NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG SOA TRONG VIỆC XỬ LÝ TÍN HIỆU QUANG

Đề tài : NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG SOATRONG VIỆC XỬ LÝ TÍN HIỆU QUANG Nội dung đề tài gồm có : Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA Sự phi tuyến của SOA Ứng dụng của SOA trong việc xử lí tín hiệu quang

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, lời đầu tiên cho em xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô giáo Ths. Trần Thủy Bình, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình viết đồ án tốt nghiệp này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các quý Thầy , Cô giáo trong khoa Viễn thông I, đặc biệt là các Thầy, Cô trong bộ môn Tín hiệu và hệ thống, trường Học viện Bưu chính viễn thông đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập vừa qua. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu đồ án này mà còn là hành trang quý báu cho em bước vào đời một cách vững vàng và tự tin nhất. Cuối cùng, em xin gửi lời kính chúc tới các quý Thầy, Cô giáo và gia đình dồi dào sức khỏe và luôn thành công trong sự nghiệp cao quý! Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 ii LỜI CẢM ƠN i THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv v MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG I: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ KHUẾCH ĐẠI SOA 2 1.1. GIỚI THIỆU KHUẾCH ĐẠI QUANG 2 1.2. NGUYÊN LÍ CƠ BẢN 4 1.3. CẤU TẠO SOA 6 8 1.4.1. Độ lợi và băng thông độ lợi 9 1.4.2. Độ nhạy phân cực 10 1.4.3. Bão hòa độ lợi tín hiệu 11 1.4.4. Hệ số tạp nhiễu 11 1.4.5. Các hiệu ứng động lực học 12 1.4.6. Sự phi tuyến. 12 12 12 1.5.1.1. Các lớp chống phản xạ 12 1.5.1.2. Cấu trúc bề mặt có góc 16 1.5.1.3 Cấu trúc bề mặt cửa sổ 18 1.5.1.4. Các cấu trúc không nhạy với sự phân cực 19 1.5.1.5. Các SOA với ống dẫn sóng tích cực tiết diện hình vuông 19 1.5.1.6. Ống dẫn sóng đỉnh SOA 20 1.5.1.7. Các cấu trúc dựa trên siêu mạng lớp biến dạng 21 1.5.2. Cấu trúc công suất đầu ra bão hòa cao 21 1.5.2.1. Mô hình cơ bản để tiên đoán tính chất bão hòa của bộ khuếch đại 21 1.6.CÁC SOA CÓ CẤU TRÚC ỔN ĐỊNH HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI. 24 1.7. VẤN ĐỀ GHÉP ÁNH SÁNG VÀO VÀ RA CÁC SOA. 25 Kết luận 26 CHƢƠNG II - SỰ PHI TUYẾN CỦA SOA 27 2.1. ĐIỀU CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CHÉO. 27 2.2. SỰ TỰ ĐIỀU PHA VÀ ĐIỀU CHẾ PHA CHÉO. 29 2.3. SỰ ĐIỀU BIẾN PHÂN CỰC CHÉO 31 2.4.TRỘN BỐN BƢỚC SÓNG 31 CHƢƠNG III - ỨNG DỤNG CỦA SOA 35 TRONG XỬ LÍ TÍN HIỆU QUANG 35 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 iii 3.1. BỘ ĐIỀU BIẾN PHA VÀ CƢỜNG ĐỘ SOA 35 3.2. BỘ CHUYỂN ĐỔI BƢỚC SÓNG 36 3.2.1. Bộ chuyển đổi bƣớc sóng XGM 37 3.2.2. Bộ chuyển đổi bƣớc sóng XPM 38 3.2.3. Các bộ chuyển đổi bƣớc sóng FWM 41 3.3. CÁC CỔNG QUANG HỌC SOA 44 3.4. LOGIC SOA 51 51 52 53 3.5. BỘ GHÉP KÊNH XEN RẼ SOA 54 3.5.1. Sự phân kênh OTDM dùng FWM 54 3.5.2. Bộ ghép kênh xen rẽ OTDM MZI. 55 3.6. CÁC BỘ TẠO XUNG SOA 56 3.7. PHỤC HỒI XUNG ĐỒNG HỒ SOA 57 3.8. CÁC DETECTOR SOA 58 3.9. CHUYỂN MẠCH KHÔNG GIAN