KHUẾCH ĐẠI QUANG

KHUẾCH ĐẠI QUANG
BÁN DẪN
Nguyễn Tuấn Bảo
NỘI DUNG

Tổng quan khuếch đại quang

Nguyên lí cơ bản khuếch đại

Nguyên lí và cấu tạo của SOA

Ứng dụng của SOA
1.Tổng quan về SOA
A. Giới thiệu
.
Lịch sử

Năm 1960 :Những nghiên cứu đầu tiên về SOA(Semiconductor Optical Amplifier ) được tiến hành.

Từ năm 1970 ,Zeidler và Personick là những người đầu tiên làm việc về các thiết bị SOA.

Năm 1980 có nhiều tiến bộ quan trọng về thiết kế thiết bị và mô hình hóa cho SOA. Nghiên cứu tập trung
vào hoạt động của SOA AlGaAs với bước sóng 830nm. Cuối những năm 1980 các nghiên cứu về SOA
InP/InGaAsP thiết kế hoạt động trong khoảng 1,3 µm-1,55µm.

Trước năm 1989, cấu trúc SOA dựa trên các laser diot bán dẫn được phủ lớp chống phản xạ.

Năm 1989, SOA chính thức bắt đầu được thiết kế.
1.Tổng quan về SOA
A. Giới thiệu
.

Tại sao cần có SOA ?

Do tín hiệu quang bị suy hao trên đường truyền nên cần thiết phải có một bộ phận làm
nhiệm vụ khôi phục và khuếch đại để truyền tín hiệu đi xa.

Có thể nói suy hao là vấn đề quan trọng nhất khi thiết kế một hệ thống truyền dẫn quang,
nó là yếu tố chính để thiết kế các bộ lặp và khuếch đại của hệ thống.
1.Tổng quan về SOA
B. Phân loại

Khuếch đại quang bán dẫn

Cấu trúc của SOA dựa trên hệ thống hai dải năng lượng của chất bán dẫn và các quá
trính biến đổi quang điện: hấp thu, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích . Tín hiệu
quang được khuếch đại dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích.

Với các ưu điểm trong kỹ thuật chế tạo với các ưu điểm trong kỹ thuật chế tạo và thiết kế
linh kiện quang, SOA cho thấy khả năng ứng dụng rất cao.
1.Tổng quan về SOA
B. Phân loại

Khuếch đại quang sợi

Các bộ khuếch đại quang sợi bằng sợi dẫn quang pha tạp erbium (EDFA) ở bước sóng
1550nm đã được sử dụng rộng rãi trong các tuyến thông tin cáp quang đường dài hoặc
các mạng vòng lớn

OFA đã được sử dụng rất rộng rãi làm bộ khuếch đại đường truyền để bù suy hao sợi
quang.
1.Tổng quan về SOA

B. Phân loại

Khuếch đại quang sợi

Ưu điểm:

Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang do đó khuếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn.

Không có mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi.

Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương thức điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống đơn
giản hơn.

SOA cho thấy khả năng ứng dụng rất cao.
2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang
A. Mô tả cơ bản
2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang
A. Mô tả cơ bản
2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang
B. Nguyên lý cơ bản

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, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao
E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf 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)
2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang

B. Nguyên lý cơ bản

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.

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 tần số.
2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang
B. Nguyên lý cơ bản
Độ lợi - Gain Băng thông độ lợi
Công suất ngõ ra
bão hòa
Hệ số nhiễu
Xuyên nhiễu của
SOA
2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang
C. Các thông số kĩ thuật
2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang
C. Các thông số kĩ thuật

Độ lợi

Là tỉ số giữa công suất quang ngõ ra trên công suất quang ngõ vào :
G=Pout/Pin [dB]

Nó đặc trưng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại.


Độ lợi của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa độ lợi làm giới hạn công
suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại.
2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang
C. Các thông số kĩ thuật

Băng thông độ lợi

Độ lợi không bằng nhau cho tất cả các tần số .

