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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





VŨ NGỌC HẢI





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






LUẬN VĂN THẠC SỸ

HÀ NỘI – 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




VŨ NGỌC HẢI





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





Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nanô
Ngành: Khoa học và Công nghệ Nanô
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SỸ





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






HÀ NỘI – 2005

Mục Lục
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mở Đầu
Chương I-TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN
1.1 Nguyên lý hoạt động và đặc trưng cơ bản của khuếch đại
quang bán dẫn
1.1.1 Nguyên lý khuếch đại trong hệ hai mức năng lượng
1.1.2 Những đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn
1.2 Khuếch đại quang bán dẫn trên cơ chip khuếch đại
miền tích cực nghiêng góc 7
0

1.2.1 Tính chất của vật liệu bán dẫn cấu trúc giếng lượng tử
1.2.2 Chíp khuếch đại quang bán dẫn miền tích cực nghiêng
phủ màng chống phản xạ
1.2.3 Module khuếch đại quang bán dẫn
1.3 Một số ứng dụng của SOA
1.3.1 SOA với chức năng là một bộ khuếch đại
1.3.2 Các ứng dụng chức năng của SOA
Chương II-KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1 Kỹ thuật chế tạo module khuếch đại quang bán dẫn
dựa trên chip khuếch đại miền tích cực nghiêng góc 7
0

2.1.1 Chíp khuếch đại quang bán dẫn và kỹ thuật hàn lên đế toả nhiệt
2.1.2 Ghép nối sợi quang với hai mặt của miền tích cực
2.2 Kỹ thuật đo các đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn
2.2.1 Hệ đo đặc trưng công suất của module khuếch đại
và nguồn tín hiệu
2.2.1 Kỹ thuật đo cấu trúc phổ
2.2.3 Kỹ thuật khảo sát đặc trưng khuếch đại của module SOA
2.3 Khảo sát các ứng dụng chức năng của SOA
Chương III-KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 Các kết quả nghiên cứu về sự bức xạ tự phát khuếch đại (ASE)
3.1.1 Đặc trưng công suất của chip SOA một mặt
phủ màng chống phản xạ
3.1.2 Đặc trưng công suất của chip SOA miền tích cực nghiêng góc 7
0

có phủ màng chống phản xạ ở hai mặt miền tích cực
3.1.3 Đặc trưng công suất bức xạ phụ thuộc vào dòng bơm của module SOA
3.1.4 Đặc trưng phổ bức xạ tự phát khuếch đại

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 7
0
phủ màng chống phản xạ kép TiO
2
/SiO
2

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 7
0
có màng chống phản xạ kép TiO
2
/SiO
2
, 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
cơ bản của nó.
Chương 3: Kết quả nghiên cứu về vật lý và công nghệ khuếch đại quang bán
dẫn sóng chạy.
Bản luận văn được thực hiện và hoàn thành tại Phòng thí nghiệm Laser bán
dẫn, Viện Khoa học Vật liệu.




3

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 7
0
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
4

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
Tín hiệu
ra
Tín hiệu

vào
Mặt vào
Mặt ra
dòng
điện
Miền tích
cực
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của khuếch đại quang bán dẫn
5

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 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
photon
photon cảm
ứng
photon kích
thích
Năng lượng
vùng cấm
Bức xạ
tự phát
Bức xạ
cưỡng bức

Hấp thụ
Điện
tử
lỗ trống
Hình 1.2. Các quá trình cưỡng bức và tự phát trong hệ hai
mức
6

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 E
2
thì tồn tại một xác suất xác định trong một đơn vị thời gian nó sẽ
chuyển dời từ E
2
xuống E
1
, 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:
R
12
= B
12

(

)N
1
(1.3)
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:
7

B
12
= B

21
(1.4)
(1.5)
Với n
r
là chiết suất của vật liệu và c là vận tốc ánh sáng trong chân không
Thay (1.5) vào (1.2) ta thu được:
3
21 2
21
33
()
8
stim
r
A c N
r
nh



