Tài liệu Nghiên cứu chế tạo khuyếch đại quang bán dẫn trên cơ sở vật liệu bán dẫn cấu trúc cấu trúc nanô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANÔ LUẬN VĂN THẠC SỸ HÀ NỘI – 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANÔ Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nanô Ngành: Khoa học và Công nghệ Nanô Mã số: LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VŨ DOÃN MIÊN HÀ NỘI – 2005 Mục Lục Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mở Đầu Chương I-TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN 1.1 Nguyên lý hoạt động và đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn ............................................................................................... 1.1.1 Nguyên lý khuếch đại trong hệ hai mức năng lượng.............................. 1.1.2 Những đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn............................ 1.2 Khuếch đại quang bán dẫn trên cơ chip khuếch đại miền tích cực nghiêng góc 7 0........................................................................ 1.2.1 Tính chất của vật liệu bán dẫn cấu trúc giếng lượng tử........................... ... 1.2.2 Chíp khuếch đại quang bán dẫn miền tích cực nghiêng phủ màng chống phản xạ............................................................................ 1.2.3 Module khuếch đại quang bán dẫn............................................................. 1.3 Một số ứng dụng của SOA............................................................................. 1.3.1 SOA với chức năng là một bộ khuếch đại................................................... 1.3.2 Các ứng dụng chức năng của SOA............................................................. Chương II-KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Kỹ thuật chế tạo module khuếch đại quang bán dẫn dựa trên chip khuếch đại miền tích cực nghiêng góc 7 0 ................................ 2.1.1 Chíp khuếch đại quang bán dẫn và kỹ thuật hàn lên đế toả nhiệt............... 2.1.2 Ghép nối sợi quang với hai mặt của miền tích cực..................................... 2.2 Kỹ thuật đo các đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn................ 2.2.1 Hệ đo đặc trưng công suất của module khuếch đại và nguồn tín hiệu......................................................................................... 2.2.1 Kỹ thuật đo cấu trúc phổ............................................................................. 2.2.3 Kỹ thuật khảo sát đặc trưng khuếch đại của module SOA......................... 2.3 Khảo sát các ứng dụng chức năng của SOA................................................. Chương III-KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các kết quả nghiên cứu về sự bức xạ tự phát khuếch đại (ASE)................... 3.1.1 Đặc trưng công suất của chip SOA một mặt phủ màng chống phản xạ 3.1.2 Đặc trưng công suất của chip SOA miền tích cực nghiêng góc 7 0 có phủ màng chống phản xạ ở hai mặt miền tích cực 3.1.3 Đặc trưng công suất bức xạ phụ thuộc vào dòng bơm của module SOA 3.1.4 Đặc trưng phổ bức xạ tự phát khuếch đại 3.2 Các kết quả nghiên cứu về đặc trưng khuếch đại của module SOA 3.2.1 Khảo sát các đặc trưng của nguồn tín hiệu 3.2.2 Khuếch đại tín hiệu nhỏ và phổ lối ra của SOA 3.2.3 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất lối vào, lối ra và sự bão