2.3.1. Phƣơng phỏp mode-lock chủ động
Với mode-lock chủ động người ta đặt một biến tử (modulator) trong buồng cộng hưởng, biến tử này nhờ sự điều khiển từ tớn hiệu súng radio của nguồn ngoài tạo ra sự biến đổi mất mỏt hoặc làm thay đổi độ dài của buồng cộng hưởng một cỏch tuần hoàn tương ứng với tần số lặp lại. Như vậy, xung ra là đồng pha với tớn hiệu điều khiển nhưng ta cần lưu ý rằng tần số điều khiển phải hết sức chớnh xỏc phự hợp với tần số khứ hồi của buồng laser [13].
Cú hai dạng mode-lock chủ động thường được sử dụng trong laser sợi đú là: Mode-lock bằng biến điệu theo biờn độ (AM)
Mode-lock bằng biến điệu theo pha hay tần số (FM)
Mode-lock bằng biến điệu theo biờn độ
Với trường hợp AM, tớn hiệu đưa vào cú dạng hỡnh sin và tạo ra sự mất mỏt tuần hoàn với tần số gúc Ù. Nếu Ù/2ð khỏc khoảng tần số giữa hai mode liờn tiếp Äớ, cỏc mất mỏt này sẽ đơn giản chỉ dẫn đến sự biến điệu trường của mỗi mode. Nhưng nếu Ù/2ð bằng Äự (hoặc một số nguyờn lần) thỡ mỗi mode được biến điệu
theo biờn độ sẽ cú cỏc dải nằm bờn vị trớ của cỏc mode lõn cận và kết quả là cú sự trao đổi năng lượng giữa cỏc mode. Sự tương tỏc giữa cỏc mode này sẽ dẫn đến sự đồng bộ pha.
Thực vậy, giả sử biến điệu cú dạng hỡnh sin với tần số gúc thỡ sự phụ thuộc vào thời gian của mode n với tần số n cú thể viết:
))] cos( 1 ( 1 )[ cos( ) (t E t t en n n n (2.17)
Trong đú là độ biến điệu. Biểu diễn này được viết lại như sau, trong đú với mỗi mode chỳng ta tỏch thành hai dải tần số:
] ) cos[( 2 ] ) cos[( 2 ) cos( ) 1 ( ) ( n n n n n n n n n n t E t E t E t e (2.18)
Nếu tần số biến điệu /2 rất gần với khoảng tần số Äớ = c/2L thỡ hai dải tần số này sẽ tiến sỏt cỏc mode bờn cạnh n + 1 và n - 1 (trờn hỡnh 2.5). Trong trường hợp tần số biến điệu vào cỡ mc/2L với m là số nguyờn thỡ mode thứ n sẽ tỏc động kết hợp lờn mode n + m và n - m. Do vậy tự bản thõn chớnh cỏc mode này và cỏc dải tần số tương ứng của chỳng sẽ lựa chọn ra khuếch đại cực đại. Chỳng đúng vai trũ như những lực điều khiển tạo nờn sự đồng pha trong toàn bộ dải phổ [10].
Hỡnh 2.5. Quỏ trỡnh mode-lock chủ động trong laser sợi
Thiết bị biến điệu ngoài 2L ựn- Ù ựn + Ù ựn - Ù ựn + Ù Ù/2ð ≈ Äớ với Äớ = c/2L
Hỡnh 2.6. Mode-lock bằng biến điệu theo biờn độ (AM)
Xung laser thu được sẽ là cỏc xung ngắn và cú đỉnh đi qua điểm cực đại của biờn độ tớn hiệu ngoài (hỡnh 2.6). Như vậy, trong phạm vi tần số này sẽ khoỏ được một lượng lớn cỏc mode khụng thớch hợp và thu được cỏc xung ngắn cú mối quan hệ tuyến tớnh về pha. Vỡ thế, laser ra sẽ gồm một loạt cỏc xung ngắn giống hệt nhau.
