Khuếch đại quang bán dẫn SOA

I. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

1.Cấu trúc cơ bản của SOA

Cấu trúc và nguyên lí hoạt động của khuếch đại quang bán dẫn SOA tương tự

như laser bán dẫn. Nghĩa là cũng dựa vào hệ thống hai dải năng lượng của chất bán

dẫn và các quá trình biến đổi quang điện : hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích

thích. Trong đó, tín hiệu quang được khuếch đại dựa trên hiện tượng phát xạ kích

thích xảy ra trong vùng tích cực của SOA. Vùng tích cực này được đặt giữa hai lớp

bán dẫn loại n và p. Nguồn bơm bên ngoài được cung cấp bởi dòng điện phân cực.

Cấu trúc của bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA

Với cấu trúc này vùng hoạt tính nằm giữa hai vùng bao bọc loại n và loại p.

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.

2.Nguyên lý 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 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.

SOA có thể được phân thành hai loại chính dựa vào hệ số phản xạ của hai mặt

phản xạ của lớp tích cực :

Loại thứ nhất, khuếch đại Fabry-Perot FPA (Fabry-Perot Amplifier) có hệ số

phản xạ cao (có thể lên tới 32%). Cấu trúc của FPA cũng tương tự như laser Fabry-

Perot nhưng hoạt động với dòng phân cực Ibias<Ith. 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 khắc phục hạn chế trên của FPA, hai 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%.

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 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 √Gs 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 √Gs Ei e –jkL.Phần còn lại sẽ phản xạ ngược trở lại phía R1 với cường độ t1 √Gs

√ R2 Ei e-jkL.Tại R1 ,điện trường thu dduocj là t1 Gs √ R 1R 2Ei 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 giátrị t1 Gs √G√R 1 R 2Ei 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 √G√R 1 R 2Ei e-3jkLPhần 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

Với| √ R 1R 2 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 màcó 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 trịcực đại.Giữa các tần số công 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.

II. Các tham số của khuếch đại bán dẫn SOA

1.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:

G= PoutPin

G(dB)=PoutPin

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.

2. 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.

3. 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 P in 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:

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.

4. 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:

NF= SNRinSNRout

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.

5. 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 .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 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:

- 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

III. Ứng dụng cơ bản của SOA

Hình 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

SOA được ứng dụng trong 3 lĩnh vực chính:

Bộ khuếch đại tăng cường: tăng công suất phát của laser.

Bộ tiền khuếch đại: cải thiện độ nhạy thu.

Bộ khuếch đại đường dây: bù suy hao truyền dẫn của sợi quang.

1.Bộ khuếch đại tăng cường

Vị trí: là bộ khuếch đại quang được đặt ngay sau thiết bị phát.

Chức năng: tăng công suất quang đến mức cao nhất để làm cho

khoảng cách truyền cực đại, giảm số bộ khuếch đại đường dây hoặc số

bộ tái sinh cần thiết.

Yêu cầu: tạo ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độ lợi cực đại

vì công suất tín hiệu ngõ vào lớn.

Công suất tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại tăng cường cao => bộ

khuếch đại phải có công suất bão hòa đầu ra , Po,sat cao =>công suất tín

hiệu đầu ra của bộ khuếch đại cao, 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

cường trong hệ thống truyền WDM.Trong trường hợp này, đặc tuyến

bão hòa của bộ khuếch đại được xác định bởi công suất đầu vào 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.

Một mô đun SOA tăng cường điển hình được biểu diễn trong hình.

Bao gồm: một chip SOA MQW ống dẫn sóng bị vuốt được dán trên

một nền có thể điều khiển nhiệt độ và 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.

- Thí nghiệm truyền khuếch đại tăng cường

2.Bộ khuếch đại đường dây

Vị trí: là bộ khuếch đại quang được đặt ngay trên tuyến quang.

Chức năng: bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do

kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng.

Đặc điểm: việc lắp đặt nối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm

hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền dẫn quang.

Ưu điểm chính trong các SOA đường dây là: trong suốt với tốc độ dữ

liệu và hình thức điều biến (trong chế độ không bão hoà và tại tốc độ

bit cao), tính hai chiều, khả năng WDM, chế độ hoạt động đơn giản,

tiêu tốn công suất thấp và rắn chắc. Hai ưu điểm sau đặc biệt quan

trọng đối với các thành phần quang học được đặt từ xa.

