Báo cáo đề tài khuếch đại quang bán dẫn

TRƯNG ĐI HC GIAO THÔNG VÂN " T#I TH$NH PH& H& CH' MINH B$I TÂ"P L+N HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Đ0 tài t2m hi4u : Khuếch đại quang bán dẫn TP.HCM ngày 02 th%ng 11 năm 2020 LI NÓI ĐẦU Thế kỷ 21 chứng kiến ph%t triển vượt bậc công nghệ thông tin viễn thông đặc biệt c%c hệ thống công nghệ sợi quang.Sự nhảy vọt có nhờ ph%t triển công nghệ quang điện tử học sử dụng để khai th%c băng thông tiềm sợ quang.Ngày c%c hệ thống vận hành với tỷ số bit vượt qua 100Gb/s nhờ c%c kỹ thuật dồn kênh chia theo bước sóng (WDM) Cơng nghệ quang trung tâm việc thực hóa c%c hệ thống tương lai nhằm đ%p ứng nhu cầu thông tin người.Những khả bao gồm dải thông không giới hạn tới c%c dịch vụ thông tin kèm theo suốt hoàn toàn cho phép c%c nâng cấp dung lượng linh hoạt định tuyến kênh truyền Nói chung,c%c khuếch đại quang có loại: khuếch đại quang sợi (OFA) khuếch đại quang b%n dẫn (SOA).OFA sử dụng rộng rãi làm khuếch đại đường truyền để bù suy hao sợi quang Tuy nhiên, với c%c ưu điểm kỹ thuật chế tạo thiết kế linh kiện quang, SOA cho thấy khả ứng dụng cao.Ngoài ứng dụng làm phần tử khuếch đại, SOA cịn có nhiều ứng dụng kh%c chuyển mạch quang chuyển đổi bước sóng Những ứng dụng cần thiết cho mạng quang suốt khơng cần chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Mục đích b%o c%o cung cấp hiểu biết tổng quan nguyên lý,cấu trúc ứng dụng c%c khuếch đại, biết liên quan đến việc sử dụng c%c hệ thống thơng tin quang MỤC LỤC HÌNH #NH Trang H2nh 2.1 Cấu trúc trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) .6 H2nh 2.2 C%c tượng biến đổi quang điện H2nh 2.3 Mơ hình tổng qu%t khuếch đại quang H2nh 2.4 a) Công suất ngõ theo công suất ngõ vào 12 b) Độ lợi khuếch đại theo công suất ngõ 12 H2nh 2.5 Cấu trúc khuếch đại quang b%n dẫn SOA .14 H2nh 2.6 Qu% trình khuếch đại tín hiệu xảy FPA 16 H2nh 2.7 Độ lợi FPA thay đổi theo tần số 18 H2nh 2.8 Ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh SOA khuếch đại tín hiệu 19 H2nh 2.9 Nguyên tắc khuếch đại 24 H2nh 2.10 Sơ đồ chuyển lượng khuếch đại RAMAN 25 H2nh 2.11 Cấu tạo khuếch đại Raman 26 H2nh 2.12 Hệ số độ lợi khuếch đại Raman theo độ chênh lệch bước sóng tín hiệu nguồn bơm 27 H2nh 2.12.a Dải tần lớn c%c tín hiệu khuếch đại c%ch hiệu .27 H2nh 2.12.b Hình dạng băng thông độ lợi tổng 27 H2nh 2.13 Ưu nhược điểm khuếch đại RAMAN 28 H2nh 2.14 So s%nh khuếch đại 28 CÁC TỪ VIẾT TẮT DFA-Doped-Fiber Amplifier-Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp chất DWDM -Dense Wavelength Division Multiplexing- Ghép kênh theo bước sóng quang dày đặc DFA -Doped-Fiber Amplifier-Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp chất EDFA- Erbium Doped Fiber Amplifier-Bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium FPA- Fabry-Perot Amplifier- Bộ khuếch đại Fabry-Perot FWM -Four Wave Mixing-Trộn bốn bước sóng OFA- Optical Fiber Amplifier- Bộ khuếch đại quang sợi RA- Raman Amplifier- Bộ khuếch đại Raman SOA- Semiconductor Optical Amplifier- Bộ khuếch đại quang b%n dẫn SRS- Stimulated Ramam Scattering- T%n xạ bị kích thích Raman TWA- Traveling Wave Amplifier- Bộ khuếch đại sóng chạy WDM- Wavelength Division Multiplexing-Ghép kênh theo bước sóng KHUẾCH ĐI QUANG 2.1.Tổng quang v0 khuếch đại quang 2.1.1.Giới thiệu v0 khuếch đại quang Suy hao sợi quang nguyên nhân giới hạn cự ly truyền c%c hệ thống thông tin quang Đối với c%c hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn suy hao khắc phục c%ch sử dụng c%c trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) Trong c%c trạm lặp quang điện (xem H2nh 2.1), qu% trình