Nghiên cứu và ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà Sesam để phát xung laser cực ngắn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





LÊ THỊ THANH NGA





Nghiên cứu và ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà
Sesam để phát xung laser cực ngắn




luËn v¨n th¹c sÜ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hµ néi - 2006





ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




LÊ THỊ THANH NGA



Nghiên cứu và ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà
Sesam để phát xung laser cực ngắn

Mã số : 2.07.00


luËn v¨n th¹c sÜ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Nguyễn Đại Hưng







Hµ néi - 2006

Mở đầu
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
1
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin quang và viễn thông đã phát
triển nhanh chóng cả về chất và lượng, đáp ứng nhu cầu về thông tin ngày càng tăng
của sự phát triển xã hội. Các hệ thống thông tin quang đã chiếm lĩnh hầu hết các
tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông và được coi là phương thức
truyền dẫn hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa. Các hệ thống
này phải đảm bảo có tốc độ truyền dữ liệu cao, cự ly xa, cấu trúc hệ thống linh hoạt
và độ tin cậy cao. Một trong những khả năng để phát triển các hệ thống thông tin
quang hiện đại là sử dụng các nguồn laser phát xung cực ngắn, tốc độ lặp lại xung
lớn, độ tin cậy và ổn định cao.
Có khá nhiều các phương pháp phát xung laser ngắn nhưng chỉ có các phương
pháp mode-locking mới cho phép tạo ra xung laser ngắn có tốc độ lặp lại xung lớn
và độ ổn định cao thỏa mãn yêu cầu của hệ thống thông tin quang. Trong hai kỹ
thuật mode-locking chủ động và mode-locking thụ động, hiện nay kỹ thuật

mode-locking thụ động - sử dụng các môi trường hấp thụ bão hòa - thường được sử
dụng phổ biến hơn do nó có thể tạo ra xung ngắn hơn và tốc độ lặp lại xung cao
hơn.
Vì các nguồn laser cho thông tin quang có tốc độ lặp lại xung cao (nhiều GHz)
nên yêu cầu kích thước buồng cộng hưởng laser là nhỏ. Vấn đề chỉ có thể giải quyết
nhờ tích hợp các yếu tố quang học của buồng cộng hưởng laser trên kích thước
ngắn nhất có thể. Gần đây, một yếu tố được chế tạo cho kỹ thuật mode-locking thụ
động là gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM). SESAM vừa đóng vai trò của
một gương phản xạ rất cao của buồng cộng hưởng laser, vừa mang môi trường bán
dẫn đóng vai trò của chất hấp thụ bão hòa - do vậy có hệ số phản xạ phụ thuộc vào
thông lượng laser trong buồng cộng hưởng. SESAM có kích thước nhỏ và có thể
điều chỉnh các thông số như thời gian hồi phục, thông lượng bão hòa, vùng phổ hấp
Mở đầu
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
2
thụ khi thiết kế và chế tạo. Hiện nay, kỹ thuật mode-locking thụ động sử dụng
SESAM đang là phương pháp hiệu quả nhất để phát triển các laser phát xung ngắn
có tần số lặp lại cao dùng trong thông tin quang. Kỹ thuật này có nhiều ưu điểm: tạo
ra xung laser có độ dài từ picôgiây cho tới femtôgiây, tần số lặp lại xung cao và
công suất trung bình lớn. Người ta đang thực hiện sử dụng phương pháp này để tạo
ra các xung laser có tần số lặp lại là 40 GHz [15].
Tại Việt Nam, hiện nay chưa có một cơ sở khoa học nào nghiên cứu, ứng dụng
và phát triển các hệ laser xung ngắn (picôgiây cho tới femtôgiây), đặc biệt sử dụng
kỹ thuật phát xung laser ngắn bằng SESAM. Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu và
xây dựng hệ laser phát xung ngắn là nhu cầu cần thiết và có ý nghĩa rất lớn về khoa
học và ứng dụng.
Nội dung của luận văn là nghiên cứu các tính chất vật lý và cấu trúc của gương
bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM), ứng dụng SESAM để phát xung laser cực ngắn.
Bản luận văn này gồm ba chương:
Chương 1: Giới thiệu phương pháp mode-locking để phát xung laser ngắn và

các ứng dụng chúng đặc biệt là trong lĩnh vực viễn thông và thông tin quang.
Chương 2: Nghiên cứu về gương bán dẫn hấp thụ bão hoà (SESAM): các tính
chất và thông số vật lý của SESAM cũng như các cấu trúc của nó.
Chương 3: Nghiên cứu và sử dụng gương SESAM để phát xung laser ngắn ở
bước sóng 1064nm.
Khóa luận được thực hiện tại Phòng Quang tử Phân tử, trung tâm Điện tử học
lượng tử, Viện Vật lý và Điện tử dưới sự hướng dẫn của GS. TS. Nguyễn Đại Hưng.
Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù rất cố gắng nhưng bản luận văn
vẫn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp của các
thầy cô, các cán bộ khoa học và đồng nghiệp

Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
3
Chương 1: Các phương pháp phát xung laser quang học
cực ngắn và ứng dụng

