Đề tài: KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Viện Điện tử Viễn thông

Bộ môn :Mạch và xử lý tín hiệu

Đề tài:

KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN

Giáo viên hướng dẫn:

ThS.Nguyễn Bích Huyền

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Đình Chương
Nguyễn Văn Thành

Lớp:

Hệ thống thông tin và truyền thông
Kĩ sư chất lượng cao K52


Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

2

MỤC LỤC
Lời nói đầu………………………………………………...………………...………..2

I.

Tổng quan về khếch đại quang……………………………………………………...3

I.1. Giới thiệu khuếch đại quang……………………………………………………3
I.2. Phân loại khếch đại quang………………………………………………...........7

II.

III.

IV.

V.

Nguyên lý cơ bản…………………………………………………………………….9

II.1.

Mô tả cơ bản……………………………………………………………....9

II.2.

Nguyên lý khuếch đại…………………………………………………...10

II.3.

Các thông số kĩ thuật…………………………………………………….11

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của SOA………………………………………..16

III.1.

Cấu trúc cơ bản của SOA……………………………………………….16

III.2.

Nguyên lý hoạt động……………………………………………………..16

III.3.

Đặc tính bộ khuếch đại FPA và TWA………………………………….18

Ứng dụng cơ bản của SOA………………………………………………………....22

IV.1.

Bộ khuếch đại tăng cường……………………………………………….23

IV.2.

Bộ tiền khuếch đại……………………………………………………….25

IV.3.

Bộ khuếch đại đường dây và các tầng khuếch đại…………………….27

Ưng dụng chức năng của SOA……………………………………………………..28

V.1.

Sự phi tuyến của SOA…………………………………………………...28

V.2.

Các ứng dụng chức năng của SOA…………………………………….31

Kết luận……………………………………………………………………………...40
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………..41
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


3

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

Lời nói đầu

Thế kỷ 21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin và viễn
thông đặc biệt là các hệ thống và công nghệ thông sợi tin quang trong hơn hai mươi lăm
năm qua. Sự nhảy vọt này có được là nhờ sự phát triển của công nghệ quang điện tử học
được sử dụng để khai thác băng thông cực kỳ tiềm năng của sợi quang. Ngày nay, các hệ
thống được vận hành với tỷ số bit vượt qua 100Gb/s nhờ các kỹ thuật như dồn kênh chia
theo bước sóng (WDM).
Công nghệ quang là trung tâm của việc hiện thực hóa các hệ thống tương lai nhằm
đáp ứng được nhu cầu thông tin của con người.Những khả năng này bao gồm dải thông
không giới hạn tới các dịch vụ thông tin kèm theo và sự trong suốt hoàn toàn cho phép
các nân cấp dung lượng và sự linh hoạt định tuyến của kênh truyền.Nhưng cần nhấn
mạnh rằng, khuếch đại quang đóng vai trò quan trọng trong sự tiến triển của thông tin
quang.

Nói chung, các bộ khuếch đại quang có hai loại: khuếch đại quang sợi (OFA) và
khuếch đai quang bán dẫn (SOA). OFA đã được sử dụng rất rộng rãi làm bộ khuếch đại
đường truyền để bù suy hao sợi quang. Tuy nhiên, với các ưu điểm trong kỹ thuật chế tạo
và thiết kế linh kiện quang, SOA cho thấy khả năng ứng dụng rất cao. Ngoài ứng dụng
làm phần tử khuếch đại, SOA còn có nhiều ứng dụng khác như chuyển mạch quang và
chuyển đổi bước sóng. Những chức năng này rất cần thiết cho mạng quang trong suốt vì
không cần chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
Mục đích của bài báo cáo này là cung cấp một sự hiểu biết tổng quan về nguyên
lý, cấu trúc và ứng dụng của SOA, được biệt liên quan đến việc sử dụng nó trong các hệ
thông thông tin quang.
Nhân dịp này, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Nguyễn Bích
Huyền vì đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu giúp chúng em hoàn thành bài báo cáo
này.

Bách Khoa, ngày 01 tháng 11 năm 2011

Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


4

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

I. Tổng quan về khuếch đại quang
1.1 Giới thiệu khuếch đại quang
Thông tin sử dụng sợi quang gặp hai hạn chế chính là: độ suy hao và độ tán sắc. Độ suy
hao dẫn đến sự suy giảm năng lượng tín hiệu và do đó làm giảm khoảng cách truyền tin. Vì
thế suy hao sợi là vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế, nó xác định bộ lặp và khuếch đại của
hệ thống sóng ánh sáng cự ly xa. Trong khi độ tán sắc lại sinh ra sự mở rộng xung quang và
vì vậy nhiễu giao thoa liên ký hiệu (intersymbol interference – là một dạng của méo tín hiệu

trong đó một cực đại phụ giao thoa với cực đại phụ con) làm tăng tỷ số lỗi (BER – bit error
rate) của hệ thống. Nếu các xung quang mở rộng ngoài bit slot của chúng thì tín hiệu sẽ suy
giảm rất lớn và dẫn đến không thể khôi phục với độ chính xác cao.Độ tán sắc chủ yếu làm
hạn chế dải thông của sợi quang. Hình 1.1, suy hao của sợi quang silic kiểu đơn nhỏ nhất
trong vùng bước sóng 1.55µm(0.2dB/Km).Suy hao cao hơn một chút trong vùng 1.3µm
(0.5dB/Km).

