Tiến Sĩ Giao thoa kế Mach – Zehnder sợi quang phi tuyến hai cổng

Luận án tiến sĩ năm 2011
Đề tài: Giao thoa kế Mach – Zehnder sợi quang phi tuyến hai cổng


MỤC LỤC
Trang phụ bìa i
Lời cam đoan ii
Lời cảm ơn iii
Danh mục các từ viết tắt tiếng Anh dùng trong luận án iv
Danh mục các ký hiệu v
Danh mục các hình vẽ, đồ thị xvi
Mục lục xvii
Mở đầu 1
Chương 1 Nguyên lý lưỡng ổn định quang học, giao thoa kế sợi
quang phi tuyến 8
1.1 Nguyên lý lưỡng ổn định quang học 8
1.1.1 Hiện tượng lưỡng ổn định quang học . 8
1.1.2 Điều kiện để xảy ra hiệu ứng lưỡng ổn định quang học . 11
1.2 Các loại giao thoa kế sợi quang phi tuyến . 14
1.2.1 Giao thoa kế Fabry-Perot sợi quang phi tuyến và thiết bị
cộng hưởng vòng 16
1.2.2 Giao thoa kế Michelson sợi quang 23
1.2.3 Giao thoa kế Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến bốn cổng 26
1.3 Kết luận . 31
Chương 2 Bộ liên kết phi tuyến 34
2.1 Khái niệm bộ liên kết 34
2.2 Nguyên tắc cấu tạo, hoạt động bộ liên kết phi tuyến . 35
2.3 Phương trình sóng trong bộ liên kết phi tuyến 36
2.4 Sự truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến 38
2.5 Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến
vào các tham số nguyên lý . 40
2.5.1 Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi
tuyến vào chiều dài bộ liên kết z . 40
2.5.2 Độ dài kết hợp (Lkh) và độ dài 3dB (L3dB) của bộ liênkết phi tuyến 44
2.5.3 Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi
tuyến vào cường độ vào Iv . 48
2.5.4 Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi
tuyến vào hệ số chiết suất phi tuyến nnl . 53
2.5.5 Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi
tuyến vào bán kính lõi sợi a 55
2.5.6 Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi
tuyến vào khoảng cách giữa hai tâm của hai lõi sợi d 59
2.5.7 Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi
tuyến vào bước sóng λ . 61
2.6 Mối quan hệ giữa tỷ số d/a và độ dài “3dB” . 63
2.7 Kết luận 65
Chương 3 Giao thoa kế Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến haicổng 69
3.1 Cấu tạo TPNFMZI . 69
3.2 Phương trình cường độ vào - ra 70
3.3 Phương trình cường độ chuẩn hóa vào - ra 76
3.4 Hàm truyền . 77
3.5 Đường đặc trưng cường độ vào - ra 79
3.6 Sự phụ thuộc đặc trưng lưỡng ổn định quang học vào các tham số 82
3.6.1 Sự phụ thuộc đặc trưng lưỡng ổn định vào độ lệch pha
ban đầu ∆ϕ . 82
3.6.2 Sự phụ thuộc đặc trưng lưỡng ổn định vào bước sóng λ
của tín hiệu vào . 84
3.6.3 Sự phụ thuộc đặc trưng lưỡng ổn định vào hệ số chiết
suất phi tuyến nnl 87
3.6.4 Sự phụ thuộc đặc trưng lưỡng ổn định vào chiều dài sợi
quang phi tuyến L . 88
3.6.5 Sự phụ thuộc đặc trưng lưỡng ổn định vào hệ số truyền
qua bộ liên kết phi tuyến η1, η2 89
3.7 Kết luận . 99
Chương 4 Điều biến xung tín hiệu bằng giao thoa kế MachZehnder sợi quang phi tuyến hai cổng 103
4.1 Xung đơn dạng Gauss . 103
4.2 Chuỗi xung dạng Gauss có biên độ ngẫu nhiên 105
4.2.1 Mối quan hệ giữa đặc trưng lưỡng ổn định và điều biến
chuỗi xung dạng Gauss có biên độ ngẫu nhiên 106
4.2.2 Khảo sát điều biến chuỗi xung dạng Gauss có biên độ
ngẫu nhiên thành chuỗi xung ra có biên độ thấp . 111
4.2.3 Khảo sát điều biến chuỗi xung dạng Gauss có biên độ
