Nghiên cứu chế tạo khuyếch đại quang bán dẫn trên cơ sở vật liệu bán dẫn cấu trúc cấu trúc nanô

3.1.1 Đặc trưng công suất của chip SOA một 3.2 Các kết quả nghiên cứu về đặc trưng khuếch đại của module SOA 3.2.1 Khảo sát các đặc trưng của nguồn tín hiệu 3.2.2 Khuếch đại tín hiệu nhỏ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ NGỌC HẢI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANÔ

LUẬN VĂN THẠC SỸ

HÀ NỘI – 2005

VŨ NGỌC HẢI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BÁN DẪN

CẤU TRÚC NANÔ

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nanô

Ngành: Khoa học và Công nghệ Nanô

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ DOÃN MIÊN

HÀ NỘI – 2005

Mục Lục

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mở Đầu

Chương I-TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN 1.1

Nguyên lý hoạt động và đặc trưng cơ bản của khuếch đại

quang bán dẫn

1.1.1 Nguyên lý khuếch đại trong hệ hai mức năng lượng

1.1.2 Những đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn

1.2 Khuếch đại quang bán dẫn trên cơ chip khuếch đại miền tích cực nghiêng góc 70

1.2.1 Tính chất của vật liệu bán dẫn cấu trúc giếng lượng tử

1.2.2 Chíp khuếch đại quang bán dẫn miền tích cực nghiêng phủ màng chống phản xạ

1.2.3 Module khuếch đại quang bán dẫn

1.3 Một số ứng dụng của SOA

1.3.1 SOA với chức năng là một bộ khuếch đại

1.3.2 Các ứng dụng chức năng của SOA

Chương II-KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Kỹ thuật chế tạo module khuếch đại quang bán dẫn dựa trên chip khuếch đại miền tích cực nghiêng góc 7 0

2.1.1 Chíp khuếch đại quang bán dẫn và kỹ thuật hàn lên đế toả nhiệt

2.1.2 Ghép nối sợi quang với hai mặt của miền tích cực

2.2 Kỹ thuật đo các đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn

2.2.1 Hệ đo đặc trưng công suất của module khuếch đại và nguồn tín hiệu

2.2.1 Kỹ thuật đo cấu trúc phổ

2.2.3 Kỹ thuật khảo sát đặc trưng khuếch đại của module SOA

2.3 Khảo sát các ứng dụng chức năng của SOA Chương III-KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1.1 Đặc trưng công suất của chip SOA một

3.2 Các kết quả nghiên cứu về đặc trưng khuếch đại của module SOA

3.2.1 Khảo sát các đặc trưng của nguồn tín hiệu

3.2.2 Khuếch đại tín hiệu nhỏ và phổ lối ra của SOA

3.2.3 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất lối vào, lối ra

và sự bão hoà khuếch đại

3.2.4 Chỉ số tạp âm

3.2.5 Sự ảnh hưởng phân cực

3.3 Kết quả nghiên cứu một số ứng dụng chức năng của SOA

3.3.1 Hiệu ứng chuyển mạch trong SOA điều khiển bằng xung điện

3.3.2 Chuyển mạch hoàn toàn quang

3.3.3 Hiệu ứng trộn bốn bước súng FWM

KẾT LUẬN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC

GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

Khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) đãđược nghiên cứu ngay sau khi phát minh ra laser bán dẫn vào năm 1962 nhưng mãiđến những năm 1980, nó mới được phát triển và đưa vào ứng dụng trong thực tế.Những năm gần đây, cùng với sự ra đời của ngành công nghệ nanô, các SOA trên

cơ sở vật liệu bán dẫn cấu trúc nanô lại được tập trung nghiên cứu mạnh mẽ

SOA chủ yếu được sử dụng như một bộ khuếch đại trực tiếp tín hiệu trên các

hệ thống truyền dẫn quang Khi ánh sáng laser truyền trong sợi quang trên các hệtruyền dẫn thì khoảng cách truyền sẽ bị giới hạn do sự mất m át trong sợi và một sốnguyên nhân khác Trước đây, giới hạn này được khắc phục bằng cách tái phát xạtín hiệu quang tại chỗ bởi bộ lặp lại (repeater) Với bộ lặp lại này, tín hiệu quangđược biến đổi thành tín hiệu điện, được khuếch đại lên, sau đó biến đ ổi trở lại thànhtín hiệu quang để truyền đi tiếp Vì vậy, hầu hết các bộ tái phát xạ thường rất phứctạp và quá đắt đối với hệ thống truyền ánh sáng - đặc biệt là đối với hệ thống truyền

đa kênh Khuếch đại quang được nghiên cứu và chế tạo nhằm giải quyết vấn đề này

Hiện nay có hai loại khuếch đại quang đã được nghiên cứu và phát triển đểứng dụng cho khuếch đại ánh sáng trong khi truyền dẫn là khuếch đại quang bándẫn (Semiconductor Optical Amplifiers - SOA) và khuếch đại sợi quang pha đấthiếm (Erbium Doped Fiber Amplifiers - EDFA) Người ta thường sử dụng khuếchđại sợi pha tạp đất hiếm EDFA làm bộ khuếch đại trên các hệ thống thông tin cápquang đường dài ở vùng bước sóng 1.55 m Tuy nhiên, SOA có nhiều ưu điểm khácrất đáng quan tâm: dải phổ khuếch đại rộng, kích thước nhỏ gọn, hoạt động bằngdòng bơm điện, giá thành rẻ Do đó, SOA được phát triển rộng rãi và đóng vai tròquan trọng trong các ứng dụng tương lai Ngoài ra, SOA còn được sử dụng

cho nhiều mục đích trong hệ thống thông tin quang sợi như: biến điệu quang, cổnglogic, khoá quang học (optical switches), bộ biến đổi bước sóng

