NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG SOA TRONG VIỆC XỬ LÝ TÍN HIỆU QUANG

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 i

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, lời đầu tiên cho em xin được tỏ lòng biết ơn
sâu sắc đến cô giáo Ths. Trần Thủy Bình, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá
trình viết đồ án tốt nghiệp này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các quý Thầy , Cô giáo trong khoa Viễn thông I, đặc
biệt là các Thầy, Cô trong bộ môn Tín hiệu và hệ thống, trường Học viện Bưu chính viễn
thông đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập vừa qua. Với vốn kiến thức được
tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu đồ án này mà còn
là hành trang quý báu cho em bước vào đời một cách vững vàng và tự tin nhất.
Cuối cùng, em xin gửi lời kính chúc tới các quý Thầy, Cô giáo và gia đình dồi dào sức
khỏe và luôn thành công trong sự nghiệp cao quý!






Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 ii


LỜI CẢM ƠN i
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv
v

MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG I: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ KHUẾCH ĐẠI SOA 2
1.1. GIỚI THIỆU KHUẾCH ĐẠI QUANG 2
1.2. NGUYÊN LÍ CƠ BẢN 4
1.3. CẤU TẠO SOA 6
8
1.4.1. Độ lợi và băng thông độ lợi 9
1.4.2. Độ nhạy phân cực 10
1.4.3. Bão hòa độ lợi tín hiệu 11
1.4.4. Hệ số tạp nhiễu 11
1.4.5. Các hiệu ứng động lực học 12
1.4.6. Sự phi tuyến. 12
12
12
1.5.1.1. Các lớp chống phản xạ 12
1.5.1.2. Cấu trúc bề mặt có góc 16
1.5.1.3 Cấu trúc bề mặt cửa sổ 18
1.5.1.4. Các cấu trúc không nhạy với sự phân cực 19
1.5.1.5. Các SOA với ống dẫn sóng tích cực tiết diện hình vuông 19
1.5.1.6. Ống dẫn sóng đỉnh SOA 20
1.5.1.7. Các cấu trúc dựa trên siêu mạng lớp biến dạng 21
1.5.2. Cấu trúc công suất đầu ra bão hòa cao 21
1.5.2.1. Mô hình cơ bản để tiên đoán tính chất bão hòa của bộ
khuếch đại 21
1.6.CÁC SOA CÓ CẤU TRÚC ỔN ĐỊNH HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI. 24
1.7. VẤN ĐỀ GHÉP ÁNH SÁNG VÀO VÀ RA CÁC SOA. 25
Kết luận 26
CHƢƠNG II - SỰ PHI TUYẾN CỦA SOA 27
2.1. ĐIỀU CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CHÉO. 27
2.2. SỰ TỰ ĐIỀU PHA VÀ ĐIỀU CHẾ PHA CHÉO. 29

2.3. SỰ ĐIỀU BIẾN PHÂN CỰC CHÉO 31
2.4.TRỘN BỐN BƢỚC SÓNG 31
CHƢƠNG III - ỨNG DỤNG CỦA SOA 35
TRONG XỬ LÍ TÍN HIỆU QUANG 35
Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 iii

3.1. BỘ ĐIỀU BIẾN PHA VÀ CƢỜNG ĐỘ SOA 35
3.2. BỘ CHUYỂN ĐỔI BƢỚC SÓNG 36
3.2.1. Bộ chuyển đổi bƣớc sóng XGM 37
3.2.2. Bộ chuyển đổi bƣớc sóng XPM 38
3.2.3. Các bộ chuyển đổi bƣớc sóng FWM 41
3.3. CÁC CỔNG QUANG HỌC SOA 44
3.4. LOGIC SOA 51
51
52
53
3.5. BỘ GHÉP KÊNH XEN RẼ SOA 54
3.5.1. Sự phân kênh OTDM dùng FWM 54
3.5.2. Bộ ghép kênh xen rẽ OTDM MZI. 55
3.6. CÁC BỘ TẠO XUNG SOA 56
3.7. PHỤC HỒI XUNG ĐỒNG HỒ SOA 57
3.8. CÁC DETECTOR SOA 58
3.9. CHUYỂN MẠCH KHÔNG GIAN TOÀN QUANG 60
3.9.1. Giới thiệu chung 60
3.9.2. Chuyển mạch toàn quang MZI SOA cơ bản. 61
63
64

Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 iv

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

APD
Avalanche Photodiode
Diode tách sóng quang thác
AWG
Arrayed Waveguide Grating

ASE
Amplifier Spontaneous Emission

BER
Bit Error Rate
Tỷ số lỗi bit
DBR
Distributed Bragg Rèlector
Phản xạ phân bố Bragg
DBF
Distributed Feedback
Phản hồi phân bố
FWM
Four Wave Mixing
Trộn bốn bước sóng
MMIWA

OFA
Optical Fiber Amplier
Khuếch đại quang sợi
OTDM
Optical Time Division
Mutiplexing
gian
SOA
Semiconductor Optical Amplier
Khuếch đại quang bán dẫn
SPM
Self Phase Modulation

