Khảo sát hoạt động lưỡng ổn định quang học trong phần tử nhớ (FlipFlop) ứng dụng trong hệ thống tin quang

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN TẤN BẢO

KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG LƢỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC
TRONG PHẦN TỬ NHỚ (FLIP-FLOP) ỨNG DỤNG TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN QUANG
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 60.44.01.09

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Phú

Nghệ An, năm 2015


2

LỜI CẢM ƠN
Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS.
Nguyễn Văn Phú. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy giáo:
PGS.TS Nguyễn Văn Phú đã dẫn dắt tận tình và động viên tôi trong quá trình
thực hiện luận văn với tấm lòng của ngƣời thầy, ngƣời cha và tinh thần đầy
trách nhiệm đối với khoa học của nhà nghiên cứu đã tiếp tôi sức mạnh, thêm
nghị lực và phát huy sáng tạo để tôi hoàn thành đƣợc luận văn này.
Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả quý thầy cô
giáo của trƣờng Đại học Vinh đã hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành chƣơng

trình cao học tại trƣờng Đại học Kinh tế - Công nghiệp Long An.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Vinh,
Khoa Đào tạo Sau đại học Trƣờng đại học Vinh, Ban giám hiệu trƣờng Đại
học Kinh tế - Công nghiệp Long An, phòng Sau đại học Trƣờng đại học Kinh
tế - Công nghiệp Long An đã tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian học tập và
thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn lớp Quang học K21 đã động
viên, chia sẽ kiến thức, kinh nghiệm trong thời gian học tập cũng nhƣ làm
luận văn này.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả luận văn
Nguyễn Tấn Bảo


3

MỤC LỤC
Trang phụ bìa .................................................................................................... 1
Lời cảm ơn ........................................................................................................ 2
Mục lục .............................................................................................................. 3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ............................................................................ 4
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 6
NỘI DUNG ....................................................................................................... 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ........... 9
I. Tổng quan về hệ thống thông tin quang ........................................................ 9
1.1. Các thành phần chính của một tuyến thông tin quang ........................... 9
ng ......... 11
1.2.1. Linh kiện quang điện ...................................................................... 11
1.2.1.1. Biến điệu quang – điện ............................................................ 11

1.2.1.2. Linh kiện quét tia laser ............................................................ 12
1.2.1.3. Bộ liên kết định hướng ............................................................. 14
1.2.2. Linh kiện quang phi tuyến.............................................................. 16
1.2.2.1. Máy phát hòa âm bậc hai ........................................................ 16
1.2.2.2. Các bộ trộn ba sóng ................................................................. 18
1.2.2.3. Gương liên hợp pha ................................................................. 21
-flop ...................................................................... 24
1.2.3.1. Khái niệm về hiệu ứng lưỡng ổn định...................................... 25
1.2.3.2. Một vài ứng dụng ..................................................................... 27
Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................... 30
CHƢƠNG 2. KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG LƢỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC
TRONG PHẦN TỬ NHỚ (flip-flop) .............................................................. 31
2.1. Hệ phƣơng trình tốc độ ......................................................................... 31
2.2. Khảo sát hiệu ứng lƣỡng ổn định quang trong cấu trúc phản hồi phân
bố của phần tử nhớ flip-flop ........................................................................ 33
2.2.1. Mô tả hoạt động lƣỡng ổn định của phần tử nhớ ........................... 33
2.2.2. Khảo sát hoạt động lƣỡng ổn định quang trong phần tử nhớ flipflop............................................................................................................ 35
2.2.3. Hoạt động flip-flop của thiết bị lƣỡng ổn định bị động ................. 37
Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................... 38
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 40


4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Tên các hình vẽ, đồ thị

Trang

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

10

Hình 1.2 a) Biến điệu dọc. Các cực có thể vòng đệm, hoặc ống
cũng có thể vật liệu dẫn trong suốt. b) Biến điệu ngang, c) biến điệu

12

sóng chạy ngang.
Hình 1.3 Lăng kính điện-quang. Góc ló của ánh sáng đƣợc điều
khiển bởi điện áp V.
Hình 1.4 Thay đổi vị trí tia sáng trên cơ sở liên kết trễ pha điệnquang và tinh thể lƣỡng chiết.

13

13

Hình 1.5 a) Cấu hình bộ liên kết quang. b) Chuyển đổi công suất
giữa hai ống dẫn quang; c) Phụ thuộc của hệ số truyền vào độ lệch

14

pha.
Hình 1.6 a) Một bộ liên kết quang-điện tích hợp. b) Phụ thuộc của
hiệu suất liên kết vào điện áp.
Hình 1.7 Phát hòa âm bạc hai. a) sử dụng tinh thể; b) sử dụng sợi
quang; c) trong buồng cộng hƣởng laser bán dẫn.
Hình 1.8 Bộ phát tần số tổng.
Hình 1.9 Thiết bị thông số: a) Bộ nâng tần tín hiệu; b) Bộ khuếch

đại tín hiệu; c) Bộ giao động thông số.
Hình 1.10 Phản xạ của sóng phẳng (a) và sóng cầu (c) trên gƣơng
thƣờng, tƣơng tự trên gƣơng liên hợp pha (b) và (d).
Hình 1.11 Hệ quang học phát sóng liên hợp.
Hình 1.12 Giao thoa ba chiều thời gian thực nhờ quá trình trộn bốn
sóng trong môi trƣờng phi tuyến.

