BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
BÙI NÔNG TRƯỜNG
NGHIÊN CỨU HIEU UNG LUONG ON DINH
QUANG HOC TRONG CAU TRUC PHAN HOI PHAN BO PHI TUYEN UNG DUNG
TRONG THONG TIN QUANG
LUAN VAN THAC SI VAT LY
VINH - 2013
Trang 2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
BÙI NÔNG TRƯỜNG
NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG LƯỠNG ÔN ĐỊNH
QUANG HOC TRONG CAU TRUC PHAN HOI
PHAN BO PHI TUYEN UNG DUNG TRONG THONG TIN QUANG
CHUYEN NGANH: QUANG HOC
MA SO: 60.44.01.09
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học:
TS NGUYÊN VĂN PHÚ
VINH - 2013
Trang 3
LỜI CẢM ƠN
Bản luận văn này được hoàn thành nhờ quá trình nỗ lực của bản
thân và sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Lăn Phú Thây đã
đặt bài toán, tận tình hướng dẫn, ln quan tâm, động viên và giúp đỡ tác
giả trong suối thời gian hoàn thành luận văn Đối với tác giả, được học tập
và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thay là một niềm vinh dự lớn lao
Nhân dịp này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo về sự giúp đỡ quý bau va nhiét tinh do
Em ciing xin phép duoc cảm ơn các thây giáo đã tham gia giảng
day, dao tao tai lop Quang học 19, cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Lột lý, Khoa đào tạo Sau đại học, Ban lanh dao Truong dai hoc Vinh đã tạo diéu kiện thuận lợi cho em trong quá trình học lập, nghiên cứu tại cơ sở đào
tạo
Tôi bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các
anh, chi học viên lớp Cao học I9 — chuyên ngành Quang học tại Trường đại học Sài Gòn đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập Tơi xin cam ơn Thể Nguyễn Thị Tiêu Nương đã đóng góp nhiều ý kiến quỷ giá cho tác giả trong quá trình nghiên cứu, hoàn thiện luận văn
Xim chân thành cam on !
Tp Hồ Chí Minh tháng 6 năm 2013
Trang 4MỤC LỤC
Lời mở đầu
Chuong I - TONG QUAN VE HIEU UNG LUONG ON ĐỊNH
3/05: a
11 1.2 143 1.4
Môi trường tuyến tính
Mơi trường phi tuyến
Một số hiệu ứng quang phi tuyến 22: ©2222 22 E2S22EEc2zEsrsrrx
Kết luận chương 1 1 2222211111111 1152552211111 1 11k se
Chương II - NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG LƯỠNG ÖN ĐỊNH QUANG
HQC TRONG CAU TRUC PHAN HOI PHAN BÓ PHI TUYẾN ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN QUANG 222-222¿+2222+zz22zzcszzx
2.1 2.2 2.3
KET LUAN CHUNG
Cơ sở lý thuyết -2-22s2 S222 2222222511211121712221E1221 271 ree
Nghiên cứu hiệu ứng lưỡng ổn định quang trong cấu trúc phản hồi phân bô với vật liệu CdSe tng dụng trong xứ lý tín hiệu quang
Kết luận chương
TÀI LIỆU THAM KHẢO ©22222222521222152221221112 221121 xe
PHỤ LỤC 1 2221221111221 1221211 111111221112 11111112 11H eg
Trang 5LỜI MỞ ĐÀU
Với sự phát triên của xã hội lồi người thì nhu cầu truyền tải thông tin
liên lạc diễn ra với số lượng ngày càng nhiều Chính vì điều đó dẫn đến việc những hệ thống thông tin liên lạc áp dụng trong các lĩnh vực đời sống hằng ngày là không thể đáp ứng kịp những nhu cầu đó của xã hội
Cho đến khi laser đầu tiên được ra đời vào năm 1960 thì một cuộc cách
mạng trong lĩnh vực công nghệ mới được ra đời đó là sự fruyên dẫn thông tin bằng ánh sáng Người ta còn gọi chúng bằng một cái tên khác là /hông fin bằng ánh sáng hay ngắn gọn là thông tin quang
Chính sự ra đời của lĩnh vực này, đã tạo điều kiện cho ngành quang học
nói chung và cho ngành quang học phi tuyến nói riêng có được sự phát triển
mạnh mẽ nhất và tạo ra được rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học cụ thể như khoa học kỹ thuật, khoa học quân sự, đặc biệt trong công nghệ
truyền dẫn quang
Thông qua tuyến truyền dẫn quang, một khối lượng thông tin cực lớn
dạng tín hiệu số, tín hiệu âm thanh và tín hiệu hình ảnh được xử lý và truyền
đi một cách nhanh chóng và hiệu quả Điều này đã giúp cho con người trên
thế giới có thể liên lạc với nhau một cách dễ dàng, thuận tiện tạo ra hệ thống
thông tin liên lạc đa quốc gia
Trong quá trình truyền dẫn bằng hệ thống thông tin quang thì thiết bị lưỡng ổn định quang học đóng một vai trị đặc biệt quan trọng trong hệ thống
đó Ngồi ra các thiết bị quang tử mới như bộ nén xung, bộ ghép kênh, bộ tạo
Trang 6trình thúc đây thương mại hóa và góp phần to lớn trong việc hạ giá thành của quá trình truyền dẫn thơng tin
Nhằm mục đích tìm hiểu về mặt vật lý, công nghệ và những ứng dụng
của các thiết bị quang tử ứng dụng hiệu ứng lưỡng Ổn định quang học, trong luận văn này, chúng tôi đặt vấn đề: “Nghiên cứu hiệu ứng lưỡng én định quang học trong cấu trúc phản hồi phân bố phi tuyến ứng dụng trong thông tin quang”
Nội dung của luận văn này được trình bày với bố cục gồm các phần:
Mở đầu, hai chương nội dung, kết luận chung, danh mục các tài liệu tham
khảo và phần phụ lục
Chương Ï: Tổng quan về hiệu ứng lưỡng én dinh quang hoc
Ở chương 1, chúng tơi trình bày khái niệm về hiệu ứng lưỡng ôn định
quang học và hiệu ứng Kerr, một số ứng dụng của các thiết bi dua trên hiệu ứng lưỡng ôn định Đồng thời cũng đưa ra phương trình mô tâ quan hệ vào ra của các thiết bị quang học sử dụng trong môi trường phi tuyến kiểu Kerr để làm cơ sở và định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo của mình
Chương II: Nghiên cứu hiệu ứng lưỡng én định quang học trong cấu trúc
phản hồi phân bố phi tuyến ứng dụng trong thông tin quang
Trong chương 2 này, xuất phát từ hệ phương trình tốc độ, chúng tôi
khảo sát sự xuất hiện của hiệu ứng lưỡng én định quang học trong cấu trúc phan héi phân bố sử dụng vật liệu CdSe đề xuất Quá trình điều khiển hiệu
Trang 7CHƯƠNG I TÔNG QUAN VẺ HIỆU ỨNG LƯỠNG ÓN ĐỊNH
QUANG HỌC
