Chương 2 : Khả năng thu nhận ỏnh sỏng của laser
2.6. Laser quang sợi pha tạp erbium được sử dụng như một đầu thu độ nhạy
độ nhạy cao
Như trong cỏc phần trờn, laser đó từng được sử dụng như một bộ tỏi khuếch đại tuy nhiờn chưa chỉ ra được những đặc tớnh phổ tương thớch với sự
khuếch đại của tớn hiệu phổ hẹp bờn trong một đường cộng hưởng rộng hơn. í tưởng ở đõy là laser tự hồi tiếp trờn bức xạ tự phỏt, được lọc và khuếch
đạị Hiệu ứng lọc dời những dải tần số rất nhỏ nhưng hiệu ứng khuếch đại thỡ cực rộng.
Sử dụng hàm Airy cho laser như ta đó làm ở chương trờn ta cú thể miờu tả
một cỏch đơn giản về độ rộng đường và cường độ của laser đối với bất kỳ hệ số
khuếch đại nàọ Trong phương phỏp này, cường độ phổ y(ν) của trường laze
được viết dưới dạng tần số. Nú liờn quan đến cường độ phổ của nguồn (cường độ
phổ của bức xạ tự phỏt) thụng qua hàm truyền laser (hàm truyền này là sự mở
rộng cho laze của hàm Airy) [3]. Xung quanh tần số cộng hưởng, cường độ phổ
y2 = y2(ν) của laze lỳc thu giống như cường độ phổ của laser khi nú độc lập nhưng nú cú thờm một phần và phần đú lớn lờn từ trường được tiờm. Điều đú
được viết như sau: 2 0 2 2 2 0 2 1 2 ) ( 1 )) 1 /( exp( L g Y x x S y y − + Γ + + − + = η (39) Trong đú, g0 là độ khuếch đại tớn hiệu nhỏ, Y2 =∫y2dx là cường độ bóo hũa,
42
là mất mỏt và Γ2 là độ rộng đường. Trong phần nguồn S2 là ký hiệu của cường độ
phổ của bức xạ tự phỏt (phần phẳng trong dải phổ ta quan tõm)và ηy1 là ký hiệu nguồn được tiờm. η là hệ số kết hợp. Cấu trỳc nhiễu là do nhiều nguyờn nhõn, gồm nhiễu từ nguồn laser bơm, từ tớn hiệu tiờm vào và từ bức xạ tự phỏt. Nhưng
độ lớn của nhiễu do bức xạ tự phỏt cú thể bỏ qua nờn trong phương trỡnh (39) khụng cú thành phần nhiễu tự phỏt. Trong thớ nghiệm, năng lượng được tiờm tới laser rất nhỏ so với sự thay đổi của Y2. Tại những mức rất thấp, sự phõn bố độ
rộng phổ y2 chỉ bị ảnh hưởng trong vựng hẹp tương ứng với y1 thụng qua thay đổi nguồn. Đõy là lý do mà ta cú thể quan sỏt được một đỉnh nhỏ trờn dải rộng phổ
của laser thụ Cụng thức này cũng như thớ nghiệm của chỳng tụi chỉ ra rằng khi cường độ tớn hiệu tiờm vào laser thu tăng lờn, phõn bố trờn suốt độ rộng của laser thu dần dần thu hẹp lại, chuyển thành một vạch hẹp cú độ rộng và vị trớ hoàn toàn của tớn hiệu tiờm vàọVà chỳng ta cũng lưu ý thấy rằng sự khuếch đại cũng tăng theo độ khuếch đại của laser tiờm.
