Khả năng thu tín hiệu photon với độ nhạy cao của laser quang sợi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano

Quan trọng hơn nữa là dây quang sợi pha tạp Er còn có thể sử dụng như khuếch đại quang tại cùng bước sóng, không cần đến các hệ tái tạo điện quang.. Phân loại theo mode lan truyền: Theo

ASE Amplified spontaneuous emmission Bøc x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch t¸n

Mục lục

Mục lục 1

Mở đầu 3

Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium 6

1.1 Sợi quang 6

1.1.1 Các thông số của sợi quang 6

1.1.2 Cấu trúc sợi quang pha tạp erbium 8

1.1.3 Phân loại sợi quang 9

1.2 Cách tử quang khắc Bragg 12

1.2.1 Các loại cách tử 12

1.2.2 Cách tử quang khắc Bragg 14

1.2.3 Các tính chất của cách tử quang khắc Bragg 15

1.2.4 Các đặc trưng của cách tử quang khắc 17

1.3 Laser quang sợi pha tạp erbium 17

1.3.1 Nguyên lý của laser 17

1.3.2 Phổ của ion erbium 21

1.3.3 Nguyên lý khuếch đại ánh sáng trong các sợi đơn mode pha tạp erbium 23

1.3.4 Sự chọn lọc mode 28

1.3.5 Laser sợi DFB đơn mode 29

Chương 2: Khả năng thu nhận ánh sáng của laser 35

2.1 Giới thiệu chung 35

2.2 Hiện tượng tiền khuếch đại 35

2.3 Các đặc tính của bộ tiền khuếch đại: 36

2.4 Ý nghĩa vật lý - Sự tiệm cận ngưỡng 38

2.5 Ý nghĩa hình học 39

2.6 Laser quang sợi pha tạp erbium được sử dụng như một đầu thu độ nhạy cao 41

Chương 3: Khảo sát hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao và ứng dụng 44

3.1 Hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao 44

3.1.1 Sơ đồ khối của hệ đo 44

3.1.2 Nguồn bơm 45

3.1.3 Nguồn tín hiệu 45

3.1.4 Isolator 48

3.1.5 Bộ suy giảm 48

3.1.6 Laser thu 48

3.1.7 Máy phân tích quang phổ (OSA) 49

3.1.8 Máy đo công suất 49

3.1.9 Hiện tượng kéo tần số: 49

3.1.10 Thu nhận tín hiệu 51

3.2 Chế tạo và khảo sát tính chất cảm biến nhiệt quang của vật liệu VO2 cấu trúc nano 52

3.2.1 Màng mỏng VO2 cấu trúc nano 52

3.2.2 Thực nghiệm chế tạo màng mỏng VO2 cấu trúc nano 53

3.2.3 Phân tích kết quả 54

Kết luận 60

Tài liệu tham khảo 62

Mở đầu

Mặc dù cả hai loại laser bán dẫn và laser rắn đều là những loại có khả năng ứng dụng thích hợp trong thông tin quang, nhưng chúng đòi hỏi hồi tiếp ngược và kết nối vi phân không nhậy cảm với hệ quang sợi/quang dẫn Với sự tương thích cao với hệ quang sợi, laser quang sợi pha tạp đất hiếm trở nên hấp dẫn hơn so với hai loại laser nêu trên, đặc biệt là EDFL do bức xạ bước sóng 1,55μm, bước sóng của cửa sổ quang học trong thông tin quang sợi thế hệ mới Hệ số mất mát chỉ còn 0,2-0,3dB/km so với 0,5 dB/km tại 1,3 μm, cho phép đặt các trạm chuyển nối

xa hơn Quan trọng hơn nữa là dây quang sợi pha tạp Er còn có thể sử dụng như khuếch đại quang tại cùng bước sóng, không cần đến các hệ tái tạo điện quang

Để tăng việc thực hiện và mở rộng lĩnh vực ứng dụng các loại laser này, rất nhiều phòng thí nghiệm cũng như nhiều viện nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu về laser quang sợi Rất nhiều loại laser quang sợi đã được chế tạo để ngày càng phù hợp hơn với thông tin quang Đặc biệt là các laser đơn mode DBR hoặc DFB, được nghiên cứu và phát triển Nhưng cùng với sự phát triển của chúng, người ta đã tìm ra được những ứng dụng rất quan trọng, một trong những ứng dụng đó là tiêm quang học Nhờ tiêm quang học, người ta có thể thu được những tín hiệu rất nhỏ

Các đầu thu truyền thống đều sử dụng nguyên lý quang điện trong hoặc ngoài Đó là tín hiệu được thu nhận kích thích một điện tử rồi sau đó dòng các điện tử đó được khuếch đại (các nhân quang điện, avanlanche photo diode….) Khi đó sự tương quan của dòng điện với trường tín hiệu tới không đóng một vai trò nào cả Thời gian tương tác giữa photon và nguyên tử rất ngắn, công suất quang truyền sang cho đầu thu trong thời gian đó là cỡ pico Watt Hình ảnh đó có thể liên tưởng tới hình ảnh thu xung, mỗi xung tương ứng với sự truyền năng lượng của một photon tín hiệu

Việc dùng laser làm đầu thu tận dụng được tính ưu việt của tính chất kết hợp của ánh sáng Mô hình của đầu thu này là: một tín hiệu kết hợp rất yếu và có

độ rộng phổ rất mảnh đi tới một laser khác có cùng tần số cộng hưởng nhưng có

độ rộng vạch phổ lớn hơn rất nhiều Tính chất ưu việt của laser được dùng ở đây

là khả năng thu nhận – khuếch đại ánh sáng nhưng không làm mất tính chất kết hợp của nó hay nói cách khác là sự tương quan không bị mất đi trong quá trình tương tác Ở đây có sự kết hợp của hai hành động: khuếch đại cộng hưởng và lọc lựa Hiệu suất truyền rất cao Trong nghiên cứu gần đây nhất, các tác giả sử dụng laser bán dẫn làm đầu thu đã thu được những tín hiệu nhỏ cỡ -80 dBm – tức là nhạy hơn 100 lần Và trong trường hợp này tín hiệu được thu nhận ở chế độ liên tục chứ không phải là chế độ xung như ở các đầu đo truyền thống [1]