TDM
Time Division Mutiplexing

TMLL
Tunable Mode- Locked Laser

XGM
Cross Gain Modulation

XPM
Cross Phase Modulation

VCO
Voltage Control Oscilator

Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 v



Phổ suy hao đặc trưng của một sợi quang đơn mode 2
ổ tán sắc đặc trưng của sợi quang đơn mode 3
Hình 1.3: Cấu trúc trạm lặp quang điện 3
Hình 1.4: Mô hình tổng quát của bộ khuếch đại quang 4
Hình 1.5: Sơ đồ của một SOA 5
Hình 1.6: Các SOA cơ bản và phổ độ lợi tương ứng 6
Hình 1.7: Các hiện tượng biến đổi quang điện 7
Hình 1.8: Cấu trúc của một SOA 7
Hình 1.9: Nguyên lí giam cầm điện tử 10
Hình 1.10: Hệ số phản xạ trung bình hình học theo độ lợi một lần truyền qua với răng
cưa độ lợi như tham số 11
Hình 1.11. Đặc tuyến độ lợi SOA theo công suất tín hiệu đầu ra 13
Hình 1.12: Mô hình SOA được phủ lớp chống phản xạ đa lớp 16
Hình 1.13: Hệ số phản xạ bề mặt được phủ lớp chống phản xạ đơn lớp theo chiều dày
màng 16
Hình 1.14: Nhìn từ trên của một SOA có bề mặt góc 16
Hình 1.15: Một SOA ống dẫn sóng bị loe bề mặt có góc 17
Hình 1.16: Hệ số phản xạ hiệu dụng của bề mặt góc như một hàm theo góc bề mặt với
ống dẫn sóng như tham số 18
Hình 1.17: Hình chiếu từ trên của một SOA với các mặt cửa sổ 18

Hình 1.18: Mặt cắt và hình chiếu từ trên của SOA dãy đỉnh bị chôn vùi 19
Hình 1.19: Độ ợi đến sợi của chế độ phân cực TE và TM 20
Hình 1.20: Tiết diện SOA ống dẫn sóng đỉnh 20
Hình 1.21: Đặc tuyến bão hòa độ lợi của SOA thu được từ nghiệm 23
Hình 1.22: SOA công suất đầu ra bão hòa cao InGaAs- InP 24
Hình 1.23: Các GC-SOA 25
Hình 1.24: Đặc tuyến độ lợi công suất tín hiệu đầu ra GC-SOA 25
Hình 2.1. Bộ chuyển đổi bước sóng dùng XGM trong một SOA 27
Hình 2.2. Đáp ứng tần số điển hình của bộ chuyển đổi bước sóng dùng XGM. Tham số
là hệ số mất mát ống dẫn sóng tiêu chuẩn 28
Hình 2.3. Hệ số tăng cường độ rộng vạch phổ theo bước sóng của InGaAsP không pha
tạp. Tham số là mật độ hạt tải điện (x10
24
m
-3
) 29
Hình 2.4. Các giao thoa kế thông dụng được dùng trong các ứng dụng của SOA 30
Hình 2.5. FWM SOA. Tín hiệu và bơm phải có trạng thái phân cực giống nhau 31
Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 vi

Hình 2.6. Công suất liên hợp tiêu chuẩn theo trị tuyệt đối của tần số lệch hưởng 34
Hình 2.7. Hiệu suất chuyển đổi theo trị tuyệt đối của tần số lệch hưởng 34
Hình 3.1. SOA được dùng như một bộ điều biến cường độ ngoài 35
Hình 3.2. SOA hai phần được dùng như một bộ điều biến pha với sự nén AM 36
Hình 3.3. Cấu hình bộ chuyển đổi bước sóng truyề
XGM trong một SOA. OBFF: Bộ lọc thông dải quang học 37
Hình 3.4. Các hiệu ứng truyền của XGM trong một SOA 38

ộ chuyển đổi bước sóng MZI dựa trên XPM trong các SOA 39
Hình 3.6. Hàm truyền bộ chuyển đổi bước sóng MZI 40
Hình 3.7. Bộ chuyển đổi bước sóng MZI với nguồn DFB tích hợp toàn khối 40
Hình 3.8. Bộ chuyển đổi bước sóng bơm kép vừa phân cực song song vừa phân cực
vuông góc 42
Hình 3.9. Bộ chuyển đổi bước sóng FWM đa phân cực 43
Hình 3.10. Bộ chuyển đổi bước sóng tự bơm đường gấp 43
Hình 3.11. Bộ chuyển đổi bước sóng FWM tự do- lọc 44
Hình 3.12. Các cổng SOA được điều khiển điện và quang học cơ bản 45
Hình 3.13. Công tắc toàn quang dùng hoạt động truyề
tầng 45
Hình 3.14. Modul công tắc 2x2 lai hóa 46
Hình 3.15. Sơ đồ mặt nạ bộ chọn kênh WDM tích hợp 46
Hình 3.16. Dạng hình học của cách tử Bragg có góc 47
Hình 3.17. Công tắc quang học dựa trên cấu hình MZI đối xứng 48
Hình 3.18. Công tắc quang học MZI đối xứng tích hợp lai hóa 49
Hình 3.19. Công tắc quang học dùng TOAD 49
Hình 3.20. Sơ đồ một giao thoa kế Sagnac toàn SOA 50
Hình 3.21. Sơ đồ công tắc phản xạ nội toàn phần hai ống dẫn sóng chéo nhau 51
H 51
52
H 52
53
53
54
Hình 3.28. Bộ tách kênh OTDM dùng FWM trong một SOA 55
Hình 3.29. MZI ADM 56
Hình 3.30. ADM bước sóng bộ lọc SOA có thể điều chỉnh được 56
Hình 3.31. Sự tạo xung quang học dùng laser sợi quang vòng khóa mode 56
Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ

SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 vii

Hình 3.32. Sự phục hồi xung đồng hồ quang học dùng vòng khóa pha điện –quang 57
Hình 3.33. Detector SOA và đặc tuyến đáp ứng phổ theo độ lợi khuếch đại 59
Hình 3.34. Chuyển mạch toàn quang dựa trên cấu hình MZI- SOA 61
Hình 3.35. Chuyển mạch MZI- SOA tổng quát với các bộ dịch pha 62
Đồ án tốt nghiệp đại học Mở đầu


