Nghiên cú11 bộ tự nén xung kết họp bộ liên kết phi tuyến và sợi quang khuếch đại raman

Đặc trưng phi tuyến của hiệu suất truyền qua bộ liên kết- hệ số truyền qua phụ thuộc vào công suất tín hiệu laser vào cho thấy tính lọc lựa của nó.. Hơn nữa, trong hai năm trở lại đây, c

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Laser có công suất lớn, xung ngắn được áp dụng nhiều trong thực tếnghiên cứu khoa học và đời sống [1,2] Để có công suất đen hàng tỉ Watt để làmnóng cháy vật liệu hay tạo plasma trong nghiên cứu nhiệt hạch, không có cònđường nào khác là nén xung laser sao cho độ rộng xung càng ngắn càng tốt [10-29] Ví dụ, một laser có năng lượng 0,1 J được nén thành xung có độ rộngkhoảng 10’12 s, chúng ta sẽ nhận được nguồn ánh có công suất 0,1 tỉ w (100GW) Trong công nghệ thông tin quang, chủ yếu sử dụng các xung laser cựcngắn được phát ra từ laser diode Ngoài ra, các xung laser cực ngắn là yêu cầukhông thể thiêu trong công nghệ quang phố phân giải cao

Có nhiều phương pháp nén xung như: biến điệu công suất laser bằngphương pháp chủ động, thụ động, tạo ra các xung laser cỡ ns; phương pháp biếnđiệu pha hay khóa mode trong buồng cộng hưởng, tạo ra các xung kim cỡ ps;phương pháp sử dụng buồng cộng hưởng Q thấp cũng có thế nén xung laserxuống 10-r 100 lần; phương pháp hấp thụ bão hòa kết hợp khuếch đại trongbuồng cộng hưởng có thế rút ngắn xung đến hàng trăm lần

Nén xung bằng phương phướng pháp khuếch đại Raman bơm ngược cũngđược quan tâm nhiều trong những năm gần đây [6,7,8]

Tất cả các phương pháp trên đều dựa trên cơ sở hiệu ứng phi tuyến trongquá trình hoạt động của laser, cũng như tương tác laser với môi trường[2,9,10,15,19]

Gần đây, trong công trình của mình, tác giả Hồ Quang Quý, Nguyễn ThịThanh Tâm và cộng sự đã đề xuất bộ liên kết quang phi tuyến trên cơ sở liên kếtmột sợi quang tuyến tính và một sợi quang phi tuyến [3] Đặc trưng phi tuyến

của hiệu suất truyền qua bộ liên kết- hệ số truyền qua phụ thuộc vào công suất

tín hiệu laser vào cho thấy tính lọc lựa của nó Với tính chất lọc lựa này, bộ liênkết quang có thể xem như một hệ hấp thụ bão hòa Nhờ tính chất tựa hấp thụ bãohòa này mà một xung tín hiệu quang có thể bị rút ngắn

Hơn nữa, trong hai năm trở lại đây, các tác giả Hồ Quang Quý, Chu VănBiên, Lê Thị Ngọc Hiếu và các cộng sự đã đề xuất kết hợp bộ liên kết phi tuyếnvới bộ khuếch đại laser hoặc sợi quang khuếch đại Raman thành bộ nén xung

Bộ nén xung, kết hợp bộ liên kết phi tuyến và bộ khuếch đại Laser, đượctác giả Lê Thị Ngọc Hiếu đề xuất và nghiên cứu cho hệ quả nén xung rất cao,tuy nhiên, phải sử dụng nguồn bơm ngoài [?] Trong khi đó, một tín hiệu mạnhphát ra từ đầu ra tuyến tính của bộ liên phi tuyến không được sử dụng (xem hình