Hình 1.1 Phổ suy hao đặc trưng của sợi quang silic kiểu đơn ít suy hao
Phổ tán sắc của sợi silic kiểu đơn được minh họa trong hình 1.2, nhỏ nhất trong vùng
bước sóng1.3µm và khá lớn trong vùng bước sóng gần 1.5µm.Do giá trị của phổ suy hao và tán
sắc là nhỏ ở các cửa sổ 1.55µm và 1.3µm. Cho nên chúng là vùng bước sóng chính được sử dụng
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


5

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA
trong các hệ thống thông tin sợi quang thương mại hiện nay. Các hệ thống thông tin quang cũng
sử dụng vùng 830nm, chủ yếu trong các đường dẫn có khoảng truyền ngắn với tỷ số bit trung
bình mà không yêu cầu khuếch đại quang.

Hình 1.2 Phổ tán sắc đặc trưng của sợi quang silic kiểu đơn
Khi cự ly truyền dẫn sợi quang tăng, độ suy hao tín hiệu và độ tán sắc cũng tăng lên, do
đó tại một số điểm trong đường dẫn thông tin sợi quang, tín hiệu quang sẽ cần 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 các bộ lặp quang
điện.Trong các trạm lặp quang điện này (hình 1.3), quá trình khuếch đại tín hiệu quang được
thực hiện qua nhiều bước.

Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52

6

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

Hình 1.3

Cấu trúc một trạm lặp quang điện

Hoạt động của trạm lặp: Tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ
thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay APD. Dòng 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 (optical transmitter) và được truyền đi trong sợi
quang.Như vậy, quá trình khuếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện.
Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang
một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH.Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống
truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử
dụng để khuếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau. Điều này làm tăng độ
phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM.
Một giải pháp có thể khắc phục các nhược điểm trên của trạm lặp quang điện, đó là sử
dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier).Trong các bộ khuếch đại quang này, tín hiệu
ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến đổi sang
miền điện. So với các trạm lặp, các bộ khuếch đại quang có các ưu điểm sau:
Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay mạch
phục hồi (bộ biến đổi E/O hoặc O/E). Do đó khuếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn.
Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương thức điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ
thống đơn giản hơn.
Phương pháp này có một số nhược điểm. Đầu tiên, nó tham gia vào việc làm đứt đường

dẫn quang và vì thế không trong suốt về mặt quang (tức là phụ thuộc vào tính chất của tín hiệu
quang đầu vào). Thứ hai, quá trình tái sinh phụ thuộc vào dạng điều chế tín hiệu và tỷ số bit nên
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


7

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA
nó không trong suốt về điện.Điều này tạo nên nhiều khó khăn khi cần nâng cấp đường dẫn. Một
cách lý tưởng, nâng cấp đường truyền phải bao hàm các sự thay đổi hoặc thay thế các thiết bị đầu
cuối (máy phát, máy thu…). Thứ ba, khi các bộ khôi phục là các hệ thống phức tạp và được điều
khiển từ xa hoặc khó truy cập tới vị trí của nó như các đường truyền dưới biển thì độ an toàn của
hệ thống dễ bị hư hại.Vì vậy, trong các hệ thống mà suy hao sợi quang là nhân tố hạn chế thì một
bộ khuếch đại quang nội tiếp sẽ được sử dụng thay thế bộ khôi phục.Thực chất, nó là thiết bị tin
cậy và ít đắt tiền hơn.
Hơn nữa, bộ khuếch đại quang nội tuyến cũng rất có lợi như máy khuếch đại công suất
(power booster).Bên cạnh đó, những ứng dụng hệ thống cơ bản của khuếch đại quang còn hữu
ích như các khối khuếch đại quang chung nhằm sử dụng trong các hệ thống lớn hơn.Sự cải thiện
của các hệ thống thông tin quang được thực hiện bằng việc sử dụng các bộ khuếch đại quang
ngày càng cung cấp thêm các cơ hội mới nhằm khai thác dải thông sợi.
Có hai loại khuếch đại quang: SOA và OFA. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, SOA
thu hút nhiều mối quan tâm hơn trong việc sử dụng chúng như các bộ khuếch đại quang cơ bản
và như các thành phần chức năng trong các hệ thống thông tin quang và các thiết bị xử lý tín hiệu
quang.

1.2 Phân loại khuếch đại quang
Cấu tạo của bộ khuếch đại quang được miêu tả trong hình 1.4:

Hình 1.4

Mô hình tổng quát của bộ khuếch đại quang

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra trong một
môi trường được gọi vùng tích cực (active medium). Các tín hiệu quang được khuếch đại trong
vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộc vào năng lượng được cung cấp từ một nguồn bên
ngoài gọi chung là nguồn bơm (Pump Source). Các nguồn bơm này có tính chất như thế nào tùy
thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác phụ thuộc vào cấu tạo của vùng tích cực. Tùy
theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính:
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


8

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA
-

Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier)
Khuếch đại quang sợi (Optical Fiber Amlplifier)

Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


9

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

II Nguyên lý cơ bản
Phần này sẽ trình bày các nguyên lý cơ bản của các bộ khuếch đại quang bán dẫn.Quá
trình khuếch đại quang học và nhiễu cùng với 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.

2.1.

