Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu và ứng dụng gương bán dẫn SESAM để phát xung laser cực ngắn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu vnu uet nghiên cứu và ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà sesam để phát xung laser cực ngắn luận, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Lê Thị Thanh Nga
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Đại Hưng
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà Sesam để phát xung laser cực ngắn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Các phương pháp phát xung laser quang học cực ngắn và ứng dụng
• 1.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp mode-locking
• 1.2. Phương pháp mode-locking chủ động
• 1.3. Phương pháp mode-locking thụ động
• 1.4. So sánh mode-locking thụ động và mode-locking chủ động
• 1.5. Các ứng dụng của xung laser cực ngắn
• 2. CHƯƠNG 2: Nghiên cứu về gương bán dẫn hấp thụ bão hoà (SESAM)
• 3. CHƯƠNG 3: Nghiên cứu và sử dụng gương SESAM để phát xung laser ngắn ở bước sóng 1064nm

Tóm tắt

I. Tổng quan về gương bán dẫn SESAM trong phát xung laser cực ngắn

Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực phát xung laser cực ngắn. SESAM không chỉ đóng vai trò là gương phản xạ mà còn là môi trường hấp thụ bão hòa, cho phép tạo ra các xung laser ngắn với tần số lặp lại cao. Công nghệ này đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực thông tin quang và viễn thông.

1.1. Nguyên lý hoạt động của gương bán dẫn SESAM

Gương bán dẫn SESAM hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ bão hòa, nơi mà hệ số hấp thụ giảm khi cường độ ánh sáng tăng. Điều này cho phép SESAM truyền các xung laser với cường độ lớn mà không bị suy giảm đáng kể.

1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ SESAM

Công nghệ SESAM đã được phát triển từ những năm 1990 và đã trở thành một phần quan trọng trong các hệ thống laser hiện đại. Sự phát triển này đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ ổn định của các nguồn laser phát xung ngắn.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu gương bán dẫn SESAM

Mặc dù gương bán dẫn SESAM mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này. Các vấn đề như độ ổn định của hệ thống, khả năng điều chỉnh thông số và chi phí sản xuất vẫn cần được giải quyết.

2.1. Độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống SESAM

Độ ổn định của gương bán dẫn SESAM là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của laser. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện độ tin cậy và khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau.

2.2. Chi phí sản xuất và ứng dụng thực tiễn

Chi phí sản xuất gương bán dẫn SESAM vẫn còn cao, điều này hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu. Cần có các giải pháp để giảm chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng.

III. Phương pháp nghiên cứu gương bán dẫn SESAM hiệu quả

Để nghiên cứu gương bán dẫn SESAM, các phương pháp hiện đại như mô phỏng quang học và phân tích quang phổ được áp dụng. Những phương pháp này giúp hiểu rõ hơn về tính chất quang học và hiệu suất của SESAM.

3.1. Mô phỏng quang học trong nghiên cứu SESAM

Mô phỏng quang học cho phép các nhà nghiên cứu dự đoán hiệu suất của gương bán dẫn SESAM trong các điều kiện khác nhau. Điều này giúp tối ưu hóa thiết kế và cải thiện hiệu suất của hệ thống laser.

3.2. Phân tích quang phổ và tính chất quang học

Phân tích quang phổ giúp xác định các đặc tính quang học của SESAM, bao gồm độ hấp thụ, độ phản xạ và thời gian hồi phục. Những thông tin này là rất quan trọng để phát triển các ứng dụng laser mới.

IV. Ứng dụng thực tiễn của gương bán dẫn SESAM trong phát xung laser

Gương bán dẫn SESAM đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ viễn thông đến y học. Các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và phát triển.

4.1. Ứng dụng trong thông tin quang

SESAM được sử dụng để phát triển các hệ thống thông tin quang với tốc độ truyền dữ liệu cao. Công nghệ này giúp cải thiện khả năng truyền tải thông tin qua các tuyến đường dài.

4.2. Ứng dụng trong y học và nghiên cứu khoa học

Trong y học, các xung laser cực ngắn do SESAM tạo ra được sử dụng trong các phương pháp điều trị và chẩn đoán. Ngoài ra, chúng cũng được ứng dụng trong nghiên cứu khoa học để theo dõi các quá trình siêu nhanh.