Tiêm quang học có đặc tính truyền đặc trưng phổ của laser phát sang laser thu như tần số, độ rộng vạch và nhiễu Khi quá trình truyền này hoàn tất, laser thu

ở chế độ gọi là bị khóa hoàn toàn, khi đó sự đóng góp duy nhất của nó là công suất và đặc trưng phổ của nó hoàn toàn là của laser phát Nhiều ứng dụng quan trọng có thể được thực hiện từ tiêm quang bằng laser như giảm chiều rộng của vạch laser, khóa trên một tần số tuyệt đối, xác định các hằng số của laser, giảm nhiễu, phát sinh những tần số vi sóng, hồi phục tín hiệu nhịp đồng hồ và tái đồng bộ………

Đây là một vấn đề còn rất mới cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm nhưng rất thiết thực và hấp dẫn Gần đây trên thế giới cũng mới có một số nghiên cứu

về tiêm quang học, sử dụng laser như một đầu thu cực nhạy với phương pháp khái quát hàm Airy, song chưa tiến hành với laser quang sợi pha tạp erbium cũng như những điều kiện thí nghiệm cũng khác so với ở Việt Nam Vì vậy trong luận văn này sẽ đi sâu nghiên cứu lý thuyết mới về tiêm quang học, tiến hành tổng hợp, thu thập tài liệu, thực nghiệm nghiên cứu về khả năng thu nhận của laser quang sợi pha tạp erbium từ đó đưa ra những kết luận về ảnh hưởng của tần số cũng như độ nhạy thu nhận của laser quang sợi pha tạp erbium và những ứng dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano ở điều kiện thực nghiệm tại Việt Nam

Nội dung của khóa luận được bố cục thông qua các chương như sau:

Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium

Chương 2: Khả năng thu nhận ánh sáng của laser

Chương 3: Khảo sát hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao và ứng dụng

5Khóa luận được hoàn thành trong quá trình học tập tại trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội và trong phòng thí nghiệm quang tử micro – nano là phòng thí nghiệm liên kết giữa trường ĐH Công Nghệ và Viện khoa học vật liệu – Viện Khoa học Việt Nam

Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium

1.1 Sợi quang

1.1.1 Các thông số của sợi quang

Sợi gồm một lõi dẫn quang có chiếu suất n 1 , bán kính a Lớp vỏ cũng là vật

liệu dẫn quang bao xung quanh lõi có chiết suất n 2 và có bán kính b Các tham số

n 1 , n 2 và a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang Đó là các tham số cấu

trúc Các chiết suất n 2 và n 1 khác nhau rất ít nên độ lệch chiết suất tỉ đối ∆ thường

rất bé (∆<<1)

1 1

2 1 2

1

2 2

2 1

n n

n n n

Phần lớn các quang sợi được dùng trong các hệ thông tin quang hiện nay

thường được chế tạo từ silica (SiO2) có độ sạch cao Sự thay đổi nhỏ của chiết

suất được tạo ra khi pha một lượng nhỏ các chất tạp ( thí dụ như titan,

germani, ….) chiết suất n 1 thay đổi từ 1,44 ÷ 1,46 phụ thuộc vào bước sóng, còn

∆ có giá trị trong khoảng 0,001 ÷ 0,02

Khi chùm sáng từ ngoài (không khí) đi vào quang sợi, để có thể lan truyền

trong quang sợi với góc θ phải nhỏ hơn một góc θc tới hạn Áp dụng định luật

Snell, mỗi tương quan giữa góc tới từ không khí θa và góc khúc xạ tới hạn θc

được biểu diễn như sau:

Với điều kiện phản xạ toàn phần từ thành của lõi quang sợi giữa hai môi

trường có chiết suất n 1 và n 2 ta có:

2

2 1

2 / 1 2 1

2 1

2 / 1 2

1 ( 1 cos ) 1

n

n n

2

2 1 1

NA được gọi là khẩu độ số của quang sợi Góc

θa là góc nhận của quang sợi – đây là thông số quyết định cho việc thiết kế hệ kết

hợp cho ánh sáng ra và vào sợi quang

Khẩu độ số là đặc trưng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn laze với sợi

quang Giá trị khẩu độ số thường nằm trong khoảng từ 0.14 ÷ 0.50

Kích thước của lõi và vỏ các sợi quang tiêu chuẩn hiện nay được dùng

trong thông tin quang sợi (2a/2b) là (8/125), (50/125), (62.5/125), (85/125),

(100/140) μm

Nếu sợi quang là sợi đơn mode thì nó chỉ có một mode lan truyền Bước

sóng nhỏ nhất mà tại đó sợi quang làm việc như sợi đơn mode được gọi là bước

sóng cắt:

045 2

2

2

1 n n a c

−

= π

Sự biến đổi chiết suất của quang sợi

Sự biến thiên chiết suất của quang sợi có thể biểu thị qua công thức sau:

g

a

r n

Ngày nay, có rất nhiều vật liệu chế tạo sợi quang, song các sợi quang sử

dụng thông dụng trong viễn thông đều được chế tạo từ thủy tinh thạch anh có

chiết suất là:

5 1

≈

Trong đó: εr là hằng số điện môi tương ứng của vật liệu

Khi muốn thay đổi chiết suất thì trong quá trình chế tạo lõi và vỏ sợi, chẳng

hạn từ thuỷ tinh, thạch anh, người ta thêm hoạt chất vào, ví dụ:

• Cho GeO2 làm tăng chiết suất

• Cho Fluorid làm giảm chiết suất

1.1.2 Cấu trúc sợi quang pha tạp erbium

Cấu trúc chính của một sợi quang pha tạp erbium bao gồm lõi pha tạp erbium được bọc bởi một lớp thủy tinh Chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của lớp bọc để tạo ra sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc Lõi để dẫn ánh sáng còn lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi

và lớp bọc Hình 1-1 chỉ ra cấu trúc của một sợi quang pha tạp erbium

Hình 1-1: Cấu trúc của sợi quang pha tạp erbium

Lớp phủ hay lớp bảo vệ thứ nhất có tác dụng bảo vệ sợi quang chống lại sự xâm nhập của hơi nước, tránh sự trầy xước gây nên vết nứt và giảm ảnh hưởng vi uốn cong Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng truyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ra giữa lớp bọc và lớp phủ

Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng

cơ học và thay đổi nhiệt độ

Một số phương pháp chế tạo quang sợi

Vật liệu thích hợp nhất để chế tạo quang sợi là sợi thủy tinh Thủy tinh được tạo ra từ các hỗn hợp oxit kim loại nóng chảy, sulfide hoặc selennide Chúng tạo ra một vật liệu sợi có cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp Loại thủy tinh trong suốt tạo ra các sợi dẫn quang chính là thủy tinh oxit, trong đó

9đioxit silic (SiO2) là loại oxit thông dụng nhất để chế tạo sợi quang Nó có chỉ số chiết suất tại bước sóng 850 nm là 1,458 nm Công nghệ chế tạo sợi quang thông thường bao gồm hai giai đoạn Giai đoạn thứ nhất là giai đoạn công nghệ lắng đọng hơi tạo ra một hình trụ với chiết suất phản xạ mong muốn Giai đoạn thứ hai, sản phẩm của giai đoạn một được đưa tới một lò nấu thủy tinh với một tốc độ thích hợp – giai đoạn tạo phôi

Có nhiều công nghệ chế tạo như công nghệ MCVD (modified chemical vapor deposition – công nghệ lắng đọng từ pha hơi các chất hóa học thay đổi), công nghệ OVD (lắng đọng hơi bên ngoài) và công nghệ VAD (công nghệ lắng đọng hơi theo trục) Nhưng ở giai đoạn thứ nhất người ta thường sử dụng công nghệ MCVD (modified chemical vapor deposition – công nghệ lắng đọng từ pha hơi các chất hóa học thay đổi) Những lớp SiO2 được lắng đọng bên trong tuýp thủy tinh nóng chảy bằng cách pha trộn với hơi SiCl4 và O2 tại nhiệt độ khoảng

1800oC Để đảm bảo về sự đồng đều thì người ta sử dụng những dây chuyền tịnh tiến Chiết suất của lớp vỏ được quyết định bằng việc pha fluourine vào ống tuýp Khi đã lắng đọng xong chiều dày lớp vỏ, lớp lõi được hình thành bằng việc thêm vào hơi GeCl4 hoặc POCl3, việc thêm này quyết định chiết suất của lớp lõi Lúc này nếu thêm vào hơi ErCl3 thì ta có sợi quang pha tạp erbium

Như vậy quá trình chế tạo quang sợi pha tạp erbium cũng giống như quá trình chế tạo các sợi quang thông thường, chỉ có ở quá trình lắng đọng lớp lõi người ta đã thêm vào hơi ErCl3 Để giúp cho quá trình pha trộn được tốt hơn, oxit nhôm được đưa thêm vào hỗn hợp để tăng tính hòa tan của erbium trong mạng thủy tinh Mật độ pha tạp của erbium thường cỡ 1018 ions/cm3 Phần lõi sợi pha erbium thường nhỏ hơn nhiều so với lõi của sợi đơn mode Lõi pha tạp erbium thường có đường kính cỡ 2 μm, với Δn lớn để đảm bảo đường kính trường mode nhỏ (thường cỡ 4 μm) Điều này được tạo ra nhằm tăng thêm cường độ của trường quang trong vùng pha erbium giúp cho quá trình bức xạ cảm ứng

1.1.3 Phân loại sợi quang

Người ta có thể phân loại sợi quang theo nhiều cách Sau đây là một số phân loại tiêu biểu:

10Phân loại theo vật liệu điện môi: Có 3 loại, bao gồm:

• Sợi quang thạch anh

• Sợi quang thủy tinh đa vật liệu

• Sợi quang bằng nhựa

Phân loại theo mode lan truyền: Theo số lượng mode có thể lan truyền, sợi

quang được chia thành hai nhóm:

• Sợi đơn mode, gọi tắt là SM (single – mode) : Sợi này chỉ cho một mode lan truyền

• Sợi đa mode: cho phép nhiều mode lan truyền

Phân loại theo phân bố chiết suất: Các sợi quang có thể chia làm 2 nhóm

theo phân bố chiết suất của lõi sợi:

• Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI (step-index)

• Sợi quang có chiết suất gradient từ lõi ra vỏ GI (graded- index)

Hình 1-2: Quang sợi đa mode chiết suất bậc

Hình 1-3: Quang sợi đa mode chiết suất gradient

Hình 1-4: Quang sợi đơn mode chiết suất bậc

Hình 1-5: Quang sợi đơn mode nhiều lớp vỏ

Trong quang sợi SI, chiết suất của lõi không đổi Vì n 1 > n 2 (n2 là chiết suất của lớp vỏ) nên tại mặt phân cách của vỏ chiết suất có bước nhảy

Trong quang sợi GI, chiết suất n 1 của lõi đạt giá trị lớn nhất tại tâm lõi và giảm

dần cho đến mặt phân cách vỏ - lõi thì bằng giá trị chiết suất n 2 của vỏ Quang sợi

đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần

So sánh quang sợi đơn mode với quang sợi đa mode ta thấy:

Độ tán sắc của quang sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với quang sợi đa mode Đối với tán sắc mode, do quang sợi đơn mode chỉ cho phép truyền một mode duy nhất nên tán sắc mode bằng không Còn đối với tán sắc màu bao gồm tán sắc dẫn sóng và tán sắc vật liệu thì có thể làm cho tán sắc dẫn sóng bù trừ với tán sắc vật liệu để độ tán sắc bằng không Ví dụ như ở bước sóng 1300 nm độ tán sắc vật liệu và dẫn sóng bằng nhau và trái dấu nên độ tán sắc của quang sợi đơn mode rất thấp (≈0), do đó dải thông của quang sợi đơn mode rất rộng Tuy nhiên,

do kích thước lõi quang sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và quá trình hàn nối quang sợi đơn mode

