Đề tài: KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN

Hình 1.2 Phổ tán sắc đặc trưng của sợi quang silic kiểu đơn Khi cự ly truyền dẫn sợi quang tăng, độ suy hao tín hiệu và độ tán sắc cũng tăng lên, do đó tại một số điểm trong đường dẫn t

Viện Điện tử Viễn thông

Bộ môn :Mạch và xử lý tín hiệu

Đề tài: KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN

Giáo viên hướng dẫn: ThS.Nguyễn Bích Huyền

Nguyễn Văn Thành

Kĩ sư chất lượng cao K52

MỤC LỤC

Lời nói đầu……… ……… ……… 2

I Tổng quan về khếch đại quang……… 3

I.1 Giới thiệu khuếch đại quang………3

I.2 Phân loại khếch đại quang……… 7

II Nguyên lý cơ bản……….9

II.1 Mô tả cơ bản……… 9

II.2 Nguyên lý khuếch đại……… 10

II.3 Các thông số kĩ thuật……….11

III Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của SOA……… 16

III.1 Cấu trúc cơ bản của SOA……….16

III.2 Nguyên lý hoạt động……… 16

III.3 Đặc tính bộ khuếch đại FPA và TWA……….18

IV Ứng dụng cơ bản của SOA……… 22

IV.1 Bộ khuếch đại tăng cường……….23

IV.2 Bộ tiền khuếch đại……….25

IV.3 Bộ khuếch đại đường dây và các tầng khuếch đại……….27

V Ưng dụng chức năng của SOA……… 28

V.1 Sự phi tuyến của SOA……… 28

V.2 Các ứng dụng chức năng của SOA……….31

Kết luận……… 40

Tài liệu tham khảo……… 41

Lời nói đầu

Thế kỷ 21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin và viễn thông đặc biệt là các hệ thống và công nghệ thông sợi tin quang trong hơn hai mươi lăm năm qua Sự nhảy vọt này có được là nhờ sự phát triển của công nghệ quang điện tử học được sử dụng để khai thác băng thông cực kỳ tiềm năng của sợi quang Ngày nay, các hệ thống được vận hành với tỷ số bit vượt qua 100Gb/s nhờ các kỹ thuật như dồn kênh chia theo bước sóng (WDM)

Công nghệ quang là trung tâm của việc hiện thực hóa các hệ thống tương lai nhằm đáp ứng được nhu cầu thông tin của con người.Những khả năng này bao gồm dải thông không giới hạn tới các dịch vụ thông tin kèm theo và sự trong suốt hoàn toàn cho phép các nân cấp dung lượng và sự linh hoạt định tuyến của kênh truyền.Nhưng cần nhấn mạnh rằng, khuếch đại quang đóng vai trò quan trọng trong sự tiến triển của thông tin quang

Nói chung, các bộ khuếch đại quang có hai loại: khuếch đại quang sợi (OFA) và khuếch đai 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

Mục đích của bài báo cáo này là cung cấp một sự hiểu biết tổng quan về nguyên

lý, cấu trúc và ứng dụng của SOA, được biệt liên quan đến việc sử dụng nó trong các hệ thông thông tin quang

Nhân dịp này, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Nguyễn Bích

Huyền vì đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu giúp chúng em hoàn thành bài báo cáo

này

Bách Khoa, ngày 01 tháng 11 năm 2011

I Tổng quan về khuếch đại quang

1.1 Giới thiệu khuếch đại quang

Thông tin sử dụng sợi quang gặp hai hạn chế chính là: độ suy hao và độ tán sắc Độ suy hao dẫn đến sự suy giảm năng lượng tín hiệu và do đó làm giảm khoảng cách truyền tin Vì thế suy hao sợi là vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế, nó xác định bộ lặp và khuếch đại của

hệ thống sóng ánh sáng cự ly xa Trong khi độ tán sắc lại sinh ra sự mở rộng xung quang và

vì vậy nhiễu giao thoa liên ký hiệu (intersymbol interference – là một dạng của méo tín hiệu trong đó một cực đại phụ giao thoa với cực đại phụ con) làm tăng tỷ số lỗi (BER – bit error rate) của hệ thống Nếu các xung quang mở rộng ngoài bit slot của chúng thì tín hiệu sẽ suy giảm rất lớn và dẫn đến không thể khôi phục với độ chính xác cao.Độ tán sắc chủ yếu làm hạn chế dải thông của sợi quang Hình 1.1, suy hao của sợi quang silic kiểu đơn nhỏ nhất trong vùng bước sóng 1.55µm(0.2dB/Km).Suy hao cao hơn một chút trong vùng 1.3µm (0.5dB/Km)

