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

Trong trường hợp này, khả năng xảy ra sự bức xạ cưỡng bức lớn hơn sự hấp thụ và khi đó vật liệu bán dẫn có khả năng khuếch đại quang [9].. Quá trình bức xạ tự phát là quá trình một hạt [r]

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

bán dẫn cấu trúc cấu trúc NaNô

Vũ Ngọc Hải

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 của khuếch 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 70

ứng dụng cho quá trình thực nghiệm Phần cuối của chương là một

số ứng dụng khuếch đại và ứng dụng chức năng 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, khi hoạt động dưới điều kiện phù hợp có thể khuếch đại tín hiệu ánh sáng tới SOA được sử dụng để bù trừ sự mất mát của tín hiệu khi truyền trong sợi quang Trong các 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 xảy khi được kích thích (bằng quang hoặc bằng điện) Độ khuếch đại của SOA phụ thuộc 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 chế tạo 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 hạt tải mang điện vào miền tích cực Khi mật độ dòng điện đủ lớn sẽ gây ra sự nghịch đảo mật độ tích luỹ Sau một thời gian ngắn tồn tại ở mức cao các điện tử tái hợp với 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) là linh kiện mà

ở đó hiện tượng phản xạ từ hai mặt miền tích cực là đáng kể nghĩa là vẫn còn ảnh hưởng của buồng cộng hưởng SOA (TW - SOA) sóng chạy là loại khuếch đại với sự phản xạ ở hai mặt có thể bỏ qua, tín hiệu chỉ được khuếch đại một lần khi đi qua miền tích cực Các lớp chống phản xạ được sử dụng để tạo ra các khuếch đại quang bán dẫn với hệ số phản xạ bề mặt dưới 10-5

TW - SOA không nhạy bằng FP - SOA với sự thay đổi của dòng điện, nhiệt độ và sự phân cực Tuy nhiên, đây chính là điều kiện để SOA hoạt động ổn định trong các hệ thống thông tin quang [7]

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 bên ngoài Các electron mang năng lượng này sẽ chiếm các trạng thái năng lượng trên vùng dẫn của miền tích cực, để lại những lỗ trống trong vùng hoá trị Có 3 cơ chế bức 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

Tín hiệu

ra

Tín hiệu

Mặt ra

dòng điện

Miền tích cực

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

photon

photon cảm ứng

photon kích thích

Năng lượng vùng cấm

Bức xạ

tự phát

Bức xạ

Điện tử

lỗ trống

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

mức

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

Nếu photon tới chất bán dẫn có năng lượng phù hợp có thể gây ra hiện tượng tái 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 ánh sáng 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 độ trạng thái (trạng thái mà mật độ hạt tải ở vùng dẫn lớn hơn ở vùng hoá trị) Trong trường hợp này, khả năng xảy ra sự bức xạ cưỡng bức lớn hơn sự hấp thụ và khi

đó vật 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 lỗ trống ở vùng hoá trị và bức xạ photon có pha và hướng ngẫu nhiên Quá trình này luôn xảy ra trong chất bán dẫn Photon bức xạ tự phát có dải tần số rộng và thông thường 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 và không thể tránh khỏi Do vậy, chế tạo một khuếch đại quang bán dẫn không nhiễu là điều không tưởng Quá trình bức xạ cưỡng bức tỉ lệ với cường độ chùm photon cảm ứng, trong khi sự bức xạ tự phát lại không phụ thuộc vào cường độ chùm photon cảm ứng

a Chuyển dời cảm ứng và tự phát

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 mối quan 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 ở mức 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 21 N 2 (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 (1.2)

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:

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:

21

3 21

8 r

 

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:

3

( ) 8

stim

r

A c N r

n h

 

Trong trường hợp bức xạ cảm ứng là đơn sắc ta có:

2

( ) 8

stim

r

A c l I N r

n h





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



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 thức :

r

c I n

Do đó (1.7) trở thành:

2

( ) 8

stim

r

A c l I N r

n h





b Sự hấp thụ và sự khuếch đại

Bằng 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

( stim )

dP r r h Adz (1.11) Bức xạ này lại được cộng vào với sóng tới Quá trình khuếch đại này được mô tả lại như sau:

dP

r r h A g P

dz       (1.12)

Gm() gọi là hệ số khuếch đại vật liệu, và được tính bằng công thức:

3

2 2

( )

8

m

r

A c l N N g

n





 



 (1.13)

Như vậy, để có thể đạt được khuếch đại dương, phải có sự đảo mật độ trạng thái (N 2 >N 1)

giữa hai mức 2 và 1 Với sự xuất hiện của A 21 cho thấy rằng quá trình khuếch 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 quá trình khuếch đại Trong phần này chúng ta nghiên cứu công suất nhiễu sinh ra trong quá trình khuếch đại Ta hãy xét mô hình dưới đây:

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 quanh tần số trung tâm  được đặt trước đầu thu Tín hiệu vào được hội tụ lại, do đó phần thắt 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:

0

4

B

r Dn







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:

DP = g m ()Pdz (1.15)

