Để khảo sỏt cỏc ứng dụng chức năng của SOA chỳng tụi sử dụng sơ đồ thớ nghiệm như hỡnh vẽ 2.10 và 2.11. Cỏc thiết bị chớnh sử dụng trong thớ nghiệm bao gồm: VOA Bộ kiểm soỏt phõn cực SOA Mỏy phõn tớch phổ (OSA) Nguồn tớn hiệu (DFB) Nguồn dũng và nguồn nuụi PIN Peltier Nguồn dũng và nguồn
nuụi PIN Peltier
Hỡnh 2.9 Sơ đồ hệ khảo sỏt cấu trỳc phổ khuếch đại
45
+ Nguồn phỏt xung Melles Griot 06LD201 cú thể cung cấp cỏc xung vuụng với độ rộng xung đến 240 ns, đồng thời cú thể ổn định nhiệt độ cho linh kiện
+ Nguồn phỏt xung nhanh Hawlett Packard model 215 cú thể cho cỏc xung cực nhanh tới ns và cú thể thay đổi tần số.
+ Mỏy dao động ký số 400 MHz Lecroy ghộp nối với mỏy tớnh qua chuẩn RS232
Hỡnh 2.10 mụ tả sơ đồ hiệu ứng chuyển mạch thụng qua dũng bơm cho SOA. Hiệu ứng chuyển mạch bằng dũng điện sử dụng tớn hiệu quang lối vào module SOA lấy từ module laser DFB 1550 nm cỳ bước sỳng 1 = 1544 nm hoặc 2 = 1536 nm. SOA được cấp dũng xung trờn mỏy Melles Griot [13].
Hỡnh 2.11 mụ tả sơ đồ hệ thớ nghiệm nghiờn cứu hiệu ứng phi tuyến (chuyển mạch hoàn toàn quang và hiệu ứng trộn bốn bước súng (FWM) của SOA. Để xảy ra hiện tượng này chỳng tụi phải sử dụng một nguồn tớn hiệu và một nguồn bơm lấy từ hai laser DFB 1550 nm cỳ bước sỳng 1 = 1544 nm và 2 = 1536 nm. Do nguồn bơm phải là nguồn đủ mạnh nờn việc ổn định nhiệt độ cho module DFB dựng làm nguồn bơm phải được đặc biệt chỳ ý. Ở trong thớ nghiệm này, để cú thể đưa cả hai trường quang học đồng thời vào SOA chỳng tụi sử dụng một bộ chia quang 1x2 (coupler). Bộ chia quang này cú hai lối vào và một lối ra tất cả đều cú connector với
Dao động ký số Lecroy VOA Bộ kiểm soỏt phõn cực SOA Nguồn tớn hiệu (DFB) Nguồn phỏt xung Melles Griot Mỏy phỏt xung nhanh
Hawlett Packard
Hỡnh 2.10. Sơ đồ hệ khảo sỏt SOA như một bộ chuyển mạch bằng dũng điện PD PC Chuẩn RS232 VOA SOA Nguồn tớn hiệu (DFB) PD Bộ chia
quang Dao động ký hoặc
46
chuẩn FC. Vỡ thế việc ghộp nối đưa hai trường quang đồng thời vào miền tớch cực được chỳng tụi thực hiện khỏ dễ dàng [1] [2].
Hỡnh 2.12. Hỡnh ảnh tổng thể hệ đo đặc trưng cụng suất và khảo sỏt cỏc ứng dụng chức năng của SOA
47
Chương III
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 Cỏc kết quả nghiờn cứu về sự bức xạ tự phỏt khuếch đại (ASE)
Trong mục này chỳng tụi sẽ trỡnh bày cỏc kết quả khảo sỏt về đặc trưng cụng suất bức xạ tự phỏt đối với cỏc chip khuếch đại cú miền tớch cực nghiờng gúc brewster 70 cú phủ màng chống phản xạ kộp TiO2/SiO2 tại một mặt và cả hai mặt để thấy được ảnh hưởng của màng chống phản xạ. Sau đú chỳng tụi sẽ trỡnh bày cỏc khảo sỏt về cụng suất bức xạ tự phỏt của module SOA để từ đú cú thể đỏnh giỏ được hiệu suất ghộp nối sợi quang với hai mặt miền tớch cực,...
