b. Nguyên lí
Điều khiển hốc cộng hưởng
Phần phản xạ Bragg Vùng hoạt tính
Nguyên lý làm việc của laser DBR cũng dựa vào nguyên lý phản xạ Bragg và thoả mãn chính xác cơng thức (3.1), đặc điểm cũng cơ bản giống laser DFB. Chỉ có một số điểm khác biệt nhỏ cần lưu ý, đó là:
• Vật liệu chế tạo của DBR là khó khăn hơn laser DFB vì nó khơng nhất thiết
địi hỏi sự ghép cơng suất giữa các vùng thụ động và vùng tích cực.
• Đặc tính phụ thuộc nhiệt độ thì khác nhau, khi nhiệt độ tăng thì trong DBR
có sự chuyển đổi từ mode này qua mode khác cịn với laser DFB thì thể hiện đặc tính ổn định nhiệt độ trong một dải rộng.
Laser DBR cách tử đơn giản (SG-DBR)
SG-DBR sử dụng các cách tử phản xạ trong buồng cộng hưởng để tạo ra những quang phổ phản ứng hình răng lược. Các cách tử ở trước và sau có chu kỳ cách tử khác nhau nên tạo ra các quang phổ khác nhau. Q trình điều hưởng sang một bước sóng đặc trưng được thực hiện bằng cách điều chỉnh dòng tại hai mức cách tử trong hai bậc của dải quang phổ từ đó lựa chọn bước sóng. Do đó, nguồn laser có bước sóng nhảy bậc. Ngun lý làm việc như vậy địi hỏi điều chỉnh pha sao cho số lần nữa bước sóng phải là số nguyên, nếu sự điều chỉnh về pha này khơng được thực hiện thì sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sự ổn định của mode và tăng nhiểu. Các loại thuộc laser này thường có khoảng dải điều chỉnh rộng, công suất phát ra thấp và phổ rộng.
Những cách tử đơn giản này được trợ giúp bởi một bộ lọc đặc biệt, bộ lọc này gồm các bộ lọc định hướng nối với nhau, bộ lọc sẽ lựa chọn đầu ra cho cách tử đơn giản. Công suất đầu ra của SG-DBR thấp, điều này có thể khắc phục bằng cách sử dụng bộ khuếch đại bán dẫn quang (SOA). Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ khuếch đại bán dẫn quang này thường sinh nhiểu và có thể ảnh hưởng tới những địi hỏi của RIN và độ rộng phổ trong các mạng quang tốc độ10Gbit/s.
Do laser SG-DBR được cấu tạo từ chất bán dẫn phốt pho và indi nên những đáp ứng về nhiểu, công suất, và phạm vi điều hưởng bị hạn chế như trong hệ thống bán dẫn đơn.
Có một phương pháp điều chỉnh bước sóng trên phạm vi rộng là mạ trên mặt cắt theo hướng sau của khoang cộng hưởng laser một màng chống phản xạ (AR). Sau đó, đặt ở ngồi một bộ lọc có thể điều chỉnh. Loại kết cấu này gọi là laser bán dẫn có thể điều chỉnh ở ngồi khoang cộng hưởng.
b. Nguyên lí
Ở mặt cắt phía sau LD mạ một lớp màng tăng thấu. Nhờ đó, ánh sáng được chiếu qua thấu kính biến thành tín hiệu quang song song đi tới lưới quang. Tại đây, lưới quang sẽ đóng vai trị là gương phản xạ kiêm bộ lọc băng hẹp. Lưới quang quay có thể điều chỉnh thơ bước sóng phát quang. Điều chỉnh vị trí lưới quang theo chiều dọc có thể tinh chỉnh bước sóng phát quang.
Ưu điểm chính của laser điều chỉnh bước sóng ở ngồi khoang cộng hưởng là bề rộng đường phổ rất hẹp. Đó là do có sự kéo dài khoang dao động, làm tăng chiều dài hữu hiệu của khoang.
Khuyết điểm của laser bán dẫn điều khiển ngoài khoang là tốc độ điều chỉnh thấp, thể tích tương đối lớn, ổn định về cơ không cao.
Để khắc phục những khuyết điểm trên, hiện nay đã đề xuất ra một kết cấu mới, gọi là laser bán dẫn MAGIC (Multistripe Array Gratting Integrated Cavity). Nó khơng giống như kết cấu cũ gồm LD và lưới quang cơ động mà là lưới quang cố định và bố trí hai dãy LD tích hợp hai chiều như hình 3.4. Trong dãy, mỗi một thanh có nguồn đều có thể tìm thấy địa chỉ độc lập và kích phát ra một bước sóng nhất
LD Màng AR Tăng ích Chọn bước sóng Thấu kính chỉnh thơ (50 -240 nm) chỉnh tinh tín hiệu quang ra
Hình 3.3 Laser bán dẫn có điều chỉnh ngồi khoang cộng hưởng
định. Lưới quang chỉ chọn phối ghép một bước sóng nào đó đưa vào thanh trung tâm.
