Khảo sát hiệu ứng lưỡng ổn định quang học trong môi trường CdSe có cấu trúc tuần hoàn

1
Trờng đại học vinh

nguyễn văn định
KHO ST HIU NG LNG N NH
QUANG HC TRONG MễI TRNG CdSe
Cể CU TRC TUN HON
Luận văn thạc sĩ VậT Lý
nGHệ aN - 2013
2
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học vinh

KHO ST HIU NG LNG N NH
QUANG HC TRONG MễI TRNG CdSe
Cể CU TRC TUN HON
Chuyên ngành: quang học
Mã số: 60.44.01.09
Luận văn thạc sĩ vật lý
Ngời hớng dẫn khoa học: ts.nguyễn văn phú
nGHệ aN - 2013
3
LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ của Thầy giáo -
Tiến sĩ Nguyễn Văn Phú. Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và
kính trọng của mình đến Tiến sĩ Nguyễn Văn Phú, thầy đã tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình hoàn thành luận
văn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Vật lý,
Khoa Đào tạo Sau đại học Trường đại học Vinh, những người đã truyền thụ
cho tác giả những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập, dẫn dắt tác giả

trong bước đầu nghiên cứu khoa học cũng như trong suốt quá trình thực hiện
luận văn.
Tác giả cũng xin cảm ơn bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả hoàn
thành luận văn này.
Vinh, tháng 6 năm 2013
Tác giả
4
Nguyễn Văn Định
MỞ ĐẦU
Trong những thập niên đầu của thế kỷ 20 chúng ta cho rằng các môi
trường quang học chỉ có tính chất tuyến tính. Trong các môi trường đó các
đặc trưng quang học như chiết suất, hệ số hấp thụ không phụ thuộc vào cường
độ ánh sáng, tần số của ánh sáng là không thay đổi trong quá trình truyền lan,
và nguyên lý chồng chất được xem như nguyên lý cơ bản của quang học cổ
điển.
Tuy nhiên sự phát triển nhanh của laser trong những năm giữa thế kỷ
20 trở lại đây đã cho phép chúng ta tiến hành nhiều thí nghiệm kiểm chứng sự
thay đổi về mặt chất của môi trường dưới tác dụng của của chùm ánh sáng có
cường độ lớn. Nhiều thí nghiệm đã cho thấy dưới tác dụng của chùm sáng có
cường độ lớn, tính chất tuyến tính của môi trường bị phá vỡ, môi trường trở
thành phi tuyến. Chiết suất của môi trường cũng như tốc độ của ánh sáng
trong môi trường phi tuyến thay đổi theo độ lớn cường độ ánh sáng, nguyên
lý chồng chất không còn đúng và tần số ánh sáng thay đổi khi truyền qua môi
trường. Như vậy sự có mặt của ánh sáng có cường độ lớn trong môi trường
làm thay đổi tính chất của môi trường [1].
Nghiên cứu quá trình truyền ánh sáng trong môi trường phi tuyến, hiệu
ứng lưỡng ổn định quang học đã dành được một sự quan tâm chú ý đặc biệt
về học thuật cũng như về thực tiễn vì những khả năng đầy hứa hẹn của nó
trong lĩnh vực điều khiển, xử lý thông tin quang và phát triển thế hệ máy tính
thuần túy quang học. Cho đến nay lưỡng ổn định đã trở thành một trong

những hiện tượng quan trọng trong quang học và được quan tâm nghiên cứu
cả về mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm.
5
Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sự kết hợp giữa tính phi tuyến
(nonlinearity) và sự hồi tiếp (feedback) là hai nhân tố bắt buộc để có hiệu ứng
lưỡng ổn định. Hai nhân tố này hoàn toàn có thể thiết lập được trong quang
học. Khi tín hiệu quang học đi ra từ một môi trường phi tuyến được lái trở lại
và sử dụng nó để điều khiển khả năng truyền ánh sáng của chính môi trường,
nhờ đó đặc trưng lưỡng ổn định sẽ xảy ra [1].
Nghiên cứu về hiệu ứng lưỡng ổn định đã đưa đến những ứng dụng to
lớn trong thực tiễn, chẳng hạn ứng dụng để chế tạo các mạch logic, các
transistor, các bộ nén xung và các phần tử nhớ quang hay các yếu tố để xử lý
các tín hiệu dùng trong các máy tính quang học có tốc độ cực nhanh hay các
cổng quang học trong hệ thống thông tin cáp quang ngày nay…mà hoạt động
của chúng cùng dựa trên một cơ sở chung là hiệu ứng lưỡng ổn định quang
học [1]
Trong quá trình truyền dẫn bằng hệ thống thông tin quang, thiết bị
lưỡng ổn định quang học đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập một hệ
thống truyền toàn quang. Các linh kiện quang tử với tốc độ đáp ứng cao và
kích thước gọn nhẹ đã góp phần làm thay đổi phương thức truyền dẫn thông
tin truyền thống bằng cáp đồng trục. Nhờ đó, một khối lượng thông tin khổng
lồ bao gồm các tín hiệu hình ảnh, tín hiệu âm thanh được xử lý và truyền đi
một cách đồng thời.
Sự có mặt của các linh kiện này đã đưa đến một tương lai đầy hứa hẹn
cho thế hệ máy tính lượng tử khi đó các cổng điện tử, khóa điện tử và phần tử
nhớ điện tử trong máy tính điện tử hiện thời được thay bởi các linh kiện
quang tương ứng.
Khảo sát ảnh hưởng của các tham số đầu vào đến hiệu ứng lưỡng ổn
định là một trong những hướng nghiên cứu đang rất được quan tâm với mục
6

