuộc mode, đồng thời cũng cải thiện hiệu suất ghép từ thiết bị quang

Trong SOA dị tiếp xúc kép có một chiết suất xác định nhảy bậc theo hướng y giữa các vùng không pha tạp và vùng bao phủ Tuy nhiên theo hướng x không có sự nhảy bậc này Sự dẫn sóng theo hướng x đạt được qua các hạt tải điện được bơm vào,

nó làm thay đổi chiết suất vùng hoạt tính Quá trình này được gọi là dẫn độ lợi Sự thay đổi chiết suất này nhỏ hơn theo hướng y Điều này có nghĩa là  phụ thuộc vào

sự phân cực,  tăng khi chiều dày vùng hoạt tính tăng Tuy nhiên nếu vùng hoạt tính quá rộng, hoạt động của các mode đơn ngang sẽ dừng Biên dạng điển hình của cường

độ ánh sáng qua mặt cắt ngang được biểu diễn qua hình 1.9

Ứng dụng cơ bản nhất của SOA là khối khuếch đại quang học cơ bản Đối với một ứng dụng như thế, một danh sách các tính chất quan tâm được liệt kê trong bảng 1.1 Mục tiêu nghiên cứu và thiết kế SOA là để đưa tính chất này vào ứng dụng trong các thiết bị thực tế

Tính chất

- Độ lợi và băng thông độ lợi cao

- Phản xạ bề mặt không đáng kể

- Độ nhạy phân cực thấp

- Công suất đầu ra bão hòa cao

- Nhiễu cộng gần giới hạn lý thuyết

- Không nhạy với các tính chất điều biến tín hiệu vào

- Khuếch đại đa kênh mà không có sự đan xen nhau

- Không có miền phi tuyến

Bàng 2.1: Tính chất đáng quan tâm của SOA thực tế

1.4.1 Độ lợi và băng thông độ lợi

Nói chung có hai định nghĩa về độ lợi cơ bản cho các SOA Đầu tiên là độ lợi riêng của SOA, nó đơn giản là tỉ số công suất đầu vào tại mặt đầu vào với công suất tín hiệu đầu ra Định nghĩa thứ 2 là độ lợi sợi đến sợi, tức là bao gồm cả mất mát do ghép đầu vào và đầu ra Độ lợi của SOA được tính theo đơn vị dB Phổ độ lợi của SOA phụ thuộc vào cấu trúc, vật liệu và tham số hoạt động của nó Đối với đa số các ứng dụng,

độ lợi cao và băng thông độ lợi là đáng quan tâm Độ lợi riêng tín hiệu nhỏ ( nhỏ ở đây tức là tín hiệu có sự ảnh hưởng lên hệ số độ lợi ở mức có thể bỏ qua) của SOA FP tại tần số quang học v là

(1.1)

Ở đây R1 và R2 là hệ số phản xạ ở mặt đầu vào và đầu ra, v là khoảng cách giữa các mode dọc buồng cộng hưởng và được cho bởi công thức:

(1.2) Các tần số cộng hưởng của buồng cộng hưởng xuất hiện tại các giá trị bằng số nguyên lần v Yếu tố sin2 trong công thức 1.1 bằng không tại các tần số cộng hưởng và bằng

1 tại các tần số phản cộng hưởng ( nó nằm ở giữa các tần số cộng hưởng liên tiếp nhau) Hệ số độ lợi hiệu dụng là:

(1.3) trong đó  là hệ số giam cầm mode quang học và  là hệ số hấp thụ Gs= egL là độ lợi khuếch đại một lần truyền qua Một SOA không được bao phủ có sự phản xạ bề mặt gần bằng 0,32 Răng cưa độ lợi bộ khuếch đại Gr được tính bằng tỉ số giữa các độ lợi cộng hưởng và không cộng hưởng Từ 1.27 ta có:

(1.4)

Từ 1.3 ta thấy quan hệ giữa hệ số phản xạ bề mặt trung bình hình học Ggeo= R 1R2 và

Gr là:

(1.5)

Đồ thị Rgeo theo Gs được biểu diễn trong hình 1.10 với Gr là một tham số Chẳng hạn