Laser có hốc cộng hưởng ngồi (ECL)
Những laser có hốc cộng hưởng ngồi được thiết kế khá đơn giản và dể hiểu. Với việc sử dụng hốc cộng hưởng ngồi, chùm bước sóng được thay đổi bằng phương pháp điều chỉnh cơ học hơn là điều chỉnh dòng điện hay nhiệt độ của vật liệu bán dẫn trong buồng cộng hưởng của laser.
Phần cách tử cơ bản là một thiết kế dạng buồng cộng hưởng Litman-Metcalf. Laser này gồm một môi trường khuếch đại được chế tạo riêng (ví dụ như khoang F-P chế tạo cho laser điốt) và một buồng cộng hưởng ngồi có cấu trúc quang học được chế tạo riêng (ví dụ như cách tử và gương nhiểu xạ) được tích hợp lại. Bước sóng được điều hưởng bằng cách cấp điện áp cho hệ thống vi mạch cơ điện-MEMS giúp làm xoay gương cho phép một bước sóng nhiểu xạ riêng nối tới đầu vào laser điốt. Khuếch đại băng tần của điốt, độ tán xạ cách tử và cấu trúc mode trong buồng cộng hưởng ngoài sẽ phối hợp với nhau quyết định bước sóng đầu ra cho laser.
Laser ECL với khả năng điều hưởng liên tục đã được sử dụng từ lâu trong kỹ Tín hiệu quang ra Lưói quang cố định 2 mm 12 mm Hình 3.4 Laser MAGIC
laser này cho phép điều hưởng liên tục tồn bộ quang phổ của mơi trường khuếch đại, trong khi những laser công nghệ khác tuân theo chế độ lựa chọn những bước sóng ổn định trong dải quang phổ. Mặc dù vậy, laser ECL chế tạo tốn kém và không chịu được tác động của các yếu tố mơi trường nên nó ít được sử dụng trong các viễn thơng.
3.1.4 Ứng dụng của laser điều hưởng
Những nguồn laser điều huỡng bước sóng có nhiều ứng dụng, một vài ví dụ trong số đó là:
a. Trong quang phổ học: Một nguồn laser điều hưởng bước sóng với dải quang hẹp có thể được sử dụng cho việc ghi lại sự truyền động hay sự hấp thụ phổ với độ phân giải tần cao. Trong một hệ thống LIDAR, một nguồn laser có thể được điều hưởng đến một bước sóng riêng được giám sát.
b. Những phương thức phong phú của sự làm mát bằng laser đòi hỏi một bước sóng laser phải được điều chỉnh một cách chính xác tỉ mỉ ở ngay gần một số cộng hưởng nguyên thuỷ.
c. Điều hưởng đến mức cộng hưởng nguyên tử được sử dụng trong phân chia đồng vị laser. Nguồn laser được điều hưởng tới đồng vị riêng biệt để ion hoá những nguyên tử và sau đó làm lệch chúng với một trường điện tích.
d. Một nguồn laser điều hưởng có thể được sử dụng cho dịch vụ đặc trưng ví dụ cho những mạch tổ hợp ánh sáng.
e. Trong truyền dẫn quang với việc đa hợp phần bước sóng, một nguồn laser điều hưởng có thể phục vụ như một sự thay thế trong trường hợp một trong những laser có bước sóng cố định cho những sự thiếu kênh riêng.
3.2 Laser đáp ứng cực nhanh – Ultrafast laser
Ultrafast-laser là những laser sử dụng laser khóa mode để phát ra những xung rất ngắn, ví dụ như xung từ khoảng femtosecond (10-15 s) đến picosecond (10-12 s). Nó cịn được gọi là “Laser xung cực ngắn”.
Laser Titanium-sapphire: thơng thường khóa mode nhờ một thấu kính Kerr nó có thể phát sinh ra những xung rất ngắn xấp xỉ 5fs. Công suất đầu ra trung bình của loại này đạt hàng trăm mW với tốc độ lặp xung khoảng 80MHz và thời khoảng một xung đạt vài chục fs hoặc ngắn hơn.
Laser được bơm từ điốt bán dẫn: Ví dụ các tinh thể laser được kích thích từ
Ytterbium (Yt) hoặc Crom (Cr). Đây là chế độ khóa mode bị động với một SESAM. Laser loại này không tạo ra những xung ngắn như laser Ti-Sapphire nhưng nó có rất nhiều ứng dụng quan trọng.
