Tiểu luận chuyên đề Quang Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA

Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó ở đầu ra.. Các tín hiệu qua

Mục lục trang

1 Giới thiệu 3

2 Tổng quan về SOA 3

2.1 Nguyên lý khuếch đại quang 3

2.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động SOA 5

3 Đặc tính bộ khuếch đại 7

3.1 Hấp thụ và khuếch đại: 7

3.2 Nhiễu phát xạ tự phát: 7

3.3 Độ lợi tín hiệu nhỏ và độ lợi băng thông: 9

4 Ứng dụng của SOA 10

4.1 Bộ điều biến cường độ và pha SOA : 10

4.2 Bộ chuyển đổi bước sóng SOA 12

4.3 Cổng quang SOA 15

4.4 Logic quang SOA 16

4.5 Bộ tách ghép kênh 18

4.6 Tạo xung và khôi phục đồng hồ quang 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ASE Amplified Spontaneous Emission phát xạ tự phát được khuếch đại

KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN SOA

1 Giới thiệu

Trong những năm gần đây, tốc độ triển khai cũng như dung lượng của các hệ thống thông tin quang tăng ngày càng nhanh Góp phần quan trọng vào sự gia tăng này là

sự phát triển của công nghệ quang – điện tử mới, được sử dụng để tận dụng hiệu quả băng tần rộng của sợi quang Công nghệ quang là trung tâm cho sự ra đời của các mạng viễn thông trong tương lai, có khả năng đáp ứng được nhu cầu của xã hội Các khả năng này bao gồm: băng tần gần như không giới hạn và hoàn toàn trong suốt, cho phép nâng cấp dung lượng và định tuyến linh hoạt Rất nhiều ưu điểm trong các hệ thống thông tin quang có được là nhờ bộ khuếch đại quang

Các bộ khuếch đại quang được chia thành hai loại: bộ khuếch đại quang sợi (OFA) và

bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) OFA đã được sử dụng rất rộng rãi làm bộ khuếch đại đường truyền để bù suy hao sợi quang Tuy nhiên, với các ưu điểm trong kỹ thuật chế tạo và thiết kế linh kiện quang, SOA cho thấy khả năng ứng dụng rất cao Ngoài ứng dụng làm phần tử khuếch đại, SOA còn có nhiều ứng dụng khác như chuyển mạch quang và chuyển đổi bước sóng Những chức năng này rất cần thiết cho mạng quang trong suốt vì không cần chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

2 Tổng quan về SOA

2.1 Nguyên lý khuếch đại quang

Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếch đại

Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emission) là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang Các hiện tượng này được minh họa trên hình

Hình 2.1 Các hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Phát xạ tự phát (c)

Phát xạ kích thích

Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 2.1.c, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng h 21 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện

tử (Eg= E2 – E1) Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp, coherent, của ánh sáng) Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (OSA)

và khuếch đại quang sợi (OFA)

Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trong các bộ khuếch đại quang không xảy hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng Vì nếu xảy ra quá trình hồi tiếp

và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở ngõ vào Nguồn ánh sáng này được xem là nhiễu xảy ra trong bộ khuếch đại Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó ở đầu ra

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra trong trong một môi trường được gọi vùng tích cực (active medium) Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộc vào năng lượng được cung cấp từ một nguồn bên ngoài gọi chung là nguồn bơm (Pump Source) Các nguồn bơm này có tính chất như thế nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác phụ thuộc vào cấu tạo của vùng tích cực

Tuy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính:

• Khuếch đại quang bán dẫn loại SOA

- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn

- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện

• Khuếch đại quang sợi OFA

- Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Do đó OFA còn được gọi là DFA (Doped-Fiber Amplifier)

- Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại

- Một số loai OFA tiêu biểu:

+ EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier):1530-1565nm

+ PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280-1340nm

+ TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440-1520nm

+ NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier):900nm, 1065nm hoặc 1400nm

2.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động SOA

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier) tương tự như laser bán dẫn Nghĩa là cũng dựa vào hệ thống hai dải năng lượng của chất bán dẫn và các quá trình biến đổi quang điện: hấp thụ (absorption), phát xạ tự phát (spontaneous emission) và phát xạ kích thích (stimulated emission) Sơ đồ khối một bộ khuếch đại quang bán dẫn được minh họa trong hình 1 SOA được điều khiển bởi dòng điện, vùng tích cực trong SOA khuếch đại ánh sáng đầu vào nhờ quá trình phát xạ kích thích (Hình 2) Tín hiệu đầu ra bao gồm cả nhiễu phát xạ

tự phát được khuếch đại (ASE) do quá trình khuếch đại gây ra

Hình 2.2: Sơ đồ khối một SOA

Trong đó, tín hiệu quang được khuếch đại dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra trong vùng tích cực của SOA Vùng tích cực này được đặt giữa hai lớp

bán dẫn loại n và p (hình 2.2) Nguồn bơm bên ngoài được cung cấp bởi dòng điện phân cực.Do có cấu trúc và nguyên lý hoạt động tương tự với laser bán dẫn nên SOA còn được gọi là khuếch đại laser bán dẫn SLA (Semiconductor Laser Amplifier)

Hệ số khuếch đại của SOA phụ thuộc vào công suất tín hiệu vào và nhiễu nội gây ra bởi quá trình khuếch đại Khi công suất tín hiệu vào tăng tới một mức nào đó thì hệ số khuếch đại giảm (Hình 2.3) Hiện tượng bão hòa hệ số khuếch đại này có thể gây ra méo tín hiệu, đồng thời làm hạn chế khả năng khuếch đại đa kênh của SOA trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM

Hình 2.3 Quan hệ giữa hệ số khuếch đại của SOA và công suất ra

Sự khác nhau chính giữa SOA và laser bán dẫn là SOA hoạt động dưới mức ngưỡng dao động Điều kiện này xảy ra khi dòng điện phân cực Ibias < dòng điện ngưỡng Ith của laser hoặc/và hệ số phản xạ của hai mặt phản xạ của vùng tích cực nhỏ Khi đó, quá trình phản xạ, cộng hưởng và tự phát xạ ánh sáng sẽ không xảy ra

SOA có thể được phân thành hai loại chính dựa vào hệ số phản xạ của hai mặt phản xạ của lớp tích cực Loại thứ nhất, khuếch đại Fabry-Perot FPA (Fabry-Perot Amplifier) có hệ số phản xạ cao (có thể lên tới 32%) Cấu trúc của FPA cũng tương tự như laser Fabry-Perot nhưng hoạt động với dòng phân cực Ibias<Ith Với cấu trúc hốc cộng hưởng có hệ số phản xạ cao, quá trình hồi tiếp, chọn lọc tần số xảy ra Kết quả là, FPA có độ lợi cao nhưng phổ độ lợi khuếch đại nhấp nhô, không đều Điều này làm giảm băng thông khuếch đại của FPA

Để khắc phục hạn chế trên của FPA, hai lớp chống phản xạ AR (anti-reflection) có hệ

số phản xạ R = 0, được đặt tại hai đầu của vùng tích cực để không cho quá trình phản xạ xảy ra bên trong bộ khuếch đại Khi đó, tín hiệu vào SOA sẽ được khuếch đại khi chỉ đi qua một lần (được gọi là single pass) xuyên qua vùng tích cực của bộ khuếch đại mà

không có hồi tiếp về Đây là cấu trúc của loại SOA thứ hai: khuếch đại sóng chạy TWA (Traveling Wave Amplifier) Trên thực tế, hệ số phản xạ ở hai đầu của vùng tích cực của TWA không hoàn toàn bằng 0 mà có giá trị rất nhỏ từ 0.1% đến 0.01%

3 Đặc tính bộ khuếch đại

3.1 Hấp thụ và khuếch đại:

Chúng ta xét trường hợp của một sóng phẳng đơn sắc truyền theo phương z qua một môi trường khuếch đại với mặt cắt ngang A và chiều dài đơn vị dz Nguồn năng lượng

pP v tạo bởi khối Adz trong vật liệu là khác biệt đơn giản trong tốc độ truyền tải cảm ứng với nhiều mức năng lượng truyền dẫn hν khối nguyên tố chẳng hạn

dP V = (r21 stim−r21)hvAdz (3.1)

Phát xạ này này được thêm vào mạch lạc cho các sóng truyền Quá trình khuếch đại này có thể được mô tả bởi các phương trình vi phân

dz

dPV(z)

= (r21 stim−r12)h νA = g m (ν)P V (3.2) Trong đó g m (v) hệ số vật liệu được cho bởi:

1 2

2 21

8

) )(

(

v n

N N v l c A

r

π

−

(3.3)

Theo (2.3) để đạt được độ lợi tích cực một tập hợp đảo ngược phải tồn tại giữa mức 2

và 1 Nó cũng cho thấy sự hiện diện của A21 rằng quá trình khuếch đại quang là luôn luôn

đi kèm với phát xạ tự phát, nghĩa là tạp âm

3.2 Nhiễu phát xạ tự phát:

Như trình bày ở trên, phát xạ tự phát là hệ quả trực tiếp của quá trình khuếch đại Trong phần này một biểu thức suy ra công suất tạp âm tạo ra bởi một bộ khuếch đại

quang Xét một tín hiệu đầu vào đơn sắc tần số v qua môi trường khuếch đại như hình 3.1