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 1

MỞ ĐẦU

Thế kỉ 21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin và viễn thông đặc
biệt là công nghệ thông tin sợi quang trong suốt hơn 25 năm qua. Sự nhảy vọt về công nghệ
này có được là nhờ sự phát triển của công nghệ quang điện tử được sử dụng để khai thác băng
thông cực kì tiểm năng của sợi quang. Ngày nay các hệ thống đang vận hành đạt tốc độ bit
vượt qua 100Gb/s nhờ các kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng.
Công nghệ quang đang thống trị thông tin toàn cầu. Nó đang là trung tâm của việc
hiện thực hóa các hệ thống thông tin tương lai nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin của con người.
Những yêu cầu này bao gồm dải băng thông không giới hạn tới các dịch vụ kèm theo và khả
năng nâng cấp dung lượng, sự linh hoạt trong định tuyến của kênh truyền.


Các bộ khuếch đại quang bao gồm 3 loại: Khuếch đại quang sợi (OFA) và khuếch đại
bán dẫ ợc sử dụng rất rộng rãi để làm bộ
khuếch đại đường truyền bù suy hao sợi quang. Tuy nhiên với các ưu điểm trong kĩ thuật chế
tạo và thiết kế linh kiện quang, SOA đang cho thấy khả năng ứng dụng rất cao. Ngoài các ứng

dụng làm phần tử khuếch đại, SOA còn có các ứng dụng trong xử lí tín hiệu quang như làm
chuyển mạch quang, bộ chuyển đổi bước sóng, làm cổng logic. Những phần tử này có vai trò
vô cùng quan trọng đối với mạng quang trong suốt vì sẽ không cần quá trình chuyển đổi
quang điện.



Chương I:

Chương II:

Chương III: quang.





Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 2

CHƢƠNG I: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ KHUẾCH ĐẠI SOA
Phần này sẽ trình bày cấu tạo và nguyên lí cơ bản của bộ khuếch đại quang bán
dẫn,quá trình khuếch đại quang và nhiễu cùng các tham số thiết bị cơ bản bao gồm
răng cưa độ lợi, độ nhạy phân cực, công suất đầu ra bão hòa và hệ số tạp nhiễu.

1.1. GIỚI THIỆU KHUẾCH ĐẠI QUANG
Thông tin quang gặp hai hạn chế chính là: Suy hao và tán sắc. Độ suy hao dẫn
đến sự suy giảm năng lượng tín hiệu và do đó giảm khoảng cách truyền dẫn. Vì thế

suy hao là vấn đề quan trọng trong thiết kế hệ thống. Trong khi đó, sự suy hao sinh ra
sự mở rộng xung và tạo ra nhiễu giao thoa kí hiệu làm tăng BER. Độ tán sắc chủ yếu
làm hạn chế băng thông sợi quang.
Hình 1.1 cho thấy phổ suy hao của sợi quang, dễ thấy suy hao của sợi quang
nhỏ nhất trong vùng 1.55

m

Hình 1.1: Phổ suy hao đặc trưng của một sợi quang đơn mode
Phổ tán sắc của sợi quang đơn mode được thể hiện trong hình 1.2, tán sắc nhỏ
nhất trong vùng bước sóng 1.3

m
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 3


Hình 1.2: Phổ tán sắc đặc trưng của sợi quang đơn mode
Khi cự ly truyền dẫn tăng, độ suy hao tín hiệu và độ tán sắc cũng tăng lên, vì
vậy tại một số điểm truyền dẫn trong sợi quang, tín hiệu cần phải được phục hồi lại.
Việc phục hồi bao gồm việc phát hiện biến đổi photon- electron, khuếch đại điện, dịch
thời gian, điều chỉnh dạng xung và truyền lại. Suy hao được khắc phục bằng bộ lặp
quang điện. Trong trạm lặp quang điện, quá trình khuếch đại được thực hiện qua nhiều
bước.

Hình 1.3: Cấu trúc trạm lặp quang điện

Hoạt động của trạm lặp: Tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi
các bộ phận thu quang sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay APD. Dòng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 4

quang điện thu được sẽ được tái tạo lại dạng xung, định thời và khuếch đại bởi các
mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuếch đại. Sau đó tín hiệu điện sẽ được biến đổi
thành tín hiệu quang thông qua các nguồn quang trong bộ phát quang và được truyền
đi trong sợi quang. Như vậy quá trình khuếch đại được thực hiện trong miền điện.
Tuy nhiên khuếch đại quang điện có nhiều nhược điểm. Một giải pháp được đặt
ra đó là khuếch đại quang. Có hai loại khuếch đại quang là: OFA và SOA. Tuy nhiên
trong thời gian gần đây, SOA thu hút nhiều quan tâm hơn trong việc sử dụng chúng
như bộ khuếch đại quang cơ bản và các thành phần chức năng trong các hệ thống
thông tin quang và các thiết bị xử lí tín hiệu quang.
Cấu tạo của bộ khuếch đại quang được mô tả như sau:


Hình 1.4: Mô hình tổng quát của bộ khuếch đại quang.
Trong bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại sẽ diễn ra trong vùng tích cực.
Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực có độ lợi lớn hay nhỏ phụ
thuộc vào năng lượng từ nguồn bơm. Các nguồn bơm này có tính chất như nào tùy
thuộc vào loại khuếch đại quang. Dựa vào cấu trúc của vùng tích cực có thể chia
khuếch đại quang làm 3 loại:
- Khuếch đại quang bán dẫn (SOA).
- Khuếch đại quang sợi (OFA).
-
1.2. NGUYÊN LÍ CƠ BẢN