Độ nhạy của laser là một cõu hỏi liờn quan đến trường điện động lực lượng tử. Người ta đó chỉ ra rằng buồng cộng hưởng làm thay đổi sự phõn bố tần số của thăng giỏng chõn khụng, thăng giỏng trường cộng hưởng tại những tiờu hao tần số khụng cộng hưởng. Những thớ nghiệm này đó được làm với buồng cộng hưởng gồm vài photon và nguyờn tử[7], giỳp ta hiểu thờm về đo lượng tử. Một cỏch đơn giản cũng cú thể dựng laser đặt vào điều khiển một số lượng lớn nguyờn tử và photon. Những phản ứng xảy ra giữa những nguyờn tử (như là va chạm đặc biệt giữa điện tử và lỗ trống) và những phụ cận của chỳng (phonon) cựng với nhau tạo ra bức xạ và thăng giỏng chõn khụng. Những phản ứng này tạo ra những ỏnh sỏng ngẫu nhiờn bức xạ, chớnh là S2. Hiệu ứng lọc mạnh (quang và điện tử) sẽ làm giảm nhiễu N xuống mức nhiễu lượng tử, tỉ lệ với căn bậc 2 của độ rộng dải B:
B a
N = . Đối với tớn hiệu vào được đặc trưng bởi cựng nhiễu đú, tỷ lệ tớn hiệu
Sout trờn nhiễu tại lối ra của laser tăng theo hàm 1/ B: Sout /N =Sint /a B.
Cú thể quan sỏt được độ nhạy tốt hơn khi tớn hiệu vào cú độ rộng vạch phổ
nhỏ hơn. Hiệu ứng này là do khả năng của buồng cộng hưởng hoạt động để tớch lũy trường tiờm. Nú cho phộp năng lượng nhỏ nhất được nhận biết là nhỏ vụ hạn khi mà độ rộng đường cũng trở nờn nhỏ vụ hạn.
43
Mục tiờu của vấn đềđược đặt ra là để xem xột khả năng sử dụng laser thực tế là một đầu thu cực nhạy đối với ỏnh sỏng kết hợp. Ánh sỏng được thu nhận phải cú cựng tần số và độ rộng phổ nhỏ hơn của laser thu nhận. Độ nhạy này là hệ quả của sự đỏp ứng của laser khi bị kớch thớch bởi tớn hiệu cực nhỏ (bức xạ tự
phỏt trong) và trường cực mạnh. Khi được kớch thớch từ bờn ngoài bởi một tớn hiệu nhỏ được điều khiển, hàm đỏp ứng (hàm truyền) vẫn như cũ và cho phộp ỏp
đặt tới tớn hiệu nhỏ này sự khuếch đại hay núi cỏch khỏc là bỏ lại trường nhiễu ngẫu nhiờn. Thụng qua hiệu ứng khúa, độ khuếch đại tiếp tục được hỡnh thành từ
tần số khỏc tới độ rộng đường của tớn hiệu tiờm tới khi hiệu ứng bóo hũa xuất hiện. Nguyờn lý này giống như là trong radio điện tử trong thu nhận tỏi sinh quỏ mức [5]. Quỏ trỡnh thu nhận thụng thường sử dụng sự truyền năng lượng quang (photon) tới 1 điện tử tự do và điện tử này sẽ được nhõn lờn thụng qua quỏ trỡnh thỏc lũ trong APD hay PM. Sự kết hợp của ỏnh sỏng khụng đúng vai trũ gỡ vỡ thời gian thu nhận thỡ ngắn hơn thời gian kết hợp của ỏnh sỏng. Trong phương phỏp này, ỏnh sỏng đầu tiờn sẽ được khuếch đại thụng qua quỏ trỡnh bức xạ cưỡng bức, do đú nú đảm bảo được tớnh kết hợp của ỏnh sỏng, sau đú, nú sẽ được lọc đảm bảo sự phõn chia tốt hơn từ nhiễu so với bộ thu nhận nguyờn thuỷ.
