Chương 2 Hệ thống chuyển mạch chựm quang
2.5. Cỏc cổng On/Off khuếch đại quang bỏn dẫn SOA
2.5.3. Sự phỏt triển của cụng nghệ SOA
a. Cỏc bộ SOA truyền thống
Bộ SOA truyền thống hoạt động trờn nguyờn lý laser bỏn dẫn nhưng khụng sử dụng cỏc gương phản xạ. Cỏc gương phản xạ được loại bỏ bằng cỏch phủ lờn một lớp chống phản xạ AR (Anti-Reflection) để đảm bảo khụng xảy ra phản xạ trong khoang cộng hưởng Fabry-Perot. Để khuếch đại tớn hiệu, mụi trường khuếch đại phải được đảo lộn mật độ, nghĩa là tốc độ bức xạ kớch thớch phải lớn hơn tốc độ hấp thụ kớch thớch. Trạng thỏi này đạt được bằng cỏch đưa vào một dũng điện phõn cực. Tớn hiệu được khuếch đại do cỏc bức xạ kớch thớch khi nú đi qua vựng dẫn kớch hoạt (đảo lộn mật độ). Quỏ trỡnh khuếch đại cũng sẽ sinh ra nhiễu do cỏc bức xạ tự kớch, do cỏc photon cú pha và hướng bất kỳ phỏt ra. Như đó đề cập trong phần trờn, cỏc cổng SOA yờu cầu cú phổ khuếch đại phẳng và dải thụng khuếch đại rộng. Cụ thể yờu cầu sử dụng bộ khuếch đại với độ gợn thấp (< dB) và băng thụng rộng (lờn tới 3 THz). Yờu cầu này cú thể được đỏp ứng nhờ thực thi cỏc kết cấu vật liệu phự hợp, cỏc cấu trỳc khối B-SOA (Bulk SOA), giếng lượng tử MQW-SOA (Multi Quantum Well SOA) và cỏc điểm lượng tử QD-SOA (Quantum Dots SOA).
Cỏc bộ khuếch đại bỏn dẫn cấu trỳc khối B-SOA. Cỏc bộ khuếch đại bỏn dẫn thành phẩm ngày nay khụng chỉ hoạt động ở cửa sổ bước súng 1550 và 1300 nm mà cũn đỏp ứng cho cỏc ứng dụng WDM băng rộng. Với khuếch đại cú thể lờn tới 20 dB, nhiễu <7dB và sự phụ thuộc phõn cực cú thể đạt
được nhỏ hơn 1dB. Cụng suất lối ra bóo hoà lớn nhất lờn tới 11dBm tương ứng dũng phõn cực 250 mA.
Núi chung cỏc B-SOA cũng cú thể cho mức cụng suất bào hoà lối ra cao hơn, lờn tới 17.6 dBm (tại bước súng 1565 nm) với dũng hoạt động 500 mA. Cỏc SOA này là cỏc bộ khuếch đại quang súng chạy TW (Travelling Wave), thực thi trờn vật liệu là InP độ dài tinh thể 1.5 mm. Thiết bị này được thiết kế dựa trờn cấu trỳc chuẩn khỏc, miền kớch hoạt cú độ dày 48 mm và rộng khoảng 3 μm. Gúc tạo bởi phần dẫn súng với trục tinh thể là khoảng 10 độ cho phộp suy giảm do kết nối với sợi quang và phản xạ bề mặt thấp, nờn sẽ bớt được cỏc thành phần tớn hiệu nhiễu. Ở nhiệt độ 20o
C, bộ SOA cú hệ số khuếch đại lờn tới 17 dB, nhiễu thấp (nhỏ hơn 6 dB) và sai khỏc phõn cực là dưới 1dB. Suy hao mỗi ghộp nối là 1 dB cho mỗi ghộp nối [5].
