Chương 1 16 tin định thời từ dữ liệu vào để tách dữ liệu ra. Các hệ thống khôi phục tín hiệu đồng hồ hiện nay dựa vào điện tử. Điều này càng ngày càng khó thực hiện khi tốc độ bít quang học tăng với tốc độ nhanh hơn sự phát triển của điện tử. Bất kỳ sự nâng cấp tốc độ bít của hệ thống cũng yêu cầu các mạch điện tử mới để đặt vào nơi cung cấp tín hiệu khôi phục đồng hồ với tốc độ mới.
Khả năng khôi phục lại thông tin định thời từ tín hiệu quang học mà không cần bất kỳ sự chuyển đổi nào trong lĩnh vực điện tử là mục đích Hình 1. Tín hiệu xung clock của việc khôi phục tín hiệu đồng hồ bằng quang a) từ nguồn phát xung cách đều nhau b) khoảng cách xung không đều sau học. Điều này loại bỏ nhiều sự phức tạp của điện khi truyền tử học và có thể cung cấp tính linh hoạt về tốc độ bít mà một hệ thống cần nâng cấp. Các laser xung có thể được sử dụng để đồng bộ tín hiệu xung clock trong luồng dữ liệu và lối ra của chúng có thể sử dụng như tín hiệu định thời.
Các phương pháp tạo xung ngắn khác cũng có thể được sử dụng để thực hiện khôi phục tín hiệu clock qua sợi quang trong đó có laser bán dẫn mode-locking. Hiện nay laser bán dẫn mode-locking đã được sử dụng để tách tín hiệu xung clock từ tín hiệu OTDM 40 Gb/s để tạo thành các tín hiệu có tốc độ 10GHz. Phản xạ kế trong miền thời gian quang học (Optical time domain reflectometry - OTDR). Vị trí lỗi trong các sợi quang, có thể nằm dưới một con đường đông đúc hoặc thậm chí có thể nằm ở dưới đáy đại dương [9].
Kỹ thuật phản xạ kế trong miền thời gian quang học OTDR được sử dụng để đo sợi quang thông qua việc thể hiện kết quả đo bằng hình ảnh các đặc tính suy hao của sợi quang dọc theo chiều dài sợi. OTDR là phương pháp duy nhất hiện có để xác định chính xác vị trí lỗi gẫy của sợi quang trong một tuyến cáp quang đã lắp đặt mà mắt thường không nhìn thấy được. Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1 17 Phương pháp OTDR được thực hiện bằng cách gửi một xung quang qua sợi quang và theo dõi ánh sáng phản xạ trở lại. Bằng việc xác định công suất phản xạ theo thời gian có thể hình thành đường bao mất mát của sợi quang.
Các đỉnh nhọn gây ra trong quá trình phản xạ về là do vết gãy trong sợi quang. Khoảng cách từ nguồn đến vị trí lỗi có thể tính toán từ thời gian truyền và sau đó có thể kiểm tra lại vị trí đó đã chính xác chưa. Trong hệ thống OTDR hiện đại, các laser bán dẫn biến điệu độ khuếch đại thường được sử dụng như các nguồn xung quang học. Chúng đơn giản về mặt thiết kế và độ rộng xung truyền khoảng 50 - 100 ps thỏa mãn đối với những khoảng cách cỡ mm.
Ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing -WDM) Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng là một cách gọi khác cho kỹ thuật phân chia kênh theo tần số quang học (OFDM Optical Frequency Division Multiplexing) [7]. Kỹ thuật này cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bít truyền dẫn và không cần sử dụng nhiều sợi dẫn quang. Kỹ thuật này thực hiện việc truyền ánh sáng có bước sóng khác nhau trên cùng một sợi. Lý do để thực hiện điều này là các hệ thống thông tin quang thường chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi sẵn có và các nguồn phát xung ánh sáng có độ rộng khá hẹp.
Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng: Giả sử hệ thống thiết bị phát có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau (1,. Các tín hiệu này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang. Tín hiệu quang sau khi được ghép sẽ truyền đồng thời dọc theo sợi để tới phía thu. Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép kênh bước sóng.
Khi sử dụng kỹ thuật này cần phải chú ý tới hiện tượng xuyên kênh và độ rộng kênh. Độ Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1 18 rộng kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh mà nó định đối với mỗi nguồn phát quang. Nếu sử dụng laser thì độ rộng kênh yêu cầu để không bị nhiễu giữa các kênh và hạn chế hiện tượng xuyên kênh là khoảng vài chục nanomet, còn nếu sử dụng diode bán dẫn (LED) thì phải cần độ rộng kênh lớn gấp 10 đến 20 lần. Vậy sử dụng các laser xung cực ngắn để làm nguồn phát tín hiệu quang là cần thiết để tránh hiện tượng xuyên kênh và có thể giảm được độ rộng kênh.n) MUX DEMUX In(n) 0n(n) Hình 1.
