Khảo sát hiệu ứng lưỡng ổn định quang học trong môi trường CdSe có cấu trúc tuần hoàn

1 Trờng đại học vinh - nguyễn văn định KHO ST HIỆU ỨNG LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG CdSe Cể CU TRC TUN HON Luận văn thạc sĩ VËT Lý nGHƯ aN - 2013 Bé gi¸o dơc đào tạo Trờng đại học vinh - KHẢO SÁT HIỆU ỨNG LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG CdSe Cể CU TRC TUN HON Chuyên ngành: quang học MÃ số: 60.44.01.09 Luận văn thạc sĩ vật lý Ngời hớng dẫn khoa học: ts.nguyễn văn phú nGHệ aN - 2013 LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành hướng dẫn, giúp đỡ Thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Văn Phú Qua tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc kính trọng đến Tiến sĩ Nguyễn Văn Phú, thầy tận tình bảo, hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình hồn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn tới thầy, giáo khoa Vật lý, Khoa Đào tạo Sau đại học Trường đại học Vinh, người truyền thụ cho tác giả kiến thức bổ ích trình học tập, dẫn dắt tác giả bước đầu nghiên cứu khoa học suốt trình thực luận văn Tác giả xin cảm ơn bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Vinh, tháng năm 2013 Tác giả Nguyễn Văn Định MỞ ĐẦU Trong thập niên đầu kỷ 20 cho mơi trường quang học có tính chất tuyến tính Trong mơi trường đặc trưng quang học chiết suất, hệ số hấp thụ không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, tần số ánh sáng khơng thay đổi q trình truyền lan, nguyên lý chồng chất xem nguyên lý quang học cổ điển Tuy nhiên phát triển nhanh laser năm kỷ 20 trở lại cho phép tiến hành nhiều thí nghiệm kiểm chứng thay đổi mặt chất môi trường tác dụng của chùm ánh sáng có cường độ lớn Nhiều thí nghiệm cho thấy tác dụng chùm sáng có cường độ lớn, tính chất tuyến tính môi trường bị phá vỡ, môi trường trở thành phi tuyến Chiết suất môi trường tốc độ ánh sáng môi trường phi tuyến thay đổi theo độ lớn cường độ ánh sáng, nguyên lý chồng chất khơng cịn tần số ánh sáng thay đổi truyền qua mơi trường Như có mặt ánh sáng có cường độ lớn mơi trường làm thay đổi tính chất mơi trường [1] Nghiên cứu q trình truyền ánh sáng mơi trường phi tuyến, hiệu ứng lưỡng ổn định quang học dành quan tâm ý đặc biệt học thuật thực tiễn khả đầy hứa hẹn lĩnh vực điều khiển, xử lý thông tin quang phát triển hệ máy tính túy quang học Cho đến lưỡng ổn định trở thành tượng quan trọng quang học quan tâm nghiên cứu mặt lý thuyết thực nghiệm 5 Các kết nghiên cứu cho thấy kết hợp tính phi tuyến (nonlinearity) hồi tiếp (feedback) hai nhân tố bắt buộc để có hiệu ứng lưỡng ổn định Hai nhân tố hồn tồn thiết lập quang học Khi tín hiệu quang học từ môi trường phi tuyến lái trở lại sử dụng để điều khiển khả truyền ánh sáng mơi trường, nhờ đặc trưng lưỡng ổn định xảy [1] Nghiên cứu hiệu ứng