SOA là một thiết bị quang điện tử mà ở các điều kiện thích hợp nó có thể
khuếch đại ánh sáng đầu vào. Dưới đây là sơ đồ khối của SOA:

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 5


Hình 1.5: Sơ đồ của một SOA
Vùng hoạt tính trong thiết bị truyền độ cho tín hiệu vào. Một dòng
điện bên ngoài cung cấp nguồn năng lượng làm cho quá trình khuếch đại xảy ra. Một
ống dẫn sóng được tích hợp để sóng lan truyền trong vùng hoạt tính. Tuy nhiên, sóng
quang học bị giam trong vùng này yếu nên một số sẽ bị lọt qua vùng bao bọc mất mát
xung quanh. Tín hiệu đầu vào có nhiễu kèm theo do quá trình khuếch đại vì vậy không
thể tránh khỏi hoàn toàn. Các mặt bộ khuếch đại phản xạ tạo ra các gợn sóng trong phổ
khuếch đại.
Các SOA được chia làm 2 loại chính: SOA Fabry Perot (FP- SOA) và SOA
sóng chạy (TW- SOA). Trong đó FP- SOA có tín hiệu qua lại trong bộ khuếch đại
nhiều lần. TW- SOA thì tín hiệu chỉ đi qua bộ khuếch đại một lần duy nhất. Các lớp
phủ chống phản xạ được dùng để tạo ra SOA với hệ số phản xạ bề mặt nhỏ hơn 10
-5
.
TW- SOA không nhạy bằng FP- SOA với sự dao động trong dòng phân cực, nhiệt độ
và sự phân cực của tín hiệu.


Hình 1.6: Các SOA cơ bản và phổ độ lợi tương ứng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA

SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 6

Ta có thể thấy một TW- SOA lí tưởng có phổ độ lợi trơn. Phổ độ lợi của FP-
SOA do có sự phản xạ nhiều lần tại các mặt cuối khoang cộng hưởng nên phổ có dạng
răng cưa.
Nguyên lí khuếch đại trong khuếch đại quang được thực hiện dựa trên hiện
tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng. Hiện tượng phát xạ kích thích
được minh họa dựa trên hình 1.7:

Hình 1.7: Các hiện tượng biến đổi quang điện
a. Hấp thụ b. Phát xạ c. Phát xạ kích thích
Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi có một điện tử đang ở trong trạng thái
năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon năng lượng hv
12
bằng với độ chênh
lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp hơn của
điện tử. Khi đó điện tử chuyển từ trạng thái cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn
và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng photon kích thích ban đầu.
Như vậy từ một photon ban đầu sau khi xảy ra quá trình phát xạ kích thích sẽ tạo ra 2
photon cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số. Hay nói cách
khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện. Hiện tượng này được ứng dụng
trong cả khuếch đại quang bán dẫn và khuếch đại quang sợi.
1.3. CẤU TẠO SOA
Cấu trúc SOA cơ bản tương tự laser bán dẫn. Nghĩa là dựa trên hệ thống hai dải
năng lượng của chất bán dẫn và các quá trình biến đổi quang điện: hấp thụ, phát xạ tự
phát, phát xạ kích thích. Trong đó, tín hiệu quang được khuếch đại dựa trên hiện tượng
phát xạ kích thích và xảy ra trong vùng tích cực.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA

SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 7


Hình 1.8: Cấu trúc của một SOA
Với cấu trúc này vùng hoạt tính nằm giữa hai vùng bao bọc loại p và loại n.
Giữa nơi tiếp xúc của vùng hoạt tính và các vùng bao bọc là mặt phân cách được gọi là
dị tiếp xúc. Trong các vùng của một SOA thì vùng bao phủ có năng lượng cấm cao
hơn nhưng chiết suất thấp hơn vùng hoạt tính.
Các hạt tải được bơm vào vùng hoạt tính của SOA từ một dòng phân cực được
đặt vào. Các hạt tải phải tạo ra đường đi và đi xuyên qua vùng bao phủ trước khi tới
vùng hoạt tính. Khi không có sự giam cầm các hạt, các hạt tải điện sẽ khuếch tán ra
toàn bộ thiết bị. Mặt khác vùng tích cực so với toàn bộ thiết bị tương đối nhỏ nên chỉ
có một phần nhỏ các hạt tải điện được bơm cung cấp độ lợi cho một tín hiệu ánh sáng
lan truyền. Điều này làm cho thiết bị hoạt động kém hiệu quả. Để khắc phục được điều
này, người ta sử dụng các biện pháp giam cầm hạt trong vùng tích cực tránh khuếch
tán đi nơi khác. Cấu trúc SOA đạt được điều này nhờ sự chênh lệch độ rộng vùng cấm
giữa vùng hoạt tính và vùng bao phủ. Nhờ có cấu trúc dị tiếp xúc các hạt tải điện sẽ
được giam cầm giữa các hàng rào.

