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 mặt 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

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

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

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 70

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 mặt

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

1

MỞ ĐẦU

Khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) đã được nghiên cứu ngay sau khi phát minh ra laser bán dẫn vào năm 1962 nhưng mãi đến 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 hệ truyền dẫn thì khoảng cách truyền sẽ bị giới hạn do sự mất mát trong sợi và một số nguyên nhân khác Trước đây, giới hạn này được khắc phục bằng cách tái phát xạ tín hiệu quang tại chỗ bởi bộ lặp lại (repeater) Với bộ lặp lại này, tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện, được khuếch đại lên, sau đó biến đổi trở lại thành tín hiệu quang để truyền đi tiếp Vì vậy, hầu hết các bộ tái phát xạ thường rất phức tạp 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 để ứng dụng cho khuếch đại ánh sáng trong khi truyền dẫn là khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifiers - SOA) và khuếch đại sợi quang pha đất hiếm (Erbium Doped Fiber Amplifiers - EDFA) Người ta thường sử dụng khuếch đại sợi pha tạp đất hiếm EDFA làm bộ khuếch đại trên các hệ thống thông tin cáp quang đường dài ở vùng bước sóng 1.55 m Tuy nhiên, SOA có nhiều ưu điểm khác rất đáng quan tâm: dải phổ khuếch đại rộng, kích thước nhỏ gọn, hoạt động bằng dòng bơm điện, giá thành rẻ Do đó, SOA được phát triển rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng tương lai Ngoài ra, SOA còn được sử dụng

2 cho nhiều mục đích trong hệ thống thông tin quang sợi như: biến điệu quang, cổng logic, 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 tạo khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy trên cơ sở chip khuếch đại quang bán dẫn có miền tích cực nghiêng góc 70

phủ màng chống phản xạ kép TiO2/SiO2 tại hai mặt dựa 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 công nghệ 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, đặc trưng 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 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

Miền tích cực

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

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

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 lớ n 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

photon

photon cảm ứng

photon kích thích

Năng lượng vùng cấm

Bức xạ

tự phát

Bức xạ cưỡng bức Hấp thụ

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 t huộc 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:

B 12 = B 21 (1.4)

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

stim

r

A c l I N r

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:

r

c I n

stim

r

A c l I N r

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:

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:

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

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:

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:

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 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

4

B r

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

sp

N n

với V?i là hệ số khuếch đại sóng chạy

Công suất nhiễu được cộng thêm vào chính là:

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:

m

gL

Ge=

+ 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

Những hệ số khuếch đại này thường đo bằng dB Phổ khuếch đại của mỗi SOA phụ thuộc vào cấu trúc, vật liệu và các thông số của nó Trong hầu hết các ứng dụng, hệ số khuếch đại lớn và dải tần khuếch đại rộng luôn được mong muốn Tín hiệu nhỏ là tín hiệu mà ảnh hưởng của nó đến hệ số khuếch đại của SOA là nhỏ có thể bỏ qua, khi đó hệ số khuếch đại nội của SOA Fabry – Perot ở tần số  được tính bằng công thức

Với R 1 , R 2 là hệ số phản xạ ở mặt vào và mặt ra,  là khoảng cách giữa các mode

dọc của buồng cộng hưởng

2 r

c Ln

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 cộng hưởng

1 2

1 2

1 1

s r

s

R R G G

1

r geo

s r

G R

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 một lớp màng chống phản xạ ở các mặt của chip laser hay sử dụng cấu trúc SOA đặc biệt

