Phân tíđi các hiệu ứng phi tụyến trong quá trình, tạo xung ánh sáng trắrg bằng sọí quang tinh thể

Trong sợi có lõi đặc phần trung tâm lõi của sợi được làm từ silic, cáctinh thổ quang tử bay giò lại thể hiộn chỉ số khííc xạ gịũa silic và, khangkhí do đó quá trình dẫn sóng lại được giả

BỘ C3ÁODỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠIHỌCYTNH

VŨ ĐÌNH HÙNG

PHÂN TÍCH CÁC HỆUỨNG PHI TUYẾN TRONG QUÁ TRÌNHTẠOXUNGÁNH SÁNG TRẢNG BẰNG SỢI QUANGHNHTHẾ

liẶN VĂN THẠC Sĩ VẬTIÍ

• • •

BỘ GLÁOEỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

LỜS: CẢMƠN

Tác giả xin tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo hướng dẫn TS Lê CôngNhân đã tận tình định hướng và hướng dẫn để tác giả hoàn thành bảnluận van này

Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm,khoa sau đại học, khoa vật lí, các thầy giáo, cô giáo đã giảng dạy và giúp

đỡ tác giả trong quá trình theo học và làm luận văn tại trường ĐH Vinh

Lời cuối tác giả xin cảm ơn gia đình, những người thân và bạn bè đãđộng viên, giúp đỡ tác giả trong thời gian làm luận văn

TỊ) HQVỊ thếuqg 6 năm 2013

Eteửi sách lánh\e

1.1 a Sợi PCF có lõi rỗng, b Sợi PCF có lõi đặc [17] 10

1.2 Tần số chuẩn hóa của PCF mạng lục giác, yếu tố làm đầy

0,2 PCP tmyèn dẫn chỉ inode Gơ bốn trong vùng nhìn thấy

1.3 Sộ híỉng chiết cao 13

1.4 Qạy trinh chế tạo sợi quang [14] 18

1.5 So sánh tán sắc trong scấ FCF va SEF [14] 20

1.6 Xung truyền (đường cong trên) trong môi trường phi tuyến

trải qua sự tự thay đổi tần số (đường cong dưới) thông quaquá trình SPM Phần trước của xung được chuyển sangvừng tần số thấp hctL phần san của xung với tần số caohon [21] 22

2.2 Đường cong tán sắc của mode cơ bản Z7QI mcủamodebậc

nhất LF\ [ Hỉnh ảnh chèn là mặt cắt của sợi PCF phi hứdng

chiết [29] 30

2.3 Đường cong tán sắc của bốn mode Lỉh1-T-, LFfay, LF\Lr, Lĩịiy

Hưh ảnh chèn là mặt cắt, của sợi PCF lứ3ng (ljiết [29] 31

2.4 Tho XI mg ánh sáng trắng bằng cách bơmxi mg lascr \ào sci

PGP \à Aĩy gutỉng, A/2: bảnnĩteibưâc sáng, 2SX: thấu

kứhhiểnvi, XYZ: trục(Ịch chuyển theo ba chiều, PCF: scẳqỊuang phi ti^ổn[29] 33

2.5 Sự phân bố cường độ theo không gian của các mo de khác

nhau[29] 33

2.6 Tạo xungánl 1 sáng traiỊg(Si TJ XIX XKitiium ISO) bằngsci quang

tinh thể(Fhotc3iiic ĩưber Cbystal: PCF) tại Viện Vạt Lí ViệtNam [29] 31

2.7 Sự phát tĩiẻn phổ của sc theo các chiều dài khác nhau củasợi PCF Hình ảnh chèn trên cùng là sự phân bố cường độtheo khang gian của sc, tạo bởi lõi của FCF phi lưỡng chiết,,

2.9 Sơ đồ thí nghiệm đo phổ phân giải femto giây Xung quét

sc và xung bơm được hội tụ vào trong tinh thể ZnS dày4Qim Thi biộu hấp thụ hai photm ( xung bơm42Qnm T-SC) trong ZnS được đo với sự biến đỗi theo thời gian giữahai xung S: gttng bán nạ tách chùm tia, M gií ỉng, P:parabde, M) thấu kính hạ tụ của knửi hiến vi, PGF: SCÌquang học phi tuyến, SHG: nhân đôi tần số, BBO: tinh thểphi tựyến loại 1,AZ,: kiểm soát, thời gian, F: hình lọc nỀuBG39, hTnr lún dẫn ZnS vtl bềdạy40gm, Điều chế: cho

tần số tia quét đi qua là 800 Hz, tần số tia bơm là 400 Hz.[29] 40

2.10 Thổ và sự phân bố phổ theo tbci gan của sc sinh ra bởiđoạn PCF có chiều dài 7,2 mm Thể hiện theo tín hiệu hấp

thụ hai photcn trong nẫu bán dẫn ZnS, oó liồ dày 4Cịim.

Xung laser cơ bản có bước sóng trung tâm là 840 nm, độ

lộng phổ tại vị trí một, phần hai chiều cao của xung laser là

25 nm, tbcấ gan xung là 50 fs, năng hítng xung là 1 nJ [29] 412.11 Tĩn hiệu hấp thụ hai photcn trcng mẫu bán dẫn ZnS oó bềdạy 4QLím sc sinh ra bởi đoạn PCF có chiều dài 22 mm

Xung laser oơ bổn GÓ bưdc sóng trung tâm là, 840 ĨII1 thờiscng laser cơ bản gậy ra [29] 422.12 Phổ sc hình thành ở đầu ra của sợi MF với công suất trung

tinh p (w , \ p = 79í>ơụAr = 27/s[28] 43

trong sc.ã MFvtl P av = HSrrayAp =7SOnrrìị Ar = 27/8 [28] 45

2.14 ]Vb tả trang thái phổ lần h t t đutl sự kết hợp của các hiệu ứng a) Ị3 2 b)/?2 + ss + HOD c)p 2 +RS + SS d)/?2 +

MF: sợi quang có cấn trúc 11ÌCTO mâ.