Hình 1.9: Nguyên lí giam cầm điện tử
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 8

Trong cấu trúc SOA vùng hoạt tính có chiết suất cao hơn vùng bao phủ vì vậy
nó có vai trò như là một ống dẫn sóng điện môi tiết diện hình chữ nhật. Chính điều này
giúp giam cầm ánh sáng qua thiết bị vào vùng hoạt tính. Lượng dẫn sóng được đặc

trưng bởi hệ số giam cầm quang học

, được định nghĩa là phần năng lượng của một
mode dẫn sóng nào đó được giam cầm vào vùng hoạt tính. Các mode là nghiệm của
phương trình Maxwell đối với các trường điện từ trong ống dẫn sóng tuân theo các
điều kiện biên của ống dẫn sóng. Độ rộng của vùng hoạt tính ảnh hưởng trực tiếp đến
khả năng hoạt động của mode. Nếu ống dẫn sóng đủ hẹp, sẽ chỉ có một mode ngang
với hai chế độ phân cực, mode điện ngang TE trong đó điện trường được phân cực dọc
theo mặt phẳng dị tiếp xúc và mode từ ngang TM trong đó từ trường phân cực dọc
theo trục x. Mode là ngang vì các trường điện và từ đều vuông góc với hướng truyền.
Hoạt động đơn của mode ngang giúp giảm sự phụ thuộc độ lợi vào mode vì hệ số giam
cầm phụ thuộc mode, đồng thời cũng cải thiện hiệu suất ghép từ thiết bị quang.
Trong SOA dị tiếp xúc kép có một chiết suất xác định nhảy bậc theo hướng y
giữa các vùng không pha tạp và vùng bao phủ. Tuy nhiên theo hướng x không có sự
nhảy bậc này. Sự dẫn sóng theo hướng x đạt được qua các hạt tải điện được bơm vào,
nó làm thay đổi chiết suất vùng hoạt tính. Quá trình này được gọi là dẫn độ lợi. Sự
thay đổi chiết suất này nhỏ hơn theo hướng y. Điều này có nghĩa là

phụ thuộc vào
sự phân cực,

tăng khi chiều dày vùng hoạt tính tăng. Tuy nhiên nếu vùng hoạt tính
quá rộng, hoạt động của các mode đơn ngang sẽ dừng. Biên dạng điển hình của cường
độ ánh sáng qua mặt cắt ngang được biểu diễn qua hình 1.9.

Ứng dụng cơ bản nhất của SOA là khối khuếch đại quang học cơ bản. Đối với
một ứng dụng như thế, một danh sách các tính chất quan tâm được liệt kê trong bảng
1.1. Mục tiêu nghiên cứu và thiết kế SOA là để đưa tính chất này vào ứng dụng trong
các thiết bị thực tế.
Tính chất

- Độ lợi và băng thông độ lợi cao
- Phản xạ bề mặt không đáng kể
- Độ nhạy phân cực thấp
- Công suất đầu ra bão hòa cao
- Nhiễu cộng gần giới hạn lý thuyết
- Không nhạy với các tính chất điều biến tín hiệu vào
- Khuếch đại đa kênh mà không có sự đan xen nhau
- Không có miền phi tuyến
Bàng 2.1: Tính chất đáng quan tâm của SOA thực tế.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 9

1.4.1. Độ lợi và băng thông độ lợi
Nói chung có hai định nghĩa về độ lợi cơ bản cho các SOA. Đầu tiên là độ lợi
riêng của SOA, nó đơn giản là tỉ số công suất đầu vào tại mặt đầu vào với công suất tín
hiệu đầu ra. Định nghĩa thứ 2 là độ lợi sợi đến sợi, tức là bao gồm cả mất mát do ghép
đầu vào và đầu ra. Độ lợi của SOA được tính theo đơn vị dB. Phổ độ lợi của SOA phụ
thuộc vào cấu trúc, vật liệu và tham số hoạt động của nó. Đối với đa số các ứng dụng,
độ lợi cao và băng thông độ lợi là đáng quan tâm. Độ lợi riêng tín hiệu nhỏ ( nhỏ ở đây
tức là tín hiệu có sự ảnh hưởng lên hệ số độ lợi ở mức có thể bỏ qua) của SOA FP tại
tần số quang học v là
(1.1)
Ở đây R
1
và R
2
là hệ số phản xạ ở mặt đầu vào và đầu ra,


v là khoảng cách giữa các
mode dọc buồng cộng hưởng và được cho bởi công thức:
(1.2)
Các tần số cộng hưởng của buồng cộng hưởng xuất hiện tại các giá trị bằng số nguyên
lần

v. Yếu tố sin
2
trong công thức 1.1 bằng không tại các tần số cộng hưởng và bằng
1 tại các tần số phản cộng hưởng ( nó nằm ở giữa các tần số cộng hưởng liên tiếp
nhau). Hệ số độ lợi hiệu dụng là:
(1.3)
trong đó

là hệ số giam cầm mode quang học và

là hệ số hấp thụ. G
s
= e
gL
là độ lợi
khuếch đại một lần truyền qua. Một SOA không được bao phủ có sự phản xạ bề mặt
gần bằng 0,32. Răng cưa độ lợi bộ khuếch đại G
r
được tính bằng tỉ số giữa các độ lợi
cộng hưởng và không cộng hưởng. Từ 1.27 ta có:
(1.4)
Từ 1.3 ta thấy quan hệ giữa hệ số phản xạ bề mặt trung bình hình học G
geo
=

21RR
và
G
r
là:
(1.5)
Đồ thị R
geo
theo G
s
được biểu diễn trong hình 1.10 với G
r
là một tham số. Chẳng hạn
để thu được răng cưa độ lợi nhỏ hơn 1dB tại độ lợi một lần truyền qua là 25dB thì điều
kiện là R
geo
< 3,6. 10
-4
. Phản xạ bề mặt vào cỡ này có thể đạt được bằng cách sử dụng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 10

các lớp chống phản xạ cho bề mặt các bộ khuếch đại. Sự phản xạ bề mặt có thể giảm
hơn nữa bằng cách dùng các cấu trúc SOA chuyên dụng.
Băng thông độ lợi B
opt
của bộ khuếch đại được định nghĩa là khoảng bước sóng
mà trên đó độ lợi tín hiệu không nhỏ hơn một phần hai giá trị đỉnh của nó. Các SOA

có băng thông độ lợi rộng đặc biệt hữu dụng trong các hệ thống mà ở đó cần khuếch
đại đa kênh chẳng hạn như trong các mạng WDM. Băng thông độ lợi rộng có thể đạt
được trong một SOA với vùng hoạt tính được chế tạo từ các vật liệu giếng lượng tử
hoặc các vật liệu đa giếng lượng tử (MQW). Các độ lợi riêng cực đại điển hình đạt
được trong các thiết bị thực tế nằm trong khoảng 30 đến 60nm.