để thu được răng cưa độ lợi nhỏ hơn 1dB tại độ lợi một lần truyền qua là 25dB thì điều kiện là Rgeo < 3,6 10-4 Phản xạ bề mặt vào cỡ này có thể đạt được bằng cách sử dụng

các lớp chống phản xạ cho bề mặt các bộ khuếch đại Sự phản xạ bề mặt có thể giảm hơn nữa bằng cách dùng các cấu trúc SOA chuyên dụng

Băng thông độ lợi Bopt của bộ khuếch đại được định nghĩa là khoảng bước sóng

mà trên đó độ lợi tín hiệu không nhỏ hơn một phần hai giá trị đỉnh của nó Các SOA

có băng thông độ lợi rộng đặc biệt hữu dụng trong các hệ thống mà ở đó cần khuếch đại đa kênh chẳng hạn như trong các mạng WDM Băng thông độ lợi rộng có thể đạt được trong một SOA với vùng hoạt tính được chế tạo từ các vật liệu giếng lượng tử hoặc các vật liệu đa giếng lượng tử (MQW) Các độ lợi riêng cực đại điển hình đạt được trong các thiết bị thực tế nằm trong khoảng 30 đến 60nm

Hình 1.10: Hệ số phản xạ trung bình hình học theo độ lợi một lần truyền qua với răng

cưa độ lợi như tham số

1.4.2 Độ nhạy phân cực

Nói chung, độ lợi phân cực của một SOA phụ thuộc vào trạng thái phân cực của tín hiệu đầu vào Sự phụ thuộc nào là do một số yếu tố bao gồm: cấu trúc ống dẫn sóng, bản chất của các lớp phủ chống phản xạ và vật liệu Các SOA xếp tầng làm nổi bật sự phụ thuộc phân cực này Ống dẫn sóng của bộ khuếch đại được đặc trưng bởi 2 mode phân cực vuông góc là TE và TM Trạng thái phân cực tín hiệu đầu vào thường nằm ở đâu đó giữa 2 cực trị này Độ nhạy phân cực của một SOA được định nghĩa là sự chênh lệch giữa độ lợi mode TE là GTE và mode TM là GTM, tức là:

(1.6)

1.4.3 Bão hòa độ lợi tín hiệu

Độ lợi của một SOA bị ảnh hưởng bởi công suất tín hiệu đầu vào và nhiễu bên trong tạo ra do quá trình khuếch đại Sự bão hòa độ lợi này có thể gây ra biến dạng tín hiệu một cách đáng kể Nó cũng có thể giới hạn độ lợi đạt được của SOA được dùng làm bộ khuếch đại đa kênh Đặc tuyến độ lợi SOA thông thường theo công suất tín hiệu đầu ra được biểu diễn trong hình 1.11

Hình 1.11 Đặc tuyến độ lợi SOA theo công suất tín hiệu đầu ra

Một tham số hữu dụng để định lượng độ bão hòa độ lợi là công suất đầu ra bão hòa

P0,sat, nó được định nghĩa như công suất tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại mà tại đó độ lợi khuếch đại bằng một nửa độ lợi tín hiệu nhỏ Giá trị trong khoảng từ 5 đến 20dB của P0,sat là thông dụng trong thực tế

1.4.4 Hệ số tạp nhiễu

Một tham số hữu dụng cho việc định lượng nhiễu trong bộ khuếch đại là hệ số tạp nhiễu F, bằng tỉ số giữa các tín hiệu đầu vào và đầu ra với các tỷ số nhiễu, nghĩa là

(1.7) Tín hiệu trên các tỉ số nhiễu là đại lượng thu được khi công suất đầu vào và đầu ra bộ khuếch đại được phát hiển bởi photoditector lí tưởng

Trong trường hợp giới hạn mà ở đó độ lợi khuếch đại lớn hơn nhiều so với một

và đầu ra bộ khuếch đại được cho qua một bộ lọc quang học băng hẹp, tỷ số tạp nhiễu là:

(1.8) Giá trị thấp nhất có thể có của nsp là 1, nó xuất hiện khi có sự đảo lộn hoàn toàn môi trường nguyên tử, nghĩa là N1=0 thì F=2 ( tương đương 3dB) Hệ số tạp nhiễu điển

hình ( không bao gồm mất mát do ghép) của SOA thực tế nằm trong 7 đến 12dB Hệ

số tạp nhiễu của các SOA được đóng gói điển hình nằm trong khoảng từ 10 đến 15dB

1.4.5 Các hiệu ứng động lực học

Thông thường SOA được dùng để khuếch đại các tín hiệu ánh sáng điều biến Nếu công suất tín hiệu cao thì sự bão hòa độ lợi sẽ xuất hiện Đây không phải là một vấn đề nghiêm trọng nếu động lực học độ lợi của bộ khuếch đại là một quá trình chậm Tuy nhiên, trong các SOA, động lực học độ lợi của bộ khuếch đại được xác định bởi thời gian tái hợp các hạt tải điện ( thời gian trung bình cho một hạt tải điện tái kết hợp với lỗ trống trong vùng hóa trị) Thời gian này điển hình vào khoảng vài trăm ps Điều này có nghĩa là độ lợi bộ khuếch đại sẽ phản ứng một cách tương đối nhanh với sự thay đổi của công suất tín hiệu đầu vào Các độ lợi động này có thể gây ra biến dạng tín hiệu, nó sẽ trở nên nghiêm trọng hơn khi băng thông tín hiệu được điều biến giảm Những hiệu ứng này sẽ được làm tăng thêm nữa trong hệ thống đa kênh trong đó độ lợi động sẽ dẫn đến nhiễu xuyên kênh Điều này trái ngược với các bộ khuếch đại sợi pha tạp Nó có thời gian tái kết hợp vào khoảng 1ms dẫn đến sự biến dạng tín hiệu không đáng kể

1.4.6 Sự phi tuyến

Các SOA thể hiện tính chất phi tuyến nói chung Những sự phi tuyến này có thể gây ra những vấn đề như sự dịch chuyển tần số và tạo ra nhiễu xuyên điều chế bậc 2

và bậc 3 Tuy nhiên, sự phi tuyến có thể hữu dụng trong việc sử dụng SOA với vai trò

là các thiết bị chức năng chẳng hạn như bộ chuyển đổi bước sóng.Sự phi tuyến của SOA sẽ được trình bày sâu hơn ở chương II

xạ với độ lớn như thế này thích hợp với dao động laser trong thiết bị dị tiếp xúc kép,

nó quá lớn với TW-SOA Hệ số phản xạ bề mặt hiệu dụng có thể giảm đáng kể bằng cách sử dụng các lớp chống phản xạ (AR) Nếu một sóng phẳng có bước sóng không gian 0 tới vuông góc với một vật liệu có chiết suất nx được đặt trong không khí (chiết suất bằng 1) thì các điều kiện chế tạo tối ưu (nghĩa là hệ số phản xạ thấp nhất) đối với lớp phủ chống phản xạ được hình thành bằng một điện môi là:

(1.10)

Ở đây nf và df là chiết suất và độ dày của lớp phản xạ Công thức này chỉ áp dụng cho một bước sóng cụ thể vì vậy một lớp phủ chống phản xạ không thích hợp cho SOA hoạt động trên băng thông rộng

Để đạt hệ số phản xạ bề mặt thấp với băng thông rộng cần phải sử dụng các lớp phủ điện môi đa lớp Sự phân tích các lớp phủ như vậy rất phức tạp và khó khăn hơn khi sử dụng cho SOA Điều này là do mode ống dẫn sóng SOA được phân bố trong các vùng hoạt tính và vùng bao phủ có chiết suất khác nhau

Nếu giả sử phân bố trường là đồng đều dọc theo hướng song song với lớp tiếp xúc giữa bề mặt và các lớp phủ chống phản xạ, ống dẫn sóng có thể được phân tích dùng mô hình 2 chiều được biểu diễn như trong hình sau:

Hình 1.12: Mô hình SOA được phủ lớp chống phản xạ đa lớp (z<0: ống dẫn sóng

trong SOA; z>0: các lớp phủ chống phản xạ

Trong phép phân tích này chỉ có các sóng phân cực điện ngang được xét Vùng hoạt tính có chiết suất na và chiều dày d Các vùng bao phủ xung quanh có chiết suất nc

và được giả sử rộng vô cùng Phân bố trường tới Einc(x) tại z=0, tức là biên giữa vùng hoạt tính và các lớp phản xạ:

Einc(s) của trường tới được tính như sau:

(1.14)