TOÀN QUANG 60 3.9.1. Giới thiệu chung 60 3.9.2. Chuyển mạch toàn quang MZI SOA cơ bản. 61 63 64 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng quang thác AWG Arrayed Waveguide Grating ASE Amplifier Spontaneous Emission BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit DBR Distributed Bragg Rèlector Phản xạ phân bố Bragg DBF Distributed Feedback Phản hồi phân bố FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bước sóng MMIWA OFA Optical Fiber Amplier Khuếch đại quang sợi OTDM Optical Time Division Mutiplexing gian SOA Semiconductor Optical Amplier Khuếch đại quang bán dẫn SPM Self Phase Modulation TDM Time Division Mutiplexing TMLL Tunable Mode- Locked Laser XGM Cross Gain Modulation XPM Cross Phase Modulation VCO Voltage Control Oscilator Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 v Phổ suy hao đặc trưng của một sợi quang đơn mode 2 ổ tán sắc đặc trưng của sợi quang đơn mode 3 Hình 1.3: Cấu trúc trạm lặp quang điện 3 Hình 1.4: Mô hình tổng quát của bộ khuếch đại quang 4 Hình 1.5: Sơ đồ của một SOA 5 Hình 1.6: Các SOA cơ bản và phổ độ lợi tương ứng 6 Hình 1.7: Các hiện tượng biến đổi quang điện 7 Hình 1.8: Cấu trúc của một SOA 7 Hình 1.9: Nguyên lí giam cầm điện tử 10 Hình 1.10: Hệ số phản xạ trung bình hình học theo độ lợi một lần truyền qua với răng cưa độ lợi như tham số 11 Hình 1.11. Đặc tuyến độ lợi SOA theo công suất tín hiệu đầu ra 13 Hình 1.12: Mô hình SOA được phủ lớp chống phản xạ đa lớp 16 Hình 1.13: Hệ số phản xạ bề mặt được phủ lớp chống phản xạ đơn lớp theo chiều dày màng 16 Hình 1.14: Nhìn từ trên của một SOA có bề mặt góc 16 Hình 1.15: Một SOA ống dẫn sóng bị loe bề mặt có góc 17 Hình 1.16: Hệ số phản xạ hiệu dụng của bề mặt góc như một hàm theo góc bề mặt với ống dẫn sóng như tham số 18 Hình 1.17: Hình chiếu từ trên của một SOA với các mặt cửa sổ 18 Hình 1.18: Mặt cắt và hình chiếu từ trên của SOA dãy đỉnh bị chôn vùi 19 Hình 1.19: Độ ợi đến sợi của chế độ phân cực TE và TM 20 Hình 1.20: Tiết diện SOA ống dẫn sóng đỉnh 20 Hình 1.21: Đặc tuyến bão hòa độ lợi của SOA thu được từ nghiệm 23 Hình 1.22: SOA công suất đầu ra bão hòa cao InGaAs- InP 24 Hình 1.23: Các GC-SOA 25 Hình 1.24: Đặc tuyến độ lợi công suất tín hiệu đầu ra GC-SOA 25 Hình 2.1. Bộ chuyển đổi bước sóng dùng XGM trong một SOA 27 Hình 2.2. Đáp ứng tần số điển hình của bộ chuyển đổi bước sóng dùng XGM. Tham số là hệ số mất mát ống dẫn sóng tiêu chuẩn 28 Hình 2.3. Hệ số tăng cường độ rộng vạch phổ theo bước sóng của InGaAsP không pha tạp. Tham số là mật độ hạt tải điện (x10 24 m -3 ) 29 Hình 2.4. Các giao thoa kế thông dụng được dùng trong các ứng dụng của SOA 30 Hình 2.5. FWM SOA. Tín hiệu và bơm phải có trạng thái phân cực giống nhau 31 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 vi Hình 2.6. Công suất liên hợp tiêu chuẩn theo trị tuyệt đối của tần số lệch hưởng 34 Hình 2.7. Hiệu suất chuyển đổi theo trị tuyệt đối của tần số lệch hưởng 34 Hình 3.1. SOA được dùng như một bộ điều biến cường độ ngoài 35 Hình 3.2. SOA hai phần được dùng như một bộ điều biến pha với sự nén AM 36 Hình 3.3. Cấu