Xây dựng hệ thí nghiệm

Một phần của tài liệu (LUẬN VĂN THẠC SĨ) Nghiên cứu quá trình Mode Lock trong Laser sợi trên cơ sở vật liệu quang tử cấu trúc NaNô (Trang 45 - 56)

Chương 3: Kỹ thuật thực nghiệm

3.1. Xây dựng hệ thí nghiệm

Chúng tôi xây dựng cấu hình buồng cộng hưởng vòng cho laser sợi bố trí theo sơ đồ 3.1.

Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm laser sợi pha tạp Erbium cộng hưởng vòng Coupler

Isolator

Laser ra WDM

2L Sợi pha tạp Er Laser bơm

980nm

Để tiến hành mode-lock cho laser sợi này chúng tôi đưa thêm bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) vào buồng cộng hưởng (hì nh 3.2). Dòng nuôi bộ SOA có thể thay đổi được thông qua một máy phát xung dạng hình sin. Do sự biến điệu của dòng nuôi dẫn đến sự biến điệu của hệ số khuếch đại SOA cũng như hệ số khuếch đại trong toàn bộ buồng cộng hưởng. Khi tần số biến điệu có một giá trị thích hợp sẽ ép các mode laser dao động cùng pha và laser sợi sẽ bị mode-lock. Dạng mode- lock trong thí nghiệm này sử dụng phương pháp mode-lock chủ động, biến điệu theo biên độ AM (phương pháp này đã tìm hiểu chi tiết tại chương 2).

Hình 3.2. Sơ đồ thí nghiệm tiến hành mode-lock laser sợi

Phổ laser ra trong quá trình thí nghiệm được đo bằng máy quang phổ HP70295B Optical Spectrum Analyzer của hãng Hewlett Packard (Mỹ), dải rộng từ 600 – 1700nm, lối tín hiệu quang vào chuẩn 9/125ỡm. Các tần số dao động của laser trong buồng cộng hưởng được đo qua máy đo phổ tần HP70902A của cùng hãng Hawlett Packard, độ rộng dải tần số 100Hz – 2.9GHz cho tín hiệu RF có kèm bộ chuyển đổi tín hiệu quang trong vùng 1200 – 1600nm. Cả hai máy đo trên đều được kết nối với máy tính thông qua card chuẩn GPIB. Chúng tôi đã phát triển một chương trình để nhận và phân tích số liệu đo đạc bằng ngôn ngữ lập trình đồ hoạ

Coupler

Isolator

Laser ra WDM

Sợi pha tạp Er

SOA

Máy phát xung Laser bơm

980nm

trên môi trường LabView 6.0. Môi trường này cho phép xây dựng những phần mềm điều khiển thiết bị với giao diện đồ hoạ rất tiện lợi. Chương trình của chúng tôi có nhiệm vụ nhận số liệu đo và hiển thị kết quả đo lên màn hình và thông qua đó có thể xử lý dễ dàng số liệu đo được. Màn hình giao diện chính của chương trình này được trình bày trên hình 3.3. Ngoài ra chúng tôi cũng dùng Oscilloscope số hai kênh 300MHz model TDS3032B của hãng Teletronix – Mỹ để xác định tần số biến điệu vào từ máy phát xung và dạng xung ra của laser.

Trong việc xây dựng hệ đo cũng như tiến hành đo, chúng tôi cần phải đảm bảo các sợi quang luôn luôn được giữ cố định. Bất cứ một dao động nào của các sợi quang sẽ làm ảnh hưởng tới buồng cộng hưởng vòng trong laser sợi. Nhưng ảnh hưởng khác cần phải chú ý hơn là dao động này dẫn tới thay đổi sự phân cực của ánh sáng trong sợi. Do bộ SOA rất nhạy với phân cực nên laser ra sẽ không ổn định nếu như các sợi không được giữ cố định. Thông thường người ta hay dùng một bộ điều khiển phân cực (Polarization Controller) hoặc bộ tạo phân cực (Polarizer) để có thể kiểm soát cũng như tạo phân cực theo ý muốn.

Hình 3.3. Màn hình chính của phần mềm kết nối với máy đo thông qua card GPIB Tiếp theo chúng ta tìm hiểu một số các thiết bị, vật liệu quang tử cấu trúc nanô được sử dụng trong tiến trình thí nghiệm.

