Một số tìm hiểu về khóa quang tử và máy tính quang tử

Trong máy tính quang tử, dùng cáp quang để chuyển tín hiệu quang, do các loại linh kiện quang học và các linh kiện logic điều khiển bằng tín hiệu quang hợp thành các loại mạch quang học,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

Tác giả xin chân thành cảm ơn quý Thầy - Cô đã dìu dắt, truyền đạt những kiến thức quý báu trong thời gian học vừa qua tại trường đại học Vinh liên kết với đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long An

Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Chu Văn Lanh, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học đã giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu liên quan đến nội dung luận văn

Cảm ơn Ban lãnh đạo phòng đào tạo sau đại học – Trường Đại học Vinh, cùng với đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long An đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành chương trình Cao học

Xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã động viên và chia sẽ những khó khăn trong thời gian qua

Xin chân thành cảm ơn

Tác giả

MỤC LỤC

Trang

Mở đầu 1

Chương 1 LINH KIỆN QUANG TỬ 3

1.1 Linh kiện quang điện 3

1.1.1 Biến điệu quang điện 3

1.1.2 Linh kiện quét tia laser 5

1.1.3 Bộ liên kết định hướng 6

1.2 Linh kiện quang phi tuyến 8

1.2.1 Máy phát hòa âm bậc hai 8

1.2.2 Các bộ trộn ba sóng 10

1.2.3 Gương liên hợp pha 11

1.2.4 Laser soliton 14

1.3 Linh kiện quang âm 16

1.3.1 Cách tử Bragg 16

1.3.2 Linh kiện biến điệu quang âm 17

1.3.3 Linh kiện quét tia quang âm 19

1.3.4 Linh kiện chuyển tiếp quang tử 20

1.4 Kết luận chương 1 22

Chương 2 KHÓA QUANG TỬ VÀ MÁY TÍNH QUANG TỬ 23

2.1 Khóa quang tử 23

2.1.1 Khóa 23

2.1.2 Khóa quang – cơ, quang – điện, quang – âm và quang – từ 24

2.2 Khóa toàn quang 28

2.3 Linh kiện lưỡng ổn định quang học 31

2.3.1 Hệ lưỡng ổn định 31

2.3.2 Nguyên lý lưỡng ổn định quang học 33

2.3.3 Linh kiện lưỡng ổn định quang học 35

2.3.4 Linh kiện lưỡng ổn định lai giữa điện tử và quang học 38

2.4 Máy tính quang tử 39

2.4.1 Mô hình máy tính quang tử 39

2.4.2 Xử lý tương tự quang 41

2.5 Kết luận chương 2 46

KẾT LUẬN CHUNG 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển của xã hội, con người có những yêu cầu cao hơn trong công việc và đời sống Do đó, họ bắt đầu chế tạo ra những máy móc thông minh để đáp ứng nhu cầu của mình, một trong số đó là máy vi tính

Từ khi chiếc máy tính điện tử kĩ thuật số đầu tiên trên thế giới ra đời đến nay, kỹ thuật máy tính đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hoạt động của loài người, và đã phát triển mạnh với tốc độ rất nhanh Các linh kiện điện tử của máy tính không ngừng đổi mới, và phát triển theo hướng cực tiểu hóa, khiến chức năng của nó không ngừng mở rộng và hoàn thiện Do sử dụng mạch tổ hợp quy mô lớn và quy mô siêu lớn, khiến tốc độ tính của máy tính tăng lên rất lớn, ngược lại công suất tiêu hao rất nhiều

Ngày nay kỹ thuật máy tính lại đứng trước một cuộc cách mạng mới Các nhà khoa học gửi gắm vào kỹ thuật quang học hiện đại để phát triển máy tính thế hệ mới, tức là máy tính quang tử

Như chúng ta biết, tốc độ của ánh sáng là nhanh hơn so với tốc độ của dòng điện nhiều lần Điều này ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ truyền dữ liệu trên một khoảng cách dài Đây là yếu tố chính dẫn đến sự phát triển của công nghệ này Trong máy tính quang tử, dùng cáp quang để chuyển tín hiệu quang, do các loại linh kiện quang học và các linh kiện logic điều khiển bằng tín hiệu quang hợp thành các loại mạch quang học, dùng tín hiệu quang để thực hiện lưu trữ tính toán và suy luận logic các tín hiệu quang khác nhau được truyền đi theo kênh của mình hoặc các kênh song hành, không nhiễu lẫn nhau

