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
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
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.
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 TiO
2
/SiO
2
, 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 bán
dẫn, Viện Khoa học Vật liệu.
3
Chương I
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]. 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
Tín hiệu
ra
Tín hiệu
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
photon
photon cảm
ứng
photon kích
thích
Năng lượng
vùng cấm
Bức xạ
tự phát
Bức xạ
cưỡng bức
Hấp thụ
Điện
tử
lỗ trống
Hình 1.2. Các quá trình cưỡng bức và tự phát trong hệ hai
mức
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
21
spon
= A
21
N
2
(1.1)
A
21
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:
R
21
stim
= B
21
(
)N
2
(1.2)
Với B
21
là hệ số bức xạ cưỡng bức ứng với sự chuyển dời từ mức 2 xuống mức 1.
Và
21
(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:
3
21 2
21
33
()
8
stim
r
A c N
r
nh
(1.6)
Trong trường hợp bức xạ cảm ứng là đơn sắc ta có:
2
21 2
21
23
()
8
stim
trong khoảng
đến
+ d. Cường độ trường điện từ cảm ứng được tính bằng công
thức :
r
c
I
n
(1.9)
Do đó (1.7) trở thành:
2
21 2
21
23
()
8
stim
r
A c l I N
r
nh
(1.12)
Gm(
) gọi là hệ số khuếch đại vật liệu, và được tính bằng công thức:
3
21 2 1
22
( )( )
()
8
m
r
A c l N N
g
n
(1.13)
Như vậy, để có thể đạt được khuếch đại dương, phải có sự đảo mật độ trạng
thái (N
2
>N
1
) giữa hai mức 2 và 1. Với sự xuất hiện của A
21
cho thấy rằng quá trình
khuếch đại quang luôn kèm theo sự bức xạ tự phát, hay còn gọi là nhiễu.
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 B
0
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:
0
4
B
r
Dn
(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
(
(1.17)
Góc khối nhỏ nhất ta có thể sử dụng mà không mất mát tín hiệu là:
2
2
0
min
2
4
B
r
d
nA
(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:
2
0
21
()
Nm
N
mm
g z g z
m sp
P z P e n h B e
(1.22)
P
m
là công suất tín hiệu vào. Gọi L là chiều dài của miền khuếch đại, khi đó công
suất ra tổng cộng là:
0
( 1)
out m sp
P GP n G h B
(1.23)
với V?i là hệ số khuếch đại sóng chạy
Công suất nhiễu được cộng thêm vào chính là:
0
( 1)
N sp
P n G h B
(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.
R R G
G
R R G R R G
(1.25)
Với R
1
, R
2
là hệ số phản xạ ở mặt vào và mặt ra,
là khoảng cách giữa các mode
dọc của buồng cộng hưởng
2
r
c
Ln
(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
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 cộng hưởng.
12
12
12
1
1
s
r
s
R R G
G
R R G
(1.28)
Từ 1.28 ta thu được mối quan hệ giữa hệ số phản xạ trung bình và G
r
là:
1
1
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
Hệ số khuếch đại của SOA điển hình phụ thuộc vào công suất ra được mô tả
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.
( / )
( / )
i
o
SN
F
SN
(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
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].
Giếng
CB
VB
(a) Đơn giếng lượng tử
Giếng
Hàng rào
Giếng
Vùng chiết suất
biến đổi (GRIN)
Hàng rào
Giếng
(b) Đơn giếng lượng tử có chiết
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
E
c1
E
c0
E
hh0
E
c
E
g
E
gB
Photon
Năng lượng
17
Trờn hỡnh 1.7, L
z
m
ci
cic
E
EE
=
cos
tan
2
2
cicwz
EmL
N
2
(1.34)
Trong trường hợp E
cn
<<
E
c
thỡ E
cn
cú thể tớnh xấp xỉ bằng:
E
ci
=
cz
c
c
cz
c
LL
L
b
i
LL
a
i
(1.35)
Trong đó:
18
11
mod
00
2
2
00
11
L
c
=
c
Eb
a
c
c
, m
cb
bằng m
hhw
, m
hhb
là
các khối lượng hiệu dụng của lỗ trống nặng và tương tự m
lhw
, m
lhb
là khối lượng
hiệu dụng của lỗ trống nhẹ.