Dải khuếch đại (bandwidth) B opt của khuếch đại được định nghĩa là khoảng bước 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 cần tới sự khuếch đại đa kênh như trong mạng WDM Chúng ta có thể đạt được dải khuếch đại rộng trong SOA với miền tích cực được chế tạo từ vật liệu cấu trúc giếng lượng tử (quantum well) hay đa giếng lượng tử (multiple quantum well) Hệ

số khuếch đại nội cực đại mà có thể đạt được trong các khuếch đại thực nghiệm thường nằm trong khoảng 30-40 dB Dải khuếch đại tín hiệu nhỏ nằm trong khoảng 30-60 nm

b Phổ khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 1.4 Phổ khuếch đại tín hiệu nhỏ trên lý thuyết (1) và

thực nghiệm (2)

Cường độ bức xạ tại bước sóng  được tính bằng năng lượng của một photon tại bước sóng  nhân với số photon bức xạ ra Số photon bức xạ tự phát này phụ thuộc vào mật độ dòng bơm và hệ số khuếch đại vật liệu đã được đề cập ở trên Tại bước sóng cần khuếch đại, công suất bức xạ ra tỉ lệ với công suất tín hiệu và hệ số khuếch đại cưỡng bức Dựa vào các tham số đã được xác định ở trên và sử dụng mô phỏng người ta có thể thu được cấu trúc phổ dọc của khuếch đại quang bán dẫn ở vùng 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 liệu khuếch đại Sự truyền sóng của bộ khuếch đại đặc trưng bởi hai mode phân cực vuông gọi là mode điện ngang TE và mode từ ngang TM Trạng thái phân cực của tín hiệu vào thường nằm ở một vị trí nào đó giữa hai mode sóng ngang này Độ nhạy phân cực được định nghĩa là sự khác nhau về độ lớn của hệ số khuếch đại giữa hai mode sóng GT E và GT M

G TE/TM = 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 tải trong miền tích cực bị suy yếu, dẫn đến giảm hệ số khuếch đại Sự bão hoà hệ số khuếch 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

Hệ số khuếch đại của SOA điển hình phụ thuộc vào công suất ra được mô tả như trên hình 1.5 Một đại lượng thường được dùng để xác định hệ số khuếch đại bão hoà là công suất ra bão hoà, Pout,sat được định nghĩa là công suất ra mà ứng với

nó hệ số khuếch đại bằng một nửa hệ số khuếch đại trong trường hợp khuếch đại tín hiệu nhỏ, những linh kiện lý tưởng thường có Pout,sat nằm trong khoảng 5 đến 20 dBm [13]

e Chỉ số tạp âm

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

( / ) ( / )

i o

S N F

S N

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 ghi nhận 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 (1.32)

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

Công suất tín hiệu ra (dBm)

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

ra và công suất ra bão hòa

số nhiễu bị tồi đi bởi tổn hao ghép nối đầu vào Tổn hao ghép nối thường bằng 3 dB nên 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 Tuy nhiên tính phi tuyến cũng có thể được ứng dụng trong thiết bị chức năng như bộ chuyển 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 liệu bán dẫn nằm kẹp giữa hai lớp vỏ có độ rộng vùng cấm cao hơn Nếu độ dày miền tích cực có kích thước nhỏ hơn 20 nm thỡ cỏc trạng thái tồn tại của electron và lỗ trống không phải là các mức liên tục mà trở nên rời rạc Với cấu trúc bao gồm một lớp màng mỏng làm miền tích cực nằm kẹp giữa hai lớp vỏ có độ rộng vùng cấm cao 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]

Giếng

CB

VB (a) Đơn giếng lượng tử

Giếng

Hàng rào

Giếng

Vùng chiết suất biến đổi (GRIN)