V. Kết luận và tương lai của gương bán dẫn SESAM

Gương bán dẫn SESAM đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực phát xung laser cực ngắn. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ trong các ứng dụng thực tiễn và nghiên cứu khoa học.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ SESAM

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, gương bán dẫn SESAM có thể được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong các lĩnh vực khác nhau.

5.2. Tác động của SESAM đến các lĩnh vực khác

Công nghệ SESAM không chỉ ảnh hưởng đến lĩnh vực laser mà còn có thể tác động tích cực đến nhiều lĩnh vực khác như viễn thông, y học và nghiên cứu khoa học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh mạng lưới viễn thông toàn cầu phát triển vượt bậc với tốc độ truyền dẫn dữ liệu vượt ngưỡng 10 Gb/s và hướng tới 40 Gb/s trên mỗi bước sóng, nhu cầu về các nguồn phát laser xung cực ngắn, độ ổn định cao và tần số lặp lại lớn trở nên vô cùng cấp thiết. Vấn đề cốt lõi đặt ra là các phương pháp phát xung truyền thống như biến điệu độ phẩm chất Q-switching hay khóa mode chủ động thường bị giới hạn về độ rộng xung ở mức vài trăm picôgiây và phụ thuộc vào mạch điện tử đồng bộ ngoài cồng kềnh. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông của tác giả Lê Thị Thanh Nga, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Giáo sư Nguyễn Đại Hưng tại Phòng Quang tử Phân tử thuộc Viện Vật lý và Điện tử (Đại học Quốc gia Hà Nội, năm 2006), đã tập trung giải quyết triệt để bài toán này.

Mục tiêu cụ thể của công trình là nghiên cứu sâu về các tính chất vật lý, cấu trúc của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa SESAM (mã hiệu SE-1064-2-0) và ứng dụng thiết bị này để thiết kế, chế tạo thành công hệ laser rắn Nd:YVO4 phát xung cực ngắn tại bước sóng trung tâm 1064 nm. Nghiên cứu xác lập bước tiến đột phá về mặt thực nghiệm khi tạo ra chùm xung laser có độ rộng thực tế chỉ 13 ps, công suất trung bình đạt 540 mW và tần số lặp lại điều chỉnh linh hoạt trong dải từ 30 MHz đến 100 MHz. Kết quả này mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn tiên phong tại Việt Nam, mở ra tiềm năng ứng dụng trực tiếp cho các hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian quang học OTDM, kỹ thuật đo kiểm sợi quang OTDR và phân tích phổ phân giải thời gian siêu nhanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết khóa mode quang học (mode-locking) và vật lý chất bán dẫn phi tuyến. Khi buồng cộng hưởng laser dao động đồng thời với số lượng lớn các mode dọc có khoảng cách tần số không đổi xác định theo công thức vận tốc ánh sáng chia cho hai lần chiều dài buồng quang học, việc khóa pha đồng bộ giữa các mode sẽ tạo ra sự chồng chập biên độ, phát ra chuỗi xung tuần hoàn có độ rộng tỷ lệ nghịch với độ rộng phổ khuếch đại hiệu dụng của môi trường hoạt chất. So với kỹ thuật khóa mode chủ động dùng tế bào Pockels quang - điện nhạy cảm với thăng giáng tần số, kỹ thuật khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa SESAM cho phép tự biến điệu suy hao nội buồng cộng hưởng một cách tự nhiên và ổn định mà không cần bộ dao động cao tần điều khiển ngoài.