Hình 1.10: Hệ số phản xạ trung bình hình học theo độ lợi một lần truyền qua với răng
cưa độ lợi như tham số.

1.4.2. Độ nhạy phân cực
Nói chung, độ lợi phân cực của một SOA phụ thuộc vào trạng thái phân cực của
tín hiệu đầu vào. Sự phụ thuộc nào là do một số yếu tố bao gồm: cấu trúc ống dẫn sóng,
bản chất của các lớp phủ chống phản xạ và vật liệu. Các SOA xếp tầng làm nổi bật sự
phụ thuộc phân cực này. Ống dẫn sóng của bộ khuếch đại được đặc trưng bởi 2 mode
phân cực vuông góc là TE và TM. Trạng thái phân cực tín hiệu đầu vào thường nằm ở
đâu đó giữa 2 cực trị này. Độ nhạy phân cực của một SOA được định nghĩa là sự
chênh lệch giữa độ lợi mode TE là G
TE
và mode TM là G
TM
, tức là:
(1.6)

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 11

1.4.3. Bão hòa độ lợi tín hiệu
Độ lợi của một SOA bị ảnh hưởng bởi công suất tín hiệu đầu vào và nhiễu bên

trong tạo ra do quá trình khuếch đại. Sự bão hòa độ lợi này có thể gây ra biến dạng tín
hiệu một cách đáng kể. Nó cũng có thể giới hạn độ lợi đạt được của SOA được dùng
làm bộ khuếch đại đa kênh. Đặc tuyến độ lợi SOA thông thường theo công suất tín
hiệu đầu ra được biểu diễn trong hình 1.11.

Hình 1.11. Đặc tuyến độ lợi SOA theo công suất tín hiệu đầu ra.
Một tham số hữu dụng để định lượng độ bão hòa độ lợi là công suất đầu ra bão hòa
P
0,sat
, nó được định nghĩa như công suất tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại mà tại đó độ
lợi khuếch đại bằng một nửa độ lợi tín hiệu nhỏ. Giá trị trong khoảng từ 5 đến 20dB
của P
0,sat
là thông dụng trong thực tế.

1.4.4. Hệ số tạp nhiễu
Một tham số hữu dụng cho việc định lượng nhiễu trong bộ khuếch đại là hệ số
tạp nhiễu F, bằng tỉ số giữa các tín hiệu đầu vào và đầu ra với các tỷ số nhiễu, nghĩa là
(1.7)
Tín hiệu trên các tỉ số nhiễu là đại lượng thu được khi công suất đầu vào và đầu ra bộ
khuếch đại được phát hiển bởi photoditector lí tưởng.
Trong trường hợp giới hạn mà ở đó độ lợi khuếch đại lớn hơn nhiều so với một
và đầu ra bộ khuếch đại được cho qua một bộ lọc quang học băng hẹp, tỷ số tạp nhiễu
là:
(1.8)
Giá trị thấp nhất có thể có của n
sp
là 1, nó xuất hiện khi có sự đảo lộn hoàn toàn môi
trường nguyên tử, nghĩa là N
1

=0 thì F=2 ( tương đương 3dB). Hệ số tạp nhiễu điển
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 12

hình ( không bao gồm mất mát do ghép) của SOA thực tế nằm trong 7 đến 12dB. Hệ
số tạp nhiễu của các SOA được đóng gói điển hình nằm trong khoảng từ 10 đến 15dB.
1.4.5. Các hiệu ứng động lực học
Thông thường SOA được dùng để khuếch đại các tín hiệu ánh sáng điều biến.
Nếu công suất tín hiệu cao thì sự bão hòa độ lợi sẽ xuất hiện. Đây không phải là một
vấn đề nghiêm trọng nếu động lực học độ lợi của bộ khuếch đại là một quá trình chậm.
Tuy nhiên, trong các SOA, động lực học độ lợi của bộ khuếch đại được xác định bởi
thời gian tái hợp các hạt tải điện ( thời gian trung bình cho một hạt tải điện tái kết hợp
với lỗ trống trong vùng hóa trị). Thời gian này điển hình vào khoảng vài trăm ps. Điều
này có nghĩa là độ lợi bộ khuếch đại sẽ phản ứng một cách tương đối nhanh với sự
thay đổi của công suất tín hiệu đầu vào. Các độ lợi động này có thể gây ra biến dạng
tín hiệu, nó sẽ trở nên nghiêm trọng hơn khi băng thông tín hiệu được điều biến giảm.
Những hiệu ứng này sẽ được làm tăng thêm nữa trong hệ thống đa kênh trong đó độ
lợi động sẽ dẫn đến nhiễu xuyên kênh. Điều này trái ngược với các bộ khuếch đại sợi
pha tạp. Nó có thời gian tái kết hợp vào khoảng 1ms dẫn đến sự biến dạng tín hiệu
không đáng kể.

1.4.6. Sự phi tuyến.
Các SOA thể hiện tính chất phi tuyến nói chung. Những sự phi tuyến này có thể
gây ra những vấn đề như sự dịch chuyển tần số và tạo ra nhiễu xuyên điều chế bậc 2
và bậc 3. Tuy nhiên, sự phi tuyến có thể hữu dụng trong việc sử dụng SOA với vai trò
là các thiết bị chức năng chẳng hạn như bộ chuyển đổi bước sóng.Sự phi tuyến của
SOA sẽ được trình bày sâu hơn ở chương II.

