Một số tìm hiểu về khóa quang tử và máy tính quang tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VÕ HOÀNG TÂN

MỘT SỐ TÌM HIỂU VỀ KHÓA QUANG TỬ
VÀ MÁY TÍNH QUANG TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Nghệ An, 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VÕ HOÀNG TÂN

MỘT SỐ TÌM HIỂU VỀ KHÓA QUANG TỬ
VÀ MÁY TÍNH QUANG TỬ

Chuyên ngành: Quang Học
Mã số: 60.44.01.09

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: TS. CHU VĂN LANH

Nghệ An, 2015

i

Tác giả xin chân thành cảm ơn quý Thầy - Cô đã dìu dắt, truyền đạt
những kiến thức quý báu trong thời gian học vừa qua tại trường đại học Vinh
liên kết với đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long An.
Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành và bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc đến thầy giáo TS. Chu Văn Lanh, người đã trực tiếp tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học đã giúp đỡ, đóng góp
những ý kiến quý báu liên quan đến nội dung luận văn.
Cảm ơn Ban lãnh đạo phòng đào tạo sau đại học – Trường Đại học
Vinh, cùng với đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long An đã tạo điều kiện cho
tác giả hoàn thành chương trình Cao học.
Xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã động
viên và chia sẽ những khó khăn trong thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn.
Tác giả


ii

MỤC LỤC
Trang
Mở đầu .............................................................................................................. 1
Chương 1. LINH KIỆN QUANG TỬ .............................................................. 3
1.1. Linh kiện quang điện ................................................................................. 3
1.1.1. Biến điệu quang điện ....................................................................... 3
1.1.2. Linh kiện quét tia laser .................................................................... 5
1.1.3. Bộ liên kết định hướng ..................................................................... 6
1.2. Linh kiện quang phi tuyến ........................................................................ 8

1.2.1. Máy phát hòa âm bậc hai .................................................................. 8
1.2.2. Các bộ trộn ba sóng ........................................................................ 10
1.2.3. Gương liên hợp pha ........................................................................ 11
1.2.4. Laser soliton ................................................................................... 14
1.3. Linh kiện quang âm ................................................................................. 16
1.3.1. Cách tử Bragg ................................................................................ 16
1.3.2. Linh kiện biến điệu quang âm ....................................................... 17
1.3.3. Linh kiện quét tia quang âm ........................................................... 19
1.3.4. Linh kiện chuyển tiếp quang tử ..................................................... 20
1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................. 22
Chương 2. KHÓA QUANG TỬ VÀ MÁY TÍNH QUANG TỬ ................... 23
2.1. Khóa quang tử ......................................................................................... 23
2.1.1. Khóa .............................................................................................. 23
2.1.2. Khóa quang – cơ, quang – điện, quang – âm và quang – từ .......... 24
2.2. Khóa toàn quang ..................................................................................... 28
2.3. Linh kiện lưỡng ổn định quang học ........................................................ 31
2.3.1. Hệ lưỡng ổn định ............................................................................ 31
2.3.2. Nguyên lý lưỡng ổn định quang học .............................................. 33
2.3.3. Linh kiện lưỡng ổn định quang học ................................................ 35


iii

2.3.4. Linh kiện lưỡng ổn định lai giữa điện tử và quang học ................. 38
2.4. Máy tính quang tử.................................................................................... 39
2.4.1. Mô hình máy tính quang tử ............................................................ 39
2.4.2. Xử lý tương tự quang...................................................................... 41
2.5. Kết luận chương 2 ................................................................................... 46
KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 49

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của xã hội, con người có những yêu cầu cao hơn
trong công việc và đời sống. Do đó, họ bắt đầu chế tạo ra những máy móc
thông minh để đáp ứng nhu cầu của mình, một trong số đó là máy vi tính.
Từ khi chiếc máy tính điện tử kĩ thuật số đầu tiên trên thế giới ra đời
đến nay, kỹ thuật máy tính đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hoạt
động của loài người, và đã phát triển mạnh với tốc độ rất nhanh. Các linh kiện
điện tử của máy tính không ngừng đổi mới, và phát triển theo hướng cực tiểu
hóa, khiến chức năng của nó không ngừng mở rộng và hoàn thiện. Do sử
dụng mạch tổ hợp quy mô lớn và quy mô siêu lớn, khiến tốc độ tính của máy
tính tăng lên rất lớn, ngược lại công suất tiêu hao rất nhiều.
Ngày nay kỹ thuật máy tính lại đứng trước một cuộc cách mạng mới.
Các nhà khoa học gửi gắm vào kỹ thuật quang học hiện đại để phát triển máy
tính thế hệ mới, tức là máy tính quang tử.
Như chúng ta biết, tốc độ của ánh sáng là nhanh hơn so với tốc độ của
dòng điện nhiều lần. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ truyền dữ liệu
trên một khoảng cách dài. Đây là yếu tố chính dẫn đến sự phát triển của công
nghệ này. Trong máy tính quang tử, dùng cáp quang để chuyển tín hiệu
quang, do các loại linh kiện quang học và các linh kiện logic điều khiển bằng
tín hiệu quang hợp thành các loại mạch quang học, dùng tín hiệu quang để
thực hiện lưu trữ tính toán và suy luận logic các tín hiệu quang khác nhau
được truyền đi theo kênh của mình hoặc các kênh song hành, không nhiễu lẫn
nhau.
Nhà điện tử học nổi tiếng nước Mỹ Piore dự đoán: “sau năm 2000, máy
tính quang tử sẽ thay thế máy tính điện tử, và cuối cùng sẽ trở thành một loại