Hiện nay, có nhiều kỹ thuật để tạo xung laser ngắn như là: kỹ thuật biến điệu
độ phẩm chất trong buồng cộng hưởng (Q-switching), tách năng lượng buồng cộng
hưởng (Dumping Cavity), phản hồi phân bố (Distributed Feedback), buồng cộng
hưởng dập tắt (Quenching Cavity), kích thích sóng chạy (Traveling Wave
Excitation), lọc lựa thời gian-phổ (Spectro temporal selection - STS), tuy nhiên, để
đảm bảo phát được các xung laser ngắn ở tần số xung cao thì phải sử dụng các kỹ
thuật mode-locking. Gần đây, một kĩ thuật phát xung laser ngắn rất hiệu quả cho
phép tạo các xung laser ngắn cỡ picôgiây đến femtôgiây đã được đề xuất, đó là
phương pháp tạo xung laser ngắn bằng kĩ thuật mode-locking thụ động sử dụng
gương hấp thụ bão hoà bán dẫn (SESAM). Phương pháp này có những ưu điểm
vượt trội như: có thể tạo được các xung laser ngắn (picôgiây tới femtôgiây) có tần
số lặp lại, công suất và độ ổn định cao với cấu hình laser được thu gọn. Đây là
những đặc tính rất cần thiết trong thông tin quang.

Trong chương này chúng tôi tập trung tìm hiểu nguyên lý của phương pháp
tạo laser xung ngắn bằng kĩ thuật mode-locking.
1.1. Phương pháp khóa mode dọc trong buồng cộng hưởng (mode-locking)
1.1.1 Nguyên lý hoạt động của phương pháp mode-locking
Khi không có các yếu tố lọc lựa tần số bên trong buồng cộng hưởng, laser
dao động đồng thời với rất nhiều mode cộng hưởng bên trong profile phổ khuếch
đại của môi trường hoạt chất. Bức xạ laser phát ra có độ rộng phổ nhất định, trong
đó chứa các mode dọc do sự phân bố trường được hình thành trong buồng cộng
hưởng quang học.
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
4








Hai mode dọc liên tiếp cách nhau một khoảng
2
c
f
L

,trong đó c là vận tốc
ánh sáng trong chân không, L là chiều dài buồng cộng hưởng. Hình 1.1 mô tả phổ
của một xung laser trong buồng cộng hưởng. Quan hệ về pha giữa các mode này là
ngẫu nhiên, tuy nhiên nếu có thể thực hiện khóa pha giữa các mode dao động đồng

thời này thì sẽ đạt được sự chồng chập phù hợp của các biên độ mode.
Khi hai điều kiện sau đây được thỏa mãn:
 Laser cần phải có một số mode dọc khá lớn
 Các mode này phải đảm bảo cách đều nhau về tần số và đồng bộ với nhau về
pha
Các mode sẽ giao thoa với nhau và laser có thể phát ra một chuỗi xung ngắn
tuần hoàn. Khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp bằng thời gian mà ánh sáng
laser thực hiện một chu trình trong buồng cộng hưởng. Độ dài của mỗi xung tỷ lệ
nghịch với độ rộng vạch khuếch đại hiệu dụng của môi trường laser, hay nói cách
khác, nó tỷ lệ nghịch với số lượng mode của laser.
Đây là nội dung của việc phát xung ngắn bằng kỹ thuật mode-locking. Kỹ
thuật này phụ thuộc vào phổ khuếch đại của môi trường hoạt chất hoặc là số lượng
các mode dọc được tạo nên. Việc khoá mode này được thực hiện bằng bộ biến điệu
quang học bên trong buồng cộng hưởng.
f
c

f
f
R

Tần số
Độ khuếch đại
Hình 1.1. Mô tả các mode dọc trong buồng cộng hưởng
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
5
Có hai phương pháp tạo xung ngắn bằng kĩ thuật mode-locking đó là phương
pháp mode-locking chủ động và phương pháp mode-locking thụ động.
1.1.2. Phương pháp mode-locking chủ động

Phương pháp mode-locking chủ động là phương pháp sử dụng một bộ biến
điệu đặt trong buồng cộng hưởng (điện quang hoặc âm quang) được điều khiển bởi
một tín hiệu cao tần bên ngoài để đồng bộ các xung theo thời gian một chu trình
buồng cộng hưởng T
R
. Để khoá pha của các mode, cần tạo ra sự biến điệu tuần hoàn
của các thông số buồng cộng hưởng với tần số bằng hoặc là bội tần số đi lại của
photon trong BCH.
Phương pháp mode-locking chủ động được chia làm hai loại: sử dụng phương
pháp biến điệu biên độ (AM) và phương pháp biến điệu tần số (FM) [2,11].
Trong phương pháp biến điệu biên độ (AM), người ta đặt một thiết bị biến
điệu trong buồng cộng hưởng. Khi điều khiển thiết bị này bằng một tín hiệu điện sẽ
tạo ra sự điều biến biên độ hình sin của ánh sáng bên trong buồng cộng hưởng. Giả
sử rằng biên độ của mode trung tâm được biến điệu tuần hoàn với tần số . Cường
độ của sóng đơn sắc E=A
o
cos (
o
t-kx) được biến điệu tại tần số f= /2 (bằng bộ
biến điệu là tế bào Pockels hay thiết bị âm-quang)
Bộ biến điệu được đặt trong buồng cộng hưởng với khoảng cách gương là d và
các tần số mode là 
m
= 
o
 m.c/2d (m=0,1,2…). Nếu các rìa băng (sideband) nằm
lệch ra khỏi các mode lân cận thì chỉ dẫn đến sự biến điệu biên độ trường của mỗi
mode. Nếu các rìa băng (sideband) trùng khớp với các tần số mode cộng hưởng tức
là tấn số biến điệu f bằng khoảng cách mode =c/2d, khi đó sẽ có sự trao đổi năng
lượng giữa các mode. Sự tương tác giữa các mode này dẫn đến sự đồng bộ về pha

