Đề tài: KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Điện tử Viễn thông Bộ môn :Mạch 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 truyền thông Kĩ sư chất lượng cao K52 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA MỤC LỤC Lời nói đầu……………………………………………… ……………… ……… I Tổng quan khếch đại quang…………………………………………………… I.1 Giới thiệu khuếch đại quang……………………………………………………3 I.2 Phân loại khếch đại quang……………………………………………… II III IV V Nguyên lý bản…………………………………………………………………….9 II.1 Mô tả bản…………………………………………………………… II.2 Nguyên lý khuếch đại………………………………………………… 10 II.3 Các thông số kĩ thuật…………………………………………………….11 Cấu trúc nguyên lý hoạt động SOA……………………………………… 16 III.1 Cấu trúc SOA……………………………………………….16 III.2 Nguyên lý hoạt động…………………………………………………… 16 III.3 Đặc tính khuếch đại FPA TWA………………………………….18 Ứng dụng SOA……………………………………………………… 22 IV.1 Bộ khuếch đại tăng cường……………………………………………….23 IV.2 Bộ tiền khuếch đại……………………………………………………….25 IV.3 Bộ khuếch đại đường dây tầng khuếch đại…………………….27 Ưng dụng chức SOA…………………………………………………… 28 V.1 Sự phi tuyến SOA………………………………………………… 28 V.2 Các ứng dụng chức SOA…………………………………….31 Kết luận…………………………………………………………………………… 40 Tài liệu tham khảo………………………………………………………………… 41 Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Lời nói đầu Thế kỷ 21 chứng kiến phát triển vượt bậc công nghệ thông tin viễn thông đặc biệt hệ thống công nghệ thông sợi tin quang hai mươi lăm năm qua Sự nhảy vọt có nhờ phát triển công nghệ quang điện tử học sử dụng để khai thác băng thông tiềm sợi quang Ngày nay, hệ thống vận hành với tỷ số bit vượt qua 100Gb/s nhờ kỹ thuật dồn kênh chia theo bước sóng (WDM) Công nghệ quang trung tâm việc thực hóa hệ thống tương lai nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin người.Những khả bao gồm dải thông không giới hạn tới dịch vụ thông tin kèm theo suốt hoàn toàn cho phép nân cấp dung lượng linh hoạt định tuyến kênh truyền.Nhưng cần nhấn mạnh rằng, khuếch đại quang đóng vai trò quan trọng tiến triển thông tin quang Nói chung, khuếch đại quang có hai loại: khuếch đại quang sợi (OFA) khuếch đai quang bán dẫn (SOA) OFA sử dụng rộng rãi làm khuếch đại đường truyền để bù suy hao sợi quang Tuy nhiên, với 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 có nhiều ứng dụng khác chuyển mạch quang chuyển đổi bước sóng Những chức cần thiết cho mạng quang suốt không cần chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Mục đích báo cáo cung cấp hiểu biết tổng quan nguyên lý, cấu trúc ứng dụng SOA, biệt liên quan đến việc sử dụng hệ thông thông tin quang Nhân dịp này, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Nguyễn Bích Huyền nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu giúp chúng em hoàn thành báo cáo Bách Khoa, ngày 01 tháng 11 năm 2011 Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA I Tổng quan khuếch đại quang 1.1 Giới thiệu khuếch đại quang Thông tin sử dụng sợi quang gặp hai hạn chế là: độ suy hao độ tán sắc Độ suy hao dẫn đến suy giảm lượng tín hiệu làm giảm khoảng cách truyền tin Vì suy hao sợi vấn đề quan trọng thiết kế, xác định lặp khuếch đại hệ thống sóng ánh sáng cự ly xa Trong độ tán sắc lại sinh mở rộng xung quang nhiễu giao thoa liên ký hiệu (intersymbol interference – dạng méo tín hiệu cực đại phụ giao thoa với cực đại phụ con) làm tăng tỷ số lỗi (BER – bit error rate) hệ thống Nếu xung quang mở rộng bit slot chúng tín hiệu suy giảm lớn dẫn đến khôi phục với độ xác cao.