Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.66 MB, 55 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN ĐỘ MẤT MÁT TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ

Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học Tự nhiên

THANH HÓA, THÁNG 04 /2023

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN ĐỘ MẤT MÁT TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ

huộc nhóm ngành khoa học: Khoa học Tự nhiên

Trưởng nhóm nghiên cứu: Trần Hồng Thắm Nam, Nữ: Nữ

Lớp, khoa: K23, Khoa KHTN Năm thứ: 3/ Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Đại học sư phạm Vật lý CLC

Người hướng dẫn: TS. Lê Văn Hiệu

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Vật Lý CLC

+ Viết thuyết minh đề tài. + Nghiên cứu tổng quan về sợi tinh thể quang tử, độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử.

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử.

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất máttán sắc

trong sợi tinh thể quang tử. Phân chia nhiệm vụ, tổng quan, tổng hợp ý kiến, nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, kết quả nghiên cứu.

Vật Lý CLC

+ Nghiên cứu tổng quan về sợi tinh thể quang tử, độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử.

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc

Comment [L1]: Cô sửa lại biaf

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử. Tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, tổng quan, kết quả nghiên cứu, tài liệu tham khảo.

Formatted: Line spacing: Multiple 1.4 li

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

MỤC LỤC

Danh sách thành viên tham gia nghiên cứu đề tài i

1.7. Hiệu quả và phạm vi sử dụng (kinh tế, xã hội, giáo dục, khoa học,

kỹ thuật,..) và tính mới, đóng góp mới của đề tài. 4 1.8. Cấu trúc báo cáođề tài 5

Formatted: Line spacing: Multiple 1.4 li, Tab

Formatted: Line spacing: Multiple 1.4 liFormatted: Space After: 0 pt, Line spacing:

Multiple 1.4 li

Formatted: Line spacing: Multiple 1.4 liFormatted: Space After: 0 pt, Line spacing:

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

1.4. Độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử 11 Chương 2. Phương pháp nghiên cứu 12 2.1. Giới thiệu phần mềm MODE Solutions 12 2.2. Thiết lập các tham số mô phỏng cho sợi tinh thể quang tử 13 Chương 32. Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc

tính quang học của sợi tinh thể quang tử

32.1. Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử

32.1.2. Ảnh hưởng của hằng số mạng lên độ mất mát của sợi tinh thể

32.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc tính tán

32.2.2 Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc tính tán sắc trong sợi

Phụ lục 1. Chương trình thiết kế cấu trúc sợi tinh thể quang tử mạng lục giác

Phụ lục 2. Chương trình chạy cho độ mất mát trong khơng gian ba chiều với các giá trị khác nhau của hằng số mạng

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Hệ số Sellmeier của vật liệu.

Hình 1.1 Mơ hình sợi tinh thể quang tử lõi đặc (a) và mặt cắt ngang của nó (b). Hình 1.2 Sơ đồ chiết suất thủy tinh / khơng khí truyền dẫn trong PCF (trái) với

cấu hình chiết suất (phải) [17]..

Hình 1.3 Ảnh chụp mặt cắt ngang của sợi suspended NL_35B1 [17]..[20]. Hình 1.4 Mơ tả khoảng cách dải quang tử mẫu [17]..

Hình 1.5 Các loại khác nhau của sợi tinh thể loại bandgap: (a) Sợi dạng tổ ong, (b) Sợi lõi rỗng Bragg [17], (c) Sợi dạng lục giác, (d) Sợi dạng lưới lục giác - PBF5B3.

Hình 1.6 Chế tạo sợi tinh thể quang tử: (a) tạo ra các ống nhỏ riêng rẽ, (b) hình thành khn phơi, (c) bước tạo hình trung gian, (d) bước tạo sợi hồn chỉnh.

Hình 2.1 Giao diện của phần mềm MODE Solutions. Hình 2.2 Cửa sổ Material Database.

