Tải bản đầy đủ

sợi pcf lõi rỗng được thẩm thấu bởi chất lỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN HOÀI THANH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI
RỖNG VỚI MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU BỞI
TOLUEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGHỆ AN, 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN HOÀI THANH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI
RỖNG VỚI MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU BỞI

TOLUEN
LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 844.01.10

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Chu Văn Lanh
NGHỆ AN, 2018


1
LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ được hoàn thành tại Trường Đại học Vinh. Để
hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, bằng tấm lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc
tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến: Thầy giáo PGS.TS. Chu Văn Lanh đã giao
đề tài, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ đầy tâm huyết trong suốt quá trình nghiên cứu
và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Sau Đại học, Khoa Vật lí
và Công nghệ cùng các thầy giáo, cô giáo Khoa Sau Đại học, Khoa Vật lí và
Công nghệ đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu tham khảo
và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã
động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng, song luận văn không thể tránh khỏi
những sai sót, tôi kính mong nhận được sự chỉ dẫn của các nhà khoa học và các
bạn đồng nghiệp để khắc phục những thiếu sót của bản thân mình. Tôi xin chân
thành biết ơn!
Vinh, tháng 7 năm 2018
Tác giả luận văn

Nguyễn Hoài Thanh


2
MỤC LỤC Trang
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
2. Mục đích nghiên cứu
3. Đối tượng, khách thể và phạm vi nghiên cứu
4. Những đóng góp mới của đề tài
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
6. Phương pháp nghiên cứu
7. Cấu trúc của luậnvăn
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ
1.1. Tổng quan về sợi tinh thể quang tử
1.1.1. Sợi quang (Optical Fiber)
1.1.2. Quá trình phát triển nghiên cứu của sợi tinh thể quang tử
1.1.3. Sợi tinh thể quang tử (PCF)
1.1.4. Ưu điểm của sợi tinh thể quang tử
1.2. Cơ chế dẫn sáng trong sợi tinh thể quang tử
1.2.1.Định luật Snell về khúc xạ ánh sáng
1.2.2. Cơ chế dẫn sóng trong sợi quang tử tinh thể
1.2.3. Phương trình sóng đặc trưng cho sợi quang
1.3. Mô hình sử dụng cho sợi tinh thể quang tử
1.3.1. Cấu trúc sợi tinh thể quang tử
1.3.2. Phân loại các sợi tinh thể quang tử
1.3.3. Phương pháp chế tạo
1.4. Các đặc trưng của sợi tinh thể quang tử
1.4.1. Chiết suất hiệu dụng
1.4.2. Diện tích Mode hiệu dụng


3
1.4.3. Độ tán sắc
1.4.3.1. Tán sắc
1.4.3.2. Phân loại tán sắc
1.4.3.3. Biểu thức tán sắc trong sợi tinh thể quang tử
1.4.4. Mất mát
1.5. Kết luận chương 1
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA PCFLÕI
RỖNG VỚI MẠNG LỤC GIÁC ĐỀUĐƯỢC THẨM THẤU BỞI TOLUEN
2.1. Thiết kế cấu trúc sợi tinh thể quang tử lõi rỗng với mạng lục giác đều được
thẩm thấu bởi Toluen
2.2. Nghiên cứu các đặc trưng của sợi tinh thể quang tử
2.2.1. Chiết suất hiệu dụng
2.2.2. Diện tích mode hiệu dụng
2.2.3. Đặc trưng tán sắc.
2.2.4. Mất mát
2.3. Kết luận chương
KẾT LUẬN CHUNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO------------------------------------------------------------57


4
THUẬT NGỮ VIẾT TẮC
STT
1
2
3
4
5

KÍ HIỆU
OF
PCFs
NA
PBG
MFD

DIỄN GIẢI
Optic Fibers - Sợi quang
Photonic Crystal Fibers - Sợi quang tử
Numerical Aperture
Photonic bandgap
Mode Field Diameter

DANH MỤC HÌNH ẢNH
THỨ TỰ
Hình 1
Hình 2a,2b
Hình 1.1.
Hình 1.2.
Hình 1.3.
Hình 1.4.
Hình 1.5.
Hình 1.6.
Hình 1.7.
Hình 1.8.
Hình 1.9.
Hình 1.10.
Hình 1.11.
Hình 1.12.
Hình 1.13.
Hình 1.14
Hình 1.15.
Hình 1.16.
Hình 1.17.
Hình 1.18.