Độ tán sắc chủ yếu làm hạn chế dải thông sợi quang Hình 1.1, suy hao sợi quang silic kiểu đơn nhỏ vùng bước sóng 1.55µm(0.2dB/Km).Suy hao cao chút vùng 1.3µm (0.5dB/Km) Hình 1.1 Phổ suy hao đặc trưng sợi quang silic kiểu đơn suy hao Phổ tán sắc sợi silic kiểu đơn minh họa hình 1.2, nhỏ vùng bước sóng1.3µm lớn vùng bước sóng gần 1.5µm.Do giá trị phổ suy hao tán sắc nhỏ cửa sổ 1.55µm 1.3µm Cho nên chúng vùng bước sóng sử dụng Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA hệ thống thông tin sợi quang thương mại Các hệ thống thông tin quang sử dụng vùng 830nm, chủ yếu 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 sợi quang silic kiểu đơn Khi cự ly truyền dẫn sợi quang tăng, độ suy hao tín hiệu độ tán sắc tăng lên, số điểm đường dẫn thông tin sợi quang, tín hiệu quang cần phục hồi lại.Việc phục hồi bao gồm việc phát biến đổi photon – electron, khuếch đại điện, dịch thời gian, điều chỉnh dạng xung truyền lại.Suy hao khắc phục lặp quang điện.Trong trạm lặp quang điện (hình 1.3), trình khuếch đại tín hiệu quang thực qua nhiều bước Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Hình 1.3 Cấu trúc trạm lặp quang điện Hoạt động trạm lặp: Tín hiệu quang biến đổi thành dòng điện thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang PIN hay APD Dòng quang điện thu tái tạo lại dạng xung, định thời khuếch đại mạch phục hồi tín hiệu mạch khuếch đại.Sau đó, tín hiệu điện biến đổi thành tín hiệu quang thông qua nguồn quang phát quang (optical transmitter) truyền sợi quang.Như vậy, trình khuếch đại tín hiệu thực miền điện Các trạm lặp quang điện sử dụng phổ biến hệ thống truyền dẫn quang bước sóng hệ thống truyền dẫn quang SDH.Tuy nhiên, sử dụng cho hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng hệ thống WDM, nhiều trạm lặp quang điện cần sử dụng để khuếch đại tái tạo kênh quang có bước sóng khác Điều làm tăng độ phức tạp tăng giá thành hệ thống truyền dẫn quang WDM Một giải pháp khắc phục nhược điểm trạm lặp quang điện, sử dụng khuếch đại quang (Optical Amplifier).Trong khuếch đại quang này, tín hiệu ánh sáng khuếch đại trực tiếp miền quang mà không thông qua việc biến đổi sang miền điện So với trạm lặp, khuếch đại quang có ưu điểm sau: Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, mạch tái 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 Phương pháp có số nhược điểm Đầu tiên, tham gia vào việc làm đứt đường dẫn quang không suốt mặt quang (tức phụ thuộc vào tính chất tín hiệu quang đầu vào) Thứ hai, trình tái sinh phụ thuộc vào dạng điều chế tín hiệu tỷ số bit nên Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA không suốt điện.Điều tạo nên nhiều khó khăn cần nâng cấp đường dẫn Một cách lý tưởng, nâng cấp đường truyền phải bao hàm thay đổi thay thiết bị đầu cuối (máy phát, máy thu…) Thứ ba, khôi phục hệ thống phức tạp điều khiển từ xa khó truy cập tới vị trí đường truyền biển độ an toàn hệ thống dễ bị hư hại.Vì vậy, hệ thống mà suy hao sợi quang nhân tố hạn chế khuếch đại quang nội tiếp sử dụng thay khôi phục.Thực chất, thiết bị tin cậy đắt tiền Hơn nữa, khuếch đại quang nội tuyến có lợi máy khuếch đại công suất (power booster).Bên cạnh đó, ứng dụng hệ thống khuếch đại quang hữu ích khối khuếch đại quang chung nhằm sử dụng hệ thống lớn hơn.Sự cải thiện hệ thống thông tin quang thực việc sử dụng khuếch đại quang ngày cung cấp thêm hội nhằm khai thác dải thông sợi Có hai loại khuếch đại quang: SOA OFA Tuy nhiên, thời gian gần đây, SOA thu hút nhiều mối quan tâm việc sử dụng chúng khuếch đại quang thành phần chức hệ thống thông tin quang thiết bị xử lý tín hiệu quang 1.2 Phân loại khuếch đại quang Cấu tạo khuếch đại quang miêu tả hình 1.4: Hình 1.4 Mô hình tổng quát khuếch đại quang Trong khuếch đại quang, trình khuếch đại ánh sáng diễn môi trường gọi vùng tích cực (active medium) Các 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) Các