Trải qua lịch sử lâu dài của ngành khoa học quang học, ngay cả đến những thập niên đầu của thế kỷ 20 chúng ta nghĩ rằng các mơi trường quang học có tính chất tuyến tính Những tính chất tuyến tính tập trung vào các
khẳng định sau [1]:
* Các đặc trưng quang học như chiết suất, hệ số hấp thụ không phụ thuộc vào cường độ sáng:
* Nguyên lý chồng chất được xem như là nguyên lý cơ bản của quang
học cổ điển;
* Tần số ánh sáng không thể thay đối trong quá trình truyền lan trong môi trường quang học;
* Ánh sáng không thể tác động tương hỗ lẫn nhau Hai chùm ánh sáng trong cùng một vùng nhỏ có thể không tác động lẫn nhau hay nói cách khác ánh sáng không thể khống chế ánh sáng
Sự ra đời của laser trong năm 1960 đã cho phép chúng ta khả năng kiêm chứng đặc trưng của ánh sáng trong môi trường khi cường độ lớn hơn nhiều so với trước đây Nhiều thí nghiệm đã cho thấy mơi trường có tính chất phi tuyến sau [1-3]:
* Nguyên lý chồng chất đã bị phá vỡ:
Trang 8ảnh sáng khác và của ngay chính bản thân nó Sau đây, chúng tơi sẽ giới thiệu
về các môi trường này một cách cụ thể hơn 1.1 Môi trường tuyến tính
Xét mơi trường điện mơi, trong đó đặc trưng của môi trường điện môi khi có ánh sáng truyền qua được mô tả bởi quan hệ chặt chẽ giữa véctơ mật
độ phân cực PŒ,) và véctơ điện trường EŒ,:) Có thể xem véctơ phân cực như là đầu ra của hệ, trong khi véctơ điện trường là đầu vào Hệ thức tốn học
mơ tả quan hệ giữa các hàm véctơ PŒ,:)và Œ,:)sẽ xác định đặc trưng của
môi trường:
PŒ.t)= sxzÊŒ.t) (1.1)
Trong do «, la hang s6 dién méi trong chân không, z là độ cảm điện của môi
trường Mơi trường tuyến tính được đặc trưng bởi quan hệ tuyến tính giữa
Pcr,f) va E(r,t) như trình bày ở trên hình 1.1 P
Hình 1.1 Quan hệ P-E đối với môi trường tuyến tính
Độ lớn mật độ phân cực ?=X¿ là tích của mơmen phân cực riêng
(individual dipole momenf) / gây ra bởi điện trường ngồi có độ lớn biên độ E và mật độ mômen lưỡng cực riêng N Như vậy, đặc trưng phi tuyến sẽ do /
va N quyét dinh
Trang 9Thông thường giá trị này nằm trong khoảng từ 10' đến 10% V/m Hiện tượng này có thê giải thích nhờ mẫu Lorentz Trong mẫu này /=-er, trong đó r độ
dịch chuyên vị trí của khối lượng m mang điện tích e, dưới tác động của lực điện -eE Khi lực đàn hồi tỉ lệ thuận với độ chuyển dịch, tức thỏa mãn định luật Hooke, thì độ chuyền dịch cân bằng r tỉ lệ thuận với E, P tỉ lệ thuận với E
và là môi trường tuyến tính
Một bản chất khác của sự đáp ứng của môi trường với ánh sáng là sự phụ thuộc của mật độ N vào trường quang Khi điện trường của ánh sáng sử dụng nhỏ hơn nhiều so với trường tinh thể hoặc trường giữa các nguyên tử, ngay cả khi hội tụ ánh sáng thì hiệu ứng phi tuyến rất yếu Khi đó, quan hệ giữa P và E gần như tuyến tính đối với trường hợp yếu Trong trường hợp này có thể phân tích hàm quan hệ giữa P và E theo dãy Taylor xung quanh giá trị E-0,
Pa qE+ aE +4 aE + (1.2)
Va chỉ sử dụng một vai số hạng bậc thấp Các hệ số ai, a› và a là đạo hàm bậc nhất, bậc hai và bậc ba của P theo E tại E = 0 Các hằng sỐ này là các hằng sỐ
đặc trưng của môi trường Số hạng thứ nhất tuyến tính gắn với trường yếu Rõ rang a,=6,7, trong do la d6 cảm tuyến tính liên quan đến hằng số điện môi và chiết suất được xác định bởi hệ thức z ='“~=1+ z Số hạng hạng thứ hai mô
So
tả phi tuyến bậc hai, số hạng thứ ba mô tả phi tuyến bậc ba và tương tự với các bậc cao hơn tương ứng Nếu ánh sáng qua môi trường yếu, hiệu ứng phi tuyến gần như không quan sát được, khi đó các số hạng phi tuyến bậc cao (từ bậc hai trở lên) được bỏ qua Phần lớn các hiện tượng quang học trong đời sống hằng ngày là kết quả phản ứng tuyến tính của môi trường đối với chùm
sáng tới có cường độ thấp Đặc biệt lúc đó chiết suất, hệ số hấp thụ hệ số
Trang 10ánh sáng Các phương trình Maxwell trong trường hợp này là tuyến tính và nguyên lý chồng chất là đúng
1.2 Môi trường phi tuyến
Như đã trình bày ở phần 1, đặc trưng phi tuyến sẽ do / và N quyết định Quan hệ giữa ¿ và E sẽ là phi tuyến khi E đạt giá trị tương đương với điện trường tương tác giữa các nguyên tử, khi đó các hiệu ứng quang phi
tuyến mới bộc lộ bản chất của mình Cũng như trên, khi lực đàn hồi là hàm
phi tuyến của độ dịch chuyên thì độ dịch chuyền cân bằng r cũng như mật độ phân cực P là hàm phi tuyến của E Ta viết lại (1.2) đưới đạng gọn hơn
P=6,yE+2dE?+47°R' + (1.3)
Trong đó đ= _ T= ie là các hệ số mô tả các hiệu ứng phi tuyến bậc hai và bậc ba tương ứng Môi trường lúc này được gọi là môi trường phi tuyến
Hình] 2 Quan hệ P-E đối với môi trường phi tuyến
Môi trường phi tuyến có cấu trúc tạo thành các lớp có chiết suất biến thiên tuần hồn được gọi là mơi trường có cấu trúc tuần hoàn phi tuyến 1.3 Một số hiệu ứng quang phi tuyến
1.3.1 Hiệu ứng lưỡng én dinh quang hoc
Trang 11tượng này tổn tại một sự phụ thuộc kiểu trễ (hysteresis) của đặc trưng quang học vào - ra của hệ Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là sự thay đôi đột
biến của các trạng thái vật lý của hệ khi các điều kiện vật lý (các tham số vật
lý) biến đổi trong những giới hạn nhất định Dé thu được lưỡng ôn định quang học có nhiều phương pháp lý thuyết cũng như thực nghiệm, song nguyên tắc cơ bản của hiện tượng này có thể trình bày dưới dạng tổng quát như sau [1, 2,
3]:
Hãy xét một “máy” quang học có hệ số truyền qua là 7 = 7„„/⁄7,„ (7„„ là
cường độ ánh sáng ra, 7,„„ là cường độ ánh sáng vào) phụ thuộc phi tuyến vào
chiết suất N của nó Hệ số này có thể viết M = N(U); U là các tham số của môi trường (như mật độ điện tích, nhiệt độ ) Hệ này có đặc tính khác biệt
với các hệ quang học thơng thường ở chỗ dịng ánh sáng truyền qua hệ 7;ạ có
