Giao thoa kế sợi quang phi tuyến Mach-Zehnder hai cổng sử dụng nguyên lý lưỡng ổn định quang học
MỤC LỤC
NGUYÊN LÝ LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC, GIAO THOA KẾ SỢI QUANG PHI TUYẾN
Nguyên lý lưỡng ổn định quang học
Khi có một sự tăng nhỏ của Ir cũng gây nên sự tăng đột ngột của hàm truyền T (Ir), thậm chí lúc đó Ir không tăng nữa thì hàm truyền vẫn tiếp tục tăng mạnh (độ dốc của đồ thị hàm truyền dương và lớn gần như thẳng đứng. như hình 1.2), kết quả là có sự chuyển tiếp từ P lên trạng thái ổn định nhánh trên. Hệ quang học này có đặc tính khác biệt với các hệ quang học thông thường ở chỗ tín hiệu truyền qua hệ có một phầnkfIr (kf là hệ số hồi tiếp) được hồi tiếp trở lại hệ theo một cách thức nào đó, kết quả là tham số trạng thái U của hệ biến đổi một lượng theo công thức sau [2].
Các loại giao thoa kế sợi quang phi tuyến
Lưỡng chiết hay còn gọi là khúc xạ kép là hiện tượng tia sáng bị tách thành hai tia sáng: tia thường và tia dị thường khi truyền qua một số loại tinh thể (như canxit), hiện tượng lưỡng chiết phụ thuộc vào trạng thái phân cực của tia sáng khi qua tinh thể, độ lưỡng chiết ∆n của vật liệu mà tinh thể của nó chỉ có một trục quang học được xác định: ∆n= ne−n0, trong đó ne, n0 lần lượt là thành phần chiết suất theo phương phân cực song song (ứng với tia dị thường) và thành phần chiết suất theo phương phân cực vuông góc (ứng với tia thường) đối với trục quang học. Để GTK Mach-Zehnder hoạt động như một thiết bị lưỡng ổn định, nghĩa là tạo ra bước nhảy trạng thái, ứng với một trạng thái vào có thể xuất hiện hai trạng thái ra ổn định, cần bổ sung phần chùm sáng để điều khiển tạo hiệu ứng Kerr trong môi trường phi tuyến của sợi quang phi tuyến làm thay đổi pha truyền của chùm tia qua nó.
BỘ LIÊN KẾT PHI TUYẾN
Khái niệm bộ liên kết
Tỷ số giữa công suất của mỗi đầu ra và công suất vào gọi là hệ số truyền công suất của BLK. Nếu BLK được cấu tạo từ hai sợi quang tuyến tính được gọi BLK tuyến tính.
Nguyên tắc cấu tạo, hoạt động bộ liên kết phi tuyến
Khi cường độ tín hiệu quang qua BLK lớn có khả năng xuất hiện các hiệu ứng phi tuyến trong sợi phi tuyến, như hiệu ứng quang học Kerr trong một sợi, sẽ làm ảnh hưởng đến tín hiệu cổng ra. Để tránh ảnh hưởng đến tín hiệu quang học ra thì tín hiệu quang học vào qua BLK phải có cường độ nhỏ hơn ngưỡng phi tuyến, đó là giá trị cường độ tín hiệu quang học vào đủ để hiệu ứng phi tuyến bắt đầu gây ảnh hưởng đến tín hiệu ra.
Phương trình sóng trong bộ liên kết phi tuyến
Hàm Fi(x, y) được xác định bằng cách giải phương trình (2.3) và thỏa mãn phương trình Helmholtz sau.
