KHUẾCH ĐẠI VÀ DAO ĐỘNG THÔNG SỐ QUANG HỌC.

GVHD:TS. Lê Thị Quỳnh Anh HV: Lê Phúc Quý Huỳnh Chí Cường KHUẾCH ĐẠI VÀ DAO ĐỘNG THÔNG SỐ QUANG HỌC 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VẬT LÝ ỨNG DỤNG CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC  NOÄI DUNG TRÌNH BAØY I. Sự trộn ba sóng. II. Khuyết đại thông số. III. Dao động thông số. IV. Biến đổi tần số. 2 Khảo sát dao động phi tuyến với 1 trường có hai sóng đơn sắc tần số ω 1 , ω 2 : 1 1 1 1 (2 ) (2 ) 1 2 1 1 1 ( ) ( ) 2 i t k z i t k z E E E E z e E z e ω ω − − − ∗   = + = +   2 2 2 2 (2 ) (2 ) 2 2 1 ( ) ( ) 2 i t k z i t k z E z e E z e ω ω − − − ∗   + +   ( ) 1 1 1 1 1 n n k c c ω ω ω = = Với: (1) I. TRỘN BA SÓNG. ( ) 2 2 2 2 2 n n k c c ω ω ω = = 3 2 2 3 0 3 4 ( ) A B e x x x x E t m m m ω + + + + = && Thay E ở (1) vào phương trình (2) và giải pt bằng phương pháp nhiễu loạn. Xét phương trình Newton của chuyển động điện tử: (2) x(t) gồm các số hạng có tần số: 0, ω 1 , ω 2 , 2ω 1 , 2ω 2 , ω 1 – ω 2 , ω 1 + ω 2 I. TRỘN BA SÓNG. 4 Giả sử môi trường phát sóng có tần số ω 3 và cường độ sóng là: 3 3 3 3 ( ) ( ) * 1 3 3 3 2 ( ) ( ) i t k z i t k z E E z e E z e ω ω − − −   = +   Các sóng trong môi trường phải thỏa phương trình Maxwell. 2 2 2 0 0 2 2 E P E t t εµ µ ∂ ∂ ∇ − = ∂ ∂ I. TRỘN BA SÓNG. 5 Xét sự tương tác của 3 sóng theo phương sóng (xét theo phương z): 1 1 2 2 3 3 ( ) 1 1 ( ) 2 2 ( ) 3 3 ( , ) ( ) ( , ) ( ) ( , ) ( ) i t k z i t k z i t k z E z t E z e E z t E z e E z t E z e ω ω ω − − − − − − = = = (3) I. TRỘN BA SÓNG. 6 3 2 3 2 3 1 3 1 1 2 1 2 [( ) ( ) ] * 1 2 3 [( ) ( ) ] * 2 1 3 [( ) ( ) ] 3 1 2 ( , ) 4 ( ) ( ) ( , ) 4 ( ) ( ) ( , ) 4 ( ) ( ) i t k k z i t k k z i t k k z P z t dE z E z e P z t dE z E z e P z t dE z E z e ω ω ω ω ω ω − − − − − − − − − + − + = = = Biểu thức độ phân cực tương ứng Với: 3 1 2 ω ω ω = + 3 2 3 2 2 [( ) ( ) ] 2 * 1 3 2 2 3 2 ( ) 4 ( ) ( ) i t k k z P d E z E z e t ω ω ω ω − − − − ∂ = − − × ∂ ( ) 1 1 2 ( ) 2 1 1 1 1 1 2 ( , ) ( ) 2 i t k z E z t dE z k E z ik e z dz ω − − ∂   = − −   ∂   (5) (6) I. TRỘN BA SÓNG. 7 1 1 ( ) 1 1 ( , ) ( ) i t k z E z t E z e ω − − = 3 2 3 2 [( ) ( ) ] * 1 2 3 ( , ) 4 ( ) ( ) i t k k z P z t dE z E z e ω ω − − − − = Xét sóng 1 ω * 0 1 1 2 3 1 ( ) ( ) ( ) i kz dE z i dE z E z e dz µ ω ε ∆ = 1 1 2 ( ) 1 1 1 2 ( , ) ( ) i t k z E z t E z e t ω ω − − ∂ = − ∂ Thay vào pt Maxwell * 0 1 1 2 3 1 ( ) ( ) ( ) i kz dE z i dE z E z e dz µ ω ε ∆ = 3 0 3 1 2 3 ( ) ( ) ( ) i kz dE z i dE z E z e dz µ ω ε − ∆ = * 0 2 2 1 3 2 ( ) ( ) ( ) i kz dE z i dE z E z e dz µ ω ε ∆ = 1 2 3 k k k k∆ = + − 2 0i i n ε ε = Với: I. TRỘN BA SÓNG. 8 Tương tự đối với 2 sóng còn lại: (7a) (7b) (7c) ĐIỀU