Hình 2.3 Các cấu trúc (a) và các thuộc tính của cấu trúc hình trịn (b). Hình 2.4 Cửa sổ thư viện các loại cấu trúc lõi của sợi tinh thể quang tử. Hình 2.5 Thiết lập các thơng số trong q trình mơ phỏng.

Hình 32.1

(a) Mơ hình sợi tinh thể quang tử với mặt cắt ngang của sợi, (b) phương thức lan truyền cơ bản của sợi tinh thể quang tử.

Hình Thành phần chiết suất thực (n) và chiết suất ảo (k) của C2Cl4 tại 200 C.

Formatted: Space After: 8 pt

Formatted Table

Comment [Ma3]: Hình dưới ko có c d

Formatted: Font: Not ItalicFormatted: Font: Not Italic

Formatted: Left, Space After: 0 pt, Adjust

space between Latin and Asian text, Adjustspace between Asian text and numbers

Formatted: Font: Not Highlight

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

32.2 Đường màu đen mô tả chiết suất thực của thủy tinh tinh khiết silica. Hình

32.3

Ảnh hưởng của hằng số mạng lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử đối với phương thức lan truyền cơ bản trong gian 3D (a) và 2D (b).

Hình 32.4

Ảnh hưởng của đường kính lỗ khí lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử đối với phương thức lan truyền cơ bản trong gian 3D (a) và 2D (b).

Hình 32.5

Phân bố cường độ sáng trong mode cơ bản với các vịng lỗ khí khác nhau trong sợi tinh thể quang tử tương ứng với 3 vòng, 5 vòng và 8

Tán sắc màu của PCF trong mode cơ bản. Sợi quang được thiết kế với các hằng số mạng Λ khác nhau và các hệ số lấp đầy khác nhau.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

PCF Sợi tinh thể quang tử

ZWD Bước sóng tán sắc bằng khơng

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử - Khoa: Khoa học Tự nhiên

4. Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Văn Hiệu

5. Thời gian thực hiện: 08 tháng (từ tháng 09/2022 đến tháng 04/2023). 6. Cơ quan quản lý đề tài: Trường Đại học Hồng Đức.

7. Đơn vị chủ trì đề tài: Khoa Khoa học Tự nhiên

Comment [L4]:

I.Thâng tin chung 1.

2.

II.Tóm tắt kết quả nghiên cứu Nên viết như abstract của 1 bài báo)

Comment [Ma5]:

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài này, tTrước tiên chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS. Lê Văn Hiệu, người dẫn khoa học, đã định hướng nghiên cứu từ phương pháp tiếp cận, cung cấp tài liệu, bổ sung kiến thức, hướng dẫn các kỹ năng cần thiết để

chúng em hoàn thành tốt đề tài này.

Đại học Hồng Đức, cùng quý thầy, cô khoa Khoa học Tự nhiên, Bộ môn Vật lý đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em trong quá trình học tập và thực hiện đề tài.

Cuối cùng, chúng em xin gửi lời tri ân đến bạn bè, đặc biệt là gia đình thân u đã ln quan tâm, động viên và sát cánh bên chúng em trong những thời điểm khó khăn nhất. Đây chính là nguồn sức mạnh tinh thần to lớn giúp chúng em vượt qua mọi trở ngại để không ngừng vươn lên trong học tập và cuộc sống.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Thanh Hóa, tháng 4 năm 2023

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

PHẦN I - MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài.

Trong những năm gần đây, sợi tinh thể quang tử (Photonic Crystal fiber) đã nhận được rất nhiều sự chú ý nghiên cứu trên tồn thế giới, bởi vì các tính chất độc đáo và mới lạ của nó như: có thể tạo ra chế độ đơn mode [1], lưỡng chiết cao [2], hay tạo ra mơi trường có độ phi tuyến cao [3], đặc biệt hơn nữa là có thể điều chỉnh các đặc tính tán sắc để đạt được tán sắc phẳng hay tán stắc cực phẳng [4]. Với sSự linh động trong việc sắp xếp lỗ khí xung quanh lõi chạy dọc theo chiều dài của nó,

