Puslaidininkiniai optiniai stiprintuvai

Puslaidininkiniai optiniai stiprintuvai (SOA – Semiconductor Optical Amplifier) tampa svarbiausia optinių tinklų signalų stiprinimo, perjungimo, bangos ilgio vertimo ir regeneravimo technologija.

Didėjant ryšių sistemų dažnių juostos pločiui optinio ryšio tinklų, perduodančių duomenų paketus, mazgams vis daugiau reikia optinių maršrutizatorių su sparčiais optiniais perjungikliais. Šį poreikį gali patenkinti puslaidininkiniai optiniai stiprintuvai, turintys ir didelę perjungimo spartą, ir stiprinimą, gerą kontrastą bei integravimo į didesnius darinius potencialą. Be to, ši technologija dabar yra pati svarbiausia, nes pagal ją tinklai atlieka kai kurias kitas svarbias funkcijas, tarp kurių minėtinos visiškas optinis bangos ilgio keitimas, bangos ilgių atrinkimas, signalų stiprinimas ryšio linijose ir prieš jiems patenkant į mazgą bei vidurinės spektro dalies apgrąžą.

SOA remiasi ta pačia technologija, kaip ir įprasti Fabry-Perot rezonatorius turintys lazeriniai diodai. Tokį lazerį sudaro stiprinamoji terpė rezonatoriaus (dažniausiai Fabry-Perot tipo) viduje. Stiprinama iš išorės kaupinant medžiagos energijos lygmenis. Jeigu norima panaudoti vien stiprinimą, būtina apsaugoti prietaisą nuo savaiminių svyravimų, sukeliančių lazerinio efekto atsiradimą ir generaciją. Tai yra daroma šalinant atspindžius nuo kristalo galų. Galai dengiami juos praskaidrinančiomis dangomis arba kristalas skaldomas taip, kad nuskeltoji plokštuma nesudarytų stačių kampų su aktyviosios srities šviesolaidžiu. Skirtingai nuo erbiu legiruotų skaidulinių optinių stiprintuvų (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier), kurie yra kaupinami optiškai, SOA kaupinimui yra naudojamos krūvininkus injektuojančios elektros srovės.

Tipišką SOA sudaro apie 600 µm ilgio aktyvioji sritis ir dvi apie 100 µm ilgio kiekviena įvesties bei išvesties galuose esančios pasyvios sritys (žr. 1 pav.). Centrinėje aktyviojo lazerinio darinio sluoksnio dalyje paprastai yra atskirojo ribojimo heterosandara (SCH – Separate Confinement Heterostructure), sudaryta iš 0,2 µm storio suspaustos puslaidininkinės medžiagos sluoksnio, apsupto dviejų 0,1 µm storio keturnarės medžiagos sluoksnių. Aktyvusis sluoksnis pamažu maždaug po 150 µm siaurėja, leisdamas šviesai pereiti į po juo esantį pasyvųjį šviesolaidį. Tokio tipo dariniai pasižymi dideliu optiniu ribojimu, nes tai užtikrina nemažas stiprinimo sritį sudarančių sluoksnių lūžio rodiklių skirtumas ir didelis išeinančios iš SOA šviesos dėmelės skersmuo, leidžiantis efektyviai įvesti šviesą į šviesolaidį.

Geri SOA turi pasižymėti šiais svarbiausiais parametrais:

mažesniu už 10-4 likutiniu atspindžiu, garantuojančiu ne didesnius kaip 0,5 dB stiprinimo charakteristikos bangavimus;

mažais optiniais nuostoliais, leidžiančiais pasiekti bendrą 30 dB stiprinimą;

dideliu medžiagos stiprinimo koeficientu, dėl kurio galima naudoti silpnas maitinimo sroves (paprastai nuo 20 iki 30 dB stiprinimas pereinant iš vienos skaidulos į kitą yra pasiekiamas naudojant vos 100 mA dydžio maitinimo srovę);

didele išvesties soties galia, t.y. tokia, kurią pasiekus stiprinimas sumažėja 3 dB;

įvedimo iš kristalo į skaidulą nuostoliais, mažesniais nei 3 dB kiekvienai plokštumai. Jie mažinami naudojant integrinius besiplečiančius išvesties šviesolaidžius;

mažesniu už 0,5 dB jautriu šviesos poliarizacijai, nes iš skaidulinės optinės linijos šviesa dažniausiai yra poliarizuota atsitiktinai. Tūriniuose puslaidininkio kristaluose medžiagos stiprinimas yra izotropiškas, tačiau tokį patį skersinio elektrinio lauko modos (TE) ir skersinio magnetinio lauko modos (TM) stiprinimą galima gauti naudojant beveik kvadratiško skerspjūvio šviesolaidį (0,4 µm x 0,6 µm), tuo užtikrinant beveik tokį pat abiejų spinduliuotės modų optinį ribojimą.