44
Chương 3: Khảo sỏt hệ thu tớn hiệu laser độ nhạy cao và
ứng dụng
3.1. Hệ thu tớn hiệu laser độ nhạy cao
3.1.1. Sơ đồ khối của hệ đo
Hỡnh 3-1: Sơđồ khối của hệđo
Trong Hỡnh 3-1 là sơ đồ khối của hệ thực nghiệm. Hệ bao gồm: 1. Nguồn bơm 2. Nguồn tớn hiệụ 3. Bộ suy giảm 4. Isolator. 5. Coupler 6. Laser thu tớn hiệụ 7. Mỏy phõn tớch phổ 8. Mỏy đo cụng suất
45
3.1.2. Nguồn bơm
Nguồn bơm là laser diode đơn mode Nortel LC92A-20 cú bước súng là 980 nm, cụng suất lớn nhất là 37 mW. Nguồn bơm dựng để kớch thớch mụi trường khuếch đại của laser nguồn và laser thụ
3.1.3. Nguồn tớn hiệu
Nguồn tớn hiệu là laser phản hồi phõn bố DFB quang sợi pha tạp erbium cú thể thay đổi được bước súng.
Để thay đổi bước súng, trờn thực tế cú thể sử dụng phương phỏp kộo căng hoặc thay đổi nhiệt độ. Ở đõy sử dụng phương phỏp kộo căng để thay đổi bước súng.
Như trong phần lý thuyết đó nờu, laser quang sợi cú chiều dài buồng cộng hưởng là Lc sẽ phỏt laser tại bước súng cộng hưởng của buồng là:
c nL m 2 0 = λ (40)
Trong đú λ0 là bước súng cộng hưởng; n là chiết suất tỏn xạ; m là một số
nguyờn lớn.
Mối liờn quan giữa bước súng trung tõm của cỏch tử và chu kỳ cỏch tử là: Λ
= n
B 2
λ (41)
Khi cú một lực kộo căng tỏc động lờn laser tức là tỏc động đều lờn 2 cỏch tử Bragg và phần quang sợi là mụi trường khuếch đạị Cả hai cỏch tử Bragg và phần sợi quang bờn trong hai cỏch tử đều bị kộo gión và chiều dài bị thay đổị Sự
thay đổi đú làm thay đổi chu kỳ của cỏch tử Bragg và kộo theo sự thay đổi bước súng của cỏch tử Bragg.
Đồng thời, khi chiều dài sợi quang bờn trong cỏch tử thay đổi, tức là chiều dài buồng cộng hưởng Lc thay đổi thỡ bước súng phỏt laser cũng thay đổị Bước súng thay đổi của cỏch tử Bragg phự hợp với bước súng phỏt laser của buồng cộng hưởng.
46
Như vậy, khi bị kộo căng, cỏch tử phản xạ Bragg cũng được thay đổi bước súng phản xạđảm bảo chọn lọc mode cho laser.
Một cỏch tổng quỏt, sự thay đổi bước súng laser khi laser cú sự thay đổi nhiệt độ hoặc bị kộo căng là: const T const T pe = + + = − = δε α ζ δ ε λ δλ ) ( ) 1 ( (42)
Trong đú α là hệ số mở rộng, ζ là hệ số quang nhiệt, pe là hằng số, ε là lực kộo tỏc động.
Hỡnh 3-2 là hỡnh ảnh phổ laser thu được khi thay đổi sự tỏc động của lực kộọ 1539 1540 1541 1542 1543 1544 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 0.055 0.060 0.065 0.070 Binh thuong,dinh=1540.355 nm Keo 250 μm,dinh=1540.489 nm Keo 500 μm,dinh=1541.292 nm Keo 800 μm,dinh=1541.827 nm C u on g do Buoc song (nm)
Hỡnh 3-2: Đồ thị phổ dịch chuyển bước súng phụ thuộc vào độ kộo căng
Từ Hỡnh 3-2 ta thấy, phổ của laser bị dịch chuyển về phớa bước súng dài hơn khi lực kộo tăng lờn và dạng phổ của laser khụng thay đổị
47
Đồ thị sự phụ thuộc của bước súng vào độ kộo căng được biểu diễn trờn
Hỡnh 3-3 0 200 400 600 800 1000 1540.2 1540.4 1540.6 1540.8 1541.0 1541.2 1541.4 1541.6 1541.8 1542.0 Độ kéo căng (μm) B − ớc sóng (nm)
Hỡnh 3-3: Đồ thị sự phụ thuộc bước súng vào độ kộo căng
Đồ thị 3-3 biểu diễn sự phụ thuộc của bước súng vào độ kộo căng. Nhỡn
đồ thị ta thấy, lỳc đầu khi độ kộo căng cũn nhỏ thỡ bước súng chưa bị thay đổi, khi độ kộo căng đạt tới một giỏ trị là 200 μm với tổng chiều dài sợi kộo là 21 cm thỡ bắt đầu xuất hiện hiện tượng dịch chuyển bước súng. Sau đú, độ kộo căng tăng thỡ bước súng dịch chuyển theọ Khi độ kộo căng đạt tới một giỏ trị nhất
định thỡ bước súng khụng dịch chuyển nữạ Độ dịch chuyển lớn nhất cú thể đạt
được là 2 nm.