Trong luận văn này chúng tôi giới thiệu một số kết quả nghiên cứu, chế tạokhuếch đại quang bán dẫn sóng chạy trên cơ sở chip khuếch đại quang bán dẫn cómiền tích cực nghiêng góc 70 phủ màng chống phản xạ kép TiO2/SiO2 tại hai mặtdựa trên vật liệu bán dẫn InGaAsP/InP có cấu trúc nanô hoạt động ở vùng sóng

1550 nm Các kết quả thu được có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển côngnghệ chế tạo khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy tại Việt Nam và các ứng dụng của

nó trong các hệ thống thông tin quang

Nội dung của luận văn được trình bày trong ba chương

Chương 1: Nghiên cứu lý thuyết về khuếch đại, lý thuyết về SOA có miền

tích cực nghiêng góc 70 có màng chống phản xạ kép TiO2/SiO2, các tính chất, đặctrưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy, các ứng dụng của nó trong

hệ thống thông tin cáp quang

Chương 2: Trình bày các công nghệ, thiết bị, kỹ thuật, phương pháp dùng để

chế tạo, khảo sát, nghiên cứu khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy và các đặc trưng

Chương I

TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN

Trong chương này chúng ta sẽ khảo sát nguyên lý và các đặc trưng cơ bản củakhuếch đại quang bán dẫn Nghiên cứu lý thuyết về khuếch đại quang bán dẫn trên

cơ sở chip khuếch đại có miền tích cực nghiêng góc 7 0 ứng dụng cho quá trình thựcnghiệm Phần cuối của chương là một số ứng dụng khuếch đại và ứng dụng chứcnăng chính của SOA

1.1 Nguyên lý hoạt động và đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn

SOA (Semiconductor Optical Amplifer) là một linh kiện quang điện tử, khihoạt động dưới điều kiện phù hợp có thể khuếch đại tín hiệu ánh sáng tới SOAđược sử dụng để bù trừ sự mất mát của tín hiệu khi truyền trong sợi quang Trongcác hệ thống thông tin quang, SOA khuếch đại trực tiếp ánh sáng tới thông qua bức

xạ cưỡng bức Miền tích cực của linh kiện là môi trường khuếch đại tín hiệu vào.Tín hiệu cần khuếch đại được bơm trực tiếp vào một mặt của miền tích cực, tín hiệu

ra thu được ở mặt còn lại Đặc trưng quan trọng nhất của SOA là sự khuếch đại xảykhi được kích thích (bằng quang hoặc bằng điện) Độ khuếch đại của SOA phụthuộc vào tần số của ánh sáng tới, môi trường khuếch đại và mật độ dòng bơm Sơ

đồ khối của một SOA cơ bản được minh hoạ như trên hình 1.1 Vật liệu dùng để chếtạo các chip khuếch đại SOA là vật liệu bán dẫn có cấu trúc vùng cấm thẳng (nghĩa

là chất bán dẫn có đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn có cùng giá trị vector sóng k trên giản đồ năng lượng E(k ) Bán dẫn phải có vùng cấm thẳng vì lý do tránh mất

mát năng lượng khi tương tác với mạng tinh thể Trong điều kiện bình thường, vùng

chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng nhiệt [10] Sự cân bằng bị phá vỡ khi phun hạttải mang điện vào miền tích cực Khi mật độ dòng điện đủ lớn sẽ gây ra sự nghịchđảo mật độ tích luỹ Sau một thời gian ngắn tồn tại ở mức cao các điện tử tái hợpvới lỗ trống theo các cơ chế tái hợp khác nhau Đây chính là nguyên lý chung nhất

về hoạt động của một khuếch đại quang bán dẫn

SOA có thể được chia thành hai loại chính SOA Fabry - Perot (FP - SOA) làlinh kiện mà ở đó hiện tượng phản xạ từ hai mặt miền tích cực là đáng kể nghĩa làvẫn còn ảnh hưởng của buồng cộng hưởng SOA (TW - SOA) sóng chạy là loạikhuếch đại với sự phản xạ ở hai mặt có thể bỏ qua, tín hiệu chỉ được khuếch đại mộtlần khi đi qua miền tích cực Các lớp chống phản xạ được sử dụng để tạo ra cáckhuếch đại quang bán dẫn với hệ số phản xạ bề mặt dưới 10 -5 TW - SOA khôngnhạy bằng FP - SOA với sự thay đổi của dòng điện, nhiệt độ và sự phân cực Tuynhiên, đây chính là điều kiện để SOA hoạt động ổn định trong các hệ thống thôngtin quang [7]

dòng điện

Mặt ra

Miền tích cực Tín hiệu

Mặt vào vào

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của khuếch đại quang bán dẫn

1.1.1 Nguyên lý khuếch đại trong hệ hai mức năng lượng

Trong SOA các điện tử được phun vào miền tích cực từ một nguồn dòng bênngoài Các electron mang năng lượng này sẽ chiếm các trạng thái năng lượng trênvùng dẫn của miền tích cực, để lại những lỗ trống trong vùng hoá trị Có 3 cơ chế

