Khảo sát quá trình lan truyền xung cực ngắn trong sợi quang tinh thể

DAN MỤC CÁC T V T TẮT DÙN TRON LU NÁNPCF Photonic crystal fiber - Sợi tinh thể quang tử SCG Spontanneously generated coherence - Độ kết hợp được t o bởi phát x tự phátGVD Group velocity

-

-ĐỖ THANH THÙY

XUN CỰC N ẮN TRON SỢ QUAN T N T Ể

ĐỖT AN T ÙY

XUN CỰC N ẮN TRON SỢ QUAN T N T Ể

L CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của GS.TS Đinh Xuân Khoa và TS Bùi Đình Thuận Các kết quả được công bố trong luận án đảm bảo tính trung thực và được công

bố trên các t p ch khoa học trong nước và quốc tế c uy t n.

c gi u

Đỗ Thanh Thùy

L CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến GS TSĐinh Xuân Khoa và TS Bùi Đình Thuận đã tận tình hướng dẫn, định hướngnghiên cứu, cung cấp tài liệu, tháo gỡ những kh khăn, giúp đỡ tôi rất nhiều về cảmặt kiến thức cũng như phương pháp nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận

án này

Tôi xin chân thành cảm ơn phòng Đào t o Sau đ i học, Viện Sư ph m Tựnhiên cùng các thầy, cô giáo đồng nghiệp trong ngành Vật lý trường Đ i họcVinh đã giúp đỡ và t o mọi điều kiện thuận lợi và đ ng g p nhiều ý kiến quý báu

để tôi hoàn thành luận án

Xin chân thành cảm ơn gia đình, những người thân yêu ruột thịt, anh em

b n bè đã luôn động viên và t o điều kiện tốt để tôi hoàn thành luận án

Với khả năng c h n, mặc dù đã c nhiều cố gắng song luận án khôngtránh khỏi những khiếm khuyết Tác giả k nh mong được sự góp ý của các thầy

cô giáo và b n bè gần xa

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận án

DAN MỤC CÁC T V T TẮT DÙN TRON LU NÁN

PCF Photonic crystal fiber - Sợi tinh thể quang tử

SCG Spontanneously generated coherence - Độ kết hợp được t o bởi

phát x tự phátGVD Group velocity dispersion - Tán sắc vận tốc nhóm

STIN Step index - Chiết suất phân bậc

GRIN Graded index - Chiết suất thay đổi liên tục

XPM Cross-phase modulation - Hiệu ứng biến điệu pha chéo

SPM Self-phase modulation - Hiệu ứng tự biến điệu pha

ZDW Zero dispersion wavelength - Bước sóng có tán sắc bằng khôngSBS Stimulated Brillouin scattering - Tán x Brillouin cưỡng bứcSRS Stimulated Raman scattering - Tán x Raman cưỡng bức

MM-STIN Multi-STIN - Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc

MM-GRIN Multi-GRIN - Sợi đa mode c chiết suất giảm dần

DOS Density of state - Mật độ tr ng thái

HC-PCF PCF - hollow core - Sợi có lõi rỗng ở tâm cấu trúc

TOD Third optical dispersion - Tán sắc quang bậc ba

PMD Polarized dispersion mode - Tán sắc mốt phân cực

TIR Total internal reflection - Phản x nội toàn phần

ESM Endlessly single - mode - Vô h n đơn mode

RIFS The Raman - induced frequency shift - Dịch tần Raman cảm ứng

DAN MỤC CÁC K U DÙN TRON LU N ÁN

n không thứ nguyên Chiết suất tuyến t nh

n eff không thứ nguyên Chiết suất hiệu dụng

c 2,998 × 108 m/s Vận tốc ánh sáng trong chân không

ε0 8,85 × 10-12 F/m Độ điện thẩm trong chân không

μ 0 1,26 × 10-6 H/m Độ từ thẩm trong chân không

L N [cm] Chiều dài đặc trưng phi tuyến

N số vô hướng Số bậc soliton

τ không thứ nguyên Thời gian chuẩn h a

ξ không thứ nguyên Quãng đường lan truyền chuẩn hóa

δ3 không thứ nguyên Đặc trưng cho hiệu ứng tán sắc bậc 3

S không thứ nguyên Đặc trưng cho hiệu ứng tự dựng xung

τR không thứ nguyên Đặc trưng cho hiệu ứng tự dịch chuyển tần số

DANH MỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ

Bảng 1.1 T m lược quá trình phát triển của sợi PCF 10

Hình 1.1 Cấu t o sợi quang thông thường 11

Hình 1.2 Mô tả về sợi quang tinh thể 12

Hình 1.3 Sơ đồ truyền sóng trong sợi quang tử PCFs 13

Hình 1.4 Cấu trúc lớp vỏ và DOS tương ứng với lỷ lệ chứa khí khác nhau 16

Hình 1.5 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang STIN 17

Hình 1.6 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang GRIN 18

Hình 1.7 Truyền ánh sáng trong sợi SM, sợi MM STIN và sợi MM GRIN 19

Hình 1.8 Phân lo i các lo i sợi tinh thể quang tử theo cấu trúc. 21

Hình 1.9 Đồ thị biểu diễn chiết suất, chiết suất nhóm của thủy tinh 27

Hình 1.10 Sự biến đổi của b và các đ o hàm số d(Vb)/dV và số Vd 2 (Vb)/dV 2 vào tham số V 30

Hình 1.11 Các đặc t nh suy hao theo bước sóng của sợi quang 36

Hình 1.12 Mô tả suy hao uốn cong theo lý thuyết tia 39

Hình 1.13 Trường mode cơ bản trong đo n sợi bị uốn cong 40

Hình 1.14 Diện tích mode hiệu dụng 42

Hình 2.1 Lan truyền xung Hyperbolic với β 3 = 0,1 ps 3 /km qua khoảng cách ξ = 12 59

Hình 2.2 (a) Sự thay đổi của hình d ng xung (b) Sự thay đổi phổ của xung trong quá trình lan truyền trong sợi quang Trong đ N = 3 khoảng cách lan truyền z = 1,2 L D và δ3 = 0,02, S = 0 và τR = 0 61

Hình 2.3 (a) Sự thay đổi của hình d ng xung (b) Sự thay đổi phổ của xung trong quá trình lan truyền trong sợi quang Trong đ N = 3 khoảng cách lan truyền z = 1,2 L D và δ3 = - 0,02; S = 0 và τR = 0 63

Hình 2.4 (a) Sự thay đổi của hình d ng xung (b) Sự thay đổi phổ của xung trong quá trình lan truyền trong sợi quang Trong đ N = 3,2 khoảng cách

lan truyền z = 2 L D và δ3 = 0,02; δ4 = 0,0005. 64

Hình 2.5 Ảnh hưởng của tán x Raman lên soliton cơ bản 67

Hình 2.6 Ảnh hưởng của tán x Raman lên quá trình lan truyền soliton bậc ba 68

Hình 2.7 Ảnh hưởng của hiện tượng tự dựng xung và tự điều chế pha lên quá trình lan truyền của xung cực ngắn 69