Cấu trúc của SESAM tích hợp hai thành phần cốt lõi trên đế GaAs: một gương phản xạ Bragg phân bố (DBR) gồm các cặp lớp bán dẫn GaAs/AlAs xen kẽ có độ dày quang học bằng 1/4 bước sóng thiết kế, đạt hệ số phản xạ trên 99,9%, và một lớp hấp thụ bão hòa đơn giếng lượng tử InGaAs có bề dày khoảng 10 nm đến 20 nm. Hoạt động của SESAM dựa trên đáp ứng thời gian kép của hạt tải: quá trình nhiệt hóa nội vùng diễn ra cực nhanh từ 10 fs đến 100 fs và quá trình tái hợp hạt tải kéo dài từ 10 ps đến 20 ps. Các khái niệm then chốt chi phối hệ thống bao gồm: thông lượng bão hòa ($F_{sat} = 70\ \mu\text{J/cm}^2$), độ sâu biến điệu ($\Delta R \approx 2%$), mất mát không bão hòa ($A_{ns} < 0,3%$) và cấu trúc buồng cộng hưởng Fabry-Perot khử cộng hưởng (A-FPSA) nhằm triệt tiêu tán sắc trễ nhóm và mở rộng dải phổ hoạt động từ 1020 nm đến 1110 nm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm quang học chính xác cao, triển khai trong giai đoạn từ năm 2005 đến năm 2006. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm việc khảo sát hệ thống với 2 loại gương phản xạ đầu ra có hệ số phản xạ $R = 80%$ và $R = 94%$, kết hợp kiểm thử với dải dòng bơm biến thiên liên tục từ ngưỡng 0,75 A đến mức cực đại 2,0 A (tương ứng công suất bơm quang học cực đại 2,0 W ở bước sóng 808 nm từ diode laser thương mại ATC-C2000-808-3). Phương pháp chọn mẫu thử nghiệm tập trung vào các chế độ hoạt động điển hình tại các tần số lặp lại 65 MHz, 77 MHz và 100 MHz, đảm bảo tính lặp lại của dữ liệu với hơn 10 lần đo độc lập cho mỗi điểm tham số.

Phương pháp phân tích quang học phi tuyến được lựa chọn vì các máy thu quang điện tử thông thường không thể đo trực tiếp xung ở thang picôgiây do giới hạn tốc độ đáp ứng của linh kiện bán dẫn. Độ rộng xung laser được xác định gián tiếp thông qua hệ đo tự tương quan (autocorrelator) dựa trên hiệu ứng phát họa ba bậc hai không đồng trục trên tinh thể phi tuyến KDP. Công suất và năng lượng xung được định lượng bằng đầu đo quang nhiệt Melles Griot 13PME001 với độ phân giải cao 10 $\mu\text{W}$, trong khi dạng xung thời gian và tần số lặp lại được giám sát liên tục qua photodiode tốc độ cao kết nối với dao động ký băng thông rộng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, hệ thống thực nghiệm đã tạo ra thành công chuỗi xung laser khóa mode hoàn toàn với độ rộng xung cực ngắn đạt mức 13 ps, được suy ra từ độ rộng nửa độ cao (FWHM) của vết tự tương quan đo được là 20 ps theo mô hình xung dạng sech². Kết quả này giảm khoảng 35% độ rộng xung so với tín hiệu vết đo tương quan thô, khẳng định chất lượng khóa mode vượt trội.

Thứ hai, công suất trung bình đầu ra của hệ laser đạt đỉnh 540 mW khi sử dụng nguồn bơm laser diode 808 nm công suất 2,0 W, mang lại hiệu suất biến đổi quang - quang vượt mức 27%.

Thứ ba, hệ thống chứng minh khả năng điều chỉnh linh hoạt tần số lặp lại xung trong phạm vi từ 30 MHz đến 100 MHz bằng cách tinh chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng quang học, ghi nhận các đỉnh xung sắc nét và đồng đều tại 65 MHz, 77 MHz và 100 MHz mà không xuất hiện hiện tượng mất ổn định Q-switching.

Thứ tư, khảo sát so sánh giữa hai cấu hình gương đầu ra cho thấy gương có hệ số phản xạ $R = 80%$ đạt hiệu suất dốc và công suất phát cực đại cao hơn khoảng 15% so với cấu hình sử dụng gương $R = 94%$ khi hoạt động ở mức công suất bơm cực đại 2,0 W.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo xung ngắn 13 ps ổn định được giải thích nhờ sự kết hợp tối ưu giữa môi trường hoạt chất rắn tinh thể Nd:YVO4 có tiết diện phát xạ kích thích lớn và gương SESAM SE-1064-2-0 có thời gian hồi phục 20 ps. Khi mật độ năng lượng xung vượt qua thông lượng bão hòa $70\ \mu\text{J/cm}^2$, lớp hấp thụ InGaAs bị tẩy trắng tức thời, tạo ra cửa sổ khuếch đại thuần cực ngắn khóa chặt các mode dọc trong buồng cộng hưởng.

