BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN HOÀI NAM

TRẦN HOÀI NAM

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN
HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

KHOÁ 2009

Hà Nội – Năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN HOÀI NAM

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ SỐ
KHUẾCH ĐẠI CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

1.8 Xu hướng sử dụng bộ khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang ................ 15 
CHƯƠNG 2. CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG ............................................................... 17 
2.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn .................................................................................... 17 
2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của các bộ khuếch đại quang bán dẫn............................. 17 
2.1.2 Độ lợi .................................................................................................................. 18 
2.1.2.1 Độ lợi của bộ khuếch đại Febry - Perot ........................................................... 18 
2.1.2.2 Độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy ................................................................ 20 
2.1.2.3 So sánh độ lợi của bộ khuếch đại Febry – Perot và độ lợi của bộ khuếch đại
sóng chạy ..................................................................................................................... 21 
2.1.2.4 Bão hòa độ lợi .................................................................................................. 22 
2.1.3 Băng thông của bộ khuếch đại quang bán dẫn.................................................... 24 
2.1.3.1 Băng thông của bộ khuếch đại Febry - Perot ................................................... 24 
2.1.3.2 Băng thông của bộ khuếch đại sóng chạy ........................................................ 24 
2.1.3.3 So sánh băng thông của bộ khuếch đại Febry - Perot và băng thông của bộ
khuếch đại sóng chạy ................................................................................................... 25 
2.1.4 Xuyên âm ............................................................................................................ 26 
2.1.5 Độ lợi phụ thuộc phân cực .................................................................................. 28 
2.1.6 Nhiễu ................................................................................................................... 30 
2.1.6.1 Phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) ........................................................... 31 
2.1.6.2 Nhiễu quang và nhiễu điện .............................................................................. 33 
2.1.7 Ưu điểm và hạn chế của bộ khuếch đại quang bán dẫn ...................................... 34 
2.1.8 Ứng dụng của bộ khuếch đại quang bán dẫn ...................................................... 34 
2.2 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium.............................................................................. 35 
2.2.1 Nguyên tắc hoạt động của các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium ........... 35 
2.2.2 Biểu đồ mức năng lượng ..................................................................................... 37 
Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

1



3.2.1 Độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy ................................................................... 69 
3.2.2 Bão hòa độ lợi ..................................................................................................... 70 
3.2.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng khi dùng bộ khuếch đại quang bán dẫn............... 72 
3.3 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium ................................................................... 75 
3.3.1 Độ lợi bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium không bằng phẳng ............................. 75 
3.3.2 Làm phẳng độ lợi trong hệ thống sử dụng bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium .... 77 
3.3.3 Bão hòa độ lợi ..................................................................................................... 80 
3.3.4 Công suất bơm tối thiểu để độ lợi cao nhất ........................................................ 82 
3.3.5 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm booster .......................................... 83 
3.3.6 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm bộ khuếch đại in-line .................... 86 
3.3.7 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm bộ tiền khuếch đại ........................ 89 
3.3.8 Tối ưu độ lợi của bộ tiền khuếch đại nhờ mật độ pha tạp ion erbium ................ 91 
KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 95 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 96 

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

2


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
ASE
BER
CATV
DRA
DSF
DXC

Four Wave Mixing
Laser Diode
Mode Field Diameter
Numerical Aperture
Optical Add Drop Multipexer
Passive Optical Network
Synchronous Digital Hierachy
Signal to Noise Ratio
Semicondutor Optical Amplifier
Synchronous Optic Network
Stimulated Raman Scattering
Time Division Multiplexing

TE
TM
TWA
WDM

Transverse Electric
Transverse Magnetic
Travelling Wave Amplifier
Wavelength Division
Multiplexing