Hình 2.8 Lan truyền xung đầu vào hyperbol với tham số công suất N = 1 69

Hình 2.9 Lan truyền xung đầu vào hyperbol với tham số công suất N = 2 70

Hình 3.1 Sơ đồ tiến triển phát siêu liên tục trong PCF 75

Hình 3.2 (a) Mặt cắt của sợi PCF đề xuất (b) Phân bố hai chiều của mode cơ bản t i bước sóng 1,56 µm 76

Hình 3.3 Đường tán sắc vận tốc nhóm của sợi PCF PBG 08 có các lỗ chứa ethanol (màu đỏ) và PCF PBG 08 với lỗ khí (xanh) ứng với d = d’= 2 µm 78

Hình 3.4 (a) Đường cong tán sắc của sợi PCF - ethanol với đường kính lỗ d khác nhau; (b) Phụ thuộc của bước sóng có tán sắc bằng vào đường kính lỗ d 79

Hình 3.5 Phụ thuộc của diện tích mode hiệu dụng và hệ số phi tuyến vào đường kính d t i bước sóng 1,560 µm 81

Bảng 3.1 Giá trị của hệ số tán sắc β m theo khai triển Taylor đối với PCF PBG 08 - ethanol t i bước sóng 1560 nm 84

Hình 3.6 Sự thay đổi của phổ của xung t i z =10cm khi t nh đến các số h ng tán sắc bậc cao khác nhau 85

Hình 3.7 Đường cong tán sắc thu được bằng phương pháp FE (màu đen) phù hợp với khai triển Taylor đến β 10 86

Hình 3.8 Sự thay đổi hình d ng và phổ của xung hyperbolic secant theo khoảng cách lan truyền ứng với công suất đầu vào 10 kW 87

Hình 3.9 Ảnh hưởng của tham số d lên độ mở rộng của xung 88

Hình 3.10 Sự thay đổi hình d ng và phổ của xung hyberbol secant theo khoảng cách lan truyền (d = 1,2 μm; d = 2,4 μm; d = 2,6 μm) 89

Hình 3.11 Sự thay đổi hình d ng và phổ của xung theo khoảng cách lan truyền ứng với P 0 = 3 kW (hình a), P 0 = 6 kW (hình b) và P 0 = 12 kW (hình c) 91

Hình 3.12 Phân bố phổ của xung theo bước sóng t i z = 15cm ứng với P 0 = 3kW, P 0 = 6 kW và P 0 = 12 kW 93

Hình 3.13 Sự thay đổi hình d ng và phổ của xung theo khoảng cách lan truyền ứng với T FWHM = 400 fs (a), 200 fs (b) và 50 fs (c) 94

Hình 3.14 Sơ đồ bố trí hệ phát siêu liên tục trong sợi PCFs 96

Hình 3.15 Ảnh hệ thí nghiệm t i phòng thí nghiệm sợi PCF t i Trường đ i học Vinh 96

Hình 3.16 Laser femto giây của hãng Atseva 97

Hình 3.17 Hệ ba gương nhằm mục đ ch chuẩn trực chùm laser 98

Hình 3.18 Ảnh tiết diện ngang của PCFs femto White 98

Hình 3.19 Phổ siêu liên tục với công suất của laser bơm khác nhau Bước s ng laser 760 nm, độ rộng xung 40 fs. 99

Hình 3.20 Phổ siêu liên tục với bước sóng của laser bơm khác nhau Công suất laser 75 mW, độ rộng xung 40 fs. 100

MỤC LỤC

L I CẢM ƠN

DANH MỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ 8

1.1 Lịch sử phát triển 8

1.2 Cấu t o và phân lo i sợi quang 11

1.2.1 Cấu t o sợi quang 11

1.2.2 Phân lo i sợi quang 17

1.3 Một số tính chất của sợi quang 22

1.3.1 Tán sắc đối với sợi quang đơn mode 22

1.3.2 Hấp thụ đối với sợi quang đơn mode 33

1.3.3 Hệ số phi tuyến 41

KẾT LU N CHƯƠNG I 44

CHƯƠNG II: N TRUYỀN XUNG TRONG SỢI QUANG PHI TUYẾN 45

2.1 Phương trình lan truyền xung trong sợi quang 45

2.1.1 Hệ phương trình Maxwell 45

2.1.2 Lan truyền xung ngắn 47

2.1.3 Lan truyền xung cực ngắn 49

2.2 Phương pháp số mô phỏng quá trình lan truyền xung 52

2.2.1 Phương pháp split – step Fourier 52

2.2.2 Phương pháp Runge – Kutta bậc 4 55

2.3 Khảo sát các hiệu ứng gây bởi tán sắc và phi tuyến lên xung lan truyền trong sợi quang 57

2.3.1 Ảnh hưởng của tán sắc bậc cao lên quá trình lan truyền xung trong môi trường sợi quang phi tuyến 57

2.3.2 Ảnh hưởng của tán x Raman lên quá trình lan truyền xung trong môi trường

sợi quang phi tuyến 65

2.3.3 Ảnh hưởng của hiện tượng tự dựng xung lên quá trình lan truyền xung trong môi trường sợi quang phi tuyến 68

KẾT LU N CHƯƠNG 2 71

CHƯƠNG III: KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN XUNG CỰC NG N TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ 73

3.1 Phát siêu liên tục và mô hình nghiên cứu 73

3.1.1 Phát siêu liên tục trong PCF 73

3.1.2 Nghiên cứu mô hình PCF PBG 08 - ethanol 76

3.2 Khảo sát đặc tính tán sắc và phi tuyến của sợi PCF PBG 08 - ethanol lõi đặc 78

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của tham số xung lên quá trình phát siêu liên tục trong sợi PCF PBG 08 - ethanol 82

3.3.1 Ảnh hưởng của tán sắc bậc cao lên phổ xung ra 82

3.3.2 Ảnh hưởng của công suất xung 90

3.3.3 Ảnh hưởng của độ rộng xung 93

3.4 Xây dựng hệ thí nghiệm khảo sát quá trình phát siêu liên tục trong sợi quang tử 95

3.4.1 Xây dựng hệ thí nghiệm khảo sát quá trình phát siêu liên tục trong sợi quang 95

3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của công suất bơm lên phổ siêu liên tục 99

3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của bước s ng laser bơm lên phổ siêu liên tục 100