Mô tả cơ bản

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

Vùng hoạt tính trong thiết bị truyền độ lợi 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 tính hợp để
sóng lan truyền vào vùng hoạt tính.Tuy nhiên, sóng quang học bị giam cầm này yếu nên một số
tín hiệu sẽ 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 hay độ lợi.
Các SOA được chia thành hai loại chính được biểu diễn ở hình 2.2 : SOA Fabry perot
(FP-SOA) trong đó sự phản xạ từ các mặt cuối là đáng kể (nghĩa là, tín hiệu đi qua bộ khuếch đại
nhiều lần) và SOA sóng chạy (TW-SOA) trong đó sự phản xạ có thể được bỏ qua (nghĩa là tín
hiệu chỉ đi qua bộ khuếch đại một lần). 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 đối với sự dao
động trong dòng phân cực, nhiệt độ và sự phân cực tín hiệu.

Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


10

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

2.2.

Nguyên lý khuếch đại

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 (stimulated emission) là một trong ba hiện tượng biến đổi
quang điện được ứng dụng trong thông tin quang.Các hiện tượng này được minh họa trên hình
2.3.

Hình 2.3

Các hiện tượng biến đổi quang điện: a. Hấp thụ
xạ kích thích

b. Phát xạ

c. Phát

Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 2.3.c, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng
lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hν12 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).
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
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


11

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

cùng tần số (tính kết hợp, coherent, của ánh sáng). Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh
sáng được thực hiện. Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn
(OSA) và khuếch đại quang sợi (OFA).
Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser. Tuy nhiên,
điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trong các bộ khuếch đại quang
không xảy hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng. Vì nếu xảy ra quá trình hồi tiếp và cộng hưởng
như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không
có tín hiệu quang ở ngõ vào. Nguồn ánh sáng này được xem là nhiễu xảy ra trong bộ khuếch đại.
Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ
khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó ở ngõ ra.
Hiện tượng hấp thụ (absorption) trong hình 2.3(a), xảy ra khi một photon có năng lượng
hf12 bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp.Quá trình này chỉ xảy ra khi năng
lượng hf12 của photon 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).Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ
nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao.Hay nói cách khác, hiện
tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại
quang.Quá trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích
trong môi trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại.
Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hình 2.3.b, xảy ra khi một điện tử
chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát
ra một năng lượng Eg= E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng.Quá trình này xảy ra một cách tự
nhiên vì trạng thái năng lượng cao E1 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện
tử.Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống (life time) của điện tử ở mức năng lượng
cao, các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng bền
vững).Tùy theoloại vật liệu khác nhau, thời gian sống của điện tử sẽ khác nhau.
Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong khuếch đại quang,
phát xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại. Nguyên nhân là do hiện tượng này xảy ra một
cách tự phát không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào bộ khuếch đại. Nếu không có ánh
sáng tín hiệu đưa vào, vẫn có năng lượng ánh sáng được tạo ra ở ngõ ra của bộ khuếch đại.
Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích

thích. Do vậy, phát xạ tự phát được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại
quang. Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ tự phát được khếch đại ASE (Amplified
Spontaneous Emission noise).Ảnh hưởng của loại nhiễu này đối khuếch đại quang và hệ thống
thông tin quang sẽ được trình bày chi tiết trong phần sau của chương này.

2.3.

Các thông số kỹ thuật

a. Độ lợi - Gain
Độ lợi của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở ngõ ra chia cho công
suất quang ở ngõ vào:
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


12

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

Trong đó:



G: Độ lợi tín hiệu của bộ khuếch đại quang
Pin, Pout: công suất tín hiệu ánh sáng ở ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại
quang (mW).

Độ lợi là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại.Nó đặc trưng cho khả năng khuếch đại
công suất ánh sáng của bộ khuếch đại.Tuy vậy, độ lợi của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các
cơ chế bão hòa độ lợi.Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại.

b. Băng thông độ lợi – Gain Bandwith
Độ lợi của bộ khuếch đại quang không bằng nhau cho tất cả các tần số của tín hiệu quang
vào.Nếu đo độ lợi G của các tín hiệu quang với các tần số khác nhau, một đáp ứng tần số quang
của bộ khuếch đại G(f) sẽ đạt được. Đây chính là phổ độ lợi của bộ khuếch đại quang.
Băng thông độ lợi của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi điểm -3dB so với độ lợi
đỉnh của bộ khuếch đại.Giá trị Bo xác định băng thông của các tín hiệu có thể được truyền bởi
một bộ khuếch đại quang.Do đó, ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống thông tin quang khi
sử dụng chúng như các bộ lặp hay bộ tiền khuếch đại.
c. Công suất ngõ ra bão hòa
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, cg suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến tính với công suất
quang ở ngõ vào theo hệ số độ lợi G: Pout = G.Pin. Tuy nhiên, công suất ngõ ra không thể tăng
mãi được.Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất cả các bộ khuếch đại quang, khi công
suất ngõ vào Pin tăng đến một mức nào đó, độ lợi G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở ngõ ra
không còn tăng tuyến tính với tính hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bảo hòa.Sự thay đổi của tín
hiệu quang ngõ ra so với công suất quang ngõ vào ở được minh họa trong hình 2.4.a.

Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


13

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

Hình 2.4-b biểu diễn sự biến đổi của độ lợi tín hiệu G theo công suất quang ngõ ra Pout. Công
suất ở ngõ ra tại điểm độ lợi giảm đi 3 dB được gọi là công suất ra bảo hòa Psat, out.
Công suất ra bảo 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.Thông thường, một bộ khuếch đại quang
có độ lợi cao sẽ có công suất ra bão hòa cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì
trong một dải công suất vào và ra rộng.
d. Hệ số nhiễu – Noise figure

Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra nhiễu. Nguồn
nhiễu chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát. Vì sự phát xạ tự phát là các sự
kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ tự phát cũng 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. Bên cạnh đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo
ra cũng sẽ được khuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía ngõ ra. Do đó, tại ngõ ra
của bộ khuếch đại công suất quang thu được Pout bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại
và công suất nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).
Pout = G.Pin + PASE
Ảnh hưởng của nhiễu đối với bộ khuếch quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF (Noise
Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) do nhiễu của bộ
khuếch đại thêm vào. Hệ số NF được cho bởi công thức sau:

Trong đó, SNRint, SNRout là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch
đại.Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt.Giá trị nhỏ nhất của NF có thể đạt
được là 3dB.Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số nhiễu tối thiếu này được gọi là đang hoạt động
ở giới hạn lượng tử.
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


14

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA
Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đại quang còn được đánh
giá dựa trên các thông số sau:
e. 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. Có hai loại nhiễu xuyên âm xảy ra trong SOA: nhiễu xuyên kênh
(interchannel crosstalk) và bảo hòa độ lợi (cross saturation). Nhiễu xuyên kênh xảy ra là do hiệu
ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four Wave Mixing).

Nhiễu xuyên kênh gây nên do hiện tượng bảo hòa độ lợi xảy ra trong SOA được minh họa
trên hình 2.8.Xem xét đầu vào bộ SOA là tổng của hai tín hiệu quang ở các bước sóng khác
nhau. Giả thiết rằng cả 2 bước sóng nằm trong băng thông của SOA. Sự có mặt của tín hiệu thứ
hai sẽ làm suy giảm mật độ điện tử ở vùng năng lượng cao do quá trình bức xạ kích thích làm
dẫn đến sự nghịch đảo nồng độ được quan sát ở tín hiệu thứ nhất giảm xuống. Do đó, tín hiệu thứ
nhất sẽ không được khuếch đại giống như tín hiệu thứ hai, và nếu mật độ điện tử ở vùng năng
lượng cao không đủ lớn thì tín hiệu thứ nhất có thể bị hấp thụ.Quá trình này xảy ra đồng thời đối
với cả hai tín hiệu. Do đó, trên hình 2.8 ta thấy, khi mức 1 của hai tín hiệu 1 và 2 xảy ra đồng
thời, độ lợi của mỗi tín hiệu sẽ nhỏ hơn so với bình thường.Hiện tượng xuyên âm phụ thuộc vào
thời gian sống của điện tử ở trạng thái năng lượng cao.Nếu thời gian sống đủ lớn so với tốc độ
dao động của công suất trong các tín hiệu vào, các điện tử không thể chuyển từ trạng thái năng
lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp do sự dao động này.Do đó, không có xuyên âm xảy
ra.Đối với các SOA, thời gian sống này ở mức ns. Do đó, các điện tử dễ dàng phản ứng lại sự
dao động trong công suất của các tín hiệu được điều chế ở tốc độ Gb/s, dẫn đến một sự suy yếu
hệ thống chính do xuyên âm.Ngược lại, thời gian sống phát xạ tự phát trong EDFA là khoảng
10ms. Do đó, xuyên âm chỉ có mặt nếu tốc độ điều chế của các tín hiệu vào ít hơn vài kiloHertz,
điều này thường ít gặp trong thực tế. Do đó, EDFA phù hợp hơn khi được sử dụng trong các hệ
thống WDM hơn SOA.
Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đại quang còn được đánh
giá dựa trên các thông số sau:

Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


15

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA
-

Độ nhạy phân cực (Polarization sensitivity) là sự phụ thuộc của độ lợi của bộ khuếch đại
vào phân cực của tín hiệu.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ lợi và băng thông độ lợi.
Cấu trúc

Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


16

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

III Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của SOA
Cấu trúc của SOA có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nó vì vậy tùy theo ứng dụng cụ
thể cấu trúc của SOA sẽ được lựa chọn để thỏa mãn một đặc tính đặc biệt nào đó hoặc tiệm cận
với các tính chất lý tưởng.

3.1 Cấu trúc cơ bản của SOA
Cấu trúc của SOA tương tự như laser bán dẫn.Nghĩa là dựa trên hệ thống hai dải năng lượng của
chất bán dẫn và các quá trính biến đổi quang điện: hấp thu (absorption), phát xạ tự phát
(spontaneous emission) và phát xạ kích thích (stimulated emission). Trong đó, tín hiệu quang
được khuếch đại dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra trong vùng tích cực của SOA như
hình 3.1.1

3.1.1 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 vùng bao phủ có năng lượng cấm cao hơn nhưng chiết suất thấp hơn
vùng hoạt tính

3.2 Hoạt động của SOA
Các hạt tải được bơm vào vùng hoạt tính của SOA từ 1 dòng phân cực được đặt vào.Các
hạt tải phải tạo ra đường đi và đi xuyên qua vùng bao phủ trước khi tới được 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 so với
tổng thể vùng hoạt tính là tương đối nhỏ do vậy chỉ có một phần ít 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 nhược điểm này người ta sử dụng các biện pháp giam cầm các hạt trong
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


17

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA
vùng hoạt tính tránh khuếch tán đi các nơi khác.Trong cấu trúc của SOA đạt được điều này nhờ
sự chênh lệch độ rộng vùng cấm giữa các vùng hoạt tính và vùng bao phủ.Nhờ có cấu trúc dị tiếp
xúc các hạt tải điện sẽ được giam cầm vào vùng giữa các hàng rào.