Hàng rào Giếng

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

(c) Đa giếng lượng tử (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 bằng cách sắp xếp liên tiếp các lớp giếng và hàng rào xen kẽ nhau Để tạo ra lớp màng cực 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 của các hợp chất hữu cơ kim loại (OMVPE) So với cấu trúc SOA dạng khối thông thường, SOA cấu trúc giếng lượng tử có độ rộng dải quang lớn hơn, công suất ra bóo hoà cao hơn, và bằng cách thay đổi sức căng của vật liệu người ta có thể điều khiển 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 tử thông thường Cấu trúc này bao gồm một vùng nghèo hạt tải và có sự giam giữ quang học Một cấu trúc giếng lượng tử với vùng chiết suất biến đổi theo dạng hỡnh nún ở hai bờn của giếng được chỉ ra trên hỡnh 1.6b Với cấu trúc này, khả năng giam giữ quang học tăng lên đáng kể Trên hỡnh 1.6c là giản đồ năng lượng của một miền tích cực đa giếng lượng tử (MQW) Do có nhiều giếng lượng tử nên sự giam giữ hạt tải và sự giam giữ quang học được tăng lên so với trường hợp đơn giếng lượng tử Để cải thiện thêm khả năng giam giữ, người ta sử dụng các cấu trúc MQW biến dạng MQW biến dạng là một cấu trúc MQW có lớp vỏ với độ rộng vùng 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 trực tiếp tới các lớp là bị giới hạn Nguyên nhân là do trong các giếng lượng tử nằm trong vùng dẫn và vùng hoá trị các mức năng lượng lại bị tách thành các mức năng lượng con (Hỡnh 1.7)

Trờn hỡnh 1.7, L z là độ sâu của giếng, E g và E gB tương ứng là năng lượng của giếng 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 các mức năng lượng con trên vùng hoá trị của các lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ đó được lượng tử hoá

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

2 cw ci

z m E L

2 cw ci

z m E L

< N c

2

 (1.34)

2

2

)1(1

2

)1(

c z

c c

c z c

L L

L b

i

L L

a i





(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 lượng

hiệu dụng của lỗ trống nhẹ

Các mức năng lượng lượng tử hoá Fermi trong vùng dẫn và vùng hoá trị

tương ứng liên hệ với mật độ điện tử và lỗ trống trong giếng theo phương trỡnh

ci fc z

N i

lhj fv lhw

ci fc z

cw

kT E E m

kT E E L

E aij =   ci

cw

hhr

ij E m

m E

m E

hv  (1.40) với lỗ trống nhẹ

E aij =   ci

cw

lhr

ij E m

m E

m E

hhw cw

m m

m m



mlhr =

lhw cw

lhw cw

m m

m m

j i

,0

,1

N

= -

=

-ồ ồ

ớợ)

N

= -

=

-ồ ồ

ớợ)

(

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, trong trường 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 In0,53Ga0,47As/

In0,53Ga0,47As0,55P, đế InP Các tham số vật liệu như sau : EgapW =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 trên hỡnh 1.8

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

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

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

trong 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 cấu trúc 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 tử lớn 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 lớp hàng 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 giếng lượng 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 cách đáng kể bằng cách làm biến dạng các giếng Sự biến dạng này được tạo ra bằng cách tạo ra các tinh thể mặt nạ ở giữa giếng và lớp hàng rào liền kề Trong các giếng lượng tử thông thường, lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ bị suy biến, nghĩa là chúng ở cùng một mức năng lượng trong cùng một không gian xung lượng Ảnh hưởng của biến dạng là làm giảm sự suy biến này Sự biến dạng cũng làm thay đổi khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống

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

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

a a

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

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

trống nặng

Biến dạng nộn

Khụng biến dạng

Biến dạng kộo dón

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

không biến dạng và kéo dón

Lĩnh vực thiết kế và chế tạo MQW SOA đang được nghiên cứu và phát triển rất 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]

3 So sánh SOA cấu trúc giếng lượng tử với cấu trúc khối

Dải khuếch đại

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

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 trạng thái trong giếng lượng tử phụ thuộc vào năng lượng theo dạng bậc thang Thể hiện trên phổ khuếch đại thỡ bỏn dẫn giếng lượng tử sẽ trơn hơn và như vậy dải khuếch đại lớn hơn