NỘI DUNG
Cấu trúc của sợi quang thông thường
PCF lõi đặc và lõi rỗng
Cấu trúc quang học (a) và hình học (b) của sợi quang.
Mô tả về sợi quang tinh thể.
Mặt cắt PCFs lõi rỗng
PCFs cấu trúc ngũ giác
PCFs có lỗ khí sắp xếp theo hình lục giác
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Hiện tượng phản xạ toàn phần của ánh sáng.
Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
Xác định khẩu độ số của sợi quang
Góc mở khẩu độ số của sợi quang
a) PCF; b) Sợi quang thông thường
a) Cánh bướm; b) Cấu trúc vi mô của cánh bướm.
a) PCF lõi đặc; b) PCF lõi rỗng (quang tử băng cấm).
a) Cấu trúc PCF một chiều b) Cấu trúc PCF cách tử Bragg
a) Cấu trúc PCF 2D
b) Cấu trúc PCF 2D
Sơ đồ tiết diện mặt cắt ngang của PCF lõi đặc đầu tiên
Mặt cắt của một số PCF
Sợi dưới dạng tháp cho PCF chế tạo tại Viện điện tử Công
nghệ vật liệu,Warsaw, Ba Lan.


5

Hình 1.19.
Hình 1.20.
Hình 1.21.
Hình 1.22.
Hình 1.23.
Hình 1.24.
Hình 1.25.
Hình 1.26.
Hình 1.27.
Hình 1.28.
Hình 1.29.

Quá trình chế tạo PCF
Một số tiền mẫu PCF
Tán sắc làm độ rộng xung ngõ ra tăng
Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi ở sợi thuỷ tinh
Tán sắc ống dẫn sóng
Tán sắc tổng và các tán sắc thành phần
Tán sắc phân cực trong sợi quang
Suy hao hấp thụ của các tạp chất kim loại
Suy hao hấp thụ vùng cực tím và vùng hồng ngoại
Suy hao bên trong sợi quang
Suy hao do uốn cong của PCFs
Cấu trúc được khảo sát với lõi Toluen, hằng số mạng Ʌ =

Hình 2.1.

2.0µm và thừa số đổ đầy d/Ʌ = 0.3: a) Thiết kế cơ bản; b) Cấu
trúc cuối cùng với mode cơ bản; c) Mode bậc cao được tính

Hình 2.2.

toán
bước
sóng
Phầntại
thực
chiết
suất1.55µm.
của Toluen [] và Silica [].
Phần thực của chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng

Hình 2.3.

với thừa số đổ đầy biến đổi từ 0.3 đến 0.8 đối với các hằng số
mạng
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của diện tích mode hiệu dụng

Hình 2.4.

vào bước sóng với thừa số đổ đầy d/Ʌ biến đổi từ 0.3 đến 0.8
và các hằng số mạng: a) Ʌ = 1.0µm; b) Ʌ = 1.5µm; c) Ʌ =
2.0µm;
Ʌ thuộc
= 2.5µm.
Tán sắc d)
phụ
vào bước sóng với thừa số đổ đầy d/Ʌ thay

Hình 2.5.

đổi từ 0.3 đến 0.8 với các hằng số mạng a) Ʌ = 1.0µm; b) Ʌ =
1.5µm; c) Ʌ = 2.0µm; d) Ʌ = 2.5µm.


6


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Các sợi quang thông thường [1-3] (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:

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 quang sợi 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

Hình 2a

Lỗ khí

Lõi đặc

Lõi rỗng
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.
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
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 một số tính chất đặc trưng của PCF lõi rỗng với mạng lục
giác đều được thẩm thấu bởi Toluen”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của PCF lõi rỗng với mạng lục
giác đều được thẩm thấu bởi Toluen. Từđó có thể xác định được bộ tham số
nhằm thiết kết tối ưu hóa các PCF.
3. Đối tượng, khách thể và phạm vi nghiên cứu


