Chuyển đổi bước sóng sử dụng ống dẫn sóng QPM-LN dựa trên hiệu ứng quang phi tuyến thứ hai được gọi là tạo tần số khác nhau (DFG: Difffirence Frequency Generation). Khi một tín hiệu ánh sáng với tần số ω1(λ1=2πc/ω1) và ánh sáng nhảy với tần số ω3 (λ3=2πc/ω3)được bơm vào vật liệu phi tuyến thứ hai, việc này có thể được sử
dụng để sinh ra ánh sáng chuyển đổi với bước sóng λ2 cân bằng sự khác nhau giữa tần
sự tương tác của ba sóng ánh sáng trong tinh thể phi tuyến thứ hai, điều kiện cần là pha không đối xứng trong phương trình dưới là 0, nó phải tương ứng với điều kiện ghép pha sau:
∆β=2π (n3/λ3-n2/λ2- n1/λ1) (1)
n1 là hệ số khúc xạ tại tín hiệu ánh sáng có bước sóng λ1, n2 là hệ số khúc xạ tại
ánh sáng đã bị chuyển đổi tại bước sóng λ2, n3 là hệ số khúc xạ tại ánh sáng nhảy có
bước sóng λ3.
Trong trường hợp laser bán dẫn, chuyển đổi bước sóng nhờ sử dụng BPM (Birefringent Phase Matching). Tuy nhiên, đây là phương pháp chỉ có thể thoả mãn điều kiện về pha thích ứng trong khi kết hợp giữa bước sóng tín hiệu và bước sóng nhảy. QPM giảm sự ràng buộc về pha thích ứng và cho phép những bước sóng kết hợp một cách tuỳ ý trong khoảng bước sóng mà vật liệu là trong suốt. Trong chuyển đổi bước
sóng QPM, hệ số phi tuyến được điều biến với chu kì Λ làm sao cho ∆β trong phương
trình sau bằng 0. Đây là điều kiện cần trong QPM:
∆β=2π (n3/λ3-n2/λ2- n1/λ1 –1/∆) (2)
Sử dụng kĩ thuật này chúng ta có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi cao giữa nhiều
bước sóng bằng cách thay đổi ∆. Ví dụ chuyển đổi bước sóng giữa băng tần 1.3-1.5µm
và giữa 1.5-1.8 µm có thể đạt được khi sử dụng cùng vật liệu. Cấu trúc QPM có thể hình thành từ nhiều vật liệu gồm có ferit oxit như: LiNbO3 và LiTaO3 và vật liệu bán dẫn như AlGaAs nhưng vật liệu có nhiều triển vọng nhất là LiNbO3. Sử dụng LiNbO3 có
những thuận lợi: thứ nhất, độ trong suốt trong băng tần 0.6-0.8 µm mà bước sóng ánh
sáng nhảy để chuyển đổi bước sóng trong băng tàn sóng truyền dẫn; thứ hai nó có hệ số phi tuyến lớn. Cấu trúc cơ bản của thiết bị như hình 3.32. Một ống dẫn sóng quang được hình thành trên nền cấu trúc một QPM đã được hình thành trước bằng cách đảo chiều
chu kì tự phân cực của LiNbO3. Để chuyển đổi băng tần từ 1.55 µm đến băng tần 1.58
µm. Ví dụ, một sóng ánh sáng bơm 0.78 µm được tiêm vào ống dẫn sóng cùng lúc với
tín hiệu ánh sáng. Hiệu suất chuyển đổi bước sóng có tương hợp pha như trong phương trình 2, vì vậy ta có phương trình:
η =ηmax [ sin (∆βL/2)/(∆βL/2)] (3)
η max: hiệu suất tại bước sóng QPM và L là chiều dài ống dẫn sóng.
Hình 3.32 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của thiết bị chuyển đổi bước sóng QPM-LN
Hình 2.32(b) và 2.32(c) biểu diễn sự sắp xếp dặc trưng của tín hiệu ánh sáng, ánh sáng bơm và ánh sáng chuyển đổi trên trục bước sóng. Thậm chí tín hiệu ánh sáng là một nhóm của bước sóng WDM, tất cả các tín hiệu ánh sáng có thể được chuyển đổi, vì vậy có thể chuyển đổi cùng lúc một nhóm tín hiệu đa bước sóng.
Hình 2.31 cũng chỉ ra sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển đổi vào bước sóng bơm và bước sóng tín hiệu khi sử dụng ống dẫn sóng LN có chiều dài 30 mm, khi thay đổi bước sóng bơm, tương hợp pha thay đổi nhanh chóng do độ tán sắc trong hệ số khúc xạ của LN. Khoảng bước sóng có thể để bơm vào là rất nhỏ, chỉ khoảng 0.2nm như hình 2.31(b). Khi bước sóng tín hiệu thay đổi dẫn đến hệ số khúc xạ thay đổi thì các bước sóng tín hiệu và bước sóng đã chuyển đổi hủy bỏ các bước sóng ngoài khác, vì vậy có thể chuyển đổi qua một khoảng sóng rất rộng (60 nm), như trong hình 2.31(c). Đây là độ rộng đủ để có thể chuyển đổi dễ dàng của các tín hiệu tốc độ cao 40Gbit/s hoặc hơn.