Ở đây 0 là góc tới và s= sin(0).Finc và Finc là các thành phần của Finc trong các lớp hoạt tính và lớp phủ tương ứng Hệ số phản xạ Fresnel của lớp phủ chống phản xạ đa lớp là:

(1.15)

Ở đây l là số lớp chống phản xạ, pi = nfi cos 0 (i= 0,…, l+1) và nfi là chiết suất của lớp thứ i, nf0 là chiết suất vùng hoạt tính và lớp bao phủ m11, m12, m21, m22 là các yếu tố của ma trận chuyển đổi 2x2 Các yếu tố ma trận chuyển đổi lớp thứ i Mi là:

(1.16) Với

(1.18)

Phương trình này có thể giải bằng phương pháp số Một kĩ thuật tương tự có thể được

áp dụng để thu được hệ số phản xạ của các mode TM Với sự kết hợp giữa chiết suất của vàng và chiều dạy có thể đạt được hệ số phản xạ bề mặt nhỏ hơn 10-4 bằng cách sử dụng một lớp chống phản xạ đơn lớp

Các điều kiện phủ chống phản xạ cho các chế độ phân cực điện ngang và từ ngang không giống nhau Tuy nhiên việc sử dụng các lớp phủ đa lớp có thể giảm sự phụ thuộc phân cực và cũng mở rộng mở rộng các bước sóng phản xạ thấp Nhiều vật liệu điện môi như SiO2, SiN và PbO-SiO2 có thể được dùng làm các lớp chống phản xạ Chúng được sử dụng cho một SOA bằng cách bay hơi hay phun xạ Chiết suất của lớp phủ chống phản xạ được điều khiển bởi điều kiện bay hơi, phun xạ Cũng có các kĩ thuật để đo hệ số phản xạ của lớp chống phản xạ Để đạt được hệ số phản xạ bề mặt thấp dùng cho các lớp phủ chống phản xạ thì cần phải điều khiển cẩn thận chiết suất và

độ dày các lớp điện môi Sự thay đổi cấu trúc SOA có thể giảm đòi hỏi khắt khe về dung sai Hai kĩ thuật thường được dùng: các bề mặt có góc và cấu trúc cửa sổ, nó cùng với các lớp phủ chống phản xạ có thể phân phối các hệ số phản xạ thấp trên một băng thông rộng với độ nhạy phân cực nhỏ nhất

Hình 1.13: Hệ số phản xạ bề mặt được phủ lớp chống phản xạ đơn lớp theo chiều dày màng với na=3.524 và nhà nước=3.17, d= 0.11m, 0= 1.55m Tham số là chiết suất màng

(1.20) Cấu tạo một SOA có bề mặt góc được mô tả như hình sau:

Hình 1.14: Nhìn từ trên của một SOA có bề mặt góc

Hình 1.15: Một SOA ống dẫn sóng bị loe bề mặt có góc Nếu mode điện ngang được giả sử là có phân bố Gauss, hệ số phản xạ hiệu dụng của

bề mặt góc được tính gần đúng là

(1.21)

Ở đây  là góc giữa hướng truyền của chùm và pháp tuyến với mặt cuối Hệ số phản

xạ Fresnel Rf của một sóng điện ngang được giam cầm trong ống dẫn sóng tại lớp tiếp xúc bề mặt có góc- không khí là:

Tuy nhiên, nếu ống dẫn sóng quá rộng thì các mode ngang bậc cao sẽ xuất hiện Vấn

đề này có thể được khắc phục bằng cách mở rộng ống dẫn sóng gần các mặt cuối Điều này cũng duy trì điều kiện đơn mode ngang Các góc bề mặt tối ưu nằm trong khoảng

70 đến 100

Hình 1.16: Hệ số phản xạ hiệu dụng của bề mặt góc như một hàm theo góc bề mặt với

