Nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể quang tử mạng lục giác đều được thẩm thấu các chất lỏng định hướng ứng dụng trong phát siêu liên tục

TRẦN QUỐC VŨ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG TÁN SẮC CỦA SỢI TINH THỂ QUANG TỬ MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU CÁC CHẤT LỎNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG PHÁT SIÊU LIÊN TỤC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

TRẦN QUỐC VŨ

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG TÁN SẮC CỦA SỢI TINH THỂ QUANG TỬ MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU CÁC CHẤT LỎNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG

DỤNG TRONG PHÁT SIÊU LIÊN TỤC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGHỆ AN, 2021

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG TÁN SẮC CỦA SỢI TINH THỂ QUANG TỬ MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU CÁC CHẤT LỎNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG

DỤNG TRONG PHÁT SIÊU LIÊN TỤC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Chuyên ngành: QUANG HỌC

Mã số: 9440110

Người hướng dẫn khoa học: 1 GS.TS Đinh Xuân Khoa

2 PGS.TS Chu Văn Lanh

NGHỆ AN, 2021

LỜI CAM ĐOAN

Được sự hướng dẫn khoa học tận tình của GS.TS Đinh Xuân Khoa và

PGS.TS Chu Văn Lanh luận án “Nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể

quang tử mạng lục giác đều được thẩm thấu các chất lỏng định hướng ứng dụng trong phát siêu liên tục” đã được hoàn thiện Tôi xin cam đoan các kết quả trong

luận án là trung thực, chưa có trong các luận án khác, nội dung của luận án đã được đăng trên 11 tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nước

Tác giả luận án

Trần Quốc Vũ

LỜI CẢM ƠN

Luận án này không chỉ là công sức của cá nhân tôi mà còn có sự đóng góp

nhiệt tình của những người Thầy, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình của tôi

Đầu tiên, tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất

đến GS.TS Đinh Xuân Khoa và PGS.TS Chu Văn Lanh, đang công tác ở Trường

Đại học Vinh, quý thầy đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận án này

Xin chân thành cảm ơn Viện Sư phạm Tự nhiên cùng các Thầy, Cô giáo

trong ngành Vật lý Trường Đại học Vinh; PGS.TS Phạm Hồng Minh, Viện Vật lý,

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tận tình truyền đạt kiến thức

cho tôi trong suốt thời gian học tập

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Vinh;

Sở Giáo dục và Đào tạo tỉnh An Giang; Ban lãnh đạo Trường trung học phổ thông

Chuyên Thủ Khoa Nghĩa, thành phố Châu Đốc, tỉnh An Giang, đã tạo điều kiện

thuận lợi cho tôi được học nghiên cứu sinh và hoàn thành luận án này

Cuối cùng con xin trân trọng gửi đến Ba, Mẹ lòng biết ơn vô vàn, vì đã hy

sinh cả cuộc đời cho con từ buổi đầu đi học cho đến khi con thành đạt Cảm ơn

những lời động viên, an ủi của chị và em của tôi Ngoài ra, sự thành công của tôi

không thể thiếu người vợ Phạm Võ Duyên Minh và hai đứa con thân yêu Trần

Minh Anh Thư và Trần Minh Thư, chính họ là nguồn động lực lớn nhất giúp tôi

vựơt qua được những khó khăn gặp phải trong suốt thời gian học tập cũng như làm

luận án

Tôi xin gửi đến mọi người lời biết ơn sâu sắc nhất!

Nghệ An, ngày 08 tháng 6 năm 2021

Tác giả luận án

Trần Quốc Vũ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Photonic crystal fiber (PCF) Sợi tinh thể quang tử

Zero dispersion wavelength (ZDW ) Bước sóng có tán sắc bằng không

Generalized Nonlinear Schrödinger Phương trình Schrödinger phi tuyến

Photonic band gap (PBG) Vùng cấm quang tử

Total internal reflection (TIR) Phản xạ toàn phần

Group velocity dispersion (GVD) Tán sắc vận tốc nhóm

Nonlinear Schrödinger Equation (NLSE) Phương trình Schrödinger phi tuyến Supercontinuum generation (SG) Phát siêu liên tục

High optical dispersion (HOD) Tán sắc quang bậc cao

Split-step Fourier method (SSFM) Phương pháp Fourier chia bước

Stimulated Raman scattering (SRS ) Tán xạ Raman cưỡng bức

Self-phase modulation (SPM) Tự biến điệu pha

Optical wave-breaking (OWB) Hãm sóng quang

Dispersion wave (DW) Sóng tán sắc

Stimulated Brillouin scattering (SBS) Tán xạ Brillouin cưỡng bức

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN

n Không thứ nguyên Chiết suất tuyến tính

n 2 Không thứ nguyên Chiết suất phi tuyến

n eff Không thứ nguyên Chiết suất hiệu dụng

c 2,998.108 m/s Vận tốc ánh sáng trong chân không

0

 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

0

k [cm-1] Hằng số sóng

c

A eff [μm2] Diện tích mode hiệu dụng

P 0 [KW] Công suất cực đại của xung laser vào

P r t [C/m2] Véc tơ phân cực điện cảm ứng

h R (t) Không thứ nguyên Hàm phản ứng Raman

T Không thứ nguyên Hằng số Raman

L D [cm] Chiều dài đặc trưng tán sắc

L NL [cm] Chiều dài đặc trưng phi tuyến

L MI [cm] Chiều dài điều chế không ổn định

2

 [ps2/km] Độ tán sắc bậc vận tốc nhóm

N Số vô hướng Số bậc soliton

 Không thứ nguyên Thời gian chuẩn hóa

 Không thứ nguyên Quãng đường lan truyền chuẩn hóa

3

 Không thứ nguyên Đặc trưng cho hiệu ứng tán sắc bậc 3

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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 0.1: a) Sợi quang thông thường và b) Một số loại sợi tinh thể quang tử 3

Hình 1.1: Hình dạng hình học của tinh thể quang tử (a) 1D (b) 2D và (c) 3D 10 Hình 1.2: Sơ đồ mặt cắt của PCF lõi đặc [4 - 7] 12 Hình 1.3: Mặt cắt ngang của PCF lõi rỗng đầu tiên, với khoảng cách giữa các lỗ là 4,9 μm và đường kính lõi 14,8 μm [4 - 7]

26

Hình 1.11: Đồ thị biểu diễn chiết suất tuyến tính n của toluen, nitrobenzen, benzen và thủy tinh silica nung chảy theo bước sóng λ

