Báo cáo thiết kế sợi quang tinh thể

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của Internet, thông tin truyền thông trong đó có một phần nhờ sự phát triển của thông tin cáp sợi quang. Hệ thống thông tin sợi quang phát triển mạnh và được ứng dụng trong truyền thông tin, trong các hệ thống DWDM, FTTH. Cùng với việc nâng cao kĩ thuật để cải tiến chất lượng tín hiệu thì việc nghiên cứu phát triển cho sợi quang cũng không ngừng được đổi mới. Sự ra đời của sợi quang tinh thể PCFs đã tạo một bước tiến nhảy vọt trong hệ thống thông tin quang, chúng ta không chỉ thấy những ứng dụng trong truyền thông mà người ta còn đưa sợi quang vào sử dụng cho y tế nhờ những đặc tính truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang tinh thể mà người ta có thể thu lại được hình ảnh mô sinh học. Do đó em đã nghiên cứu đề tài thiết kế sợi quang tinh thể ứng dụng trong hệ thống chụp cắt lớp quang OCT.

GVHD: TS Nguyễn Hoàng Hải

Sinh viên thực hiện: Bùi Văn Chiến 20101158

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ ĐỂ TÀI

1.1 Giới thiệu về OCT………4

1.2 Nguyên lí hoạt động của hệ thống OCT……… 5

1.3 Những mẫu hình ảnh thu được của hệ thống OCT ……….8

1.4 Đề xuất thiết kế……… 10

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH - THIẾT KẾ 2.1 Phân tích 1 số cấu trúc sợi quang ứng dụng cho OCT……… 11

2.2 Các tính chất sợi quang tinh thể PCFs……… 15

2.3 Đưa ra cấu trúc thiết kế, thay đổi thông số……… 18

2.4 Tối ưu hóa cấu trúc……… 27

2.5 Phân tích so sánh kết quả đạt được……… 29

KẾT LUẬN ……… 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 31

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của Internet, thông tin truyền thông trong đó có một phần nhờ sự phát triển của thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin sợi quang phát triển mạnh và được ứng dụng trong truyền thông tin, trong các hệ thống DWDM, FTTH Cùng với việc nâng cao kĩ thuật để cải tiến chất lượng tín hiệu thì việc nghiên cứu phát triển cho sợi quang cũng không ngừng được đổi mới

Sự ra đời của sợi quang tinh thể PCFs đã tạo một bước tiến nhảy vọt trong hệ thống thông tin quang, chúng ta không chỉ thấy những ứng dụng trong truyền thông mà người ta còn đưa sợi quang vào sử dụng cho y tế nhờ những đặc tính truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang tinh thể mà người ta có thể thu lại được hình ảnh mô sinh học

Do đó em đã nghiên cứu đề tài thiết kế sợi quang tinh thể ứng dụng trong hệ thống chụp cắt lớp quang OCT

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy TS Nguyễn Hoàng Hải đã tạo điều kiện và hướng dẫn để em hoàn thành đề tài này

SUPERCONTINIUM trong hệ thống OCT

1.1 Giới thiệu về OCT

OCT là gì? OCT (Optical Coherence Tomography) là công nghệ chụp cắt lớp quang Chúng ta sẽ lấy được những hình ảnh của mô ở những tế bào không bình thường cho chuẩn đoán bệnh OCT lấy hình ảnh các mô ở cỡ micromet với độ phân giải cao bằng hiện tượng giao thoa liên tục So sánh với những công nghệ hình ảnh khác như siêu âm và kính hiển vi đồng tiêu thì hình ảnh OCT có những tính chất riêng: dùng bước sóng từ 1 -15um, độ sâu thâm nhập vào khoảng 2-3 mm nên chụp thích hợp cho mô ở mắt, da và răng

Hình 1.1 Các công nghệ

Chụp cắt lớp quang OCT [1] là công nghệ hình ảnh không xâm lấn (tức là không cần đưa công cụ vào trong cơ thể) mà ta có thể lấy được hình ảnh với độ phân giải cao của mô sinh học Sự lấy lại tín hiệu quang và xử lí trong hệ thống OCT dựa trên

sự giao thoa kết hợp thấp LCI, cũng được hiểu như sự giao thoa ánh sáng trắng WLI, giao thoa miền quang kết hợp (OCDR) Nguyên lí làm việc của OCT được giới thiệu lần đầu tiên bởi Sir Isaac Newton