Thí nghiệm truyền 89km dùng 2 bộ tiền khuếch đại SOA và hiệu suất BER của

bộ thu tiền khuếch đại SOA 10Gb/s 1310nm và giản đồ biểu diễn công suất quang

thu được.

3.Bộ tiền khuếch đại

Vị trí: là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết bị thu

quang.

Chức năng: khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tin hiệu được đưa vào

thiết bị thu.

Đặc điểm: vì nó được đặt trước thiết bị thu nên làm giảm yêu cầu

nghiêm ngặt của bộ nhạy thiết bị thu và cho phép hệ thống truyền dẫn

quang hoạt động với tốc độ bit cao hơn. Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền

khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở

đầu thu cao. Do vậy, yêu cầu của bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, hệ

số G trung bình nhưng thông số nhiễu phải rất thấp.

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 :giảm phát xạ tự phát đến

detector dẫn đến giảm sự phụ thuộc của ASE vào dòng nhiễu.

+ Một photodiode p-i-n với hiệu suất lượng tử η

+ Một mạch gửi phát hiện băng thông điện Be

+ Một mạch quyết định.

IV. Ứng dụng chức năng

Cùng với những ứng dụng cơ bản được mô tả trong chương 2, các SOA có thể

được dùng để thực hiện các chức năng đặc biệt hữu dụng trong các mạng toàn

quang.Những chức năng toàn quang này có thể khắc phục những “hiệu ứng cổ chai

điện tử”, khi tín hiệu được xử lý trong miền điện. Đây là một yếu tố giới hạn trong

việc triển khai các mạng truyền thông quang học tốc độ cao.Nhiều ứng dụng chức

năng dựa vào hiệu ứng phi tuyến SOA. Sự phát triển của các mạch tích hợp

photonic (PIC) đã thúc đẩy việc triển khai ứng dụng những yếu tố chức năng SOA

tương đối phức tạp trở nên thực tế hơn.

Trong chương này chúng em tập trung nghiên cứu ở ứng dụng chuyển đổi bước

sóng và liệt kê một số ứng dụng khác.

1.Sự phi tuyến SOA

Sự phi tuyến trong SOA là do sự thay đổi mật độ hạt tải điện bị cảm ứng bởi

các tín hiệu đầu vào bộ khuếch đại. Có 4 loại hiện tượng phi tuyến chính là:

+ biến điệu độ lợi chéo (XGM – cross gain modulation)

+ biến điệu pha chéo (XPM – cross phase modulation)

+ sự tự điều biến pha (SPM – self phase modulation)

+ sự trộn bốn sóng (FWM – four wave mixing)

1.1.Biến điệu độ lợi chéo - XGM

Phổ độ lợi vật liệu của một SOA mở rộng đồng đều.khi có sự thay đổi mật độ

hạt tải điện trong bộ khuếch đại, sẽ ảnh hưởng tới tất cả các tín hiệu đầu vào. Đáp

ứng tạm thời của mật độ hạt tải điện phụ thuộc vào thời gian sống của hạt tải điện.

Sự thay đổi mật độ hạt tải điện có thể làm nảy sinh hiệu ứng vân và nhiễu xuyên

kênh trong khuếch đại nhiều bước sóng. Xét một tín hiệu đầu vào chế độ liên tục

yếu và một ánh sáng bơm mạnh được đi vào cùng một bộ khuếch đại SOA. Với

biến điệu hài tín hiệu nhỏ ở tần số góc . Biến điệu độ lợi chéo trong bộ khuếch

đại sẽ điều biến tín hiệu đầu vào theo ánh sáng bơm. Khi đó, bộ khuếch đại sẽ đóng

vai trò như một bộ chuyển đổi bước sóng, nghĩa là thông tin được chuyển từ bước

sóng này sang bước sóng khác.