đích nhằm phân tích vai trò của các tham số động học phi tuyến cũng như các
tham số đặc trưng cho cấu trúc vật liệu như: Sự thay đổi chiết suất, cường độ
ánh sáng tới, chiều dài hoạt chất, mật độ phân tử của cấu trúc, nhiệt độ cấu
trúc, số lớp cách tử, chu kỳ cách tử… kết quả thu được sẽ giúp thực nghiệm
lựa chọn được bộ các giá trị phù hợp của các thông số giới thiệu để làm cơ
sở cho thực nghiệm nghiên cứu ứng dụng, chế tạo các thiết bị quang tử ứng
dụng trong thực tiễn nhất là trong hệ thống thông tin quang. Nằm trong hướng
nghiên cứu đó, trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề: Khảo sát hiệu ứng
lưỡng ổn định quang học trong môi trường CdSe cấu trúc tuần hoàn.
Nội dung của luận văn được trình bày với bố cục gồm các phần: Mở
đầu, hai chương nội dung, kết luận chung và danh mục các tài liệu tham
khảo.
Chương I. Tổng quan về hiệu ứng lưỡng ổn định quang học và những ứng
dụng trong thông tin quang.
Trong chương này chúng tôi tìm hiểu những khái niệm về hiệu ứng
lưỡng ổn định quang học, trình bày môi trường quang học phi tuyến,
nguyên lý để tạo ra hiệu ứng lưỡng ổn định, một vài giao thoa kế phi tuyến
hoạt động dựa trên hoạt động ổn định quang học, ứng dụng của hiệu ứng
lưỡng ổn định trong thông tin quang.
Chương II. Khảo sát hiệu ứng lưỡng ổn định quang học trong môi
trường CdSe có cấu trúc tuần hoàn.
Trong chương II xuất phát từ mô hình cấu trúc phản hồi phân bố,
chúng tôi dẫn ra hệ phương trình kết hợp phi tuyến và mối quan hệ vào ra của
cường độ truyền qua và cường độ tới. Khảo sát ảnh hưởng của các tham số
cấu trúc của môi trường hay các yếu tố đầu vào lên đường cong mô tả hiệu
ứnglưỡng ổn định trong môi trường CdSe có cấu trúc tuần hoàn
7
Phần kết luận chung sẽ nêu lên một số kết quả đạt được trong quá trình
nghiên cứu đề tài.
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG

HỌC VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN QUANG
1.1. Môi trường phi tuyến.
Chiết suất của nhiều vật liệu quang học ngoài sự phụ thuộc vào bước
sóng còn phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng truyền qua nó, khi đó chiết
suất của môi trường trở thành chiết suất phi tuyến. Trong phần này chúng ta
sẽ khảo sát biểu diễn toán học của chiết suất phi tuyến và nghiên cứu các quá
trình vật lý dẫn tới hiệu ứng này.
Khi chùm ánh sáng đơn sắc có cường độ lớn rọi vào môi trường, chiết
suất của môi trường có thể biểu diễn bởi công thức [1] :
n = n
0

2
2
n E+
%
(1.1)
trong đó, n
0
là chiết suất của môi trường khi được chiếu bởi chùm sáng có
cường độ yếu và
2
n
là chỉ số khúc xạ bậc 2 (còn gọi là hằng số quang mới).
Biểu thức (1.1) cho thấy chiết suất của môi trường này tăng lên theo sự tăng
của cường độ. Dấu ngoặc nhọn bao quanh
2
E
%
biểu diễn trung bình theo thời

gian. Chẳng hạn nếu trường quang học có dạng:
( )E t
%
= E(
ω
)
ti
e
ω
−
+ c.c. (1.2)
thì