KIỆN ĐỂ PHÁT SÓNG  Sóng ω 3 phát ra CĐ 1 2 3 0k k k k∆ = + − = r r r r 3 1 2 k k k= + r r r Điều kiện hợp pha Điều kiện bảo toàn động lượng  Điều kiệnω 3 = ω 1 + ω 2 Điều kiện hợp tần Điều kiện bảo toàn năng lượng Hay: I. TRỘN BA SÓNG. 9 Hay: Vậy: Cùng thỏa mãn điều kiện hợp pha ω 1 tương tác ω 2 ω 3 ω 3 tương tác ω 1 ω 2 ω 3 tương tác ω 2 ω 1 Khi có hai sóng quang học ω 1 và ω 2  mt phi tuyến, giả sử chỉ có sóng ω 3 thỏa mãn điều kiện hợp pha nên được phát ra .Các sóng khác không được môi trường duy trì vì không thỏa điều kiện hợp pha I. TRỘN BA SÓNG. 10 Không thể có sự trộn 2 sóng. Hai sóng bất kỳ ω 1 , ω 2 không thể liên kết với môi trường mà không có sự góp mặt của sóng thứ thứ ba. Quá trình phi tuyến được diễn tả bởi 3 phương trình (7) trên gọi là sự trộn 3 sóng. Tương tự, ta có: [...]...I TRỘN BA SÓNG Phaân loaïi SựSự phát tần số tổng (SFG) phát tần số tổng (SFG) SựSự phát tần số hiệu (DFG) phát tần số hiệu (DFG) Sự trộn ba sóng Dao động thông số số (OPO) Dao động thông (OPO) Khuyếch đại thông số số (OPA) Khuyếch đại thông (OPA) SHG, up-converter, down-converter SHG, up-converter, down-converter 11 KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) (Optical Parametric Amplification) Pump ω3 Signal... để gia tăng khoảng cách lắp đặt c.Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tín hiệu được đưa vào thiết bị 21 KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) ứng dụng Khuếch đại tín hiệu quang bằng cách trộn 3 sóng: Sử dụng nguồn bơm laser cường độ lớn chiếu vào môi trường phi tuyến của sợi quang, kết hợp với sóng tín hiệu,  trộn... của sóng tín hiệu và sóng đệm dọc theo trục z tương ứng với sự giảm cường độ sóng bơm và ngược lại 18 KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) ứng dụng Cáp quang đã trở thành phương tiện truyền dẫn chủ đạo trên mạng viễn thông của các quốc gia và xuyên quốc gia Ngày nay, các hệ thông thông tin sợi quang đã truyền tới trên 85% nhu cầu dung lượng thông tin mà con người tạo ra 19 KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) ứng dụng Do... trong sợi quang làm cho tín hiệu bị giảm khi truyền đi xa Do đó để khắc phục tình trạng này, người ta khuếch sóng tín hiệu trong sợi quang, nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền 20 KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) ứng dụng Tùy theo vị trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm 3 loại: a .Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếch đại quang được... sóng tín hiệu vào thì sẽ được khuếch đại 23 KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) ứng dụng Tần số sóng ra : ωout = ωLO − ωs Sử dụng hệ thức Manley-Rowe cho công suất:  ωs  dPp ( z ) dPs ( z ) = −  ω p ÷ dz ÷ dz   Từ hệ thức:  chỉ có  ωs   ÷ phần công  ω p của bơm biến thành công suất của sóng tín hiệu suất ÷   24 KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) ứng dụng Ngoài các ứng dụng chính làm các bộ khuếch đại trên đường... môi trường phi tuyến trong sợi quang, người ta thường pha tạp Erbium trong sợi quang 22 KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) ứng dụng Cơ chế: Khi sóng bơm có cường độ lớn chiếu vào môi trường phi tuyến, do bức xạ tự phát (nó không phải là bức xạ tự phát thông thường, đúng hơn là phát thông số huỳnh quang sinh ra do sự thăng giáng thông kê lượng tử) xuất hiện nhiều sóng có tần số khác nhau trong môi trường, nhưng... bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại b .Khuếch đại đường dây (In-line Amplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng Các bộ khuếch đại đường dây có thể được lắp đặt nối tiếp nhau... Chiếu vào mt phi tuyến bậc hai sóng bơm ω3 (cđộ mạnh) và sóng tín hiệu ω1 (cđộ yếu) Ba sóng trên phải thỏa mãn đk hợp pha và hợp tần Sau tương tác có sóng ω2 phát ra, đồng thời cường độ của sóng ω1 tăng lên: Sóng ω1 được kđại 12 KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) • • Hợp pha: Hợp tần:    k 3 = k1 + k 2 ω3 = ω1 + ω2 Do có thể thay đổi ω2 và ω1 sao cho đk hợp tần vẫn thỏa mãn nên có thể khuếch đại nhiều tần số. .. 14 (8.a) (8.b) KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) Vi phân (8.a) và kết hợp hệ thức (8.b) ta có : * d 2 E1 ( Z ) ω1 dE2 ( Z ) =i b1 2 dZ ω2 dZ  ω1  ω2 * =i b1  − i b2 E1 ( Z )  = K 2 E1 ( Z )  ω2  ω1   1 2 Ở đó :  ω1ω2 µ 0  K =  n n ε  d E3 (0)   1 2 0  Tương tự: d 2 E2 ( Z ) = K 2 E2 ( Z ) 2 dZ (11) (10) KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) Pt (10) và (11) có thể được giải theo E1 tại mặt vào Z = 0 của... i E1 (0) sinh KZ ω1 (12.a) (12.b) KHUẾCH ĐẠI THÔNG SỐ (OPA) Trường hợp chiếu vào mtpt sóng bơm ω3 và sóng tín hiệu ω1 thì E2(0) = 0, nghiệm : E1 ( Z ) = E1 (0) cosh KZ E2 ( Z ) = i (13.a) ω2 * E1 (0) sinh KZ ω1 (13.b) Trường hợp KZ . tần số tổng (SFG) Sự phát tần số tổng (SFG) Sự phát tần số hiệu (DFG) Sự phát tần số hiệu (DFG) Dao động thông số (OPO) Dao động thông số (OPO) Khuyếch đại thông số (OPA) Khuyếch đại thông số. Quý Huỳnh Chí Cường KHUẾCH ĐẠI VÀ DAO ĐỘNG THÔNG SỐ QUANG HỌC 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VẬT LÝ ỨNG DỤNG CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC  NOÄI DUNG. BAØY I. Sự trộn ba sóng. II. Khuyết đại thông số. III. Dao động thông số. IV. Biến đổi tần số. 2 Khảo sát dao động phi tuyến với 1 trường có hai sóng đơn sắc tần số ω 1 , ω 2 : 1 1 1 1 (2 ) (2 ) 1