tóm tắt luận án tiến sĩ giao thoa kế mach – zehnder sợi quang phi tuyến hai cổng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THỊ THANH TÂM GIAO THOA KẾ MACH - ZEHNDER SỢI QUANG PHI TUYẾN HAI CỔNG TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số : 62 44 11 01 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Hồ Quang Quý 2. PGS. TS. Vũ Ngọc Sáu Vinh, năm 2011 i 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 cứn g, cổng logic, mạch đảo quang [14, 21, 38, 51, 79, 99] Nguyên tắc hoạt động của các thiết bị cơ bản t rên d ựa 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 và đưa vào sử dụng những thiết bị OBD như: cặp diot phát quang, cặp laser bá n dẫn, các lớ p 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 phá t 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 thì 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 t rong kỹ thuật bán dẫn na no và sợi quang, kích th ước của chúng được giảm dần [3 1, 35 , 37, 78 ]. Hiện nay, OBD thông dụng l à các l oại GTK sợi quang phi tuyến như: Fabry−Perot, 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 (Cross-phase mod ulation - 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 tu yến có những ưu đ iểm vượt trội nh ư có cấu tạo đơn giản, trường rộng, t hiết lập định hướng tự động, độ trễ biến thiên không cần nguồn quang phụ, thiết lập độ ổn định cao. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng quang học, chẳng hạn như đo độ dài kết h ợp của laser, dòng nhiệt động, độ phẳng của tấm quang học, độ dày của màng mỏng. Trong viễn thông, chúng được sử dụng như một bộ lọc quang có chọn lọc, bộ tách sóng quang theo b ước sóng và công suất, thi ết bị khoá đón g mở nhanh khi kết hợp với bộ khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor optical amplifier - SOA) [16, 43, 44, 83, 93], thiết bị điều biến tín hiệu xung [54, 55, 87, 113] 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 nghi ên cứu công n ghệ chế tạo. Trong khoa học cơ bản, nó giúp hiểu biết sâu về tương tác photon-vật chất, đặc biệt tron g 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. 1 Do đó, việc ứng dụng tính chất lưỡng ổn định của GTK Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến trong c ông nghệ laser và quang học cũ ng đang được các nhà khoa học trên thế giớ i quan tâm ng hiên cứu [24, 62, 66, 73, 95, 102, 111]. Nhưng đ ến nay, tính lưỡng ổn định của OBD phụ thuộc vào sự thay đổi các tham số ng uyên lý, dẫn đến ảnh h ưởng cường độ ra của OBD, nghĩa là ản h hưởng đến mối q uan hệ c ường độ vào - ra, ảnh hưở ng này vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. 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 n âng cao hiệu quả sử dụng chúng [24, 54, 66, 113]. Cho đến nay, mẫu GTK Mach-Zehn der sợ i quang phi tuyến đã và đang sử dụng đều được thiết kế có hai bộ liên kết tuyến tín h với bốn cổng, được gọi là GTK Mach - Zehnder sợi quang phi tuyến bốn cổng (Four-port nonlinear fiber Mach-Zehnder interferometer - FPNFMZI). Vì sử dụng hai b ộ liên kết (BLK) tuyến tính nên phải có các mối nối giữa sợi tuyến tính của BLK và sợi phi tu yến của GTK, 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 thay cho BLK tuyến tí nh, để giảm đi cá c mối nối, nâng cao hiệu suất và đồ ng bộ trong cấu hình, mà