Khảo sát hệ số nén xung sử dụng sợi quang khuếch đại raman bơm ngược và bộ liên kết bán phi tuyến

Vật lý C.V. Biên, H.Q.Quý, , L.T.T.Oanh, “Khảo sát hệ số nén liên kết bán phi tuyến.” 119 KHẢO SÁT HỆ SỐ NÉN XUNG SỬ DỤNG SỢI QUANG KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM NGƯỢC VÀ BỘ LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN Chu Văn Biên1*, Hồ Quang Quý2, Đào Sỹ Nhiên3, Đặng Quốc Phong4, Lương Thị Tú Oanh5 Tóm tắt: Bài báo đề xuất hai hệ nén xung liên tục kết hợp bộ liên kết quang bán phi tuyến với hệ khuếch đại Raman bơm ngược trong sợi quang. Trên cơ sở các biểu thức mô tả quá trình truyền trong bộ liên kết quang bán phi tuyến và hệ khuếch đại Raman, các dạng xung quang đã được mô tả và hệ số nén xung được khảo sát phụ thuộc vào số lần lặp và hệ số khuếch đại Raman. Từ khoá: Quang phi tuyến, Sợi quang khuếch đại, Hiệu ứng Kerr, Bộ liên kết phi tuyến, Nén xung. 1. MỞ ĐẦU Một hướng nghiên cứu khác về bộ liên kết bán phi tuyến cho thấy một tín hiệu vào sẽ tách thành hai tín hiệu ở hai cổng ra có thể có độ rộng xung ngắn hơn nếu chọn được bộ tham số thích hợp [1],[ 10]. Tùy thuộc vào các tham số thiết kế mà hai xung (mạnh và yếu) được tách ở hai cổng ra của bộ liên kết quang bán phi tuyến sẽ thay đổi vai trò cho nhau. Cần nén một xung có thể kết hợp hai quá trình: khuếch đại đỉnh xung và rút gọn độ rộng xung. Do đó, có thể sử dụng đồng thời bộ liên kết quang bán phi tuyến và khuếch đại Raman để nén một xung quang [12]. Trong bài báo này, thực hiện tính toán chọn lựa các tham số của bộ liên kết quang phi tuyến để thiết kế hai hệ nén xung lặp (bơm liên tục) ứng cách chọn cổng ra khác nhau. Hiệu quả nén xung được khảo sát sự phụ thuộc của hệ số nén xung vào số làn lặp và hệ số khuếch đại Raman. 2. CẤU HÌNH ĐỀ XUẤT 2.1. Cấu hình và nguyên lý hoạt động a) b) Hình 1. Cấu hình nguyên lý cơ bản của hệ xung MTPFC. a)Cổng ra sợi phi tuyến của SNOC; b) Công ra sợi tuyến tính của SNOC. Chúng ta giả thiết rằng, các tham số của bộ liên kết bán quang bán phi tuyến (semi- nonlinear optical coupler - SNOC) được lựa chọn sao cho các tín hiệu ra ở hai cổng ra của nó có thể xẩy ra hai trường hợp: a) tín hiệu yếu ra ở cổng ra của sợi phi tuyến và b) ở cổng ra của sợi tuyến tính. Với hai bộ liên kết quang bán phi tuyến này, chúng ta có hai cấu hình Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 120 cho bộ nén xung lặp kết hợp bộ liên kết quang bán phi tuyên với khuếch đại Raman (multitrip pulse fiber compressor-MTPFC) trình bày trong hình 1. Với cấu hình trên, một xung tín hiệu quang ở bước sóng Raman (trùng với mức năng lượng tán xạ trong sợi khuếch đại Raman- 1570nm) được đưa vào cổng vào (cổng 1) của bộ liên kết chia đôi tín hiệu (-3dBOC). Một tín hiệu ở cổng ra của bộ -3dBOC được dẫn vào cổng vào của sợi phi tuyến của bộ SNOC. Sau khi truyền qua SNOC, một tín hiệu yếu có độ rộng xung rút ngắn (ngắn hơn xung vào) sẽ xuất hiện ở cổng ra của sợi quang phi tuyến (hình 1a) hoặc ở cổng ra của sợi tuyến tính (hình 1b). Xung này sẽ truyền qua sợi khuếch đại Raman. Do sợi quang khuếch đại Raman luôn luôn ở trạng thái kích thích Raman nhờ laser liên tục bước sóng 1472nm bơm ngược nên xung tín hiệu yếu được khuếch đại và đi đến bộ -3dBOC và sau đó truyền tới cổng ra của –3dBOC thành xung nén. Như vậy, xung nén ở cổng ra được rút gọn nhờ bộ SNOC và khuếch đại bởi sợi quang Raman bơm ngược. 