Báo cáo nghiên cứu khoa học: "ảnh hưởng của điều biến các đặc trưng của xung tín hiệu RZ trong hoạt động của laser DFB hai ngăn" pdf

trờng Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 2A-2008



51
ảnh hởng của điều biến các đặc trng 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 hởng của điều biến các đặc
trng xung tín hiệu RZ (Return to Zero) lên các xung phát của một laser bán dẫn
DFB hai ngăn. Dới ảnh hởng này, các đặc trng của xung laser phát nh cờng 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
trờng hoạt có thể đáp ứng đợc những yêu cầu đó và đã thu hút đợc nhiều nhà
khoa học trên thế giới cả về mặt lý thuyết cũng nh thực nghiệm [1-10].
Với một mẫu laser bán dẫn DFB đợc đa ra nh trên hình 1, trong hoạt
động không dừng [7, 10], chúng tôi đã thu đợc các xung laser phát ổn định, tần số
lặp cao, có khả năng điều biến và dòng ngỡng thấp. Trong [10] chúng tôi cũng đã

đa ra các kết quả bớc đầu trong việc khảo sát ảnh hởng của điều biến biên độ
xung tín hiệu RZ lên đặc trng của xung laser phát. Với các mức bơm khác nhau,
cờng độ và độ mở rộng xung thời gian của xung laser phát đã thay đổi. Khi mức
bơm tăng lên, cờng độ sóng mang đã đợc 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 hởng của việc điều biến các đặc
trng của xung tín hiệu RZ nh chu kỳ, độ rộng của xung lên xung phát của một
laser bán dẫn DFB hai ngăn.
II. Hệ phơng trình tốc độ
Mô hình lý thuyết đợc khảo sát trong bài báo này là một diode laser hai

Nhận bài ngày 29/2/2008. Sửa chữa xong 01/4/2008.

I
1

I
2

Laser

t

N. V. Phú, Đ. V. Hoàng ảnh hởng của laser DFB hai ngăn, Tr. 51-57



52
ngăn sử dụng chất bán dẫn InGaAsP nh đợc mô tả trên hình 1. Các dòng điện
bơm I
1
, I
2
qua các điện cực sẽ đợc phun vào các ngăn tơng ứng, thông thờng dòng
I
1
đợc bơm ở trên ngỡng và dòng I
2
đợc bơm dới ngỡng. Do ngăn thứ nhất
(ngăn A) đợc bơm trên ngỡng nên sẽ đóng vai trò là ngăn phát xạ photon và hoạt
động nh là một ngăn khuếch đại. Dòng điện bơm vào ngăn thứ hai (ngăn B) I
2
có
thể điều khiển đợc sự thay đổi chiết suất hiệu dụng trong ngăn này dẫn tới việc có
thể tạo ra hiệu ứng chuyển đổi bớc sóng. Nh vậy ngăn thứ hai sẽ đóng vai trò nh
một ngăn hấp thụ.
Hệ phơng trình động học mô tả hoạt động không dừng và phát xung của
mẫu laser này đợc viết dạng [2, 4]:
,)(
110
0

1
1
11
Nng
n
c
eV
I
dt
dN
jj
eff

=
(1)
,)(
220
0
2
2
22
Nng
n
c
eV
I
dt
dN
jj
eff

=
(2)
,)1()()(
0
0
2211 jjjj
eff
j
nPnng
n
c
dt
dn


+++=
(3)
ở đây
dt
dN
1
,
dt
dN
2
và
dt
dn
j

biểu diễn sự biến thiên mật độ các phần tử tải trong các
ngăn A, B và mật độ photon phát theo thời gian; V
1
, V
2
, N
1
, N
2
là thể tích và mật độ
các phần tử tải trong các ngăn A, B tơng ứng; n
j
là mật độ photon phát; e là điện
tích electron; c
0
- vận tốc của ánh sáng trong chân không; n
eff
chiết suất của vật liệu
có cùng giá trị trong cả hai ngăn;

j
- hệ số khuếch đại trong các ngăn, phụ thuộc vào
mật độ các phần tử tải theo công thức

i
=

i
N
i

+ b
i
(i =1, 2), với

i
là hệ số khuếch đại
riêng, b
i
là hằng số thờng đợc chọn bằng 0 với các laser bán dẫn (chẳng hạn laser
sử dụng vật liệu InGaAsP [5, 6]);

1
,

2
là các hệ số tích thoát các phần tử tải trong
các ngăn A và B;

1
,

2
gọi là các hệ số giam hay hệ số Peterman trong các ngăn A, B
tơng ứng;

hệ số mô tả sự mất mát photon trong các ngăn A, B và trên các mặt
phản xạ; Hàm g(

0
-

j
) mô tả sự mở rộng vạch phổ đợc biểu diễn dới dạng hàm
Lorentzian
2
0
2
1
1










+
=
j
j
g )(


với là độ mở rộng vạch phổ;
j
= (

0
-

j
) là độ lệch tần;

0
,

j
là tần số trung tâm và
tần số của mode thứ j. Trong phơng trình (3) thừa số (n
j
+ 1) biểu diễn sự phát xạ tự



trờng Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 2A-2008



53
phát trong hoạt động của laser, số hạng cuối


Pn
j
mô tả sự tơng tác giữa tín
hiệu bơm với laser.
Để tìm đợc đáp ứng thời gian của mẫu laser DFB hai ngăn nói trên, chúng

tôi đã giải bằng số hệ phơng trình động học (1), (2), (3) trong điều kiện cộng hởng
g(