Hình 2.3: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF

có hằng số mạng Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

50

Hình 2.4: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF

có hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

51

Hình 2.5: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF

có hằng số mạng Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

52

Hình 2.6: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có

hằng số mạng Ʌ = 1,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

55

Hình 2.7: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có

hằng số mạng Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

56

Hình 2.8: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có

hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

57

Hình 2.9: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có

hằng số mạng Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

58

Hình 2.10: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng

Ʌ = 1,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

61

Hình 2.11: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng

Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

62

Hình 2.12: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng

Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

64

Hình 2.13: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng

Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

65

Hình 2.14: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số

mạng Ʌ = 1,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

68

Hình 2.15: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số

mạng Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

69

Hình 2.16: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số

mạng Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

70

Hình 2.17: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số

mạng Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

71

Hình 2.18: Đặc trưng tán sắc của các PCF - T được chọn để SC 74

Hình 2.19: Đặc trưng tán sắc của các PCF - B được chọn để SC 75

Hình 2.20: Đặc trưng của tán sắc mode PCF cho các sợi # F1, # F2 và # F3

Các đường thẳng đứng đứt nét chỉ ra các bước sóng bơm: 1030 nm và 1560

nm tương ứng

76

Hình 3.1: a) Sự phát triển phổ dọc theo chiều dài sợi; b) Sơ đồ phổ tương

ứng của xung mở rộng; c) Phổ SC: Cường độ phổ được khảo sát cho hai

PCF có chiều dài 4 cm và 10 cm với tán sắc thường (# I_0,30) Xung đầu

vào có độ rộng 350 fs và năng lượng 2,5 nJ cho sợi có chiều dài 4 cm và 10

cm

80

Hình 3.2: a) Sự phát triển phổ dọc theo chiều dài sợi; b) Sơ đồ phổ tương

ứng của xung mở rộng; c) Phổ SC: Cường độ phổ được khảo sát cho hai sợi

có chiều dài 4 cm và 10 cm có tán sắc dị thường (#I_0,35) Xung đầu vào

có độ rộng 450 fs và năng lượng 3 nJ

82

Hình 3.3: a) Sự mở rộng của SC dọc theo sợi; b) Phổ SC đối với năng

lượng xung khác nhau trong phạm vi 0,01 nJ - 0,1 nJ và mức độ kết hợp

được tính từ 20 cặp riêng lẻ với nhiễu ngẫu nhiên đối với năng lượng xung

0,1 nJ, cho # F1

84

Hình 3.4: a) Sự mở rộng của SC dọc theo sợi; b) Phổ SC đối với năng

lượng xung khác nhau trong phạm vi 0,05 nJ - 0,5 nJ và mức độ kết hợp

được tính từ 20 cặp riêng lẻ với nhiễu ngẫu nhiên đối với năng lượng xung

0,5 nJ, cho # F2

86

Hình 3.5: (a) Sự mở rộng của SC dọc theo sợi (b) Phổ SC đối với năng

lượng xung khác nhau trong phạm vi 0,01 nJ - 0,06 nJ và mức độ kết hợp

được tính từ 20 cặp riêng lẻ với nhiễu ngẫu nhiên đối với năng lượng xung

0,06 nJ, cho # F3

88

Hình 3.6: a) Sự mở rộng của SG trong sợi # f1 với tất cả đặc trưng tán sắc thường cho năng lượng xung đầu vào khác nhau cho 1 cm lan truyền;

b) Phổ SC cho các năng lượng xung đầu vào khác nhau và mức độ kết hợp bậc nhất được tính toán cho 20 cặp xung riêng lẻ có nhiễu ngẫu nhiên, cho

# f1 (c) Sự mở rộng của quá trình truyền xung trong # f1 như một hàm của

độ dài lan truyền với năng lượng xung đầu vào 3,0 nJ và các phổ xung tại

ba vị trí khác nhau dọc theo sợi

91

Hình 3.7: (a) Sự mở rộng SG trong sợi # f2 với hai ZDW cho năng lượng xung đầu vào khác nhau đối với 1,0 cm lan truyền (b) Phổ SC cho các năng lượng xung đầu vào khác nhau và độ kết hợp bậc nhất được tính toán với 20 cặp xung riêng lẻ có nhiễu ngẫu nhiên, cho # f2 (c) Sự mở rộng của quá trình truyền xung trong # f2 như một hàm của độ dài lan truyền với năng lượng xung đầu vào 1,0 nJ và các biểu đồ phổ xung tại ba vị trí khác nhau dọc theo sợi

94

Hình 3.8: (a) Sự mở rộng của SG trong # f3 cho năng lượng xung đầu vào khác nhau cho 1,0 cm lan truyền (b) Phổ SC cho các năng lượng xung đầu vào khác nhau và mức độ kết hợp bậc nhất được tính toán với 20 cặp xung riêng lẻ có nhiễu ngẫu nhiên, cho # f3 (c) Sự mở rộng của quá trình truyền xung trong # f3 như một hàm của độ dài lan truyền với năng lượng xung đầu vào 3,0 nJ và các phổ xung tại ba vị trí khác nhau dọc theo sợi

96

Bảng 2.2: Các giá trị của chiết suất hiệu dụng tại bước sóng 1,55 µm với

các hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi từ

0,3 đến 0,8

54

Bảng 2.3: Các giá trị diện tích mode hiệu dụng của PCF tại bước sóng 1,55

µm với hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi

từ 0,3 đến 0,8

59

Bảng 2.4: Các giá trị tán sắc của PCF tại bước sóng 1,55 µm với hằng số

mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi từ 0,3 đến 0,8

Độ tán sắc D có đơn vị ps/nm/km

66

Bảng 2.5: Các giá trị giam giữ mất mát của PCF tại bước sóng 1,55 µm với

hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi từ 0,3

đến 0,8 Giam giữ mất mát Lc có đơn vị dB/cm

72

Bảng 3.1: Các đặc trưng phi tuyến của # f2 93

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN

1.8.3 Đặc trưng diện tích mode hiệu dụng và hệ số phi tuyến 21

1.9.1 Phương trình lan truyền xung trong sợi quang 28

1.9.2 Phương pháp số để giải phương trình lan truyền 35

1.10 Một số tính chất vật lý của silica và hợp chất thơm 40

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA

2.2 Cấu trúc của PCF lõi rỗng thẩm thấu hợp chất thơm 46

2.3 Nghiên cứu các đặc trưng của PCF lõi rỗng với mạng lục giác đều

2.4 Tối ưu các tham số cấu trúc của các PCF về đặc trưng tán sắc để ứng

dụng phát siêu liên tục

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

72

77

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG PCF

3.1 Giới thiệu chương

3.2 Nghiên cứu SC trong PCF lõi rỗng thẩm thấu toluen

78

80 3.3 Nghiên cứu SC trong PCF lõi rỗng thẩm thấu nitrobenzen 83

3.4 Nghiên cứu SG trong PCF lõi rỗng thẩm thấu benzen 89

KẾT LUẬN CHUNG 98

MỞ ĐẦU

Trong thế kỷ 20, sợi quang thông thường (Hình 0.1a) được sử dụng để truyền thông tin dưới dạng các xung quang ngắn với tốc độ cực cao trên một khoảng cách dài Kể từ năm 1970 đến nay tốc độ phát triển công nghệ này thật đáng kinh ngạc và

