Nghiên cứu chế tạo khuyếch đại quang bán dẫn trên cơ sở vật liệu bán dẫn cấu trúc cấu trúc nanô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANÔ LUẬN VĂN THẠC SỸ HÀ NỘI – 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANÔ Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện nanô Ngành: Khoa học Công nghệ Nanô Mã số: LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ DOÃN MIÊN HÀ NỘI – 2005 Mục Lục Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mở Đầu Chương I-TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN 1.1 Nguyên lý hoạt động đặc trưng khuếch đại quang bán dẫn 1.1.1 Nguyên lý khuếch đại hệ hai mức lượng 1.1.2 Những đặc trưng khuếch đại quang bán dẫn 1.2 Khuếch đại quang bán dẫn chip khuếch đại miền tích cực nghiêng góc 1.2.1 Tính chất vật liệu bán dẫn cấu trúc giếng lượng tử 1.2.2 Chíp khuếch đại quang bán dẫn miền tích cực nghiêng phủ màng chống phản xạ 1.2.3 Module khuếch đại quang bán dẫn 1.3 Một số ứng dụng SOA 1.3.1 SOA với chức khuếch đại 1.3.2 Các ứng dụng chức SOA Chương II-KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Kỹ thuật chế tạo module khuếch đại quang bán dẫn dựa chip khuếch đại miền tích cực nghiêng góc 2.1.1 Chíp khuếch đại quang bán dẫn kỹ thuật hàn lên đế toả nhiệt 2.1.2 Ghép nối sợi quang với hai mặt miền tích cực 2.2 Kỹ thuật đo đặc trưng khuếch đại quang bán dẫn 2.2.1 Hệ đo đặc trưng cơng suất module khuếch đại nguồn tín hiệu 2.2.1 Kỹ thuật đo cấu trúc phổ 2.2.3 Kỹ thuật khảo sát đặc trưng khuếch đại module SOA 2.3 Khảo sát ứng dụng chức SOA Chương III-KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các kết nghiên cứu xạ tự phát khuếch đại (ASE) 3.1.1 Đặc trưng công suất chip SOA mặt phủ màng chống phản xạ 3.1.2 Đặc trưng cơng suất chip SOA miền tích cực nghiêng góc có phủ màng chống phản xạ hai mặt miền tích cực 3.1.3 Đặc trưng cơng suất xạ phụ thuộc vào dịng bơm module SOA 3.1.4 Đặc trưng phổ xạ tự phát khuếch đại 3.2 Các kết nghiên cứu đặc trưng khuếch đại module SOA 3.2.1 Khảo sát đặc trưng nguồn tín hiệu 3.2.2 Khuếch đại tín hiệu nhỏ phổ lối SOA 3.2.3 Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại vào công suất lối vào, lối bão hoà khuếch đại 3.2.4 Chỉ số tạp âm 3.2.5 Sự ảnh hưởng phân cực 3.3 Kết nghiên cứu số ứng dụng chức SOA 3.3.1 Hiệu ứng chuyển mạch SOA điều khiển xung điện 3.3.2 Chuyển mạch hoàn toàn quang 3.3.3 Hiệu ứng trộn bốn bước súng FWM KẾT LUẬN DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO MỞ ĐẦU Khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) nghiên cứu sau phát minh laser bán dẫn vào năm 1962 đến năm 1980, phát triển đưa vào ứng dụng thực tế Những năm gần đây, với đời ngành công nghệ nanô, SOA sở vật liệu bán dẫn cấu trúc nanô lại tập trung nghiên cứu mạnh mẽ SOA chủ yếu sử dụng khuếch đại trực tiếp tín hiệu hệ thống truyền dẫn quang Khi ánh sáng laser truyền sợi quang hệ truyền dẫn khoảng cách truyền bị giới hạn m át sợi số nguyên nhân khác Trước đây, giới hạn khắc phục cách tái phát xạ tín hiệu quang chỗ lặp lại (repeater) Với lặp lại này, tín hiệu quang biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại lên, sau biến đ ổi trở lại thành tín hiệu quang để truyền tiếp Vì vậy, hầu hết tái phát xạ thường phức tạp đắt hệ thống truyền ánh sáng - đặc biệt hệ thống truyền đa kênh Khuếch đại quang nghiên cứu chế tạo nhằm giải vấn đề Hiện có hai loại khuếch đại quang nghiên cứu phát triển để ứng dụng cho khuếch đại ánh sáng truyền dẫn khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifiers - SOA) khuếch đại sợi quang pha đất (Erbium Doped Fiber Amplifiers - EDFA) Người ta thường sử dụng khuếch đại sợi pha tạp đất EDFA làm khuếch đại hệ thống thông tin cáp quang đường dài vùng bước sóng 1.55 m Tuy nhiên, SOA có nhiều ưu điểm khác đáng quan tâm: dải phổ khuếch đại rộng, kích thước nhỏ gọn, hoạt động dịng bơm điện, giá thành rẻ Do đó, SOA phát triển rộng rãi đóng vai trị quan trọng ứng dụng tương lai Ngồi ra, SOA cịn sử dụng cho nhiều mục đích hệ thống thơng tin quang sợi như: biến điệu quang, cổng logic, khoá quang học (optical switches), biến đổi bước sóng Trong luận văn giới thiệu số kết nghiên cứu, chế tạo khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy sở chip khuếch đại quang bán dẫn có miền tích cực nghiêng góc phủ màng chống phản xạ kép TiO2/SiO2 hai mặt dựa vật liệu bán dẫn InGaAsP/InP có cấu trúc nanơ hoạt động vùng sóng 1550 nm Các kết thu có ý nghĩa quan trọng việc phát triển công nghệ chế tạo khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy Việt Nam ứng dụng hệ thống thơng tin quang Nội dung luận văn trình bày ba chương Chương 1: Nghiên cứu lý thuyết khuếch đại, lý thuyết SOA có miền tích cực nghiêng góc có màng chống phản xạ kép TiO2/SiO2, tính chất, đặc trưng khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy, ứng dụng hệ thống thơng tin cáp quang Chương 2: Trình bày công nghệ, thiết bị, kỹ thuật, phương pháp dùng để chế tạo, khảo sát, nghiên cứu khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy đặc trưng Chương 3: Kết nghiên cứu vật lý cơng nghệ khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy Bản luận văn thực hoàn thành Phịng thí nghiệm Laser b án dẫn, Viện Khoa học Vật liệu Chương I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN Trong chương khảo sát nguyên lý đặc trưng khuếch đại quang bán dẫn Nghiên cứu lý thuyết khuếch đại quang bán dẫn sở chip khuếch đại có miền tích cực nghiêng góc ứng dụng cho trình thực nghiệm Phần cuối chương số ứng dụng khuếch đại ứng dụng chức SOA 1.1 Nguyên lý hoạt động đặc trưng khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifer) linh kiện quang điện tử, hoạt động điều kiện phù hợp khuếch đại tín hiệu ánh sáng tới SOA sử dụng để bù trừ mát tín hiệu truyền sợi quang Trong hệ thống thông tin quang, SOA khuếch đại trực tiếp ánh sáng tới thông qua xạ cưỡng Miền tích cực linh kiện mơi trường khuếch đại tín hiệu vào Tín hiệu cần khuếch đại bơm trực tiếp vào mặt miền tích cực, tín hiệu thu mặt lại Đặc trưng quan trọng SOA khuếch đại xảy kích thích (bằng quang điện) Độ khuếch đại SOA phụ thuộc vào tần số ánh sáng tới, môi trường khuếch đại mật độ dòng bơm Sơ đồ khối SOA minh hoạ hình 1.1 Vật liệu dùng để chế tạo chip khuếch đại SOA vật liệu bán dẫn có cấu trúc vùng cấm thẳng (nghĩa chất bán dẫn có đỉnh vùng hố trị đáy vùng dẫn có giá trị vector sóng k giản đồ lượng E(k) Bán dẫn phải có vùng cấm thẳng lý tránh mát lượng tương tác với mạng tinh thể Trong điều kiện bình thường, vùng chuyển tiếp p-n trạng thái cân nhiệt [10] Sự cân bị phá vỡ phun hạt tải mang điện vào miền tích cực Khi mật độ dòng điện đủ lớn gây nghịch đảo mật độ tích luỹ Sau thời gian ngắn tồn mức cao điện tử tái hợp với lỗ trống theo chế tái hợp khác Đây nguyên lý chung hoạt động khuếch đại quang bán dẫn SOA chia thành hai loại SOA Fabry - Perot (FP - SOA) linh kiện mà tượng phản xạ từ hai mặt miền tích cực đáng kể nghĩa cịn ảnh hưởng buồng cộng hưởng SOA (TW - SOA) sóng chạy loại khuếch đại với phản xạ hai mặt bỏ qua, tín hiệu khuếch đại lần qua miền tích cực Các lớp chống phản xạ sử dụng để tạo khuếch đại quang bán dẫn với hệ số phản xạ bề mặt 10 -5 TW - SOA không nhạy FP - SOA với thay