bộ khuếch Đại quang bán dẫn

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNGKHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

BÀI TIỂU LUẬN SỐ 2

M«N: CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI IP QUANG

BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN SOASemiconductor Optical Amplifier

Giáo viên hướng dẫn : PGS-TS. Bùi Trung HiếuHọc viên thực hiện : Trịnh Thế VinhLớp : Cao học KTĐT-2008

Th¸ng 5/2010

BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪNSOA- Semiconductor Optical Amplifier

Các bộ khuếch đại quang được chia thành hai loại: bộ khuếch đại quang sợi (OFA) và bộ khuếch đại 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

1. Giới thiệu

Công nghệ quang là trung tâm cho sự ra đời của các mạng viễn thông trong tương lai, có khả năng đáp ứng được nhu cầu của xã hội. Các khả năng này bao gồm: băng tần gần như không giới hạn và hoàn toàn trong suốt, cho phép nâng cấp dung lượng và định tuyến linh hoạt. Rất nhiều ưu điểm trong các hệ thống thông tin quang có được là nhờ bộ khuếch đại quang.

Các bộ khuếch đại quang được chia thành hai loại: bộ khuếch đại quang sợi (OFA) và bộ khuếch đại 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.

2. Tổng quan về SOA

Khuếch đại quang bán dẫn là bộ khuếch đại tín hiệu quang với môi trường khuếch đại làm bằng vật liệu bán dẫn. Những bộ khuếch đại này có cấu trúc tương tự như những di ốt laser Fabry-Perot, nhưng được trang bị thêm các lớp chống phản xạ ở hai đầu (hệ số phản xạ dưới 0.001%) để tránh cộng hưởng và tránh tạo hiệu ứng laser. Các bộ khuếch đại quang bán dẫn thường được làm từ hợp chất bán dẫn của hai nhóm III và V như GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP and InP/InAlGaAs. Ngoài ra một số tổng hợp của hai nhóm II-VI cũng có thể được sử dụng. Những bộ khuếch đại này thường được dùng trong hệ thống viễn thông quang. Chúng hoạt động trong vùng quang phổ giữa 0.85 µm và 1.6 µm và có hệ số khuếch đại lên tới 30 dB.

Sơ đồ khối một bộ khuếch đại quang bán dẫn được minh họa trong hình 1. SOA được điều khiển bởi dòng điện, vùng tích cực trong SOA khuếch đại ánh sáng đầu vào nhờ quá trình phát xạ kích thích (Hình 2). Tín hiệu đầu ra bao gồm cả nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) do quá trình khuếch đại gây ra.

Trịnh Thế Vinh Lớp Cao học KTĐT-08 of 7

Hình 1: Sơ đồ khối một SOA

Hệ số khuếch đại của SOA phụ thuộc vào công suất tín hiệu vào và nhiễu nội gây ra bởi quá trình khuếch đại. Khi công suất tín hiệu vào tăng tới một mức nào đó thì hệ số khuếch đại giảm (Hình 3). Hiện tượng bão hòa hệ số khuếch đại này có thể gây ra méo tín hiệu, đồng thời làm hạn chế khả năng khuếch đại đa kênh của SOA trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM.

Trong SOA cũng xảy ra các hiệu ứng phi tuyến, các hiệu ứng phi tuyến này có thể gây ra chirp tần số. Tuy nhiên, các hiệu ứng phi tuyến cũng hữu ích khi sử dụng SOA như các phần tử chức năng, chẳng hạn bộ chuyển đổi bước sóng.

Hình 2. Phát xạ và hấp thụ trong hệ thống hai mức năng lượng

Hình 3. Quan hệ giữa hệ số khuếch đại của SOA và công suất raa. Hiện tượng phát xạ kích thích Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao bị kích thích bởi một photon có năng lượng bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử. Quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện Được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn và trong chế tạo laser. Khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng khong tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó ở ngõ ra.b. Hiện tượng hấp thụ Hiện tượng này xảy ra khi một photon có năng lượng bị hấp thụ một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp. 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 của bộ khuếch đại .c. Hiện tượng phát xạ tự phát Xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp và phát ra một năng lượng dưới dạng một photon ánh sáng .


3. Các ứng dụng cơ bản

Các ứng dụng cơ bản của SOA trong các hệ thống thông tin quang có thể phân thành ba loại: khuếch đại công suất để tăng công suất phát của laser; khuếch đại đường truyền để bù suy hao truyền dẫn của sợi quang và tiền khuếch đại để cải thiện độ nhậy thu (hình 4). Việc kết hợp các bộ khuếch đại quang vào trong các tuyến thông tin quang giúp cải thiện chất lượng hệ thống và giảm chi phí.

