2. 3 Hệ phơng trình tốc độ của laser bán dẫn DFB hai ngăn
3.3. Dịch chuyển bớc sóng laser phát bằng dòng bơm trong
Trong thông tin quang yêu cầu về dung lợng, tốc độ truyền dẫn và giá thành hạ cần thiết phải có các thiết bị mới nh là các bộ ghép kênh theo bớc sóng (wavelength division multiplexting - WDM), bộ ghép kênh theo thời gian (time division multiplexting - TDM), bộ điều biến chuyển đổi tần số (frequency shift keying - FSK), ... Các laser DFB, đặc biệt là các DFB sử dụng hoạt chất bán dẫn, khả năng điều chỉnh bớc sóng phát trong một vùng phổ hẹp dễ dàng thực hiện đợc.
Nh đã trình bày ở chơng II, trong laser bán dẫn nghịch đảo mật độ c trú đợc hình thành nhờ quá trình phun các hạt tải bằng dòng bơm không đổi. Trong mô hình laser DFB hai ngăn, các dòng điện bơm I1, I2 qua các điện cực sẽ đợc phun vào các ngăn tơng ứng, bổ sung mật độ các phần tử tải cho vật liệu trong các ngăn laser. Thông thờng ngăn thứ nhất đợc bơm trên ngỡng nên sẽ đóng vai trò là ngăn phát xạ photon và hoạt động nh là một ngăn khuếch đại. Dòng điện bơm vào ngăn thứ hai I2 có thể điều khiển đợc sự thay đổi chiết suất hiệu dụng
trong ngăn này dẫn tới việc có thể tạo ra hiệu ứng chuyển đổi bớc sóng. Nh vậy ngăn thứ hai sẽ đóng vai trò nh một ngăn hấp thụ.
Trong mục này chúng tôi sẽ trình bày ảnh hởng của dòng bơm I2 trong ngăn hấp thụ lên khả năng dịch chuyển bớc sóng của bức xạ laser phát. Để khảo sát chúng tôi chọn các giá trị khác nhau của dòng bơm I2 và cố định giá trị các tham số động học khác.
Hình vẽ 3.4 biểu diễn sự thay đổi (dịch chuyển) bớc sóng laser phát khi dòng bơm I2 thay đổi trong khoảng từ 0.50mA đến 0.98mA, giá trị dòng bơm trong ngăn thứ nhất đợc giữ không đổi: I1 = 18mA, giá trị của tất cả các tham số động học khác đợc giữ nguyên nh trong bảng 3.1.
Từ kết quả thu đợc trên hình vẽ, chúng ta nhận thấy, có thể điều chỉnh quá trình phát liên tục các mode sóng khác nhau với khoảng dịch chuyển vài nm trong laser bán dẫn DFB hai ngăn bằng dòng bơm trong ngăn hấp thụ. Nh vậy chúng ta có thể điều khiển các mode sóng phát trong một vùng lớn, điều này là rất cần thiết trong thông tin quang. Khả năng điều khiển bớc sóng cũng có thể đợc thực hiện bằng cách điều biến các tham số động học laser khác nhau nh trong [9], [14], [17], [19]. Chúng ta cũng chú ý rằng sự thay đổi độ dài bớc sóng với sự tăng lên của dòng điều khiển trong ngăn thứ hai phù hợp với sự suy giảm chiết suất hiệu dụng của vật liệu (giống nh khi so sánh với kết quả thực nghiệm của [19]) và sự tăng lên của nhiệt độ (bởi vì độ rộng vùng cấm giảm xuống khi nhiệt độ tăng lên).