KẾT LU N CHƯƠNG 3 102

KẾT LU N CHUNG 104

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 106

TÀI LI U THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU

Nghiên cứu quá trình lan truyền xung soliton quang học trong sợi quang

là chủ đề thú vị và thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trongnhững thập kỉ qua, bởi những ứng dụng mà nó mang l i trong viễn thông [1-3], trong chuyển m ch toàn quang và xử lý dữ liệu quang học [4 - 6] Thôngthường, soliton chỉ truyền ổn định khi công suất của xung quang đủ lớn saocho hiệu ứng phi tuyến Kerr cân bằng với hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm Phụthuộc vào công suất xung và các tham số đặc trưng của môi trường truyền,soliton có thể có các bậc khác nhau, tuy nhiên chỉ có soliton bậc nhất (cơ bản)mới duy trì nghiêm ngặt hình d ng và phổ xung trong quá trình truyền Đốivới các soliton bậc cao thì hình d ng và phổ của xung thay đổi một cách cóchu kỳ [1, 2] Đối với các xung cực ngắn lan truyền trong sợi quang phi tuyếnthì hiệu ứng tán sắc bậc cao và phi tuyến sẽ gây nhiễu lên soliton, dẫn đến sựdịch chuyển phổ do tán x Raman cảm ứng gây ra và t o ra sóng tán sắc(dispersive waves) ở tần số mới [1, 7 - 9] Khi bị nhiễu lo n, các soliton bậccao c xu hướng phân tách thành một số soliton cơ bản ở các tần số khác nhau.Quá trình này thường được gọi là phân tách soliton bậc cao, đây là một trongcác cơ chế cơ bản để t o ra quá trình phát siêu liên tục Các cơ chế vật

lý liên quan đến quá trình này là tự biến điệu pha (SPM), tán x Raman, tán sắcbậc cao… v.v [1, 6, 7] Trong đ , SPM c thể t o ra sự mở rộng phổ đáng kểcủa tín hiệu quang ở đầu ra sợi quang Hệ số mở rộng phổ được xác định gần

đúng bằng độ dịch pha do SPM tối đa, φ max = γP 0 L eff, trong đ P0 là công suất

cực đ i của xung laser vào, L eff = (1 - exp(-α))/α, là chiều dài sợi hiệu dụng

với α là hệ số suy hao, và γ là hệ số phi tuyến, n là chiết suất tuyến tính Một

cơ chế phi tuyến khác có thể t o ra bước sóng mới là tán x Raman cưỡng bức(SRS) Nếu công suất cực đ i đầu vào P0 đủ lớn, SRS sẽ t o ra một

dải sóng Stokes ở ph a bước sóng dài SRS sẽ ảnh hưởng đến bất kỳ xungphát siêu liên tục nào bằng cách tăng cường nó một cách chọn lọc ở ph abước s ng dài, do đ làm cho n không đối xứng [1] Tuy nhiên, SRS không thể

t o ra bất kỳ thành phần tần số nào ở ph a bước sóng ngắn Tính chất tán sắccủa sợi đ ng vai trò quan trọng trong việc hình thành của một xung phát siêuliên tục, do đ băng thông phổ lớn liên quan đến bất kỳ xung phát siêu liên tụcnào Tham số GVD (group velocity dispersion) tán sắc vận tốc nh m β2 khôngthể được coi là một hằng số trên toàn bộ băng thông và sự phụ thuộc vàobước sóng của nó phải được đưa vào thông qua các tham số tán sắc bậc caohơn trong bất kỳ mô hình lý thuyết nào [1, 6, 7]

Phát siêu liên tục (supercontinuum generation) là một hiện tượng mởrộng phổ của một xung hẹp c cường độ lớn khi lan truyền trong một môitrường c độ phi tuyến cao sao cho xuất hiện đồng thời ít nhất các hiệu ứng phituyến như: phân tách solion, tán x Raman cưỡng bức cảm ứng, tán sắc vậntốc nhóm bậc cao và tương tác bốn sóng [1, 6] Một nguồn siêu liên tụcthường bao gồm một laser xung và một phần tử phi tuyến như sợi quang tinhthể với tính phi tuyến cao và các đặc tính tán sắc phù hợp Sự t o ra siêu liêntục thường xảy ra khi các xung cực ngắn truyền qua môi trường quang phituyến để t o ra đầu ra là một xung có phổ là băng rộng và liên tục Sự phátsiêu liên tục được khảo sát lần đầu tiên vào năm 1970 bởi lfano và Shapiro[10] và sau đ được phát triển nghiên cứu m nh trong lĩnh vực quang phi tuyến[1, 6] Đối tượng nghiên cứu ch nh cho sự phát siêu liên tục trong hơn haithập kỷ qua là sợi quang học và cụ thể hơn là sợi quang tử bởi vì đặc t nh cấutrúc của sợi quang tử sẽ tăng cường các hiệu ứng phi tuyến và đảm bảo t nhchất kết hợp của nguồn bơm laser cũng như cung cấp sự linh ho t trong thiết

kế để tối ưu h a t nh chất tán sắc [1, 6, 11] Phát siêu liên tục sử dụng sợiPCF được thực hiện lần đầu tiên bởi Ranka và cộng sự [11] Kể từ đ , n đã

thu hút được sự quan tâm nghiên cứu sâu rộng cho cả hai kh a c nh cơ bản vàứng dụng [12-22] Đã c rất nhiều công trình nghiên cứu về sự phát siêu liêntục sử dụng các chế độ bơm khác nhau, từ s ng liên tục (CW), nano giây, picogiây đến femto giây trong thập kỷ qua V dụ, trong chế độ femto giây,Nishizawa và cộng sự [23] đã thu được phổ SC từ 1100 nm đến 2100 nmbằng cách sử dụng laser sợi quang femto giây t o ra xung 110 fs ở bước s ng

1550 nm Song song với những kết quả ấn tượng này, đã c nhiều nghiên cứuthu được phổ SC băng thông rộng khi sử dụng nguồn laser xung pico giâycông suất thấp và thậm ch là laser xung nano giây

Có rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện với sợi PCF cho các ứngdụng khác nhau, việc t o ra các nguồn băng thông rộng và xung cực ngắnbằng kỹ thuật SCG tìm thấy các ứng dụng rộng rãi trong công nghệ và y họcnhư trong công nghệ xử l hình ảnh [24], kỹ thuật laser [25], nghiên cứu quangphổ [26], ứng dụng trong k nh hiển vi [27], đặc biệt là các ứng dụng trongcông nghệ sinh học và trong y học cho quá trình chụp ảnh các tế bào [28, 29]v.v

Đối với các ứng dụng trên đều cần phổ siêu liên tục trải dài tới vùnghồng ngo i trung Cho đến nay, các sợi PCF chế t o dựa trên silica thườngđược sử dụng làm môi trường phi tuyến cho phát siêu liên tục vùng nhìn thấy

và vùng hồng ngo i gần [31, 32] Tuy nhiên, cửa sổ truyền qua của silica bịgiới h n m nh ở khoảng 2,3 µm Để đáp ứng các tiêu chí cần thiết của hầu hếtcác ứng dụng quang phổ, chúng ta cần phải tìm các vật liệu mới thay thế vớicửa sổ truyền rộng hơn và phi tuyến m nh hơn Các vật liệu mới c độ phituyến cao và trong suốt trong khoảng bước s ng mong muốn được chế t onhư PBG - telluride Các vật liệu này được dùng để chế t o các sợi quang c

độ phi tuyến cao cho phát siêu liên tục [33, 34] Đồng thời chúng phù hợp vớilaser ở bước sóng 1560 nm để mở rộng phổ SC trải dài tới

vùng hồng ngo i trung Điều này đã được thực hiện trong thí nghiệm của Liao

và cộng sự Trong thí nghiệm của mình các tác giả đã sử dụng laser xung bơm

c bước sóng ở 1557 nm và thu được phổ SC mở rộng tới 2300 nm, trong khi

sử dụng laser xung bơm ở bước sóng 1064 nm thì phổ SC chỉ mở rộng đượctới 1600 nm [35]