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

Tiếng Việt
Phát xạ tự phát được khuếch đại
Tỉ lệ lỗi bit
Truyền hình cáp


MỞ ĐẦU
Ngay từ xa xưa con người đã biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin. Qua
thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần
và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay,
tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh
chóng. Cách đây 20 năm, từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính
thức đưa vào khai thác trên mang viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng phương
thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ
viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại. Trong vòng 10 năm trở
lại đây, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của của công nghệ điện tử - viễn thông, công
nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc. Các nhà sản xuất
đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154
dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi
quang trong hơn hai thập niên qua. Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ
chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin
quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại. Dưới
đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi
trường truyền dẫn khác, đó là:
o

Suy hao truyền dẫn nhỏ

o

Băng tần truyền dẫn rất lớn

o

Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ


kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt
với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.
Trong các liên kết quang, tín hiệu được truyền đi theo sợi và bị suy hao bởi
nhiều nguyên nhân. Nếu suy hao vượt quá công suất dự phòng thì đòi hỏi tín hiệu
trước khi đến bên thu cần phải được khuếch đại. Có hai cách để khuếch đại tín hiệu:
bộ lặp và khuếch đại quang. Tuy các bộ lặp có một số ưu điểm nhưng tự chúng
không thể được dùng để thiết lập các liên kết WDM và các mạng. Do đó, sự chuyển
đổi từ các liên kết TDM sang các liên kết WDM và từ các liên kết thành các mạng
quang không thể thực hiện mà không có các bộ khuếch đại quang. Trong nhiều năm
gần đây các bộ khuếch đại quang đã được phát triển. Có hai loại khuếch đại quang
chính là khuếch đại quang bán dẫn và khuếch đại quang sợi. Loại được ưa chuộng
nhất là khuếch đại quang sợi pha tạp erbium EDFA. Bộ khuếch đại này đã mở cánh
cửa cho sự triển khai các hệ thống thông tin quang WDM. Bên cạnh đó các bộ
khuếch đại quang bán dẫn và những loại khác cũng được dùng và nhiều loại còn
đang trong giai đoạn nghiên cứu. Khả năng của một bộ khuếch đại phụ thuộc vào
rất nhiều yếu tố kết hợp. Nội dung của luận văn này trình bày về kỹ thuật khuếch
đại quang, đặc điểm của các bộ khuếch đại, các yếu tố ảnh hưởng của 3 loại bộ
khuếch đại là bộ khuếch đại quang bán dẫn, bộ khuếch đại quang sợi pha tạp và bộ
khuếch đại Raman và mô phỏng các bộ khuếch đại quang trong các tuyến truyền
dẫn sử dụng công cụ phần mềm OptiSystem.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo – T.S Bùi Việt Khôi, người đã trực tiếp
hướng dẫn, giúp đỡ em rất tận tình trong thời gian làm luận văn, đồng thời em cũng
xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã giúp cho em tiếp thu được những kiến thức cơ bản trong quá trình
học tập để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình.
Hà Nội, tháng 3 năm 2012
Học viên

Trần Hoài Nam

khiển

Bộ nối

Trạm lặp

Bộ chia

Thu
quang
Mạch điện
Phát
quang

Khuếch đại
quang

Các thiết bị khác

Đầu thu
quang

Khuếch đại

Khôi phục
tín hiệu

Tín hiệu
điện ra


quang. Như vậy, quá trình khuếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện. Các
trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn
quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử
dụng cho các hệ thống đa bước sóng như WDM, rất nhiều trạm lặp cần được sử
dụng để khuếch đại vào tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau. Điều này
làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM.
Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng bộ khuếch đại quang. Ánh sáng
được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không phải biến đổi từ miền quang
sang miền điện rồi ngược lại. So với bộ lặp (repeater) thì bộ khuếch đại quang có
nhiều ưu điểm như khuếch đại trực tiếp trong miền quang, không phụ thuộc vào tốc
độ bit và phương thức điều chế tín hiệu, khuếch đại được nhiều tín hiệu có bước
sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang.