hình bộ chuyển đổi bước sóng truyề XGM trong một SOA. OBFF: Bộ lọc thông dải quang học 37 Hình 3.4. Các hiệu ứng truyền của XGM trong một SOA 38 ộ chuyển đổi bước sóng MZI dựa trên XPM trong các SOA 39 Hình 3.6. Hàm truyền bộ chuyển đổi bước sóng MZI 40 Hình 3.7. Bộ chuyển đổi bước sóng MZI với nguồn DFB tích hợp toàn khối 40 Hình 3.8. Bộ chuyển đổi bước sóng bơm kép vừa phân cực song song vừa phân cực vuông góc 42 Hình 3.9. Bộ chuyển đổi bước sóng FWM đa phân cực 43 Hình 3.10. Bộ chuyển đổi bước sóng tự bơm đường gấp 43 Hình 3.11. Bộ chuyển đổi bước sóng FWM tự do- lọc 44 Hình 3.12. Các cổng SOA được điều khiển điện và quang học cơ bản 45 Hình 3.13. Công tắc toàn quang dùng hoạt động truyề tầng 45 Hình 3.14. Modul công tắc 2x2 lai hóa 46 Hình 3.15. Sơ đồ mặt nạ bộ chọn kênh WDM tích hợp 46 Hình 3.16. Dạng hình học của cách tử Bragg có góc 47 Hình 3.17. Công tắc quang học dựa trên cấu hình MZI đối xứng 48 Hình 3.18. Công tắc quang học MZI đối xứng tích hợp lai hóa 49 Hình 3.19. Công tắc quang học dùng TOAD 49 Hình 3.20. Sơ đồ một giao thoa kế Sagnac toàn SOA 50 Hình 3.21. Sơ đồ công tắc phản xạ nội toàn phần hai ống dẫn sóng chéo nhau 51 H 51 52 H 52 53 53 54 Hình 3.28. Bộ tách kênh OTDM dùng FWM trong một SOA 55 Hình 3.29. MZI ADM 56 Hình 3.30. ADM bước sóng bộ lọc SOA có thể điều chỉnh được 56 Hình 3.31. Sự tạo xung quang học dùng laser sợi quang vòng khóa mode 56 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 vii Hình 3.32. Sự phục hồi xung đồng hồ quang học dùng vòng khóa pha điện –quang 57 Hình 3.33. Detector SOA và đặc tuyến đáp ứng phổ theo độ lợi khuếch đại 59 Hình 3.34. Chuyển mạch toàn quang dựa trên cấu hình MZI- SOA 61 Hình 3.35. Chuyển mạch MZI- SOA tổng quát với các bộ dịch pha 62 Đồ án tốt nghiệp đại học Mở đầu SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 1 MỞ ĐẦU Thế kỉ 21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin và viễn thông đặc biệt là công nghệ thông tin sợi quang trong suốt hơn 25 năm qua. Sự nhảy vọt về công nghệ này có được là nhờ sự phát triển của công nghệ quang điện tử được sử dụng để khai thác băng thông cực kì tiểm năng của sợi quang. Ngày nay các hệ thống đang vận hành đạt tốc độ bit vượt qua 100Gb/s nhờ các kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng. Công nghệ quang đang thống trị thông tin toàn cầu. Nó đang là trung tâm của việc hiện thực hóa các hệ thống thông tin tương lai nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin của con người. Những yêu cầu này bao gồm dải băng thông không giới hạn tới các dịch vụ kèm theo và khả năng nâng cấp dung lượng, sự linh hoạt trong định tuyến của kênh truyền. Các bộ khuếch đại quang bao gồm 3 loại: Khuếch đại quang sợi (OFA) và khuếch đại bán dẫ ợc sử dụng rất rộng rãi để làm bộ khuếch đại đường truyền bù suy hao sợi quang. Tuy nhiên với các ưu điểm trong kĩ thuật chế tạo và thiết kế linh kiện quang, SOA đang cho thấy khả năng ứng dụng rất cao. Ngoài các ứng dụng làm phần tử khuếch đại, SOA còn có các ứng dụng trong xử lí tín hiệu quang như làm chuyển mạch quang, bộ chuyển đổi bước sóng, làm cổng logic. Những phần tử này có vai trò vô cùng quan trọng đối với mạng quang trong suốt vì sẽ không cần quá trình chuyển đổi quang điện. Chương I: Chương II: Chương III: quang. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 2 CHƢƠNG I: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ KHUẾCH ĐẠI SOA Phần này sẽ trình bày cấu tạo và nguyên lí cơ bản của bộ khuếch đại quang bán dẫn,quá trình khuếch đại quang và nhiễu cùng 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. 1.1. GIỚI THIỆU KHUẾCH ĐẠI QUANG Thông tin quang gặp hai hạn chế chính là: Suy hao và tán sắc. Độ suy hao dẫn đến sự suy giảm năng lượng tín hiệu và do đó giảm khoảng cách truyền dẫn. Vì thế suy hao là vấn đề quan trọng trong thiết kế hệ thống. Trong khi đó, sự suy hao sinh ra sự mở rộng xung và tạo ra nhiễu giao thoa kí hiệu làm tăng BER. Độ tán sắc chủ yếu làm hạn chế băng thông sợi quang. Hình 1.1 cho thấy phổ suy hao của sợi quang, dễ thấy suy hao của sợi quang nhỏ nhất trong vùng 1.55  m Hình 1.1: Phổ suy hao đặc trưng của một sợi quang đơn mode Phổ tán sắc của sợi quang đơn mode được thể hiện trong hình 1.2, tán sắc nhỏ nhất trong vùng bước sóng 1.3  m Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 3 Hình 1.2: Phổ tán sắc đặc trưng của sợi quang đơn mode Khi cự ly truyền dẫn tăng, độ suy hao tín hiệu và độ tán sắc cũng tăng lên, vì vậy tại một số điểm truyền dẫn trong sợi quang, tín hiệu cần phải 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 bộ lặp quang điện. Trong trạm lặp quang điện, quá trình khuếch đại được thực hiện qua nhiều bước. Hình 1.3: Cấu trúc trạm lặp quang điện Hoạt động của trạm lặp: Tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ phận thu quang sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay APD. Dòng [...]... đại quang Có hai loại khuếch đại quang là: OFA và SOA Tuy nhiên trong thời gian gần đây, SOA thu hút nhiều quan tâm hơn trong việc sử dụng chúng như bộ khuếch đại quang cơ bản và các thành phần chức năng trong các hệ thống thông tin quang và các thiết bị xử lí tín hiệu quang Cấu tạo của bộ khuếch đại quang được mô tả như sau: Hình 1.4: Mô hình tổng quát của bộ khuếch đại quang Trong bộ khuếch đại quang, ... các gợn sóng trong phổ khuếch đại Các SOA được chia làm 2 loại chính: SOA Fabry Perot (FP- SOA) và SOA sóng chạy (TW- SOA) Trong đó FP- SOA có tín hiệu qua lại trong bộ khuếch đại nhiều lần TW- SOA thì tín hiệu chỉ đi qua bộ khuếch đại một lần duy nhất 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 với sự dao động trong dòng phân... diễn ra trong vùng tích cực Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực có độ lợi lớn hay nhỏ phụ thuộc vào năng lượng từ nguồn bơm Các nguồn bơm này có tính chất như nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang Dựa vào cấu trúc của vùng tích cực có thể chia khuếch đại quang làm 3 loại: - Khuếch đại quang bán dẫn (SOA) - Khuếch đại quang sợi (OFA) 1.2 NGUYÊN LÍ CƠ BẢN SOA là một thiết bị quang. .. tạo và nguyên lí khuếch đại SOA 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 và được