PCF : sợi quang tinh thể

MỞ ĐẦU

Sợi quang tinh thổ (ĩTotcõc Qistal Fĩber: PƠF), sậ quang oó cấntrúc nicro hay sợi quang có cấu trúc lỗ là nhũng txìi gậ dành cho nhemcác sợi quang được chế tạo dựa trên sự sắp xếp tuần hoàn: cấu trúc lỗtrống rricro mét bao bọc bcắ silic Gách sắp xếp này cho pihểp nén ánhsáng trong cấn trúc của scẳ và, dẫn truyền ánh sáng trong la silioo (sợiqỊuang với lõi chiết suất cao) hay' dẫn tnyồn ánh sáng trong lõi không Idẩ(sợi quang với lõi chiết suất thấp)[l] Sợi quang vúi cách thiết, kế nxi nạyđược tạo ra lần đầu tiên vào năm 1996 Sau 16 năm tồn tại, sợi quang này

đã xuất hiện trong nhiều lĩnh vực ứng dụng như: truyền tải dữ liệu, truyềntải năng lượng cao, đo lường chính xác, và quang học phi tuyến Bên cạnh

đó nó còn được sử dụng như một nguồn sáng mới, chuyên cung cấp ánhsáng trắng do các lũ thuật tạo tành ảnh và quang phổ

Trong vấn đề tìm hiểu các hiện tượng quang học phi tuyến, người ta.quan tâm đặc biệt đến sợi PCF với lõi chiết xuất cao Nhờ vào tính chất phituyến cao do diện tích lõi nhỏ và sự chênh lệch lớn vè chiết suất, giũa lõi

và mạng l\fị lỗ trống, mà loại PCF này GÓ khả năng tạo ra xung ánh sáng

trắng (Si qx rmiỂim n mi SC) ngay cả vrì nhũng nguồn lascr năng họngthấp Đặc điềm của xung ánh sáng trắng là có độ rộng phổ lớn (có thẻ lêntrên 1000 nrn) và thcả gian xung ngắn (có thể rút xuống cỡ đuổi rrột trămíemto giây) Ngày nay việc phát triền PCF để tạo ra se có phổ lệch vềphía bước sóng ngắn đang là hướng được quan tâm nhiều[2,3,4] Bên cạnh

đó, quá trình hình thành se chứa đựng rất nhiều yếu tố quang phi tuyếnđan xen lẫn nhau, nên việc kiểm soát các tính chất của se là rất phức tạp.Chính điều này mà sự hình thành se đang là vấn đề được nghiên cứu rấtmạnh hiện nay vè ca mặt thực nghiệm lẫn lí thuyết [5,6,7,8,9]

Sự hình thành va phát, triểấr của sc là kết quả của sự tưỉrg tác giữìxung lasa: cơ bản và sợi PCF trong quá trình lan trụyèn Vĩ việc tạo ra

sc là một quá trình phứo hơp, tập trung nhiều hiộu lìng phi tiỊyổn khác"nhau, các yếu tố tán sắc, sự lưỡng chiết của nôi trrỀng và, các mode lantruyền[10,11,12,13], nên để thỏa mãn các yêu cầu trên là rất phức tạp Đểhiểu được quá trình này tôi phân tích sự biến đổi phỗ của sc trong từngchiều dài khác nhau của sợi PCF Từ kết quả này, tôi hiểu được quá trìnhbiến đổi phổ và phân tích được một cách định tính vai trò của các hiệntượng quang học phi tuyến trong quá trình mở rộng phổ

Mục đích của nghiên cứu này là tìm hiểu được các hiện tượng phituyến biến đổi trong sợi PCF thông qua tính chất phổ của sc qua cácchiều dài khấc nhau Trên cơ sở đó tôi chọn đề tài : "Phân tíđi các hiệu.

útỊg phi tụyến trong quá trình, tạo xung ánh sáng trắrg bằng sọíquang tinh thể"

Nội dung của luận văn này ngoài hai phần mở đầu và kết luận, luậnvăn được trình bày có nội dung được chia làm hai chương:

Chut&TỊg I Trình bạy kiến thúc tổng quan vồ cán trúc, các thong sốvật lý của scá PCF và một số hiện tượng quang phi tuyến xuất hiộr trangquá trình dẫn triỊyồn xung lascr

ChũLttg n Được dành để trình bày chi tiết về phương pháp khảosát phổ và sự phân bố phổ theo thời gian của sc được trình bày, đồngthời tôi đã phân tích các hiệu ứng phi tuyến xảy ra trong qua trình tạo

sc thông qua phổ đo bằng thực nghiệm Đây cũng là phần chính của nộiđung ngpiien cứu

OiubkỊg 1

SỢ[ QUANG HỌC TINHTHẾ VÀ XUNGẮNHSẮNG1RẮNG

+ Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao (high -indnx ccre fìber) quátrình dẫn sóng xảy ra trong sợi có lõi đặc (Index- gudding)

+ Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất thấp (low - index ccre tìl xr)quá trình dẫn sóng xay ra trong sậ oó lcl lỗng (photmic bandgap)

