Chương 2. Hệ thống chuyển mạch chùm quang
2.5. Các cổng On/Off khuếch đại quang bán dẫn SOA
2.5.3. Sự phát triển của công nghệ SOA
Bộ SOA truyền thống hoạt động trên nguyên lý laser bán dẫn nhưng không sử dụng các gương phản xạ. Các gương phản xạ được loại bỏ bằng cách phủ lên một lớp chống phản xạ AR (Anti-Reflection) để đảm bảo không xảy ra phản xạ trong khoang cộng hưởng Fabry-Perot. Để khuếch đại tín hiệu, môi trường khuếch đại phải được đảo lộn mật độ, nghĩa là tốc độ bức xạ kích thích phải lớn hơn tốc độ hấp thụ kích thích. Trạng thái này đạt được bằng cách đưa vào một dòng điện phân cực. Tín hiệu được khuếch đại do các bức xạ kích thích khi nó đi qua vùng dẫn kích hoạt (đảo lộn mật độ). Quá trình khuếch đại cũng sẽ sinh ra nhiễu do các bức xạ tự kích, do các photon có pha và hướng bất kỳ phát ra. Như đã đề cập trong phần trên, các cổng SOA yêu cầu có phổ khuếch đại phẳng và dải thông khuếch đại rộng. Cụ thể yêu cầu sử dụng bộ khuếch đại với độ gợn thấp (< dB) và băng thông rộng (lên tới 3 THz). Yêu cầu này có thể được đáp ứng nhờ thực thi các kết cấu vật liệu phù hợp, các cấu trúc khối B-SOA (Bulk SOA), giếng lượng tử MQW-SOA (Multi Quantum Well SOA) và các điểm lượng tử QD-SOA (Quantum Dots SOA).
Các bộ khuếch đại bán dẫn cấu trúc khối B-SOA. Các bộ khuếch đại bán dẫn thành phẩm ngày nay không chỉ hoạt động ở cửa sổ bước sóng 1550 và 1300 nm mà còn đáp ứng cho các ứng dụng WDM băng rộng. Với khuếch đại có thể lên tới 20 dB, nhiễu <7dB và sự phụ thuộc phân cực có thể đạt
được nhỏ hơn 1dB. Công suất lối ra bão hoà lớn nhất lên tới 11dBm tương ứng dòng phân cực 250 mA.
Nói chung các B-SOA cũng có thể cho mức công suất bào hoà lối ra cao hơn, lên tới 17.6 dBm (tại bước sóng 1565 nm) với dòng hoạt động 500 mA.
Các SOA này là các bộ khuếch đại quang sóng chạy TW (Travelling Wave), thực thi trên vật liệu là InP độ dài tinh thể 1.5 mm. Thiết bị này được thiết kế dựa trên cấu trúc chuẩn khác, miền kích hoạt có độ dày 48 mm và rộng khoảng 3 μm. Góc tạo bởi phần dẫn sóng với trục tinh thể là khoảng 10 độ cho phép suy giảm do kết nối với sợi quang và phản xạ bề mặt thấp, nên sẽ bớt được các thành phần tín hiệu nhiễu. Ở nhiệt độ 20o C, bộ SOA có hệ số khuếch đại lên tới 17 dB, nhiễu thấp (nhỏ hơn 6 dB) và sai khác phân cực là dưới 1dB. Suy hao mỗi ghép nối là 1 dB cho mỗi ghép nối [5].
Các bộ khuếch đại quang bán dẫn cấu trúc giếng lượng tử MQW-SOA.
Các bộ MQW-SOA được đề xuất về mặt lý thuyết để đạt được hệ số khuếch đại và công suất bão hoà lối ra cao. Tuy nhiên, nhược điểm chính của các bộ này là có độ nhạy phân cực cao. Gần đây, các MQW-SOA có độ nhạy phân cực gần như được loại bỏ được thực thi bằng cách cân bằng hệ số khuếch đại đối với các mode truyền TE và TM. Việc giới hạn sự khác nhau hệ số khuếch đại giữa hai mode truyền TE/TM được thực hiện nhờ các công nghệ chế tạo và tổng hợp vật liệu chế tạo, nhưng khi đó công suất bão hoà lối ra sẽ giảm. Một ví 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 công suất bão hoà lớn (~17 dB) tương ứng dòng phân cực 240 mA và độ dài khoang cộng hưởng 700 μm. Độ nhạy phân cực nhỏ hơn 1dB trên băng thông 85 nm.