H ìn h 3 .4 . H t n gh i m t i ế n nh m od e -l oc k ch o la se r s i

3.2. Các vật liệu và thiết bị dùng trong thí nghiệ m 3.2.1. Sợi quang pha tạp Er nồng độ cao

Thí nghiệm được tiến hành trên sợi quang pha tạp Er nồng độ cao 2500ppm (ppm: một phần triệu) độ dài 2.5m. Sợi này là loại sợi có chiết suất nhảy bậc, pha tạp Er tại vùng lõi. Vùng lõi có đường kính 5ỡm và vỏ có đường kính 125ỡm hoàn toàn giống với sợi quang đơn mode. Như đã biết ở chương 1, do tăng nồng độ pha tạp làm xuất hiện các hiện tượng tụ đám kích thước nanô. Hiện tượng này bắt đầu xuất hiện khi nồng độ lớn hơn 1500ppm và gây ra hiệu ứng truyền năng lượng giữa các ion do các ion không còn được coi là độc lập với nhau nữa. Một trong những hệ quả là quá trình chuyển đổi ngược khi có mặt của ESA kèm theo sự phát ánh sáng xanh trong vùng khả kiến tại bước sóng 540nm.

Trong quá trình thí nghiệm chúng tôi đã quan sát thấy ánh sáng xanh phát khá mạnh khi sử dụng sợi quang trên trong laser sợi với buồng cộng hưởng vòng (hình 3.5). Phổ bức xạ của ánh sáng xanh cũng đã thu được khẳng định sự có mặt của hiệu ứng nồng độ cao (hình 3.6).

Hình 3.5. Hình ảnh sự bức xạ ánh sáng xanh từ sợi pha tạp Er nồng độ cao trong quá trình thí nghiệm

460 480 500 520 540 560 580 600 620 10000

15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000

C-ờng độ (a.u)

B-íc sãng (nm)

Hình 3.6. Phổ bức xạ trong vùng bước sóng 540nm của sợi pha tạp Er nồng độ cao

3.2.2. Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA)

Bộ SOA do Viện Khoa học vật liệu chế tạo dựa trên cơ sở chip laser bán dẫn có phủ lớp chống phản xạ ở hai mặt để ánh sáng chỉ đi qua một lần. Đây là loại chip laser có cấu trúc đa giếng lượng tử (MQW). Cấu tạo của nó bao gồm rất nhiều các lớp InGaAsP/InP được sắp đặt cùng nhau [13]. Các giếng với độ dày cỡ 6A0 được nối với nhau thông qua lớp rào ngăn có độ dày 100-200Ao (hình 3.7).

Hình 3.7. Cấu trúc đa giếng lượng tử Hàng rào AlGaAs

Các giếng GaAs

Ưu điểm của cấu trúc đa giếng lượng tử là có dòng ngưỡng thấp và ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ. Hầu hết các laser MQW trên cơ sở GaAs có nhiệt độ chuẩn T0 = 500K, giá trị này lớn hơn nhiều so với giá trị nhiệt độ chuẩn của laser thông thường (100 - 200K). Điều này làm giảm độ nhạy nhiệt độ của laser MQW một cách đáng kể. Tiếp theo chúng ta hãy tìm hiểu về công nghệ phủ màng chống phản xạ cho SOA.

Xét một SOA sóng chạy lý tưởng. Tín hiệu quang vào có cường độ Io, sau khi đi qua khuếch đại có cường độ I được tính:

I = Io exp (gnetL) (3.1) với gnet = g – là hệ số khuếch đại toàn phần; , g và lần lượt là các hệ số giam giữ quang học, hệ số khuếch đại vật liệu và mất mát quang học.

Như vậy độ khuếch đại khi tín hiệu đi qua SOA một lần là:

Gs = exp ( gnetL ) (3.2) Chất lượng của SOA đặc biệt là các SOA sóng chạy phụ thuộc rất nhiều vào hệ số phản xạ ở hai mặt. Các SOA chất lượng tốt thường đòi hỏi sự phản xạ ở hai mặt rất thấp (R< 10-4). Với các chíp bán dẫn thông thường hệ số phản xạ cố hữu ở các bề mặt khá lớn (R ~ 32%). Chính vì vậy để có thể chế tạo các SOA ta phải tiến hành chống phản xạ cho các bề mặt này. Kỹ thuật chống phản xạ thường được dùng hiện nay là kỹ thuật phủ màng nhiều lớp với các chiết suất khác nhau [2].