3
3.1. Khách thể nghiên cứu
3.1.1.Tìm hiểu tổng quan về sợi tinh thể quang tử.
3.1.2.Nghiên cứu về chiết suất hiệu dụng của PCF.
3.1.3.Nghiên cứu về tán sắc của PCF.
3.1.4.Diện tích mode hiệu dụng
3.1.5.Mất mát
3.2. Đối tượng nghiên cứu
Các tính chất đặc trưng của các PCF đó là chiết suất hiệu dụng, tán sắc,
diện tích mode hiệu dụng và mất mát.
3.3. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các PCF lõi rỗng, mạng lục giác đều
- Chiết suất hiệu dụng, tán sắc, diện tích mode hiệu dụng và mất mát
của PCF
- Lõi rỗng được thẩm thấu Toluen
4. Những đóng góp mới của đề tài:
- Kết quả của luận văn nhằm tối ưu sự truyền dẫn trong các PCF.
- Làm tài liệu tham khảo cho các học viên cao học và những ai quan tâm.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
“Nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của PCF lõi rỗng với mạng lục giác
đều được thẩm thấu bởi Toluen”.
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. Cấu trúc của luận văn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ
1.1. Tổng quan về sợi tinh thể quang tử
1.2. Cơ chế dẫn sáng trong sợi tinh thể quang tử
1.3. Mô hình sử dụng cho sợi tinh thể quang tử


4
1.4. Các đặc trưng của sợi tinh thể quang tử
1.5. Kết luận chương 1
Chương 2: ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI RỖNG VỚI MẠNG LỤC GIÁC
ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU BỞI TOLUEN
2.1.Vật liệu và cấu trúc mạng
2.2. Các đặc trưng mode cơ bản
2.2.1 Cấu trúc
2.2.2. Diện tích mode hiệu dụng
2.2.3 Chiết suất hiệu dụng
2.2.4. Đặc trưng tán sắc
2.2.5. Mất mát
2.3. Kết luận chương 2

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ


5
1.1. Tổng quan về sợi tinh thể quang tử:
1.1.1. Sợi quang (Optical Fiber)
Sợiquanghọc thông thường được chế tạo bao gồm hai phần: phầnlõi
(core)và lớpbọc(cladding)đồng tâm. Phần lõi ởgiữa hình trụ bằng thủy tinh
siêu sạch cóbánkínhtiết diện là a, chiếtsuấtlàn1đượcbaoquanhbởilớp
bọccóbánkínhtiết

diện

làbvớichiếtsuấtn2nhỏhơnmộtít(khoảng

1%)sovớichiếtsuấtcủalõi (Hình1.1).
Lớp đệm bảo vệ (jacket)

a b

Lớp bọc (clading); n2
Lõi (core); n1>n2

Hình 1.1. Cấu trúc quang học (a) và hình học (b) của sợi quang.
Chiếtsuất n1 và n2 của lõi và lớp bọc khoảng1,44đến1,46.Chiếtsuấtsẽ
khácnhautùytheomụcđíchvàyêucầusửdụng. Nó thay đổi bằng cách pha tạp
chất vớilượngkhácnhau và bởi các nguyêntốkhác nhau như thườngdùnglà Ti,
Ge, Bo,... vào tinh thể oxitsilic(SiO2).
Bênngoài
th ườngđược

sợiquangcóthêm
làmbằng

acrylate

mộthoặchai
để

bảovệ

lớpvậtliệuđệm(jacket),


ngăn

nhiễu

tínhiệugiữanhữngsợiquangđượcđặtkếcậnnhau.
Tùy vào mục đích sử dụng, người ta chế tạo nhiều loại sợi quang học
khác nhau. Các sợi quang được phân chia thành nhiều loại khác nhau
như:
- Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất: Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc, sợi
có chỉ số chiết suất Gradien.


6
- Phân loại theo mode truyền dẫn: Sợi đơn mode, sợi đa mode.
- Phân loại theo cấu trúc vật liệu: Sợi thuỷ tinh, sợi chất dẻo, sợi thuỷ tinh
đa thành phần.
- Phân loại dựa theo các chức năng đặc biệt: Sợi lỗ không khí, sợi duy trì
phân cực.
1.1.2. Quá trình phát triển nghiên cứu của sợi tinh thểquang tử:
Để chế tạo được sợi tinh thể quang tử hay gọi khác là sợi quang tử đó là một
quá trình rất dài từ việc đưa ra ý tưởng đến việc phát triển ý tưởng đó thành
hiện thực. Đó là một khoảng thời gian làm việc không ngừng của các chuyên
gia đầu ngành. 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.