Với các tần số khác nhau đầu vào ta có hàm G(f).

Băng thông độ lợi của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi điểm -3dB so với độ
lợi đỉnh của bộ k.huếch đại
2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang
C. Các thông số kĩ thuật

Công suất ngõ ra bão hòa

Công suất quang ngõ ra tăng tuyến tính với công suất quang ngõ vào theo hệ số độ lợi
G: Pout = G.Pin. Khi công suất ngõ vào Pin tăng đến một mức nào đó, độ lợi G bắt đầu
giảm.

Công suất ra bão 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. Độ lợi cao thì Psat, out cao.
2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang
C. Các thông số kĩ thuật

Hệ số nhiễu


Nhiễu chính là do phát xạ tự phát vì xảy ra 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.
Pout= G.Pin + PASE

Hệ số nhiễu NF (Noise Figure)
NF =

NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt.Giá trị nhỏ nhất của NF có thể đạt được là 3dB.


2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang
C. Các thông số kĩ thuật

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.

Hai loại nhiễu xuyên âm xảy ra trong SOA: nhiễu xuyên kênh và bão hòa độ lợi.

Nhiễu xuyên kênh xảy ra là do hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four Wave Mixing).
Và gây nên do hiện tượng bão hòa độ lợi .

Xuyên âm chỉ có mặt nếu tốc độ điều chế của các tín hiệu vào ít hơn vài KHz.
3.Cấu tạo và nguyên lí của SOA
A. Cấu tạo SOA
3.Cấu tạo và nguyên lí của SOA
A. Cấu tạo SOA

.
Dựa trên cấu trúc của laser bán dẫn dị tiếp xúc kép được bao
phủ bởi lớp chống phản xạ.
.
Dị tiếp xúc chính là mặt phân cách giữa hai vật liệu bán dẫn
có năng lượng vùng cấm khác nhau.
.
Có sự chênh lệch độ rộng của vùng hoạt tính và vùng bao
phủ.
3.Cấu tạo và nguyên lí của SOA
A. Cấu tạo SOA
.
Vùng hoạt tính nằm giữa hai vùng bán dẫn bao bọc loại p và loại
n.
.
Dị tiếp xúc là nơi tiếp xúc của vùng hoạt tính và các vùng bao
bọc là mặt phân cách.
.
Vùng vùng bao phủ có năng lượng cấm cao hơn nhưng chiết suất
thấp hơn vùng hoạt tính .
.
Cấu trúc dị tiếp xúc được sử dụng để giam các hạt tải điện.
3.Cấu tạo và nguyên lí của SOA
A. Cấu tạo SOA
.
Cấu trúc dị tiếp xúc.
3.Cấu tạo và nguyên lí của SOA
A. Cấu tạo SOA
.
Cấu trúc dị tiếp xúc.


Vùng hoạt tính có triết xuất cao hơn bao phủ vì vậy nó có vai trò như một
ống dẫn sóng điện môi tiết diện hình chũ nhật giúp giam cầm ánh sáng
truyền qua thiết bị vào vùng hoạt tính.

Lượng dẫn sóng được đặc trưng bởi hệ số giam cầm quang học ᴦ,là phần
năng lượng của một mode dẫn sóng nào đó giam cầm vào vùng hoạt tính,
ᴦ tăng khi chiều dày vùng hoạt tính tăng.
3.Cấu tạo và nguyên lí của SOA
A. Cấu tạo SOA
.
Cấu trúc dị tiếp xúc.

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)-điện trường được phân cực dọc theo mặt
phẳng dị tiếp xúc (dọc theo trục X).
3.Cấu tạo và nguyên lí của SOA
A. Cấu tạo SOA
.
Cấu trúc dị tiếp xúc.

Mode từ ngang (TM) –từ trường được phân cực dọc theo trục X.

Mode là ngang vì các trường điện từ ứng với nó đều vuông góc với
hướng truyền ,hoạt động của mode ngang giúp giảm sự phụ thuộc độ

lợi vào mode vì hệ số giam cầm phụ thuộc vào mode.