(1.6)
Trong trường hợp bức xạ cảm ứng là đơn sắc ta có:
2
21 2
21
23
()
8
stim

r
A c l I N
r
nh




(1.7)
Với


là mật độ năng lượng (J/m
3
) của trường điện từ cảm ứng. Và l(

) là hàm định
dạng. Với điều kiện chuẩn hoá:
( ) 1ld





(1.8)
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



(1.9)
Do đó (1.7) trở thành:
2
21 2
21
23
()
8
stim
r
A c l I N
r
nh





(1.10)
b. Sự hấp thụ và sự khuếch đại
8

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.
21 12
()
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:
21 12
( ) ( )
stim m
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
21 2 1
22
( )( )
()
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:






B
Đầu thu
Chùm tia
tới
Miền khuếch
đại
Mặt vào
Mặt ra
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
9

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




(1.14)
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 2N
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 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]:
'
21 2
()
24
N
A N h l
d Adz
dP





(1.17)
Góc khối nhỏ nhất ta có thể sử dụng mà không mất mát tín hiệu là:
2
2
0
min
2
4
B
r
d
nA


  
(1.18)
10

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
21
()
Nm
N

dP g h B dz
NN



(1.19)
Công suất tổng cộng bao gồm tín hiệu và nhiễu là:
0
( ) ( ) ( )
N
m sp m
dP
g P n g h B
dz
   

(1.20)
Với hệ số bức xạ tự phát
2
21
sp
N
n
NN


(1.21)
Nghiệm của (1.20) là:
0
( ) ( 1)

mm
g z g z
m sp
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:
0
( 1)
N sp
P n G h B


(1.24)
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:
m
gL
Ge
=
11

+ 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.
 
12
22
1 2 1 2 0
(1 )(1 )
()
(1 ) 4 sin ( )
s
ss

R R G
G
R R G R R G

   


   
(1.25)
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


(1.26)

0
Là tần số cộng hưởng của miền tích cực gần với tần số

nhất. Tần số cộng
hưởng xảy ra tại các số nguyên lần của


. Và thừa số sin
2
[

(

-

0
)/

] bằng không
tại các tần số cộng hưởng và bằng 1 tại các tần số bị chặn. Hệ số khuếch đại hiệu
dụng được tính như sau:
m
gg

  
(1.27)
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.
12

12
12
1
1
s
r
s
R R G
G
R R G







(1.28)
Từ 1.28 ta thu được mối quan hệ giữa hệ số phản xạ trung bình và G
r
là:
1
1

1
r
geo
sr
G
R
GG






(1.29)
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)

13


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 G
TE
và G
TM

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.
14

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, P
out,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 P
out,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
SN
F
SN

(1.31)
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)
Hệ số khuếch đại (dB)
P
out, sat
3 dBm

Hình 1.5. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất tín hiệu
ra và công suất ra bão hòa
15

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).
16



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)

CB
E
c1
E
c0
E
hh0
E
c
E
g
E
gB
Photon
Năng lượng
17






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:
cw
cb
m

m
ci
cic
E
EE 
=






cos
tan








2
2
cicwz
EmL







odd
even
n
n
(1.33)
Ở đây, m
cw
và m
cb
là khối lượng hiệu dụng tương ứng ở trong giếng và hàng
rào. Phương trỡnh 1.33 phải giải bằng phương pháp số.
Số các trạng thái chuyển dời điện tử N
c
ở bờn trong giếng thoả món điều kiện








2
2
cicwz
EmL
<
c

N
2

(1.34)
Trong trường hợp E
cn
<<

E
c
thỡ E
cn
cú thể tớnh xấp xỉ bằng:
E
ci
=





































3
2
2
2
)1(
1
2
)1(

cz
c
c
cz
c
LL
L
b
i
LL
a
i


(1.35)
Trong đó:
18

 
 
   
   
 
11
mod
00
2
2
00
11

mod
11
`
12
c hh
c lh
bij
NN
hhr ij
ii
p
g c ajj v bjj
rz
NN
lhr ij c aij
vE
ii
m c A H hv E
eE
g v f E f E
n c m L v
m C A H hv E f E f




















  