2
( )E t〈 〉
%
= 2 E(
ω
)E
*
(
ω
) =2|E(
ω
)|
2
(1.3)
8
Chúng ta tìm được:
n= n

0

( )
2
2
2
ω
En
+
(1.4)
Công thức (1.1) và (1.4) mô tả sự thay đổi của chiết suất của môi trường
phi tuyến dưới tác dụng của chùm sáng có cường độ lớn.
Dưới tác động của trường ánh sáng có cường độ lớn các hiệu ứng phi
tuyến sẽ xẩy ra khi ánh sáng đi qua môi trường. Mỗi hiệu ứng phi tuyến gắn
với một thành phần phân cực bậc cao của môi trường. Hiệu ứng Kerr gắn với
thành phần phân cực bậc ba sau đây [1]:
P
NL
(
ω
) = 3
χ
(3)
(
ω
=
ω
+
ω
-

ω
)
( )
2
ω
E
E(
ω
) (1.5)
trong đó ω là tần số ánh sáng tương tác, E(
ω
) là véc tơ cường độ điện trường,
χ
3
(ω) là thành phần ten xơ bậc ba của độ cảm phi tuyến của môi trường.
Giả thiết rằng các hiệu ứng phi tuyến khác có thể bỏ qua. Để đơn giản, ở
đây giả thiết ánh sáng là phân cực tuyến tính và bỏ qua chỉ số ten xơ của
χ
(3)
.
Khi đó phân cực tổng của một trường có dạng:
P
TONG
(
ω
) =
χ
(1)
E(
ω

) + 3
χ
(3)
( )
2
ω
E
E(
ω
)
eff
χ
≡
E(
ω
) (1.6)
Trong đó
χ
eff
là độ cảm hiệu dụng của môi trường:
χ
eff
=
χ
(1)
+ 3
χ
(3)
|E(
ω

)|
2
(1.7)
Ta biết rằng:
n
2
=1 + 4π
χ
eff
(1.8)
Nên từ (1.4), (1.7) và (1.8) ta tìm được:
9
[n
0
+ 2
2
n
|E(
ω
)|
2
]
2
= 1 + 4π
χ
(1)
+ 12π
χ
(3)
( )

2
ω
E
(1.9)
Khai triển công thức (1.9) và bỏ qua số hạng vô cùng bé bậc cao của
2
)(
ω
E
ta
được:
n
0
2
+ 4n
0
( )
2
2
ω
En
= (1 + 4π
χ
(1)
) + (12π
χ
(3)
( )
2
ω

E
) (1.10)

Như vậy, sau khi tách phần tuyến tính và phần phi tuyến ta có thể coi chiết
suất tuyến tính:
n
0
= (1 + 4π
χ
(1)
)
1/2
(1.11)
Và:
0
)3(
2
3
n
n
πχ
=
(1.12)
là hệ số chiết suất phi tuyến của môi trường.
Khi tính toán có thể hoàn toàn giả định chiết suất đo được nếu sử dụng
chùm laser đơn sắc hình 1.1a. Bằng cách khác có thể tìm được sự phụ thuộc
của chiết suất vào cường độ là sử dụng 2 chùm riêng rẽ thể hiện ở hình 1.1b.
Ở đây sự có mặt của chùm mạnh với biên độ E(
ω
) làm thay đổi chiết suất

của chùm yếu với biên độ E(
ω
’). Độ phân cực phi tuyến tác động đến sóng
có dạng:
P
NL
(
ω
’) = 6χ
(3)
(
ω
’ =
ω
’ +
ω
-
ω
)
( )
2
ω
E
E(
ω
’) (1.13)
Chú ý hệ số suy giảm bằng 6 trong trường hợp này bằng 2 lần trường
hợp chùm đơn trong phương trình (1.5). Thật ra với trường hợp 2 chùm, hệ số
suy giảm bằng 6 nếu
ω

=
ω
’, vì chùm sóng được bắn ra từ một nguồn bơm
theo những hướng truyền khác nhau có tính chất vật lý khác nhau. Từ đây
chiết suất của môi trường được cho bởi:
NL
φ
)(
ω
)3(
χ
ω
)(
ω
NL
φ


)3(
χ


Hình 1.1 
10
n = n
0

( )
2
(weak)

2
2
ω
En+
(1.14)
Ở đây:
0
)3(
(weak)
2
6
n
n
πχ
=
(1.15)
Như vậy, một sóng mạnh làm cho chiết suất của một sóng yếu cùng tần
số tăng lên gấp đôi so với chiết suất của riêng nó. Hiệu ứng này được biết như
là tính trễ của sóng yếu.
Một cách khác biểu thị mối quan hệ của chiết suất vào cường độ là
phương trình:
n = n
0
+ n
2
I (1.16)
ở đây I là cường độ trung bình theo thời gian của trường quang
I =
π
2