Hình 4. Các ứng dụng cơ bản của SOA

4. Các hiệu ứng phi tuyến trong SOA

SOA có thể sử dụng để thực hiện các chức năng rất hữu ích trong mạng quang trong suốt. Những chức năng này giúp giải quyết vấn đề nghẽn cổ chai trong các mạng quang tốc độ cao do hạn chế của mạch điện tử. Rất nhiều trong số các chức năng này được dựa trên cơ sở các hiệu ứng phi tuyến trong SOA. Các hiệu ứng phi tuyến xảy ra chủ yếu do sự thay đổi mật độ hạt tải tạo ra bởi tín hiệu đầu vào bộ khuếch đại. Bốn hiệu ứng phi tuyến chính là: Điều chế hệ số khuếch đại chéo (XGM), điều chế pha chéo (XPM), tự điều chế pha (SPM) và trộn bốn sóng (FWM).

Điều chế hệ số khuếch đại chéo

Phổ hệ số khuếch đại của SOA mở rộng một cách đồng đều. Sự thay đổi mật độ hạt tải trong bộ khuếch đại sẽ ảnh hưởng tới tất cả các tín hiệu đầu vào. Do đó, một tín hiệu mạnh tại một bước sóng có thể ảnh hưởng tới hệ số khuếch đại của một tín hiệu yếu ở một bước sóng khác. Cơ chế phi tuyến này được gọi là điều chế hệ số khuếch đại chéo XGM.

Điều chế pha chéo

Chỉ số chiết suất của vùng tích cực trong SOA không phải là hằng số mà phụ thuộc vào mật độ hạt tải và do đó phụ thuộc vào hệ số khuếch đại. Nói cách khác, bão hoà hệ số khuếch đại tạo ra mối quan hệ giữa pha và hệ số khuếch đại của sóng quang khi truyền qua bộ khuếch đại.

Nếu nhiều tín hiệu cùng được đưa vào trong một SOA sẽ xảy ra hiệu ứng XPM giữa các tín hiệu. XPM có thể sử dụng để tạo ra các bộ chuyển đổi bước sóng và các phần tử chức năng khác. Tuy nhiên, do XPM chỉ tạo ra thay đổi pha, SOA phải được đặt trong cấu hình giao thoa kế để chuyển sự thay đổi về pha của tín hiệu thành sự thay đổi về cường độ.

Trộn bốn sóng


Trộn bốn sóng là quá trình phi tuyến kết hợp có thể xảy ra trong SOA giữa hai trường quang, một tín hiệu bơm mạnh tại tần số góc w0 và một tín hiệu yếu hơn tại tần số góc w0 - W, hai tín hiệu này có cùng phân cực. Các tín hiệu quang đi vào sẽ làm cho hệ số khuếch đại bị điều chế tại tần số W. Ngược lại, việc điều chế hệ số khuếch đại sẽ tạo ra trường tín hiệu mới ở tần số w0 + W. FWM xảy ra trong SOA có thể sử dụng trong rất nhiều ứng dụng bao gồm: chuyển đổi bước sóng, bù tán sắc và tách kênh.

5. Các ứng dụng chức năng phi tuyến

5.1 Chuyển đổi bước sóng

Bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang đóng vai trò rất quan trọng trong mạng quang băng rộng, giúp giải quyết vấn đề tắc nghẽn bước sóng trong các bộ kết nối chéo quang trong mạng WDM. Bộ chuyển đổi bước sóng làm tăng sự linh hoạt và dung lượng mạng. Ngoài ra, trong mạng chuyển mạch gói, chuyển đổi bước sóng có thể sử dụng để giải quyết xung đột gói và làm giảm yêu cầu về đệm quang. Có rất nhiều cấu hình chuyển đổi bước sóng sử dụng SOA khác nhau. Ở đây chỉ xin giới thiệu cấu hình SOA sử dụng hiệu ứng XPM (hình 5). Các cấu hình khác như SOA-XGM, SOA-FWM có thể tham khảo trong các tài liệu [1], [2] và [3].

Hình 5. Bộ chuyển đổi bước sóng SOA – XPM.

Trong cấu hình SOA-XPM, một SOA được chèn vào mỗi nhánh của một giao thoa kế MZ. Xung tín hiệu tại bước sóng l1 được chia tại coupler (bộ ghép nối) thứ nhất sao cho phần lớn công suất chỉ đi qua một nhánh. Cùng lúc đó, tín hiệu sóng liên tục CW tại bước sóng l2 được chia đều nhờ coupler này và truyền đồng thời trong hai nhánh. Khi không có xung tín hiệu l1 (bit 0), tín hiệu CW sẽ đi ra từ cổng trên. Khi cả hai cổng có tín hiệu đồng thời, bit 1 sẽ đi ra khỏi cổng dưới. Cơ chế vật lý xảy ra trong SOA là XPM. Bão hoà hệ số khuếch đại gây ra bởi chùm sáng l1 làm giảm mật độ hạt tải trong SOA dẫn đến làm tăng chỉ số chiết suất của nhánh mà l1 đi qua. Kết quả là làm cho pha của sóng CW đi qua nhánh này bị dịch đi một lượng là p và sóng CW được định hướng tới cổng dưới trong mỗi bit 1.