Cỏc bộ khuếch đại quang bỏn dẫn cấu trỳc giếng lượng tử MQW-SOA. Cỏc bộ MQW-SOA được đề xuất về mặt lý thuyết để đạt được hệ số khuếch đại và cụng suất bóo hoà lối ra cao. Tuy nhiờn, nhược điểm chớnh của cỏc bộ này là cú độ nhạy phõn cực cao. Gần đõy, cỏc MQW-SOA cú độ nhạy phõn cực gần như được loại bỏ được thực thi bằng cỏch cõn bằng hệ số khuếch đại đối với cỏc mode truyền TE và TM. Việc giới hạn sự khỏc nhau hệ số khuếch đại giữa hai mode truyền TE/TM được thực hiện nhờ cỏc cụng nghệ chế tạo và tổng hợp vật liệu chế tạo, nhưng khi đú cụng suất bóo hoà lối ra sẽ giảm. Một vớ dụ đối với trường hợp bộ MQW-SOA sử dụng 16 giếng lượng tử InGaAsP/InGaAs sẽ cho hệ số khuếch đại cao (~27dB) và cụng suất bóo hoà lớn (~17 dB) tương ứng dũng phõn cực 240 mA và độ dài khoang cộng hưởng 700 μm. Độ nhạy phõn cực nhỏ hơn 1dB trờn băng thụng 85 nm. Bộ khuếch đại quang bỏn dẫn với cấu trỳc cỏc điểm lượng tử QD-SOA. Cấu trỳc này được thực thi nhằm mục tiờu tăng cụng suất lối ra bằng cỏch bố trớ vào miền vật liệu tớch cực cỏc điểm lượng tử. Cỏc điểm lượng tử được thờm vào này cú thể giảm hệ số giam giữ trong miền tớch cực cũng như giảm sự sai khỏc về hệ số khuếch đại, do trạng thỏi mức mật độ là hoàn toàn rời rạc, kết quả là cụng suất bóo hoà sẽ cao. Mức cụng suất lối ra hữu ớch cao nhất hiện nay đạt được là 23 dBm. Hơn nữa, cỏc điểm lượng tử cũng cú thể làm tăng băng thụng của cỏc SOA và cụng suất bóo hoà. Thiết bị QD-SOA khả quan nhất hiện nay là cỏc bộ QD-SOA do Fujitsu sản xuất. Cỏc bộ này
cho khuếch đại lớn (>20 dB), cụng suất bóo hoà lối ra lớn (>19dBm) và dải thụng rộng nhất là 120 nm. Tuy nhiờn, nhược điểm của cỏc thiết bị này là yờu cầu dũng hoạt động lớn và thiết bị phụ thuộc vào phõn cực của tớn hiệu dữ liệu quang.
b. Cỏc bộ khuếch đại bỏn dẫn GC-SOA
Cỏc bộ GC-SOA cú thể làm tăng cụng suất phỏt lối ra và trỏnh được hiện tượng bóo hoà khuếch đại. Về cơ bản cỏc bộ GC-SOA được xõy dựng trờn cỏc bộ SOA truyền thống với hệ số khuếch đại được khống chế bởi một laser nội. Bộ GC-SOA cho phộp cụng suất bóo hoà lối vào cao hơn. Nguyờn lý hoạt động của cổng GC-SOA là sử dụng thờm một cơ chế bức xạ ỏnh sỏng trong bộ SOA để điều chỉnh sự khuếch đại của SOA, thực tế để ổn định hệ số khuếch đại thỡ phải duy trỡ mật độ hạt tại cỏc mức lượng tử là hằng số. Với cỏc bộ GC-SOA, tớn hiệu được ghộp nối sẽ được khuếch đại với một hệ số là hằng số nhất định và cụng suất lối ra chỉ tăng khi cụng suất chựm sỏng lối vào tăng. Như vậy, cỏc bộ GC-SOA cú hệ số khuếch đại ổn định nhưng mức cụng suất phỏt thấp hơn so với cỏc SOA truyền thống. Hơn nữa, việc sử dụng laser để khống chế, lại là cụng việc rất khú khăn phức tạp. Hiện nay, cú hai dũng GC-SOA thương phẩm điều chỉnh hệ số khuếch hóng Avanex (Alcatel Optronics) và bộ khuếch đại quang tuyến tớnh (LOA) của hóng Genoa [6]. Trong đú nguồn laser nội trong hai loại SOA này được tạo ra theo hai phương thức dưới đõy:
Hệ Avanex GC-SOA: ổn định khuếch đại sử dụng hệ phản xạ Bragg phõn tỏn. Một cỏch để ổn định hệ số khuếch đại đú là thờm vào miền kớch hoạt của cổng SOA một hệ phản xạ Bragg phõn tỏn trong khi vẫn giữ nguyờn lớp chống phản xạ trờn bề mặt của buồng cộng hưởng. Ánh sỏng phỏt ra từ hệ phản xạ Bragg cú bước súng tương ứng với hệ Bragg sử dụng. Chớnh vỡ vậy, cỏc hệ Bragg được thiết kế sao cho bước súng này nằm ngoài băng thụng khuếch đại của SOA.