ngẫu nhiên thành chuỗi xung ra có biên độ lớn tùy ý 116
4.3 Chuỗi xung dạng sin 118
4.4 Chuỗi xung dạng sin có biên độ ngẫu nhiên: . 124
4.5 Kết luận: 127
Kết luận chung và kiến nghị 130
Danh mục các công trình đã công bố của tác giả 133
Tài liẹu tham khảo 135
Phụ lục 1


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, các nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới đã và đang tập
trung nghiên cứu các thiết bị cơ bản trong hệ thống máy tính quang tử, thông
tin quang, kỹ thuật quang phi tuyến, như máy tạo dạng tín hiệu quang học,
bộ biến đổi tương tự/số (Analog/Digital - A/D), phần tử bộ nhớ, bộ chuyển
mạch, bộ hạn chế cứng, cổng logic, mạch đảo quang [14, 21, 38, 51, 79, 99] .
Nguyên tắc hoạt động của các thiết bị cơ bản trên dựa vào hai trạng thái ổn
định quang học, do đó chúng được gọi là các thiết bị lưỡng ổn định quang học
(Optical bistable device - OBD) [81]. Tác nhân của thiết bị là chùm laser có
cường độ mạnh nên tốc độ chuyển mạch là rất lớn và có nhiều ưu điểm. Điều
này đã thôi thúc các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu từ những
thập niên cuối của thế kỷ 20 đến nay và đạt được những thành tựu đáng kể
[11, 17, 42, 54, 65, 81, 88, 107] . Đã có nhiều đề xuất chế tạo v à đưa vào sử
dụng những thiết bị OBD như: cặp diot phát quang, cặp laser bán dẫn, các
lớp phản xạ, lớp màng mỏng phun lên thủy tinh, các giao thoa kế (GTK) phi
tuyến [8, 9, 20, 51, 74, 79, 82]. Điều đó, đánh dấu bước phát triển mới của khoa
học kỹ thuật là chuyển từ điện tử sang quang tử; từ máy tính điện tử sang
máy tính quang.
Các OBD khác nhau hoạt động dựa trên các nguyên lý khác nhau, nhưng
phần lớn chúng hoạt động dựa trên nguyên lý hoạt động của GTK phi tuyến
[21, 22, 26]. Những OBD trước đây dùng các hoạt chất như chất khí, chất lỏng,
vì vậy kích thước của chúng rất lớn. Với những ưu điểm trong kỹ thuật bán dẫn
nano và sợi quang, kích thước của chúng được giảm dần [31, 35, 37, 78]. Hiện
nay, OBD thông dụng là các loại GTK sợi quang phi tuyến như: FabryưPerot,
1
Michelson và Mach-Zehnder. Chúng biểu hiện hiệu ứng phi tuyến tốt, rất hữu
ích cho việc chuyển quang [21, 25, 26, 66, 107], khi mức công suất lớn đủ để
tự điều biến pha (Self phase modulation - SPM) và điều biến pha chéo (Crossphase modulation - XPM), điều này rất quan trọng để tạo điều kiện xảy ra
lưỡng ổn định quang học. Đặc biệt, GTK Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến có
những ưu điểm vượt trội như có cấu tạo đơn giản, trường rộng, thiết lập định
hướng tự động, độ trễ biến thiên không cần nguồn quang phụ, thiết lập độ ổn
định cao. GTK Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến được sử dụng trong nhiều
ứng dụng quang học, chẳng hạn như đo độ dài kết hợp của laser, dòng nhiệt
động, độ phẳng của tấm quang học, độ dày của màng mỏng. Trong viễn thông,
GTK Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến được sử dụng như một bộ lọc quang
có chọn lọc, bộ tách sóng quang theo bước sóng và công suất, thiết bị khoá
đóng mở nhanh khi kết hợp với bộ khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor
optical amplifier - SOA) [16, 43, 44, 83, 93], linh kiện điều biến những tín hiệu
xung [54, 55, 87, 113] .