Visų šių charakteristikų vienu metu realizuoti neįmanoma, todėl tenka ieškoti vienokių ar kitokių kompromisų. SOA su kvantinėmis duobėmis tenkintų mažo likutinio atspindžio ir didelio medžiagos stiprinimo reikalavimus. Kita vertus, toks darinys yra iš prigimties jautrus šviesos poliarizacijai, nes TE modą stiprinti visada reikia daugiau nei TM modą. Šį reiškinį galima sumažinti derinant suspaustas kvantines duobes, geriau stiprinančias TE modą, su įtemptomis kvantinėmis duobėmis, kuriose daugiau stiprinama TM moda.

SOA rūšys

Priklausomai nuo praskaidrinančiųjų dangų efektyvumo SOA galima skirstyti į rezonansinius ir bėgančiosios bangos TW (Travelling Wave) prietaisus. Rezonansinių SOA dangų atspindžio koeficientas paprastai yra apie 10-2. Jų stiprinimo charakteristika dažniausiai svyruoja nuo 10 iki 20 dB, o dažnių juostos plotis – nuo 2 iki 10 GHz. TW prietaisų praskaidrinančios dangos turi mažesnį nei 10-4 atspindžio koeficientą (žr. 2 pav.). Jų stiprinimo charakteristika svyruoja apie keletą decibelų, o dažnių juosta didesnė kaip 5 THz, kas 1,55 µm bangos ilgių lange atitinka 40 nm.

Telekomo taikymams reikia TW stiprintuvų, nes juos galima panaudoti, pavyzdžiui, vieno kanalo bangos ilgių sutankinimui (WDM), optiniam signalų komutavimui magistralinio tinklo mazguose, bangos ilgio keitimui optinėse kryžminėse jungtyse bei optinio signalo atstatymo ir pastiprinimo 2R (reshaping and reamplification) arba optinio atstatymo, pastiprinimo ir pakartotinio sinchronizavimo 3R (reshaping, reamplification and retiming) įrenginiuose, esančiuose tolimojo ryšio transportiniuose tinkluose.

Į SOA injektuota įvesties galia Pin stiprinama iki Pout=GspPin, čia Gsp – vieno TW SOA ilgio L pralėkimo metu atsirandantis signalo stiprinimas, taigi Gsp=exp(gnetL). Bendras stiprinimo koeficientas gnet yra išreiškiamas kaip gnet=Gg-α , čia G, g ir α atitinkamai yra optinio ribojimo faktorius, medžiagos stiprinimo koeficientas ir optiniai nuostoliai.

Paskaidrinantiems sluoksniams taikant titano ir silicio oksidų (TiO2/SiO2) technologiją yra įmanoma pasiekti 10-5 eilės atspindžius. Derinant šią technologiją su pakreiptais SOA galais (apie 7o kampu) galima sukurti prietaisus su itin mažais ir gerai pasikartojančiais liktiniais atspindžiais, garantuojančiais, jog stiprinimo spektrinės charakteristikos bangavimas nebus didesnis kaip 0,5 dB.

Kai įvesties kanalų daug, jie gali sąlygoti SOA sotį. Vieno kanalo sukelta stiprinimo sotis keičia kitų kanalų atsaką; šitaip atsiranda kryžminė kanalų sąveika. Todėl WDM taikymui reikia prietaisų su didele soties galia. Spręsdami šią problemą kompanijos Alcatel specialistai sukūrė užspaustojo stiprinimo (GC – gain clamped) SOA paskirstytojo Braggo reflektoriaus (DBR) principu.