Laser Fiber: Cũng là loại sử dụng kiểu khóa mode bị động bằng cách sử
dụng sự thay đổi phân cực phi tuyến hoặc một SESAM. Loại này có nhiều hạn chế về cơng suất trung bình và cơng suất đỉnh nhưng nó lại phù hợp trong khuếch đại sợi quang…
3.2.2Khóa mode trong Ultrafast-laser
Cơ sơ kỷ thuật của khóa mode là tạo ra mối liên hệ về pha xác định giữa các mode trong hốc cộng hưởng của laser. Khi đó, laser được gọi là “khóa pha” hay “khóa mode”. Sự giao thoa giữa các mode này tạo ra chuỗi các xung laser. Tùy theo các thuộc tính của laser, các xung này có thể rất ngắn, cỡ vài femto giây.
a. Các mode của hốc cộng hưởng laser
Mặc dù ánh sáng laser là ánh sáng kết hợp nhưng nó khơng đơn sắc hồn tồn. Tất cả các laser đều tạo ra ánh sáng trong một dải tần nào đó. Dải tần hoạt động của laser được xác định chủ yếu bởi môi trường khuếch đại và được gọi là dải tần khuếch đại. Ví dụ, một loại laser khí thơng dụng như He-Ne có dải tần khuếch đại khoảng 1.55 GHz (độ rộng phổ cỡ 0.002 nm), trong khi đó, laser rắn (Ti-Sapphire) có dải tần khoảng 128 THz (độ rộng phổ cỡ 300 nm).
Nhân tố thứ hai xác định tần số phát xạ của laser là hốc quang học hay hốc cộng hưởng. Hốc cộng hưởng thơng thường có cấu tạo gồm hai gương phẳng, đặt đối diện hai bên môi trường khuếch đại laser (cấu hình này được gọi là hốc Fabry- Perot). Do ánh sáng là sóng, khi bị giam giữa hai gương, nó sẽ tự giao thoa và hình thành sóng dừng.
Các sóng dừng tạo thành một tập các tần số rời rạc được gọi là mode dọc của hốc. Các mode này là ánh sáng có tần số mà hốc cộng hưởng cho phép duy trì, tất cả các tần số khác bị dập tắt do giao thoa. Đối với hốc gồm hai gương phẳng, các mode được phép là các mode có bước sóng là ước của khoảng cách L giữa hai gương, tức là L = q λ/2, với q là một số nguyên được gọi là bậc mode.
Trong thực tế, khoảng cách L thường lớn hơn nhiều bước sóng ánh sáng λ, do đó giá trị của q rất lớn (khoảng 105 đến 106). Điểm lý thú là khoảng cách tần số giữa hai mode liên tiếp bất kỳ q và q+1, cho bởi cơng thức (đối với hốc cộng hưởng rỗng có chiều dài L) Δν:
Với c là vận tốc ánh sáng (≈3×108 m/s).
Từ phương trình trên, một laser nhỏ với khoảng cách hai gương 30 cm có khoảng cách tần số giữa các mode dọc là 0.5GHz. Như vậy, đối với hai laser đề cập ở trên, với hốc cộng hưởng 30cm, laser He-Ne có dải tần 1.5GHz sẽ phát 3 mode dọc, trong khi laser Ti-sapphire có dải tần 128THz sẽ phát chừng 250000 mode.
Mỗi mode dọc có độ rộng tần số nào đó nhưng nhỏ hơn nhiều khoảng cách tần số giữa các mode.
a. Lý thuyết khóa mode
Trong một laser đơn giản, mỗi mode dao động độc lập, khơng có quan hệ cố định với nhau, giống như một tập hợp các laser có tần số phát hơi khác nhau một chút. Pha ánh sáng của mỗi mode không cố định, và biến đổi ngẫu nhiên do các yếu tố như sự biến đổi về nhiệt độ trong mơi trường laser. Trong những laser chỉ có vài mode, sự giao thoa giữa các mode có thể gây ra hiệu ứng beat, dẫn đến sự thăng giáng cường độ một cách ngẫu nhiên. Trong những laser có vài nghìn mode, hiệu ứng giao thoa có xu hướng trung bình hóa tới gần cường độ ổn định của laser, và laser hoạt động ở chế độ liên tục - cw (continuous wave). Nếu thay vì dao độc độc lập, mỗi mode có chênh pha cố định đối với các mode liền kề, laser sẽ hoạt động hồn tồn khác. Thay vì có cường độ phát không đổi hoặc ngẫu nhiên, các mode của
gọi là “khóa mode” hay “khóa pha”. Các xung này cách nhau một khoảng thời gian τ = 2L/c, là khoảng thời gian để ánh sáng đi trọn một vòng trong hốc cộng hưởng. Khoảng thời gian này tương ứng với khoảng cách tần số của laser Δν = 1/τ.
