a. Cấu trỳc và nguyờn lý hoạt động
Cấu trỳc và nguyờn lý hoạt động của khuếch đại quang bỏn dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier) tương tự như laser bỏn dẫn. Nghĩa là cũng dựa vào hệ thống hai dải năng lượng của chất bỏn dẫn và cỏc quỏ trỡnh hấp thụ, bức xạ tự phỏt và bức xạ kớch thớch. Trong đú, tớn hiệu quang được khuếch đại dựa trờn hiện tượng bức xạ kớch thớch xảy ra trong vựng tớch cực của SOA. Vựng tớch cực cú độ rộng W, độ dày d, chiều dài L, và chỉ số chiết suất N, được đặt giữa hai lớp bỏn dẫn loại n và p (hỡnh 2.3). Cỏc bề mặt chống phản xạ được ứng dụng vào laser để giảm tớnh phản xạ của nú. Điều này làm tăng băng tần khuếch đại và tạo ra cỏc đặc tớnh truyền dẫn ớt phụ thuộc vào sự thay đổi của dũng điện thiờn ỏp, nhiệt độ, và tớnh phõn cực của ỏnh sỏng. Nguồn bơm bờn ngoài được cung cấp bởi dũng điện phõn cực.
Hỡnh 2.3 Cấu trỳc của một bộ khuếch đại quang bỏn dẫn SOA.
Sự khỏc nhau chớnh giữa SOA và laser bỏn dẫn là SOA hoạt động dưới mức ngưỡng dao động. Điều kiện này xảy ra khi dũng điện phõn cực Ibias < dũng điện ngưỡng Ith của laser và hệ số phản xạ của hai mặt phản xạ của vựng tớch cực nhỏ. Khi đú, quỏ trỡnh phản xạ, cộng hưởng và tự phỏt xạ ỏnh sỏng sẽ khụng xảy ra.
SOA cú thể được phõn thành hai loại chớnh dựa vào hệ số phản xạ của hai mặt phản xạ của lớp tớch cực. Loại thứ nhất, Fabry-Perot FPA (Fabry-Perot
Amplifier) cú hệ số phản xạ cao (cú thể lờn tới 32 %). Cấu trỳc của FPA cũng tương tự như laser Fabry-Perot nhưng hoạt động với dũng phõn cực Ibias < Ith. với cấu trỳc hốc cộng hưởng cú hệ số phản xạ cao, quỏ trỡnh hồi tiếp, chọn lọc tần số xảy ra. Kết quả là, FPA cú hệ số khuếch đại cao nhưng phổ khuếch đại nhấp nhụ, khụng đều. Điều này, làm giảm dải thụng khuếch đại của FPA. để khắc phục hạn chế trờn của FPA, hai lớp chống phản xạ AR (anti-reflection) cú hệ số phản xạ R = 0, được đặt tại hai đầu của vựng tớch cực để khụng cho quỏ trỡnh phản xạ xảy ra bờn trong bộ khuếch đại. Khi đú, tớn hiệu vào SOA sẽ được khuếch đại khi chỉ đi qua một lần (được gọi là single pass) xuyờn qua vựng tớch cực của bộ khuếch đại mà khụng cú hồi tiếp về. Đõy chớnh là cấu trỳc của loại SOA thứ hai: khuếch đại súng chạy TWA (Traveling Wave Amplifier). Trờn thực tế, hệ số phản xạ ở hai đầu của vựng tớch cực của TWA khụng hoàn toàn bằng 0 mà cú giỏ trị rất nhỏ từ 0.1% đến 0.01%.
b. Ưu, nhược điểm và ứng dụng của SOA + Ưu điểm:
- Hệ số khuếch đại cao: G = (25ữ30)dB.
- Kớch thước nhỏ, cú thể tớch hợp với cỏc linh kiện quang bỏn dẫn khỏc. - Dải thụng lớn, cú thể lờn tới 100 nm, rộng hơn so với EDFA.
- Cú thể thực hiện khuếch đại tớn hiệu ở cả hai cửa sổ ỏnh sỏng 1300 nm và 1550 nm.
+ Nhược điểm:
- Cụng suất ra bóo hoà thấp (khoảng 5mW) hạn chế khả năng của SOA khi được sử dụng làm bộ khuếch đại cụng suất.
- Hệ số tạp õm cao (5ữ7)dB ảnh hưởng đến chất lượng của SOA khi được sử dụng làm bộ tiền khuếch đại và khuếch đại đường dõy.
- Phụ thuộc vào phõn cực của tớn hiệu quang tới.
- Nhiễu xuyờn kờnh lớn do cỏc hiệu ứng phi tuyến hiệu ứng trộn bốn bước súng FWM ( Four wave mixing) và hiệu ứng bóo hoà khuếch đại chộo.
- Phổ khuếch đại cú dạng gợn súng do sự khụng hoàn hảo của lớp chống phản xạ tạo nờn.
- Kộm ổn định do hệ số khuếch đại chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. + Ứng dụng:
Với cỏc đặc tớnh kỹ thuật trờn, SOA cú nhiều nhược điểm so với EDFA khi được dựng làm khuếch đại quang. Do đú, cho dự SOA được nghiờn cứu và chế tạo từ trước EDFA, nhưng SOA khụng được sử dụng làm bộ khuếch đại quang trong hệ thống WDM cũng như cỏc hệ thống truyền dẫn quang khỏc hiện nay. Thay vào đú, dựa trờn cỏc hiệu ứng phi tuyến đỏp ứng nhanh của SOA, SOA được dựng trong cỏc ứng dụng khỏc của hệ thống thụng tin quang như bộ biến đổi bước súng (wavelength convertor), phục hồi xung clock (clock recovery) và cỏc ứng dụng xử lý tớn hiệu quang (optical signal processing applications). Khuếch đại TWA cú thể dựng làm bộ tiền khuếch đại (đặt ở phớa trước photodiode) để cải thiện độ nhạy mỏy thu.