GC-SOA konstrukcija yra kiek pakeista – į kiekvieną pasyvųjį šviesolaidį įterpta po Braggo reflektorių. Dėl to atsiranda rezonatorius, taigi ir lazerinis efektas. Užprogramavus SOA konstrukciją taip, kad lazerinė generacija susiformuotų tik ties bangos ilgiu λlaser, kuris nebepatenka į pageidaujamą SOA stiprinamų bangos ilgių sritį, joje taip galima stabilizuoti stiprinimo koeficientą.

Tūrinio GC-SOA stiprinimo (iš skaidulos į skaidulą) keitimasis, kintant valdančiajai srovei ir išvesties galiai (dviem skirtingoms šviesos poliarizacijoms). Ties lazerinio efekto slenksčiu (apie 50 mA) stiprinimas, kaip ir tikėtasi, užspaudžiamas maždaug ties 15 dB. Jautris poliarizacijai yra < 1 dB; soties galia išvestyje – apie 12 dBm. Paprastai C-juostoje (nuo 1530 iki 1560 nm) dirbančiuose SOA λlaser yra apie 1510 nm. Atsiradus lazeriniam efektui krūvininkų tankis N sotinasi, todėl optinis stiprinimas, kuris yra proporcingas N, taip pat lieka pastovus nepriklausomai nuo to, kokie signalai pateks į įvestį. Tiesa, šiuo atveju stiprinimas sotinasi ties žemesniu lygmeniu nei standartiniame SOA (apie 15-18 dB). Kita vertus, taip pasiekiama didesnė 3 dB išvesties soties galia (apie 12 dB). Jau yra sukurti atskiri standartiniai ir užspaustojo stiprinimo SOA moduliai SOA taikymas Stiprintuvai. Pavieniai SOA gali būti naudojami išeinantiems signalams pastiprinti (standartinis prietaisas yra naudojamas dirbant viename kanale; WDM atveju geriau tinka GC-SOA) arba sustiprinti atėjusius signalus (kai duomenų perdavimo sparta 40 Gb/s ir didesnė, tai gali būti perspektyvi alternatyva griūtiniams fotodiodams). Stiprintuvams yra labai svarbus prietaiso triukšmų lygis. Triukšmų lygis apibrėžiamas kaip nsp/C1, čia nsp - apgrąžos faktorius, o C1 - bendri įvesties nuostoliai (sudaryti daugiausia iš nuostolių pereinant iš skaidulos į SOA ir lygūs maždaug 3 dB). Kadangi ir nsp, ir C1 priklauso nuo įvesties signalo poliarizacijos, triukšmo lygis numatomas kiekvienai poliarizacijos būsenai. Paprastai poliarizacijai nejautriuose stiprintuvuose, tokiuose kaip EDFA, triukšmo lygis yra lygus 2nsp/C1. Taigi SOA ir EDFA triukšmai skiriasi 3 dB. Perjungikliai. Kryžminės optinės jungtys OXC (Optical Cross-connects) yra pati svarbiausia SOA taikymo sritis. WDM sistemų mazgų optiniai maršrutizatoriai privalo komutuoti didelės spartos optinių duomenų paketus, visiškai optiškai keisti kanalams priskirtus bangos ilgius bei perskirstyti pačius skirtingų bangos ilgių kanalus. SOA sklendžių matricos gerai tinka sparčiai perjungti WDM 1550 nm bangos ilgių diapazonu. SOA sklendžių matrica sudaryta iš monolitiškai tame pačiame padėkle integruotų prietaisų. Kai į SOA injektuotoji srovė yra pakankamai stipri, per prietaisą einanti šviesa šiek tiek sustiprinama. Kai srovė susilpnėja arti nulio, prietaisas nebepraleidžia šviesos. Taigi SOA matrica gali būti perjungikliu. Daug SOA lustų sumontuojama ant to paties padėklo ir šitaip sukuriama didelio tankio perjungiklių matrica. Naudojant silicio arba kvarco platformas galima pasiekti didelio laipsnio integravimą. Ši technologija leidžia automatiškai suderinti SOA matricos optines ašis su išvesties skaidulomis, nes galima panaudoti V formos griovelius ir suderinimui skirtus, specialiai sukuriamus silicio paviršiaus nelygumus. Bangos ilgio keitikliai ir atkūrikliai. Perkonfigūruojamiems tinklams reikia prietaisų, sugebančių keisti signalo bangos ilgį ir optiškai jį atkurti. Bangos ilgiai keičiami taikant kryžminio fazės moduliavimo (XPM - Cross Phase Modulation) reiškinį, atsirandantį SOA esant vienoje Macho ir Zehnderio interferometro atšakoje. Moduliuotas įvesties signalas, perduodamas bangos ilgio λs šviesa, moduliuoja interferometro viduje esančio SOA krūvininkų tankį dėl kryžminio stiprinimo moduliavimo reiškinio (XGM - Cross Gain Modulation). Dėl to kinta medžiagos lūžio rodiklis, o tai savo ruožtu moduliuoja ir įvedamo pastovaus signalo, atitinkančio bangos ilgį λc fazę. Macho ir Zehnderio interferometras tą fazės moduliavimą verčia amplitudės moduliavimu. Kai perduodami 10 Gb/s spartos signalai, aktyvieji Macho ir Zehnderio bangos ilgių keitikliai pasižymi iki -10 dBm dydžio jautrius įvesties signalui, o vertimo proceso nuostoliai yra mažesni nei 1 dB.