2.2. Cơ sở lý thuyết cho quá trình nén xung Chúng ta khảo sát quá trình nén một xung Gauss ở cổng 1 của bộ -3dBOC: 2 2 ( ) ln 2vao max t I t I exp          (1) trong đó, Imax là cường độ đỉnh,  là bán độ rộng xung. Sau khi truyền qua bộ -3dBOC, xung Ivao(t) được chia thành hai xung thành phần bằng nhau ở cổng 3 và 4 có cường độ đỉnh giảm đi ½ , tức là: 2 3 4 2 ( ) ( ) ln 2 2 maxI tI t I t exp           (2) Xung thành phần I4(t) gọi là “Xung nén” lần thứ “0”. Với giả thiết mất mát trong sợi quang tuyến tính không đáng kể, xung I3(t) được dẫn đến cổng 5 của bộ SNOC vẫn giữ nguyên độ rộng xung và cường độ đỉnh, gọi là “Xung ban đầu” của quá trình nén thứ nhất. Xung này truyền qua bộ SNOC, xung 3( )I t bị tách thành hai xung thành phần. Xung thành phần thứ nhất ở cổng 6 (cổng 7) của bộ SNOC (Hình 1a hoặc 1b) sẽ được bỏ qua nhờ một tế bào hấp thụ. Một xung thành phần thứ hai ở cổng 7 (cổng 6) của sợi phi tuyến được rút ngắn. Xung này được biểu diễn tương ứng cho hai hệ bởi các biểu thức sau [12]:   2 2 2 2 2 7 2 2 2 ( ) ln 2 1 sin 2 max ra C nl nl I t C I t exp l C C C C                (3)a   2 2 2 2 2 6 2 2 2 ( ) ln 2 sin 2 max ra C nl nl I t C I t exp l C C C C               (3)b trong đó, 2 2 2 4 4 2 2 0 ax 2 2 4 ln 2 64 nl m nl c n I t C exp             (4) là bình phương của hệ số liên kết phi tuyến, lC là chiều dài vùng liên kết và C là hệ số liên kết tuyến tính. Sau đó, xung này được dẫn vào hệ BCWRFA để được khuếch đại. Sợi quang Raman được cấy thêm ion Germani với nồng độ sao cho hệ số khuếch đại Raman sẽ là g(m/W) [6]. Cường độ của nguồn laser bơm là Ip(W/m 2). Như vậy, sau khi truyền qua sợi quang khuếch đại Raman có chiều dài lR(m), xung Ira,7(t) (hoặc Ira,6(t ) được khuếch đại với hệ số: Vật lý C.V. Biên, H.Q.Quý, , L.T.T.Oanh, “Khảo sát hệ số nén liên kết bán phi tuyến.” 121 ( )p RG exp I gl (5) Từ (3) và (5), tại cổng 2 của bộ -3dBOC, xung được biểu diễn bởi biểu thức sau:       1 7 2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) ( ) ln 2 1 sin 2 kd ra p R max C nl p R nl I t I t exp I gl I t C exp l C C exp I gl C C                 (6)a     2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) ln 2 sin 2 m ax kd C nl p R nl I t C I t exp l C C exp I gl C C               (6)b Xung này sẽ truyền qua bộ -3dBOC và chia thành hai xung thành phần bằng nhau. Một xung thành phần trở thành “Xung nén” lần “thứ nhất” ở cổng 4, có dạng sau:     2 2 2 2 21 ,1 2 2 2 ( ) ( ) ln 2 1 sin 2 4 kd max nen C nl p R nl I t I t C I t exp l C C exp I gl C C                 (7)a     2 2 2 2 22 nen,1 2 2 2 ( ) ( ) ln 2 sin 2 4 kd max C nl p R nl I t I t C I t exp l C C exp I gl C C                (7)b và xung thành phần còn lại ở cổng 3 trở thành “Xung ban đầu” của quá trình nén lần thứ hai. Quá trình này được lặp lại bằng cách sử dụng “Xung nén” lần thứ i làm “Xung đầu vào” cho quá trình nén lần thứ i+1. Ở cổng