Nhà điện tử học nổi tiếng nước Mỹ Piore dự đoán: “sau năm 2000, máy tính quang tử sẽ thay thế máy tính điện tử, và cuối cùng sẽ trở thành một loại

kỹ thuật máy tính chủ yếu” Chính vì tầm quan trọng này của máy tính quang

tử mà chúng tôi chọn đề tài: “Một số tìm hiểu về khóa quang tử và máy tính

quang tử”

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Tìm hiểu về khóa quang tử và máy tính quang tử

3 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

- Tìm hiểu các linh kiện quang tử sử dụng trong công nghệ mạng thông

tin

- Tìm hiểu khái quát một số khóa quang tử

- Nêu ra mô hình cấu trúc của một máy tính quang tử

- Nêu ra các phép tính toán học trong quá trình xử lý tương tự quang

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng : Các linh kiện quang tử và khóa quang tử

Phạm vi : Đề tài chỉ nghiên cứu trong vấn đề tìm hiểu một số loại khóa quang tử sử dụng để điều khiển tín hiệu quang trong máy tính quang tử

5 Phương pháp nghiên cứu đề tài

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu bằng lý thuyết

6 Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của luận văn

Kết quả của luận văn nhằm giới thiệu về khóa quang tử và máy tính quang tử

Làm tài liệu tham khảo cho học viên cao học và cho những ai quan tâm

7 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn này được trình bày theo hai chương :

Chương 1 : Linh kiện quang tử

Chương 2 : Khóa quang tử và máy tính quang tử

Chương 1 Linh kiện quang tử

Những hiện tượng phi tuyến do laser có công suất lớn gây ra đã gợi ý

nhiều ứng dụng trong thực tế và ngày càng phát triển với hy vọng mở ra một

thời đại mới, thời đại quang tử, có xu thế thay thế thời đại điện tử trong một

tương lai gần Một số ứng dụng của laser trong đời sống, thay thế dần vai trò

của điện tử đã trở thành hiện thực và một số đề xuất ứng dụng khác đang

được nghiên cứu và hoàn thiện Trong chương này chúng ta sẽ đề cập đến một

số ứng dụng của laser, thông qua các linh kiện quang tử đã được nghiên cứu,

trong đó một số đã được đưa vào sử dụng trong thực tế

1.1 Linh kiện quang điện

1.1.1 Biến điệu quang điện

Nguyên lý hoạt động: Giả sử có một điện trường E đủ mạnh truyền

trong môi trường, khi đó chiết suất của môi trường phi tuyến là một hàm của

E Ta có thể khai triển hàm này thành chuỗi Taylor xung quanh giá trị E = 0,

tức là:

2

2 2

Đối với môi trường có tính đối xứng thì: 1 3 2

( )

2

n E = −n θn E gọi là môi trường Kerr

Khi ánh sáng đi qua môi trường điện – quang Pockel đã được áp điện

trường E, chiết suất của môi trường sẽ thay đổi, dẫn đến pha của ánh sáng sẽ

dịch đi một lượng:

0 0

Trong đó: L là chiều dài môi trường, λ0 là bước sóng ánh sáng trong chân

không Ta tính được độ dịch pha:

3 3

= là pha ban đầu

Giả sử điện áp đặt vào môi trường, có chiều dày d là V , khi đó E V

L n

π

λ χ

= gọi là điện áp nửa bước sóng, tức là điện áp làm cho pha dịch đi một lượng là π

Như vậy bằng cách thay đổi điện áp đặt vào môi trường Pockel, ta có thể

thay đổi pha của sóng ánh sáng Linh kiện có tính chất như vậy gọi là bộ biến

điệu

Cấu trúc: Thông thường các tinh thể NH H PO ADP4 2 4( ), KH PO KDP2 4( ),

3

LiNbO , LiTaO3 và CdTe được sử dụng làm tế bào Pockel Có 3 dạng cấu trúc:

Biến điệu dọc (hình 1.1a), biến điệu ngang (hình 1.1b), biến điệu sóng chạy

ngang (hình 1.1c) [1]