kỹ thuật máy tính chủ yếu”. Chính vì tầm quan trọng này của máy tính quang


2

tử mà chúng tôi chọn đề tài: “Một số tìm hiểu về khóa quang tử và máy tính
quang tử”
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Tìm hiểu về khóa quang tử và máy tính quang tử.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
- Tìm hiểu các linh kiện quang tử sử dụng trong công nghệ mạng thông
tin.
- Tìm hiểu khái quát một số khóa quang tử.
- Nêu ra mô hình cấu trúc của một máy tính quang tử.
- Nêu ra các phép tính toán học trong quá trình xử lý tương tự quang.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng : Các linh kiện quang tử và khóa quang tử.
Phạm vi : Đề tài chỉ nghiên cứu trong vấn đề tìm hiểu một số loại khóa
quang tử sử dụng để điều khiển tín hiệu quang trong máy tính quang tử.
5. Phương pháp nghiên cứu đề tài
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu bằng lý thuyết .
6. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của luận văn
Kết quả của luận văn nhằm giới thiệu về khóa quang tử và máy tính
quang tử.
Làm tài liệu tham khảo cho học viên cao học và cho những ai quan tâm.
7. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn này được
trình bày theo hai chương :
Chương 1 : Linh kiện quang tử.
Chương 2 : Khóa quang tử và máy tính quang tử.

3

Chương 1. Linh kiện quang tử
Những hiện tượng phi tuyến do laser có công suất lớn gây ra đã gợi ý
nhiều ứng dụng trong thực tế và ngày càng phát triển với hy vọng mở ra một
thời đại mới, thời đại quang tử, có xu thế thay thế thời đại điện tử trong một
tương lai gần. Một số ứng dụng của laser trong đời sống, thay thế dần vai trò
của điện tử đã trở thành hiện thực và một số đề xuất ứng dụng khác đang
được nghiên cứu và hoàn thiện. Trong chương này chúng ta sẽ đề cập đến một
số ứng dụng của laser, thông qua các linh kiện quang tử đã được nghiên cứu,
trong đó một số đã được đưa vào sử dụng trong thực tế.
1.1. Linh kiện quang điện
1.1.1. Biến điệu quang điện
Nguyên lý hoạt động: Giả sử có một điện trường E đủ mạnh truyền
trong môi trường, khi đó chiết suất của môi trường phi tuyến là một hàm của
E. Ta có thể khai triển hàm này thành chuỗi Taylor xung quanh giá trị E = 0 ,
tức là:
⎛ d 2n ⎞
⎛ dn ⎞
n( E ) = n + ⎜
E
E 2 + ...
+
⎜
⎟
⎟
⎝ dE ⎠ E =0
⎝ dE2 ⎠ E =0

Đặt χ = −
θ=

(1.1)

2 ⎛ dn ⎞
là hệ số Pockel (hệ số điện – quang tuyến tính).
n3 ⎜⎝ dE ⎟⎠ E =0

1 ⎛ d 2n ⎞
⎜
⎟ là hệ số Kerr (hệ số điện – quang bậc hai).
n 3 ⎝ dE2 ⎠ E =0
1
2

1
2

Do đó: n( E ) = n − χ n 3 E − θ n3 E 2 + ...

(1.2)
1
2

Đối với vật liệu có môi trường đẳng hướng thì : n( E ) = n − χ n 3 E gọi
môi trường Pockel.

là

4
1
2

Đối với môi trường có tính đối xứng thì: n( E ) = n − θ n 3 E 2 gọi

là

môi

trường Kerr.
Khi ánh sáng đi qua môi trường điện – quang Pockel đã được áp điện
trường E , chiết suất của môi trường sẽ thay đổi, dẫn đến pha của ánh sáng sẽ
dịch đi một lượng:
ϕ = n ( E ) k0 L =

2π

λ0

(1.3)

n(E ) L

Trong đó: L là chiều dài môi trường, λ0 là bước sóng ánh sáng trong chân
không. Ta tính được độ dịch pha:
ϕ=

Với ϕ0 =

2π ⎛
1 3 ⎞
πχ n 3 EL
n
χ
n
E
L
ϕ
−
⎟ = 0− λ
λ0 ⎜⎝
2
⎠
0
2π nL

λ0

(1.4)

là pha ban đầu.