Mode-lock bằng biến điệu theo tần số
Trong trường hợp FM thỡ độ dài quang của biến tử được biến điệu trờn tần số của tớn hiệu đưa vào. Sự thay đổi độ dài quang của biến tử đặt trong buồng cộng hưởng dẫn đến sự thay đổi độ dài của buồng và do đú dẫn đến sự thay đổi tần số cộng hưởng nờn phương phỏp này gọi là phương phỏp biến điệu tần là vỡ vậy. Tớn hiệu đưa vào sẽ cú sự dịch chuyển về pha một cỏch tuần hoàn và tần số dịch chuyển chớnh bằng vi phõn của pha theo thời gian. Do chỉ những ỏnh sỏng đi qua cỏc điểm cực trị của pha (hoặc tại tần số dịch chuyển bằng 0) của tớn hiệu là khụng chịu sự dịch chuyển Doppler nờn chỳng sẽ được khuếch đại mạnh nhất trong mụi trường cộng hưởng. Như thế, xung laser ra cũng sẽ là cỏc xung ngắn và cú đỉnh đi qua cỏc điểm cực trị pha (hỡnh 2.7)
Trỏi ngược với AM, FM sử dụng xung đổi tần cú tần số tăng tại cực trị pha tại điểm này và giảm tại cực trị pha ở điểm kia. Ngoài ra cũng cũn phương phỏp mode-lock chủ động khỏc đú là phương phỏp bơm đồng bộ.
Tmax 2ọA Tm tm Thời gian t Biến điệu đưa vào T(t) Xung laser ra
Hỡnh 2.7. Mode-lock bằng biến điệu theo pha hay tần số (FM)
Phương phỏp bơm đồng bộ
Đồng bộ mode cú thể được thực hiện nhờ phương phỏp biến điệu cỏc thụng số của laser như biến điệu sự mất mỏt bờn trong hay độ dài quóng đường quang học trong buồng cộng hưởng.
Ngoài ra cũng cú thể thực hiện sự đồng bộ mode nhờ sự biến điệu sự khuếch đại của nú. Điều này thực hiện bằng cỏch bơm một laser qua một đoàn xung liờn tục của một laser khỏc đó được đồng bộ mode. Đú chớnh là sự đồng bộ mode bằng phương phỏp bơm đồng bộ. Điều quan trọng là độ dài buồng cộng hưởng của laser cần đồng bộ mode phải xấp xỉ hoặc bằng độ dài buồng cộng hưởng của laser bơm (hoặc bằng một số nguyờn lần). Như vậy thỡ dưới những điều kiện xỏc định, sự khuếch đại sẽ biến điệu theo thời gian với một chu kỳ biến điệu bằng chu kỳ buồng cộng hưởng.
Tương tự như trong sự biến điệu mất mỏt bờn trong buồng cộng hưởng người ta sẽ tạo được trong trường hợp trường hợp đồng bộ mode bằng bơm đồng bộ ở trong khoảng thời gian của sự khuếch đại cực đại một xung mà độ dài xung của nú ngắn hơn độ dài của xung bơm từ hai đến ba bậc dưới những điều kiện tối ưu.
Phương phỏp bơm đồng bộ thực tế được quan tõm đặc biệt với laser màu vỡ laser này được kớch thớch quang học một cỏch thuận lợi hơn và nú cú một cụng tua khuếch đại rất rộng. ọF Tm Pha ệ(t) Độ dich pha -dệ/dt t1 t2 Xung laser ra
2.3.2. Phƣơng phỏp mode-lock bị động
Phương phỏp này cho xung cỡ picụ giõy và ỏp dụng với một số laser như, laser sợi thuỷ tinh pha tạp, laser tõm màu...