Hình 1.1 a) Biến điệu dọc Các cực có thể là vòng đệm, hoặc ống cũng có thể

là vật liệu dẫn trong suốt b) Biến điệu ngang c) Biến điệu sóng chạy ngang

Ứng dụng: Ngoài chức năng dùng để biến điệu pha, các bộ biến điệu

quang – điện được chế tạo như là các linh kiện tích hợp quang Tốc độ làm

việc của các linh kiện này rất cao (>1000 GHz) và sử dụng điện áp thấp

Một ứng dụng khác của chúng là sử dụng để biến điệu cường độ ánh

sáng nếu đặt trong giao thoa kế

1.1.2 Linh kiện quét tia laser

Nguyên lý hoạt động: Đặt điện áp ( )V vào lăng kính có chiết suất n, góc

đỉnh α, độ dày d làm cho chiết suất của lăng kính thay đổi một lượng Δn, thì

góc ra của tia sáng thay đổi một lượng:

Khi thay đổi điện áp thì góc Δ β sẽ thay đổi, vì vậy góc ló của tia sáng

cũng thay đổi Nếu điện áp thay đổi liên tục với một độ mịn nào đó, tia ló sẽ

quét liên tục với độ phân giải:

3 0

δβ = là góc phân kỳ của chùm tia, D là bán kính vết của chùm tia

Cấu trúc: Linh kiện quét tia laser thường có 2 cấu hình là sử dụng lăng

kính kiểu góc vuông (hình 1.2a) và thiết kế theo kiểu xếp liên tục bằng cách

thay đổi chiều điện áp đặt vào (hình 1.2 b) [1]

Hình 1.2 Lăng kính điện – quang Góc ló của ánh sáng

được điều khiển bởi điện áp V Ứng dụng: Lăng kính điện – quang đơn (hình 1.2a) được sử dụng trong việc thay đổi vết chùm tia laser hay thay đổi góc ló một cách liên tục

Lăng kính kép (hình 1.2b) được sử dụng để dịch vị trí của chùm tia tới song song với chính nó Hiệu ứng này có thể xảy ra đối với chùm tia có phân cực xác định nào đó, nhưng đối với chùm tia có phân cực khác sẽ không xảy

ra (hình 1.3)

Hình 1.3 Thay đổi vị trí sáng trên cơ sở liên kết trễ pha điện – quang

và tinh thể lưỡng chiết

1.1.3 Bộ liên kết định hướng

Nguyên lý hoạt động: Giả thiết có bộ liên kết quang gồm hai ống dẫn

sóng như trong hình 1.4a Công suất tải trong hai ống dẫn sóng P z1( ) và P z2( )thay đổi theo chu kỳ dọc theo phương truyền z và hiệu hằng số truyền giữa

hai sợi quang: 1 2

Hình 1.4 a) Cấu hình bộ liên kết quang b) Phụ thuộc của hệ số truyền

π

= gọi là hàm truyền như trên hình vẽ 1.4b

Sự phụ thuộc của công suất liên kết vào độ lệch pha là chìa khóa cho nguyên lý hoạt động của bộ liên kết định hướng điện – quang Bằng cách điều khiển điện áp đặt vào một trong hai ống dẫn quang, chúng ta sẽ điều khiển được chiết suất của ống, dẫn đến điều khiển được Δ β Khi có điện áp đặt vào, hàm truyền sẽ có dạng phụ thuộc vào điện áp như sau:

2 2

V

π ⎧⎪ ⎛ ⎞ ⎫⎪

⎛ ⎞

ℑ =⎜ ⎟ ⎨ + ⎜ ⎟ ⎬

⎝ ⎠ ⎪⎩ ⎝ ⎠ ⎪⎭ gọi là hiệu suất liên kết

Cấu trúc: Bộ liên kết được thiết kế như trên hình 1.5a và đường đặc

trưng của hiệu suất liên kết trên hình 1.5b Hai sợi quang giống nhau Khi điện áp đặt vào bằng không, tất cả công suất quang sẽ liên kết từ ống dẫn 1 sang ống dẫn 2 Khi V V= 0, tất cả công suất quang giữ trong ống dẫn quang 1,

tức là truyền theo ống 1 [1]

b) 0 π 3

1 ℑ

0

L

β Δ ống dẫn sóng 2

Hình 1.5 a) Một bộ liên kết quang – điện tích hợp

b) Phụ thuộc của hiệu suất liên kết vào điện áp

Bộ liên kết này có thể chế tạo bằng cách khuếch tán titan vào trong tinh thể LiNbO3 siêu sạch Điện áp đặt vào thông thường không nhỏ hơn 10V Tốc