Hình 0 Hệ nén xung kết hợp bộ liên kết phi tuyến và khuếch đại laser

Như chúng ta biết, để nén xung chúng ta có thể sử dụng hai phương pháp,

đó là rút ngắn xung và khuếch đại xung, hoặc sứ dụng đồng thời cá hai phươngpháp trên Do bộ hên kết phi tuyến sẽ cho hai tín hiệu đầu ra có cường độ đỉnh

0)

Xung nénXung vào

và độ rộng xung khác nhau, nên chúng ta có thể sử dụng các hai tín hiệu này như

một xung tín hiệu (cần nén), có độ rộng xung hẹp và một xung bơm, có cường

độ mạnh và độ rộng xung lớn hơn Neu đưa hai tín hiệu này vào một sợi quangkhuếch đại Raman theo chiều ngược nhau, chúng ta sẽ có thể có được một xungđược nén so với xung đầu vào

Từ những lý do trên, chúng tôi đề xuất nội dung nghiên cứu với tên như

sau: “Nghiên CÚ11 bộ tự nén xung kết họp bộ liên kết phi tuyến và sợi quang khuếch đại Raman”

2 Cấu trúc của luận văn

Chương 1 : Tổng quan về bộ hên kết phi tuyến và khuếch đại Raman bơmngược trong sợi quang

1.1 Bộ liên kết phi tuyến1.2 Sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược1.3 Kết luận chương 1

Chương 2 : Mô phỏng quá trình tự nén xung bằng hệ liên kết phi tuyến và SỢIquang khuếch đại Raman bơm ngược

2.1 Cấu hình, nguyên lý hoạt động của hệ tự nén xung bằng hệ liên kếtphi tuyến và sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược

2.2 Các phương trình 1Ĩ1Ô tả quá trình nén xung2.3 Mô phỏng quá trình nén xung

2.4 Ket quả và thảo luận: Ket quả mô phỏng các xung vào, ra, xung nén,bình luận về hệ số nén xung

2.5 Kết luận chương 2Kết luận chung

Chương 1

TỎNG QUAN VÈ Bộ LIÊN KÉT PHI TƯYÉN

VÀ KHƯÉCH ĐẠI BƠM RAMAN NGƯỢC TRONG SỢI QUANG

1.1 Bộ liên kết phi tuyến

1.1.1 Cấu tạo bộ liên kết phi tuyến

Bộ liên kết phi tuyến gồm có hai sợi quang, sợi thứ nhất có lõi bên trong

là môi trường phi tuyến, còn sợi thứ hai có lõi bên trong là môi trường tuyếntính [3,4] Chỗ tiếp xúc giữa hai sợi gọi là chiều dài tương tác, chiều dài ghéphay khu hợp nhất của bộ liên hợp Sóng ánh sáng vào ở cồng vào và ra ở hai

Hình 1.1: Bộ liên kết phi tuyén

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của bộ liên kết phi tuyển

Khi ánh sáng truyền trong sợi quang qua khu liên kết, ánh sáng có thểtruyền từ sợi này sang sợi kia, lúc đó ta nói rằng có sự ghép mode giữa haiđường dẫn sóng [9] Bộ liên kết phi tuyến dựa trên hiện ứng khúc xạ và phản xạnày như hình 1.2 Ánh sáng vào từ cống vào của sợi tuyến tính đến khu hên kết

sẽ có một phần ánh sáng truyền ra ngoài và đi vào sợi phi tuyến Sau khi ánh

sáng ra khỏi khu hợp nhất thì ánh sáng đi vào từng sợi quang và đi ra ở cổng 1

và cổng 2

Để ghép sóng có hiệu quả, tức là mức độ chuyển công suất quang từđường dẫn sóng của sợi quang này sang đường dẫn sóng của sợi quang kia phảilớn hay bằng một tỉ lệ nào đó, thì chiều dài khu liên kết phải được xác định.Chiều dài ghcp này phụ thuộc vào các yếu tố như: khoảng cách giữa các đườngdẫn sóng, chiếc suất của các đường dẫn sóng, dạng hình học của các đường dẫnsóng Tỷ số giữa công suất của mỗi đầu ra và công suất vào gọi là hệ số truyềncông suất của bộ hên kết