Hình 3.4ảnh hởng của dòng bơm I2 trong ngăn hấp thụ lên khả năng dịch chuyển mode sóng phát của laser DFB hai ngăn
Để mô tả toàn bộ phổ bức xạ của laser (thay vì chỉ tập trung khảo sát từng mode riêng ứng với một giá trị của dòng bơm), trên hình vẽ 3.5 chúng tôi mô tả dạng phổ thu đợc trong một vùng rộng hơn của bớc sóng laser phát. Vùng điều khiển của dòng bơm I2 cũng đợc chọn rộng hơn bắt đầu từ giá trị 0.28mA đến 0.98mA để thu đợc vùng phổ rộng hơn.
Từ kết quả thu đợc trên hình vẽ 3.5 cho thấy các mode bức xạ do laser phát ra xuất hiện không giống nhau, cũng nh laser không phải bao giờ cũng phát đơn mode. Các mode đã đợc biểu diễn trên hình 3.4 cũng xuất hiện trên hình 3.5 (giữa các bớc sóng λ = 1.540àm và 1.542àm với dòng điều khiển I2 lớn hơn 0.5mA). Tuy nhiên trong giới hạn của vùng điều khiển này, chúng ta có thể nhìn thấy sự hoạt động đa mode của laser, và cờng độ của công suất ra thay đổi ở những vị trí khác nhau của phổ.
Bớc sóng (àm) M ật đ ộ ph ổ (a .u )
Hình 3.5Các mode phát của laser với sự thay đổi của dòng bơm I2. Các đặc
trng mode phát đợc chia ra thành các vùng phụ thuộc giá trị dòng bơm I2.
Với sự biến đổi với dòng bơm I2, chúng ta có thể chia các mode phát trong hình 3.5 thành các vùng phụ thuộc vào dòng điều khiển trong ngăn hấp thụ nh sau:
- Trong vùng gần ngỡng bơm 0.22mA < I2 < 0.4mA, laser phát đơn mode ở bớc sóng xấp xỉ 1536nm. Tuy nhiên cờng độ xung trong miền này là bé, để ứng dụng đợc phải sử dụng các quá trình khuếch đại phù hợp.
- Trong vùng giá trị từ 0.45mA đến 0.6mA của dòng bơm I2, laser phát đa mode cờng độ bé, dịch chuyển rời rạc, các đỉnh mode không nằm ở một miền b- ớc sóng nhất định và không thể dự đoán chính xác đợc.
- Trong khoảng giá trị từ 0.6mA đến 0.82mA của dòng bơm I2, laser phát các đơn mode với bớc sóng trung tâm là 1541nm và có thể điều khiển trong khoảng một vài nm bớc sóng phát. Cờng độ phổ của các mode sóng tơng đối lớn, do vậy chúng có thể đợc sử dụng trong thông tin quang.
- Khi I2 > 0.85mA laser phát đa mode theo quy luật: các đỉnh xung có khuynh hớng dịch về phía có bớc sóng dài hơn. Kết quả này giống nh kết quả
Bớc sóng (àm) M ật đ ộ ph ổ (a .u )
thu đợc khi laser hoạt động với dòng bơm trong ngăn thứ nhất I1 có giá trị lớn đã khảo sát trong mục 3.2.1 ở trên: Bên cạnh các xung đơn, xuất hiện các xung phụ bám theo có cờng độ bé, giảm nhanh.
3.4 Điều biến xung laser phát bằng hàm xung tín hiệu NRZ 3.4.1. Dạng xung tín hiệu NRZ (NonReturn to Zero)
Dạng hình học của xung quang NRZ đợc mô tả với các đặc trng trong một chu kỳ BIT nh trên hình 3.6. Khác với các xung RZ hay Manchester, trong dạng xung NRZ, giá trị logic "1" hoặc "0" tơng ứng với trạng thái điện đợc đóng hoặc ngắt trong suốt cả chu kỳ BIT. Do vậy, không có sự chuyển trạng thái (mức điện áp không quay về không). Trong phơng trình (2.17), số hạng cuối
ω
β njP biểu diễn sự tơng tác giữa bức xạ laser nj với xung quang tín hiệu Pω
dạng không trở về không - NRZ.