5bức xạ có thể xảy ra trong vật liệu bán dẫn Ba cơ chế này được mô tả trên hình 1.3,

áp dụng cho vật liệu có cấu trúc vùng năng lượng bao gồm 2 mức gián đoạn

Năng lượng vùng cấm

Hình 1.2 Các quá trình cưỡng bức và tự phát trong hệ hai

Trong đó sự hấp thụ là hiện tượng một photon tới với năng lượng phù hợp cóthể kích thích hạt tải chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn Đây là quá trình mất mátphoton khi truyền dẫn trong vật liệu

Nếu photon tới chất bán dẫn có năng lượng phù hợp có thể gây ra hiện tượngtái hợp cưỡng bức giữa một hạt tải từ vùng dẫn với một lỗ trống ở vùng hoá trị.Năng lượng của quá trình tái hợp này được giải phóng dưới dạng một photon ánhsáng mới Photon mới này đồng nhất với photon kích thích trên mọi phương diện(pha, tần số, hướng…) Cả photon gốc và photon kích thích đều có thể sinh ra tiếp

sự chuyển dời cưỡng bức Nếu dòng kích đủ cao có thể tạo ra hiện tượng đảo mật độtrạng thái (trạng thái mà mật độ hạt tải ở vùng dẫn lớ n hơn ở vùng hoá trị) Trongtrường hợp này, khả năng xảy ra sự bức xạ cưỡng bức lớn hơn sự hấp thụ và khi đóvật liệu bán dẫn có khả năng khuếch đại quang [9]

Quá trình bức xạ tự phát là quá trình một hạt tải ở vùng dẫn tái hợp với lỗtrống ở vùng hoá trị và bức xạ photon có pha và hướng ngẫu nhiên Quá trình nàyluôn xảy ra trong chất bán dẫn Photon bức xạ tự phát có dải tần số rộng và thôngthường gây ra hiện tượng nhiễu, đồng thời cũng làm giảm nồng độ hạt tải trong

khuếch đại quang Bức xạ tự phát là hệ quả trực tiếp của quá trình khuếch đại vàkhông thể tránh khỏi Do vậy, chế tạo một khuếch đại quang bán dẫn không nhiễu làđiều không tưởng Quá trình bức xạ cưỡng bức tỉ lệ với cường độ chùm photon cảmứng, trong khi sự bức xạ tự phát lại không phụ t huộc vào cường độ chùm photoncảm ứng.

Sự khuếch đại của bán dẫn phát quang liên quan trực tiếp tới quá trình bức xạ

tự phát và quá trình bức xạ cưỡng bức Để nghiên cứu một cách định lượng mốiquan hệ này, chúng ta hãy xét một hệ gồm các mức năng lượng liên kết với một hệ

vật lý xác định Gọi N 1 , N 2 là số nguyên tử trung bình trong một đơn vị thể tích của

hệ có mức năng lượng lần lượt là E 1 , E 2 , với E 2 > E 1 Nếu một nguyên tử nào ởmức năng lượng E2 thì tồn tại một xác suất xác định trong một đơn vị thời gian nó

sẽ chuyển dời từ E2 xuống E1, và quá trình này phát xạ photon Tốc độ chuyển dời

hạt tải tự phát (chỉ số dưới spon ứng với sự chuyển dời tự phát, stim ứng với sự

chuyển dời cưỡng bức) từ mức 2 xuống mức 1 cho bởi công thức [13]

R

21spon = A

21N2

(1.1)

A 21 là hệ số bức xạ tự phát ứng với sự chuyển dời từ mức 2 về mức 1 Cùng với bức

xạ tự phát, trong hệ hai mức còn có thể xảy ra sự chuyển dời cảm ứng Tốc độ

chuyển dời cảm ứng của các hạt tải được tính bằng công thức:

R 21stim = B 21()N 2 Với B 21 là hệ số bức xạ cưỡng bức ứng với sự chuyển dời từ mức 2 xuống mức 1

Và () là mật độ năng lượng bức xạ tới ở tần số  Photon cảm ứng có năng lượng

h=E 2 – E 1 Tốc độ chuyển dời cảm ứng từ mức 1 lên mức 2:

R 12 = B 12()N 1

B 12 là hệ số hấp thụ của chuyển mức từ mức 1 lệ mức 2 Cơ học lượng tử đã

chứng minh được rằng:

(1.5)

Với n r là chiết suất của vật liệu và c là vận tốc ánh sáng trong chân không

Thay (1.5) vào (1.2) ta thu được:

Với  là mật độ năng lượng (J/m3) của trường điện từ cảm ứng Và l() là hàm định

dạng Với điều kiện chuẩn hoá:

 l ( ) d  1

L()d là xác suất chuyển mức bức xạ tự phát từ mức 2 xuống mức 1 có tần số nằm

trong khoảng  đến  + d Cường độ trường điện từ cảm ứng được tính bằng công

b Sự hấp thụ và sự khuếch đại

8Bằng cách sử dụng biểu thức tốc độ chuyển dời cưỡng bức ở mục 1.1.1a,chúng ta có thể đi tới phương trình cho hệ số khuếch đại đối với hệ hai mức Để làm