ống dẫn sóng như tham số

1.5.1.3 Cấu trúc bề mặt cửa sổ

Hệ số phản xạ bề mặt và các điều kiện phủ chống phản xạ tối ưu phụ thuộc vào

sự phân cực Hệ số phản xạ bề mặt hiệu dụng có thể giảm thêm nữa và được làm cho ít nhạy hơn với sự phân cực bằng cách dùng các bề mặt như biểu diễn trong hình 1.15 Cấu trúc này gồm một vùng trong suốt giữa vùng hoạt tính và các mặt cuối Vùng trong suốt này có độ rộng vùng cấm lớn hơn năng lượng photon tín hiệu Điều này có nghĩa là sự hấp thụ cảm ứng không xảy ra mặc dù một số sự hấp thụ vật liệu riêng sẽ

có mặt Trường được dẫn hướng từ ống dẫn sóng truyền vào trong vùng cửa sổ tại một góc nào đó do nhiễu xạ và bị phản xạ một phần tại mặt cuối Trường được phản xạ tiếp tục mở rộng trong không gian vì vậy chỉ một phần nhỏ được ghép lại trong vùng hoạt tính Sự phản xạ hiệu dụng giảm khi tăng chiều dài lw của vùng cửa sổ Tuy nhiên hiệu suất ghép từ SOA đến sợi quang bị suy hao khi lw dài Hệ số phản xạ bề mặt hiệu dụng của các mặt cửa sổ có thể đạt đến bậc độ lớn 5% Được dùng cùng các lớp phủ chống phản xạ đơn lớp có thể đạt được hệ số phản xạ bề mặt nhỏ hơn 10-5

Hình 1.17: Hình chiếu từ trên của một SOA với các mặt cửa sổ

1.5.1.4 Các cấu trúc không nhạy với sự phân cực

Các SOA không nhạy với sự phân cực rất đáng quan tâm bởi vì trạng thái phân cực của tín hiệu đầu vào có thể thay đổi theo thời gian Nguyên nhân của sự nhạy phân cực là do sự khác nhau giữa TE và TM Các thiết kế cấu trúc SOA không nhạy phân cực hỗ trợ giảm hoặc bù vào sự chênh lệch này Ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển SOA, các thiết kế lai hóa sử dụng hai hoặc nhiều SOA được dùng để giảm độ nhạy phân cực Hiện nay những kĩ thuật này được thay thế bằng phương pháp chip đơn chủ yếu tập trung vào việc cải tiến thiết kế vùng hoạt tính Ba kĩ thuật phổ biến được dùng là ống dẫn sóng tiết diện hình vuông, ống dẫn sóng đỉnh và vật liệu siêu mạng lớp biến dạng

1.5.1.5 Các SOA với ống dẫn sóng tích cực tiết diện hình vuông

Sự làm ngang bằng nhau giữa TE và TM có thể đạt được bằng cách dùng ống dẫn sóng tiết diện hình vuông như được biểu diễn trong thiết bị dãy đỉnh bị chôn vùi Trong thiết bị này, hàng rào thế của lớp đồng tiếp xúc InP n/p lớn hơn hàng rào của lớp dị thể tiếp xúc vùng hoạt tính InGaAsP/ InP loại n Điều này có nghĩa là sự rò rỉ hạt tải điện rất ít từ vùng hoạt tính Sự giam cầm các hạt tải điện này được cải tiến thêm bằng cách dùng những vùng InP được cấy proton điện trở cao

Hình 1.18: Mặt cắt và hình chiếu từ trên của SOA dãy đỉnh bị chôn vùi với sự thon dài

ở cuối của các vùng cửa sổ Ống dẫn sóng ở giữa có tiết diện hình vuông với các cạnh

chiều dài 0.4m

Tuy nhiên những cấu trúc như trên thể hiện sự phân kì trường xa rộng, nó dẫn đến sự làm nghèo hiệu suất ghép từ SOA đến sợi quang Sự vuốt ống dẫn sóng tích cực gần các bề mặt bộ khuếch đại được biểu diến trong hình 1.16 có thể giảm sự phân kì trường xa Các mode dẫn hướng được giam cầm mạnh trong các ống dẫn sóng tiết diện

hình vuông trung tâm, nhưng nó chịu giam cầm ít hơn trong vùng bị vuốt và vì vậy mở rộng Điều này làm tăng kích thước mode đầu ra và giảm sự phân kì trường xa, do đó tăng hiệu suât ghép Thiết bị cũng bao gồm các vùng cửa sổ để giảm hệ số phản xạ bề mặt hiệu dụng Với loại thiết bị này có thể đạt độ nhạy phân cực nhỏ hơn 1dB trên một khoảng rộng của dòng phân cực như hình sau:

Hình 1.19: Độ sợi đến sợi của chế độ phân cực TE và TM theo dòng phân

cực của SOA bị vuốt ở bước sóng 1550nm

1.5.1.6 Ống dẫn sóng đỉnh SOA

SOA ống dẫn sóng đỉnh chôn vùi như được biểu diễn trong hình 1.18

Hình 1.20: Tiết diện SOA ống dẫn sóng đỉnh Cấu tạo SOA ống dẫn sóng đỉnh có một vùng hoạt tính tương đối rộng với dạng hình học biến đổi để làm cho TE và TM bằng nhau Vùng hoạt tính thể tích tương đối lớn và cấu trúc ống dẫn sóng đỉnh cho phép hệ số phản xạ mode rất thấp đối với cả các mặt được phủ lớp chống phản xạ và các mặt nghiêng mà không đòi hỏi các vùng cửa sổ

1.5.1.7 Các cấu trúc dựa trên siêu mạng lớp biến dạng

Nếu một vật liệu khối được dùng trong vùng hoạt tính của một SOA, tham số duy nhất có thể thay đổi được để đạt được hoạt động không nhạy với phân cực là hệ số giam cầm quang học bằng cách sử dụng ống dẫn sóng tích cực tiết diện vuông hoặc cấu trúc ống dẫn sóng đỉnh

Một biện pháp khác là giữ cho hình dạng ống dẫn sóng bình thường (nghĩa là tiết diện ngang hình chữ nhật) và dùng các vật liệu biến dạng trong vùng hoạt tính để tăng hệ số độ lợi mode từ ngang TM với độ lợi mode điện ngang và do đó bù cho việc

TE> TM sự giảm độ nhạy phân cực đã được báo cáo từ các cấu trúc thiết bị với các hàng rào bị kéo biến dạng Các giếng lượng tử bị biến dạng nén và kéo tuần tự và các siêu mạng cân bằng biến dạng Sự tiến bộ của cấu trúc sau là nó cho phép điều khiển đồng thời độ nhạy phân cực và độ lợi của thiết bị mà không áp đặt các giới hạn về độ dày của các vùng hoạt tính Dùng những kĩ thuật trên có thể giảm được độ nhạy phân cực thấp trên dòng phân cực và khoảng bước sóng rộng cùng với thuận lợi nữa là công suất bão hòa đầu ra cao

1.5.2 Cấu trúc công suất đầu ra bão hòa cao

Công suất đầu ra bão hòa cao là một đặc tính quan trọng của SOA đặc biệt là với các bộ khuếch đại công suất và các ứng dụng đa kênh

1.5.2.1 Mô hình cơ bản để tiên đoán tính chất bão hòa của bộ khuếch đại

Để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ lợi của bộ khuếch đại SOA tại các công suất đầu vào cao, có thể sử dụng một mô hình phương trình tốc độ đơn giản Bộ khuếch đại được giả sử là có hệ số phản xạ bề mặt bằng không Hệ số độ lợi của vật liệu gm tại bước sóng tín hiệu được giả sử là một hàm tuyến tính theo mật độ hạt tải n:

hệ số mất mát của ống dẫn sóng Trong trạng thái xác lập, vi phân trong 1.24 bằng không Giải 1.24 ta được:

Ở đây Is,in và Is,out tương ứng là cường độ tín hiệu đầu vào và đầu ra Hệ số khuếch đại

G là tỉ số giữa cường độ tín hiệu đầu ra và đầu vào Từ 1.30 ta có

Hình 1.21: Đặc tuyến bão hòa độ lợi của SOA thu được từ nghiệm bằng số của 1.31

Từ 1.31 cường độ đầu ra bão hòa Is,out | 3dB (tại đó độ lợi khuếch đại bằng một nửa độ lợi khuếch đại không bão hòa) là:

(1.32) Công suất đầu ra bão hòa P0,sat của bộ khuếch đại là

(1.33)