hay các mode được khóa pha. Khi chúng truyền qua bộ biến điệu bên trong buồng
cộng hưởng, chúng cũng được biến điệu và tạo ra rìa băng mới =
o
2f. Nếu cứ
tiếp tục như vậy dẫn tới tất cả các mode trong profile khuếch đại đều bị khóa pha và
tham gia vào quá trình hoạt động của laser.
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
6
Phương pháp mode locking chủ động biến điệu tần số (FM) sử dụng thiết bị
biến điệu dựa trên hiệu ứng quang điện. Thiết bị này, khi đặt trong buồng cộng
hưởng laser và được điều khiển với một tín hiệu điện sẽ tạo ra sự dịch tần biến thiên
hình sin rất nhỏ khi có ánh sáng truyền qua nó. Nếu tần số biến điệu phù hợp với
thời gian đi lại trong buồng cộng hưởng thì một phần ánh sáng trong buồng cộng
hưởng có tần số lặp lại dịch lên trên và một phần ánh sáng có tần số lặp lại dịch
xuống dưới. Sau khi lặp lại nhiều lần, sự thay đổi lên trên và xuống dưới lần lượt
quét hết độ rộng phổ khuếch đại của laser. Chỉ ánh sáng có tần số không bị thay đổi
khi truyền qua bộ biến điệu tức là độ dịch tần bằng 0 sẽ tạo ra xung ánh sáng hẹp.
Số mode buồng cộng hưởng càng nhiều thì độ rộng xung mode-lock thu được càng
ngắn (N phải  3;
δν
=2δν
Δν
d
N
c

) và công suất xung mode-lock càng lớn. Hình 1.2
mô tả hình ảnh các xung laser mode-locking phụ thuộc số lượng các mode được
khoá pha [18].

N=15
I
L
/10
t
b)
T=2d/c
N=5
T=1/
I
L
t
a)
Hình 1.2. Xung laser ra của hệ laser xung mode-locking.
a) với 5 mode bị khoá
b) với 15 mode bị khoá

Chương 1

Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
7
1.1.3. Phương pháp mode-locking thụ động
Phương pháp mode-locking thụ động đạt được bằng việc đặt một bộ hấp thụ
bão hòa bên trong buồng cộng hưởng laser, tốt nhất là gần một trong các gương
[10]. Bộ hấp thụ bão hòa là môi trường có hệ số hấp thụ giảm khi cường độ ánh
sáng truyền qua nó tăng; do đó nó truyền các xung cường độ lớn với sự hấp thụ khá
nhỏ. Khi bộ hấp thụ được sử dụng để mode-lock một laser nó còn thực hiện sự biến
điệu độ phẩm chất Q-switching, hai hiệu ứng này xảy ra đồng thời. Bộ hấp thụ bão
hoà có thể coi là một van đóng mở nhanh (fast shutter) sử dụng trong phương pháp
mode-locking chủ động, cung cấp một xung có bức xạ đủ lớn để cho phép bão hòa
bộ hấp thụ khi ánh sáng truyền qua. Thời gian hồi phục của bộ hấp thụ bão hoà phải
ngắn hơn thời gian một chu trình đi lại trong buồng cộng hưởng, nếu không sẽ hình
thành nhiều xung. Ban đầu, môi trường laser phát bức xạ tự phát làm tăng các thăng
giáng ngẫu nhiên theo thời gian của mật độ năng lượng. Một vài thăng giáng này có
thể được khuếch đại tới một mức độ nào đó mà thăng giáng có thể truyền qua bộ
hấp thụ bão hòa với suy giảm nhỏ. Các công suất thấp hơn của thăng giáng này có
sự suy giảm mạnh hơn và bị hấp thụ, do đó một xung công suất lớn có thể tạo ra bên
trong buồng cộng hưởng. Việc điều chỉnh nồng độ của chất màu bên trong buồng
cộng hưởng có thể làm thăng giáng ban đầu trở thành một xung hẹp liên tục bên
trong buồng cộng hưởng, do đó tạo thành chuỗi xung mode-lock.
1.1.4. So sánh mode-locking thụ động và mode-locking chủ động
Trong phương pháp mode-locking chủ động, một tín hiệu cao tần bên ngoài
được đưa vào để điều khiển bộ biến điệu đặt bên trong buồng cộng hưởng nhằm
đồng bộ các xung laser theo thời gian một chu trình buồng cộng hưởng [7] .
Trong phương pháp mode-locking thụ động, sự biến điệu được tạo ra trực tiếp
bởi các xung laser, ví dụ nhờ sự “tẩy trắng (bleached)” của bộ hấp thụ bão hòa đặt
trong buồng cộng hưởng dưới tác dụng của các xung laser cường độ lớn.
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN

8
Phương pháp mode-locking thụ động có hai ưu điểm: Không cần sự đồng bộ
ngoài và bộ biến điệu thụ động có thể cho phép tạo các xung ngắn và tần số xung
cao hơn nhiều.