Hình 1.1 Phổ suy hao đặc trưng của sợi quang silic kiểu đơn ít suy hao

Phổ tán sắc của sợi silic kiểu đơn được minh họa trong hình 1.2, nhỏ nhất trong vùng bước sóng1.3µm và khá lớn trong vùng bước sóng gần 1.5µm.Do giá trị của phổ suy hao và tán sắc là nhỏ ở các cửa sổ 1.55µm và 1.3µm Cho nên chúng là vùng bước sóng chính được sử dụng

trong các hệ thống thông tin sợi quang thương mại hiện nay Các hệ thống thông tin quang cũng

sử dụng vùng 830nm, chủ yếu trong các đường dẫn có khoảng truyền ngắn với tỷ số bit trung bình mà không yêu cầu khuếch đại quang

Hình 1.2 Phổ tán sắc đặc trưng của sợi quang silic kiểu đơn

Khi cự ly truyền dẫn sợi quang tăng, độ suy hao tín hiệu và độ tán sắc cũng tăng lên, do

đó tại một số điểm trong đường dẫn thông tin sợi quang, tín hiệu quang sẽ cần 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 các bộ lặp quang điện.Trong các trạm lặp quang điện này (hình 1.3), quá trình khuếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước

Hình 1.3 Cấu trúc một trạm lặp quang điện

Hoạt động của trạm lặp: Tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ

thu quang (optical receiver) 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 (optical transmitter) và được truyền đi trong sợi quang.Như vậy, quá trình khuếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện

Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH.Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM

Một giải pháp có thể khắc phục các nhược điểm trên của trạm lặp quang điện, đó là sử dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier).Trong các bộ khuếch đại quang này, tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến đổi sang miền điện So với các trạm lặp, các bộ khuếch đại quang có các ưu điểm sau:

- Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi (bộ biến đổi E/O hoặc O/E) Do đó khuếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn

- Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương thức điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống đơn giản hơn

Phương pháp này có một số nhược điểm Đầu tiên, nó tham gia vào việc làm đứt đường dẫn quang và vì thế không trong suốt về mặt quang (tức là phụ thuộc vào tính chất của tín hiệu quang đầu vào) Thứ hai, quá trình tái sinh phụ thuộc vào dạng điều chế tín hiệu và tỷ số bit nên

nó không trong suốt về điện.Điều này tạo nên nhiều khó khăn khi cần nâng cấp đường dẫn Một cách lý tưởng, nâng cấp đường truyền phải bao hàm các sự thay đổi hoặc thay thế các thiết bị đầu cuối (máy phát, máy thu…) Thứ ba, khi các bộ khôi phục là các hệ thống phức tạp và được điều khiển từ xa hoặc khó truy cập tới vị trí của nó như các đường truyền dưới biển thì độ an toàn của

hệ thống dễ bị hư hại.Vì vậy, trong các hệ thống mà suy hao sợi quang là nhân tố hạn chế thì một

bộ khuếch đại quang nội tiếp sẽ được sử dụng thay thế bộ khôi phục.Thực chất, nó là thiết bị tin cậy và ít đắt tiền hơn

Hơn nữa, bộ khuếch đại quang nội tuyến cũng rất có lợi như máy khuếch đại công suất (power booster).Bên cạnh đó, những ứng dụng hệ thống cơ bản của khuếch đại quang còn hữu ích như các khối khuếch đại quang chung nhằm sử dụng trong các hệ thống lớn hơn.Sự cải thiện của các hệ thống thông tin quang được thực hiện bằng việc sử dụng các bộ khuếch đại quang ngày càng cung cấp thêm các cơ hội mới nhằm khai thác dải thông sợi

Có hai loại khuếch đại quang: SOA và OFA Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, SOA thu hút nhiều mối quan tâm hơn trong việc sử dụng chúng như các bộ khuếch đại quang cơ bản

và như các thành phần chức năng trong các hệ thống thông tin quang và các thiết bị xử lý tín hiệu quang