16

18
19
20

22
22
23

Hình 1.13 Quá trình đảo quang

24

Hình 1.14 a) Sửa sai quang bằng gƣơng liên hợp pha; b) Buồng

24


5

cộng hƣởng quang học với gƣơng liên hợp pha.
Hình 1.15 Đƣờng cong trễ đặc trƣơng với các vùng khác nhau.

25

Hình 1.16 Mối quan hệ vào – ra của hệ lƣỡng ổn định.

26

Hình 1.17 Quá trình flip - flop của hệ lƣỡng ổn định.

28

Hình 1.18 Hệ lƣỡng ổn định làm việc nhƣ là thiết bị khuếch đại
xung.
Hình 1.19a Hệ lƣỡng ổn định đóng vai trò thiết bị nắn xung, phần
tử chặn.
Hình 1.19b Thiết bị lƣỡng ổn định hoạt động nhƣ là một cổng
logic AND.
Hình 2.1 Mô hình cấu trúc phản hồi phân bố phi tuyến.
Hình 2.2 Đƣờng cong lƣỡng ổn định trong cấu trúc phản hồi phân
bố CdSe.
Hình 2.3 Các đƣờng đặc trƣng truyền qua cấu trúc phản hồi phân
bố.

28

29

29
32
34

35

Hình 2.4 Điều khiển hoạt động lƣỡng ổn định bằng cƣờng độ tới.

36

Hình 2.5 Điều khiển hoạt động lƣỡng ổn định bằng số lớp cách tử.

37

Hình 2.6 Sơ đồ hoạt động flip-flop thụ động bằng cách điều khiển
tín hiệu đầu vào [5].

38


6

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Sự kiện laser đầu tiên đƣợc ra đời vào năm 1960 đánh dấu một cuộc
cách mạng mới trong khoa học và công nghệ. Tiếp đến là sự truyền dẫn thông
tin bằng ánh sáng hay là thông tin quang ra đời thay thế cách truyền dẫn tín
hiệu theo phƣơng pháp truyền thống.
Chính sự ra đời của lĩnh vực này, đã tạo điều kiện cho ngành quang học
nói chung và cho ngành quang học phi tuyến nói riêng có đƣợc những sự phát
triển mạnh mẽ nhất và tạo ra đƣợc rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa
học cụ thể nhƣ khoa học kỹ thuật, khoa học quân sự, đặc biệt trong công nghệ
truyền dẫn quang.

Thông qua tuyến truyền dẫn quang, một khối lƣợng thông tin cực lớn
dạng tín hiệu số, tín hiệu âm thanh và tín hiệu hình ảnh đƣợc xử lý và truyền
đi một gần nhƣ tức thời. Điều này đã giúp cho con ngƣời trên thế giới có thể
liên lạc với nhau một cách dễ dàng, thuận tiễn, tạo ra hệ thống thông tin liên
lạc đa quốc gia.
Trong quá trình truyền dẫn bằng hệ thống thông tin quang các thiết bị
quang tử nhƣ bộ nén xung, bộ ghép kênh, bộ tạo xung, bộ điều khiển chuyển
đổi tần số,… cũng là một trong những yếu tố rất cần thiết cho các quá trình xử
lý thông tin quang. Các thiết bị trên đã đƣợc các nhà khoa học trên thế giới
nghiên cứu và tìm hiểu rất chi tiết cả về mặt lý thuyết lẫn thực hành. Các thiết
bị này sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình thúc đẩy thƣơng mại hóa quá
trình truyền dẫn thông tin.
Nhằm mục đích tìm hiểu về mặt vật lý, công nghệ và những ứng dụng
của các thiết bị quang tử ứng dụng hiệu ứng lƣỡng ổn định quang học, trong
luận văn này, chúng tôi đặt vấn đề: “
nhớ (flip-flop) ứng dụng trong hệ thống thông tin
quang”.


7

2. Mục đích nghiên cứu
flop) ứng dụng trong hệ thống thông tin quang.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang; các linh kiện quang
tử sử dụng trong hệ thống thông tin quang.
- Tìm hiểu hệ phƣơng trình tốc độ.
- Khảo sát hiệu ứng lƣỡng ổn định quang trong cấu trúc phản hồi phân
bố của phần tử nhớ flip-flop.
- Khảo sát hoạt động lƣỡng ổn định quang trong phần tử nhớ flip-flop.

- Hoạt động flip-flop của thiết bị lƣỡng ổn định bị động.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
Các thiết bị quang tử hoạt động lƣỡng ổn định.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Hiệu ứng lƣỡng ổn định quang
trong hệ thống thông tin quang.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết.
6. Những đóng góp mới của đề tài
6.1. Về lí luận: Tìm hiểu hoạt động lƣỡng ổn định
flop.
6.2. Về ứng dụng: Tro

ng hệ thống thông tin quang.