0
cn
|E(
ω
)|
2
(1.17)
11
So sánh (1.4) và (1.16) chúng ta có:
2
2
n
|E(
ω
)|
2
= n
2
I (1.18)
Từ (1.17) và (1.18), ta có:
n
2
2
0
4
n
cn
π
=
(1.19)

Từ (1.12) và (1.19), chúng ta tìm được n
2
quan hệ với
χ
(3)
theo công thức:
n
2
cn
2
0
2
12
π
=
χ
(3)
(1.20)
Ta thấy rằng sự thay đổi chiết suất dù là rất nhỏ, song với sự thay đổi
này cũng có thể dẫn đến thay đổi hiệu ứng quang học phi tuyến. Trên cơ sở
các hiệu ứng đó, vấn đề mà chúng tôi quan tâm ở đây là hiệu ứng lưỡng ổn
định quang học. Do đó lựa chọn môi trường Kerr với hệ số phi tuyến hợp lý
đưa vào hệ quang và tạo hiệu ứng phản hồi ngược (feedback) ta sẽ nhận được
một linh kiện lưỡng ổn định toàn quang (All-optical BistableDevice). Các hệ
quang này chủ yếu là các giao thoa kế hoặc là cấu trúc các lớp sắp xếp theo
chu kỳ [1].
1.2. Nguyên lý ổn định quang học
1.2.1 Hiệu ứng lưỡng ổn định quang học
Chiết suất của nhiều vật liệu quang học phụ thuộc vào cường độ của ánh
sáng truyền qua nó, khi đi qua môi trường thì nó gây ra nhiều hiệu ứng phi

tuyến: Hiệu ứng tự hội tụ, hiệu ứng hấp thụ phi tuyến, hiệu ứng lưỡng ổn
định Trong khuôn khổ của luận văn, chúng tôi quan tâm vào hiệu ứng lưỡng
ổn định quang học.
12
Lưỡng ổn định quang học (Optical Bistability) là hiện tượng mà trong
đó có thể xuất hiện hai trạng thái quang học ra ổn định của một hệ quang học
đối với cùng một trạng thái quang học vào. Nói cách khác trong hiện tượng
này tồn tại một sự phụ thuộc kiểu trễ của đặc trưng quang học vào - ra của hệ.
Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là sự thay đổi đột biến của các trạng thái
vật lý của hệ khi các điều kiện vật lý (các tham số vật lý) biến đổi trong
những giới hạn nhất định [1].
Rõ ràng hệ này phải có tính phi tuyến quang học. Tuy nhiên nếu chỉ có
một điều này thôi thì chưa đủ, trong hệ còn phải có các liên kết phản hồi điều
khiển đặc tính truyền qua của môi trường hay ổn định tính đa trị của tín hiệu
ra. Tùy thuộc vào cơ chế vật lý của tính phi tuyến quang học trong hệ mà
người ta phân biệt quang học là hấp thụ, lưỡng ổn định quang học tán sắc và
lưỡng ổn định quang học hỗn hợp hấp thụ-tán sắc. Hệ lưỡng ổn định quang
học hấp thụ liên quan tới sự phụ thuộc phi tuyến của hệ số hấp thụ của môi
trường vào cường độ bức xạ phản hồi còn hệ lưỡng ổn định quang học tán sắc
liên quan liên quan tới sự phụ thuộc phi tuyến của chiết suất môi trường vào
cường độ bức xạ phản hồi đóng [1].
Đường đặc trưng mô tả sự phụ thuộc của I
ra
vào I
vào
có dạng đường cong
trễ hình chữ S (hình 1.2). Miền chấm chấm của đồ thị ứng với các nghiệm
không ổn định, nghĩa là nếu tồn tại một thăng giáng hoặc một nhiễu loạn nhỏ
thì trạng thái của hệ sẽ chuyển lên nhánh trên hoặc nhánh dưới của đồ thị. Giá
trị cường độ vào biểu diễn trên trục hoành, các giá trị cường độ ra sẽ dịch

chuyển theo nhánh dưới cho đến khi giá trị I
vao
đạt đến I
vao
= I
2
, khi đó dòng
truyền qua I
ra
sẽ nhảy lên nhánh trên của đồ thị. Vào thời điểm I
ra
đang nằm ở