đổi dòng điện, nhiệt độ phân cực Tuy nhiên, điều kiện để SOA hoạt động ổn định hệ thống thông tin quang [7] Tín hiệu dịng điện Mặt Miền tích cực Tín hiệu vào Mặt vào Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý khuếch đại quang bán dẫn 1.1.1 Nguyên lý khuếch đại hệ hai mức lượng Trong SOA điện tử phun vào miền tích cực từ nguồn dịng bên ngồi Các electron mang lượng chiếm trạng thái lượng vùng dẫn miền tích cực, để lại lỗ trống vùng hố trị Có chế xạ xảy vật liệu bán dẫn Ba chế mơ tả hình 1.3, áp dụng cho vật liệu có cấu trúc vùng lượng bao gồm mức gián đoạn Bức xạ tự phát Bức xạ cưỡng photon Hấp thụ photon cảm ứng Năng lượng vùng cấm photon kích thích lỗ trống Điện tử tự phát hệ hai Hình 1.2 Các q trình cưỡng mức Trong hấp thụ tượng photon tới với lượng phù hợp kích thích hạt tải chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn Đây trình mát photon truyền dẫn vật liệu Nếu photon tới chất bán dẫn có lượng phù hợp gây tượng tái hợp cưỡng hạt tải từ vùng dẫn với lỗ trống vùng hoá trị Năng lượng trình tái hợp giải phóng dạng photon ánh sáng Photon đồng với photon kích thích phương diện (pha, tần số, hướng…) Cả photon gốc photon kích thích sinh tiếp chuyển dời cưỡng Nếu dịng kích đủ cao tạo tượng đảo mật độ trạng thái (trạng thái mà mật độ hạt tải vùng dẫn lớ n vùng hoá trị) Trong trường hợp này, khả xảy xạ cưỡng lớn hấp thụ vật liệu bán dẫn có khả khuếch đại quang [9] Quá trình xạ tự phát trình hạt tải vùng dẫn tái hợp với lỗ trống vùng hoá trị xạ photon có pha hướng ngẫu nhiên Q trình xảy chất bán dẫn Photon xạ tự phát có dải tần số rộng thơng thường gây tượng nhiễu, đồng thời làm giảm nồng độ hạt tải khuếch đại quang Bức xạ tự phát hệ trực tiếp q trình khuếch đại khơng thể tránh khỏi Do vậy, chế tạo khuếch đại quang bán dẫn không nhiễu điều khơng tưởng Q trình xạ cưỡng tỉ lệ với cường độ chùm photon cảm ứng, xạ tự phát lại không phụ t huộc vào cường độ chùm photon cảm ứng a Chuyển dời cảm ứng tự phát Sự khuếch đại bán dẫn phát quang liên quan trực tiếp tới trình xạ tự phát trình xạ cưỡng Để nghiên cứu cách định lượng mối quan hệ này, xét hệ gồm mức lượng liên kết với hệ vật lý xác định Gọi N1 , N2 số ngun tử trung bình đơn vị thể tích hệ có mức lượng E1 , E2 , với E2 > E1 Nếu nguyên tử mức lượng E2 tồn xác suất xác định đơn vị thời gian chuyển dời từ E2 xuống E1, trình phát xạ photon Tốc độ chuyển dời hạt tải tự phát (chỉ số spon ứng với chuyển dời tự phát, stim ứng với chuyển dời cưỡng bức) từ mức xuống mức cho công thức [13] R21spon = A21 N2 (1.1) A21 hệ số xạ tự phát ứng với chuyển dời từ mức mức Cùng với xạ tự phát, hệ hai mức cịn xảy chuyển dời cảm ứng Tốc độ chuyển dời cảm ứng hạt tải tính công thức: R21stim = B21 ( )N2 (1.2) Với B21 hệ số xạ cưỡng ứng với chuyển dời từ mức xuống mức Và  ( ) mật độ lượng xạ tới tần số  Photon cảm ứng có lượng h=E2 – E1 Tốc độ chuyển dời cảm ứng từ mức lên mức 2: R12= B12 ( )N1 (1.3) B12 hệ số hấp thụ chuyển mức từ mức lệ mức Cơ học lượng tử chứng minh rằng: 60 động hệ số khuếch đại lớn hấp thụ khuếch đại lớn g m lớn Mà g m phụ thuộc vào mật độ dịng bơm j Vì tăng dịng bơm G tăng Tuy nhiên bất cập tăng dòng bơm nhiễu tăng theo (điều nói đến chương lý thuyết) C-êng ®é, dBm -10 -20 -30 -40 -50 1500 1520 1540 1560 1580 1560 1580 B-íc sãng, nm C-êng ®é, dBm -10 -20 -30 -40 -50 1500 1520 1540 B-íc sãng, nm C-êng ®é, dBm -10 -20 -30 -40 -50 1500 1520 1540 1560 1580 B-íc sãng, nm Hình 3.13 Phổ khuếch đại lối dòng bơm khác nhau, (a) Iop=50mA, (b) Iop=60 mA; (c) Iôp=70 mA 61 3.2.3 Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại vào