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 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. 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 z 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 dòng ra điện Mặt ra Miền tích cực Tín hiệu Mặt vào vào Hình 1.
Sơ đồ nguyên lý của khuếch đại quang bán dẫn 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 z 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 Bức xạ Hấp thụ tự phát cưỡng bức photon cảm photon ứng Năng lượng vùng cấm photon kích thích lỗ trống Điện tử và tự phát trong hệ hai Hình 1. 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 z 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. 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].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: R21stim = 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: z 7 B12 = B21 (1.5) Với n r là chiết suất của vật liệu và c là vận tốc ánh sáng trong chân không Thay (1.2) ta thu được: A21c3 ( ) N 2 r21 stim (1.6) 8 nr3h 3 Trong trường hợp bức xạ cảm ứng là đơn sắc ta có: A21c 2l ( ) I N 2 r21 stim (1.7) 8 nr2 h 3 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 : c I (1.7) trở thành: A21c 2l ( ) I N 2 r21 stim (1. Sự hấp thụ và sự khuếch đại z 8 Bằng cách sử dụng biểu thức tốc độ chuyển dời cưỡng bức ở mục 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.11) Bức xạ này lại được cộng vào với sóng tới.
Quá trình khuếch đại này được mô tả lại như sau: dP (r21 stim r12 )h A g m ( ) P (1.13) 8 nr2 2 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. 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 Bộ lọc cực quang Miền khuếch đại Chùm tia B Đầu thu tới Mặt vào 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 z 9 Khi một chùm tín hiệu đơn sắc đi qua miền khuếch đại có cấu trúc vùng năng lượng như ở hình 1. 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: 40 B (1.14) Dnr Với 0 là bước sóng trong chân không.