3.1.1 Đặc trưng cụng suất của chip SOA một mặt phủ màng chống phản xạ
Để nghiờn cứu ảnh hưởng của màng chống phản xạ TiO2/SiO2 trờn bề mặt miền tớch cực của chip khuếch đại quang bỏn dẫn, chỳng tụi tiến hành khảo sỏt đặc trưng cụng suất P(I) (là sự phụ thuộc của cụng suất bức xạ vào dũng bơm) tại hai mặt của chip khuếch đại cú phủ màng tại một mặt.
(a) (b)
Hỡnh 3.1. Đặc trưng cụng suất tại hai mặt của chip SOA nghiờng gúc 70 cú phủ
màng chống phản xạ tại một mặt: (a) Mặt cú màng chống phản xạ, (b) Mặt khụng cú màng chống phản xạ
48
Để cú thể khảo sỏt đặc trưng cụng suất của chip khuếch đại này chỳng tụi sử dụng một loại đế đặc biệt chuyờn sử dụng cho cụng việc đo chip. Với loại đế này chỳng tụi cú thể dễ dàng gỏ chip khuếch đại và tạo điện cực cho nú [17]. Ngoài ra chỳng tụi cũng cú thể thay đổi mặt phỏt của chip hoặc thay đổi cỏc chip khỏc nhau. Tại mặt phỏt hướng ra ngoài của chớp chỳng tụi sử dụng loại photodiode Ge mặt to để cú thu toàn bộ cụng suất bức xạ của chip. Việc đo sự phụ thuộc cụng suất bức xạ vào dũng bơm được thực hiện trờn hệ đo Melles Griot như mụ tả trong chương II. Hỡnh 3.1 mụ tả sự phụ thuộc của cụng suất bức xạ tại hai mặt của chip khuếch đại cú phủ màng chống phản xạ một mặt. Đường (a) ứng với sự phụ thuộc cụng suất bức xạ vào dũng kớch tại mặt cú phủ màng chống phản xạ. Đường (b) ứng với sự phụ thuộc của cụng suất bức xạ vào dũng kớch tại mặt khụng phủ màng chống phản xạ. Đõy là cụng suất bức xạ tự phỏt khuếch đại (ASE) của chip khuếch đại. Ta cú thể thấy ngay sự khỏc biệt giữa hai đường đặc trưng này. Rừ ràng, tại mặt cú màng chống phản xạ thỡ hệ số truyền qua là lớn hơn do đú cụng suất bức xạ sẽ lớn hơn. Xột tại cựng một dũng kớch I=60 mA, cụng suất bức xạ tại mặt cú phủ màng chống phản xạ thu được là P1 = 1,7 mW, cũn tại mặt cú phủ màng là P2 = 1,0 mW. Ta thấy rằng tỉ lệ giữa P1/P2=68%. Như vậy ảnh hưởng của màng chống phản xạ TiO2/SiO2 đó cú tỏc dụng rất tốt. Dưới t ỏc dụng của màng chống phản xạ nờn sự truyền qua tại mặt cú màng đó lớn hơn tại mặt khụng cú màng.
Nhỡn trờn hỡnh 3.1 chỳng ta cũng cú thể thấy rằng, hai đường đặc trưng cụng suất này khụng xỏc định được ngưỡng phỏt laser. Hai đường cong này tương tự như ở trong vựng phổ huỳnh quang và siờu huỳnh quang của laser diode. Điều này chứng tỏ, với tỏc dụng của mặt nghiờng Brewster 70, sự phản hồi tại hai mặt của miền tớch cực đó giảm đỏng kể. Như đó núi ở trong chương I, ở gúc nghiờng Brewster, hệ số phản xạ đó giảm từ 3x10-1
xuống cũn xấp xỉ 10-2. Đõy là điều rất cần thiết cho khuếch đại quang súng chạy.