PCF cho phép thay đổi các đặc tính tán sắc, đặc tính mất mát cũng như các đặc tính phi tuyến của loại sợi quang này khibằng cách thay đổi độ lớn các tham số cấu trúc

như hằng số mạng (khoảng cách giữa hai lỗ khí liên tiếp), đường kính lỗ khí (d), hình dạng lỗ khí và hệ số lấp đầy tuyến tính (f) [5]. Ngoài ra, cũng nhờ sự linh động

trong cách sắp xếp các lỗ khí nàynhư vậy, cơ chế lan truyền trong sợi cũng có thể thay đổi được. Với những ưu điểm vượt trội trong thiết kế và chế tạo, sợi tinh thể quang tử được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như truyền dẫn thông tin, kỹ thuật y sinh hay các thiết bị cảm biến [6-76-7].

Độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình lan truyền của xung, từ đó ảnh hưởng đến hệ thống kết nối trong hệ thống thông tin trong hệ thống truyền dẫn thông tin quang (nền tảng của cơng cuộc hiện đại hóa các mạng lưới viễn thông trên thế giới). Dựa trên độ mMất mát, ta có thể xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa giữa bộ phát quang và bộ thu quang hoặc bộ khuyếch đại quang trên đường truyền. Khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang, công suất sẽ giảm dần dạng hàm mũ theo khoảng cách.

Thực tế, độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chiều dài sợi (khoảng cách lan truyền), vật liệu làm sợi hay các tham số cấu trúc của sợi. Mỗi sự sắp xếp hợp lýthiết kế khác nhau về cấu trúc sợi quang như hằng số mạng (khoảng cách giữa hai lỗ khí liên tiếp), kích thước đường kính lỗ khí sẽ làm

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

cho đặc tính quang học của sợi tinh thể quang tử như đặc tính tán sắc có, độ mất mát thay đổikhác nhau. Như vậy, bằng sự kết hợp giữa vật liệu và các tham số cấu trúc sợi phù hợp, chúng ta có thể thu được cấu trúc sợi có độ mất mát cực thấp [5]. Hầu hết các cơng trình nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc tìm kiếm và thay thế các vật liệu nhằm thu được độ mất mát nhỏtối thiểu. Trong khi đó, ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát của sợi vẫn cịn ít được quan tâm. Mặt khác, công nghệ chế tạo sợi tinh thể quang tử với các cấu trúc phức tạp như hình lục giác, hình vng, cấu trúc xoắn vẫn cịn gặp rất nhiều khó khăn và tốn kém [8]. Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng các tham số cấu trúc như hằng số mạng hay đường kính lỗ khí lên đặc tính quang học của sợi tinh thể quang tử vẫn là một cách thứcphương pháp mang lại nhiều hiệu quả trong lĩnh vực này.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước

Hiện nay, đã và đang có rất nhiều cơng trình nghiên cứu của các nhóm trên thế giới về thiết kế và chế tạo các sợi tinh thể quang tử có độ mất mát thấp [9-102]. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong quá trình lan truyền, cách tiếp cận điển hình là xem xét cho phương thức lan truyền sóng cơ bản. Sự phát triển của công nghệ chế tạo sợi quang qua nhiều năm đã đạt được kết quả trong việc tạo ra sợi quang có độ mất mát rất thấp. Sợi quang được chế tạo với độ mất mát 0.2dB/km và đặc tính này trở thành lợi thế chính của thơng tin quang

sợi. Điều này thuận lợi cho việc đặt bộ khuếch đại cho mỗi khoảng cách trên đường truyền mà không cần chuyển sang tín hiệu điện ở bước trung gian, do đó giảm được cả giá thành và cả độ phức tạp của hệ thống.