Sự phụ thuộc hệ số truyền công suất của bộ liên kết phi tuyến vào các tham số nguyên lý
Sự phụ thuộc của độ dài "3dB" trong bộ liên kết phi tuyến vào cường độ vào có thể giải thích như phần trên, nghĩa là khi cường độ vào thấp trong khoảng (0ữ14ì1010W/mm2) thỡ hiệu ứng Kerr chưa xảy ra mạnh nờn hệ số truyền công suất của bộ liên kết phụ thuộc vào chiều dài bộ liên kết có tính tuần hoàn với chu kỳ không đổi, giá trị cực đại của hệ số truyền công suất luôn đạt xấp xỉ 100 0/0 tại một giá trị chiều dài xác định, nên hệ số truyền công suất ở mức 50 0/0 ứng với một giá trị chiều dài không đổi (L3dB1 = 1.13mm). Khi tăng cường độ vào trong khoảng (14 ì 1010 ữ 50.5 ì 1010W/mm2) thì hiệu ứng Kerr xảy ra mạnh, chiết suất của sợi phi tuyến tăng, hiện tượng tín hiệu khúc xạ qua sợi tuyến tính giảm, nên công suất không thể truyền hết qua sợi tuyến tính mà vẫn còn một phần trong sợi phi tuyến và tăng dần theo cường độ. Khi hệ số chiết suất phi tuyến thấp, bộ liên kết có chiều dài lớn hơn sẽ có hệ số truyền công suất trong cùng sợi phi tuyến nhỏ hơn, nhưng khi tăng hệ số chiết suất phi tuyến thì có sự đổi chiều, lúc đó bộ liên kết phi tuyến có chiều dài lớn hơn sẽ có hệ số truyền công suất trong cùng sợi phi tuyến lớn hơn.
GIAO THOA KẾ MACH-ZEHNDER SỢI QUANG PHI TUYẾN HAI CỔNG
Phương trình cường độ vào - ra
Tuy nhiên, sự thay đổi của biên độ sóng vào theo thời gian (nếu có) cũng không thể đo được trong khoảng một chu kỳ quang học(∼ 10−15s). Tuy nhiên trong vùng sóng quang học, khi xung có độ rộng lớn hơn 5ns truyền trong môi trường có độ dày nhỏ hơn 5 cm thì hai hiệu ứng trên có thể bỏ qua và dạng xung không thay đổi theo thời gian. Xét trong điều kiện hai gần đúng trên, đó là gần đúng đường bao biến thiên chậm và gần đúng thống kê, thì biên độ của sóng ánh sáng vào trong (3.1) có thể viết lại.
Hàm truyền
Hàm truyền có dạng hình chuông, điều này thể hiện tính lưỡng ổn định của TPNFMZI xuất hiện trong phạm vi thích hợp của cường độ ra. Khi có một sự tăng nhỏ của Ir cũng gây nên sự tăng đột ngột của hàm truyền T (Ir) (độ dốc của đồ thị hàm truyền dương và lớn), kết quả là có sự chuyển tiếp từ Q lên trạng thái ổn định C nhánh trên. Nghĩa là, ứng với một trạng thái vào sẽ tồn tại hai trạng thái ra ổn định ở nhánh trên và dưới, không qua trạng thái trung gian.
Đường đặc trưng cường độ vào - ra
Từ đỉnh A, cường độ xung vào giảm cường độ xung ra tăng lên một ít theo nhánh trên, đây là do tính chất phi tuyến khi cường độ vào lớn, lúc đó hiệu ứng Kerr xảy ra mạnh, cho nên sau đó mặc dù cường độ vào giảm nhưng cường độ ra chưa thể giảm ngay mà vẫn tiếp tục tăng một ít, cho đến. Như vậy, trong khoảng cường độ (Ivng1 ≤ Iv ≤ Ivng2), ứng với mỗi trạng thái vào chỉ có hai trạng thái ra ổn định tương ứng nhánh trên và dưới, những trạng thái trên nhánh giữa (đường đứt nét) không ổn định. Nếu xét cường độ chuẩn hóa X = nnlλLI, từ phương trình (3.23) và các tham số cụ thể đã cho ở trên, ta có phương trình thể hiện mối quan hệ cường độ chuẩn hóa vào - ra như sau.