điều này, ta sẽ khảo sát một sóng phẳng đơn sắc truyền theo phương z qua miền khuếch đại có diện tích tiết diện A và chiều dài nhỏ dz Khi đó độ tăng công suất dp sinh ra trong thể tích Adz đơn giản chính bằng tích của hiệu các tốc độ chuyển rời cảm ứng giữa các mức với năng lượng chuyển mức h và thể tích nguyên tố

dP  (r21 stim r12 )h Adz

Bức xạ này lại được cộng vào với sóng tới Quá trình khuếch đại này được mô

tả lại như sau:

thái (N 2 >N 1 ) giữa hai mức 2 và 1 Với sự xuất hiện của A 21 cho thấy rằng quá trìnhkhuếch đại quang luôn kèm theo sự bức xạ tự phát, hay còn gọi là nhiễu

c Nhiễu bức xạ tự phát

Như đã trình bày ở phần trên, nhiễu bức xạ tự phát là hệ quả tực tiếp của quátrình khuếch đại Trong phần này chúng ta nghiên cứu công suất nhiễu sinh ra trongquá trình khuếch đại Ta hãy xét mô hình dưới đây:

Bộ phân

Bộ lọc quang Miền khuếch

cực đại

Chùm tia

tới

Trước photodiode có đặt bộ lọc tần và bộ phân cực để lọc nhiễu bức xạ tự

Khi một chùm tín hiệu đơn sắc đi qua miền khuếch đại có cấu trúc vùng năng

lượng như ở hình 1.3 Một bộ phân cực và bộ lọc quang với độ rộng dải B 0 quanhtần số trung tâm  được đặt trước đầu thu Tín hiệu vào được hội tụ lại, do đó phầnthắt của chùm tín hiệu nằm trong miền khuếch đại Giả thiết chùm tia có tiết diện

tròn với đường kính chỗ thắt là D, góc mở của chùm tia sẽ là:

B 

40

 Dn r

Với 0 là bước sóng trong chân không Độ tăng công suất tín hiệu do sự

khuếch đại cộng hưởng khi đi qua chiều dài dz của miền cộng hưởng là:

Do đó công suất nhiễu tổng cộng bức xạ trong yếu tố thể tích trong góc khối d và

10Góc khối này có thể nhận được bằng cách sử dụng khe đầu ra đủ hẹp Trong trường hợp này biểu thức 1.17 có thể viết như sau:

với V?i là hệ số khuếch đại sóng chạy

Công suất nhiễu được cộng thêm vào chính là:

P N  n sp (G 1)h B0

Như vậy ta thấy rằng khi tăng mức độ đảo trạng thái có thể làm giảm nhiễuSOA Nhiễu cũng có thể được giảm đi nếu ta dùng một bộ lọc quang dải hẹp

1.1.2 Những đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn

a Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ và dải tần số khuếch đại

Có hai khái niệm về hệ số khuếch đại cơ bản cho các SOA:

+ Hệ số khuếch đại nội của SOA, là tỉ số giữa tín hiệu ra ở mặt ra và tín hiệuvào ở mặt vào của SOA.

+ Hệ số khuếch đại ghép nối (fibre to fibre gain), hệ số khuếch đại này bao gồm cả tổn hao ghép nối ở đầu vào và đầu ra

Những hệ số khuếch đại này thường đo bằng dB Phổ khuếch đại của mỗiSOA phụ thuộc vào cấu trúc, vật liệu và các thông số của nó Trong hầu hết các ứngdụng, hệ số khuếch đại lớn và dải tần khuếch đại rộng luôn được mong muốn Tínhiệu nhỏ là tín hiệu mà ảnh hưởng của nó đến hệ số khuếch đại của SOA là nhỏ cóthể bỏ qua, khi đó hệ số khuếch đại nội của SOA F abry – Perot ở tần số  được tínhbằng công thức

0 Là tần số cộng hưởng của miền tích cực gần với tần số  nhất Tần số cộnghưởng xảy ra tại các số nguyên lần của  Và thừa số sin2[(-0)/] bằng khôngtại các tần số cộng hưởng và bằng 1 tại các tần số bị chặn Hệ số khuếch đại hiệudụng được tính như sau:

g   g m 

Với  là hệ số giam giữ quang học của miền tích cực,  là hệ số hấp thụ G s = e gL

là hệ số khuếch đại truyền qua

Một SOA không có lớp phủ chống phản xạ ở hai mặt có hệ số phản xạ cỡ

0,32 Độ nhấp nhô (ripple) của contour khuếch đại G r được xác định bằng tỉ số giữa

độ khuếch đại được cộng hưởng và độ khuếch đại không được cộn g hưởng

Vì vậy, để xảy ra sự khuếch đại sóng chạy có hệ số khuếch đại 25 dB cần phải

có R eo < 3,6x10-4 Hệ số phản xạ này ở các mặt có thể thu được bằng cách phủ mộtlớp màng chống phản xạ ở các mặt của chip laser hay sử dụng cấu trúc SOA đặcbiệt

