Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
Thế kỉ XXI 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 tin sợi quang trong
trong hơn 25 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 kì tiềm năng
của sợi quang. Ngày nay, các hệ thống được vận hành với tỷ số bit vượt qua
100Gb/s nhờ các kĩ thuật như dồn kênh chia bước sóng (WDM).
Sợi quang mang lại cho chúng ta băng thông và tốc độ đường truyền cao
hơn nhiều so với cáp đồng. Xong trong các hệ thống thông tin quang, cự li
truyền bị giới hạn bới suy hao của sợi quang. Vì vậy, đối với các hệ thống thông
tin quang cự ly dài để bù suy hao trên đường truyền chúng ta dùng các trạm lặp
quang – điện. Khi đó tín hiệu quang được chuyển thành tín hiệu điện, tái tạo
xung và truyền tín hiệu điện thành tín hiệu quang để tiếp tục quá trình truyền tải.
Các trạm lặp như vậy có cấu tạo rất phức tạp, giá thành cao đối với hệ thống
WDM. Vì vậy, để bù suy hao người ta đưa ra giải pháp sử dụng bộ khuếch đại
quang để khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không yêu cầu chuyển đổi
trong miền điện.
Các bộ khuếch đại quang có hai loại: khuếch đại quang sợi (OAF) và khuếch
đại quang bán dẫn (SOA). OAF 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 kĩ
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.
1

Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng
Trong khuếch đại quang, khuếch đại được diễn ra trong vùng tích cực. Cái
tín hiệu quang được khuếch đại với hệ số lớn hơn hay nhỏ hơn phụ thuộc vào
năng lượng cung cấp từ một nguồn bơm. Các nguồn bơm có cấu tạo phụ thuộc
vào cấu tạo vùng tích cực. Trong rài liệu này, chúng tôi xin giới thiệu vài nét về
bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA và ứng dụng của SOA trong thực tế.

I. TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
1. Giới thiệu về khuếch đại quang
Thông tin sử dụng sợi quang gặp 2 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 quanh và vì vậy nhiều giao thoa liên
kí hiệu (intersymbol interference – là 1 dạng của méo tín hiệu trong đó 1 cực đại
phụ giao thoa với cực phụ con) là gia tăng tỉ số lỗi (BER – bit error rate) của hệ
thống. Nếu các xung quanh mở rộng ngoài bit slot của chúng thì tín hiệu suy
giảm sẽ 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 1 chút trong vùng 1.3πm (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 hoạ trong hình 1.2, nhỏ
nhất trong vùng tán sắc 1.3µm và khá lớn trong vùng bước sóng gần 1.5µm. Do
2


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

giá trị của phổ suy hao và tán sắc là nhỏ ở các cửa số 1.55µm và 1.3µm cho nên
chúng là vùng bước sóng chính được sử dụng 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 tỉ số bit trung
bình mà không yêu cầu khuyếch đại quang.

Hình 1.2: Phổ tán sắc đặc trưng của sợi quang silic kiểu đơn.
Khi cự li truyền dẫn sợi quang tăng, độ suy hao tín hiệu và độ tán sắc
cũng tăng lên. Do đó, tại 1 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 trạm quang điện. Trong các
trạm lặp quang điện này (hình 1.3) , quá trình khuyêch đại quang được thực hiện
qua nhiều bước.

Hình 1.3: Cấu trúc 1 bộ lặp trạm 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
3


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng
như PIN hay ADP. 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 chuyển 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 khuyếch đại 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 qang SDH. Tuy
nhiên, khi sử dụng cho hệ thống quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rẩt

nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để sử dụng 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 được các nhược điểm của trạm lặp
quang điện, đó là sử dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifer). Trong
các bộ khuếch đại này, tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền
quang mà không qua việc biến đổi sang miền điện. So với các trạm lặp, các bộ
khuếch đại quang có các ưu điểm như 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 lên
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.
Nhưng ngược lại, phương thức này cũng có một số nhược điểm như sau:
- 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 ).
- Quá trình tái sinh phụ thuộc vào dạng điều chế tín hiệu và tỉ số bit nên
nó không trong suốt về điện. Điều này tạo nhiều khó khăn khi cần nâng cấp
đường dẫn. Một cách lí tưởng, nâng cấp đường truyền phải bao hàm các sự thay
đổi hoặc thay thế các thiết bị đầu cuối ( máy phát, máy thu .. ).
- Khi các bộ khôi phục là các hệ thống ohức 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
1 bộ khuếch đại quang nội tiếp sẽ được sử dụng thay thế bộ khôi phục. Thực
chất, nó là thiết bị tin cậy và giá thành rẻ hơn.
Hơn nữa, bộ khuếch đại quang nội tuyến cũng rất có lợi như máy 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
4



Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng 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 2 loại khuếch đại quang: SOA và OAF. Tuy nhiên, trong thời gian
gần đây SOA thu hút nhiều sự quan tâm hơn trong việc sử dụng chúng như các
bộ khuếch đại quang cơ bản và các thành phần chức năng trong các hệ thống
thông tin quang cũng như các thiết bị xử lí tín hiệu quang.
2. Phân loại khuếch đại quang
Cấu tạo của bộ khuếch đại quang được mô tả như sau:

Trong bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra
trong một môi trường được gọi là 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 cung cấp từ một nguồn bên ngoài, gọi chung là nguồn bơm (Pump
Source). Các nguồn bơm có tính chất như thế nào phụ thuộc vào cấu tạo vùng
tích cực. Tuỳ theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành
hai loại chính:
- Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semicondutor Optical Amplifer).
- Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifer)

II. NGUYÊN LÍ CƠ BẢN.
(Chuyên đề của chúng em là trình bày về khuếch đại quang bán dẫn SOA nên
trong phần này sẽ tập trung nói về các vấn đề liên quan đến SOA như: nguyên lí
cơ bản của bộ khuếch đại quang bán dẫn, quá trình khuếch đại quang học và
5



Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng
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 hoà và hệ số tạp nhiễu).
1. Giới thiệu chung về khuếch đại quang.
SOA là 1 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:

Hình 2.1: Sơ đồ của một 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 tích hợp để lan truyền vào vùng hoạt tính. Tuy nhiên
sóng quang học bị giam cầm này yếu nên 1 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.
SOA được phân thành 2 loại chính:
- SOA Fabry Perot (FP – SOA): trong đó sự phản xạ từ các mặt cuối là
đáng kể (tín hiệu đi qua bộ khuếch đại nhiều lần).
- SOA sóng chạy (TW – SOA): trong đó sự phản xạ có thể được bỏ qua
(tín hiệu chỉ đi qua bộ khuếch đại 1 lần).

6


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng
Hình 2.2: Các loại SOA cơ bản và phổ độ lợi tương ứng. Một TW-SOA lí tưởng
có phổ độ lợi trơn. Phổ độ lợi của FP-SOA có các răng cưa do sự phản xạ tại
các mặt cuối.
2. Nguyên lí khuếch đại.

Nguyên lí 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 biến đổi quang điện được trình bày như sau:

- Hiện tượng hấp thụ: xảy ra khi 1 photon có năng lượng hf 12 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 có thể giải thích được hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây
suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang. Quá trình này
cũng xảy đồng thời với 2 hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích
trong môi trường tích cực của bộ khuếch đại.
- Hiện tượng phát xạ tự phát: xảy ra khi 1 điện tử chuyển trạng thái năng
lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra 1
năng lượng Eg = E2 – E1 dưới dạng 1 photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra 1
cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E1 không phải là trạng thái năng
lượng bền vững của điện tử. Sau 1 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). Tuỳ theo loại vật
liệu khác nhau mà thời gian sống của điện tử sẽ khác nhau.
- Hiện tượng phát xạ kích thích: xảy ra khi 1 điện tử đang ở trạng thái
năng lượng cao E2 bị kích thích bởi 1 photon có năng lượng hf 12 bằng với độ
chênh lệch 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
7



Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng
xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra 1 photon có năng lượng bằng với
năng lượng của photon kích thích ban đầu. Như vậy, từ 1 photon ban đầu sau khi
xảy ra hiện tượng tự phát xạ kích thích sẽ tạo ra 2 photon (photon ban đầu và
photon mới được tạo ra) có cùng phương truyền, có cùng pha, có cũng phân cực
và cùng tần số -> Hiện tượng khuếch đại ánh sáng được thực hiện.
3. Các thông số kĩ thuật
a, Độ lợi – Gain
- Độ lợi của 1 bộ khuếch đại quang là tỉ số giữa công suất quang ở ngõ ra chia
cho công suất quang ở ngõ vào.
- Trong đó:
+ G: Độ lợi tín hiệu của bộ khuếch đại quang.
+ Pi, Pout: công suất tín hiệu ánh sáng ở ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại
quang (mW).
- Độ lợi là 1 thông số quan trọng của khuếch đại quang. Nó đặc trưng cho khả
năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại. Tuy vậy, độ lợi của bộ
khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hoà; điều này làm giới hạn công suất
quang 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 độ phổ độ lợi của bộ khuếch đại quang.
- Băng thông độ lợi của bộ khuếch đại quang B o được xác định bởi điểm -3dB
so với độ lợi đỉnh của bộ khuếch đại. Giá trị B o xác định băng thông của các tín
hiệu có thể được truyền bởi 1 bộ khuếch đại quang. Do đó ảnh hưởng đến các
hoạt động của hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúng cũng như các bộ lặp
hay bộ tiền khuếch đại.
c, Công suất ngõ ra bão hoà
- Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất 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 ở 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 1 mức
nào đó độ lợi G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng
tuyến tính với tín hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bão hoà. Sự thay đổi của tín
hiệu quang ngõ ra so với công suất ngõ vào được minh hoạ như sau:
8


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

Hình 2.4: a, Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào
b, Độ lợi khuếch đại quang theo công suất ngõ ra
Hình 2.4b biểu diễn sự biến đổi của độ lợi tín hiệu G theo công suất
quang ngõ ra Pout . Công suất ngõ ra tại điểm độ lợi giảm đi 3dB được gọi là
công suất ra bão hoà Psat Pout .
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 chính là do phát xạ tự
phát. Vì các sự phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon
phát xạ tự phát cũng ngẫu nhiên. Nếu photon của 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 khyuếch đại
về phía ngõ ra. Do đó, tại ngõ ra của bộ khuếch đại quang 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 đại quang được biểu diễn bởi hệ số
nhiễu NF (Noise Figure), mô tả sự suy giảm tín hiệu trên nhiễu SRN (Signal to

Noise Ratio) do nhiễu của bộ khuếch đại quang thêm vào
- Ngoài các thông số kĩ thuật chính được nêu trên, cácbộ khuếch đại quang
còn được đánh giá dựa vào các thông số sau:
+ Độ nhạy phân cực (Polaziration sensitivity) là sự phụ thuộc của độ lợi của bộ
khuếch đại dựa vào phân cực của tín hiệu.
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ lợi và băng thông độ lợi.
+ Cấu trúc.

9


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

III. CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA SOA.
1. Cấu trúc cơ bản của SOA.
Cấu trúc cơ bản của SOA tương tự như laser bán dẫn. Nghĩa là dựa trên
hệ thống 2 dải năng lượng của chất bán dẫn và quá trình biến đổi quang điện:
hấp thu (absporption), phát xạ tự phát (spontaenous 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:

Hình 3.1: Cấu trúc của một SOA.
Với cấu trúc này, vùng hoạt tính nằm giữa 2 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 1 SOA thì vùng bao phủ có năng
lượng cấm cao hơn nhưng chiết suất thấp hơn vùng hoạt tính.
2. Hoạt động của SOA.
Các hạt tải được bơm vào vùng hoạt tính của SOA từ 1 dòng phân cực
được đặt vào. Khi các hạt tải 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 đôi nhỏ. Do vậy, chỉ có phần ít các hạt tải điện được bơm cung cấp độ lợi
cho 1 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 dùng các biện pháp giam cầm các
hạt trong vùng hoạt tính tránh khuéch 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.