Gần đây, nh m nghiên cứu Quang học của Trường Đ i học Vinh đãnghiên cứu phát x siêu liên tục sử dụng sợi tinh thể quang tử Các nghiên cứunày tập trung vào nghiên cứu các t nh chất quang học [36], các đặc điểm tánsắc của sợi tinh thể quang tử dẫn nhập nước [37], ảnh hưởng của nhiệt độ vàmức độ dẫn nhập nước vào sợi tinh thể quang tử lên các đặc điểm tán sắc củasợi tinh thể quang tử [38] và phát siêu liên tục [36, 41] Các tác giả mở rộngnghiên cứu các đặc điểm tán sắc của sợi tinh thể quang tử lỗ khí chế t o từthủy tinh dẫn nhập hỗn hợp rượu - nước, điều khiển đặc trưng tán sắc bằngcách thay đổi nhiệt độ và nồng độ rượu [38, 41] Kết quả nghiên cứu này địnhhướng cho phát siêu liên tục trong miền hồng ngo i

Những năm gần đây, các công trình nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm về phát siêu liên tục ở trong nước cũng như ở nước ngoài tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc sợi tinh thể quang tử, chủ yếu d ng cấu trúc, vật liệu nền và vật liệu thẩm thấu đến hiệu suất và độ rộng phổ SC Việc phân t ch một cách tường minh về các quá trình tương tác phi tuyến và ảnh hưởng của chúng lên nhau trong sợi tinh thể quang tử và ảnh hưởng đến quá trình lan truyền xung còn chưa được chú ý một cách xứng đáng Đã c những nghiên cứu về quá trình truyền lan xung cực ngắn trong sợi quang tán sắc hay tán sắc, phi tuyến [1] Tuy nhiên, quá trình lan truyền xung cực ngắn trong sợi quang tinh thể với những đặc t nh phi tuyến cao với các hiệu ứngphi tuyến xẩy ra đồng thời vẫn còn bỏ ngỏ, cụ thể, chưa c công trình nghiêncứu chỉ ra một cách rõ ràng Từ lý do đ , chúng tôi mong muốn c bức tranhtường minh hơn về bản chất của các quá trình phi tuyến trên, trong sợi tinh

thể quang tử, đặc biệt trong sợi tinh thể quang tử dẫn nhập ethanol với cấutrúc m ng kiểu tổ ong mà chúng tôi thiết kế Đây cũng là vấn đề không kémphần quan trọng đang đặt ra cho nh m nghiên cứu t i Trường Đ i học Vinh

n i riêng và lĩnh vực nghiên cứu sợi tinh thể quang tử và phát siêu liên tục n i chung trong giai đo n hiện nay

Từ những kết quả phân t ch về nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấyquá trình lan truyền xung cực ngắn trong sợi tinh thể quang tử cần được quantâm trong nghiên cứu quá trình phát siêu liên tục cả cơ bản và ứng dụng.Trước vấn đề có tính thời sự như đã phân t ch trên đây, chúng tôi đã

chọn đề tài “K ảo sát quá trìn lan truyền xun cực n ắn tron sợi quan tin t

ể” làm đề tài luận án của mình.

Mục ti u n i n cứu

- Khảo sát ảnh hưởng của các hiệu ứng tán sắc và phi tuyến bậc cao lênquá trình phân tách xung và mở rộng phổ của xung cực ngắn lan tryền trongsợi tinh thể quang tử

- Đề xuất mô hình sợi PCF dẫn nhập ethanol tối ưu cho quá trình phát siêu liên tục ở bước sóng 1560 nm

- Khảo sát được ảnh hưởng của các tham số xung bơm lên quá trình phát siêu liên tục

- Xây dựng, lắp đặt hệ thí nghiệm và khảo sát phổ SC sử dụng sợi tinhthể quang tử cụ thể với mục đ ch kiểm chứng ảnh hưởng của một vài thông sốlên công suất và phổ SC

Nội dung nghiên cứu

- Dẫn giải phương trình lan truyền xung cực ngắn trong môi trường sợitinh thể quang tử Từ đ khảo sát ảnh hưởng của tán sắc bậc cao và phi tuyếnlên quá trình mở rộng phổ

- Đề xuất và nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc của sợiPCF đã đề xuất lên đặc trưng tán sắc, bước sóng tán sắc không và hệ số phi

tuyến Từ đ rút ra giá trị tối ưu cho quá trình phát siêu liên tục ở bước sóng

C ư n : C sở về sợi tin t ể quan tử

Trong chương này, chúng tôi trình bày về lịch sử phát triển, cấu t o vàphân lo i sợi quang, sợi tinh thể quang tử Cuối cùng, chúng tôi nêu lên cácđặc t nh truyền dẫn của sợi tinh thể quang tử

C ư n : Lan truyền xun tron sợi quan p i tuyến

Trong chương này, chúng tôi dẫn giải phương trình lan truyền xungtổng quát trong sợi quang, khảo sát các hiệu ứng gây ra bởi tán sắc bậc cao và

phi tuyến lên xung ngắn và cực ngắn khi lan truyền trong sợi quang (tán sắc bậc cao, tán x Raman, hiện tượng tự dựng xung…).

C ư n 3: K ảo sát quá trình lan truyền xung cực ngắn trong sợi tinh thể quang tử PCF - ethanol

Trong chương này, chúng tôi trình bày về mô hình sợi tinh thể quang tửlõi đặc có các lỗ được lấp đầy chất lỏng ethanol, khảo sát các đặc tính tán sắc và

đường kính d của lỗ vòng trong cùng của sợi PCF PBG 08 - ethanol Tiếptheo, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của các tham số xung bơm lên quá trìnhphát siêu liên tục trong sợi PCF PBG 08 - ethanol Và cuối cùng, chúng tôitrình bày thí nghiệm phát siêu liên tục trên sợi mẫu có sẵn ở phòng thí nghiệmnhằm kiểm chứng một vài kết quả lý thuyết

Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang bắt đầu từ khi conngười sử dụng lửa để làm phương tiện truyền dẫn thông tin cho đến nay, đãtrải qua nhiều mốc quan trọng Mốc quan trọng nhất là sự ra đời của laserRubi vào năm 1960 ần đầu tiên, một nguồn sáng m nh đơn sắc và kết hợp ho

t động ở một bước sóng quang (nhìn thấy) trở thành hiện thực Đây ch nh làxuất phát điểm của thông tin quang hiện đ i Tuy nhiên, sử dụng nguồn sángnày trong không khí có nhiều h n chế do ảnh hưởng của môi trường truyềndẫn (thời tiết khí hậu mưa, sương mù, tuyết bụi…) Vì l do thực tế này, nênxuất hiện nhu cầu có một lo i dây dẫn quang đặc biệt

Năm 1966, Kao, Hockman và Werts đề xuất sử dụng thủy tinh đểtruyền dẫn ánh sáng Họ nhận thấy sự suy hao của sợi dẫn quang chủ yếu là

do t p chất có trong vật liệu chế t o gây ra Năm 1970, Kapron, Keck vàMaurer chế t o thành công sợi thủy tinh c suy hao 20 dB/km Năm 1972, lo isợi quang GRIN được chế t o với tốc độ suy hao 4 dB/km Năm 1983, sợi đơnmode SM được sản suất ở Mỹ [51]

Với sự cố gắng không ngừng nghỉ của các nhà khoa học và sự pháttriển m nh của công nghệ, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ lần lượt ra đời

Hai thập kỉ tiếp theo, sợi dẫn quang đã đ t tới mức suy hao rất nhỏ dưới 0,154dB/km t i bước sóng 1550 nm, gần với giá trị lí thuyết là 0,14 dB/km.