cơng suất lối vào, lối bão hồ khuếch đại Hệ số khuếch đại SOA phụ thuộc hai yếu tố cơng suất tín hiệu lối vào nhiễu nội trình khuếch đại (công suất ASE) Khi công suất lối vào tăng đến giá trị hạt tải miền tích cực lại giảm dẫn đến giảm hệ số khuếch đại Nguyên nhân nguồn dòng bơm cho SOA tạo lượng hạt tải phân bố đảo tốc độ cố định Trong trình khuếch đại quang liên tục xả hạt tải phân bố đảo để sinh xạ cưỡng Khi ta tăng công suất quang lối vào đến mức đạt đến trạng thái mà tốc độ xả hạt tải khuếch đại vượt tốc độ bơm hạt tải vào SOA, phân bố đảo khơng giữ cố định mà giảm dần gây suy giảm hệ số khuếch đại Chúng khảo sát phụ thuộc hệ số khuếch đại G vào công suất cách thay đổi công suất lối vào qua cách điều chỉnh suy hao VOA Trước tiên tơi khảo sát bão hồ khuếch đại SOA hoạt động dịng kích I=50 mA Nhiệt độ làm việc nguồn tín hiệu SOA ổn định 25 0C Hình 3.14 (1) mơ tả phụ thuộc hệ số khuếch đại vào cơng suất trường hợp Hình 3.14 Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại vào công suất dịng kích cho SOA khác nhau: 1) dòng Iop=50 mA; 2) dòng Iop=70 mA 62 Ta thấy đường đặc trưng chia thành hai phần, phần thứ gần song song với trục hoành Điều chứng tỏ hệ số khuếch đại không đổi theo tín hiệu lối Độ lớn hệ số khuếch đại phần vào khoảng 13 dBm Phần thứ hai đường cong xuống chứng tỏ hệ số khuếch đại giảm dần bão hoà khuếch đại xảy đến giá trị P out thi G nghĩa khơng cịn khuếch đại Ngưỡng khuếch đại bão hồ xác định hình vẽ 3.14 Cơng suất bão hồ cơng suất hệ số khuếch đại giảm dB kể từ vị trí bắt đầu xxảy tượng bão hồ Ta thấy cơng bão hồ trường hợp P bãohòa=-4dBm Tiếp theo ta khảo sát khuếch đại bão hoà SOA hoạt động 70mA Ở vùng khơng có bão hồ khuếch đại chúng tơi xác định hệ số khuếch đại gần không đổi 17 dBm bão hoà khuếch đại xảy công suất lối đạt đến –2 dBm Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại vào công suất thu khảo sát hai trường hợp hoàn toàn trùng với lý thuyết đưa chương I Hệ số khuếch đại lớn với cơng suất khuếch đại bão hồ lớn đảm bảo đủ yêu cầu để SOA hoạt động tốt hệ thống thông tin quang 20 hệ số khuếch đại, dB 15 10 -5 -10 -15 -40 -30 -20 -10 10 Công suất Hỡnh 3.15 S ph thuc calối hvào, số dBm khuếch đại vào công suất lối vào dòng bơm cho SOA khác nhau: 1) dòng Iop=50 mA; 2) dòng Iop=70 mA Tương tự trên, khảo sát phụ thuộc hệ số khuếch đại vào cơng suất tín hiệu lối Ta thấy rằng, tượng bão hoà xảy cơng suất tín 63 hiệu lối vào đạt đến –8 dBm dòng bơm cho SOA Iop =70 mA -10 dBm dòng bơm cho SOA Iop=50 mA Khi dịng bơm cho SOA tăng cơng suất lối vào bão hoà tăng theo Điều gi ải thích tăng dịng bơm cho SOA nghĩa lượng hạt tải bơm vào vùng tích cực SOA tăng theo, nên công suất báo hoà khuếch đại tăng lên 3.2.4 Chỉ số tạp âm Xác định số tạp âm SOA cho phép biết chất lượng khuếch đại hoạt động hệ thống thơng tin quang Chỉ số tạp âm tính thương số tỉ lệ tín hiệu nhiễu lối vào tỉ lệ tín hiệu nhiễu lối Ta có cơng thức tính tỉ lệ tín hiệu nhiễu lối vào : SNRin = S/N, S cường độ peak laser DFB N cường độ nhiễu tính vị trí có cường độ nhiễu cao Đối với laser DFB tỉ số tín hiệu nhiễu lớn Điều chứng tỏ độ nguồn tín hiệu tương đối tốt Tỉ lệ tín hiệu nhiễu laser DFB điều kiện dịng kích 25 mA, nhiệt độ 25 0C công suất 0 -10 -10 -20 -20 C-êng ®é, dBm C-êng ®é, dBm lối -28 dBm qua VOA SNRin=-28-(-65)=37 dB (Hình 3.16 a) -30 -40 -30 -40 -50 -50 -60 -70 1500 1520 1540 1560 1580 Buíc sãng, nm -60 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 B-íc sãng, nm Hình 3.16 Đặc trưng phổ lối vào lối SOA q trình tính số tạp âm SNR tín hiệu lối xét trường hợp khuếch đại ni dịng