Để thiết kế các thiết bị tích hợp nguyên khối như là SIPAS, cần phải xây dựng một vùng tích cực hiệu suất cao và vùng thụ động suy hao thấp tại cùng thời điểm. Để thoả mãn yêu cầu này chúng ta tận dụng cấu trúc chôn pn, rất phổ biến trong SOA cho vùng tích cực và cấu trúc mặt high-mesa, có suy hao đường truyền thấp và rất hiệu quả cho các thiết kế mạch nhỏ cho vùng thụ động. Để tăng cường tối đa hiệu quả ghép giữa các ống dẫn sóng chôn và các ống dẫn sóng high-mesa thì độ rộng của ống dẫn sóng chôn phải nằm giữa 1,2-1,5µm. Nói chung độ khuyếch đại G (dB) của một SOA có thể được biểu diễn bởi biểu thức:
G= 10 log(exp(ΓgL))
Dương Hồng Hạnh – Đ2001VT
Hình 3.2. Nguyên lí làm việc của SIPAS
3-dB Coupler Signal light CW light Converted light PAS Signal light Counter clockwise Clockwise Thời gian C ôn g su ất Thời gian Counter clockwise Clockwise Ph a th ay đ ổi
Chuyển đổi bước sóng bởi điều biến sai pha
CW light Input signal
3-dB Coupler 3-dB Coupler Input signal Converted signal SOA
SOA
Trong đó g là hệ số độ khuyếch đại, L là chiều dài SOA và Γ là thông số giới hạn cho tầng tích cực. Sự khác biệt độ khuyếch đại phụ thuộc vào phân cực ∆G (dB) có thể được biểu diễn bởi:
∆G = GTE –GTM≈ gTE ΓTE - gTM ΓTM
Trong đó GTE và GTM là các độ khuyếch đại, gTE và gTM là các hệ số độ khuyếch đại và ΓTE và ΓTM là các thông số giam hãm quang cho tín hiệu phân cực TE và TM một cách tương ứng. Khi vùng xen của một tầng tích cực là hình chữ nhật như đã đề cập ở trên thì thông số giam hãm quang có sự phụ thuộc phân cực, và ΓTE lớn hơn ΓTM. Để chế tạo một SOA không nhạy cảm với phân cực (∆G=0) thì thông số độ khuyếch đại g nên phụ thuộc vào phân cực và bù cho sự phụ thuộc phân cực của thông số giam hãm quang
Γ. Sự phụ thuộc phân cực của thông số độ khuyếch đại g có thể được điều khiển bằng cách đưa strain vào tầng tích cực. Khi hằng số lưới của tầng tích cực là nhỏ hơn giá trị đó của tầng con thì tầng tích cực được căng trong kiến trúc song song so với bề mặt tầng con. Điều này tạo ra tính dị hướng trong thông số độ khuyếch đại g và kết quả là thông số độ khuyếch đại cho mode TM gTM sẽ tăng. Do đó điều kiện gTEΓTE = gTMΓTM sẽ có thể đạt được. Hình 2.3 chỉ ra sự khác biệt về độ khuyếch đại cho các ánh sáng phân cực TE và TM theo hàm của strain khi ΓTE/ΓTM = ½.
Hình 3.3 Độ khuyếch đại khác nhau đối với các ánh sáng phân cực TE và TM như một hàm của strain khi ΓTE/ΓTM =1.2
Hình trên chỉ ra trường hợp khi độ khuyếch đại chip là 10 dB/300 µm. Độ dốc là 1,8 dB/0,1% thay đổi trong strain. Chúng ta cũng có thể có một SOA không nhạy cảm theo phân cực bằng cách sử dụng một strain khoảng 0,1%. Quá trình chế tạo được mô tả ngắn gọn như sau:
Đầu tiên tầng tích cực của SOA, bao gồm một tầng InGaAsP căng 0,1% dầy 0,2µm (λg=1,53 µm) với một tầng (SCH) cấu trúc lục giác giam hãm dành riêng ở trên dầy 0,1µm (λg = 1,2 µm) được phát triển trên một cấu trúc con InP. Sau đó lõi InGaAsP
dầy 0,5-µm (λg= 1.05 µm) và một tầng vỏ InP dầy 1,0-µm được kết nối lại. Tiếp đó viền SOA được khắc axit khô và được cấy bởi một tầng khối p-n và một tầng vỏ InP giầu p. Tầng này sẽ được phát triển trên vùng thụ động, được loại bỏ để giảm suy hao truyền dẫn của ống dẫn sóng thụ động. Cuối cùng các ống dẫn sóng thụ động high-mesa tạo nên giao thoa Sagnac và Mach-Zehnder được tạo ra bằng cách Br2-N2 tái tích cực tia axit. Suy hoa truyền dẫn của ống dẫn sóng thụ động high-mesa là khoảng 5dB/cm. Suy hao kết hợp giữa SOA và vùng thụ động là khoảng 1dB bao gồm suy hao kết hợp từ tích cực sang thụ động và suy hao kết hợp từ high-mesa sang vùng chôn. Hình 3.4 chỉ ra một hình ảnh của SEM của thiết bị được chế tạo. Hình 3.4a vẽ vùng pha tạp của ống dẫn sóng thụ động high-mesa. Chúng ta có thể nhìn thấy một giới hạn gần như thẳng đứng và rất mỏng trong hình. Suy hao truyền dẫn của ống dẫn sóng này là khoảng 5dB/cm. Sự tăng trong suy hao do quá trình tích hợp nguyên khối là khoảng 3dB/cm. Hình 3.4b chỉ ra vùng pha tạp của SOA chôn. Nó chỉ ra rằng tầng khối p-n được đặt ở một vị trí lý tưởng. Điều này là bởi vì quá trình chế tạo SOA này là giống với quá trình của SOA truyền thống, do đó các đặc tính của SOA này giống với các đặc tính của SOA truyền thống và không bị giảm chất lượng do quá trình tích hợp các ống dẫn sóng thụ động. Hình 3.4c chỉ ra giao diện giữa ống dẫn sóng thụ động high-mesa và SOA. Các ống dẫn sóng với các cấu trúc hoàn toàn khác nhau đã được liên kết một cách hoàn hảo. Suy hao kết hợp giữa SOA và vùng thụ động là khoảng 1dB, bao gồm suy hao tích cực sang thụ động và suy hao ghép high-mesa sang chôn.
Hình 3.4. Ảnh SEM của thiết bị chế tạo