L
c
=
c
Eb
a
c
c


a
c
=
cw
m2
2
(1.36)
b
c
=
cb
cw
m
m

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
cw

, m
cb
bằng m
hhw
, m
hhb
là
các khối lượng hiệu dụng của lỗ trống nặng và tương tự m
lhw
, m
lhb
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
[13]:
n =
 
 










1

0
2
/exp1ln
c
N
i
cifc
z
cw
kTEE
L
kTm



p =
 
 
 
 







 





1
0
1
0
2
/exp1ln/exp1ln
c lh
N
i
N
i
lhjfvlhwcifc
z
cw
kTEEmkTEE
L
kTm


(1.37)
Với N
hh
và N
lh
là số các mức năng lượng con được phép của lố trống nặng và
lỗ trống nhẹ.
Hệ số khuếch đại giếng lượng tử có thể biểu diễn được như sau:

(1.38)


với E
p
là tham số ma trận quang học và đối với lỗ trống nặng,
19

E
aij
=
 
ci
cw
hhr
ij
E
m
m
Ehv 
(1.39)
E
aij
= -
 
hhj
hhw
hhr
ij
E

m
m
Ehv 
(1.40)
với lỗ trống nhẹ.
E
aij
=
 
ci
cw
lhr
ij
E
m
m
Ehv 

E
aij
= -
 
lhj
lhw
lhr
ij
E
m
m
Ehv 

(1.41)
m
hhr
và m
lhr
là khối lượng hiệu dụng rút gọn của lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ, và
tớnh bằng:
m
hhr
=
hhwcw
hhwcw
mm
mm


m
lhr
=
lhwcw
lhwcw
mm
mm

(1.42)
Năng lượng chuyển dời E
ij
giữa các vùng dẫn con và vùng hoá trị con được
tớnh theo biểu thức
E

ij
=

E
g
+ E
ci
+ E
hhi

E
ij
=

E
g
+ E
ci
+ E
lhi
(1.43)
H
mod
là hàm Heaviside mở rộng định nghĩa như sau:
H
mod
(hv-E
ij
) =
 










h
Ehv
ijm


1
tan
1
2
1
(1.44)

m
cú bậc cỡ 0,1 ps. C
ij
là tham số chồng chập không gian và được biểu diễn xấp xỉ
như sau:
C
ịj












ji
ji
,0
,1
(1.45)
h
p
e
12
2
2
0
0
0
1
0
1
hh
c
g
v

e
E
n
c
m
L
v
m
g
p
r
z
i
N
i
N
=
-
=
-
ồ
ồ
=
ỡ
ớ
ợ
)
(
h
p

e
12
2
2
0
0
0
1
0
1
hh
c
g
v
e
E
n
c
m
L
v
m
g
p
r
z
i
N
i
N

=
-
=
-
ồ
ồ
=
ỡ
ớ
ợ
)
(
20

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 In
0,53
Ga
0,47
As/
In
0,53
Ga
0,47
As
0,55
P, đế InP. Các tham số vật liệu như sau : E
gapW
=0,72eV;
E
gapP
=0,96eV; E
p
=23,6eV; m
cw

=0,041m
0
; m
cb
=0,059m
0
; m
vw
=0,059m
0
;
m
cw
=0,059m
0
; n
r
=3,22 và T=300K. Đường đặc trưng g
m
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
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1675
0
0
10
20
30
TE
TM
g
m
, g'
m
(10
4
m
-1

)

g'
m

g
m

g'
m

Bước sóng (nm)
Hỡnh 1.8. Đường cong g
m
và g'
m
cho giếng lượng tử InGaAsP-
InGaAs độ dày 6 nm. Mật độ hạt tải là 3x10
24
m
-3
21

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 thuộc 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:

MQW
=N
w

SQW
, 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 E
c
, mức năng lượng của lỗ trống
nặng và lỗ trống nhẹ dịch là E
hh
và E
lh
được tính theo cụng thức:

 
zzxxcc
aE

 2

 
zzxxvhh
aE

 2
+
)(
zzxx
b


(1.46)
 
zzxxvlh
aE

 2
-
)(
zzxx
b



Ở đây,