1.2 Phân loại khuếch đại quang

Cấu tạo của bộ khuếch đại quang được miêu tả trong hình 1.4:

Hình 1.4 Mô hình tổng quát của bộ khuếch đại quang

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra 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 Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính:

- Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier)

- Khuếch đại quang sợi (Optical Fiber Amlplifier)

II Nguyên lý cơ bản

Phần này sẽ trình bày các nguyên lý cơ bản của các bộ khuếch đại quang bán dẫn.Quá trình khuếch đại quang học và nhiễu cùng với 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

2.1 Mô tả cơ bản

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

Vùng hoạt tính trong thiết bị truyền độ lợi 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 tính hợp để sóng lan truyền vào vùng hoạt tính.Tuy nhiên, sóng quang học bị giam cầm này yếu nên một số tín hiệu sẽ 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 hay độ lợi

Các SOA được chia thành hai loại chính được biểu diễn ở hình 2.2 : SOA Fabry perot (FP-SOA) trong đó sự phản xạ từ các mặt cuối là đáng kể (nghĩa là, tín hiệu đi qua bộ khuếch đại nhiều lần) và SOA sóng chạy (TW-SOA) trong đó sự phản xạ có thể được bỏ qua (nghĩa là tín hiệu chỉ đi qua bộ khuếch đại một lần) 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 đối với sự dao động trong dòng phân cực, nhiệt độ và sự phân cực tín hiệu

2.2 Nguyên lý khuếch đại

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 2.3

Hình 2.3 Các hiện tượng biến đổi quang điện: a Hấp thụ b Phát xạ c Phát

xạ kích thích Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 2.3.c, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hν12 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 ngõ ra

Hiện tượng hấp thụ (absorption) trong hình 2.3(a), xảy ra khi một photon có năng lượng

hf12 bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp.Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf12 của photon 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 xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao.Hay nói cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang.Quá trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại

Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hình 2.3.b, xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát

ra một năng lượng Eg= E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng.Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E1 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử.Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống (life time) của điện tử ở mức năng lượng cao, các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững).Tùy theoloại vật liệu khác nhau, thời gian sống của điện tử sẽ khác nhau

Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong khuếch đại quang, phát xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại Nguyên nhân là do hiện tượng này xảy ra một cách tự phát không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào bộ khuếch đại Nếu không có ánh sáng tín hiệu đưa vào, vẫn có năng lượng ánh sáng được tạo ra ở ngõ ra của bộ khuếch đại Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích thích Do vậy, phát xạ tự phát được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ tự phát được khếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise).Ảnh hưởng của loại nhiễu này đối khuếch đại quang và hệ thống thông tin quang sẽ được trình bày chi tiết trong phần sau của chương này

2.3 Các thông số kỹ thuật

a Độ lợi - Gain

Độ lợi của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở ngõ ra chia cho công suất quang ở ngõ vào:

Trong đó:

 G: Độ lợi tín hiệu của bộ khuếch đại quang

 Pin, Pout: công suất tín hiệu ánh sáng ở ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại quang (mW)

Độ lợi là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại.Nó đặc trưng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại.Tuy vậy, độ lợi của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các

cơ chế bão hòa độ lợi.Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại

b Băng thông độ lợi – Gain Bandwith

Độ lợi của bộ khuếch đại quang không bằng nhau cho tất cả các tần số của tín hiệu quang vào.Nếu đo độ lợi G của các tín hiệu quang với các tần số khác nhau, một đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) sẽ đạt được Đây chính là phổ độ lợi của bộ khuếch đại quang

Băng thông độ lợi của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi điểm -3dB so với độ lợi đỉnh của bộ khuếch đại.Giá trị Bo xác định băng thông của các tín hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại quang.Do đó, ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống thông tin quang khi

sử dụng chúng như các bộ lặp hay bộ tiền khuếch đại

c Công suất ngõ ra bão hòa

Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, cg suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số độ lợi G: Pout = G.Pin Tuy nhiên, công suất ngõ ra không thể tăng mãi được.Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất cả các bộ khuếch đại quang, khi công suất ngõ vào Pin tăng đến một mức nào đó, độ lợi G bắt đầu giảm Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với tính hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bảo hòa.Sự thay đổi của tín hiệu quang ngõ ra so với công suất quang ngõ vào ở được minh họa trong hình 2.4.a