vẫn không làm ảnh hưởng đến chức năng của bộ liên kết hay không? Nếu được, ta có thể lựa chọn các tham số nguyên lý n hư: độ d ài, bán kính sợi, khoảng cách giữa hai tâm của hai lõi sợi và chiết suất lõi của mỗi sợi trong BLK phi tuyến để có được hệ số truyền công suất theo ý muốn. Với cấu trúc bốn cổng, muốn hoạt động như một OBD thì FPNFMZI phải dùng đến hai nguồn, một nguồn đóng vai trò bơm, nguồn còn lại đóng vai trò phản hồi. Điều này phần nào gây khó khăn, phức tạp trong quá trình sử dụng và tốn kém trong thiết kế chế tạo. Hơn nữa, khi sử dụng FPNFMZI để điều biến xung thì chỉ cần sử dụng hai trong bố n cổng: một vào và một ra. Như vậy, nếu GTK Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến sử dụng như một thiết bị lưỡng ổn định cho mục đích điều biến xung thì có thể thiết kế hai cổng. Với những lý do tr ên chúng tôi chọn đề tài: “Giao thoa kế Mach - Zehnder sợi quang phi tuyến h ai cổng”. 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Mục đích nghiên cứu là đề xuất mẫu giao thoa kế Mach-Zehnder sợ i quang phi tuyến hai cổng (Two-port nonlinear fiber Mach-Zehnder interferometer - TPNFMZI), k hẳng định TPNFMZI là OBD, khảo sát ảnh hưởng của các tham số cơ bản lên tính lưỡng ổn định của TPNFMZI. Qua đó, xác định các tham số phù hợp cho mục đích nghiên cứu chế tạo và khảo sát ứng dụng tính chất lưỡng ổn địn h của TPNFMZI vào việc điều biến xung trong công nghệ laser và qua ng học. Từ mục đích trên, luận án tập trung vào các nhiệm vụ nghiên cứu sau: (1). Nghiên cứu nguyên lý cấu tạo và hoạt động của c ác GTK sợi quang phi tuyến như: Fabry−Perot, Michelson và Mach-Zehnder để khảo sát tính chất lưỡng ổn định của chúng. (2). Khảo sát hoạt động của bộ liên kết phi tuyến chúng tôi thiết lập được hàm truyền, biểu thức hệ số truyền công suất và xem xét sự phụ thuộc củ a chúng vào các th am số nguyên lý. Qua đó, xác định ngưỡng phi tuyến của nó. 2 (3). Phân tích ưu, nhược điểm trong cấu tạo và hoạt động của FPNFMZI. Từ đó, đề xuất mẫu TPNFMZI và chứng minh để khẳng định TPNFMZI là OBD. Khảo sát ảnh hưởng của các tham số cơ bản lên tính lưỡng ổn định của nó. (4). Xem xét mối liên hệ giữa đặc trưng lưỡng ổn định của TPNFMZI và điều biến xung. Ứng dụng TPNFMZI để điều biến xung có biên độ ngẫu nhiên. 3. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục đích nêu trên, chúng tôi sử dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng lý thuyết. Đây là phương pháp dựa trên lý thuyết thiết lập các biểu thức liên quan, từ đó dùng phần mềm máy tính để mô phỏng kết quả, phương pháp này có tính chính xác cao và tính trực quan rõ nét, giúp chúng ta dễ dàng so sánh kết quả nghiên cứu được với kết quả thực nghiệm đã có, từ đó khẳng định được tính đúng đắn của các kết quả nghiên cứu. 4. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài Đề tài “Giao thoa kế Mach - Zehnder sợi qu ang phi tuyến hai cổng” sẽ đóng góp vào việc hoàn thiện lý thuyết về BLK phi tuyến và hiệu ứng lưỡng ổn định quang học; giải thích rõ nguyên lý hoạt động của một số GTK sợi quang phi tuyến; khẳng định TPNFMZI là thiết bị lưỡng ổn định quang họ c; đưa ra một vài bộ tham số tối ưu để định hướng cho việc thiết kế TPNFMZI trong tương lai; sử dụng TPNFMZI để điều biến các xung có dạng khác nh au và biên độ ngẫu nhiên như xung dạng Gauss và dạng sin, cho ra những xung phù hợp với mục đích sử dụng. Ngoài ra, kết quả đề tài giúp hệ thống hóa và bổ sung thêm kiến thức về hiệu ứng Kerr của môi trường phi tuyến trong lý t huyết quang phi tuyến, thông tin quang và laser, làm t ài liệ u tham khảo chuyên sâu cho các học viên cao h ọc, nghiên cứu sinh , cán bộ nghiên cứu ở các trườ ng đại học và các viện nghiên cứu cùng nhóm chuyên ngành. 