nguồn bơm có tính chất tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác phụ thuộc vào cấu tạo vùng tích cực Tùy theo cấu tạo vùng tích cực, chia khuếch đại quang thành hai loại chính: Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA - Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier) Khuếch đại quang sợi (Optical Fiber Amlplifier) Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA II Nguyên lý Phần trình bày nguyên lý khuếch đại quang bán dẫn.Quá trình khuếch đại quang học nhiễu với tham số thiết bị bao gồm cưa độ lợi, độ nhạy phân cực, công suất đầu bão hòa hệ số tạp nhiễu 2.1 Mô tả SOA thiết bị quang điện tử mà điều kiện hoạt động thích hợp, khuếch đại tín hiệu ánh sáng đầu vào Dưới sơ đồ khối SOA: Vùng hoạt tính thiết bị truyền độ lợi cho tín hiệu vào.Một dòng điện bên cung cấp nguồn lượng làm cho trình khuếch đại xảy ra.Một ống dẫn sóng tính hợp để sóng lan truyền vào vùng hoạt tính.Tuy nhiên, sóng quang học bị giam cầm yếu nên số tín hiệu lọt qua vùng bao bọc mát xung quanh Tín hiệu đầu vào có nhiễu kèm theo trình khuếch đại tránh khỏi hoàn toàn Các mặt khuếch đại phản xạ tạo gợn sóng phổ khuếch đại hay độ lợi Các SOA chia thành hai loại biểu diễn hình 2.2 : SOA Fabry perot (FP-SOA) phản xạ từ mặt cuối đáng kể (nghĩa là, tín hiệu qua khuếch đại nhiều lần) SOA sóng chạy (TW-SOA) phản xạ bỏ qua (nghĩa tín hiệu qua khuếch đại lần) Các lớp phủ chống phản xạ dùng để tạo SOA với hệ số phản xạ bề mặt nhỏ 10-5 TW–SOA không nhạy FP –SOA dao động dòng phân cực, nhiệt độ phân cực tín hiệu Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 10 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA 2.2 Nguyên lý khuếch đại Nguyên lý khuếch đại quang khuếch đại quang thực dựa tượng phát xạ kích thích cộng hưởng xảy trình khuếch đại Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emission) ba tượng biến đổi quang điện ứng dụng thông tin quang.Các tượng minh họa hình 2.3 Hình 2.3 Các tượng biến đổi quang điện: a Hấp thụ xạ kích thích b Phát xạ c Phát Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 2.3.c, xảy điện tử trạng thái lượng cao E2 bị kích thích photon có lượng hν12 với độ chênh lệch lượng trạng thái lượng cao trạng thái lượng thấp điện tử (Eg= E2 – E1) Khi đó, điện tử chuyển từ trạng thái lượng cao xuống trạng thái lượng thấp tạo photon có lượng với lượng photon kích thích ban đầu Như vậy, từ photon ban đầu sau khi xảy tượng phát xạ kích thích tạo hai photon (photon ban đầu photon tạo ra) có phương truyền, phân cực, pha Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 27 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Hình 4.6 Thí nghiệm truyền 89km dùng tiền khuếch đại SOA hiệu suất BER thu tiền khuếch đại SOA 10Gb/s 1310nm Giản đồ biễu diễn công suất quang thu Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 28 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA V-Ứng dụng chức SOA Bên cạnh chức SOA dùng để thực chức đặc biệt mạng toàn quang.Những chức đặc biệt khắc phục nhược điểm “cổ chai điện từ” ,trong xử lý tín hiệu thực miền điện Sau ta xét đến số ứng dụng chức có với SOA, liên quan đến việc thực thi PIC (mạch tích hợp photonic) chúng Rất nhiều ứng dụng SOA dựa phi tuyến SOA trước tiên ta tìm hiểu khái quát phi tuyến SOA 5.1-Sự phi tuyến SOA Sự phi tuyến SOA dựa vào thay đổi mật độ hạt tải điện bị cảm ứng tín hiệu đầu vào khuếch đại.Bốn loại tượng phi tuyến : -Biến điệu độ lợi chéo (Cross gain modulation XGM) -Biến điệu chéo pha (Cross phase modulation XPM) -Sự tự điều chế pha (Self –phase modulation SPM) -Sự trộn bốn sóng (four-wave mixing FWM) a) Biến điệu độ lợi chéo (Cross gain modulation XGM) Phổ hệ số