5.2 Cổng quang

Mạng thông tin quang WDM và TDM tốc độ cao trong tương lai cần các bộ chuyển mạch (cổng) quang tốc độ cao được điều khiển bởi tín hiệu quang hoặc điện. Những bộ chuyển mạch quang như vậy có thể xây dựng từ các SOA. Phương thức đơn giản nhất để điều khiển cổng SOA là bật hoặc tắt dòng qua SOA. Ưu điểm của cổng SOA là có thể tích hợp nhiều cổng để tạo thành dàn


chuyển mạch. Trong modul chuyển mạch 2x2 (hình 6), gói số liệu đi vào có thể định tuyến tới cổng ra bất kỳ nhờ chuyển mạch trên SOA tương ứng.

Hình 6. Module chuyển mạch SOA 2 x 2

5.3 Logic quang

Logic quang rất hữu ích cho các ứng dụng xử lý tín hiệu toàn quang trong mạng quang tốc độ cao. SOA có thể sử dụng để tạo ra các cổng logic quang, ví dụ cổng NOR được minh hoạ trong hình 7.

Hình 7. Cổng NOR sử dụng SOA

5.4 Tách/ghép kênh

Khả năng tách và ghép các kênh bước sóng trong mạng WDM rất hữu ích cho định tuyến bước sóng. Chức năng của một bộ ghép kênh xen rẽ bước sóng là tách riêng một bước sóng xác định mà không làm ảnh hưởng tới các kênh lân cận. Để thực hiện việc này nguời ta có thể dùng một bộ SOA tổ hợp với một bộ lọc khả chỉnh như minh hoạ trong hình 8. Bộ lọc có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng điện. Kênh bước sóng được lựa chọn (l3) bị phản xạ bởi bộ lọc và được khuếch đại lần thứ hai nhờ bộ khuếch đại đa giếng lượng tử MQW và tách ra nhờ một bộ định hướng (circulator). Các kênh còn lại (l1 và l2) đi xuyên qua bộ lọc, sau đó được ghép với một kênh bước sóng mới.

Hình 8. ADM bước sóng sử dụng lọc SOA khả chỉnh

5.5 Tạo xung và khôi phục đồng hồ quangTrịnh Thế Vinh Lớp Cao học KTĐT-08 of 7

Trong các tuyến thông tin WDM kết hợp ghép kênh phân chia theo thời gian tín hiệu quang OTDM cần các xung khả chỉnh bước sóng tốc độ cao. Việc tạo ra các xung điện có tần số lớn hơn 10 GHz rất khó và đòi hỏi chi phí lớn. Thay vào đó ta có thể tạo ra các xung quang tốc độ cao bằng cách kết hợp một laser vòng sợi quang khóa mode và một SOA [2].

Trong các hệ thống OTDM, khôi phục đồng hồ quang rất cần thiết cho các bộ thu quang và các bộ tái tạo tín hiệu hoàn toàn quang 3R. Mạch khôi phục đồng hồ quang có thể tạo được từ một vòng khóa pha và một chuyển mạch giao thoa kế dựa trên SOA. Tương tự như tạo xung quang, khôi phục đồng hồ quang dùng SOA cũng đòi hỏi sử dụng nhiều phần tử hỗ trợ khác. Chi tiết về các ứng dụng này có thể tham khảo ở tài liệu [2].

6. Kết luận

Công nghệ khuếch đại quang bán dẫn có khả năng thực hiện nhiều chức năng hoàn toàn quang trong mạng. Với ưu thế về công nghệ mạch tổ hợp và giá thành sản xuất thấp, việc sử dụng SOA làm các bộ khuếch đại và các phần tử chức năng trong các hệ thống xử lý tín hiệu toàn quang sẽ ngày càng được mở rộng.

Tài liệu tham khảo

[1] G. P. Agrawal, Fiber Optic communication Systems, 3rd edition, John Wiley & Sons, 2002

[2] M. J. Connelly, Semiconductor Optical Amplifiers, Kluwer Academic Press, 2002.

[3] B. Sartorius & H. P. Nolting, Techniques and Technologies for All-Optiacal Processing in

Communication Systeems, OFC 2004.


bộ khuếch Đại quang bán dẫn

Documents