một phần kla được hồi tiếp trở lại hệ theo một cách thức nào đó, kết quả là
tham số trạng thái của hệ biến đối một lượng là:
AU =kOlia
Trong đó: Q là hệ số biến đổi va k 1a hệ số hôi tiếp
Khi đó U = Ua+kQI,„ sẽ dẫn đến chiết suất cũng biến đôi một lượng:
AN=N-Na=No +6NOkI„ (1.4)
voi No la chiết suất ban đầu của môi trường phi tuyến va: ổN= m
U=Uạ
Kết quả hệ số truyền qua thay đổi một lượng như sau: A7 =7 '- 7
Hay: AT =(1- ive =(1-k)T(N) (1.5)
vao
Trang 12N-N,
SNQKI, vao =T(N) (1.6)
Biểu thức (1.6) cho ta thấy hệ số truyền qua 7(M) là một hàm phi tuyến theo
ÁN Như vậy, việc xác định các gia tri N va T theo ƒy„ có thể thực hiện bằng đổ
N-N,
thị, đó là giao điểm giữa các đường thẳng: A= or voi dé thi T(N) [1]
vao
Đồ thị mô tả quan hệ (1.6) được mô tả trên hình hình 1.3
T(n) (-k)ra ùh b @ le No(1o) (b) Tyao
Hình 1.3 (a) Sự phụ thuộc đâu ra vào đầu vào - Đường đứt nét đặc trưng không ôn định `
(b) Điểm ÁN là điểm hoạt động của máy “quang hoc” Nguon TLTK [1]
Như vậy trong một miền xác định của 7y„„ sẽ tồn tại 3 giá trị của 7 và ý ứng với một giá trị của Ïvạo Kết quả cho ta một dạng đặc trưng đồ thị hình chữ S biểu diễn dòng ra ?;ạ phụ thuộc vào các tham số của hệ mô tả khả năng hồi tiếp và độ phi tuyến của chiết suất Trong 3 nghiệm hình thức của Ä và từ đó
của 7 có 2 nghiệm nằm vào các nhánh trên và dưới, nghiệm thứ 3 nằm ở
Trang 13nhánh trên hoặc nhánh dưới của đồ thị Giá trị cường độ vào biểu diễn trên trục hoành, các giá trị cường độ ra sẽ dịch chuyên theo nhánh dưới cho đến
khi giá trị Zao dat dén ƒv„ = 72, khi đó địng truyền qua 7; sẽ nhảy lên nhánh trên của đồ thị Vào thời điểm 7„ đang nằm ở nhánh trên của đường cong vào - ra, muốn trở về nhánh dưới thì cường độ [yao phai giảm xuống thấp hơn một
giá trị tới hạn khác 7; < 7; Như vậy một đường cong trễ đã được xác lập Ngoài hai giá trị tới hạn 7;, 7; thì hệ là ôn định quang học Điểm Ä¿ trên hình
1.3.b) có thể coi là điểm hoạt động của "máy", tuỳ thuộc vào vị trí Nọ mà OB
có thể xảy ra hay không Hiện tượng lưỡng Ổn định quang học (OB) chỉ xây khi ra khi Nụ có giá trị sao cho độ nghiêng của đường cong 7{(N) (đ7⁄đ2M) lớn hơn độ nghiêng của đường thẳng được vẽ từ Nọ là đường thẳng:
N-N,
~ SNQKI,
(có độ nghiêng là: 1/5 NOKI,) Diéu đó cho phép ta xác định một cách định
tính điều kiện tới hạn OB như sau:
đT _NN, aT
dN T(N) dN
SNOK, >1 (17)
Từ (1.7) ta thấy øw và đ7⁄4N luôn cùng dấu, nghĩa là luôn phải tồn tại một sự hồi tiếp dương Khi tăng Ƒ„„„ sẽ làm tăng 7,„ và làm biến đối Sự biến
đối U gây ra N biến đổi và 7 cũng tăng lên kéo theo J,, tang
Bằng cách khác ta có thể chứng minh biểu thức (1.7) chính là điều kiện
để xảy ra ngưỡng của lưỡng ôn định quang học Thật vậy để hiệu ứng lưỡng
ổn định xuất hiện phải tạo ra bước nhảy Giả sử N và 7(N) lần lượt là chiết suất và hệ số truyền qua của trạng thái ôn định ung voi dong vao Iya nao
Trang 1410
5N, = SNOKT(NY6I,,,
Nhờ đó hệ số truyền qua tăng một lượng:
s(x)
Khi A7; xuất hiện sẽ có sự thay đồi chiết suất như sau:
AN, =öNOMI, (4T / dN)AN,
Quá trình này sẽ hội tụ khi thỏa mãn điều kiện như sau [1]:
`
1
Như vậy để xuất hiện bước nhảy thì điều kiện (1.7) phải xây ra, khi đó hệ chuyên trạng thái từ nhánh dưới lên nhánh trên và ngược lại Rõ ràng (1.7)
xác định điều kiện dé xuất hiện OB Hệ quang học xảy ra bất đẳng thức (1.7)
mang tính chất phi tuyến Những lập luận chỉ xác định chính xác trong gần đúng bậc nhất nghĩa là AN~ AU~ ï;ạ Trong những điều kiện cụ thê của "máy" quang học, OB sẽ xảy ra ở mức độ khác nhau, nhưng sự mô tả định tính ở trên có tính tổng quát và hợp lý Như vậy "máy" quang học sinh ra và
chỉ phối OB cũng tương tự như "máy" tai biến, tạo ra tai biến đỉnh với bước
nhảy xác định được mô tả trong các cơng trình trước đây Thiết bị lưỡng ôn định có vai trị quan trọng trong các mạch số được ứng dụng trong thông tin, xử lí tín hiệu số và trong máy tính Chúng được sử dụng như là các khóa đóng mở, các cổng lôgic, các phần tử nhớ Các tham số của thiết bị cũng có thể được điều khiển sao cho hai giá trị ngưỡng của đầu vào tring nhau (v,=v,) Thiết bị một ngưỡng như vậy có mối quan hệ giữa đầu vào với đầu ra dạng
chữ S Với đặc điểm này nó có độ khuếch đại vi phân rộng và được sử dụng
Trang 1511
Vào
Hình 1.4 /!¿ lưỡng ồn định làm việc như là thiết bị khuếch đại Ra
Xung ra
LÍ - Vào t t
Trang 1612
Hình 1.5 /!¿ lưỡng ồn định đóng vai trị thiết bị nắn xung, phần tử chặn
Đối với các phần tir logic sir dung thiết bị lưỡng ôn định, các đữ liệu nhị
phân được thể hiện bằng các xung và được đưa đồng thời vào thiết bị Với sự
lựa chọn chính xác độ cao xung phù hợp với các giá trị ngưỡng, hệ sẽ mở hoặc đóng tùy thuộc tín hiệu đầu vào Khi xuất hiện đồng thời hai xung thì
đầu ra nhảy lên trạng thái cao (hệ mở) và nó nhảy về trạng thái thấp (hệ đóng) nếu điều kiện này không thỏa mãn Vì thế, trong trường hợp này hệ hoạt động như là một phần tử logic AND (hình 16)
Một mạch lưỡng ổn định điện tử được chế tạo bằng cách kết nối các Transistor với nhau, còn thiết bị lưỡng én định quang học là sự kết hợp giữa
các vật liệu phi tuyến và quá trình phản hồi quang học
Như vậy để cho thiết bị lưỡng ôn định hoạt động thì cần có hai điều kiện cơ bản, đó là hiệu ứng phi tuyến và sự phản hồi ngược Cả hai yếu tố này
có thể tạo được trong quang học Khi tín hiệu đi qua môi trường phi tuyến, một phần được hồi tiếp trở lại và đóng vai trị điều khiên khả năng truyền ánh sáng trong chính mơi trường đó thì đặc trưng lưỡng ổn định có thể xuất hiện
Trang 1713 Ip Ra 1a
Hình 1.6 Thiét bi lưỡng ổn định hoạt động như là một công logic AND Đầu vào l, = lị + ]› với lạ và ]› biểu diễn các dữ liệu nhị phân Đầu ra I„ nhận giá