1.2 Nguyên lí hoạt động của hệ thống OCT

Nguồn sáng

Tách ánh sáng

Quét quang

Gương Phản chiếu

Giải điều chế

Chuyển đổi A/D

Khuếch đại

Xử lí tín hiệu Lọc thông dải

OCT

Hình 1.2 Sơ đồ khối của hệ thống OCT [1]

Nguồn sáng đóng vai trò chính trong hiệu suất của hệ thống OCT, nó có ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh của mô sinh học Nguồn lí tưởng cho hệ thống OCT phải

có những tính chất sau:

• Phát xạ trong vùng ánh sáng hồng ngoại (0.4um-1.7um) và có bước sóng

trung tâm quang vùng 1.3um

• Độ dài kết hợp thời gian ngắn hoặc băng thông phổ dải rộng

• Xung băm theo phân bố Gaussian

• Công suất đầu ra cao

• Nhiễu thấp

• Thiết kế nhỏ gọn

• Không đắt

• Đơn giản để tích hợp trong thiết bị hình ảnh y tế

Nguồn ánh sáng được biểu diễn trên hình 1.2 được phát ra hướng tới bộ tách chùm xung bị nghiêng theo đường chéo Nguồn xung được chia thành 2 nửa Một phần phản xạ từ bộ tách được qua cần tham chiếu và được phản xạ trở lại bởi gương tham chiếu Một nửa khác được truyền qua bộ tách xung tới mẫu thử và được phản xạ trở lại Hai nửa xung phản xạ trở lại được kết hợp lại bởi bộ chia xung và cuối cùng tín hiệu kết hợp được nhận bởi bộ thu quang photodetector Trường điện của 2 nửa phản xạ có thể được biểu diễn bởi hàm sau:

R R 0

E E exp( (2i R R l t))

0

Es E exp( (2s i S S l t))Trong đó R và S chỉ tham chiếu và mẫu thử, ERO và ESO chỉ ra biên độ trường điện của 2 xung; βR và βS là hằng số lan truyền trong 2 xung, lR và lS là độ dài đo được từ điểm chia ở bộ chia xung tới bề mặt phản xạ; ω là tần số góc quang; t biểu thị thời gian; hệ số 2 trước β phát sinh từ vòng ánh sáng lan truyền trong mỗi cánh Do đó,

sự kết hợp ta thu được: E = ER + ES

Cường độ ánh sáng trung bình theo thời gian I(t) của photodetector được đưa ra bởi:

Sau khi thu được ánh sáng kết hợp sẽ được được chuyển đổi ADC và xử lí bằng máy tính và hiển thị hình ảnh Kết quả là ta thu được hình ảnh chụp quang mà qua

đó bác sĩ có thể chuẩn đoán tình trạng bệnh của bệnh nhân

Về nguyên lý hoạt động OCT có nguyên lý gần giống như siêu âm nhưng người ta dùng ánh sáng thay cho sóng âm Như vậy nếu các môi trường mắt không

bị vẩn đục lắm ta có thể dùng OCT quan sát tất cả các cấu trúc của mắt trên không gian 3 chiều, giống như dùng một con dao cắt thật mịn và mỏng các cấu trúc của nhãn cầu với độ phân giải cực cao, không xâm lấn vào tổ chức của mắt đồng nghĩa với không đau đớn và chảy máu Siêu âm A loại tốt nhất cũng chỉ đảm bảo độ phân giải khoảng 100 micron (1/10 của mm) thế nhưng OCT đem đến độ phân giải tới 10-20 micron Do vậy OCT cho ta nghiên cứu ở cấp độ vi thể chứ không phải là đại thể như các thiết bị nhãn khoa khác Điều lưu ý ngay rằng màu sắc hiển thị trên kết quả OCT hoàn toàn là mã hóa chứ không phải là màu thật Màu sắc được mã hóa để phân biệt các cấu trúc mô và mặt tiếp xúc Các cấu trúc phản quang mạnh thường được có gam màu đỏ hoặc vàng [2]

Những năm 80 của thế kỷ trước con người đã chứng kiến sự tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh với hệ thống chụp cắt lớp điện toán – CT scanner, rồi ngay sau đó là chụp cộng hường từ MRI, nay lại thêm PET CT, chụp mạch kỹ thuật số Ngành nhãn khoa cũng được hưởng lợi ngay những thành tựu này nhưng ở cấp

độ tinh vi hơn hẳn , đó là hệ thống chụp cắt lớp dạng 2 ứng dụng: OCT bán phần trước và OCT bán phần sau

OCT bán phần sau giúp ta dựng lại các cấu trúc, nghiên cứu và đo đạc các thành phần giải phẫu:

- trước võng mạc

- trên võng mạc

- trong võng mạc

- dưới võng mạc

Máy OCT bán phần trước là dạng máy chụp cắt lớp sử dụng tia hồng ngoại có bước

sóng 1310nm để phân tích các lớp tổ chức nhãn cầu với độ giải ở mức 18 micron

Với bước sóng cao hơn hẳn so với OCT bán phần sau, hệ thống này cho phép các

bác sĩ có thể khảo sát các vùng tổ chức đặc biệt mà các dạng máy móc khác không

thể khảo sát được như: vùng chân mống mắt, góc tiền phòng cũng như các vùng bị

che lấp bởi sẹo giác mạc, màng xuất tiết viêm,… Với các tính năng ưu việt như vậy

OCT bán phần trước phục vụ đắc lực cho chẩn đoán, điều trị, theo dõi các lĩnh vực:

bệnh lý và phẫu thuật giác mạc, phẫu thuật khúc xạ; bệnh bán phần trước,bệnh

Glôcôm; chẩn đoán & đánh giá phẫu thuật đục thể thủy tinh

1.3 Những mẫu hình ảnh thu được của hệ thống OCT

1.1

Hinh 1.3 Soi phế quản Hình 1.4 Phẫu thuật nội soi khớp

Dưới đây là 3 mẫu hình ảnh thu được từ ứng dụng OCT chụp điểm vàng ở mắt:

Hình 1.5 Điểm vàng ở võng mạc bình thường

Hình 1.6 Thoái hóa võng mạc khô

Hình 1.7 Thoái hóa võng mạc ướt

Qua việc phân tích những mẫu hình ảnh trên bác sĩ có thể đưa ra chuẩn đoán bệnh cho bệnh nhân để có biện pháp điều trị kịp thời

1.4 Đề xuất thiết kế

Qua việc phân tích trên ta thấy được tầm quan trọng của nguồn quang trong

hệ thống chụp cắt lớp quang OCT Do đó em đề xuất đề tài thiết kế sợi quang tinh thể PCFs (optical fiber photonic) làm nguồn xung supercontinium cho hệ thống chụp cắt lớp OCT cho mắt, da hay răng…mà những công nghệ chụp khác không thực hiện được hoặc khó khăn trong việc lấy hình ảnh

và tối ưu để được các thuộc tính về tán sắc, hệ số phi tuyến, diện tích hiệu dụng, suy hao giam giữ đáp ứng được yêu cầu bài toán đặt ra

2.1 Phân tích 1 số cấu trúc sợi quang ứng dụng cho OCT

Cấu trúc 1:

Hình 2.1 Cấu trúc lưới vuông khẩu độ số lớn cho OCT [3]

Cấu trúc trên được thiết kế chỉ gồm 8 vòng lỗ khí và có pha tạp Ge vào lõi để hội tụ ánh sáng trong lõi nên diện tích hiệu dụng nhỏ, khẩu độ số lớn từ đó góc chiếu ánh sáng vào lớn có thể thu được ánh sáng phản xạ từ mô sinh học, có đường tán sắc

bằng 0 đi qua bước sóng trung tâm

Hình 2.2 Khẩu độ số của cấu trúc lưới vuông [3]

Hình 2.3 Đường cong tán sắc của cấu trúc lưới vuông tại các bước sóng [3] Nhận xét: Thiết kế trên có đường cong tán sắc có giá trị trung tâm bằng 0, diện tích hiệu dụng nhỏ, khẩu độ số lớn Vậy ta có thể thiết kế cấu trúc sợi quang tinh thể PCFs có khẩu độ số cao để ứng dụng cho hệ thống OCT tại các bước sóng trung tâm 0.83μm, 1.06μm và 1.31μm

Cấu trúc 2:

Hình 2.4 Cấu trúc vuông HNDFS PCF [4]

Hinh 2.5 Đường cong tán sắc và độ dốc tán sắc[4]

Trong cấu trúc trên ta thấy đường cong tán sắc phẳng trong khoảng 1.02 μm - 1.10

μm với bước sóng trung tâm xấp xỉ 1.06 μm

Hình 2.6 Hệ số phi tuyến và diện tích hiệu dụng của thiết kế [4]

Hình 2.7 Phổ SC với độ rộng 80nm được tạo ra sau khi truyền xung có T FWHM

=2.5ps, 10W trên 210m chiều dài sợi [4]

Nhận thấy rằng cấu trúc trên có hệ số phi tuyến lớn, diện tích hiệu dụng nhỏ, đường tán sắc phẳng trong khoảng 80nm nên đã tạo được xung SC phổ rộng 80nm với công suất đầu ra tương đối lớn trong khi chỉ đưa 1 xung đầu vào tại bước sóng trung