hoà khuếch đại 3.2.4 Chỉ số tạp âm 3.2.5 Sự ảnh hưởng phân cực 3.3 Kết quả nghiên cứu một số ứng dụng chức năng của SOA 3.3.1 Hiệu ứng chuyển mạch trong SOA điều khiển bằng xung điện 3.3.2 Chuyển mạch hoàn toàn quang 3.3.3 Hiệu ứng trộn bốn bước súng FWM KẾT LUẬN DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 MỞ ĐẦU Khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) đã được nghiên cứu ngay sau khi phát minh ra laser bán dẫn vào năm 1962 nhưng mãi đến những năm 1980, nó mới được phát triển và đưa vào ứng dụng trong thực tế. Những năm gần đây, cùng với sự ra đời của ngành công nghệ nanô, các SOA trên cơ sở vật liệu bán dẫn cấu trúc nanô lại được tập trung nghiên cứu mạnh mẽ. SOA chủ yếu được sử dụng như một bộ khuếch đại trực tiếp tín hiệu trên các hệ thống truyền dẫn quang. Khi ánh sáng laser truyền trong sợi quang trên các hệ truyền dẫn thì khoảng cách truyền sẽ bị giới hạn do sự mất m át trong sợi và một số nguyên nhân khác. Trước đây, giới hạn này được khắc phục bằng cách tái phát xạ tín hiệu quang tại chỗ bởi bộ lặp lại (repeater). Với bộ lặp lại này, tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện, được khuếch đại lên, sau đó biến đ ổi trở lại thành tín hiệu quang để truyền đi tiếp. Vì vậy, hầu hết các bộ tái phát xạ thường rất phức tạp và quá đắt đối với hệ thống truyền ánh sáng - đặc biệt là đối với hệ thống truyền đa kênh. Khuếch đại quang được nghiên cứu và chế tạo nhằm giải quyết vấn đề này. Hiện nay có hai loại khuếch đại quang đã được nghiên cứu và phát triển để ứng dụng cho khuếch đại ánh sáng trong khi truyền dẫn là khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor Optical Amplifiers - SOA) và khuếch đại sợi quang pha đất hiếm (Erbium Doped Fiber Amplifiers - EDFA). Người ta thường sử dụng khuếch đại sợi pha tạp đất hiếm EDFA làm bộ khuếch đại trên các hệ thống thông tin cáp quang đường dài ở vùng bước sóng 1.55 m. Tuy nhiên, SOA có nhiều ưu điểm khác rất đáng quan tâm: dải phổ khuếch đại rộng, kích thước nhỏ gọn, hoạt động bằng dòng bơm điện, giá thành rẻ... Do đó, SOA được phát triển rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng tương lai. Ngoài ra, SOA còn được sử dụng 2 cho nhiều mục đích trong hệ thống thông tin quang sợi như: biến điệu quang, cổng logic, khoá quang học (optical switches), bộ biến đổi bước sóng... Trong luận văn này chúng tôi giới thiệu một số kết quả nghiên cứu, chế tạo khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy trên cơ sở chip khuếch đại quang bán dẫn có miền tích cực nghiêng góc 7 0 phủ màng chống phản xạ kép TiO2/SiO2 tại hai mặt dựa trên vật liệu bán dẫn InGaAsP/InP có cấu trúc nanô hoạt động ở vùng sóng 1550 nm. Các kết quả thu được có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ chế tạo khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy tại Việt Nam và các ứng dụng của nó trong các hệ thống thông tin quang. Nội dung của luận văn được trình bày trong ba chương. Chương 1: Nghiên cứu lý thuyết về khuếch đại, lý thuyết về SOA có miền tích cực nghiêng góc 7 0 có màng chống phản xạ kép TiO2/SiO2, các tính chất, đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy, các ứng dụng của nó trong hệ thống thông tin cáp quang. Chương 2: Trình bày các công nghệ, thiết bị, kỹ thuật, phương pháp dùng để chế tạo, khảo sát, nghiên cứu khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy và các đặc trưng cơ bản của nó. Chương 3: Kết quả nghiên cứu về vật lý và công nghệ khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy. Bản luận văn được thực hiện và hoàn thành tại Phòng thí nghiệm Laser b án dẫn, Viện Khoa học Vật liệu. 3 Chương I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN Trong chương này chúng ta sẽ khảo sát nguyên lý và các đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn. Nghiên cứu lý thuyết về khuếch đại quang bán dẫn trên cơ sở chip khuếch đại có miền tích cực nghiêng góc 7 0 ứng dụng cho quá trình thực nghiệm. Phần cuối của chương là một số ứng dụng khuếch đại và ứng dụng chức năng chính của SOA. 1.1 Nguyên lý hoạt động và đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifer) là một linh kiện quang điện tử, khi hoạt động dưới điều kiện phù hợp có thể khuếch đại tín hiệu ánh sáng tới. SOA được sử dụng để bù trừ sự mất mát của tín hiệu khi truyền trong sợi quang. Trong các hệ thống thông tin quang, SOA khuếch đại trực tiếp ánh sáng tới thông qua bức xạ cưỡng bức. Miền tích cực của linh kiện là môi trường khuếch đại tín hiệu vào. Tín hiệu cần khuếch đại được bơm trực tiếp vào một mặt của miền tích cực, tín hiệu ra thu được ở mặt còn lại. Đặc trưng quan trọng nhất của SOA là sự khuếch đại xảy khi được kích thích (bằng quang hoặc bằng điện). Độ khuếch đại của SOA phụ thuộc vào tần số của ánh sáng tới, môi trường khuếch đại và mật độ dòng bơm. Sơ đồ khối của một SOA cơ bản được minh hoạ như trên hình 1.1. Vật liệu dùng để chế tạo các chip khuếch đại SOA là vật liệu bán dẫn có cấu trúc vùng cấm thẳng (nghĩa là chất bán dẫn có đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn có cùng giá trị vector sóng k trên giản đồ năng lượng E(k). Bán dẫn phải có vùng cấm thẳng vì lý do tránh mất mát năng lượng khi tương tác với mạng tinh thể. Trong điều kiện bình thường, vùng 4 chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng nhiệt [10]. Sự cân bằng bị phá vỡ khi phun hạt tải mang điện vào miền tích cực. Khi mật độ dòng điện đủ lớn sẽ gây ra sự nghịch đảo mật độ tích luỹ. Sau một thời gian ngắn tồn tại ở mức cao các điện tử tái hợp với lỗ trống theo các cơ chế tái hợp khác nhau. Đây chính là nguyên lý chung nhất về hoạt động của một khuếch đại quang bán dẫn. SOA có thể được chia thành hai loại chính. SOA Fabry - Perot (FP - SOA) là linh kiện mà ở đó hiện tượng phản xạ từ hai mặt miền tích cực là đáng kể nghĩa là vẫn còn ảnh hưởng của buồng cộng hưởng. SOA (TW - SOA) sóng chạy là loại khuếch đại với sự phản xạ ở hai mặt có thể bỏ qua, tín hiệu chỉ được khuếch đại một lần khi đi qua miền tích cực. Các lớp chống phản xạ được sử dụng để tạo ra các khuếch đại quang bán dẫn với hệ số phản xạ bề mặt dưới 10 -5. TW - SOA không nhạy bằng FP - SOA với sự thay đổi của dòng điện, nhiệt độ và sự phân cực. Tuy nhiên, đây chính là điều kiện để SOA hoạt động ổn định trong các hệ thống thông tin quang [7]. Tín hiệu ra dòng điện Mặt ra Miền tích cực Tín hiệu vào Mặt vào Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của khuếch đại quang bán dẫn 1.1.1 Nguyên lý khuếch đại trong hệ hai mức năng lượng Trong SOA các điện tử được phun vào miền tích cực từ một nguồn dòng bên ngoài. Các electron mang năng lượng này sẽ chiếm các trạng thái năng lượng trên vùng dẫn của miền tích cực, để lại những lỗ trống trong vùng hoá trị. Có 3 cơ chế 5 