-


8

NỘI DUNG
Nội dung của luận văn này đƣợc trình bày với bố cục gồm các phần:
Mở đầu, hai chƣơng nội dung, kết luận chung và danh mục các tài liệu tham
khảo.
Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống thông tin quang
Nội dung của chƣơng này trình bày tổng quan về hệ thống thông tin
quang; các linh kiện quang tử sử dụng trong hệ thống thông tin quang.
Chƣơng 2. Khảo sát hoạt động lƣỡng ổn định quang học trong phần tử nhớ
(flip-flop).

Phần kết luận chung nêu lên một số kết quả chính mà luận văn đã đạt
đƣợc.


9

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Trong sự phát triển của mạng viễn thông Việt Nam nói riêng và trên
toàn thế giới nói chung, thông tin quang đã có những đóng góp rất quan trọng
cả về qui mô phát triển cũng nhƣ nâng cao chất lƣợng toàn mạng. Hệ thống
thông tin bằng cáp sợi quang là hệ thống truyền dẫn với kỹ thuật và công
nghệ tiên tiến, cho phép tạo ra các tuyến truyền dẫn dài, với dung lƣợng rất
lớn, cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao... Thông tin quang sẽ đáp ứng
nhu cầu phát triển mạng truyền dẫn phục vụ cho sự phát triển đa dạng các
dịch vụ viễn thông đòi hỏi tốc độ cao, đặc biệt phục vụ cho sự phát triển đột
phá Internet tốc độ cao và các dịch vụ IP.
Trong chƣơng này trình bày tổng quan về hệ thống thông tin quang; các
linh kiện quang tử sử dụng trong hệ thống thông tin quang.
I. Tổng quan về hệ thống thông tin quang
1.1. Các thành phần chính của một tuyến thông tin quang
Các thành phần chính của tuyến thông tin quang gồm có thiết bị phát
quang, cáp sợi quang và thiết bị thu quang:
+ Thiết bị phát quang đƣợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các
mạch điện điều khiển liên kết với nhau.
+ Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và lớp vỏ bọc xung quanh
để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trƣờng bên ngoài.
+ Thiết bị thu quang đƣợc cấu tạo từ bộ tách sóng quang và các mạch
khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành.
Ngoài các thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang còn có các bộ
ghép nối quang (connector), các mối hàn, các bộ chia quang và trạm lặp; ở

các tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộ khuếch đại quang,
thiết bị bù tán sắc và các trạm xen rẽ kênh. Các thành phần chủ yếu của tuyến
thông tin quang sẽ đƣợc trình bày ở các phần sau.


10

Tín
hiệu
điện
vào

Bộ nối
quang

THIẾT BỊ PHÁT QUANG
Mạch điều
khiển

Mối
hàn

Các t/bị khác
TRẠM LẶP

Nguồn phát
quang

Thu quang

Xen rẽ kênh
mạch điện

Phát quang
Tín
hiệu
điện
ra

THIẾT BỊ THU QUANG
Chuyển đổi
tín hiệu

Tách sóng
quang

Bù
tán
sắc
Khuếch đại
quang

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang
* Ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống thông tin quang
- Ƣu điểm
Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15THz ở 1550nm) và suy hao thấp (0,20,25 dB/km ở bƣớc sóng 1550nm).
Sợi quang không bị ảnh hƣởng của nhiễu điện từ.
Tính an toàn và tính bảo mật cao do không bị dò sóng điện từ nhƣ cáp
kim loại.
Sợi quang có kích thƣớc nhỏ, không bị ăn mòn bởi môi trƣờng axit,

kiềm, nƣớc,... nên có độ bền cao.
Vật liệu chế tạo sợi quang có sẵn trong tự nhiên.
Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit
cao hơn bằng cách thay đổi bƣớc sóng công tác và kỹ thuật ghép kênh.
- Nhược điểm


11

- Các bộ phận biến đổi quang - điện đắt tiền, khó chế tạo, khả năng
ghép nối với sợi quang khó khăn.
- Việc ghép nối sợi quang đòi hỏi thiết bị cơ khí có độ chính xác cao.
Các khớp của đầu ghép nối không tƣơng hợp hay có vết nứt trên sợi quang là
nguyên nhân gây ra suy hao.
- Việc ghép các kênh truyền quang học gặp nhiều khó khăn.
1.2

tin quang

1.2.1. Linh kiện quang điện
Các linh kiện quang điện đƣợc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đƣa vào
ứng dụng dựa trên sự tƣơng tác giữa điện trƣờng với vật chất. Kết quả của quá
trình tƣơng tác là điện trƣờng đã làm thay đổi chiết suất của môi trƣờng. ánh
sáng truyền trong môi trƣờng sẽ chịu ảnh hƣởng của hiệu ứng tán sắc do chiết
suất của môi trƣờng phụ thuộc vào cƣờng độ điện trƣờng. Do đó, pha của
sóng ánh sáng sẽ bị thay đổi trong quá trình truyền trong môi trƣờng có chiết
suất thay đổi. Dựa vào hai hiệu ứng chính trên, các linh kiện quang - điện đã
đƣợc nghiên cứu và sử dụng cho việc điều khiển ánh sáng, nói chúng và chùm
tia laser nói riêng.
1.2.1.1. Biến điệu quang – điện