Đối với mode-locking chủ động, sự biến điệu của độ suy hao được kiểm soát
từ bên ngoài và nó không thể tạo ra sự biến đổi nhanh cho profile cường độ xung.
Với mode-locking bị động, sự biến điệu của độ suy hao xác định bởi chính bản thân
dạng xung, như vậy cho phép tạo ra cửa sổ khuếch đại tổng ngắn hơn nhiều.
Các laser mode-locking chủ động thông thường có profile thời gian và phổ
dạng Gauss. Ngược lại, phương pháp mode-locking thụ động cho profile thời gian
và phổ có dạng hyperbolic không phụ thuộc vào thời gian phản ứng của bộ hấp thụ.
Để khoá pha các mode, các phương pháp mode-locking chủ động có thể là biến điệu
biên độ, biến điệu tần số hay bơm đồng bộ, va chạm xung. Trong thực tế, các thiết
bị biến điệu được điều khiển từ bên ngoài hoặc đặt bên ngoài BCH sẽ được dùng để
chủ động can thiệp vào sự biến điệu có chu kỳ của độ suy hao trong BCH. Bộ biến
điệu quang - âm hay quang - điện sử dụng hiệu ứng Kerr (tế bào Pockels, tinh thể
KDP). Phương pháp mode-locking chủ động rất nhạy với các thăng giáng của tần số
mang (do biến điệu bên ngoài) và khoảng cách giữa hai mode dọc liên tiếp của
buồng cộng hưởng (c/2L), do đó kỹ thuật mode-locking chủ động khó đạt tới chế độ
xung nhỏ hơn picô giây.
Hình 1.3. So sánh mode-locking chủ động và thụ động

Chương 1

Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
9
Bảng 1.1. So sánh một số kỹ thuật mode-locking khác nhau (công suất trung bình 1W) [7].
Kỹ thuật
Thiết bị
mode-locking
Laser
Độ dài
xung
Năng lượng
xung
Mode-locking
chủ động
Tế bào Pockels
Argon liên tục
He-Ne liên tục
Nd:YAG xung
300 ps
500 ps
100 ps
10 nJ
0,1 µJ
10 J
Mode-locking
thụ động
Bộ hấp thụ bão
hoà chất màu;
SESAM
Màu, liên tục
Nd:YAG

1 ps
1 – 10 ps
1 nJ
1 nJ
Mode-locking
bằng bơm đồng
bộ
Laser bơm
mode-lock và
phù hợp chiều
dài BCH
Màu, liên tục
Tâm màu
1 ps
1 ps
10 nJ
10 nJ

Các phương pháp mode-locking bị động có thể sử dụng các bộ hấp thụ bão
hoà hoặc dựa trên hiệu ứng Kerr quang học. Các laser màu xung mode-locking thụ
động thường sử dụng cơ chế bão hoà phi tuyến trong các bộ hấp thụ bão hoà
(thường là các cu-vet đựng các dung dịch màu hữu cơ và gương bán dẫn hấp thụ
bão hòa (SESAM) mà ta sẽ nghiên cứu kỹ sau đây). Vì có các suy hao trong bộ hấp
thụ, để đạt tới ngưỡng dao động thì độ khuếch đại của môi trường hoạt tính phải đủ
cao, thời gian hồi phục của môi trường và bộ hấp thụ phải đủ ngắn so với thời gian
một chu trình BCH, và thời gian hồi phục của các chuyển dời tại bức xạ khuếch đại
trong môi trường hoạt tính dung dịch màu phải có cỡ thời gian một chu trình BCH.
Phương pháp mode-locking thụ động khá đơn giản, có thể áp dụng cho cả laser liên
tục cũng như laser xung (do vậy, đòi hỏi nỗ lực thực nghiệm ít hơn kỹ thuật mode-
lock chủ động và không cần những thiết bị phức tạp). Tuy vậy, trong công nghệ