1.06 μm như một nguồn lazer công suất lớn, trải phổ, có thể quét hình ảnh mô để

có thể ứng dụng cho hệ thống OCT

Nhận xét:Cấu trúc trên có tán sắc khá phẳng, gần 0 tại bước sóng 1.06μm và diện

tích hiệu dụng nhỏ do đó có hệ số phi tuyến lớn Cấu trúc trên tạo ra nguồn

SUPERCONTINIUM ở bước sóng 1.06μm ứng dụng chụp da Vậy ta cũng có thể

tạo nguồn SUPERCONTINIUM tại các bước sóng như 0.83μm, 1.06μm và 1.31μm

dùng làm nguồn quang cho OCT

2.2 Các tính chất sợi quang tinh thể PCFs

Sợi tinh thể quang (Photonic Crystal Fibers – PCFs) là một loại sợi quang

mới đã và đang được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực Như đã biết, sợi quang thông

thường được ứng dụng rất phổ biến trong hệ thống thông tin quang Tuy nhiên sợi

này vẫn tồn tại những hạn chế về tán sắc, suy hao, sự phân cực và các hiệu ứng phi

tuyến Sự ra đời của sợi quang tinh thể đã có những đặc tính ưu việt hơn và có thể

phục vụ rộng cho nhiều ứng dụng hơn [5]

Sợi quang tinh thể chia thành 2 loại chính: Sợi lõi chiết suất cao và lõi chiết

suất thấp

Hình 2.8 Hình ảnh mặt cắt sợi PCFs lõi chiết suất cao (trái) và lõi chiết suất

thấp (phải) với sự sắp xếp các lỗ khí theo cấu trúc lục giác

Sợi quang tinh thể có sự khác biệt so với sợi quang thông thường là có sự sắp xếp

các lỗ khí một cách tuần hoàn theo một quy luật nào đó Ngoài ra còn có sự pha tạp

để tăng hoặc giảm chiết suất lõi Sợi PCFs có cấu trúc khác với sợi thông thường là

ở sự đa dạng trong việc sắp xếp các lỗ khí Các lỗ khí có ảnh hưởng rất nhiều đến sự

tán sắc, suy hao của cấu trúc Sợi PCF tán sắc có thể âm hoặc dương do ảnh hưởng

của các lỗ khí, suy hao giam giữ của PCF cũng nhỏ hơn so với sợi thông thường Vì

vậy, PCFs được ứng dụng như bù tán sắc, hoặc sợi tán sắc phẳng, hoặc sợi có hệ số

phi tuyến hoặc khẩu độ số lớn ứng dụng trong hệ thống OCT

Trong thông tin quang cần quan tâm đến các yếu tố ảnh hưởng đến truyền dẫn

trong sợi đó là:

- Suy hao: Là hiện tượng suy giảm năng lượng trong sợi theo khoảng cách

truyền dẫn do sự tán xạ vật liệu, do tán xạ Rayleigh, suy hao do uốn cong…

Với sợi quang thường dùng suy hao 0.2 dB/km ở 1550nm, suy hao 0.5

dB/km ở 1300nm Suy hao giam giữ được tính theo công thức:

6 eff

- Tán sắc: Tán sắc là hiện tượng dãn xung ánh sáng, làm phổ ánh sáng rộng ra

Nếu xung ánh sáng bên thu dãn quá mức cho phép tức tán sắc lớn sẽ làm

tăng tỉ lệ lỗi bit, khi đó không còn phân biệt được tín hiệu để khôi phục Để

cự ly truyền dẫn dài và đảm bảo chất lượng tín hiệu thì chúng ta phải quan

tâm đến vấn đề tán sắc Tán sắc trong sợi quang thường luôn dương nên

người ta phải dùng loại sợi có tán sắc âm để bù tán sắc để tán sắc gần 0 Khi

đó chất lượng tín hiệu được đảm bảo

Công thức tính tán sắc:

2

eff 2

của chiết suất hiệu dụng neff, c là vận tốc lan truyền ánh sáng trong chân không, λ là bước sóng

- Phi tuyến: Hiện tượng phi tuyến luôn xuất hiện khi mật độ ánh sáng đủ lớn bất kể ánh sáng được lan truyền trong vật liệu nào Hiện tượng phi tuyến nói chung thì ảnh hưởng không tốt đến hệ thống thông tin quang, tất cả các hiệu ứng phi tuyến đều thuộc vào mức công suất tín hiệu Hiệu ứng phi tuyến nhỏ nhưng khi truyền trên đường truyền dài, lưu lượng lớn thì vấn đề phi tuyến cần phải quan tâm [6]