ra (cổng 4 của bộ -3dBOC) sẽ nhận được các “Xung nén” Inen,i(t), i = 0..N, trong đó N là số lần nén cho đến khi cường độ xung đủ lớn phù hợp với yêu cầu của người sử dụng. 2.3. Khảo sát quá trình nén xung Trên cơ sở các vật liệu và linh kiện hiện có được đề cập đến trong các công trình [7], [8], chúng tôi thiết kế một hệ MTPFC(a) với các tham số sau: Hệ số chiết suất phi tuyến nnl = 1,010 -12m2/W; Chiều dài vùng liên kết lC = 1,95mm (a) và lC = 4,2mm (b); Hệ số liên kết tuyến tính C = 0,694mm-1; Chiều dài sợi quang cấy Germani lR = 10m; Hệ số suy giảm giả thiết bằng không; Hệ số khuếch đại Raman g = 4,510-14m/W [3, 9]; Cường độ laser bơm Ip = 2,510 12W/m2 (a); Ip = 3,6110 12W/m2 (b); Bước sóng laser bơm  = 1472nm; Cường độ đỉnh Imax = 1,510 12W/m2; Độ rộng xung 2 = 2,010-9s; Bước sóng  = 1570nm [18]. Bằng phần mềm tính toán, dạng xung ở các cổng ra được khỏa sát và trình bày trong hình 2. Hình 2. Dạng xung ở các cổng của hệ MTPFC(a). a) Xung vào Ivao ở cổng 1 của bộ -3dBOC; b) Xung ra ở cổng 3 (I3) và 4 (I4) của bộ - 3dBOC; c) Xung rút ngắn Ira,7 ở cổng 7 của SNOC; d) Khuếch đại lần thứ nhất (trước - 3dBOC); e) Ở cổng ra của -3dBOC.l Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 122 Sau khi khuếch đại lần thứ nhất, chúng thu được xung với độ rộng  1,410-9s và cường độ đỉnh  11,51011W/m2. Như vậy, sau lần nén thứ nhất cường độ đỉnh tăng lên, trong khi đó độ rộng xung được rút ngắn lại. So với xung vào thì cường độ đỉnh của xung nén lần thứ nhất tăng 1,5 lần, độ rộng xung được rút ngắn bằng 70% xung ban đầu. Điều này cho thấy hiệu suất rút gọn xung của hệ a. Hiệu suất nén xung của hệ sau các lần khuếch đại được đánh giá thông qua hệ số nén được trình bày trong bảng 1. Kết quả trong bảng 1 cho thấy, khi xung truyền qua hệ MTPFC1, hệ số nén tăng nhanh sau mỗi chu kỳ. Bảng 1. Các tham số xung nén và hệ số nén theo lần nén qua hệ MTPFC(a). Xung Vào Lần “1” Lần “2” Lần “3” Imax(W/m 2) 0,75.1012 1,15.1012 1,75.1012 2,7.1012 2(s) 2.10 -9 1,4.10-9 1,25.10-9 1,2.10-9 Fnen(W/m 2s) 3,75.1020 8,2.1020 14.1020 22,5.1020  1 2,19 3,73 6 Hệ số nén ở lần thứ ba sẽ phụ thuộc vào hệ khuếch đại Raman, tức là phụ thuộc vào tích (IpglR) . Sựu phụ thuộc này được khảo sát như trong bảng 2. Bảng 2. Hiệu suất nén xung của hệ a sau lần thứ ba với hệ số khuếch đại khác nhau. Hệ số KĐ (IpglR) I max (W/m 2) 2τ (10 -9 s) F (W/m 2s) η 0,5 1,25.1011 0,58 2,16.1020 0,57 0,54 2,3.1011 0,60 4,33.1020 1,02 0,9 1,25.1012 1,12 11,16.1020 2,98 1,0 1,85.1012 1,12 16,52.1020 4,4 1,2 3,3.1012 1,13 29,20.1020 7,79 2,3 9,5.1013 1,14 83,33.1020 22,22 3,3 1,9.1015 1,14 16666,67.1020 4444,44 Chúng ta có thể rút ra: với các tham số đã cho, tồn tại một bộ giá trị ngưỡng, tại đó hiệu ứng nén xung xuất hiện. Khi công suất bơm tăng từ giá trị này, hiệu suất nén xung sẽ tăng trong khi độ rộng xung hầu như giữ nguyên giá trị 1,12ps. Có thể khẳng định, cấu hình a khi dùng tín hiệu ra ở cổng thứ nhất của bộ liên kết bán phi tuyến với mục đích tăng công suất đỉnh. Tương tự, các xung ra ở các cổng của hệ b cũng đã được khảo sát như trong hình 3. Vật lý C.V. Biên, H.Q.Quý, , L.T.T.Oanh, “Khảo sát hệ số nén liên kết bán phi tuyến.” 