các bộ khuếch đại quang có hai loại: khuếch đại quang sợi (OFA) và khuếch đai 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.Mục đích của bài báo cáo này là cung cấp một sự hiểu biết tổng quan về nguyên lý, cấu trúc và ứng dụng của SOA, được biệt liên quan đến việc sử dụng nó trong các hệ thông thông tin quang.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Điện tử Viễn thông Bộ môn :Mạch và xử lý tín hiệu Đề tài: KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN Giáo viên hướng dẫn: ThS.Nguyễn Bích Huyền Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đình Chương Nguyễn Văn Thành Lớp: Hệ thống thông tin và truyền thông Kĩ sư chất lượng cao K52 MỤC LỤC Lời nói đầu……………………………………………… ……………… ……… 2 Tổng quan về khếch đại quang…………………………………………………… 3 Giới thiệu khuếch đại quang……………………………………………………3 Phân loại khếch đại quang……………………………………………… 7 Nguyên lý cơ bản…………………………………………………………………….9 Mô tả cơ bản…………………………………………………………… 9 Nguyên lý khuếch đại………………………………………………… 10 Các thông số kĩ thuật…………………………………………………….11 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của SOA……………………………………… 16 Cấu trúc cơ bản của SOA……………………………………………….16 Nguyên lý hoạt động…………………………………………………… 16 Đặc tính bộ khuếch đại FPA và TWA………………………………….18 Ứng dụng cơ bản của SOA……………………………………………………… 22 Bộ khuếch đại tăng cường……………………………………………….23 Bộ tiền khuếch đại……………………………………………………….25 Bộ khuếch đại đường dây và các tầng khuếch đại…………………….27 Ưng dụng chức năng của SOA…………………………………………………… 28 Sự phi tuyến của SOA………………………………………………… 28 Các ứng dụng chức năng của SOA…………………………………….31 Kết luận…………………………………………………………………………… 40 Tài liệu tham khảo………………………………………………………………… 41 Lời nói đầu Thế kỷ 21 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 sợi tin quang trong hơn hai mươi lăm 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 kỳ tiềm năng của sợi quang. Ngày nay, các hệ thống được vận hành với tỷ số bit vượt qua 100Gb/s nhờ các kỹ thuật như dồn kênh chia theo bước sóng (WDM). Công nghệ quang là trung tâm của việc hiện thực hóa các hệ thống tương lai nhằm đáp ứng được nhu cầu thông tin của con người.Những khả năng này bao gồm dải thông không giới hạn tới các dịch vụ thông tin kèm theo và sự trong suốt hoàn toàn cho phép !"#$%&'()&*+#, Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA các nân cấp dung lượng và sự linh hoạt định tuyến của kênh truyền.Nhưng cần nhấn mạnh rằng, khuếch đại quang đóng vai trò quan trọng trong sự tiến triển của thông tin quang. Nói chung, các bộ khuếch đại quang có hai loại: khuếch đại quang sợi (OFA) và khuếch đai quang bán dẫn (SOA).OFA đã được sử dụng rất rộng rãi làm bộ khuếch đại đường truyền để bù suy hao sợi quang. Tuy nhiên, với các ưu điểm trong kỹ thuật chế tạo và thiết kế linh kiện quang, SOA cho thấy khả năng ứng dụng rất cao. Ngoài ứng dụng làm phần tử khuếch đại, SOA còn có nhiều ứng dụng khác như chuyển mạch quang và chuyển đổi bước sóng. Những chức năng này rất cần thiết cho mạng quang trong suốt vì không cần chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Mục đích của bài báo cáo này là cung cấp một sự hiểu biết tổng quan về nguyên lý, cấu trúc và ứng dụng của SOA, được biệt liên quan đến việc sử dụng nó trong các hệ thông thông tin quang. Nhân dịp này, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Nguyễn Bích Huyền vì đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu giúp chúng em hoàn thành bài báo cáo này. Bách Khoa, ngày 01 tháng 11 năm 2011 !"#$%&'()&*+#, Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA I. Tổng quan về khuếch đại quang 1.1 Giới thiệu khuếch đại quang Thông tin sử dụng sợi quang gặp hai 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 quang và vì vậy nhiễu giao thoa liên ký hiệu (intersymbol interference – là một dạng của méo tín hiệu trong đó một cực đại phụ giao thoa với cực đại phụ con) làm tăng tỷ số lỗi (BER – bit error rate) của hệ thống. Nếu các xung quang mở rộng ngoài bit slot của chúng thì tín hiệu sẽ suy giảm 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 một chút trong vùng 1.3µm (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 họa trong hình 1.2, nhỏ nhất trong vùng bước sóng1.3µm và khá lớn trong vùng bước sóng gần 1.5µm.Do giá trị của phổ suy hao và tán sắc là nhỏ ở các cửa sổ 1.55µm và 1.3µm. Cho nên chúng là vùng bước sóng chính được sử dụng !"