Hình 3.1.1: bộ chuyển đổi bước sóng dùng XGM trong một SOA

1.2. Sự tự điều pha và sự điều chế pha chéo

Chiết suất của vùng hoạt tính của một SOA không phải là một hằng số mà phụ

thuộc vào mật độ hạt tải điện và vì vậy cũng phụ thuộc vào độ lợi vật liệu. Điều

này có nghĩa là pha và độ lợi của sự lan truyền sóng quang học qua một bộ khuếch

đại được ghép qua sự bão hòa độ lợi. cường độ của sự ghép này liên quan tới hệ số

tăng cường độ rộng vạch phổ α 1 của vật liệu(được gọi như vậy vì nó ảnh hưởng

tới độ rộng vạch phổ của laser bán dẫn)

α 1=−( πλ0

)d ne

dnd gm

dn

ở đây λ0 là bước sóng không gian tự do, ne là chiết suất hiệu dụng ống dẫn sóng bộ

khuếch đại, gm là hệ số độ lợi vật liệu và n là mật độ hạt tải điện. Khi một xung tín

hiệu được tiêm vào, truyền qua một SOA nó gây ra sự thay đổi mật độ hạt tải điện,

vì vậy thay đổi hệ số truyền của nó (qua chiết suất hiệu dụng). Bời vì thời gian

sống của hạt tải điện là xác định, sườn trước chịu sự dịch pha khác so với sườn sau.

Sự tự điều pha này sẽ thay đổi hình dạng xung cũng như phổ của nó. Nó được

dùng để tạo ra một bộ bù tán sắc trong sợi quang. Nếu nhiều hơn một tín hiệu được

tiêm vào SOA, sẽ có sự điều pha chéo (XPM) giữa các tín hiệu. XPM dùng để tạo

ra bộ chuyển đổi bước sóng và các thiết bị chức năng khác. XPM chỉ gây ra sự

thay đổi pha, SOA phải được đặt trong cấu hình giao hoa để chuyển sự thay đổi

pha trong tín hiệu thành sự thay đổi cường độ bằng cách tăng cường hoặc triệt tiêu.

1.3. Sự điều biến phân cực chéo

Tồn tại một sự lưỡng chiết thiết bị nào đó do sự khác nhau giữa các chỉ số mode

hiệu dụng TE và TM của bộ khuếch đại. Một sự khác nhau về chỉ số rất nhỏ có thể

gây ra sự dịch pha tương đối lớn giữa TE và TM. Sự điều chế phân cực chéo này

có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của các cấu trúc giao thoa hoặc sự trộn bốn sóng

các SOA.Tuy nhiên, nó có thể được dùng trong sự tách kênh và các ứng dụng

chuyển đổi bước sóng.

1.4. Sự trộn bốn sóng – FWM

Sự trộn bốn sóng là quá trình phi tuyến kết hợp có thể xuất hiện trong một

SOA giữa hai trường quang học, một tín hiệu bơm mạnh tại tần số o và một tín

hiệu yếu hơn tại tần số o−Ω, có cùng chế độ phân cực. Các trường được tiêm vào

làm cho độ lợi khuếch đại được điều biến tại tần số phách Ω.Nói cách khác, sự

điều biến độ lợi này làm sinh ra một trường mới với tần số o+Ω. Trường mới

được gọi là liên hợp, vì pha của nó ngược pha với tín hiệu, Phổ của tín hiệu liên

hợp bị dịch chuyển và bị đảo ngược so với tín hiệu đầu vào. Sự trộn bốn sóng được

tạo ra trong các SOA có thể được dùng trong các bộ chuyển đổi bước sóng, bộ bù

tán sắc và bộ tách kênh quang học.

Sự trộn bốn sóng trong các SOA nảy sinh từ những hiện tượng vật lý khác nhau.

Tại tần số Ωthấp, cơ chế chiếm ưu thế là sự điều biến mật độ hạt tải điện do phách

bơm – tín hiệu. Đây là một hiệu ứng liên vùng vì nó liên quan tới sự tái hợp điện tử

- lỗ trống giữa các vùng dẫn và hóa trị của vật liệu.Bởi vì thời gian đặc trưng của

quá trình này là thời gian sống của hạt tải điện.