A. Hoạt động
Nếu thay đổi điện áp đặt vào môi trƣờng Pockel, chúng ta có thể thay
đổi pha của sóng ánh sáng. Linh kiện có tính chất nhƣ vậy gọi là bộ biến điệu.
B. Cấu trúc
Cấu trúc của bộ biến điệu trình bày trên hình 1.2. Có ba dạng: a) biến
điệu dọc; b) biến điệu ngang; c) biến điệu sóng chạy ngang. Trong trƣờng hợp
biến điệu dọc, có thể chọn d = L.


12

Hình 1.2 a) Biến điệu dọc. Các cực có thể vòng đệm, hoặc ống cũng có
thể vật liệu dẫn trong suốt. b) Biến điệu ngang, c) biến điệu sóng chạy ngang.
C. Ứng dụng
Ngoài ứng dụng để biến điệu pha, các bộ biến điệu quang - điện có thể
thiết kế nhƣ các linh kiện tích hợp quang. Các linh kiện này có tốc độ làm
việc cao (có thể đạt >100 GHz) và sử dụng điện áp thấp. Bộ biến điệu pha
cũng cóthể sử dụng để biến điệu cƣờng độ ánh sáng nếu đặt trong giao thoa
kế.
Bản thân sự trễ pha không ảnh hƣởng đến cƣờng độ của chùm laser.
Nhƣng khi đặt bộ biến điệu pha vào một nhánh của giao thoa kế, nó sẽ có tác
dụng biến điệu cƣờng độ ánh sáng.
1.2.1.2. Linh kiện quét tia laser
A. Hoạt động
Nhƣ chúng ta biết, một lăng kính có chiết suất n và góc đỉnh  sẽ làm
tia sáng sau khi đi qua nó lệch đi một góc   (n – 1) . Nếu bằng cách đặt
điện áp (V) vào lăng kính có độ dày d làm cho chiết suất của lăng kính thay
đổi một lƣợng ∆n , thì thay đổi góc ra của tia sáng đi một lƣợng:
1
1

V
  n    n3 E    n3
2
2
d

(1.1)

Khi thay đổi điện áp, góc ∆ cũng thay đổi tỉ lệ thuận với V, do đó,
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:


13

N







V
2V

(1.2)

Trong đó,   0 / D là góc phân kỳ của chùm tia, D là bán kính vết
chùm tia.

B. Cấu trúc
Có hai cấu hình của linh kiện quét tia trình bày trên hình 1.3. Thông
thƣờng, sử dụng lăng kính kiểu góc vuông (a). Một số thiết quét đƣợc thiết kế
theo kiểu xếp liên tục bằng cách thay đổi chiều điện áp đặt vào (b).

Hình 1.3 Lăng kính điện-quang. Góc ló của ánh sáng được điều khiển
bởi điện áp V.
C. Ứng dụng
Lăng kính điện-quang đơn (hình1.3a) đƣợc sử dụng trong việc thay đổi
vết chùm tia laser hay thay đổi góc ló một cách liên tục. Lăng kính kép (hình
1.3b) đƣợc sử dụng để thay dịch vị trí của chùm tia tới song song với chính
nó. Hiệu ứng này có thể xẩy ra đối với chùm tia có phân các xác định nào đó,
nhƣng đối với chùm tia có phân cực khác sẽ không xẩy ra (hình 1.4).


14

Hình 1.4 Thay đổi vị trí tia sáng trên cơ sở liên kết trễ pha điện-quang
và tinh thể lưỡng chiết.
1.2.1.3. Bộ liên kết định hướng
A. Nguyên lý hoạt động
Giả thiết có bộ liên kết quang gồm hai ống dẫn sóng nhƣ trong hình
1.5a. Nhƣ ta đã biết, công suất tải trong hai ống dẫn sóng P1(z) và P2(z) thay
đổi theo chu kỳ dọc theo phƣơng truyền z.