lưỡng ổn định đưa đến ứng dụng to lớn thực tiễn, chẳng hạn ứng dụng để chế tạo mạch logic, transistor, nén xung phần tử nhớ quang hay yếu tố để xử lý tín hiệu dùng máy tính quang học có tốc độ cực nhanh hay cổng quang học hệ thống thông tin cáp quang ngày nay… mà hoạt động chúng dựa sở chung hiệu ứng lưỡng ổn định quang học [1] Trong trình truyền dẫn hệ thống thông tin quang, thiết bị lưỡng ổn định quang học đóng vai trị quan trọng việc thiết lập hệ thống truyền toàn quang Các linh kiện quang tử với tốc độ đáp ứng cao kích thước gọn nhẹ góp phần làm thay đổi phương thức truyền dẫn thông tin truyền thống cáp đồng trục Nhờ đó, khối lượng thơng tin khổng lồ bao gồm tín hiệu hình ảnh, tín hiệu âm xử lý truyền cách đồng thời Sự có mặt linh kiện đưa đến tương lai đầy hứa hẹn cho hệ máy tính lượng tử cổng điện tử, khóa điện tử phần tử nhớ điện tử máy tính điện tử thời thay linh kiện quang tương ứng Khảo sát ảnh hưởng tham số đầu vào đến hiệu ứng lưỡng ổn định hướng nghiên cứu quan tâm với mục đích nhằm phân tích vai trò tham số động học phi tuyến tham số đặc trưng cho cấu trúc vật liệu như: Sự thay đổi chiết suất, cường độ ánh sáng tới, chiều dài hoạt chất, mật độ phân tử cấu trúc, nhiệt độ cấu trúc, số lớp cách tử, chu kỳ cách tử… kết thu giúp thực nghiệm lựa chọn giá trị phù hợp thông số giới thiệu để làm sở cho thực nghiệm nghiên cứu ứng dụng, chế tạo thiết bị quang tử ứng dụng thực tiễn hệ thống thông tin quang Nằm hướng nghiên cứu đó, luận văn đặt vấn đề: Khảo sát hiệu ứng lưỡng ổn định quang học môi trường CdSe cấu trúc tuần hồn Nội dung luận văn trình bày với bố cục gồm phần: Mở đầu, hai chương nội dung, kết luận chung danh mục tài liệu tham khảo Chương I Tổng quan hiệu ứng lưỡng ổn định quang học ứng dụng thơng tin quang Trong chương chúng tơi tìm hiểu khái niệm hiệu ứng lưỡng ổn định quang học, trình bày mơi trường quang học phi tuyến, ngun lý để tạo hiệu ứng lưỡng ổn định, vài giao thoa kế phi tuyến hoạt động dựa hoạt động ổn định quang học, ứng dụng hiệu ứng lưỡng ổn định thông tin quang Chương II Khảo sát hiệu ứng lưỡng ổn định quang học mơi trường CdSe có cấu trúc tuần hồn Trong chương II xuất phát từ mơ hình cấu trúc phản hồi phân bố, chúng tơi dẫn hệ phương trình kết hợp phi tuyến mối quan hệ vào cường độ truyền qua cường độ tới Khảo sát ảnh hưởng tham số cấu trúc môi trường hay yếu tố đầu vào lên đường cong mô tả hiệu ứng lưỡng ổn định môi trường CdSe có cấu trúc tuần hồn Phần kết luận chung nêu lên số kết đạt trình nghiên cứu đề tài CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG THƠNG TIN QUANG 1.1 Mơi trường phi tuyến Chiết suất nhiều vật liệu quang học ngồi phụ thuộc vào bước sóng cịn phụ thuộc vào cường độ ánh sáng truyền qua nó, chiết suất mơi trường trở thành chiết suất phi tuyến Trong phần khảo sát biểu