7
1.1.3. Sợi tinh thể quang tử (PCF):
Sợi quang tinh thể (PCF-Photonic Crystal Fiber) là sợi quang được chế tạo
dựa trên tính chất của các tinh thể quang và sợi có khả năng giam giữ ánh
sáng bên trong vùng lõi.
PCFs cơ bản là sợi hợp chất silica mà trong nó có các lỗ trống hay các lỗ
khí (airholes) chạy song song với trục của sợi (như là ống mao dẫn) (Hình
1.2).
PCFs khác với sợi quang thông thường ở đặc điểm lõi và vỏ (cladding) của
sợi đều được làm từ cùng một vật liệu và các tính chất đặc biệt của sợi quang
PCFs đều được bắt nguồn từ sự có mặt của các lỗ khí chạy song song với trục
của sợi quang.

(a)

(b)

Hình 1.2. Mô tả về sợi quang tinh thể.
(a) Sợi PCFs có cấu trúc lõi rỗng.
(b) Sợi PCFs có cấu trúc lõi đặc [4].
Ý tưởng về sợi tinh thể quang tử được đề xuất bởi Yeh và các cộng sự vào
năm 1978 [14]. Họ đã bọc lõi của sợi quang bằng lưới Bragg, tương tự như
tinh thể quang một chiều.


8
Khái niệm về vùng dải cấm quang tử (PBG – Photonic Bangap) được
đưa ra lần đầu tiên bởi giáo sư SajeevJohn vào năm 1987 đã trở thành đề tài
rất nóng được thu hút trong giới quang học trong những năm 1990.
Khi quan sát sự bố trí màu sắc trên cánh bướm và trên đuôi con công,
vào năm 1991 giáo sư PhilipRussell đã phát hiện ra một hiện tượng: ánh sáng
có thể bị giam lại trong lõi rỗng của sợi quang.Đến năm 1999, giáo sư
PhilipRussell và các cộng sự của ông đã công bố sợi đơn mode lõi rỗng đầu
tiên, trong đó việc giam giữ ánh sáng là do một vùng cấm quang hai chiều.
Họ nhận ra rằng vùng cấm quang có cơ chế dẫn song rất mạnh, ánh sáng
truyền trong sợi quang vẫn bị giới hạn trong lõi ngay cả khi sợi quang bị uốn
cong.

Hình 1.3.Mặt cắt PCFs lõi rỗng với Λ = 4.9μm và đường kính lõid = 14.8μm
PCFs lõi chiết suất cao, có chiết suất của vùng lõi lớn hơn chiết suất của
vật liệu vùng bao quanh (hay là vỏ). Tuy nhiên, những tính chất ảnh hưởng tới
sự phản xạ ánh sáng của sợi quang chủ yếu là do các lỗ khí bên trong các sợi
quang, các lỗ khí thường được sắp xếp theo rất nhiều cấu trúc (theo những
hình khác nhau như lục giác, bát giác, thập nhị giác,… hoặc theo nhiều chiều
khác nhau). Mỗi sự sắp xếp khác nhau (khác nhau về hình dạng, kích thước
đường kính lỗ khí, khoảng cách giữa các lỗ khí…) của các lỗ khí sẽ làm sợi
có các tính chất khác nhau, với một sự sắp xếp hợp lý có thể mang lại cho sợi
quang tinh thể các tính chất đặc biệt (Hình 1.3).


9
PCFs lõi chiết suất cao hầu hết có dạng lõi đặc và thường sử dụng các vật
liệu chưa pha tạp. Bao quanh lõi này là vùng vỏ có các lỗ khí sắp xếp theo cấu
trúc, những lỗ khí này có chiết suất nhỏ hơn chiết suất của vùng lõi vì thế ánh
sáng bị giam lại trong vùng lõi đặc chiết suất cao hơn. Điều này đã cho thấy
rằng sợi quang tinh thể lõi chiết suất cao có thể được chế tạo khi số lượng các
lỗ khí là đủ lớn. Thông thường vật liệu hay được sử dụng là silica tinh khiết,
ngoài ra sợi tinh thể quang tử có lõi chiết suất cao còn có thể được chế tạo từ
thủy tinh chalcogenide (là thủy tinh có pha thêm chalcogenide – chalcogenide
là nhóm nguyên tố oxy, lưu huỳnh, selenium, tellurium, polonium và
ununhexium) và polime.
Hình 1.4 là cấu trúc PCFs lõi đặc với các lỗ khí theo cấu trúc ngũ giác dùng
silica. Trong đó có các thông số cần quan tâm là d ( là đường kính của các lỗ
khí), Λ (là khoảng cách giữa 2 lỗ khí liền kề nhau ở hai vòng và giữa 2 lỗ khí
liền kề nhau trên cùng một vòng (gọi là kích thước mạng).