Hình 1.2: Đường đi của ánh sáng trong bộ hên kết phi tuyến

Mặt khác, khi cường độ tín hiệu quang qua bộ liên kết lớn có khả năngxuất hiện các hiệu ứng phi tuyến là hệ quả của hiệu ứng Kerr như hiệu ứng tựhội tu, tự tụ tiêu, tự biến điệu pha , ảnh hưởng đen tín hiệu ở cống ra Để tránhảnh hưởng đến tín hiệu quang học ra thì tín hiệu quang học vào qua bộ liên kếtphi tuyến phải có cường độ nhỏ hơn ngưỡng của các hiệu ứng phi tuyến đó, tức

là giá trị cường độ tín hiệu quang học vào đủ để hiệu ứng phi tuyến bắt đầu gây

Cổng 1

ảnh hưởng đến tín hiệu ra Tuy nhiên, với các hiệu ứng này, ngưỡng cường độ

rát lớn

1.1.3 Tỉnh chất rút ngan xung và lọc lựa tín hiệu của bộ liên kết phi tuyến

1.1.3.1 Phương trình sóng trong bộ liên kết phi tuyến

Ta có thể chọn những đường dẫn sóng có kích thước và chiết suất sao chokhi công suất quang vào thấp thì nó sẽ truyền vào đường dẫn khác, ngược lại khicông suất quang vào cao thì chiết suất trong đường dẫn sóng phi tuyến biến đổilàm cho công suất vẫn còn nguyên trong đường dẫn sóng đó Sự chệch hướngđược gây ra do tính phi tuyến Kerr trong sợi phi tuyên dẫn đen thay đổi hệ sốtruyền qua tại một độ dài xác định của bộ hên kết

Từ phương trình của những sóng liên kết [5], chúng ta có thế biếu diễnbiểu thức mô tả mối quan hệ giữa những cường độ ra ở hai cống ra và cường độsáng vào

rini là hệ số chiết suất phi tuyến của sợi Kerr

Hai sóng trong bộ liên kết thỏa mãn phương trình Helmholtz [91:

màíẵí= -iCllA1(z)CnlA1(z)-iC12A2(z)exp[ỉ(p1 -p2)z]

dz

-iC22Ạ, (Z) - iC2l4 (z)exp[—/(/?! -p2 )z]

dz

Cij là hệ số liên kết, cụ thể như sau :

Cịj =SÊbỊỊF*(x,y)yìịFj(x,y)dxdy mô tả liên kết của hai sóng trong sợi thứ i.

Cu =mấUịịF*(x,y)n2ữ]FXx,y)dxdy mô tả truyền sóng từ sợi lân cận.

J( 8

cnl =«StejJ F* (x, y)n2„Ệỉ(x, y I F'(x, y)dxdy mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng

Kerr trong sợi phi tuyến

Trong thực tế, hệ số chiết suất phi tuyến nhỏ hơn nhiều so với chiết suất,

do đó, nni « noi ,n02, vì vậy, Cni biến đổi chậm theo sự thay đổi của biên độ Ai

Từ đó chúng ta có thể viết lại như sau :

WẩÊỂÌÌẰ= -iCnA \(z) exp(-2/A/? z) dz

ở đây, 2Ap -(p! + c„ + c,ứ) - (P2+C22) =(Pi p2 +Cn - c22)+ C,J

(1.8)

9

1.1.3.2 Sự truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến

Giải phương trình (1.8) với Ai(0)=Ao (biên độ vào của sóng trong sợiKerr ) và A2(0)=0 (biên độ vào của sóng trong sợi tuyến tính ) tại điều kiện biên(z=0) Ta có như sau :