5. Bố cục của luận án Nội dung của luậ n án được trình bày với bố cục gồm: Mở đầu, bốn chương nội dung và phần kết luận chung. Chương 1: Nguyên lý lưỡng ổn định qua ng học, giao thoa kế sợi quang phi tuyến. Chương 2: Bộ liên kết phi tuyến. Chương 3: Giao thoa kế Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến hai cổng. Chương 4: Điều biến xung tín hiệu bằng giao thoa kế Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến hai cổng. Phần kết luận chung và kiến nghị: Nêu lên những kết quả chính của luận án làm cơ sở cho công trình nghiên cứu tiếp theo. Nội dung của luận án là kết quả nghiên cứu đã được công bố trong 10 công trình đăng tải trên Tạp chí Communications in Physics (04), Kỷ yếu Advances in Optics Photonics Spec troscopy and Applications (01), Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Quân sự (02) và một số tạp chí và nội san khác (03). 3 Chương 1 NGUYÊN LÝ LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC, GIAO THOA KẾ SỢI QUANG PHI TUYẾN 1.1 Nguyên lý lưỡng ổn định quang học 1.1.1 Hiện tượng 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]. Nguyên tắc cơ bản để thu được hiện tượng lưỡng ổn định quang học là phải có hai điều kiện tất yếu, đó là một môi tr ường phi tuyến và sự phản hồi ngư ợc, hai điều kiện này hoàn toàn có được trong quang học [3 9, 68 , 85]. Nhờ quá trình ph ản hồi ngược, một phần cường độ ra (I ph ) sẽ tham gia điều khiển hệ số truyền qua T của hệ, do đó T là một hàm p hi tuyến T = T (I r ). T = I r I v . (1.1) Đồ thị diễn tả sự phụ thuộc của T vào I r và sự phụ thuộc của I r và o I v như hình 1.2 và 1.3. Hình 1.2: Sự phụ thuộc của T(I r ) vào I r Hình 1.3: Sự phụ thuộc của I r vào I v . (a) Đường đặc trưng cường độ vào - ra, (b) Đường đứt nét đặc trưng không ổn định [80]. Ta có thể dựa vào dạng hình chuông của hàm truyền (hì nh 1.2) và đường đặc trưng cường độ vào - ra (hình 1.3) để giải thích hiệu ứng lưỡng ổn định. 1.1.2 Điều kiện để xảy ra hiệu ứng lưỡng ổn định quang học Dựa trên sự thay đổi chiết xuấ t của môi trường phi tuyến khi cường độ mạnh của trường ngoài tác d ụng (Hiệu ứ ng Kerr), tạ o nên hiệu ứng lưỡng ổn định quang học , điều kiện để xảy 4 ra hiệu ứng lưỡng ổn định quang học được xác định [2] δnQk f I v dT dn > 1, (1.6) ở đây,  δn = ∂n ∂U     U=U 0  , Q là hệ số biến đổi, k f là hệ số hồi tiếp, T là hệ số truyền qua. Như vậy, để xuất hi ện bước nhảy trạng thái thì điều kiện (1.6) phải xảy ra (δnQk f I v dT dn > 1). Khi đó hệ chuyển trạng thái từ nhánh dưới lên nhánh trên và ngược lại. 1.2 Các loại giao thoa kế sợi quang phi tuyến 1.2.1 Giao thoa kế Fabry-Perot sợi quang và thiết bị cộng hưởng vòng - Nguyên tắc cấu tạo Hình 1.6: (a) Cấu tạo của GTK Fabry-Perot sợi quang. Gồm một sợi quang phi tuyến có hai đầu phủ lớp phản xạ cao hay nối với cách tử (b) Cấu tạo của thiết bị cộng hưởng vòng [98]. Gồm một sợi