diễn toán học chiết suất phi tuyến nghiên cứu trình vật lý dẫn tới hiệu ứng Khi chùm ánh sáng đơn sắc có cường độ lớn rọi vào môi trường, chiết suất mơi trường biểu diễn cơng thức [1] : n = n0 % + n2 E (1.1) đó, n0 chiết suất mơi trường chiếu chùm sáng có cường độ yếu n2 số khúc xạ bậc (còn gọi số quang mới) Biểu thức (1.1) cho thấy chiết suất môi trường tăng lên theo tăng % cường độ Dấu ngoặc nhọn bao quanh E biểu diễn trung bình theo thời gian Chẳng hạn trường quang học có dạng: % E (t ) = E( ω ) e −iωt + c.c (1.2) % 〈 E (t ) 〉 = E( ω )E*( ω ) =2|E( ω )|2 (1.3) Chúng ta tìm được: n= n0 + 2n E ( ω ) (1.4) Công thức (1.1) (1.4) mô tả thay đổi chiết suất môi trường phi tuyến tác dụng chùm sáng có cường độ lớn Dưới tác động trường ánh sáng có cường độ lớn hiệu ứng phi tuyến xẩy ánh sáng qua môi trường Mỗi hiệu ứng phi tuyến gắn với thành phần phân cực bậc cao môi trường Hiệu ứng Kerr gắn với thành phần phân cực bậc ba sau [1]: PNL (ω) = 3χ(3)(ω = ω + ω - ω) E ( ω ) E(ω) (1.5) ω tần số ánh sáng tương tác, E( ω) véc tơ cường độ điện trường, χ3(ω) thành phần ten xơ bậc ba độ cảm phi tuyến môi trường Giả thiết hiệu ứng phi tuyến khác bỏ qua Để đơn giản, giả thiết ánh sáng phân cực tuyến tính bỏ qua số ten xơ χ(3) Khi phân cực tổng trường có dạng: TONG P (ω) = χ E(ω) + 3χ (1) (3) E(ω ) E(ω) ≡ χ eff E(ω) (1.6) Trong χeff độ cảm hiệu dụng môi trường: χeff = χ(1) + 3χ(3) |E( ω )|2 (1.7) n2 =1 + 4π χeff (1.8) Ta biết rằng: Nên từ (1.4), (1.7) (1.8) ta tìm được: [n0 + n2 |E( ω )|2]2 = + 4πχ(1) + 12πχ(3) E ( ω ) Khai triển công thức (1.9) bỏ qua số hạng vô bé bậc cao (1.9) E (ω ) ta được: n02 + 4n0 n2 E ( ω ) = (1 + 4πχ(1) ) + (12πχ(3) E ( ω ) ) 2 (1.10) Như vậy, sau tách phần tuyến tính phần phi tuyến ta coi chiết suất tuyến tính: n0 = (1 + 4πχ(1))1/2 Và: n2 = (1.11) 3πχ (3) n0 (1.12) hệ số chiết suất phi tuyến mơi trường Khi tính tốn hồn tồn giả định chiết suất đo sử dụng chùm laser đơn sắc hình 1.1a Bằng cách khác tìm phụ thuộc chiết suất vào cường độ sử dụng chùm riêng rẽ thể hình 1.1b Ở có mặt chùm mạnh với biên độ E( ω ) làm thay đổi chiết suất chùm yếu với biên độ E( ω ’) Độ phân cực phi tuyến tác động đến sóng có dạng: PNL(ω’) = 6χ(3) (ω’ = ω’ + ω - ω) E ( ω ) E(ω’) (1.13) Chú ý hệ số suy giảm trường hợp lần trường hợp chùm đơn phương trình (1.5) Thật với trường hợp chùm, hệ số suy giảm ω = ω’, chùm sóng bắn từ nguồn bơm theo hướng truyền khác có tính chất vật lý khác Từ chiết suất môi trường cho bởi: 10 n = n0 + 2n2(weak) E ( ω ) n2(weak) = Ở đây: (ω ) ω (1.14) 6πχ ( 3) n0 (ω ) a) (1.15) χ ( 3) φNL Sóng mạnh χ ( 3) Sóng dị φNL b) Hình 1.1 Sơ đồ xác định độ cảm bậc ba [1] Như vậy, sóng mạnh làm cho chiết suất sóng yếu tần số tăng lên gấp đơi so với chiết suất riêng Hiệu ứng biết tính trễ sóng yếu Một cách khác biểu thị mối quan hệ chiết suất vào cường độ phương trình: n = n0 + n2 I (1.16) I cường độ trung bình theo thời gian trường quang I n0 c = 2π |E( ω )|2 (1.17) 11 So sánh (1.4) (1.16) có: n |E( ω )|2 = n2I (1.18) Từ (1.17) (1.18), ta có: n2 = 4π n2 n0 c (1.19) Từ (1.12) (1.19), tìm n2 quan hệ với χ(3) theo công thức: 12π = n2 n0 c χ(3) (1.20) Ta thấy thay đổi chiết suất dù nhỏ, song với thay đổi dẫn đến thay đổi hiệu ứng quang học phi tuyến Trên sở hiệu ứng đó, vấn đề mà chúng tơi quan tâm hiệu ứng lưỡng ổn định quang học Do lựa chọn mơi trường Kerr với hệ số phi tuyến hợp lý đưa vào hệ quang tạo hiệu ứng phản hồi ngược (feedback) ta nhận linh kiện lưỡng ổn định toàn quang (All-optical BistableDevice) Các hệ quang chủ yếu giao thoa kế cấu trúc lớp xếp theo chu kỳ [1] 1.2 Nguyên lý ổn định quang học 1.2.1 Hiệu ứng lưỡng ổn định quang học Chiết suất nhiều vật liệu quang học phụ thuộc vào cường độ ánh sáng truyền qua nó, qua mơi trường gây nhiều hiệu ứng phi tuyến: Hiệu ứng tự hội tụ, hiệu ứng hấp thụ phi tuyến, hiệu ứng lưỡng ổn định Trong khuôn khổ luận văn, quan tâm vào hiệu ứng lưỡng ổn định quang học 12 Lưỡng ổn định quang học (Optical Bistability) tượng mà xuất hai trạng thái quang học ổn định hệ quang học trạng thái quang học vào Nói cách khác tượng tồn phụ thuộc kiểu trễ đặc trưng quang học vào - hệ Nguyên nhân gây tượng thay đổi đột biến trạng thái vật lý hệ điều kiện vật lý (các tham số vật lý) biến đổi giới hạn định [1] Rõ ràng hệ phải có tính phi tuyến quang học Tuy nhiên có điều thơi chưa đủ, hệ cịn phải có liên kết phản hồi điều khiển đặc tính truyền qua mơi trường hay ổn định tính đa trị tín hiệu Tùy thuộc vào chế vật lý tính phi tuyến quang học hệ mà người ta phân biệt quang học hấp thụ, lưỡng ổn định quang học tán sắc lưỡng ổn định quang học hỗn hợp hấp thụ-tán sắc Hệ lưỡng ổn định quang học hấp thụ liên quan tới phụ thuộc phi tuyến hệ số hấp thụ môi trường vào cường độ xạ phản hồi hệ lưỡng ổn định quang học tán sắc liên quan liên quan tới phụ thuộc phi tuyến chiết suất mơi trường vào cường độ xạ phản hồi đóng [1] Đường đặc trưng mô tả phụ thuộc Ira vào Ivào có dạng đường cong trễ hình chữ S (hình 1.2) Miền chấm chấm đồ thị ứng với nghiệm không ổn định, nghĩa tồn thăng giáng nhiễu loạn nhỏ trạng thái hệ chuyển lên nhánh nhánh đồ thị Giá trị cường độ vào biểu diễn trục hoành, giá trị cường độ dịch chuyển theo nhánh giá trị Ivao đạt đến Ivao = I2, dòng truyền qua Ira nhảy lên nhánh đồ thị Vào thời điểm Ira nằm Ira 13 nhánh đường cong vào - ra, muốn trở nhánh cường độ Ivao phải giảm xuống thấp giá trị tới hạn khác I1 < I2 Như đường cong trễ xác lập Ngoài hai giá trị tới hạn I1, I2 hệ ổn định quang Ivao học [1] 1.2.2 Nguyên lý ổn định quang học Hai nhân tố quan trọng cần thiết để chế tạo linh kiện lưỡng ổn định quang học tính phi tuyến (nonlinearity) phản hồi ngược (feedback) Hai nhân tố hoàn toàn có quang học Khi tín hiệu quang học từ môi trường phi tuyến (phần tử phi tuyến) lái trở lại (sử dụng gương phản xạ) sử dụng để điều khiển khả truyền ánh sáng mơi trường đặc trưng lưỡng ổn định xuất [1] Ta xem xét hệ quang học tổng quát hình 1.3 Nhờ trình phản hồi ngược cường độ Ira cách điều khiển hệ số truyền qua T hệ, cho T hàm phi tuyến: T = T(Ira) Do Ira = TIvao, nên: 14 Ivào = (1.21) I T ( I ) Biểu thức (1.21) mô tả quan hệ vào hệ lưỡng ổn định [1] Hình 1.3.Hệ quang học hệ số truyền qua hàm cường độ I [1] Rõ ràng hệ có đặc trưng lưỡng ổn định Với cường độ vào nhỏ (Ivào < I1) lớn (Ivào > I2), giá trị vào ứng với giá trị đầu Trong vùng trung gian I1 < Ivào < I2 giá trị vào ứng với giá trị ra, giá trị cường độ nhánh nhánh giá trị ổn định giá trị trung gian nhánh không ổn định biểu thị đường nét đứt (trên đoạn I1 - I2 hình 1.4c giá trị không ổn định) Nếu thăng giáng nhiễu loạn nhỏ thêm vào đầu vào làm cho trạng thái đầu hệ chuyển lên nhánh nhánh đồ thị T(Ir) a Ivao Ira b Ira c Ira I1 I2 Hình 1.4 Các đặc trưng lưỡng ổn định [1] Ivao Ira 15 Ivao Bắt đầu từ tín hiệu đầu vào nhỏ tăng đầu vào đạt ngưỡng I2 đầu nhảy lên trạng thái mà không qua trạng thái trung gian Khi đầu vào giảm, đầu giảm theo nhánh đạt giá trị ngưỡng I1 đầu nhảy xuống trạng thái hình 1.5 Đối với khơng ổn định trạng thái trung gian P (P nằm đường nét đứt nối hai điểm hình 1.5), có tăng nhỏ Ira gây nên tăng đột ngột hàm truyền T(Ira) chí lúc Ira khơng tăng hàm truyền tiếp tục tăng mạnh (độ dốc đồ thị hàm truyền dương lớn gần thẳng đứng hình 1.4a), kết có chuyển tiếp từ P lên trạng thái ổn định nhánh Tương tự, có Hình 16 giảm nhỏ Ira gây giảm đột ngột hàm truyền T(Ira) , có chuyển tiếp từ P xuống trạng thái ổn định nhánh [1] Như ta nghiên cứu trên, tính lưỡng ổn định có nhờ q trình chuyển pha loại II trình vật lý Sự chuyển pha thiết bị lưỡng ổn định điện - quang quang - quang dựa thay đổi chiết suất cường độ mạnh trường Sự thay đổi chiết suất dựa hiệu ứng phi tuyến xẩy mơi trường phi tuyến có độ cảm phi tuyến bậc ba Hiệu ứng thay đổi chiết suất gọi hiệu ứng Kerr mơi trường có tính chất gọi môi trường phi tuyến kiểu Kerr mà ta khảo sát phần [1] 1.3 Một vài linh kiện lưỡng ổn định quang học Một số giao thoa kế có chứa mơi trường Kerr gọi giao thoa kế phi tuyến chúng hoạt động linh kiện lưỡng ổn định Giao thoa kế Fabry-Perot phi tuyến tạo hai gương quang học M M2 có hệ số phản xạ R1 R2 tương ứng, đặt cách khoảng d Giữa hai gương lấp đầy môi trường phi tuyến Kerr có chiết suất tuyến tính n0 hệ số chiết suất phi tuyến n2 hệ số hấp thụ tuyến tính α (hình 1.6) Khi sóng ánh sáng có cường độ Iin vào phần truyền qua có cường độ Iout, phần bị phản xạ trở lại bị giam hai gương Phần có tác dụng làm thay đổi chiết suất môi