Một trong những vấn đề quan trọng trong việc nghiên cứu các OBD là
xác định điều kiện xảy ra lưỡng ổn định quang học. Lưỡng ổn định quang học
là hiện tượng mà trong đó có thể xuất hiện 2 trạng thái quang học ra ổn định
của một hệ quang học ứng với cùng một trạng thái quang học vào khi chùm
tia laser truyền qua môi trường phi tuyến [81]. Đây là tính chất đặc biệt quan
trọng góp phần tạo nên hệ máy tính lượng tử có tốc độ rất cao. Do đó, các
nhà khoa học trong nước cũng đã tích cực nghiên cứu vào những năm 90 của
thế kỷ 20 và đạt được những kết quả như: nghiên cứu các giản đồ pha lưỡng
ổn định quang học trong laser vòng chứa vật liệu hấp thụ bão hòa; đặc trưng
tai biến trong một số thiết bị lưỡng ổn định quang học; hiện tượng lưỡng ổn
định quang học trong các laser có chất hấp thụ bão hòa với buồng cộng hưởng
2
Fabry-Perot [1, 2, 3]. Tuy nhiên, tính lưỡng ổn định của OBD phụ thuộc vào
sự thay đổi các tham số nguyên lý, dẫn đến ảnh hưởng cường độ ra của OBD,
nghĩa là ảnh hưởng đến mối quan hệ cường độ vào - ra, ảnh hưởng này vẫn
chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Hơn nữa, việc nghiên cứu hiệu ứng
lưỡng ổn định trong các môi trường dẫn sóng khác nhau có ý nghĩa cả về
nghiên cứu khoa học cơ bản và nghiên cứu công nghệ chế tạo. Trong khoa học
cơ bản, nó giúp hiểu biết sâu về tương tác photon-vật chất, đặc biệt trong môi
trường kích thước xấp xỉ bước sóng. Trong công nghệ chế tạo, nó giúp định
hướng cho việc chế tạo các linh kiện quang tử kiểu mới, đó là linh kiện chuyển
mạch quang tốc độ cao có điều khiển. Do đó, việc ứng dụng tính chất lưỡng
ổn định của GTK Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến trong công nghệ laser và
quang học cũng đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên
cứu [24, 62, 66, 73, 95, 102, 111].
GTK sợi quang phi tuyến được sử dụng vào các mục đích như nêu trên
đang chiếm ưu thế và được các nhà khoa học tìm cách để nâng cao hiệu quả sử
dụng chúng [24, 54, 66, 113]. Cho đến nay, mẫu GTK Mach-Zehnder sợi quang
phi tuyến đã và đang sử dụng đều được thiết kế có hai bộ liên kết (BLK) tuyến
tính, là BLK được cấu tạo bởi hai sợi quang tuyến tính, với bốn cổng nên được
gọi là GTK Mach - Zehnder sợi quang phi tuyến bốn cổng (Four-port nonlinear
fiber Mach-Zehnder interferometer - FPNFMZI). Do sử dụng hai BLK tuyến
tính nên có các mối nối giữa sợi tuyến tính của BLK và sợi phi tuyến của GTK,
điều này làm giảm hiệu suất hoạt động, cũng như không đồng bộ trong cấu
hình. Vấn đề đặt ra, liệu có thể sử dụng BLK phi tuyến, là BLK cấu tạo bởi một
sợi quang tuyến tính và một sợi quang phi tuyến, thay cho BLK tuyến tính,
nhằm làm giảm đi các mối nối, nâng cao hiệu suất và đồng bộ trong cấu hình,
mà vẫn không làm ảnh hưởng đến chức năng của BLK hay không? Nếu được,


Tài liệu tham khảo
[1] Phùng Quốc Bảo, Đinh Văn Hoàng, “Các giản đồ pha lưỡng ổn định quang
học trong laze vòng chứa vật liệu hấp thụ bão hòa”, Tạp chí Khoa học, Khoa
học tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội), Tập XIII, 5, (1997), 1-6.
