Để cú thể sử dụng được trong cỏc hệ thống thụng tin quang, một thiết bị
khuếch đại quang bỏn dẫn súng chạy phải cú dạng Fiber-to-Fiber. Muốn vậy, người ta phải thực hiện việc ghộp sợi quang vào hai mặt tỏch của chip khuếch đại quang bỏn dẫn súng chạy ,sao cho hiệu suất ghộp nối là cao nhất, để tạo thành module khuếch đại.
1. Tạo vi thấu kớnh trờn đầu sợi quang
Hỡnh 2.1. Chip SOA sau khi đó được hàn gắn lờn đế toả nhiệt cú sensor nhiệt độ, PIN Peltier (a) và ảnh chụp một chip SOA trờn đế
Sensor nhiệt Chip SOA Dõy vàng 125 m Đế đồng PIN Peltier
37
Như đó đề cập đến trong chương I, nhằm mục đớch tăng hiệu suất ghộp nối bức xạ phỏt ra từ chip SOA với sợi quang, người ta thường tạo cỏc vi thấu kớnh (dạng bỏn cầu) cú bỏn kớnh khỏc nhau trờn đầu sợi quang trước khi ghộp nối. Nếu khi ghộp nối với chip SOA đầu sợi quang chỉ được cắt bằng thỡ hiệu suất đưa bức xạ laser vào sợi thường chỉ đạt từ 10 - 15%. Sở dĩ hiệu suất thấp là do gúc phõn bố trường xa của chip laser diode khỏ lớn (theo phương song song với chuyển tiếp p-n thường là 20o; cũn theo phương vuụng gúc với chuyển tiếp p-n thường là 30o), trong khi đú thỡ gúc mở của sợi quang đơn mode thường chỉ vào khoảng 12o
. Việc tạo vi thấu kớnh trờn đầu sợi quang sẽ làm tăng gúc mở của sợi và nhờ đú nõng cao hiệu suất ghộp nối. Thực nghiệm đó chứng minh rằng với thấu kớnh cú bỏn kớnh thay đổi từ R = 40 m đến R = 2 m thỡ hiệu suất ghộp nối cú thể nõng từ 30% lờn 70%. Để chế tạo được vi thấu kớnh trờn đầu sợi quang cần phải sử dụng một nguồn nhiệt cú nhiệt độ khụng dưới 1800oC (nhiệt độ núng chảy của thuỷ tinh silica). Nguồn nhiệt được sử dụng ở đõy là nguồn phúng hồ quang điện. Vỡ thiết diện mụi trường khuếch đại của chip khuếch đại quang bỏn dẫn là rất nhỏ (cỡ 3x0.3 m) trong khi đường kớnh của lừi sợi quang là 7 9 m nờn để hiệu suất bơm ỏnh sỏng vào mụi trường khuếch đại cũng như cụng suất quang thu được sau khi khuếch đại là lớn nhất, chỳng tụi sử dụng hai sợi quang đơn mode, chỳng cựng được tạo vi thấu kớnh ở một đầu, cũn đầu kia được gắn connector chuẩn FC để cú thể dễ dàng ghộp nối với cỏc thiết bị quang học khỏc. Vi thấu kớnh được tạo bằng phương phỏp phúng hồ quang cao ỏp. Nhờ đú, chỳng tụi đó tạo được sợi quang cú vi thấu kớnh với cỏc bỏn kớnh khỏc nhau (R 10 m đến 30 m) để ghộp vào hai đầu của khuếch đại. Trong quỏ trỡnh thực nghiệm chỳng tụi thấy rằng, bỏn kớnh tối ưu của vi thấu kớnh là khoảng 15 m. Nếu bỏn kớnh nhỏ hơn sẽ cho hiệu suất ghộp nối cao nhưng độ ổn định khi định vị lại thấp và ngược lại. Hỡnh 2.2 là ảnh chụp trờn kớnh hiển vi của một số vi thấu kớnh trờn đầu sợi quang với cỏc bỏn kớnh khỏc nhau.
Hỡnh 2.2. Cỏc dạng vi thấu kớnh trờn đầu sợi quang với cỏc bỏn kớnh khỏc nhau (a) R=10 m; (b) R=15 m; (c) R=30 m.
38
Hỡnh 2.3 Hệ bàn vi chỉnh ba chiều được ghộp từ cỏc bàn vi chỉnh đơn
2. Ghộp nối và định vị sợi quang
Để ghộp nối sợi quang và chip SOA súng chạy với nhau, ta phải cú hệ thống vi dịch chuyển. Việc ghộp nối này được thực hiện trờn hệ thống bàn vi dịch chuyển 3 chiều được ghộp từ 3 bàn vi chỉnh 1 chiều của hóng Micro Contronle (Phỏp) chế tạo (hỡnh 2.3). Đõy là cỏc bàn vi chỉnh cơ khớ hoạt động dựa trờn nguyờn tắc chuyển từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến nhờ hệ thống bi trượt, lũ xo và vớt. Độ chớnh xỏc của cỏc bàn vi chỉnh này cú thể xuống đến 2 m. Hệ gỏ lắp bàn vi dịch chuyển phải đảm bảo độ chắc về cơ khớ, khụng gõy ảnh hưởng đến độ chớnh xỏc của bàn vi chỉnh một chiều, cú khả năng sử dụng thuận lợi trong quỏ trỡnh ghộp nối. Với cỏc yờu cầu trờn, hệ được chế tạo từ thộp khụng gỉ, độ gión nở nhiệt thấp, độ cứng cao, khối lượng cỏc vật liệu gỏ lắp vừa phải. Để tạo đều kiện thuận lợi cho cụng đoạn ghộp nối, chỳng tụi tỏch hệ thống vi chỉnh thành hai phần: bàn vi dịch chuyển theo chiều thẳng đứng (lờn, xuống) và bàn vi dịch chuyển hai chiều trong mặt phẳng ngang (dọc, ngang). Toàn bộ hệ bàn vi chỉnh được được đặt trờn cỏc đế quang học và gắn chặt vào ray quang học trờn cỏc bàn quang học cú khả năng chống rung do hóng Melles Griot (Mỹ) chế tạo và được đặt xa cỏc nguồn gõy dao động cơ học và trong điều kiện nhiệt độ ổn định (trỏnh sự gión nở do nhiệt).