trường gọi cường độ điều khiển Ic [1] Như giao thoa kế đảm bao hai nhân tố: môi trường phi tuyến bên giao thoa kế phản hồi ngược( gương Iin Iout phản xạ R2) xảy hiệu ứng lưỡng ổn định Ic M1 n=n0+n2Ic M2(R2) d Hình 1.6 Giao thoa kế Fabry-Perot phi tuyến hoạt động linh kiện lưỡng ổn định quang học [1] 17 Giao thoa kế Mach-Zehnder phi tuyến với môi trường phi tuyến tuân theo hiệu ứng quang học Kerr nhánh (hình 1.7) Mơi trường phi tuyến có độ dày d chiết suất tuyến tính n0 hệ số chiết suất phi tuyến n2 đặt hai chia P1 P2 có hệ số phản xạ 50% tương ứng (nhánh thứ nhất) Hai gương M1 M2 có hệ số phản xạ 100% đặt hai chia (nhánh thứ hai) Ánh sáng vào sau chia chia P vào nhánh có cường độ Trong nhánh thứ ánh sáng truyền thẳng qua môi trường phi tuyến tới chia P2, nhánh lại sau phản xạ gương M M2 tới P2 Sau tới P2 hai tia giao thoa với Nhờ chia P phần Ira phần cịn lại quay mơi trường phi tuyến nhờ gương phản xạ 100% M3 Hiệu ứng quang học Kerr tạo nhờ ánh sáng phản hồi độ truyền qua môi trường phi tuyến phụ thuộc vào ánh sáng phát Iout Khi hàm truyền phụ thuộc cường độ dạng [1]: T ( I ) =   1 d + cos 2π n2 I + δ   λ  2   d với δ = ϕ0 + ( 2πd / λ ) n0 (1.22) M3 P1 Iin n=n0+n2Ictr α P2 Iout If M1 L M2 Hình 1.7 Giao thoa kế Mach-Zehnder phi tuyến hoạt động linh kiện lưỡng ổn định [1] 18 1.4 Ứng dụng hiệu ứng lưỡng ổn định thông tin quang Các thiết bị quang tử hoạt động dựa hiệu ứng lưỡng ổn định quang học gọi thiết bị lưỡng ổn định Như thiết bị lưỡng ổn định hoạt động cần có hai điều kiện bản, hiệu ứng phi tuyến phản hồi ngược Thiết bị lưỡng ổn định quang học (optical bistabble device) nghiên cứu khảo sát nhiều năm qua Nhiều dạng thiết bị lưỡng ổn định quang học chế tạo ứng dụng như: cặp diode phát quang (light emitting diode couple), cặp laser bán dẫn (laser diode couple), lớp phản xạ lớp màng mỏng phun lên thủy tinh Các giao thoa kế phi tuyến giao thoa kế Fabry-Perot, giao thoa kế Mach-Zehnder ứng dụng chế tạo mạch IC quang học như: linh kiện biến đổi tương tự- số (A/D converter), đảo mạch quang (optical flip-flop) [1] Thiết bị lưỡng ổn định có vai trò quan trọng mạch số ứng dụng thơng tin, xử lí tín hiệu số máy tính Chúng sử dụng khóa đóng mở, cổng lơgic, phần tử nhớ (hình 1.8) Các tham số thiết bị điều khiển cho hai giá trị ngưỡng đầu vào trùng Thiết bị ngưỡng có mối quan hệ đầu vào với đầu dạng chữ S Với đặc điểm này, có độ khuếch đại vi 19 phân rộng sử dụng thiết bị khuếch đại (hình 1.9) sử dụng để làm phần tử ngưỡng ( đầu chuyển hai giá trị đầu vào vượt ngưỡng) phần tử nắn xung (hình 1.10) Ra Ra Vào t Vào t Hình 1.8 Quá trình flip - flop hệ lưỡng ổn định [1] Quá trình flip - flop hình 1.8 giải thích sau: thời điểm đầu thấp, xung dương thời điểm đẩy đầu từ thấp lên cao Đầu trạng thái cao xung âm đưa vào thời điểm hạ đầu quay trở lại