trị cao khi và chỉ khi xuất hiện đông thời hai xung
Xét hệ quang học tổng quát như hình 1.8 Nho quá trình phản hồi
ngược, cường độ sáng ở đầu ra lạ bằng cách nào đó sẽ điều khiển được hệ số
truyền qua f của hệ Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra được xác định bằng
hệ thức: lịạ = f.l¿o với f là hệ số truyền qua và phụ thuộc vào cường độ đầu ra
Nếu f là hàm tuyến tính đối với lạ thì mối quan hệ giữa lụạo với l„„ cũng là tuyến tính Nghia là hệ khơng có đặc trưng lưỡng ổn định Vì vậy dé thiết bị lưỡng ôn
định hoạt động, trước hết hệ số truyền f phải là hàm phi tuyến của l„ạ
Trang 1814
Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động của thiết bị lưỡng ôn định quang học
(ha) ha Hình 1.8 Đồ thị /(1„) có dang hình chng Lia Tao a) b)
Hình 1.9 a, b Mới quan hệ vào - ra khi hàm truyễn có dạng hình chng
Khi /#,„) là hàm không đơn điệu, có dạng hình chng như mơ tả trên hình 1.8, thì 7,„„ cũng là hàm không đơn điệu đối với Ƒ„„„ và ngược lại,
Trang 1915
vào nhỏ (J,„„ < vị ) hoặc lớn (J„„ >v, ) thì mỗi giá trị vào ứng với một giá trị ra,
trong vùng trung gian v, <J„ < v, thì mỗi giá trị đầu vào ứng với 3 giá trị đầu ra
Vì vậy, ở các đoạn trên và dưới là ôn định, còn ở đoạn trung gian (nằm gitta v,va v,) la khong ổn định Khi một nhiễu xuất hiện ở đầu vào sẽ làm cho đầu ra nhảy lên nhánh trên hoặc nhảy xuống nhánh dưới Bắt đầu từ tín hiệu đầu
vào nhỏ và tiếp tục tăng đầu vào cho đến giá trị ngưỡng +, thì đầu ra nhảy lên trạng thái trên mà không qua trạng thái trung gian Khi đầu vào giảm cho đến khi đạt giá trị ngưỡng v, thi dau ra sé nhay xuống trạng thái dưới hình 1.10
hao
Hình 1.10 Mi quan hệ vào - ra của hệ lưỡng ồn định Đường chấm
biểu diễn trạng thai không ồn định 1.3.2 Hiệu ứng Kerr
Tính lưỡng ơn định có được nhờ q trình chuyển pha loại II trong quá trình vật lý Sự chuyển pha trong các thiết bị lưỡng ôn định điện-quang và quang-quang dựa trên sự thay đồi chiết suất do cường độ mạnh của trường ngoài Sự thay đối chiết suất này dựa trên hiệu ứng phi tuyến xây ra trong môi trường phi tuyến có độ cảm phi tuyến bậc ba lớn Hiệu ứng thay đối chiết suất này còn được gọi là hiệu ứng Kem
Chiết suất của phần lớn các vật liệu quang học ngoài sự phụ thuộc vào
Trang 2016
chiết suất của môi trường trở thành chiết suất phi tuyến Khi chùm ánh sáng đơn sắc có cường độ lớn qua môi trường, chiết suất của môi trường có thể
được biểu diễn bởi hệ thức toán học [1]:
n=n, +7, (E*) (1.8)
Trong do: n, la chiết suất thường của trường yếu thông thường
n, la hằng số quang mới (còn gọi là chỉ số khúc xạ bậc hai) Hằng số này cho biết tốc độ tăng của chiết suất theo sự tăng của cường độ điện trường tương tác
Dấu ngoặc nhọn bao quanh Ế° biểu diễn trung bình theo thời gian Ví dụ trường quang học cho bởi:
E(t)= E(@)e™ +Ihp (19)
Khi đó (Eo) = 2E(o)E"(@) =2|E(@)| (1.10) Ta sé tim duoc = n=, +27, |E(o)|" (1.11)
Sự thay đổi chiết suat theo cudng d6 duoc biéu dién trong (1.8) hay (1.11) còn được gọi là hiệu ứng quang học Kerr, trong đó chiết suất của vật liệu thay đối tương ứng với bình phương cường độ của trường
Dưới tác động của trường ánh sáng có cường độ lớn, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi ánh sáng đi qua môi trường Mỗi hiệu ứng phi tuyến gắn với một thành phần phân cực bậc cao của môi trường Tất nhiên tương tác giữa chùm tia sáng với môi trường quang học phi tuyến cũng có thể biểu diễn thông qua biểu thức của phân cực phi tuyến Thành phần phân cực phi tuyến ảnh hưởng đến quá trình truyền lan ánh sáng tần số ø có dạng:
P™ =379(@=0+0-@)|E(o) E(a) (1.12)
Trong đó: @ 1a tan sé anh sang tuong tac, £(ø)là véctơ cường độ điện trường, 7a thanh phan tenxo bậc ba của độ cảm phi tuyến bậc ba của môi trường
Trang 2117
giả thiết ánh sáng là phân cực tuyến tính và bỏ qua chỉ số tenxo của z® Khi
đó phân cực toàn phần của hệ vật chất được mô tả như sau:
P98 = z®E(ø)+ 3ÿ |E(ø)Ï E()= Z„„E() (113)
Trong đó: z„„ là độ cảm hiệu dụng của môi trường
Z4 =Zz9+3z®|z(ø)Ï (1.14)
Ta biết rằng: n?=1+ MT se (1.15) Nên từ (1.11), (1.14) và (1.15) ta nhận được:
|, +27, |E(@)| Ï =1+ 472 +122z°|#()Ÿ (1.16)
Trién khai công thức (1.16) và bỏ qua số hạng vô cùng bé bậc cao của |E(o)
ta duoc:
ne + dng |E(o)| =1+ day! +1207 |E(o)| (1.17)
Như vậy, sau khi tách phần tuyến tính và phần phi tuyến ta có thé coi chiết suất tuyến tính:
ny = 1+ 42z' (1.18)
va 7, = (1.19) la hé sé chiét sudt phi tuyén ctia méi trudng
Ny
Khi tinh toan ta hoan toan gia dinh chiết suất đo được nếu sử dụng chùm laser đơn sắc như hình 1.11a Bằng cách khác có thể tìm được sự phụ
thuộc của chiết suất vào cường độ là sử dụng hai chùm tia riêng rẽ thể hiện ở
hình 1.11b Ở đây sự có mặt của chùm mạnh có biên độ #£(ø) có tác dụng làm
thay đối chiết suất được gây bởi chùm yếu với biên độ z(2') Chùm tia yếu sử dụng để xác định chiết suất Độ phân cực phi tuyến ảnh hưởng đến sóng cho bởi:
Trang 2218
Chú ý hệ số suy biến trong trường hợp này lớn hơn hai lần trường hợp chùm đơn phương trình (1.12) Thực tế trong trường hợp 2 chùm tia thì hệ số suy
biến bằng 6 nếu ø=ø, vì chùm sóng được bắn ra từ một nguồn bơm theo những hướng truyền khác nhau có tính chất vật lý khác nhau [5] Từ đây chiết
suất của môi trường sẽ là:
Ej) (1.21) = aye n=n,+2n} @) Trong đó: ø“ = 2 KT (122)
Hình 1.11a Quá trình đo chiết suất dùng chùm laser đơn sắc
Như vậy, một sóng mạnh làm cho chiết suất của một sóng yếu cùng tần số tăng lên gấp đôi so với chiết suất của chính nó Hiệu ứng này được biết như là
tính trễ của sóng yếu [5] Só h ỐNG E(a’) > y® Song do E(a’).e ?