Truớc tiên ta sẽ tìm hiểu oơ chế truyền dẫn sáng trang sậ quang tinhthể Đề điều khiển các tính chất quang của sợi cần phân bổ vị trí các lỗkhí sao cho thích họp TI lông thuỀng sự sắp xốp nạy có cấu trúc, thitìngđược sử dụng với các dạng mạch vòng, các đa giác, nhiều đa giác bởi vì

khi đó sợi quang có khả năng chế tạo cao, có nhiều tính chất đặc biệt và cókhả năng kiểm soát quang phổ cũng như những đặc tính khác Cấu trúccủa các lỗ khí troọg sợi PCF chay dọc thno trục của sợi với hai thcng Hốcần quan tâm là đường kính của lỗ khí d và khoảng cách giữa hai lỗ khíliền hồ nhai 1A Sợi PQP là sc.i oó cấL 1 trúc IIÌCTO (ME7) 1x1 mọt sự sáp xốphợp nhất giữa silicat và các lỗ khí, sợi biểu hiện tính đối xứng tịnh tiếndọc theo trục của sợi (z) Tác dụng chủ yếu của cấu trúc định kì này là đểthay đổi chỉ số khúc xạ hiệu dụng cho việc dẫn truyền trong sợi dẫn đến

tìúoh chất tán sắc ral trcọg sợi

(b)

Năm 1991 Russell đã phát hiện ra rằng ánh sáng có thể bị giam (bịgiới hạn) trong lõi rỗng và cho đến nâm 1999 sợi đơn mode có lõi rỗngđược chế tạo thành công với vùng cấm quang có cơ chế dần sóng rất mạnh

mẽ, ánh sáng vẫn 1Ị gi(l hạn troog lõi ngay cả khi bị uốn ccng Hỉnh 1 la(ho thấy xung quanh lỗ khí trung tâm là sự sắp xếp tuần hoàn của lỗ khí

và silic tạo thành một cấu trúc tinh thể quang tử Phần lõi được thay làmột lỗ khí lớn hơn các lỗ khí xung quanh khi đó tồn tại một vùng cấmquang tử (PBG) Sự định hướng ánh sáng được xem tương tự như cáchdẫn electron trong vật lý chất rắn Đối với sợi lõi rỗng thì hiệu ứng phituyến thể hiện rất thấp và thường ứng dụng để truyền năng lượng nên

Ỉ /=^A/TTTFT C1-1)

11

trong luận văn này ta không tìm hiểu kĩ mà chỉ quan tâm đến sợi PCF cólõi đặc khi đó khả năng tương tác với ánh sáng cao thề hiện nhiều tínhchất phi tuyến liên quan đến quá trình tạo xung ánh sáng trắng trong sợiPCF Trong sợi có lõi đặc phần trung tâm lõi của sợi được làm từ silic, cáctinh thổ quang tử bay giò lại thể hiộn chỉ số khííc xạ gịũa silic và, khangkhí do đó quá trình dẫn sóng lại được giải thích là do cơ chế hiện tượngphản xạ toàn phần (TLR) bĩnh l.lb [14,15,16]

Sau đây là một số đặc tính đặc biệt của sợi PCF so với các sợi quangthông thường Ta thấy trong một môi trường đồng nhất tán sắc hên quan

giũa \hctơ scng k \ù tần số scng UJ của ánh sáng lan truyền và được đưa

ra thông qua chỉ số khúc xạ của vật liệnUJ=C k / TÌ Tan sắc onn phụ

thuộc vào hitìng truyền sáng, sáng truyền dọc thoo trục z với tham số

tniyồnsckig kz điều đó giúp ta xác định được chỉ số khúc xạ hiệu dụng : 7?eff = —— trong đó uJf , nK 1 biểu thị tần số nhỏ nhất, của mode dẫn GÓ trong

sợi, k z là hằng số trụyền và trang các tài liệu quang thà tán sắc fi =k z (cu

theo /5) [17]

Khi nghiên cứu sợi PCF chúng ta có thể thiết kế các sợi luôn là đơnmode với phổ được mở rộng từ vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồngngoại gần Đối với phần thân của sợi luôn tồn tại một ngưỡng giới hạn tần

số để sợi từ đơn mode trở thành sợi đa mode Để đo số lượng mode dẫn

có trong phần thân sợi ta xác định tần số chuản tắc ư :

Trong đó p là bốn kính lõi, ritxxc kci Tìrij TrVtiTìg là chỉ số khúc xạ của lõi

và, phần thân sợi Trong truồng hợp sợi chuẩn thà chỉ số của phần thânphụ thuộc vào buớc sóng, V tăng khi bước sóng giảm Điều đó cho kết quảhoạt động của vùng đa mode từ ngưỡng tần số lớn hơn 2,405 Đối với sợiPCF chỉ số khúc xạ hiệu dụng của phần thân phụ thuộc rất mạnh vào

bước sóng, trong khi đối với những sợi cổ điển thì nó dường như khôngđổi Tần số chuẩn tắc có xu hướng ổn định ở bước sóng ngắn (Hình 1.2).Chỉ số khúc xạ ở phần thân quang tử và giá trị ổn định của tần số chuẩntắc này được đặc trưng bởi cấu trúc phần thân của sợi, hay yếu tố điềnđầy (chính là tỉ số giữa đường kính lỗ khí d và khoảng cách giữa hai lỗ khí

A trong mạng) Với một thiết kế nhất định ta có thể giữ cho tần số V GÓ

một giá trị dưới bất kì vùng bước sóng nào, trong điều kiện đó sợi luôn làđơn mode Đối với sợi PCF tần số ngưỡng ước tính vào khoảng 2,5 Trongsợi lõi đặc với mạng lỗ khí là tam giác, đường kính lỗ khí d = 300nm và

khoảng cách giũa hai lỗ khí licài tiếp là A = 2,3ịim thì sợi luôn là đơn

mo de ngay cả khi bước sóng ngắn Vùng mo de cơ bản được xem như vùnglõi silica có đường kính bằng 2A là khoảng cách gjĩfe hai lỗ khí thnộcxcogđầu tiên [14]

Hình 1.2: Tần số chuẩn hóa của PCF mạng lục giác, yếu tố làm đầy 0,2 PCF truyền dẫn chỉ mode

cơ bản trong vừng nhìn thấy và tòng ngoại gần [ld].)