Šiuo metodu galima C-juostos ribose ilginati arba trumpinti bangą. Svarbiausias Macho ir Zehnderio darinių privalumas yra tas, jog dėl netiesiško interferometro atsako po bangos ilgio vertimo gaunamas nemažas kontrastas, tuo būdu atkuriamas ir 2R. Naudojant du interferometrus su SOA, veikiančius kaip bangos ilgio keitikliai, galima sukurti ir 3G funkcijas atliekantį prietaisą. Pirmajame laipsnyje signalas yra atkuriamas ir pakartotinai sinchronizuojamas, po to antrasis laipsnis pakeičia išvesties signalų čirpą taip, kad jis tiktų duomenų perdavimui didelės dispersijos linija. Diferencinės konfigūracijos modoje šią koncepciją galima taikyti netgi ir tuomet, kai duomenų perdavimo sparta siekia 40 Gb/s. Atranka ir apgrąža. SOA prietaisai taip pat gali atlikti bangos ilgio atrankos ir vidurinės spektro dalies apgrąžos funkcijas. Bangos ilgius atrenkantis prietaisas gali būti sukurtas panaudojus SOA sklendes, įrengtas tarp dviejų fazuotųjų gardelių bangos ilgių demultiplekserių. Ši schema leidžia atrinkti bangos ilgius nanosekundžių eilės sparta. Monolitiškas prietaisų integravimas daro šią koncepciją labai patrauklią dėl kompaktiškumo ir galimybės pereiti prie masinės gamybos. Spektro apgrąža yra veidrodinis efektas, kuris veikia signalo spektro aukštadažnę ir žemadažnę dalis, jas sukeisdamas vietomis. Šį reiškinį galima taikyti, pavyzdžiui, dispersijos poveikiui kompensuoti. Spektro apgrąža gaunama atliekant SOA darinio optinę fazės konjugaciją (OPC - Optical Phase Conjugation). Tokia koncepcija leidžia sistemai sėkmingai veikti net ir tuomet, kai yra didelė skaidulų chromatinė dispersija. OPC galima realizuoti naudojant keturbangį maišymą ilgame SOA darinyje (apie 1200 µm), optimizuotą siekti kuo didesnio ribojimo faktoriaus (G=0,6). Viduryje skaidulos atkarpos esantis SOA pasižymi dideliu keturbangio maišymo efektyvumu ir pertvarko signalo spektrą. SOA išvestyje signalo spektras yra apverčiamas, o paties signalo forma visiškai atsistato po antrosios ryšio linijos pusės pralėkimo. OPC ir SOA naudojimas tolimojo ryšio linijose teiktų galimybių labai padidinti perduodamų bitų dažnius. SOA tampa svarbia technologija šiuolaikiniams optiniams ryšio tinklams, nes jos integravimo potencialas leidžia gaminti ekonomiškus ir kokybiškus prietaisus, derinančius monolitinius ir hibridinius sprendimus. Monolitinis integravimas indžio fosfido kristale gali būti panaudotas kuriant Macho ir Zehnderio SOA bangos ilgio keitiklius arba integruotus bangos ilgio atrinkiklius. SOA matricos ant silicio ar silicio dioksido padėklų sudaro prielaidas derinti ir hibridines, ir monolitines technologijas. Naudojant SOA galima sukurti daug įvairių prietaisų, atliekančių funkcijas, reikalingas ateities optiniams ryšio tinklams.