Trong chuỗi lịch sử phát triển đầy m nh mẽ của sợi quang, xuất hiện sự

ra đời của sợi tinh thể quang tử PCF, sợi quang có cấu trúc micro hay sợiquang có cấu trúc lỗ Đ là những tên gọi dành cho nhóm các lo i sợi quangđược chế t o dựa trên sự sắp xếp tuần hoàn: cấu trúc lỗ trống micro mét baobọc bởi silic Lo i cấu trúc này cho phép nén ánh sáng trong sợi quang và dẫntruyền ánh sáng trong lõi silic (sợi lõi chiết suất cao) hoặc dẫn truyền ánhsáng trong lõi không khí (sợi lõi chiết suất thấp)

Đầu tiên là ý tưởng về sợi Bragg xuất hiện năm 1978, những sợi này làcuộc cách m ng viễn thông với các thành phần là cảm biến và bộ lọc, nhưng

có h n chế là k ch thước và mất mát lớn Năm 1992, ý tưởng về sợi PCF vớilõi không kh được đề xuất Năm 2000 xuất hiện thế hệ PCF mới, được ứngdụng vào quá trình phát siêu liên tục, phát siêu liên tục là một hiện tượng liênquan đến sự mở rộng phổ của một xung vào dải hẹp khi lan truyền trong môitrường phi tuyến [1, 42, 43] Sợi quang tinh thể không chỉ cung cấp các chứcnăng cơ bản như sợi quang thông thường, mà còn có rất nhiều các tính chấtmới mà sợi quang thường không c được Đến nay, trên thế giới người ta đãnghiên cứu và sản xuất ra lo i sợi tinh thể quang có chiều dài lớn, suy hao rấtthấp, đáp ứng khá tốt yêu cầu sử dụng (Bảng 1.1) Các sợi quang tinh thể vớinhững ưu điểm nổi trội của n , đã và đang c rất nhiều ứng dụng vào việc thiết

kế các bộ cảm biến, chuyển tần số, cũng như rất nhiều ứng dụng trong hệthống thông tin quang

Bảng 1.1 T m lược quá trình phát triển của sợi PCF

1992 tưởng về sợi quang tinh thể c lõi chứa không kh

1996 Chế t o sợi quang đơn mode c lớp bọc bằng quang tử

1997 Sự ra đời sợi quang tinh thể đơn mode, liên tục

1999 Sợi quang tinh thể với dải vùng cấm và lõi chứa không kh

2000 Sợi quang tử tinh thể khúc x kép mức độ cao

2001 Chế t o thành công sợi quang tử Bragg

2002 Sợi tinh thể quang tử với tán sắc siêu phẳng

2003 Sợi quang tử Bragg với silica và lõi không kh

2004 Sợi tinh thể quang tử Chalcogenide (CPCF)

2006 Sợi tinh thể quang tử hybrid

2009 Sợi quang tinh thể lõi rỗng

2014 PCF cảm biến dịch chuyển nano

2019 PCF với các cấu hình m ng khác nhau được dẫn nhập các chất

lỏng khác nhau

Sự phát triển và ứng dụng của các hệ thống sợi quang đã bùng nổ do sựkết hợp của công nghệ bán dẫn, công nghệ đã cung cấp các nguồn ánh sáng vàcác bộ tách quang cần thiết và công nghệ ống dẫn sóng quang Kết quả t o racác tuyến truyền dẫn thông tin c các ưu điểm nổi bật: suy hao thấp, độ rộngbăng lớn, độ ổn định cao, cách điện tốt, kích cỡ trọng lượng nhỏ, bảo mật vànguyên liệu thô sẵn có Vì vậy, hệ thống thông tin sợi quang đã ngày càngchiếm ưu thế và giữ vai trò chủ đ o trên các tuyến truyền dẫn thông tin củaViệt Nam và trên toàn Thế giới

1.2 Cấu tạo và phân loại sợi quang

1.2.1 Cấu tạo sợi quang

1.2.1.1 Sợi quan t ôn t ường

Sợi quang thông thường là một ống dẫn s ng điện môi, ho t động t i tần

số quang Cấu t o cơ bản của một sợi quang thông thường có d ng hình trụ

tròn, bao gồm hai lớp chính là lớp lõi sợi có chiết suất n1 và lớp vỏ sợi bao

bọc quanh lõi có chiết suất n2 (hình 1.1) Ánh sáng truyền trong sợi quang dựatrên nguyên lý phản x toàn phần Chiết suất lớp vỏ ngoài cùng phải nhỏ hơn

chiết suất lớp lõi (n2 < n1) Theo nguyên lý, lớp vỏ không có vai trò trong việctruyền ánh sáng trong sợi, nhưng n được sử dụng cho một số mục đ ch nhưgiảm suy hao tán x , cũng như hấp thụ t i bề mặt lõi, cải thiện đặc tính dẫnsóng trong sợi quang

Hình 1.1 Cấu t o sợi quang thông thường

Ngoài hai lớp cơ bản lõi và vỏ sợi, sợi quang sử dụng trong thực tế cònđược bọc thêm một hoặc một vài lớp bọc đệm bằng vật liệu polyme có

t nh đàn hồi cao nhằm mục đ ch gia tăng độ bền cho sợi quang và giảm cáckhuyết tật trên bề mặt sợi quang, đảm bảo khả năng sử dụng trong môi

trường thực tế

1.2.1.2 Sợi tinh thể quang tử (PCF)

Sợi tinh thể quang tử (PCF - Photonic Crystal Fiber) là sợi quang đượcchế t o dựa trên t nh chất của các tinh thể quang tử (hình 1.2) T nh chất đặcbiệt của sợi là c khả năng giam ánh sáng bên trong vùng lõi (điều này làkhông thể đối với sợi quang thông thường) [6, 40]

Hình 1.2 Mô tả về sợi quang tinh thể

a: Sợi PCF cấu trúc lõi rỗng; b: Sợi PCF cấu trúc lõi đặc, c: Tham số m ng

PCF cơ bản là sợi được chế t o từ hợp chất silica đ ng vai trò vật liệunền Trong vật liệu nền đ c các lõi rỗng hay các lỗ kh (air hole) ch y songsong với trục của sợi như là ống mao dẫn PCF khác với các sợi quangthông thường ở đặc điểm là lõi vỏ của sợi đều được làm từ cùng một vậtliệu Các t nh chất đặc biệt của sợi quang tử được bắt nguồn từ sự c mặt củacác lỗ kh , chúng đ ng vai trò như một lớp vỏ c cấu trúc tinh thể hai chiều