quang phi tuyến nối với hai cổng vào và r a của b ộ liên kết định hướng. - Hệ số truyền T R Hệ số truyền T R của buồng cộng hưởng Fabry-Perot được xác định dựa vào hệ số phản xạ R m của cách tử hay lớp phản xạ khi có tín hiệu quan g truyền đến. Ta xét trườ ng hợp, hai lớp phản xạ có hệ số phản xạ R m giống nhau, tín hiệu quang liên tục (CW) có tần số ω truyền qua và tại các công suất thấp sao cho φ NL << 1, các ảnh hưởng phi tuyến có th ể được bỏ qua (φ NL ≈ 0), lúc đó φ R (ω) = φ 0 (ω). Hệ số truyền được xác định từ cô ng thức Airy [19] T R = (1 − R m ) 2 (1 − R m ) 2 + 4R m sin 2 (φ 0 /2) . (1.9) Khi φ 0 = 2mπ, trong đó m là một số nguyên, thì 100 0 / 0 ánh sáng tới được truyền qua (T R = 1). Những tần số đáp ứng điều kiện này tươ ng ứng với các mod e dọc trong buồng cộng hưởng. Hệ số truyền giảm khi tần số của ánh sáng tới bị đ iều hưởng t ừ sự cộng hưởng. - Tính chất lưỡng ổn định quang học Ta có mối liên hệ giữa công suất truyền và côn g suất vào như sau [97] P r  1 + 4R m (1 − R m ) 2 sin 2  φ 0 2 + γP r L R 2(1 − R m )  = P v . (1.17) Từ phương trình (1.17) ta thấy ứng với một giá trị P v có thể có nhiều gi á trị P r vì SPM. Trong phạm vi công suất xác định thì hiệu ứng lưỡng ổn định xảy ra. 5 1.2.2 Giao thoa kế Michelson sợi quang - Nguyên tắc cấu tạo Hình 1.10: Cấu tạo của GTK Michelson sợi quang [53]. Gồm hai sợi, quang trong đó có một sợi phi tuyến, nối hai đầu của hai sợi quang đến hai cổng đầu ra của một BLK tuyến tính và hai đầu kia gắn với cách tử hoặc lớp phản xạ 100 0 / 0 . - Hệ số truyền Sự truyền từ cổng ra của bộ liên kết biến thành phản xạ từ cổng vào do đó hệ số phản xạ R M được xá c định R M = η 2 + (1 − η) 2 − 2η (1 − η) cos (φ L + φ NL ) , (1.18) trong đó η là hệ số truyền công suất của BLK trong GTK Michelson và φ L , φ NL lần lượt là độ lêch pha tuyến tính và phi tuyến trên mỗi nhánh của GTK Michelson. Hàm truyền T M được xác định T M = 1 − R M . 1.2.3 Giao thoa kế Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến bốn cổng - Nguyên tắc cấu tạo Hình 1.11: Cấu tạo của GTK Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến bốn cổng. Gồm một cặp sợi quang, trong đó có một s ợi quang phi tuyến và một sợi quang tuyến tính, các đầu của cặp sợi quang được nối với hai bộ liên kết tuyến tính. - Hệ số truyền phi tuyến Đối với FPNFMZI không đối xứng, hệ số truyền qua cổng ra 3 được xác định [98] T b = |A 3 | 2 |A 0 | 2 =η 1 η 2 + (1 − η 1 ) (1 − η 2 ) − 2 [η 1 η 2 (1 − η 1 ) (1 − η 2 )] 1/2 cos [φ L + φ NL ] , (1.26) trong đó η 1 và η 2 lần lượt là hệ số truyền công suất qua BLK thứ nhất và thứ hai t rong FPNFMZI. 6 Phương trình (1.26) được rút gọn đ ối với FPNFMZI đối xứn g sử dụng hai bộ liên kết 3dB, trong đó η 1 = η 2 = 1/2. Độ lệch pha phi tuyến triệt tiêu đối với một bộ liên kết khi L 1 = L 2 , và hệ số truyền công suất qua cổng ra 3 cho bởi T b = sin 2 (φ L /2) . (1.29) Vì độ lệch pha tu yến tính φ L phụ thuộc tần số nên đầu ra phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Do đó, FPNFMZI hoạt động như 1 bộ lọc quang. Ngoài ra, FPNFMZI còn đ ược sử dụng như một khoá đóng mở nhanh kh i kết hợp với SOA [16, 43, 44, 8 3, 93]. Khi sử dụng nguồn điều khiển vào cổng 4, FPNFMZI hoạt động như một thiết bị lưỡng ổn định quang học [ 50]. Nếu liên kết hai GTK này với nh au và sử dụng thêm SOA chúng trở thành linh kiện đảo mạch toàn quang [50]. Nếu GTK Mach-Zehnder sợi quang phi tuyến chỉ sử dụng hai cổng, một cổng vào và một cổng ra, thì nó sẽ hoạt động như một bộ điều biến quang [23]. 