Ta cũng thấy rằng cụng suất bức xạ tự phỏt của chip SOA dựng trong thớ nghiệm khỏ lớn. Tại dũng kớch I=80mA chỳng tụi cú thể thu được cụng suất bức xạ tương ứng ở mặt cú phủ màng chống phản xạ và khụng phủ màng chống phản xạ
49
Hỡnh 3.2. Đặc trưng cụng suất bức xạ tự phỏt khuếch đại tại hai mặt của miền tớch cực chip khuếch đại SOA ký hiệu N02 cú miền tớch cực nghiờng gúc 70 và phủ màng chống phản xạ kộp TiO2/SiO2 tại hai mặt buồng cộng hưởng
tương ứng là 2,5 mW và 1,8 mW. Với cụng suất bức xạ tự phỏt lớn như thế cú thể đảm bảo cho hệ số khuếch đại nội của chip SOA là khỏ lớn. Điều này đạt được là do chip khuếch đại dựng trong thớ nghiệm cú chiều dài miền tớch cực khỏ lớn (1 mm) và cú cấu trỳc giếng lượng tử trờn cơ sở hệ vật liệu InGaAsP/InP.
3.1.2 Đặc trưng cụng suất của chip SOA miền tớch cực nghiờng gúc 70
cú phủ màng chống phản xạ ở hai mặt miền tớch cực
Sau khi khảo sỏt chip khuếch đại với một mặt được phủ màng chống phản xạ chỳng tụi tiếp tục khảo sỏt với cỏc chip cú cả hai mặt được phủ màng chống phản xạ. Chỳng tụi tiến hành việc khảo sỏt này với nhiều chip SOA cựng loại khỏc nhau để chọn được chip tối ưu nhất dựng cho việc chế tạo module khuếch đại. Chip cú thể ứng dụng để chế tạo khuếch đại quang tốt nhất là cỏc chip cú đường đặc trưng cụng suất tại hai mặt miền tớch cực gần như trựng khớt nhau. Lý do chỳng tụi chọn như thế là do những chớp SOA cú đặc trưng cụng suất tại hai mặt gần trựng khớt nhau cú nghĩa là cú sự đối xứng tại hai mặt. Chỳng phải cú cựng một gúc nghiờng Brewster. Hơn nữa, những chớp như thế phải cú mặt gương ở hai phớa buồng miền tớch cực hoàn hảo trước khi phủ màng chống phản xạ và hệ màng chống phản xạ tại hai mặt là tương đối đồng nhất về chất lượng, cụ thể là về độ tinh khiết của màng, độ dày cỏc lớp màng,...
50
Trong quỏ trỡnh khảo sỏt chỳng tụi đó chọn được chip mang ký hiệu N02 tương đối thoả món yờu cầu đặt ra. Đường đặc trưng cụng suất tại hai mặt của chip SOA này được thể hiện trờn hỡnh vẽ 3.2. Nhỡn trờn hỡnh vẽ ta cú thể thấy rằng đương đặc trưng cụng suất tại hai mặt của chip là khỏ đồng nhất. Ta cũng thấy ngay rằng, do khụng xỏc định được ngưỡng phỏt laser ở cả hai đường đặc trưng nờn cú thể kết luận khụng cú sự phản hồi tại hai mặt miền tớch cực của chip. Điều này là hoàn toàn phự hợp cho việc chế tạo khuếch đại quang bỏn dẫn súng chạy. Tại cựng một dũng bơm I=80 mA cụng suất bức xạ tự phỏt tại hai mặt lần lượt là P1=2,1 mW và P2=1,7 mW. Cụng suất bức bức xạ tự phỏt khuếch đại này khỏ lớn nờn rất thuận tiện cho việc ghộp nối sợi quang với chip khuếch đại. Điều này cũng đảm bảo hệ số khuếch đại nội của miền tớch cực là lớn.