[2] Nguyễn Văn Hoá, “Nghiên cứu đặc trưng tai biến trong một số thiết bị lưỡng
ổn định quang học”, Luận án tiến sĩ vật lý, Vinh, (2005).
[3] Đinh Văn Hoàng, Vũ Tuấn Lâm, “Hiện tượng lưỡng ổn định quang học trong
các LSA với buồng cộng hưởng Fabry-Perot”, Tạp chí Khoa học, Khoa học
tự nhiên (ĐHTHHN), 4, (1987), 7-12.
[4] Nguyễn Đại Hưng, “Vật lý và kỹ thuật Laser”, NXB ĐHQG Hà Nội, (2004).
[5] Đinh Xuân Khoa, Bài giảng điện tử: “Quang phổ học”, dành cho cao học
chuyên ngành quang học ĐH Vinh.
[6] Hồ Quang Quý, “Laser bước sóng thay đổi và ứng dụng”, NXB ĐHQG Hà
Nội, (2005).
[7] Hồ Quang Quý, “Laser rắn công nghệ và ứng dụng”, NXB ĐHQG Hà Nội,
(2006).
[8] Hồ Quang Quý, “Quang phi tuyến ứng dụng”, NXB ĐHQG Hà Nội, (2007).
[9] H. Q. Quý, V. N. Sáu, “Vật lý laser và quang phi tuyến”, ĐHSP Vinh, (1997).
135
[10] Đoàn Hoài Sơn, “Chuyên đề Laser”, Bài giảng cho cao học chuyên ngành
quang học ĐH Vinh.
TIẾNG ANH
[11] E. Abraham and S. D Smith, Re, Prog. Phys., 45, (1982), 815.
[12] G. P. Agrawal, “Applications of Nonlinear Fiber Optics”, The Institute of
Optics University of Rochester, New York, (2001).
[13] G. P. Agrawal, “Fiber-Optic Communication Systems”, 2nd ed., Wiley, New
York, (1997).
[14] M. C. D. Andrew, “Opt. Switching”, OPN, (2005), 34.
[15] G. P. Agrawal and H. J. Carmichael, Phys. Rev. A 19, (1979), 2074.
[16] Arrioja D. A. May, P. LiKamWa, I. Shubin, P. K. L. Yu, “Integrated InGaAsP MQW Mach - Zehnder Modulator”, Microelectronics Journal, Vol.
39, 3 - 4, (2008), 660 - 663.
[17] S. N. Bagayev, V. P. Chebotayev, , M. P. Ostromensky, and P. V. Pokasov,
“Amplified Optical Bistability”, Laser Physics, Vol. 4, 2, (1994), 299-301.
[18] E. Bodtker and J. E. Bowers, J. of Lightwave Technology, 13, (1995), 1809.
[19] M. Born and E. Wolf, “Principles of Optics”, 7th ed., Cambridge University
Press, New York, (1999), Chap. 7.
[20] R. W. Boyd, “Nonlinear optics”, Academic Press Inc., (1992).
[21] L. Brzozowski et al, J. of Lightwave Technology, 19, (2001), 114-119.
[22] M. Cai et al, Opt. Letters, 25, (2000), 1430.
[23] M. Sc. Haitao Chen, “Development of an 80 Gbit/s InP - based Mach -Zehnder Modulator”, D