1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, những nghiên cứu về sợi tinh thể quang tử, hiện tại có nhóm của PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải ở Viện điện tử-Viễn thông trường bách khoa Hà Nội, nhóm nghiên cứu này tập trung thiết kế các cấu trúc lõi đặc với tán sắc cực

Formatted: Not HighlightFormatted: Not Highlight

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

phẳng và mất mát nhỏ, những đặc tính này rất quan trọng quyết định đến hình dạng và sự mở rộng xung đầu ra trong sự phát siêu liên tục của sợi tinh thể quang tử; cấu trúc với các hình dạng khác nhau của lỗ khí như hình vng, elip, hay lục giác cũng được nhóm xem xét [113-14]. Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Tống Hoàng Tuấn tại trường ĐH Y Hà nội, tập trung nghiên cứu chủ yếu với các cấu trúc sợi quang cổ điển (step-index) được tạo bởi các vật liệu phi tuyến cao như chalcogenide hay tellurite trong vùng giữa hồng ngoại có nhiều ứng dụng trong y học với độ mất mát thấp [12-135]. Trong khi đấy nhóm Quang tử tại đại học Vinh do GS.TS Đinh Xuân Khoa làm trưởng nhóm cũng đã và đang nghiên cứu về vấn đề này [146]-17]. Một nhóm nghiên cứu khác hiện nay cũng đang nghiên cứu về vấn đề này là nhóm Quang tử tại Trường Đại học Hồng Đức (TS. Chu Văn Biên, TS. Lê Văn Hiệu, TS. Nguyễn Thị Dung, TS. Nguyễn Thị Huệ). Các hướng nghiên cứu chính của nhóm Quang tử Trường Đại học Hồng Đức đang thực hiện hiện nay là nghiên cứu quá trình lan truyền xung và quá trình phát siêu liên tục trong sợi tinh thể quang tử được bơm đầy bởi chất lỏng có độ phi tuyến cao. Bước đầu nhóm đã đạt được nhiều kết quả khích lệ Các nghiên cứu của nhóm bước đầu tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố lên độ mất mát[15-17]. Hầu hết các nghiên cứu được đề cập phía trên chỉ tập trung vào các cấu trúc đã được tối ưu hóa. Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử vẫn cịn ít được quan tâm, chưa được xem xét cụ thể. Trong khi đó, việc nghiên cứu giảm độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử bằng cách thay đổi các tham số cấu trúc vẫn là một cách thức mang lại nhiều hiệu quả trong việc tối ưu hóa hệ thống thơng tin quang.

1.3. Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu được ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc: hằng số mạng lên mất mát của sợi tinh thể quang tử.

- Nghiên cứu được ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc: đường kính lỗ khí lên mất mát của sợi tinh thể quang tử.

Formatted: Font color: AutoFormatted: Font color: Auto

Comment [Ma6]: Thêm nhóm của thầy Hiệu ạ. Comment [Ma7]: Trích dẫn 8-9 trong TM ạ

Formatted: Not Highlight

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

- Nghiên cứu được ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc: số lượng lỗ trống lên sự mất mát và tán sắc của sợi tinh thể quang tử.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc tính tán sắc trong sợi tinh thể quang tử

1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu:

- Sợi tinh thể quang tử.

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Hằng số mạng, đường kính lỗ khí, số lượng lỗ khí trong sợi tinh thể quang tử.

1.5. Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về sợi tinh thể quang tử.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hằng số mạng lên mất mát của sợi tinh thể

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc tính tán sắc trong sợi tinh thể quang tử.

1.6. Phương pháp nghiên cứu:

- Để nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng. Bằng cách sử dụng

Formatted: Indent: First line: 1.27 cm

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

phần mềm MODE Solution chúng tôi thiết kế cấu trúc sợi tinh thể quang tử, kết hợp với các tính tốn số chúng tơi cũng xem xét ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử.

1.7. Hiệu quả và phạm vi sử dụng (kinh tế, xã hội, giáo dục, khoa học, kỹ thuật,..) và tính mới, đóng góp mới của đề tài.

- Kết quả của đề tài được sử dụng để mở rộng phạm vi nghiên cứu trong lĩnh vực sợi tinh thể quang tử, quang học phi tuyến.