#$%&'()&*+#, Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA - trong các hệ thống thông tin sợi quang thương mại hiện nay. Các hệ thống thông tin quang cũng sử dụng vùng 830nm, chủ yếu trong các đường dẫn có khoảng truyền ngắn với tỷ số bit trung bình mà không yêu cầu khuếch đại quang. Hình 1.2 Phổ tán sắc đặc trưng của sợi quang silic kiểu đơn Khi cự ly truyền dẫn sợi quang tăng, độ suy hao tín hiệu và độ tán sắc cũng tăng lên, do đó tại một số điểm trong đường dẫn thông tin sợi quang, tín hiệu quang sẽ cần được phục hồi lại.Việc phục hồi bao gồm việc phát hiện biến đổi photon – electron, khuếch đại điện, dịch thời gian, điều chỉnh dạng xung và truyền lại.Suy hao được khắc phục bằng các bộ lặp quang điện.Trong các trạm lặp quang điện này (hình 1.3), quá trình khuếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước. !"#$%&'()&*+#, Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA , Hình 1.3 Cấu trúc một trạm lặp 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 như PIN hay APD. 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 biến đổi 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 khuếch đại tín hiệu 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 quang SDH.Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuếch đại 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 các nhược điểm trên của trạm lặp quang điện, đó là sử dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier).Trong các bộ khuếch đại quang này, tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến đổi sang miền điện. So với các trạm lặp, các bộ khuếch đại quang có các ưu điểm 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 nên 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. Phương pháp này có một số nhược điểm. Đầu tiên, 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). Thứ hai, quá trình tái sinh phụ thuộc vào dạng điều chế tín hiệu và tỷ số bit nên !"#$%&'()&*+#, Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA . nó không trong suốt về điện.Điều này tạo nên nhiều khó khăn khi cần nâng cấp đường dẫn. Một cách lý tưởng, nâng cấp đường truyền phải bao hàm các sự thay đổi hoặc thay thế các thiết bị đầu cuối (máy phát, máy thu…). Thứ ba, khi các bộ khôi phục là các hệ thống phức 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 một bộ khuếch đại quang nội tiếp sẽ được sử dụng thay thế bộ khôi phục.Thực chất, nó là thiết bị tin cậy và ít đắt tiền hơn. Hơn nữa, bộ khuếch đại quang nội tuyến cũng rất có lợi như máy khuếch đại 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 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 hai loại khuếch đại quang: SOA và OFA. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, SOA thu hút nhiều mối quan tâm hơn trong việc sử dụng chúng như các bộ khuếch đại quang cơ bản và như các thành phần chức năng trong các hệ thống thông tin quang và các thiết bị xử lý tín hiệu quang. 1.2 Phân loại khuếch đại quang Cấu tạo của bộ khuếch đại quang được miêu tả trong hình 1.4: Hình 1.4 Mô hình tổng quát của bộ khuếch đại quang Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra trong một môi trường được gọi 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 được cung cấp từ một nguồn bên ngoài gọi chung là nguồn bơm (Pump Source). Các nguồn bơm này có tính chất như thế nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác phụ thuộc vào cấu tạo của vùng tích cực. Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính: !"#$%&'()&*+#, Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA / - Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier) - Khuếch đại quang sợi (Optical Fiber Amlplifier) !"#$%&'()&*+#, Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA 0 II Nguyên lý cơ bản Phần này sẽ trình bày các nguyên lý cơ bản của các bộ khuếch đại quang bán dẫn.Quá trình khuếch đại quang học và nhiễu cùng với các tham số thiết bị cơ bản bao gồm răng cưa độ lợi, độ nhạy phân cực, công suất đầu ra bão hòa và hệ số tạp nhiễu. Mô tả cơ bản SOA là một thiết bị quang điện tử mà ở các điều kiện hoạt động thích hợp, nó có thể khuếch đại tín hiệu ánh sáng đầu vào. Dưới đây là sơ đồ khối cơ bản của SOA: Vùng hoạt tính trong thiết bị truyền độ lợi cho tín hiệu vào.Một dòng điện bên ngoài cung cấp nguồn năng lượng làm cho quá trình khuếch đại xảy ra.Một ống dẫn sóng được tính hợp để sóng lan truyền vào vùng hoạt tính.Tuy nhiên, sóng quang học bị giam cầm này yếu nên một số tín hiệu sẽ lọt qua vùng bao bọc mất mát xung quanh. Tín hiệu đầu vào có nhiễu kèm theo do quá trình khuếch đại vì vậy không thể tránh khỏi hoàn toàn. Các mặt bộ khuếch đại phản xạ tạo ra các gợn sóng trong phổ khuếch đại hay độ lợi. Các SOA được chia thành hai loại chính được biểu diễn ở hình 2.2 : SOA Fabry perot (FP-SOA) trong đó sự phản xạ từ các mặt cuối là đáng kể (nghĩa là, tín hiệu đi qua bộ khuếch đại nhiều lần) và SOA sóng chạy (TW-SOA) trong đó sự phản xạ có thể được bỏ qua (nghĩa là tín hiệu chỉ đi qua bộ khuếch đại một lần). Các lớp phủ chống phản xạ được dùng để tạo ra SOA với hệ số phản xạ bề mặt nhỏ hơn 10 -5 . TW–SOA không nhạy bằng FP –SOA đối với sự dao động trong dòng phân cực, nhiệt độ và sự phân cực tín hiệu. !"