Silica

Λ1

Λ
Airhole

d

Hình 1.4. PCFs cấu trúc ngũ giác
Dù sợi quang tinh thể có cấu tạo hoàn toàn khác với sợi quang thông
thường, nhưng sợi quang tinh thể vẫn có đầy đủ các tính chất của sợi quang


10
thông thường và thêm vào đó là các tính chất đặc biệt do sự xuất hiện của các
lỗ khí.
Để điều khiển các tính chất của PCFs cần sắp xếp vị trí các lỗ khí thích
hợp. Thường sự sắp xếp này là có cấu trúc, tức là các lỗ khí thường được xếp
thành các vòng, thành các dạng hình đa giác ( như lục giác, bát giác, thập nhị
giác,…). Khi đó các sợi quang dễ chế tạo hơn, có nhiều tính chất đặc biệt hơn
và có thể kiểm soát được quang phổ cũng như các đặc tính quang khác của sợi
quang tử.
Để nghiên cứu tính chất của PCFs lõi chiết suất cao ta nghiên cứu tính
chất của một dạng PCFs điển hình, đó là PCF có các lỗ khí sắp xếp theo hình
lục giác đều, đây là dạng phổ biến nhất của PCFs (Hình 1.5). Lý do cấu trúc
lục giác được sử dụng rất nhiều là do dạng hình lục giác là một hình đặc biệt
(khoảng cách giữa 2 lỗ khí trên cùng 1 vòng bằng với khoảng cách giữa 2 lỗ
khí trên hai vòng liền kề nhau).Do đó sợi theo cấu trúc này thường dễ chế tạo
và có nhiều tính chất đặc biệt.

Hình 1.5. PCFs có lỗ khí sắp xếp theo hình lục giác
Trong kỹ thuật công nghệ chế tạo sợi quang hiện nay, người ta quan tâm
đến một thông số rất quan trọng trong thiết kế PCFs đó là tỷ lệ kích thước của
vùng vỏ (clading) d/Λ (trong đó d là đường kính của lỗ khí, Λ là khoảng cách
giữa 2 lỗ khí liền kề trong cùng 1 vòng). Tỷ lệ kích thước của vùng vỏ dao


11
động trong khoảng 0 < d/ 0,9. Trong đó Λ(khoảng cách giữa hai lỗ khí) có
thể lấy giá trị bất kì trong khoảng 1µm < 20µm [11].
1.1.4. Ưu điểm của sợi tinh thể quang tử
Sợi tinh thể quang tử có nhiều ưu điểm hơn so với các sợi quang thông
thường trong việc thiết kế và chế tạo. Nó có thể được thiết kế linh hoạt hơn
trong cơ chế dẫn ánh sáng, trong thiết kế các loại mạng, hình dạng và kích
thước các lỗ mạng và sự lựa chọn vật liệu. Việc thiết kế các PCF linh hoạt
giúp kiểm soát được các tham số chế tạo trong các sợi đơn mode và tạo ra các
sợi đơn mode có thể hoạt động trong một phạm vi bước sóng rộng hơn so với
sợi quang thông thường.
Điều đặc biệt quan trọng nhất đối với các PCF đó là chúng ta có thể
thẩm thấu (bơm) chất lỏng vào các lỗ khí. Việc thẩm thấu các chất lỏng vào
các lỗ khí là một bước đột phá trong công nghệ quản lý tán sắc ánh sáng.
Bằng việc lựa chọn chất lỏng, người ta có thể điều khiển được độ cong phẳng
của các đường tán sắc. Đồng thời việc sử dụng chất lỏng rất thích hợp cho
việc phát siêu liên tục. Ngoài ra, cũng bằng cách bơm một hỗn hợp chất lỏng
thích hợp vào các lỗ có thể tạo ra được các sợi tinh thể quang tử được ứng
dụng trong cảm biến nhiệt độ có độ nhạy cao hơn.

 Các PCF, ngoài các ứng dụng như các sợi quang thông thường thì
nó còn có các ứng dụng vượt trội hơn cụ thể như sau:
- Các PCF có tán sắc bằng không có thể áp dụng để loại bỏ sự bù trừ tán sắc
đối với các đường truyền dài.
- Các PCF có tán sắc âm cực lớn có thể sử dụng trong lĩnh vực bù trừ tán sắc.
- Các PCF có diện tích mode lớn có thể được sử dụng để loại bỏ tính phi
tuyến tạo ra sự phân bố công suất cao.