Dải khuếch đại (bandwidth) B opt của khuếch đại được định nghĩa là khoảngbước sóng mà ở đó tín hiệu khuếch đại không nhỏ hơn một nửa giá trị đỉnh của nó.Dải khuếch đại của bộ khuếch đại rộng đặc biệt hữu ích trong các hệ thống mà cầntới sự khuếch đại đa kênh như trong mạng WDM Chúng ta có thể đạt được dảikhuếch đại rộng trong SOA với miền tích cực được chế tạo từ vật liệu cấu trúc giếnglượng tử (quantum well) hay đa giếng lượng tử (multiple quantum well) Hệ sốkhuếch đại nội cực đại mà có thể đạt được trong các khuếch đại thực nghiệm thườngnằm trong khoảng 30-40 dB Dải khuếch đại tín hiệu nhỏ nằm trong khoảng 30-60nm

b Phổ khuếch đại tín hiệu nhỏ

Cường độ bức xạ tại bước sóng  được tính bằng năng lượng của một photontại bước sóng  nhân với số photon bức xạ ra Số photon bức xạ tự phát này phụthuộc vào mật độ dòng bơm và hệ số khuếch đại vật liệu đã được đề cập ở trên Tạibước sóng cần khuếch đại, công suất bức xạ ra tỉ lệ với công suất tín hiệu và hệ sốkhuếch đại cưỡng bức Dựa vào các tham số đã được xác định ở trên và sử dụng môphỏng người ta có thể thu được cấu trúc phổ dọc của khuếch đại quang bán dẫn ởvùng tín hiệu nhỏ như hình vẽ 1.4

c Sự nhạy phân cực

Hệ số khuếch đại của SOA phụ thuộc vào trạng thái phân cực của tín hiệu tới

Sự phụ thuộc này là do nhiều yếu tố bao gồm cấu trúc của miền dẫn sóng(waveguide), bản chất phụ thuộc sự phân cực của các lớp chống phản xạ và vật liệukhuếch đại Sự truyền sóng của bộ khuếch đại đặc trưng bởi hai mode phân cựcvuông gọi là mode điện ngang TE và mode từ ngang TM Trạng thái phân cực củatín hiệu vào thường nằm ở một vị trí nào đó giữa hai mode sóng ngang này Độ nhạyphân cực được định nghĩa là sự khác nhau về độ lớn của hệ số khuếch đại giữa haimode sóng GT E và GT M

G TE/T M = G TE - G TMdB

(1.30)

Để giảm tối đa sự nhạy phân cực người ta thường chế tạo SOA trên các

vật liệu bán dẫn cấu trúc nanô sẽ bàn kỹ hơn ở mục II

d Sự bão hoà của hệ số khuếch đại tín hiệu

Hệ số khuếch đại của SOA bị ảnh hưởng mạnh bởi cả công suất tín hiệu vào

và nhiễu nội sinh ra do quá trình khuếch đại Khi tăng công suất tín hiệu, hạt tảitrong miền tích cực bị suy yếu, dẫn đến giảm hệ số khuếch đại Sự bão hoà hệ sốkhuếch đại này có thể dẫn đến sự sai lệch tín hiệu đáng kể Nó cũng có thể giảm hệ

số khuếch đại cực đại khi SOA được sử dụng làm bộ khuếch đại đa kênh

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất tín hiệu

Hệ số khuếch đại của SOA điển hình phụ thuộc vào công suất ra được mô tả ra và công suất ra bão

Một thông số hữu hiệu trong việc định lượng nhiễu trong khuếch đại quang là

chỉ số tạp âm (noise figure) F Được định nghĩa là tỉ lệ giữa tỉ số tín hiệu vào trên

nhiễu và tỉ số tín hiệu ra trên nhiễu

F 

( S / N ) i

( S / N ) o

Các kí hiệu S là tín hiệu, N là nhiễu, các chỉ số dưới i là đầu vào, o là đầu ra.

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (1.31) nhận được khi công suất tín hiệu vào và ra được ghinhận bằng một photodetector lý tưởng

Trong trường hợp giới hạn, khi hệ số khuếch đại lớn hơn rất nhiều so với 1 và ở đầu ra cho qua một bộ lọc quang dải hẹp, chỉ số nhiễu được tính bằng:

F=2n sp

Giá trị thấp nhất có thể của n sp là 1 đơn vị, xảy ra khi mật độ đảo đạt cực đại, N 1

= 0, F=2 Chỉ số nhiễu của các SOA thực tế thường vào khoảng 7 đến 12 dB Chỉ

out ,sat out ,sat

số nhiễu bị tồi đi bởi tổn hao ghép nối đầu vào Tổn hao ghép nối thường bằng 3 dBnên chỉ số nhiễu thường bằng 10 đến 15 dB [8]

f Các hiệu ứng phi tuyến

SOA cũng thể hiện tính phi tuyến Tính phi tuyến này có thể gây ra nhiều vấn

đề như chớp tần số (frequnency chirping) và sinh ra các mode bậc 2 hoặc 3 Tuynhiên tính phi tuyến cũng có thể được ứng dụng trong thiết bị chức năng như bộchuyển đổi bước sóng, hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM-Four Wave Mixing).Hiệu ứng này sẽ được thảo luận kỹ hơn ở phần ứng dụng chức năng của SOA

1.2 Khuếch đại quang bán dẫn trên cơ chip khuếch đại miền tích cực nghiêng góc 7 0

1.2.1 Tính chất của vật liệu bán dẫn cấu trúc giếng lượng tử

Miền tích cực của các SOA dạng khối truyền thống bao gồm một lớp vật liệubán dẫn nằm kẹp giữa hai lớp vỏ có độ rộng vùng cấm cao hơn Nếu độ dày miềntích cực có kích thước nhỏ hơn 20 nm thỡ cỏc trạng thái tồn tại của electron và lỗtrống không phải là các mức liên tục mà trở nên rời rạc Với cấu trúc bao gồm mộtlớp màng mỏng làm miền tích cực nằm kẹp giữa hai lớp vỏ có độ rộng vùng cấmcao hơn sẽ hỡnh thành nờn một cấu trỳc giếng lượng tử Các lớp tích cực được coi

là lớp giếng Các lớp kề bên được coi là lớp hàng rào [14]