3.1.3 Đặc trưng cụng suất bức xạ phụ thuộc vào dũng bơm của module SOA
Việc khảo sỏt đặc trưng cụng suất của module khuếch đại là cụng việc đầu tiờn khi chỳng tụi tiến hành nghiờn cứu cỏc đặc trưng cơ bản của một bộ khuếch đại quang bỏn dẫn. Đường đặc trưng tại hai đầu ra của chớp khuếch đại được thể hiện trờn hỡnh vẽ 3.3. Rừ ràng ta thấy rằng đường đặc trưng này là đồng dạng với đường đặc trưng của chip khi chưa ghộp nối. Như vậy, việc hàn gắn, ghộp nối (fiber-to- fiber) để chế tạo module SOA khụng ảnh hưởng tới đặc tớnh của chip khuếch đại về mặt cụng suất bức xạ tự phỏt được khuếch đại. Tuy nhiờn, tại cựng một dũng bơm cụng suất bức xạ ASE của module khuếch đại thấp hơn của chip khuếch đại do hiệu suất ghộp nối đưa bức xạ vào sợi quang là nhỏ hơn 1.
Trong khi thực hiện thớ nghiệm, nhiệt độ của chip được chỳng tụi ổn định tại T=250C. Nhỡn trờn đồ thị cú thể thấy rằng đặc trưng cụng suất tại hai đầu ra là khỏ trựng nhau. Cú thể kết luận rằng việc ghộp nối với sợi quang cho hiệu suất gần như bằng nhau ở cả hai mặt của chip. Chỳng ta hoàn toàn cú thể sự dụng SOA với đầu 1 cho tớn hiệu lối vào và đấu 2 cho tớn hiệu lối ra hoặc ngược lại mà khụng ảnh hưởng tới cỏcđặc tớnh khuếch đại. Xỏc định trờn đồ thị tại cựng một dũng kớch I=80 mA ta
51
thu được cụng suất bức xạ tại mặt 1 là P1=1,35 mW và tại mặt 2 là P2=1,2 mW và hoàn toàn khụng thấy hiện tượng bóo hoà cụng suất.
3.1.4 Đặc trưng phổ bức xạ tự phỏt khuếch đại
Việc đo đạc, khảo sỏt và nghiờn cứu cấu trỳc phổ bức xạ tự phỏt khuếch đại (ASE) rất cần thiết trong quỏ trỡnh chế tạo khuếch đại quang bỏn dẫn súng chạy. Từ cấu trỳc phổ ta cú thể xỏc định được độ rộng phổ khuếch đại, tỡm được laser cú bước súng phự hợp để bơm cho khuếch đại. Chỳng tụi tiến hành việc nghiờn cứu cấu trỳc phổ ASE trờn hệ mỏy phõn tớch phổ Aligent theo sơ đồ đó được đề cập đến trong chương II.
Hỡnh 3.4 mụ tả cấu trỳc phổ của module SOA tại cỏc dũng bơm dc khỏc nhau. Đường 1 trờn hỡnh vẽ tương ứng với dũng bơm Iop=50mA, đường thứ 2 tương ứng với dũng bơm Iop=60 mA và đường thứ 3 tương ứng với dũng bơm Iop=70mA.
1 2
Hỡnh 3.3. Đặc trưng cụng suất ASE phụ thuộc vào dũng bơm của module khuếch đại tại hai đầu ra ở 250C.
1. Đặc trưng cụng suất tại mặt 1 2. Đặc trưng cụng suất tại mặt 2
52
Xột đối với dũng kớch 50 mA (đường 1) ta cú thể thấy rằng đường cong của phổ là một đường khỏ trơn. Khụng thấy xuất hiện cỏc peak laser do đú cú thể kết luận rằng hoàn toàn khụng cú ảnh hưởng do sự phản xạ tại hai mặt miền tớch cực. Độ rộng phổ kộo dài từ 1500 nm đến 1600 nm. Ta cú thể tớnh độ rộng phổ ASE tương ứng với dải khuếch đại của SOA bằng cỏch đo độ rộng của phổ tại vị trớ cỏch đỉnh của contour phổ 3 dB. Với cỏch tớnh như thế, ta thu được độ rộng của dải khuếch đại tại dũng bơm 50 mA là =40 nm. Đối với cỏc tớn hiệu cú bước súng nằm trong dải khuếch đại khi đưa vào SOA sẽ được khuếch đại. Độ rộng này là khỏ lớn đối với một khuếch đại quang. Đỉnh của contour phổ khuếch đại nằm tại bước súng max=1543 nm. Với những tớn hiệu cú bước súng tại đỉnh của contour phổ ASE, SOA sẽ cho hệ số khuếch đại cao nhất. Cường độ tại đỉnh của đường đặc trưng phổ là -42 dBm. Ripple (sự nhấp nhụ) tại đỉnh của ASE cú độ lớn 3 dB. Độ lớn của ripple đặc trưng cho chất lượng khuếch đại của SOA. Nếu ripple càng nhỏ thỡ chất lượng của SOA càng tốt (độ phản xạ tại hai mặt càng nhỏ). Độ lớn 3dBm là cú thể chấp nhận được cho một bộ SOA.