đã trở thành vấn đề quan trọng của mạng viễn thông toàn cầu [1, 2]

Ngoài việc sử dụng trong lĩnh vực thông tin quang, các sợi quang thông thường còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác như trong y học, gia công, cảm biến,… Trong quá trình lan truyền sự mất mát và độ tán sắc là các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền của các sợi quang học Bằng cách tạo ra các cơ chế biến đổi độ tán sắc đã đem lại các công nghệ hoàn thiện lĩnh vực thông tin quang ngày nay [3]

Một bước ngoặt mới có tính đột phá trong công nghệ quang sợi đó là vào năm

1996, Russell và các đồng nghiệp đã đưa ra một loại sợi quang mới gọi là sợi tinh thể quang tử (photonic crystal fiber - PCF) (Hình 0.1b) [4] Kể từ đó, các PCF đã được nghiên cứu chuyên sâu hơn hai thập kỷ bởi rất nhiều nhà khoa học lớn và họ

đã chỉ ra các PCF có nhiều ưu điểm hơn so với các loại sợi quang học thông thường

Một PCF có thể được coi là một tinh thể lượng tử ánh sáng, với một cấu trúc đối xứng hai chiều trong đó bao gồm một khu vực trung tâm được bao quanh bởi một

mạng tạo bởi nhiều lỗ không khí chạy song song với trục sợi [5] Sau khi phát hiện

ra PCF thì các nghiên cứu về việc ứng dụng nó trong lĩnh vực quang học được rất nhiều nhà khoa học quan tâm

PCF có các tính chất rất thú vị cho các ứng dụng phi tuyến vì nó có khả năng giam giữ ánh sáng rất lớn và có khả năng điều khiển được độ tán sắc [6] Một điều khá thú vị, các PCF với bước sóng ứng với độ tán sắc bằng không rất thích hợp cho việc phát siêu liên tục [7] Các tham số ảnh hưởng đến độ tán sắc của PCF đó là các

tham số hình học như cấu trúc các loại mạng, kích thước đường kính lỗ khí, khoảng cách giữa các lỗ khí và vật liệu thẩm thấu vào lỗ khí [8]

Trong khoảng thời gian từ năm 1996 đến năm 2006, các nghiên cứu chủ yếu tập trung cho các PCF được bơm vào lỗ mạng hoặc lõi bởi không khí như nghiên cứu

cơ chế dẫn ánh sáng của PCF [5, 9] và các PCF lõi đặc cấu trúc vi mô [10] Các nghiên cứu về PCF sử dụng chất khí bơm vào các lỗ mạng hoặc lõi đã chứng tỏ được những tính chất nổi trội và những ứng dụng vượt bậc của PCF so với các sợi quang thông thường Đồng thời các nghiên cứu này cũng đã chỉ ra PCF khí còn tồn tại một

số hạn chế như dải bước sóng tán sắc bằng không rất hẹp, tính phi tuyến trong các PCF khí nhỏ Những hạn chế này làm ảnh hưởng không nhỏ đến các ứng dụng của PCF trong công nghệ sợi quang

Trong những năm gần đây, với việc thẩm thấu chất lỏng vào lớp vỏ hoặc lõi của PCF đã mở ra một ứng dụng rất tiềm năng của nó trong phát siêu liên tục [11]

Bằng cách lựa chọn chất lỏng, người ta có thể điều khiển được đường cong tán

sắc phẳng của các đường tán sắc [12 - 14] Đồng thời việc sử dụng chất lỏng rất thích

hợp cho việc phát siêu liên tục [15] Ngoài ra, cũng bằng cách thẩm thấu một hỗn hợp chất lỏng thích hợp vào các lỗ khí có thể tạo ra được các PCF ứng dụng trong cảm biến nhiệt có độ nhạy cao [16] Các nghiên cứu về PCF được thẩm thấu chất lỏng vào lớp vỏ hoặc lõi đã mở ra những ứng dụng đầy hứa hẹn của nó trong công nghệ sợi quang và đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu trong thời gian tiếp theo Tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn chưa phân tích được đầy đủ, tường minh sự phụ thuộc của các đại lượng đặc trưng của PCF vào các tham số cấu trúc và các chất lỏng sử dụng có tính độc khá cao đối với con người

Ở Việt Nam, kể từ năm 2005 đến năm 2015 đã có một số nhóm nghiên cứu ở Viện Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện

Kỹ thuật Quân sự đã có những nghiên cứu bước đầu về tinh thể quang tử như sử dụng khúc xạ âm trong các ống dẫn sóng tinh thể không đồng đều [17, 18], nghiên

cứu chế tạo và tính chất quang của các tinh thể quang tử chứa các tâm phát xạ [19], nghiên cứu và chế tạo cảm biến quang học trên cơ sở tinh thể quang tử một chiều ứng dụng trong lĩnh vực Sinh - Hóa [20], các sợi tinh thể có tán sắc cực phẳng và giam giữ mất mát thấp [21, 22], các sợi tinh thể quang tử cho diện tích mode hiệu dụng lớn và tán sắc âm lớn [23], các sợi đơn mode có tán sắc siêu phẳng với dải bước sóng tán sắc gần không rộng [24] Như vậy, các nghiên cứu về PCF còn rất ít được quan tâm ở Việt Nam Hơn nữa, các kết quả nghiên cứu vẫn còn khiêm tốn so với các nước khác Bên cạnh lý do kinh phí và phương tiện chưa đủ, sự liên kết hợp tác không hiệu quả trong nghiên cứu chuyên ngành cũng có thể là một phần nguyên nhân

Hình 0.1: a) Sợi quang thông thường và b) Một số loại sợi tinh thể quang tử

Hình 0.2: Cấu trúc của sợi quang thông thường

Các sợi quang thông thường (Hình 0.1a và Hình 0.2) có ứng dụng rất tốt trong thông tin quang và một số lĩnh vực khác Tuy nhiên các sợi quang thông thường này tồn tại một số hạn chế liên quan đến cấu trúc của nó như: gặp khó khăn trong việc thiết kế, khó khăn trong việc chọn vật liệu (tính chất nhiệt của lõi và vỏ phải giống

nhau), hạn chế về mật độ năng lượng truyền, hạn chế cơ bản về kích thước mode trong chế độ đơn mode, …

Các PCF (Hình 0.1b và Hình 0.3) linh hoạt hơn trong việc thiết kế và chế tạo cấu trúc của nó như việc chọn các loại lõi (lõi đặc hay lõi rỗng), kích thước và hình dạng của các lõi, các kiểu mạng, hằng số mạng, hình dạng và kích thước các lỗ mạng,

tự do lựa chọn các loại vật liệu để thẩm thấu vào lỗ mạng hoặc lõi Mỗi một sự thay đổi các yếu tố này đều ảnh hưởng lên các đại lượng đặc trưng của PCF Nhiều công

bố quan tâm nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc như đường kính lỗ khí

d, hằng số mạng Ʌ (khoảng cách từ tâm lỗ khí này đến tâm lỗ khí gần nhất) lên các các đại lượng đặc trưng của PCF bao gồm chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và mất mát [6, 8, 9] Tuy nhiên hạn chế của các cấu trúc trong các công

bố này là chưa xác định được mối liên hệ giữa các đại lượng này và sử dụng kết quả

đó cho các ứng dụng công nghệ quang trong các trường hợp cụ thể

Hình 0.3: Cấu trúc hình học của sợi quang PCF:

a) Lõi đặc b) Lõi rỗng được thẩm thấu chất lỏng

Trong công bố gần đây, các tác giả đã thẩm thấu chloroform (CHCl3) vào lõi của PCF [25] Kết quả nghiên cứu đã thu được hai cấu trúc tối ưu để ứng dụng cho

phát siêu liên tục tại bước sóng bơm 1030 nm Sợi tối ưu thứ nhất có hằng số mạng

Λ = 1,0 μm và thừa số lấp đầy f = 0,65 có đặc trưng tán sắc thường, có độ tán sắc bằng -24 ps.nm−1.km−1 tại bước sóng bơm Sợi tối ưu thứ hai có hằng số mạng Λ = 2,0 μm và thừa số lấp đầy f = 0,65 có bước sóng tán sắc bằng không (ZDW) bằng 1,0 μm nên có đặc trưng tán sắc dị thường tại bước sóng bơm và độ tán sắc ở bước sóng bơm bằng 7,6 ps.nm–1.km–1 Kết quả phát siêu liên tục cho hai cấu trúc tối ưu này đã mở rộng phổ trong dải bước sóng 600 nm - 1260 nm Trong công bố [26], các tác giả đã phát siêu liên tục trong PCF lõi nước có chiều dài sợi 5 cm Kết quả đã thu được phổ mở rộng trong phạm vi bước sóng từ 600 nm đến 1140 nm Các kết quả thu được qua các công trình trên đóng góp quan trọng trong tiến trình nghiên cứu phát siêu liên tục trong các PCF lõi chất lỏng và càng khẳng định các ưu điểm của các PCF được thẩm thấu chất lỏng Tuy nhiên, khi sử dụng các chất lỏng trên thì diện tích mode hiệu dụng thu được lớn; đường cong tán sắc phẳng nhưng chưa tiệm cận gần nhất với đường tán sắc bằng không; giam giữ mất mát lớn Những yếu tố này có ảnh hưởng lớn đến độ phẳng và khả năng mở rộng phổ trong phát siêu liên tục Ngoài

ra, các công bố còn chưa phân tích đầy đủ các hiện tượng vật lý ảnh hưởng lên quá trình phát siêu liên tục

Để khắc phục những hạn chế trên, chúng tôi sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng bản quyền Lumerical Mode Solutions để thiết kế các PCF lõi rỗng được thẩm thấu các hợp chất thơm (toluen, benzen và nitrobenzen) Tiếp theo, chúng tôi sẽ xây dựng

mô hình vật lý để nghiên cứu sự truyền sóng ánh sáng trong PCF, nghiên cứu ảnh hưởng của bước sóng, các tham số cấu trúc lên các đại lượng đặc trưng của PCF (chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và giam giữ mất mát) Các kết quả thu được sẽ xác định được PCF có cấu trúc tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả phát siêu liên tục (SG) với sự mở rộng phổ lớn và siêu phẳng Trong tiến trình đó chúng tôi phân tích các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng lên quá trình phát siêu liên tục

Các kết quả thu được không chỉ đóng góp trong nghiên cứu cơ bản mà còn có tính định hướng cho các nghiên cứu ứng dụng

Từ những phân tích các vấn đề rất mới, có tính thời sự và rất cần thiết ở trên,

chúng tôi chọn đề tài với tiêu đề: “Nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể

quang tử mạng lục giác đều được thẩm thấu các chất lỏng định hướng ứng dụng trong phát siêu liên tục” làm đề tài luận án của mình.

 Nghiên cứu phát siêu liên tục cho các PCF được thẩm thấu hợp chất thơm với các cấu trúc tối ưu

Nội dung nghiên cứu

Đề tài sẽ sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng với các

nhiệm vụ chính sau:

 Nghiên cứu những vấn đề tổng quan về PCF

 Nghiên cứu mô hình vật lý cho phát siêu liên tục

 Nghiên cứu một số tính chất vật lý của silica và các hợp chất thơm

 Nghiên cứu thiết kế cấu trúc của PCF lõi rỗng được thẩm thấu các hợp chất thơm

 Nghiên cứu các đại lượng đặc trưng của PCF lõi rỗng được thẩm thấu các hợp

chất thơm

 Nghiên cứu SG trong các PCF lõi rỗng thẩm thấu hợp chất thơm

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của luận án bao gồm:

 Các sợi tinh thể quang tử

 Các tham số cấu trúc mạng của sợi tinh thể quang tử

 Các đại lượng đặc trưng của PCF bao gồm chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và giam giữ mất mát

 Các hợp chất thơm bao gồm toluen, nitrobenzen, benzen

 Phát siêu liên tục và một số hiệu ứng phi tuyến

Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu chính của luận án tập trung nghiên cứu phát siêu liên tục

các PCF với chất nền silica, lõi rỗng thẩm thấu các hợp chất thơm (toluen, nitrobenzen, benzen) và mạng lục giác đều

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết mô phỏng Cụ thể:

 Sử dụng phần mềm mô phỏng Lumerical Mode Solutions để thiết kế các PCF được thẩm thấu các chất lỏng khác nhau

 Dựa vào hệ phương trình Maxwell để thành lập mô hình vật lý cho PCF Từ đó nghiên cứu sự lan truyền của ánh sáng trong PCF

 Các đại lượng đặc trưng của PCF phụ thuộc vào bước sóng, các tham số cấu trúc

và chất lỏng thẩm thấu vào PCF sẽ được mô phỏng bằng phần mềm Lumerical Mode Solutions với sự hỗ trợ của phần mềm Matlab

 Để phát siêu liên tục với cấu trúc và chất lỏng đã được tối ưu, chúng tôi sử dụng code phát siêu liên tục đã được Viện ITME của Ba Lan cung cấp

Bố cục luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận án được trình bày trong ba chương có cấu trúc như sau:

Chương 1 Tổng quan về sợi tinh thể quang tử và mô hình vật lý cho phát siêu liên tục

Trong chương này chúng tôi giới thiệu tổng quan về PCF bao gồm đưa ra định nghĩa và phân loại PCF, các phương trình mô tả sự lan truyền của ánh sáng trong PCF, trình bày về cơ chế dẫn sáng trong PCF và giới thiệu các đại lượng đặc trưng của PCF Chúng tôi dẫn ra phương trình lan truyền xung trong sợi quang và phương pháp số mô phỏng quá trình lan truyền xung Cuối chương 1, chúng tôi giới thiệu một số tính chất vật lý của silica và các hợp chất thơm

Chương 2 Nghiên cứu các đại lượng đặc trưng của sợi tinh thể quang tử lõi rỗng thẩm thấu các hợp chất thơm

Trong chương này, chúng tôi thiết kế một PCF với chất nền silica, có lõi rỗng được thẩm thấu hợp chất thơm với lớp vỏ gồm các lỗ khí được sắp xếp thành mạng lục giác đều và đường kính của các lỗ khí có thể thay đổi được Các hợp chất thơm bao gồm benzen, toluen và nitrobenzen Tiếp theo, chúng tôi nghiên cứu các đại lượng đặc trưng của PCF này Các đại lượng đặc trưng nó bao gồm chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và giam giữ mất mát Từ đó, chúng tôi tối

ưu cấu trúc về tán sắc để ứng dụng cho phát siêu liên tục

Chương 3 Nghiên cứu phát siêu liên tục trong các sợi tinh thể quang tử lõi rỗng thẩm thấu hợp chất thơm

Trong chương, chúng tôi sử dụng các dữ liệu về diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và giam giữ mất mát được trích xuất từ chương trình chạy mô phỏng bởi phần mềm bản quyền Lumerical Mode Solutions cho các cấu trúc đã được tối ưu trong chương 2 Các dữ liệu này được đưa vào code Matlab được viết trên cơ sở giải phương trình Schrödinger phi tuyến tổng quát (GNLSE) Từ đó, chúng tôi nghiên cứu phát siêu liên tục trong các PCF có cấu trúc tối ưu được chọn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ

VÀ MÔ HÌNH VẬT LÝ CHO PHÁT SIÊU LIÊN TỤC

Trong chương này chúng tôi giới thiệu tổng quan về sợi tinh thể quang tử bao gồm đưa ra định nghĩa và phân loại PCF, các phương trình mô tả sự lan truyền của ánh sáng trong PCF, trình bày về cơ chế dẫn sáng trong PCF và giới thiệu các đại lượng đặc trưng của PCF Chúng tôi dẫn ra phương trình lan truyền xung trong sợi quang và phương pháp số mô phỏng quá trình lan truyền xung Cuối chương 1, chúng tôi giới thiệu một số tính chất vật lý của silica và các hợp chất thơm

1.1 Tinh thể quang tử

Năm 1972, Bykov đã đưa ra ý tưởng về tinh thể quang tử Sau đó,

Yablonovitch và Sajeev John đã nêu lên các đặc tính quang học của tinh thể quang tử [4]

Tinh thể quang tử là những vi cấu trúc điện môi tuần hoàn ảnh hưởng đến

sự lan truyền của các photon và xem nó giống như các tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động của các electron Đuôi công và đôi cánh của bướm là ví dụ của tinh thể quang tử quan sát được trong tự nhiên [4 - 5]

Tinh thể quang tử có thể ngăn cản sự lan truyền của một số bước sóng một trong hai hoặc tất cả các hướng, nên tinh thể quang tử có khả năng giam ánh sáng bên trong vùng lõi sợi (điều này là không thể đối với sợi quang thông thường) [5]

Tinh thể quang tử có thể được chế tạo dưới dạng một chiều, hai chiều và tinh thể quang tử ba chiều như (Hình 1.1)

Hình 1.1: Hình dạng hình học của tinh thể quang tử

(a) 1D (b) 2D và (c) 3D [4]

Trong tinh thể quang tử một chiều, sự biến đổi tuần hoàn của chiết suất chỉ xảy ra theo một hướng, trong khi các biến thiên chiết suất là đồng nhất đối với hai hướng khác của cấu trúc Tương tự trong tinh thể quang tử hai và ba chiều, chiết suất biến thiên tuần hoàn xảy ra trong hai và ba chiều tương ứng Các ví dụ đơn giản nhất về tinh thể quang tử 1 - D, 2 - D, 3 - D là cách tử Bragg, sợi tinh thể quang tử [5]

1.2 Sợi tinh thể quang tử

PCF là một sợi quang sử dụng tinh thể quang tử để tạo lớp vỏ bao quanh lõi của sợi [4 - 5] Tinh thể quang tử là một môi trường có hằng số điện môi biến đổi tuần hoàn và có mất mát thấp được tạo bởi các lỗ khí có kích thước cỡ micro sắp xếp tuần hoàn chạy dọc theo toàn bộ chiều dài sợi Ánh sáng lan truyền dọc theo sợi quang có tiết diện ngang bị khuyết tật với cấu trúc tinh thể Khuyết tật được tạo ra bằng cách lấy đi một hoặc nhiều lỗ hổng trong lớp vỏ hoặc lõi và bơm vào đó là các chất khí hoặc chất lỏng PCF là một loại sợi quang mới Kết hợp giữa tính chất của sợi quang và của tinh thể quang tử, PCF tử có hàng loạt các đặc trưng tối ưu hơn so với sợi quang thông thường [4 - 5]

Bảng 1.1: Tổng quan về sự phát triển của PCF từ năm 1978 đến nay [27, 88]:

1978 Ý tưởng về sợi quang cách tử Bragg

1992 Ý tưởng về sợi quang tử lõi khí

1996 Sợi quang đơn mode vỏ quang tử được chế tạo

1997 PCF đơn mode

1999 PCF vùng cấm có lõi khí

2000 PCF lưỡng chiết cao

2000 Phát siêu liên tục

2001 Chế tạo thành công sợi quang Bragg

2001 Chế tạo thành công laser sợi quang tử vỏ đôi

1.3 Phân loại PCF

Có hai loại PCF chính: PCF lõi đặc (Hình 1.2) và PCF lõi rỗng (Hình 1.3)

Hình 1.2: Sơ đồ mặt cắt của PCF lõi đặc [4 - 7]

Hình 1.3: Mặt cắt ngang của PCF lõi rỗng đầu tiên, với khoảng cách

giữa các lỗ là 4,9 μm và đường kính lõi 14,8 μm [4 - 7]

PCF được xác định chủ yếu bởi ba thông số chính như thể hiện trong (Hình 1.4): khoảng cách giữa các tâm của hai lỗ khí tính cả lớp vỏ (lỗ khí hoặc

là thủy tinh pha tạp) gọi là hằng số mạng (), đường kính lớp vỏ bọc (d), và đường kính lõi (D)

Hình 1.4: Các thông số PCF [7]

1.4 Cơ chế dẫn sáng của PCF

Các sợi quang thông thường dẫn ánh sáng dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần (TIR) Khi ánh sáng truyền đến mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau, ánh sáng bị tách thành hai thành phần, một thành phần phản xạ lại môi trường ban đầu và một thành phần bị khúc xạ khi đi vào môi trường thứ hai Khi ánh sáng truyền trong môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi trường

có chiết suất nhỏ hơn tiếp cận song song với bề mặt phân cách thì góc tới được gọi là góc giới hạn, tia khúc xạ đi dọc theo bề mặt phân cách Khi góc tới lớn hơn góc giới hạn, ánh sáng không đi vào môi trường thứ hai, toàn bộ ánh sáng sẽ

bị phản xạ lại môi trường thứ nhất Sợi quang thông thường có dạng hình trụ tròn bao gồm hai lớp chính là lõi có chiết suất lớn hơn vào vỏ sợi bao bọc quanh lõi có chiết suất nhỏ hơn, ánh sáng truyền trong sợi quang dựa trên nguyên lý TIR nên chiết suất lớp vỏ phải nhỏ hơn chiết suất lớp lõi như mô tả trong (Hình 1.5a) cho thấy TIR dọc theo chiều dài của chúng Cả hai vật liệu được sử dụng cho lõi và vỏ bọc thường là hợp chất silica, trong đó lõi được bổ sung thêm các tạp chất khác để chiết suất lớn hơn lớp vỏ Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đường dài gồm lớp lõi pha tạp gemani và lớp vỏ silica tinh khiết Gemani

D

co lli m at

ed

pha tạp cho chiết suất cao hơn một chút so với silica tinh khiết Các chất khác làm tăng chiết suất của silica là nhôm, photpho và nitơ, trong khi flo và bo làm giảm chiết suất Các chất làm giảm chiết suất có thể được sử dụng để tạo vỏ bọc

có chiết suất thấp xung quanh lõi làm từ silica tinh khiết [1 - 3]

Hình 1.5: Mô hình biểu diễn mặt cắt ngang qua (a) một sợi quang thông

thường [1 - 3] và (b) một PCF lõi rắn [4 - 7] Trong (a) vùng màu xám đậm biểu diễn một lõi thủy tinh có chiết suất cao hơn một chút so với vùng phủ ngoài được thể hiện bằng màu xám nhạt hơn Trong (b) các lỗ trắng trong lớp phủ biểu diễn một mảng các lỗ không khí chạy dọc chiều dài của sợi

Năm 1996, một loại sợi quang mới đã được báo cáo [4], thay vì lớp vỏ được làm từ thủy tinh, thì lớp vỏ gồm những ống nhỏ với lỗ trống có hình lục giác chứa không khí chạy dọc theo chiều dài sợi Sợi quang mới được gọi là sợi tinh thể quang tử và được biểu diễn theo mô tả trong (Hình 1.5b) Cơ chế dẫn

sáng sợi tinh thể quang tử lõi đặc (có chiết suất lõi lớn hơn chiết suất lỗ khí)

giống với sợi quang thông thường, nghĩa là dựa vào cơ chế TIR, lúc này ánh sáng sẽ bị giam giữ trong một lõi đặc Tuy nhiên, do chiết suất của lỗ khí có thể thay đổi được bằng cách thẩm thấu chất lỏng vào lỗ khí, thay đổi kích thước lỗ khí, thay đổi số lỗ khí trong mạng,… Nên cơ chế dẫn sáng TIR của PCF trở nên linh hoạt hơn sợi quang thông thường

Loại sợi thứ hai dẫn sáng nhờ vùng cấm dải quang tử (PBG) Cơ chế dẫn sáng PCF rỗng (Hình 1.4) hoàn toàn khác với cơ chế TIR và chúng hoạt động dựa vào PBG Trong trường hợp này, chiết suất lõi nhỏ hơn chiết suất lớp vỏ mạng, mặc dù các lỗ khí được sắp xếp tuần hoàn, nó có thể rỗng hoặc chứa vật liệu như chất lỏng hoặc khí [5]

PBG là một vùng trong phổ tần số, nơi không tồn tại mode truyền Điều này cho phép các tính năng mới như giam giữ ánh sáng vào lõi chiết suất thấp

Và vì không có vật liệu nào có chiết suất khúc xạ nhỏ hơn không khí, nên cấu trúc này sẽ không xảy ra TIR Thay vào đó, ánh sáng sẽ được chứa trong lõi rỗng bởi hàng rào của PBG hai chiều được hình thành từ các mảng không khí tuần hoàn bao quanh lõi [5, 28]

1.5 Ưu điểm của PCF so với sợi quang thông thường

Các PCF có nhiều ưu điểm hơn so với các sợi quang thông thường trong việc thiết kế và chế tạo Nó có thể được thiết kế linh hoạt hơn trong cơ chế dẫn ánh sáng, trong thiết kế các loại mạng, hình dạng và kích thước các lỗ mạng và lựa chọn vật liệu Việc thiết kế các PCF linh hoạt giúp kiểm soát được các tham

số chế tạo trong các sợi đơn mode và tạo ra các sợi đơn mode có thể hoạt động

trong một phạm vi bước sóng rộng hơn các sợi quang thông thường [4 - 5, 27]:

 Sự tồn tại của hai cơ chế dẫn sáng khác nhau là một trong những lí do cho tính chất linh hoạt của PCF

 Tự do về số lỗ khí, hình dạng làm cho PCF linh hoạt thiết kế hơn so với sợi quang thông thường

 Sự linh hoạt trong thiết kế để điều khiển các đặc trưng của PCF dễ dàng hơn so với các sợi quang thông thường

 Do chênh lệch lớn chiết suất giữa silica và không khí nên PCF có thể đạt được vùng tán sắc rộng hơn so với sợi quang thông thường

 PCF có thể hoạt động rất đơn mode trên một loạt các bước sóng

 Những đặc điểm vượt trội của PCF như: không bị ảnh hưởng bởi tác động uốn cong, giảm độ suy hao, tán sắc bằng không, tính phi tuyến, có thể điều chỉnh vùng mode và độ tán sắc ở vùng bước sóng thấy được và hồng ngoại gần, v.v… đã làm cho PCF cải thiện hơn so với sợi quang thông thường

1.6 Ứng dụng của PCF

PCF có các ứng dụng sau [27]:

 Khi thẩm thấu chất lỏng vào các lỗ khí của PCF và bằng cách lựa chọn chất lỏng, người ta có thể điều khiển được độ cong phẳng của các đường tán sắc

Đồng thời việc sử dụng chất lỏng có hệ số phi tuyến cao rất thích hợp cho việc

phát siêu liên tục Ngoài ra, cũng bằng cách bơm một hỗn hợp chất lỏng thích hợp vào các lỗ khí có thể tạo ra các PCF được ứng dụng trong cảm biến nhiệt độ

có độ nhạy cao

 Độ tán sắc bằng không của PCF có thể được áp dụng để loại bỏ bù tán sắc cho các truyền dẫn đường dài

 Độ tán sắc âm của PCF có thể được sử dụng trong lĩnh vực bù tán sắc

 PCF có thể được thiết kế để có tính lưỡng chiết cao

1.7 Phương pháp chế tạo PCF

PCF có thể thiết kế rất đa dạng về cấu trúc, nhưng chúng ta thấy phương pháp kéo thường được sử dụng và từ sợi thủy tinh gia nhiệt mềm PCF được chế tạo thành Trong phương pháp này, thủy tinh nóng chảy được ép vào khuôn gồm nhiều lỗ tròn [27] Phương pháp tạo (cấy) vật liệu thủy tinh đã được biết trong công nghệ thủy tinh [27] Với phương pháp này PCF được sản xuất qua bốn bước (Hình 1.6)

Hình 1.6: Quá trình chế tạo PCF

a) Ống thủy tinh được tạo ra riêng lẻ;

b) Xếp các ống thủy tinh theo cấu trúc mong muốn;

Đầu tiên chế tạo các ống thủy tinh đơn lẻ Sử dụng các loại thủy tinh khác nhau để chế tạo các ống thủy tinh này có đường kính, tiết diện ngang khác nhau,

độ dày khác nhau (Hình 1.6)

Các bước tiếp theo là xếp các ống thủy tinh theo cấu trúc mong muốn Các

chỗ khuyết, trong đó ánh sáng truyền qua có thể là ống khí đối với PCF lõi rỗng

và là một sợi thủy tinh đối với PCF đặc với đường kính tùy chọn Sợi thủy tinh tạo khuyết được đặt đúng theo cấu trúc mạng mong muốn Toàn bộ bó sợi và ống xếp theo cấu trúc đó được làm nóng chảy và kéo bằng thiết bị kéo sợi quang thông thường Bó sợi đó được kéo nhỏ đến đường kính cỡ milimet, đó chính là mẫu trung gian [27, 28]

Hình 1.7: Tiền mẫu PCF

a) Tiền mẫu PCF mạng lục giác trong ống 1 mm;

b) Tiền mẫu PCF với các lỗ bán kính 250 μm mạng lục giác;

c) Sợi PCF có đường kính 120 μm với các lỗ đường kính 3 μm; d) Mẫu trung gian của sợi PCF hai lõi mạng tứ giác;

e) Sợi PCF mạng tứ giác có đường kính 250 μm với các lỗ khí đường kính 2,5 μm, d/Λ=0,5;

f) Sợi PCF đa mode mạng tứ giác đường kính 160 μm với các lỗ khí

3 μm [27, 28]

Để nhận được PCF có các đặc trưng truyền theo mong muốn, nhiều vấn

đề trong công nghệ cần được quan tâm, chẳng hạn như: tốc độ kéo và nhiệt độ Bằng phương pháp mô phỏng các chỗ khuyết sẽ được khảo sát trước vì nó quyết định đặc trưng của sợi

Hầu hết sợi PCF được chế tạo từ silica Sử dụng silica sẽ dễ tạo dạng cho các sợi quang sử dụng trong vùng bước sóng 200 nm - 2500 nm Ngoài ra có thể

sử dụng thủy tinh đa thành phần như cấy thêm telua, florua,… Thủy tinh đa thành phần sẽ đảm bảo một số đặc trưng mà silica không có, ví dụ như: chiết suất lớn hơn, có thể truyền qua vùng hồng ngoại, độ phi tuyến cao, tức là hiệu ứng phi tuyến dễ đạt được với năng lượng ánh sáng thấp Một số sợi được chế tạo thành công từ thủy tinh silica, chalcogenite và telua [28] Các tạp chất được cấy nhiều vào thủy tinh silica thì khả năng biến đổi tính chất quang, cơ càng lớn

1.8 Tính chất và các đặc trưng của PCF

Tính chất và các đặc trưng quan trọng của PCF có được là do chính cấu trúc của nó Chúng ta có thể thay đổi các tham số cấu trúc dẫn đến PCF có tính chất và các đặc trưng hấp dẫn mà các sợi thông thường không thể đạt được Các tham số cấu trúc thay đổi như: các kiểu mạng, kích thước và hình dạng các lỗ khí, hằng số mạng Với sự thay đổi đó có thể tạo ra chế độ đơn mode cao, giam giữ ánh sáng lớn tạo ra tính phi tuyến cao, lưỡng chiết cao và khả năng điều khiển tán sắc [27, 28]

1.8.1 Tính chất đơn mode cao của PCF

Cấu trúc hình học là phần quan trọng nhất tạo nên các PCF đơn mode cao Ví dụ, đối với PCF lõi đặc có đường kính lỗ khí là d, hằng số mạng (khoảng cách giữa hai lỗ khí liên tiếp) là Λ Đại lượng f = d/Ʌ được gọi là thừa số lấp đầy Khi các thừa số lấp đầy thỏa mãn f = d/Λ < 0,43 thì sợi đơn mode cao [27, 28] Tham số V là một đại lượng quan trọng, có giá trị cho biết số lượng các mode truyền trong sợi quang Tham số V hiệu dụng có thể được định nghĩa cho PCF như sau [27, 28]:

1.8.2 Đặc trưng chiết suất hiệu dụng

Chiết suất của một vật liệu là tỉ số tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ ánh sáng trong khối vật liệu đó cho tần số xác định Biểu thức của nó được xác định [28, 30]:

trong đó: n : chiết suất tuyến tính,

c = 2,998.108 m/s: vận tốc ánh sáng trong chân không,

0

k : hằng số sóng [cm-1],

λ0: là bước sóng trong không gian tự do  m ,

0

 = 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

Khi ánh sáng truyền trong một môi trường đồng nhất và đẳng hướng thì chiết suất và chiết suất hiệu dụng là như nhau Tuy nhiên, điều khác biệt quan trọng cần lưu ý về chiết suất hiệu dụng là nó gắn chặt với các mode trong cấu trúc dẫn sáng của sợi quang Chiết suất hiệu dụng là tỉ số giữa vận tốc ánh sáng trong chân không với vận tốc của một mode phân cực nhất định theo hướng

truyền cấu trúc dẫn sáng (tức là dọc ống dẫn sóng theo hướng z) Chiết suất hiệu dụng được xác định [28, 30]:

với: kzpm = βpm, m là mode thứ m của phân cực, p là phân cực (TE hoặc TM), k0

là số sóng trong không gian tự do đối với một tần số đã cho của ánh sáng và được xác định 0

   ,  là tần số của tất cả các môi trường [Hz]

1.8.3 Đặc trưng diện tích mode hiệu dụng và hệ số phi tuyến

Diện tích mode hiệu dụng là phần diện tích mặt cắt ngang của trường mode như trên (Hình 1.8) Nó là một tham số quan trọng của PCF đặc trưng cho tính phi tuyến của PCF Theo định nghĩa, diện tích mode hiệu dụng (Aeff) có thể được mô tả như [28, 31]:

4

( , ) ( , )

eff

E x y dxdy A

E x y dxdy (1.6)

Hình 1.8: Biểu diễn diện tích mode hiệu dụng [28, 31]

Trong đó, E (x, y) là hàm phân bố trường điện ngang Giới hạn của tích phân được mở rộng đến vô cùng, điều đó có nghĩa là tích phân phải được đánh giá trên toàn bộ mặt phẳng ngang với biên độ trường là không đáng kể

Khi thay đổi đường kính lỗ khí d và hằng số mạng  thì diện tích mode thay đổi Khi tăng đường kính của các lỗ khí, diện tích hiệu dụng sẽ giảm, lúc này mode ánh sáng sẽ bị giam trong lõi tốt hơn Diện tích hiệu dụng hầu như không phụ thuộc vào số vòng lỗ khí [28, 31] Tại một bước sóng cho trước, tùy vào khoảng cách Λ, kích thước của lỗ khí và số vòng lỗ khí mà diện tích hiệu dụng có thể rất lớn

Khi ánh sáng truyền trong một môi trường bất kì đều có tương tác giữa các photon với các nguyên tử của môi trường Các nguyên tử hấp thụ năng lượng từ photon và chuyển lên mức năng lượng cao hơn [32] Ở mức năng lượng cao, các nguyên tử không bền và có xu hướng chuyển xuống các mức năng lượng thấp hơn và giải phóng năng lượng dưới dạng photon mới Ngoài tương tác giữa các phân tử và photon còn có các tương tác photon - photon, photon - nguyên tử - photon, các tương tác này được gọi là hiện tượng phi tuyến [32] Trong các hệ thống quang thì hiện tượng phi tuyến vừa có lợi vừa có hại Hiện tượng này là cơ sở của laser, khuếch đại quang học, nhưng nó cũng là nguyên nhân gây nên suy hao, nhiễu Hiện tượng phi tuyến được đặc trưng bởi

hệ số phi tuyến xác định như sau [32]:

1.8.4 Đặc trưng tán sắc trong PCF

Khi ánh sáng lan truyền với các tần số khác nhau ở các vận tốc nhóm khác nhau, dẫn đến việc mở rộng phổ của xung đầu vào gây ra tán sắc vận tốc nhóm (GVD) Đây là một yếu tố quan trọng đối với ứng dụng viễn thông và phi tuyến PCF cung cấp khả năng kiểm soát tăng cường độ lớn và dấu của GVD như một hàm của bước sóng Trong sợi quang đơn mode, sự tán sắc xảy ra do hai quá trình Một là sự tán sắc vật liệu bên trong Dm của thủy tinh, nó bắt nguồn từ sự biến đổi của chiết suất khúc xạ theo bước sóng Hai là tán sắc dẫn sóng Dw phụ thuộc vào cấu hình dẫn sóng Vì phân bố trường mode thay đổi theo bước sóng,

tỉ lệ trong lõi và lớp vỏ khác nhau, do đó kết quả chiết suất mode neff trở nên phụ thuộc vào bước sóng Độ tán sắc phụ thuộc vào đạo hàm bậc hai của chiết suất hiệu dụng theo bước sóng Chiết suất hiệu dụng mode neff có liên quan đến hằng

số truyền β bởi công thức neff =β/k với k là hằng số sóng Do đó sự biến thiên của vận tốc pha của sóng đơn sắc với bước sóng được xác định bởi sự phụ thuộc bước sóng của β Tuy nhiên, các xung quang học không hoàn toàn đơn sắc và có băng thông hữu hạn Vận tốc nhóm vg có liên quan đến β thông qua đạo hàm bậc nhất của tần số theo biểu thức sau [27, 28]:

trong đó: D là tham số tán sắc thường được sử dụng có đơn vị (ps/km.nm) nó liên quan trực tiếp đến lượng xung lan truyền (tính bằng ps) trên mỗi chiều dài truyền (tính bằng km) trên mỗi băng thông (tính bằng nm), λ là bước sóng ánh sáng [m], c là tốc độ của ánh sáng trong chân không [m/s]

Mặt khác, β2 có đơn vị (ps2/km) Cả β2 và D đều được sử dụng khi đề cập đến GVD Một trong nhiều ưu điểm của sợi quang cấu trúc micro là sự tán sắc của các sợi đó có thể điều khiển và kiểm soát được Chênh lệch chiết suất cao giữa silica và không khí và sự linh hoạt của việc thay đổi kích thước lỗ khí và các mẫu, làm cho chiết suất lớp vỏ phụ thuộc vào bước sóng mạnh, cung cấp nhiều tính chất tán sắc khác thường trong sợi quang cấu trúc micro Bằng cách thay đổi đúng các đặc tính hình học của các lỗ khí trong tiết diện sợi quang cấu trúc micro, đóng góp của sự dẫn sóng cho sự tán sắc có thể bị thay đổi đáng kể,

do đó có được vị trí dị thường của ZDW có thể điều chỉnh trên phạm vi rộng, hoặc các giá trị cụ thể của độ dốc tán sắc có thể được gắn với nhau để thu được đường cong tán sắc siêu phẳng Ví dụ, ZDW có thể được dịch chuyển sang vùng khả kiến bằng cách giảm kích thước lõi và tăng phần chứa đầy không khí Ngược lại, các đường cong tán sắc có thể thu được trong các dải bước sóng nhất định của sợi quang cấu trúc micro với các lỗ khí nhỏ, với phần chứa đầy không khí thấp Sợi quang cấu trúc micro với một phần làm đầy không khí cao cũng có thể được thiết kế để bù lại sự tán sắc dị thường (β2 < 0) của SMF Thông số tán sắc D của sợi quang cấu trúc micro được tính bằng phần thực của neff như sau [27, 28]:





  (1.10) Tán sắc toàn phần xấp xỉ bằng tổng của độ tán sắc vật liệu Dm và độ tán sắc dẫn sóng Dw là D () = Dm () + Dw() Tán sắc màu Dm() trở thành một tính chất cố hữu đối với các sợi quang cấu trúc micro không khí - silica Chiết suất hiệu dụng của mode dẫn (neff) được tính toán qua tán sắc vật liệu của cấu

trúc bởi phương trình Sellmeier, và tổng tán sắc tại một bước sóng cụ thể thu được bằng cách thêm vật liệu và tham gia của sự dẫn sóng Đơn vị của tán sắc là [ps/(km.nm)]

1.8.5 Mất mát trong PCF

Thông thường trong các PCF có hai loại mất mát như sau: mất mát do sự tán xạ và mất mát do sự hấp thụ [28] Toàn bộ các mất mát này còn được gọi là

sự suy giảm

Sự mất mát tối thiểu trong silica được xác định ở bước sóng khoảng 1550

nm, nhỏ hơn 0,2 dB/km [28] Biểu thức cho sự suy giảm αm theo dB/km được cho bởi [28]:

(1.11)trong đó: L là chiều dài khoảng cách truyền được đo bằng (km), Pi là công suất đầu vào, P0 là công suất đầu ra

Ngoài ra, trong PCF còn có các mất mát khác chẳng hạn như: sự hấp thụ tán xạ, mất mát do uốn cong và mất mát giam giữ PCF có mất mát rất thấp so với các loại sợi khác được sử dụng trong hệ thống viễn thông [28]