Hình 3.6 Mô tả dạng hình học của xung NRZ
ở phần này chúng tôi khảo sát quá trình điều biến xung laser phát bằng cách: + Thay đổi biên độ H0, cố định chu kỳ T của xung NRZ
+ Thay đổi chu kỳ T, cố định biên độ H0 của xung NRZ.
giá trị các tham số động học laser đợc giữ nguyên.
3.4.2 Điều biến xung laser phát bằng xung tín hiệu NRZ
Để áp dụng đợc các điều khiển tải trong công nghệ truyền dẫn quang, các tín hiệu đợc gửi vào sóng mang là xung laser lan truyền trong sợi quang. Bản thân các tín hiệu này lại đóng vai trò điều chế sóng mang đó. Điều này nghĩa là sự có mặt của các xung tín hiệu (hay các mức điện áp khác nhau) làm thay đổi các đặc trng của xung laser phát. Chúng ta khảo sát quá trình điều biến xung laser DFB hai ngăn bởi xung tín hiệu NRZ bằng cách thay đổi các thông số nh biên độ H0, chu kỳ T của xung NRZ.
3.4.2.1 Điều biến xung laser phát bằng biên độ xung tín hiệu NRZ
Biên độ của xung tín hiệu H0 biểu diễn qua mức bơm H đợc định nghĩa bằng tỷ số cờng độ xung tín hiệu NRZ với cờng độ cực đại của xung phát của laser DFB trong trờng hợp laser tự phát xung [12]. Trong phần này để khảo sát ảnh hởng của điều chế biên độ xung NRZ lên các đặc trng xung phát của laser DFB hai ngăn, chúng tôi chọn các mức bơm H lần lợt bằng 10-1, 2ì10-1, 3ì10-1, các thông số khác nh chu kỳ, độ rộng xung tín hiệu đợc giữ nguyên. Giá trị các mức bơm đợc xác định bằng cách lấy tỷ số giữa mật độ photon xung tín hiệu
NRZ với mật độ xung xung laser phát nh đợc mô tả trên hình 3.1. Chu kỳ xung tín hiệu NRZ đợc chọn bằng 1ns, độ rộng xung theo tỷ lệ 1:1. Kết quả khảo sát hoạt động phát xung của laser trong khoảng thời gian 70ns trong trờng hợp có mặt của xung quang tín hiệu dạng hàm NRZ đợc biểu diễn trên các hình vẽ 3.7. Kết quả tính toán số về thời gian khởi phát của xung ∆t (ns), tần số lặp ∆f
(GHz), mật độ photon phát nj và độ mở rộng xung thời gian ∆τ (ps) của các xung laser phát đợc cho trên bảng 3.
Bảng 3. Kết quả giải số ảnh hởng của biên độ xung NRZ lên các đặc trng xung laser phát.
H (ì10-1) ∆t (ns) ∆f (GHz) nj (ì1015cm-3) ∆τ (ps) 0.5 76 1 2.9 25 1 78.2 1 3.05 25 1.5 79.6 1 3.25 25 ` (3.7a) M ật đ ộ ph ot on p há t ( cm -3 ) Thời gian phát (ns) (3.7b) M ật đ ộ ph ot on p há t ( cm -3 ) Thời gian phát (ns)
Hình 3.7 ảnh hởng của biên độ xung NRZ lên đặc trng của xung laser phát.
Biên độ 0.5ì10-1 (3.7a), 1ì10-1 (3.7b) và 1.5ì10-1 (3.7c).
Căn cứ vào bảng kết quả 3 và các đồ thị 3.7, ta có các nhận xét nh sau: Khi có mặt xung quang tín hiệu dạng hàm NRZ, thời gian đáp ứng của laser vào khoảng 76ns, tuy nhiên thời gian đáp ứng của laser không thay đổi nhiều, chỉ trong khoảng từ 2ns đến 4ns khi tăng biên độ xung NRZ lên gấp 3 lần. Kết quả khảo sát cũng cho thấy, độ rộng xung thời gian và tần số lặp của xung là không đổi, nhng mật độ photon phát đã có tăng lên theo chiều tăng của biên độ xung
NRZ.