123 Hình 3. Dạng xung tín hiệu trong hệ MTPFC(a): a) Xung vào Ivao ở cổng 1; b) Xung ra ở cổng 3 (I3) và 4 (I4); c) Xung rút ngắn Ira,6 ở cổng 6 của SNOC; d) Xung nén lần thứ nhất; e) Xung nén lần thứ hai; f) Xung nén lần thứ ba. Sau lần nén thứ nhất xung có cường độ đỉnh  7,51011W/m2 và độ rộng xung  1,010-9s. Như vậy, sau lần nén thứ nhất cường độ đỉnh không đổi nhưng độ rộng xung được rút ngắn lại hai lần. Sau lần nén thứ hai xung có cường độ đỉnh  7,51011W/m2 và độ rộng xung  0,710-9s. Sau lần nén thứ hai cường độ đỉnh không đổi nhưng độ rộng xung được rút ngắn lại 30% so với lần nén thứ nhất. Sau lần nén thứ ba xung có cường độ đỉnh  7,51011W/m2 và độ rộng xung  0,57510-9s. Sau lần nén thứ thứ ba cường độ đỉnh không đổi nhưng độ rộng xung được rút ngắn lại 20% so với lần nén thứ hai. Quá trình thực hiện mô phỏng cho thấy, với bộ tham số hợp lý đã chọn, các lần lần nén thứ tư trở đi xung nén xung nén giữ ổn định. Điều này có thể giải thích dựa theo tính chất rút ngắn xung lọc lựa của bộ liên kết bán phi tuyến SNOC, theo đó, xung sau khi nén lần 3 đã trở thành xung vuông với cường độ đỉnh không đổi do có sự cân bằng giữa quá trình khuếch đại và mất mát. Hệ số nén cũng sẽ thay đổi sau mỗi lần nén (bảng 3) và phụ thuộc vào hệ số khuếch đại Raman (bảng 4) Bảng 3. Các tham số xung nén và hệ số nén theo lần nén qua hệ MTPFC(b). Xung Lần “0” Lần “1” Lần “2” Lần “3” Imax(W/m 2) 7,5.1011 7,5.1011 7,5.1011 7,5.1011 2(s) 2,0.10 -9 1,0.10-9 0,7.10-9 0,575.10-9 Fnen(W/m 2s) 3,75.1020 7,5.1020 1,07.1021 1,3.1021  1 2 2,9 3,5 Kết quả trong bảng 3 cho thấy, khi xung truyền qua hệ MTPFC(b) thích hợp (với các tham số đang khảo sát) trong các chu kỳ hệ số nén tăng dần đến giá trị cực đại 3,5 và bắt đầu từ chu kì thứ 3 trở đi xung nén là xung vuông gần giống nhau với hệ số nén bằng 3,5. Từ kết quả mô phỏng trình bày trong bảng 3., với các tham số thiết kế đã cho (IpglR = 1,6245), hệ số nén của hệ MTPFC(b) đạt giá trị “bão hòa”  = 3,5. Bảng 4. Hiệu suất nén xung của hệ b sau lần thứ ba với hệ số khuếch đại khác nhau. Hệ số KĐ (IpglR) Imax (W/m 2) 2τ (10 -9 s) F (W/m 2s) η 1,52 8.1010 0,325 2,46.1020 0,66 1,529 1,4.1011 0,35 4,00.1020 1,06 1,54 2,3.1011 0,36 6,39.1020 1,70 1,56 4,5.1011 0,41 10,98.1020 2,93 1,58 6,5.1011 0,46 14,13.1020 3,77 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 124 1,64 7,7.1011 0,60 12,83.1020 3,42 1,66 7,8.1011 0,62 12,58.1020 3,35 3. KẾT LUẬN Trong cả hai cấu hình của hệ MTPFC (a), độ rộng xung được rút ngắn bớt cỡ 44% theo cách “cắt gọt” phần đầu xung và phần cuối xung; cường độ đỉnh được khuếch đại lên hàng ngàn lần. Trong cấu hình của hệ MTPFC (b), độ rộng xung được rút ngắn bớt cỡ 80%; cường độ đỉnh có thể được khống chế ở giá trị nhất định khi chọn được các bộ tham số nhất định : nnl = 0,7510 -12m2/W; lC = 4,2mm; C = 0,694mm -1; IpglR = 1,58,  = 1472nm, Imax = 1,510 12W/m2 (sau khi qua bộ -3dBOC cường độ đỉnh sẽ là Imax = 0,7510 12W/m2). TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu, Nguyễn Thị Thanh Tâm, “Mật độ quang ra của bộ liên kết phi tuyến”, Ad. Những tiến bộ trong Quang học, Quang