12
- Các PCF có diện tích mode nhỏ được sử dụng cho tương tác phi tuyến.
- Các PCF có thể được thiết kế để có lưỡng chiết cao.
- Các PCF được ứng dụng để tạo ra sự phát siêu liên tục và các cảm biến có
độ nhạy cao.
1.2. Cơ chế dẫn sáng trong sợi tinh thể quang tử
1.2.1.Định luật Snell về khúc xạ ánh sáng
Định luật Snell:Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến
so với tia tới. Đối với một cặp môi trường trong suốt có chiết suất n1 , n2khác
nhau thì tỉ số giữa sin của góc tới  sin  1   và sin của góc khúc xạ  sin   2  
luôn là một hằng số.
sin  1 

sin  2 



v1 n2
 

 2 2
v2 n1
11

(1)
N

S

K

11

n1 I
n2  n1

2
R

Hình 1.6. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Hiện tượng phản xạ toàn phần:Khi tia sáng truyền từ môi trường chiết
quang hơn sang môi trường chiết quang kém (n 1>n2) và góc tới lớn hơn hoặc

bằng góc giới hạn ( 1 �C ; với

sinc 

n2
n1 ) thì tia sáng bị phản xạ toàn

phần. Khi đó mọi tia sáng truyền đến mặt phân cách sẽ bật lại môi trường cũ.


13

Hình 1.7. Hiện tượng phản xạ toàn phần của ánh sáng.
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, ánh sáng truyền trong lõi sợi
quang sẽ phản xạ nhiều trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc. Do đó, ánh
sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với
một độ cong giới hạn nào đó.

n2

n1

n

Lớp bọc (cladding) n2
Lõi (core) n1
Lớp bọc (cladding) n2

Hình 1.8. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n1> n2. Vậy chỉ còn

 
điều kiện là góc tới  phải lớn hơn góc giới hạn gh (  > gh c ). Nên người

ta đưa ra khái niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả
năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi.


14

Hình 1.9. Xác định khẩu độ số của sợi quang
Áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng:
n0 sin   n1 sin  gh  n1 sin(900   gh )  n1.cos  gh
� 1.sin   n1 1  sin 2  gh  n1 1 

n22
n12  n22
n12  n22

n

n
2(
)  n1 2
1
1
n12
n12
2n12

� NA  sin   n1 2

Với gọi là độ lệch chiết suất tương đối.
Vậy điều kiện để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần ở trong lõi là khi
đưa nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở:
2  2NA .

Hình 1.10. Góc mở khẩu độ số của sợi quang
1.2.2. Cơ chế dẫn sóng trong sợi quang tử tinh thể
Vào năm 1999, giáo sư PhilipRussell và các cộng sự của ông đã công
bố sợi đơn mode lõi rỗng đầu tiên, trong đó việc giam giữ ánh sáng là do một
vùng cấm quang hai chiều. PhilipRussell và các cộng sự của ôngnhận ra rằng
vùng cấm quang có cơ chế dẫn song rất mạnh, ánh sáng vẫn bị giới hạn trong
lõi ngay cả khi sợi quang bị uốn cong.
Các PCF thông thường được chia thành hai loại: Các PCF lõi đặc
và các PCF lõi rỗng:


15
+ Các PCF lõi đặc có chiết suất của lõi lớn hớn chiết suất trung bình của lớp
vỏ và ánh sáng truyền trong các PCF này tuân theo nguyên lý của hiện tượng
phản xạ toàn phần như những sợi quang thông thường.
+ Các PCF lõi rỗng có chiết suất của lõi thấp hơn chiết suất trung bình của
lớp vỏ và ánh sáng truyền trong các PCF này tuân theo nguyên lý dải vùng
cấm quang tử.
 Nói về các PCF lõi đặc:
+ Các ống trụ không khí được ngăn cách bởi các dải cấm (phần thủy tinh giữa
các lỗ không khí) trong sợi thủy tinh. Chiết suất hiệu dụng của vỏ (gồm ống
khí và gap) nhỏ hơn chiết suất lõi (phần thủy tinh bao bởi lớp lỗ không khí
trong cùng). Khi đó ánh sáng sẽ lách qua khe cấm nằm giữa các ống khí.
Nhưng cấu hình kiểu vùng cấm đã ngăn lại.
+ Mode cơ bản có bước sóng dài nhất được bẫy trong lõi, trong khi đó các
mode bậc cao hơn nhanh chóng lọt ra ngoài như một quá trình sàng lọc.
+ Với các ống khí đủ nhỏ, sợi quang tử sẽ giữ nguyên bản chất của sợi đơn
mode đối với tất cả các bước sóng, khi đó được gọi là sợi đơn mode vô hạn.