laser màu chúng có nhược điểm là bị hạn chế về khả năng chọn được các cặp chất
màu hấp thụ bão hoà và các chất màu của hệ phát laser tương thích. Bên cạnh đó,
chúng tạo ra các xung tương đối yếu và vùng điều chỉnh được bước sóng khá hẹp.
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
10
Bảng 1.1 là một số so sánh về các thông số độ dài và năng lượng xung của các
phương pháp mode-locking khác nhau.
Tóm lại, mode-locking là phương pháp khá phổ biến để phát xung quang cực
ngắn. Nhược điểm là không thực hiện được với các xung đơn hay xung có tần số lặp
lại thấp, giá thành cao và yêu cầu khắt khe về thiết bị. Nhưng nó có ưu điểm là cho
phép phát được các xung laser ngắn nhất hiện nay khi tổ hợp với một số kỹ thuật
nén xung khác.
1.2. Các ứng dụng của xung laser cực ngắn
Ngày nay laser đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực
nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng kỹ thuật. Đi sâu vào các ngành như quang
phổ, phân tích chuẩn đoán, môi trường, khoa học vật liệu, công nghệ sinh học hay y
học, ở đâu chúng ta cũng thấy bóng dáng của laser. Nhờ có laser, quang phổ laser
đã có được những thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật
lý plasma, vật lý chất rắn, phân tích hóa học và cho tới cả những ngành ít liên quan
như nghiên cứu môi trường, y học hay công nghệ sinh học… Càng ngày càng có
thêm đòi hỏi cao đối với các hệ laser xung ngắn về điều kiện làm việc ổn định, độ
bền và giá thành hạ cũng như những yêu cầu về độ rộng xung càng ngắn. Laser
xung ngắn đã được lựa chọn do nó có các đặc tính phù hợp với rất nhiều ứng dụng
như [17]:
 Độ rộng xung cực ngắn
 Tốc độ lặp lại xung cao
 Công suất đỉnh cao
Những tiến bộ mới đây của các laser xung cực ngắn điều chỉnh được bước
sóng có ảnh hưởng quan trọng tới việc nghiên cứu của rất nhiều ngành: vật lý, hóa

học và sinh học. Các xung laser cực ngắn này còn cho phép thực hiện các ứng dụng
tương lai trong ngành truyền thông với tốc độ truyền tối đa, hay theo dõi, điều khiển
các quá trình siêu nhanh trên thang đo nguyên tử hay phân tử. Các laser xung cực
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
11
ngắn hiện đang được dùng phổ biến và hết sức đa dạng trong lĩnh vực nghiên cứu
cơ bản.
1.2.1. Ứng dụng xung laser cực ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học
Do laser phát ra xung có độ rộng cực ngắn nên nó cho phép độ phân giải thời
gian rất nhanh. Nhờ đó, một lĩnh vực ứng dụng khoa học quan trọng của các laser
xung cực ngắn đã ra đời, đó là quang phổ phân giải thời gian [17]. Các nhà khoa
học dựa vào quang phổ phân giải thời gian để nghiên cứu các quá trình xảy ra nhanh
theo thời gian trong vật lý, hóa học hay sinh học. Một laser mode-locking có thể mô
tả chuyển động của các đối tượng di chuyển cực nhanh như các nguyên tử hay điện
tử, do đó có thể đo được các quá trình hồi phục của các hạt tải trong chất bán dẫn,
quá trình động học của các phản ứng hóa học, và việc lấy mẫu quang điện của các
mạch điện tử tốc độ cao. Bằng việc sử dụng các laser mode-locking xung cực ngắn
có thể đo được quá trình phân tích động học của các nguyên tử và các phản ứng hóa
học phức tạp hơn. Những nghiên cứu này đã mang lại giải Nobel về hóa học cho
A.H.Zewail vào năm 1999. Nhờ các xung siêu ngắn mà các nhà khoa học đã có thể
đo được khoảng thời gian của từng bước phản ứng của quá trình quang hợp, thậm
chí có thể nhờ các xung laser để điều khiển các phản ứng hóa học một cách định
hướng để tổng hợp các hợp chất mà bằng các phương pháp khác rất khó đạt được.
Đặc biệt lĩnh vực hóa học femto giây đang phát triển thành một lĩnh vực to lớn
và ở đây đã xuất hiện cơ hội thực sự kiểm soát trực tiếp các phản ứng hóa học nhờ
sử dụng các xung laser cực nhanh thích hợp. Vật lý chất rắn có thể được nghiên cứu
với độ phân giải thích hợp cho phép phân tích động học điện tử trong các chất bán
dẫn, và khảo sát về tương tác cực nhanh giữa vật chất với ánh sáng. Đặc biệt, trong
các máy gia tốc, các xung femto giây đang được sử dụng như các bộ tiêm photon để

phát các xung điện tử cực ngắn
Ngoài ra, cũng có thể kiểm tra các tiến trình chức năng của các linh kiện điện
tử nhờ các xung laser siêu ngắn, và có thể theo dõi xem liệu các xung điện sẽ
chuyển động như thế nào qua các vi mạch.
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
12
Một lĩnh vực ứng dụng lớn khác bao gồm tất cả những ngành ở đó cần tới ánh
sáng có cường độ rất cao, chẳng hạn như các thí nghiệm tổng hợp hạt nhân, trong
việc gia công vật liệu hay phẫu thuật mắt. Ngoài ra người ta cũng cần tới ánh sáng
cường độ lớn cả trong ngành quang phổ 2 photon. Khả năng tách chiết một cách kết
hợp trong một thời gian rất ngắn, một lượng năng lượng cao được tích trữ trong các
hệ khuếch đại laser nhờ sử dụng các hệ phát-khuếch đại femto giây đã tạo ra các hệ
laser tương đối nhỏ gọn có công suất đỉnh tới vài chục TW. Chúng được ứng dụng
trong các thí nghiệm vật lý nguyên tử đa photon để phát các chùm tia X cực mạnh.
Các xung cực ngắn năng lượng cao đã được sử dụng để nghiên cứu rất nhiều hiệu
ứng quang phi tuyến.
1.2.2. Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang
Khả năng ứng dụng phân giải thời gian cao còn diễn ra ở cả các lĩnh vực thông
tin và xử lý tín hiệu quang tốc độ bít siêu cao, có thể nói đây là lĩnh vực ứng dụng
laser rộng rãi nhất.
Với độ đơn sắc và kết hợp cao, các tia laser đã được sử dụng rộng rãi và nhanh
nhất trong ngành thông tin liên lạc [2]. Sử dụng tia laser để truyền tin tức có ưu
điểm: So với sóng vô tuyến, dải sóng truyền tin của laser lớn gấp nhiều lần (vì dải
tần số mà laser có thể thực hiện được lớn hơn sóng vô tuyến). Ví dụ với sóng vô
tuyến, tần số sử dụng là 10
4
310
11
Hz thì với các laser quang học hoạt động trong

