Tải bản đầy đủ

SỢI QUANG VÀ SỢI QUANG TỬ PCF

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
NGUYỄN ĐÌNH THU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI ĐẶC VỚI MẠNG

LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU BỞI NƯỚC NẶNG

NGUYỄN ĐÌNH THU

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI ĐẶC VỚI MẠNG LỤC
GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU BỞI NƯỚC NẶNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ

KHÓA 25

NGHỆ AN, 2019



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN ĐÌNH THU

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI ĐẶC VỚI MẠNG LỤC
GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU BỞI NƯỚC NẶNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8.44.01.10
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. CHU VĂN LANH

NGHỆ AN, 2019


i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ được hoàn thành dưới sự hướng dẫn Thầy
giáo, PGS.TS. Chu Văn Lanh. Với một sự trân trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin
bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến Thầy giáo, PGS.TS. Chu Văn Lanh hướng
dẫn, giúp đỡ đầy tâm huyết trong suốt quá trình nghiên cứu kể từ khi tôi được giao
đề tài đến khi hoàn thành luận văn.
Tôi xin cũng bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, cô ngành Vật lý – Trường
Đại học Vinh đã dạy tôi những chuyên đề và học phần bổ ích. Đồng thời cảm ơn
Trường Đại học KT&CN Long An và Trường THPT Nguyễn Trãi – huyện Trảng
Bàng – tỉnh Tây Ninh đã hỗ trợ tôi về mọi mặt trong quá trình học tập và nghiên
cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và
đồng nghiệp đã động viên tôi khi thực hiện luận văn này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song luận văn không thể tránh khỏi những
thiếu sót, tôi kính mong nhận được sự góp ý của các nhà khoa học.
Nghệ An, tháng 7 năm 2019
Tác giả

Nguyễn Đình Thu


ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN......................................................... Error: Reference source not found
MỤC LỤC...................................................................................................................ii
DANH MỤC HÌNH VẼ.............................................................................................iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................vi
DANH MỤC VIẾT TẮT...........................................................................................vii
MỞ ĐẦU..................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1
2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài ..............................................................3
3. Mục đích nghiên cứu...............................................................................................3
4. Nhiệm vụ nghiên cứu...............................................................................................4
5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................................4
6. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 4
7. Dự kiến đóng góp mới của đề tài.............................................................................4
NỘI DUNG (Cấu trúc của luận văn)...........................................................................5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC SỢI QUANG..............................................5
1.1. Sợi quang thông thường................................................................................5
1.2. Sợi tinh thể quang tử.....................................................................................7
1.3. Chế tạo sợi tinh thể quang tử......................................................................10
1.4. Hằng số lan truyền β...................................................................................14
1.5. Tán sắc trong PCF.......................................................................................15
1.6. Độ dài tán sắc..............................................................................................18
1.7. Công nghệ tán sắc sợi tinh thể quang tử.....................................................18
1.8. Đo tán sắc trong PCF.................................................................................. 21
1.9. Diện tích mode hiệu dụng...........................................................................24
1.10. Mất mát trong PCF....................................................................................24
1.11. Kết luận chương 1.....................................................................................26
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI ĐẶC VỚI
MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU BỞI NƯỚC NẶNG..................27
2.1. Thiết kế cấu trúc PCF được thẩm thấu nước nặng......................................27
2.2. Nghiên cứu các đặc trưng của PCF lõi đặc với mạng lục giác đều được thẩm
thấu nước nặng...................................................................................................29
2.2.1. Nghiên cứu đặc trưng của chiết suất hiệu dụng.......................................29
2.2.2. Nghiên cứu đặc trưng của diện tích mode hiệu dụng..............................31
2.2.3. Nghiên cứu đặc trưng của tán sắc............................................................34
2.2.4. Nghiên cứu đặc trưng mất mát.................................................................37
2.3. Kết luận chương 2.......................................................................................38
KẾT LUẬN CHUNG........................................................................................ 39
CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ..................................40


iii
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 41


iv

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình
1
2

Nội dung
Cấu trúc của sợi quang thông thường
Sợi tinh thể quang tử lõi đặc (hình 2a) và sợi tinh thể quang tử lõi rỗng

1.1

(hình 2b)
Mặt cắt ngang sợi quang chiết suất bậc, dẫn ánh sáng bằng phản xạ toàn

1.2

phần, chiết suất lõi và vỏ sợi.
Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét của các sợi tinh thể quang tử; a) sợi
PCF lõi đặc, b) Sợi PCF lõi đặc có nhiều lỗ khí, c) Sợi lõi rỗng, d) sợi
PCF lõi đặc bao gồm hỗn hợp của thủy tinh silica pha tạp, e) một sợi lõi

1.3

đặc lưỡng chiết, f) sợi lõi rỗng hai lớp.
Mặt cắt ngang của sợi tinh thể quang tử lõi đặc với các tham số cấu trúc

