KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN Nguyễn Tuấn Bảo NỘI DUNG  Tổng quan khuếch đại quang  Nguyên lí cơ bản khuếch đại  Nguyên lí và cấu tạo của SOA  Ứng dụng của SOA 1.Tổng quan về SOA A. Giới thiệu . Lịch sử  Năm 1960 :Những nghiên cứu đầu tiên về SOA(Semiconductor Optical Amplifier ) được tiến hành.  Từ năm 1970 ,Zeidler và Personick là những người đầu tiên làm việc về các thiết bị SOA.  Năm 1980 có nhiều tiến bộ quan trọng về thiết kế thiết bị và mô hình hóa cho SOA. Nghiên cứu tập trung vào hoạt động của SOA AlGaAs với bước sóng 830nm. Cuối những năm 1980 các nghiên cứu về SOA InP/InGaAsP thiết kế hoạt động trong khoảng 1,3 µm-1,55µm.  Trước năm 1989, cấu trúc SOA dựa trên các laser diot bán dẫn được phủ lớp chống phản xạ.  Năm 1989, SOA chính thức bắt đầu được thiết kế. 1.Tổng quan về SOA A. Giới thiệu . Tại sao cần có SOA ?  Do tín hiệu quang bị suy hao trên đường truyền nên cần thiết phải có một bộ phận làm nhiệm vụ khôi phục và khuếch đại để truyền tín hiệu đi xa.  Có thể nói suy hao là vấn đề quan trọng nhất khi thiết kế một hệ thống truyền dẫn quang, nó là yếu tố chính để thiết kế các bộ lặp và khuếch đại của hệ thống. 1.Tổng quan về SOA B. Phân loại  Khuếch đại quang bán dẫn  Cấu trúc của SOA dựa trên hệ thống hai dải năng lượng của chất bán dẫn và các quá trính biến đổi quang điện: hấp thu, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích . Tín hiệu quang được khuếch đại dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích.  Với các ưu điểm trong kỹ thuật chế tạo với các ưu điểm trong kỹ thuật chế tạo và thiết kế linh kiện quang, SOA cho thấy khả năng ứng dụng rất cao. 1.Tổng quan về SOA B. Phân loại  Khuếch đại quang sợi  Các bộ khuếch đại quang sợi bằng sợi dẫn quang pha tạp erbium (EDFA) ở bước sóng 1550nm đã được sử dụng rộng rãi trong các tuyến thông tin cáp quang đường dài hoặc các mạng vòng lớn  OFA đã được sử dụng rất rộng rãi làm bộ khuếch đại đường truyền để bù suy hao sợi quang. 1.Tổng quan về SOA B. Phân loại  Khuếch đại quang sợi  Ưu điểm:  Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang do đó khuếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn.  Không có mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi.  Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương thức điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống đơn giản hơn.  SOA cho thấy khả năng ứng dụng rất cao. 2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang A. Mô tả cơ bản 2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang A. Mô tả cơ bản 2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang B. Nguyên lý cơ bản  Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếch đại.  Hiện tượng phát xạ kích thích, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg= E2 – E1) [...]... công suất ánh sáng của bộ khuếch đại Độ lợi của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa độ lợi làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại 2 Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang C Các thông số kĩ thuật Băng thông độ lợi Độ lợi không bằng nhau cho tất cả các tần số Với các tần số khác nhau đầu vào ta có hàm G(f) Băng thông độ lợi của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi... Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang B Nguyên lý cơ bản 2 Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang C Các thông số kĩ thuật Độ lợi - Gain Băng thông độ lợi Hệ số nhiễu Công suất ngõ ra bão hòa Xuyên nhiễu của SOA 2 Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang C Các thông số kĩ thuật Độ lợi Là tỉ số giữa công suất quang ngõ ra trên công suất quang ngõ vào : G=Pout/Pin [dB] Nó đặc trưng cho khả năng khuếch đại công suất ánh... bộ k.huếch đại 2 Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang C Các thông số kĩ thuật  Công suất ngõ ra bão hòa Công suất quang ngõ ra tăng tuyến tính với công suất quang ngõ vào theo hệ số độ lợi G: Pout = G.Pin Khi công suất ngõ vào Pin tăng đến một mức nào đó, độ lợi G bắt đầu giảm Công suất ra bão hòa Psat, out của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất ngõ ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó có...2 Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang B Nguyên lý cơ bản Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếch đại Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và... NF = NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt.Giá trị nhỏ nhất của NF có thể đạt được là 3dB 2 Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang C Các thông số kĩ thuật  Xuyên nhiễu của SOA Nhiễu xuyên âm xảy ra khi các tín hiệu quang khác nhau được khuếch đại đồng thời trong cùng một bộ khuếch đại Hai loại nhiễu xuyên âm xảy ra trong SOA: nhiễu xuyên kênh và bão hòa độ lợi Nhiễu xuyên kênh xảy ra là do hiệu... out cao 2 Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang  C Các thông số kĩ thuật  Hệ số nhiễu Nhiễu chính là do phát xạ tự phát vì xảy ra ngẫu nhiên Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền của các photon tín hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và biên độ Pout= G.Pin + PASE Hệ số nhiễu NF (Noise Figure) NF = NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt.Giá... phản xạ bề mặt Cấu trúc bề mặt cửa sổ: 3.Cấu tạo và nguyên lí của SOA B Nguyên lý hoạt động SOA là một thiết bị quang điện tử mà trong đó dưới những điều kiện thích hợp nó có thể khuếch đại tín hiệu ánh sáng đầu vào Một dòng điện bên ngoài cung cấp nguồn năng lượng làm cho quá trình khuếch đại có thể xảy ra 3.Cấu tạo và nguyên lí của SOA B Nguyên lý hoạt động Một ống dẫn sóng được tích hợp vào để... điện tử ở trạng thái năng lượng thấp Đây là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang  Phát xạ tự phát : xảy ra ngẫu nhiên khi một điện tử chuyển trạng thái từ mức cao xuống mức thấp và phát ra một năng lượng dưới dạng một photon ánh sáng  Phát xạ kích thích : là hiện tượng được ứng dụng để thực hiện nhiệm vụ khuếch đại quang 3.Cấu tạo và nguyên lí của SOA B Nguyên lý hoạt động Hiện tượng phát xạ... ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon ban đầu Như vậy tạo ra 2 photon có cùng phương ,cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số( tính kết hợp ,coherent của ánh sáng)  QUÁ TRÌNH KHUẾCH ĐẠI ÁNH SÁNG ĐÃ ĐƯỢC THỰC HIỆN ... hơn bao phủ vì vậy nó có vai trò như một ống dẫn sóng điện môi tiết diện hình chũ nhật giúp giam cầm ánh sáng truyền qua thiết bị vào vùng hoạt tính Lượng dẫn sóng được đặc trưng bởi hệ số giam cầm quang học ᴦ,là phần năng lượng của một mode dẫn sóng nào đó giam cầm vào vùng hoạt tính, ᴦ tăng khi chiều dày vùng hoạt tính tăng 3.Cấu tạo và nguyên lí của SOA A Cấu tạo SOA .Cấu trúc dị tiếp xúc Độ . bản khuếch đại quang A. Mô tả cơ bản 2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang A. Mô tả cơ bản 2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang B. Nguyên lý cơ bản  Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch. rãi làm bộ khuếch đại đường truyền để bù suy hao sợi quang. 1.Tổng quan về SOA B. Phân loại  Khuếch đại quang sợi  Ưu điểm:  Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang do đó khuếch đại quang sẽ trở. của bộ khuếch đại.  Độ lợi của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa độ lợi làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại. 2. Nguyên lí cơ bản khuếch đại quang C.