bức xạ có thể xảy ra trong vật liệu bán dẫn. Ba cơ chế này được mô tả trên hình 1.3, áp dụng cho vật liệu có cấu trúc vùng năng lượng bao gồm 2 mức gián đoạn. Bức xạ tự phát Bức xạ cưỡng bức photon Hấp thụ photon cảm ứng Năng lượng vùng cấm photon kích thích lỗ trống Điện tử và tự phát trong hệ hai Hình 1.2. Các quá trình cưỡng bức mức Trong đó sự hấp thụ là hiện tượng một photon tới với năng lượng phù hợp có thể kích thích hạt tải chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn. Đây là quá trình mất mát photon khi truyền dẫn trong vật liệu. Nếu photon tới chất bán dẫn có năng lượng phù hợp có thể gây ra hiện tượng tái hợp cưỡng bức giữa một hạt tải từ vùng dẫn với một lỗ trống ở vùng hoá trị. Năng lượng của quá trình tái hợp này được giải phóng dưới dạng một photon ánh sáng mới. Photon mới này đồng nhất với photon kích thích trên mọi phương diện (pha, tần số, hướng…). Cả photon gốc và photon kích thích đều có thể sinh ra tiếp sự chuyển dời cưỡng bức. Nếu dòng kích đủ cao có thể tạo ra hiện tượng đảo mật độ trạng thái (trạng thái mà mật độ hạt tải ở vùng dẫn lớ n hơn ở vùng hoá trị). Trong trường hợp này, khả năng xảy ra sự bức xạ cưỡng bức lớn hơn sự hấp thụ và khi đó vật liệu bán dẫn có khả năng khuếch đại quang [9]. Quá trình bức xạ tự phát là quá trình một hạt tải ở vùng dẫn tái hợp với lỗ trống ở vùng hoá trị và bức xạ photon có pha và hướng ngẫu nhiên. Quá trình này luôn xảy ra trong chất bán dẫn. Photon bức xạ tự phát có dải tần số rộng và thông thường gây ra hiện tượng nhiễu, đồng thời cũng làm giảm nồng độ hạt tải trong 6 khuếch đại quang. Bức xạ tự phát là hệ quả trực tiếp của quá trình khuếch đại và không thể tránh khỏi. Do vậy, chế tạo một khuếch đại quang bán dẫn không nhiễu là điều không tưởng. Quá trình bức xạ cưỡng bức tỉ lệ với cường độ chùm photon cảm ứng, trong khi sự bức xạ tự phát lại không phụ t huộc vào cường độ chùm photon cảm ứng. a. Chuyển dời cảm ứng và tự phát Sự khuếch đại của bán dẫn phát quang liên quan trực tiếp tới quá trình bức xạ tự phát và quá trình bức xạ cưỡng bức. Để nghiên cứu một cách định lượng mối quan hệ này, chúng ta hãy xét một hệ gồm các mức năng lượng liên kết với một hệ vật lý xác định. Gọi N1 , N2 là số nguyên tử trung bình trong một đơn vị thể tích của hệ có mức năng lượng lần lượt là E1 , E2 , với E2 > E1. Nếu một nguyên tử nào ở mức năng lượng E2 thì tồn tại một xác suất xác định trong một đơn vị thời gian nó sẽ chuyển dời từ E2 xuống E1, và quá trình này phát xạ photon. Tốc độ chuyển dời hạt tải tự phát (chỉ số dưới spon ứng với sự chuyển dời tự phát, stim ứng với sự chuyển dời cưỡng bức) từ mức 2 xuống mức 1 cho bởi công thức [13]. R21spon = A21 N2 (1.1) A21 là hệ số bức xạ tự phát ứng với sự chuyển dời từ mức 2 về mức 1. Cùng với bức xạ tự phát, trong hệ hai mức còn có thể xảy ra sự chuyển dời cảm ứng. Tốc độ chuyển dời cảm ứng của các hạt tải được tính bằng công thức: R21stim = B21 ( )N2 (1.2) Với B21 là hệ số bức xạ cưỡng bức ứng với sự chuyển dời từ mức 2 xuống mức 1. Và  ( ) là mật độ năng lượng bức xạ tới ở tần số . Photon cảm ứng có năng lượng h=E2 – E1. Tốc độ chuyển dời cảm ứng từ mức 1 lên mức 2: R12= B12 ( )N1 (1.3) B12 là hệ số hấp thụ của chuyển mức từ mức 1 lệ mức 2. Cơ học lượng tử đã chứng minh được rằng: 7 B12 = B21 (1.4) (1.5) Với n r là chiết suất của vật liệu và c là vận tốc ánh sáng trong chân