Giả sử điện áp đặt vào môi trường, có chiều dày d là V , khi đó E =

Ta sẽ được: ϕ = ϕ0 −

⎛V

⎝d

πχ n3 ⎜

λ0

V
.
d

⎞
⎟L
⎠ = ϕ − π V . Trong đó: V = d λ0 gọi là điện áp
0
π
Vπ
Lχ n 3

nửa bước sóng, tức là điện áp làm cho pha dịch đi một lượng là π .
Như vậy bằng cách thay đổi điện áp đặt vào môi trường Pockel, ta có thể
thay đổi pha của sóng ánh sáng. Linh kiện có tính chất như vậy gọi là bộ biến
điệu.
Cấu trúc: Thông thường các tinh thể NH 4 H 2 PO4 ( ADP ) , KH 2 PO4 ( KDP ) ,
LiNbO3 , LiTaO3 và CdTe được sử dụng làm tế bào Pockel. Có 3 dạng cấu trúc:

Biến điệu dọc (hình 1.1a), biến điệu ngang (hình 1.1b), biến điệu sóng chạy
ngang (hình 1.1c) [1].


5

V

d
V
L

a)

b)

L

c)

V

Hình 1.1 a) Biến điệu dọc. Các cực có thể là vòng đệm, hoặc ống cũng có thể
là vật liệu dẫn trong suốt. b) Biến điệu ngang. c) Biến điệu sóng chạy ngang.
Ứng dụng: Ngoài chức năng dùng để biến điệu pha, các bộ biến điệu
quang – điện được chế tạo như là các linh kiện tích hợp quang. Tốc độ làm
việc của các linh kiện này rất cao (>1000 GHz) và sử dụng điện áp thấp.
Một ứng dụng khác của chúng là sử dụng để biến điệu cường độ ánh
sáng nếu đặt trong giao thoa kế.
1.1.2. Linh kiện quét tia laser
Nguyên lý hoạt động: Đặt điện áp (V ) vào lăng kính có chiết suất n , góc
đỉnh α , độ dày d làm cho chiết suất của lăng kính thay đổi một lượng Δn , thì
góc ra của tia sáng thay đổi một lượng:
1
1
V

Δβ = αΔn = − αχ n3 E = − αχ n 3
2
2
d

(1.5)

Khi thay đổi điện áp thì góc Δβ sẽ thay đổi, vì vậy góc ló của tia sáng
cũng thay đổi. Nếu điện áp thay đổi liên tục với một độ mịn nào đó, tia ló sẽ
quét liên tục với độ phân giải:
Δβ

1αχ n 3VD V
=
=
N≈
δβ
2λ0 d
2Vπ

Ở đây: δβ =

λ0
D

(1.6)

là góc phân kỳ của chùm tia, D là bán kính vết của chùm tia.

Cấu trúc: Linh kiện quét tia laser thường có 2 cấu hình là sử dụng lăng

kính kiểu góc vuông (hình 1.2a) và thiết kế theo kiểu xếp liên tục bằng cách
thay đổi chiều điện áp đặt vào (hình 1.2 b) [1].


6
d

α

d

−

α
β

V−

V+

a)

−

β

V+
L

b)

L

Hình 1.2 Lăng kính điện – quang. Góc ló của ánh sáng
được điều khiển bởi điện áp V .
Ứng dụng: Lăng kính điện – quang đơn (hình 1.2a) được sử dụng trong
việc thay đổi vết chùm tia laser hay thay đổi góc ló một cách liên tục.
Lăng kính kép (hình 1.2b) được sử dụng để dịch vị trí của chùm tia tới
song song với chính nó. Hiệu ứng này có thể xảy ra đối với chùm tia có phân
cực xác định nào đó, nhưng đối với chùm tia có phân cực khác sẽ không xảy
ra (hình 1.3).

Bộ quay phân cực
điện – quang

Tinh thể
lưỡng chiết

Hình 1.3 Thay đổi vị trí sáng trên cơ sở liên kết trễ pha điện – quang
và tinh thể lưỡng chiết.
1.1.3. Bộ liên kết định hướng
Nguyên lý hoạt động: Giả thiết có bộ liên kết quang gồm hai ống dẫn
sóng như trong hình 1.4a. Công suất tải trong hai ống dẫn sóng P1 ( z ) và P2 ( z )
thay đổi theo chu kỳ dọc theo phương truyền z và hiệu hằng số truyền giữa
hai sợi quang: Δβ = β1 − β 2 =
ống dẫn sóng.

2πΔn

λ0

. Trong đó: Δn là hiệu chiết suất giữa hai


7

P1 ( 0 )

ℑ
1

ống dẫn sóng 1
ống dẫn sóng 2

P2 ( L0 )

b)

a)

0

π 3 Δβ L0

Hình 1.4 a) Cấu hình bộ liên kết quang. b) Phụ thuộc của hệ số truyền
vào độ lệch pha.
Một bộ liên kết có chiều dài L0 và Δβ ≠ 0 , tỉ số truyền công suất
ℑ=

P2 ( L0 )

là một hàm của độ lệch pha và có dạng sau:
P1 ( 0 )
2
2
⎧
⎛ Δβ L0 ⎞ ⎫⎪
⎛π ⎞
2 ⎪1
ℑ = ⎜ ⎟ sin c ⎨ 1 + ⎜
⎟ ⎬
2
⎝2⎠
⎝ π ⎠ ⎭⎪
⎩⎪

Trong đó: c là hệ số liên kết, L0 =

π
2c

gọi là hàm truyền như trên hình vẽ 1.4b.