khuếch đại tín hiệu quang thực qua nhiều bước Đầu tiên, tín hiệu quang biến đổi thành dòng điện c%c thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện t%ch sóng quang PIN hay APD Dòng quang điện thu t%i tạo lại dạng xung, định thời khuếch đại c%c mạch phục hồi tín hiệu mạch khuếch đại Sau đó, tín hiệu điện biến đổi thành tín hiệu quang thơng qua c%c nguồn quang ph%t quang (optical transmitter) truyền sợi quang Như vậy, qu% trình khuếch đại tín hiệu thực miền điện H2nh 2.1 Cấu trúc trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) C%c trạm lặp quang điện sử dụng phổ biến c%c hệ thống truyền dẫn quang bước sóng hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, sử dụng cho c%c hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng hệ thống WDM, nhiều trạm lặp quang điện cần sử dụng để khuếch đại t%i tạo c%c kênh quang có bước sóng kh%c Điều làm tăng độ phức tạp tăng gi% thành hệ thống truyền dẫn quang WDM Một giải ph%p khắc phục c%c nhược điểm trạm lặp quang điện, sử dụng c%c khuếch đại quang (Optical Amplifier) Trong c%c khuếch đại quang này, tín hiệu %nh s%ng khuếch đại trực tiếp miền quang mà không thông qua việc biến đổi sang miền điện So với c%c trạm lặp, c%c khuếch đại quang có c%c ưu điểm sau: -Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, khơng có mạch t%i tạo thời gian hay mạch phục hồi (bộ biến đổi E/O O/E) Do khuếch đại quang trở nên linh hoạt -Không phụ thuộc vào tốc độ bit phương thức điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống đơn giản -Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng kh%c truyền sợi quang 2.1.2.Nguyên lý khuếch đại quang Nguyên lý khuếch đại quang c%c khuếch đại quang thực dựa tượng ph%t xạ kích thích khơng có cộng hưởng xảy qu% trình khuếch đại Hiện tượng ph%t xạ kích thích (stimulated emission) ba tượng biến đổi quang điện ứng dụng thông tin quang C%c tượng minh họa H2nh 2.2 H2nh 2.2 C%c tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Ph%t xạ tự ph%t (c) Ph%t xạ kích thích Hiện tượng ph%t xạ kích thích, H2nh 2.2.c, xảy điện tử trạng th%i lượng cao E2 bị kích thích photon có lượng hf 12 với độ chênh lệch lượng trạng th%i lượng cao trạng th%i lượng thấp điện tử ( EG E  E1 ) Khi đó, điện tử chuyển từ trạng th%i lượng cao xuống trạng th%i lượng thấp tạo photon có lượng với lượng photon kích thích ban đầu Như vậy, từ photon ban đầu sau khi xảy tượng ph%t xạ kích thích tạo hai photon (photon ban đầu photon tạo ra) có phương truyền, phân cực, pha tần số (tính kết hợp, coherent, %nh s%ng) Hay nói c%ch kh%c, qu% trình khuếch đại %nh s%ng thực Hiện tượng ứng dụng c%c khuếch đại quang b%n dẫn (OSA) khuếch đại quang sợi(OFA) Hiện tượng ph%t xạ kích thích ứng dụng việc chế tạo laser Tuy nhiên, điểm kh%c biệt laser c%c khuếch đại quang c%c khuếch đại quang không xảy tượng hồi tiếp cộng hưởng Vì xảy qu% trình hồi tiếp cộng hưởng laser, khuếch đại quang tạo c%c %nh s%ng kết hợp riêng cho dù khơng có tín hiệu quang ngõ vào Nguồn %nh s%ng xem nhiễu xảy khuếch đại Do vậy, khuếch đại quang làm tăng cơng suất tín hiệu %nh s%ng đưa vào ngõ vào khuếch đại khơng tạo tín hiệu quang kết hợp riêng ngõ Hiện tượng hấp thụ (absorption), H2nh 2.2 (a), xảy photon có lượng hf 12 bị hấp thụ điện tử trạng th%i lượng thấp Qu% trình xảy lượng hf 12 photon với độ chênh lệch lượng trạng th%i lượng cao trạng th%i lượng thấp điện tử ( EG E  E1 ) Khi xảy tượng hấp thụ, điện tử nhận lượng từ photon chuyển lên trạng th%i lượng cao Hay nói c%ch kh%c, tượng hấp thụ nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang qua khuếch đại quang Qu% trình xảy đồng thời với hai