A\(z) = A0 cxỹ(ỉầfíi)cos{zJ(Af]Ý + Cj32A-mẾẼÊmfÊiJmẾmmmỂmấm

A\(z) = A0expặỂmậcos(zJmẾậ2+C2)-mÌ

ịzC A\(Z)=IA0

^(0) <p gọ^v Ị c

16

• 2 /Bin (2

(1.12)

trong đó, c là hệ số liên kết tuyến tính của bộ liên kết được xác định theo thực

nghiệm như sau 16]:

«1

A = 5,2789 - 3,6631F -0,3

84F2

< 5 =-0,7769 +1,2252F - 0,0152F2

D = -0,0175-0,0064F-

0,0009F2

F _ 2nayỊríị-nl

(1.13)trong đó,

hiệu vào, z là chiều dài bộ liên kết,

a là bán kính lõi sợi,

d là cách giữa hai tâm cua hai lõi sợi

Theo biéu thức (1.12 ), ta thấy hẹ số truyền công suất phụ thuộc vào cácyếu tố :

- Chiều dài bộ hên kết z

- Cường độ vào Iv

- Bán kính lõi sợi a

- Khoảng cách giữa hai tâm của hai lõi sợi quang d

Cường độ tín hiệu vào [107 w/mm2]

Hình 1.3: hệ số công suất truyền qua ở hai đầu ra của hệ liên kết phi tuyến.

Với nui=l 10"12mm2/w, z=2,5mm và bước sóng x=\,5pm. ìthấy rằng với các giá trị của sợi quang đã cho, hệ số truyền qua phụ thuộc mạnh

vào cường độ Trong một vùng nhất định khi cường độ vào thấp

<2,5 107w/mm2 (vùng I) hệ số truyền qua cổng ra tuyến tính gần bằng 100%;khi cường độ vào nằm trong vùng ( 2,5.107 -ỉ-1,0.107) w/mm2 (vùng 11) hệ sốtruyến qua dao động; khi cường độ vào nằm trong vùng > 1,0.107 w.mm2

(vùng III) hệ số truyền qua SỢI phi tuyến gần 100% Tuy nhiên, đặc tính này sẽ

thay đối theo các tham số đầu vào

Do đó, bộ liên kết phi tuyến có thể để sử dụng không chỉ để chuyểnmạch và thực hiện phép toán mà thiết bị này còn có thổ sử dụng đé sắp xếp dãycác xung yếu và mạnh, tách rời chúng trong hai cống ra 1 và 2 của thiết bị

Tính chất này được sử dụng đế nghiên cứu thiết kế các linh kiện quangkhác nhau như linh kiện lưỡng ổn định quang học, linh kiện biến điệu xung.Trong luận văn này chúng ta chỉ quan tâm đến tính chất gọi là “lọc lựa” và “rútgọn tín hiệu” của bộ liên kết phi tuyến

Từ hình 1.3, chúng ta có thể tưởng tượng rằng, nếu tín hiệu vào là mộtxung có cường độ phân bố trong cả ba vùng thì tín hiệu ra bị tách theo nguyên

lý lọc lựa, tức là: phần cường độ lớn sẽ ra cống tuyến tính và phần cường nhỏ

sẽ ra ở cống phi tuyến Tính chất này sẽ được khảo sát cụ thể trong chương 2

1.2 Sợi quang khuếch đại bơm Raman ngược.

1.2.1 Câu tạo và nguyên lý hoạt động của sợi quang khuêch đại bơm Raman ngược

Hệ khuếch đại Raman bơm ngược là sợi quang Raman được chế tạo từmột sợi thủy tinh có cấy thêm một số phần tử như: D2, cs2, Ge, Ge02 [5,6] với

hệ số khuếch đại lớn gọi là phân tử hoạt (hình 1.4)

Tín hiệu xung đi vào sợi quang Raman, là xung tín hiệu có cường độ nhỏ

và bước sóng nằm trong vùng phổ Stokes, sẽ được khuếch đại lên nếu tất cả các

phân tử hoạt trong sợi quang Raman ở trạng thái kích thích- các trạng thái dao

Hình 1.4 : Sơ đồ cấu trúc khuếch đại xung bằng bơm Ramam ngược.

