CHƯƠNG 2 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA GIAO THOA KẾ SAGNAC
2.2 Một số ứng dụng của giao thoa kế Sagnac
2.3.4 Khuếch đại tham số
Khuếch đại tham số là một lớp ứng dụng quan trọng dựa trên việc trộn bốn sóng [1] (four wave mixing - FWM) xuất hiện bên trong giao thoa kế Sagnac phi tuyến. Bằng cách truyền đồng thời sóng bơm và sóng tín hiệu tại các bước sóng khác nhau bên trong một sợi quang để tạo ra một sóng đệm thông qua quá trình trộn bốn sóng phi tuyến. Cả sóng tín hiệu và sóng đệm phải trải qua quá trình khuếch đại thêm nhờ khuếch đại tham số. Hơn nữa, pha của sóng đệm có liên quan tới pha của sóng tín hiệu qua điều kiện hợp pha. Vì lí do này, quá trình trộn bốn sóng còn được gọi là kết hợp pha.
Quá trình FWM bên trong một mạch sagnac được bổ sung đáng kể bằng tính truyền dẫn nghịch của trường bơm và trường tín hiệu và các quá trình lệch pha phi tuyến XPM, SPM. Thiết bị như vậy được gọi là gương tham số quang học (optical parametric loop mirror) để nhấn mạnh tầm quan trọng đạt được các tham số. Hình 2.5 trình bày thiết bị xác định cấu hình tự động.
Trường bơm và trường tín hiệu (Ep và Es) được phóng vào trong mạch từ cùng một cổng của bộ nối. Nếu giao thoa kế Sagnac được cân bằng bằng cách sử dụng bộ nối 3dB thì cả trường bơm và trường tín hiệu được tách đồng đều, chúng sẽ được phản xạ bởi gương mạch sợi quang. Nói cách khác, thành phần Ef của FWM (sóng đệm) tạo ra bên trong mạch chạy bất đối xứng nếu một mảnh sợi tán sắc được đặt gần bộ nối để làm mất cân bằng giao thoa kế.
Để hiểu hoạt động của một gương mạch tham số, chúng ta cần tính đến sự lệch pha tương đối giữa các thành phần sóng truyền nghịch của sóng đệm (Ef3 và Ef4). Hằng số truyền dẫnβ bên trong sợi tán sắc là khác với trường phối hợp giữa trường bơm và trường tín hiệu bởi vì tần số của chúng khác nhau (ωp,ϖs và ϖc). Quá trình lệch pha tương đối của mạng
( ) ( ) ( )
[ p s c ] f
d β ω β ω β ω L
φ = 2 − − được khởi phát khi mạch Sagnac được chế tạo bằng sợi tán sắc có bước sóng L . Kết quả là, công suất của FWM ra ngoài từ
Hình 2.5: Sơ đồ của FWM bên trong giao thoa kế Sagnac
cổng ra số hai của cuộn Sagnac tuỳ thuộc và quá trình lệch pha này và được tính bằng công thức: Pout =Pcsin2(φd /2)
Trong đó Pc là công suất tổng tạo ra qua quá trình FWM. Công suất còn lại ra ngoài từ cổng vào. Như vậy khi φdlà bộ số lẻ của π thì tín hiệu FWM thoát ra từ cổng ra, ngược lại khi φd là bội số chẵn của π thì mạch hoạt động như một gương ghép pha, bởi vì tất cả công suất FWM sinh ra đều được phản xạ. Thực tế, công suất FWM ở tần số ωc có thể được tách khỏi trường bơm và trường tín hiệu bằng cách chọn φ =d π mà không cần bộ lọc quang học. Đồng thời âm thanh (tiếng ồn) công suất thấp cùng với tín hiệu (ví dụ: phát xạ tự phát) được lọc bởi mạch Sagnac (do được phản xạ).
FWM trong mạch Sagnac được dùng trong nhiều ứng dụng. Tính chất nhạy pha của quá trình khuếch đại tham số có thể sử dụng cho lưu trữ toàn bằng quang các gói dữ liệu của chuỗi ngâu nhiên các bit 0 và 1dưới dạng các xung picôgiây. Nó còn có thể được sử dụng để tạo ra soliton biên độ nén, sử dụng mạch Sagnac bất đối xứng. FWM trong giao thoa kế Sagnac phi tuyến đã từng được sử dụng để tạo ra máy dao động tham số. Các xung dưới 1 ps có thể được tạo ra qua quá trình bơm đồng bộ của mạch Sagnac. Hơn nữa, các máy dao động tham số như vậy có khả năng tinh chỉnh trên một biên độ rộng 40 nm. Khuếch đại tham số cũng có thể có ích để giảm tiếng ồn xuống dưới mức 3 dB. Trong một thực nghiệm gần đây, quá trình khuếch đại 16 dB đã được tiến hành với trị số tiếng ồn chỉ khoảng 2 dB.
Một ứng dụng quan trọng nữa là sử dụng giao thoa kế Sagnac phi tuyến để ghép pha. Trong một thí nghiệm, hai sóng bơm bị phân cực vuông góc với nhau được cấp vào hai cổng khác nhau của giao thoa kế Sagnac để thự hiện một bộ ghép pha mà không chỉ không nhạy phân cực hoá mà còn không chuyển cả bước sóng nữa. Trong một thí nghiệm khác, một bộ khuếch đại
quang bán dẫn được dùng để ghép pha bên trong mạch Sagnac. Thiết bị này có khả năng bù tán sắc trên 106 km sợi quang chuẩn ở tốc độ bit 80 Gb/s khi bộ ghép pha được dặt ở gần giữa khẩu độ giữa hai đầu sợi quang.