Trong cấu trúc của SOA vùng hoạt tính có chiết suất cao hơn vùng bao phủ vì vậy no có
vai trò như một ống dẫn sóng điện môi tiết diện hình chữ nhật, chính điều này giúp giam cầm
ánh sáng truyền qua thiết bị vào vùng hoạt tính truyền qua thiết bị vào vùng hoạt tính.Lượng dẫn
sóng được đặc trưng bởi hệ số giam cầm quang học Г, 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 và từ trong ống dẫn sóng tuân theo các điều kiện biên của
ống dẫn sóng. 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) trong đó điện trường được phân cực dọc theo mặt phẳng dị tiếp xúc (dọc theo trục x
trong hình 3.1) và mode từ ngang (TM) trong đó từ trường được phân cực dọc theo trục x. Mode
là ngang bởi vì các trường điện và từ ứng với nó 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 vào
mode, đông thời cũng cải tiến hiệu suất ghép từ thiết bị quang.

Với SOA dị tiếp xúc kép tồn tại một chiết suất nhẩy bậc theo hướng y giữa vùng hoạt tính
và vùng bao phủ, điều này không xảy ra theo hướng x.Sự dẫn sóng theo hướng x đạt được qua
các hạt tải điện được bơm vào, nó làm thay đổi chiết suất của vùng hoạt tính.Quá trình này được
gọi là “dẫn độ lợi”.Sự thay đổi của chiết suất theo hướng x nhỏ hơn theo hướng y.Điều này có
nghĩa là Г phụ thuộc vào sự phân cực, Г 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.
Yếu tố phản xạ bề mặt của hai mặt phản xạ của lớp tích cực có ảnh hưởng trực tiếp đến
việc đạt được hoạt đọng sóng chạy trong một OA.Dựa trên hệ số phản xạ có thể chia SOA làm
hai loại chính:
- Khuếch đại Fabry-Perot (FPA): đặc điểm của loại này là có hệ số phản xạ bề mặt cao
(khoảng 30%) .Sở dĩ có điều này vì do các vật liệu bán dẫn thướng có chiết suất cao.Mặt khác
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


18

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA
công thức để tính hệ số phản xạ bề mặt đối với tia tới vuông góc tại mặt phân cách được thể hiện
như sau

Trong đó n1, n2 lần lượt là chiết suất của các lớp điện môi.
Với cấu trúc hốc cộng hưởng có hệ số phản xạ cao ,quá trình hồi tiếp ,chọn lọc tần số xảy
ra.Kết quả là ,FPA có độ lợi cao nhưng phổ độ lợi khuếch đại nhấp nhô,không đều.Điều này làm
giảm băng thông khuếch đại của FPA
Để giảm hệ số phản xạ bề mặt ta có thể sử dụng các lớp chống phản xạ (AR-anti
reflection) có hệ số phản xạ R = 0, được đặt tại hai đầu của vùng tích cực để không cho quá trình
phản xạ xảy ra bên trong bộ khuếch đại.Khi đó, tín hiệu vào SOA sẽ được khuếch đại khi chỉ đi
qua một lần (được gọi là single pass) xuyên qua vùng tích cực của bộ khuếch đại mà không có
hồi tiếp về. Đây là cấu trúc của loại SOA thứ hai: khuếch đại sóng chạy TWA (Traveling Wave
Amplifier). Trên thực tế, hệ số phản xạ ở hai đầu của vùng tích cực của TWA không hoàn toàn

bằng 0 mà có giá trị rất nhỏ từ 0.1% đến 0.01%

Sóng phân cực ngang (TE) được xét.Vùng hoạt tính có chiết suất na chiều dày d.Các vùng bao
phủ xung quanh có chiết suất nc và được giả sử mở rộng ra vô cùng

3.3 Đặc tính bộ khuếch đại FPA và TWA
Xét một bộ khuếch đại FPA có hệ số phản xạ công suất ở hai mặt phản xạ lớp tích cực là
R1 và R2 ,với bộ khuếch đại TWA thì ta có thể coi như R1 =R2 =0 .Do đó các công thức sau này
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


19

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA
có thể áp dụng cho cả FPA và TWA.Bỏ qua suy hao khi ánh sáng truyền qua mỗi mặt phản xạ,ta
có hệ số xuyên qua của suất ánh sáng đi qua mặt phản xạ lần lượt là 1- R1 và 1- R2 .Do vậy hệ số
phản xạ và hệ số xuyên qua của cường độ điện trường tại hai mặt phản xạ là
Gọi Gs là độ lợi đơn thông (single-pass gain) của SOA khi tín hiệu đi qua vùng tích cực
mà không có sự hồi tiếp ( hệ số phản xạ R=0) Ta có