1.4
1.5
1.6

quan trọng Λ và đường kính lỗ khí d.
Sơ đồ minh họa của tháp kéo sợi.
Quy trình chế tạo sợi PCF bằng phương pháp chồng và kéo [22].
a) Thiết kế sợi lõi đặc điển hình, b) Hình ảnh kính hiển vi quang học của
mặt cắt tương ứng, c) và d) Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét của hai sợi

1.7
1.8

khác nhau có thể được chế tạo áp dụng các áp lực khác nhau trong sợi.
Hình ảnh của sợi lõi đặc, được chèn vào ống bọc.
Phụ thuộc của chiết suất, chiết suất nhóm và tán sắc vận tốc nhóm của

1.9

silica vào bước sóng.
a) Mô hình biến đổi chiết suất mode trong vật liệu [24], b) Độ tán sắc do

1.10

sự thay đổi chiết suất mode [27].
Độ tán sắc được vẽ bằng công thức thực nghiệm [32] cho sợi tinh thể

1.11
1.12

quang tử với các Λ và d/Λ khác nhau.
Thiết lập thực nghiệm để đo tán sắc sợi sử dụng giao thoa ánh sáng trắng.
Ví dụ về các vân giao thoa thu được trong quá trình đo tán sắc sử dụng
giao thoa ánh sáng trắng. Vị trí gương ở cường độ giao thoa cực đại là x

2.1

trong phương trình 1.12.
Cấu trúc của PCF lõi đặc, với lớp vỏ mạng lục giác đều được thẩm thấu
chất lỏng Heavy water vào trong các lỗ khí.


v
2.2

Chiết suất của Heavy water [22] và Silica nung chảy [23] phụ thuộc vào
bước sóng.

2.3

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc chiết suất hiệu dụng vào bước sóng được
tính toán với hằng số mạng là Ʌ = 5 µm và đường kính của lỗ khí lần lượt
là 1,0µm, 1,5µm, 2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm, 4,0µm: a) Ethanol [33],

2.4

b) Heavy water.
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Aeff theo λ với Ʌ = 5 µm và d thay đổi
lần lượt là 1,0µm, 1,5µm, 2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm, 4,0µm:
a) Ethanol [33], b) Heavy water.

2.5

Sự phụ thuộc của tán sắc vào λ được tính toán với Λ = 5 µm và d thay đổi
lần lượt là 1,0µm, 1,5µm, 2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm, 4,0µm:
a) Ethanol [33], b) Heavy water.


vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng
2.1

Nội dung
Giá trị chiết suất hiệu dụng của sợi tinh thể quang tử với kích thước
mạng là Ʌ = 5 µm và đường kính của các lỗ khí lần lượt là 1,0µm,
1,5µm, 2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm, 4,0µm ở bước sóng 1,55 µm
cho Ethanol [33] và Nước nặng.
Giá trị của Aeff của PCF với Ʌ = 5 µm và d thay đổi lần lượt là

2.2

1,0µm, 1,5µm, 2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm. 4,0µm ở bước sóng
1,55µm đối với Ethanol [33] và Nước nặng.
Giá trị tán sắc của PCF với Ʌ = 5 µm và d lần lượt là 1,0µm; 1,5µm;

2.3

2,0µm; 2,5µm; 3,0µm; 3,5µm; 4,0µm tại λ = 1,55µm đối với
Ethanol [33] và Nước nặng.
Giá trị ZDW của PCF với Ʌ = 5 µm và d lần lượt là 1,0µm; 1,5µm;

2.4

2,0µm; 2,5µm; 3,0µm; 3,5µm; 4,0µm tại λ = 1,55µm đối với
Ethanol [33] và Nước nặng.
Giá trị mất mát của PCF với Ʌ = 5 µm và d thay đổi lần lượt là

2.5

1,0µm; 1,5µm; 2,0µm; 2,5µm; 3,0µm; 3,5µm; 4,0µm ở bước sóng
1,55µm đối với Ethanol [33] và Nước nặng.

DANH MỤC VIẾT TẮT


vii
SIF
PC
PCF
LPFG
PBG
TIR
WDM
ZDW
FWHM

Step-Index Fiber
Photonic crytals
Photonic crytal fiber
Long period fiber grating
Photonic bandgap guidance
Total internal reflection
Wavelength division multiplexing
Zero dispersion wavelength
Full-width half-maximum

Sợi chiết suất bậc
Tinh thể quang quang tử
Sợi tinh thể quang tử
Cách tử Bragg chu kì lớn
Dải cấm quang tử
Phản xạ toàn phần
Ghép kênh quang theo bước sóng
Bước sóng tán sắc không
Nửa độ rộng cực đại của một xung


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Các sợi quang thông thường (hình 1) có nhiều ứng dụng tốt trong thông
tin quang và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên nó có những hạn chế về cấu trúc
như:

Hình 1
Hạn chế trong thiết kế (cấu trúc lõi và vỏ thường cố định), hạn chế trong
việc chọn vật liệu (tính chất nhiệt của lõi và của vỏ phải giống nhau), hạn chế
về mật độ năng lượng truyền, các hạn chế cơ bản về kích thước của mode
trong chế độ đơn mode,…
Một bước ngoặt mới, có tính đột phá trong công nghệ sợi quang đó là
vào năm 1996, Russell và các đồng nghiệp [4-5] đã đưa ra một loại sợi quang
mới gọi là sợi tinh thể quang tử (Photonic crystal fiber (PCF)). PCF là một sợi
quang sử dụng tinh thể quang tử để tạo lớp vỏ bao quanh lõi của sợi. Tinh thể
quang tử là một môi trường có hằng số điện môi biến đổi tuần hoàn và có mất
mát thấp được tạo bởi các lỗ khí có kích thước cỡ micro sắp xếp tuần hoàn
chạy dọc theo toàn bộ chiều dài sợi.
PCF có 2 loại đó là sợi lõi đặc (hình 2.a) và sợi lõi rỗng (hình 2.b). Các
sợi lõi đặc có cơ chế dẫn ánh sáng theo nguyên lý phản xạ toàn phần bên
trong sợi tương tự như các sợi quang thông thường, các sợi lõi rỗng có cơ chế
dẫn ánh sáng theo nguyên lý dải vùng cấm tương tự như sự truyền dẫn của
electron trong vật lý chất rắn với cấu trúc dải mức năng lượng.


2

Lỗ khí

Lõi
Hình 2a

Hình 2b

Trước năm 2006, các nghiên cứu về PCF tập trung vào các sợi được bơm
khí [6-10] và đã thu được những kết quả rất đáng khích lệ. Tuy nhiên khi
dùng chất khí thì có một số hạn chế như:
- Các đường tán sắc có độ dốc cao (không phẳng),
- Dải bước sóng ứng với độ tán sắc bằng không hẹp,
- Tính phi tuyến trong các PCF khí nhỏ nên có các hạn chế khi ứng dụng
cho sự phát siêu liên tục.

Lõi

Kể từ năm 2006, các nghiên cứu về PCF thẩm thấu chất lỏng [11-13] đã

được quan tâm đặc biệt vì nó không chỉ khắc phục được những hạn chế của

Rỗng

PCF khí mà còn mở ra những ứng dụng mới đầy triển vọng trong khoa học và
công nghệ như việc ứng dụng nó để tạo ra các cảm biến có độ nhạy rất cao.

Để đóng góp vào quá trình nghiên cứu đó,tôi chọn đề tài nghiên cứu:
“Nghiên cứu các đặc trưng của PCF lõi đặc với mạng lục giác đều được
thẩm thấu bởi Nước nặng”.


3
2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài
Quá trình nghiên cứu chế tạo đó là một quá trình rất dài từ việc đưa ra ý
tưởng đến việc phát triển ý tưởng đó thành hiện thực. Chúng tôi xin đưa ra
một số cột mốc quan trọng như sau [14]:
- Năm 1978: đưa ra ý tưởng về sợi Bragg.
- Năm 1992: đưa ra ý tưởng về sợi tinh thể quang tử với lõi không khí.
- Năm 1996: chế tạo được sợi đơn mode bọc bằng quang tử (photonic).
- Năm 1997: ra đời sợi tinh thể đơn mode liên tục.
- Năm 1999: sợi tinh thể quang tử với quang tử có dải vùng cấm và lõi không
khí.
- Năm 2000: sợi tinh thể quang tử khúc xạ kép ở mức độ cao.
- Năm 2000: thế hệ sợi tinh thể siêu liên tục.
- Năm 2001: chế tạo thành công sợi Bragg.
- Năm 2001: sợi tinh thể laser với hai lớp sơn phủ.
- Năm 2002: sợi tinh thể với sự tán sắc siêu phẳng.
- Năm 2003: sợi Bragg với silica và lõi không khí.

- Luận văn thạc sỹ Đại Học Vinh, năm 2016 “Nghiên cứu một số tính chất
đặc trưng của PCF lõi đặc với mạng lục giác đều được thẩm thấu bởi rượu”
của tác giả Nguyễn Thái Hoàng,
3. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu các đặc trưng của PCF lõi đặc với mạng lục giác đều được
thẩm thấu bởi Heavy water. Từ đó có thể xác định được bộ tham số tối ưu để
thiết kế một sợi tinh thể quang tử nhằm ứng dụng trong công nghệ sợi quang.