kích 50 mA nhiệt độ 25 0C tính sau: 64 Cường độ vị trí ASE cực đại (hình 3.16b) N=-31 dBm Đây đỉnh nhiễu nói lý thuyết, ASE loại tạp âm tránh khỏi tất loại khuếch đại quang Cường độ đỉnh tín hiệu (bước sóng 1542,23 nm) S=-9 dBm Ta tính SNRout =-7-(-31)= 24 dB Như số tạp âm: F ( S / N )i =37-24=13 dB ( S / N )o Chỉ số tạp âm 13 dB chấp nhận cho hệ thống thông tin quang thông thường Trong trình thí nghiệm chúng tơi thu số tạp âm cao 15 dB thấp 11 dB Tuy nhiên số tương đối cao so với dự đoán lý thuyết Theo lý thuyết, số tạp âm vào khoảng từ 7-12 dB (mục 1.1 chương I) Để cải thiện vấn đề cần nâng cao hệ số ghép nối sợi quang vi thấu kính 3.2.5 Sự ảnh hưởng phân cực Một đặc điểm SOA so với khuếch đại quang sợi phụ thuộc phân cực Khuếch đại quang bán dẫn thường có phụ thuộc phân cự lớn Bằng nhiều cách khác người ta cải thiện điều Các chip SOA sử dụng luận án cải thiện phụ thuộc phân cực cách sử dụng cấu trúc miển tích cực giếng lượng tử cấu tạo hình học miền tích cực Chúng tơi khảo sát ảnh hưởng phân cực lên hệ số khuếch đại cách sử dụng kiểm soát phân cực Giữ ngun cơng suất tín hiệu lối vào khơng đổi sau thay đổi phân cực ánh sáng lối vào Tại lối máy đo phổ quan sát thay đổi tín hiệu lối qua SOA -10 -10 a C-êng ®é, dBm C-êng ®é, dBm b -20 -20 -30 -40 -30 -40 -50 -50 1500 1520 1540 B-íc sãng, nm 1560 1580 1500 1520 1540 1560 B-íc sãng, nm Hình 3.17 Tín hiệu lối chế độ phân cực tín hiệu lối vào cho hệ số 1580 65 Trong trường hợp thứ SOA cấp dịng chiều Iop =50 mA Tín hiệu lối vào giữ nguyên công suất P in=-29 dBm Tất linh kiện quang ổn định nhiệt độ 25 0C Hình 3.17 cho thấy thay đổi vị trí phân cực cho hệ số khuếch đại cực đại cực tiểu Ta thấy chế độ phân cực cực đại cường độ xạ phát -13 dBm trường hợp cực tiểu -18 dBm Như công suất tín hiệu lối thay đổi dBm ảnh hưởng phân cực Ta thấy hệ số khuếch đại thay đổi từ 16 dB xuống 11 dB Đây một thay đổi tương đối lớn ảnh hưởng phân cực đến hệ số khuếch đại vấn đề khó giải khuếch đại quang bán dẫn Sự ảnh hưởng phân cực phụ thuộc vào lớp màng chống phản xạ hai mặt miền tích cực Tiếp theo khảo sát phụ thuộc phân cực SOA kích dịng 70 mA Cơng suất lối vào điều chỉnh độ lớn P in = -24 dBm Nhiệt độ ổn định 25 0C Ta thấy cường độ xạ lối thay đổi từ -6 dBm xuống -10 dBm hệ số khuếch đại thay đổi dB từ 18 dB xuống 14 dB Sự ảnh hưởng phân cực lên tín hiệu lối hệ số khuếch đại thay đổi không nhiều dịng kích khác cho SOA 0 a -20 -30 -40 -50 1500 b -10 C-êng ®é, dBm C-êng ®é, dBm -10 -20 -30 -40 -50 1520 1540 B-íc sãng, nm 1560 1580 1500 1520 1540 1560 B-íc sãng, nm Hình 3.18 Tín hiệu lối chế độ phân cực tín hiệu lối vào cho hệ số khuếch đại cực tiểu (a) cực đại (b) SOA kích dịng Iop=70 mA 1580 66 Với ảnh hưởng phân cực tính ta thấy SOA sử dụng luận văn có độ nhạy phân cực tương đối lớn Tuy nhiên đảm bảo hoạt động ổn định SOA hệ thống thông tin quang Một lợi ích phụ thuộc phân cực ứng dụng hiệu ứng phi tuyến trình bày phần sau 3.3 Kết nghiên cứu số ứng dụng chức SOA Trong phần đưa số kết bước đầu nghiên cứu SOA với chức khác khuếch đại hiệu ứng chuyển mạch thông qua SOA điều khiển điện, hiệu ứng chuyển mạch hoàn tồn quang, hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM 3.3.1 Hiệu ứng chuyển mạch SOA điều khiển xung điện Chỳng tụi thực thớ nghiệm khảo sỏt SOA chuyển mạch quang theo sơ đồ thớ nghiệm đề cập đến chương II Tớn hiệu lối vào để khảo sỏt hiệu ứng chuyển mạch quang lấy từ Module laser DFB 1550 nm chế tạo trờn sở Chip laser DFB, đưa vào SOA thụng qua suy hao quang VOA Module laser điều biến trực tiếp nguồn xung dũng từ mỏy đo Melles Griot Laser Diode