#$%&'()&*+#, Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA 1 Nguyên lý khuếch đại Nguyên lý 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 này được minh họa trên hình 2.3. Hình 2.3 Các hiện tượng biến đổi quang điện: a. Hấp thụ b. Phát xạ c. Phát xạ kích thích Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 2.3.c, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hν12 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (E g = E 2 – E 1 ). Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu. Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng !"#$%&'()&*+#, Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA 2 [...]... sư chất lượng cao K52 12 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA 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... cao K52 27 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Hình 4.6 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 Giản đồ biễu diễn công suất quang thu được Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 28 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA V-Ứng dụng chức năng của SOA Bên cạnh những chức... Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA tần số (tính kết hợp, coherent, của ánh sáng) Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (OSA) và khuếch đại quang sợi (OFA) Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trong... hạn công suất quang ra 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 phổ độ lợi của bộ khuếch đại quang Băng thông độ lợi của bộ khuếch đại quang Bo được xác... cường, bộ khuếch đại đường dây và bộ tiền khuếch đại. Đòi hỏi chính của các bộ khuếch đại quang học cho các ứng dụng như thế được liệt kê trong bảng 4.1 Hình 4.1 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 Bảng 4.1 Các yêu cầu đối với bộ khuếch đại quang học trong các đường truyền quang học Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn... Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Hình 2.4-b biểu diễn sự biến đổi của độ lợi tín hiệu G theo công suất quang ngõ ra P out Công suất ở ngõ ra tại điểm độ lợi giảm đi 3 dB được gọi là công suất ra bảo hòa Psat, out 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... thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 14 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn 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: e 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)... gửi-phát hiện khuếch đại và xử lý dòng quang điện từ detector Hình 4.5 Bộ thu quang học tiền khuếch đại 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 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... bộ khuếch đại quang không xảy hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng Vì nếu xảy ra quá trình hồi tiếp và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở ngõ vào Nguồn ánh sáng này được xem là nhiễu xảy ra trong bộ khuếch đại Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại. .. K52 24 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Bởi vì công suất tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại tăng cường thường cao, bộ khuếch đại phải có công suất b ão hòa đầu ra , Po,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 . !"#$%&'()&*+#, Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA / - Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier) - Khuếch đại quang sợi (Optical Fiber Amlplifier) . luận khuếch đại quang bán dẫn SOA I. Tổng quan về khuếch đại quang 1.1 Giới thiệu khuếch đại quang Thông tin sử dụng sợi quang gặp hai hạn chế chính là: độ suy hao và độ tán sắc. Độ suy hao dẫn. của thông tin quang. Nói chung, các bộ khuếch đại quang có hai loại: khuếch đại quang sợi (OFA) và khuếch đai quang bán dẫn (SOA) .OFA đã được sử dụng rất rộng rãi làm bộ khuếch đại đường truyền