Quá trình ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu về dung lượng truyền tin, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao (Dense wavelength division multiplexing DWDM) đã bắt đầu được ứng dụng. Gần đây, laser vi cầu, laser có buồng cộng hưởng dạng cầu kích thước micromét, đã được sử dụng làm nguồn phát trong mạng thông tin quang [1]. Do laser vi cầu phát xạ các mode laser cực hẹp nên hiệu ứng dãn xung quang do tán sắc giảm mạnh, vì vậy, có thể tăng dung lượng các kênh truyền dẫn trong một sợi quang lên hàng trăm lần khi sử dụng công nghệ ghép kênh thông tin theo bước sóng mật độ cao (DWDM) Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1 19 Chương 2: Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa Với mục đích tạo ra các xung có độ rộng ngắn, tần số cao để ứng dụng trong thông tin quang, phương pháp chế tạo các nguồn laser xung ngắn dựa trên kỹ thuật mode-locking được lựa chọn. Kỹ thuật mode-locking thụ động được sử dụng hiệu quả hơn kỹ thuật mode-locking chủ động vì nó cho phép tạo ra các xung laser ngắn, công suất và độ ổn định cao, đặc biệt có thể có tần số lặp lại xung lớn.
Với việc phát triển của công nghệ trong lĩnh vực khoa học vật liệu bán dẫn, việc tạo ra các gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) cho kỹ thuật mode-locking thụ động có một ý nghĩa quan trọng trong kĩ thuật phát laser xung ngắn. Với các đặc điểm nổi bật của SESAM như: kích thước nhỏ gọn, phổ mở rộng từ vùng nhìn thấy tới vùng hồng ngoại, thời gian hồi phục nhanh, vì vậy, phương pháp phát xung laser ngắn dựa trên kĩ thuật mode-locking sử dụng SESAM đang là kĩ thuật tạo xung ngắn được sử dụng phổ biến và là phương pháp tạo xung laser ngắn nhất hiện nay. Trong chương này, chúng tôi nghiên cứu các tính chất và thông số vật lý cũng như cấu trúc của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM). Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa - SESAM Các thiết bị SESAM hiện nay đã được sử dụng rộng rãi và trở thành linh kiện quan trọng không thể thiếu trong các nguồn laser cực ngắn mode-locking thụ động.
Việc sử dụng bộ hấp thụ bão hòa để tạo xung cực ngắn đã được ứng dụng từ rất sớm, tuy nhiên trước đây, bộ hấp thụ bão hòa thường sử dụng là các chất màu nhưng do nó có nhược điểm là tuổi thọ ngắn, độc và quá trình điều khiển phức tạp, nên sau đó người ta sử dụng các bộ hấp thụ bão hòa ở trạng thái rắn như là các tinh Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 2 20 thể Cr:YAG. Tuy nhiên, bộ hấp thụ bão hòa rắn cũng chỉ hoạt động trong vùng bước sóng nhất định, thời gian hồi phục và các mức bão hòa giới hạn. Khi phát minh ra chất bán dẫn, người ta đã thấy rằng việc chế tạo bộ hấp thụ bão hòa bằng vật liệu bán dẫn có thể khắc phục được nhược điểm của bộ hấp thụ bão hòa rắn vì vật liệu bán dẫn có thể hấp thụ ở một vùng bước sóng tương đối rộng (từ vùng khả kiến cho tới vùng hồng ngoại) và chúng ta có thể điều chỉnh các thông số của chúng như thời gian hồi phục và thông lượng bão hòa bằng cách thay đổi các thiết kế của thiết bị và các thông số chế tạo. Năm 1966, De Maria và các đồng nghiệp đã tạo ra những xung ngắn cỡ ps đầu tiên bằng việc sử dụng laser thủy tinh Nd mode-locking thụ động.
Tuy nhiên, có một vấn đề cơ bản trong kết quả của họ: đó là không đo được chuỗi xung đều mà chỉ đo được các chuỗi xung đã được biến điệu biên độ, được gọi là Q-switch mode-locking, với tốc độ lặp lại thấp [12,14]. Năm 1990, các laser rắn đã được mode-locking liên tục thụ động bằng việc sử dụng bộ hấp thụ bão hòa bên trong buồng cộng hưởng phi tuyến. Kỹ thuật này được gọi là mode-locking cộng hưởng thụ động RPM (resonant passive mode-locking), nó đã thúc đẩy sự phát minh ra các laser soliton và các laser mode-locking cộng xung APM (additive pulse mode-locking), ở đây độ dịch pha phi tuyến trong sợi bên trong buồng cộng hưởng cung cấp một hiệu ứng hấp thụ bão hòa. Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm và lý thuyết đã chỉ ra rằng các laser rắn được bơm bằng laser diode mode-locking thụ động hầu như không hoạt động trong chế độ liên tục (không có Q-Switch), việc này đã giới hạn các ứng dụng thực tế của chúng.
Vấn đề này đã được giải quyết khi phát minh ra gương SESAM đầu tiên vào năm 1992, còn được gọi là bộ hấp thụ bão hòa Fabry-Perot khử cộng hưởng. Việc phát minh ra SESAM này là bước nhảy vọt quan trọng để chế tạo ra laser Nd:YAG và ND:YLF mode-locking liên tục. Cũng với phương pháp này người ta đã nâng cao các thông số quan trọng của laser như: độ rộng xung, công suất, tần số lặp lại xung. Thêm vào đó SESAM có thể điều chỉnh để đạt được Q-swiching ổn định với Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 2 21 các laser micrsochip phát xung ngắn cỡ 37 ps, năng lượng xung lớn tới 1,1 µJ tại bước sóng khoảng 1µm.
Ngày nay, cấu trúc thiết kế của SESAM ngày càng được hoàn thiện giúp cho việc chế tạo các hệ laser phát xung ngắn với tần số lặp lại cao, công suất lớn và độ ổn định cao. Các cấu trúc của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) 2.