Sự biến điệu tuần hoàn cỏc thụng số laser cú thể thực hiện bằng cơ chế ngay chớnh từ bờn trong buồng cộng hưởng. Để đạt được mục đớch này cần phải cú một phần tử phi tuyến đặt trong buồng cộng hưởng, chẳng hạn một yếu tố hấp thụ bóo hoà trong buồng laser. Khả năng hấp thụ của yếu tố bóo hoà phụ thuộc vào cường độ của xung laser. Khi tăng cường độ thỡ hệ số hấp thụ giảm và đến một mức nào đú thỡ hấp thụ đạt bóo hoà và hệ số hấp thụ bằng khụng, laser sẽ phỏt với mất mỏt thấp nhất và cú thể lựa chọn khoỏ mode theo mối quan hệ về pha thớch hợp. Do sự hấp thụ được tự điều chỉnh bằng chớnh xung quang khụng cần tớn hiệu từ bờn ngoài nờn phương phỏp này được gọi là phương phỏp mode-lock bị động [8].
Ta hóy xột một yếu tố hấp thụ bóo hoà cú hai mức mà tần số dịch chuyển giữa chỳng trựng đỳng tần số phỏt laser. Nếu hai mode được phỏt thỡ trường của chỳng sẽ tương tỏc với yếu tố hấp thụ thụ bóo hoà và làm cho hiệu độ tớch luỹ phụ thuộc vào tần số hiệu của hai mode này. Số hạng này mụ tả sự biến đổi mất mỏt trong buồng cộng hưởng theo thời gian tạo nờn mối liờn kết giữa một mode này với hai mode cạnh nú, kết quả là cựng dẫn đến sự đồng bộ mode. Cũng cần chỳ ý rằng hiện tượng yếu tố hấp thụ làm thay đổi năng lượng theo thời gian chỉ trong điều kiện khi thời gian tớch thoỏt của mức trờn ụ trong vật liệu hấp thụ bóo hoà nhỏ hơn nghịch đảo khoảng cỏch giữa hai mode liờn tiếp
c L
2 1
.
Từ phương trỡnh cõn bằng và ở điều kiện dừng (ụP >> T21) ta tớnh được hiệu độ tớch luỹ của hai mức theo biểu thức sau: ÄN = N1 – N2 và:
s I I N N / 1 (2.19) ở đõy 21 21 1 T
Is là cường độ bóo hoà của cỏc hấp thụ.
ụP là thời gian xung
T21 là thời gian tớch thoỏt năng lượng
ỳ21 là tiết diện hiệu dụng
Theo biểu thức trờn, hiệu độ tớch luỹ ÄN sẽ giảm với sự tăng lờn của cường độ. Nếu cường độ là lớn hơn so với cường bóo hoà của yếu tố hấp thụ Is thỡ sẽ khụng thể cú hấp thụ nữa, nú đó bị bóo hoà.
Nếu xột trường hợp khụng dừng thỡ hiệu độ tớch luỹ cú biểu thức sau:
t L t dt I N t N( ) exp 2 ( ') ' (2.20) Trong đú IL là mật độ dũng photon.
Trong trường hợp này sự hấp thụ sẽ giảm khi năng lượng của xung tăng lờn. Trong khi mặt trước của xung giảm mạnh vỡ ở thời gian đú thỡ năng lượng xung cũn nhỏ và sự hấp thụ cũn chưa đạt bóo hoà thỡ cú thể do sau một gian lớn và sự bóo hoà hấp thụ được xỏc lập nờn mặt sau của xung gần như khụng bị yếu đi khi đi qua yếu tố hấp thụ.
Mode-lock bị động sử dụng chất hấp thụ bóo hoà trong cỏc hệ cú thời gian sống ở trạng thỏi cao hơn khỏc nhau là rất khỏc nhau. Chẳng hạn với laser sợi Silic pha tạp thời gian này cỡ vài trăm ns tới vài ms và khỏ dài so với thời gian lặp lại của buồng laser (cỡ 10-20 ns). Như thế, sự hấp thụ ứng với cỏc xung riờng biệt sẽ làm ảnh hưởng tới dạng xung (cả phần giới hạn phớa đầu và đuụi của xung). Hơn nữa, laser cũn dễ bị ảnh hưởng do sự tự Q-switching và những điều đú phần nào hạn chế việc sử dụng phương phỏp này.