vùng phổ nhìn thấy có tần số trong khoảng 310
12
 1510
15
Hz nên dải sóng truyền
tăng lên đến 510
4

lần. Do đó, với bức xạ laser nằm trong khoảng 0,4  0,8 m và
với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng laser ta có thể có gần 8010
5
kênh
truyền cùng một lúc và lớn gấp 10
5
lần kênh truyền khi sử dụng sóng ngắn.
Do năng lượng lớn nên tia laser có thể đi xa hơn sóng vô tuyến. Hiện nay, với
laser người ta có thể truyền tin với khoảng cách truyền là 100.000 km. Sử dụng các
bước sóng thích hợp, người ta có thể truyền tin hiệu quả ở các môi trường khác
nhau.
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
13
Ngoài ra, các laser với tần số xung lặp lại cỡ GHz là thành phần quan trọng
trong nhiều ứng dụng của thông tin. Chúng có thể được sử dụng trong các hệ thống
viễn thông dung lượng cao, trong các thiết bị chuyển mạch quang (photonic
switching devices), sự kết nối quang học và sự phân phối xung clock (clock
distribution). Trong tương lai, các xung clock được sử dụng trong các chip được
tích hợp rất cao VLSI (Very Large Scale Integrated), các chùm điện tử phân cực của
các máy gia tốc điện tử và kỹ thuật lấy mẫu quang điện tốc độ cao sẽ dựa trên các
chuỗi xung cỡ GHz [10,17].

Khi tốc độ truyền dữ liệu tăng, các laser mode-locking với bước sóng biến đổi
xung quanh vùng 1,55 m sẽ trở thành linh kiện quan trọng trong viễn thông và
thông tin quang. Các hệ thống truyền dẫn tần số 10 GHz thậm chí cao hơn thường
được sử dụng xung RZ (return-to-zero) và kỹ thuật quản lý tán sắc soliton (soliton
dispersion management techniques).
Các nguồn laser 10-100 GHz có công suất trung bình cao ở bước sóng ngắn
hơn là các nguồn đầy triển vọng cho xung đồng hồ trong các mạch tích hợp (IC)
[10]. Xung clock trong mạch vi xử lý của các máy tính cá nhân (PC) hoạt động với
tốc độ lớn hơn 3GHz, tăng từ 15% đến 30% mỗi năm và được dự đoán trước là có
tốc độ khoảng 40 GHz vào năm 2020. Tín hiệu xung clock được tạo bởi laser
mode-locking có thể được tiêm chính xác vào bên trong bộ vi xử lý với mục đích
làm giảm những yêu cầu về công suất trên chip và hiện tượng méo, rung.
1.2.2.1. Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học
(Optical time division multiplexing OTDM)
Trong lĩnh vực thông tin quang, việc truyền tín hiệu quang từ laser bán dẫn
qua sợi quang được coi là dữ liệu. Trong phạm vi này, các tần số của xung ánh sáng
lặp lại cao hơn có thể truyền nhiều thông tin hơn trong 1s. Nói chung, với tốc độ
truyền tin trong vùng GHz (Ví dụ cỡ 2,5 GHz đến 10 GHz), các cửa sổ truyền
(transmission windows) sẽ nằm trong khoảng vài trăm ps với các xung cố định.
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
14
Bảng 1.2. Tần số lặp lại xung tương ứng với cửa sổ truyền
Tần số lặp lại xung
(GHz)
Cửa số truyền
(ps)
2,5
400
10

100
40
25
160
6,25

Bảng 1.2 chỉ ra các tốc độ truyền xung tương ứng với cửa số truyền của nó
cùng với các tốc độ từ 40 GHz tới 160 GHz. Các cửa sổ truyền ps này chỉ ra việc
tạo xung tần số lặp lại cao trong thông tin quang tất yếu dẫn tới việc cần những
xung cực ngắn. Việc điều chế trực tiếp giới hạn hầu hết các nguồn quang hiện nay
sử dụng thông tin quang là 10 GHz, do đó giới hạn dung lượng truyền với tốc độ
truyền dữ liệu là 10 Gb/s trên một bước sóng. Nguồn 40 GHz và việc truyền hiện
nay là cơ sở của rất nhiều nghiên cứu cũng như yêu cầu các nguồn laser có thể điều
chế tại tần số cao hơn với độ rộng xung ngắn hơn, và còn có những yêu cầu đối với
các đầu thu mới có khả năng cảm nhận các tín hiệu nhanh này. Việc tạo các đầu thu
mới này đòi hỏi sự tiến bộ mạnh mẽ của điện tử học.