CB Giếng

VB (a) Đơn giếng lượng tử

Hàng rào Giếng

(c) Đa giếng lượng tử

Giếng

Vùng chiết suất biến đổi (GRIN) (b) Đơn giếng lượng tử có chiết suất biến đổi

Giếng Hàng rào

(d) Đa giếng lượng tử mở rộng

Hỡnh 1.6 Giản đồ năng lượng của các cấu trúc đơn giếng lượng tử(a), đơn giếng

lượng tử với chiết suất biến dạng (b), đa giếng luợng tử (c) và đa giếng

lượng tử biến dạng (d).

Một SOA cấu trúc đa giếng lượng tử (MQW SOA) có thể được chế tạo bằngcách sắp xếp liên tiếp các lớp giếng và hàng rào xen kẽ nhau Để tạo ra lớp màngcực mỏng trên, người ta sử dụng các kỹ thuật chế tạo có khả năng điều khiển rất cao

sử dụng các phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE) hoặc epitaxy pha hơi củacác hợp chất hữu cơ kim loại (OMVPE) So với cấu trúc SOA dạng khối thôngthường, SOA cấu trúc giếng lượng tử có độ rộng dải quang lớn hơn, công suất rabóo hoà cao hơn, và bằng cách thay đổi sức căng của vật liệu người ta có thể điềukhiển được độ nhạy phân cực Giản đồ năng lượng cho 4 loại cấu trúc giếng lượng

tử được chỉ ra trên hỡnh 1.6

Hỡnh 1.6a chỉ ra cầu trúc vùng năng lượng của một đơn giếng lượng tửthông thường Cấu trúc này bao gồm một vùng nghèo hạt tải và có sự giam giữquang học Một cấu trúc giếng lượng tử với vùng chiết suất biến đổi theo dạng hỡnhnún ở hai bờn của giếng được chỉ ra trên hỡnh 1.6b Với cấu trúc này, khả nănggiam giữ quang học tăng lên đáng kể Trên hỡnh 1.6c là giản đồ năng lượng củamột miền tích cực đa giếng lượng tử (MQW) Do có nhiều giếng lượng tử nên sựgiam giữ hạt tải và sự giam giữ quang học được tăng lên so với trường hợp đơngiếng lượng tử Để cải thiện thêm khả năng giam giữ, người ta sử dụng các cấu trúcMQW biến dạng MQW biến dạng là một cấu trúc MQW có lớp vỏ với độ rộngvùng cấm cao hơn hàng rào của các giếng lượng tử [13]

1 Cấu trúc vùng năng lượng trong giếng lượng tử và hệ số khuếch đại

Các tính toán để xác định hệ số khuếch đại đối với các cấu trúc giếng lượng

tử bán dẫn là rất phức tạp Sự chuyển dời hạt tải nằm trong các giếng lượng tử trựctiếp tới các lớp là bị giới hạn Nguyên nhân là do trong các giếng lượng tử nằmtrong vùng dẫn và vùng hoá trị các mức năng lượng lại bị tách thành các mức nănglượng con (Hỡnh 1.7)

E

Trờn hỡnh 1.7, L z là độ sâu của giếng, E g và E gB tương ứng là năng lượng củagiếng và hàng rào, E c và E v chiều cao của cỏc vựng khụng liờn tục trờn vựng dẫn

và vựng hoỏ trị E ci là mức năng lượng con thứ i trờn vựng dẫn, E hhj và E lhj là cácmức năng lượng con trên vùng hoá trị của các lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ đó đượclượng tử hoá

Sử dụng mụ hỡnh vựng năng lượng parabol, E ci có thể thu được từ phươngtrỡnh:

E

ci

e v e n cb

(1.34) (1.35)

Trong đó:

Tương tự như trên, người ta cũng có thể thành lập các phương trỡnh để tính

toán cho E hhi và E lhi bằng cỏch thay thế E c bằng E v và m c w , m cb bằng m hhw , m hhb

là các khối lượng hiệu dụng của lỗ trống nặng và tương tự mlh w, mlhb là khối lượnghiệu dụng của lỗ trống nhẹ

Các mức năng lượng lượng tử hoá Fermi trong vùng dẫn và vùng hoá trị tươngứng liên hệ với mật độ điện tử và lỗ trống trong giếng theo phương trỡnh [13]:

ij = E

ci + EhhiE

ij = E

ci + Elhi

Hmod là hàm Heaviside mở rộng định nghĩa như sau:

Hmod (hv-E ij ) =

1



1tan 1

A ij là một tham số không đẳng hướng, đặc trưng cho sự phân cực của trường

điện từ Đối với lỗ trống nặng, A ij ứng với mode TE và TM xấp xỉ là 1,5 và 0, trongtrường hợp lỗ trống nhẹ lần lượt là 0,5 và 2,0