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

7


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

1.3 Nguyên lý khuếch đại quang
Ta biết rằng có 3 hiện tượng quang điện đó là:hấp thụ (Absorption), phát xạ
tự phát (Spontaneous emission) và Phát xạ kích thích (Stimulated emission).

E2

E2

E2


đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong môi
trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại.
Hiện tượng phát xạ tự phát,hình 1.3(b), xảy ra khi một điện tử chuyển
trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1
và phát ra một năng lượng Eg= E2–E1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình
này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng
thái năng lượng bền vững của điện tử. Sau một khoảng thời gian được gọi là thời
gian sống (life time) của điện tử ở mức năng lượng cao,các điện tử sẽ tự động
chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững).
Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống của điện tử sẽ khác nhau.

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

8


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 1.3(c), xảy ra khi một điện tử đang ở
trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hν12
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). Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng
thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có
năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu.Sau khi xảy ra hiện
tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được
tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực,cùng pha và cùng tần số. Hay nói
cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện. Hiện tượng này được
ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang
sợi (FOA).
Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo

quang sợi làm việc theo nguyên lý của phát xạ kích thích. Năng lượng đưa tới bởi
một laser bơm được sử dụng để kích thích các nguyên tử lên trạng thái năng lượng
cao hơn, nơi chúng bị kích thích bởi các photon của tín hiệu thông tin rồi rơi xuống
mức thấp hơn. Các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là các bộ khuếch đại sợi pha tạp
erbium EDFA được dùng chủ yếu trong các mạng WDM ngày nay.
Các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium chỉ hoạt động trong cửa sổ
1550nm, trong khi các bộ khuếch đại quang bán dẫn hoạt động trong cả cửa sổ
1300nm và 1550nm.

1.5 Các loại khuếch đại quang khác
Ngoài bộ khuếch đại quang bán dẫn và bộ khuếch đại quang sợi còn có các
loại khuếch đại quang khác. Những loại này sử dụng các hiệu ứng phi tuyến để
khuếch đại chứ không phải là phát xạ kích thích. Hai loại khuếch đại quang sợi có
khả năng triển khai thực tế sử dụng các hiệu ứng Raman và Brillouin. Sử dụng
những hiệu ứng này khiến có thể thiết lập sự khuếch đại không phải là toàn bộ mà
khuếch đại phân tán tín hiệu quang. Ưu điểm của nó là cùng một đoạn sợi quang sẽ
vừa là môi trường truyền dẫn, vừa là môi trường khuếch đại đồng thời. Những thiết
bị này hứa hẹn mở ra triển vọng mới trong khuếch đại quang.
Bộ khuếch đại Raman gần đây đã xuất hiện trên thị trường ở cả dạng phân
tán và dạng rời rạc. Cấu hình được ưa chuộng nhất của nó ngày nay là bộ khuếch
đại lai EDFA/Raman - một thiết bị trong đó bộ khuếch đại Raman bù sự thiếu về độ
lợi của EDFA trong khoảng bước sóng từ 1570 tới 1630 nm.
Ứng ứng dụng quan trọng khác của bộ khuếch đại Raman phân tán là chống
lại hiệu ứng có hại gây ra bởi độ lợi lớn của bộ khuếch đại EDFA. Độ lợi cao của
EDFA nhằm để tăng khoảng cách giữa 2 bộ khuếch đại kề nhau, nhưng kết quả là