Sự phụ thuộc của công suất liên kết vào độ lệch pha là chìa khóa cho
nguyên lý hoạt động của bộ liên kết định hướng điện – quang. Bằng cách điều
khiển điện áp đặt vào một trong hai ống dẫn quang, chúng ta sẽ điều khiển
được chiết suất của ống, dẫn đến điều khiển được Δβ . Khi có điện áp đặt vào,
hàm truyền sẽ có dạng phụ thuộc vào điện áp như sau:
2
2
⎧

⎛ V ⎞ ⎫⎪
⎛π ⎞
2 ⎪1
ℑ = ⎜ ⎟ sin c ⎨ 1 + 2 ⎜ ⎟ ⎬ gọi là hiệu suất liên kết.
⎝2⎠
⎝ V0 ⎠ ⎪⎭
⎪⎩ 2

Cấu trúc: Bộ liên kết được thiết kế như trên hình 1.5a và đường đặc
trưng của hiệu suất liên kết trên hình 1.5b. Hai sợi quang giống nhau. Khi
điện áp đặt vào bằng không, tất cả công suất quang sẽ liên kết từ ống dẫn 1
sang ống dẫn 2. Khi V = V0 , tất cả công suất quang giữ trong ống dẫn quang 1,
tức là truyền theo ống 1 [1].


8
P1 ( 0 )

V+

ℑ (V )
1

L0
d
P2 ( L )

a)

0

V0

V

b)

Hình 1.5 a) Một bộ liên kết quang – điện tích hợp.
b) Phụ thuộc của hiệu suất liên kết vào điện áp.
Bộ liên kết này có thể chế tạo bằng cách khuếch tán titan vào trong tinh
thể LiNbO3 siêu sạch. Điện áp đặt vào thông thường không nhỏ hơn 10V. Tốc
độ hoạt động có thể lớn hơn 10 GHz. Trước khi đưa vào sợi quang, ánh sáng
laser được hội tụ thành vết có kích thước vài μ m .
Ứng dụng: Nhờ bộ liên kết này, tia laser có thể điều khiển tự động
chuyển từ kênh dẫn này sang kênh dẫn khác. Có thể sử dụng như một linh
kiện tích hợp quang.
1.2. Linh kiện quang phi tuyến
1.2.1 Máy phát hòa âm bậc hai
Nguyên lý hoạt động: Sử dụng chùm tia laser có cường độ đủ lớn chiếu
vào môi trường phi tuyến bậc hai, thì môi trường sẽ phân cực với mật độ phân
cực phi tuyến bậc hai ρ pht đủ lớn. Khi đó, đạo hàm bậc hai của mật độ phân
cực theo thời gian sẽ chứa thành phần tần số 2ω với biên độ phức là:
S ( 2ω ) = 4 μ0ω 2 dE ( ω ) E (ω )

Trong đó, d là độ cảm phi tuyến bậc hai hiệu dụng. Thành phần này sẽ là
nguồn phát xạ trường quang học có tần số 2ω . Trường quang học này có
thành phần hòa âm bậc hai của trường quang học tới.
Hiệu suất phát hòa âm bậc hai tỉ lệ thuận với cường độ I =

P

, trong đó,
A

P là công suất vào và A là tiết diện ngang. Từ đó thấy rằng, ánh sáng vào có


9

cường độ lớn và được hội tụ vào một vùng có diện tích nhỏ sẽ cho ta ánh sáng
hòa âm bậc hai mạnh. Rõ ràng, ánh sáng laser ở dạng xung sẽ cho hiệu suất
cao và ánh sáng hòa âm bậc hai mạnh.
Để nâng cao hiệu suất hòa âm bậc hai, ngoài việc sử dụng ánh sáng vào
có cường độ lớn và được hội tụ, thì điều kiện hợp pha cũng phải thỏa mãn.
Khi đó, hiệu suất sẽ càng cao nếu sử dụng vùng tương tác càng lớn. Do hiệu
ứng nhiễu xạ sẽ hạn chế khoảng cách tương tác, nên việc sử dụng môi trường
tạo hòa âm bậc hai là ống dẫn sóng sẽ có nhiều lợi thế hơn. Vì thủy tinh là
tinh thể đối xứng có độ cảm phi tuyến bậc hai của nó thấp, nên có thể sử dụng
làm hoạt chất cho máy phát hòa âm bậc hai nếu cấy thêm germani hoặc
phosphor vào trong sợi.
Cấu trúc: Trên hình 1.6a, một laser Ruby có bước sóng 694nm được hội
tụ vào một tinh thể phi tuyến KDP. Sau khi chọn được phương tương tác hợp
pha, một chùm ánh sáng có bước sóng 347nm phát ra sau tinh thể KDP.
Trên hình 1.6b, một laser Nd:YAG được sử dụng làm nguồn bơm. Sử
dụng hệ quang, chùm tia laser này được đưa vào sợi quang thủy tinh cấy thêm
hoặc Ge, hoặc P. Phía đầu ra của sợi quang sẽ nhận được ánh sáng có bước
sóng 530nm .
Trên hình 1.6c, một laser bán dẫn sử dụng buồng cộng hưởng kép đã
phát ra chùm tia có hai bước sóng, một trong hai bước sóng là hòa âm bậc hai
của bước sóng kia.