- Đề tài là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến vấn đề nghiên cứusinh viên ngành sư phạm vật lí, học viên cao học quan tâm đến đề tài nghiên cứu.

1.8. Cấu trúc của báo cáođề tài:

Ngoài phần mở đầu, kết luận chung và tài liệu tham khảo, nội dung báo cáo có hai ba chương gồm:

Chương 1: Tổng quan về sợi tinh thể quang tử. Chương 2: Phương pháp nghiên cứu.

Chương 32: Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử.

Formatted: Left, Indent: First line: 0 cm,

Space After: 8 pt, Line spacing: Multiple 1.08li, Tab stops: Not at 1.27 cm + 4.84 cm

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

PHẦN 2-NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ

ĐỘ MẤT MÁT TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ

Trong chương này, chúng tôi trình bày những kiến thức tổng quan về sợi tinh thể quang tử, các loại sợi tinh thể quang tử. Ngoài ra, phương pháp chế tạo sợi tinh thể quang tử và độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử cũng được chúng tôi đề cập đếNgiới thiệu trong chương.

1.1. Sợi tinh thể quang tử (PCF)

Sợi quang tinh thể (PCF) là loại sợi quang mới, dựa trên tính chất của các tinh thể quang có khả năng giới hạn ánh sáng trong vùng lõi của sợi, mà điều này là không thể đối với các sợi quang thông thường.

Một sợi PCF cơ bản là sợi quang hợp chất silica có những lỗ khí chạy song song với trục của sợi. Khác với những sợi quang thông thường, lõi và vùng phản xạ của PCF làm cũng từ một vật liệu, và mọi tính chất của PCF đều bắt nguồn từ sự có mặt của những lỗ khí này. Sợi tinh thể quang tử linh hoạt hơn trong thiết kế và chế tạo bởi sự đa dạng trong cách sắp xếp các lỗ khí bằng cách thay đổi khoảng cách hay bán kính của chúng.

Sợi tinh thể quang tử ngồi có các đặc tính của một sợi quang thơng thường thì nó cịn có rất nhiều tính chất khác như: thu được chế độ đơn mode, khả năng lưỡng chiết cao, tính phi tuyến tính cao, khả năng điều chỉnh các đặc tính tán sắc để đạt được tán sắc phẳng hoặc tán sắc cực phẳng. Những ưu việt mà sợi tinh thể quang tử có thể mang lại: tốc độ, băng thông, khả năng uốn cong, tán sắc thấp, khả năng duy trì sự phân cực hay có thể thu được các chế độ lan truyền đơn mode. Những đặc điểm nổi bật này giúp sợi tinh thể quang tử trong tương lai có thể thay thế cho sợi quang thơng thường. Ngoài ra bằng cách sử dụng các vật liệu khác nhau bao gồm các silica tinh khiết, các chất thủy tinh mềm như chalcogenide [18] hay

lead-Formatted: Centered

Formatted: Indent: First line: 0 cm

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

bismuth-galate [19]8] với hệ số phi tuyến cao, hay chất lỏng cũng tạo ra bước đột phá mới trong thiết kế sợi tinh thể quang tử.

Nhờ sự linh động trong cách sắp xếp các lỗ khí, cơ chế lan truyền trong sợi cũng có thể thay đổi được cùng với những ưu điểm vượt trội trong thiết kế và chế tạo, sợi tinh thể quang tử được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như truyền dẫn thông tin, kỹ thuật y sinh hay các thiết bị cảm biến….

1.2 Các loại sợi tinh thể quang tử

Dựa vào phương thức truyền dẫn ánh sáng, sợi tinh thể quang tử được chia thành hai loại: Loại thứ nhất, sợi lõi đặc có chiết suất vùng lõi lớn hơn chiết suất vùng vỏ, trong trường hợp này ánh sáng truyền dẫn trong lõi sợi quang thơng qua q trình phản xạ toàn phần giữa lớp lõi và lớp vỏ (Index guiding PCFs). Nguyên nhân của sự chênh lệch chiết suất này được tạo ra là do sự xuất hiện của các lỗ khí bên trong lớp vỏ. Loại thứ hai, sợi tinh thể quang tử lõi rỗng, trong trường hợp này chiết suất của vùng lõi nhỏ hơn chiết suất ở vùng vỏ (Bandgap guiding PCFs) vì vậy ánh sáng lan truyền qua sợi tinh thể quang tử thông qua hiệu ứng giam giữ Band Gap.