trạng thái thấp Hệ hoạt động khóa phân tử nhớ Đối với phần tử lôgic sử dụng thiết bị lưỡng ổn định, liệu nhị phân thể xung đưa đồng thời vào thiết bị Với 20 lựa chọn xác độ cao xung phù hợp với giá trị ngưỡng, hệ mở đóng tùy thuộc tín hiệu đầu vào Khi xuất đồng thời hai xung đầu nhảy lên trạng thái cao (hệ mở) nhảy trạng thái thấp (hệ đóng) điều kiện khơng thỏa mãn Vì thế, trường hợp hệ hoạt động phần tử logic AND (hình 1.11) [1] Ra Xung Vào Xung vào t Hình 1.9 Hệ lưỡng ổn định làm việc thiết bị khuếch đại [1] Ra Xung Vào t Xung vào t Hình 1.10 Hệ lưỡng ổn định đóng vai trò thiết bị nắn xung, phần tử chặn [1] 21 I0 Ra Ra Vào Ii 0+0 0 0+1 1+0 1+1 0+0 I1 AND I0 I2 g cổng logic Đầu vào Ii = I1 + I2 với I1 I2 biểu diễn liệu nhị phân Đầu Io nhận giá tr Các thiết bị quang tử đóng vai trị quan trọng khoa học kỹ thuật công nghệ truyền dẫn quang Các linh kiện quang tử lưỡng ổn định tạo thành mạch logic liên tiếp Một mạch lưỡng ổn định điện tử 22 chế tạo cách kết nối Transistor với nhau, thiết bị lưỡng ổn định quang học kết hợp vật liệu phi tuyến trình phản hồi quang học 1.5 Kết luận chương Chương luận văn chúng tơi trình bày mơi trường phi tuyến, mơ tả biểu diễn tốn học chiết suất phi tuyến trình vật lý dẫn tới hiệu ứng Nguyên lý ổn định quang học, mối quan hệ vào hệ lưỡng ổn định đưa vài thiết bị lưỡng ổn định hoạt động dựa hiệu ứng Lưỡng ổn định quang học đạt dựa hai hiệu ứng: tính phi tuyến phản hồi ngược Tính phi tuyến chúng tơi xét mơi trường phi tuyến kiểu Kerr, phản hồi ngược tao buồng cộng hưởng có tính hồi tiếp dương Các hệ quang có tính lưỡng ổn định chủ yếu giao thoa kế phi tuyến, cấu trúc lớp xếp theo chu kỳ Trong chương II luận văn khảo sát hiệu ứng lưỡng ổn định quang học mơi trường CdSe có cấu trúc tuần hồn phi tuyến 23 CHƯƠNG II KHẢO SÁT HIỆU ỨNG LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC TRONG MƠI TRƯỜNG CdSe CĨ CẤU TRÚC TUẦN HỒN Như trình bày phần nội dung chương I, môi trường phi tuyến yếu tố góp phần tạo hiệu ứng lưỡng ổn định Hiệu ứng kiểm chứng cách đơn giản thực nghiệm dễ dàng ứng dụng vào khoa học ngành cơng nghệ Một minh chứng rõ ràng thâm nhập mạnh vào khoa học vào sống tạo nên thay đổi cơng nghệ Các thiết bị linh kiện có ứng dụng hiệu ứng lưỡng ổn định đời với tốc độ phản ứng cao kích thước gọn nhẹ thay linh kiện điện tử Sự có mặt linh kiện điện tử thúc đẩy q trình thương mại hóa góp phần vào việc hạ giá thành việc truyền tải thông tin Các thiết bị chế tạo hồn thiện mặt cơng nghệ ứng dụng hệ thống thông tin đường dài Đây vấn đề phát triển mạnh thực tế bước phát triển cao mặt chất lượng hiệu ứng lưỡng ổn định Quang học phi tuyến nói chung lưỡng ổn định nói riêng lĩnh vực nghiên cứu rộng nhiều người quan tâm Mục đích nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ chất tượng lưỡng ổn định, đồng