a)

Laser
Ruby
694nm

b)

Laser
Nd:YAG
1064nm

2ω,347nm

ω
Tinh thể
KDP

2ω,530nm

ω
Thủy tinh pha
Ge hoặc P


10
Laser AlGaAs

c)

ω ,780nm
2ω,390nm

Hình 1.6 Phát hòa âm bậc hai. a) Sử dụng tinh thể. b) Sử dụng sợi quang.
c) Trong buồng cộng hưởng laser bán dẫn [1].
Ứng dụng: Máy phát hòa âm bậc hai được sử dụng để rút ngắn bước
sóng laser. Nếu nguồn bơm là laser bước sóng thay đổi trong một vùng phổ
nào đó, chúng ta có thể tạo thêm một vùng bước sóng khác ngắn hơn với một
cấu hình tương tác phù hợp (cấu hình thay đổi góc hợp pha phù hợp).
1.2.2. Các bộ trộn ba sóng
Nguyên lý hoạt động: Dựa vào hiệu ứng tương tác phi tuyến của hai
sóng ánh sáng có cường độ đủ lớn trong môi trường phi tuyến. Về nguyên tắc,
máy trộn ba sóng giống như máy phát hòa âm bậc hai, điều khác ở đây là hai
sóng có tần số khác nhau.
Cấu trúc: Hai laser có tần số khác nhau bơm vào cùng một tinh thể phi
tuyến. Tại đầu ra chúng ta nhận được ánh sáng laser có tần số bằng tổng của
hai tần số bơm (hình 1.7) [1].
Laser
Nd:YAG
1060nm

Laser
CO2
10600nm

ω1

ω3 = ω1 + ω2
Tinh thể
Proustite

960nm

ω2

Hình 1.7 Bộ phát tần số tổng.
Thiết bị trong hình 1.8a gọi là bộ nâng tần số tín hiệu. Tần số ω1 của tín
hiệu laser sẽ được cộng thêm một lượng là ω2 khi đi qua môi trường phi tuyến
được bơm bởi nguồn laser mạnh có tần số ω2 .
Thiết bị trong hình 1.8b gọi là bộ khuếch đại tín hiệu. Cường độ yếu của
tín hiệu laser tần số ω1 sẽ được khuếch đại sau khi đi qua môi trường phi


11

tuyến được bơm bởi chùm laser mạnh có tần số ω3 . Do được bơm mạnh, nên
trong tinh thể sẽ xảy ra hiện tượng tương tác thông số, sinh ra hai sóng ánh
sáng có tần số ω1 và ω2 . Như vậy, cường độ tín hiệu laser sẽ được bù thêm
một lượng sinh ra trong quá trình tương tác. Cuối cùng, cường độ tín hiệu
laser sẽ được khuếch đại.

Nâng tần số tín hiệu

Tín hiệu ω1
a)
Tín hiệu ω2

ω3 = ω1 + ω2
Tinh thể

ω1 , ω2

Bơm ω3
b)

c)

ω3
Tinh thể

Tín hiệu ω1
Bơm

ω3

ω2
ω1

Tinh thể

ω2

Khuếch đại tín hiệu

ω1
Phát thông số ω1

ω1

Hình 1.8 Thiết bị thông số. a) Bộ nâng tần tín hiệu.

b) Bộ khuếch đại tín hiệu. c) Bộ dao động thông số [1].
Thiết bị trong hình 1.8c gọi là bộ thông số quang học. Hiệu ứng xảy ra
trong bộ thông số quang học hoàn toàn giống như trong bộ khuếch đại tín
hiệu. Điều khác biệt ở đây là không sử dụng tín hiệu laser, mà các tín hiệu này
được khuếch đại nhiều lần khi đặt môi trường phi tuyến trong buồng cộng
hưởng phụ thuộc việc chọn hệ số truyền qua tương ứng của buồng cộng
hưởng.
Ứng dụng: Các thiết bị thông số quang học được sử dụng để khuếch đại
ánh sáng kết hợp và phát ánh sáng kết hợp có nhiều tần số khác nhau mà một
laser không thể có.
1.2.3. Gương liên hợp pha