Theo công thức tính hệ số khuếch đại ở trên, hệ số khuếch đaị g ' m và hệ số hấp

thụ g" m có thể thu được một cách đơn giản bằng cách thay thế f c -f v bởi f c [1-f v ] và f v

(1-f c ) Khảo sát đường cong khuếch đại của một giếng lượng tử độ dày 6 nm, với

lớp giếng và lớp hàng rào được chế tạo trên vật liệu In

In0,53Ga0,47As0,55P, đế InP Các tham số vật liệu như sau : E gapW =0,72eV;

EgapP =0,96eV; Ep=23,6eV; mc w=0,041m0; mc b=0,059m0; mv w=0,059m0;

mc w=0,059m0; nr=3,22 và T=300K Đường đặc trưng gm mà g'm được thể hiện trênhỡnh 1.8

10

g' m

TM 0

Bước sóng (nm)

Hỡnh 1.8. Đường cong g m và g' m cho giếng lượng tử

InGaAsP-InGaAs độ dày 6 nm Mật độ hạt tải là 3x1024 m-3

Hệ số khuếch đại của một giếng lượng tử thông thường như đó mụ tả và tớnhtoỏn ở trờn cho thấy sự phụ thuộc phõn cực rất mạnh Sự kết hợp giữa điện tử trênvùng dẫn và lỗ trống nặng sẽ ưu tiên bức xạ ánh sáng phân cực TE (điện trườngsong song với lớp tích cực) lớn hơn phân cực TM (điện trường vuông góc với lớptích cực) Bức xạ do kết hợp điện tử và lỗ trống nhẹ sẽ ưu tiên đối với mode TMnhưng sự bức xạ này là rất nhỏ Hiện tượng này rất phù hợp đối với laser nhưng

21trong ứng dụng khuếch đại đũi hỏi độ nhạy phõn cực thấp thỡ điều này cấn phải loại

bỏ Sự phụ thuộc phân cực này có thể khống chế được bằng cách sử dụng các cấutrúc giếng lượng tử kéo dón sẽ được bàn kỹ ở phần sau

So sỏnh với cỏc loại vật liệu khối thỡ hệ số khuếch đại của một giếng lượng tửlớn hơn, tuy nhiên hệ số giam giữ quang học lại khá nhỏ (khoảng 0,02 đối với giếng

độ dày 8nm) Hệ số giam giữ này phụ t huộc vào độ dày, chiết suất của giếng và lớphàng rào Các cấu trúc đa giếng lượng tử đó giải quyết căn bản vấn đề trên Đối với

đa giếng lượng tử hệ số giam giữ quang được tỡnh như sau: MQ W =N wSQ W, với

SQW là hệ số giam giữ trong trường hợp đơn giếng, và giả sử rằng tất cả các giếnglượng tử là độc lập nhau

2 SOAs cấu trúc giếng lượng tử biến dạng

Độ nhạy phân cực của của một MQW SOAs có thể được thay đổi một cáchđáng kể bằng cách làm biến dạng các giếng Sự biến dạng này được tạo ra bằngcách tạo ra các tinh thể mặt nạ ở giữa giếng và lớp hàng rào liền kề Trong các giếnglượng tử thông thường, lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ bị suy biến, nghĩa là chúng ởcùng một mức năng lượng trong cùng một không gian xung lượng Ảnh hưởng củabiến dạng là làm giảm sự suy biến này Sự biến dạng cũng làm thay đổi khối lượnghiệu dụng của điện tử và lỗ trống

Cú hai loại biến dạng: nộn và kộo dón Ảnh hưởng của sự biến dạng trên giả n

đồ năng lượng của một giếng lượng tử được biểu diễn trên hỡnh 1.9 Năng lượng tạihai giếng bên trên vùng dẫn dịch một khoảng là Ec , mức năng lượng của lỗ trốngnặng và lỗ trống nhẹ dịch là Ehh và Elh được tính theo cụng thức:

E c  a c2 xx   zz

E hh  a v2 xx   zz+ b( xx   zz )

E lh  a v2 xx   zz- b( xx   zz )

Ở đây,

a c , a v và b là thế năng của vùng dẫn, vùng hoá trị và thế năng biến dạng, a và a 0 là

hằng số mạng của giếng và hàng rào, C 11 và C 12 là hệ số đàn hồi Các tham số khác

và khối lượng hiệu dụng phụ thuộc vào cấu tạo của giếng lượng tử

E v

Hỡnh 1.9 Mặt cắt vùng năng lượng của các giếng lượng tử biến dạng:

nén, không biến dạng và kéo dón

Trong giếng lượng tử dạng biến dạng nén, mức năng lượng cho lỗ trống nặng

gần vùng dẫn hơn mức năng lượng cho lỗ trống nhẹ Điều này dẫn tới sự tăng

cường khuếch đại mode TE trong khi mode TM giảm Đối với giếng lượng từ kéo

dón thỡ quỏ trỡnh xảy ra ngược lại Thay đổi kích thước của hàng rào và giếng ta có

thể cân bằng độ khuếch đại mode TE và TM và có thể tạo được cầu trúc phụ thuộc

vào phân cực thấp nhất Tuy nhiên, trong quá trỡnh thay đổi độ kéo dón của giếng

sẽ dẫn đến hiện tượng làm tăng mật độ dũng dũ và như thế chỉ số nhiễu sẽ tăng lên