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

10


Bộ khuếch đại in-line hoạt động với tín hiệu đầu vào là ở giữa của liên kết
sợi quang. Chức năng cơ bản của nó là bù suy hao công suất gây ra bởi sự suy giảm
sợi, các mối nối, và sự phân tán tín hiệu trong mạng. Do đó, yêu cầu chính cho loại
khuếch đại này là sự ổn định trong toàn băng thông WDM. Vì nhiều bộ khuếch đại
in-line có thể ghép nối theo tầng, sự tương tự trong đặc điểm độ lợi cũng cần phải
quan tâm khi làm việc với loại bộ khuếch đại này. Giữ nhiễu ở mức tối thiểu và
thực hiện các tương tác quang tốt với sợi truyền dẫn là những yêu cầu khác của loại
bộ khuếch đại quang này.
Bộ tiền khuếch đại khuếch đại tín hiệu ngay trước khi nó tới với bộ thu. Loại
bộ khuếch đại này hoạt động với tín hiệu vào yếu. Do đó, độ nhạy tốt, độ lợi cao và
nhiễu thấp là các yêu cầu chính ở đây. Nhiễu trở thành một đặc điểm cực kì quan
trọng của bộ tiền khuếch đại vì khả năng hoạt động của bộ thu bị hạn chế không
phải chỉ bởi nhiễu của riêng nó mà còn nhiễu của bộ tiền khuếch đại. Sử dụng bộ
tiền khuếch đại làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt đối với độ nhạy của bộ thu và nó cho
phép mạng hoạt động ở tốc độ bit cao hơn.
Số lượng booster và bộ tiền khuếch đại yêu cầu đối với một mạng cụ thể
được xác định bởi số bộ phát và bộ thu mà nó sử dụng. Nhưng số bộ khuếch đại inline cần tới phụ thuộc vào cả độ dài của liên kết sợi quang và cấu hình của mạng.
Đối với những liên kết chặng dài, như là xuyên đại dương hoặc xuyên lục địa thì
các bộ khuếch đại in-line thường được lắp đặt cách nhau từ 80 đến 100 km. Những
bộ khuếch đại này bù suy hao gây ra bởi suy hao sợi và các chỗ ghép nối. Tuy nhiên,
các bộ khuếch đại in-line cũng cần cho các mạng khoảng cách ngắn để bù suy hao
gây ra bởi sự phân tán tín hiệu trong mạng cục bộ, như chỉ ra trong hình vẽ.

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

12


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang




Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

điểm giảm 3dB so với độ lợi đỉnh. Băng thông độ lợi xác định băng thông của tín
hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại.
1.7.3 Công suất đầu ra bão hòa (Saturation Output Power)
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến
tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số độ lợi G: Pout = G.Pin. Tuy nhiên,
công suất ngõ ra không thể tăng mãi được.Khi công suất ngõ vào Pin tăng đến một
mức nào đó, độ lợi G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng
tuyến tính với tính hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bảo hòa.
Hình 1.7.3-b ta thất công suất ở ngõ ra tại điểm độ lợi giảm đi 3 dB được gọi
là công suất ra bảo hòa P out,sat nó cho biết công suất ngõ ra lớn nhất mà bộ khuếch
đại quang đó có thể hoạt động được.Nếu một bộ khuếch đại quang có độ lợi cao sẽ
có P out,sat cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải
công suất vào và ra rộng.

Pout

G

Pout, sat

Độ lợi tín hiệu

3dB
Pin
Pin,sat
a)

NF =

SNR in
SNR out

Trong đó, SNRin, SNRout là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại ngõ vào và ngõ ra
của bộ khuếch đại. Hệ số tạp âm NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Giá
trị nhỏ nhất của NF có thể đạt được là 3dB.
1.7.5 Độ nhạy phân cực
Độ nhạy phân cực là sự phụ thuộc của độ lợi vào phân cực của tín hiệu. Do
có sự phụ thuộc này mà người ta có các biện pháp để giảm sự phụ thuộc vào phân
cực như ghép nối tiếp hoặc song song hai bộ khuếch đại với nhau. Chi tiết xin được
trình bày trong phần 2.1.5.