tượng ph%t xạ tự ph%t ph%t xạ kích thích mơi trường tích cực (active medium) khuếch đại Hiện tượng ph%t xạ tự ph%t (spontaneous emission), hình 2.2 (b), xảy điện tử chuyển trạng th%i lượng từ mức lượng cao E xuống mức lượng thấp E1 ph%t lượng EG E2  E1 dạng photon %nh s%ng Qu% trình xảy c%ch tự nhiên trạng th%i lượng cao E2 trạng th%i lượng bền vững điện tử Sau khoảng thời gian gọi thời gian sống (life time) điện tử mức lượng cao, c%c điện tử tự động chuyển trạng th%i lượng thấp (trạng th%i lượng bền vững) Tùy theo loại vật liệu kh%c nhau, thời gian sống điện tử kh%c Cho dù tượng ph%t xạ tự ph%t tạo photon %nh s%ng, khuếch đại quang, ph%t xạ tự ph%t không tạo độ lợi khuếch đại Nguyên nhân tượng xảy c%ch tự ph%t khơng phụ thuộc vào tín hiệu %nh s%ng đưa vào khuếch đại Nếu %nh s%ng tín hiệu đưa vào, có lượng %nh s%ng tạo ngõ khuếch đại Ngoài ra, %nh s%ng ph%t xạ tự ph%t tạo khơng có tính kết hợp tượng ph%t xạ kích thích Do vậy, ph%t xạ tự ph%t xem nguyên nhân gây nhiễu c%c khuếch đại quang Loại nhiễu gọi nhiễu ph%t xạ tự ph%t khếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise) 2.1.3 Phân loại khuếch đại quang Tổng quát, cấu tạo khuếch đại quang cA th4 bi4u diễn H2nh 2.3 H2nh 2.3 Mơ hình tổng qu%t khuếch đại quang Trong khuếch đại quang, qu% trình khuếch đại %nh s%ng diễn trong mơi trường gọi vùng tích cực (active medium) C%c tín hiệu quang khuếch đại vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộc vào lượng cung cấp từ nguồn bên gọi chung nguồn bơm (Pump Source) C%c nguồn bơm có tính chất tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói c%ch kh%c phụ thuộc vào cấu tạo vùng tích cực Tùy theo cấu tạo vùng tích cực, chia khuếch đại quang thành hai loại chính: Khuếch đại quang b%n dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier): - Vùng tích cực cấu tạo vật liệu b%n dẫn - Cấu trúc vùng tích cực SOA tương tự vùng tích cực laser b%n dẫn Điểm kh%c biệt SOA laser SOA hoạt động trạng th%i mức ngưỡng ph%t xạ - Nguồn cung cấp lượng để khuếch đại tín hiệu quang dịng điện Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier): - Vùng tích cực sợi quang pha đất Do đó, OFA gọi DFA (Doped-Fiber Amplifier) 10 - Nguồn bơm lượng %nh s%ng cung cấp c%c laser có bước sóng ph%t quang nhỏ bước sóng tín hiệu cần khuếch đại - Tùy theo loại đất pha lõi sợi quang, bước sóng bơm nguồn bơm vùng %nh s%ng khuếch đại OFA thay đổi Một số loại OFA tiêu biểu: + EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530nm – 1565nm + PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280nm – 1340nm + TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440nm -1520nm + NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900nm, 1065nm 1400nm Trong c%c loại OFA này, EDFA sử dụng phổ biến có nhiều ưu điểm đặc tính kỹ thuật so với SOA có vùng %nh s%ng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Cả hai loại khuếch đại quang SOA EDFA hoạt động dựa tượng ph%t xạ kích thích Ngồi ra, loại khuếch đại quang kh%c sử dụng nhiều c%c hệ thống WDM khuếch đại Raman Loại khuếch đại sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại %nh s%ng Tuy nhiên, nguyên lý khuếch đại khuếch đại Raman dựa ảnh hưởng phi tuyến sợi quang (hiện tượng t%n xạ Raman kích thích SRS, Stimulated Raman Scattering) tượng ph%t xạ kích thích 2.1.4 Các thơng số kỹ thuật khuếch đại quang a) Độ lợi (Gain) Độ lợi khuếch đại quang tỷ số công suất quang ngõ chia cho công suất quang ngõ vào 11 Pout bao gồm cơng suất tín hiệu khuếch đại cơng suất nhiễu ph%t xạ tự ph%t khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) Pout GPin  PASE (2.3) Ảnh