độ hoạt động có thể lớn hơn 10 GHz Trước khi đưa vào sợi quang, ánh sáng laser được hội tụ thành vết có kích thước vàiμm

Ứng dụng: Nhờ bộ liên kết này, tia laser có thể điều khiển tự động

chuyển từ kênh dẫn này sang kênh dẫn khác Có thể sử dụng như một linh

kiện tích hợp quang

1.2 Linh kiện quang phi tuyến

1.2.1 Máy phát hòa âm bậc hai

Nguyên lý hoạt động: Sử dụng chùm tia laser có cường độ đủ lớn chiếu

vào môi trường phi tuyến bậc hai, thì môi trường sẽ phân cực với mật độ phân cực phi tuyến bậc hai ρpht đủ lớn Khi đó, đạo hàm bậc hai của mật độ phân cực theo thời gian sẽ chứa thành phần tần số 2 ω với biên độ phức là:

Hiệu suất phát hòa âm bậc hai tỉ lệ thuận với cường độ I P

cường độ lớn và được hội tụ vào một vùng có diện tích nhỏ sẽ cho ta ánh sáng hòa âm bậc hai mạnh Rõ ràng, ánh sáng laser ở dạng xung sẽ cho hiệu suất cao và ánh sáng hòa âm bậc hai mạnh

Để nâng cao hiệu suất hòa âm bậc hai, ngoài việc sử dụng ánh sáng vào

có cường độ lớn và được hội tụ, thì điều kiện hợp pha cũng phải thỏa mãn Khi đó, hiệu suất sẽ càng cao nếu sử dụng vùng tương tác càng lớn Do hiệu ứng nhiễu xạ sẽ hạn chế khoảng cách tương tác, nên việc sử dụng môi trường tạo hòa âm bậc hai là ống dẫn sóng sẽ có nhiều lợi thế hơn Vì thủy tinh là tinh thể đối xứng có độ cảm phi tuyến bậc hai của nó thấp, nên có thể sử dụng làm hoạt chất cho máy phát hòa âm bậc hai nếu cấy thêm germani hoặc phosphor vào trong sợi

Cấu trúc: Trên hình 1.6a, một laser Ruby có bước sóng 694nm được hội

tụ vào một tinh thể phi tuyến KDP Sau khi chọn được phương tương tác hợp pha, một chùm ánh sáng có bước sóng 347nm phát ra sau tinh thể KDP

Trên hình 1.6b, một laser Nd:YAG được sử dụng làm nguồn bơm Sử dụng hệ quang, chùm tia laser này được đưa vào sợi quang thủy tinh cấy thêm hoặc Ge, hoặc P Phía đầu ra của sợi quang sẽ nhận được ánh sáng có bước sóng 530nm

Trên hình 1.6c, một laser bán dẫn sử dụng buồng cộng hưởng kép đã phát ra chùm tia có hai bước sóng, một trong hai bước sóng là hòa âm bậc hai của bước sóng kia

1064nm

2 ,530nmω ω

Thủy tinh pha

Ge hoặc P

a) Laser Ruby

694nm

Tinh thể KDP

2 ,347nmω ω

Hình 1.6 Phát hòa âm bậc hai a) Sử dụng tinh thể b) Sử dụng sợi quang

c) Trong buồng cộng hưởng laser bán dẫn [1]

Ứng dụng: Máy phát hòa âm bậc hai được sử dụng để rút ngắn bước

sóng laser Nếu nguồn bơm là laser bước sóng thay đổi trong một vùng phổ nào đó, chúng ta có thể tạo thêm một vùng bước sóng khác ngắn hơn với một

cấu hình tương tác phù hợp (cấu hình thay đổi góc hợp pha phù hợp)