1.8 Xu hướng sử dụng bộ

khuếch đại quang trong hệ thống

thông tin quang
Với các hệ thống WDM được triển khai rộng rãi như ngày nay thì nhu cầu
đối với các bộ khuếch đại ngày càng cao. Có thể thấy rõ sự gắn liền của các bộ
khuếch đại quang với các hệ thống WDM qua một ví dụ đưa ra trong bảng sau:
Bảng 1.1 Sự phát triển của công nghệ quang học của Alcatel.
Phòng thí nghiệm

Triển khai

1989: Đường truyền dữ liệu đầu tiên sử dụng bộ
khuếch đại toàn quang


giá thành hạ hơn
2007-2008: Hệ thống Nx40Gbps

2002: Nx40Gbps, 3Tbps qua khoảng cách 5200km.
Thí nghiệm đầu tiên về hệ thống Nx160Gbps

Yêu cầu đối với các bộ khuếch đại là độ lợi, sự phẳng của độ lợi đối với các
kênh truyền. Các biện pháp tối ưu bộ khuếch đại quang dựa vào sự thay đổi các
thông số đầu vào cũng đang được thực hiện và được nghiên cứu. Hơn nữa sự mở
rộng băng tần khuếch đại của các bộ khuếch đại cũng đang được cải thiện dần.
Kết luận:
Qua chương này, ta đã thấy được nguyên lý cơ bản tổng quát của các bộ
khuếch đại quang cũng như các tiêu chuẩn để đánh giá chúng, hiểu được vì sao
khuếch đại quang lại là một mảng đề tài rất quan trọng trong sự phát triển của thông
tin quang nói chung. Chương này là cơ sở nền tảng để chương tiếp theo – chương 2
đi sâu vào trình bày chi tiết về các bộ khuếch đại quang cụ thể.

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

16


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

CHƯƠNG 2. CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG
2.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn
2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của các bộ khuếch đại quang bán dẫn
Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) sử dụng nguyên lý của phát xạ kích
thích để khuếch đại tín hiệu thông tin quang. Hình 2.1.1.1 chỉ ra kết nối của một bộ
SOA với sợi truyền dẫn.

Hình 2.1.1.3 Bộ khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy.
2.1.2 Độ lợi
2.1.2.1 Độ lợi của bộ khuếch đại Febry - Perot
Nếu chúng ta biểu thị hệ số phản xạ công suất của các mặt là R, độ dài của
vùng tích cực là L, vận tốc của ánh sáng trong môi trường tích cực với chiết suất n
là ν = c / n , và hệ số khuếch đại công suất single-pass (đi qua một lần) là Gs, thì độ
lợi G của FPA có thể viết dưới dạng:

[

]{

}

G FPA (ω ) = Pout / Pin = G s (1 − R ) / (1 − RG s ) + 4 RG s sin 2 [(ω − ω 0 )L /ν ]
2

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

2

[2.1]
18


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

trong đó ω là tần số góc hiện tại và ω 0 là tần số góc trung tâm.
Hệ số khuếch đại single-pass (đi qua một lần), G s (ω ) được giả sử có sự phụ
thuộc tần số dạng Gauss, như trong hình vẽ:

Fabry-Perot - loại có phản hồi quang, có thể tăng đáng kể độ lợi của một SOA. Độ
phản xạ càng cao (R), thì độ lợi ở những tần số cộng hưởng càng cao. Nhưng tăng
hệ số phản xạ tới mức nào đó có thể làm cho bộ khuếch đại trở thành một laser.
Thực ra RGs càng gần 1 thì như theo công thức 2.1, GFPA( ω ) sẽ càng lớn. Khi
RGs=1, thì GFPA( ω ) đi tới vô cực, đó là tới điểm mà bộ khuếch đại Febry - Perot
sinh ra ánh sáng.
2.1.2.2 Độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy
Bộ khuếch đại sóng chạy có đặc điểm là môi trường tích cực không có các
mặt phản xạ vì vậy tín hiệu đầu vào được khuếch đại bởi single-passage (sự đi qua
một lần của ánh sáng) qua vùng tích cực, như chỉ ra trong hình 2.1.1.3. Độ lợi của
bộ khuếch đại sóng chạy cho bởi công thức 2.1, trong đó hệ số phản xạ là 0. Do đó:
GTWA (ω ) = Pout / Pin = G s (ω )