.3 N uy n l truyền án sán tron sợi quan tử

Một khi ánh sáng gặp giao diện bất kỳ giữa thủy tinh và không kh , haygiữa thủy tinh và các vật liệu dẫn nhập thì thành phần của véc tơ s ng songsong với giao diện được bảo toàn Trong PCF có cấu trúc m ng là không đổidọc theo chiều dài thì giao diện của lõi và lớp vỏ luôn song song với trục sợiquang (trục z), vector bảo toàn được gọi là hằng số truyền Hằng số truyền

 nhận được bằng cách giải phương trình véc tơ Maxwell–Helmholtz Nếu

thì phương trình truyền sóng ngang z của từ trường Hđược biểu diễn như sau[1, 51]:

= 2π λ là vector sóng trong chân không

tương ứng với bước s ng λ Đối với một giá trị nhất định của hằng số truyền,

 ≥ nk0, ánh sáng sẽ bị cấm Kết quả là ánh sáng bị giam trong miền chiếtsuấtcao hơn

Hình 1.3 Sơ đồ truyền s ng trong sợi quang tử PCF

Chế độ dẫn s ng hoặc bị chặn trong sợi quang được phân t ch qua sơ đồtruyền lan s ng ánh sáng, được mô tả trong hình 1.3 Sơ đồ lan truyền chothấy mối quan hệ giữa hằng số truyền và tần số s ng ánh sáng được chuẩn h avới khoảng cách giữa lỗ không kh Λ (pitch) Qua sơ đồ này cho phép chúng

ta hiểu rõ ràng các cơ chế lan truyền của s ng ánh sáng trong các lo i sợi

quang nói chung và sợi quang tử n i riêng

Các chế độ truyền của sợi quang tử PCF với chiết xuất trung bình

n air-glass của lớp vỏ c cấu trúc lỗ kh siêu nhỏ được biểu diễn trên hình 1.3.Trong đ trục hoành mô tả hằng số truyền chuẩn h a βΛ , tần số chuẩn h a

là trục tungωΛ /c Các điểm , B và các vùng đánh dấu trong hình được mô tả như sau:

- Vùng 1 ( β < n air k0 ) các giá trị β nằm bên trên đường ánh sáng - khôngkhí (red line) khi đ ánh sáng lan truyền tự do ở tất cả các vùng của PCF:

không kh , lớp vỏ thủy tinh - không kh và lõi thủy tinh

- Vùng 2 ( n air k 0 < β < n air - glass k0 ) ánh sáng truyền trong lớp vỏ thủytinh-không kh và lõi thủy tinh tinh khiết, nhưng không cho phép ở trongkhông khí

- Vùng 3 ( n air-glass k0 < β < n core k0 ) ánh sáng chỉ được cho phép truyền

trong lõi đặc (điểm B) tương tự như cơ chế nội phản x hoàn toàn (TIR) trongcác sợi truyền thống

- Vùng 4 ( β >n core k0 ) ánh sáng bị cấm với mọi giá trị chiết suất n Giống như chế độ TIR trong sợi thông thường, PCF c lõi rắn c thể dẫn ánhsáng vì chiết suất trung bình của lớp vỏ thủy tinh - không kh luôn nhỏ hơn lõithủy tinh tinh khiết mà không phụ thuộc vào cấu trúc phân bố của các lỗ

không kh , tức là điều kiện dẫn s ng n < β < n luôn được thỏa mãn

air −glass k core

0

Một đặc t nh kỳ diệu của PCF là lõi của n giữ đơn mốt với bước s ng truyềnbất kỳ, hay n i cách khác n là sợi quang đơn mốt vô tận (ESM - PCF),

không giống với sợi quang truyền thống là c xu hướng trở thành sợi đa mốtđối với bước s ng ngắn hơn.

Một t nh chất đặc biệt khác và duy nhất của PCF, đ là chúng đ ng g p

cơ chế dẫn ánh sáng khác gọi là các vùng cấm quang tử Tùy theo cách thiết

kế hợp lý lớp vỏ bao gồm các mảng thủy tinh - không kh phân bố tuần hoàntrên nền thủy tinh tinh khiết, chúng ta c thể t o thành các vùng mà ánh sáng

bị cấm t i các giá trị xác định của hằng số truyền β Các vùng cấm quang tửhoàn toàn FBPG (full photonic bandgaps) được biểu diễn bằng các dải màuđen trong hình 1.3 Các dải vùng cấm c thể xuất hiện ở các vùng 1 và 2 và điqua đường không kh - ánh sáng để cắt đường dẫn t i điểm Chú ý rằng cácđiểm như điểm chỉ c thể xuất hiện trong HC - PCF Do đ , s ng ánh sáng

c thể truyền trong không kh (lõi rỗng) nhưng không thể truyền qua lớp vỏ

do bị chặn bởi vùng cấm quang tử Cơ chế này không xuất hiện trong sợiquang thông thường, bởi vì lõi rỗng c chiết suất nhỏ hơn so với lớp vỏ thủytinh - không khí

Nếu như sơ đồ truyền s ng cho phép đánh giá định tính về vị tr của cácvùng cấm quang tử, thì mật độ tr ng thái (density of state - DOS) cung cấpthông tin về cấu trúc dải và vùng bước s ng bị cấm Điều này cho phép chúng

ta sử dụng các tham số đối với việc chế t o PCFs cho dải bước s ng truyền

trong mặt phẳng ω − β Số mốt điện từ trong một đơn vị cơ sở, trong một đơn

vị chiều dài đồng trục (trục z ) trong khoảng số s ng vô h n từ k tới k+ dk vàdải chiết suất hiệu dụng vô h n từ n eff tới n eff + dn eff đƣợc xác định bởi

trong miền Brillouin bậc 1 kết hợp với t nh tuần hoàn của lớp vỏ và xác định

bề mặt tán sắc ( ) Vùng cấm được xác định không c DOS trong mặt

phẳng k−n .

eff

Hình 1.4 Cấu trúc lớp vỏ và DOS tương ứng với lỷ lệ chứa khí khác nhau:

a) Cấu trúc mảng d ng tổ ong b) Biên DOS càng mở rộng khi d/Λ tăngHình 1.4 (a) mô phỏng cấu trúc của lớp vỏ của sợi PCF bao gồm m ngcấu trúc hình lục giác giống như tổ ong chứa lỗ không kh - tinh thể phân bốtuần hoàn với tỷ lệ giữa đường k nh lỗ không kh và khoảng cách các lỗ không

kh hoặc tỷ lệ dẫn nhập (air filling fraction) d / Λ với các giá trị lần lượt là90%, 94%, 99%, 100% [48] Hình 1.4 (b) mô phỏng DOS tương ứng cho các

tỷ lệ d / Λ khác nhau nằm trên đường chân không (vacuum line) DOS đượcbiểu diễn như hàm của Λ ( β −k ) và Λk Mật độ tr ng thái DOS được mô tảbằng các màu khác nhau trên hình, khoảng màu trắng được giới h n bởi

các miền c viền màu (đỏ) ch nh là độ rộng vùng cấm quang tử (BPG) Kết quảcũng chỉ ra rằng tỉ lệ dẫn nhập kh càng lớn (tỉ số d/Λ càng lớn) thì độ rộng vùng cấm càng rộng và ngược l i Vị tr và chiều rộng của vùng cấm c thể được điều khiển bởi thiết kế cấu trúc lớp vỏ Các giá trị pitch Λ khác nhau sẽ cho các vị tr khác nhau của các dải dẫn.