Với những sợi đơn mode như trên, trong thực tế quá trình truyền với

sự đóng góp cùng một lúc của hai phương truyền, đó là phân cực trực giao.Trong các 9ỢL GÓ lõi tròn lí tưdng, hai phiĩtng nạy cùng tn Ịyèn xới xận tốcpha Nhưng thực tế sợi không hoàn toàn là đối xứng tròn kết quả là hai

Zí'=V^V=A (!-2)

13

phoitxig này oó vận tốc pha va vạn tốc nhátnhơi khác nhan Lưlt]g chiết

trong PCF được tạo ra do sự bất đối xứng trục của chỉ số khúc xạ hiệudụng Điều này phụ thuộc vào kích thước và đặc biệt là cấu trúc khônggian của lỗ khí Tính lưỡng chiết cao đang được nghiên cứu và phát triểnmạnh, đặc biệt trong các sợi PCF có cấu trúc bất đối xứng Khả năngphân cực nắm giữ trong sợi lưỡng chiết được đo bằng chiều dài nhịp của

B = \(p x - Ị3y)/2ỉĩ = |7?effic - ??effy I (1.3)

Trong việc tạo ra nguồn sc, tính lưỡng chiết trong sợi PCF được chú

ý để cải thiện sự ỗn định quang phổ và sự mỡ rộng tối đa của một nguồnbơm nhất định bằng cách chọn sợi PCF phi tuyến phân cực duy trì (PM).Khi đó quang phổ của sc cũng phãn cực[ 14,16,17]

Tiếp theo một đặc tính không kém phần quan trọng trong sợi quang

là tán sắc Tăn sắc là hiộn tượng dãn XI mg ánh sáng thno thơi gian Idá

trựyèn tín hiệu, nó gây máo hay Hến dạng tiến hiệu Tăn sắc kí hiệu D,

độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị ns/km hay ps/km Tán sắc

có nhiều loại như tán sắc modc, tán sắc ĨĨỀ11 và tán sắc mode phân cực.

Cần chú ý tán sắc mode chỉ xảy ra trong sợi đa mode, do các mode cótốc độ lan truyền khác nhau nên thời gian truyền của các mode là khácnhau gây ra tán sắc mode Tán sắc màu được chia làm hai loại: tán sắcvật liệu và tán sắc ống dẫn scng Tăn sắc vật liệu xay ra do sự phụ thuộc

của chiết suất vào buóc Hổng Tăn sắc Ống dẫn sáng xảy ra do ánh sáng

truyền trong sợi không phải là đơn sắc do đó hằng số truyền của sợi làmột hàm phụ thuộc vào Hĩ3c sống Không giống sci quang trụyền thống,

trong sợi PCF tán sắc ống dẫn sóng là rất lớn Han thế nữa, tán sắc vậtliệu bị biến đổi bởi sự hiện diện của các lỗ khí trong phần thân sợi Do đótổng tán sắc trong sợi có thể xom như gần tán sắc vật, liệu và tán sắc Ống

dẫn song Thong số mo tả tính chất quan trọng của scẳ là tán sắc vận tốc

nhán(GVD) : D= ^ L Trong đó 7?eff là chỉ số khúc xạ hiệu dụng, với7?eff _ £)ặc tính tán sắc trong PCF có thể hình dung là do sự

thay đổi của kích thước và vị trí của lỗ khí trong vùng thân sợi Sự thayđỗi về hình dạng mạng và kích thước lỗ khí của sợi dẫn đến tồn tại mộtbước sóng không tán sắc (ZDW) có thể thay đỗi trong vùng nhìn thấy.Nếu ZDW nằm trong vừng ánh sáng nhìn thấy nó cho tán sắc dị thuùngtrong vùng này (ánh sáng xanh di chuyển nhanh hơn ánh sáng đỏ) Tánsắc dị thường có thể được dùng để bù đắp tán sắc trong viễn thông đườngdài Ngoài ra trong PCF tán sắc phẳng cũng có thể thu được Với PCF

mạng lục gác có khoảng cách giữa các lỗ khí Ả = 2, G2ịirn đường kính

lỗ khí d = 0,316gm thì tán sắc rất phẳng có giá trị 2f&/ (kmnm) trong

vừng buớc sóng từ 1,3 1, Gp.m [15,16,18].

Một thuộc tính qian trọng rÉĩa là tính phi tiryốn cao, trong SỘL PCFlõi đặc ta có thể có chỉ số tương phản hiệu dụng cao hơn nhiều so với sợi

quang thông thưrìig bằng cách tạo lỗ khí lớn hoặc giảm kích thuốc củalõi, điều đó ánh sáng sẽ được bó buộc vào trong lõi silicat Bằng cách nàymột lượng lớn mode dẫn được giam hãm trong lõi dẫn đến nâng cao cáchiệu ứng phi tuyến do đó tạo môi trường với cường độ cao trong lối Rấtnhiều thí nghiệm xác định thuộc tính tán sắc trong sợi phi tuyến đã đượcthực hiện, điều đó giúp khai thác thành công sợi PCF trong các thiết bịquang với một mức độ tán sắc thích hợp Hiện nay đây là một ứng dụngquan trọng, đặc biệt trong việc hình thành và mở rộng quang phổ liên tục