không Thay (1.5) vào (1.2) ta thu được: r21 stim  A21c3  ( ) N 2 8 nr3h 3 (1.6) Trong trường hợp bức xạ cảm ứng là đơn sắc ta có: r21 stim  A21c 2l ( ) I N 2 8 nr2 h 3 (1.7) Với  là mật độ năng lượng (J/m3) của trường điện từ cảm ứng. Và l( ) là hàm định dạng. Với điều kiện chuẩn hoá:    l ( )d  1 (1.8) L( )d là xác suất chuyển mức bức xạ tự phát từ mức 2 xuống mức 1 có tần số nằm trong khoảng  đến  + d. Cường độ trường điện từ cảm ứng được tính bằng công thức : I  c  nr (1.9) Do đó (1.7) trở thành: r21 stim A21c 2l ( ) I N 2  8 nr2 h 3 b. Sự hấp thụ và sự khuếch đại (1.10) 8 Bằng cách sử dụng biểu thức tốc độ chuyển dời cưỡng bức ở mục 1.1.1a, chúng ta có thể đi tới phương trình cho hệ số khuếch đại đối với hệ hai mức. Để làm điều này, ta sẽ khảo sát một sóng phẳng đơn sắc truyền theo phương z qua miền khuếch đại có diện tích tiết diện A và chiều dài nhỏ dz. Khi đó độ tăng công suất dp sinh ra trong thể tích Adz đơn giản chính bằng tích của hiệu các tốc độ chuyển rời cảm ứng giữa các mức với năng lượng chuyển mức h và thể tích nguyên tố. dP  (r21 stim r12 )h Adz (1.11) Bức xạ này lại được cộng vào với sóng tới. Quá trình khuếch đại này được mô tả lại như sau: dP  (r21 dz stim r12 )h A  g m ( ) P (1.12) Gm( ) gọi là hệ số khuếch đại vật liệu, và được tính bằng công thức: A21c3l ( )( N2  N1 ) gm ( )  8 nr2 2 (1.13) Như vậy, để có thể đạt được khuếch đại dương, phải có sự đảo mật độ trạng thái (N2 >N1) giữa hai mức 2 và 1. Với sự xuất hiện của A21 cho thấy rằng quá trình khuếch đại quang luôn kèm theo sự bức xạ tự phát, hay còn gọi là nhiễu. c. Nhiễu bức xạ tự phát Như đã trình bày ở phần trên, nhiễu bức xạ tự phát là hệ quả tực tiếp của quá trình khuếch đại. Trong phần này chúng ta nghiên cứu công suất nhiễu sinh ra trong quá trình khuếch đại. Ta hãy xét mô hình dưới đây: Bộ phân cực Miền khuếch đại Chùm tia tới B Mặt vào Bộ lọc quang Đầu thu Mặt ra Hình 1.3 Khuếch đại quang với tín hiệu bơm vào hội tụ tại khoảng giữa miền tích cực. Trước photodiode có đặt bộ lọc tần và bộ phân cực để lọc nhiễu bức xạ tự phát 9 Khi một chùm tín hiệu đơn sắc đi qua miền khuếch đại có cấu trúc vùng năng lượng như ở hình 1.3. Một bộ phân cực và bộ lọc quang với độ rộng dải B0 quanh tần số trung tâm  được đặt trước đầu thu. Tín hiệu vào được hội tụ lại, do đó phần thắt của chùm tín hiệu nằm trong miền khuếch đại. Giả thiết chùm tia có tiết diện tròn với đường kính chỗ thắt là D, góc mở của chùm tia sẽ là: B  40  Dnr (1.14) Với 0 là bước sóng trong chân không. Độ tăng công suất tín hiệu do sự khuếch đại cộng hưởng khi đi qua chiều dài dz của miền cộng hưởng là: DP = g m ( )Pdz (1.15) Công suất nhiễu sinh ra trong vi phân thể tích với diện tích thiết diện A và chiều dài dz tại vị trí z là: dPN'  A21 N 2 h Adz (1.16) Công suất này phát đẳng hướng trong góc khối 4  . Mỗi photon bức xạ tự phát có thể tồn tại với một xác suất bằng nhau ở trong một trong hai trạng thái phân cực, do vậy bộ phân cực cho tín hiệu đi qua còn giảm công suất nhiễu còn một nửa. Do đó công suất nhiễu tổng cộng bức xạ trong yếu tố thể tích trong góc khối d và dải tần B0 là [13]: dPN'  A21 N 2 h l ( ) d Adz 2 4 (1.17) Góc khối nhỏ nhất ta có thể sử dụng mà không mất mát tín hiệu là: d min  B2 4  02 nr2 A (1.18) 10 Góc khối này có thể nhận được bằng cách sử dụng khe đầu ra đủ hẹp. Trong trường hợp này biểu thức 1.17 có thể viết như sau: dPN  N2 g m ( )h B0 dz N 2  N1 (1.19) Công suất tổng cộng bao gồm tín hiệu và nhiễu là: dPN  g m ( ) P( )  nsp g m ( )h B0 dz (1.20) Với hệ số bức xạ tự phát nsp  N2 N 2  N1 (1.21) Nghiệm của (1.20) là: P( z)  Pmegm z  nsp h B0 (egm z 1) (1.22) Pm là công suất tín hiệu vào. Gọi L là chiều dài của miền khuếch đại, khi đó công suất ra tổng cộng là: Pout  GPm  nsp (G  1)h B0 Ge= (1.23) gLm với V?i là hệ số khuếch đại sóng chạy Công suất nhiễu được cộng thêm vào chính là: PN  nsp (G  1)h B0 (1.24) Như vậy ta thấy rằng khi tăng mức độ đảo trạng thái có thể làm giảm nhiễu SOA. Nhiễu cũng có thể được giảm đi nếu ta dùng một bộ lọc quang dải hẹp. 1.1.2 Những đặc trưng cơ bản của khuếch đại quang bán dẫn a. Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ và dải tần số khuếch đại Có hai khái niệm về hệ số khuếch đại cơ bản cho các SOA: 11 + Hệ số khuếch đại nội của SOA, là tỉ số giữa tín hiệu ra ở mặt ra và tín hiệu vào ở mặt vào của SOA. + Hệ số khuếch đại ghép nối (fibre to fibre gain), hệ số khuếch đại này bao gồm cả tổn hao ghép nối ở đầu vào và đầu ra. Những hệ số khuếch đại này thường đo bằng dB. Phổ khuếch đại của mỗi SOA phụ thuộc vào cấu trúc, vật liệu và các thông số của nó. Trong hầu hết các ứng dụng, hệ số khuếch đại lớn và dải tần khuếch đại rộng luôn được mong muốn. Tín hiệu nhỏ là tín hiệu mà ảnh hưởng của nó đến hệ số khuếch đại của SOA là nhỏ có thể bỏ qua, khi đó hệ số khuếch đại nội của SOA Fabry – Perot ở tần số  được tính bằng công thức. G( )  (1  R1 )(1  R2 )Gs (1  R1R2 Gs )  4 R1R2 Gs sin 2  (  0 )   2 (1.25) Với R1, R2 là hệ số phản xạ ở mặt vào và mặt ra,  là khoảng cách giữa các mode dọc của buồng cộng hưởng   c 2 Lnr (1.26) 0 Là tần số cộng hưởng của miền tích cực gần với tần số  nhất. Tần số cộng hưởng xảy ra tại các số nguyên lần của . Và thừa số sin2[ (-0 )/] bằng không tại các tần số cộng hưởng và bằng 1 tại các tần số bị chặn. Hệ số khuếch đại hiệu dụng được tính như sau: g  g m   (1.27) Với  là hệ số giam giữ quang học của miền tích cực,  là hệ số hấp thụ. G s = egL là hệ số khuếch đại truyền qua. Một SOA không có lớp phủ chống phản xạ ở hai mặt có hệ số phản xạ cỡ 0,32. Độ nhấp nhô (ripple) của contour khuếch đại G r được xác định bằng tỉ số giữa độ khuếch đại được cộng hưởng và độ khuếch đại không được cộn g hưởng. 12 1  R1 R2 Gs  Gr    1  R1 R2 Gs  (1.28) Từ 1.28 ta thu được mối quan hệ giữa hệ số phản xạ trung bình và G r là: Rgeo  1 Gs  Gr  1     Gr  1  (1.29) Vì vậy, để xảy ra sự khuếch đại sóng chạy có hệ số khuếch đại 25 dB cần phải có Reo < 3,6x10 -4 . Hệ số phản xạ này ở các mặt có thể thu được bằng cách phủ một lớp màng chống phản xạ ở các mặt của chip laser hay sử dụng cấu trúc SOA đặc biệt. Dải khuếch đại (bandwidth) Bopt của khuếch đại được định nghĩa là khoảng bước sóng mà ở đó tín hiệu khuếch đại không nhỏ hơn một nửa giá trị đỉnh của nó. Dải khuếch đại của bộ khuếch đại rộng đặc biệt hữu ích trong các hệ thống mà cần tới sự khuếch đại đa kênh như trong mạng WDM. Chúng ta có thể đạt được dải khuếch đại rộng trong SOA với miền tích cực được chế tạo từ vật liệu cấu trúc giếng lượng tử (quantum well) hay đa giếng lượng tử (multiple quantum well). Hệ số khuếch đại nội cực đại mà có thể đạt được trong các khuếch đại thực nghiệm thường nằm trong khoảng 30-40 dB. Dải khuếch đại tín hiệu nhỏ nằm trong khoảng 30-60 nm. b. Phổ khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 1.4. Phổ khuếch đại tín hiệu nhỏ trên lý thuyết (1) và thực nghiệm (2) 13 Cường độ bức xạ tại bước sóng  được tính bằng năng lượng của một photon tại bước sóng  nhân với số photon bức xạ ra. Số photon bức xạ tự phát này phụ thuộc vào mật độ dòng bơm và hệ số khuếch đại vật liệu đã được đề cập ở trên. Tại bước sóng cần khuếch đại, công suất bức xạ ra tỉ lệ với công suất tín hiệu và hệ số khuếch đại cưỡng bức. Dựa vào các tham số đã được xác định ở trên và sử dụng mô phỏng người ta có thể thu được cấu trúc phổ dọc của khuếch đại quang bán dẫn ở vùng tín hiệu nhỏ như hình vẽ 1.4 c. Sự nhạy phân cực Hệ số khuếch đại của SOA phụ thuộc vào trạng thái phân cực của tín hiệu tới. Sự phụ thuộc này là do nhiều yếu tố bao gồm cấu trúc của miền dẫn sóng (waveguide), bản chất phụ thuộc sự phân cực của các lớp chống phản xạ và vật liệu khuếch đại. Sự truyền sóng của bộ khuếch đại đặc trưng bởi hai mode phân cực vuông gọi là mode điện ngang TE và mode từ ngang TM. Trạng thái phân cực của tín hiệu vào thường nằm ở một vị trí nào đó giữa hai mode sóng ngang này. Độ nhạy phân cực được định nghĩa là sự khác nhau về độ lớn của hệ số khuếch đại giữa hai mode sóng GT E và GT M GTE/TM = GTE - G TMdB (1.30) Để giảm tối đa sự nhạy phân cực người ta thường chế tạo SOA trên các vật liệu bán dẫn cấu trúc nanô sẽ bàn kỹ hơn ở mục II. d. Sự bão hoà của hệ số khuếch đại tín hiệu Hệ số khuếch đại của SOA bị ảnh hưởng mạnh bởi cả công suất tín hiệu vào và nhiễu nội sinh ra do quá trình khuếch đại. Khi tăng công suất tín hiệu, hạt tải trong miền tích cực bị suy yếu, dẫn đến giảm hệ số khuếch đại. Sự bão hoà hệ số khuếch đại này có thể dẫn đến sự sai lệch tín hiệu đáng kể. Nó cũng có thể giảm hệ số khuếch đại cực đại khi SOA được sử dụng làm bộ khuếch đại đa kênh. Hệ số khuếch đại (dB) 14 3 dBm Pout, sat Công suất tín hiệu ra (dBm) Hình 1.5. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất tín hiệu Hệ số khuếch đại racủa SOAsuất điển hìnhhòa phụ thuộc vào công suất ra được mô tả và công ra bão như trên hình 1.5. Một đại lượng thường được dùng để xác định hệ số khuếch đại bão hoà là công suất ra bão hoà, P out,sat được định nghĩa là công suất ra mà ứng với nó hệ số khuếch đại bằng một nửa hệ số khuếch đại trong trường hợp khuếch đại tín hiệu nhỏ, những linh kiện lý tưởng thường có P out,sat nằm trong khoảng 5 đến 20 dBm [13]. e. Chỉ số tạp âm Một thông số hữu hiệu trong việc định lượng nhiễu trong khuếch đại quang là chỉ số tạp âm (noise figure) F. Được định nghĩa là tỉ lệ giữa tỉ số tín hiệu vào trên nhiễu và tỉ số tín hiệu ra trên nhiễu. F ( S / N )i ( S / N )o (1.31) Các kí hiệu S là tín hiệu, N là nhiễu, các chỉ số dưới i là đầu vào, o là đầu ra. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (1.31) nhận được khi công suất tín hiệu vào và ra được ghi nhận bằng một photodetector lý tưởng. Trong trường hợp giới hạn, khi hệ số khuếch đại lớn hơn rất nhiều so với 1 và ở đầu ra cho qua một bộ lọc quang dải hẹp, chỉ số nhiễu được tính bằng: F=2n sp (1.32) Giá trị thấp nhất có thể của nsp là 1 đơn vị, xảy ra khi mật độ đảo đạt cực đại, N1 = 0, F=2. Chỉ số nhiễu của các SOA thực tế thường vào khoảng 7 đến 12 dB. Chỉ 15 số nhiễu bị tồi đi bởi tổn hao ghép nối đầu vào. Tổn hao ghép nối thường bằng 3 dB nên chỉ số nhiễu thường bằng 10 đến 15 dB [8]. f. Các hiệu ứng phi