12đòi hỏi chính xác cao Với công nghệ hiện đại các khó khăn trên đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode được áp dụng phổ biến

1.2 Cách tử quang khắc Bragg

1.2.1 Các loại cách tử

Trong quang học, cách tử nhiễu xạ có bề mặt gồm những rãnh song song cách đều trong không gian là một thiết bị phản xạ hoặc truyền qua đối với ánh sáng Khi ánh sáng truyền tới cách tử thì xảy ra hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa, ánh sáng bị phản xạ hoặc truyền qua theo những hướng khác nhau hay còn gọi là những bậc khác nhau Cách tử có thể được dùng như một linh kiện lọc lựa bước sóng

Thường có những loại cách tử sau

Cách tử răng cưa: có bề mặt gồm những rãnh hình răng cưa như hình 1-6

Vùng giữa những rãnh (sườn rãnh) sẽ phản xạ những bức xạ tới theo những hướng nhất định để có được cường độ nhiễu xạ là lớn nhất Bước sóng mà tại đó hiệu suất của cách tử là lớn nhất phụ thuộc vào mặt góc của các rãnh (khe)

Hình 1-6: Cách tử răng cưa

Cách tử hình sin: có bề mặt là những rãnh hình sin đối xứng (hình 1-7),

thích hợp trong việc sử dụng làm thiết bị đo góc của chùm tia đối xứng Hiệu suất

của cách tử có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số và chiều cao (h) của những rãnh hình sin này Trong lĩnh vực điện từ (λ/d>0.7 và h/d>0.3), cách tử

hình sin cho những giá trị hiệu suất như là cách tử răng cưa

Cách tử Bragg: Công thức Bragg cho nhiễu xạ tia X (cũng như là nhiễu xạ

Bragg) được William Henry Bragg và William Lawrence Bragg đưa ra vào năm

1913 cùng với những khám phá của họ về khả năng phản xạ tia X của tinh thể rắn Họ đã tìm ra rằng những tinh thể rắn có mạng tinh thể được sắp xếp theo chu

kỳ tuần hoàn có khả năng phản xạ ánh sáng tới với những bước sóng và góc tới nhất định theo những hướng nhất định có những đỉnh cường độ (đỉnh Bragg) Hình 1-9 và hình 1-10 chỉ ra một ví dụ về cấu trúc tinh thể rắn NaCl có thể phản

xạ ánh sáng như một cách tử

bình thường

1.2.2 Cách tử quang khắc Bragg

Cách tử quang khắc Bragg là cách tử quang sợi có thể phản xạ ánh sáng nhờ sự biến đổi tuần hoàn hệ số chiết suất của sợi quang Cách tử quang khắc được chế tạo bằng cách quang khắc lên sợi quang thông qua quá trình chiếu bước sóng của chùm laser có bước sóng thích hợp lên sợi quang Người ta thường sử dụng laser cực tím (Ultraviolet – UV) liên tục đi qua một hệ quang học chiếu vào một mặt nạ pha Các vạch của mặt nạ pha dựa trên yêu cầu của bước sóng laser, bậc 0 nhiễu xạ bị làm giảm thiểu Quang sợi được đặt tại vị trí giao thoa và hệ số chiết suất của lõi quang sợi được biến điệu vĩnh viễn như được minh hoạ trên hình 1-11b

Hình 1-11: a-Minh hoạ cấu trúc quang sợi, b- Quá trình tạo cách tử,

c- Cách tử quang khắc

1.2.3 Các tính chất của cách tử quang khắc Bragg

Qua quá trình quang khắc, ta đã tạo ra sự biến đổi điều hòa hệ số chiết suất

của lõi quang sợi Khi đó quang sợi có thể cách ly hoặc cho qua những mode lan

truyền giống như một cách tử dưới ánh sáng tới Nó tác động như một phin lọc

cắt tại bước sóng gọi là bước sóng Bragg λBragg.

Biểu thức cho mối tương quan giữa bước sóng Bragg và các thông số của

cách tử trong bậc gần đúng thứ nhất là:

Trong đó n eff là hệ số chiết suất hiệu dụng của quang sợi, Λ là chu kỳ của cách tử

quang khắc Sự biến điệu hệ số chiết suất của lõi quang sợi được chỉ ra trên hình

1-12

Biến điệu hệ số chiết suất của lõi quang sợi chứa hai thành phần: thành

phần liên tục và thành phần xoay chiều

)) (

2 cos(

1 ) ( )

Λ +

eff

n

δ là sự thay đổi thành phần một chiều của chiết suất trung bình, ν là độ nhìn

thấy của các vân giao thoa, φ là độ gợn sóng của cách tử

Hình 1-12: Sự điều biến hệ số chiết suất của lõi sợi quang

Khả năng lọc tần số là do có sự kết hợp giữa những mode lan truyền ngược

nhau Trong biểu thức kết hợp, ta có thể tách ra một tham số chủ yếu đặc trưng

cho sự quang khắc một cách tử: hệ số kết hợp k Ta có biểu thức sau:

eff n

k νδλ

π

Độ phản xạ của cách tử quang khắc Bragg là hàm của bước sóng và chiều

dài cách tử được viết như sau:

) ( cosh )

( sinh

) ( sinh )

,

2 2

g g

g g

SL S

SL

SL L

R

+ Δ

) ( sin )

,

2 2

g

g g

QL

QL L

R

Ω

− Δ

Độ phản xạ cực đại của cách tử là từ 0 – 100% và độ rộng dải nhỏ nhất là

0.1 – 0.2 nm đối với cách tử quang khắc trên sợi quang pha tạp erbium Trong

trường hợp đó, sự thay đổi chiết suất Δn bởi việc chiếu tia cực tím (UV) bậc 5

Bước sóng phản xạ cực đại mà ta dùng cho laser được xác định bằng biểu

thức:

Bragg eff

eff R

n

n λ

δ

Hoạt động đơn mode của laser được thể hiện ở chỗ mode phát laser tại

vùng trung tâm của cách tử, ở đó những khuếch đại khác là không đáng kể Mode

17bên cạnh sẽ được chỉnh khỏi vùng cách tử Do đó khoảng phổ tự do Δβ của laser

sẽ lớn hơn một nửa vùng cách tử:

g FSR

1.2.4 Các đặc trưng của cách tử quang khắc

Các đặc trưng cơ bản của cách tử là:

Độ phản xạ cực đại: độ phản xạ cực đại của cách tử quyết định biên độ của vạch truyền qua Biên độ này và độ phản xạ cực đại có mối liên quan bởi phương trình (12) Do đó nếu cách tử có độ dài lớn hoặc có hệ số kết hợp lớn thì sẽ có độ phản xạ lớn

Độ tinh: độ tinh là độ mảnh vạch phản xạ của cách tử Với cách tử yếu, độ tinh của vạch phản xạ lớn hơn độ tinh của cách tử dài Khi đạt được bão hòa, độ tinh suy giảm nhanh chóng theo độ dài của cách tử

Bước sóng trung tâm: bước sóng trung tâm được xác định bởi biểu thức (13) Nó tăng theo bước sóng Bragg và bước sóng này tăng theo hệ số chiết suất hiệu dụng

1.3 Laser quang sợi pha tạp erbium

1.3.1 Nguyên lý của laser

Từ laser được bắt nguồn từ những chữ cái tiếng Anh “Light Amplification

by Stimulated Emission of Radiation” có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức

xạ cưỡng bức Có thể nói bức xạ cưỡng bức là chìa khóa cho sự hoạt đọng của laser Khái niệm này đã được Einstein đưa ra vào năm 1913 và tới năm 1960 thế giới được nhìn thấy một laser hoạt động đầu tiên

Nguyên lý hoạt động của laser: một vật liệu được dùng là môi trường hoạt

tính, có khả năng chuyển đổi nguồn năng lượng từ bên ngoài là nguồn bơm thành một phổ bức xạ năng lượng hoàn toàn đặc trưng cho chất đó Khi năng lượng bơm vào đủ lớn thì ánh sáng bức xạ sẽ được cấu thành từ các photon cảm ứng

18Nguồn quang học này được đặt trong buồng cộng hưởng thích đáng để tạo ra ánh sáng đặc trưng của laser như phổ hẹp, phân kỳ nhỏ, mật độ năng lượng cao, độ kết hợp cao Laser có các tính chất tĩnh, tính chất động và phân cực khác nhau phụ thuộc vào từng loại

Trong trường hợp laser quang sợi, môi trường hoạt tính là lõi của quang sợi pha tạp các ion erbium và được bơm trên một giá trị được gọi là ngưỡng là giá trị bơm nhỏ nhất có thể để đạt được phát laser Ta sẽ nghiên cứu kỹ hơn về vấn đề này ở các phần sau Laser quang sợi pha tạp erbium sử dụng hệ 3 mức năng lượng Ở đó mức 1 là mức cơ bản, mức 2 là mức giả bền có thời gian sống

là τ, mức 3 là mức bơm Mức cơ bản tương ứng với mức 4 I 15/2 Mức giả bền là mức 4 I 13/2 thời gian sống khá dài cỡ 10 ms Mức bơm 4 I 11/2 có thời gian sống rất ngắn cỡ 10 μs

Trong thực tế, laser có rất nhiều cấu hình khác nhau nhưng nhìn chung, cấu hình cơ bản của laser có dạng sau (hình 1-13):

Hình 1-13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của laser

Cấu hình cơ bản của laser gồm: một môi trường hoạt tính đặt trong một bộ

cộng hưởng quang Bộ cộng hưởng quang được làm từ hai bộ phản xạ M 1 và M 2

để tạo nên sự phản hồi Ở bước sóng tín hiệu λs , M 1 là bộ phản xạ toàn phần,

trong khi bộ ghép nối lối ra M 2 có hệ số truyền qua T 2, hoặc tương đương với hệ

số phản xạ R 2 =1 – T 2

Có hai cách cơ bản nhất để thực hiện buồng cộng hưởng của laze quang sợi là buồng Fabri – Perro và buồng vòng

Buồng Fabry – Perrot

Buồng cộng hưởng Fabry – Perrot được tạo thành bởi hai gương song song

với nhau (hình 1-14)

Sóng quang học lan truyền trong môi trường sẽ phải phản xạ nhiều lần trên

từng gương và giao thoa với nhau Đối với một số bước sóng nhất định, giao thoa

được tạo thành và cường độ sóng là cực đại Còn đối với một số bước sóng khác,

giao thoa bị triệt tiêu và tại bước sóng đó không có năng lượng hay năng lượng

bằng không

Có thể tính toán hàm số truyền qua của buồng cộng hưởng Fabry – Perrot

thể hiện chức năng phin lọc của buồng

Hình 1-14: Buồng cộng hưởng Fabry- Perrot

Gọi E A là trường điện đơn sắc tần số ν tại điểm A của buồng Trường này

là sự kết hợp của trường ban đầu E s và của E s sau những lần phản xạ xuôi, ngược

1, 2, 3, n lần trong buồng E s đại diện cho trường ban đầu, liên quan với

trường đi vào buồng từ ngoài kể cả trong trường hợp buồng Fabry – Perrot truyền

qua và trường hợp bức xạ ngẫu nhiên được tạo nên trong môi trường

Qua mỗi lần xuôi ngược, trường E s chịu sự thay đổi pha là 2φ với:

c

nl

nl π νλ

π

Đồng thời E s còn chịu sự suy giảm theo biên độ do phản xạ r 1 và r 2 trên hai

gương, do đó trường E A có thể viết như sau:

S

n S

S S

2 1 2

2 exp(

) [(

)]

4 exp(

[ ) 2 exp(

1

2 1 2

Hàm F hay hàm Airy cho ta biết mối liên quan của trường cộng hưởng

trong buồng với trường của nguồn kích thích

Giá trị tuyệt đối của F chính là hàm số truyền qua của buồng Hàm số này

phụ thuộc vào tần số ν của trường E A qua hệ số thay đổi pha φ

Sự biến đổi của hàm số truyền qua như là một hàm phụ thuộc vào tần số ν

được thể hiện trên hình 1-15

Hình 1-15: Tiến độ phát triển của |F| là hàm số phụ thuộc

Hình này chỉ ra rằng trường trong buồng đạt cực đại với những tần số νk

Những tần số này là những tần số mà ở đó tạo nên giao thoa của vô số sóng xuôi

– ngược Ta biết rằng, đó là những sóng sau mỗi chu trình xuôi – ngược thì thay

đổi pha là 2π, có nghĩa là 2φ = 2kπ

21Theo công thức ta tìm được: νk = k (c/2nl)

Nghĩa là độ dài quang học của buồng phải bằng số nguyên lần nửa bước

sóng:

Những tần số νk được gọi là những mode dọc của buồng

Khoảng phổ tự do (FSR) của buồng được định nghĩa là khoảng cách giữa

hai tần số gần nhau và bằng: Δν =νk+1 −νk =c/ 2nl

Chức năng lọc tần số này của buồng đóng vai trò chủ yếu trong trường hợp

laser Nó xác định trong phổ của một laser một lượng các tần số cách nhau có khả

năng dao động Số lượng mode của một laser phụ thuộc vào tương quan giữa

FSR của buồng và độ rộng đường cong khuếch đại của môi trường hoạt tính (độ

rộng phổ của ASE) Laser là laser đơn mode khi chỉ có một mode dọc có mặt

dưới đường cong khuếch đại Còn laser là laser đa mode khi có nhiều mode có

mặt dưới đường cong khuếch đại

1.3.2 Phổ của ion erbium

Các ion đất hiếm họ Lanthamide được pha tạp vào lõi sợi quang sẽ đóng

vai trò là môi trường tăng ích quang Rất nhiều ion đất hiếm khác nhau như:

erbium, holmium, neodym, praseodym, thulium và yterbium pha tạp vào trong

sợi quang có khả năng khuếch đại bước sóng trong dải rộng 0.5 μm đến 3.5 μm

Erbium được đặc biệt chú ý vì chúng có khả năng khuếch đại quang ở

vùng bước sóng 1.55 μm là vùng cửa sổ thông tin thứ 3 của thông tin quang hiện

đại Tại bước sóng 1.55 μm, suy hao trong sợi quang thủy tinh là nhỏ nhất Ion

erbium có cấu hình 4f115s25p6, lớp 4f là lớp không được lấp đầy hoàn toàn

Vùng 4f N của nguyên tử erbium được tạo thành từ rất nhiều siêu mức Đầu

tiên, các lực tương tác giữa các nguyên tử sẽ chia mức 4f N từ một orbital điện tử

thành 2S+1 L j siêu mức Tiếp theo đó khi các ion erbium được đưa vào ma trận thủy

tinh dưới tác động của trường tinh thể các siêu mức đó lại được chia thành một

tập hợp các siêu mức Stark Quá trình này được miêu tả trên hình 1-16

Cấu trúc các mức năng lượng của ion erbium trong thủy tinh được thể hiện trên hình 1-17 Đối với ion erbium có thể kích thích bằng nhiều bước sóng Những thí nghiệm đầu tiên người ta thường sử dụng các laze khí argon hoặc laser bán dẫn Nd có nhân tần bậc hai và laser màu trong vùng khả kiến để bơm kích thích ion erbium trong thủy tinh Sau năm 1990, laser bán dẫn bước sóng 980 nm

và 1480 nm được chế tạo để bơm kích thích ion erbium

Đặc trưng rất quan trọng của ion erbium là nó có mức 4 I 13/2 là mức siêu bền với thời gian sống của hạt tải tại mức này lên đến 10 ms Thời gian sống tại mức

4 I 11/2 cỡ vài μs Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laser có bước sóng 980

nm các ion erbium được kích thích lên mức 4 I 11/2 và sau thời gian μs chúng chuyển dời không bức xạ xuống mức 4 I 13/2 với thời gian sống tại mức này gấp

hàng vạn lần thời gian sống tại mức 4 I 11/2 Điều này cho phép chúng ta tạo trạng thái phân bố đảo trong môi trường pha tạp erbium

Hình 1-17: Các mức năng lượng của erbium trong quang sợi silic

Trong thủy tinh SiO2 pha tạp thêm GeO2 để tăng chiết suất lõi sợi, bức xạ của ion erbium lớn hơn hấp thụ, do đó hệ số khuếch đại quang khá cao trong vùng này

Trong các bộ khuếch đại, bơm tại các bước sóng 980 nm và 1480 nm cho hiệu qủa cao Khi bơm tại bước sóng 980 nm đạt được hiệu suất là 11 dB/mW Đây là

hệ số tăng ích cao

Hình 1-18: Phổ hấp thụ của erbium

Phổ hấp thụ của erbium thể hiện trên hình 1-18 Có thể thấy các dải hấp thụ rộng trong vùng 810 nm và 980 nm Đối với bước sóng 980 nm hệ số hấp thụ cao hơn hẳn

1.3.3 Nguyên lý khuếch đại ánh sáng trong các sợi đơn mode pha tạp erbium

Nguyên lý

Xem xét hệ 2 mức năng lượng N 1 và N 2 là phân bố của chúng Xét sự lan truyền của một sóng điện từ phẳng theo hướng Oz qua hệ như trên hình 1-19:

σ - là thiết diện hiệu dụng

Từ mối tương quan này thấy rằng:

N 1 > N 2 : sóng được hấp thụ

N 1 < N 2 : sóng được khuếch đại

Khi đẳng nhiệt thì N 1 luôn lớn hơn N 2, có nghĩa là môi trường hấp thụ Như

vậy để có khuếch đại thì phải phá vỡ trạng thái cân bằng nhiệt Khi đó N 1 < N 2

Đó là trạng thái trong đó số nguyên tử ở trạng thái kích thích lớn hơn số nguyên

tử ở trạng thái cơ bản Người ta gọi đó là sự phân bố đảo

Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố đảo giữa hai mức E 1 và E 2 được định nghĩa

như sau:

1

2 2 1

.

g

N g N

N = −

Trong đó: g 1 và g 2 là các hệ số suy biến của mức 1 và mức 2 tương ứng

Như vậy điều kiện để có được phân bố đảo là:

Mật độ phân bố nguyên tử ở mức kích thích phải lớn hơn mật độ phân bố

nguyên tử ở mức cơ bản (N 1 <N 2)

Thời gian dịch chuyển từ mức 1 lên mức 2 rất ngắn so với thời gian dịch

chuyển từ mức 2 xuống mức 1

Hệ 4 mức năng lượng

Giản đồ các mức năng lượng mô tả một hệ thống laser bốn mức được mô

tả trên hình 1-21:

Hình 1-21: Hệ 4 mức năng lượng

Trong đó mức 0 là mức cơ bản, mức 3 là mức bơm, mức 2 là mức laser có năng lượng cao hơn, mức 1 là mức laze có năng lượng thấp hơn

Khởi điểm, khi cân bằng nhiệt thì mức 1 hoàn toàn rỗng Chỉ cần 1 nguyên

tử được kích thích lên mức 2 là có thể thực hiện được phân bố đảo

Nếu dịch chuyển từ mức 2 xuống mức 1 là dịch chuyển laser mong muốn,

để phân bố đảo xảy ra thì phải làm sao để số nguyên tử ở mức 2 là nhiều hơn số nguyên tử ở mức 1 Để thiết lập và duy trì sự phân bố đảo, ta phải dùng năng lượng bơm để làm dịch chuyển từ mức 0 lên mức 3 Nguyên tử sẽ nhanh chóng dịch chuyển xuống mức 2 (mức laser trên) Thời gian sống của các nguyên tử ở mức 2 là tương đối dài (ms) nên dễ dàng tạo ra sự phân bố đảo giữa mức 2 và mức 1 Thời gian sống của mức 1 là ngắn nên chúng dịch chuyển nhanh xuống mức 0 (mức cơ bản)

Hệ 4 mức năng lượng dễ thực hiện một laser hoặc là một hệ khuếch đại hơn hệ 3 mức do dễ đạt được phân bố đảo khi chỉ cần ít năng lượng đi vào hệ

Bức xạ tự phát được khuếch đại

Từ các phần trên khi miêu tả hệ khuếch đại ta chưa tính đến bức xạ tự phát Tất cả các ion ở trạng thái kích thích đều có thể hồi phục tự phát xuống mức laser dưới bằng cách bức xạ một photon Photon đó hoàn toàn kết hợp với các photon tín hiệu Photon bức xạ tự phát cũng có thể được khuếch đại khi chúng lan truyền theo quang sợi và cảm ứng bức xạ thêm nhiều photon khác từ các ion đã được kích thích trong môi trường hoạt tính Các photon được tạo ra đó hoàn toàn giống như photon tự phát ban đầu Quá trình ký sinh đó có thể tồn tại bất kỳ tần số nào trong dải phổ huỳnh quang của dịch chuyển khuếch đại và sẽ làm giảm hệ số khuếch đại của môi trường Nó lấy mất các photon đáng ra hoàn toàn có thể tham gia vào quá trình khuếch đại tín hiệu Hiện tượng này được gọi là “ Bức xạ tự phát được khuếch đại” (amplified spontaneous emission – ASE) Hiệu ứng này giới hạn giá trị tổng của hệ số khuếch đại có thể từ môi trường khuếch đại

Quá trình này rất được quan tâm trong quang sợi pha tạp Trên thực tế, khi ánh sáng được dẫn trong quang sợi, chỉ một hướng được ưu tiên Tất cả các

27photon bức xạ phía trong khẩu độ số đều được khuếch đại trong quá trình lan truyền dọc theo quang sợi

Quang sợi cho phép có một đột dài tương tác lớn Do đó bức xạ ngẫu nhiên khuếch đại có một ảnh hưởng lớn trong môi trường khuếch đại

Các hiện tượng dập tắt huỳnh quang

Có nhiều cơ chế nhất định có thể làm dập tắt huỳnh quang Tuy nhiên có hai quá trình vật lý khác nhau khá phổ biến có thể dẫn tới làm rỗng mức laser trên

Cơ chế thứ nhất: Hấp thụ từ mức kích thích

Hình 1-22: Hấp thụ từ mức kích thích trong hệ 3 mức

Hiện tượng này thường xảy ra cá biệt trong laze quang sợi pha tạp erbium khi bơm tại 810 nm Hiện tượng này được chỉ ra trên hình 1-22 cho hệ 3 mức khi bơm quang học Các điện tử khi đã ở mức 2 lại có thể hấp thụ một photon bơm bước sóng λp lên mức cao hơn Quá trình này làm giảm số lượng phân bố đảo bởi

nó làm rỗng mức 2 Quá trình này không có lợi khi thực hiện hệ khuếch đại hoặc laser

Cơ chế thứ hai: Được chỉ ra như trên hình 1-23 Đó là sự truyền năng lượng giữa

2 dipole Cơ chế này tồn tại trong quang sợi mà mật độ pha tạp erbium lớn và có

sự truyền năng lượng giữa hai nguyên tử cạnh nhau

Hình 1-23: Truyền năng lượng giữa hai dipole

Ta xem xét 2 ion trong trạng thái kích thích và ở tương đối gần nhau, chúng sẽ tương tác với nhau Hơn thế nữa, các năng lượng liên đới tại dịch chuyển 1→2 và 2→3 là bên cạnh nhau Trong trường hợp đó sẽ xảy ra sự truyền năng lượng từ một ion sang ion bên cạnh Ion đầu tiên chuyển dịch xuống mức cơ bản trong khi ion thứ hai chuyển lên mức kích thích cao hơn (mức 3), mà từ đó

nó lại quay về mức 2 bằng chuyển dịch không bức xạ Trong quá trình này, một ion trong trạng thái kích thích bị mất đi không khuếch đại photon Đây là một hiện tượng nữa làm suy giảm phân bố đảo và có thể dẫn tới hiện tượng tự phát xung của laser