Controller 06DLD103 (0 1MHz) mỏy phỏt xung nhanh ns Hewlet Parkard Model 215A., Module SOA nuụi dũng bơm xung vuụng với tần số biờn độ thay đổi lấy từ mỏy phỏt xung tần số thấp (200 Hz 2KHz) nguồn xung từ 06DLD103 Cỏc xung dũng xung tớn hiệu đo trờn dao động ký số LeCroy 400 MHz Xung lối vào module SOA cấp liờn tục 67 Khi module SOA bơm xung dũng (bờn trờn) cú tớn hiệu quang lối (bờn dưới) trờn ASE (Hỡnh 3.19a) Hiệu ứ ng chuyển mạch quan sỏt rừ ràng thay đổi biờn độ xung dũng bơm cho SOA (trường hợp I = 56 mA) Xung dũng gõy nờn khuếch đại làm cho SOA trở nờn suốt tớn hiệu lối vào Hỡnh 3.19b cho thấy tớn hiệu xung dũng (I = 30 mA) bơm cho module laser DFB lối vào (ở trờn) xung quang lối (ở dưới) trờn ASE module SOA Xung dũng bơm lối vào cú độ rộng 100 ns, tần số ~ 800 KHz Khi cú xung dũng bơm cho module SOA (f ~ 70 kHz độ rộng xung s) tớn hiệu lối vào qua SOA cú thể khuếch đại ớt để bự trừ tổn hao đưa vào (insertion loss) chuyển mạch SOA Núi chung, cỏc chuyển mạch SOA hoạt động chế độ bóo hồ gần bóo hồ (a) (b) Hỡnh 19 Hỡnh ảnh quan sỏt hiệu ứng chuyển mạch trờn dao động ký (a) Xung tớn hiệu (phớa dưới) chuyển mạch xung dũng bơm cho module SOA (phớa trờn) (b) Xung dũng bơ m cho module laser l ối vào ( phớa trờn) xung quang l ối (phớa dưới) cú xung dũng bơm cho SOA 3.3.2 Chuyển mạch hoàn toàn quang Giống laser bỏn dẫn, thời gian sống tỏi hợp hạt tải vựng tớch cực SOA vào khoảng ns Vỡ vậy, mở module SOA xung cú độ rộng vài ns quan sỏt thấy tượng co ngắn xung ASE thu lối so với xung dũng bơm Như vậy, thời gian cú xung tớn hiệu lối bị co ngắn Sự 68 co ngắn thời gian sống hạt tải vựng tớch cực SOA Điều hạn chế tốc độ hoạt động chuyển mạch SOA loại Khi SOA nuụi dũng dc hạn chế loại bỏ trường hợp chuyển mạch hoàn toàn quang Sơ đồ hiệu ứng chuyển mạch hoàn toàn quang bao gồm hai tớn hiệu quang lối vào module SOA lấy từ hai module laser DFB 1550 nm cú bước súng = 1536 nm với = 1544 nm ~ 0,06 nm đề cập chương II, tỉ lệ dập tắt mốt cạnh > 40 dB Tớn hiệu khoẻ làm nguồn bơm quang, tớn hiệu yếu làm nguồn tớn hiệu Module SOA nuụi dũng chiều dc (I = 50 mA) Cụng suất cỏc tớn hiệu quang lối vào thay đổi nhờ thay đổi dũng bơm VOA Cỏc module laser DFB module khuếch đại ổn định nhiệt độ làm việc T = 25 oC nhờ cỏc pin lạnh Peltier Cỏc súng ỏnh sỏng đưa vào SOA thụng qua cỏc vũng kiểm soỏt phõn cực chia quang 1:2 (hoạt động tổ hợp quang trường hợp này) Vỡ phõn cực ỏnh sỏng ảnh hưởng đến độ khuếch đại SOA (độ nhạy phõn cực ~ 4dB) nờn cần thay đổi phõn cực ỏnh sỏng lối vào để cú hiệu ứng chuyển mạch rừ nột Lối module SOA đưa vào module photodiode p-i-n InGaAs (PD) dao động ký số (OSC) để khảo sỏt hiệu ứng chuyển mạch hay đưa vào mỏy phõn tớch phổ quang OSA để đo phổ quang Khi xung dũng bơm cho module laser DFB CW bơm đủ mạnh tớn hiệu quang lối vào liờn tục quan sỏt thấy lối dạng xung ngược pha 180 o với xung laser Trờn hỡnh 3.20a phớa trờn xung dũng nuụi module laser bơm xung quang lối liờn tục chưa cú tớn hiệu 1, bờn Khi cú nguồn sỏng tớn hiệu (1536 nm) bơm vào chỳng tụi quan sỏt thấy hiệu ứng chuyển mạch cho ỏnh sỏng lối (Hỡnh 3.20b) Hỡnh 3.20 Xung dũng bơm cho module laser (trờn) xung quang lối SOA (dưới) khụng cú (a) cú (b) tớn hiệu quang CW 69 Tuy nhiờn, vỡ khụng cú filter lọc bước súng bơm (1545 nm) nờn tớn hiệu lối quan sỏt thấy tổng cụng suất quang hai bước súng Kết tớn hiệu lối SOA giảm khoảng 1/2 so với khụng cú tớn hiệu hay bị điều biến ngược pha 180 o so với Một yờu cầu quan trọng để cú hiệu ứng chuyển mạch hoàn toàn quang trờn sở cỏc hiệu ứng phi tuyến khuếch đại quang bỏn dẫn nguồn ỏnh sỏng bơm