hưởng nhiễu khuếch quang biểu diễn hệ số nhiễu NF (Noise Figure), mô tả suy giảm tỷ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) nhiễu khuếch đại thêm vào Hệ số NF cho công thức sau: NF  SNRin (2.4) SNRout Trong đó, SNRin SNRout tỷ số tín hiệu nhiễu ngõ vào ngõ khuếch đại Hệ số nhiễu NF khuếch đại nhỏ tốt Gi% trị nhỏ NF đạt 3dB Những khuếch đại thỏa mãn hệ số nhiễu tối thiếu gọi hoạt động giới hạn lượng tử Ngồi bốn thơng số kỹ thuật nêu trên, c%c khuếch đại quang đ%nh gi% dựa c%c thông số sau: - Độ nhạy phân cực (Polarization sensitivity) phụ thuộc độ lợi khuếch đại vào phân cực tín hiệu - Ảnh hưởng nhiệt độ độ lợi băng thông độ lợi - Xuyên nhiễu (crosstalk) 2.1.5 Ứng dụng khuếch đại quang Khuếch đại quang ứng dụng c%c c%c hệ thống truyền dẫn quang c%c khuếch đại nhằm làm tăng cơng suất tín hiệu quang đường truyền, khắc phục suy hao sợi quang c%c mối hàn, nối xảy đường truyền Tùy theo vị trí lắp đặt, c%c khuếch đại tuyến truyền dẫn quang chia làm ba loại: Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): khuếch đại quang đặt sau thiết bị ph%t nhằm mục đích làm tăng cơng suất tín hiệu quang đến mức cao để 14 làm cho khoảng c%ch truyền cực đại Yêu cầu c%c khuếch đại công suất tạo công suất đầu cực đại độ lợi cực đại cơng suất tín hiệu ngõ vào lớn Khuếch đại đường dây (In-line Amplifier): c%c khuếch đại quang đặt tuyến quang nhằm mục đích bù m%t cơng suất gây suy hao sợi, suy hao kết nối suy hao việc phân phối tín hiệu quang mạng C%c khuếch đại đường dây lắp đặt nối tiếp đường truyền để gia tăng khoảng c%ch lắp đặt Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp c%c khuếch đại quang làm giảm hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống truyền dẫn quang Tiền khuếch đại (Preamplifier): c%c khuếch đại quang đặt trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu trước tín hiệu đưa vào thiết bị Điều làm giảm yêu nghiêm ngặt độ nhạy thiết bị thu cho phép hệ thống truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao Do vị trí lắp đặt, c%c tiền khuếch đại hoạt động với cơng suất tín hiệu vào yếu mức nhiễu đầu thu cao Do vậy, yêu cầu tiền khuếch đại độ nhạy lớn, độ lợi lớn nhiễu thấp Ngồi c%c ứng dụng làm c%c khuếch đại đường truyền quang, c%c khuếch đại quang SOA OFA sử dụng c%c chuyển đổi bước sóng 2.2 BỘ KHUẾCH ĐI QUANG BÁN DẪN (SOA): 2.2.1 Cấu trúc v1 nguyên lý hoạt động: Cấu trúc nguyên lý hoạt động khuếch đại quang b%n dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier) tương tự laser b%n dẫn Nghĩa dựa vào hệ thống hai dải lượng chất b%n dẫn c%c qu% trình biến đổi quang điện: hấp thụ (absorption), ph%t xạ tự ph%t (spontaneous emission) ph%t xạ kích thích (stimulated emission) Trong đó, tín hiệu quang khuếch đại dựa tượng ph%t xạ kích thích xảy vùng tích cực SOA Vùng tích cực đặt hai lớp b%n dẫn loại n va p (xem hình 2.5) Nguồn bơm bên ngồi cung cấp dịng điện phân cực 15 Vùng tích cực đặt hai lớp b%n dẫn loại n va p (xem H2nh 2.5) Nguồn bơm bên cung cấp dòng điện phân cực H2nh 2.5 Cấu trúc khuếch đại quang b%n dẫn SOA Do có cấu trúc nguyên lý hoạt động tương tự với laser b%n dẫn nên SOA gọi khuếch đại laser b%n dẫn SLA (Semiconductor Laser Amplifier) Sự kh%c SOA laser b%n dẫn SOA hoạt động mức ngưỡng dao động Điều kiện xảy dòng điện phân cực Ibias < dòng điện ngưỡng Ith laser hoặc/và hệ số phản xạ hai mặt phản xạ vùng tích cực nhỏ Khi đó, qu% trình phản xạ, cộng hưởng tự ph%t xạ %nh s%ng không xảy SOA phân thành hai loại dựa vào hệ số phản xạ hai mặt phản xạ 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 FPA tương tự laser FabryPerot hoạt động với dòng phân cực Ibias