Cụng suất ra bóo hoà

Cụng suất bóo hoà của SOA dạng khối tỉ lệ nghịch với hệ số khuếch đại vi phân như 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 miền tích cực giếng lượng tử là nhỏ hơn trong bán dẫn khối nên hệ số khuếch đại sẽ thấp hơn Một cách đơn giản để giải quyết vấn đề này là chế tạo các miền tích cực giếng lượng 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 70

đến 100 Tại hai bề mặt này lại được phủ màng chống phản xạ Như vậy có thể giảm tối đa được hệ số phản xạ tại hai mặt của miền tích cực Khi sử dụng cấu trúc này, ta có thể thu được hệ số khuếch đại cao (30dB) và công suất được phân bố trên một vùng rộng hơn khi khuếch đại [15] Như vậy, có thể làm giảm sự bão hoà khuếch đại và làm tăng hiệu suất lượng tử Ngoài ra, nó còn có thể làm tăng kích thước vệt sáng lối ra và do đó làm tăng hiệu suất ghép nối giữa lối ra của linh kiện khuếch đại và sợi quang [6] Chúng ta sẽ khảo sát cụ thể ảnh hưởng của góc nghiêng và màng chống phản xạ trong cấu trúc này

w

w Trường phản xạ

Miền tích cực

Ảnh hưởng của miền tích cực nghiêng

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

3 0

101691,938399,07265,1102063,92

1

V V

V w

2 ( ) ( ) exp

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 tiếp xúc với không khí được cho bởi công thức:

2 2 1 1

sin1

cos

sin1

cos

n n

n n

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 hiện trên đồ thị hình 1.12

Ta có thể thấy rằng độ phản xạ giảm đi khi góc nghiêng tăng lên Tuy nhiên khi góc nghiêng tăng thì hiệu suất ghép nối sợi quang với chip SOA sẽ giảm Vì thế người ta có thể chế tạo ống dẫn sóng công suất lối ra lớn hơn với góc nghiêng tối ưu của 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 khuếch đại thấp và ít phụ thuộc vào phân cực) Sự phản xạ có thể giảm đi đáng kể khi sử dụng 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 10-4bằng 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 lớp điện môi cho bởi công thức:

f s

n  n

4

f f

d n



 (1.53)

với n f và d f là chiết suất và chiều dày của lớp chống phản xạ

Ta thấy phươngtrình trên chỉ áp dụng cho một bước sóng xác định, nên nó không phù hợp cho SOA hoạt động ở một dải rộng Để đạt được sự phản xạ thấp tại

bề mặt cho SOA hoạt động ở dải tần rộng, cần phải sử dụng chất điện môi đa lớp Việc khảo sát lớp phủ là rất phức tạp và khó khăn Đó là do sự phân bố mode truyền dẫn trong SOA, nơi miền tích cực và lớp vỏ có chiết suất khác nhau

Trong khảo sát sau, giả thiết rằng phân bố trường là đều dọc theo chiều song song với lớp chuyển tiếp giữa bề mặt và lớp phủ chống phản xạ Chúng ta có thể khảo sát cấu trúc dẫn sóng này bằng cách sử dụng mô hình 2 chiều như trên hình 1.13

Trong các tính toán ta chỉ khảo sát đối với sóng phân cực TE (vector điện

trường song song với trục z) Lớp tích cực có chiết suất n a và chiều dày d Phần vỏ

có chiết suất n c và giả thiết dày vô hạn

Phân bố trường sóng tới E inc (x) tại z=0, biên giới giữa miền tích cực và lớp

d

h f1

Hình 1.13 Mô hình hai chiều của màng chống phản xạ đa lớp trên

cấu trúc dẫn sóng SOA

( 2) ( 2 )( )

a c inc

a

h dh

h



Trong đó chỉ số a, c để chỉ miền tích cực và lớp vỏ,  là hằng số truyền dẫn k a,

k c là các số sóng và A là hằng số chuẩn hoá Hệ số phản xạ sẽ được tính như sau:

dx x F x E R

inc

ref inc

2 2

)(

)()(

(1.55)