Nguồn
10GHz
Dữ liệu
40GHz
Bộ điều chế
10GHz
Hình 1.4. Phân chia kênh theo thời gian quang học OTDM
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
15
Một phương pháp thiết kế mà không cần phải có các đầu thu độ nhạy cao được
gọi là phân chia kênh theo thời gian quang học (OTDM). Nguyên lý này là để kết
hợp vài tín hiệu với tần số lặp lại thấp để tạo ra một tín hiệu kết hợp có tần số lặp lại
cao hơn. Ở nơi nhận, tín hiệu được phân tích thành các tín hiệu tốc độ bit thấp đã
hợp thành, mà sau đó nó có thể được thực hiện bởi thiết bị thiết kế cho tín hiệu tần
số thấp này [8,10].
Ví dụ, lối ra từ một nguồn laser tạo ra các xung tại tần số 10 GHz có thể được
chia làm 4 luồng như trong hình 1.4. Bốn bộ điều chế bên ngoài có thể được sử
dụng để điều chế dữ liệu trên mỗi luồng 10 GHz. Các lối ra của mỗi bộ biến điệu
này có thể được đặt hơi so le bằng việc sử dụng chiều dài sợi quang khác nhau, và
được kết hợp để cùng đưa ra một tín hiệu ghép 40 GHz tại một bước sóng. Sự quan
trọng của độ rộng xung đã rõ ràng, nó yêu cầu các xung đủ ngắn để không bị chồng
lấn lên nhau khi chúng được kết hợp thành tín hiệu ghép 40 GHz với cửa sổ truyền
của nó là 25 ps.
Tại bộ thu, các bộ điều chế được sử dụng như các cổng để tách dữ liệu 40 GHz
thành các tín hiệu ghép 10 GHz, sau đó được truyền tới các bộ thu tách tín hiệu

10 GHz. Kết quả là một tín hiệu 40 GHz đã được truyền và nhận nhưng chỉ sử dụng
công nghệ 10 GHz. Tuy nhiên tại bộ thu sẽ thu được các tín hiệu OTDM kết hợp
với tín hiệu clock. Việc giải tín hiệu OTDM đòi hỏi phải có sự tách tín hiệu xung
clock ra khỏi dữ liệu
1.2.2.2. Việc tách xung đồng hồ quang học
Các xung ánh sáng trong mạng quang học [9] được cách nhau đều đặn vào
thời điểm khi chúng rời khỏi bộ điều chế nguồn. Tuy nhiên sau một hành trình của
nó qua hàng trăm thậm chí hàng nghìn kilomet, các hiệu ứng tán sắc của sợi quang
có thể làm mất khoảng thời gian hoàn hảo này như mô tả trong hình 1.5. Điều này
trở thành một vấn đề tại bộ nhận cuối, nơi có yêu cầu để phân tích dữ liệu đến nhờ
việc biết quyết định tại điểm đó tín hiệu nhận được là “1” hoặc “0”. Sự khôi phục
tín hiệu đồng hồ tại thiết bị nhận cuối đóng vai trò quan trọng trong việc rút thông
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
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
của việc khôi phục tín hiệu đồng hồ bằng quang
học. Điều này loại bỏ nhiều sự phức tạp của điện
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.
1.2.2.3. 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.

Hình 1.5. Tín hiệu xung clock
a) từ nguồn phát xung cách đều nhau
b) khoảng cách xung không đều sau
khi truyền

Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
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.
1.2.2.4. 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
, 
n
). 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
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
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.





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)



MUX
DEMUX

I
1
(
1
)
I
n
(
n

)
0
n
(
n
)
O
1
(
1
)
I(
1

n
)
O(
1

n
)
Hình 1.6. Quá trình ghép kênh phân chia theo bước sóng
(WDM)
Chương 1
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
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).
2.1. 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
Chương 2
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
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
Chương 2
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
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.

2.2. Các cấu trúc của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)
2.2.1. Cấu trúc điển hình của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)









Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa SESAM (SEmiconductor Saturable Absorber
Mirror) là một cấu trúc gương kết hợp với bộ hấp thụ bão hòa, tất cả đều làm bằng
công nghệ bán dẫn. Thông thường, thiết bị này gồm có một gương Bragg và một
lớp hấp thụ bão hòa đơn giếng lượng tử ở gần bề mặt.
2.2.2. Các loại gương được sử dụng trong SESAM
2.2.2.1. Gương điện môi
Một gương điện môi gồm nhiều lớp điện môi mỏng - là các vật liệu quang học
trong suốt khác nhau. Thậm chí nếu hệ số phản xạ Fresnel từ một mặt phân cách

Đế GaAs
xung
lớp hấp thụ giếng
lượng tử InGaAs
Gương Bragg GaAs/AlAs
Hình 2.1: Cấu trúc điển hình của SESAM hoạt động trong vùng 1064nm.
Trên đế GaAs tạo một gương Bragg GaAs/AlGaAs. Nằm dưới lớp trên là
một lớp hấp thụ giếng lượng tử InGaAs dày 10nm [11].