Về mặt vật lý khi tăng cờng độ xung tín hiệu, nồng độ photon trong các ngăn laser tăng lên do đợc tăng cờng từ bên ngoài. Chính các photon mới đợc bơm này góp phần làm kích thích các quá trình tái hợp cỡng bức dẫn đến sự bức xạ ra thêm các photon mới làm tăng cờng độ xung laser phát và kéo dài thời gian phát xung của laser.
3.4.2.2 Điều biến xung laser phát bằng tần số xung tín hiệu NRZ
Để khảo sát ảnh hởng của sự thay đổi tần số xung tín hiệu NRZ, chúng tôi chọn các thông số của xung tín hiệu NRZ nh sau: mức bơm H0 = 0.75ì10-1. Chu kỳ T của xung NRZ nhận các giá trị khác nhau T = 0.5ns, T = 1.5ns và T = 2.5ns tơng ứng với các tần số 2GHz, 0.67GHz và 0.4GHz.
Kết quả mô phỏng quá trình phát xung laser trên các hình 3.8 cho thấy khi chu kỳ T của xung NRZ nhỏ (T = 0.5ns – hình 3.8a), laser phát các xung có biên độ không lớn và thay đổi hỗn loạn. Các xung laser này đã đợc H. Kawaguchi công bố trong công trình [12], xem nh là các nhiễu khi khảo sát hoạt động phát xung của DFB laser hai ngăn thực nghiệm với sự có mặt của
xung tín hiệu có tần số cao.
Hình 3.8. Dãy xung phát của laser DFB hai ngăn khi chu kỳ xung tín hiệu NRZ thay đổi.
Tăng chu kỳ của xung NRZ lên các giá trị T = 1.5ns và T = 2.5ns (hình 3.8b, 3.8c) các dãy xung laser phát ra lại có các dạng tơng tự nh trong trờng hợp laser đợc bơm ở các mức bơm cao. Giữa các xung laser chính có biên độ lớn và
(3.8a) M ật đ ộ ph ot on p há t ( cm -3) Thời gian phát (ns) (3.8b) M ật đ ộ ph ot on p há t ( cm -3) Thời gian phát (ns) (3.8c) M ật đ ộ ph ot on p há t ( cm -3 ) Thời gian phát (ns)
có tần số lặp lại đúng bằng tần số xung tín hiệu NRZ, xuất hiện các xung phụ có biên độ thấp và giảm dần. Nh vậy việc kéo dài thời gian tơng tác giữa photon xung tín hiệu với các bức xạ laser một mặt kích thích các quá trình tái hợp cỡng bức dẫn tới quá trình bức xạ laser và làm thay đổi các đặc trng xung laser phát nh biên độ, tần số lặp, nhng mặt khác cũng kích thích các quá trình động học khác làm xuất hiện các dao động phục hồi trong một chu kỳ phát xung của laser.
Các kết quả tính toán và mô phỏng cũng cho thấy, dới ảnh hởng của sự thay đổi chu kỳ xung quang tín hiệu dạng hàm NRZ, thời gian đáp ứng ∆t là rất nhỏ, chu kỳ lặp ∆f giữa các xung phát tăng lên nhanh. Một số đặc trng khác nh độ rộng xung thời gian ∆τ thay đổi không đáng kể.
3.5. Kết luận
Trong chơng này chúng tôi đã trình bày động học của các quá trình phát xung của laser bán dẫn DFB hai ngăn.
Kết quả khảo sát hoạt động phát xung của laser DFB hai ngăn trong khoảng thời gian 100ns cho thấy khi đợc điều khiển bằng các dòng điện bơm có
I1, I2, laser DFB hai ngăn đã phát các xung đơn, tần số lặp ở trong miền GHz và độ rộng xung thời gian là rất nhỏ cỡ 25ps đến 70ps.