Sự phụ thuộc đặc trưng lưỡng ổn định quang học vào các tham số
Tùy theo mục đích sử dụng TPNFMZI mà ta chọn giá trị độ lệch pha phù hợp, nếu muốn có cường độ ra tại điểm P cao (Irp: cao), độ rộng của lưỡng ổn định lớn thì nên thiết kế TPNFMZI sao cho tia laser đi qua có độ lệch pha ban đầu nằm trong khoảng (0.5π < ∆ϕ <2π). Để đảm bảo tín hiệu ít bị hấp thụ trong quá trình truyền trong sợi quang và theo kết quả của ITU thì những laser có bước sóng trong dãy C (1530nm đến 1565nm) là dãy bước sóng chủ đạo cho các mạng viễn thông đường dài. Do đó, chúng tôi chỉ sử dụng những tín hiệu có bước sóng thay đổi từ 1530nm đến 1565nm để khảo sát sự phụ thuộc của giá trị ngưỡng cũng như độ rộng của lưỡng ổn định vào bước sóng tín hiệu vào, kết quả khảo sát cho trên hình 3.12.
TUYẾN HAI CỔNG
Xung đơn dạng Gauss
Kết quả cho thấy xung vào được điều biến (cắt) khi qua TPNFMZI, đỉnh xung ra bị lừm xuống ở giữa.
Chuỗi xung dạng Gauss có biên độ ngẫu nhiên
(b) Chuỗi xung Gauss vào và ra qua TPNFMZI. Để xem xét mối quan hệ giữa đặc trưng lưỡng ổn định và điều biến chuỗi xung dạng Gauss có biên độ ngẫu nhiên, ta chia đường đặc trưng cường độ vào - ra của TPNFMZI ở hình 4.3a ra các vùng sau:. Ivng1) qua TPNFMZI, thì tương ứng với một đỉnh xung vào chỉ xuất hiện một đỉnh xung ra. Điều này được giải thích dựa vào đường đặc trưng lưỡng ổn định (hình 4.6a), nếu một xung Gauss vào có đỉnh nằm trong khoảng (Ivng1 ≤ Ivmax ≤ Ivng2)chẳng hạn như đỉnh K (hình 4.6b), theo đường đặc trưng lưỡng ổn định thì tương ứng một giá trị cường độ vào, có 3 giá trị cường độ xung ra nằm trên. - Cách thức điều biến chuỗi xung Gauss vào có biên độ ngẫu nhiên thành chuỗi xung ra có biên độ thấp: Giả sử có một TPNFMZI với các tham số xác định, thì TPNFMZI đó sẽ chỉ điều biến được chuỗi xung vào có các đỉnh nhỏ hơn giá trị ngưỡng lưỡng ổn định 1 (0< Ivmax < Ivng1), chuỗi xung ra thu được có đỉnh xung bằng nhau và bằng Irp.
Chuỗi xung dạng sin
Kết quả nghiờn cứu điều biến xung Gauss cũng đúng cho việc điều biến xung sin, nghĩa là khi Ivmax > Ivng1 thì ngoài chuỗi xung ra có biên độ thấp (Irmax = Irp), còn xuất hiện thêm những đỉnh xung. Muốn điều biến để được chuỗi xung ra biên độ thấp (không xuất hiện các đỉnh xung ra mới), thì phải thay đổi bộ tham số của TPNFMZI sao cho ngưỡng lưỡng ổn định 1 phải lớn hơn giá trị đỉnh xung vào. Để xung ra có dạng hình chữ nhật, ta sử dụng TPNFMZI với bộ tham số sao cho đường đặc trưng lưỡng ổn định có hình dạng theo nhóm hai để điều biến chuỗi xung sin.
Chuỗi xung dạng sin có biên độ ngẫu nhiên
Ngược lại, muốn điều biến cú chuỗi xung sin cú bước súng là λ = 1.53àm, có biên độ ngẫu nhiên thành chuỗi xung ra có cùng giá trị đỉnh là Irmax = 18ì108W/cm2, ta cú thể thay đổi chiều dài sợi quang phi tuyến L hay thay đổi môi trường sợi quang (hệ số chiết suất phi tuyến nnl thay đổi) sao cho ngưỡng lưỡng ổn định 1 của TPNFMZI là Ivng10 ≤ Irmax, một cách gần đúng Ivng10 = 17.1ì108W/cm2.