Hình 1.5 a) Cấu hình bộ liên kết quang. b) Chuyển đổi công suất giữa
hai ống dẫn quang; c) Phụ thuộc của hệ số truyền vào độ lệch pha.
Hai tham số quan trọng quyết định mức độ của quá trình liên kết là hệ
số liên kết C, phụ thuộc vào kích thƣớc, chiết suất, bƣớc sóng, và hiệu hằng
số truyền giữa hai sợi quang

  1   2 

2n

0

(1.3)


15

Trong đó, ∆n là hiệu chiết suất giữa hai ống dẫn sóng. Nếu hai ống dẫn
sóng giống nhau, khi đó, ∆ = 0 và P2(0) = 0, thì tại khoảng cách z = L0 =

/2C, gọi là khoản cách truyển hay độ dài liên kết, công suất đƣợc truyền
100% từ ống dẫn 1 sang ống dẫn 2, tức là, khi đó P1(L0) = 0 còn P2(L0) = P1
(hình 1.5b).
Một bộ liên kết có chiều dài L0 và ∆  0, tỉ số truyền công suất
  P2 ( L0 ) / P1 (0) là một hàm của hiệu lệch pha và có dạng sau:
2
2

1
  L0  
 
    sin c 2  1  
 
2
2
   





(1.4)

trong đó, L0   / 2C gọi là hàm truyền nhƣ trên hình 1.5c.
Sự phụ thuộc của công suất liên kết vào hiệu lệch pha là chìa khóa cho
nguyên lý hoạt động của bộ liên kết định hƣớng điện – quang. Bằng cách điều
khiển điện áp đặt vào một trong hai ống dẫn quang, chúng ta sẽ điều khiển
đƣợc chiết suất của ống, dẫn đến điều khiển đƣợc ∆ . Khi có điện áp đặt vào,
hàm truyền sẽ có dạng phụ thuộc vào điện áp nhƣ sau:
2 
2

V  
 
2 1
    sin c  1    
2
 V0  
 2


(1.5)

gọi là hiệu suất liên kết.
B. Cấu trúc
Bộ liên kết đƣợc thiết kế nhƣ trên hình 1.6a và đƣờng đặc trƣng của
hiệu suất liên kết trên hình 1.6b. Hai sợi quang giống nhau. Đoạn sợi có độ

dài liên kết L0 đƣợc đặt cách nhau một khoảng d. Đoạn sợi có chiều dài liên
kết đƣợc áp điện với điện áp V.


16

Hình 1.6 a) Một bộ liên kết quang-điện tích hợp. b) Phụ thuộc của hiệu
suất liên kết vào điện áp.
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. Bộ liên kết này có thể chế tạo băng
cách khuếch tán titan vào trong tinh thể LiNbO3 siêu sạch. Điện áp đặt vào
thông thƣờng không nhỏ hơn 10V. Tốc độ hoạt động có thể lớn hơn 10 GHZ.
Trƣớc khi đƣa vào sợi quang, ánh sáng laser đƣợc hội tụ thành vết có kích
thƣớc vài m.
C. 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 nhƣ một linh kiện tích hợp
quang.
1.2.2. Linh kiện quang phi tuyến
1.2.2.1. Máy phát hòa âm bậc hai
A. Hoạt động
Khi chùm laser có cƣờng độ đủ lớn chiếu vào môi trƣờng phi tuyến bậc
hai, thì môi trƣờng sẽ phân cực với mật độ phân cực phi tuyến bậc hai Ppht đủ
lớn. Khi đó, đạo hàm bậc hai của mật độ phân cực theo thời gian,
(t )  

0  2 P
t

2

pht


17

sẽ chứa thành phần tần số 2 với biên độ phức là
S (2 )  4 0 2 dE ( ) E ( )

trong đó, d là độ cảm phi tuyến bậc hai hiệu dụng. Thành phần này sẽ là
nguồn phát xạ trƣờng quang học có tần số 2  (tức là bƣớc sóng 0/2). Trƣờng
quang học này có thành phần hòa âm bậc hai của trƣờng quang học tới. Nhƣ
vậy, biên độ của ánh sáng hòa âm bậc hai đƣợc phát ra sẽ tỉ lệ thuận với
S(2), cƣờng độ của nó tỉ lệ thuận với S (2 )   2 d 2 I 2 , trong đó, I  E () / 
2

2

là cuờng độ của sóng vào và  là trở kháng của môi trƣờng. Nhƣ vậy, ánh
sáng hòa âm bậc hai tỉ lệ thuận với d2, 1/4, I2 . Tức là, hiệu suất phát hòa âm
bậc hai tỉ lệ thuận với cƣờng độ I = P/A, trong đó, P là công suất vào và A là
tiết diện ngang. Từ đó thấy rằng, ánh sáng vào có cƣờng độ lớn và đƣợc 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 cƣờng độ lớn và đƣợc hội tụ, thì điều kiện bão toàn xung lƣợng, k2 = 2 k,
tức là điều kiện hợp pha cũng phải thỏa mãn. Khi điều kiện này thỏa mãn,
hiệu suất sẽ càng cao nếu sử dụng vùng tƣơng tác càng lớn. Do hiệu ứng

nhiễu xạ sẽ hạn chế khoảng cách tƣơng tác, nên việc sử dụng môi trƣờng tạo
hòa âm bậc hai là ống dẫn sóng sẽ có nhiều lợi thế hơn. Biết rằng, thủy tinh là
tinh thể đối xứng, nên độ cảm phi tuyến bậc hai của nó thấp, do đó, để có thể
sử dụng làm hoạt chất cho máy phát hòa âm bậc hai, cần phải cấy thêm
germani hoặc phosphor vào trong sợi.
B. Cấu trúc
Trên hình 1.7 trình bày một số cấu hình của máy phát hòa âm bậc hai.