Với F ref là hình ảnh của trường phản xạ qua màng F ref sẽ được tính bằng

phương pháp biến đổi Fourier từ E inc khi đưa và hệ số phản xạ Fresnel của màng màng đa lớp Phương trình 1.55 chỉ có thể giải bằng phương pháp số Mô phỏng bằng công cụ máy tính ta thu được sự phụ thuộc của hệ số phản xạ vào độ dày của màng như trên hình 1.14

hợp và kỹ thuật phủ cao Vật liệu chọn làm lớp chống phản xạ thích hợp với InGaAsP được liệt kê trong bảng I Trong các cấu trúc SOA miền tích cực nghiêng, người ta thường sử dụng màng chống phản xạ kép gồm hai lớp màng có chiết suất giảm dần [4]

1.2.3 Module khuếch đại quang bán dẫn

Để có thể ứng dụng trong các hệ thống thông tin quang, các chip SOA phải được chế tạo dưới dạng các module quang học Tương tự như công nghệ chế tạo laser module, chip khuếch đại cũng được ghép nối với sợi quang sao cho hiệu suất ghép nối lớn và ổn định theo thời gian [1] Hình 1.15 là sơ đồ cấu tạo và ảnh chụp của một module SOA sóng chạy

Bảng I Một số vật liệu thích hợp được dùng để tạo màng chống phản xạ

Hình 1.15 Cấu trúc của một module khuếch đại quang bán dẫn nghiêng góc

70 (a) và ảnh chụp (b)

nhiệt

Vi thấu kính Sợi

quang

Cấu hình ghép nối này đang được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế tạo

SOA sóng chạy dạng Fiber to Fiber Để tăng hiệu suất ghép nối và chống sự phản

hồi gây nhiễu, người ta sử dụng sợi quang có vi thấu kính, một đầu sợi gắn

connector chuẩn FC Hệ số ghép nối lý thuyết đuợc tính theo công thức:

m ax

NA r

a

s

NA a r

NA a r

s

s



 (1.56)

Với NA là khẩu độ số của sợi quang, a là kích thước miền tích cực, r s là bán

kính của vi thấu kính (hình vẽ 1.16) Như vậy nếu diện tích miền tích cực lớn hơn

đường kính sợi quang thì sẽ không thể cải thiện đươc hệ số ghép nối do hiệu suất

ghép nối đã đạt tới 1 Nếu đường kí nh sợi quang càng lớn thì hiệu suất ghép nối sẽ

tăng lên khi bán kích của vi thấu kính giảm Tuy nhiên cũng chỉ có thể giảm được vi

thấu kính tới mới một kích thước sao cho vẫn đạt đươc độ ổn định khi ghép nối

Đối với module khuếch đại trên cơ sở chíp khuếch đại miền tích cực nghiêng

góc 70 góc giữa sợi quang và trục tinh thể tối ưu là 230 Với góc ghép nối này hệ số

ghép nối là tối ưu Hình 1.13b là ảnh chụp một module khuếch đại quang bán dẫn

Hình 1.16 Ghép nối sợi quang với miền tích cực

1.3 Một số ứng dụng của SOA

Tương tự như các bộ khuếch đại khác, SOA được sử dụng để khuếch đại tín hiệu quang trong các hệ thống thông tin quang, đặc biệt là trong hệ truyền dẫn đa kênh Nó có thể được dùng để thay thế các bộ lặp lại trên đường truyền, đặt trước các đầu thu quang để làm bộ tiền khuếch đại, dùng làm bộ khuếch đại công suất, Ngoài ra SOA còn được sử dụng với một số ứng dụng chức năng của nó như: bộ chuyển mạch quang, đảo tần số, hay các hiệu ứng phi tuyến [3]