4
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
4.1. Nghiên cứu tổng quan về các sợi quang.
4.2. Nghiên cứu các đặc trưng PCF lõi đặc mạng lục giác đều được thẩm
thấu Heavy water.
4.3. Nghiên cứu về đặc trưng chiết suất hiệu dụng của PCF.
4.4. Nghiên cứu về đặc trưng về tán sắc của PCF.
4.5. Nghiên cứu về đặc trưng diện tích mode hiệu dụng.
4.6. Nghiên cứu về đặc trưng mất mát.
5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
5.1. Đối tượng nghiên cứu
Các đặc trưng của các PCF lõi đặc được thẩm thấu nước nặng bao gồm:
chiết suất hiệu dụng, độ tán sắc, diện tích mode hiệu dụng và mất mát.
5.2. Phạm vi nghiên cứu
- Các PCF lõi đặc, mạng lục giác đều được thẩm thấu nước nặng.
- Chiết suất hiệu dụng, tán sắc, diện tích mode hiệu dụng, mất mát của PCF
- Các lỗ khí của lớp vỏ mạng được thẩm thấu nước nặng.
6. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu bằng lý thuyết số trên cơ sở sử dụng phần mềm mô phỏng
Mode Solutions và phần mềm Matlap.
7. Dự kiến đóng góp mới của đề tài
- Kết quả của luận văn nhằm tối ưu các tham số đặc trưng của PCF để ứng
dụng trong công nghệ quang
- Làm tài liệu tham khảo cho các học viên cao học và những ai quan tâm.


5
NỘI DUNG
(cấu trúc của luận văn)
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC SỢI QUANG
Trong chương này, chúng tôi giới thiệu về các sợi quang bao gồm sợi
quang thông thường và sợi tinh thể quang tử. Chúng tôi tập trung vào các đặc
trưng tuyến tính của các sợi quang này nhằm làm cơ sở lý thuyết cho chương
tiếp theo.
Thứ nhất các sợi quang thông thường và các sợi tinh thể quang tử đều có
một số đặc trưng chung nên đều được gọi là các sợi quang. Chúng tôi nghiên
cứu sự lan truyền tuyến tính của ánh sáng trong sợi quang thông qua hằng số
lan truyền β phụ thuộc vào tần số ánh sáng. Sự phụ thuộc vào tần số này làm
ảnh hưởng đến tán sắc vận tốc nhóm. Chúng tôi đã chỉ ra rằng việc nghiên
cứu tán sắc vận tốc nhóm có đóng góp quan trọng trong thiết kế các sợi tinh
thể quang tử.
Phương pháp đo độ tán sắc vận tốc nhóm trong sợi quang cũng được mô
tả. Ngoài ra các đặc trưng quan trọng của các sợi tinh thể quang tử như mất
mát, sự dẫn ánh sáng, sự lưỡng chiết,… cũng được nghiên cứu và giải thích
ngắn gọn.
1.1. Sợi quang thông thường
Các sợi quang thông thường là các ống dẫn sóng ánh sáng bao gồm một
lõi có chiết suất cao, bao quanh bởi lớp vỏ với chiết suất thấp hơn. Do sự
chênh lệch chiết suất này, làm cho ánh sáng được lan truyền trong lõi thông
qua hiện tượng phản xạ toàn phần. Hình 1.1, cho thấy sự khúc xạ tiêu biểu
cho sợi quang “chiết suất bậc”. Một sợi quang được xem là sợi quang chiết
suất bậc khi chiết suất của nó giảm dần dưới dạng hàm số mũ của bán kính
[1]. Sợi quang học thông thường có đường kính 125µm và đường kính của lõi
có thể nằm trong khoảng vài micromet đến hàng chục micromet. Sự truyền


6
ánh sáng thông qua hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi vật liệu điện môi
được xây dựng đầu tiên vào thế kỷ 19 [2] khi dẫn ánh sáng theo một dòng
nước. Điều này, sau đó được mở rộng để truyền ánh sáng trong sợi thủy tinh
[2]. Trong những năm 1950, ý tưởng thêm một lớp phủ với chiết suất thấp
hơn bên ngoài sợi thủy tinh đã được giới thiệu [1]. Khả năng truyền dẫn ánh
sáng được cải thiện vì nó đã khử được sự tán xạ ở bề mặt. Kể từ những năm
1950 việc truyền tải trong sợi quang đã được cải thiện từ 1% trên một km năm
1970 đến 96% so trên một km vào năm 1990 [2]. Các phát minh ra tia laser
vào năm 1960 đã hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua khoảng cách dài bằng ánh
sáng. Các hệ thống truyền thông dựa trên các sợi quang có thể có dải tần lớn
và ít bị ảnh hưởng hơn so với nói chuyện qua dây đồng truyền thống. Do đó
cáp quang xuyên Đại Tây Dương đầu tiên lắp đặt vào năm 1988 [3], chúng đã
trở nên phổ biến trong các hệ thống viễn thông, làm cho ứng dụng của các sợi
quang trở nên nổi tiếng nhất. Tuy nhiên, các ứng dụng sợi quang không chỉ
giới hạn ở viễn thông. Khả năng cung cấp ánh sáng từ nơi này đến nơi khác
rất hữu ích cho các ứng dụng trong y tế, ví dụ như chụp ảnh bằng cách sử
dụng nội soi. Chúng cũng có thể được sử dụng cho thiên văn học, cảm biến,
và được sử dụng để tạo thành laser [3]. Trong lĩnh vực quang học phi tuyến,
chúng rất quan trọng, bởi vì chúng cho phép giam giữ ánh sáng trên một chiều
dài lớn.