tử, Quang phổ và Ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ, 2008. [2]. J. Wu and M.S. Kao, “Light amplification using backward Raman pumping”, Microwave and Optical Technology Letters, 1, 4, (1988), pp.129-131. [3]. M. K. Jahromi and F. Emami, “Simulation of distributed multi-pump Raman amplifiers in different transmission media”, Intern. J. of Communication, 2, 4, (2008), pp.205-212. [4]. M. N. Islam, “Raman Amplifiers for Telecommunications”, IEEE J. of Selected Topics in Quantum, 8, 3, (2002), pp.548-559. [5]. Georgii Felinskyi, Mykhailo Dyriv, “Signal-to-noise analysis in a counter- pumped fiber Raman amplifier”, Optica Applicata, Vol. XLIV, No. 4, (2014), pp.493-501. [6]. H. S. Seo, K. Oh, and U.C. Peak,”Gain optimization of Germanosilicate fiber Raman amplifier and ít applications in the compensation of Raman-induced crosstalk among wavelength division multiplexing channels”, IEEE J. Quant. Electron., 37, 9, (2001), pp.1110-1116. [7]. J. M. Jonathan, Summer School, Doson, (2004), 245. [8]. W. Kaiser and M. Maier, “Stimulated Rayleigh, Brillouin, and Raman spectroscopy”, Laser Handbook, vol.2, F. T. Arecchi and E. O. Schulz- Dubois, Eds. Amsterdam, The Netherlands: North-Holland, (1972). [9]. J. Wu, F. Luo, and M. Cao, “Generation of Ultrafast pulse via combined effects of stimulated Raman scattering and non-degenerate two-photon absorption in silicon nanophotonic chip”, PRAMANA-J. of Physics, 72, 4, (2009), pp.727-734. [10]. Chu Van Bien, Le Van Hoang, Le Anh Tuan, Ho Quang Quy (2011), “Output signal selection of nonlinear coupler”, Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, Số 14, 08-2011, pp.91-96. [11]. Ho Quang Quy, Vu Ngoc Sau, Nguyen Thi Thanh Tam, Chu Van Bien, “Using a nonlinear coupler to sort a sequence of weak and strong pulses”, Proc. National conference on Theoretical Physics 37, (2012), pp.193-198. [12]. Quang Quy Ho, Van Bien Chu, “Two models of optical pulse self- compressor combined the nonlinear coupler with backward Raman fiber amplifier”, J. Electromagnetic Analysis and Applications, 4 (2012), pp.379- 385. Vật lý C.V. Biên, H.Q.Quý, , L.T.T.Oanh, “Khảo sát hệ số nén liên kết bán phi tuyến.” 125 ABSTRACT THE OPTICAL PULSE COMPRESSOR COMBINED SEMI-NONLINEAR COUPLER WITH BACKWARD RAMAN FIBER AMPLIFIER In this artilce two optical pulse compressors combined the semi-nonlinear coupler (SNOC) with the backward Raman fiber amplifier (BRFA) are proposed. Based expressions discribed the transfer of SNOC and applification coefficients, the shape of optical pulses are observed and compression coefficient are calculated with varying of Raman gain coefficient and discussed. Keywords: Optical amplification fiber, Nonlinear optical coupler, Kerr effect, Pulse compression. Nhận bài ngày 26 tháng 4 năm 2016 Hoàn thiện ngày 26 tháng 5 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 09 tháng 6 năm 2016 Địa chỉ: 1Đại học Hồng Đức, Thanh Hóa; *Email: chuvanbiendhhd@yahoo.com 2Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng; 3Đại học Hoa Lư, Ninh Bình; 4 Đại học Kiến trúc Hà Nội; 5 Cao đẳng Sư phạm Nghệ An.