1.2.2 Các bộ trộn ba sóng

Nguyên lý hoạt động: Dựa vào hiệu ứng tương tác phi tuyến của hai

sóng ánh sáng có cường độ đủ lớn trong môi trường phi tuyến Về nguyên tắc, máy trộn ba sóng giống như máy phát hòa âm bậc hai, điều khác ở đây là hai

sóng có tần số khác nhau

Cấu trúc: Hai laser có tần số khác nhau bơm vào cùng một tinh thể phi

tuyến Tại đầu ra chúng ta nhận được ánh sáng laser có tần số bằng tổng của

hai tần số bơm (hình 1.7) [1]

Hình 1.7 Bộ phát tần số tổng

Thiết bị trong hình 1.8a gọi là bộ nâng tần số tín hiệu Tần số ω1 của tín hiệu laser sẽ được cộng thêm một lượng là ω2 khi đi qua môi trường phi tuyến được bơm bởi nguồn laser mạnh có tần số ω2

Thiết bị trong hình 1.8b gọi là bộ khuếch đại tín hiệu Cường độ yếu của tín hiệu laser tần số ω1 sẽ được khuếch đại sau khi đi qua môi trường phi

c)

,780nm

ω

2 ,390nmω Laser AlGaAs

2

ω

Laser Nd:YAG

tuyến được bơm bởi chùm laser mạnh có tần số ω3 Do được bơm mạnh, nên trong tinh thể sẽ xảy ra hiện tượng tương tác thông số, sinh ra hai sóng ánh sáng có tần số ω1 và ω2 Như vậy, cường độ tín hiệu laser sẽ được bù thêm một lượng sinh ra trong quá trình tương tác Cuối cùng, cường độ tín hiệu laser sẽ được khuếch đại

Hình 1.8 Thiết bị thông số a) Bộ nâng tần tín hiệu

b) Bộ khuếch đại tín hiệu c) Bộ dao động thông số [1]

Thiết bị trong hình 1.8c gọi là bộ thông số quang học Hiệu ứng xảy ra trong bộ thông số quang học hoàn toàn giống như trong bộ khuếch đại tín hiệu Điều khác biệt ở đây là không sử dụng tín hiệu laser, mà các tín hiệu này được khuếch đại nhiều lần khi đặt môi trường phi tuyến trong buồng cộng hưởng phụ thuộc việc chọn hệ số truyền qua tương ứng của buồng cộng hưởng

Ứng dụng: Các thiết bị thông số quang học được sử dụng để khuếch đại

1ω

Khuếch đại tín hiệu Bơm ω3

Tín hiệu ω1

b)

3ω

c)

Phát thông số ω1

Tinh thể

1ω

Bơm 3ω

2ω1ω

Tín hiệu ω2

a)

Nguyên lý hoạt động: Giả sử có hai sóng phẳng truyền lan trong môi

trường phi tuyến bậc ba theo hai hướng ngược nhau, tức là:

Sóng 3 và sóng 4 gọi là sóng bơm, sóng 1 gọi là sóng thử và sóng 2 gọi

là sóng liên hợp Một thiết bị như vậy gọi là bộ liên hợp pha

Để thỏa mãn điều kiện bảo toàn xung lượng thì:

Từ (1.7) suy ra: kr2 = −kr1 Nghĩa là sóng thứ tư truyền ngược chiều với

sóng thử

Như vậy, hiệu ứng liên hợp pha trong môi trường phi tuyến bậc ba sẽ

cho ta một sóng truyền ngược chiều với sóng thử Bộ liên hợp pha này giống

như một gương đặc biệt tạo ra sóng phản xạ theo chiều ngược lại và không

thay đổi pha so với sóng tới (hình 1.9) [1], [3]

Hình 1.9 Phản xạ của sóng phẳng (a) và sóng cầu (c) trên gương thường,

tương tự trên gương liên hợp pha (b) và (d)