Để đơn giản ta cú thể gọi cỏc GC-SOA của Avanex với tờn gọi tương ứng là DBR-SOA. Sơ đồ cổng DBR-SOA sử dụng trong cỏc thớ nghiệm đuợc chỉ ra trong hỡnh 2.31 dưới đõy. Hỡnh vẽ chỉ ra một laser DBR cú độ dài miền thụ động Bragg là 200 μm và miền hoạt động 600 μm. Năng lượng mất mỏt thấp khi ghộp nối thiết với sợi quang đạt được nhờ thiết kế sử dụng dải dẫn súng tại phần cuối của SOA (hỡnh 2.31 b). Cấu trỳc này
bao gồm phần dẫn súng thụ động, miền phản xạ Bragg, miền kớch hoạt và cỏc điện cực.
Hỡnh 2.31 (a) Sơ đồ cổng DBR-SOA với độ dài 1000 μm;
(b) Cấu trỳc của bộ DBR-SOA được sản xuất bởi nhà sản xuất Avanex. Nguồn phỏt laser nội trong cỏc bộ DBR-SOA cú bước súng phỏt ra là 1508 nm. Cú thể khuếch đại lờn tới 17 dB khi cụng suất lối vào là -25 dBm và dũng phõn cực 200 mA. Khi cụng suất vào ở mức trung bỡnh, laser nội sẽ khống chế sự khuếch đại để đảm bảo hệ số khuếch đại ổn định và cụng suất bóo hoà lối ra cao hơn. Khi cụng suất lối vào tăng, sẽ gõy ra hiện tượng khuếch đại đối với laser nội giảm tới mức khụng cũn phỏt nữa, và cỏc đặc trưng khuếch đại trở lờn tương tự với cỏc SOA truyền thống. Nhược điểm của laser nội là nú gõy ra nhiễu nền của DBR-SOA cao khi giảm đảo lộn mật độ và khi đặt thờm bộ cỏch tử Bragg tại lối vào.
Hệ Finisar GC-SOA: ổn định khuếch đại sử dụng một laser theo phương thẳng đứng. Bộ khuếch đại quang tuyến tớnh LOA được sản xuất bởi Finisar là một bộ khuếch đại chế tạo trờn vật liệu InP. Sơ đồ trờn hỡnh 2.32 chỉ ra laser phỏt xạ bề mặt cú khoang cộng hưởng theo phương thẳng đứng VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) được xõy dựng trờn một chip khuếch đại và trong cựng miền hoạt động với chip khuếch đại đú. Bộ VCSEL bao gồm cỏc gương cú khả năng phản xạ cao được đặt phớa trờn và dưới của miền hoạt động [6].
Hỡnh 2.32 Sơ đồ một cổng GC-SOA sử dụng laser theo phương thẳng đứng để ổn đinh hệ số khuếch đại.