phải đủ mạnh (vài dBm ) [1] 3.3.3 Hiệu ứng trộn bốn bước súng FWM Ở đõy, nhờ thành cụng việc chế tạo module laser DFB cú tớch hợp ống dẫn súng planar với cụng suất lối tới gần 10 dBm (dũng ngưỡ ng Ith ~ 5mA) chỳng tụi cú nguồn bơm đủ mạnh Hỡnh 3.21 cho thấy chỳng tụi thu hiệu ứng trộn bốn bước súng (Four - Wave - Mixing) sử dụng hai nguồn súng ỏnh sỏng lối vào từ hai module laser DFB cú tớch hợp ống dẫn súng với module laser bơm ( = 1544,67 nm) ổn định nhiệt độ 25 oC laser nguồn tớn hiệu ( 1545,27 nm) để nhiệt độ phũng (T=30 C) Sau hai tớn hiệu 1, 2 = qua module SOA với thay đổi thớch hợp vị trớ cỏc vũng kiểm soỏt phõn cực quan sỏt thấy xuất bước súng thứ ba trờn ASE ( phớa bờn phải khoảng cỏch với khoảng cỏch -10 -20 : DFB : DFB 2 : FWM -30 -40 -50 1536 1539 1542 1545 1548 = 1544,08 nm) đối = 0,6 nm, đỳng C-êng ®é, dBm xứng với 1551 70 Hỡnh 3.21 Hiệu ứng trộn bốn bước súng FWM hai súng quang cựng vào SOA , Điều chứng tỏ cú thể xảy hiệu ứng trộn bốn bước súng Trờn sở hiệu ứng cú thể tạo bước súng ứng dụng thụng tin quang, chỳng tụi đề cập đến vấn đề kỹ cỏc nghiờn cứu KẾT LUẬN Khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy vấn đề thời linh kiện thực cần thiết cho hệ thống thông tin quang đại Nghiên cứu khuếch đại quang bán dẫn sở chip khuếch đại SOA (Semiconductor Optical Amplifier) có hai mặt miền tích cực nghiêng góc phủ màng chống phản xạ kép sở vật liệu bốn thành phần InGaAsP/InP có cấu trúc nanô vấn đề Việt Nam giới Để nghiên cứu vấn đề địi hỏi phải có cơng nghệ cao việc ghép nối chế tạo module SOA, module DFB, kỹ thuật thực nghiệm phức tạp việc xây dựng hệ thí nghiệm nghiên cứu đặc trưng SOA, hay hệ khảo sát ứng dụng chức năng, Trong khuôn khổ thực luận văn thu số kết khả quan có ứng dụng mặt thực tiễn: Khảo sát chip SOA có miền tích cực nghiêng góc có phủ màng chống phản xạ mặt hai mặt để thấy ảnh hưởng hiệu ứng nghiêng góc màng chống phản xạ lên cơng suất xạ tự phát khuếch đại (ASE) Cả hai trường hợp cho công suất xạ tự phát khuếch đại lớn, có màng chống phản xạ xạ tự phát tăng lên khoảng 1,5 lần Nghiên cứu công nghệ chế tạo module khuếch đại quang bán dẫn sở chip SOA với góc nghiêng với hai đầu có gắn connector chuẩn FC tương thích trực tiếp với hệ thống thơng tin quang:  Công nghệ hàn gắn chip laser lên đế với Pin Peltier, sensor nhiệt,  Công nghệ ghép nối sợi quang đơn mode có connector chuẩn FC với hai mặt miền tích cực để tạo thành linh kiện SOA dạng fiber-to-fiber Tiến hành khảo sát đặc trưng module laser DFB làm nguồn tín hiệu lối vào cho module SOA Các module DFB xạ ánh sáng vùng bước sóng 1550 nm với độ đơn sắc cao, công suất lối lớn phù hợp cho nghiên cứu ứng dụng chức SOA Nghiên cứu xạ tự phát khuếch đại SOA phổ khuếch đại tín hiệu nhỏ thu thơng với dịng bơm cho module SOA thay đổi khoảng I=50 70 mA thu thông số module SOA sau:  Băng tần phổ xạ tự phát khuếch đại =40 44 nm, với đỉnh phổ = 1545-1541 nm  Hệ số khuếch đại fiber-to-fiber: G=12-17 dB  Công suất tín hiệu lối vào bão hồ P sat-input =-8 -10 dBm  Cơng suất bão hồ P sat-output =-2dBm Dịng bơm SOA I=70mA  Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR  Chỉ số tạp âm NF=11 24 dB 15 dB  Độ nhạy phân cực nhỏ 5dB Bước đầu nghiên cứu số ứng dụng chức module khuếch đại  Hiệu ứng chuyển mạch quang dòng điện quan sát thấy rõ nét xung dòng chuyển mạch bơm cho module SOA  Quan sát thấy cách định tính hiệu ứng chuyển mạch hồn tồn quang có hai tín hiệu quang vào module SOA  Khi có hai sóng ánh sáng bước sóng 1, gần vào SOA với phân cực cường độ phù hợp thu bước sóng thứ ba kết hiệu ứng phi tuyến FWM (Four Wave