Hơn nữa, các pha thông tin của ánh sáng tín hiệu vào được duy trì trong suốt quá trình chuyển đổi, không phụ thuộc vào dạng điều biến, thậm chí đối với các tín hiệu có đủ điều kiện để điều biến pha. Ví dụ, thiết bị này có thể điều khiển các dạng tín hiệu CS-RZ hoặc tín hiệu nhị phân kép, mà gần đây nó được nghiên cứu để truyền dẫn ở tốc độ 40 Gbit/s hoặc hơn. Một ưu điểm khác của QPM-LN đó là nhiễu rất ít được kết hợp với tín hiệu quang trong suốt quá trình chuyển đổi bước sóng.
Tại băng tần 1.55 µm chuyển đổi bước sóng yêu cầu ánh sáng nguồn 0.78µm để làm ánh sáng bơm. Tuy nhiên, một số laser diode tự phát ra một bước sóng đơn trong
băng tần này. Ngoài ra, các ống dẫn sóng là đơn mode tại băng tần 1.55 µm và đa mode
tại 0.78µm. Điều này gây khó khăn để thu được một dòng bơm ngoài trong các mode cơ
bản. Tuy nhiên, nó có thể sử dụng nguồn ánh sáng 1.55µm như ánh sáng bơm ngoài với
lược đồ phân tầng, mà chuyển đổi từ ánh sáng 1.55µm thành ánh sáng bơm ngoài
0.78µm trong ống dẫn sóng SHG (Second Harnomic Generation). Chuyển đổi bước (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
sóng giữa ánh sáng ngoài và ánh sáng tín hiệu thu được bởi DFG. Trong SHG, bước
sóng của ánh sáng bơm (1.55µm) trùng với bước sóng suy hao khi mà bước sóng tín
hiệu và bước sóng đã bị chuyển đổi trở nên giống nhau trong quá trình DFG. Do đó, điều kiện QPM để tiến trình SHG và DFG đồng thời thỏa mãn các chu kì tuần tự giông nhau, vì vậy mà ánh sáng bơm ngoài sinh ra bởi SHG và bước sóng chuyển đổi bởi DFG có thể thu được trong ống dẫn sóng giống nhau.
Tiếp theo, chúng ta tính toán hiệu suất chuyển đổi bước sóng. Nếu sự suy giảm của ánh sáng bơm trong tiến trình DFG là không đáng kể (tương ứng với tín hiệu nhỏ), sau đó công suất chuyển đổi của ánh sáng chuyển đổi P3 được đưa vào phương trình 4, công suất của ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm là P1 và P2
P3= ηL2P1P2/100 (4)
khi η đặc trưng cho hiệu suất chuyển đổi trên một đơn vị chiều dài và thường
được biểu diễn theo đơn vị %/W/cm2. Hiệu suất tổng cuả thiết bị là ηL2 cải thiện bằng bình phương chiều dài ống dẫn sóng và đơn vị là %/W.
Nếu chúng ta thừa nhận rằng sự suy giảm bước sóng chuyển đổi của bước sóng gốc không tính đến (tín hiệu nhỏ), sau đó công suất của ánh sáng SH P2 bị giới hạn bởi công suất của bước sóng gốc P4
P2 =ηL2P42/100 (5)
Theo nguyên lí hiệu suất của SHG giống như DFG. Do đó, dễ dàng hơn để đo hiệu suất chuyển đổi của SHG được sử dụng để đánh giá hiệu suất chuyển đổi của thiết bị.
Trong cấu trúc nối tầng, sinh ra bước sóng bơm bằng SHG và chuyển đổi bước sóng bằng DFG cùng hoàn thành như ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm ngoài vào ống dẫn sóng, vì vậy mà hiệu suất chuyển đổi không thể được nói trước theo phương trình 4 và 5. Tuy nhiên vì ánh sáng bơm ngoài xấp xỉ bình phương công suất ánh sáng ngoài, tăng công suất của ánh sáng chuyển đổi bằng cấu trúc nối tầng xấp xỉ tương ứng với bình phương của công suất ánh sáng bơm.
Xấp xỉ hiệu suất của tiến trình DFG và SHG chỉ hợp lí khi mà trong vùng công suất thấp, khi mà sự suy giảm của ánh sáng bơm là không đáng kể. Với ánh sáng bơm mạnh, để tốc độ chuyển đổi cao tại điểm tìm thấy sự suy giảm của ánh sáng bơm, bão hòa công suất ánh sáng đã chuyển đổi, vì vậy mà hiệu suất không theo phương trình 4 và 5.