Cấu trúc: Một chùm laser được chia thành hai chùm nhỏ nhờ bản chia

Nhờ hệ hai gương lái một phần vào tinh thể, sau khi đi qua tinh thể được lái trở lại, tạo thành một cặp chùm tia có hướng truyền lan ngược nhau Một phần được chiếu trực tiếp vào tinh thể Nhờ hiệu ứng liên hợp phát trở lại bản chia

và được đưa ra ngoài

Hình 1.10 Hệ quang học tự phát sóng liên hợp

Ứng dụng: gương liên hợp pha có tác dụng phục hồi sai quang của các

chùm tia laser, tức là khôi phục mặt pha Vì khi phản xạ qua gương liên hợp, tia sáng quay lại chính quang lộ của nó (hình 1.11) gọi là quá trình đảo quang

Hình 1.11 Quá trình đảo quang

Hình 1.12 a) Sửa sai quang bằng gương liên hợp pha

b) Buồng cộng hưởng quang học với gương liên hợp pha [1], [3]

Khi môi trường gây quang sai, mặt sóng của chùm laser sẽ bị phá vỡ Nhờ gương liên hợp, mặt sóng của chùm tia sẽ hồi phục (hình 1.12a) Nếu ta

Sóng bơm

sử dụng gương liên hợp như một gương của buồng cộng hưởng laser thì mặt sóng của chùm tia phát ra luôn ổn định (hình 1.12b)

1.2.4 Laser soliton

Nguyên lý hình thành soliton: Khi một xung laser truyền trong môi

trường phi tuyến Kerr, có chiết suất phụ thuộc vào cường độ laser (n I( ) =n0 +n I2 )các thành phần với tần số khác nhau sẽ có độ dịch pha khác nhau Do đó, tần số của thành phần thay đổi, phụ thuộc vào cường độ của nó

Đây là hiệu ứng tự biến điệu pha

Như vậy, trong môi trường có hệ số chiết suất phi tuyến dương (n2 > 0), hiệu ứng tự biến pha sẽ gây ra độ dịch tần âm cho phần đầu xung (tần số dịch

về phía sóng ký hiệu R) và độ dịch tần dương cho phần đuôi xung (tần số dịch

về phía sóng ký hiệu B) Hiện tượng này gọi là chip xung, được trình bày trên hình 1.13

Trong môi trường phi tuyến, xung sẽ bị chớp (chirp), nhưng dạng của nó không thay đổi Tuy nhiên, nếu một sóng chớp truyền trong môi trường tán sắc, xung của nó sẽ bị nén lại

Hình 1.13 Hiện tượng xung chirp trong môi trường phi tuyến

Giả sử môi trường đồng thời vừa tán sắc vừa phi tuyến, khi đó, xung sẽ tham gia đồng thời vào hai hiệu ứng mở rộng và nén xung Khi hai hiệu ứng này cân bằng nhau, dạng xung sẽ luôn luôn không đổi Một xung có tính chất như vậy gọi là soliton (hình 1.14)

Môi trường phi tuyến

R

B

Hình 1.14 Hình thành soliton quang trong môi trường phi tuyến tán sắc

Soliton là niềm hy vọng trong thông tin quang sợi Một khi soliton truyền trong sợi quang, thì dạng xung của nó không thay đổi, không bị mất mát và tán xạ, đặc biệt, đối với các xung cỡ pico giây Do đó, chúng có thể truyền trong một khoảng cách lớn đến hàng ngàn km

Cấu trúc: Laser sợi quang được sử dụng để tạo ra soliton pico giây

Laser này là một sợi quang đơn mode có cấu trúc buồng cộng hưởng vòng (hình 1.15) Sợi quang được nối với bộ khuếch đại sợi quang có cấy thêm Erbium và một đoạn sợi có chức năng tạo soliton xung ngắn (sợi tán sắc phi tuyến) Xung ngắn được tạo ra nhờ bộ biến điệu pha khóa mode Trong hệ

tích hợp tổng quát, chúng ta dùng laser bán dẫn InGaAsP làm nguồn bơm [1]

Hình 1.15 Laser soliton sợi quang

Laser bán dẫn phát xung bơm Xung này được đưa vào buồng cộng hưởng vòng sợi quang qua bộ liên kết Sau khi đi vào sợi quang, xung laser bán dẫn bơm cho sợi khuếch đại cấy Erbium (Er-FA) Tín hiệu laser phát được biến điệu thành các xung ngắn nhờ bộ biến điệu pha (theo cơ chế khóa mode) và tạo thành soliton trong đoạn sợi phi tuyến tán sắc Sau khi được khuếch đại mạnh, các xung này sẽ phát ra ngoài qua bộ liên kết