Mixing) Các nghiên cứu cho phép hiểu tường minh khuếch đại quang bán dẫn Kết luận văn đưa khả chế tạo khuếch đại quang bán dẫn Việt Nam Đồng thời mở hướng công nghệ chế tạo kinh kiện quang điện tử việc chế tạo linh kiện quang điện tử đa năng: vừa khuếch đại, vừa chuyển mạch vừa đầu thu quang Tuy nhiên, nghiên cứu hiệu ứng phi tuyến SOA kết bước đầu Sẽ nhiều ứng dụng đề cập đến vấn đề kỹ cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Doãn Miên, Phạm Văn Trường, Vũ Ngọc Hải (2005) “Nghiên cứu chế tạo module phát đơn mốt sở chip laser bán dẫn đơn tần (DFB) hoạt động vùng sóng 1550 nm” Báo cáo hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội [2] Vũ Doãn Miên, Vũ Thị Nghiêm, Đặng Quốc Trung, Vũ Ngọc Hải, Nguyễn Đức Tuyên (2005), “Hiệu ứng chuyển mạch quang khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy hoạt động vùng sóng 1550 nm” Báo cáo hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội [3] Vũ Văn San (1997), “Kỹ thuật thông tin quang: Nguyên lý - Công nghệ tiên tiến”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, tr 5-7 [4] A.Musset and A.Thelen (1970), “Multilayer antireflection coatings”, Optics, Vol 8, pp 203 – 237 [5] Clifford R Pollock (1991), “Fundamentals of Optoelectronics”, John Wiley and Sons Inc, New York, pp 120-121 [6] G Bendelli, K Komori, S Arai and Y Suematsu (1991), “A new structure for High - Power TW - SLA”, IEEE Photonics technology letters, vol 3, No 1, pp 42 - 44 [7] G Eiséntein (1989), “Semiconductor optical amplifier”, IEEE Circuits and Devices Mag, pp 25 - 30 [8] Govind P Agrawal (1991), “Fiber Optic Communication System (II)”, New York, pp 34-37 [9] Govind P Agrawal (1999), “Semiconductor laser amplifiers”, The Institute of Optics, Rochestor, New York, pp 145-151 [10] Govind P Agrawal and NK Dutta (1994), “Semiconductor laser: Past, Present and Future”, Van Nostrand Reinhold, New York, pp 235-237 [11] HA Macleod(1969), “Thin film optical Filter”, Hilger - London [12] H Ghafouri-Shiraz (1994), “Fundamentals of Laser diode amplifiers”, John Wiley and Sons Inc, New York, pp 145-146 [13] Michael J Connelly (2002), “Semiconductor Optical Amplifier” Kluwer Academic Publishers, pp 1-34, [14] Peter S Zory (1998), “Quantum well laser diode”, Academic Press, Inc Harcourt Brace Jovanovich Publishers, pp 15-19 [15] S.A Merritt, C Dauga, S, Fox, I.F Wu and M Dagenais (2000), “Measurement of Facet Modal Reflectivity Spectrum in High Quality Semiconductor Traveling Ware Amplifiers”, IEEE, pp 1-2 [16] T Durhuus, C Joergensen, B Mikkelsen, R.J.S Pedersen and K.E Stubkjaer (1994), “All Optical Wavelength Conversion by SOA’s in a Mach - Zehnder Configuration”, IEEE Photonics technology letters, vol 6, No 1, pp 53 - 55 [17] V.D Mien, V.V Luc, T.Q Tien, L.V.H.N and B.D.Doi (2002), “Influence of the antireflection coating on properties of the 1310nm InGaAsP/InP laser diode cavity”, Proceeding of the third National Conference on optic and Spectroscopy, Nhatrang, Vietnam, pp 201-203 ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANÔ Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện nanô Ngành:... án dẫn, Viện Khoa học Vật liệu 3 Chương I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN Trong chương khảo sát nguyên lý đặc trưng khuếch đại quang bán dẫn Nghiên cứu lý thuyết khuếch đại quang bán dẫn. .. thuật, phương pháp dùng để chế tạo, khảo sát, nghiên cứu khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy đặc trưng Chương 3: Kết nghiên cứu vật lý cơng nghệ khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy Bản luận văn