Hinh 1.11b Qua trinh do chiết suất dùng hai chùm riêng rễ
Một cách khác biéu thị mối quan hệ của chiết suất vào cường độ là phương
trình: n=n, +n (1.23)
Trang 2319
1=°|E(ø) 2z (124
So sánh (1.1) và (1.23) chúng ta có: 27, |E(@)| = nJ Thay (1.24) vào (1.23), kết hợp với (1.21) ta có:
n= Ẹ + 2m" |E(w)| —n, | —?” — =2n"|E( yf _— 7
n,e|E(®)| n¿e|E()[
Và so sánh với (1.22) ta nhận được hệ thức sau: ø, = a (1.25)
nyc 0
St dung (1.19) chung ta tim duge n, quan hé voi 7 theo cong thie:
- 12Z) xe
Hạc (126)
n,
Ta nhận thấy rằng dù sự thay đôi chiết suất là rất nhỏ, nhưng với sự thay đổi này cũng có thể dẫn đến phá vỡ hiệu ứng quang học phi tuyến Trên cơ sở các hiệu ứng đó, vấn đề mà chúng tôi quan tâm ở đây là hiệu ứng lưỡng Ổn
định quang học Do đó, việc lựa chọn mơi trường Kerr với hệ số phi tuyến
hợp lý đưa vào hệ quang và tạo hiệu ứng phân hồi ngược (feedback) ta sẽ
nhận được một linh kiện lưỡng én định toàn quang (All-optical Bistable
Device) Các hệ quang này chủ yếu là các giao thoa kế [2] [10-11] hoặc là cấu trúc các lớp sắp xếp theo chu kỳ [4-6]
1.4 Kết luận chương
Trong chương này, chúng tơi đã trình bày tống quan về các môi trường có cấu trúc tuần hồn tuyến tính và phi tuyến tính Trình bày khái qt một số hiệu ứng quang phi tuyến: hiệu ứng lưỡng ôn định quang học và hiệu ứng Kerr Đồng thời bên cạnh đó, chúng tơi cũng đưa ra phương trình mơ tả quan hệ vào ra của các thiết bị quang học sử dụng trong môi trường phi tuyến kiêu
Trang 2420
CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG LƯỠNG ÔN ĐỊNH QUANG HOC TRONG CAU TRUC PHAN HOI PHAN BO
PHI TUYEN UNG DUNG TRONG THONG TIN QUANG
Như đã trình bày trong phần nội dung của chương I, môi trường phi tuyến là một trong yếu tố góp phần đã tạo ra hiệu ứng lưỡng ôn định Hiệu
ứng này có thể kiểm chứng được một cách đơn giản bằng thực nghiệm và dễ
dàng ứng dụng vào trong khoa học và trong những ngành công nghệ mới Một
minh chứng rõ ràng nhất đó là sự thâm nhập mạnh của nó vào khoa học và
vào cuộc sống tạo nên những sự thay đổi mới về công nghệ Các thiết bị linh kiện có ứng dụng của hiệu ứng lưỡng ồn định đã ra đời với tốc độ phản ứng
cao và kích thước gọn nhẹ đã dần dân thay thế các linh kiện điện tử Sự có
mặt của các linh kiện điện tử này đã thúc đây q trình thương mại hóa và góp phần vào việc hạ giá thành của việc truyền tải thông tin Các thiết bị này
đã được chế tạo hoàn thiện về mặt công nghệ và đã được ứng dụng trong các
hệ thống thông tin đường dài Đây là một vấn đề mới đang được phát triển
mạnh và trên thực tế đó là một bước phát triển cao hơn về mặt chất lượng của
hiệu ứng lưỡng én định
Quang học phi tuyến nói chung và lưỡng Ổn định nói riêng là một lĩnh
vực nghiên cứu khá rộng được nhiều người quan tâm Mục đích của sự nghiên
cứu là nhằm làm sáng tỏ bản chất của hiện tượng lưỡng én định, đồng thời phân tích ảnh hưởng của các tham số động học phi tuyến cũng như các tham
số đặc trưng cho cấu trúc vật liệu như: môi trường hoạt chất chiều dài hoạt chất, mật độ phân tử của cấu trúc, nhiệt độ cấu trúc, số lớp cách tử, chu kỳ
Trang 2521
phần hoàn thiện vật lý Thiết bị giới hạn quang học và thiết bị chuyển mạch
cung cấp một cơ sở tiềm năng trong q trình xử lý tín hiệu quang học [1-2] [9-10] Các thiết bị này có thể được sử dụng để lọc, định hình và xung ghép kênh quang học và giới hạn quang học [2] [4] Những thiết bị dựa trên giới hạn quang học và chuyền đổi ứng dụng trong các mạng tốc độ siêu cao và trong các bộ vi xử lý tốc độ cao chuyên ngành như dữ liệu Mặc dù lưỡng ổn
định đã được nghiên cứu rất nhiều vì nó đã dành được một sự quan tâm đặc
biệt về mặt lý thuyết cũng như về ứng dụng thực tiễn vì những khả năng đầy triển vọng của nó trong lĩnh vực điều khiến và xử lý thông tin quang cũng như sự phát triển thế hệ máy tính thuần túy quang học mang tính chất cách mạng, song nó vẫn chưa được giải quyết một cách trọn vẹn hay ít nhất người ta vẫn chưa nghiên cứu hết các cơ chế khả dĩ cho phép lưỡng ôn định Mặt khác, do
những nhu cầu nội tại của chính vấn đề, khi nghiên cứu về lưỡng ôn định chỉ
nghiên cứu về tính chất riêng, đơn giản của các tính chất quang học của hệ hoặc do những nhu cầu thiết yếu của hướng nghiên cứu ứng dụng, ta cần phải biết một cách đầy đủ, chính xác về các tính chất quang học trong các hệ lưỡng
ơn định Điều đó cho phép xác lập chế độ làm việc của hệ một cách tốt hon dé
góp phần hoàn thiện vật lý cũng như công nghệ Do đó việc nghiên cứu hiệu
ứng lưỡng ốn định là một vấn đề đang nhận được nhiều sự quan tâm, chú ý
của các nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới Với tính hữu ích rộng lớn của giới hạn quang và chuyển mạch quang thụ động trong xử lý tín
hiệu quang học, trong bản luận văn này được thực hiện nhằm nghiên cứu hiệu
ứng lưỡng ồn định quang học trong cấu trúc phản hôi phân bố phi tuyến ứng dụng trong thông tin quang dựa trên hệ phương trình tốc độ của môi trường phi tuyến tuần hồn mà chúng tơi sẽ đề cập dưới đây
2.1 Cơ sở lý thuyết
Trang 2622