10


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

Trong cấu trúc của SOA vùng hoạt tính có chiết suất cao hơn vùng bao
phủ, vì vậy nó có vai trò như 1 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.
Lượng dẫn sóng được đặc trưng bởi hệ số giam cầm quang học Г, được định
nghĩa phần năng lượng của mode dẫn sóng nào đó được giam cầm vào vùng
hoạt tính. Các mode là nghiệm của phương trình Maxwell đối với các trường 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 có đủ hẹp, sẽ có 1 mode ngang với 2 chế độ phân cực, mode
điện ngang (TE) trong đó điện trường được phân cực dọc theo mặt phẳng dị tiếp
xúc và mode từ ngang (TM) trong đó từ trường được phân cực dọc theo trục x.
Mode là ngang 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, đồng thời cũng cải tiến hiệu suất ghép
từ thiết bị quang.
Với SOA dị kép tiếp xúc tồn tại 1 chiết xuất nhảy bậc theo hướng 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 xuất của vùng hoạt tính. Quá trình này được gọi là “dẫn độ lợi”. Sự thay
đổi của chiết xuất 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 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 2 mặt phản xạ của lớp tích cực có ảnh hưởng
trực tiếp đến việc đạt được hoạt động sóng chạy trong 1 OA. Dựa trên yếu tố
phản xạ có thể chia SOA làm 2 loại chính:
- Khuếch đại Fabry-Perot (FPA): đặc điểm của loại này là có hệ số phản
xạ bề mặt cao (khoảng 30%) vì các vật liệu bán dẫn thường có chiết xuất cao.
11


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng
Công thức để tính hệ số phản xạ bề mặt đối với tia tới vuông góc tại mặt phân
cách được tính như sau:

Trong đó, n1, n2 lần lượt là chiết xuất của 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.
3. Đặc tính bộ khuếch đại FPA và TWA
Xét 1 bộ khuếch đại FPA có hệ số phản xạ công suẩt phản xạ ở 2 lớp
tích cực là R1 và R2, với bộ khuếch đại TWA thì ta có thể coi như R1=R2=0.
Vì vậy, 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
xuất ánh sáng đi qua mặt phẳng phàn xạ lần lượt là 1-R1 và 1-R2.
Gọi Gs là độ lợi đơn thông của SOA khi tín hiệu đi qua vùng tích cực
mà không có sự hối tiếp (hệ số phản xạ R=0), ta có:

Gs==exp[(Гg-α)L]
Trong đó:
- g: Độ lợi trên 1đơn vị chiều dài của vùng tích cực.
- α: Suy hao trên 1 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 ngõ vào và ra của bộ khuếch đại.

Quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện như sau:
12


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng
- Điện trường của tín hiệu quang E1 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 e Ei e -jkL tại mặt phản xạ R2 (k là hệ số truyền dẫn của môi trường
khuếch đại). Tại đây, 1 phần năng lượng ánh sáng sẽ được truyền ra ngoài với
cường độ t1t2 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 được là t1 Gs Eie-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. Quán trình phản xạ
và truyền xuyên qua mặt phản xạ R 2 tiếp tục diễn ra. Phần tín hiệu xuyên qua có
điện trường t2t1 Gs Ei e-3jkL. Phần còn lại sẽ phản xạ ngược về phía R 1. Cứ như
vậy quá trình phản xạ trong vùng tích cực tiếp tục 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 kì của điện trường tới E 1, ta có điện trường thu được tại ngõ ra như
sau:


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

Hàm truyền công suất của FPA được biến đổi như sau:

Mặt khác, sin 2(kL)=sin2(ω - ω 0)L/v), với v là vận tốc ánh sáng truyền
trong môi trường khuếch đại. Do vậy, ta có thể viết lại biểu thức 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, R=0
13


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

Giả sử độ lợi đơn thông G s, tương ứng với R=0 (TWA), có dạng Gauss.
Khi hệ số phản xạ của 2 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 các 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 cộng 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 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 khuếc đại trở thành TWA.

IV. ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA SOA
1. Các khối độ lợi trong các mạng quang học
Ứng dụng của SOA trong khuếc đại tăng cường, bộ khuếch đại đường

dây và bộ tiền khuếch đại trong các đường truyền quang học được biểu diễn như
hình sau:

14


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

Các yêu cầu đối với bộ khuếch dại quang học trong các đường truyền
quang học bao gồm:

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. 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 1 sợi
dây 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 thế giảm số bộ khuếch đại
đường dây hoắc số bộ tái sinh cần thiết. Các bộ khuếch đại tăng cường cũng
có ích trong các mạng phân bố như được biểu diễn như hình 4.1, ở đây có
những sự mấtt 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 1 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 2.5Gb/s), các laser bán dẫn được biểu diễn 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.
2.

