Quá trình tạo hiệu số tần số (DFG) dựa trên hiệu ứng quang học phi tuyến bậc hai đã đƣợc sử dụng rộng rãi cho các thế hệ tín hiệu tần số quang học. DFG sử dụng hai sóng ánh sáng kết hợp là một giải pháp thích hợp cho việc tạo tín hiệu microwave/ millimeter- wave. Nó có thể tạo ra tín hiệu microwave / millimeter-wave ở một tần số mong muốn bằng cách điều chỉnh tần số hiệu giữa hai sóng ánh sáng kết hợp. Hơn nữa, mức năng lƣợng đƣợc tạo ra tăng lên khi tần số tăng. Vì vậy, dựa trên DFG tạo tín hiệu là khả thi ở dải tần số cao hơn lên đến terahertz.
Kỹ thuật DFG cũng đƣợc sử dụng để phát hiện các tín hiệu quang học với các dạng điều chế vector. Trong các mạng truyền thông sợi quang hiện nay, dạng điều chế cƣờng độ đƣợc sử dụng và nó có thể đƣợc phát hiện trực tiếp bởi các máy dò bán dẫn căn cứ trên nguyên tắc phát hiện vỏ bọc. Trong các mạng thế hệ tiếp theo sợi truyền quang thông học, các dạng điều chế vector rất quan trọng để có đƣợc tốc độ bit cao tốc độ truyền dữ liệu. Bằng cách sử dụng các DFG với hai sóng ánh sáng kết hợp, đó là phách quang học, nó có thể chuyển đổi quang phổ của một tín hiệu quang học đƣợc điều chế với các thông tin của cả hai biên độ và pha từ một dải tần số ánh sáng microwave/ millimeter-wave tần số dao động trực tiếp. Các tín hiệu đƣợc chuyển đổi trong phạm vi tần số microwave/ millimeter-wave có thể đƣợc phát hiện bằng cách sử dụng máy trộn microwave và mạch phát hiện khác. Do đó, kỹ thuật DFG đƣợc áp dụng đối với việc chuyển đổi không chỉ điều chế cƣờng độ tín hiệu quang học, nhƣng cũng có các tín hiệu điều chế vector quang học, mà có thể là hữu ích cho quá trình phát hiện các tín hiệu quang học với các dạng điều chế vector tiên tiến. Quá trình DFG đƣợc minh họa nhƣ Hình 10, với hai sóng quang học với tần số là , đi vào môi trƣờng phi tuyến bậc II, khi đó chỉ có sóng có tần số
Cao Văn Lợi - D08VT3 21
Hình 10. Quá trình tạo hiệu số tần số (DFG)
Vật liệu tinh thể phi tuyến bậc II
Các tinh thể quang học phi tuyến đƣợc sử dụng trong việc chuyển đổi tần số của laser. Các tinh thể quang cơ bản bao gồm: -BaB2O4 (Beta-Barium Borate), KTiOPO4 (Potassium Titanyl Phosphate), LiB3O5 (Lithium Triborate), LiNbO3 (Lithium Niobate). Các tinh thể thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ LiNbO3, KNbO3 (Potassium Niobate) và các tinh thể điện cực tuần hoàn nhƣ LiTaO3 (Lithium Tantalate), BaTiO3 (Barium Titanate). Các quá trình chuyển đồi tần số bao gồm: tạo sóng hài bậc III (SHG), tạo tần số tổng (SFG), tạo hiệu số tần số (DFG) và tạo tham số quang. Cấu trúc tinh thể quang phi tuyến đƣợc chia ra thành các lớp nhƣ sau:
Lớp tinh thể song hai trục
Lớp tinh thể đơn trục
Lớp tinh thể đẳng hƣớng
Cao Văn Lợi - D08VT3 22
Hình 12. Lớp tinh thể đơn trục
Hình 13. Lớp tinh thể đẳng hướng
Hệ số phi tuyến (dij) của tinh thể quang phi tuyến phụ thuộc vào từng cấu trúc tinh thể và đƣợc tính từ ma trận sau: dij = [ ] (2.1)
Tinh thể LiTaO3 thuộc lớp tinh thể đơn trục, cấu trúc 3m. Từ công thức (2.1) với dạng cấu trúc của tinh thể LiTaO3 Hình 12 ta có đƣợc hệ số phi tuyến nhƣ sau:
Cao Văn Lợi - D08VT3 23 dij = [ ] (2.2)
Tinh thể LiTaO3 có đặc tính phi tuyến cao, tính quang điện, tính áp điện kết hợp với độ ổn định cơ học và hóa học tốt, phạm vi truyền rộng, ngƣỡng quang thiệt hại cao. Tinh thể LiTaO3 đƣợc ứng dụng trong bộ điều khiển quang điện, bộ phát hiện điện, ống dẫn sóng quang học và đầu dò áp điện.
Hình 14. Tinh thể quang phi tuyến Lithium Tantalate (LiTaO3)
Một số đặc tính cơ bản của tinh thể quang phi tuyến LiTaO3 đƣợc thể hiện trong bảng sau:
Cấu trúc tinh thể: 3m
Phạm vi truyền: 400 5000 nm
Chỉ số khúc xạ: n0 = 2.176 , ne = 2.180 (633nm)
Cao Văn Lợi - D08VT3 24
Màu: không màu
Điểm nóng chảy: 1650
Độ cứng: 5.56 (Mohs)
Vật liệu tinh khiết: > 99.995%
Đơn vị tham số: a = 5.154 , c= 13.738
Hệ số quang phi tuyến: d33 = 0.8(x10-11 C/N), d22 = 2.4(x10-11 C/N)
Hệ số quang điện: r33 = 30.4 pm/V