1.3.1 SOA với chức năng là một bộ khuếch đại

a SOA được dùng để thay thế các bộ lặp lại

Thông thường, các bộ lặp lại in-line trong các hệ thống thông tin quang sợi là

bộ phục hồi (tín hiệu được khuếch đại tại lối ra của bộ lặp lại) Quá trình này phải tách các kênh ra riêng biệt trước khi mỗi kênh được phục hồi bằng một bộ phát và một bộ thu riêng biệt Các bộ lặp lại này không chỉ đắt mà còn bị mất mát do lố i vào của các đầu thu có độ nhạy kém Đặc biệt, với một hệ WDM, đi vào bộ lặp lại bao gồm tín hiệu của một vài bước sóng (các kênh) khác nhau Do đó, mỗi kênh cần một đường “đầu thu - bộ khuếch đại điện - đầu phát” riêng biệt, kết quả là cần một mảng các thiết bị giống như các mạch điện phức tạp

Các bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA có thể được sử dụng để thay thế các

bộ lặp lại này (hình 1.17) Các SOA sẽ khuếch đại trực tiếp các tín hiệu quang yếu

mà không cần bất kỳ một quá trình hồi phục nào Khi đó, các bộ khuếch đại quang bán dẫn được coi như là các bộ lặp lại không hồi phục và nó còn được gọi là in-line-amplifier (bộ khuếch đại trên tuyến) Đối với bộ khuếch đại SOA có độ rộng dải rộng (> 4000GHz) thì có thể khuếch đại đồng thời nhiều kênh trong các hệ WDM [3] Hơn nữa, do quá trình khuếch đại không phụ thuộc vào chiều truyền trong SOA nên SOA cũng có thể được sử dụng như các bộ lặp lại in-line trong hệ WDM hoạt động 2 chiều

SOA

Hình 1.17 Sơ đồ các bộ khuếch đại SOA trên tuyến

b SOA được dùng làm bộ tiền khuếch đại trước đầu thu quang

Trong các hệ thống thông tin quang, các đầu thu phải tách các tín hiệu quang được truyền dọc theo sợi và chuyển chúng lại thành các tín hiệu điện Khi đặt các bộ khuếch đại quang trước đầu thu quang, tín hiệu và tạp âm tương ứng tăng lên trên mức tạp âm bộ thu Vì vậy, tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR chủ yếu do bộ khuếch đại quang quyết định Khi sử dụng các bộ khuếch đại quang bán dẫn, nó có ưu điểm là làm giảm ảnh hưởng của tạp âm bộ thu và do vậy, tăng độ nhạy của đầu thu Khuếch đại như vậy được gọi là tiền khuếch đại (hình 1.18)

c SOA được dùng để khuếch đại công suất

Các bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA còn được sử dụng để tăng công suất quang bằng việc đặt ngay sau nguồn tín hiệu phát Khi đó, SOA được gọi là khuếch đại công suất (hình 1.19)

1.3.2 Các ứng dụng chức năng của SOA

Thụng tin quang sợi đang ngày một phỏt triển theo hướng tăng tốc độ và khoảng cỏch truyền dẫn Trong cỏc hệ thống thụng tin quang tốc độ cao, chuyển mạch là linh kiện ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ truyền dẫn Chuyển mạch quang

cú nhiều ưu điểm hơn chuyển mạch điện như tốc độ chuyển mạch cao, gọn nhẹ hơn, Khuếch đại laser bỏn dẫn súng chạy (SOA) ngoài ứng dụng làm khuếch đại hiện nay được dựng chủ yếu cho cỏc ứng dụng chức năng như chuyển mạch quang, biến điệu quang, biến đổi bước súng, cổng logic,

a Chuyền mạch quang học SOA

Chuyển mạch quang học trên cơ sở khuếch đại quang bán dẫn có khảt năng ứng dụng tốt trong các hệ thông tin quang tốc độ cao Cấu hình đơn giản nhất của một chuyển mạch quang học trên cơ sở SOA được thể hiện trên hình 1.20 Trong trường hợp này, tình trạng đóng ngắt được điều khiển bởi dòng bơm của SOA Xung dũng gõy nờn sự khuếch đại và làm cho SOA trở nờn trong suốt đối với tớn hiệu lối vào Thời gian đóng ngắt giới hạn được xác định bởi thời gian sống của hạt tải Như vậy thời gian đóng ngắt có thể đạt tới cỡ ns Chuyển mạch quang SOA có