1.2.1 Sợi tinh thể Index gGuiding

Hình 1(a) và 1(b) thể hiện mơ hình sợi tinh thể quang tử và mặt cắt ngang cấu trúc Index guiding PCF. Giả sử sợi tinh thể được làm từ thủy tinh silica nung chảy có tám vịng lỗ khí được sắp xếp đều nhau trong mạng lục giác được xác định bởi hằng số mạng và đường kính lỗ khí d. Cấu trúc bao gồm một lõi rắn được bao quanh bởi một mạng lưới các lỗ khí trong một mẫu hình lục giác hoặc hình chữ nhật chạy đồng đều dọc theo chiều dài của sợi. Trong trường hợp này, ánh sáng được truyền dẫn bởi cơ chế khúc xạ và phản xạ tương tự như sợi quang thơng thường do có sự hiện diện của các lỗ khí làm giảm chiết suất của lớp vỏ.

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Hình 1.1 Mơ hình sợi tinh thể quang tử lõi đặc (a) và mặt cắt ngang của nó (b)

Hình 1.2 mơ tả phân phối chiết suất trong lớp vỏ và lớp lõi sợi tinh thể Index gguidingh. Trên thực tế, cấu trúc loại này thường được sử dụng rộng rãi bởi nó có sự linh hoạt trong thiết kế thơng qua sự thay đổi kích thước của các lỗ khí và lớp vỏ bọc bên ngoài. Rõ ràng, khi các vật liệu khơng đồng nhất thì các tính chất đó trong một sợi thơng thường khơng thể đạt được.

Hình 1.2 Sơ đồ chiết suất thủy tinh / khơng khí truyền dẫn trong PCF (trái) với cấu

Trong thực tế, có một cấu trúc đặc biệt của loại này (được gọi là cấu trúc suspended [20]). Một trong những ưu điểm của cấu trúc này là có thể tạo ra độ chênh lệch chiết suất của lớp vỏ và lớp lõi thông qua các lỗ khí có đường kính lớn. Ngồi ra, cấu trúc này còn cho phép chúng ta điều chỉnh tán sắc một cách dễ dàng thông qua việc điều chỉnh tán sắc ống dẫn sóng. Ngược lại, nhược điểm của cấu trúc này là đường kính của các lỗ khí lớn nên làm giảm công suất đầu ra và cũng

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

làm giá thành cao hơn so với các sợi tinh thể thơng thường vì cần thêm chi phí trong quá trình bảo quản. Hình 1.3 biểu diễn một ví dụ về cấu trúc suspended.

Hình 1.3. Ảnh chụp mặt cắt ngang của sợi suspended NL_35B1 [17]...[20]

1.2.2 Sợi tinh thể Band gap guiding

Loại sợi tinh thể thứ hai được gọi là sợi tinh thể loại Band gap. Đối với sợi loại này, chiết suất của vùng lõi nhỏ hơn chiết suất của lớp vỏ, vì vậy ánh sáng lan truyền trong sợi thông qua cơ chế giam giữ quang tử hay còn gọi là cơ chế Band gap.

Hình 1.4 Mơ tả khoảng cách dải quang tử mẫu [17]..

Hình 1.4 mơ tả vùng dải cấm quang tử. Trong đó vùng màu vàng cho phép hiệu ứng band gap xảy ra trong sợi tinh thể quang tử. Các ví dụ cơ bản về các sợi loại này được thể hiện trong hình 1.5.