1.5.1.
Như ta đã biết, sự khử phản xạ bề mặt là cần thiết để đạt được hoạt động sóng
chạy trong một SOA, có một số phương pháp để giảm hệ số phản xạ bề mặt hiệu dụng.
1.5.1.1. Các lớp chống phản xạ
Sự phản xạ công suất với các tia vuông góc tại mặt phân cách giữa 2 lớp điện
môi là:
(1.9)
Ở đây n
1
và n
2
là các chiết suất của các lớp điện môi. Các vật liệu bán dẫn
thường có chiết suất cao (thường nằm trong khoảng 3 đến 4). Thông thường hệ số
phản xạ bề mặt phân cách bán dẫn- không khí vào bậc cỡ 32%. Trong khi hệ số phản
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 13

xạ với độ lớn như thế này thích hợp với dao động laser trong thiết bị dị tiếp xúc kép,
nó quá lớn với TW-SOA. Hệ số phản xạ bề mặt hiệu dụng có thể giảm đáng kể bằng
cách sử dụng các lớp chống phản xạ (AR). Nếu một sóng phẳng có bước sóng không
gian
0

tới vuông góc với một vật liệu có chiết suất n
x
được đặt trong không khí (chiết
suất bằng 1) thì các điều kiện chế tạo tối ưu (nghĩa là hệ số phản xạ thấp nhất) đối với

lớp phủ chống phản xạ được hình thành bằng một điện môi là:
(1.10)
Ở đây n
f
và d
f
là chiết suất và độ dày của lớp phản xạ. Công thức này chỉ áp
dụng cho một bước sóng cụ thể vì vậy một lớp phủ chống phản xạ không thích hợp
cho SOA hoạt động trên băng thông rộng.
Để đạt hệ số phản xạ bề mặt thấp với băng thông rộng cần phải sử dụng các lớp
phủ điện môi đa lớp. Sự phân tích các lớp phủ như vậy rất phức tạp và khó khăn hơn
khi sử dụng cho SOA. Điều này là do mode ống dẫn sóng SOA được phân bố trong
các vùng hoạt tính và vùng bao phủ có chiết suất khác nhau.
Nếu giả sử phân bố trường là đồng đều dọc theo hướng song song với lớp tiếp
xúc giữa bề mặt và các lớp phủ chống phản xạ, ống dẫn sóng có thể được phân tích
dùng mô hình 2 chiều được biểu diễn như trong hình sau:

Hình 1.12: Mô hình SOA được phủ lớp chống phản xạ đa lớp (z<0: ống dẫn sóng
trong SOA; z>0: các lớp phủ chống phản xạ.
Trong phép phân tích này chỉ có các sóng phân cực điện ngang được xét. Vùng
hoạt tính có chiết suất n
a
và chiều dày d. Các vùng bao phủ xung quanh có chiết suất n
c

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 14

và được giả sử rộng vô cùng. Phân bố trường tới E
inc
(x) tại z=0, tức là biên giữa vùng
hoạt tính và các lớp phản xạ:
(1.11)
Ở đây
(1.12)
Nó thỏa mãn
(1.13)
Trong đó các chỉ số dưới a và c chỉ vùng hoạt tính và vùng bao phủ tương ứng,

là
hằng số truyền, k
a
và k
c
là các số sóng và A là một hằng số tùy ý. Phổ góc sóng phẳng
E
inc
(s) của trường tới được tính như sau:
(1.14)

Ở đây

0
là góc tới và s= sin(

0
).F
inc

và F
inc
là các thành phần của F
inc
trong các lớp
hoạt tính và lớp phủ tương ứng. Hệ số phản xạ Fresnel của lớp phủ chống phản xạ đa
lớp là:
(1.15)
Ở đây l là số lớp chống phản xạ, p
i
= n
fi
cos

0
(i= 0,…, l+1) và n
fi
là chiết suất của lớp
thứ i, n
f0
là chiết suất vùng hoạt tính và lớp bao phủ. m
11
, m
12
, m
21
, m
22
là các yếu tố
của ma trận chuyển đổi 2x2. Các yếu tố ma trận chuyển đổi lớp thứ i M

i
là:
(1.16)
Với
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 15

(1.9)
Ở đây h
fi
là chiều dày lớp thứ i, phổ góc của trường phản xạ F
ref
(s) là
(1.17)
Ở đây r
a
(s) và r
c
(s) tương ứng là các hệ số phản xạ của các thành phần trường trong
vùng hoạt tính và vùng bao phủ. Trường phản xạ E
ref
(x) tại z=0 bằng biến đổi Fourier
ngược của F
ref
(s). Hệ số phản xạ của mặt được bao phủ bằng bình phương hệ số ghép
giữa E
inc
(x) và E

ref
(x) tức là:
(1.18)