1500 1520 1540 1560 1580 1600 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 1 2 3 C- ờn g độ , dB m B-ớc sóng, nm Hỡnh 3.4. Phổ bức xạ tự phỏt khuếch đại tại cỏc dũng bơm khỏc nhau 1) Iop=50 mA; 2) Iop=60 mA; 3) Iop=70 mA
53
Tại dũng kớch 60 mA (đường 2) thỡ độ rộng dải khuếch đại thu được là 42nm. Bước súng tại đỉnh contour phổ ASE là 1540 nm và cường độ tại đỉnh là -35 dBm. Cũn tại dũng kớch 70 mA chỳng tụi thu được độ rộng dải khuếch đại là 38 dBm, đỉnh phổ ASE tại bước súng 1538 nm . Phổ ASE đó dịch về phớa súng ngắn khi dũng bơm SOA tăng do sự tăng mật độ hạt tải bơm vào SOA làm thay đổi sự phõn bố mật độ trạng thỏi trong miền tớch cực. Hỡnh 3.5 thể hiện độ lớn của ripple tại cỏc dũng bơm 50 mA (3); 60 mA (2); và 70 mA (1). Ripple là kết quả của hệ số phản xạ dư tại cỏc mặt của SOA. Ta tớnh được cỏc ripple lần lượt là 3dB; 3,5dB; 5dB.
1538 1540 1542 -32.0 -31.5 -31.0 -30.5 -30.0 -29.5 -29.0 -28.5 -28.0 C -ờng độ, dBm B-ớc sóng, nm 1536 1538 1540 1542 1544 -32.0 -31.5 -31.0 -30.5 -30.0 -29.5 -29.0 -28.5 -28.0 Y Ax is T itle X Axis Title B 1536 1538 1540 1542 1544 -32.0 -31.5 -31.0 -30.5 -30.0 -29.5 -29.0 -28.5 -28.0 Y Ax is T itle X Axis Title B
Hỡnh 3.5. Ripple tại đỉnh phổ ASE tại cỏc dũng bơm khỏc nhau: 1) dũng 70mA; 2) dũng 60 mA; 3) dũng 50 mA
1
2
3
54
Khảo sỏt đặc trưng phổ bức xạ tự phỏt khuếch đại tại cỏc dũng kớch khỏc nhau chỳng tụi đó thu được những kết quả khả quan trong việc nghiờn cứu, chế tạo
khuếch đại quang bỏn dẫn. Cỏc đường đặc trưng phổ tại cỏc dũng kớch khỏc nhau nhưng đều khụng xuất hiện cỏc peak bức xạ laser. Điều này cho thấy, chip khuếch đại cú miền tớch cực nghiờng và phủ màng chống phản xạ là phự hợp cho việc chế tạo SOA. Độ rộng dải phổ ASE lớn cựng với cường độ của đỉnh contour lớn cho thấy ảnh hưởng của chiều dài miền tớch cực lờn đến 1 mm cú tỏc dụng tốt cho khuếch đại. Trờn cơ sở này chỳng tụi sẽ tiếp tục nghiờn cứu cỏc đặc trưng khuếch đại của SOA được trỡnh bày trong phần sau.
3.2 Cỏc kết quả nghiờn cứu về đặc trưng khuếch đại của module SOA
Trong mục này chỳng tụi sẽ đưa ra những kết quả thực nghiệm về hệ số