Có 2 cơ chế sinh ra trộn bốn sóng trong SOA: đốt lỗ cháy quang phổ SHB và

đốt nóng hạt tải điện. SHB xảy ra do tín hiệu bơm được tiêm vào tạo ra một lỗ

trống trong phân bố hạt tải điện nội vùng. Điều này làm điều biến một cách hiệu

quả xác suất chiếm của các hạt tải điện trong một vùng, vì thế điều biến độ lợi

nhanh.

CH xảy ra do phát xạ cảm ứng và hấp thụ hạt tải điện tự do. Phát xạ cảm ứng

trừ các hạt tải điện lạnh hơn trung bình trong khi hấp thụ các hạt điện tự do, di

chuyển các hạt tải điện đến mức năng lượng cao hơn trong vùng. Dẫn đến tăng

nhiệt độ, giảm độ lợi. Cả hai SHB và CH đều có thời gian đặc trưng vào bậc vài

tram femto giây.

2. Bộ điều biến pha và cường độ SOA

Các SOA có thể sử dụng điều biến cường độ hoặc pha của một tín hiệu quang

học liên tục. Điều biến cường độ có thể đạt được bằng cách điều biến dòng khuếch

đại theo tín hiệu đầu vào thích hợp. tín hiệu đầu vào sẽ điều biến độ lợi khuếch đại.

Băng thông điều biến bị giới hạn bởi thời gian sống của các hạt tải điện trong bộ

khuếch đại.Các yêu cầu tuyến tính của hệ thống truyền quang học tương tự thường

cản trở khả năng dùng một SOA như một bộ điều biến ngoài. Điều này là do mật

độ hạt tải điện đã cảm ứng dự méo phi tuyến bâc hai.

Pha của một tín hiệu truyền qua một SOA cũng có thể được điều biến qua sự

phụ thuộc mật độ hạt tải điện của chiết suất hiệu dụng bộ khuếch đại. Đáp ứng điều

pha tỉ lệ với α 1, α 1 tăng khi năng lượng photon tín hiệu gần năng lượng độ rộng

vùng cấm. Đáp ứng pha tối ưu của bộ khuếch đại có thể thu được bằng cách chọn

bước sóng hoạt động ở phía bước sóng dài có phổ hoạt động gần với phổ độ lợi

khuếch đại.

3. Bộ chuyển đổi bước sóng SOA

Bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang có chức năng là tránh khóa bước sóng

trong các kết nối chéo quang học trong mạng WDM. Bộ chuyển đổi bước sóng

tăng tính linh hoạt và sức chứa của một mạng dùng tập hợp các bước sóng cố định.

Sự chuyển đổi bước sóng cũng có thể được dùng để tập trung quản lý mạng, cho

phép kích hoạt bảo vệ dễ dàng hơn. Trong các mạng chuyển mạch nén, các bộ

chuyển đổi bước sóng điều chình được, có thể dùng để phân giải sự tranh chấp nén

và giảm các đòi hỏi về đệm quang học.

3.1. Bộ chuyển đổi bước sóng XGM

Như chúng ta đã biết.biến điệu độ lợi chéo trong bộ khuếch đại sẽ điều biến tín

hiệu đầu vào theo ánh sáng bơm. Có 2 sơ đồ cơ bản được sử dụng trong XGM để

chuyển đổi bước sóng: sơ đồ truyền song song và sơ đồ truyền đối lập. Trong

những sơ đồ này, tín hiệu đầu vào và dòng bơm có thể cùng nhau hoặc theo hướng

ngược nhau vào trong bộ khuếch đại. với truyền đối lập thì không cần bộ lọc quang

học để tách tín hiệu đầu vào được điều biến từ tín hiệu bơm. Trong cả hai sơ đồ, tín

hiệu được chuyển đổi bị đảo ngược so với tín hiệu đầu vào.