Chương 2
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
22
giữa hai vật liệu khá nhỏ (do sự khác nhau giữa các chiết suất nhỏ), sự phản xạ từ
nhiều mặt phân cách có thể tăng do giao thoa (trong vùng bước sóng xác định) dẫn
tới toàn bộ hệ số phản xạ của thiết bị rất cao. Cấu trúc đơn giản nhất và chung nhất
là gương Bragg, với tất cả giá trị độ dày của lớp quang học là 1/4 bước sóng thiết
kế. Cấu trúc này dẫn tới hệ số phản xạ có thể cao nhất đối với một số lượng cặp lớp
đã cho và các vật liệu đã cho. Điều này cũng có thể thực hiện với cấu trúc gương
lưỡng chiết (dichroic mirror) với các đặc tính điều khiển được đối với các bước
sóng khác nhau.
Các cấu trúc lớp phức tạp hơn (như cấu trúc gương chirped) có thể được sử
dụng để đạt được các đặc tính
 Độ rộng phổ phản xạ rộng hơn
 Kết hợp các giá trị phản xạ mong muốn trong các vùng bước sóng khác nhau
 Các đặc tính tán sắc biến đối

 Ít bị ảnh hưởng do các lỗi chế tạo
Các gương của buồng cộng hưởng laser hầu như luôn là gương điện môi vì các
thiết bị này thường đạt được hệ số phản xạ rất cao, lớn hơn 99,9%, và độ rộng phổ
phản xạ bị giới hạn của nó cho phép truyền xung bơm qua các gương của buồng
cộng hưởng (tại bước sóng ngắn hơn). Do tính chất của nó nên gương điện môi
thường được gọi là gương laser. Gương Bragg tối ưu, còn được gọi là supermirror,
có thể có hệ số phản xạ cao hơn nhiều.
Vì các gương điện môi thường có độ phản xạ cao trong một phần nhỏ của phổ
nhìn thấy, chúng thường không giống với các gương khác như gương bạc, mà
chúng ta thường thấy trong nhà, gương điện môi thường khá trong suốt với ánh sáng
nhìn thấy và có các màu phụ thuộc vào góc nhìn. Việc xác định mặt nào của chất
nền có phủ gương thậm chí còn khó hơn. Nói chung, thành phần phổ phản xạ dịch
về phía sóng ngắn hơn khi góc tới tăng lên, đó là vì hình chiếu của k vector vuông
Chương 2
Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN
23
góc với mặt gương giảm. (Xét về đường truyền dài hơn cho tia tới, có thể có kết
luận ngược lại, nhưng cách làm đó là sai).
Đặc tính phản xạ (bao gồm cả sự tán sắc) của gương điện môi có thể tính
được, ví dụ với phương pháp ma trận, với mỗi lớp ứng với một ma trận phức 2x2,
và tất cả các ma trận được nhân cùng nhau cho kết quả ma trận tổng của cấu trúc
lớp. Từ ma trận này, người ta có thể tính biên độ phức của các sóng phản xạ và
truyền qua, và người ta cũng có thể tính phân bố trường bên trong cấu trúc. Từ sự
phụ thuộc tần số của các hệ số phản xạ và truyền qua phức, người ta cũng có thể
tính độ tán sắc. Một số câu hỏi toán học đáng chú ý nảy sinh khi các vật liệu có tính
hấp thụ.
Nhiệm vụ khó hơn nhiều là tìm được thiết kế gương điện môi thỏa mãn tiêu
chuẩn nào đó, ví dụ như khả năng phản xạ tại các bước sóng khác nhau, hay một
đặc tính tán sắc nào đó. Những thiết kế gương điện môi như vậy thường chỉ tìm
thấy bằng việc sử dụng các giải thuật tối ưu số. Thách thức được nảy sinh từ số

chiều lớn của không gian tham số và từ vô số các tối ưu cục bộ nên khó tìm được sự
tối ưu toàn cục. Quá trình tối ưu hiệu quả cần phần mềm thích hợp, sử dụng quá
trình tối ưu đa chiều tiên tiến, phương pháp Monte Carlo, phương pháp "needle" và
phương pháp tương tự.
Việc chế tạo các gương điện môi thường dựa trên kỹ thuật như sự bốc bay
bằng chùm điện tử (electron beam evaporation), bằng chùm ion (ion beam
sputtering) hoặc sự bốc bay có trợ giúp của ion (ion-assisted deposition). Các lớp
thu được thường là vô định hình. Các gương điện môi cũng có thể được tạo bằng
các vật liệu bán dẫn kết tinh, được nuôi bằng các kỹ thuật epitaxy chùm phân tử
(MBE) hoặc phương pháp lắng đọng pha hơi hợp chất hữu cơ kim loại (metal-
organic chemical vapor deposition MOCVD).
Các vấn đề quan trọng để chọn lựa các kỹ thuật chế tạo là:
 Độ chính xác của chiều dày lớp (có thể tăng bằng điều khiển tự động trong
giám sát chế tạo chi tiết).