SO Cốc hiệu ứọg phi tuyến thamgia xào quá trình nở rộng phổ phoụ thuộcnhiều vào tán sắc trung bình nen các thiết kế phù hẹp) với thuộc tính tánsắc để giảm công suất nguồn bơm Theo các nghiên cứu quang phổ được

mỏ rộng có thề thu được bằng xung bơm với bước sóng gần với bước sóngkhông tán sắc[14,15,16]

Sợi có diện tích mode lớn Bằng việc thay đổi cấu trúc hình học của sợiPCF ta có thể thu được những sợi có diện tích hiệu dụng lớn (LMA) Sợivới lỗ khí mạng tam giác mà lõi của sợi được xác định thiếu đi một lỗ khí.Trong PCF mạng tam giác đường kính lõi c^ore = 2A — ứng với khoảng

cách giữa 2 mép đối diện của 2 lỗ khí của vùng lõi Khi tỉ số d/A <0,4 sợi

PCF mạng tam giác luôn là đơn mode với bất kì bước sóng nào Sợi PCF

có LMA thường được khai thác trong những ứng dụng công suất cao, từnhững sợi này giới hạn suy hao và phi tuyến đó được giảm đáng kể Nó

được xác định bằng hệ thức: Aĩ.ff = 7TUJ 2 AeS là một đại lượng rất quan

trong, nguồn gốc để đo độ phi tuyến Khi diện tích hiệu dụng giảm chomật độ công suất cao dẫn đến tính phi tuyến cũng tăng đáng kẻ[14,17]

Một trong những yếu tố quan trọng trong kĩ thuật sợi quang đó chính

là sụy hao trong quá, trình tmyèu dẫn Suy hao trong sợi quang thôngthường đã được giảm trong vòng 30 năm trở lại đây nhờ những cải tiến

không ngừng Trong sợi quang hợp chất silicat suy hao tối thiểu đối vớivùng bước sóng 1550nm là không nhỏ hơn 0,2dB/Km Đây là giới hạnquan trọng, từ giới hạn này ta phải đặt các bộ khuếch đại trong thông tinliên lạc, điều này gây ra một chi phí lớn trong thông tin liên lạc đườngdài Do đó cần tìm hiểu cơ chế suy hao trong sợi quang để hiểu và cải tiếncông nghề nhằm giảm sự suy hao đó Một số suy hao gây ảnh hưởng đếnquá trình dẫn sẽ được đề cập Trong sợi PCF ta đặt hệ số suy hao quang

làa ( ĩB được đo bằng đơn vị dB/Km Hệ số suy hao này sẽ được biểu diễnnhư sam

ư(ĨB =ẢỊ\^ -\-I3-\-OtOH-\-&TR (1-4)

trong đó A, B, aoH, Qqii làn hl.it, là hộ số tán xạ Raykigh và, suy hao bồ

mạt, suy hao do hấp thụ icn CH và suy hao do sự hấp thụ của tia cụt tím

và tia hồng ngoại Ngoài ra ta cần chú ý đến suy hao do sự giam hãm vàuốn cong trâu scầ quang

Đầu tiên ta xét đến sự suy hao do tán xạ Khi sóng điện từ truyềntrong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất trong sợiquang, cấc khiỊyổt tật như bợt khí, các vổt, nứt, sẽ gậy ra tán xạ Khi tiasáng truyền qua chỗ không đồng nhất tán xạ ra nhiều hướng và chỉ có mộtphần năng luợng ánh sáng truyền theo huống cũ phần còn lại truyền theocác hướng khác nhau thậm chí có thể truyền ngược lại nguồn quang Độsựy hao do tán xạ Raykigh tỉ lệ nghịch với lụy thùa bậc 4 của brtíe sóng(d/À4) non sụy hao giam nhanh vè phía bước sáng dai ơừn thành phầnsụy hao B xuất hiện là do nhũng khiếm khựyết trcng sc.i, ngiỊýìi nhân chủyếu là do độ nhám của bề mặt các lỗ khí đây là một vấn đề quan trọng vìthự" tế trcng quá trình chế tạo bề mặt của các lỗ khí có thể 1Ị ảnh huởng

lấp đầy của lỗ khí thay đổi cũng là một nguyên nhân gây ra sự suy haođáng kề Ảnh hưởng tiếp theo sợi PCF được chế tạo từ vật liệu Silicat nêncác licỲi hốt giũa SiOS và ion CH CÒI sót lại trong vật hẹu trong quá trìnhchế tạo sợi quang cũng gây ra suy hao Đối với những sợi quang ngay khiđược chế tạo bằng thủy tinh tinh khiết thì sự hấp thụ vần xảy ra do bảnthân thụy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh s áng ở vừng cục tím và, hcngngoại Điều này gây ra trỡ ngại với việc dùng bước sóng dài trong thôngtin quang Một lí do nào đó sợi quang có thể bị chèn ép tạo nên những chỗ1Ị uốn cong nhỏ thà sựy hao của sợi cũng tăng lân Sự sựy hao nạy xuấthiện là do sự ổn định của phương truyền bị biến đổi dẫn đến tia sáng bịlệch- trục Mọt cách chính xác GÓ thể hiểu là do sự phân bố của tnòig 1Ịxáo trộn khi đi qua những chỗ uốn cong dẫn tới sự phát xạ năng lượng rakho sộ [15]