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

Hình 1.5 Các loại khác nhau của sợi tinh thể loại bandgap: (a) Sợi dạng tổ ong,

1.3 Chế tạo PCF

Hiện nay, đối với bất kỳ loại thuỷ tinh nào hay cấu trúc nào thì phương pháp chung để chế tạo sợi tinh thể quang tử là sử dụng phương pháp kéo sợi (Stack and Draw method). Các bước chính trong phương pháp này được mô tả trong sơ đồ hình 1.6. Đầu tiên những ống nhỏ riêng rẽ được tạo ra với những đường kính và bề dày thành ống khác nhau.

Hình 1.6 Chế tạo sợi tinh thể quang tử: (a) tạo ra các ống nhỏ riêng rẽ, (b) hình

thành khn phơi, (c) bước tạo hình trung gian, (d) bước tạo sợi hoàn chỉnh.

Tiếp theo, chúng ta đem xếp những ống nhỏ riêng rẽ lại với nhau để tạo thành một khối gồm nhiều ống nhỏ có tính đối xứng sau đó nung cấu trúc được định sẵn đến nóng chảy và kéo sợi theo hình tháp với kích thước cỡ milimet. Đây

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

chính là bước tạo hình trung gian. Khoảng trống xung quanh các ống được lấp đầy bằng thủy tinh sao cho vẫn giữ được vị trí của các lỗ. Để đạt được sợi có các tham số cấu trúc thích hợp, người ta bổ sung thêm những thanh thủy tinh bao quanh khn phơi trung gian, sau đó tiếp tục nung chảy và kéo sợi theo dạng hình tháp để thu được sợi hồn chỉnh theo kích thước micrơmet. Bước cuối cùng, người ta tạo ra lớp vỏ bảo vệ sợi khỏi những tác động cơ học bằng cách sử dụng lớp polymer.

Ngoài ra, cũng có một số báo cáo về kỹ thuật chế tạo sợi tinh thể quang tử theo phương pháp khác là quá trình đùn, được sử dụng chủ yếu đối với sợi tinh thể quang tử tạo từ thuỷ tinh mềm.

1.4. Độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử

Trong lĩnh vực truyền dẫn thông tin, độ mất mát trong sợi quang là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng mạnh đến quá trình lan truyền của xung, hay ảnh hưởng đến hệ thống kết nối trong hệ thống thơng tin. Ngồi ra, độ mất mát cũng là một trong những yếu tố xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa giữa bộ phát quang và bộ thu quang hoặc bộ khuyếch đại quang trên đường truyền.

Độ mất mát trong quá trình lan truyền quyết định đến khả năng lan truyền xung trong sợi tinh thể quang tử và được xác định bằng công thức:

[ ] (

) (1.1) Trong đó, là số sóng được xác định bởi cơng thức k0 = (2×π)/λ.

nNeff là chiết suất hiệu dụng của chế độ lan truyền cơ bản và λ là bước sóng. Trên thực tế, độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chiều dài sợi (khoảng cách lan truyền), vật liệu làm sợi hay các tham số cấu trúc của sợi. Mỗi sự sắp xếp khác nhau với sự hợp lí về cấu trúc như hằng số mạng (khoảng cách giữa hai lỗ khí liên tiếp), kích thước đường kính lỗ khí sẽ làm cho đặc tính quang học của sợi tinh thể quang tử như đặc tính tán sắc, độ mất mát thay đổi.

Formatted: Font: Bold

Formatted: Centered, Line spacing: 1.5 lines

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong chương này, chúng tơi trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tàibáo cáo. Để nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử, chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng, bằng cách sử dụng phần mềm MODE Solutions để thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc của sợi tinh thể quang tử với các lỗ khí được chứa đầy bởi tetrachloroethylene (C2Cl4).

2.1. Giới thiệu phần mềm MODE Solutions

MODE Solutions là một phần mềm mô phỏng quang tử mạnh, cho phép thiết kế các tham số, thành phần, mạch quang tử có tính khả thi nhất. Với tính linh hoạt trong việc mơ tả hình học thiết bị phức tạp, nó đặc biệt phù hợp để xử lý sợi quang có cấu trúc vi mô, chẳng hạn như sợi tinh thể quang tử.