23Lĩnh vực thiết kế và chế tạo MQW SOA đang được nghiên cứu và phát triểnrất nhanh Nhiều cấu hỡnh giếng lượng tử ra đời đó cải thiện đáng kể các đặc trưng

và hiệu suất của khuếch đại quang bán dẫn [14]

Ta đó tớnh toỏn được ở phần trước, độ rộng dải khuếch đại 3dB của giếnglượng tử lớn hơn so với các bán dẫn khối Sự khác nhau cơ bản này xuất phát từ sựkhác nhau của hàm mật độ trạng thái Hàm mật độ trạng thái phụ thuộc vào nănglượng cho bán dẫn khối và giếng lượng tử được biểu diễn trên hỡnh 1.10

Bỏn dẫn khối

Bán dẫn giếng lượng tử

Năng lượng

Hỡnh 1.10 Dạng hàm mật độ trạng thái cho bán dẫn khối

và bán dẫn giếng lượng tử

Trong bán dẫn khối, hàm mật độ là hàm liên tục của năng lượng Nghĩa là, hệ

số khuếch đại sẽ phụ thuộc rất lớn vào năng lượ ng photon Ngược lại, mật độ trạngthái trong giếng lượng tử phụ thuộc vào năng lượng theo dạng bậc thang Thể hiệntrên phổ khuếch đại thỡ bỏn dẫn giếng lượng tử sẽ trơn hơn và như vậy dải khuếchđại lớn hơn

Cụng suất ra bóo hoà

Cụng suất bóo hoà của SOA dạng khối tỉ lệ nghịch với hệ số khuếch đại vi phânnhư đó đề cập ở phần trên Và hệ số này ở trong cấu trúc QW cao hơn rất nhiều, do

đó các đặc trưng bóo hoà sẽ cao hơn Tuy nhiên hệ số giam giữ quang trong miềntích cực giếng lượng tử là nhỏ hơn trong bán dẫn khối nên hệ số khuếch đại sẽ thấphơn Một cách đơn giản để giải quyết vấn đề này là chế tạo các miền tích cực giếnglượng tử dài hơn Thêm vào đó, sử dụng các cấu trúc giếng lượng tử mở rộng cũng

có thể cải thiện được vấn đề

1.2.2 Chíp khuếch đại quang bán dẫn miền tích cực nghiêng phủ màng

chống phản xạ

Một cấu trúc SOA với miền tích cực bề mặt nghiêng được thể hiện trên hình

vẽ 1.11 Miền tích cực này có thể tạo ra bằng cách cắt tinh thể theo hướng xiên góc

so với trục tinh thể Góc nghiêng này thông thường có độ lớn tối ưu là 7 0 đến 100.Tại hai bề mặt này lại được phủ màng chống phản xạ Như vậy có thể giảm tối đađược hệ số phản xạ tại hai mặt của miền tích cực Khi sử dụng cấu trúc này, ta cóthể thu được hệ số khuếch đại cao (30dB) và công suất được phân bố trên một vùngrộng hơn khi khuếch đại [15] Như vậy, có thể làm giảm sự bão hoà khuếch đại vàlàm tăng hiệu suất lượng tử Ngoài ra, nó còn có thể làm tăng kích thước vệt sánglối ra và do đó làm tăng hiệu suất ghép nối giữa lối ra của linh kiện khuếch đại vàsợi quang [6] Chúng ta sẽ khảo sát cụ thể ảnh hưởng của góc nghiêng và màngchống phản xạ trong cấu trúc này

Đầu ra Trường phản xạ

w

fĐầu vào

Miền tích

Hình 1.11 Cấu trúc của một SOA miền tích cực nghiêng góc có

phủ màng chống phản xạ

Ảnh hưởng của miền tích cực nghiêng

Đối với một cấu trúc miền tích cực nghiêng góc như hình vẽ 1.11 Chỉ số củacấu trúc dẫn sóng là:

Ở đây  là góc giữa đường truyền của chùm sáng tới và trục của miền tích cực

Hệ số phản xạ Fresnel R f đối với sóng phẳng TE ở trong cấu trúc dẫn sóng với bề mặt tiếpxúc với không khí được cho bởi công thức:

Chiết suất hiệu dụng của mode TM là độc lập với mode TE Sự phụ thuộc của

hệ số phản xạ vào độ lớn của góc nghiêng và độ dày miền tích cực được thể hiệntrên đồ thị hình 1.12

Ta có thể thấy rằng độ phản xạ giảm đi khi góc nghiêng tăng lên Tuy nhiênkhi góc nghiêng tăng thì hiệu suất ghép nối sợi quang với chip SOA sẽ giảm Vì thếngười ta có thể chế tạo ống dẫn sóng công suất lối ra lớn hơn với góc nghiêng tối ưucủa miền tích cực là từ 70-100

Màng chống phản xạ

Độ phản xạ càng thấp thì đặc tính của bộ khuếch đại càng tốt (ripple khuếchđại thấp và ít phụ thuộc vào phân cực) Sự phản xạ có thể giảm đi đáng kể khi sửdụng lớp chống phản xạ Đối với các sóng phẳng tới trên mặt phân cách giữa không

khí và môi trường có chiết suất n, hệ số phản xạ có thể giảm xuống gần tới 10 -4

bằng cách phủ lên mặt phân cách các lớp điện môi có chiết suất giảm dần

Công suất phản xạ đối với tia tới trực giao ở các mặt tiếp xúc giữa hai lớpđiện môi cho bởi công thức: