Chế tạo và khảo sát laser sợi quang sử dụng cách tử bragg trong hộp cộng hưởng

Nhờ những tính năng nổi bật so với các loại laser khác như nhỏ gọn, công suất cao, dễ dàng dẫn chùm tia tới các vị trí khác nhau mà không cần hệ quang phức tạp, hiệu suất cao, phổ khuếch

-

CAO XUÂN QUÂN

LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ

HÀ NỘI -2008

-

CAO XUÂN QUÂN

Chuyên ngành: Phân tích và Đo luờng

LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PH ẠM VĂN HỘI

HÀ NỘI -2008

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng: Đây là công trình khoa học chưa được cá nhân hoặc tổ chức nào công bố Tất cả các số liệu trong luận văn đều trung thực, khách quan và được tôi trực tiếp làm trong phòng Vật liệu và Ứng dụng quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu thuộc viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Hà Nội, Ngày 10 tháng 12 năm 2008

Người cam đoan

Cao Xuân Quân

M ỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 1

M ỤC LỤC 2

CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

CÁC KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

MỞ DẦU 10

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LASER SỢI QUANG 12

1.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của laser sợi quang 12

1.2 Môi trường hoạt chất: sợi quang pha tạp đất hiếm 16

1.3 Cấu hình bơm cho laser sợi quang 20

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI QUANG 24

2.1 Cách tử Bragg trong sợi quang 24

2.1.1 Các tính năng chính của FBG 25

2.1.2 Điều kiện bước sóng cách tử Bragg 25

2.1.3 Ứng dụng của FBG trong thông tin quang 29

2.2 Các phương pháp chế tạo FBG 31

2.3 Ảnh hưởng điều kiện môi trường đến sự dịch bước sóng phản xạ 33

2.3.1 Ảnh hưởng của sức căng 34

2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 35

2.3.3 Tính cảm biến của FBG 35

Chương 3: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ĐẤT HIẾM Er 3+ (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier) 37

3.1 Cơ sở của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+ 37

3.1.1 Hệ phương trình tốc độ 37

3.1.2 Hệ phương trình truyền dẫn trong khuếch đại 41

3.1.3 Khuếch đại bức xạ tự phát 42

3.2 Những thông số đặc trưng của một bộ khuếch đại quang EDFA 44

3.2.1 Phổ tăng ích và băng tần 44

3.2.2 Hệ số khuếch đại 47

3.2.3 Tăng ích bão hòa 50

3.2.4 Phổ ASE 50

3.2.5 Thông số tạp âm 52

3.3 Các cấu hình bơm cho khuếch đại quang EDFA 55

3.4 Những ưu, nhược điểm của bộ khuếch đại quang EDFA 58

3.5 Các ứng dụng của khuếch đại EDFA trong mạng truyền dẫn quang 59

3.5.1 Khuếch đại công suất 60

3.5.2 Khuếch đại trên tuyến 60

3.5.3 Tiền khuếch đại 61

Chương 4: Chế tạo và Khảo sát Laser sợi quang sử dụng cách tử Bragg 62

4.1 Thiết kế và chế tạo FBG trong vùng sóng 1530-1580nm 62

4.1.1 Cách tử sợi quang (FBG) 62

4.1.2.Nguyên lý chế tạo cách tử sợi quang Bragg (FBG): 63

4.1.2 Lựa chọn phương pháp và tiến hành 67

chế tạo cách tử sợi quang Bragg 67

4.2 Khảo sát Laser sợi quang sử dụng cách tử Bragg 74

BÀN LUẬN: 82

KẾT LUẬN: 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

C ÁC KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG

ν

sp

sp

neff Effective Chiết suất hiệu dụng

SE

A

chùm tia giao thoa

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Các sợi quang điển hình và khoảng bước sóng phát xạ laser … 16 Bảng 2.1: Bảng cảm biến của FBG 35 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của nguồn laser tử ngoại 63 Bảng 4.2: Sự thay đổi của công suất tín hiệu ở bước sóng 1557.8nm

khi thay đổi sông suất bơm……….… 80 Bảng 4.3: Sự thay đổi của công suất tín hiệu ở bước sóng 1552.60 nm

khi thay đổi sông suất bơm……… 80

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ mức năng lượng của ion Er3+ ……… 12

Hình 1.2: a) Phổ hấp thụ của sợi quang pha tạp erbium; b) Phổ huỳnh quang của ion Er3+ xung quanh 1500 nm từ 3 loại sợi

quang có chất đồng pha tạp khác nhau………13

Hình 1.3: a) Cấu hình cơ bản của một laser sợi quang b) Hình ảnh của một laser sợi quang……… 14

Hình 1.4: Phương pháp để tạo sự phản hồi trong BCH laser sợi quang…….15

Hình 1.5: Tiết diện hấp thụ và phát xạ của thủy tinh germanosilicate pha tạp

ion ytterbium dùng làm hoạt chất cho laser sợi (a) và các chuyển dời chính liên quan tới hoạt động của laser sợi Yb3+ (b)……… …….18

Hình 1.6: Các cấu hình bơm laser sợi a) Bơm từ hai đầu; b) Bơm bên phân bố…….……… ……21

Hình 1.7: Các cấu trúc sợi quang hoạt chất……….22

Hình 1.8: So sánh thanh diode so với đầu phát đơn được dùng để bơm laser sợi………23

Hình 2.1 Phổ truyền qua và phổ phản xạ của FBG……… …… ….24

Hình 2.2 Phản xạ Bragg 26

Hình 2.3: Cách tử sợi Bragg, phổ phản xạ của ánh sáng sau khi qua FBG 27

Hình 2.4 Hệ thống chọn bước sóng, ghép kênh theo bước sóng mật độ cao 29

Hình 2.5 Cấu trúc GeO2 trong lõi Sợi quang 31

Hình 2.6 Chế tạo FBG 32

Hình 2.7 Chế tạo FBG theo phương pháp mặt nạ pha 33 Hình 3.1: Sơ đồ hệ 3 mức năng lượng 37 Hình 3.2: Đồ thị sự phụ thuộc của công suất ASE (đồng hướng và ngược

hướng) theo vị trí trên sợi quang dài 14m được bơm bằng bước sóng 980nm với công suất 20mW 43 Hình 3.3: Phổ tín hiệu ra 47 Hình 3.4: Sự thay đổi hệ số khuếch đại, công suất bơm, độ dài bộ khuếch đại

và công suất tín hiệu lối ra 48 Hình 3.5: Sự thay đổi tăng ích

a) Theo bước sóng b) Theo công suất tín hiệu đầu vào ……… ….…… 49 Hình 3.6: Phổ ASE với công suất bơm là 4, 6, 8, 15 và 20mW

(a) đồng hướng

(b) ngược hướng……… 51 Hình 3.7: Sự phụ thuộc của thông số tạp âm theo:

a) tăng ích

Hình 3.8: Cấu hình bơm đồng hướng… ……… 55 Hình 3.9: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài sợi……… 56 Hình 3.10: Cấu hình bơm ngược hướng……… 56 Hình 3.11: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài………… 57 Hình 3.12: Cấu hình bơm song công……… 57 Hình 3.13: Đồ thị sự phụ thuộc cường độ tín hiệu theo chiều dài………… 57 Hình 3.14: Phổ tăng ích không đồng đều trong vùng bước sóng 1550nm… 59 Hình 3.15: Khuếch đại công suất………60 Hình 3.16: Khuếch đại trên tuyến……… ………60 Hình 3.17: Khuếch đại công suất……… …….61

Hình 4.1: Cơ chế tạo phổ truyền qua, phản xạ của cách tử sợi quang FBG…62

Hình 4.2: Mô hình chế tạo cách tử FBG bằng phasemask……… … 65

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý hệ chế tạo FBG bằng phương pháp giao thoa kế Talbot……… 66

Hình 4.4 Sơ đồ hệ chế tạo FBG bằng phương pháp giao thoa kế…… … 69

Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý chế tạo cách tử FBG bằng phương pháp gương giao thoa kế……… … 71

Hình 4.6: Sơ đồ cấu hình đo phổ phản xạ của cách tử FBG……….72

Hình 4.7: Sơ đồ cấu hình đo phổ truyền qua của cách tử FBG………… 72

Hình 4.8: Ảnh phổ truyền qua và phản xạ của FBG tại bước sóng λ=1533.8nm……… ……….73

Hình 4.9: Ảnh phổ phản xạ của FBG tại bước sóng λ=1557.14 nm và λ=1542.5 nm………73

Hình 4.10: Ảnh phổ truyền qua và phản xạ của FBG tại bước sóng λ=1550.2nm ……… 73

Hình 4.11 Sơ đồ 3 mức năng lượng của Er3+ ……….74

Hình 4.12 Sơ đồ laser sợi với sợi quang pha tạp Er3+……… 75

Hình 4.13 Phổ tín hiệu của laser sợi……….……… 76

Hình 4.14 Phổ tín hiệu của laser sợi……….………… 76

Hình 4.15 Sơ đồ laser sợi sử dụng cách tử Bragg……… 77

Hình 4.16 Phổ laser với cách tử 552.6nm……….……….……….79

Hình 4.17 Phổ laser với cách tử 1557.8nm……… ………….……….79

MỞ DẦU

Laser sợi quang (Fiber Laser) được phát minh từ khoảng giữa những năm

80 của thế kỷ 20 Đó là loại laser rắn, sử dụng môi trường khuếch đại là sợi quang pha tạp các ion đất hiếm và được bơm bằng laser diode Trải qua hơn

20 năm phát triển, nhờ những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo sợi quang và công nghệ laser bán dẫn, khoa học và công nghệ laser sợi quang đã đạt được nhiều thành tựu Nhờ những tính năng nổi bật so với các loại laser khác như nhỏ gọn, công suất cao, dễ dàng dẫn chùm tia tới các vị trí khác nhau mà không cần hệ quang phức tạp, hiệu suất cao, phổ khuếch đại rộng và đặc biệt là chất lượng chùm tia rất cao… ngày nay, trên thế giới, laser sợi quang đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ, đời sống như vi gia công (khoan, hàn, cắt vi mô), trong y tế (chuẩn đoán, điều trị, phẫu thuật), quang phổ học, hệ thống cảm biến, …Điều đó có được là nhờ những đặc tính nổi bật của chùm bức xạ laser nói chung và laser sợi quang nói riêng:

- Tính đơn sắc cao mà nhờ đó chùm bức xạ laser có thể tác động một cách chọn lọc vào những mô, những tổ chức sống một cách chủ định

- Tính định hướng cao mà nhờ đó chùm tia laser có thể được hội tụ thành những vết rất nhỏ tạo nên mật độ công suất cao và cho phép truyền dẫn

dễ dàng đến các cơ quan nội tạng bên trong cơ thể cũng như trong các chi tiết máy phức tạp

- Tính kết hợp cao cả về thời gian và không gian mà nhờ đó laser có thể được sử dụng trong các thiết bị chuẩn đoán hình ảnh…

- Laser sợi phát ra chùm tia ở ngay trong sợi quang, vì thế không cần một hệ quang – cơ phức tạp để dẫn chùm tia tới những vị trí khác nhau Điều

đó làm cho chùm tia ra rất ổn định và dễ sử dụng

Trên thế giới hiện có rất nhiều hãng sản xuất và bán các hệ thống laser sợi cũng như các thiết bị công nghiệp, thiết bị y tế,… trên cơ sở laser sợi Đối với nước ta, việc nghiên cứu về laser sợi và ứng dụng của chúng chưa được chú ý nhiều

Chính vì lý do đó chúng tôi lựa chọn đề tài “ Chế tạo và khảo sát Laser sợi quang pha tạp Erbium sử dụng cách tử Bragg”

Tuy nhiên những nghiên cứu cả lý thuyết và thực nghiệm về quang học sợi, laser bán dẫn và đặc biệt là khuếch đại sợi quang dùng sợi pha tạp ion

Er3+ phục vụ mục đích thông tin quang Đó là những tiền đề quan trọng cho việc nghiên cứu về laser sợi vì thực tế sự ra đời và phát triển của laser sợi dựa trên 2 cơ sở là quang sợi và laser bán dẫn

Luận án này trình bày một cách ngắn gọn những vấn đề căn bản nhất về Chế tạo và khảo sát Laser Sợi quang pha tạp Erbium sử dụng cách tử Bragg gồm các phần như sau:

- Tổng quan về laser sợi quang

- Tổng quan về cách tử Bragg

- Khuyếch đại sợi quang

- Chế tạo và khảo sát Laser Sợi quang sử dụng cách tử Bragg

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LASER SỢI QUANG 1.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của laser sợi quang

Laser sợi quang là loại laser mà môi trường hoạt chất là sợi quang (mặc

dù rằng trong một số trường hợp người ta cũng gọi các laser mà môi trường hoạt chất là bán dẫn nhưng buồng cộng hưởng dùng sợi quang là laser sợi quang hoặc laser sợi quang - bán dẫn

Trong đa số trường hợp, môi trường khuếch đại của laser sợi quang là các sợi quang được pha tạp các ion đất hiếm như erbium (Er3+), neodymium (Nd3+), ytterbium (Yb3+), thulium (Tm3+), praseodymium (Pr3+) được bơm quang học bằng laser diode Sợi quang pha tạp đất hiếm có mật độ pha tạp theo khối lượng thường trong khoảng từ vài trăm tới vài nghìn ppm, tức là trong đa số trường hợp mật độ pha tạp thấp hơn đôi chút so với các tinh thể laser Điều đó cùng với tiết diện ngang nhỏ hơn làm giảm độ khuếch đại trên một đơn vị chiều dài

Laser sợi sử dụng sợi quang pha tạp ion erbium là loại được sử dụng phổ biến nhất Lý do của điều này là do sợi quang pha tạp Er3 +

cho phát xạ laser ở Hình 1.1: Sơ đồ mức năng lượng của ion Er3+

bước sóng 1550nm – là bước sóng quan trọng nhất được ứng dụng trong truyền thông quang học Hình 1.1 trình bày sơ đồ mức năng lượng và một số chuyển dời chủ yếu liên quan với phát xạ laser ở 1550nm của ion Er3 +

; hình 1.2 trình bày phổ hấp thụ và huỳnh quang của ion Er3 + Khi được bơm quang học ở bước sóng 980nm bằng các laser diode, các ion Er3 + trong sợi quang nhảy lên mức kích thích 4I11/3, sau đó nhanh chóng hồi phục không bức xạ xuống mức siêu bền 4I13/2 Với tốc độ bơm phù hợp sự nghịch đảo mật độ được thiết lập giữa mức laser trên 4I13/2 và mức laser dưới 4I15/2 Sự phát xạ laser xảy ra giữa hai mức này cung cấp chùm tia có bước sóng 1550 nm Như vậy trong trường hợp này sự phát xạ laser xảy ra theo sơ đồ 3 mức năng lượng, điều này cũng đúng đối với ion ytterbium và một số ion khác, nhưng ion neodymium và một số loại ion khác lại cho phát xạ laser theo sơ đồ 4 mức năng lượng

a) b)

Hình 1.2: a) Phổ hấp thụ của sợi quang pha tạp erbium;

b) Phổ huỳnh quang của ion Er3+ xung quanh 1500 nm

từ 3 loại sợi quang có chất đồng pha tạp khác nhau Cấu hình cơ bản của một laser sợi quang được trình bày trên hình 1.3a, trong đó chùm bơm được hội tụ vào sợi quang ở phía bên trái thông qua một

gương lưỡng sắc, chùm laser sợi quang phát ra từ phía đầu bên phải Hình 1.3b thể hiện hình ảnh một laser sợi quang

a)

b) Hình 1.3: a) Cấu hình cơ bản của một laser sợi quang;

b) Hình ảnh của một laser sợi quang

Để tạo thành buồng cộng hưởng (BCH) cho laser sợi quang, người ta có thể dùng các gương phản xạ đặc biệt để tạo thành BCH thẳng, hoặc dùng cấu hình laser BCH vòng Các loại gương được dùng cho laser sợi quang BCH thẳng là:

- Trong các laser đơn giản ở phòng thí nghiệm người ta có thể dùng các gương điện môi thông thường Tuy nhiên cách làm này không thích hợp cho việc chế tạo số lượng lớn laser sợi quang và thực tế là hiệu suất không cao và

độ bền thấp

- Người ta có thể mạ các lớp màng điện môi trực tiếp lên các mặt đầu của sợi quang bằng các phương pháp bốc bay trong chân không Tuy nhiên phương pháp này cũng không phổ biến lắm, lý do là mật độ quang học của chùm laser trên lớp mạ là khá cao ngay cả với mức công suất trung bình

a)

b) Hình 1.4: Phương pháp để tạo sự phản hồi trong BCH laser sợi quang

- Một phương pháp tốt hơn để đạt được công suất lớn là dùng một thấu kính để chuẩn trực chùm tia laser đi ra khỏi sợi quang rồi dùng gương điện môi để tạo sự phản xạ (hình 1.4a) Mật độ công suất trên gương sẽ giảm đi một cách đáng kể do kích thước chùm tia lớn hơn Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là nếu có một sai lệch nhỏ trong việc căn chỉnh gương và thấu kính thì sẽ tạo nên một sự tổn hao nhất định, thêm nữa sự phản xạ Fresnel trên mặt đầu sợi quang cũng gây nên sự tổn hao Để giảm loại tổn hao

do phản xạ Fresnel, đầu sợi quang có thể được cắt ở góc nghiêng thích hợp

- Trong các laser sợi thương mại người ta thường dùng cách tử Bragg được tạo ra ngay bên trong sợi được pha tạp hoặc trong một sợi không pha tạp

nhưng được nối với sợi có pha tạp (cách tử này có dạng một đoạn sợi quang

mà trên đó chiết suất lõi được điều biến một cách tuần hoàn)

- Một phương pháp nữa là dùng cấu trúc vòng sợi quang (fiber loop) trên

sử dụng một đầu ghép nối sợi quang (fiber coupler) (hình 1.4b)

Đa số laser sợi quang được bơm bằng một hoặc một vài laser diode Ánh sáng bơm có thể được đưa trực tiếp vào lõi sợi hoặc, với các laser công suất cao, được đưa vào trong lớp vỏ trong của sợi (sợi quang có lớp vỏ kép – double-clad fiber)

1.2 Môi trường hoạt chất: sợi quang pha tạp đất hiếm

Như đã nói trên, hoạt chất của laser sợi là sợi quang được pha tạp các ion đất hiếm Phổ hấp thụ và huỳnh quang của của ion đất hiếm và các chất đồng pha tạp sẽ xác định bước sóng bơm và khoảng bước sóng phát xạ laser Bảng 1.1 trình bày các ion hoạt tính và các thủy tinh nền tiêu biểu cũng như khoảng bước sóng phát xạ tương ứng của các loại sợi quang pha tạp đất hiếm thông

thường

Bảng 1.1: Các sợi quang điển hình và khoảng bước sóng phát xạ laser

phát xạ

neodymium (Nd3+) thủy tinh silicate và

phosphate

1.03 - 1.1 μm; 0.9 - 0.95 μm; 1.32 - 1.35 μm ytterbium (Yb3+) thủy tinh silicate 1.0 - 1.1 μm

Erbium(Er3+) thủy tinh silicate,

phosphate và thủy tinh

1.5 - 1.6 μm; 2.7 μm; 0.55

μm

Ion Thủy tinh nền Khoảng bước sóng

1.7 - 2.1 μm; 1.45 - 1.53 μm; 0.48 μm; 0.8 μm

holmium (Ho3+) thủy tinh silicate, thủy

tinh fluorozirconate 2.1 μm; 2.9 μm Các sợi quang cho laser sợi đầu tiên được phát triển trên cơ sở sợi thủy tinh silica Tuy nhiên các loại thủy tinh fluoride và thủy tinh có năng lượng phonon thấp khác (như telluride, phosphat, sulfide) có hiệu suất phát xạ cao hơn hiện đã được sử dụng Các sợi quang làm môi trường khuếch đại có thể chứa các chất đồng pha tạp, chẳng hạn như nhôm, germani và phốt pho để mở rộng và làm phẳng phổ khuếch đại trên một khoảng bước sóng Một số sợi quang còn được pha tạp các chất phụ để hấp thụ năng lượng bơm rồi truyền cho ion hoạt tính

Sợi quang pha tạp đất hiếm quan trọng nhất là sợi pha tạp erbium (dùng cho các bộ khuếch đại sợi) và sợi quang pha tạp ytterbium (dùng cho các laser

và bộ khuếch đại laser sợi công suất cao) Hình 1.5 thể hiện phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của sợi quang pha tạp ion ytterbium

Hình 1.5 Tiết diện hấp thụ và phát xạ của thủy tinh germanosilicate pha tạp ion ytterbium dùng làm hoạt chất cho laser sợi (a) và các chuyển dời chính liên quan tới hoạt động của laser sợi Yb3+ (b)

Trong các sợi quang silica pha tạp đất hiếm, thành phần của lõi rất hay được thay đổi bằng các chất đồng pha tạp (codopant) Các chất đồng pha tạp

đó thường cải thiện khả năng hòa tan của ion đất hiếm và vì thế cho phép đạt được nồng độ ion đất hiếm cao hơn mà không bị dập tắt thời gian sống trạng thái trên Đối với các laser biến đổi ngược (upconversion laser) và laser sợi vùng nhìn thấy đòi hỏi một số loại thủy tinh fluoride mà trong đó năng lượng phonon được hạ thấp sao cho thời gian sống của mức siêu bền đủ dài (tức là không có sự dập tắt thông qua chuyển dời đa phonon)

Đặc tính của sợi quang pha tạp đất hiếm

Ngoài tất cả các tính chất của sợi quang không pha tạp thông thường, chẳng hạn các tính chất dẫn sóng (diện tích mode, khẩu độ số, bước sóng giới hạn, mất mát do uốn cong,…), tính phi tuyến, v.v… các sợi quang hoạt chất

có thể được đặc trưng theo một số tính chất khác:

- Một trong những tham số quan trọng nhất là nồng độ pha tạp đất hiếm, thường được biểu diễn theo ppm khối lượng Nồng độ pha tạp cao cho phép

hấp thụ bơm hiệu quả với chiều dài ngắn và vì thế giảm ảnh hưởng của tính phi tuyến trong các laser công suất cao Tuy nhiên nồng độ cao cũng có thể dẫn tới sự dập tắt do nồng độ

- Tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ phụ thuộc bước sóng cùng với thời gian sống trạng thái kích thích (và có thể cả thời gian sống các trạng thái trung gian) là cần thiết để tính toán khả năng điều chỉnh bước sóng, hiệu suất,…

- Các tham số đặc trưng cho tốc độ quá trình truyền năng lượng là rất quan trọng đối với các laser đồng pha tạp

Nhiều kỹ thuật đo đã được sử dụng để xác định các đặc tính trên Việc đo phổ hấp thụ ánh sáng trắng cho phép tính toán tiết diện hấp thụ (với nồng độ pha tạp đã biết) Tiết diện ngang phát xạ thu được từ phổ huỳnh quang Thời gian sống trạng thái trên thường thu được từ đo lường huỳnh quang với kích thích xung

Về mặt quang phổ học, các môi trường khuếch đại pha tạp ion đất hiếm, trong đó có sợi quang có các tính chất tiêu biểu sau:

- Tất cả các môi trường khuếch đại pha tạp đất hiếm có điểm chung là các chuyển dời bơm và chuyển dời laser đều là các chuyển dời có lực dao động tử khá nhỏ Hệ quả là thời gian sống của trạng thái trên khá dài, cỡ micro-giây tới mili-giây, vì thế một lượng năng lượng khá lớn có thể được tích lũy trong môi trường Đặc điểm này khiến cho laser dùng môi trường pha tạp đất hiếm rất thích hợp để phát xung bằng kỹ thuật Q-switch, nhưng cũng

dễ dẫn tới hiện tường dao động hồi phục

- Tùy thuộc vào năng lượng phonon của môi trường nền, thời gian sống của một số mức có thể bị dập tắt mạnh bởi các chuyển dời đa phonon Các hiệu ứng đó được giảm thiểu khi dùng các môi trường nền có năng lượng

phonon thấp, như sợi quang fluoride Các hiệu ứng dập tắt có thể là mong muốn nếu chúng tác động tới mức laser dưới, vì nó cản trở hoặc giảm sự tái hấp thụ Cũng vậy, quá trình đa phonon có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình bơm

- Các loại tương tác khác nhau, đặc biệt là tương tác lưỡng cực – lưỡng cực, cho phép sự truyền năng lượng giữa các ion đất hiếm hoặc cùng loại, hoặc khác loại Điều này được sử dụng trong sợi quang đồng pha tạp Er-Yb, trong đó bức xạ bơm được hấp thụ trội bởi Yb và truyền cho ion Er

1.3 Cấu hình bơm cho laser sợi quang

Hai cấu hình bơm cơ bản được sử dụng trong đa số laser sợi là:

Cấu hình bơm từ một đầu hoặc hai đầu sợi quang (end-pumped or dual end-pumped configuration) Với cấu hình bơm này, chùm bơm từ laser diode công suất có thể được đưa vào sợi quang hoạt chất theo các cách sau:

- Chùm bơm được ghép vào sợi quang nhờ hệ quang từ một hoặc cả hai đầu của sợi quang Chùm laser sợi quang được lấy ra nhờ gương lưỡng chiết (hình 1.6a)

- Chùm bơm được ghép vào sợi quang hoạt tính thông quang một bộ tổ hợp sợi đơn mode - sợi đa mode (điển hình là 6+1 x 1) vào một sợi quang lớp

vỏ kép (tức là ghép nhiều modul laser, mỗi modul gồm một laser diode được hàn với một sợi quang đơn mode, vào một sợi quang đa mode rồi tiếp đó ghép sợi đa mode với sợi quang hoạt chất của laser sợi)

a)

b) Hình 1.6: Các cấu hình bơm laser sợi a) Bơm từ hai đầu; b) Bơm bên phân bố Cấu hình ghép bên (sided-coupled configuration) Theo cấu hình này người ta thường đưa bức xạ bơm vào sợi quang hoạt tính théo cách sau:

- Một hoặc nhiều sợi quang bơm đa mode tiếp xúc với sợi quang hoạt chất trong phần lớp vỏ chung

- Ghép bên phân bố (distributed side coupling): nhiều modul (gồm một, hai hoặc ba chip laser bơm được hàn với một sợi quang) được ghép với lõi của sợi quang hoạt chất (Hình 1.6b)

Các đặc tính cần thiết của chùm tia bơm có thể được suy ra trực tiếp từ thiết kế của sợi quang hoạt chất Bước sóng bơm được xác định bởi ion pha tạp trong lõi sợi quang hoạt chất, chất lượng chùm của nó được xác định bởi lõi sợi được bơm (với sợi vỏ kép) hoặc bởi sợi quang bơm (sợi quang bơm bên)

Hình 1.7: Các cấu trúc sợi quang hoạt chất Hình 1.7 thể hiện các cấu trúc sợi quang điển hình với các giá trị khẩu độ số (NA) và đường kính lõi khác nhau Đối với cấu hình ghép bên phân bố, cấu trúc nguồn bơm là khá rõ ràng với yêu cầu là ghép được càng nhiều công suất bơm càng tốt từ một chip laser diode vào sợi quang 125µm, NA = 0,12 Đối với cấu hình bơm khác mà đòi hỏi mức công suất cao hơn nhiều, các lựa chọn khác nhau để xây dựng một nguồn bơm thích hợp là có thể Trong số các phương pháp ít phổ biến hơn như sử dụng SEAL (mảng laser gồm các chíp đơn) và các diode dạng nêm, 2 hướng chính để xây dựng các modul cường độ cao được đa số nhà chế tạo theo đuổi là:

- Nguồn bơm trên cơ sở các đầu phát đơn (single emitter) Với cách này, công suất được nhân lên hoặc bởi việc ghép nhiều đầu phát đơn đặt trong không gian tự do hoặc bằng các bộ tổ hợp sợi quang một hoặc nhiều tầng

- Nguồn bơm trên cơ sở thanh laser diode diện rộng (broad-erea diode laser) Theo cách này các thanh diode được ghép trực tiếp vào sợi quang bơm khẩu độ số cao hoặc một vài thiết bị ghép với sợi quang độ chói cao được nhân lên nhờ các bộ tổ hợp sợi quang

Hình 1.8: So sánh thanh diode so với đầu phát đơn

được dùng để bơm laser sợi

Hình 1.8 Thể hiện rằng mỗi phương pháp nêu trên có ưu nhược điểm riêng Trong một số năm qua, các nhà sản xuất đang có xu hướng tổ hợp các

ưu điểm của cấu trúc thanh diode với ưu điểm của cấu trúc đầu phát đơn Cấu trúc đầu phát đơn có ưu điểm hơn cấu trúc thanh về giá thành và tuổi thọ Mặt khác các nhà chế tạo đầu phát đơn đang tìm cách nâng cao cường độ bức xạ cho các modul ghép với sợi quang bằng cách dùng một dãy nhiều đầu phát hoặc một thanh diode Chẳng hạn một modul có thể dùng một thanh diode ngắn chứa một vài diode được hàn với sợi quang

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI QUANG 2.1 Cách tử Bragg trong sợi quang

Cách tử Bragg trong sợi quang (FBG) là một đoạn sợi quang học trong

đó lõi sợi có chiết suất thay đổi từng đoạn, theo quy luật tuần hoàn (có chu kỳ) dọc chiều dài của sợi Sự thay đổi này sẽ quyết định bước sóng bị phản

xạ

FBG được tạo ra lần đầu tiên bởi Kenneth Hill vào năm 1978 tại Canada Kenneth Hill đã chế tạo FBG dựa trên một số đặc điểm chính sau của sợi quang:

- GeO2 - Si02là vật liệu quang

- Lõi sợi quang chịu ảnh hưởng lớn dưới tác dụng của chùm anh sáng có bước sóng 244nm

- Sự thay đổi chiết suất trong lõi của sợi

FBG được chế tạo để sử dụng trong công nghệ viễn thông FBG tích hợp trong sợi quang các chức năng rất thuận tiện như : đóng vai trò bộ lọc, bù tán sắc, bộ lọc khuyếch đại quang học

Hình 2.1 Phổ truyền qua và phổ phản xạ của FBG

2.1.1 Các tính năng chính của FBG

- FBG thuộc loại bộ lọc phản xạ FBG phản xạ bước sóng cần dùng thay cho sự truyền qua như các bộ lọc truyền thống khác Nó có khả năng tách chính xác các bước sóng với độ đơn sắc cao

- Ổn định trong quá trình sử dụng và có hiệu suất cao (phản xạ gần 100% ánh sáng tới)

- Có kích thước nhỏ, dễ sử dụng và gỡ bỏ khi cần thiết

- Suy hao thấp, tại bước sóng 1550nm suy hao thấp nhất (0.2dB/km)

- Không chịu ảnh hưởng của điện từ trường nên có thể sử dụng FBG trong mạng thông tin tại những nơi có điện từ trường mạnh như các nhà máy điện

- Dễ tích hợp trong các sợi quang để sử dụng trong mạng viễn thông

- Chế tạo không quá phức tạp

- Giá thành không đắt

2.1.2 Điều kiện bước sóng cách tử Bragg

Điều kiện phản xạ Bragg

Phản xạ Bragg xảy ra trên bề mặt tiếp giáp của 2 môi trường có chiết suất khác nhau, khi được chiếu sáng sẽ xuất hiện phản xạ có tính chu kỳ gọi là phản xạ Bragg

Hình 2.2 Phản xạ Bragg Gọi khoảng chênh lệch giữa hai tia phản xạ liên tiếp là a

Góc hợp bởi tia tới và tia vuông góc với tia phản xạ là θ

Hiệu quang trình bằng số nguyên lần bước sóng Ta có:

Trong đó: m: là bậc nhiễu xạ

λn = λ/ n là bước sóng trong môi trường truyền dẫn

Nhận thấy sinθ =

Λ

a

Công thức (2.2) gọi là điều kiện phản xạ Bragg

Điều kiện bước sóng Bagg

Hình 2.3: Cách tử sợi Bragg và phổ phản xạ của ánh sáng sau khi qua

FBG Bước sóng Bragg phải thoả mãn 2 định luật sau:

Định luật bảo toàn năng lượng: Tần số của tia tới và tia phản xạ bằng nhau vì năng lượng ε = h.f (h là hằng số Plank)

Bảo toàn xung lượng: Vectơ sóng tới cách tử bằng vectơ sóng ra khỏi cách tử và vectơ sóng bị phản xạ

Vì tia phản xạ ngược với hướng của chùm tia tới sợi quang nên

θ= 900 ⇒ sinθ = 1 Xét bậc của tia phản xạ là m = 1 vì tại bậc 1 năng lượng tập trung lớn nhất

Khi đi vào môi trường của sợi quang có chiết suất thay đổi thì tốc độ của tia đó sẽ bị giảm theo công thức:

v = c/ neff = λB..f/ neff

(2.4) gọi là điều kiện Bragg

Trong đó λBlà bước sóng Bragg bị phản xạ

Λ là bước cách tử (chu kỳ cách tử) từ 223nm đến 535nm

nefflà chiết suất của môi trường truyền

Hệ số phản xạ

Công suất của tín hiệu tới FBG là Pin

Công suất tín hiệu sau khi qua FBG là Prefl

Do đó hệ số suy hao là 10 log10

refl

in

P

P (dB)

Khi qua một bộ lọc FBG thì chỉ một bước sóng bị phản xạ còn các bước sóng khác truyền qua do đó phổ của tín hiệu truyền qua FBG tại bước sóng Bragg sẽ bị giảm

Một FBG có thể sử dụng một bộ lọc có dải hẹp Một bước sóng đơn sắc phản xạ mạnh trong khi các bước sóng khác truyền qua FBG có giá trị dải phổ dưới 0,2nm và có khả năng phản xạ trên 99,9% ánh sáng tới

Độ chính xác với các FBG cho phép có thể lựa chọn được dải bước sóng hẹp phổ biến và trong các ứng dụng khác yêu cầu dải bước sóng hẹp

2.1.3 Ứng dụng của FBG trong thông tin quang

Bộ lọc FBG có thể tính được bất cứ bước sóng nào trong truyền dẫn thoả mãn bước sóng Bragg Do đó FBG được ứng dụng nhiều trong các thiết bị quang học và chỉ sử dụng trong các truyền dẫn xa như mạng đường trục, truyền cáp quang dưới biển, mạng LAN, WAN và được sử dụng trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng,…

FBG được sử dụng trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng

Trước tiên, từ nguồn vào có phổ rộng người ta tách ra các bước sóng cần thiết bằng cách sử dụng các FBG tương ứng, các sóng này phản xạ trở lại qua cặp Coupler và đi tới đầu thu Tuỳ thuộc mục đích sử dụng mà chúng ta có thể lựa chọn một hay nhiều bước sóng phản xạ Với độ rộng phổ khoảng 0,2nm, các sóng phản xạ có độ đơn sắc cao và dễ dàng ghép vào đường chuyền ( sợi quang)

Hình 2.4 Hệ thống chọn bước sóng, ghép kênh heo bước sóng mật độ cao

FBG được dùng để bù tán sắc trong mạng thông tin quang

Tán sắc trong sợi quang đơn mốt ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của mạng thông tin quang tốc độ cao dùng ánh sáng vùng cửa sổ 1550nm Nó làm tăng tỉ lệ lỗi bít, giới hạn tốc độ hoặc khoảng cách truyền của mạng Để xây dựng hoặc nâng cấp những mạng thông tin quang kích thước lớn (vài nghìn km), tốc độ cao (vài chục Gbit/s) thì vấn đề quan trọng cần phải giải quyết là giảm tối thiểu độ tán sắc trong sợi cáp quang

Một số giải pháp khắc phục hiện tượng tán sắc đang được áp dụng hiện nay trên thế giới là sử dụng cáp quang thông tin có độ tán sắc tối thiểu hoặc cáp quang có khả năng bù tán sắc Tuy nhiên các phương pháp này co nhược điểm là chi phí lớn do giá thành các loại cáp quang này đắt hơn nhiều lần so với cáp quang thông tin thông thường

Hiện nay người ta đang nghiên cứu sử dụng các sợi quang có lõi chứa các cách tử Bragg để bù tán sắc Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị có kích thước nhỏ gọn, chế tạo đơn giản và hoạt động hiệu quả Thực tế không

có một nguồn sáng nào đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có độ rộng phổ nhất định

Xét một xung ánh sang có bước sóng trung tâm tại 1550nm, độ rộng phổ

Δλ0 truyền qua một sợi quang đơn mode Do thành phần bước sóng dài hơn của xung sẽ truyền đi nhanh hơn các thành phần bước sóng ngắn nên sau một quáng đường truyền đủ dài độ rộng xung sẽ bị kéo gián ra tới mức hai xung

kế tiếp sẽ bị chèn lên nhau Hậu quả là thiết bị ở đầu thu sẽ không thể phân biệt được hai xung riêng biệt Để thiết bị thu được tín hiêu xung, người ta phải giảm tốc độ truyền hoặc giảm bớt khoảng cách giưa hai bên thu phát Điều này nếu được thưc hiện sẽ làm thay đổi yêu cầu sử dụng của mạng thông tin nội bộ

2.2 Các phương pháp chế tạo FBG

Nguyên lý: Chiếu chùm tử ngoại (ultra violet - UV) có năng lượng đủ lớn thay đổi cấu trúc của sợi và chiết suất của sợi bị thay đổi dọc theo chiều của sợi Sự thay đổi chiết suất trong lõi sợi quang theo quy luật tuần hoan là do

có sự giao thoa của hai chùm UV

Xét trường hợp chiếu chùm UV có bước sóng 248nm vào sợi quang có lõi là SiO2 có pha tạp GeO2 là vật liệu nhạy quang (photonsensitive Materials) 14% ÷ 20%, nếu pha tạp GeO2thấp sẽ không tạo ra được cách tử FBG

Ta biết cấu trúc GeO2 có dạng như hình 2.5 Khi chiếu chùm UV vào sợi tại một vị trí nào đó cấu trúc của GeO2 bị bẻ gãy, khi đó nguyên tử Oxi sẽ không còn ở vị trí cũ mà bị lệch đi so với hướng ban đầu Tại vị trí đó chiết suất thay đổi, do vậy có thể tạo được chiết suất khác nhau ở từng đoạn khác nhau trong lõi sợi, đoạn có chiết suất tăng, đoạn giữ nguyên chiết suất, do đó tạo ra được cấu trúc cách tử FBG

Hình 2.5 Cấu trúc GeO2 trong lõi Sợi quang

Khi chùm sáng tới bề mặt có sự thay đổi chiết suất, có thể sẽ bị phản xạ trở lại Khi thoả mãn điều kiện Bragg thì sẽ thu được bước song phản xạ Bragg

Chú ý: Khi sử dụng chất khác GeO2 pha tạp vào lõi thì cần phải sử dụng bước sóng khác 248nm để làm gãy mạch trong cấu trúc pha tạp chất tương ứng

Hình 2.6 trình bày mô hình nguyên lý chế tạo FBG dựa vào hiện tượng giao thoa của hai chùm UV

áp dụng phù hợp trong công nghiệp sẽ sản xuất được hàng loạt cách tử Bragg

Nhận xét: Chu kỳ giao thoa phụ thuộc vào bước sóng của chùm UV FBG sử dụng khoảng tuần hoàn Λ từ 1 đến 10 mm

Hình 2.7 dưới đây trình bày mô hình chế tạo FBG theo phương pháp mặt

nạ pha:

Hình 2.7 Chế tạo FBG theo phương pháp mặt nạ pha

2.3 Ảnh hưởng điều kiện môi trường đến sự dịch bước sóng phản xạ

Tính nhạy của bước sóng cách tử Bragg phụ thuộc vào tính chất đàn hồi, quang đàn hồi, nhiệt quang và bởi lực nén hoặc lực kéo tác dụng lên sợi quang

Theo phương trình (2.5) bước sóng Bragg phụ thuộc vào chu kỳ cách tử

và chiết suất hiệu dụng của sợi quang Lấy vi phân hàm này và bỏ qua các số hạng bậc cao, sự dịch của bước sóng cách tử Bragg được cho bởi

∂

∂+

n 2

L L

n L

∆T là sự thay đổi nhiệt độ của cách tử

Như vậy sự dịch bước sóng của FBG có thể do sự thay đổi chiều dài hoặc sự thay đổi nhiệt độ gây ra Tỏng truyền thông hiện đại và các hệ thống ghép kênh phân chia bước sóng (Wavelength Division Multiplexing - WDM)

có điều khiển, sự dịch bước sóng có thể đạt được 45nm hoặc hơn thế tuỳ thuộc vào dải thông

2.3.1 Ảnh hưởng của sức căng

Trong thực tế sự cảm biến do lực căng dọc theo trục của FBG được cho

L

Λ Λ

1 L

n n

1

λ

Δλ ΔL

L

Λ

n L

B eff

n n

L1L1

ax e B

B =(1−P )ε

λ

λ

∆

Trong đó ∆λ0 là độ dịch bước sóng N là số chu kỳ cách tử trong FBG

Pe là hằng số đàn hồi quang hiệu dụng (Giá trị trung bình của Pe là 0.22)

ε là sức căng tỷ đối (do lực kéo hoặc nén) đặt lên FBG [14]

Giá trị của λBsử dụng khoảng 1550nm

Từ phương trình (2.9) để có thể dịch 45nm do sức căng thì εax sẽ có giá trị khoảng 4%

2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Tính cảm biến với nhiệt độ của FBG được cho bởi phương trình:

T

nT

n2

∂

∂Λ

=λ

=λ

=

T

nn

1 eff

∂

=ζ

Đối với Silica giá trị của hệ số giãn nở nhiệ (α1) và hệ số nhiệt - quang (ζ) tương ứng là 0,55.10-6 K-1 Thay các giá trị vào phương trình (2.10) thì sự thay đổi nhiệt độ để có sự dịch bước sóng đạt 45nm là 3446K Như vậy sự khác biệt về nhiệt độ này không thể thực hiện bởi vì khi nhiệt độ 500K thì lớp

vỏ sợi quang sẽ bị hỏng và làm giảm hiệu suất phản xạ và thậm chí có thể phá huỷ nó

Do khả năng cảm biến với sự thay đổi của môi trường nên thông qua các đặc điểm về sự phản xạ của FBG trong các điều kiện khác nhau người ta có thể xác định được các thông số vật lý cơ bản của môi trường như áp suất, nhiệt độ…

Chương 3: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ĐẤT HIẾM Er 3+

(EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier)

3.1 Cơ sở của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+

Nguyên lý của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo mật độ có cơ chế vật

lý giống như laser, tuy nhiên không yêu cầu có phản hồi quang bằng gương phản xạ trong buồng cộng hưởng giống như laser Vì vậy, để tạo được trạng thái đảo mật độ trong môi trường hoạt tính bằng phương pháp bơm quang học, chúng ta cần phải xét đến mô hình khuếch đại quang sử dụng 3 mức hoặc

4 mức năng lương Các bộ khuếch đại EDFA tuân theo sơ đồ 3 mức

3.1.1 Hệ phương trình tốc độ

Xét hệ ba mức năng lượng như hình 3.1:

Với mức 1 là mức cơ bản (mức nền) có độ tích luỹ là N1 tương ứng với trạng thái 4I15/2 trong cấu trúc năng lượng của Er3+ Mức 2 là mức kích thích (mức siêu bền) có độ tích luỹ là N2, tương ứng với trạng thái 4I13/2 Thời gian sống tại mức này là rất lớn, lớn hơn rất nhiều so với các trạng thái trên Mức 3

là mức bơm (mức trung gian) có độ tích luỹ là N3 tương ứng với trạng thái

4I11/2 đây là mức trung gian để tạo nghịch đảo phân bố mật độ giữa mức 2 và mức 1

Khi các nguyên tử nhận năng lượng từ nguồn bơm bên ngoài có tần số bơm thích hợp, chúng sẽ bị kích thích lên mức 3 Do thời gian sống tại mức 3 rất ngắn nên chúng sẽ dịch chuyển rất nhanh xuống mức 2 thông qua dịch chuyển phonon Thời gian sống của các nguyên tử tại mức 2 rất dài, cỡ ms nên chúng có thể tồn tại khá lâu tại mức này và vì vậy chúng có thể tạo ra nghịch đảo độ tích luỹ so với mức 1 Khi một nguyên tử tại mức kích thích 2 này tương tác với một photon tín hiệu tới, nó sẽ nhảy xuống mức 1 và bức xạ

ra một photon có tần số và pha giống hệt như photon tới (bức xạ kích thích) Đây chính là nguyên lý để chế tạo các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+

Ta có hệ phương trình tôc độ cho hệ ba mức năng lương trên như sau:

(N N ) p p (N N ) s s

N dt

(N N ) s s

N N

dt

(N N ) p p

N dt

p

Φ là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1 lên mức 3 (số photon trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích), tưong ứng với bơm