1.3 Kết luận Qua nghiên cứu hiệu ứng lưỡng ổn định và khảo sát các OBD l à các GTK sợi quang ở trên cũng như các công trình nghiên cứu trước đây đã nêu rất rõ về nguyên lý lưỡng ổn định quang học [2, 17, 39, 50, 63, 81], nh ưng tính lư ỡng ổn định phụ thuộc vào sự thay đổi các tham số nguyên lý của OBD, dẫn đến ảnh hưởng cường độ ra vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Đối với các loại GTK sợi quang thông dụng h iện nay, chúng tôi chỉ quan tâm đến những GTK sợi quan g có hiệu ứng lưỡng ổn định như: Fabry−Perot, Michelson và Mach-Zeh nder [12, 98], chúng thường thiết kế với BLK t uyến tính, nhờ vậy không bị hiệu ứng ph i tuyến ảnh hưởng đến việc chọn lựa hệ số truyền công suất theo ý muốn. Nhưng sử dụng BLK tuyến tính sẽ có những mối nối giữa sợi tuyến tính của BLK và sợi phi tuyến của GTK, điều đó làm giảm hiệu suất hoạt động cũng như không đồng bộ trong cấu hình của GTK. Để nâng cao hiệu suất hoạt động cũng như đồng bộ trong cấu hình, liệu có thể thay thế BLK tuyến tính bằng BLK phi tuyến mà hệ số truyền công suất vẫn có thể đạt 50 phần trăm hay không? Với những tính chất ưu việt, FPNFMZI được sử dụng trong nhiều ứng dụng khá c nhau, nhưng khi FPNFMZI hoạt động như một thiết bị lưỡng ổn định quang học cho mục đích điều biến xung, thì chỉ cần sử dụng 2 trong 4 cổng của nó. Do đó, TPNFMZI được đề xuấ t nghiên cứu, tín hiệu phản hồi có thể tách một phần từ tín hiệ u ra và cho quay trở lại để tham gia điều kh iển, không cần đế n nguồn phụ nên đơn giản về mặt cấu trúc và công nghệ chế tạo. Câu hỏi đặt ra là có thể bảo đảm tính lưỡng ổn định của GTK hay không khi thực hiện thay thế FPNFMZI bởi TPNFMZI? Nội dung trả lời các câu hỏi trên được trình bày ở chương hai và chương ba. 7 Chương 2 BỘ LIÊN KẾT PHI TUYẾN 2.1 Cấu tạo bộ liên kết phi tuyến Cấu tạo bộ liên kết tuyến tính và bộ liên kết phi tuyến như hình 2.2a, b. Hình 2.2: Sơ đồ cấu tạo bộ liên kết, (a) bộ liên kết tuyến tính, (b) bộ liên kết phi tuyến. 2.2 Phương trình sóng trong bộ liên kết phi tuyến Từ phương trình truyền của những sóng liên kết, chúng tôi giới thiệu những phương trình đạo hàm biên độ của bộ liên kết phi tuyến. dA  1 (z) dz = iC 12 A  2 (z) exp [i (2∆β) z] , dA  2 (z) dz = −iC 21 A  1 (z) exp [−i (2∆β) z] . (2.8) 2.3 Sự truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến Giải phương trình (2.8) ta được biểu thức hệ số truyền công suất η = P 1 (z) P 1 (0) = 1 − C 2 4π 2 c 2  2 0 n 4 nl I 4 v 16λ 2 + C 2 sin 2   z  4π 2 c 2  2 0 n 4 nl I 4 v 16λ 2 + C 2   , 1 − η = P 2 (z) P 1 (0) = C 2 4π 2 c 2  2 0 n 4 nl I 4 v 16λ 2 + C 2 sin 2   z  4π 2 c 2  2 0 n 4 nl I 4 v 16λ 2 + C 2   , (2.12) trong đó η là hệ số truyền công suất trong cùng sợi phi tuyến và 1 − η là hệ số truyền công suất từ sợi phi tuyến sang sợi tuyến tính của BLK phi tuyến. 