12

Nguyên lý hoạt động: Giả sử có hai sóng phẳng truyền lan trong môi
trường phi tuyến bậc ba theo hai hướng ngược nhau, tức là:
E3 ( r ) = A3 exp ( − jk3 .r ) và E4 ( r ) = A4 exp ( − jk4 .r )

với

r
r
k4 = −k3

(1.7)
r

Đồng thời một sóng có số sóng k1 (không cùng phương với hai sóng
trên) bơm vào môi trường đó. Do quá trình tương tác thông số bốn sóng, mà

trong môi trường xuất hiện mật độ phân cực 6θ A3 A4 E1* ( r ) . Chính phân cực này
là nguồn phát xạ sóng thứ tư:
E2 ( r ) ∝ A3 A4 E1* ( r )

Sóng 3 và sóng 4 gọi là sóng bơm, sóng 1 gọi là sóng thử và sóng 2 gọi
là sóng liên hợp. Một thiết bị như vậy gọi là bộ liên hợp pha.
Để thỏa mãn điều kiện bảo toàn xung lượng thì:
(1.8)

k1 + k2 + k3 + k4 = 0
r

r

Từ (1.7) suy ra: k2 = −k1 . Nghĩa là sóng thứ tư truyền ngược chiều với
sóng thử.
Như vậy, hiệu ứng liên hợp pha trong môi trường phi tuyến bậc ba sẽ
cho ta một sóng truyền ngược chiều với sóng thử. Bộ liên hợp pha này giống
như một gương đặc biệt tạo ra sóng phản xạ theo chiều ngược lại và không
thay đổi pha so với sóng tới (hình 1.9) [1], [3].

a)

b)

c)

d)

Hình 1.9 Phản xạ của sóng phẳng (a) và sóng cầu (c) trên gương thường,

tương tự trên gương liên hợp pha (b) và (d).


13

Cấu trúc: Một chùm laser được chia thành hai chùm nhỏ nhờ bản chia.
Nhờ hệ hai gương lái một phần vào tinh thể, sau khi đi qua tinh thể được lái
trở lại, tạo thành một cặp chùm tia có hướng truyền lan ngược nhau. Một phần
được chiếu trực tiếp vào tinh thể. Nhờ hiệu ứng liên hợp phát trở lại bản chia
và được đưa ra ngoài.
Bơm 3

Laser

Dò 1
Tinh thể
Liên
hợp 2

Bơm 4

Hình 1.10 Hệ quang học tự phát sóng liên hợp.
Ứng dụng: gương liên hợp pha có tác dụng phục hồi sai quang của các
chùm tia laser, tức là khôi phục mặt pha. Vì khi phản xạ qua gương liên hợp,
tia sáng quay lại chính quang lộ của nó (hình 1.11) gọi là quá trình đảo quang.

Hình 1.11 Quá trình đảo quang.
Sóng bơm
a)

Sóng bơm
b)

Hình 1.12 a) Sửa sai quang bằng gương liên hợp pha.
b) Buồng cộng hưởng quang học với gương liên hợp pha [1], [3].
Khi môi trường gây quang sai, mặt sóng của chùm laser sẽ bị phá vỡ.
Nhờ gương liên hợp, mặt sóng của chùm tia sẽ hồi phục (hình 1.12a). Nếu ta


14

sử dụng gương liên hợp như một gương của buồng cộng hưởng laser thì mặt
sóng của chùm tia phát ra luôn ổn định (hình 1.12b).
1.2.4. Laser soliton
Nguyên lý hình thành soliton: Khi một xung laser truyền trong môi
trường phi tuyến Kerr, có chiết suất phụ thuộc vào cường độ laser

( n( I ) = n0 + n2 I ) các thành phần với tần số khác nhau sẽ có độ dịch pha khác
nhau. Do đó, tần số của thành phần thay đổi, phụ thuộc vào cường độ của nó.
Đây là hiệu ứng tự biến điệu pha.
Như vậy, trong môi trường có hệ số chiết suất phi tuyến dương ( n2 > 0 ) ,
hiệu ứng tự biến pha sẽ gây ra độ dịch tần âm cho phần đầu xung (tần số dịch
về phía sóng ký hiệu R) và độ dịch tần dương cho phần đuôi xung (tần số dịch
về phía sóng ký hiệu B). Hiện tượng này gọi là chip xung, được trình bày trên
hình 1.13.
Trong môi trường phi tuyến, xung sẽ bị chớp (chirp), nhưng dạng của nó
không thay đổi. Tuy nhiên, nếu một sóng chớp truyền trong môi trường tán
sắc, xung của nó sẽ bị nén lại.
B

t

Môi
trường
phi
tuyến

R

t

Hình 1.13 Hiện tượng xung chirp trong môi trường phi tuyến.
Giả sử môi trường đồng thời vừa tán sắc vừa phi tuyến, khi đó, xung sẽ
tham gia đồng thời vào hai hiệu ứng mở rộng và nén xung. Khi hai hiệu ứng
này cân bằng nhau, dạng xung sẽ luôn luôn không đổi. Một xung có tính chất
như vậy gọi là soliton (hình 1.14).