Ta xét một cấu trúc phản hồi phân bố như được mô tả trên hình 2.1 Trong cấu trúc này mật độ phân bố của các lớp vật liệu trong khơng gian có chiết suất thay đồi tăng giảm có tính chất chu kỳ Chùm ánh sáng tới cấu trúc
sẽ bị phản xạ một phần tại bề mặt các lớp và phần còn lại được truyền qua đi
ra khỏi cấu trúc Chùm phản xạ không xuất hiện ở mép biên bên phải của cấu
trúc tới ` ————> truyền qua bị phản xạ ~—— n=nạ†t|nmlÏ) n=ng-In„lI(2)
Hình 2.1 A⁄ơ hình cấu trúc phản hôi phân bố phi tuyến
2.1.2 Hệ phương trình tốc độ
Xét cấu trúc phản hồi phân bố phi tuyến được mô tả như trên hình 2.1
Cấu trúc bao gồm các lớp vật liệu xen kẽ nhau, mỗi lớp vật liệu có một hệ sỐ
phi tuyến Kerr xác định Chiết suất của các lớp vật liệu được viết đạng [3]:
n =nạ + nạÏ (2.1)
Trong đó nọ là phần tuyến tính, nạ là chiết suất phi tuyến có thể nhận các giá trị âm hay đương và I là cường độ của sóng lan truyền trong cấu trúc
Chúng ta cũng giả sử rằng trường lan truyền trong cấu trúc có dạng:
EŒ.0 = [Ai(2)ef” + Az(z)e"Je*# (22)
Trang 2723
Xem rằng nạ << nạ và sử dụng phương pháp gần đúng đường bao biến đối chậm chúng ta nhận được hệ phương trình kết hợp phi tuyến cho sóng tới và sóng phản xạ có dạng [3]:
Zz @ 2n 2 2 2anpfe)—(2Z1A))z
đác ) : mm ( 4 (2) | 4, (2) )A,(z) p-(2ang/c)-(2/ A)) (2.3)
dA, (Zz a ) @ 2n, n1 (| 1) 2 | 4, (z)| ) 4(z).e (Zang!c)-C 2 ~I((2 nạ Ie)~(2Z/A))= )) (2.4)
Trong đó, œ là tần số sóng lan truyền trong cấu trúc, c 1a tốc độ của ánh sang trong chan không, A là chu kỳ của cách tử
Để tìm các biểu thức cho A;(z) và Az(z) trong các phương trình (2.2) và (2.3) chúng tôi đã giải các phương trình này trong điều kiện cộng hưởng (2œng/c = 2#A) với các điều kiện biên tương ứng tại ở vị trí z= L Az(L) =0
va A,(L) = A,(out)
Biểu thức của Ai(2) thu được có dạng:
L+2ep Cho C=) expt — -2)
0
A(2= 2q+exp( mau g b——— — Aya ) (25)
Khi đó chúng ta nhận được biểu thức mô tả sự phụ thuộc của cường độ của sóng truyền về phía trước trong cấu trúc có dạng:
1+ cos( MPs (L= 2) TP =2 )
1(2)=| —*® 1, 2sos( 227 =2) ) (2.6)
No
Tai vị trí biên, z = 0 chúng ta nhận được biểu thức mô tả mối quan hệ giữa
cường độ truyền qua và cường độ tới theo dang:
1,=4| 4— +11, (2.7)
2 cos(—®“)
a
Trang 2824
Từ phương trình (2.7) với giá trị các tham số lấy từ kết quả thực nghiệm cho cùng một cấu trúc sử dụng một vật liệu nhất định chúng ta có thể
biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ vào — ra của bức xạ khi lan truyền trong cấu trúc
2.2 Nghiên cứu hiệu ứng lưỡng én dinh quang trong cấu trúc phản hồi
phân bố với vật liệu CdSe ứng dụng trong xử lý tín hiệu quang
2.2.1 Hiệu ứng lưỡng ôn định trong câu trúc phản hồi phân bồ sử dụng vật liéu CdSe
Xuất phát từ (2.7) chúng ta khảo sát sự phụ thuộc của cường độ ra lạ
với cường độ vào Ivo tức là khảo sát các đặc trưng truyền qua đối với cấu trúc phản hồi phân bố đã xét như trên hình 2.1 Môi trường vật liệu được chọn cho cấu trúc này là chất bán dẫn hai thành phần CdSe với các thông số cụ thể
được lấy theo [9]: no = 2.55: nụ = 0.10402 cm?/W: L = 250um và số lớp cách
tử N= 500
Nguồn sáng vào được lấy từ laser Nd-YAG phát xung với độ mở rộng xung 2 ns và cường độ I MW/em?, 15MW/cm” và 150 MW/em” [9]
Hình vẽ 2.2 biểu diễn hoạt động lưỡng ồn định của cấu trúc Từ đồ thị
trên cho chúng ta nhận thấy được rằng cường độ vào ra đã có dạng đường cong trễ của lưỡng ôn định quang học Trên các đoạn DA và CB chúng ta nhận thấy khi ta tăng cường độ vào thì cường độ ra cũng tăng theo Tw dé thi chúng ta cũng nhận thấy rằng: bắt đầu từ điểm A trên đồ thị, hệ chuyền lên
Trang 2925 0.25 0.2L 3 2.15L 31 & ‹© op 0.1b 3 i lở) c 0.05} 4 D A 0 i i L ! 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 cường độ vào
Hình 2.2 Đường cong lưỡng ôn định trong cầu trúc phản hồi phân bó CdSe Trong tuyến truyền dẫn quang trên các bộ chuyền đồi quang học, sự thay đối độ cao đường cong lưỡng ôn định thường được sử dụng để làm thay đối tốc độ truyền của chùm tín hiệu Cũng trong các bộ chuyển đổi này, sự thay
đối độ rộng lưỡng Ổn định làm thay đối độ đáp ứng của chính thiết bị [1] [2]
[5], [9-11]
Chúng ta cũng đã biết rằng, hiệu ứng lưỡng én định chỉ xuất hiện khi
thỏa mãn được hai điều kiện đó là: có sự phản hồi tín hiệu quang học và có
mơi trường phi tuyến Các lớp cách tử trong cấu trúc phản hồi phân bố tạo
điều kiện cho sự xuất hiện các phản hồi tín hiệu quang học Việc tạo ra các môi trường phi tuyến được thực hiện bởi việc thay đổi cường độ ánh sáng tới hoặc thay đổi một vài tham số điều khiển Do vậy sự thay đổi các tính chất
Trang 3026
2.2.2 Điều khiển hiệu ứng lưỡng én định quang trong cấu trúc phản hồi phân bố CdSe ứng dụng trong quá trình xử lý tín hiệu quang
2.221 Các đường cong truyền qua
Như phân trên đã trình bày, với bộ tham số trung tâm đã chọn, hiệu ứng LOĐ quang học đã xuất hiện trong cấu trúc phản hồi phân bố theo mơ hình đề
xuất Sự phụ thuộc giữa cường độ ra — vào xác lập theo một tỷ lệ nhất định
Từ phương trình (2.7) chúng ta đễ dàng nhận được biêu thức cho hệ số
