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

Đại học quốc gia hà nội Trường đại học công nghệ =========FễG========= Vương Thị Xuân Hương Khả năng thu tín hiệu photon với độ nhạy cao của laser quang sợi ứng dụng trong nghiên cứu t

Đại học quốc gia hà nội Trường đại học công nghệ

=========FễG=========

Vương Thị Xuân Hương

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

Chuyờn ngành : Vật liệu và linh kiện nano

Luận văn thạc sĩ

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Thị Tâm

Hà Nội - 2005

Luận văn “Khả năng thu với độ nhạy cao tín hiệu photon của laser

quang sợi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano” được hoàn thành trong thời gian học tập và nghiờn cứu tại lớp cao học khúa 10, ngành Cụng nghệ nano, Trường Đại học Cụng Nghệ, Đại học Quốc Gia

Hà Nội Lời đầu tiờn, em xin được bày tỏ lũng biết ơn sõu sắc tới cụ giỏo: TS Trần Thị Tõm, người đó vạch ra con đường và tận tỡnh hướng dẫn cho em hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này Em xin chõn thành cảm ơn cỏc thầy, cỏc cụ trong khoa Vật lý kỹ thuật, trường Đại học Cụng Nghệ, những người đó dạy bảo

và trang bị cho em những kiến thức trong suốt thời gian học tập Đặc biệt em xin được cảm ơn thầy giỏo chủ nhiệm lớp PGS TS Nguyễn Năng Định đó rất quan tõm tới việc học tập của chỳng em

Đề tài cũng khụng thể cú được những kết quả như ngày hụm nay nếu khụng cú được sự gúp ý, chỉ bảo của cỏc chỳ, cỏc anh chị trong phũng thớ nghiệm Em xin bày tỏ lũng cảm ơn tới KS Đặng Quốc Trung, KS Trần Anh

Vũ, KS Lờ Hữu Minh, CN Đỗ Ngọc Chung, CN Vũ Ngọc Chõm trong phũng

Kỹ thuật laze – Viện khoa học Vật liệu – Viện Khoa học Việt Nam

Cuối cựng em xin gửi tới gia đỡnh, bạn bố sự biết ơn về những quan tõm, động viờn và cổ vũ giỳp em vượt qua được cỏc khú khăn để hoàn thành khúa luận này

Từ viết tắt

ASE Amplified spontaneuous emmission Bức xạ tự phát được khuếch tán EDF Erbium doped fiber Sợi quang pha tạp erbium EDFL Erbium doped fiber laser Laze quang sợi pha tạp erbium EDFA Erbium doped fiber amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp

erbium

NA Nurmerical aperture Độ mở (khẩu độ)

SE Spontaneous emission Bức xạ tự phát

WDM Wavelength divion multiplexing Bộ ghép / chia bước sóng

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

Khóa 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

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:

c

sin

*

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)1 / 2 2

2 1

2 / 1 2

1

2 1

2 / 1 2

n

n n

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

−

Bởi vậy:

( 2)

2

2 1 1

sin n n

Giá trị = ( − 2)≈ 1 2 Δ

2

2

n

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

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

r

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ Δ

−

)

2 ) (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:

Tài liệu tham khảo

[1] R Gabet, G M Stephan, M Bondiou, P Besnard, D.Kilper, ”Ultrahigh

sensitivity detector for cohenrent light: the laser”, Optics Communications

185 (2000) 109 – 114

[2] S Blin, G M Stephan, R Gabet, P Besnard and D Kilper,

”Amplification process in a laser injected by a narrow band weak signal”,

Europhys Lett 52 (1), pp 60-65 (2000)

[3] S Blin, G M Stephan, R Gabet, P Besnard and T.T.Tam, O Vaudel, S

LaRochelle, “Spectral and time phenomena in optical injection using

distributed feedback semiconductor or fibre laser ”

[4] Stephan G M., Phys Res A, 58 (1998) 2467

[5] R H Pantell, “The laser oscillator with an external signal”, Proceedings

of the IEEE, vol 53, pp 474–477, May 1965

[6] H L Stover andW H Steier, “Locking of laser oscillators by light

injection”, Applied Physics Letters, vol 8, pp 91–93, May 1966

[7] S Kobayashi and T Kimura, “Coherence of injection phase-locked

AlGaAs semiconductor laser” Electronics Letters, vol 16, no 17, pp 668–

670, 1980

[8] S Kobayashi and T Kimura, “Injection locking in AlGaAs semiconductor

laser”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol 17, pp 681–689, May

1981

[9] S Kobayashi, H Nishimoto, and R Lang, “Experimental observation of

asymetric detuning characteristics in semiconductor laser injection locking”, Electronics Letters, vol 18, pp 54–56, January 1982

[10] William T Silfvas (2004), “Laser fundamentals”, Cambridge university

press, USA

[11] C.M Lambert, Solar Energy Mater, Vol 11 (1984) p.1

[12] C.M.Lampert and C.G.Granqvist, eds, in “Large-area Chromogenics:

Materials and Devices for Transmittance Control”, Vol 154 (SPIE Optical

Engineering Press, Bellingham, 1990)

[13] Nguyen Nang Dinh, Proc Conf “40 years Anniversary of Hanoi

University of Technology”, Hanoi –10/1996, p 176 (in Vietnamese)

[14] G Micocci, A Serra, A Tepore, and S Capone J Vac Sci Technol A

15 (1) Jan/Feb (1997) 34-38

[15] B D Cullity, Elements of X-Ray diffraction, 2nd ed., p.102,

Addison-Wesley Publishing Company, Inc., Reading, MA (1978)