1.5.2.2 Cải tiến công suất đầu ra bão hòa

Công thức 1.26 chứng tỏ rằng công suất đầu ra bão hòa của một SOA được cải tiến bằng cách tăng Is.sat Sự kiểm tra công thức 1.20 chứng tỏ rằng điều này có thể đạt được bằng cách giảm  và a1 Trong thực tế,  tỉ lệ nghịch với mật độ hạt tải điện, vì vậy hoạt động tại dòng phân cực cao sẽ dẫn đến sự tăng P0, sat Tuy nhiên khi mật độ hạt tải điện tăng độ lợi khuếch đại cũng sẽ tăng làm cho hiệu ứng cộng hưởng đáng kể hơn Độ lợi một lần truyền qua có thể được duy trì bằng cách giảm  hoặc chiều dài của bộ khuếch đại Có lẽ điều này không phải lúc nào cũng cần thiết vì hệ số độ lợi của vật liệu đỉnh dịch chuyển về phía bước sóng ngắn hơn khi mật độ hạt tải điện tăng

Việc chọn vật liệu độ lợi cũng có thể ảnh hưởng đến đặc tính bão hòa của bộ khuếch đại qua a1 Trong các vật liệu khối a1 tương đối nhạy với sự thay đổi mật độ hạt tải điện Trong vật liệu giếng lượng tử các điều kiện có thể tồn tại khi độ lợi tương đối không nhạy với sự thay đổi mật độ hạt tải điện Điều này dẫn đến P0,sat cao

Cũng có thể tăng P0,sat bằng cách tăng A/  Một phương pháp dựa trên khái niệm này được biểu diễn trong hình 1.20, để lộ ra ống dẫn sóng bộ khuếch đại hướng

về mặt đầu ra Điều này tăng diện tích trường mode tại đầu ra bộ khuếch đại

Hình 1.22: SOA công suất đầu ra bão hòa cao InGaAs- InP Trong thiết bị bao gồm phần độ lợi đầu vào ống dẫn sóng đỉnh dài 1mm được theo sau bởi phần vuốt dài 2mm Vùng hoạt tính InGaAsP bao gồm 3 giếng lượng tử

bị biến dạng Độ lợi thiết bị là 30dB tại dòng kích thích 2.8mA với công suất ra bão hòa lớn hơn 720mW

Sự cải tiến công suất đầu ra bão hòa cũng có thể đạt được bằng cách tiêm một ánh sáng bơm chế độ liên tục cùng với tín hiệu Tuy nhiên bước sóng tín hiệu bơm phải được chọn làm sao cho cho nó nằm ở vùng thấp hơn của băng thông độ lợi khuếch đại Kĩ thuật này được dùng để thu được sự cải tiến 4.9dB trong công suất đầu

ra bão hòa của bộ khuếch đại tại bước sóng tín hiệu 1546nm Ánh sáng bơm có bước sóng 1480nm Kĩ thuật này có ưu điểm là không tốn kém

1.6.CÁC SOA CÓ CẤU TRÚC ỔN ĐỊNH HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI

Hình 1.19 cho thấy sự bão hòa độ lợi của SOA bắt đầu tự hiện ra tại công suất đầu ra dưới P0,sat , điều này có thể dẫn đến sự giao tiếp chéo trong các ứng dụng đa kênh Vấn đề này có thể được giảm đi nhiều bằng cách sử dụng SOA kẹp chặt độ lợi (GC-SOA) Trong một GC-SOA, hoạt động phát laser được tạo ra bởi bước sóng cách

xa bước sóng tín hiệu bằng cách đưa vào một bộ phản hồi bước sóng đặc biệt Một khi laser phát, mật độ hạt tải điện bị giữ ở giá cố định Sự thay đổi công suất tín hiệu đầu vào dẫn đến sự thay đổi ngược lại trong công suất phát của mode laser Điều này có ảnh hưởng đến việc giữ mật độ hạt tải điện ổn định làm cho độ lợi tín hiệu tương đối không nhạy với sự thay đổi công suất tín hiệu đầu vào Các phương pháp phổ biến để cung cấp sự phản hồi này là dùng cấu trúc phản hồi phân bố (DFB) hoặc bộ phản xạ Bragg phân bố (DBR) như biểu diễn trên hình 1.21 Đặc tuyến độ lợi công suất đầu ra điển hình của GC-SOA được biểu diễn như hình 1.22, ở đây độ lợi tín hiệu là hằng số tại công suất thấp nhưng giảm nhanh khi đạt đến bão hòa