Dữ liệu thực nghiệm có thể được trình bày và đối sánh rõ nét thông qua biểu đồ vết tự tương quan cường độ theo thời gian với đường cong đối xứng chuẩn mực dạng hyperbolic secant quanh gốc 0 ps, chứng minh xung không bị méo pha hay dãn xung do tán sắc. Đồng thời, bảng số liệu biểu diễn mối tương quan giữa công suất bơm (mW) và công suất laser ra (mW) giữa hai loại gương phản xạ $R = 80%$ và $R = 94%$ giúp làm sáng tỏ ngưỡng phát laser và hiệu suất vi sai của hệ thống. So với các công bố quốc tế cùng thời kỳ sử dụng laser Nd:YAG đạt xung từ 10 ps đến 100 ps, kết quả 13 ps từ hệ Nd:YVO4 trong nghiên cứu này hoàn toàn tương đương với các chuẩn mực công nghệ cao trên thế giới, khẳng định tính khả thi vượt trội của việc nội địa hóa công nghệ laser xung cực ngắn phục vụ mạng truyền dẫn viễn thông quang tốc độ 40 Gb/s.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao hiệu năng của hệ laser xung cực ngắn phục vụ nghiên cứu chuyên sâu và chuyển giao công nghệ, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

• Tối ưu hóa cấu trúc gương SESAM bằng công nghệ epitaxy chùm phân tử nhiệt độ thấp (LT-MBE) nhằm giảm thời gian sống của hạt tải tái hợp từ mức 20 ps hiện tại xuống dưới 5 ps, đặt mục tiêu thu hẹp độ rộng xung laser xuống dưới 1 ps trong lộ trình 12 tháng do nhóm nghiên cứu vật liệu bán dẫn chủ trì.
• Nâng cấp hệ thống quản lý nhiệt chủ động bằng cách tích hợp module làm mát nhiệt điện Peltier công suất 19,5 W thế hệ mới cho tinh thể Nd:YVO4, cho phép tăng công suất diode bơm từ 2,0 W lên 5,0 W và nâng công suất laser phát ra vượt ngưỡng 1,5 W trong thời gian 6 tháng do các kỹ sư quang điện tử triển khai.
• Thiết kế thu gọn cấu trúc buồng cộng hưởng theo dạng laser vi phiến (microchip laser) để tăng tần số lặp lại xung từ 100 MHz lên dải 1 GHz đến 10 GHz, đáp ứng trực tiếp tiêu chuẩn xung đồng hồ quang học cho hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian quang học OTDM trong thời hạn 18 tháng do phòng thí nghiệm thông tin quang phụ trách.
• Chuẩn hóa quy trình hiệu chuẩn quang học tự động hóa đối với hệ đo tự tương quan phi tuyến KDP và đầu thu công suất Melles Griot 13PME001, khống chế sai số đo lường thực nghiệm dưới 0,5% trong vòng 3 tháng do nhóm đo kiểm chuyên trách thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu học thuật và kỹ thuật giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Các nhà nghiên cứu và nghiên cứu sinh ngành Quang tử - Quang điện tử: Cung cấp phương pháp luận chi tiết và công thức tính toán thiết kế gương phản xạ Bragg bán dẫn, cấu trúc buồng cộng hưởng đa gương và cơ chế khóa mode thụ động bằng SESAM ở bước sóng 1064 nm.
• Kỹ sư viễn thông và chuyên gia mạng thông tin quang: Ứng dụng các thông số kỹ thuật về xung cực ngắn 13 ps và dải tần 100 MHz để thiết kế nguồn phát tín hiệu ghép kênh OTDM tốc độ 40 Gb/s, hệ thống phân phối xung clock quang học và thiết bị phản xạ kế đo lỗi sợi quang OTDR với cự ly trên 100 km.
• Doanh nghiệp và kỹ sư phát triển thiết bị laser y tế, công nghiệp: Khai thác mô hình laser rắn bơm diode nhỏ gọn để phát triển các module máy cắt khắc vi mô chính xác cao hoặc thiết bị phẫu thuật mô mềm với công suất đỉnh hàng trăm kilowatt mà không gây tổn thương nhiệt lan tỏa.
• Giảng viên và học viên cao học tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng toàn bộ cấu trúc luận văn, bảng thông số kỹ thuật nguồn nuôi LDD và phương pháp đo tự tương quan phi tuyến làm học liệu giảng dạy chuyên sâu cho các môn học Vật lý Laser, Kỹ thuật Quang tử và Linh kiện Bán dẫn Quang học.