2 co HH }
Tự — =———-~ Bằng phương pháp số trong ngôn ngữ a
I ™ — 1+cos| (= —“*
a
lập trình MatLab chúng tơi biểu diễn các đường cong truyền qua theo công
truyền qua T =
thức này Các giá trị số được lấy từ các kết quả thực nghiệm cho mẫu CdSe [9]
Hình vẽ 2.3 biểu diễn các đường cong truyền qua với giá trị khác nhau của số lớp cách tử Rõ ràng khi số lớp bé, hệ số truyền qua là lớn hơn cả, tuy nhiên sự thay đối của hệ số truyền qua với cường độ vào cũng khơng hồn tồn là tuyến tính
2.2.2.2 Điều khiển lưỡng ôn định quang bằng cường độ tới
Hình vẽ 2.4 mơ tả quá trình thay đối của các đường cong mô tả hiệu ứng lưỡng ồn định trong cấu trúc khi thay đơi cường độ sóng tới Dé khảo sát chúng tôi chọn các giá trị của cường độ sóng vào là l„ị = 0.4MW/ecm” (đường
liền nét) và In; = 0.48MW/cm” (đường đứt nét) Rõ ràng từ hình vẽ chúng ta
nhận thấy hiệu ứng LOĐ quang đã bắt đầu xuất hiện khi cường độ ánh sáng
tới lớn hơn giá trị lụa, và chưa xuất hiện ở gia tri Ii) Điều này chứng tỏ có thé
Trang 3127 003 0.025L | — N=250 8 002 — N=500 8 — N=750 a > 0.015} | 8 - —_—— § 2 gott | m 0.005L t 9 0 001 002 003 004 cường độ vào 0.05
Hình 2.3 Các đường đặc trưng truyền qua cấu trúc phản hồi phân bó
0.30 025ƑF 0.20Ƒ 01Ƒ F5 Hệ số truyền qua 09865 0.9870 09875 09880 09885 09890 09895 0.9990 0.9995
Tân sơ (x2me/2a)
Hình 2.4 Đường đặc trưng truyền qua cấu trúc: Đường ( Int = O.4AMW/em”, đường ( ) ứng với Iạa = 0.48MW/cm”
Trang 3228
Đề khảo sát ảnh hưởng của cường độ bức xạ tới lên hoạt động LOĐ của cấu trúc, chúng tôi chọn hai giá trị của cường độ vào lị lần lượt là: lại =
SMWiem”, Iing = 10MW/cm” Các kết quả khảo sát được mơ tả trên hình 2.5
Từ hình vẽ chúng ta nhận thấy khi cường độ bức xạ tới tăng lên, độ rộng độ cao lưỡng ôn định giảm xuống, dạng chữ S của đường cong lưỡng Ổn định là rõ nét Hình vẽ cũng cho thấy khả năng điều khiển hoạt động lưỡng Ôn
định bởi cường độ bức xạ tới có thể đạt được tại một giá trị xác định của tần
số Chẳng hạn giá trị dịch chuyển quang ở mức thấp L¡ lên mức cao H
(tương ứng lịna = 10MW/em”) xảy ra tại vị trí lạ =1 Các địch chuyền trên các đường cong khác cũng được mô tả tương tự
Về mặt vật lý kết quả này phản ánh ảnh hưởng của hiệu ứng Kerr lên
tính chất của môi trường Khi cường độ sáng tới tăng lên, chiết suất môi trường phụ thuộc phi tuyến vào cường độ sáng làm thay đổi các đặc trưng vào-ra của các đường cong lưỡng ôn định
og 08Ƒ —I ml - -li q7Ƒ a8Ƒ He so truyen qua o 9 9 9 MB 0 8 ữ ° 0 T 1 0 0.9865 0.9875 0.9885 0.9895 0.9995 Tan so (x10GHz)
Trang 3329
2.2.2.3 Điều khiển hoạt động lưỡng ơn định bang số lóp cách tử N
Trong các thiết bị lưỡng ôn định sử dụng môi trường tuần hoàn, số lớp
cách tử N ảnh hưởng đến độ đáp ứng hay thời gian chuyền trạng thái cũng
như giá trị ngưỡng đáp ứng vào-ra của thiết bị [4.5] Các mơ tả trong các cơng trình này cho thấy ngưỡng chuyền trạng thái thay đối khi N thay đối, có khả năng đáp ứng tốc độ chuyền nhanh của hệ thống truyền dẫn quang
Trong mục này đề khảo sát ảnh hưởng của số lớp N lên các đường cong lưỡng ổn định, bằng cách giữ nguyên các tham số khác, thay đổi số lớp N của
cách tử với các giá trị khác nhau N = 1070, N = 1250, ching tôi nhận được
các đường cong lưỡng ôn định khác nhau Kết quả khảo sát được mơ tả trên hình vẽ 2.6
Từ trên hình vẽ chúng ta nhận thấy khi số lớp cách tử N thay đối, độ cao
và độ rộng lưỡng ôn định quang học đã thay đối Nghĩa là với các quang tử hoạt động lưỡng ôn định với số lớp cách tử có thể thay đối được khả năng
đóng/ngắt hay thời gian đáp ứng là hồn tồn có thê điều khiến được
0.9 0.8L - 0.7} - 0.6Ƒ - 0.6} - 0.4, He so truyen qua 0.3b-— j 0.2Ƒ - 0.1L - okL-==<=+ : i T i i i 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 ` ^ x 2 cuong d6 vao (10MW/cm’)
Trang 3430
2.2.2.4 Điều khiển hoạt động lưỡng ổn định bằng tần số vào
Như chúng ta đã biết, khi đưa vào cấu trúc tuần hoàn môi trường Kerr phi tuyến nó sẽ làm thay đổi chiết suất địa phương tại những vùng khác nhau Sự thay đối của chiết suất tỷ lệ với cường độ trường quang học lan truyền trong cấu trúc theo dang [1]:
An= ñ,|EŸ (2.8)
với n,là phân chiết suất phi tuyến của môi trường được định nghĩa bởi: n,= jy (2.9)
2n
Trong môi trường chiết suất n, tần số bức xạ truyền qua phụ thuộc vào chiết suất môi trường dạng [1]:
@ = 2ncn/Ao
Như vậy sự thay đôi của chiết suất sẽ làm thay đối phố truyền qua Trong mục này đề khảo sát ảnh hưởng của chiết suất lên đặc trưng truyền qua, chúng tôi giải bằng số phương trình (2.7) cho cấu trúc phản hồi phân bố sử dung chat ban dan CdSe véi giá trị của hệ số phi tuyến: „Ê) =2x10m?V”
Trên hình 2.7 chúng tơi mô tả các đặc trưng của quan hệ vào — ra của cường độ bức xạ truyền qua cấu trúc với các giá trị khác nhau của tần số vào
Chúng ta nhìn thấy trên đồ thị, đáp ứng có cấu trúc dạng chữ S và tương ứng với các giá trị khác nhau của œ, các ngưỡng chuyên trạng thái cũng khác nhau
Ở gia tri @ = 0.9550x2nc/Ao, (dudng lién nét) cường độ sóng tới (lạ)