0
-

j
) =1 bằng phần mềm MATLAB. Các giá trị số đợc lấy từ các kết quả thực
nghiệm về laser bán dẫn sử dụng vật liệu InGaAsP của J. Kinoshita [5] và Y. Huang
[6]: c
0
= 3ì10
10
cm.s
-1
, e = 1.6ì10
-19
C, n
eff
= 3.4, V
1
= 84ì10
-12
cm
3
, V
2
= 84ì10
-12
cm

3
,

1
=

2
= 4ì10
-16
cm
2
,

1
= 0.5,

2
= 0.2,

= 1.71ì10
12
s
-1
, I
1
= 15mA, I
2
= 2ì10
-5
A. Các giá

trị ban đầu của N
1
và N
2
tơng ứng là N
1
0

= 2ì10
18
cm
-3
, N
2
0

= 10
18
cm
-3
.
III. ảnh hởng của điều biến các đặc trng xung tín hiệu RZ
lên xung laser phát
3.1.
ả
nh hởng của độ rộng xung RZ lên đặc trng xung laser phát
Trong kỹ thuật việc thay đổi độ rộng xung tín hiệu RZ tơng ứng với việc kéo
dài hay rút ngắn thời gian tác dụng của xung bơm. Trong trờng hợp này, thông tin
đợc 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 nh 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 đợc
thiết lập dựa trên tỷ số giữa bờ trên của xung tín hiệu với bờ dới của xung đó.
Chẳng hạn trong trờng hợp tỷ lệ độ rộng là 2 : 1 độ rộng bờ trên của xung bằng 2
lần độ rộng bờ dới. Các trờng hợp tỷ lệ khác đợc giải thích tơng tự. Nh vậy sự
thay đổi độ rộng xung tơng ứng với việc kéo dài hay rút ngắn thời gian tơng 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 trng của xung laser phát.
Kết quả mô phỏng cho ta hình ảnh các xung laser phát nh 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, nhng trong
trờng hợp độ rộng W
0
lớn hơn (tỷ lệ 2:1 so với 1:1), số lợng các xung phụ nhiều
hơn. ở tỷ lệ độ rộng 1:2 (hình 3c), độ rộng W
0
giảm xuống, thời gian cung cấp năng
lợng cho laser là ngắn hơn so với thời gian ngắt, năng lợng 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 nh trong các trờng hợp kể trên. Bên cạnh đó sự
thay đổi độ rộng xung tín hiệu RZ đợc xem nh các nhiễu đầu vào làm cho một vài
xung laser phát ra ở giai đoạn đầu có biên độ không ổn định.



N. V. Phú, Đ. V. Hoàng ảnh hởng của laser DFB hai ngăn, Tr. 51-57

54





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)

Mật độ photon phát (photon.cm
-
3
)

Mật
độ photon phát (photon.cm
-
3
)

Mật độ photon phát (photon.cm
-
3

)

Thời gian phát (giây)

(hình 3
b
)

(hình 3
c
)

Thời gian phát (giây)




trờng Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 2A-2008



55
3.2.
ả
nh hởng của chu kỳ xung tín hiệu RZ lên đặc trng xung laser
phát

Để khảo sát ảnh hởng của sự thay đổi tần số xung tín hiệu RZ, chúng tôi
chọn các thông số của xung tín hiệu RZ nh 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) tơng 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 đợc H. Kawaguchi công bố trong
công trình [2], xem nh 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 tơng tự nh trong trờng hợp laser đợc
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. Nh vậy việc kéo dài thời gian tơng tác giữa photon xung tín hiệu với các bức
xạ laser một mặt kích thích các quá trình tái hợp cỡng bức dẫn tới quá trình bức xạ
laser và làm thay đổi các đặc trng xung laser phát nh biên độ, tần số lặp, nhng
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, dới ảnh hởng 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 ngỡng rất bé. Một số đặc
trng khác nh độ rộng xung thời gian thay đổi không đáng kể.



(
hình 4.
a)

Thời gian phát (giây)

Mật độ photon phát (photon
.cm
-
3
)




N. V. Phú, Đ. V. Hoàng ảnh hởng của laser DFB hai ngăn, Tr. 51-57



56





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 hởng của việc điều biến
các đặc trng 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 trng của xung RZ nh cờng độ, độ rộng,
chu kỳ xung cũng đã làm thay đổi một số đặc trng của xung laser phát. Điều này có

nghĩa là có thể duy trì đợc 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 nh mô hình mà chúng tôi đa ra ở trên làm nguồn phát sóng mang trong
thông tin quang là có thể đợc.
(
hình 4
c)

Thời gian phát (giây)

Thời gian phát (giây)

(
hình 4
b)

Mật độ photon phát (photon.cm
-
3
)

Mật độ photon phát (photon.cm
-
3
)

trờng Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 2A-2008



57
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 hởng của các tham số động học và
điều biến cờng độ xung tín hiệu RZ lên xung phát của một laser DFB hai ngăn,
Tạp chí khoa học, Trờng 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, Trờng Đại học Vinh
(b) Đại học Quốc gia Hà Nội.