Hệ số phầm chất hữu dụng nhất của một bộ chuyển đổi là hiệu suất chuyển đổi

ƞ, nó được định nghĩa là tỉ số giữa chỉ số điều chế của đầu dò đầu ra so với chỉ số

điều chế của bơm đầu vào. Phân tích hài tín hiệu nhỏ được dùng để xác định ƞ ta

có kết quả như sau:

ƞ=P1 (0 )P0 (0 )

F (L)

Trường hợp mất mát ống dẫn sóng bằng không, chúng ta có:

F ( L )=

(G−1 ) PT (0 )P sat

1+G PT ( 0 )

P sat

+ j t

Khi đó đáp ứng của bộ chuyển đổi có đặc tính bộ lọc băng thông thấp với băng

thông 3dB

f 3dB=(1/2 π )1+

G PT (0 )P sat

τ

Ta thấy, băng thông chuyển đổi tỉ lệ nghịch với thời gian sống của hạt tải điện

tự phát, nhưng được tăng cường bởi độ lợi khuếch đại. Đáp ứng hạt tải điện chậm

ở đầu vào bộ khuếch đại dẫn đến méo dạng xung quang học ở giữa bộ khuếch đại.

Các xung bị méo với sườn trước mạnh bão hòa các hạt tải điện phần sau cùng của

thiết bị nhanh chóng hơn dẫn đến băng thông được tăng cường.

Trong sơ đồ truyền song song, băng thông chuyển đổi có thể được cải tiến

thêm bằng cách ghép tầng các SOA và thêm các bộ cách li để giảm ASE.Số cực

đại của XGM dựa trên bộ chuyển đổi bước sóng có thể ghép tầng. Bị giới hạn bởi

các hiệu ứng vân, ASE và sự tích lũy jitter. Chuyển đổi bước sóng bằng XGM

cũng chịu sự biến đổi tần số theo thời gian lớn (chirp) do sự điều biến độ lợi, làm

tăng băng thông tín hiệu và dẫn đến tán sắc. Có thể bù chirp bằng cách cho tín hiệu

chuyển đổi qua bộ lọc thích hợp như cách tử bragg sợi quang.

Hình 3.1 a) cấu hình bộ chuyển đổi bước sóng truyền song song và truyền đối lập.

3.2. Bộ chuyển đổi bước sóng XPM

Bộ chuyển đổi bước sóng có thể dựa trên XPM SOA.Những bộ chuyển đổi

bước sóng này có hiệu suất công suất cao hơn so với những thiết bị XGM. Chúng

cũng có sự thay đổi tần số thay đổi theo thời gian (chirp) thấp hơn do sự điều biến

độ lợi giảm. Để tận dụng đượng XPM, SOA phải được đặt trong cấu hình giao thoa

kế (ví dụ như: giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI), giao thoa kế Michelson hoặc

giao thoa kế Sagnac)

Xét loại giao thoa kế MZI, có 2 phiên bản: MZI đối xứng và MZI không đối

xứng.

MZI không đối xứng, có đầu vào liên tục tại bước sóng λ2 bị tách một

cách không đối xứng tại mỗi phần của MZI bằng một bộ ghép. Tín hiệu

được điều biến cường độ tại bước sóng λ1 làm bão hòa một SOA một

cách không đối xứng và cảm ứng một sự dịch pha khác nhau. Trong tín

hiệu đầu vào liên tục, mật độ hạt tải điện bị cảm ứng bởi một sự thay đổi

chiết suất bộ ghép ở đầu ra kết hợp các tín hiệu bị tách, ở đó chúng giao

thoa tăng cường hoặc triệt tiêu nhau. Trạng thái giao thoa phụ thuộc vào

sự lệch pha tương đối giữa các cần giao thoa kế, nó phụ thuộc vào cả

dòng phân cực SOA và các công suất quang học đầu vào.

Bộ MZI đối xứng cũng hoạt động tương tự, nó cần thêm một bộ ghép có

tỉ số bằng nhau.Tín hiệu đầu vào chỉ được cho vào một trong các SOA.

Nếu công suất của tín hiệu liên tục ở cần cao hơn và thấp hơn của giao thoa kế

không đối xứng tương ứng là Puvà Pl thì tín hiệu đầu ra là:

Po=Pu+P l+2 ( Pu Pl )12 cosϕ

Đây chính là hàm truyền giao thoa, ở đây ϕ là độ lệch pha giữa các sóng giao

thoa. Tín hiệu chuyển đổi có bị đảo ngược so với tín hiệu đầu vào hay không phụ

thuộc vào hệ số góc của hàm truyền giao thoa quanh điểm được chọn.