Hinh 3.1: Bộ khuếch đại quang gồm môi trường khuếch đại giữa hai màn chắn

Một bộ phân cực và lọc quang với băng thông B0 với tần số trung tâm là v được đặt

trước bộ thu quang Chùm tia đầu vào được tập trung sao cho chỗ thắt của nó vào đúng môi trường khuếch đại Nếu chùm tia được giả định là có một mặt cắt ngang hình tròn với đường kính eo D sau đó một góc là tia phân kỳ

φB =

r

Dn

π

λ0

4

(3.4)

Trong đó λ0 là bước sóng không gian tự do Sự thay đổi lưới trong công suất tín hiệu khuếch đại coherent một chiều dài nguyên tố dz của môi trường khuếch đại là:

Một khối nguyên tố, với diện tích mặt cắt ngang A và chiều dài dz tại vị trí của môi trường khuếch đại phát xạ tự phát công suất nhiễu:

d '

N

Mỗi photon phát ra một cách tự nhiên có thể tồn tại với xác suất bằng một trong hai trạng thái phân cực trực giao nhau Bộ phân cực sẽ qua đi tín hiệu, đồng thời giảm nhiễu một nửa Do đó tổng công suất nhiễu phát ra bởi các khối nguyên tố vào một góc dΩ và băng thông B0 là:

dP N =

π

4 2

) ( 0

2

21N hvl v B d Adz

(3.7)

Các góc nhỏ nhất có thể được sử dụng mà không bị mất tín hiệu điện là:

dΩ min =

4

2

B

A

n r2

2 0 λ

(3.8)

Góc này có thể được thu được bằng việc sử dụng một khẩu độ hẹp đầu ra phù hợp Trong trường hợp này (2.8) có thể được viết lại như:

dP N =

1 2

2

N N

N

Tổng công suất chùm tia P (tín hiệu và tạp âm) có thể được mô tả bởi:

dz

z

dP )(

Trong đó hệ số phát xạ tự phát nsp được cho bởi:

n sp =

1 2

2

N N

N

Nghiệm của (2.10), giả sử gm độc lập với z, là:

P(z) = P in e g m z + n sp hvB 0 (e g m z -1) (3.12) Trong đó Pin là công suất tín hiệu đầu vào Nếu môi trường khuếch đại có độ dài L thì tổng công suất đầu ra:

Trong đó G = e g m L mà là độ lơi tín hiệu một đơn thông Các bộ khuếch đại cộng công suất tạp âm:

(3.14) cho thấy tăng đảo mật độ có thể làm giảm tạp âm SOA Tạp âm cũng có thể được giảm bằng cách sử dụng một bộ lọc quang hẹp

3.3 Độ lợi tín hiệu nhỏ và độ lợi băng thông:

Nói chung có hai định nghĩa độ lợi cơ bản cho SOA Đầu tiên là độ lợi nội tại G của SOA, mà chỉ đơn giản là tỷ số giữa công suất tín hiệu đầu vào ở các mặt phẳng đầu vào

và công suất tín hiệu ở mặt phẳng đầu ra Định nghĩa thứ hai là độ lợi sợi-đến-sợi, trong

đó bao gồm các tổn hao ghép nối đầu vào và đầu ra Độ lợi phổ của một SOA cụ thể phụ thuộc vào cấu trúc, vật liệu của nó và các thông số hoạt động Đối với hầu hết các ứng

dụng yêu cầu độ lợi cao và băng thông rộng Các tín hiệu nhỏ (nhỏ ở đây có nghĩa là tín hiệu có ảnh hưởng không đáng kể trên hệ số độ lợi SOA) độ lơi nội tại của một SOA

Fabry-Perot tại tần số quang v được cho bởi:

G(v) =

2 0

i

E

E

0

2 2 1

2 2 1

2 1

v L R

R G R

R G

G R R

s s

s

ω

ω − +

−

−

−

(3.15)

Trong đó R1 và R2 la hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra và ∆v là khoảng cách khoang

dọc được đưa ra bởi:

∆ν =

r

Ln

c

• g: độ lợi trên một đơn vị chiều dài của vùng tích cực

• α: suy hao trên một đơn vị chiều dài của vùng tích cực

• Γ: hệ số tập trung (confinement factor) biểu diễn mức độ tập trung của luồng

ánh sáng bên trong vùng tích cực

4 Ứng dụng của SOA

4.1 Bộ điều biến cường độ và pha SOA :

SOA có thể được sử dụng để điều chế cường độ hoặc pha của một tín hiệu CW (sóng mang) quang Điều chế cường độ có thể đạt được bằng cách điều biến đơn giản các bộ khuếch đại dòng với một tín hiệu dữ liệu phù hợp.Hiện tại