Trang phần CIO của rrục này ta sẽ tìm hiểu quá trình chế tạo scấPCF Bao gồm các bước như Hìnhl.4 Bước đầu tiên là tạo các ống nhỏ(mao mạch) gọi là phôi ban đầu, các ống này với các đường kính và độ

dày tường khác nhau (điều này sẽ ảnh hưởng đến tỉ số d/A) của, sộ sau

này Sau đó thực hiện việc xếp các ống silic thành một ống lớn có cấu trúctheo hành dạng của ống a o cùng cần thiết kế bằng tháp vẽ Liên kết cácống nhỏ này được thực hiện bằng tantalum và sau đó được đưa đến tháp

vẽ sợi Các tháp này được làm đầy bởi khí argon và đưa đến nhiệt độ caokhoáng từ ÌBŨCPC'đến 2000PC7 điều này giúp các thanh và ống silic đượclàm nồm ra, quá trình này tạo các phố trung gian Tụy theo khoảng (áchgiữa các lỗ khí, đường kính lỗ khí, đường kính lõi, cấu trúc hình học củasợi mà phôi trung gian được đưa vào tháp kéo với nhiệt độ thích hợp, hoặcbằng cách thay thề các ống bằng một thanh đặc (trường hợp tạo sợi phituyến cao, hay sợi lõi đặc), hay việc loại bỏ một số ống của phôi (trườnghẹp tạo sộ quang tử cố lõi rỗng) Phôi trung gan nạy khi qua tháp kéo sộ,

kích thước và hình dạng của sợi được giảm sao cho đường kính vào khoảng0,05mm Cuối cùng sợi được phủ một lớp bảo vệ thường bằng polyme đểtăng tdộn năng sử dụng của sợi Thong quá trình, chế tạo sc.i quang PGPyêu cầu về đặc tính truyền dẫn cao nên cần điều chỉnh nhiệt độ và tốc

độ kéo phải phù hợp sao cho kích thước và cấu trúc hiển vi của sợi khônglệch ra khỏi giá trị lý thuyết mà sợi đã được mô phỏng Những vẫn đềchính trong quá trình chế tạo thường gặp đó là sự biến dạng của các lỗ khíhay sự xuất hiện bổ xung của các lỗ khí, sự nhiễu loạn cấu trúc đối xứngcủa sợi Thông thường nhiệt độ của sợi không đồng nhất và có phân bốxuyên tâmrỀQ các lỗ kha bên ngoài thưdng 1Ị biến dạng và, oó kích thuớcnhỏ hơn, hoặc sự xuất hiện của các lỗ khí phụ nhỏ xung quanh Đễ tránhnhững điều này cần thiết phải kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ thích hợpcủa quá trình tạo phôi, phân bố nhiệt độ trong lò, tốc độ cho ăn và kéophôi, những tham số xác định đường kính của sợi, phân bố nhiệt độ trênmặt cắt, của sđi[14,15].

Hình 1.4: Qiỵ trình chế tạo scỉ quang [14]

Như ta đã biết sóng ánh sáng là sóng điện từ do đó quá trình truyềnánh sáng chính là sự lan truyền của điện từ trường trong môi trường sợi

V x V x £ =- ^ "fl ũi (L5) 19

tử điều đó dẫn đến xung thí nghiệm bị suy hao hay tán sắc thay đổi dẫn

đến các hiệu ứng tuyến tính và phi tuyến xảy ra Thành phần bước sóng

khác nhau của xung truyền dẩn đến vận tốc truyền là khác nhau do bước

sóng phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ Ngoài ra, với trường có cường độ cao

thì dẫn đến hiệu ứng phi tuyến Đáng chú ý đó là chỉ số khúc xạ phụ thuộc

vào cường độ (hiệu ứng Kerr) và các phonton có thể tương tác với các

phonon (dao động của phân tử) của môi trường dẫn đến hiệu ứng Raman

Phưtng trình mô tả quá trình truyền của trưdng quang trong SỜL :

Việc mô tả đầy đủ mối quan hệ giữa phân cực p được gây ra và điện

trường E là rất cần thiết Phương pháp tiếp cận của cơ học lượng tử để

đánh giá thành phần p có thể xem xét thông qua quá trình tần số quang

thì cộng hưởng gần với tần số dao động của phân tử môi trường Liên quan

đến hiện tượng này được thể hiện qua phương trình sau :

P=s ữ (x ự> -E+X {2) : EE+X (S> \EEE =P L +P NL (1.6)

Trong đó P L và P]\ĨL lần lượt là các thành phần tuyến tính và, thành

phần phi tuyến Trong vật lí lượng tử để mô tả trạng thái lượng tử của

một hệ vật lí theo thời gian ta sử dụng Phương trình Schoringer đề mô

tả nó Xuất phát từ hộ phưtLỊg trình Lhxvoll chúng ta có thổ xậy dựig

phưiig trình Schcrìngor trong môi trừtqg phi tựyến dọc theo chiều dài sợi

theo trục z được trình bày trong các tài liệu [18,19,20,21,22] :ĩược trình bày trong các tài liệu [18,19,20,21,22] :

ỠA a ô^A , ỡ,

~dz + 2 A ~ Xrrr '''•'T777 —^(

k>‘2

x(A(z,T) r H TX )\A Z ,T- T X )\H T x )

- \ế trái của phrOrg trình thể hiện các hiệu lítig tuyến tính: vci Oi là

si.rsiiy @ảmcông suất tụyếntírih, là hệ số tán sắc hên quan đến khai

triển <±OLO Trĩyio của bằng số truyền Ị3 (cừ).