VCSEL hoạt động dọc theo toàn bộ chiều dài của cỏc bộ khuếch đại và ỏnh sỏng của nú phỏt ra cú phương vuụng gúc với phương của ỏnh sỏng được khuếch đại. Dũng ngưỡng của VCSEL xấp xỉ 100 mA, dũng hoạt động của của LOA là từ 200 mA đến 300 mA. Băng tần hoạt động của bộ khuếch đại là băng C, khuếch đại đại cú thể lờn tới 17 dB và cụng suất bóo hoà lối ra lớn hơn 13 dBm.
c. Sự khỏc nhau giữa cỏc bộ SOA và GC-SOA
Bảng dưới đõy sẽ cho ta cỏi nhỡn tổng quan về sự khỏc nhau giữa cỏc loại SOA. Trong tất cả cỏc loại SOA, cỏc bộ SOA sử dụng cỏc điểm lượng tử cho ta cụng suất bóo hoà lối ra Psat lớn nhất và nhiễu hỡnh NF nhỏ nhất. Tuy nhiờn, cỏc bộ này lại cú độ nhạy phõn cực cao và để đạt được hệ số khuếch đại lớn yờu cầu dũng phõn cực lớn. trong khi đú cỏc SOA với cấu trỳc khối (B-SOA) cú thể khắc phục được những yếu điểm này mà vẫn cho cụng suất bóo hoà Psat lối ra cao.
So với cỏc SOA thương phẩm ngày nay, cỏc DBR-SOA của Avanex và cỏc LOA của Finisar là cỏc bộ khuếch đại thực hiện chức năng cổng SOA phự hợp nhất. Chỳng cú thể đỏp ứng được tất cả cỏc yờu cầu của một ứng dụng cổng như đó trỡnh bày trong cỏc phần trước [5].
Hệ số khuếch đại [dB] Nhiễu hỡnh NF [dB] Cụng suất bóo hoà Psat [dBm] Dũng phõn cực [A] Băng tần [nm] Khuếch đại phụ thuộc phõn cực PDG [dB] B-SOA > 10 > 15 > 10 < 8 < 6 < 7 > 8 > 17.6 >11 0.2–0.25 0.5 0.2 C, S, L C < 1 < 1 MQW-SOA > 26 > 26 < 9 17 > 7.5 0.24 0.15–25 85 (1500 - 1585) Băng C < 1 QD-SOA > 20 < 7 > 19 1-2.5 120 (băng E, S) -
> 10 < 9 > 19 1-2.0 băng C - GC-SOA > 9 > 12 < 12 < 8.2 > 10 13 0.15-0.2 0.2-0.25 Băng C < 1.8 Bảng 3 Một số thụng số cơ bản của cỏc bộ khuếch đại quang bỏn dẫn.
d. Cỏc mảng SOA
Để xõy dựng cỏc hệ chuyển mạch quang với dung lượng lớn sử dụng cỏc cổng SOA, cần phải sử dụng mảng cỏc cổng SOA tớch hợp mật độ cao trờn một đơn khối. Khi đú số thành phần rời rạc và số khối xõy dựng lờn ma trận chuyển mạch sẽ giảm. Trong thời gian gần đõy, đó xuất hiện dạng thương phẩm cỏc chuyển mạch quang kớch thước 4 x 4 sử dụng cỏc cổng SOA truyền thống tớch hợp với cỏc phần dẫn súng trờn cựng một đế InP. Cỏc bộ chuyển mạch quang này hoạt động với cỏc thụng số như tốc độ lờn tới 10 Gb/s, trong dải bước súng 1530 30 nm, dũng cung cấp 100 mA, suy hao do phõn cực <2.5 dB, và xuyờn õm khoảng -40 dB. Tốc độ chuyển mạch chỉ trong dải ns. Chuyển mạch là khụng nghẽn tuyệt đối, cú khả năng chuyển mạch quảng bỏ, chuyển mạch đồng thời một hoặc nhiều bước súng [6].