điều chế điều biến các bộ khuếch đại và do đó đạt được những tín hiệu đầu vào quang học.Điều chế băng thông bị hạn chế bởi bộ khuếch đại thời gian sống sóng mang Để cóhiệu suất tốt hơn là đạt được bằng cách sử dụng điều biến mở rộng hoặc điều biến electroabsorption Thứ hai cũng có thể được tích hợp với một nguồn laser Các yêu cầu tuyến tính của hệ thống truyền dẫn quang học tương tự thường loại trừ khả năng sử dụng một SOA như là một điều biến bên ngoài hệ thống Điều này là do mật độ các sóng mang thứ hai gây ra trật tự phi tuyến bóp méo Nó đã được chứng minh rằng nó có thể sử dụng một SOA như là một bên ngoài điều biến trong một đa sóng mang liên kết đa kênh ghép video kỹ thuật số

H 7.1: Hiệu ứng chuyển đổi chống lại sự lệch hưởng tần số

H7.2 SOA sử dụng như một bộ điều biến cương độ Tín hiệu ra hạn chế và giảm thời gian

do thời gian sống sóng mang khác 0 Các giai đoạn của một tín hiệu truyền thông qua một SOA cũng có thể được điều chế thông qua mật độ sóng mang phụ thuộc vào chỉ số hiệu quả của bộ khuếch đại Các giai đoạn phản ứng điều chế là tỉ lệ thuận vớ Như hình 7,3, tăng như là năng lượng photon năng lượng tín hiệu tới gần bandgap Điều này có nghĩa phản ứng giai đoạn tối ưu của bộ khuếch đại có thể thu được bằng cách lựa chọn một bước sóng hoạt động ở phía bên miền bước sóng dài của bộ khuếch đại quang phổ thu được Điều biến quang có thể

sử dụng hữu ích trong mạch lạc quang học thông tin liên kết

4.2 Bộ chuyển đổi bước sóng SOA

Bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang đóng vai trò rất quan trọng trong mạng quang băng rộng, giúp giải quyết vấn đề tắc nghẽn bước sóng trong các bộ kết nối chéo quang trong mạng WDM Bộ chuyển đổi bước sóng làm tăng sự linh hoạt và dung lượng mạng Ngoài

ra, trong mạng chuyển mạch gói, chuyển đổi bước sóng có thể sử dụng để giải quyết xung đột gói và làm giảm yêu cầu về đệm quang Ở đây chỉ xin giới thiệu cấu hình SOA sử dụng hiệu ứng XPM Các cấu hình khác như SOA-XGM, SOA-FWM có thể tham khảo trong các tài liệu [1], [2] và [3]

Bộ chuyển đổi bước sóng SOA-XPM

Bước sóng chuyển đổi cũng có thể trên cơ sở SOA -XPM Những bước sóng chuyển đổi

có công suất hiệu quả vượt trội so với các thiết bị dựa trên ngày XGM Họ cũng có độ di tần thấp hơn vì được giảm điều chế Để sử dụng XPM, một hoặc nhiều SOA phải được đặt trong một cấu hình giao thoa Ba loại giao thoa cơ bản được sử dụng trong các ứng dụng SOA Phổ biến nhất loại hình giao thoa được sử dụng trong XPM chuyển đổi bước sóng dựa là MZI,

Trong bộ chuyển đổi bước sóng bất đối xứng MZI đầu vào CW tại được chia bất đối xứng cho mỗi cánh tay của MZI bởi một bộ nối Bộ điều chế cường độ tín hiệu tại điểm bão hòa mỗi SOA bất đối xứng bao gồm các dịch pha khác nhau trong tín hiệu CW đầu vào thông qua mật độ gồm gây ra thay đổi chỉ số khúc xạ Các tổ hợp đầu ra bộ nối chia tín hiệu CW nơi mà chúng có thể gây nhiễu cộng hưởng hay triệt tiêu Hiện trạng nhiễu phụ thuộc vào sự chênh lệch pha tương đối giữa các thiết bị đo, mà phụ thuộc cả vào dòng định thiên trên SOA và trên công suất đầu vào quang học Các MZI sóng đối xứng chuyển đổi bước sóng có cùng một nguyên tắc điều hành Nó đòi hỏi một bộ nối thêm nhưng có thể sử dụng bộ nối ghép với chia tỷ lệ bằng nhau Ngoài ra các tín hiệu đầu vào

là chỉ ăn với một trong các SOA

Nếu công suất của tín hiệu CW trên và dưới giao thoa, chỉ cần trước khi giao thoa tại bộ nối tái tổ hợp tại , và , sau đó công suất của tín hiệu ra được cho bởi công thức :

trong đó là độ lệch pha của 2 sóng giao thoa là về cơ bản việc chuyển giao chức năng