Phương trình này có thể giải bằng phương pháp số. Một kĩ thuật tương tự có thể được
áp dụng để thu được hệ số phản xạ của các mode TM. Với sự kết hợp giữa chiết suất
của vàng và chiều dạy có thể đạt được hệ số phản xạ bề mặt nhỏ hơn 10
-4
bằng cách sử
dụng một lớp chống phản xạ đơn lớp.
Các điều kiện phủ chống phản xạ cho các chế độ phân cực điện ngang và từ
ngang không giống nhau. Tuy nhiên việc sử dụng các lớp phủ đa lớp có thể giảm sự
phụ thuộc phân cực và cũng mở rộng mở rộng các bước sóng phản xạ thấp. Nhiều vật
liệu điện môi như SiO
2
, SiN và PbO-SiO
2
có thể được dùng làm các lớp chống phản xạ.
Chúng được sử dụng cho một SOA bằng cách bay hơi hay phun xạ. Chiết suất của lớp
phủ chống phản xạ được điều khiển bởi điều kiện bay hơi, phun xạ. Cũng có các kĩ
thuật để đo hệ số phản xạ của lớp chống phản xạ. Để đạt được hệ số phản xạ bề mặt
thấp dùng cho các lớp phủ chống phản xạ thì cần phải điều khiển cẩn thận chiết suất và
độ dày các lớp điện môi. Sự thay đổi cấu trúc SOA có thể giảm đòi hỏi khắt khe về
dung sai. Hai kĩ thuật thường được dùng: các bề mặt có góc và cấu trúc cửa sổ, nó
cùng với các lớp phủ chống phản xạ có thể phân phối các hệ số phản xạ thấp trên một
băng thông rộng với độ nhạy phân cực nhỏ nhất.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 16

Hình 1.13: Hệ số phản xạ bề mặt được phủ lớp chống phản xạ đơn lớp theo chiều dày màng
với n
a
=3.524 và nhà nước=3.17, d= 0.11
m

,

0
= 1.55
m

. Tham số là chiết suất màng.
1.5.1.2. Cấu trúc bề mặt có góc
Trong một SOA bề mặt có góc, vùng hoạt tính được nghiêng ra xa mặt phẳng
thớ chẻ bề mặt, do đó giảm hệ số phản xạ bề mặt hiệu dụng. Số V của ống dẫn sóng là
(1.19)
Ở đây w là độ rộng ống dẫn sóng, n
1
, n
2
là chiết suất tương ứng của vùng hoạt tính và
vùng bao phủ. Độ rộng công suất toàn phần mode điện ngang w
0
được cho bởi công
thức
(1.20)
Cấu tạo một SOA có bề mặt góc được mô tả như hình sau:

Hình 1.14: Nhìn từ trên của một SOA có bề mặt góc
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 17


Hình 1.15: Một SOA ống dẫn sóng bị loe bề mặt có góc
Nếu mode điện ngang được giả sử là có phân bố Gauss, hệ số phản xạ hiệu dụng của
bề mặt góc được tính gần đúng là
(1.21)
Ở đây

là góc giữa hướng truyền của chùm và pháp tuyến với mặt cuối. Hệ số phản
xạ Fresnel R
f
của một sóng điện ngang được giam cầm trong ống dẫn sóng tại lớp tiếp
xúc bề mặt có góc- không khí là:
(1.22)
Hệ số phản xạ hiệu dụng của mode từ ngang gần như tương tự với hệ số phản xạ hiệu
dụng của lớp điện ngang. Hệ số phản xạ hiệu dụng được mô tả như một hàm theo góc
bề mặt và độ rộng vùng hoạt tính. Hệ số phản xạ tương đối giảm khi góc bề mặt tăng.
Tuy nhiên hệ số ghép giữa SOA và sợi quang giảm xuống tại góc bề mặt lớn do có sự
không đối xứng trường xa. Các lớp phủ chống phản xạ trở nên nhạy phân cực hơn khi
góc bề mặt tăng. Hệ số phản xạ tương đối giảm khi độ rộng ống dẫn sóng tăng.
Tuy nhiên, nếu ống dẫn sóng quá rộng thì các mode ngang bậc cao sẽ xuất hiện. Vấn
đề này có thể được khắc phục bằng cách mở rộng ống dẫn sóng gần các mặt cuối. Điều
này cũng duy trì điều kiện đơn mode ngang. Các góc bề mặt tối ưu nằm trong khoảng
7

0
đến 10
0
.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA


SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 18



Hình 1.16: Hệ số phản xạ hiệu dụng của bề mặt góc như một hàm theo góc bề mặt với
ống dẫn sóng như tham số.

1.5.1.3 Cấu trúc bề mặt cửa sổ
Hệ số phản xạ bề mặt và các điều kiện phủ chống phản xạ tối ưu phụ thuộc vào
sự phân cực. Hệ số phản xạ bề mặt hiệu dụng có thể giảm thêm nữa và được làm cho ít
nhạy hơn với sự phân cực bằng cách dùng các bề mặt như biểu diễn trong hình 1.15.
Cấu trúc này gồm một vùng trong suốt giữa vùng hoạt tính và các mặt cuối. Vùng
trong suốt này có độ rộng vùng cấm lớn hơn năng lượng photon tín hiệu. Điều này có
nghĩa là sự hấp thụ cảm ứng không xảy ra mặc dù một số sự hấp thụ vật liệu riêng sẽ
có mặt. Trường được dẫn hướng từ ống dẫn sóng truyền vào trong vùng cửa sổ tại một
góc nào đó do nhiễu xạ và bị phản xạ một phần tại mặt cuối. Trường được phản xạ tiếp
tục mở rộng trong không gian vì vậy chỉ một phần nhỏ được ghép lại trong vùng hoạt
tính. Sự phản xạ hiệu dụng giảm khi tăng chiều dài l
w
của vùng cửa sổ. Tuy nhiên hiệu
suất ghép từ SOA đến sợi quang bị suy hao khi l
w
dài. Hệ số phản xạ bề mặt hiệu dụng

của các mặt cửa sổ có thể đạt đến bậc độ lớn 5%. Được dùng cùng các lớp phủ chống
phản xạ đơn lớp có thể đạt được hệ số phản xạ bề mặt nhỏ hơn 10
-5

Hình 1.17: Hình chiếu từ trên của một SOA với các mặt cửa sổ