Hình 2.4-b biểu diễn sự biến đổi của độ lợi tín hiệu G theo công suất quang ngõ ra Pout Công suất ở ngõ ra tại điểm độ lợi giảm đi 3 dB được gọi là công suất ra bảo hòa Psat, out

Công suất ra bảo hòa Psat, out của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất ngõ ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó có thể hoạt động được.Thông thường, một bộ khuếch đại quang

có độ lợi cao sẽ có công suất ra bão hòa cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng

d Hệ số nhiễu – Noise figure

Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra nhiễu Nguồn nhiễu chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát Vì sự phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ tự phát cũng ngẫu nhiên Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền của các photon tín hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và biên độ Bên cạnh đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo

ra cũng sẽ được khuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía ngõ ra Do đó, tại ngõ ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được Pout bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại

và công suất nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission)

Pout = G.Pin + PASE

Ảnh hưởng của nhiễu đối với bộ khuếch quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF (Noise Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) do nhiễu của bộ khuếch đại thêm vào Hệ số NF được cho bởi công thức sau:

Trong đó, SNRint, SNRout là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại.Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt.Giá trị nhỏ nhất của NF có thể đạt được là 3dB.Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số nhiễu tối thiếu này được gọi là đang hoạt động

ở giới hạn lượng tử

Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đại quang còn được đánh giá dựa trên các thông số sau:

e Xuyên nhiễu của SOA

Nhiễu xuyên âm xảy ra khi các tín hiệu quang khác nhau được khuếch đại đồng thời trong cùng một bộ khuếch đại Có hai loại nhiễu xuyên âm xảy ra trong SOA: nhiễu xuyên kênh (interchannel crosstalk) và bảo hòa độ lợi (cross saturation) Nhiễu xuyên kênh xảy ra là do hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four Wave Mixing)

Nhiễu xuyên kênh gây nên do hiện tượng bảo hòa độ lợi xảy ra trong SOA được minh họa trên hình 2.8.Xem xét đầu vào bộ SOA là tổng của hai tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau Giả thiết rằng cả 2 bước sóng nằm trong băng thông của SOA Sự có mặt của tín hiệu thứ hai sẽ làm suy giảm mật độ điện tử ở vùng năng lượng cao do quá trình bức xạ kích thích làm dẫn đến sự nghịch đảo nồng độ được quan sát ở tín hiệu thứ nhất giảm xuống Do đó, tín hiệu thứ nhất sẽ không được khuếch đại giống như tín hiệu thứ hai, và nếu mật độ điện tử ở vùng năng lượng cao không đủ lớn thì tín hiệu thứ nhất có thể bị hấp thụ.Quá trình này xảy ra đồng thời đối với cả hai tín hiệu Do đó, trên hình 2.8 ta thấy, khi mức 1 của hai tín hiệu 1 và 2 xảy ra đồng thời, độ lợi của mỗi tín hiệu sẽ nhỏ hơn so với bình thường.Hiện tượng xuyên âm phụ thuộc vào thời gian sống của điện tử ở trạng thái năng lượng cao.Nếu thời gian sống đủ lớn so với tốc độ dao động của công suất trong các tín hiệu vào, các điện tử không thể chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp do sự dao động này.Do đó, không có xuyên âm xảy ra.Đối với các SOA, thời gian sống này ở mức ns Do đó, các điện tử dễ dàng phản ứng lại sự dao động trong công suất của các tín hiệu được điều chế ở tốc độ Gb/s, dẫn đến một sự suy yếu

hệ thống chính do xuyên âm.Ngược lại, thời gian sống phát xạ tự phát trong EDFA là khoảng 10ms Do đó, xuyên âm chỉ có mặt nếu tốc độ điều chế của các tín hiệu vào ít hơn vài kiloHertz, điều này thường ít gặp trong thực tế Do đó, EDFA phù hợp hơn khi được sử dụng trong các hệ thống WDM hơn SOA

Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đại quang còn được đánh giá dựa trên các thông số sau:

- Độ nhạy phân cực (Polarization sensitivity) là sự phụ thuộc của độ lợi của bộ khuếch đại vào phân cực của tín hiệu

- Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ lợi và băng thông độ lợi

- Cấu trúc

III Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của SOA

Cấu trúc của SOA có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nó vì vậy tùy theo ứng dụng cụ thể cấu trúc của SOA sẽ được lựa chọn để thỏa mãn một đặc tính đặc biệt nào đó hoặc tiệm cận với các tính chất lý tưởng

3.1 Cấu trúc cơ bản của SOA

Cấu trúc của SOA tương tự như laser bán dẫn.Nghĩa là dựa trên hệ thống hai dải năng lượng của chất bán dẫn và các quá trính biến đổi quang điện: hấp thu (absorption), phát xạ tự phát (spontaneous emission) và phát xạ kích thích (stimulated emission) Trong đó, tín hiệu quang được khuếch đại dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra trong vùng tích cực của SOA như hình 3.1.1

3.1.1 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 vùng bao phủ có năng lượng cấm cao hơn nhưng chiết suất thấp hơn vùng hoạt tính

3.2 Hoạt động của SOA

Các hạt tải được bơm vào vùng hoạt tính của SOA từ 1 dòng phân cực được đặt vào.Các hạt tải phải tạo ra đường đi và đi xuyên qua vùng bao phủ trước khi tới được 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 so với tổng thể vùng hoạt tính là tương đối nhỏ do vậy chỉ có một phần ít 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 nhược điểm này người ta sử dụng các biện pháp giam cầm các hạt trong

vùng hoạt tính tránh khuếch tán đi các nơi khác.Trong cấu trúc của SOA đạt được điều này nhờ

sự chênh lệch độ rộng vùng cấm giữa các vùng hoạt tính và vùng bao phủ.Nhờ có cấu trúc dị tiếp xúc các hạt tải điện sẽ được giam cầm vào vùng giữa các hàng rào

Trong cấu trúc của SOA vùng hoạt tính có chiết suất cao hơn vùng bao phủ vì vậy no có vai trò như một ống dẫn sóng điện môi tiết diện hình chữ nhật, chính điều này giúp giam cầm ánh sáng truyền qua thiết bị vào vùng hoạt tính truyền qua thiết bị vào vùng hoạt tính.Lượng dẫn sóng được đặc trưng bởi hệ số giam cầm quang học Г, 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 và từ trong ống dẫn sóng tuân theo các điều kiện biên của ống dẫn sóng Độ rộng của vùng hoạt tính có 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 (dọc theo trục x trong hình 3.1) và mode từ ngang (TM) trong đó từ trường được phân cực dọc theo trục x Mode

là ngang bởi vì các trường điện và từ ứng với nó 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 vào mode, đông thời cũng cải tiến hiệu suất ghép từ thiết bị quang

Với SOA dị tiếp xúc kép tồn tại một chiết suất nhẩy bậc theo hướng y giữa vùng hoạt tính

và vùng bao phủ, điều này không xảy ra theo hướng x.Sự dẫn sóng theo hướng x đạt được qua các hạt tải điện được bơm vào, nó làm thay đổi chiết suất của vùng hoạt tính.Quá trình này được gọi là “dẫn độ lợi”.Sự thay đổi của chiết suất theo hướng x nhỏ hơn theo hướng y.Điều này có nghĩa là Г phụ thuộc vào sự phân cực, Г 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

Yếu tố phản xạ bề mặt của hai mặt phản xạ của lớp tích cực có ảnh hưởng trực tiếp đến việc đạt được hoạt đọng sóng chạy trong một OA.Dựa trên hệ số phản xạ có thể chia SOA làm hai loại chính:

- Khuếch đại Fabry-Perot (FPA): đặc điểm của loại này là có hệ số phản xạ bề mặt cao (khoảng 30%) Sở dĩ có điều này vì do các vật liệu bán dẫn thướng có chiết suất cao.Mặt khác

công thức để tính hệ số phản xạ bề mặt đối với tia tới vuông góc tại mặt phân cách được thể hiện như sau

Trong đó n1, n2 lần lượt là chiết suất của các lớp điện môi

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 giảm hệ số phản xạ bề mặt ta có thể sử dụng các 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%