Độ dài của xung sáng được xác định bởi số mode bị khóa (trong thực tế, khơng nhất thiết tồn bộ mode của laser phải bị khóa pha). Nếu có N mode bị khóa, có khoảng cách tần số Δν, độ rộng dải tần bị khóa là NΔν. Dải tần càng rộng, xung laser càng ngắn. Trong thực tế, độ rộng thực của xung được xác định qua dạng xung hình thành do liên hệ về pha và tần số của mỗi mode dọc. Ví dụ, nếu laser tạo ra xung có đường bao dạng Gauss, độ rộng xung nhỏ nhất Δt sẽ tính theo cơng thức:
Giá trị 0.44 được gọi là tích “thời gian-dải tần” của xung và phụ thuộc vào
dạng xung. Với các laser xung cực ngắn, xung thường được giả thiết có dạng (sec2),
và tích thời gian- dải tần tương ứng là 0.315.
Sử dụng cơng thức trên, ta có thể tính được độ rộng xung nhỏ nhất. Với laser He-Ne có dải tần 1.5 GHz, xung Gauss ngắn nhất được tạo ra cỡ 300 picosecond, còn với laser Ti-sapphire có giải tần 128 THz, độ rộng xung nhỏ nhất cỡ 3.4 femtosecond. Các giá trị này là độ rộng xung ngắn nhất có thể và bị giới hạn bởi dải tần của laser. Trong thực tế, độ rộng xung còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như dạng xung, sự tán sắc trong hốc cộng hưởng.
b. Các phương pháp khóa mode
Các phương pháp để khóa mode trong laser được chia thành hai loại chủ động và thụ động. Phương pháp chủ động là dùng tín hiệu bên ngồi để biến điệu ánh sáng trong hốc cộng hưởng. Phương pháp thụ động khơng sử dụng tín hiệu bên ngồi mà đặt một yếu tố trong hốc cộng hưởng để gây ra hiện tượng tự biến điệu của ánh sáng.
Khóa mode chủ động
hoạt động ở tần số bằng khoảng cách mode trong hốc cộng hưởng Δν, các tần số kề này sẽ tương ứng với hai mode liền kề với mode ban đầu. Như vậy, mode trung tâm và các mode kế bị khóa pha với nhau. Hiện tượng khóa pha tiếp tục với các mode kề với các mode có tần số ν-2f and ν+2f, và cứ tiếp tục cho đến khi tồn bộ dải tần khuếch đại bị khóa.
Ta có thể hiểu hiện tượng này theo một cách khác. Bộ biến điệu biên độ hoạt động như một cửa sập kép đặt giữa các gương của hốc cộng hưởng, làm yếu ánh sáng khi nó "đóng", và cho ánh sáng qua khi nó "mở". Nếu tần số biến điệu f được đồng bộ với chu kì hốc cộng hưởng τ, một xung sáng sẽ hình thành trong hốc cộng hưởng. Độ sâu biến điệu không lớn, chỉ cõ 1%.
Một kỹ thuật khóa mode chủ động khác là biến điệu tần số sử dụng hiệu ứng quang- điện. Bộ biến điệu này được đặt trong hốc cộng hưởng và hoạt động theo tin hiệu bên ngồi. Nó tạo ra sự dịch tần số nhỏ, thay đổi theo hàm sin khi ánh sáng truyền qua. Nếu tần số biến điệu phù hợp với chu kì hốc cộng hưởng, một phần ánh sáng bị dịch xuống (down-shift) một phần bị dịch lên (up-shift) về mặt tần số. Sau nhiều lần lặp lại, ánh sáng bị dịch tần số sẽ khơng cịn trong dải tần khuếch đại của laser. Chỉ ánh sáng khơng bị dịch tần số cịn lại trong hốc cộng hưởng và tạo thành xung sáng hẹp.
Kĩ thuật thứ ba là khóa mode đồng bộ hay bơm đồng bộ. Nguồn bơm sẽ tự biến điệu để tạo xung ngắn. Thông thường, các nguồn bơm này là một laser khóa mode. Kĩ thuật này địi hỏi tương hợp giữa chiều dài hốc cộng hưởng và biến điệu của nguồn bơm.
Khóa mode thụ động
Phương pháp khóa mode thụ động dùng ánh sáng trong hốc cộng hưởng để gây ra sự biến đổi của phần tử biến điệu, từ đó tác động trở lại chùm sáng. Có thể hiểu đây phương pháp tự biến điệu của ánh sáng trong hốc cộng hưởng. Phương pháp này thường sử dụng chất hấp thụ bão hòa.
Chất hấp thụ bão hịa có độ truyền qua phụ thuộc cường độ ánh sáng tới. Khi ánh sáng tới càng mạnh, độ truyền qua càng tăng. Chất hấp thụ bão hòa sử dụng