2.4 Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến vào các tham số nguyên lý Xét bộ liên kết phi tuyến có chiều dài z, bán kính lõ i sợi a = 4.5µm và khoảng cách giữa 2 tâm lõi sợi là d = 11.797µm, chiết suất lõi n 1 = 1.485, chiết suất lớp phủ n 2 = 1.480 8 và hệ số chiết suất phi tuyến n nl = 10 −12 mm 2 /W . Tín hiệu vào có bước sóng λ = 1.53µm, hệ số liên kết C = 0.694/mm, I v = 1.4 × 10 11 W/mm 2 ,  0 = 8.854 × 10 −12 F/m. 2.4.1 Sự phụ thuộc hệ số truyền cô ng suất của bộ liên kết phi tuyến vào chiều dài bộ liên kết z Từ phươn g trình (2.13) và kết quả mô phỏng trên hình 2.3, có thể thấy hệ số truyền công suất có tính tuần hoàn theo chiều dài b ộ liên kết. Hình 2.3: Sự truyền có tính chu kỳ của công suất trong bộ liên kết phi tuyến. Từ hìn h 2.3 nhận thấy, với cường độ n hư trên bộ liên kết phi tuyến vẫn phản án h đặc trưng truyền lan của bộ liên kết tuyến tính vì hiệu ứng phi tuyến chưa xảy ra trong bộ liên kết phi tuyến. Gọi L max là độ dài bộ liên kết phi tuyến tương ứng với hệ số truyền công suất qua sợi tuyến tính đạt gần như 100 0 / 0 . Điều này sẽ không tồn tại nếu ta tăng cường độ tín hiệu vào. Khoảng cường độ vào (0 ÷ 1.4 × 10 11 W/mm 2 ) là khá rộng và đặc trưng truyền lan của bộ liên kết phi tuyến h ầu như giống đặ c trưng truyền lan của bộ liên kết tuyến tính. Giá trị I v = 1.4 × 10 11 W/mm 2 được gọi ngưỡng phi tuyến của bộ liên kết phi tuyến. Điều này giúp ta có thể thay bộ liên kết tuyến tính bằng bộ liên kết phi tuyến mà hầu như không ảnh hưởng đến đặc trưng truyền lan. 2.4.2 Độ dài kết hợp (L kh ) và độ dài 3 dB (L 3dB ) của bộ liên kết phi tuyến Từ khá i niệm về độ d ài kết hợp và độ dà i “3dB” của bộ liên kết, chúng ta thiết l ập được biểu thức độ dài kết hợp và độ dài “3dB” như sau L kh = arcsin    4π 2  2 0 n 4 nl I 4 v 16λ 2 +C 2 C 2    4π 2  2 0 n 4 nl I 4 v 16λ 2 + C 2 . (2.15) L 3dB = arcsin    4π 2  2 0 n 4 nl I 4 v 16λ 2 +C 2 2C 2    4π 2  2 0 n 4 nl I 4 v 16λ 2 + C 2 . (2.17) Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc độ dài "3dB" của bộ liên kết phi tuyến vào cườ ng độ và o được biểu diễn trên hình 2.8. 9 [...]... hệ số chiết suất phi tuyến và các tham số nguyên lý của BLK như: chiều dài bộ liên kết, bán kính lõi sợi, khoảng cách giữa hai tâm của các lõi sợi Xác định được điều kiện của sợi phi tuyến để có BLK phi tuyến “3dB” Đã xác định được ngưỡng phi tuyến của BLK phi tuyến thông qua việc khảo sát sự phụ thuộc của hệ số truyền công suất của BLK phi tuyến vào cường độ vào Giá trị ngưỡng phi tuyến là khá cao,... được hệ số liên kết C Khi bán kính lõi sợi càng tăng thì công suất truyền qua sợi tuyến tính càng dễ dàng 2.4.6 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 Khi tăng khoảng cách giữa hai tâm của hai lõi sợi thì công suất truyền qua sợi tuyến tính giảm nhanh 2.4.7 Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến vào bước sóng... TUYẾN HAI CỔNG 3.1 Cấu tạo TPNFMZI Hình 3.2: Sơ đồ cấu tạo TPNFMZI Gồm hai sợi quang chiều dài L, trong đó có một sợi phi tuyến không hấp thụ, hệ số chiết suất phi tuyến (nnl ) và một sợi tuyến tính, chúng được nối với hai BLK phi tuyến có hệ số truyền công suất lần lượt là η1 và η2 , nối hai đầu ra của bộ liên kết thứ hai bằng một sợi tuyến tính 3.2 Phương trình cường độ vào - ra Từ các phương trình sóng... từ sợi phi tuyến sang sợi tuyến tính luôn đạt xấp xỉ 100 0 /0 Sau đó, tăng cường độ vào thì hệ số truyền công suất từ sợi phi tuyến sang tuyến tính giảm nhanh và ngược lại công suất truyền trong sợi phi tuyến tăng nhanh đến gần như toàn