15

t

Môi trường
phi tuyến
và tán sắc

Hình 1.14 Hình thành soliton quang trong môi trường phi tuyến tán sắc.
Soliton là niềm hy vọng trong thông tin quang sợi. Một khi soliton
truyền trong sợi quang, thì dạng xung của nó không thay đổi, không bị mất
mát và tán xạ, đặc biệt, đối với các xung cỡ pico giây. Do đó, chúng có thể

truyền trong một khoảng cách lớn đến hàng ngàn km.
Cấu trúc: Laser sợi quang được sử dụng để tạo ra soliton pico giây.
Laser này là một sợi quang đơn mode có cấu trúc buồng cộng hưởng vòng
(hình 1.15). Sợi quang được nối với bộ khuếch đại sợi quang có cấy thêm
Erbium và một đoạn sợi có chức năng tạo soliton xung ngắn (sợi tán sắc phi
tuyến). Xung ngắn được tạo ra nhờ bộ biến điệu pha khóa mode. Trong hệ
tích hợp tổng quát, chúng ta dùng laser bán dẫn InGaAsP làm nguồn bơm [1].
Bộ

InGaAsP Laser

Đầu ra
liên kết

Biến
điệu
pha

Soliton

Er-FA

Hình 1.15 Laser soliton sợi quang.
Laser bán dẫn phát xung bơm. Xung này được đưa vào buồng cộng
hưởng vòng sợi quang qua bộ liên kết. Sau khi đi vào sợi quang, xung laser
bán dẫn bơm cho sợi khuếch đại cấy Erbium (Er-FA). Tín hiệu laser phát
được biến điệu thành các xung ngắn nhờ bộ biến điệu pha (theo cơ chế khóa
mode) và tạo thành soliton trong đoạn sợi phi tuyến tán sắc. Sau khi được
khuếch đại mạnh, các xung này sẽ phát ra ngoài qua bộ liên kết.
Ứng dụng: Soliton thời gian được tạo ra trong môi trường phi tuyến tán

sắc, khi sự mở rộng xung do hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm và sự nén xung


16

do hiệu ứng tự biến điệu pha cân bằng nhau. Với công tua cường độ không
thay đổi, các soliton có công suất lớn, độ rộng xung ngắn, sẽ được sử dụng
nhiều trong thông tin quang (truyền qua quãng đường dài vẫn giữ nguyên
dạng) và trong máy tính quang trong tương lai.
Ngoài soliton thời gian, soliton không gian (phân bố cường độ theo tiết
diện ngang chùm tia không đổi) cũng có thể tạo ra bằng cách cho chùm laser
có phân bố Gaussian đi vào môi trường phi tuyến. Khi sự mở rộng chùm tia
do hiệu ứng nhiễu xạ (hay phân kỳ) cân bằng với sự nén chùm do hiệu ứng tự
hội tụ cân bằng nhau, soliton không gian sẽ hình thành. Trong công nghệ chế
tạo máy tính quang, soliton không gian rất quan trọng.
1.3. Linh kiện quang âm
1.3.1. Cách tử Bragg
Nguyên lý hoạt động: Như chúng ta đã biết, chiết suất môi trường sẽ
thay đổi tuần hoàn theo bước sóng của sóng âm (hình 1.16).
Sóng âm

Môi trường

Hình 1.16 Sóng âm ảnh hưởng đến tia sáng qua môi trường.
Giả sử có một sóng âm vận tốc υam , tần số f am và bước sóng Λam =

υ am
f am

truyền theo phương x của môi trường. Khi đó, chiết suất của môi trường tại

vị trí x sẽ là:
n ( x, t ) = n − Δn0 cos ( Ωt − qx )
1
2

(1.9)

trong đó: n0 = κ n3 S0 , κ là hằng số quang giảo, S 0 là biên độ sóng âm,
Ω = 2π / f là tần số góc của sóng âm, q = 2π / Λ là số sóng.


17

Môi trường trở thành cách tử Bragg và sẽ phản xạ ánh sáng khi góc tới
thỏa mãn điều kiện Bragg sau: sin θ =

λ

(1.10)

2Λ

trong đó, λ là bước sóng ánh sáng trong môi trường.
Cấu trúc: Giả sử nguồn sóng âm đặt cách môi trường một khoảng lớn
hơn nhiều so với chiều rộng môi trường, khi đó, mặt sóng âm được xem là
phẳng, do đó, môi trường trở thành giao thoa động có chu kỳ bằng bước sóng
của sóng âm và chuyển động cùng vận tốc sóng âm (hình 1.17) [1].
x
Tia tới

Tán xạ

Λ

θ

Vùng giãn
Vùng nén

θ

z

Truyền qua

Hình 1.17 Cách tử Bragg và khúc xạ Bragg.
Ứng dụng: Cách tử Bragg được sử dụng như một linh kiện quang để
thay góc phản xạ, hay khúc xạ ánh sáng điều khiển bằng sóng quang âm.
1.3.2. Linh kiện biến điệu quang âm
Nguyên lý hoạt động: Hệ số phản xạ của cách tử Bragg tỉ lệ thuận với
cường độ sóng âm theo biểu thức sau:
ℜ = 2π 2 n2