ưu điểm là tốc độ chuyển mạch cao, tỉ lệ on/off cao, và không làm biến đổi dạng xung

Dòng điện điều khiển

Thời gian

Thời gian SOA

Thời gian

c.Hiệu ứng trộn bốn bước sóng

Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM-Four Wave Mixing) là hiệu ứng phi tuyến kết hợp xảy ra trong SOA khi có hai trường quang học: nguồn bơm mạnh ở tần số góc 0 và tín hiệu yếu ở tần số góc 0 -, và có cùng sự phân cực Khi hai

trường này được bơm vào miền tích cực của SOA sẽ làm xuất hiện một tần số mới

0 + Hiện tượng FWM xuất hiện do nhiều hiện tượng vật lý khác nhau Việc khảo

sát cụ thể về lý thuyết là rất phức tạp Trong bản luận văn này chúng tôi chỉ dừng lại

ở mức khảo sát hiệu ứng ban đầu của hiện tượng này Tuy nhiên những ứng dụng của nó trong tương lai để chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng, bù trừ tán sắc, sẽ rất quan trọng [13]

Hình 1.20 Chuyển mạch SOA điều khiển bằng dòng điện

35

Chương II :

KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

2.1 Kỹ thuật chế tạo module khuếch đại quang bán dẫn dựa trên chip khuếch

Phát triển trên cơ sở công nghệ chế tạo module laser, tại phòng thí nghiệm Laser bán dẫn, đã nghiên cứu thành công công nghệ chế tạo khuếch đại quang bán dẫn Việc chế tạo module khuếch đại quang bán dẫn đòi hỏi công nghệ phức tạp hơn nhiều do phải ghép sợi quang với hai mặt miền tích cực Trong mục này chúng tôi mô tả lại toàn bộ quá trình hàn gắn chip khuếch đại lên đế, tạo vi thấu kính trên đầu sợi quang và kỹ thuật ghép nối sợi quang với hai mặt của miền tích cực

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

Trong luận văn này chúng tôi sử dụng loại chip khuếch đại quang bán dẫn do viện kỹ thuật viễn thông Heindrich-Hertz (HHI), CHLB Đức chế tạo Chip khuếch đại quang bán dẫn này có cấu trúc giếng lượng tử trên cơ sở hệ vật liệu InGaAsP/InP Dải khuếch đại tại vùng bước sóng = 1550 nm, thuộc của số thứ hai trong hệ thống thông tin cáp quang [5] Hai mặt miền tích cực của chip được chế tạo nghiêng góc 70 và được phủ hệ màng chống phản xạ TiO2/SiO2 Với cấu trúc như vậy, hệ số phản xạ tại hai mặt miền tích cực của chip có thể đạt đến dưới 10-4, rất phù hợp cho sự khuếch đại quang sóng chạy Kích thước của chip khuếch đại này

có chiều rộng w 300 m, chiều dày d = 100 m và chiều dài L = 1mm Chiều dài miền tích cực của chip lên đến cỡ mm nên có thể cho công suất bức xạ tự phát rất lớn (xấp xỉ 2mW) dẫn đến hệ số khuếch đại có thể đạt được khá lớn

Để có thể chế tạo module khuếch đại, chúng tôi tiến hành đo đạc để lựa chọn chip có huỳnh quang khuếch đại phát ở hai mặt của miền tích cực tương đối giống nhau Mặt dưới của chíp khuếch đại (cực âm) mạ vàng mỏng được gắn trực tiếp lên