Hình 1.1. Từ trái sang phải: mặt cắt ngang sợi sợi quang chiết suất bậc, dẫn
ánh sáng bằng phản xạ toàn phần, chiết suất lõi và vỏ sợi [1-3]
Sợi quang thường được chế tạo từ thủy tinh silica. Cửa sổ trong suốt của


7
silica bao phủ toàn bộ phạm vi bước sóng nhìn thấy được và trong vùng hồng
ngoạ và rất dễ dàng để vẽ sợi do sự thay đổi độ nhớt của nó với nhiệt độ
chậm. Nó cũng không tốn kém vì vật liệu cần thiết để làm ra nó ( cát ) có sẵn
dồi dào. Trong sợi quang chiết suất bậc, chiết suất thủy tinh silica được bổ
sung bằng cách thêm các chất thủy tinh khác có chiết suất nhỏ hơn. Chiết suất
trong lõi có thể được tăng lên bằng cách pha trộn với germanium hoặc phốt
pho, hoặc chiết suất lớp phủ có thể được giảm bằng cách pha trộn thêm với
Borom hoặc Flo [3]. Sợi quang thường được chế tạo bằng cách sử dụng kỹ
thuật lắng đọng hơi [2]. Quá trình này được sử dụng để tạo ra một phiên bản
của cấu trúc cuối cùng mong muốn, được biết đến như một "phôi". Điều này
thường dài 1 mét và đường kính vài cm. Phôi mẫu sau đó được kéo thành sợi
trên một tháp kéo sợi.
1.2. Sợi tinh thể quang tử
Tinh thể quang tử là các cấu trúc tuần hoàn điện môi trên thang đo của
một bước sóng ánh sáng. Các tinh thể quang tử có thể được kết hợp vào lớp
phủ của sợi quang, tạo ra các sợi tinh thể quang tử (PCF). Những loại sợi này
được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm 1990 [3]. Tinh thể quang tử có
một số đặc tính độc đáo giúp tạo ra các PCF có những tính năng vượt trội so
với các sợi quang học thông thường. Hình 1.2 biểu diễn các loại PCF khác
nhau, thông thường PCF được chế tạo từ silica, với một mảng các lỗ khí trong
lớp phủ chạy dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi. Ngoài ra, có thể sử dụng
silica pha tạp thay vì không khí, hoặc các lỗ khí có thể được đổ đầy sau khi
chế tạo bằng các chất lỏng hoặc các chất khí khác nhau.
PCF có thể được chia thành hai nhóm chính: các PCF truyền dẫn ánh
sáng chiết suất cao (index guiding) và sợi PCF truyền dẫn ánh sáng dải vùng
cấm (band gap guiding). Sợi PCF truyền dẫn ánh sáng chiết suất cao có lõi
đặc, đó là một khiếm khuyết trong mảng lỗ khí, hay nói cách khác là một lỗ
khí bị thiếu. Ví dụ về những điều này được thể hiện trong hình 1.2 (a) và (b).


8
Truyền dẫn ánh sáng trong PCF lõi đặc xảy ra tuân theo hiện tượng phản xạ
toàn phần bên trong như các sợi quang thông thường. Chiết suất của lớp vỏ
mạng bao gồm các lỗ khí trong lớp phủ thấp hơn chiết suất của vật liệu lõi và
do đó ánh sáng truyền dẫn trong đó xảy ra thông qua hiện tượng phản xạ toàn
phần bên trong sợi quang.

Hình 1.2. Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét của các sợi tinh thể quang tử:
a) sợi PCF lõi đặc, b) Sợi PCF lõi đặc có nhiều lỗ khí, c) Sợi lõi rỗng, d) sợi
PCF lõi đặc bao gồm hỗn hợp của thủy tinh silica pha tạp, e) một sợi lõi đặc
lưỡng chiết, f) sợi lõi rỗng hai lớp [9].
Có hai thuộc tính chính của lớp vỏ mạng tinh thể quang tử cho phép các
khả năng mới trong PCF. Đầu tiên là độ tương phản chiết suất lõi lớn có thể
đạt được trong sợi không khí silica. Điều này cho phép giam giữ cao hơn lõi
và do đó làm tăng tính phi tuyến [4-8]. Độ tương phản chiết suất cũng làm
tăng sự đóng góp của sự tán sắc sóng dẫn tới sự tán sắc toàn phần, có nghĩa là
khả năng kỹ thuật tán sắc cao hơn nhiều so với các sợi quang thông thường.
Thuộc tính quan trọng thứ hai của lớp vỏ mạng PCF là hiệu ứng dải vùng cấm