MODE Solutions với giao diện người dùng hiện đại và chuyên nghiệp cho phép người dùng thực hiện các tác vụ tối ưu hóa khác nhau và mang lại hiệu suất tối đa. Ứng dụng này cung cấp khả năng làm việc với Matlab và mô phỏng mạch quang tử bằng cách sử dụng các công cụ mô phỏng và tự động hóa khác nhau nên thuận tiện trong việc tính tốn và xử lý số liệu, có thể sử dụng đồng thời trên nhiều máy tính. Giao diện làm việc của MODE Solution được mô tả như hình 2.1

Hình 2.1. Giao diện của phần mềm MODE Solutions

Formatted: Justified, Line spacing: 1.5 lines

Formatted: Font: Bold

Formatted: Justified, Indent: First line: 0 cm,

Line spacing: 1.5 lines

Formatted: Indent: First line: 0.75 cm

Formatted: Centered

Formatted: Font: Bold

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

2.2. Thiết lập các tham số mô phỏng cho sợi tinh thể quang tử

Để tiến hành mô phỏng, các thông số của sợi tinh quang tử được thiết lập thông qua

các bước sau:

Bước 1: Từ menu của MODE Solutions, chọn New Project. Sau đó chọn thẻ vật liệu Materials , để thiết lập các đặc tính, thơng số cho vật liệu cần mơ phỏng.

Khi đó, xuất hiện cửa sổ Material Database. Material Database cho phép quản lý

(tạo, sửa đổi, xóa) các vật liệu có sẵn sử dụng trong mơ phỏng.

Hình 2.2. Cửa sổ Material Database

Bước 2: Thiết lập thẻ cấu trúc Structures , để chọn cấu trúc phù hợp cho lớp vỏ của sợi tinh thể quang tử cần mơ phỏng, ví dụ hình trịn, hình lục giác, tam giác. Mỗi cấu trúc mơ phỏng có thể được thêm vào bằng cách nhấp vào tương ứng biểu tượng trong GUI.

Ví dụ, nhấp vào nút Circle để chọn cấu trúc hình trịn. Khi đối tượng được chọn, nhấn nút Edit sẽ xuất hiện cửa sổ trong đó có thể sửa đổi các thuộc tính của đối

tượng được chọn.

Formatted: Font: BoldFormatted: Font: BoldFormatted: Font: BoldFormatted: Font: Bold

Formatted: Font: (Default) Times New Roman,

14 pt

Formatted: Font: Bold

Formatted: Font: (Default) Times New Roman,

14 pt

Formatted: Centered

Formatted: Font: Bold, ItalicFormatted: Font: ItalicFormatted: Font: ItalicFormatted: Font: Not Bold, ItalicFormatted: Font: BoldFormatted: Font: Bold

Formatted: Font: BoldFormatted: Font: Bold

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

Cửa sổ tương ứng cho cấu trúc hình trịn được hiển thị bên dưới

(a) (b)

Hình 2.3. Các cấu trúc (a) và các thuộc tính của cấu trúc hình trịn (b)

Bước 3: Chọn thẻ thành phần Components , để xác định các loại cấu trúc lõi của sợi tinh thể quang tử. Các thành phần Components là các cấu trúc phức tạp hơn được xây dựng từ một hoặc một số nguyên mẫu. Các thông số phổ biến có sẵn để được điều chỉnh. Các nhóm cấu trúc dựng sẵn này cho phép người dùng nhanh chóng thiết lập các mơi trường mơ phỏng phổ biến (nhưng thường khó xây dựng). Thao tác này sẽ mở cửa sổ thư viện như hình 2.4.

Hình 2.4. Cửa sổ thư viện các loại cấu trúc lõi của sợi tinh thể quang tử Formatted: Font: ItalicFormatted: Font: ItalicFormatted: Font: BoldFormatted: Font: Bold

Formatted: Centered

Formatted: Font: Bold, ItalicFormatted: Font: Italic

</div>