- \f' phải ticu tbị cấc hiệa Ííụg phi tiiyốLi vởi hộ số:

+ 7 = là, tham số phi tụyến này phụ thuộc vào 7 TQ ( UỊÌ ) là chỉ

số khric xạ ỊÌá tuyến, là diỘDL tích, modo hiên dụng, Uị) là tần số

trung tâm của xung truyền

tícỉi hiệu dụng của mode dẫn

- Tích phân mô tả đáp ứng Raman của sợi Hàm jR( r \) mô tả đáp

úng túc thời m trễ vật liệu: itỊyi) = (1 — fr)ô (TI) -\-frh r (y~i) ocn ỗ( TÌ ) m

hr đáp ứng trễ và tức thời Raman[20].

Từ phrt&og trình Schcringcĩ- phi tụyèi này các thành phần tryến tínhnhư tán sắc hay phi tuyến như quá trình điều biến pha (SPM), quá trìnhchéo pha(XPM) hay trôn bốn sóng (FWM), soliton và tán xạ Raman đều

Hình 1.5: So sánh tán sắc tiTSTg sd FCF và SEF [14].

Đầu tiên có thể nói đến hiện tượng tán sắc Tán sắc là một hiệu ứngtuyến tính nhưng đóng một vai trò quan trọng ảnh hưởng đến đặc tínhcủa tương tác phi tuyến trong sợi quang Khi xem xét đến tán sắc trong

sợi quang cần chú ý đến thuộc tính tán sắc do sự phân cực trong trườnghợp sợi là, luEtog chiết Trong việc tao ra xung ánh sáng trắng cần chú ýđến sự tán sắc ảnh hưởng đến vận tốc pha và vận tốc nhóm của tín hiệutruyền trong sợi Ngoài ra cần xem xét quá trình biến đổi tần số phi tuyến,

cả tính tuyến tính và phi tuyến đóng góp cho quá trình hợp pha, kết hợpvới vận tốc nhóm tại các bước sóng khác nhau có thể dẫn đến các thànhphần quang phổ được tách biệt rộng ra Như đã trình bày thuật ngữ tán

sắc (3fr có được là do ta khai triển chuỗi Taylo từ hằng số truyền /3^ [19]:

=*b +g(^- Uô) +-(<*;- w,)2 +

= ko —|—/?1 ( UJ — Uị)) + — /32 (cu — 6c|))2 + (1-8)Trong đó thuật ngữ /3i là, hết, quả ciia sựgiãn XImg 1+1 tog ld+qg làmthạyđỗi hình dạng xung, còn /32 biểu hiện về tán sắc nó được biểu diễn qua

TC k

Đon vị của tán sắc vận tốc nhóm (GVD) D là (ps/nm.km) GVD

trong các tài liệu được kí hiệu bởi /32 (có đơn vị ỉ?rã 1) Trcngphạmvi

buớc scĩig nà /32 > 0 thà nó thể biện tán sắc bình thuTtig, hhi /32 < 0 thà

nó tho láỘDL tán sắc dị thũ íỉug CTX1 ITá + llo sáng vhi =0 thà ta có bi ức

sóng hhôig tán sắc (ZDVV) Tom lại ta có :

+ổ2 > 0( J D < 0): ta có tán sắc thi ồqg.

+ổ2 < 0 ỢD >0): ta oó tán sắc dị tliiíỉng.

Sau đây là các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến quá trình truyềnsóng trong sợi quang Việc tạo ra sc là một quá trình đóng góp của rấtnhiều hiệu ứng phi tuyến đầu tiên có thể kể đến đó là quá trình tự biếnđiệu pha (SPM) Nguồn gốc của SPM chính là hiệu ứng quang học Kerr(sự thay đổi chỉ số khúc xạ trong môi trường phi tuyến với sự thay đổi của

điện trường) :

(1.10)

Trong đó 772 là bậc thứ hai của chỉ số khúc xạ Hiệu ứng Kíir có thể gay

ra sự thay đổi pha tức thời của xung truyền :

(1.11)

Kết quả của sự thay đổi pha kéo theo tần số cũng thay đổi:

trong đó k là số sóng và L khoảng cách xung truyền được Ví dụ đối vớichùm Gauss , chỉ số khúc xạ thay đổi theo thời gian :

Chúng ta có thể thấy hình vẽ tần số đầu ra Phía trước của xung đượcchuyển sang vừng tần số thấp hơn vì T là, trừ, phía san của xưng chựyểnsang tàn số cao hơn vì r là cộng Từ quá trình biến đổi pha dẫn đến biếnđỗi tần số nên trong sợi kết quả thu được có thể xảy ra: thứ nhất quá trìnhSPM kết hợp với tán sắc thường dẫn đến mở rộng tần số phổ của xung đốixứng, thứ hai nếu SPMhết hơp vri tán sắc xạy ra trong ĩiiền tán sắc dịthường trong ống dẫn sóng xung sẽ không thay đổi trong miền thời giansau quá trình biến đổi động học để tạo thành soliton[14,19,20]

Môt hiệu ứng mà ta cần quan tâm nữa đó chính là biến điệu chéopha (XPM), XPM thường đi kèm theo bởi SPM nhưng để XPM xảy ra.phải có nhiồn hơn mạt sổng tniyồrr trong sợi Db chỉ số khúc xạ của rrộtsóng không chỉ phụ thuộc vào cường độ của sóng đó mà còn phụ thuộcvào cường độ của các sóng truyền khác Ta có mối liên hệ giữa cường độ

và pha phi tuyến được cho bởi biểu thức sau [20,22]:

<p

NL j UJ.jZ UJjZflí 2

Trong sợi PCF phi tuyến cao, sóng không tán sắc có thể bị biến đổitrong vừng ánh sáng nhìn thấy Tỉong thí nghiệm với hệ Laser li:Sa oóbittcr sống bơm vào khoảng SOQnmrri trong vùng tán sắc dị thitdng Quátrình lan trựyềh của song phi tựyến ta thấy vận tốc trựyềh sóng không

chỉ phụ thuộc vào bước sóng mà còn phụ thuộc vào cường độ Sự tồn tạicủa sciitoii là kết quả của sự cân bằng giũa tán sắc vận tốc nhem (GVD)

và quá trình tự biến điệu pha (SPM) sao cho sự dịch bởi SPM là đúnghướng để loại bỏ sự mở rộng xung do GVD gây ra Như vậy xung truyền

có thổ lan trụyềi không neo ch tì dạng của sõlitan Quấ trình tií Ằjg tácnày gọi là động lực soliton Trong việc tạo se, xung nẫng lượng cao đượcbơm trong vùng tán sắc dị thường trong giai đoạn đầu của xung quangphổ được mở rộng và thời gian nén lại Lúc này xung bơm biến thànhmột soliton bậc cao Những soliton bậc cao thường không ổn định do ảnhhuởqg của tán sắc bậc 3 \fả sự xuất hiện tán xạ Raman va quá trình tựdốc dẫn đến siliton thứ nhất dễ bị biến đổi thành một chuỗi soliton phụ

có biên độ thấp hơn Quá trình lúc này gọi là sự phân hạch soliton Trongchế độ xung fs, tán sắc và tán xạ Raman là hai yếu tố tác động mạnh gây

ra sự xáo trộn trong q lấ trình tiốũL hóa solitonL bậc cao và gay ra q lá, trình

vỡ xung Trong quá trình phân rã để duy trì hình dạng của soliton, mỗisoliton sẽ bức xạ tạo một đối soliton màu xanh có bước sóng thỏa điềukiện hợp pha của chính nó, đồng thời quá trình này dẫn đến sự tự dịchchuyển tần số của soliton (SSFS) sang vùng hồng ngoại cho đến khi đạtđến sự ổn định, điều này gây ra một khoảng trống trong phổ ở gần bướcscog khcog tán sắc, thể hiện trong ITnlii 7 Ch hai quá trình nạy xay ra vàtương tác đồng thời Trên đây ta thấy việc tạo se bởi những xung fs vớinăng lượng cao có sự biến đổi trong quá trình truyền dẫn, động lực solitoncho ta thấy đây là một hiệu ứng quan trọng Tuy nhiên đối với việc sửdụng những xung dài hơn hoặc bức xạ gần hồng ngoại, quá trình điều chếkhông ổn định có thể dẫn đến phá vỡ bao hình đó để tạo một xung solitonđơn Các xung này có thổ ảnh hưởng đến viộc tạo sóng tán sắc và biến đỗiRaman như trình bày ở trên Do đó cần thiết kế những sợi thật kĩ lưỡng,khai thác quá trình động lực này đề phát triển những nguồn se[15,17]

Mnm)

Hỉnh 1.7: Sự phân bạch aoliton bậc cao trcng tiến trình tạo sc [15]

Hiệu ứng trộn bốn xóng (FWM) có thể hiểu một cách đơn giản như

san nến GÓ 3 truỀăỊg laser ứng vcá các tần số ÙJ|, UJ2', CƯỊ trcng moi truỀttỊg phi tuyến tạo ra một truÈtog thứ 4 có tần số ( J Ọ FWM =cựL 4 Cd 2 i cựp Kết

quả này có thể dẫn đến rất nhiều trường hợp Trong trường hợp khi tất

cả trường laser có cùng tần số (các photon bơm được lấy ra từ cùng mộttruÈTỊg laser) = 3UJ khi đó ta có sóng hài bậc 3 Nếu hai trường

laser được điều chỉnh trong miền tần số thỏa U)i — UJ 2 cộng- hitkg với

một tần số Raman kích thích của mỡt truÈlqg phi tuyrn quá trình FV\M

lúc nạy 0O FWM = LUị — UJ 2 — <^3ARS ưó liên hệ đến tán xạ Raman

anti-Stokes Một quá trình FWM liên quan đến trường bơm có cùng tần

số khi đó LÚFWM = UJ — UJ -\~UJ tntìng hợp nạy ta gọi FWM suy tiếm

Trường FWM được tạo ra trong quá trình quang phi tuyến phải thỏamãn điều kiện nghiêm ngặt về liên hợp pha giữa các sóng Đối với xunglascr ngắn và băng thông lộng GÓ thể kem theo quá trình trọn tốn sổng

UJ P [ -Kjj Ị j 2 = tỌị -\-ui\ vti các thành phần tần số UJ P [ vềt uịQ từ phổ của trnrìng

laser đóng vai trò bơm photon để tạo ra các thành phần tần số mới Cc/Ị \à

uo,ị Trong truờqg hơp tần số bdrnsựy tiến Uịyi = Uú l ị 2 = (jjp thành phần tần

của truồng bơm vơi tần số UJ P tạo ra Stòtes và Anti - Stokes với tần số là

(jj s =ujp — ĩì và = ujp-\- Q Chúng ta trình bày hằng số tụyôn truyền

của Sbckes và Anti - Stokcs thcng qua thai triển Tạykx xung quanh tần

VI /5o(uị,) là, hằng số tụyìi tự do ( ứqg vơ p = 0 ), Vp là vận tốc ihóm

của xung bơm Trong khi đó hằng số truyền của trường bơm được viết :

p (<ơ>) = Po (w>) 3~jP (1.18)Lúc này sự không hợp của hằng số truyền trong quá trình FWM thu được

ApM'VM=(3(<^i> + íí) + /3(cqy + ^)

-^/52(CƠ P)Q2+^P (1.19)Như vậy những sóng thỏa điều kiện trên đều có thể kết hợp với nhau

để gây ra quá trình FWM[20]