1.2.2 Phân loại sợi quang

1.2.2.1 Phân loại theo vật li u chế tạo

Dựa vào vật liệu chế t o thì các lo i sợi quang thường được chế t o từhai lo i vật liệu trong suốt là thủy tinh và nhựa Trong lĩnh vực viễn thông cácsợi quang sử dụng được chế t o từ thủy tinh cả phần lõi và vỏ Còn các sợiquang được làm từ nhựa c độ bền cơ học cao nhưng k ch thước lớn, suy haocao hơn nhiều so với sợi thủy tinh Một số lo i được chế t o lõi bằng thủy tinh,lớp vỏ làm bằng nhựa để phù hợp với nhu cầu sử dụng Do dựa trên hai lo ivật liệu chính khác nhau nên cửa sổ truyền dẫn có suy hao thấp của mỗi lo ikhông giống nhau

1.2.2.2 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ

Dựa vào phân bố chỉ số khúc x của lõi sợi có thể phân sợi quang thànhhai nhóm: sợi quang có chiết suất phân bậc (STIN) và sợi quang có chiết suấtthay đổi (GRIN)

Hình 1.5 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang STIN

Sợi quang có chiết suất phân bậc STIN là lo i sợi có chiết suất của lớp

vỏ và lõi sợi không đổi và khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Cáctia sáng được truyền vào một đầu sợi quang với các góc khác nhau sẽ truyền

theo những đường khác nhau (hình 1.5) với cùng một vận tốc, dẫn đến thờigian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi hay nói cách khác quangtrình của các tia khác nhau, xuất hiện sự mở rộng xung tương tự như hiệntượng “tán sắc ánh sáng” khi xung truyền theo một đường xác định Khi đưamột xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi l i nhận được xung ánh sáng rộng hơn ởcuối sợi Do có hiện tượng “tán sắc” lớn nên sợi quang STIN không thểtruyền tín hiệu quang số có tốc độ cao qua cự li dài Nhược điểm này có thểkhắc phục được trong sợi quang GRIN.

Trong sợi quang GRIN có d ng phân bố chiết suất lõi hình parabol, tiasáng truyền trong lõi bị uốn cong dần do chiết suất của lõi thay đổi một cáchliên tục được thể hiện ở hình 1.6

Hình 1.6 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang GRIN

Do phân bố chiết suất giảm dần từ tâm ra biên nên đường truyền củacác tia sáng trong sợi GRIN không đều nhau và vận tốc của các tia cũng thayđổi Các tia truyền xa trục c đường truyền dài hơn và vận tốc lớn hơn vì chiếtsuất nhỏ hơn Các tia tuyền gần trục c đường truyền ngắn hơn và vận tốc béhơn Vì vậy, tia sáng dọc theo trục sẽ c đường truyền ngắn nhất và tốc độ bénhất vì chiết suất lớn nhất Từ đ c thể khẳng định trong sợi GRIN, quang trìnhcủa các tia truyền theo các góc khác nhau gần bằng nhau, hay nói cách khác

độ “tán sắc” của sợi GRIN nhỏ hơn khi so sánh với sợi STIN

1.2.2.3 Phân bố theo mode lan truyền

Khi ánh sáng truyền trong sợi quang sẽ theo nhiều quang trình khácnhau Tr ng thái ổn định của các đường này được gọi là những mode Nhưvậy, mode sóng là một tr ng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang.Dựa vào số mode lan truyền thì sợi quang được chia làm hai nhóm: sợi quangđơn mode (SM-single mode) và sợi quang đa mode (MM-multi mode)

Hình 1.7 Truyền ánh sáng trong sợi SM, sợi MM STIN và sợi MM GRIN [3]

Sợi quang MM là sợi quang cho phép đồng thời nhiều mode truyền dẫntrong nó Sợi quang MM được phân làm hai lo i: Sợi MM STIN và MMGRIN

Sợi c k ch thước lõi chỉ cho phép một mode s ng cơ bản truyền qua gọi

là SM

Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đều là các sợi thủy tinh nêndựa trên sự kết hợp giữa hai yếu tố mặt cắt chiết suất và số lượng mode có thể

phân sợi quang thành ba lo i chính: 1) Sợi MM STIN, 2) Sợi MM GRIN và 3)Sợi SM (hình 1.7).

1.2.2.4 Phân loại theo cấu trúc đặc bi t

Sợi quang thường gồm có 2 hình trụ thuỷ tinh đồng tâm với chiết suấtkhác nhau Nếu như chiết suất của lõi bên trong cao hơn bên ngoài, thì sự dẫnxảy ra thông qua phản x nội toàn phần (TIR) t i ở biên tiếp giáp giữa lõi vàlớp vỏ Trong phần lớn sợi thông thường, khác biệt trong chiết suất giữa lõi

và vỏ là khá nhỏ (0,1%), và nhiều đặc trưng lan truyền khác có thể dễ dàngđược phân tích [44]

Sợi PCF là sợi vi cấu trúc có lớp vỏ có cấu trục m ng tinh thể nhờ các lỗkhí (hoặc chất lỏng dẫn nhập) ch y dọc theo chiều dài sợi bao quanh vùng lõi

- là vùng lõi (defected region) của m ng Như đã trình bày ở trên, sự sắp xếpcấu trúc của các lỗ trong một sợi PCF sẽ xác định đặc tính dẫn sáng trong sợi.Khả năng thay đổi đặc trưng truyền dẫn bằng cách thêm vào cấu trúc siêu nhỏtrong thành phần chiết suất của sợi quang được gợi ý vào những năm 1970nhưng chỉ sau công trình kinh điển của Russel và cộng sự năm 1996 [45] cáchchế t o những sợi này mới trở nên thông dụng

Tuỳ thuộc vào d ng hình học đặc trưng của PCF, lan truyền ánh sáng cóthể xảy ra theo một trong hai cách Lo i thứ nhất gọi là PCF - hollow core (HC

- PCF), sợi có một lõi rỗng ở tâm của cấu trúc Ở lo i này, lan truyền quanghọc qua vùng cấm có thể xảy ra, và các HC - PCF này thu hút nhiều sự quantâm của các nhà khoa học Triển vọng của nó trong truyền phát không hao tổn

và không méo, bẫy h t, cảm ứng quang học và cho những ứng dụng mới trongquang học phi tuyến [47 - 49], ví dụ như phát x Raman cưỡng bức kết hợptrong HC - PCF chứa khí H2 [55]

Lo i thứ hai, PCFs có lõi rắn ở tâm của cấu trúc, vì thế sợi cấu thành từvùng có thuỷ tinh rắn bao quanh bởi một mảng các lỗ trống ch y dọc theochiều dài của nó (hình 1.2 b) Ở trong lo i PCFs này, chiết suất hiệu dụng ởvùng trung tâm của chúng cao hơn vùng lỗ trống bao quanh (thường đượcnhắc đến như là lớp vỏ tinh thể quang tử) và sự truyền dẫn xảy ra thông quaphản x toàn phần [48].