Trong đó :
g: Độ lợi trên một đơn vị chiều dài của vùng tích cực
α: Suy hao trên một đơn vị chiều dài của vùng tích cực
Г:Hệ số tập trung biểu diễn mức độ tập trung của luồng ánh sáng bên trong vùng tích cực
L:Chiều dài của vùng tích cực
Pin , Pout :Công suất tín hiệu ở ngõ vào và ra của bộ khuếch đại

Quá trình khuếch đại tín hiệu ánh sáng có thể giải thích như sau
Điện trường của tín hiệu quang Ei được đưa vào hốc cộng hưởng của FPA có chiều dài L tại mặt
phản xạ R1 .Sau khi xuyên qua mặt phản xạ R1 ,tín hiệu ban đầu sẽ được khuếch đại bởi vùng

tích cực và đạt cường đại bởi vùng tích cực và đạt cường độ t1 √ s Ei e –jkL tại mặt phản xạ R2 (k
là hệ số truyền dẫn của môi trường khuếch đại).Tại đây ,một phần năng lượng ánh sáng sẽ truyền
ra ngoài với cường độ t1 t2 √ s Ei e –jkL.Phần còn lại sẽ phản xạ ngược trở lại phía R1 với cường độ
t1 √ s √ 2 Ei e-jkL.Tại R1 ,điện trường thu dduocj là t1 Gs √
Ei e-2jkL sẽ phản xạ ngược về R2 ,
phần còn lại sẽ đi ra ngoài hốc cộng hưởng. Sau khi đi qua khoảng cách L của vùng tích cực, tín
hiệu thu được tại R1 đạt giá trị t1 Gs √ √
Ei e-3jkL.Quá trình phản xạ và truyền xuyên qua
mặt phản xạ R2 tiếp tục diễn ra.Phần tín hiệu xuyên qua có điện trường t2t1Gs √ √
Ei e-3jkL
Phần còn lại sẽ phản xạ ngược về phía R1.Cứ như vậy quá trình phản xạ trong vùng tích cực tiếp
tục tiếp diễn. Điện trường tổng cộng thu được tại ngõ ra của bộ khuếch đại sẽ bằng tổng của các
thành phần điện trường đi xuyên qua R2. Nếu giả sử rằng thời gian truyền trong hốc cộng hưởng
nhỏ hơn chu kỳ của điện trường tới Ei, ta có điện trường thu được tại ngõ ra
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


20

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

Với| √

Gs |<1 biểu thức trên có thể biến đổi thành

Hàm truyền công suất của bộ khếch đại FPA được biểu diễn như sau:

Mặt khác sin2(kL)=sin2(ωL/v)=sin2( (ω-ω0)L/v ) với v là vận tốc ánh sáng truyền trong môi
trường khuếch đại .Do vậy ta có thể viết lại biểu thức trên như sau

Ta sẽ có mối quan hệ giữa độ lợi G(f) của FPA thay đổi theo tần số với 3 giá trị khác nhau của
hệ số phản xạ R=0.3 ,R=0.03 và R=0

Giả sử độ lợi đơn thông Gs, tương ứng với R=0 (TWA), có dạng Gauss. Khi hệ số phản xạ của
hai lớp phản xạ của vùng tích cực lớn R=0.3, độ lợi G(ω) không bằng phẳng theo tần số mà có
dạng gợn sóng lớn do chức năng lọc tần số của hốc cộng hưởng. Tại các tần số cộng hưởng
ω=(2πfN)/(2L) với N là số nguyên, độ lợi của FPA đạt giá trị cực đại.Giữa các tần số công
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


21

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA
hưởng, độ lợi của FPA giảm nhanh chóng. Do đó, băng thông độ lợi (được xác định tại vị trí 3dB so với độ lợi đỉnh) của FPA nhỏ so với băng thông độ lợi của TWA.Vì vậy, FPA không
thích hợp với các ứng dụng khuếch đại trong hệ thống thông tin quang. Khi hệ số phản xạ
R=0.03, G(ω) tiến gần tới Gs nhưng vẫn còn gợn sóng nhỏ.Độ gợn sóng này có thể được loại bỏ
bằng cách giảm hệ số phản xạ hơn nữa để bộ khuếch đại trở thành TWA.

Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


22

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

IV-Ứng dụng cơ bản của SOA
Các ứng dụng cơ bản của các SOA trong các hệ thống truyền thông quang học có thể
được chia thành ba lĩnh vực chính: Postamplifier hoặc bộ khuếch đại tăng cường để tăng công
suất laser của bộ truyền, khuếch đại đường dây để bù cho sự mất mát trong sợi quang hoặc do
quá trình lan truyền khác trong môi trường và các đường truyền tải xa và các bộ tiền khuếch đại