Hình 3.8. Cấu trúc phủ nhiều lớp lên một chất bán dẫn chiết suất nsc , chiều dày d

Giả sử có một chất bán dẫn có chiết suất nsc và chiều dày d được phủ nhiều lớp như trên hình 3.8. Lớp thứ r có chiết suất nr và độ dày dr. ánh sáng bước sóng 0 đi tới bề mặt với góc tới . Khi đó miền phủ đa lớp này được đặc trưng bởi phương trình ma trận:

SC n

r r r r

r r r

i

i C

B 1

cos sin

/ ) sin ( cos

1

(3.3)

Với 2 r r cos( )

r

d là độ dày pha, đặt cos( )

ô o

TE n , và

) cos(

/

ô o

TM n . Với

B

Y C ta thu được hệ số phản xạ:

)2

( Y

R Y

air

air (3.4) Độ dầy của từng lớp được tính là :

r o

r n

d 4 .

Ví dụ đối với kỹ thuật phủ màng đơn lớp, phương trình ma trận trên được tính rất dễ dàng. Với mỗi chất bán dẫn (ví dụ như GaAs có nsc=3.4) thì chiết suất chất phủ được tính n1 nscnair = 1,84 và dễ thấy d1 = 178 nm đối với bước sóng o

= 1310 nm. Tuy nhiên với kỹ thuật phủ màng đơn lớp này thì hệ số phản xạ chỉ bằng 0 với bước sóng = 0 và góc tới = 0.

Với kỹ thuật phủ màng sử dụng các lớp phủ chống phản xạ TiO2/SiO2 thì giá trị của R có thể đạt được 10-5. Nếu sử dụng kỹ thuật phủ màng này kết hợp với chế tạo các mặt nghiêng Brewster (7o) thì có thể giảm sự phản xạ các mặt xuống gần như bằng 0. Viện Khoa học vật liệu đã tiến hành phủ màng chống phản xạ cấu trúc 2 lớp TiO2/SiO2 sử dụng kỹ thuật bốc hơi bằng chùm điện tử trong chân không với độ dầy tương ứng 0,695./4 và 0,725./4 tại bước sóng = 1550 nm theo công thức dr nêu trên. Kết quả thu được đã giảm hệ số phản xạ trên vật liệu InP-InGaAsP xuống còn 5.10-3. Tuy nhiên chất lượng màng chống phản xạ chế tạo trong nước chưa đáp ứng được yêu cầu của bộ khuếch đại SOA chất lượng cao.

(13)

Bộ SOA mẫu đã được chế tạo với các thông số cơ bản sau:

 Bước sóng khuếch đại đỉnh 1530 nm

 Hệ số khuếch đại từ sợi đến sợi G ≈ 20 dB

 Công suất tín hiệu bão hoà Psat-input = -13 -15 dBm

 Công suất ra bão hoà Psat-output = 5 dBm

 Băng tần phổ khuếch đại = 42 - 44 nm

 Dòng nuôi SOA I = 200-400 mA

 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR = 22 dB

 Chỉ số tạp âm NF = 12 dB.

1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 -45

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5

Công suất (dBm)

B-íc sãng (nm)

Hình 3.9. Phổ khuếch đại của bộ SOA với dòng nuôi là 325mA

Hình 3.10. Hình ảnh bên trong của bộ SOA hoàn thiện

3.2.3. Các thiết bị khác

Bộ WDM (Wavelength Division Multiplexing): Bộ này có tác dụng ghép bước sóng bơm và bước sóng laser vào cùng một sợi quang. Độ suy hao của bộ WDM tại vùng bước sóng 980/1550nm là 0.26/0.3dB tương ứng.

Coupler: Bộ coupler chia ánh sáng đi qua nó làm hai phần, 90% ánh sáng sẽ quay trở lại buồng cộng hưởng vòng và qua WDM như cấu hình ta đã thấy ở trên.

10% ánh sáng còn lại sẽ là ánh sáng laser ra.

Isolator: Chỉ cho ánh sáng đi theo một chiều, có tác dụng chố ng sự phản hồi trở lại do phản xạ tại các đầu connector.

Máy phát xung: Tạo ra xung dạng hình sin có tần số thay đổi được từ 0 - 300MHz và độ chính xác tới 0.1MHz.

Bộ biến đổi quang điện: Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện trước khi đưa vào Oscilloscope số.

Một phần của tài liệu (LUẬN VĂN THẠC SĨ) Nghiên cứu quá trình Mode Lock trong Laser sợi trên cơ sở vật liệu quang tử cấu trúc NaNô (Trang 45 - 56)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(73 trang)