1.3.4 Sự chọn lọc mode

Sự chọn lọc mode được xác định bởi tỷ số mất mát giữa mode cơ bản và mode bậc một Việc chọn lọc mode quyết định bậc đơn sắc của bức xạ laser phát Khi buồng cộng hưởng cho phát đơn mode thì độ rộng vạch phát sẽ phụ thuộc vào mất mát hay độ phẩm chất của mode đó, vào công suất toàn phần do tính phi tuyến của hoạt chất và cả tính bền cơ học của cấu hình buồng Mode chỉ được phát khi hệ số khuếch đại lớn hơn mất mát Khi buồng cộng hưởng cho phát đa mode, người ta có thể làm tăng mất mát một số mode và để lại một hay một vài mode có đủ điều kiện phát (tức là hệ số khuếch đại của những mode này lớn hơn mất mát trong buồng) và sẽ thu được bức xạ phát đơn sắc (đơn mode)

29Muốn dập tắt sự phát của các mode trục dọc người ta đưa vào trong buồng cộng hưởng một vài yếu tố phụ như mẫu Fabri – Perro hoặc sử dụng thay thế gương phản xạ bởi cách tử hoặc lăng kính

Muốn dập tắt sự phát các mode ngang thì người ta thường đưa vào các yếu

tố hấp thụ để hấp thụ mọi bước sóng của các mode, trừ một vài mode muốn phát Hoặc người ta cũng có thể làm giảm thể tích các mode ngang xa trục bằng cách dùng các màn chắn (diaphragms) hay che diện tích mặt gương chỉ để lại một vết nhỏ

1.3.5 Laser sợi DFB đơn mode

Đối với laser DFB, linh kiện phản xạ là hai cách tử Bragg Hai cách tử Bragg tạo nên hệ sóng đứng trong buồng cộng hưởng và đóng vai trò chọn lọc bước sóng Nhờ vào hoạt động của cách tử mà buồng cộng hưởng có thể chọn lựa chỉ một mode dọc, đạt được laser đơn mode

Hai cách tử làm việc tại cùng một bước sóng Nếu hai cách tử làm việc ở hai bước sóng khác nhau, mỗi cách tử sẽ chọn lựa một mode riêng của nó, tạo thành laser đa mode hoặc nếu vùng phản xạ không trùng nhau, bước sóng này phản xạ tại gương thứ nhất nhưng lại không phản xạ tại gương thứ hai và sẽ không tạo nên một buồng cộng hưởng, không tạo thành laser được

Cách tử thứ nhất bão hòa để đạt được phản xạ cực đại, hệ số mất mát thấp nhất để vượt qua ngưỡng laser Cách tử thứ hai được quang khắc cho đến khi xuất hiện hiệu ứng laser Cực đại phản xạ của cách tử thứ hai nằm trong vùng bão hòa của cách tử thứ nhất, tạo nên sự tương thích giữa hai bước sóng

Đường cong phản xạ của cách tử mảnh và nhỏ hơn khoảng phổ tự do FSL tạo nên sự chắc chắn về đặc trưng đơn mode của laser DFB

30tâm đến cường độ laser ra chứ không quan tâm đến tiến triển của nó dọc theo trục

z

Ta xét cường độ tích phân chung cho tất cả các thành phần phổ là các mode dọc của laser Như vậy ta không cần phải viết phương trình cho từng mode

của phổ (chúng có thể có tới hàng nghìn) và đánh giá trong khi đo mà ở đó chúng

ta sẽ đo được cường độ tổng thể (đo với đầu thu dải rộng) tại lối ra của laser

Chúng ta chọn phương pháp gọi là phương trình cân bằng để định ra phương trình động năng của laser

Giả sử có một hệ thống laser ba mức có các mức năng lượng được mô tả

trên hình 1-20 Ở đó mức 1 là mức cơ bản, thời gian sống của mức 1 là vô cùng

Dịch chuyển giữa các mức 3 và 2 là không bức xạ photon và xảy ra rất nhanh

Thời gian sống τ3 của mức 3 là rất ngắn (ns) Mức 2 là mức giả bền với thời gian

sống τ2 vào cỡ 12 ms Để tạo ra sự phân bố đảo, ta phải sử dụng quá trình bơm

với bước sóng phù hợp để dịch chuyển nguyên tử từ trạng thái một lên trạng thái

3 Sau đó nguyên tử sẽ mất một phần năng lượng và dịch chuyển từ mức 3 xuống

mức 2, rồi dịch chuyển từ mức 2 xuống mức 1 Đây chính là dịch chuyển laser

chúng ta mong muốn

Gọi φp là thông lượng photon bơm tại 980 nm phù hợp với dịch chuyển

giữa mức một và mức ba; φs là thông lượng photon của bức xạ laser tại dịch

chuyển giữa hai mức hai và mức một xung quanh bước sóng 1550 nm (Đơn vị

của φs và φp là cm 2 s -1)

Gọi phân bố của ba mức 1, 2, 3 là N 1 , N 2 , N 3 [cm-3] Chúng thể hiện cho số

lượng ion erbium tại trạng thái năng lượng 1, 2, 3 trong một đơn vị thể tích

Số lượng ion erbium trên một đơn vị thể tích là N t là:

N t = N 1 + N 2 + N 3 (22) Các phương trình tốc độ nguyên tử ứng với các phân bố này như sau:

2

2 1 2 2

1

τ σ

σ φ

dt

dN

p s p

−