để cải tiến độ nhạy bộ thu. Sự hợp nhất các bộ khuếch đại quang học vào các liên kết truyền
thông quang học có thể cải tiến tính năng của hệ thống và giảm giá thành. Các SOA cũng có thể
được dùng để thực hiện các chức năng khác chẳng hạn như chuyển mạch quang học vận tốc cao,
chuyển đổi bước sóng và phát hiện đường dây. Nhiều ứng dụng chức năng như thế được thảo
luận trong phần tiếp theo.
Trong phần này chúng ta tập trung vào những ứng dụng truyền thống của SOA trong các
đường truyền và các mạng truyền thông quang học.Chúng ta bắt đầu với một sự tổng quan ngắn
gọn về các vấn đề cơ bản của phát hiện quang học trực tiếp và kết hợp rồi đến nguồn gốc của lý
thuyết phát hiện tín hiệu ánh sáng khuếch đại. Ứng dụng tiếp theo của các SOA như một bộ
khuếch đại tăng cường, bộ tiền khuếch đại, bộ khuếch đại đường dây cũng được xem xét.Các
tính chất của SOA đường dây xếp tầng được phân tích.Tính năng của các SOA trong các mạng
WDM được thảo luận cùng với các kĩ thuật được tận dụng để giảm nhiễu xuyên kênh và méo
giữa các lần điều chế.Cuối cùng là một số chú ý liên quan đến việc sử dụng SOA trong các hệ
thống truyền tương tự.

Các khối độ lợi trong các mạng quang học

4.1.

Chú ý rằng chúng ta đã phân tích các tính chất của ánh sáng khuếch đai được phát hiện,
chúng ta đang ở vị trí khám phá ứng dụng của SOA như những khối độ lợi cơ bản trong các hệ
thống truyền thông quang học. Những ứng dụng này được biểu diễn trong hình 4.1 là postamplifier hoặc bộ khuếch đại tăng cường, bộ khuếch đại đường dây và bộ tiền khuếch đại.Đòi
hỏi chính của các bộ khuếch đại quang học cho các ứng dụng như thế được liệt kê trong bảng
4.1.

Hình 4.1 Ứng dụng của SOA trong khuếch đại tăng cường, bộ khuếch đại đường dây và bộ
tiền khuếch đại trong các đường truyền quang học
Bảng 4.1 Các yêu cầu đối với bộ khuếch đại quang học trong các đường truyền quang học
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52

23

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA

4.2.

Bộ khuếch đại tăng cường

Chức năng của bộ khuếch đại tăng cường là tăng tín hiệu đầu vào công suất tương đối
cao trước khi truyền. Các ứng dụng chính của bộ khuếch đại tăng cường được liệt kê trong bảng
4.2. Sự tăng cường công suất laser trong bộ truyền quang học làm cho có thể xây dựng các
đường dây dài trung bình với khoảng cách truyền tăng.Những đường dây như thế đơn giản bao
gồm một sợi quang giữa bộ truyền và bộ thu.Bởi vì điều này không liên quan đến các thành phần
tích cực trong đường truyền, độ tin cậy và hiệu suất được cải tiến.
Trong các đường truyền dài, việc dùng các bộ khuếch đại tăng cường có thể tăng lượng
công suất đường truyền và có thể giảm số bộ khuếch đại đường dây hoặc số bộ tái sinh cần
thiết.Các bộ khuếch đại tăng cường cũng có ích trong các mạng phân bố như được biểu diễn
trong hình 4.2, ở đây có những sự mất mát tách lớn hoặc số dây lẻ lớn (taps). Các bộ khuếch đại
tăng cường cũng cần thiết khi đòi hỏi khuếch đại đồng thời một số tín hiệu đầu vào tại các bước
sóng khác nhau, như trường hợp truyền WDM. Tại tốc độ bit cao (thông thường lớn hơn 2.5
Gb/s), các laser bán dẫn được điều biến trực tiếp dễ bị chirp bước sóng.Ở đây bước sóng dao
động laser thay đổi với dòng kích thích. Chirp tăng độ rộng phổ hiệu dụng của laser. Điều này
tăng tán sắc sợi quang dẫn đến tăng ISI và sự suy hao của hệ thống BER. Để tránh hiệu ứng này,
tại tốc độ bit cao, các laser thường được điều biến ngoài. Tổn hao do chèn bên trong của các bộ
điều biến ngoài có được bù bằng việc sử dụng các bộ khuếch đại tăng cường quang học.
Bảng 4.2. Ứng dụng của các bộ khuếch đại tăng cường quang học

Hình 4.2. Ứng dụng khuếch đại tăng cường trong các mạng phân phối quang

Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


24

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA
Bởi vì công suất tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại tăng cường thường cao, bộ khuếch
đại phải có công suất b ão hòa đầu ra , Po,sat cao. Điều này làm cho có thế đạt được công suất tín
hiệu đầu ra của bộ khuếch đại cao và cũng giảm các hiệu ứng vân do bão hòa độ lợi. Các hiệu
ứng vân tăng dữ dội khi công suất tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại và tốc độ bit tăng. Một
Po,sat cao cũng cần cho các ứng dụng của bộ khuếch đại tăng c ường trong hệ thống truyền
WDM.Trong trường hợp này, đặc tuyến bão hòa của bộ khuếch đại được xác định bởi công suất
đầu v ào toàn phần. Điều này là do bản chất đồng nhất của môi trường độ lợi khuếch đại. Một
Po,sat cao giảm nhiễu xuyên kênh.Phổ độ lợi bộ khuếch đại rộng cũng cần cho sự khuếch đại kênh
đa bước sóng.Các cấu trúc SOA có thể đ ược dùng để thực hiện công suất đầu ra bão hòa cao
được mô tả trong phần trước.
Một mô đun SOA tăng cường điển hình được biểu diễn trong hình. Mô đun bao gồm một
chip SOA MQW ống dẫn sóng bị vuốt được dán trên một nền có thể điều khiển nhiệt độ v à ghép
quang học với các thấu kính Aspheric cùng với bộ cách li đầu ra, bộ lấy mẫu chùm và
photodiode để điều khiển công suất đầu ra. Sợi quang duy trì sự phân cực (PMF) và sợi quang
đơn mode tiêu chuẩn được dùng cho các kết nối đầu ra và đầu vào tương ứng.