Công thức tính hệ số phi tuyến:

2 eff

Để tạo SUPERCONTINIUM làm nguồn quang cho hệ thống OCT thì ta phải thiết

kế sao cho hệ số phi tuyến lớn [7] Khi đó xung ánh sáng truyền trong sợi trong môi trường phi tuyến cao sẽ tạo thành ra xung ánh sáng có phổ rộng Điều đó phụ thuộc vào tán sắc và phi tuyến

2.3 Đề xuất cấu trúc thiết kế

T

Hình 2.10 Cấu trúc xoắn ốc Fibonaci

Cấu trúc trên được thiết kế theo tỉ lệ vàng Fibonaci gọi là cấu trúc xoắn ốc tỉ lệ vàng, các lỗ khí xoay quanh tâm một góc 137.508n (n là số thứ tự lỗ khí), các lỗ khí cách tâm T n, T là bán kính xoắn ốc Góc β = 137.508 xấp xỉ góc vàng Fibonaci Việc sắp xếp 24 lỗ khí trên theo tọa độ sau:

Các lỗ khí Tọa độ X Tọa độ Y Kích thước Chú thích

lệ vàng

- T là bán kính đường xoắn ốc

- dcore là đường kính lõi Ge

- d1 là đường kính

………… ………… ………… - d2 là

đường kính

16 lỗ khí vòng ngoài

Lỗ khí 24 C + 24 cos(24 )T  C + 24 sin(24 )T 

Khi đó ta chỉ cần thay đổi đi các tham số như nồng độ pha tạp GeO2, bán kính đường xoắn ốc T, đường kính lõi GeO2 dcore, đường kính lỗ khí vòng trong d1, đường kính lỗ khí vòng ngoài d2 thì đường cong tán sắc, suy hao giam giữ, diện tích hiệu dụng cũng sẽ thay đổi Tuy nhiên ta cần điều chỉnh để có mục đích mong muốn tại các bước sóng đặc biệt như 0.83μm, 1.06μm,1.31μm hoặc 1.55μm

Các kết quả thu được khi thay đổi các thông số:

2.3.1 Thay đổi bán kính vòng xoắn ốc T

Ta thiết lập các thông số ban đầu như sau: T = 0.8μm, dcore = 1.5T, d1 = 0.8T, d2 = 1.4T Khi đó ta bắt đầu chạy dải bước sóng từ 0.7μm đến 1.7μm để biết sự thay đổi đường tán sắc và có hướng điều chỉnh

Ta có thể thấy khi tăng T từ 0.8μm đến 0.95μm thì đường cong tán sắc dịch sang phải và tăng về độ lớn Bước sóng ở đỉnh đường tán sắc bị dịch từ trái sang phải Do

đó ta có thể tăng hoặc giảm T để có đỉnh về một trong các bước sóng đặc biệt như 0.83μm, 1.06μm và 1.31μm Như kết quả trên có thể thấy rằng bước sóng đỉnh dịch gần về vùng 1.06μm tại T =0.9μm Vậy ta sẽ khảo sát vùng bước sóng từ 0.9μm đến 1.2μm để có bước sóng trung tâm 1.06μm là vùng ứng dụng cho da [8]

Để rõ ràng hơn, ta sẽ thu nhỏ khoảng khảo sát trong vùng [0.9-1.2] được kết quả sau:

2.3.2 Thay đổi đường kính lõi d core

Ta thiết lập lại giá trị tham số, cố định T = 0.88μm vì tại đó giá trị đường tán sắc có đỉnh gần 1.06μm và phẳng gần 0 Ta thay đổi giá trị dcore trong khoảng [1.4T -1.55T]

Hình 2.14 Đường cong tán sắc khi thay đổi d core với tham số thiết lập ban đầu T =

0.88μm, d core = 1.4T, d 1 = 0.8T, d 2 = 1.4T

Ta có nhận xét rằng đường kính dcore cũng ảnh hưởng đến đường cong tán sắc, dcore tăng thì đường tán sắc cũng tăng về độ lớn và dịch sang phải, phần đỉnh của đường tán sắc cũng bị dịch sang phải từ vùng bước sóng thấp sang vùng bước sóng cao, ta thấy rằng tại giá trị dcore = 1.5T tán sắc phẳng gần 0 tại quanh vùng bước sóng 1.06 μm Bây giờ ta xét thêm diện tích hiệu dụng và hệ số phi tuyến khi thay đổi dcore