18

Hình 1.7 Phát hòa âm bạc hai. a) sử dụng tinh thể; b) sử dụng sợi
quang; c) trong buồng cộng hưởng laser bán dẫn.
Một laser Ruby có bƣớc sóng 694 nm đƣợc hội tụ vào một tinh thể phi
tuyến KDP. Sau khi chọn đƣợc phƣơng tƣơng tác hợp pha, một chùm ánh
sáng có bƣớc sóng 347nm phát ra sau tinh thể KDP.
Ngoài tinh thể KDP, một số cấu hình tƣơng tự sử dụng tinh thể KD*P,
ADP, LiNbO3, …(hình 1.7a).
Trong cấu hình trên hình 1.7b, một laser Nd:YAG đƣợc sử dụng làm
nguồn bơm. Sử dụng hệ quang, chùm tia laser này đƣợc đƣa vào sợi quang
thủy tinh cấy thêm hoặc Ge, hoặc P. Phía đầu ra của sợi quang sẽ nhận đƣợc
ánh sáng có bƣớc sóng 530nm.
Trong cấu hình trên hình 1.7c, một laser bán dẫn sử dụng buồng cộng
hƣởng kép đã phát ra chùm tia có hai bƣớc sóng, một trong hai bƣớc sóng là
hòa âm bậc hai của bƣớc sóng kia.
C. Ứng dụng
Máy phát hòa âm bậc hai đuợc sử dụng để rút ngắn bƣớc sóng laser.
Nếu nguồn bơm là laser bƣớc sóng thay đổi trong một vùng phổ nào đó,
chúng ta có thể tạo thêm một vùng bƣớc sóng khác ngắn hơn với một cấu
hình tƣơng tác phù hợp (cấu hình thay đổi góc hợp pha phù hợp).

1.2.2.2. Các bộ trộn ba sóng
A. Hoạt động


19

Nguyên lý hoạt động dựa vào hiệu ứng tƣơng tác phi tuyến của hai
sóng ánh sáng có cƣờng độ đủ lớn tang môi trƣờng phi tuyến. Về nguyên tắc,
máy trộn ba sóng giống nhƣ máy phát hòa âm bậc hai, điều khác ở đây là hai
sóng có tần số khác nhau. Ngoài ra, khi sử dụng hai sóng bơm, thiết bị sẽ phát
sóng thứ cấp có tần số 3 = 1 + 2 , khi chỉ sử dụng một sóng bơm, nhƣng
môi trƣờng phi tuyến đƣa vào trong buồng cộng hƣởng, thiết bị sẽ phát ra hai
sóng thứ cấp có tần số 2,3, sao cho thỏa mãn điều kiện 3 = 1 – 2 hoặc

2 = 1 – 3.
B. Cấu trúc
Trong hình 1.8 trình bày cấu hình của bộ trộn ba sóng phát tần số tổng.
Hai laser có tần số khác nhau bơm vào cùng một tinh thể phi tuyến. Tại đầu ra
chúng ta nhận đƣợc ánh sáng laser có tần số bằng tổng của hai tần số bơm.

Hình 1.8 Bộ phát tần số tổng.
Trong hình 1.9, trình bày một số bộ trộn ba sóng (hay còn gọi là bộ
thông số quang học) khi sử dụng một nguồn bơm mạnh và một nguồn bơm
yếu (nguồn này có thể có, có thể không, tùy thuộc vào từng trƣờng hợp cụ
thể).
Thiết bị trong hình 1.9a gọi là bộ nâng tần số tín hiệu. Tần số 1 của tín
hiệu laser sẽ đƣợc cộng thêm một lƣợng là 2 khi đi qua môi trƣờng phi tuyến
đƣợc bơm bởi nguồn laser mạnh có tần số 2.
Thiết bị trong hình 1.9b gọi là bộ khuếch đại tín hiệu. Cƣờng độ yếu
của tín hiệu laser tần số 1 sẽ đƣợc khuếch đại sau khi đi qua môi trƣờng phi

20

tuyến đƣợc bơm bởi chùm laser mạnh có tần số 3. Do đƣợc bơm laser mạnh,
nên trong tinh thể sẽ xẩy ra hiện tƣợng tƣơng tác thông số, sinh ra hai sóng
ánh sáng có tần số 1 và 2 . Nhƣ vậy, cƣờng độ tín hiệu laser sẽ đƣợc bù
thêm một lƣợng sinh ra trong quá trình tƣơng tác. Cuối cùng, cƣờng độ tín
hiệu laser sẽ đƣợc khuếch đại.
Thiết bị trong hình 1.9c gọi là bộ thông số quang học. Hiệu ứng xẩy ra
trong bộ thông số quang học hoàn toàn giống nhƣ trong bộ khuếch đại tín
hiệu. Điều khác biệt ở đây là không sử dụng tín hiệu laser, mà các tín hiệu này
đƣợc khuếch đại nhiều lần khi đặt môi trƣờng phi tuyến trong buồng cộng
hƣởng. Tín hiệu cần lấy ra ngoài buồng cộng hƣởng phụ thuộc việc chọn hệ
số truyền qua tƣơng ứng của buồng cộng hƣởng.

