trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 2A-2008ảnh hưởng của điều biến các đặc trưng của xung tín hiệu RZ trong hoạt động của laser DFB hai ngăn Nguyễn Văn Phú a, Đinh Vă
Trang 1trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 2A-2008
ảnh hưởng của điều biến các đặc trưng của xung
tín hiệu RZ trong hoạt động của laser DFB hai ngăn
Nguyễn Văn Phú (a), Đinh Văn Hoàng (b)
Tóm tắt Trong bài báo này chúng tôi trình bày ảnh hưởng của điều biến các đặc trưng xung tín hiệu RZ (Return to Zero) lên các xung phát của một laser bán dẫn DFB hai ngăn Dưới ảnh hưởng này, các đặc trưng của xung laser phát như cường độ, tần số lặp, độ mở rộng vạch phổ, đã bị thay đổi
I Mở đầu
Các mạng thông tin quang hiện đại cần các nguồn laser với khả năng phát các xung ngắn, dễ điều biến, tần số lặp lại cao và đơn sắc Các laser phản hồi phân
bố (Distributed FeedBack - DFB laser), sử dụng các vật liệu khác nhau làm môi trường hoạt có thể đáp ứng được những yêu cầu đó và đã thu hút được nhiều nhà khoa học trên thế giới cả về mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm [1-10]
Với một mẫu laser bán dẫn DFB được đưa ra như trên hình 1, trong hoạt
động không dừng [7, 10], chúng tôi đã thu được các xung laser phát ổn định, tần số lặp cao, có khả năng điều biến và dòng ngưỡng thấp Trong [10] chúng tôi cũng đã
đưa ra các kết quả bước đầu trong việc khảo sát ảnh hưởng của điều biến biên độ xung tín hiệu RZ lên đặc trưng của xung laser phát Với các mức bơm khác nhau, cường độ và độ mở rộng xung thời gian của xung laser phát đã thay đổi Khi mức bơm tăng lên, cường độ sóng mang đã được khuếch đại có khả năng đủ để phục hồi
và mang tín hiệu lan truyền trong một khoảng cách đủ lớn
Hình 1 Mô hình của một laser bán dẫn DFB hai ngăn và dạng hình học của xung RZ Trong bài báo này, chúng tôi trình bày ảnh hưởng của việc điều biến các đặc trưng của xung tín hiệu RZ như chu kỳ, độ rộng của xung lên xung phát của một laser bán dẫn DFB hai ngăn
II Hệ phương trình tốc độ
Mô hình lý thuyết được khảo sát trong bài báo này là một diode laser hai
Nhận bài ngày 29/2/2008 Sửa chữa xong 01/4/2008.
I1 I2
Trang 2N V Phú, Đ V Hoàng ảnh hưởng của laser DFB hai ngăn, Tr 51-57
ngăn sử dụng chất bán dẫn InGaAsP như được mô tả trên hình 1 Các dòng điện bơm I1, I2 qua các điện cực sẽ được phun vào các ngăn tương ứng, thông thường dòng
I1 được bơm ở trên ngưỡng và dòng I2 được bơm dưới ngưỡng Do ngăn thứ nhất (ngăn A) được bơm trên ngưỡng nên sẽ đóng vai trò là ngăn phát xạ photon và hoạt
động như là một ngăn khuếch đại Dòng điện bơm vào ngăn thứ hai (ngăn B) I2 có thể điều khiển được sự thay đổi chiết suất hiệu dụng trong ngăn này dẫn tới việc có thể tạo ra hiệu ứng chuyển đổi bước sóng Như vậy ngăn thứ hai sẽ đóng vai trò như một ngăn hấp thụ
Hệ phương trình động học mô tả hoạt động không dừng và phát xung của mẫu laser này được viết dạng [2, 4]:
, )
0 1 1
1 1
N n
g n
c eV
I dt
dN
j j eff
γ ω
ω
ư
, )
0 2 2
2 2
N n
g n
c eV
I dt
dN
j j eff
γ ω
ω
ư
, )
1 ( (
)
2 2 1
eff
j
n P n
n g
n
c dt
dn
ω
β γ
ω ω η
Γ
ở đây
dt
,
dt
và
dt
biểu diễn sự biến thiên mật độ các phần tử tải trong các ngăn A, B và mật độ photon phát theo thời gian; V1, V2, N1, N2 là thể tích và mật độ các phần tử tải trong các ngăn A, B tương ứng; nj là mật độ photon phát; e là điện tích electron; c0 - vận tốc của ánh sáng trong chân không; neff – chiết suất của vật liệu
có cùng giá trị trong cả hai ngăn; ηj- hệ số khuếch đại trong các ngăn, phụ thuộc vào mật độ các phần tử tải theo công thức ηi = αiNi + bi (i =1, 2), với αi là hệ số khuếch đại riêng, bi là hằng số thường được chọn bằng 0 với các laser bán dẫn (chẳng hạn laser
sử dụng vật liệu InGaAsP [5, 6]); γ1, γ2 là các hệ số tích thoát các phần tử tải trong các ngăn A và B; Γ1, Γ2 gọi là các hệ số giam hay hệ số Peterman trong các ngăn A, B tương ứng; γ – hệ số mô tả sự mất mát photon trong các ngăn A, B và trên các mặt phản xạ; Hàm g(ω0-ωj) mô tả sự mở rộng vạch phổ được biểu diễn dưới dạng hàm Lorentzian
2 0
2 1
1
Γ
∆ +
=
ư
j j
g(ω ω )
với Γ là độ mở rộng vạch phổ; ∆j = (ω0-ωj) là độ lệch tần; ω0 , ωj là tần số trung tâm và tần số của mode thứ j Trong phương trình (3) thừa số (nj+ 1) biểu diễn sự phát xạ tự
Trang 3trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 2A-2008
phát trong hoạt động của laser, số hạng cuối
ω
β n j P mô tả sự tương tác giữa tín hiệu bơm với laser
Để tìm được đáp ứng thời gian của mẫu laser DFB hai ngăn nói trên, chúng tôi đã giải bằng số hệ phương trình động học (1), (2), (3) trong điều kiện cộng hưởng
g(ω0-ωj) =1 bằng phần mềm MATLAB Các giá trị số được lấy từ các kết quả thực nghiệm về laser bán dẫn sử dụng vật liệu InGaAsP của J Kinoshita [5] và Y Huang [6]: c0 = 3ì1010
cm.s-1, e = 1.6ì10-19
C, neff = 3.4, V1 = 84ì10-12
cm3
, V2 = 84ì10-12
cm3
,
α1=α2 = 4ì10-16
cm2, Γ1 = 0.5, Γ2 = 0.2, γ = 1.71ì1012
s -1, I1 = 15mA, I2 = 2ì10-5
A Các giá trị ban đầu của N1 và N2 tương ứng là N10= 2ì1018 cm-3, N20= 1018 cm-3
III ảnh hưởng của điều biến các đặc trưng xung tín hiệu RZ lên xung laser phát
3.1 ảnh hưởng của độ rộng xung RZ lên đặc trưng xung laser phát Trong kỹ thuật việc thay đổi độ rộng xung tín hiệu RZ tương ứng với việc kéo dài hay rút ngắn thời gian tác dụng của xung bơm Trong trường hợp này, thông tin
được mã hoá theo độ rộng xung còn chu kỳ và biên độ xung tín hiệu là không đổi
Để khảo sát mức bơm H xác định như trong [10] là H = 10-1, chu kỳ xung T=1ns và thay đổi độ rộng xung theo tỷ lệ 2 : 1, 1 : 1 và 1 : 2 Các tỷ lệ độ rộng được thiết lập dựa trên tỷ số giữa bờ trên của xung tín hiệu với bờ dưới của xung đó Chẳng hạn trong trường hợp tỷ lệ độ rộng là 2 : 1 độ rộng bờ trên của xung bằng 2 lần độ rộng bờ dưới Các trường hợp tỷ lệ khác được giải thích tương tự Như vậy sự thay đổi độ rộng xung tương ứng với việc kéo dài hay rút ngắn thời gian tương tác giữa photon xung tín hiệu RZ với các photon laser phát trong một chu kỳ Điều này dẫn tới sự thay đổi các đặc trưng của xung laser phát
