CHƯƠNG 2 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA GIAO THOA KẾ SAGNAC
2.1 Các tính chất phi tuyến của giao thoa kế Sagnac
2.1.1 Sự truyền dẫn phi tuyến
2.2.2.1 Hiệu ứng tự biến điệu pha
Chuyển mạch soliton trong giao thoa kế Sagnac được quan sát năm 1989 bằng cách phóng ra các xung cực ngắn tại một bước sóng ở chế độ tán sắc vận tốc nhóm dị thường của mạch sợi. Trong một thí nghiệm, xung khóa trạng thái (độ rộng cỡ 0,4 ps) thu được từ 1 laser màu trung tâm hoạt động gần 1,5 àm, được phúng vào mạch Sagnac 100 m . Mạch này được hỡnh thành
bằng cách sử dụng sợi duy trì phân cực (có bước sóng tán sắc bằng 0, gần 1,58àm). Cỏc xung đầu vào 0,3 ps thu được từ 1 laser màu trung tõm hoạt động gần 1,69àm. Hỡnh 2.2 cho thấy đường đặc trưng chuyển mạch quan sỏt trong thí nghiệm này. Năng lượng của xung truyền đi và xung phản xạ (Eout
and Erefl ) thay đổi theo năng lượng xung vào EIN cho thấy bằng chứng rõ ràng của sự chuyển mạch phi tuyến. Năng lượng của xung truyền đi tăng từ vài phần trăm đến 90% khi năng lượng xung vào tăng lên gần 55 pJ (công suất đỉnh ~ 100W).
Hình 2.2 Các đặc điểm chuyển mạch đo được (bên trái) và theo lí thuyết (bên phải) của giao thoa kế Sagnac. Mức năng lượng để hình thành một soliton cơ bản là E1 = 33,2 pJ đối với xung 0,3 ps.
Kết quả thí nghiệm thu được với xung 0,3 ps không thể giải thích được bằng cách sử dụng lý thuyết sóng liên tục đơn giản bởi vì các hiệu ứng soliton đóng một vai trò quan trọng. Sự phù hợp nhất là giải các phương trình shrodinger phi tuyến tổng quát đã cho ở phương trình (1.41) về số lượng và điều kiện biến thích hợp. Sự tán xạ Raman xung nội - một hiệu ứng phi tuyến bậc cao, làm thay đổi quang phổ của các soliton, đóng một vai trò quan trọng
đối với các xung ngắn và hạn chế sự truyền đỉnh tới 100%. Nó cũng dẫn đến sự phá vỡ xung ở công suất cao.
Ngưỡng chuyển mạch của giao thoa kế Sagnac có thể giảm bằng cách đưa một máy khuếch đại vào bên trong mạch. Nếu máy khuếch được đặt ở vị trí gần với bộ nối, sự có mặt của nó tạo ra sự bất đối xứng khi các xung truyền ngược hướng nhau nhưng không được khuếch đại đồng thời. Khi giao thoa kế Sagnac bị mất cân bằng bởi máy khuếch đại thì bộ nối 50 : 50 (ρ=0,5) cũng có thể sử dụng được. Lúc này một dải sóng được khuếch đại tại cổng vào của mạch, trong khi dải sóng truyền ngược hướng lại được khuếch đại trước khi thoát ra khỏi mạch.
Do mật độ hai sóng khác nhau bởi số lượng lớn khắp mạch nên sự thay đổi pha khác nhau có thể khá lớn. Thực tế, nếu cho rằng sóng theo chiều kim đồng hồ được khuếch đại đầu tiên với hệ số G, chúng ta có thể sử dụng phương trình (1.37) để tính toán hệ số truyền, vơíi điều kiện Af ở biểu thức (1.35) được nhân với G. Kết quả là:
( ){ [( G) P L]}
Ts =1−2ρ1−ρ .1+cos 1−ρ−ρ γ 0 (2.7) Điều kiện để sóng được truyền đi toàn bộ thu được từ (1.39) là (1−2ρ) được thay bằng (1−ρ −ρG) với ρ =0,5 công suất chuyển mạch là ( sử dụng m = 1):
( )
[G L]
P γ
π 1 2
0 = − (2.8) Hệ số khuếch đại G có thể lớn bằng 30 dB, công suất chuyển mạch dược giảm xuống 1000 lần.
Giao thoa kế Sagnac cũng có thể làm mất cân bằng khi sử dụng một sợi quang mà tán sắc vận tốc nhóm không phải là hằng số, mà thay đổi dọc theo vòng sợi. Tán sắc vận tốc nhóm có thể thay đổi liên tục như trong một sợi có độ tán sắc giảm dần hoặc thay đổi theo dạng từng bậc khi sử dụng các sợi có độ tán sắc khác nhau để nối với nhau thành hàng loạt. Trường hợp đơn
giản nhất là mạch Sagnac được làm bằng hai loại sợi. Các mạch sợi có độ tán sắc thay đổi làm mất cân bằng giao thoa kế Sagnac, bởi vì các sóng truyền ngược hướng nhau đi qua tắn sắc vận tốc nhóm khác nhau khi chúng hoàn thành một đường vòng. Đặc điểm đáng lưu ý nhất của mạch Sagnac là chúng duy trì sự cân bằng cho các tia CW ở bất kỳ mức công suất nào, vì tán sắc vận tốc nhóm không ảnh hưởng đến chúng. Tuy nhiên sự phát triển của các xung quang bị ảnh hưởng bởi cả tán sắc vận tốc lẫn sự tự biến điệu pha, dẫn đến sự lệch pha tương đối giữa các sóng truyền ngược hướng. Kết quả là các xung quang có thể được chuyển mạch đến cổng vào trong khi bất kỳ tiếng ồn phông CW nào cũng được phản xạ bởi mạch Sagnac cân bằng.