Hình 3.2 a) cấu hình bộ chuyển đổi bước sóng MZI dựa trên XPM trong các SOA.

Hình 3.2 b) hàm truyền bộ chuyển đổi bước sóng MZI.

Sự thay đổi pha sự chuyển đổi tín hiệu cũng dẫn đến sự nén độ lợi, nó có

khuynh hướng không cân bằng biên độ trong các cần của giao thoa kế. sự không

cân bằng biên độ này làm giảm tỉ số tắt quang của bộ chuyển đổi. Có thể cái tiến

tích chất chuyển đổi của giao thoa kế bằng cách thêm vào phần dịch pha chủ động

trong cần giao thoa kế, để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi.

3.3. Bộ chuyển đổi bước sóng FWM

SOA FWM có thể được làm thành bộ chuyển đổi bước sóng.Quá trình FWM

trong bộ khuếch đại làm nảy sinh tín hiệu liên hợp mới được ở tần số khác ngược

với tín hiệu đầu vào. Sau đó một bộ quang học dùng để chọn tín hiệu liên hợp.

FWM trong suốt đối với các tín hiệu đầu vào điều biến số và tương tự.Tuy nhiên

hiệu suât chuyển đổi tương đối thấp với các giá trị lệch hưởng tần số vừa phải giữa

các tín hiệu bơm và tín hiệu đầu vào.Để cho FWM xuất hiện hiệu quả trong SOA,

các trạng thái phân cực của bơm và tín hiệu đầu vào phải giống nhau. Do tín hiệu

bơm (dữ liệu) có thể thay đổi rất chậm theo thời gian. Vì thế phải điều khiển phân

cực tín hiệu bơm hoặc tín hiệu đầu vào (tín hiệu chịu điều biến).

Xét sơ đồ ghép bơm kép phân cực song song và vuông góc, có cùng cấu trúc

nhưng dùng chế độ phân cực khác nhau để đạt được sự không nhạy phân cực

FWM.

Hình 3.3 a) bộ chuyển đổi bước sóng bơm kép vừa phân cực song song vừa phân cực

vuông góc

Trong sơ đồ phân cực song song tương tác với tín hiệu dữ liệu đầu vào trong

một SOA để tạo ra tín hiệu không liên hợp mới tại bước sóng được chỉ ra trong

hình.Trong sơ đồ phân cực vuông góc các bơm phân cực vuông góc tương tác với

các tín hiệu dữ liệu đầu vào để tạo ra tín hiệu liên hợp mới tại bước sóng được chỉ

ra trong hình.Cả 2 sơ đồ, nếu SOA không nhạy phân cực thì công suất tín hiệu

chuyển đổi cũng không phụ thuộc vào phân cực.

Xét sơ đồ đa phân cực, cũng có thể cung cấp độ không nhạy phân cực FWM.

Hình 3.3 b) bộ chuyển đổi bước sóng FWM đa phân cực: PSB – bộ tách chùm phân cực

Trong sơ đồ này, bơm đầu vào được phân cực 450so với các trạng thái phân cực

của bộ tách chùm phân cực PBS1.Phân nửa công suất bơm được phân phát cho

mỗi SOA cùng với các thành phần phân cực song song của tín hiệu. Những sự pha

trộn này trong mỗi SOA để tạo ra tín hiệu liên hợp cùng chế độ phân cực. tín hiệu

liên hợp phân cực vuông góc từ các SOA được tái kết hợp tại đầu ra trong bộ tách

chùm phân cực PBS2. Nếu các SOA có cùng độ lợi và các hiệu suất chuyển đổi thì

sơ đồ sẽ không phụ thuộc phân cực.Sự biến đổi ở trên cùng các FWM hai chiều để

cho các tính năng bộ chuyển đổi bước sóng được cải tiến.Những sơ đồ này cải tiến

hiệu suất chuyển đổi trên các dải tần số lệch hưởng lớn hơn.

3.4. Các ứng dụng khác của SOA

Các cổng quang học SOA

Logic SOA

Bộ ghép kênh xen rẽ SOA

Bộ tạo xung SOA

Phục hồi xung đồng hồ SOA

Bộ bù tán sắc SOA

Các detector SOA