bộ Do đó, ta có thể khẳng định bộ liên kết phi tuyến có thể để sắp xếp dãy các xung yếu, mạnh 10 2.4.4 Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến. .. truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến phụ thuộc vào hệ số chiết suất phi tuyến không thay đổi, nhưng có độ dốc lớn hơn Điều đó nghĩa là, ứng với một giá trị của hệ số chiết suất phi tuyến nếu cường độ vào tăng thì hệ số truyền công suất trong cùng sợi phi tuyến tăng và qua sợi tuyến tính giảm 2.4.5 Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến vào bán kính lõi sợi a Từ thực nghiệm người... giữa hai tâm của hai lõi sợi thì công suất truyền qua sợi tuyến tính giảm nhanh Để có độ dài “3dB” thì cường độ vào phải nằm trong khoảng giá trị xác định Khi thay đổi bước sóng trong vùng hồng ngoại gần thì độ dài L3dB thay đổi rất ít Do đó, ta dễ dàng xác định được độ dài L3dB bằng cách điều chỉnh d/a hay chiều dài bộ liên kết L 12 Chương 3 GIAO THOA KẾ MACH- ZEHNDER SỢI QUANG PHI TUYẾN HAI CỔNG 3.1... của bộ liên kết phi tuyến vào cường độ tín hiệu vào hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm và cũng từ đó khẳng định được bộ liên kết phi tuyến có thể được sử dụng để sắp xếp dãy các xung yếu và mạnh Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến vào hệ số chiết suất phi tuyến tương tự như phụ thuộc vào cường độ vào Khi bán kính lõi sợi càng tăng thì công suất truyền qua sợi tuyến tính... dạng sin Về khoa học cơ bản, những kết quả trên đóng góp vào việc hoàn thiện lý thuyết về BLK phi tuyến và hiệu ứng lưỡng ổn định quang học, giải thích rõ nguyên lý hoạt động của một số GTK sợi quang phi tuyến Ngoài ra, kết quả đề tài giúp hệ thống hóa và bổ sung thêm kiến thức về hiệu ứng Kerr của môi trường phi tuyến trong lý thuyết thông tin quang, lý thuyết quang phi tuyến và laser, làm tài liệu tham... cho mục đích biến điệu xung; dựa vào cơ sở lý thuyết truyền lan ánh sáng trong môi trường và trong hệ quang học, lý thuyết quang phi tuyến; đề tài đã định hướng vào việc nghiên cứu lý thuyết BLK phi tuyến qua đó xác định được giá trị ngưỡng phi tuyến và hệ số truyền công suất theo ý muốn, để có thể thay thế BLK tuyến tính bằng BLK phi tuyến mà không ảnh hưởng đến chức năng của nó Đề xuất mẫu TPNFMZI... vào chiều dài sợi quang phi tuyến L Hình 3.14: Đường đặc trưng lưỡng ổn định của TPNFMZI ứng với các giá trị L, (a) L = 1 cm, (b) L = 10 cm, (c) L = 100 cm Kết quả mô phỏng cho thấy, sự phụ thuộc đặc trưng lưỡng ổn định vào chiều dài sợi quang phi tuyến tương tự như phụ thuộc vào hệ số chiết suất phi tuyến 3.5.5 Sự phụ thuộc đặc trưng lưỡng ổn định vào hệ số truyền qua bộ liên kết phi tuyến η1 , η2 - . và phần kết luận chung. Chương 1: Nguyên lý lưỡng ổn định qua ng học, giao thoa kế sợi quang phi tuyến. Chương 2: Bộ liên kết phi tuyến. Chương 3: Giao thoa kế Mach- Zehnder sợi quang phi tuyến hai cổng. Chương. tài: Giao thoa kế Mach - Zehnder sợi quang phi tuyến h ai cổng . 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Mục đích nghiên cứu là đề xuất mẫu giao thoa kế Mach- Zehnder sợ i quang phi tuyến hai cổng. GTK Mach- Zehnder sợi quang phi tuyến bốn cổng. Gồm một cặp sợi quang, trong đó có một s ợi quang phi tuyến và một sợi quang tuyến tính, các đầu của cặp sợi quang được nối với hai bộ liên kết tuyến