2.4. Cỏc yếu tố ảnh hƣởng tới quỏ trỡnh mode-lock trong laser sợi
Độ ổn định của buồng cộng hưởng
Việc độ dài buồng cộng hưởng thớch hợp với tần số lặp lại là rất quan trọng. Thực tế chẳng hạn với tần số trung tõm cỡ vài MHz và phải cần cú trạng thỏi ổn định cỡ một phần nghỡn thỡ tương đương với việc thay đổi chiều dài buồng đi vài Micromet. Trong trường hợp laser sợi và nhất là khi sợi dài, độ dài buồng cộng
hưởng rất dễ bị ảnh hưởng do nhiệt hoặc mụi trường. Chỉ cần một thay đổi nhỏ về nhiệt độ hoặc mụi trường xung quanh cú thế dẫn tới phỏ vỡ trạng thỏi ổn định của laser. Đõy cũng là sự giới hạn chung của laser xung cực ngắn.
Sự phản xạ
Đú là sự xuất hiện khụng mong muốn do sự phản xạ trở lại của cỏc bề mặt. Điều này làm giảm độ rộng dải khuếch đại của laser đi khỏ nhiều và đụi lỳc cú thể cho phộp ra khỏ nhiều mode dẫn tới xung ra dài. Để triệt tiờu thỡ ta cần phải phủ cỏc lớp khử phản xạ (thường là chất điện mụi).
Trong laser sợi, sự phản xạ Fresnel tại cỏc bề mặt, cỏc đầu connector làm xuất hiện sự phản xạ trở lại. Để khử chỳng người ta thường dựng isolator hoặc đưa một đầu sợi nhỳng vào một chất lỏng thớch hợp, cú chiết suất tương ứng với cửa sổ khử phản xạ hoặc là đỏnh búng một đầu tới gúc sao cho ỏnh sỏng bị phản xạ ra ngoài dưới gúc chấp nhận được.
Dải tần số khuếch đại
Trong trường hợp nhất định cần phải giới hạn độ rộng dải khuếch đại của laser tại một vài giỏ trị xỏc định. Vớ dụ với laser sợi pha tạp Nd3+
sự mở rộng khụng đồng nhất là chiếm ưu thế dẫn tới sự mở rộng của dải tần số laser so với dải tần số mà chỳng ta cú thể biến điệu. Điều này làm xuất hiện thành phần nhiễu do dao động của cỏc mode chưa được mode-lock. Sự hạn chế về dải tần số khuếch đại cú thể thực hiện được trong laser sợi với việc thay đổi một số thụng số trong buồng cộng hưởng của laser.
Sự phõn cực
Hầu hết cỏc bộ biến điệu hoạt động đều cho thấy sự ảnh hưởng của trạng thỏi phõn cực. Thụng thường, hệ số điều biến đạt cực đại với sự phõn cực tuyến tớnh. Trong laser sợi, mụi trường khuếch đại thường cú tớnh lưỡng chiết yếu và sự thay đổi trang thỏi phõn cực trong buồng là rất nhỏ nhưng với lượng xỏc định trờn nhiều bước liờn tiếp. Hơn nữa, trạng thỏi phõn cực dễ bị ảnh hưởng do mụi trường bờn ngoài.
Ta cú thể điều khiển phõn cực bằng một số cỏch. Chẳng hạn sử dụng sợị duy trỡ phõn cực hoặc đưa vào buồng laser một bản làm trễ để bự lại sự lưỡng chiết của sợi quang. Tớnh lưỡng triết của sợi cũng cú thể bự lại bằng cỏch sử dụng bộ điều khiển phõn cực sợi vũng (FPC)
Nồng độ chất pha tạp
Phương phỏp mode-lock cho xung cực ngắn thường hoạt động tại tốc độ xung cao. Như đó biết, tốc độ xung này phải thớch hợp với tần số lặp lại của buồng cộng hưởng. Điều này dẫn tới độ dài buồng cộng hưởng phải khỏ ngắn. Nhưng nếu buồng cộng hưởng quỏ ngắn sẽ làm giới hạn số mode nằm dưới cụng tua khuếch đại và do đú cú thể làm giảm hiệu suất quỏ trỡnh mode-lock. Để buồng cộng hưởng cú độ dài tiờu chuẩn mà vẫn cú hiệu suất cao thỡ ta cần tăng nồng độ chất pha tạp.