tuyến SOA cũng thể hiện tính phi tuyến. Tính phi tuyến này có thể gây ra nhiều vấn đề như chớp tần số (frequnency chirping) và sinh ra các mode bậc 2 hoặc 3. Tuy nhiên tính phi tuyến cũng có thể được ứng dụng trong thiết bị chức năng như bộ chuyển đổi bước sóng, hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM-Four Wave Mixing). Hiệu ứng này sẽ được thảo luận kỹ hơn ở phần ứng dụng chức năng của SOA. 1.2 Khuếch đại quang bán dẫn trên cơ chip khuếch đại miền tích cực nghiêng góc 7 0 1.2.1 Tính chất của vật liệu bán dẫn cấu trúc giếng lượng tử Miền tích cực của các SOA dạng khối truyền thống bao gồm một lớp vật liệu bán dẫn nằm kẹp giữa hai lớp vỏ có độ rộng vùng cấm cao hơn. Nếu độ dày miền tích cực có kích thước nhỏ hơn 20 nm thỡ cỏc trạng thái tồn tại của electron và lỗ trống không phải là các mức liên tục mà trở nên rời rạc. Với cấu trúc bao gồm một lớp màng mỏng làm miền tích cực nằm kẹp giữa hai lớp vỏ có độ rộng vùng cấm cao hơn sẽ hỡnh thành nờn một cấu trỳc giếng lượng tử. Các lớp tích cực được coi là lớp giếng. Các lớp kề bên được coi là lớp hàng rào [14]. CB Giếng Giếng VB (a) Đơn giếng lượng tử Hàng rào Vùng chiết suất biến đổi (GRIN) (b) Đơn giếng lượng tử có chiết suất biến đổi Giếng Hàng rào Giếng (c) Đa giếng lượng tử (d) Đa giếng lượng tử mở rộng Hỡnh 1.6. Giản đồ năng lượng của các cấu trúc đơn giếng lượng tử(a), đơn giếng lượng tử với chiết suất biến dạng (b), đa giếng luợng tử (c) và đa giếng lượng tử biến dạng (d). 16 Một SOA cấu trúc đa giếng lượng tử (MQW SOA) có thể được chế tạo bằng cách sắp xếp liên tiếp các lớp giếng và hàng rào xen kẽ nhau. Để tạo ra lớp màng cực mỏng trên, người ta sử dụng các kỹ thuật chế tạo có khả năng điều khiển rất cao sử dụng các phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE) hoặc epitaxy pha hơi của các hợp chất hữu cơ kim loại (OMVPE). So với cấu trúc SOA dạng khối thông thường, SOA cấu trúc giếng lượng tử có độ rộng dải quang lớn hơn, công suất ra bóo hoà cao hơn, và bằng cách thay đổi sức căng của vật liệu người ta có thể điều khiển được độ nhạy phân cực. Giản đồ năng lượng cho 4 loại cấu trúc giếng lượng tử được chỉ ra trên hỡnh 1.6 Hỡnh 1.6a chỉ ra cầu trúc vùng năng lượng của một đơn giếng lượng tử thông thường. Cấu trúc này bao gồm một vùng nghèo hạt tải và có sự giam giữ quang học. Một cấu trúc giếng lượng tử với vùng chiết suất biến đổi theo dạng hỡnh nún ở hai bờn của giếng được chỉ ra trên hỡnh 1.6b. Với cấu trúc này, khả năng giam giữ quang học tăng lên đáng kể. Trên hỡnh 1.6c là giản đồ năng lượng của một miền tích cực đa giếng lượng tử (MQW). Do có nhiều giếng lượng tử nên sự giam giữ hạt tải và sự giam giữ quang học được tăng lên so với trường hợp đơn giếng lượng tử. Để cải thiện thêm khả năng giam giữ, người ta sử dụng các cấu trúc MQW biến dạng. MQW biến dạng là một cấu trúc MQW có lớp vỏ với độ rộng vùng cấm cao hơn hàng rào của các giếng lượng tử [13]. 1. Cấu trúc vùng năng lượng trong giếng lượng tử và hệ số khuếch đại Các tính toán để xác định hệ số khuếch đại đối với các cấu trúc giếng lượng tử bán dẫn là rất phức tạp. Sự chuyển dời hạt tải nằm trong các giếng lượng tử trực tiếp tới các lớp là bị giới hạn. Nguyên nhân là do trong các giếng lượng tử nằm trong vùng dẫn và vùng hoá trị các mức năng lượng lại bị tách thành các mức năng lượng con (Hỡnh 1.7) CB Ec1 Ec ng lượng Ec0 Photon Eg EgB