13
nhánh trên của đường cong vào - ra, muốn trở về nhánh dưới thì cường độ I
vao
phải giảm xuống thấp hơn một giá trị tới hạn khác I
1
< I
2
. Như vậy một đường
cong trễ đã được xác lập. Ngoài hai giá trị tới hạn I
1
, I
2
thì hệ là ổn định quang
học [1].
1.2.2 Nguyên lý ổn định quang học
Hai nhân tố quan trọng cần thiết để chế tạo linh kiện lưỡng ổn định

quang học đó là tính phi tuyến (nonlinearity) và phản hồi ngược (feedback).
Hai nhân tố này hoàn toàn có thể có trong quang học. Khi tín hiệu quang học
đi ra từ một môi trường phi tuyến (phần tử phi tuyến) được lái trở lại (sử dụng
gương phản xạ) và sử dụng nó để điều khiển khả năng truyền ánh sáng của
chính môi trường đó thì đặc trưng lưỡng ổn định sẽ xuất hiện. [1]
Ta xem xét hệ quang học tổng quát trên hình 1.3. Nhờ quá trình phản hồi
ngược cường độ ra I
ra
bằng cách nào đó sẽ điều khiển được hệ số truyền qua
T của hệ, sao cho T là một hàm phi tuyến: T = T(I
ra
). Do I
ra
= TI
vao
, nên:



!"
   #
  
Hình 1.4.$%&'()'*+
14
I
vào
= (1.21)
Biểu thức (1.21) mô tả quan hệ vào ra của hệ lưỡng ổn định [1].
Hình 1.3.Hệ quang học trong đó hệ số truyền qua là hàm của cường độ ra I
ra

[1].
Rõ ràng hệ này có đặc trưng lưỡng ổn định. Với cường độ vào nhỏ (I
vào
< I
1
) hoặc lớn (I
vào
> I
2
), mỗi giá trị vào chỉ ứng với một giá trị đầu ra. Trong
vùng trung gian I
1
< I
vào
< I
2
mỗi giá trị vào ứng với 3 giá trị ra, trong đó 2
giá trị của cường độ ở nhánh trên và nhánh dưới là các giá trị ổn định và giá
trị trung gian ở nhánh giữa là không ổn định được biểu thị bởi đường nét đứt
(trên đoạn I
1
- I
2
trên hình 1.4c là giá trị không ổn định). Nếu một thăng
giáng hoặc một nhiễu loạn nhỏ nào đó được thêm vào ở đầu vào sẽ làm cho
trạng thái đầu ra của hệ chuyển lên nhánh trên hoặc nhánh dưới của đồ thị.
)(
ra
ra
IT

I
Hình 1.5.,&-&./&0&1+2&&2,'34&5&26728&&29-+


15

Bắt đầu từ tín hiệu đầu vào nhỏ và tăng đầu vào khi đạt được ngưỡng I
2
đầu ra sẽ nhảy lên trạng thái trên mà không qua trạng thái trung gian. Khi
đầu vào giảm, đầu ra giảm theo nhánh trên cho đến khi đạt được giá trị
ngưỡng I
1
đầu ra sẽ nhảy xuống trạng thái dưới như hình 1.5.

Đối với sự không ổn định của trạng thái trung gian P (P nằm trên
đường nét đứt nối hai điểm 1 và 2 như hình 1.5), khi có một sự tăng nhỏ của
I
ra
cũng gây nên sự tăng đột ngột của hàm truyền T(I
ra
) thậm chí lúc đó I
ra
không tăng nữa thì hàm truyền vẫn tiếp tục tăng mạnh (độ dốc của đồ thị hàm
truyền dương và lớn gần như là thẳng đứng hình 1.4a), kết quả là có sự
chuyển tiếp từ P lên trạng thái ổn định nhánh trên. Tương tự, khi có một sự
Hình 1.6:2 & 9/;1<= &>2&71/ &'&)292?)'*+@7A

2  7&
B
B#"C#


DEF#
16
giảm nhỏ của I
ra
cũng gây ra sự giảm đột ngột của hàm truyền T(I
ra
) , do đó có
sự chuyển tiếp từ P xuống trạng thái ổn định nhánh dưới [1].
Như ta đã nghiên cứu ở trên, tính lưỡng ổn định có được nhờ quá trình
chuyển pha loại II trong quá trình vật lý. Sự chuyển pha trong các thiết bị
lưỡng ổn định điện - quang và quang - quang dựa trên sự thay đổi chiết suất
do cường độ mạnh của trường ngoài. Sự thay đổi chiết suất này dựa trên hiệu
ứng phi tuyến xẩy ra trong môi trường phi tuyến có độ cảm phi tuyến bậc ba.
Hiệu ứng thay đổi chiết suất này còn gọi là hiệu ứng Kerr và môi trường có
tính chất trên gọi là môi trường phi tuyến kiểu Kerr mà ta đã khảo sát ở phần
trên [1].
1.3 Một vài linh kiện lưỡng ổn định quang học
Một số giao thoa kế có chứa môi trường Kerr gọi là giao thoa kế phi
tuyến và chúng hoạt động như một linh kiện lưỡng ổn định.
Giao thoa kế Fabry-Perot phi tuyến tạo bởi hai gương quang học M
1
và
M
2
có hệ số phản xạ R
1
và R
2
tương ứng, đặt cách nhau một khoảng d. Giữa