Sự tỏn sắc và tớnh phi tuyến
Cả 2 điều này đều tăng lờn khi chiều dài của sợi tăng. Cú thể sử dụng sợi dịch chuyển tỏn sắc và lựa chọn độ dài thớch hợp cú thể biến đổi 2 thụng số này một cỏch tối ưu.
Chương 3
KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
Nội dung của chương này trỡnh bày cỏch xõy dựmg hệ thống, cỏc vấn đề vật lý và kỹ thuật liờn quan trực tiếp trong quỏ trỡnh thớ nghiệm để tiến hành mode-lock cho laser sợi với buồng cộng hưởng vũng. Một số vật liệu quang tử cú cấu trỳc nanụ như sợi quang pha tạp Er nồng độ cao, khuếch đại quang bỏn dẫn SOA trờn cơ sở chip laser bỏn dẫn cấu trỳc giếng lượng tử được phủ màng chống phản xạ,... và một số thiết bị khỏc cũng được đề cập trong chương này.
3.1. Xõy dựng hệ thớ nghiệm
Chỳng tụi xõy dựng cấu hỡnh buồng cộng hưởng vũng cho laser sợi bố trớ theo sơ đồ 3.1.
Hỡnh 3.1. Sơ đồ thớ nghiệm laser sợi pha tạp Erbium cộng hưởng vũng
Coupler Isolator Laser ra WDM 2L Sợi pha tạp Er Laser bơm 980nm
Để tiến hành mode-lock cho laser sợi này chỳng tụi đưa thờm bộ khuếch đại quang bỏn dẫn (SOA) vào buồng cộng hưởng (hỡ nh 3.2). Dũng nuụi bộ SOA cú thể thay đổi được thụng qua một mỏy phỏt xung dạng hỡnh sin. Do sự biến điệu của dũng nuụi 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 cú một giỏ trị thớch hợp sẽ ộp cỏc mode laser dao động cựng pha và laser sợi sẽ bị mode-lock. Dạng mode- lock trong thớ nghiệm này sử dụng phương phỏp mode-lock chủ động, biến điệu theo biờn độ AM (phương phỏp này đó tỡm hiểu chi tiết tại chương 2).
Hỡnh 3.2. Sơ đồ thớ nghiệm tiến hành mode-lock laser sợi
Phổ laser ra trong quỏ trỡnh thớ nghiệm được đo bằng mỏy quang phổ HP70295B Optical Spectrum Analyzer của hóng Hewlett Packard (Mỹ), dải rộng từ 600 – 1700nm, lối tớn hiệu quang vào chuẩn 9/125ỡm. Cỏc tần số dao động của laser trong buồng cộng hưởng được đo qua mỏy đo phổ tần HP70902A của cựng hóng Hawlett Packard, độ rộng dải tần số 100Hz – 2.9GHz cho tớn hiệu RF cú kốm bộ chuyển đổi tớn hiệu quang trong vựng 1200 – 1600nm. Cả hai mỏy đo trờn đều được kết nối với mỏy tớnh thụng qua card chuẩn GPIB. Chỳng tụi đó phỏt triển một chương trỡnh để nhận và phõn tớch số liệu đo đạc bằng ngụn ngữ lập trỡnh đồ hoạ
Coupler Isolator Laser ra WDM Sợi pha tạp Er SOA Mỏy phỏt xung Laser bơm 980nm
trờn mụi trường LabView 6.0. Mụi trường này cho phộp xõy dựng những phần mềm điều khiển thiết bị với giao diện đồ hoạ rất tiện lợi. Chương trỡnh của chỳng tụi cú nhiệm vụ nhận số liệu đo và hiển thị kết quả đo lờn màn hỡnh và thụng qua đú cú thể xử lý dễ dàng số liệu đo được. Màn hỡnh giao diện chớnh của chương trỡnh này được