9
quang tử, được mô tả chi tiết hơn trong phần sau. Hiệu ứng này cho phép ánh
sáng được dẫn hướng trong lõi chiết suất thấp, chẳng hạn như lõi không khí
rỗng, như có thể thấy trong hình 1.2 (c) và (f). Hình 1.2 (d) là một vùng cấm
khác truyền dẫn trong PCF, được tạo ra từ silica hợp nhất với một loạt các
thanh chiết suất cao trong lớp phủ để cung cấp khoảng cách dải quang tử

Hình 1.3. Mặt cắt ngang của sợi tinh thể quang tử lõi đặc với các tham số cấu
trúc quan trọng Λ và đường kính lỗ d [4-6].
Kích thước của lớp phủ tinh thể quang tử được mô tả bằng cách sử dụng
khoảng cách giữa hai lỗ khí liên tiếp gọi là hằng số mạng (Λ) và đường kính
lỗ khí (d) chúng được minh họa trong hình 1.3. Bằng cách thay đổi kích thước
hằng số mạng Λ và đường kính lỗ khí d thì độ tán sắc và phi tuyến của PCF
có thể thay đổi. Số vòng của lỗ không khí trong lớp phủ cũng là một yếu tố
quan trọng, ảnh hưởng đến sự mất mát giam giữ. Sự lưỡng chiết của PCF có
thể được thay đổi dễ dàng bằng cách đưa hai đối xứng vào tấm ốp, như minh
họa trong PCF lưỡng chiết cao trong hình 1.2 (e). Các PCF cũng có thể được
chế tạo với nhiều lõi [7] để cung cấp mật độ lấp đầy cao của lõi cho các ứng
dụng nội soi, hoặc để cung cấp các lõi với các đặc tính khác nhau phù hợp cho
việc phân bố và thu thập xung [8-11]. Các PCF với chất nền là Silica với lớp


10
vỏ mạng là các lỗ khí rất hữu ích cho cảm biến bởi vì khí và chất lỏng có thể
xâm nhập vào các lỗ không khí hoặc từ đầu sợi hoặc bằng cách khoan các lỗ
đều đặn vào lớp phủ dọc theo chiều dài của sợi [13]. PCF lõi rỗng có thể chứa
đầy các chất khí [18] hoặc chất lỏng [19] để tăng phi tuyến của chúng và
chúng cũng có thể được sử dụng để giam giữ và truyền dẫn các hạt [20- 21].
1.3. Chế tạo sợi tinh thể quang tử
PCF có thể được chế tạo bằng nhiều loại vật liệu và phương pháp khác
nhau. Các kỹ thuật ngưng đọng hơi được sử dụng cho các sợi thông thường
không thực tế cho việc tạo ra PCF. Phương pháp phổ biến nhất là phương
pháp xếp chồng và kéo sợi nó được thực hiện bằng cách xếp chồng các ống lỗ
khí và các thanh, sau đó được rút ra để tạo thành một phôi. Đây là phương
pháp được sử dụng để chế tạo các PCF tán sắc vận tốc nhóm bình thường

Hình 1.4. Sơ đồ minh họa của tháp kéo sợi [9]
Hầu hết các kỹ thuật chế tạo sợi, bao gồm cả phương pháp xếp chồng và


11
kéo sợi được sử dụng thông qua tháp kéo sợi. Hình 1.4 cho thấy một biểu diễn
sơ đồ của một hệ thống tháp kéo sợi. Ý tưởng cơ bản là vật liệu được rút ra
được kẹp phía trên lò và hạ nó xuống. Lò làm nóng phôi trước đến nhiệt độ
khoảng 20000C. Dạng phôi sau đó được đưa vào lò ở tốc độ tương đối thấp
(mm/phút) và thủy tinh nổi lên từ đáy lò được kéo ở tốc độ cao hơn (thường là
m/phút).

Hình 1.5. Quy trình chế tạo sợi tinh thể quang tử bằng phương pháp chồng và
kéo [9], [22].
Các bước tổng thể cho các phương pháp xếp chồng và kéo sợi được thể
hiện trong hình 1.5. Thứ nhất là các ống nhỏ (tạo nên các lỗ khí) và thanh (tạo
nên PCF) cần thiết được xếp chồng trên tháp kéo sợi. Nguyên liệu ban đầu là
các ống nhỏ và ống silica hợp nhất được sản xuất thương mại, và thường dài
1m và đường kính 2-3 cm. Các ống nhỏ và thanh cuối cùng thường có chiều
dài 1m và đường kính khoảng 1mm. Sau đó chúng được xếp chồng lên nhau


12
trong mạng hình lục giác đều. Sợi PCF lõi đặc có một thanh đặc ở trung tâm
của mảng các ống nhỏ hoạt động như lõi. Các sợi PCF lõi rỗng được tạo ra
bằng cách đơn giản tạo ra một số ống nhỏ trung tâm. Chồng lên sau đó được
đưa vào một ống silica hợp nhất khác, được gọi là ống bọc dài khoảng 1m và
đường kính vài cm. Để đảm bảo thành mạng lục giác đều của các ống nhỏ
khớp vừa khít bên trong ống bọc tròn, các ống nhỏ của mạng bị loại bỏ và các
thanh đóng gói đặc được thêm vào để làm cho chồng xếp tròn. Một thiết kế
chồng xếp điển hình được thể hiện trong hình 1.6 (a) và một bức ảnh của một
xếp chồng được thể hiện trong hình 1.7.