39
Để tăng khả năng dịch chuyển chớnh xỏc cho hệ thống vi dịch chuyển 3 chiều, chỳng tụi đó sử dụng thờm bộ vi dịch chuyển bằng gốm ỏp điện kố m theo bàn vi dịch chuyển tinh. Bộ vi dịch chuyển này cú tỏc dụng dịch chuyển tinh sau khi bộ dịch chuyển cơ khớ (dịch chuyển thụ) hết tỏc dụng. Cỏc gốm ỏp điện hoạt động dựa trờn cơ sở hiệu ứng ỏp điện, khi thay đổi điện ỏp một chiều đặt vào hai cực của gốm (từ 0 700V) thỡ chỳng sẽ gión ra so với khi khụng cú điện ỏp, nếu đảo cực điện ỏp này thỡ sứ sẽ co lại (mức độ co gión là 0 6 m). Để bộ vi dịch chuyển hoạt động được chỳng tụi đó sử dụng bộ nguồn thế một chiều điều chỉnh được điện ỏp từ 0 đến 1000V. Bộ nguồn thế một chiều này giỳp cho gốm ỏp điện cú thể vi dịch chuyển tới mức 0.1 m. Ưu điểm của bộ vi dịch chuyển này là khụng phải can thiệp cơ học trực tiếp vào hệ thống bàn vi chỉnh khi cần dịch chuyển mà chỉ cần điều chỉnh điện ỏp từ bờn ngoài. Như vậy, chỳng tụi đó cú bàn vi chỉnh với độ chớnh xỏc dưới 0.1 m để phục vụ cho kỹ thuật ghộp nối.
Theo lý thuyết, đối với cỏc chớp khuếch đại cú miền tớch cực nghiờng gúc 70, khi ghộp nối sợi quang với miền tớch cực thỡ sợi quang phải được đặt lệch so với trục tinh thể một gúc 230. Trong quỏ trỡnh thực nghiệm, chỳng tụi cũng thu được kết quả hoàn toàn tương tự.
Trong cụng nghệ ghộp nối, chỳng tụi thường để chip khuếch đại phỏt huỳnh quang tại 1 giỏ trị dũng nhất định, sau đú tiến hành ghộp sợi quang cú vi thấu kớnh với miền tớch cực của chip khuếch đại (đầu kia để sỏt với mặt 1 photodiode để do tớn hiệu sau khi ghộp). Sử dụng bàn vi chỉnh để thay đổi vị trớ tương đối của sợi quang và chip khuếch đại sao cho cụng suất quang thu được tại photodiode là lớn nhất. Với phương phỏp ghộp nối này, cụng suất huỳnh quang là rất nhỏ nờn việc dũ tỡm tớn hiệu ban đầu sẽ rất khú. Tuy nhiờn, với loại chip khuếch đại sử dụng trong
40
luận văn cú cụng suất huỳnh quang tương đối lớn nờn việc ghộp nối cú thể thực hiện khụng quỏ khú khăn. Toàn bộ sơ đồ khối của cỏc thiết bị quan sỏt tớn hiệu được thể hiện trờn hỡnh 2.4. Sau khi dũ tỡm được vị trớ tối ưu giữa sợi quang và chip SOA, chỳng tụi sử dụng một loại epoxy đặc biệt để cố định vị trớ sợi quang trờn đế đồng. Cụng việc được tiến hành hoàn toàn tương tự ở mặt cũn lại của chip khuếch đại. Tuy nhiờn chỳng ta phải tỡm vị trớ ghộp nối sao cho cụng suất bức xạ huỳnh quang thu được tại hai đầu ra là xấp xỉ bằng nhau.
Với cụng nghệ ghộp nối như thế, hiệu suất ghộp nối cú thể đạt đến 30% ở cả hai mặt của miền tớch cực. Sau khi sợi quang đó được cố định, quỏ trỡnh đúng vỏ được tiến hành. Như thế chỳng ta đó cú thể chế tạo cỏc module khuếch đại thực hiện cho cụng việc đo đạc và khảo sỏt cỏc thụng số của SOA. Hỡnh ảnh tổng thể của một module khuếch đại quang bỏn dẫn được thể hiện trờn hỡnh 2.5
Sợi quang đơn mode
Mỏy phỏt xung
Hỡnh 2.4. Sơ đồ khối của cỏc thiết bị điện trong quỏ trỡnh dũ tỡm và ghộp nối sợi quang với chip khuếch đại
Chip SOA Photodiode
Dao động ký
Hỡnh 2.5. Hỡnh ảnh tổng thể của module khuếch đại dựng
41