Sóng phân cực ngang (TE) được xét.Vùng hoạt tính có chiết suất n a chiều dày d.Các vùng bao

phủ xung quanh có chiết suất n c và được giả sử mở rộng ra vô cùng

3.3 Đặc tính bộ khuếch đại FPA và TWA

Xét một bộ khuếch đại FPA có hệ số phản xạ công suất ở hai mặt phản xạ lớp tích cực là

R1 và R2 ,với bộ khuếch đại TWA thì ta có thể coi như R1 =R2 =0 Do đó các công thức sau này

có thể áp dụng cho cả FPA và TWA.Bỏ qua suy hao khi ánh sáng truyền qua mỗi mặt phản xạ,ta

có hệ số xuyên qua của suất ánh sáng đi qua mặt phản xạ lần lượt là 1- R1 và 1- R2 .Do vậy hệ số phản xạ và hệ số xuyên qua của cường độ điện trường tại hai mặt phản xạ là

Gọi Gs là độ lợi đơn thông (single-pass gain) của SOA khi tín hiệu đi qua vùng tích cực

mà không có sự hồi tiếp ( hệ số phản xạ R=0) Ta có

Trong đó :

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

Г:Hệ số tập trung biểu diễn mức độ tập trung của luồng ánh sáng bên trong vùng tích cực

L:Chiều dài của vùng tích cực

Pin , Pout :Công suất tín hiệu ở ngõ vào và ra của bộ khuếch đại

Quá trình khuếch đại tín hiệu ánh sáng có thể giải thích như sau

Điện trường của tín hiệu quang Ei được đưa vào hốc cộng hưởng của FPA có chiều dài L tại mặt phản xạ R1 .Sau khi xuyên qua mặt phản xạ R1 ,tín hiệu ban đầu sẽ được khuếch đại bởi vùng tích cực và đạt cường đại bởi vùng tích cực và đạt cường độ t1 √ s Ei e –jkL

tại mặt phản xạ R2 (k

là hệ số truyền dẫn của môi trường khuếch đại).Tại đây ,một phần năng lượng ánh sáng sẽ truyền

ra ngoài với cường độ t1 t2 √ s Ei e –jkL

.Phần còn lại sẽ phản xạ ngược trở lại phía R1 với cường độ

t1 √ s √ 2 Ei e-jkL.Tại R1 ,điện trường thu dduocj là t1 Gs √ Ei e-2jkL sẽ phản xạ ngược về R2 ,phần còn lại sẽ đi ra ngoài hốc cộng hưởng Sau khi đi qua khoảng cách L của vùng tích cực, tín hiệu thu được tại R1 đạt giá trị t1 Gs √ √ Ei e-3jkL.Quá trình phản xạ và truyền xuyên qua mặt phản xạ R2 tiếp tục diễn ra.Phần tín hiệu xuyên qua có điện trường t2t1Gs √ √ Ei e-3jkLPhần còn lại sẽ phản xạ ngược về phía R1.Cứ như vậy quá trình phản xạ trong vùng tích cực tiếp tục tiếp diễn Điện trường tổng cộng thu được tại ngõ ra của bộ khuếch đại sẽ bằng tổng của các thành phần điện trường đi xuyên qua R2 Nếu giả sử rằng thời gian truyền trong hốc cộng hưởng nhỏ hơn chu kỳ của điện trường tới Ei, ta có điện trường thu được tại ngõ ra

Với| √ Gs |<1 biểu thức trên có thể biến đổi thành

Hàm truyền công suất của bộ khếch đại FPA được biểu diễn như sau:

Mặt khác sin2(kL)=sin2(ωL/v)=sin2( (ω-ω0)L/v ) với v là vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường khuếch đại Do vậy ta có thể viết lại biểu thức trên như sau

Ta sẽ có mối quan hệ giữa độ lợi G(f) của FPA thay đổi theo tần số với 3 giá trị khác nhau của

hệ số phản xạ R=0.3 ,R=0.03 và R=0

Giả sử độ lợi đơn thông Gs, tương ứng với R=0 (TWA), có dạng Gauss Khi hệ số phản xạ của hai lớp phản xạ của vùng tích cực lớn R=0.3, độ lợi G(ω) không bằng phẳng theo tần số mà có dạng gợn sóng lớn do chức năng lọc tần số của hốc cộng hưởng Tại các tần số cộng hưởng ω=(2πfN)/(2L) với N là số nguyên, độ lợi của FPA đạt giá trị cực đại.Giữa các tần số công