Với sự lựa chọn này, thì ta sẽ có được ở nữa đầu xung bơm sẽ kích thíchcác phân tử hoạt lên trạng thái kích thích Trong khi đó, nữa xung trước củaxung tín hiệu vẫn chưa được khuếch đại, tương đương hiệu ứng truyền qua môitrường hấp thụ bão hòa Sau khi đi qua quãng đường tương tác, nữa xung saucủa xung tín hiệu được khuếch đại lên nhiều lần Với nguyên lý này, xung tínhiệu không những được khuếch đại mà còn được rút ngắn như hình 1.5

Xung tín hiệu

Sợi quang Ramanl=Vg.T

> Xung tín hiệu khuếch đại

Xung bơm suy giảm 1.5 : Biến đối của các xung trong quá trinh tương tác

◄ -!, = V

14

1.2.2 Các phương trình động học cho quá trình nén xung bằng sợi quang

1.2.2.1 Hệ so khuếch đại tín hiệu bơm đơn xung Giả thiết một sợi quang đơn mode có chiều dài L Một xung tín hiệu được

đưa vào sợi quang tại điểm z=0 và truyền theo chiều dương (+z) Trong khi đó,một xung laser bơm có công suất Pp(t), bề rộng 2x được đưa vào sợi quang tạiđiểm Z=L và truyền theo chiều âm (-z) Sợi quang có hệ số suy giảm tương ứngvới xung tín hiệu và xung bơm là as, ap , hằng số khuếch đại Raman y , tiết diệntán xạ Raman hiệu dụng là A

Đé đơn giản bài toán, chúng ta giả thiết suy giảm của xung bơm khôngđáng kế Như vậy, độ khuếch đại tín hiệu do xung bơm gây ra được cho bỡicông thức [101 :

là phân bố công suất bơm theo dạng Gauss, p max,p là công suất đỉnh của

xung, 2T là độ rộng xung hiệu (t-i) mô tả quá trình truyền theo chiều âm củaxung bơm

Độ dài tương tác

Từ công thức (1.14) ta thấy tại mỗi thời điếm khác nhau hay vị trí khácnhau trong sợi quang, độ khuếch đại sẽ khác nhau.

Trong quá trình truyền lan trong sợi quang, tín hiệu sẽ bị suy giảm mộtlượng exp[-asVgt] Do đó, từ (1.14) và (1.16) thì độ khuếch đại được viết lại nhưsau :

P(t

1 ơ(0 = exp [yltmm-asvpt]

trong đó, Pmaxs là công suất đỉnh và 2x là độ rộng xung, tương đương xung bơm

(đc đơn giản trong tính toán)

Thay (1.14), (1.15) , (1.17) và (1.19) vào (1.18), với giả thiết nhiễu quanghọc có thể bỏ qua, ta nhận được biểu thức mô tả cho xung khuếch đại :

Pamp(0 = P1\UX,S expptenax,p exp[^*^|- I: cxv\~mm^

16

yl' 4(7- TỸ_ 4(T — tÝ ,

Như vậy, chúng ta thấy công suất của xung tín hiệu được khuếch đại trongquá trình truyền lan ngược chiều với xung bơm trong sợi quang Raman Độ lớncủa công suất sẽ phụ thuộc theo hàm số mũ chủ yếu vào hằng số khuếch đạiRaman và công suất bơm đỉnh

Đé đơn giản, chúng ta viết biéu thức (1.20) cho đại lượng mật độ côngsuất W=p/A :