Hình 1.23: Các GC-SOA a)DBR b) DFB

Hình 1.24: Đặc tuyến độ lợi công suất tín hiệu đầu ra GC-SOA Đường cong độ lợi là

tuyến tính đối với công suất đầu ra dưới công suất bão hòa

1.7 VẤN ĐỀ GHÉP ÁNH SÁNG VÀO VÀ RA CÁC SOA

Khi các SOA được dùng trong các hệ thống truyền quang học thì cần chú ý rằng

có sự ghép hiệu quả ánh sáng đầu vào và ra chip SOA Một điều quan trọng nữa là những phản xạ bên ngoài vào trong SOA phải được giảm một cách tối đa Sự mất mát

do đầu vào thấp cũng quan trọng để thu được hệ số tạp nhiễu thấp Các phương pháp cải tiến hiệu suất đầu vào và đầu ra một SOA bao gồm: dùng thấu kính dạng thanh chiết suất phân cấp (GRIN) và sợi quang được giới hạn bởi thấu kính bị vuốt Việc dùng taper trong các cấu trúc SOA có thể cải tiến được hiệu suất ghép Hiệu suất ghép giữa một SOA và sợi quang đơn mode dùng kĩ thuật trên thường vào bậc 3.5 đến 4.5dB

CHƯƠNG II - SỰ PHI TUYẾN CỦA SOA

Sự phi tuyến trong các SOA chủ yếu là do sự thay đổi mật độ hạt tải điện bị bởi các tín hiệu đầu vào bộ khuếch đại Bốn loại hiệu ứng phi tuyến chính là:

( Cross phase modulation XPM), tự điều pha ( self- phase modulation SPM) và trộn bốn bước sóng ( four- wave mixing FWM)

2.1 ĐIỀU CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CHÉO

Phổ vật liệu của một SOA mở rộng đồng đều Điều này có nghĩa là

sự thay đổi mật độ hạt tải điện trong bộ khuếch đại sẽ ảnh hưởng tới tất cả các tín hiệu đầu vào Đáp ứng tạm thời của mật độ hạt tải điện phụ thuộc vào thời gian sống của hạt tải điện Sự thay đổi mật độ hạt tải điện có thể làm nảy sinh các hiệu ứng vân ( pattern effect) và nhiễu xuyên kênh ( interchanel crosstalk) trong khuếch đại nhiều bước sóng Bố trí thí nghiệm chéo cơ bản nhất như trong hình 2.1, trong đó một ánh sáng chế độ liên tục yếu và một ánh sáng bơm mạnh, với biến điệu hài tín hiệu nhỏ ở tần số góc  được đưa vào một SOA

chéo trong bộ khuếch đại sẽ phải chịu biến điệu bơm trên Điều này

có nghĩa là bộ khuếch đại đóng vai trò như một bộ chuyển đổi bước sóng, nghĩa là chuyển thông tin tại một bước sóng này sang bước sóng tín hiệu khác

Hình 2.1 Bộ chuyển đổi bước sóng dùng XGM trong một SOA

Hệ số phẩm chất hữu dụng của bộ chuyển đổi là hiệu suất chuyển đổi , nó được định nghĩa là tỉ số giữa chỉ số điều chế củ đầu ra với chỉ số điều chế bơm đầu vào

Sự phân tích hài tín hiệu nhỏ được dùng để xác định  cho ta kết quả:

(2.1) Với

lớn hơn nhiều 1/2 vì vậy các sản phẩm trộn bốn bước sóng được tạo ra

do tương tác phi tuyến giữa hai trường có thể được bỏ qua Đặc tuyến đáp ứng điển hình được tính bằng công thức 2.2 và nghiệm bằng số của 2.4 được biểu diễn trong hình 2.2

Hình 2.2 Đáp ứng tần số điển hình của bộ chuyển đổi bước sóng dùng XGM Tham số

là hệ số mất mát ống dẫn sóng tiêu chuẩn

Các giá trị được dùng trong tính toán là exp(g0L)=30dB và  =0.1ns, P0(0)=0.5mW,

P1(0)= 1.0mW, Psat=10mW Hình 2.2 chứng tỏ rằng băng thông đáp ứng rất nhạy cảm với sự mất mát trong ống dẫn sóng

Trong trường hợp mất mát trong ống dẫn sóng bằng không chúng ta có