hai gương được lấp đầy bởi môi trường phi tuyến Kerr có chiết suất tuyến
tính n
0
hệ số chiết suất phi tuyến n
2
và hệ số hấp thụ tuyến tính
α
(hình 1.6).
Khi một sóng ánh sáng có cường độ I
in
đi vào một phần sẽ truyền qua có
cường độ I
out
, một phần bị phản xạ trở lại và bị giam giữa hai gương. Phần
này có tác dụng làm thay đổi chiết suất của môi trường và được gọi là cường
độ điều khiển I
c
[1]. Như vậy trong giao thoa kế này đã đảm bao hai nhân tố:
môi trường phi tuyến bên trong giao thoa kế và phản hồi ngược( do gương
phản xạ R
2
) do đó xảy ra hiệu ứng lưỡng ổn định.
Hình 1.7:2 & 9/BG==>2&71/ &'&)292?)'*+

DEF#&
<
B
B#
BH
<#

I
2
 7&
J
α
17
Giao thoa kế Mach-Zehnder phi tuyến với môi trường phi tuyến tuân
theo hiệu ứng quang học Kerr trong một nhánh (hình 1.7). Môi trường phi
tuyến có độ dày d chiết suất tuyến tính n
0
và hệ số chiết suất phi tuyến n
2
đặt
giữa hai bản chia P
1
và P
2
có hệ số phản xạ 50% tương ứng (nhánh thứ nhất).
Hai gương M
1
và M
2
có hệ số phản xạ 100% đặt giữa hai bản chia (nhánh thứ
hai). Ánh sáng vào sau khi được chia bởi bản chia P
1
đi vào 2 nhánh có cường
độ như nhau. Trong nhánh thứ nhất ánh sáng truyền thẳng qua môi trường phi
tuyến tới bản chia P
2
, trong nhánh còn lại sau khi phản xạ bởi 2 gương M

1
và
M
2
mới tới P
2
. Sau khi tới P
2
hai tia này giao thoa với nhau. Nhờ bản chia P
2
một phần sẽ đi ra ngoài I
ra
phần còn lại sẽ quay về môi trường phi tuyến nhờ
gương phản xạ 100% M
3
.
Hiệu ứng quang học Kerr được tạo ra nhờ ánh sáng phản hồi và độ
truyền qua của môi trường phi tuyến cũng chỉ phụ thuộc vào ánh sáng phát
I
out
. Khi đó hàm truyền phụ thuộc cường độ ra dạng [1]:
 









++=
δ
λ
π
rara
In
d
IT
2
0
2cos
2
1
2
1
)(
với
( )
00
/2 nd
λπϕδ
+=

(1.22)
18
1.4 Ứng dụng của hiệu ứng lưỡng ổn định trong thông tin quang
Các thiết bị quang tử hoạt động dựa trên hiệu ứng lưỡng ổn định quang
học được gọi là thiết bị lưỡng ổn định. Như vậy để cho thiết bị lưỡng ổn định
hoạt động thì cần có hai điều kiện cơ bản, đó là hiệu ứng phi tuyến và sự phản
hồi ngược. Thiết bị lưỡng ổn định quang học (optical bistabble device) đã

được nghiên cứu và khảo sát trong nhiều năm qua. Nhiều dạng thiết bị lưỡng
ổn định quang học đã được chế tạo và ứng dụng như: cặp diode phát quang
(light emitting diode couple), cặp laser bán dẫn (laser diode couple), các lớp
phản xạ hoặc lớp màng mỏng phun lên thủy tinh. Các giao thoa kế phi tuyến
như giao thoa kế Fabry-Perot, giao thoa kế Mach-Zehnder được ứng dụng chế
tạo các mạch IC quang học như: linh kiện biến đổi tương tự- số (A/D
converter), và các đảo mạch quang (optical flip-flop) [1].
Thiết bị lưỡng ổn định có vai trò quan trọng trong các mạch số được
ứng dụng trong thông tin, xử lí tín hiệu số và trong máy tính. Chúng được sử
dụng như là các khóa đóng mở, các cổng lôgic, các phần tử nhớ (hình 1.8).
Các tham số của thiết bị cũng có thể được điều khiển sao cho hai giá trị
ngưỡng của đầu vào trùng nhau. Thiết bị một ngưỡng như vậy có mối quan hệ
giữa đầu vào với đầu ra dạng chữ S. Với đặc điểm này, nó có độ khuếch đại vi
&
KL
#