Kmpơ) = wmax,s expÁvmax,p exp[~mím^Ll-asv t}exp[-JÍầỊÊÍị

1.2.2.2 Hệ so khuếch đại bơm phân bo

Giả thiết sợi quang đơn modc có chiều dài L và hiệu chiết suất giữa lõi và

vỏ là Àn=niốl - nVõ- Xung tín hiệu được đưa vào sợi quang tại z=0 và truyền theochiều dương (+z), trong khi đó, xung bơm phân bố có công suất đỉnh PmaxP, độrộng xung là 2x, tần số lặp T, đưa vào sợi quang tại Z=L và truyền theo chiều âm(-z) Hệ số suy giảm tương ứng với xung tín hiệu và xung bơm là as và Op hằng

số khuếch đại Raman là Ỵ, tiết diện tán xạ Raman hiệu dung là A

Trong thực tế, công suất bơm lớn hơn nhiều công suất tín hiệu Do đó, đểđơn giản bài toán chúng ta giả thiết mất mát của công suất bơm không đáng kể

và có thể bỏ qua

Gọi N là số xung bơm mà tín hiệu gặp trong quá trình lan truyền trong sợiquang Điều đó có nghĩa N là tống của số xung bơm có mặt trong sợi quang khi

xung tín hiêu đươc đưa vào sơi quang tai z=0 và số xung đươc bơm vào

T vp

tai Z=L khi xung tín hiêu đang truyền trong sơi quang (OB^»), nên ta đươc :

T vs

trong đó Vp, Vs lầndượt là vận tốc nhóm của xung bơm và xung tín hiệu

Do tín hiệu gặp N xung bơm trong quá trình lan truyền trong sợi quang cóchiều dài L, và xung bơm có chu kỳ lặp T không đổi Giả sử số xung bơm lớn,N»1 và vận tốc nhóm của xung tín hiệu và xung bơm gần bằng nhau (Vp »vs )

Do đó, từ (1.22) khoảng cách gặp nhau D được xác định bởi công thức:

Hình 1.6 : Sự gặp nhau của các xung

khi truyền ngược nhau trong SỢI quang

Để đơn giản bài toán, chúng ta giả thiết xung tín hiệu gặp xung bơm đầutiên tại Z=D Sau đó, xung tín hiệu sẽ gặp xung bơm thứ i tại Zi=iD (hình 1.6).Tại các điếm này biên độ của xung bơm sẽ là :

Raman phụ thuộc vào bước sóng X, hiệu chiết suất giữa vỏ và lõi An [5], vào

công suất đỉnh Pmax p và độ rộng xung X

Qua công thức (1.28) ta sẽ thấy rằng có một giá trị tối ưu Lopt của độ dài

sơi quang để cho đô khuếch đai đat giá tri cưc đai Tức là \ấy từ

Như vậy, trong chương 1 chúng tôi đã tống quan về bộ hên kết phi tuyến

và khuếch đại bơm Raman ngược trong sợi quang Cho chúng ta thấy đượcnhững đặc điếm quang trọng của các hệ như: hệ số truyền công suất, độ khuếchđại, độ dài tối ưu Từ đó ta có thế lựa chọn được cho mình một hệ thống cókhả năng nén xung đạt được theo yêu cầu mong muốn Đây là ý tưởng mà chúngtôi đề ra nghiên cứu trong chương 2 của luận văn, là sử dụng kết hợp bộ hên kếtphi tuyến và khuếch đại bơm Raman ngược trong sợi quang

Chương 2

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH Tự NÉN XUNG BẰNG HỆ LIÊN KÉT PHI TUYỂN VÀ SỢI QUANG KHUÉCH ĐẠI RA MAN BƠM NGƯỢC.

2.1 Xây dựng cấu hình, và phân tích nguvên lý hoạt động của hệ liên kết

phi tuyến - sợi quang khuếch đại bơm Raman ngược

Hệ nén xung, gồm một bộ liên kết phi tuyến (NOC), bộ sợi quang khuếchđại Raman bơm ngược (PBRFA - Pump-Backward Raman Fiber Ampliíĩer) với

bộ hên kết tuyến tính (3dB) được trình bày như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc bộ tự nén xung kết hợp bộ liên kết phi tuyến và sợi

quang khuếch đại Ram an