Thay đổi cụng suất bơm một cỏch tuần tự từ nhỏ tới lớn và đo cụng suất tớn hiệu laser ra, ta thu được hỡnh ảnh đường đặc trưng cụng suất của laser quang sợi DFB nguồn tớn hiệu được biểu diễn trờn hỡnh 3-4 :
48
Hỡnh 3-4: Đặc trưng cụng suất của laser nguồn tớn hiệu
Từ đường đặc trưng cụng suất này ta cú thể xỏc định được giỏ trị bơm ngưỡng là 2,49 mW tại dũng 25 mẠ
3.1.4. Isolator
Bộ cỏch ly quang (isolator) cú tỏc dụng làm giảm ỏnh sỏng phản xạ từ hệ
thống phản hồi trở lại gõy nhiễu tới tớn hiệu phớa sau, đồng thời chỉ cho tớn hiệu ở
bước súng 1550 nm đi qua .
3.1.5. Bộ suy giảm
Bộ suy giảm (attenuator) Agilent 8613B dựng đểđiều chỉnh mức cụng suất tớn hiệu tiờm vào laser thụ
3.1.6. Laser thu
Laser thu cũng là laser quang sợi pha tạp erbium phản hồi phõn bố DFB
được bơm ở gần ngưỡng, cú độ rộng FWHM thay đổi giữa 150 MHz và 8 MHz (phụ thuộc vào dũng bơm).
49
Đường đặc trưng cụng suất của laser thu được biểu diễn trờn hỡnh 3-5:
Hỡnh 3-5: Đặc trưng cụng suất của laser thu
Từ đõy ta cũng cú thể xỏc định được ngưỡng của laser thu là 9, 28 mW tại dũng 50 mẠ
3.1.7. Mỏy phõn tớch quang phổ (OSA)
Mỏy phõn tớch quang phổ (OSA) Anritsu MS9710B cú độ phõn giải 0.06 nm, c ú 2 lối vào tớn hiệụ
3.1.8. Mỏy đo cụng suất
Mỏy đo cụng suất quang KyngFisher cú cụng suất đo giới hạn 40 mW, dải bước súng đo được là từ 850 nm đến 1620 nm
3.1.9. Hiện tượng kộo tần số:
Sơ đồ khối của thớ nghiệm được chỉ ra trong hỡnh 3-1. Thớ nghiệm được tiến hành như sau: laser phỏt và laser thu đều được giữ nguyờn cụng suất. Laser phỏt được bơm xa ngưỡng, tớn hiệu cú cụng suất ổn định là -5 dBm. Lối ra của laser tớn hiệu được đưa tới bộ suy giảm để suy giảm cụng suất xuống cũn -30 dBm là khoảng cụng suất mà đầu thu cũn thu nhận được. Tớn hiệu được đưa vào một đầu 1550 nm của bộ trộn bước súng WDM, một đầu cũn lại của WDM nối
50
với nguồn bơm, cũn đầu ra của WDM nối với lối vào của laser thụ Thay đổi bước súng của laser phỏt tớn hiệu (laser nguồn) trong khoảng 2 nm và quan sỏt tiến trỡnh phổ tại đầu thu phụ thuộc vào khoảng cỏch giữa bước súng của tớn hiệu và bước súng trung tõm của laser thụ Hỡnh ảnh phổ thu được bằng mỏy phõn tớch phổ OSA MS9710B.