tăng lên từ 0 va có giá trị nhỏ, cường độ truyền qua (lạ) cũng tăng lên chậm Khi cường độ vượt quá giá trị chuyển ngưỡng (cỡ 110kW/m?), cường độ ra lọ chuyển lên giá trị cao (từ 1 đến 1, sau đó lạ„ lại tăng chậm giống như giá
Trang 3531
hơn giá trị ngưỡng), giá trị của cường độ ra lạu cũng giảm Khi giảm lạc về giá trị ngưỡng (2) lạ chuyên về mức có năng lượng thấp hơn (2)
O gid tri m = 0.9660x2nc/Ao, (đường đứt nét trên hình 2.7), quá trình chuyển trạng thái cũng xây ra giống như trường hợp œ = 0.9660x2zc/2o Tuy nhiên ngưỡng chuyển trạng thái thấp hơn và độ rộng của đường cong lưỡng ôn định cũng ngắn hơn
Như vậy tương tự như trường hợp ảnh hưởng của cường độ bức xạ tới, chúng ta có thể điều khiên hoạt động lưỡng ôn định của cấu trúc bằng cách điều biến tần số bức xạ Các hình vẽ 2.8 mơ tả các đường cong lưỡng ồn định với các giá trị khác của tân số vào
œ = 0.9600x27c/ÀAa Cường độ ra oz oa se os 4 vz va Cường độ vào | „ (10MW/em)) ,
Hình 2.7 Ánh hưởng của tân sô vào lên quan hệ vào - ra của câu trúc
° 1 a T ` \ @ = 0.9500x2nc/a9 Cường độ ra («0.1 MW/em) N T z L 1
(2.8a) Cường độ vào
Trang 3632 œ =0.9350x27c/2 Ss, © =0.9450x2nc/A mm, ~ Cường độ ra (x0.1MW/cm?) ˆ 0.2 04 0.6 0.8 1 12 14
(2.8b) Cường độ vào (x10MW/em?)
Hình 2.8 Ảnh hưởng của tần số lên hoạt động LOĐ của cấu trúc 2.225 Ảnh hưởng độ dày các lớp cách tử
Trong cấu trúc mô phỏng, độ dày của các lớp được phép thay đôi 1,5 và 10% so với phần tư giá trị của bước sóng Theo kết quả được công bồ trong [4] đối với độ lệch 1% là khơng có sự khác biệt phát hiện trong phản ứng của các thiết bị thực tiễn và trong một thiết bị lý thuyêt thuần túy (mô phỏng)
Cũng theo [4] ngồi việc trình bày ứng dụng tiềm năng của các cấu trúc đề
xuất để xử lý tín hiệu, người ta cịn phân tích độ nhạy của các thiết bị được đề xuất, dự đoán các lỗi chế tạo Chúng tôi mô phỏng sự phản hồi của cấu trúc có
các bộ phận thay đối ngẫu nhiên trong các lớp có độ dày Giữ tất cả các thông số khác cố định, chúng tôi cho phép độ dày được phân bố đồng đều trên một
phạm vi được xác định trước Trong hình 2.9, chúng tôi cho thấy cường độ
truyền qua như là một chức năng của cường độ tới, độ dày được phép thay đối
Trang 3733
và thiết bị lý tưởng Ngay cả trong các thiết bị với một mức độ lớn hơn của sự khơng hồn hảo (biến động 5% và 10%), cường độ truyền đi bão hoà với một
số giả trị giới hạn Vì vậy, mặc dù việc thực hiện định lượng của thiết bị ảnh
hưởng bởi các lỗi chế tạo, thiết bị duy trì chức năng quan trọng nhất của nó là chất lượng
7 percent and 0 percent
0 2 4 6 8 10 12 14
Incident Intensity
Hình 2.9a) Ảnh hưởng của sự thay đổi độ dày lớp cách tử lên cường độ truyền qua Nguồn TLTK [4]
Cong cbtruyen œa (aL) i O 5 10 15 20 25 30 35 40 ° N
Cuong do vao (a.u)
Trang 3834
2.3 Kết luận chương
Trong chương trình này, xuất phát từ hệ phương trình tốc độ chúng tôi đã nghiên cứu sự truyền ánh sáng trong mơi trường có cấu trúc tuần hồn tuyến tính và phi tuyến tính Các hiệu ứng tuyến tính và phi tuyến xảy ra trong môi trường cũng như các đặc trưng truyền qua cũng đã được chú ý nghiên cứu Chúng ta nhận thấy khi các đặc trưng của cấu trúc thay đối cách tính chất của đường cong lưỡng ôn định như độ rộng độ cao lưỡng ôn định thay đối
Trong các thiết bị quang tử, sự thay đối độ cao đường cong lưỡng Ổn định thường được sử dụng để làm thay đôi tốc độ truyền của chùm tín hiệu
Với sự thay đổi độ rộng lưỡng ổn định làm thay đổi độ nhạy của chính thiết bị Với các bộ nắn xung, sự thay đôi cường độ xung ra, hoặc điều biến tần số
Trang 3935
KÉT LUẬN CHUNG
Nghiên cứu các đặc trưng truyền qua và các cách thức điều khiển hiệu ứng lưỡng ôn định quang học là nội dung chính của luận văn này Các kết quả
chính có thể được tóm tắt như sau:
1 Đã tìm hiểu bản chất vật ly của hiện tượng lưỡng ôn định quang học và các môi trường phi tuyến nói chung cũng như mơi trường có cấu trúc tuần hồn tuyến tính và phi tuyến kiều Kerr
2 Đã tìm hiểu mơ hình cấu trúc phân hồi phân bồ phi tuyến, từ đó chúng
tôi đã dẫn ra hệ phương trình mơ tả quá trình lan truyền và phản hồi của các sóng trong cấu trúc, dẫn ra biêu thức mô tả mối quan hệ giữa cường độ ra với cường độ vào
3 Chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ bức xạ lạ số lớp N,
tần số œ lên hoạt động lưỡng ốn định nếu xem số lớp cách tử, cường độ, tần
số bức xạ tới, như là các tham số đầu vào tác động lên hiệu ứng lưỡng ồn định quang trong cấu trúc phi tuyến đề xuất Kết quả cho thấy khi thay đối các thông số đầu vào các đặc trưng của lưỡng ồn định (bề rộng, độ cao lưỡng ổn
định) đã thay đôi
4 Ở các bộ chuyển đôi quang học (thiết bị quang tử nói chung) trong tuyến truyền dẫn quang sự thay đổi độ cao đường cong lưỡng ồn định thường được sử dụng đề làm thay đối tốc độ truyền của chùm tín hiệu Cũng trong
các bộ chuyên đổi nay, sự thay đổi độ rộng lưỡng Ổn định làm thay đối độ đáp
ứng hay độ nhạy của chính thiết bị [2] [4] Với các bộ nắn xung, sự thay đồi
độ rộng lưỡng ổn định làm thay đổi cường độ xung ra, hoặc điều biến tần số
Trang 4036