Hình 1. 6: a) Thiết kế sợi lõi đặc điển hình, b) Hình ảnh kính hiển vi quang
học của mặt cắt tương ứng, c) và d) Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét của hai
sợi khác nhau có thể được chế tạo áp dụng các áp lực khác nhau trong sợi [9].


13
PCF xếp chồng thường được rút ra tạo thành sợi trong hai giai đoạn.
Trong bước đầu tiên, xếp chồng được kéo thành các thanh thường dày vài
milimet và dài 1m. Hình ảnh kính hiển vi của một sợi PCF điển hình được thể
hiện trong hình 1.6 (b). Khi kéo thanh trong chân không được áp dụng cho
không gian xung quanh bên ngoài của ống nhỏ, để hợp nhất các ống nhỏ tạo
thành một cấu trúc gần với cấu trúc PCF mong muốn. Các thanh cứng và
được kéo bằng cách sử dụng máy kéo, đó là một cặp dây bằng cao su xoay để
kéo thanh.

Hình 1.7. Hình ảnh của sợi lõi đặc, được chèn vào ống bọc [3]
Trong bước thứ hai, một thanh nhỏ được đưa vào bên trong một ống
bọc khác, để tạo ra một phôi. Các phôi sau đó được rút ra để tạo sợi. Áp suất
điển hình trong miền từ 10-30 kPa được sử dụng cho các khí lỗ và chân không
được áp dụng trong không gian giữa các ống nhỏ và ống bọc. Hình ảnh kính
hiển vi điện tử quét các sợi được kéo từ cùng một cây thanh, với áp suất thấp
và cao áp dụng cho các lỗ khí được thể hiện trong hình 1.6 (c) và (d) tương
ứng. Khi các sợi nổi lên từ lò, nó đi qua lớp phủ sơn và lớp phủ tử ngoại, phủ
nó lên một lớp polyme để tăng sức mạnh của sợi. Sợi cuối cùng đủ linh hoạt
để được quấn vào một ống (như cuộn chỉ) và thường vài kilomet sợi có thể


14
được thu thập trong một sợi kéo.
PCF cũng có thể được chế tạo bằng cách ép đùn. Thủy tinh nóng chảy
được buộc qua một khuôn đúc làm cho nó có cấu trúc chính xác [23]. Điều
này có thể được sử dụng để tạo cấu trúc không thể sử dụng xếp chồng và kéo
đẩy.
Phương pháp xếp chồng và kéo đẩy rất hữu ích khi sử dụng các vật liệu
như thủy tinh pha tạp silica, polymer hoặc chalcogenide không phổ biến ở
dạng ống. Một phương pháp khả thi khác để tạo phôi là khoan lỗ trên một
thanh thủy tinh hoặc polymer cứng. Trong trường hợp này, chiều dài phôi
được giới hạn bởi độ sâu lỗ khoan tối đa.
1.4. Hằng số lan truyền β
Trong hình 1.1, mô tả sự truyền lan của ánh sáng trong sợi quang đối với
các sợi có đường kính lõi lớn so với bước sóng của ánh sáng. Hầu hết các sợi
quang, đặc biệt là các sợi được sử dụng trong quang học phi tuyến, có đường
kính lõi tương đương với bước sóng của ánh sáng. Trong trường hợp này, tính
chất sóng của ánh sáng đóng vai trò chính, cụ thể là các hiệu ứng nhiễu xạ
phải được tính đến [24]. Điều này dẫn đến việc tạo ra các mode rời rạc khi
ánh sáng lan truyền trong sợi quang. Mode là một nghiệm của các phương
trình Maxwell và các điều kiện biên được áp dụng cho từng sợi cụ thể [12].
Về mặt vật lý, nó là một sóng ánh sáng lan truyền mà không thay đổi sự phân
bố trường của nó, ngoại trừ pha thay đổi.
Mỗi mode có chiết suất hiệu dụng neff = β/k0 với k0 = 2π/λ là số sóng, λ là
bước sóng và β là hằng số lan truyền biểu diễn thành phần của vectơ sóng
song song với trục sợi [25]. Một mode biên (mode được giới hạn trong lõi sợi
thông qua hiện tượng phản xạ toàn phần) sẽ có chiết suất hiệu dụng n eff đáp
ứng nlõi> neff > nvỏ. Mode với neff cao nhất là mode cơ bản và tất cả các mode
có giá trị nhỏ hơn của n eff đều là mode bậc cao hơn. Các sợi quang chỉ có