Kết quả mô phỏng cho ta hình ảnh các xung laser phát như trên hình 3 ở các tỷ lệ độ rộng 2:1 và 1:1 (hình 3a, 3b), thời gian bơm kéo dài trong một chu kỳ đã làm xuất hiện các xung phụ, chính là các dao động phục hồi sau một chu kỳ bơm, xen giữa các xung chính (các xung laser phát có biên độ lớn nhất) Trong cả hai tỷ lệ này của độ rộng xung tín hiệu RZ, biên độ các xung chính là bằng nhau, nhưng trong trường hợp độ rộng W0 lớn hơn (tỷ lệ 2:1 so với 1:1), số lượng các xung phụ nhiều hơn ởtỷ lệ độ rộng 1:2 (hình 3c), độ rộng W0 giảm xuống, thời gian cung cấp năng lượng cho laser là ngắn hơn so với thời gian ngắt, năng lượng xung kích trong một chu kỳ chỉ đủ làm một xung laser phát ra Vì vậy trong dãy xung laser phát không xuất hiện các xung phụ kèm theo như trong các trường hợp kể trên Bên cạnh đó sự thay đổi độ rộng xung tín hiệu RZ được xem như các nhiễu đầu vào làm cho một vài xung laser phát ra ở giai đoạn đầu có biên độ không ổn định
Trang 4N V Phú, Đ V Hoàng ảnh hưởng của laser DFB hai ngăn, Tr 51-57
Hình 3 Dãy xung phát của laser DFB hai ngăn khi độ rộng xung RZ thay đổi Tỷ lệ
độ rộng 2:1 trong hình (3a); 1:1 trong hình (3b) và tỷ lệ 1:2 trong hình (3c)
(hình 3a) Thời gian phát (giây)
-3 )
-3 )
-3 )
Thời gian phát (giây)
(hình 3b)
(hình 3c) Thời gian phát (giây)
Trang 5trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 2A-2008
3.2 ảnh hưởng của chu kỳ xung tín hiệu RZ lên đặc trưng xung laser phát
Để khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi tần số xung tín hiệu RZ, chúng tôi chọn các thông số của xung tín hiệu RZ như sau: mức bơm H = 10-1 [10], tỷ lệ độ rộng xung RZ là 1:1 Chu kỳ T của xung RZ nhận các giá trị khác nhau T = 0,5ns (hình 4a), T = 1,5ns (hình 4b) và T = 2,5ns (hình 4c) tương ứng với các tần số bơm 2GHz, 0,67GHz và 0,4GHz
Kết quả mô phỏng quá trình phát xung laser trên các hình 4 cho thấy khi chu
kỳ T của xung RZ nhỏ (T = 0,5ns – hình 4a), laser phát các xung có biên độ không lớn và thay đổi hỗn loạn Các xung laser này đã được H Kawaguchi công bố trong công trình [2], xem như 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 RZ có tần số cao (tần số xung RZ là 2,5GHz)
Tăng chu kỳ của xung RZ lên các giá trị T = 1,5ns và T = 2,5ns (hình 4b, 4c) các dãy xung laser phát ra lại có các dạng tương tự như trong trường hợp laser được bơm ở các mức bơm cao Giữa các xung laser chính có biên độ lớn và có tần số lặp lại