.
Hỡnh 3-6: Tiến trỡnh tớn hiệu laser chủ tiến gần tới laser tớ.
Hỡnh 3-6 là đồ thị kết quả phổ thu được khi thay đổi bước súng tớn hiệu tới gần bước súng của laze thụ Trong đú:
1. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ là 0.12 nm. 2. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.1 nm. 3. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.06 nm. 4. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.03 nm. 5. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.02 nm 6. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0 nm. 7. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.03 nm. 8. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.05 nm.
51
Nhỡn vào hỡnh 3-6 ta thấy khi bước súng của laser chủ và laser tớ khụng trựng nhau hay việc tiờm bị lệch cộng hưởng cú thể thấy rừ ràng sự di chuyển phổ và
độ kết hợp từ laser chủ sang laser tớ. Đầu tiờn, độ lệch cộng hưởng là 0.2 nm, tớn hiệu vẫn rất nhỏ, laser thu chưa cú ảnh hưởng gỡ tới tớn hiệụ Thay đổi bước súng sao cho bước súng của tớn hiệu tới gần bước súng trung tõm của laser thu cho đến khi độ lệch cộng hưởng là khoảng 0.02 nm thỡ năng lượng bắt đầu được truyền từ
laser thu sang cho tớn hiệu, vạch phổ của tớn hiệu cao lờn. Khi hai bước súng trựng nhau thỡ năng lượng truyền sang là lớn nhất và ta quan sỏt thấy vạch laser tớ bị tiờm thu được là cao nhất.
3.1.10. Thu nhận tớn hiệu Thiết lập thớ nghiệm
Điều chỉnh hệ kộo căng, thiết lập laser nguồn phỏt tớn hiệu laser tại bước súng 1539.16 nm, trựng với bước súng phỏt xạ của laser thụ
Laser thu được bơm ở gần ngưỡng với tỉ số dũng bơm trờn dũng ngưỡng là r = 1.2.
Laser nguồn phỏt ra tớn hiệu laser tại bước súng trựng với bước súng của laser thu và được bơm ở xa ngưỡng, cú cụng suất ổn định tại – 5 dBm.
Lối ra của nguồn tớn hiệu được đưa tới bộ suy giảm để cú thể thay đổi được cụng suất. Lối ra của bộ suy giảm cụng suất được đưa tới bộ trộn bước súng của bộ WDM để trộn bước súng với laser diode bơm 980 nm và đưa tới laser thụ
Đầu ra của hệđược gắn với mỏy phõn tớch phổ OSA MS9710B.
Kết quả thực nghiệm:
52 1538 1539 1540 1541 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035 0.0040 0.0045 B C D E F G
B: Công suất tiêm -46 dBm C: Công suất tiêm -47 dBm D: Công suất tiêm -48 dBm E: Công suất tiêm -49 dBm F: Công suất tiêm -50 dBm G: Công suất tiêm -53 dBm B−ớc sóng (nm) C − ờ ng độ ( au) Hỡnh 3-7: Tiến trỡnh tớn hiệu lối ra tăng theo cụng suất tiờm
Kết quả thực nghiệm này đo được khi thay đổi cụng suất tớn hiệu xuống tới -53 dBm. Nhỡn vào hỡnh 3-7 ta thấy khi suy giảm cụng suất tớn hiệu tới – 53 dBm thỡ khụng cú hiệu ứng khuếch đại, hỡnh ảnh chỳng ta quan sỏt thấy chớnh là phổ của laser thụ Khi cho cụng suất tiờm tăng lờn, cụng suất lối ra bắt đầu tăng dần. Điều đú chứng tỏ đó cú hiệu ứng khuếch đại tớn hiệu: năng lượng đó được truyền một cỏch hiệu suất từ dải rộng của laser sang cho tớn hiệụ Hỡnh ảnh phổ