15
mode cơ bản được gọi là sợi đơn mode, các sợi quang có thể dẫn ánh sáng với
các mode bậc cao hơn được gọi là các sợi đa mode. Tham số quan trọng V
cho biết số lượng mode xuất hiện trong sợi quang được xác định bởi [12]
V = k0 ρ (nco2 − ncl2 )1/2

(1.1)

Trong đó ρ là bán kính lõi và nlõi và nvỏ lần lượt là các chiết suất của lõi
và lớp vỏ tương ứng. Nếu V < 2.404 thì đó là sợi quang đơn mode và nếu
không thì nó là sợi quang đa mode.
Từ phương trình (1.1) cho thấy độ chênh lệch chiết suất giữa lõi và lớp
vỏ càng lớn hoặc lõi lớn thì dễ tạo ra các sợi đa mode. Điều này có thể được
hiểu một cách đơn giản khi xem sự giam giữ ánh sáng trong lõi tương tự như
các electron bị giam giữ trong một giếng thế. Đối với khi độ chênh lệch chiết
suất cao hơn (các mặt bên của giếng thế cao hơn), các mode được giam giữ
nhiều hơn. Tương tự, đối với lõi lớn hơn (giếng thế rộng hơn) thì các mode
cũng được giam giữ nhiều hơn. Mỗi mode truyền dọc theo sợi với các vận tốc
khác nhau, được xác định bởi hằng số lan truyền của nó. Do đó, một xung ánh
sáng trong sợi đa mode sẽ giãn ra khi nó lan truyền, điều này được gọi là tán
sắc mode [12]. Sử dụng phương trình (1.1), có thể thiết kế một sợi đơn mode
tại một bước sóng xác định. Ở một số bước sóng ngắn hơn, sợi quang sẽ cung
cấp nhiều hơn một mode. Ngược lại, có thể tạo ra một PCF vô cùng đơn
mode, trong trường hợp tán sắc ống dẫn sóng gây ra sự không phụ thuộc của
tham số V vào bước sóng [26]. Điều đáng chú ý là không có sợi nào có thể
thực sự là một sợi đơn mode bởi vì tất cả các sợi đơn mode được tạo ra bởi
hai mode phân cực trực giao nhau.
1.5. Tán sắc trong PCF
Tán sắc là hiện tượng gây ra sự giãn xung ánh sáng khi lan truyền do sự
phụ thuộc chiết suất của môi trường vào tần số của ánh sáng. Nó đôi khi được
gọi là "tán sắc màu" để phân biệt với sự tán sắc phân cực mode và tán sắc dẫn
sóng.


16
Tán sắc có tầm quan trọng lớn đối với hầu hết các hệ thống cáp quang và
rất quan trọng đối với quang học phi tuyến khi sử dụng xung cực ngắn. Xung
cực ngắn bao gồm phổ tần số rộng và trong môi trường tán sắc, tất cả các tần
số này sẽ tạo ra các chiết suất khác nhau vì vậy nói chung xung bị kéo dài
theo thời gian. Công suất đỉnh của xung do đó tính phi tuyến giảm. Ngoài ra,
dấu và độ lớn của độ tán sắc ảnh hưởng đến cơ chế phi tuyến có thể bị chi
phối.
Cửa sổ truyền dẫn của silica nằm trong phạm vi từ 200nm đến 3000nm.
Tại bước sóng ngắn nhất trong miền truyền dẫn bị hạn chế bởi cộng hưởng
điện tử, ở bước sóng dài nhất trong miền truyền dẫn xuất hiện mất mát do
cộng hưởng dao động [12]. Chiết suất thay đổi theo tần số qua cửa sổ truyền
dẫn này tạo ra tán sắc. Đồ thị mô tả sự biến đổi chiết suất cho Silica được biểu
diễn trong hình 1.8, dựa vào phương trình Sellmeier cho Silica [12]
Chiết suất tương ứng với vận tốc pha được xác định bởi:
vp =

c λ ω
= =
n T β

(1.2)

Trong đó c là tốc độ của ánh sáng trong chân không, n là chiết suất, λ là
bước sóng, T là chu kỳ sóng, ω là tần số góc và β là hằng số lan truyền. Về
bản chất vật lý, vận tốc pha là tốc độ của pha trước của sóng tại một tần số
đơn. Khi vận tốc pha phụ thuộc tần số, sự biến đổi đường bao khi ánh sáng
lan truyền tạo ra vận tốc nhóm được xác định bởi:
vg =




(1.3)

Vận tốc nhóm tương ứng với chiết suất nhóm, được cho bởi [27]:
ng =

c
dn
= n +ω
vg


(1.4)

cũng được vẽ trong hình 1.8. Vận tốc nhóm cũng phụ thuộc vào tần số, và


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×