khuếch đại SOA mở rộng cách đồng đều.Sự thay đổi mật độ hạt tải khuếch đại ảnh hưởng tới tất tín hiệu đầu vào.Do đó, tín hiệu mạnh bước sóng ảnh hưởng tới hệ số khuếch đại tín hiệu yếu bước sóng khác.Cơ chế phi tuyến gọi điều chế hệ số khuếch đại chéo XGM Bố trí thí nghiệm biến điệu độ lợi chéo thực sau Hình 5.1:Bộ chuyển đổi bước sóng dùng XGM SOA Một ánh sáng đầu dò chế độ yếu ánh sáng bơm mạnh, với biến điệu hài tín hiệu nhỏ tần số ω tiêm vào SOA.Biến điệu độ lợi chéo khếch đại phải chịu biến điệu đầu dò Điều có nghĩa khếch đại đóng vai trò chuyển đổi bước sóng hay có nghĩa chuyển tín hiệu bước sóng sang tín hiệu bước sóng khác b) Sự tự điều pha điều pha chéo (Cross phase and self –phase modulation XPM & SPM) Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 29 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Chiết suất vùng hoạt tính SOA số mà phụ thuộc vào mật độ hạt tải điện phụ thuộc vào độ lợi vật liệu Nói cách khác, bão hoà hệ số khuếch đại tạo mối quan hệ pha hệ số khuếch đại sóng quang truyền qua khuếch đại Cường độ ghép có liên quan đến hệ số tăng cường độ rộng vạch phổ αl (được gọi ảnh hưởng đến độ rộng vạch phổ laser bán dẫn) vật liệu cho công thức λ0 bước sóng không gian tự do, ne chiết suất hiệu dụng ống dẫn sóng khuếch đại,gm hệ số độ lợi vật liệu n mật độ hạt tải điện Đồ thị αl theo λ0 với mật độ hạt tải điện tham số biểu diễn hình sau: Hình 5.2 Biểu diễn mối quan hệ hệ số tăng cường độ rộng vạch phổ lượng photon αl tăng nhanh lượng photon gần lượng vùng cấm độ nhạy hệ số độ lợi vật liệu với mật độ hạt tải điện vùng này, αl hàm theo mật độ hạt tải điện.Khi xung tín hiệu tiêm vào truyền qua SOA gây thay đổi mật độ hạt tải điện, thay đổi hệ số truyền (qua chiếtsuất hiệu dụng) Bởi thời gian sống hạt tải điện xác định, sườn trước xung chịu dịch pha khác so với sườn sau (lagging edge).Sự tự điều pha (SPM) thay đổi hình dạng xung phổ nó.Hiện tượng dùng để tạo bù tán sắc làm hẹp xung SPM dùng để bù mở rộng xung tán sắc sợi quang Thiết bị có tiềm lớn việc tăng sức chứa đường truyền sợi quang tầm xa tốc độ cao Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 30 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Nếu nhiều tín hiệu tiêm vào SOA, có điều pha chéo (XPM) tín hiệu XPM dùng để tạo chuyển đổi bước sóng thiết bị chức khác Tuy nhiên XPM gây thay đổi pha, SOA phải đặt số dạng cấu hình giao thoa để chuyển thay đổi pha tín hiệu th ành thay đổi cường độ dùng giao thoa tăng cường triệt tiêu Ba loại giao thoa kế biểu diễn sau Trong giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI), chùm đầu vào bị tách thành hai chùm truyền theo phương ngang với quang lộ khác trước chúng tái kết hợp đầu giao thoa kế Phụ thuộc vào hiệu quang lộ,các chùm quay lại giao thoa tăng cường triệt tiêu Giao thoa kế Michelson (MI) giống với MZI đòi hỏi tách chùm nhất.Trong giao thoa kế Sagnac, chùm đầu vào tách thành hai chùm truyền theo phương ngang với khoảng cách ngược hướng trước tái kết hợp Trong cấu hình giao thoa kế dùng SOA , khuếch đại đặt nhiều cần giao t hoa kế để thay đổi cách chủ độngpha tín hiệu lan truyền c) Trộn bốn sóng (four-wave mixing FWM) Trộn bốn sóng trình phi tuyến kết hợp xảy SOA hai trường quang, tín hiệu bơm mạnh tần số góc 0 tín hiệu yếu tần số góc 0 - , hai tín hiệu có phân cực Các tín hiệu quang vào làm cho hệ số khuếch đại bị điều chế tần số  Ngược lại, việc điều chế hệ số khuếch đại tạo trường tín hiệu tần số 0 +  Trường gọi liên hợp pha ngược với pha tín hiệu.Điều có nghĩa phổ của tín hiệu liên hợp bị dịch chuyển bị đảo ngược kiểu so với tín hiệu đầu vào Sự trộn bốn sóng tạo SOA sử dụng nhiều ứng dụng bao gồm chuyển đổi bước sóng, bù tán sắc tách kênh quang học Sự trộn bốn sóng SOA nảy sinh từ tượng vật lý khác Tại tần số thấp, chế chiếm ưu điều biến mật độ hạt tải điện phách bơm-tín hiệu.