Ứng dụng: Soliton thời gian được tạo ra trong môi trường phi tuyến tán

sắc, khi sự mở rộng xung do hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm và sự nén xung

Biến điệu

liên kết

Bộ InGaAsP Laser

Đầu ra

t

Môi trường phi tuyến

và tán sắc

do hiệu ứng tự biến điệu pha cân bằng nhau Với công tua cường độ không

thay đổi, các soliton có công suất lớn, độ rộng xung ngắn, sẽ được sử dụng

nhiều trong thông tin quang (truyền qua quãng đường dài vẫn giữ nguyên

dạng) và trong máy tính quang trong tương lai

Ngoài soliton thời gian, soliton không gian (phân bố cường độ theo tiết

diện ngang chùm tia không đổi) cũng có thể tạo ra bằng cách cho chùm laser

có phân bố Gaussian đi vào môi trường phi tuyến Khi sự mở rộng chùm tia

do hiệu ứng nhiễu xạ (hay phân kỳ) cân bằng với sự nén chùm do hiệu ứng tự

hội tụ cân bằng nhau, soliton không gian sẽ hình thành Trong công nghệ chế

tạo máy tính quang, soliton không gian rất quan trọng

1.3 Linh kiện quang âm

1.3.1 Cách tử Bragg

Nguyên lý hoạt động: Như chúng ta đã biết, chiết suất môi trường sẽ

thay đổi tuần hoàn theo bước sóng của sóng âm (hình 1.16)

Giả sử có một sóng âm vận tốc υam, tần số f amvà bước sóng am

am am f

n = κn S , κ là hằng số quang giảo, S0 là biên độ sóng âm,

2 / fπ

Ω = là tần số góc của sóng âm, q= 2 / π Λ là số sóng

Môi trường Sóng âm

Hình 1.16 Sóng âm ảnh hưởng đến tia sáng qua môi trường

Môi trường trở thành cách tử Bragg và sẽ phản xạ ánh sáng khi góc tới

thỏa mãn điều kiện Bragg sau: sin

2

λ

θ =

trong đó, λ là bước sóng ánh sáng trong môi trường

Cấu trúc: Giả sử nguồn sóng âm đặt cách môi trường một khoảng lớn

hơn nhiều so với chiều rộng môi trường, khi đó, mặt sóng âm được xem là

phẳng, do đó, môi trường trở thành giao thoa động có chu kỳ bằng bước sóng

của sóng âm và chuyển động cùng vận tốc sóng âm (hình 1.17) [1]

Hình 1.17 Cách tử Bragg và khúc xạ Bragg

Ứng dụng: Cách tử Bragg được sử dụng như một linh kiện quang để

thay góc phản xạ, hay khúc xạ ánh sáng điều khiển bằng sóng quang âm

1.3.2 Linh kiện biến điệu quang âm

Nguyên lý hoạt động: Hệ số phản xạ của cách tử Bragg tỉ lệ thuận với

cường độ sóng âm theo biểu thức sau:

2 2

2 2 4 0

x

Λ

z Vùng giãn

Vùng nén

là hiệu quả tác động của sóng âm, ρ là khối lượng riêng của môi trường Bằng cách điều khiển cường độ sóng âm, cường độ ánh sáng sẽ thay đổi tỉ lệ

Cấu trúc: Thiết bị này gọi là bộ biến điệu ánh sáng tương tự tuyến tính

(hình 1.18) [1], [3]

Hình 1.18 Biến điệu quang âm

Ứng dụng: Bộ biến điệu quang âm được sử dụng để điều chế tín hiệu

quang trong thông tin quang sợi Tín hiệu laser liên tục được điều biến bằng tín hiệu âm (tiếng nói) trước khi đưa vào sợi quang ở đầu phát

* Khóa quang học: Khi công suất của sóng âm tăng, hiện tượng bão hòa

sẽ xảy ra và tán xạ toàn phần sẽ xảy ra ứng với góc tới Bragg sin 1

Hình 1.19 Khóa quang âm

Bộ khóa quang học này được sử dụng để biến điệu biên độ trong laser phát xung ngắn