thời phân tích ảnh hưởng tham số động học phi tuyến tham số đặc trưng cho cấu trúc vật liệu như: môi trường hoạt chất, chiều dài hoạt chất, mật độ phân tử cấu trúc, nhiệt độ cấu trúc, số lớp cách tử, chu kỳ cách tử, điều kiện bước nhảy, thay đổi chiết suất cường độ ánh sáng tới, v.v lên đường đặc trưng hiệu ứng lưỡng ổn định Từ tìm cách hạn chế ảnh hưởng tiêu cực, nâng cao ảnh hưởng tích cực, nhằm góp 24 phần hoàn thiện vật lý Thiết bị giới hạn quang học thiết bị chuyển mạch cung cấp sở tiềm q trình xử lý tín hiệu quang học [1-2], [9-10] Các thiết bị sử dụng để lọc, định hình xung ghép kênh quang học giới hạn quang học [2], [4] Những thiết bị dựa giới hạn quang học chuyển đổi ứng dụng mạng tốc độ siêu cao vi xử lý tốc độ cao chuyên ngành liệu Mặc dù lưỡng ổn định nghiên cứu nhiều dành quan tâm đặc biệt mặt lý thuyết ứng dụng thực tiễn khả đầy triển vọng lĩnh vực điều khiển xử lý thông tin quang phát triển hệ máy tính túy quang học mang tính chất cách mạng, song chưa giải cách trọn vẹn hay người ta chưa nghiên cứu hết chế cho phép lưỡng ổn định Mặt khác, nhu cầu nội vấn đề, nghiên cứu lưỡng ổn định nghiên cứu tính chất riêng, đơn giản tính chất quang học hệ nhu cầu thiết yếu hướng nghiên cứu ứng dụng, ta cần phải biết cách đầy đủ, xác tính chất quang học hệ lưỡng ổn định Điều cho phép xác lập chế độ làm việc hệ cách tốt để góp phần hồn thiện vật lý cơng nghệ Do việc nghiên cứu hiệu ứng lưỡng ổn định vấn đề nhận nhiều quan tâm, ý nhà khoa học nước giới Với tính hữu ích rộng lớn giới hạn quang chuyển mạch quang thụ động xử lý tín hiệu quang học, luận văn thực nhằm nghiên cứu q trình xử lý tín hiệu quang cấu trúc phản hồi phân bố dựa hệ phương trình tốc độ mơi trường phi tuyến tuần hồn mà chúng tơi đề cập 25 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Mơ hình cấu trúc phản hồi phân bố Ta xét cấu trúc phản hồi phân bố mô tả hình 2.1 Trong cấu trúc mật độ phân bố lớp vật liệu khơng gian có chiết suất thay đổi tăng giảm có tính chất chu kỳ Chùm ánh sáng tới cấu trúc bị phản xạ phần bề mặt lớp phần lại truyền qua khỏi cấu trúc Chùm phản xạ không xuất mép biên bên phải cấu trúc L E – (z) Iin Iout Iref E+(z) z Hình 2.1 Mơ hình cấu trúc phản hồi phân bố phi tuyến 2.1.2 Hệ phương trình tốc độ Xét cấu trúc phản hồi phân bố phi tuyến mơ tả hình 2.1 Cấu trúc bao gồm lớp vật liệu xen kẽ nhau, lớp vật liệu có hệ số phi tuyến Kerr xác định Chiết suất lớp vật liệu viết dạng [6]: n = n0 + nnlI (2.1) 26 Trong n0 phần chiết suất tuyến tính, nnl chiết suất phi tuyến nhận giá trị âm hay dương I cường độ sóng lan truyền cấu trúc Chúng ta giả sử trường lan truyền cấu trúc có dạng: E(z,t) = [E+(z)eiβz + E-(z)e-iβz]e-iωt (2.2) E+(z) E-(z) biên độ sóng tới truyền từ trái sang phải và sóng phản xạ truyền theo chiều từ phải qua trái tương ứng Xem nnl