Bộ khuếch đại quang bán dẫn với cấu trúc các điểm lượng tử QD-SOA.
Cấu trúc này được thực thi nhằm mục tiêu tăng công suất lối ra bằng cách bố trí vào miền vật liệu tích cực các điểm lượng tử. Các điểm lượng tử được thêm vào này có thể giảm hệ số giam giữ trong miền tích cực cũng như giảm sự sai khác về hệ số khuếch đại, do trạng thái mức mật độ là hoàn toàn rời rạc, kết quả là công suất bão hoà sẽ cao. Mức công suất lối ra hữu ích cao nhất hiện nay đạt được là 23 dBm. Hơn nữa, các điểm lượng tử cũng có thể làm tăng băng thông của các SOA và công suất bão hoà. Thiết bị QD-SOA khả quan nhất hiện nay là các bộ QD-SOA do Fujitsu sản xuất. Các bộ này
cho khuếch đại lớn (>20 dB), công suất bão hoà lối ra lớn (>19dBm) và dải thông rộng nhất là 120 nm. Tuy nhiên, nhược điểm của các thiết bị này là yêu cầu dòng hoạt động lớn và thiết bị phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu dữ liệu quang.
b. Các bộ khuếch đại bán dẫn GC-SOA
Các bộ GC-SOA có thể làm tăng công suất phát lối ra và tránh được hiện tượng bão hoà khuếch đại. Về cơ bản các bộ GC-SOA được xây dựng trên các bộ SOA truyền thống với hệ số khuếch đại được khống chế bởi một laser nội.
Bộ GC-SOA cho phép công suất bão hoà lối vào cao hơn. Nguyên lý hoạt động của cổng GC-SOA là sử dụng thêm một cơ chế bức xạ ánh sáng trong bộ SOA để điều chỉnh sự khuếch đại của SOA, thực tế để ổn định hệ số khuếch đại thì phải duy trì mật độ hạt tại các mức lượng tử là hằng số. Với các bộ GC-SOA, tín hiệu được ghép nối sẽ được khuếch đại với một hệ số là hằng số nhất định và công suất lối ra chỉ tăng khi công suất chùm sáng lối vào tăng. Như vậy, các bộ GC-SOA có hệ số khuếch đại ổn định nhưng mức công suất phát thấp hơn so với các SOA truyền thống. Hơn nữa, việc sử dụng laser để khống chế, lại là công việc rất khó khăn phức tạp. Hiện nay, có hai dòng GC-SOA thương phẩm điều chỉnh hệ số khuếch hãng Avanex (Alcatel Optronics) và bộ khuếch đại quang tuyến tính (LOA) của hãng Genoa [6]. Trong đó nguồn laser nội trong hai loại SOA này được tạo ra theo hai phương thức dưới đây:
Hệ Avanex GC-SOA: ổn định khuếch đại sử dụng hệ phản xạ Bragg phân tán. Một cách để ổn định hệ số khuếch đại đó là thêm vào miền kích hoạt của cổng SOA một hệ phản xạ Bragg phân tán trong khi vẫn giữ nguyên lớp chống phản xạ trên bề mặt của buồng cộng hưởng. Ánh sáng phát ra từ hệ phản xạ Bragg có bước sóng tương ứng với hệ Bragg sử dụng.
Chính vì vậy, các hệ Bragg được thiết kế sao cho bước sóng này nằm ngoài băng thông khuếch đại của SOA.
Để đơn giản ta có thể gọi các GC-SOA của Avanex với tên gọi tương ứng là DBR-SOA. Sơ đồ cổng DBR-SOA sử dụng trong các thí nghiệm đuợc chỉ ra trong hình 2.31 dưới đây. Hình vẽ chỉ ra một laser DBR có độ dài miền thụ động Bragg là 200 μm và miền hoạt động 600 μm. Năng lượng mất mát thấp khi ghép nối thiết với sợi quang đạt được nhờ thiết kế sử dụng dải dẫn sóng tại phần cuối của SOA (hình 2.31 b). Cấu trúc này
bao gồm phần dẫn sóng thụ động, miền phản xạ Bragg, miền kích hoạt và các điện cực.