Hình 4.3 Cấu trúc module tăng cường
Ví dụ về việc sử dụng bộ khuếch đại tăng c ường quang học để tăng khoảng cách đường
truyền trung bình được biểu diễn trong hình 4.4. Trong phép thử hệ thống, bộ truyền bao gồm
một laser DFB được điều biến trực tiếp bởi một chuỗi bit giả ngẫu nhiên dài (PRBS) 231 - 1 tại
10Gb/s. Bước sóng phát laser là 1310nm, tương ứng với vùng tán sắc trong vật liệu cực tiểu của
sợi quang đơn mode tiêu chuẩn.Một module khuếch đại tăng cường quang học tiếp theo laser.
SOA được dùng trong module là một thiết bị MQW với bốn giếng lượng tử kéo căng.Độ lợi
chirp l à 21dB với công suất đầu ra bão hòa là 3dB của 20 dBm.Để cực tiểu hóa các ảnh hưởng

của những phản xạ bên ngoài, các bộ cách ly quang học được dùng ở cả hai phía SOA.Các bộ
cách ly chỉ cho qua một trạng thái phân cực đơn.Bộ cách ly đầu ra cũng chia đôi ASE từ bộ
khuếch đại. Trong mô đun, ánh sáng đầu vào được tập trung lên bộ cách ly bằng các thấu kính
aspheric đơn làm nảy sinh sự mất mát do ghép nhỏ hơn 2dB. Mô đun cũng chứa bộ làm lạnh
nhiệt điện và một điện trở nhiệt để có thể điều khiển nhiệt của chip SOA. Các thí nghiệm dùng
laser và mô đun tăng cường nói trên với bộ thu photodiode p-i-n cho lượng công suất cực đại
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52


25

Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA
khoảng 26.8dB đối với một công suất đầu ra khuếch đại tăng cường trung bình 15.8dB. Lượng
công suất này đủ để bắc cầu 70km sợi quang đơn mode. Trong thí nghiệm thử này, người ta thấy
rằng lỗi độ nhạy bộ thu do bộ khuếch đại tăng cường nhỏ hơn 1dB nếu công suất đầu ra tăng
cường trung bình được giữ thấp hơn so với công suất bão hòa 1dB của nó khoảng 15dBm.
Lượng công suất cực đại thu được tại công suất đầu ra cao hơn gần 1dB. Sự méo dạng xung điển
h ình do bão hòa độ lợi động lực học tại công suất hoạt động n ày được biểu diễn trong hình 6.7.
Kh bộ tiền khuếch đại quang học được sử dụng trước khi thu nhận , lượng phân phối công suất
tăng 39.4dB cho một chiều dài không lặp lại tiềm năng 100km tại 10Gb/s.

Hình 4.4 Thí nghiệm truyền khuếch đại tăng cường

4.3. Bộ tiền khuếch đại
Chức năng của bộ tiền khuếch đại quang học là tăng mức công suất của tín hiệu đến trước
khi nhận hoặc giải điều biến thông thường. Tăng mức công suất có thể tăng đáng kể độ nhạy bộ
thu và vì vậy tăng lượng công suất đường truyền. Điều này cho phép các các đường truyền
không lặp lại dài hơn được xây dựng. Các bộ thu IMDD dùng bộ tiền khuếch đại quang học nhạy
hơn nhiều so với bộ thu IMDD truyền thống dùng các photodiode p-i-n hoặc APD. So với một
APD , n bộ khuếch đại quang học phân phối một độ lợi lớn hơn và băng thông rộng hơn. Không

có lợi ích trong việc dùng bộ tiền khuếch đại quang học trong một bộ thu kết hợp v ì tín hiệu dao
động cục bộ có thể tăng đến mức mà hiệu suất giới hạn nhiễu hạt có thể đạt tới.
Sơ đồ của bộ thu quang học số tiền khuếch đại được biểu diễn trong hình 4.5. Bộ thu bao
gồm một bộ tiền khuếch đại quang học với độ lợi đồng đều G , một bộ lọc quang học băng thông
Bo , một photodiode p-i-n với hiệu suất lượng tử η và tiếp theo là một mạch gửi phát hiện băng
thông điện Be và một mạch quyết định.Các bộ lọc điện v à quang phải có băng thông rộng ít nhất
bằng băng thông tín hiệu điều biến để tránh méo tín hiệu.Bộ lọc quang học giảm phát xạ tự phát
đến detector dẫn đến giảm sự phụ thuộc của ASE vào dòng nhiễu. Nếu trạng thái phân cực của
tín hiệu ánh sáng đến được biết, kính phân cực có thể được chèn vào giữa bộ tiền khuếch đại và
detector. Kính phân cực cho tín hiệu khuếch đại đi qua nh ưng loại bỏ ASE phân cực vuông góc.
Điều này cải tiến độ nhạy bộ thu 3 dB trong giới hạn nhiễu phách tín hiệu - tự phát. Tuy nhiên
Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52