[2.4]

Do đó, độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy là độ lợi của bộ khuếch đại Febrry –
Perot với R=0, theo đúng định nghĩa của bộ khuếch đại sóng chạy.
Xét độ lợi của bộ khuếch đại sóng chạy. Độ lợi single-pass (đi qua một lần)
Gs có thể thể hiện thông qua các tham số của một bộ khuếch đại quang bán dẫn như
sau:
G s = exp[(Γg − α )L ]

[2.5]

trong đó Γ là hệ số tập trung (confinement) xét đến sự dẫn các photon phát xạ bởi
cấu trúc dẫn sóng của một vùng tích cực, g(1/m) là hệ sộ độ lợi của vùng tích cực
trong một đơn vị độ dài, và α (1 / m) là hệ số suy hao của hốc cộng hưởng trong một
đơn vị độ dài.
Thực ra, khi tạo ra một miếng vật liệu bán dẫn, đã có sẵn các mặt. Nhưng các
mặt này phản xạ ánh sáng lại vào vùng tích cực. Do đó, các biện pháp đặc biệt cần


sine trong công thức 2.1 là 0, như đưa ra bởi công thức 2.4. Độ lợi của nó nhỏ nhất
là khi thành phần sine trong công thức 2.1 là 1, cho ra:
G FPA

min

[

]

≡ G FPA [(ω − ω 0 )L /ν = π / 2] = G s (1 − R ) / (1 + RG s )
2

2

[2.6]

Hình 2.1.2.1.1 chỉ ra độ lợi lớn nhất và nhỏ nhất của bộ khuếch đại Febry - Perot.
Do đó, các tiêu chuẩn để phân biệt bộ khuếch đại Feby - Perot và bộ khuếch đại
sóng chạy như sau:
∆G = G FPA

max

/ G FPA

min

= [(1 + RGs ) / (1 − RGs )]

hòa độ lợi. Bản chất vật lý đằng sau hiện tượng này là công suất quang cao đã kích
thích tất cả các điện tử từ vùng dẫn vì vậy sự tăng hơn nữa về số lượng của photon

Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử 2 – CH09

22


Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của các Bộ khuếch đại quang

ngoài sẽ không kích thích thêm bất cứ sự chuyển dịch nào của điện tử xuống dải
hóa trị; đó là, nó sẽ không sinh ra thêm các photon bị kích thích.
Độ lợi (Gs) cho bởi phương trình sau:
Gs=1+(Psat/Pin)ln( Gsmax /Gs)

[2.10]

trong đó, Gsmax là Gs tại ω = ω 0 và Psat là công suất bão hòa. Bão hòa độ lợi được
mô tả trong hình 2.1.2.4.1. Các giá trị của công suất đầu ra bão hòa cho SOA từ 10
tới 15mW.

Hình 2.1.2.4.1 Bão hòa độ lợi.
Công thức 2.5 chỉ có giá trị cho tín hiệu nhỏ, công suất đầu ra khác xa so với
Psat. Đây là lý do tại sao trong các bảng thông số kĩ thuật ta sẽ thường thấy đặc
điểm “độ lợi tín hiệu nhỏ”, có nghĩa là độ lợi được đo với công suất đầu vào nhỏ.
Có ba thuật ngữ mang từ “độ lợi” đã được đưa ra ở đây:
+ Độ lợi (dB), cũng gọi là độ lợi tổng. G( ω , P) được xác định bởi công thức 2.1 cho
bộ khuếch đại Febry – Perot.
+ Độ lợi single-pass (đi qua một lần) Gs( ω , P) cũng là độ lợi của bộ khuếch đại
sóng chạy tính theo dB và xác định bởi công thức 2.5.