Ánh sáng truyền qua

Ánh sáng tới Ánh sáng phản xạ

Sóng âm Ánh sáng tới Ánh sáng phản xạ

Sóng âm

1.3.3 Linh kiện quét tia quang âm

Nguyên lý hoạt động: Tế bào quang – âm có thể được sử dụng như bộ

quét tia sáng Cơ sở của ý tưởng dựa trên hệ thức giữa góc lệch 2 θ (hình

Hình 1.20 Hai tia lệch so với tia tới là pháp tuyến của cách tử

Cấu trúc: Một khó khăn ở chỗ, góc θ đặc trưng cho cả hai góc tới và

phản xạ Khi muốn thay đổi góc phản xạ, thì cả góc tới và tần số sóng âm phải

thay đổi đồng bộ Yêu cầu này có thể thực hiện được bằng cách làm lệch

chùm tia sóng âm Tần số sóng âm có thể thay đổi bằng bộ biến điệu tần số,

còn độ lệch của chùm sóng âm có thể điều khiển bằng dãy các biến áp điều

khiển tín hiệu lệch pha nhau một lượng ϕ xác định (hình 1.21) [1], [3]

Hình 1.24 Quét tia sáng bằng cách thay đổi tần số và hướng của sóng âm

Góc quét có thể đạt được phụ thuộc vào hiệu tần số sóng âm như sau:

θ θ

θ

ϕ ϕ

Ứng dụng: Dựa theo nguyên lý quét tia và biến điệu cường độ, thiết bị

quét có thể sử dụng để chế tạo thiết bị phân tích phổ âm Giả sử một chùm

sóng âm với nhiều thành phần tần số khác nhau Chùm sóng âm này được đưa

vào bộ quét tia để tách các thành phần sóng quang có tần số tương ứng (hình

1.22) [1]

1.3.4 Linh kiện chuyển tiếp quang tử

Nguyên lý hoạt động: Dựa vào nguyên lý quét tia quang, khi tần số của

sóng âm có một trong các giá trị f f f1, , , ,2 3 f N, tế bào quang âm sẽ làm lệch

chùm tia quang tới vào một trong N hướng tương ứng, θ θ θ1, , , ,2 3 θN Linh

kiện này sẽ định tuyến một chùm tia theo N hướng

Cấu trúc: Sơ đồ nguyên lý của linh kiện định tuyến trình bày trên hình

1.23 Tia sáng sau khi phản xạ qua tế bào quang – âm sẽ được thấu kính hội tụ

lái vào đầu vào của một tuyến xác định Tọa độ điểm đầu của tuyến phù hợp

Hình 1.23 Định tuyến chùm tia

Ứng dụng: Định tuyến đồng thời hai tín hiệu quang: Một tế bào quang –

âm có chiều dài W, được chia thành hai ngăn Hai sóng âm có tần số f1 và f2

được phát trong thời gian

2 s

W T

Nυ

=

và trễ đều nhau cùng thời gian T đó, nhưng, với biên độ được điều biến theo mong muốn Với tế bào này, một chùm tia có phân bố cường độ đều theo trục

x, sẽ được biến điệu như mong muốn ở đầu ra (hình 1.25) [1]

Hình 1.24 Định tuyến đồng thời hai tín hiệu quang

Hình 1.25 Biến điệu không gian

Các linh kiện quang âm hoạt động dựa vào hiệu ứng khi sóng âm tác động vào môi trường vật chất sẽ làm cho chiết suất của môi trường thay đổi theo cường độ sóng Sự thay đổi chiết suất của môi trường tiếp tục ảnh hưởng đến quá trình truyền ánh sáng

Các linh kiện thay đổi tần số hay bước sóng của tia laser như: phát hòa

âm bậc hai, cộng tần số, phát thông số quang học, soliton đều hoạt động dựa vào tương tác phi tuyến giữa laser và môi trường Các linh kiện này chỉ xuất hiện sau khi laser ra đời Như vậy, cùng với các laser, các linh kiện thay đổi bước sóng trên là những nguồn bức xạ đơn sắc, kết hợp, xung ngắn, mật độ công suất cao, trải rộng trong một vùng phổ [1]

Các kết quả thu được trên là cơ sở để chúng tôi nghiên cứu ở chương tiếp theo