Hình 1.11. a)PCF; b) Sợi quang thông thường
 Nói về các PCF lõi rỗng:
- Hiệu ứng cấm cũng có thể quan sát trong tự nhiên, ví dụ có thể nhìn thấy
màu sáng chói từ cách bướm (hình 1.12). Đó là hệ quả của sự tồn tại vi cấu


16
trúc trên cánh bướm. Cấu trúc vi cấu trúc đó sẽ hoạt động như vùng cấm
quang, nó ngăn sự truyền qua của ánh sáng trong một vùng phổ nào đó. Khi
đóánh sáng sẽ phản xạ lại và tạo thành màu chói.
- Trong sợi tinh thể quang tử, các ống sắp xếp theo chu kỳ sẽ hoạt động như
lõi, các ống khí thêm vào hoạt động như vỏ. Do đó, ánh sáng không truyền
qua được vào vỏ do vùng cấm, chúng bị giam vào lõi, thậm chí khi lõi có
chiết suất nhỏ. Điều này là không thể đối với sợi quang thông thường vì trong
sợi quang thông thường chiết suất lõi phải lớn hơn chiết suất vỏ.
- Trong thực tế, sợi quang lõi không khí hoặc chân không có chiết suất và mất
mát thấp hơn có thể chế tạo.

a)

b)

Hình 1.12.a)Cánh bướm; b) Cấu trúc vi mô của cánh bướm.
Khi cấu trúc của sợi thủy tinh được tạo ra khuyết tật bằng cách đưa vào
một số ống khí, khi đó sự truyền lan ánh sáng trong sợi quang tử được xem
như cơ chế phản xạ trong đã bị thay đổi. Nhờ sự thay đổi bởi mạng các ống
khí đó mà các mode bậc cao sẽ bị mất đi và chỉ có mode cơ bản được dẫn
trong sợi. Mode này có đường kính (đường kính tiết diện phân bố trường ánh
sáng) nhỏ nhất, gần bằng kích thước của khuyết tật, tức là hằng số mạng    .


17
d
 0, 4
Theo Knight và cộng sự , sợi quang sẽ là đơn mode khi 
. trong đó, d là

đường kính của ống khí và Λ là hằng số mạng.
Trong mạng các ống khí, nếu thay ống thủy tinh ở lõi bằng một ống khí
có đường kính lớn hơn đường kính các ống khí mạng, chúng ta sẽ nhận được
quang tử băng cấm .

Hình 1.13. a) PCF lõi đặc; b) PCF lõi rỗng (quang tử băng cấm).
Sự truyền lan ánh sáng lúc này sẽ tương tự như cơ chế mà chúng ta đã
biết trong Vật lý chất rắn, đó là cơ chế dẫn điện trong chất bán dẫn. Năm 1997
sự truyền ánh sáng trong sợi quang tử băng cấm được xây dựng. Một số ống
khí ở giữa mạng các ống khí đã lấy đi thay vào đó là một ống trống chứa khí
[14].
Cấu trúc chu kỳ của lõi sẽ hình thành cấu trúc quang tử tinh thể 2D với
hằng số mạng gần bằng bước sóng ánh sáng. Trong cấu trúc tinh thể quang tử
băng cấm 2D, hiện tượng ngăn cấm sự truyền qua một số ánh sáng trong một
vùng tần số (bước sóng) nhất định. Vì vậy, khi cấu trúc chu kỳ bị phá vỡ, một
vùng phổ riêng với các đặc trưng quang học khác với sợi quang tử sẽ hình
thành. Vùng khuyết tật sẽ hỗ trợ cho một số mode có tần số rơi vào vùng cấm
không thẩm thấu ra ngoài tinh thể lượng tử. Các mode này sẽ bị giam giữ vào
vùng khuyết và truyền bên trong lõi. Do quang tử vùng cấm giam giữ ánh


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×