Đây hiệu ứng liên vùng liên quan đến tái hợp hạt tải điện - lỗ trống vùng dẫn vùng hóa trị vật liệu.Bởi thời gian đặc trưng trình thời gian sống hạt tải điện Nó vào bậc Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 31 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA vài trăm pico giây.Điều có nghĩa chế đặc biệt tần số lệch hưởng vào cỡ vài chục Có hai chế gây trộn bốn sóng SOA : đốt cháy lỗ quang phổ (SHB) đốt nóng hạt tải điện (CH) SHB xảy tín hiệu bơm tiêm vào tạo lỗ trống phân bố hạt tải điện nội vùng Điều điều biến cách hiệu xác suất chiếm hạt tải điện vùng hướng đến điều biến độ lợi nhanh CH xảy phát xạ cảm ứng hấp thụ hạt tải điện tự Phát xạ cảm ứng trừ hạt tải điện lạnh trung bình hấp thụ hạt tải điện tự di chuyển hạt tải điện đến mức lượng cao vùng Dẫn đến tăng nhiệt độ giảm độ lợi Có hai thời gian đặc trưng gắn với CH Đầu tiên thời gian tán xạ hạt tải điện phonon τl , thời gian trung bình mà hạt tải điện cần để lạnh duới nhiệt độ mạng Thứ hai thời gian tán xạ hạt tải điện - hạt tải điện τ2, thời gian trung bình mật độ hạt tải điện đạt đến trạng thái cân bằ ng nhiệt từ trạng thái không cân nhiệt ban đầu Cả SHB CH có thời gian đặc trưng vào bậc vài trăm femto giây 5.2-Các ứng dụng chức SOA 5.2.1 Bộ chuyển đổi bước sóng Bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang hy vọng đóng vai trò quan trọng mạng băng rộng tương lai.Chức quan trọng chúng tránh khóa bước sóng kết nối chéo quang học mạng WDM Bộ chuyển đổi bước sóng tăng tính linh hoạt sức chứa mạng dùng tập hợp bước sóng cố định Sự chuyển đổi bước sóng dùng để tập trung quản lý mạng cho phép kích hoạt bảo vệ dễ ràng hơn.Trong mạng chuyển mạch nén, chuyển đổi bước sóng điều chỉnh được dùng để phân giải tranh chấp nén giảm đòi hỏi đệm quang học Một danh sách tính chất đáng quan tâm chuyển đổi bước sóng liệt kê bảng sau Bộ chuyển đổi bước sóng dựa cấu trúc khai thác phi tuyến SOA,vì ta có chuyển đổi bước sóng sau: Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 32 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA -Bộ chuyển đổi dựa XGM -Bộ chuyển đổi dựa XPM -Bộ chuyển đổi dựa FWM Sau ta chi tiết vào chuyển đổi bước sóng dựa XPM: Những chuyển đổi bước sóng có hiệu suất công suất cao so với thiết bị XGM Chúng có thay đổi tần số theo thời gian thấp điều biến độ lợi bị giảm Để tận dụng XPM , nhiều SOA phải đặt cấu hình giao thoa kế Các loại giao thoa kế phổ biến dùng dùng XPM dựa chuyển đổi bước sóng Trong chuyển đổi bước sóng MZI không đối xứng đầu vào liên tục bước sóng λ2 bị tách cách không đối xứng phần MZI ghép Tín hiệu điều biến cường độ bước sóng λ1 làm bão hòa SOA cách không đối xứng cảm ứng dịch pha khác Trong tín hiệu đầu vào liên tục qua mật độ hạt tải điện bị cảm ứng thay đổi chiết suất ghép đầu kết hợp tín hiệu liên tục bị tách, chúng giao thoa tăng cường triệt tiêu Trạng thái giao thoa thực phụ thuộc vào lệch pha tương đối cần giao thoa kế , phụ thuộc vào dòng phân cực SOA công suất quang học đầu vào Bộ chuyển đổi bước sóng MZI đối xứng có nguyên tắc hoạt động tương tự Nó cần thêm ghép dùng ghép với tỉ số tách Tương tự tín hiệu đầu vào cho vào SOA Nếu công suất tín hiệu liên tục cần cao thấp giao thoa kế trước giao thoa ghép tái kết hợp tương ứng Pu P1 công suất P0 tín hiệu đầu là: ϕ độ lệch pha sóng giao thoa Về biểu thức hàm truyền giao thoa tín hiệu chuyển đổi có bị đảo ngược so với tín hiệu đầu vào liệu hay không phụ thuộc vào hệ số góc hàm truyền giao thoa xung quanh điểm hoạt động chọn biểu diễn hình sau: Sau sơ đồ chuyển đổi bước sóng MZI đối xứng không đối xứng Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 33 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Bộ chuyển đổi bước sóng MZI không đối xứng Bộ chuyển đổi bước sóng MZI đổi xứng Cùng với thay đổi pha chuyển đổi tín hiệu dẫn đến nén độ lợi , có khuynh hướng không cân biên độ cần giao thoa kế Sự không cân biên độ giảm tỉ số tắt quang chuyển đổi Có thể cải tiến tính chất chuyển đổi giao thoa kế cách thêm vào phần dịch pha chủ động cần giao thoa kế, để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi Người ta chứng minh chuyển đổi bước sóng giao thoa kế xếp tầng với hiệu suất tốt Sự chuyển đổi bước sóng đạt mà không dùng giao thoa kế cách dùng XPM SOA gắn lọc cách tử Bragg sợi quang.Trong sơ đồ này, phổ tín hiệu liên tục chirp XPM cảm ứng tín hiệu bơm truyền song song Bản không nghịch đảo tín hiệu liệu đầu vào thu cách chọn thành phần dịch phía bước sóng đỏ phổ liên tục dùng lọc Bộ chuyển đổi bước sóng giao thoa chịu trách nhiệm cho tích hợp quang điện tử.Sự thực PIC chuyển đổi b ước sóng MZI biểu diễn hình sau PIC chứa nguồn laser DFB tích hợp toàn khối hai đầu vào đối xứng khối cần tiền khuếch bù biến đổi công suất đầu vào Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 34 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA 5.2.2 Các cổng quang học SOA Các mạng truyền thông quang học TDM WDM vận tốc cao tương lai đòi hỏi chuyển mạch quang học (hoặc cổng) vận tốc cao điều khiển quang học điện.Những chuyển mạch hình thành nên sở cho thành phần quang học cải tiến chẳng hạn ghép kênh xen rẽ, tách kênh cổng logic Những tính chất đáng quan tâm chuyển mạch quang học là: vận tốc chuyển mạch cao, độ tương phản tắt mở cao khả xếp tầng.Có thể tạo chuyển mạch quang học dùng SOA Có nhiều cấu hình cổng SOA, đơn giản số chúng bao gồm thiết bị đơn biểu diễn hình sau Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 35 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Các cổng điều khiển quang học Trong trường hợp trạng thái chuyển mạch xác định dòng điều khiển điện để thiết lập độ lợi khuếch đại công suất bơm quang học dùng XGM.Thời gian chuyển mạch riêng SOA xác định thời gian sống tái kết hợp hạt tải điện.Sự tiêm bơm liên tục vào khuếch đại dùng để tăng vận tốc chuyển mạch cách giảm thời gian sống hạt tải điện qua tái kết hợp cảm ứng Cũng tăng số cổng xếp tầng Sự đa dạng cổng điều khiển quang học dùng sóng truyền đối lập hai SOA biểu diễn sơ đồ sau Công tắc toàn quang dùng hoạt động truyền đối lập SOA ghép tầng Trong chuyển mạch dựa trạng thái công suất tín hiệu điều khiển thấp độ lợi SOA cao dẫn đến công suất tín hiệu đầu cao Trong trạng thái ngắt công suất tín hiệu điều khiển cao làm cho SOA bão hòa.Đồng thời công suất đầu liệu từ SOA thấp hơn, độ lợi SOA tăng dẫn đến công suất tín hiệu điều khiển cao Điều có nghĩa tăng tương đối nhỏ công suất đầu vào điều khiển tạo thay đổi lớn công suất đầu liệu, cho tỉ số tương phản chuyển mạch cải tiến Các mảng cổng SOA dùng để xây dựng nút chuyển theo gói toàn quang gói liệu tới gửi đến cổng đầu quan tâm Mảng cổng tích hợp hoàn toàn với ống dẫn sóng đầu vào đầu ghép Kĩ thuật giảm bớt không khớp lệch SOA ống dẫn sóng thụ động Tuy nhiên, đòi hỏi nhiều trình nuôi cấy xử lý epitaxial nhiều bước phức tạp Một phương pháp thay sử dụng cấu trúc lai hóa dùng ống dẫn sóng thụ động thẳng hàng với mảng SOA biểu diễn hình vẽ sau Trong module công tắc 2x2 cho thấy gói liệu gởi tới cổng đầu cách kích hoạt SOA thích hợp Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 36 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA 5.2.3 Logic quang Logic quang học hữu dụng