15


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

Hình 4.2: Khuyếch đại tăng cường trong các mạng phân phối quang.
Bởi vì công suất tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại tăng cường thường
cao, bộ khuếch đại phải có công suất bão hòa đầu ra P o,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 P o,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. Các cấu trúc SOA có thể được
dùng để thực hiện công suất đầu ra bão hòa cao. Một module SOA tăng cường
điển hình được biểu diễn như sau:

Hình 4.2: Cấu trúc module tăng cường SOA
Module 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
16



Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng
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.
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 vì 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 như sau:

Hình 4.3: Bộ thu quang tiền khuếch đại.
Bộ thu bao gồm một bộ tiền khuếch đại quang học với độ lợi đồng đều
G, một bộ lọc quang học băng thông B o, một photodiode p-i-n với hiệu suất
η

lượng tử và tiếp theo là một mạch gửi phát hiện băng thông điện B e và một
mạch quyết định. Các bộ lọc điện và 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 nhưng 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
trạng thái phân cực của tín hiệu ánh sáng thường không biết được. Các mạch gửi

- phát hiện khuếch đại và xử lý dòng quang điện từ detector.
Trong một bộ thu quang học không có bộ tiền khuếch đại, dòng nhiễu
quang điện chiếm ưu thế là nhiễu mạch. Nhiễu này thường lớn hơn một đến hai
17


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng
bậc về độ lớn so với giới hạn nhiễu hạt của bộ thu. Trong một bộ thu quang học
IMDD tiền khuếch đại với băng thông quang học dải hẹp, dòng nhiễu quang
điện chiếm ưu thế là nhiễu phách tín hiệu tự phát:

Psing
S
=
 ÷
 N out 4nsp hvBe

(*)

Những cải tiến điển hình trong SNR so với bộ thu truyền thống lớn hơn 10dB.
Dạng của (*) chỉ ra rằng, trong giới hạn nhiễu phách tín hiệu tự phát, bộ thu
SNR không phụ thuộc vào cả độ lợi khuếch đại và băng thông bộ lọc quang
ηL

học. Cũng có một sự suy hao trên đường truyền
giữa bộ tiền khuếch đại và
detector. Điều này chủ yếu là do sự mất mát bộ lọc quang học và hiệu suất ghép
đến detector quang học. Sự mất mát do ghép này sẽ không dẫn đến bất kì sự suy
Gη


hao nào trong hiệu suất của bộ thu miễn là tích
>>1. Điều này phù hợp tốt
với bộ thu truyền thống trong đó lỗi công suất bằng với sự mất mát do ghép.
4.

Bộ khuếch đại đường dây

Trong các hệ thống truyền thông quang học hạn chế mất mát, các bộ
khuếch đại đường dây được dùng để bù mất mát trong sợi quang do đó khắc
phục được nhu cầu tái tạo quang học. Ưu điểm chính trong các SOA đường dây
là: trong suốt với tốc độ dữ liệu và hình thức điều biến, 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.

18


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

Hình 4.4 Thí nghiệm dùng hai bộ khuếch đại SOA và hiệu suất BER của bộ thu
tiền khuếch đại.
5.

SOA truyền trong tương tự.

Nói chung, các hệ thống truyền tương tự có sự ràng buộc chặt chẽ hơn
nhiều so với các hệ thống số, điều đó đã giới hạn ứng dụng của các SOA trong
những mạng này. Như trong trường hợp truyền số, những hiệu ứng suy hao
chẳng hạn như: méo tín hiệu và méo giữa các lần điều chế có thể giảm bằng
cách cho SOA hoạt động ở chế độ không bão hòa, sử dụng các thiết bị kẹp chặt

độ lợi hoặc những kĩ thuật điều khiển độ lợi như được thảo luận ở trên.

19


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

V. BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT & TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bảng thuật ngữ viết tắt

20


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

2.

Tài liệu tham khảo

21


Chuyên Đề : Khuếch đại bán dẫn SOA và ứng dụng

22