L2 Λ2

λ04

ΜI s

(1.11)

trong đó, L là chiều dài lớp cách tử mà ánh sáng chiếu vào, I s là cường độ
sóng âm.
κ 2n6
Μ=
ρυ s2

(1.12)


18

là hiệu quả tác động của sóng âm, ρ là khối lượng riêng của môi trường.
Bằng cách điều khiển cường độ sóng âm, cường độ ánh sáng sẽ thay đổi tỉ lệ.
Cấu trúc: Thiết bị này gọi là bộ biến điệu ánh sáng tương tự tuyến tính
(hình 1.18) [1], [3].

Ánh sáng tới

Ánh sáng phản xạ

Sóng âm

Hình 1.18 Biến điệu quang âm.
Ứng dụng: Bộ biến điệu quang âm được sử dụng để điều chế tín hiệu
quang trong thông tin quang sợi. Tín hiệu laser liên tục được điều biến bằng
tín hiệu âm (tiếng nói) trước khi đưa vào sợi quang ở đầu phát.
* Khóa quang học: Khi công suất của sóng âm tăng, hiện tượng bão hòa
sẽ xảy ra và tán xạ toàn phần sẽ xảy ra ứng với góc tới Bragg θ B = sin −1 ⎛⎜

λ ⎞

⎟.
⎝ 2Λ ⎠

Trong điều kiện này, bộ biến điệu được sử dụng như khóa quang học. Bằng
cách đóng và mở sóng âm, phản xạ của ánh sáng cũng đóng và mở, dẫn đến
ánh sáng truyền qua hoặc không (hình 1.19) [1], [3].
Ánh sáng tới

Sóng âm

Ánh sáng phản xạ

Ánh sáng truyền qua

Hình 1.19 Khóa quang âm.
Bộ khóa quang học này được sử dụng để biến điệu biên độ trong laser
phát xung ngắn.


19

1.3.3. Linh kiện quét tia quang âm
Nguyên lý hoạt động: Tế bào quang – âm có thể được sử dụng như bộ
quét tia sáng. Cơ sở của ý tưởng dựa trên hệ thức giữa góc lệch 2θ (hình
1.20) và tần số sóng âm f :
2θ ≈

λ

f
υs

(1.13)

θ
θ

Hình 1.20 Hai tia lệch so với tia tới là pháp tuyến của cách tử.
Cấu trúc: Một khó khăn ở chỗ, góc θ đặc trưng cho cả hai góc tới và
phản xạ. Khi muốn thay đổi góc phản xạ, thì cả góc tới và tần số sóng âm phải
thay đổi đồng bộ. Yêu cầu này có thể thực hiện được bằng cách làm lệch
chùm tia sóng âm. Tần số sóng âm có thể thay đổi bằng bộ biến điệu tần số,
còn độ lệch của chùm sóng âm có thể điều khiển bằng dãy các biến áp điều
khiển tín hiệu lệch pha nhau một lượng ϕ xác định (hình 1.21) [1], [3].

θ

ϕ
ϕ

Hình 1.24 Quét tia sáng bằng cách thay đổi tần số và hướng của sóng âm.
Góc quét có thể đạt được phụ thuộc vào hiệu tần số sóng âm như sau:


20
Δθ =

λ
B

υs

(1.14)

trong đó, B là băng tần quét của sóng âm, tức là tần số sóng âm thay đổi trong
vùng tần số thỏa mãn f 0 ≤ f ≤ f 0 + B
f1
f2
f3

θ1 θ 2 θ 3

f1 + f 2 + f 3

t

Hình 1.22 Phân tích phổ âm.
Ứng dụng: Dựa theo nguyên lý quét tia và biến điệu cường độ, thiết bị
quét có thể sử dụng để chế tạo thiết bị phân tích phổ âm. Giả sử một chùm
sóng âm với nhiều thành phần tần số khác nhau. Chùm sóng âm này được đưa
vào bộ quét tia để tách các thành phần sóng quang có tần số tương ứng (hình
1.22) [1].
1.3.4. Linh kiện chuyển tiếp quang tử
Nguyên lý hoạt động: Dựa vào nguyên lý quét tia quang, khi tần số của
sóng âm có một trong các giá trị f1 , f 2 , f3 ,..., f N , tế bào quang âm sẽ làm lệch
chùm tia quang tới vào một trong N hướng tương ứng, θ1 ,θ 2 , θ3 ,...,θ N . Linh
kiện này sẽ định tuyến một chùm tia theo N hướng.
Cấu trúc: Sơ đồ nguyên lý của linh kiện định tuyến trình bày trên hình
1.23. Tia sáng sau khi phản xạ qua tế bào quang – âm sẽ được thấu kính hội tụ
lái vào đầu vào của một tuyến xác định. Tọa độ điểm đầu của tuyến phù hợp

với tần số sóng âm.