Câu hỏi thường gặp

Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa SESAM đóng vai trò gì trong việc tạo xung laser cực ngắn?

Gương SESAM đóng vai trò kép vừa là gương phản xạ cao với hệ số phản xạ trên 99% vừa là bộ hấp thụ bão hòa phi tuyến. Khi cường độ laser tăng cao, lớp giếng lượng tử InGaAs bị bão hòa hấp thụ với thời gian hồi phục 20 ps, tự động giảm suy hao và khóa pha hàng nghìn mode dọc để phát ra xung cực ngắn 13 ps.

Tại sao phương pháp mode-locking thụ động bằng SESAM lại ưu việt hơn mode-locking chủ động?

Mode-locking thụ động bằng SESAM không cần mạch biến điệu điện quang cao tần bên ngoài, giúp hệ thống nhỏ gọn, triệt tiêu độ rung pha và cho phép tạo ra các xung cực ngắn cỡ 13 ps, vượt trội hoàn toàn so với giới hạn vài trăm picôgiây của phương pháp chủ động.

Những thông số vật lý nào của SESAM chi phối trực tiếp đến độ rộng xung laser?

Độ rộng xung tỷ lệ nghịch với độ sâu biến điệu khoảng 2% và phụ thuộc chặt chẽ vào thời gian hồi phục của hạt tải ở mức 20 ps cùng thông lượng bão hòa $70\ \mu\text{J/cm}^2$, quyết định tốc độ mở và đóng cửa sổ khuếch đại quang học nội buồng.

Ứng dụng thực tiễn nổi bật nhất của laser xung 13 ps ở bước sóng 1064 nm là gì?

Nguồn laser này là giải pháp cốt lõi để tạo nguồn phát xung đồng hồ chính xác trong vi xử lý máy tính, truyền dẫn tín hiệu quang ghép kênh OTDM tốc độ 40 Gb/s, đo kiểm suy hao sợi cáp quang OTDR và phân tích động học phản ứng phân tử siêu nhanh.

Làm thế nào để điều chỉnh tần số lặp lại xung trong dải từ 30 MHz đến 100 MHz?

Tần số lặp lại được điều khiển trực tiếp bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các gương phản xạ gập để thay đổi chiều dài buồng cộng hưởng quang học, tuân theo định luật khoảng cách mode và được kiểm chứng qua dao động ký tại 65 MHz, 77 MHz và 100 MHz.

Kết luận

• Công trình đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công hệ laser Nd:YVO4 mode-locking thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa SESAM đầu tiên tại Việt Nam.
• Đạt được thông số kỹ thuật ấn tượng với độ rộng xung cực ngắn 13 ps tại bước sóng 1064 nm, công suất trung bình 540 mW và hiệu suất chuyển đổi quang học vượt mức 27%.
• Làm chủ kỹ thuật điều khiển tần số lặp lại xung tuần hoàn trong dải từ 30 MHz đến 100 MHz, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu khắt khe của mạng truyền dẫn viễn thông băng rộng.
• Xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết và công nghệ đo đạc tự tương quan phi tuyến chính xác cao, tạo tiền đề vững chắc cho việc nghiên cứu quang phổ picôgiây và femtôgiây trong nước.
• Mở ra hướng phát triển các nguồn phát quang học nhỏ gọn, hiệu năng cao phục vụ chuyển đổi số và công nghệ thông tin quang đa kênh tốc độ cao.

Lộ trình tiếp theo sẽ tập trung tích hợp tinh thể microchip và phát triển SESAM thế hệ mới để đạt độ rộng xung dưới 1 ps trong vòng 12 đến 24 tháng tới. Độc giả, các viện nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông quan tâm hãy kết nối với nhóm tác giả tại Đại học Quốc gia Hà Nội để cùng hợp tác, phát triển và ứng dụng công nghệ quang tử tiên tiến này vào thực tiễn sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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.