cho ứng dụng xử lý quang học tín hiệu toàn quang Trong mạng quang học vận tốc cao Trong phần xét số SOA dựa cấu hình để thực logic toàn quang , ba số chúng biểu diễn hình sau Một cổng XOR dựa XPOM SOA hai tín hiệu liệu đầu vào công suất , phân cực giống bước sóng giống Một bù kính phân cực đặt phía sau SOA điều chỉnh để khóa ánh sáng qua Khi hai đầu vào mở đầu tắt , hai đầu vào tắt đầu tắt Tuy nhiên hai đầu vào tắt phân cực tín hiệu đầu khác với hai đầu vào cao Trong trường hợp kính phân cực không khóa hoàn toàn tín hiệu đầu đầu mở Tính chất tương ứng với tính chất XOR Cũng thu hoạt động XOR dùng FWM SOA tương tự giao thoa kế Sagnac sợi quang Cổng OR dựa giao thoa kế Michelson với hai tín hiệu liệu ghép vào cổng ánh sáng chế độ liên tục ghép vào cổng hai Công suất tín hiệu đầu vào toàn phần điều khiển sựdịch pha đầu vào chế độ liên tục, tạo vòng tròn từ cổng hai đến đầu phản xạ cần thấp giao thoa kế trở lại cổng hai, giao thoa xuất tín hiệu quay lại v đầu vào liên tục MI thiết kế cho giao thoa triệt tiêu xuất Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 37 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA công suất tín hiệu đầu vào giao thoa tăng cường công suất tín hiệu đầu vào có mặt Công suất đưa vào cần cao MI phụ thuộc vào tổng công suất hai tín hiệu đầu vào,vì mức công suất đánh dấu cao so với đánh dấu để trống Sự khác chặn dùng giao thoa kế hàm truyền hình sín đầu OR kẹp cách hiệu công suất tín hiệu đầu vào lớn Cổng NOR đơn giản dựa XGM SOA hai tín hiệu liệu đầu vào đầu dò liên tục đầu vào Khi tín hiệu đầu vào tín hiệu dò đầu cao bão hòa độ lợi Khi tín hiệu đầu v cao khuếch đại bão hòa làm cho đầu dò đầu thấp Điều tương ứng với hoạt động NOR 5.2.4 Tạo xung khôi phục đồng hồ SOA a)Tạo xung Các xung bước sóng điều chỉnh tỉ lệ tốc độ lặp lại cao cần thiết liên kết truyền thông OTDM WDM tốc độ cao Tại tần số cao (lớn 10GHz) khó tốn để tạo xung phương diện điện tử Một kĩ thuật quang học sử dụng laser vòng sợi quang khóa mode thích hợp với SOA biểu diễn sau Sự tạo đồng thời bốn kênh bước sóng điều chỉnh truyền xung 12ps 2.5GHz minh họa dùng laser bán dẫn bị khóa mode dựa SOA cách tử nhiễu xạ Trong hình laser Fabry –Perot kích hoạt độ lợi qua điều biến dạng sin 10GHz Sau truyền qua 150m sợi quang tán sắc cao mode phổ xung kích hoạt độ lợi bị trì hoãn 25ps , mode gần Vì xung bị tán sắc tạo chuỗi xung với bước sóng khác cách 25ps tỉ số lặp lại hiệu dụng 40GHz Tuy nhiên, xung biến đổi bước sóng tương ứng với mode Fabry-Perot laser Điều làm nảy sinh tán sắc đáng kể xung truyền xuống liên kết sợi quang Các xung chuyển thành xung có bước sóng giống ( điều chỉnh ) cách dùng laser vòng sợi quang với SOA yếu tố tích cực Laser dao động theo nhiều mode dọc Những mode ghép với phương tiện bên , khóa pha chúng với Do mode xem thành phần khai triển chuỗi Fourier hàm điều hòa (trong trường hợp chuỗi xung) với tần số c/2Lnr nr chiết suất laser L chiều dài Trong hình minh họa chiều dài vòng 15.7m cho tần số fc 12.31MHz Dòng xung quang học Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 38 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA 40GHz chèn vào dòng chuyển đổi tín hiệu , làm cho độ lợi SOA điều biến quang học Bằng cách chọn tần số điều biến laser thích hợp 10.188GHz , khóa mode laser 40.752 GHz (hài thứ 3310 fc ) Bước sóng đầu laser sợi quang chọn dùng lọc Fabry-perot sợi quang Công suất đầu ghép từ vòng sợi quang dùng ghép sợi quang b) Phục hồi Trong hệ thống OTDM phục hồi xung đồng hồ đòi hỏi thu quang học tái sinh 3R Tại vận tốc cao phục hồi xung đồng hồ đạt tốt dùng phương pháp quang học Các kĩ thuật không dựa SOA bao gồm laser khóa cách tiêm laser DFB