đúng bằng tần số xung tín hiệu RZ, xuất hiện các xung phụ có biên độ thấp và giảm dần Như vậy việc kéo dài thời gian tương tác giữa photon xung tín hiệu với các bức xạ laser một mặt kích thích các quá trình tái hợp cưỡng bức dẫn tới quá trình bức xạ laser và làm thay đổi các đặc trưng xung laser phát như biên độ, tần số lặp, nhưng 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, dưới ảnh hưởng của sự thay đổi chu kỳ xung quang tín hiệu dạng hàm RZ, thời gian đáp ứng rất nhỏ, chu
kỳ lặp giữa các xung phát tăng lên nhanh Thời gian đáp ứng nhỏ cho thấy mẫu laser DFB hai ngăn của chúng tôi hoạt động với dòng ngưỡng rất bé Một số đặc trưng khác như độ rộng xung thời gian thay đổi không đáng kể
-3 )
Trang 6N V Phú, Đ V Hoàng ảnh hưởng của laser DFB hai ngăn, Tr 51-57
Hình 4 Dãy xung phát của laser DFB hai ngăn khi chu kỳ xung tín hiệu RZ thay
đổi
IV kết luận
Chúng tôi đã mô phỏng quá trình phát xung và ảnh hưởng của việc điều biến các đặc trưng xung tín hiệu RZ lên xung phát trong hoạt động không dừng của một laser DFB hai ngăn Các kết quả trình bày ở trên cho thấy khi xung bơm vào laser có dạng là hàm RZ, việc điều biến các đặc trưng của xung RZ như cường độ, độ rộng, chu kỳ xung cũng đã làm thay đổi một số đặc trưng của xung laser phát Điều này có nghĩa là có thể duy trì được các áp dụng điều khiển tải trong thông tin quang thông qua điều biến xung laser DFB bằng xung RZ và khả năng áp dụng một laser DFB hai ngăn như mô hình mà chúng tôi đưa ra ở trên làm nguồn phát sóng mang trong thông tin quang là có thể được
Thời gian phát (giây)
(hình 4b)
-3 )
-3 )
Trang 7trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 2A-2008
Tài liệu tham khảo
[1] M Ohstu, Frequency Control of Semiconductor Lasers, Wiley, NewYork, 1996 [2] H Kawaguchi et al., Electronics Letters, 131, 1995, 890
[3] G S He, S H Liu, Physics of nonlinear optics, World Scientific Publishing Co Pte Ltd, Singapore, 1999, Chapter 12
[4] Dinh Van Hoang et al., Modern problems in Optics and Spectroscopy, II, 2000,
406
[5] J Kinoshita, IEEE Journal of Quantum Electronics, 30, 1990, 928
[6] Yong-Zhen Huang, IEEE Photonics Technology Letters, 7, 1995, 977
[7] Nguyen Van Phu, Dinh Van Hoang, Communication in Physics, III, 2005, 171 [8] M Fischer et al., Spectrochimica Acta Part A, 60, 2004, 3240
[9] T Chang et al., Optics Communication, 148, 1998, 180
[10] Nguyen Van Phu, Dinh Van Hoang, ảnh hưởng của các tham số động học và
điều biến cường độ xung tín hiệu RZ lên xung phát của một laser DFB hai ngăn, Tạp chí khoa học, Trường ĐH Vinh, Tập XXXV, Số 2A, 2006
Summary THE INFLUENCE OF characteristics MODULATION OF RZ signal PULSE ON GENERATED PULSES OF A DFB LASER WITH TWO SECTIONS
In this paper we present the influence of characteristics modulation of RZ signal pulse on generated pulses of a DFB laser with two sections Under these influence some characteristics of laser pulses such as the starting time, frequency repetition rate, intensity of pulses are transformed
(a) Khoa Vật lý, Trường Đại học Vinh
(b) Đại học Quốc gia Hà Nội