Các mức năng lượng lượng tử hoá Fermi trong vùng dẫn và vùng hoá trị
tương ứng liên hệ với mật độ điện tử và lỗ trống trong giếng theo phương trỡnh
[13]:
n =
1
1
0
1
0
2
/exp1ln/exp1ln
c lh
N
i
N
i
lhjfvlhwcifc
z
cw
kTEEmkTEE
L
kTm
(1.37)
Với N
hh
và N
lh
là số các mức năng lượng con được phép của lố trống nặng và
lỗ trống nhẹ.
Hệ số khuếch đại giếng lượng tử có thể biểu diễn được như sau:
m
m
Ehv
(1.40)
với lỗ trống nhẹ.
E
aij
=
ci
cw
lhr
ij
E
m
m
Ehv
E
aij
= -
lhj
lhw
lhr
ij
E
m
m
Ehv
ij
=
E
g
+ E
ci
+ E
hhi
E
ij
=
E
g
+ E
ci
+ E
lhi
(1.43)
H
mod
là hàm Heaviside mở rộng định nghĩa như sau:
H
mod
(hv-E
ij
) =
ji
ji
,0
,1
(1.45)
h
p
e
12
2
2
0
0
0
1
0
1
hh
c
g
v
e
12
2
2
0
0
0
1
0
1
hh
c
g
v
e
E
n
c
m
L
v
m
g
p
r
z
i
N
i
N
v
bởi f
c
[1-f
v
] và f
v
(1-f
c
). Khảo sát đường cong khuếch đại của một giếng lượng tử độ dày 6 nm, với
lớp giếng và lớp hàng rào được chế tạo trên vật liệu In
0,53
Ga
0,47
As/
In
0,53
Ga
0,47
As
0,55
P, đế InP. Các tham số vật liệu như sau : E
gapW
=0,72eV;
E
gapP
=0,96eV; E
p
=23,6eV; m
cw
Hệ số khuếch đại của một giếng lượng tử thông thường như đó mụ tả và tớnh
toỏn ở trờn cho thấy sự phụ thuộc phõn cực rất mạnh. Sự kết hợp giữa điện tử trên
vùng dẫn và lỗ trống nặng sẽ ưu tiên bức xạ ánh sáng phân cực TE (điện trường
song song với lớp tích cực) lớn hơn phân cực TM (điện trường vuông góc với lớp
tích cực). Bức xạ do kết hợp điện tử và lỗ trống nhẹ sẽ ưu tiên đối với mode TM
nhưng sự bức xạ này là rất nhỏ. Hiện tượng này rất phù hợp đối với laser nhưng
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1675
0
0
10
20
30
TE
TM
g
m
, g'
m
(10
4
m
-1
đa giếng lượng tử hệ số giam giữ quang được tỡnh như sau:
MQW
=N
w
SQW
, với
SQW
là hệ số giam giữ trong trường hợp đơn giếng, và giả sử rằng tất cả các giếng
lượng tử là độc lập nhau.
2. SOAs cấu trúc giếng lượng tử biến dạng
Độ nhạy phân cực của của một MQW SOAs có thể được thay đổi một cách
đáng kể bằng cách làm biến dạng các giếng. Sự biến dạng này được tạo ra bằng
cách tạo ra các tinh thể mặt nạ ở giữa giếng và lớp hàng rào liền kề. Trong các
giếng lượng tử thông thường, lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ bị suy biến, nghĩa là
chúng ở cùng một mức năng lượng trong cùng một không gian xung lượng. Ảnh
hưởng của biến dạng là làm giảm sự suy biến này. Sự biến dạng cũng làm thay đổi
khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống.
Cú hai loại biến dạng: nộn và kộo dón. Ảnh hưởng của sự biến dạng trên giản
đồ năng lượng của một giếng lượng tử được biểu diễn trên hỡnh 1.9. Năng lượng tại
hai giếng bên trên vùng dẫn dịch một khoảng là E
c
, mức năng lượng của lỗ trống
nặng và lỗ trống nhẹ dịch là E
hh
và E
lh
được tính theo cụng thức:
Ở đây,
Copyright: Tài liệu đại học ©