Hình 1.9 Thiết bị thông số: a) Bộ nâng tần tín hiệu; b) Bộ khuếch đại
tín hiệu; c) Bộ giao động thông số.
C. Ứng dụng
Các thiết bị thông số quang học đƣợc 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. Trong trƣờng hợp sử dụng bộ phát tần số tổng với hai nguồn
ánh sáng kết hợp là laser và hòa âm bậc hai của nó, chúng ta sẽ nhận đƣợc
hòa âm bậc ba  = 3. Tƣơng tự nhƣ vậy, chúng ta sẽ nhận đƣợc tần số hòa
âm bạc cao hơn của một laser nào đó. Phƣơng pháp này sẽ hiệu quả hơn nhiều


21

bậc so với khi sử dụng môi trƣờng phi tuyến bậc ba. Ngoài ra, thiết bị này còn

giúp chúng ta có thể thu đƣợc tín hiệu ánh sáng rất nhỏ mà đầu thu không thể
ghi nhận đƣợc.
1.2.2.3. Gương liên hợp pha
A. Hoạt động
Trong mục 1.2.2.2, chúng ta đã nói đến các bộ trộn ba sóng sử dụng
môi trƣờng phi tuyến bậc hai. Đối với môi trƣờng phi tuyến bậc ba (độ cảm
phi tuyến bậc ba lớn  ), hiệu ứng trộn bốn sóng cũng xẩy ra, do sự tồn tại của
mật độ phân cực phi tuyến bậc ba, Ppht (q + r +l ) khi có tác động của ba
sóng trong môi trƣờng.
Giả sử có hai sóng phẳng truyền lan trong môi trƣờng phi tuyến bậc ba
theo hai hƣớng ngƣợc nhau, tức là:
E3 (r )  A3 exp( jk3 .r ) và E4 (r )  A4 exp( jk4 .r )

Với k4  k3

(1.6)

Đồng thời một sóng có số sóng k1 (không cùng phƣơng với hai sóng
trên) bơm vào môi trƣờng đó. Do quá trình tƣơng tác thông số bốn sóng, mà
trong môi trƣờng xuất hiện mật độ phân cực 6 A3 A4 E1* (r ) . Chính phân cực này
là nguồn phát xạ sóng thứ tƣ:

E (r)  A A E*(r )
2
3 4 1

(1.7)

Do A1 và A2 là hằng số, do đó, sóng E2 sẽ tỉ lệ thuận với phần liên hợp
E1* của sóng k1 . 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 nhƣ vậy gọi là bộ liên hợp pha. Và để
thỏa mãn bảo toàn xung lƣợng, tức là:

k1  k2  k3  k4  0

(1.8)

Sử dụng (1.6), suy ra:

k2  k1

(1.9)


22

nghĩa là sóng thứ tự truyền ngƣợc chiều với sóng bơm.
Nhƣ vậy, hiệu ứng liên hợp pha trong môi trƣờng phi tuyến bậc ba sẽ
cho ta một sóng truyền ngƣợc chiều với sóng thử. Bộ liên hợp pha này giống
nhƣ một gƣơng đặc biệt tạo ra sóng phản xạ theo chiều ngƣợc lại và không
thay đổi pha so với sóng tới (hình 1.10).

Hình 1.10 Phản xạ của sóng phẳng (a) và sóng cầu (c) trên gương
thường, tương tự trên gương liên hợp pha (b) và (d).
B. Cấu trúc
Trên hình 1.11 trình bày tạo sóng liên hợp bằng tinh thể phi tuyến bậc
ba. Một chùm laser đƣợc chia thành hai chùm nhỏ nhờ bản chia. Nhờ hệ hai
gƣơng lái một phần vào tinhthể, sau khi đi qua tinh thể đƣợc lái trở lại, tạo
thành một cặp chùm tia có hƣớng truyền lan ngƣợc nhau. Một phần đƣợc

chiếu trực tiếp vào tinh thể. Nhờ hiệu ứng liên hợp pha, một chùm tia liên hợp
phát trở lại bản chia và đƣợc đƣa ra ngoài.

Hình 1.11 Hệ quang học phát sóng liên hợp.


23

Quá trình tƣơng tác bốn sóng trong tinh thể có thể xem nhƣ một dạng
của quá trình tạo ảnh giao thoa thời gian thực, đƣợc trình bày trong hình 1.12.
Khi có bốn sóng trộn trong tinh thể phi tuyến, thì một cặp sẽ giao thoa với
nhau tạo ra cách tử. Từ cách tử này, sóng thứ ba sẽ phản xạ và sinh ra sóng
thứ tƣ. Vai trò sóng bơm, sóng vật đƣợc thay đổi cho nhau trong bốn sóng, do
đó, có hai dạng cách tử.