H
#
#
H
&

H
KL
C
C
Hình 1.8. M7&0N2>N >(?)'*+
19

phân rộng và được sử dụng như là các thiết bị khuếch đại (hình 1.9) hoặc có
thể sử dụng để làm phần tử ngưỡng ( đầu ra chuyển giữa hai giá trị khi đầu
vào vượt ngưỡng) phần tử nắn xung (hình 1.10).
Quá trình flip - flop trên hình 1.8 được giải thích như sau: tại thời
điểm 1 đầu ra thấp, xung dương tại thời điểm 2 đẩy đầu ra từ thấp lên cao.
Đầu ra sẽ ở trạng thái cao cho đến khi một xung âm đưa vào tại thời điểm 3 sẽ
hạ đầu ra quay trở lại trạng thái thấp. Hệ này hoạt động như là một khóa hoặc
một phân tử nhớ.
Đối với các phần tử lôgic sử dụng thiết bị lưỡng ổn định, các dữ liệu
nhị phân được thể hiện bằng các xung và được đưa đồng thời vào thiết bị. Với
C
KL
O7L
O7
&
Hình 1.9 P?)'*+)L2?')L&2/&97/2
Hình 1.10 P?)'*+2&&2/&Q7R>S&T%
&
O7L
&
KL
C
O7
20
sự lựa chọn chính xác độ cao xung phù hợp với các giá trị ngưỡng, hệ sẽ mở
hoặc đóng tùy thuộc tín hiệu đầu vào. Khi xuất hiện đồng thời hai xung thì
đầu ra nhảy lên trạng thái cao (hệ mở) và nó nhảy về trạng thái thấp (hệ đóng)
nếu điều kiện này không thỏa mãn. Vì thế, trong trường hợp này hệ hoạt động
như là một phần tử logic AND (hình 1.11) [1].
KL

C
E
2
E

EFE
EF
FE
F
E

#
EFE
C
E
E E
UVW
Hình 1.11!2/&)'*+ &')L&+) 2,S7L 2DF#X2L#26728Y)2?7>Z,S7 2& 92L[927\&2?&3227
21
Các thiết bị quang tử đóng vai trò quan trọng trong khoa học kỹ thuật
và trong công nghệ truyền dẫn quang. Các linh kiện quang tử lưỡng ổn định
có thể tạo thành các mạch logic liên tiếp. Một mạch lưỡng ổn định điện tử
22
được chế tạo bằng cách kết nối các Transistor với nhau, còn thiết bị lưỡng ổn
định quang học là sự kết hợp giữa các vật liệu phi tuyến và quá trình phản hồi
quang học.
1.5. Kết luận chương
Chương một luận văn chúng tôi đã trình bày môi trường phi tuyến, mô tả
biểu diễn toán học của chiết suất phi tuyến và các quá trình vật lý dẫn tới hiệu
ứng này. Nguyên lý ổn định quang học, mối quan hệ vào ra của hệ lưỡng ổn

định và đưa ra một vài thiết bị lưỡng ổn định hoạt động dựa trên hiệu ứng
này.
Lưỡng ổn định quang học đạt được dựa trên hai hiệu ứng: tính phi tuyến
và phản hồi ngược. Tính phi tuyến chúng tôi xét môi trường phi tuyến kiểu
Kerr, phản hồi ngược có thể tao ra trong buồng cộng hưởng có tính hồi tiếp
dương. Các hệ quang có tính lưỡng ổn định chủ yếu là các giao thoa kế phi
tuyến, hoặc là cấu trúc các lớp sắp xếp theo chu kỳ. Trong chương II của luận
văn này chúng tôi sẽ khảo sát về hiệu ứng lưỡng ổn định quang học trong
môi trường CdSe có cấu trúc tuần hoàn phi tuyến.
23
CHƯƠNG II. KHẢO SÁT HIỆU ỨNG LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG
HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG CdSe CÓ CẤU TRÚC TUẦN HOÀN
Như đã trình bày trong phần nội dung của chương I, môi trường phi
tuyến là một trong yếu tố góp phần đã tạo ra hiệu ứng lưỡng ổn định. Hiệu
ứng này có thể kiểm chứng được một cách đơn giản bằng thực nghiệm và dễ
dàng ứng dụng vào trong khoa học và trong những ngành công nghệ mới. Một
minh chứng rõ ràng nhất đó là sự thâm nhập mạnh của nó vào khoa học và
vào cuộc sống tạo nên những sự thay đổi mới về công nghệ. Các thiết bị linh
kiện có ứng dụng của hiệu ứng lưỡng ổn định đã ra đời với tốc độ phản ứng
cao và kích thước gọn nhẹ đã dần dần thay thế các linh kiện điện tử. Sự có
mặt của các linh kiện điện tử này đã thúc đẩy quá trình thương mại hóa và
góp phần vào việc hạ giá thành của việc truyền tải thông tin. Các thiết bị này
đã được chế tạo hoàn thiện về mặt công nghệ và đã được ứng dụng trong các
hệ thống thông tin đường dài. Đây là một vấn đề mới đang được phát triển
mạnh và trên thực tế đó là một bước phát triển cao hơn về mặt chất lượng của
hiệu ứng lưỡng ổn định.
Quang học phi tuyến nói chung và lưỡng ổn định nói riêng là một lĩnh
vực nghiên cứu khá rộng được nhiều người quan tâm. Mục đích của sự nghiên
cứu là nhằm làm sáng tỏ bản chất của hiện tượng lưỡng ổn định, đồng thời
phân tích ảnh hưởng của các tham số động học phi tuyến cũng như các tham