hai phần tự kích xung Các kĩ thuật phục hồi xung đồng hồ dựa SOA liên quan đến việc dùng bù pha dựa SOA FWM , tự điều pha SOA TOAD MZI đối xứng Tất chia xung đồng hồ quang học đạt cách dùng gương vòng SOA Kĩ thuật khác , biểu diễn hình 7.34 dùng vòng khóa pha với SOA dựa chuyển mạch giao thoa kế Trong cấu hình tín hiệu liệu OTDM ghép với gương vòng SOA, điều khiển chuỗi xung điều khiển quang học tạo laser khóa mode điều chỉnh (TMLL) , tần số lặp lại xác định dao động điều khiển điện áp (VCO) Tín hiệu đầu từ gương vòng phát photodiode chậm Một phần tín hiệu đầu vào chuyển từ gương vòng tỉ số lặp lại xung điều khiển Khi tần số VCO với tần số tín hiệu đầu vào , thành phần chuyển mạch tín hiệu đầu vào có pha không đổi khe thời gian Trong trường hợp tín hiệu từ photodiode trở thành tín hiệu chiều mà biên độ tỉ lệ với hiệu pha xung tín hiệu đầu vào chuỗi xung điều khiển , nghĩa công tắc quang học đóng vai trò bù pha Tuy nhiên , tín hiệu lỗi có chiều phân cực phân biệt độ lệch pha âm dương Vấn đề khắc phục cách phát tín hiệu d ùng photodiode chậm thứ hai Tín hiệu đầu từ photodiode trừ với tín hiệu lỗi Tín hiệu cuối gửi đến VCO qua lọc thông thấp Điều đóng vòng khóa tần số VCO đến tần số tín hiệu liệu đầu vào Do xung đồng hồ quang học lấy từ đầu TMLL dùng ghép Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 39 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Ngoài SOA dùng ứng dụng : tách ghép kênh xen rẽ,bù tán sắc,các detector SOA.Các ứng dụng dựa phi tuyến SOA Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 40 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Kết Luận Trên phần trình bày hiểu biết nhóm em hệ thống khuếch đại quang bán dẫn (SOA).Trước tiên nhóm em xin chân thành cảm ơn cô giáo Nguyễn Bích Huyền tạo điều kiện cho chúng em tìm hiểu hoàn thành báo Đây hội vô hữu ích cho chúng em Qua chúng em có thêm kiến thức khuếch đại bán dẫn ,nguyên lý hoạt động ứng dụng vào thực tế Đây kiến thức quan trọng giúp ích nhiều cho chúng em làm việc sau Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 41 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA Tài liệu tham khảo Semiconuctor Optiacal Amplifiers (Michael J.Connelly- Kluwer Accademic Publishers) Fiber-Optic Communications Systems (Third Edition Govind P Agrawal) Kỹ thuật thông tin quang (Học viện công nghệ bưu viễn thông) http://www.tapchibcvt.gov.vn/News/PrintView.aspx?ID=17264 Các nguồn tài liệu khác Internet Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 [...]... 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 Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao K52 23 Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA 4.2 Bộ khuếch đại tăng cường Chức năng của bộ khuếch đại tăng cường... 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... 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... Tiểu luận khuếch đại quang bán dẫn SOA cùng 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... các bộ khuếch đại tăng cường quang học Bảng 4.2 Ứng dụng của các bộ khuếch đại tăng cường quang học Hình 4.2 Ứng dụng khuếch đại tăng cường trong các mạng phân phối quang Nguyễn Đình Chương&&Nguyễn Văn Thành: Hệ thống thông tin và truyền thông-Kĩ sư chất lượng cao 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... 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 Pout 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 độ... 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... thông-Kĩ sư chất lượng 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... 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. .. 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