Có thể dịch chuyển bớc sóng laser phát trong khoảng vài nm bằng cách thay đổi dòng bơm I2 trong một miền giới hạn phù hợp.
Có thể điều biến các đặc trng của xung laser phát bằng cách thay đổi phù hợp các thông số xung tín hiệu NRZ. Đây là cơ sở của việc điều chế và mã hoá tín hiệu trong thông tin quang.
kết luận chung
Trong luận văn này chúng tôi đã nghiên cứu, tính toán, khảo sát một số đặc trng của quá trình phát không dừng của một laser bán dẫn DFB hai ngăn, cũng nh các phơng pháp điều biến xung tín hiệu. Những kết luận chính của luận văn có thể đợc tóm tắt nh sau:
- Đã tổng quan về vật liệu bán dẫn dùng chế tạo các laser.
- Đã tổng quan đợc quá trình phát triển và công nghệ chế tạo các laser bán dẫn nói chung và các laser phản hồi phân bố nói riêng.
- Đã dẫn ra hệ phơng trình tốc độ mô tả hoạt động của một laser bán dẫn DFB hai ngăn và giải thích đợc ý nghĩa vật lý của các tham số có mặt trong hệ phơng trình động học đã nêu.
- Đã khảo sát quá trình dịch chuyển bớc sóng của xung laser phát bằng dòng bơm I2 trong ngăn hấp thụ. Các kết quả khảo sát cho thấy, ở những giá trị gần ngỡng của dòng I2, laser phát các đa mode, có cờng độ bé. Có thể chọn đợc một khoảng các giá trị của I2 để thu đợc các mode đơn của quá trình đơn mode của laser, với khoảng dịch chuyển khoảng một vài nm.
- Đã khảo sát quá trình điều biến xung laser phát bằng xung quang tín hiệu dạng hàm NRZ. Sự thay đổi thông số xung quang tín hiệu nh biên độ, tần số xung quang tín hiệu đã làm thay đổi đặc trng xung laser phát nh cờng độ, độ mở rộng xung, tần số phát xung. Điều này cho thấy có thể ứng dụng các xung phát của laser bán dẫn DFB hai ngăn cho các áp dụng điều khiển tải trong công nghệ truyền dẫn quang.
Một vài kết quả của luận văn đã đợc công bố trong công trình [9] và phù hợp với các kết quả thực nghiệm về các laser DFB sử dụng cùng loại vật liệu đ- ợc công bố trong các công trình [10], [11-15], [18].
tài liệu tham khảo
[1] Đinh Xuân Khoa, Hồ Quang Quý (2007), Nhập môn thông tin quang, NXB ĐHQG Hà Nội.
[2] Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser bớc sóng thay đổi và ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội.
[3] Trần Bá Chữ (2002), Laser và quang phi tuyến, NXB ĐHQG Hà Nội.
[4] Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển (2001), Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục, tr. 127-134.
[5] Đinh Văn Hoàng (2000), Những vấn đề hiện đại của Quang học và quang phổ - Tập II, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2000, tr. 406-411.
[6] Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến (2004), Vật lý Laser và ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội.
[7] Nguyễn Văn Phú, Đinh Văn Hoàng (2006), ảnh hởng của các tham số động học và điều biến biên độ xung tín hiệu RZ trong hoạt động của một laser
DFB hai ngăn, Tạp chí khoa học, Trờng Đại học Vinh, Tập XXXV, Số 2A, tr.
63-68.
[8] Dinh Van Hoang, Nguyen Van Phu (2004), Some characteristics of pulse
generation of a DFB laser with two sections, Communications in Physics,
Vol.14, No. 3, pp. 171-177.
[9] Nguyễn Văn Phú, Đinh Văn Hoàng, Nguyễn Văn Thọ (2008), ảnh hởng