số đặc trưng cho cấu trúc vật liệu như: môi trường hoạt chất, chiều dài hoạt
chất, mật độ phân tử của cấu trúc, nhiệt độ cấu trúc, số lớp cách tử, chu kỳ
cách tử, điều kiện bước nhảy, sự thay đổi chiết suất cũng như cường độ ánh
sáng tới, .v.v. lên các đường đặc trưng của hiệu ứng lưỡng ổn định. Từ đó tìm
cách hạn chế ảnh hưởng tiêu cực, nâng cao ảnh hưởng tích cực, nhằm góp
24
phần hoàn thiện vật lý. Thiết bị giới hạn quang học và thiết bị chuyển mạch
cung cấp một cơ sở tiềm năng trong quá trình xử lý tín hiệu quang học [1-2],
[9-10]. Các thiết bị này có thể được sử dụng để lọc, định hình và xung ghép
kênh quang học và giới hạn quang học [2], [4]. Những thiết bị dựa trên giới
hạn quang học và chuyển đổi ứng dụng trong các mạng tốc độ siêu cao và
trong các bộ vi xử lý tốc độ cao chuyên ngành như dữ liệu. Mặc dù lưỡng ổn
định đã được nghiên cứu rất nhiều vì nó đã dành được một sự quan tâm đặc
biệt về mặt lý thuyết cũng như về ứng dụng thực tiễn vì những khả năng đầy
triển vọng của nó trong lĩnh vực điều khiển và xử lý thông tin quang cũng như
sự phát triển thế hệ máy tính thuần túy quang học mang tính chất cách mạng,
song nó vẫn chưa được giải quyết một cách trọn vẹn hay ít nhất người ta vẫn
chưa nghiên cứu hết các cơ chế khả dĩ cho phép lưỡng ổn định. Mặt khác, do
những nhu cầu nội tại của chính vấn đề, khi nghiên cứu về lưỡng ổn định chỉ
nghiên cứu về tính chất riêng, đơn giản của các tính chất quang học của hệ
hoặc do những nhu cầu thiết yếu của hướng nghiên cứu ứng dụng, ta cần phải
biết một cách đầy đủ, chính xác về các tính chất quang học trong các hệ lưỡng
ổn định. Điều đó cho phép xác lập chế độ làm việc của hệ một cách tốt hơn để
góp phần hoàn thiện vật lý cũng như công nghệ. Do đó việc nghiên cứu hiệu
ứng lưỡng ổn định là một vấn đề đang nhận được nhiều sự quan tâm, chú ý
của các nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới. Với tính hữu ích
rộng lớn của giới hạn quang và chuyển mạch quang thụ động trong xử lý tín
hiệu quang học, trong bản luận văn này được thực hiện nhằm nghiên cứu các
quá trình xử lý tín hiệu quang bằng cấu trúc phản hồi phân bố dựa trên hệ
phương trình tốc độ của môi trường phi tuyến tuần hoàn mà chúng tôi sẽ đề

cập dưới đây.
Iin
Iref
Iout
E+(z)
E –"]
L
z
25
2.1. Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Mô hình cấu trúc phản hồi phân bố
Ta xét một cấu trúc phản hồi phân bố như được mô tả trên hình 2.1.
Trong cấu trúc này mật độ phân bố của các lớp vật liệu trong không gian có
chiết suất thay đổi tăng giảm có tính chất chu kỳ. Chùm ánh sáng tới cấu trúc
sẽ bị phản xạ một phần tại bề mặt các lớp và phần còn lại được truyền qua đi
ra khỏi cấu trúc. Chùm phản xạ không xuất hiện ở mép biên bên phải của cấu
trúc.
Hình 2.1. Mô hình cấu trúc phản hồi phân bố phi tuyến.
2.1.2 Hệ phương trình tốc độ
Xét cấu trúc phản hồi phân bố phi tuyến được mô tả như trên hình 2.1.
Cấu trúc bao gồm các lớp vật liệu xen kẽ nhau, mỗi lớp vật liệu có một hệ số
phi tuyến Kerr xác định. Chiết suất của các lớp vật liệu được viết dạng [6]:
n = n
0
+ n
nl
I (2.1)