Hình 1.8 Phân lo i các lo i sợi tinh thể quang tử theo cấu trúc

Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu và sản xuất ra các lo i sợi quang tinhthể có chiều dài lớn, suy hao rất thấp Sự đa d ng trong việc thay đổi cấu trúc

m ng (tam giác - suspended, tứ giác, bát giác,…), thay đổi các chất dẫn nhậptrong các lỗ, và thay đổi thông số m ng như k ch thước các lỗ, khoảng cáchgiữa các lỗ (pitch)… đã được nghiên cứu mang l i cho sợi PCF những tínhchất độc đáo và hữu ích mà sợi quang thông thường không có

được và đ ng g p rất lớn cho sự phát triển của ngành thông tin quang sợi trêntoàn thế giới Hai lo i sợi trên còn được chia thành các lo i chi tiết hơn dựavào cấu trúc và đặc tính lan truyền đặc tính lan truyền đặc trưng của chúngnhư trong hình 1.8.

Ngoài các cách phân lo i cơ bản trên, dựa vào mục đ ch và t nh năng sửdụng sợi quang còn có nhiều cách phân lo i khác Nếu dựa vào đặc tính truyềndẫn thì còn có các lo i: sợi dịch tán sắc, bù tán sắc, sợi duy trì phân cực, sợiphi tuyến

1.3 Một số tín c ất của sợi quan

.3 Tán sắc đối với sợi quan đ n mode

Hiện tượng tán sắc là hiện tượng tín hiệu ánh sáng ch y dọc theo cácsợi quang bị méo do tán sắc bên trong mode kết hợp với hiệu ứng trễ giữa cácmode gây ra Hiệu ứng tán sắc ở đây có thể đánh giá được bằng việc khảo sát

tr ng thái các vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn Vận tốc nhóm là tốc độnăng lượng trong mode riêng biệt lan truyền dọc theo sợi Tán sắc bên trongmode là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng, xảy ra ở trong một mode, trong quátrình lan truyền Do tán sắc bên trong mode chỉ phụ thuộc vào bước sóng nênảnh hưởng của tán sắc bên trong mode tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sựtăng của độ rộng phổ nguồn phát Chúng ta có thể mô tả độ dãn xung bằngcông thức sau [51]:

τ

n / dλ, tán sắc

tổng trên sợi quang Tán sắc tổng trên sợi dẫn quang bao gồm: Tán sắc vậtliệu, tán sắc mode và tán sắc ống dẫn sóng.

Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào k ch thước sợi quang, đặc biệt làđường kính của lõi sợi Tán sắc mode tồn t i trên các sợi đa mode Nguyênnhân các mode trong sợi này sẽ lan truyền theo các quang trình khác nhau,dẫn đến thời gian lan truyền cũng khác nhau Các sợi quang đơn mode thìkhông có tán sắc mode Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng do sự thayđổi về chỉ số chiết suất của vật liệu cấu t o lõi gây nên Điều này làm cho cácbước sóng luôn phụ thuộc vào vận tốc nhóm của bất kỳ mode lan truyền nào.Tán sắc ống dẫn sóng do sợi đơn mode gây ra chỉ giữ được cỡ 80% nănglượng ở trong lõi sợi Còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn nănglượng ở trong lõi sợi Tán sắc ống dẫn sóng còn phụ thuộc vào thiết kế củasợi Hằng số lan truyền mode β là một hàm số của λa , trong đ a là bán k nh

lõi truyền, λ là bước sóng sóng truyền, thường bỏ qua trong sợi đa modenhưng l i cần được quan tâm ở sợi đơn mode Tán sắc tổng hợp ở sợi đamode được tính như sau:

[(tán sắc bên trong mode)2 + ( tán sắc mode)2]1/2 = tán sắc tổng

Đối với sợi MM - GRIN, chiết suất lõi sợi giảm dần từ trục sợi ra vỏ.Các tia sáng c đường đi gần ranh giới tiếp giáp lõi - vỏ sẽ truyền với vận tốcnhanh hơn Các tia gần trục sợi truyền chậm hơn Cho nên thời gian lan truyềncân bằng Điều này làm cho tín hiệu t méo hơn ở sợi MM-STIN Còn đối vớisợi SM sẽ không có tán sắc mode mà chỉ tồn t i tán sắc dẫn sóng và tán sắc vậtliệu Bây giờ, chúng ta sẽ xem xét và phân tích các lo i tán sắc trong sợi đơnmode

1.3.1.1 Tán sắc vận tốc nhóm

Mặc dù trong sợi quang đơn mode không c tán sắc mode, nhưng sự dãnxung vẫn xảy ra Nguyên nhân là do vận tốc nhóm của mode cơ bản phụthuộc vào bước sóng Hay nói cách khác, các thành phần phổ khác nhau củaxung quang lan truyền ở vận tốc nhóm khác nhau, gây ra tán sắc vận tốcnhóm (GVD) Vận tốc nhóm là vận tốc t i đ năng lượng trong một xungquang lan truyền dọc theo chiều dài của sợi

Khái niệm vận tốc nhóm được phân biệt với khái niệm vận tốc pha.Vận tốc pha là vận tốc t i đ pha của sóng quang lan truyền qua môi trường sợiquang và được xác định bởi:

v = dz = ω

p

ở đây dz, dt là sự thay đổi về khoảng cách và thời gian lan truyền tương ứng,

ω là tần số góc của sóng quang với số sóng k0 = ω/c = 2π/λ

Sự phụ thuộc của vận tốc nhóm vào thành phần tần số dẫn đến sự dãnxung trong quá trình lan truyền bên trong sợi quang Nếu gọi Δω là độ rộngphổ của xung quang, thì độ dãn xung trên một đơn vị chiều dài được xác địnhbằng biểu thức [6]:

2 được gọi là hệ số tán sắc vận tốc nhóm, nó xác định mức

độ dãn xung khi lan truyền trong sợi quang

Trong thông tin quang, độ rộng phổ của tần số được xác định bởi dảibước s ng Δλ phát x từ nguồn quang được điều biến Bằng cách thay = 2 πc

B

trong đ , B là tốc độ bit (bit rate), L là chiều dài truyền lan [51]

Biểu thức (1.11) đã đưa ra một sự ước lượng cấp biên độ của tích BL chocác sợi quang đơn mode Đối với các sợi thuỷ tinh tiêu chuẩn, giá trị của D làtương đối nhỏ trong vùng gần bước sóng 1310 nm (có thể đ t tới xấp xỉ 1