Hình 2.31 (a) Sơ đồ cổng DBR-SOA với độ dài 1000 μm;
(b) Cấu trúc của bộ DBR-SOA được sản xuất bởi nhà sản xuất Avanex.
Nguồn phát laser nội trong các bộ DBR-SOA có bước sóng phát ra là 1508 nm. Có thể khuếch đại lên tới 17 dB khi công suất lối vào là -25 dBm và dòng phân cực 200 mA. Khi công suất vào ở mức trung bình, laser nội sẽ khống chế sự khuếch đại để đảm bảo hệ số khuếch đại ổn định và công suất bão hoà lối ra cao hơn. Khi công suất lối vào tăng, sẽ gây ra hiện tượng khuếch đại đối với laser nội giảm tới mức không còn phát nữa, và các đặc trưng khuếch đại trở lên tương tự với các SOA truyền thống.
Nhược điểm của laser nội là nó gây ra nhiễu nền của DBR-SOA cao khi giảm đảo lộn mật độ và khi đặt thêm bộ cách 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 tính LOA được sản xuất bởi Finisar là một bộ khuếch đại chế tạo trên vật liệu InP. Sơ đồ trên hình 2.32 chỉ ra laser phát xạ bề mặt có khoang cộng hưởng theo phương thẳng đứng VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) được xây dựng trên một chip khuếch đại và trong cùng miền hoạt động với chip khuếch đại đó.
Bộ VCSEL bao gồm các gương có khả năng phản xạ cao được đặt phía trên và dưới của miền hoạt động [6].
Hình 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 các bộ khuếch đại và ánh sáng của nó phát ra có phương vuông góc với phương của ánh sáng được khuếch đại. Dòng ngưỡng của VCSEL xấp xỉ 100 mA, dòng 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 có thể lên tới 17 dB và công suất bão hoà lối ra lớn hơn 13 dBm.
c. Sự khác nhau giữa các bộ SOA và GC-SOA
Bảng dưới đây sẽ cho ta cái nhìn tổng quan về sự khác nhau giữa các loại SOA. Trong tất cả các loại SOA, các bộ SOA sử dụng các điểm lượng tử cho ta công suất bão hoà lối ra Psat lớn nhất và nhiễu hình NF nhỏ nhất. Tuy nhiên, các bộ này lại có độ nhạy phân cực cao và để đạt được hệ số khuếch đại lớn yêu cầu dòng phân cực lớn. trong khi đó các SOA với cấu trúc khối (B-SOA) có thể khắc phục được những yếu điểm này mà vẫn cho công suất bão hoà Psat lối ra cao.
So với các SOA thương phẩm ngày nay, các DBR-SOA của Avanex và các LOA của Finisar là các bộ khuếch đại thực hiện chức năng cổng SOA phù hợp nhất. Chúng có thể đáp ứng được tất cả các yêu cầu của một ứng dụng cổng như đã trình bày trong các phần trước [5].
Hệ số khuếch
đại [dB]
Nhiễu hình
NF [dB]
Công suất
bão hoà Psat [dBm]
Dòng phân cực [A]
Băng tần [nm]
Khuếch đại phụ thuộc
phân 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 thông số cơ bản của các bộ khuếch đại quang bán dẫn.
d. Các mảng SOA
Để xây dựng các hệ chuyển mạch quang với dung lượng lớn sử dụng các cổng SOA, cần phải sử dụng mảng các cổng SOA tích hợp mật độ cao trên một đơn khối. Khi đó số thành phần rời rạc và số khối xây dựng lên ma trận chuyển mạch sẽ giảm. Trong thời gian gần đây, đã xuất hiện dạng thương phẩm các chuyển mạch quang kích thước 4 x 4 sử dụng các cổng SOA truyền thống tích hợp với các phần dẫn sóng trên cùng một đế InP. Các bộ chuyển mạch quang này hoạt động với các thông số như tốc độ lên tới 10 Gb/s, trong dải bước sóng 1530 30 nm, dòng cung cấp 100 mA, suy hao do phân cực <2.5 dB, và xuyên âm khoảng -40 dB. Tốc độ chuyển mạch chỉ trong dải ns. Chuyển mạch là không nghẽn tuyệt đối, có khả năng chuyển mạch quảng bá, chuyển mạch đồng thời một hoặc nhiều bước sóng [6].