Hình 1.12 Giao thoa ba chiều thời gian thực nhờ quá trình trộn bốn
sóng trong môi trường phi tuyến.
Ví dụ trong hình 1.12a, hai sóng bơm là 3 và 4 là sóng phẳng truyền
ngƣợc chiều nhau. Quá trình tạo ảnh có thể xẩy ra theo hai bƣớc nhƣ sau:
Bƣớc thứ nhất. Sóng vật 1 và sóng bơm 3 giao thoa với nhau tạo ra
cách tử thể tích (giao thoa ba chiều).
Bƣớc thứ hai. Sóng bơm 4 bị phản xạ trên cách tử để sinh ra sóng liên
hợp 2.
Cách tử này gọi là cách tử truyền qua.
Khả năng thứ hai đƣợc trình bày trong hình 1.12b. Trong trƣờng hợp
này, cách tử gọi là phản xạ.
C. Ứng dụng
Sóng liên hợp pha có cƣờng độ phụ thuộc vào cƣờng độ sóng bơm, do
đó, ứng dụng đầu tiên là đo tín hiệu laser có cƣờng độ yếu. Chiếu tín hiệu
laser yếu vào gƣơng liên hợp pha sẽ nhận đƣợc tín hiệu phản xạ có cƣờng độ

mạnh hơn. Ứng dụng thông dụng nhất của gƣơng liên hợp pha là phục hồi sai


24

quang của các chùm tia laser, tức là khôi phục mặt pha. Vì khi phản xạ qua
gƣơng liên hợp, tia sáng quay lại chính quang lộ của nó (hình 1.13)-gọi là quá
trình đảo quang.

Hình 1.13 Quá trình đảo quang

Hình 1.14 a) Sửa sai quang bằng gương liên hợp pha; b) Buồng cộng
hưởng quang học với gương liên hợp pha.
Khi đi qua môi trƣờng gây quang sai, mặt sóng của chùm laser sẽ bị
phá vỡ. Nhờ gƣơng liên hợp, mặt sóng của chùm tia sẽ hồi phục (hình 1.14a).
Nếu ta sử dụng gƣơng liên hợp nhƣ một gƣơng của buồng cộng hƣởng laser
thì mặt sóng của chùm tia phát ra luôn luôn ổn định (hình 1.14b).
1.2.3

-flop

Phần tử nhớ Flip-Flop. Nó là một phần tử nhớ có hai trạng thái cân
bằng ổn định tƣơng ứng với hai mức logic 0 và 1. Dƣới tác dụng của các tín
hiệu điều khiển ở lối vào, Flip-Flop có thể chuyển về một trong hai trạng thái
cân bằng, và giữ nguyên trạng thái đó chừng nào chƣa có tín hiệu điều khiển
làm thay đổi trạng thái của nó.


25

1.2.3.1. Khái niệm về hiệu ứng lưỡng ổn định
Một hệ quang học đƣợc gọi là lƣỡng ổnh định nếu nó có hai trạng thái
đầu ra ổn định trong phạm vi của các giá trị đầu vào. Giản đồ các đặc tính đầu
vào-đầu ra của một hệ thống lƣỡng ổn định đƣợc thể hiện trong hình 1.15.
Ycao

Ythấp
Xxuống

X0

Xlên

Hình 1.15 Đường cong trễ đặc trưng với các vùng khác nhau.
Trên hình 1.15 : Đại lƣợng X đại diện cho các giá trị đầu vào (ví dụ
nhƣ cƣờng độ đầu vào, bƣớc sóng, dòng điều khiển cho một hệ thống quang
học) và "Y" là viết tắt của giá trị ra (ví dụ nhƣ cƣờng độ truyền đi, cƣờng độ
phản xạ, nhóm chậm trễ (trễ nhóm - group-delay). Từ hình này cho bất kỳ X0
giá trị đầu vào, giữa Xlên và Xxuống, hệ thống có hai trạng thái ổn định có thể
Ythấp và Ycao. Tình trạng không ổn định của hệ thống đƣợc thể hiện bởi các
đƣờng chấm chấm. Nếu số lƣợng đầu vào X đƣợc tăng dần từ thấp đến giá trị
cao (vùng I) cho đến khi nó đạt đến giá trị của Xlên. Nếu số lƣợng đầu vào
đƣợc tăng thêm, đầu ra nhảy đến nhánh trên (vùng II) và tiếp tục sau nhánh
trên. Mặt khác nếu số lƣợng X ban đầu theo giá trị cao (> X lên), nếu chúng ta
làm giảm nó dần dần cho đến khi nó đạt đến giá trị của X xuống và sau đó gập
lại cho nhánh thấp hơn (nhìn mũi tên xuống). Vì vậy, tùy thuộc vào lịch sử
lên hệ thống ƣu tiên của nó lƣu trú trong các cao (Y cao) hoặc thấp (Ythấp) tình
trạng đầu ra nếu số lƣợng X nằm giữa Xlên và Xxuống.
Hệ lƣỡng ổn định quang học (còn gọi là hệ hai trạng thái) có đầu ra
nhận một trong hai giá trị ổn định, không phụ thuộc đầu vào. Quá trình đóng