truyền đi trong sợi quang Như vậy quá trình khuếch đại được thực hiện trong miền điện Tuy nhiên khuếch đại quang điện có nhiều nhược... tượng này được ứng dụng trong cả khuếch đại quang bán dẫn và khuếch đại quang sợi 1.3 CẤU TẠO SOA Cấu trúc SOA cơ bản tương tự laser bán dẫn Nghĩa là dựa trên hệ thống hai dải năng lượng của chất bán dẫn và các quá trình biến đổi quang điện: hấp thụ, phát xạ tự phát, phát xạ kích thích Trong đó, tín hiệu quang được khuếch đại dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và xảy ra trong vùng tích cực SVTH:... SÁNG VÀO VÀ RA CÁC SOA Khi các SOA được dùng trong các hệ thống truyền quang học thì cần chú ý rằng có sự ghép hiệu quả ánh sáng đầu vào và ra chip SOA Một điều quan trọng nữa là những phản xạ bên ngoài vào trong SOA phải được giảm một cách tối đa Sự mất mát do đầu vào thấp cũng quan trọng để thu được hệ số tạp nhiễu thấp Các phương pháp cải tiến hiệu suất đầu vào và đầu ra một SOA bao gồm: dùng thấu... suất phân cấp (GRIN) và sợi quang được giới hạn bởi thấu kính bị vuốt Việc dùng taper trong các cấu trúc SOA có thể cải tiến được hiệu suất ghép Hiệu suất ghép giữa một SOA và sợi quang đơn mode dùng kĩ thuật trên thường vào bậc 3.5 đến 4.5dB SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 25 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA Kết luận Trong chương I, đồ án đã nghiên cứu các vấn đề về cấu... đồ khối của SOA: SVTH: Đào Vũ-Lớp:D08VT1 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Cấu tạo và nguyên lí khuếch đại SOA Hình 1.5: Sơ đồ của một SOA Vùng hoạt tính trong thiết bị truyền độ 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 sóng lan truyền trong vùng hoạt tính Tuy nhiên, sóng quang học bị giam trong vùng này... bằng cách dùng các cấu trúc SOA chuyên dụng Băng thông độ lợi Bopt của bộ khuếch đại được định nghĩa là khoảng bước sóng mà trên đó độ lợi tín hiệu không nhỏ hơn một phần hai giá trị đỉnh của nó Các SOA có băng thông độ lợi rộng đặc biệt hữu dụng trong các hệ thống mà ở đó cần khuếch đại đa kênh chẳng hạn như trong các mạng WDM Băng thông độ lợi rộng có thể đạt được trong một SOA với vùng hoạt tính được... khuếch đại SOA 1.4.3 Bão hòa độ lợi tín hiệu Độ lợi của một SOA bị ảnh hưởng bởi công suất tín hiệu đầu vào và nhiễu bên trong tạo ra do quá trình khuếch đại Sự bão hòa độ lợi này có thể gây ra biến dạng tín hiệu một cách đáng kể Nó cũng có thể giới hạn độ lợi đạt được của SOA được dùng làm bộ khuếch đại đa kênh Đặc tuyến độ lợi SOA thông thường theo công suất tín hiệu đầu ra được biểu diễn trong hình . nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang. Dựa vào cấu trúc của vùng tích cực có thể chia khuếch đại quang làm 3 loại: - Khuếch đại quang bán dẫn (SOA) . - Khuếch đại quang sợi (OFA). -. 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. Các SOA được chia làm 2 loại chính: SOA Fabry Perot (FP- SOA) . Tuy nhiên khuếch đại quang điện có nhiều nhược điểm. Một giải pháp được đặt ra đó là khuếch đại quang. Có hai loại khuếch đại quang là: OFA và SOA. Tuy nhiên trong thời gian gần đây, SOA thu