Công suất nhiễu sinh ra trong vi phân thể tích với diện tích thiết diện A và chiều dài dz tại

vị trí z là:

'

21 2

N

dP A N h Adz (1.16) Công suất này phát đẳng hướng trong góc khối 4 Mỗi photon bức xạ tự phát có thể tồn tại với một xác suất bằng nhau ở trong một trong hai trạng thái phân cực, do vậy bộ phân cực cho

Chùm tia

tới

Miền khuếch đại

Bộ phân cực

Bộ lọc quang

Hình 1.3 Khuếch đại quang với tín hiệu bơm vào hội tụ tại khoảng giữa miền tích cực

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

tín hiệu đi qua còn giảm công suất nhiễu còn một nửa Do đó công suất nhiễu tổng cộng bức xạ

trong yếu tố thể tích trong góc khối d và dải tần B 0 là [13]:

N

A N h l d Adz





Góc khối nhỏ nhất ta có thể sử dụng mà không mất mát tín hiệu là:

2 2 0

4

B r

d

n A





Góc 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:

2

0

( )

N

dP g h B dz

N N  



Công suất tổng cộng bao gồm tín hiệu và nhiễu là:

0

N

dP

g P n g h B

dz       (1.20) Với hệ số bức xạ tự phát

2

sp

N n

N N



Nghiệm của (1.20) là:

0

( ) g z m ( g z m 1)

P z P e n h B e  (1.22)

P m là công suất tín hiệu vào Gọi L là chiều dài của miền khuếch đại, khi đó công suất ra tổng

cộng là:

0

( 1)

out m sp

P GP n G h B (1.23)

với V?i là hệ số khuếch đại sóng chạy

Công suất nhiễu được cộng thêm vào chính là:

m gL

Ge=

Như vậy ta thấy rằng khi tăng mức độ đảo trạng thái có thể làm giảm nhiễu SOA 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 hiệu vào 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

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Vũ Doãn Miên, Phạm Văn Trường, Vũ Ngọc Hải (2005) “Nghiên cứu chế tạo module phát

đơn mốt trên cơ sở chip laser bán dẫn đơn tần (DFB) hoạt động ở vùng sóng 1550 nm”

Báo cáo tại hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội

[2] Vũ Doãn Miên, Vũ Thị Nghiêm, Đặng Quốc Trung, Vũ Ngọc Hải, Nguyễn Đức Tuyên

(2005), “Hiệu ứng chuyển mạch quang trong khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy hoạt

động ở vùng sóng 1550 nm” Báo cáo tại hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội

[3] Vũ Văn San (1997), “Kỹ thuật thông tin quang: Nguyên lý cơ bản - Công nghệ tiên tiến”,

Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, tr 5-7

[4] A.Musset and A.Thelen (1970), “Multilayer antireflection coatings”, Optics, Vol 8, pp 203

– 237

[5] Clifford R Pollock (1991), “Fundamentals of Optoelectronics”, John Wiley and Sons Inc,

New York, pp 120-121

[6] G Bendelli, K Komori, S Arai and Y Suematsu (1991), “A new structure for High -

Power TW - SLA”, IEEE Photonics technology letters, vol 3, No 1, pp 42 - 44

[7] G Eiséntein (1989), “Semiconductor optical amplifier”, IEEE Circuits and Devices Mag, pp

25 - 30

[8] Govind P Agrawal (1991), “Fiber Optic Communication System (II)”, New York, pp 34-37 [9] Govind P Agrawal (1999), “Semiconductor laser amplifiers”, The Institute of Optics,

Rochestor, New York, pp 145-151

[10] Govind P Agrawal and NK Dutta (1994), “Semiconductor laser: Past, Present and

Future”, Van Nostrand Reinhold, New York, pp 235-237

[11] HA Macleod(1969), “Thin film optical Filter”, Hilger - London

[12] H Ghafouri-Shiraz (1994), “Fundamentals of Laser diode amplifiers”, John Wiley and

Sons Inc, New York, pp 145-146

[13] Michael J Connelly (2002), “Semiconductor Optical Amplifier” Kluwer Academic

Publishers, pp 1-34,

[14] Peter S Zory (1998), “Quantum well laser diode”, Academic Press, Inc Harcourt Brace

Jovanovich Publishers, pp 15-19

[15] S.A Merritt, C Dauga, S, Fox, I.F Wu and M Dagenais (2000), “Measurement of Facet

Modal Reflectivity Spectrum in High Quality Semiconductor Traveling Ware Amplifiers”,

IEEE, pp 1-2

[16] T Durhuus, C Joergensen, B Mikkelsen, R.J.S Pedersen and K.E Stubkjaer (1994), “All

Optical Wavelength Conversion by SOA’s in a Mach - Zehnder Configuration”, IEEE

Photonics technology letters, vol 6, No 1, pp 53 - 55

[17] V.D Mien, V.V Luc, T.Q Tien, L.V.H.N and B.D.Doi (2002), “Influence of the

antireflection coating on properties of the 1310nm InGaAsP/InP laser diode cavity”,

Proceeding of the third National Conference on optic and Spectroscopy, Nhatrang, Vietnam,

pp 201-203