Phân tíđi các hiệu ứng phi tụyến trong quá trình, tạo xung ánh sáng trắrg bằng sọí quang tinh thể

BỘ C3ÁODỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠIHỌCYTNH

BỘ GLÁOEỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VŨ ĐÌNH HÙNG
vủ ĐÌNH HÙNG

PHÂN TÍCH CÁC HỆUỨNG PHI TUYẾN
FI
IÂTS iioQUÁ
I c ÁcTRÌNHTẠOXUNGÁNH
IIII; 1 ỨNG F1 II TUVÉNTRONG
TRONG
SÁNG
QUÁ
TKÌNHTẠOxnNGÁNHSÁiNGTRẮNG
TRẢNG
BẰNG SỢI QUANGHNHTHẾ
RẰNGSỢI QUANGTINHTHẺ

HẬN VĂN THẠC Sĩ VẬT LÝ
Người hướng cfin kỈHKi ĩtoci
T5L tÊCGNCNHẶỈV

liẶN VĂN THẠC Sĩ VẬTIÍ
•••

Mnli-2013


ii

LỜS: CẢMƠN
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo hướng dẫn TS. Lê Công
Nhân đã tận tình định hướng và hướng dẫn để tác giả hoàn thành bản
luận van này
Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm,
khoa sau đại học, khoa vật lí, các thầy giáo, cô giáo đã giảng dạy và giúp
đỡ tác giả trong quá trình theo học và làm luận văn tại trường ĐH Vinh.
Lời cuối tác giả xin cảm ơn gia đình, những người thân và bạn bè đã
động viên, giúp đỡ tác giả trong thời gian làm luận văn.
TỊ) HQVỊ thếuqg 6 năm 2013


1

TVlic lục

Mục 1ục.............................................................................................. 5
Mỏ ĐẦU ............................................................................................................ 7
1 sỢí QUANG HỌC TDNH THỂ \À XUNG ÁNH SẮNG

TRẨNG

9

1.1. Sợi quang học tinh tho............................................................... 9

1.2.................................................................................................. Che
hiệa ứng phi tmyến trcog sợi quarỊg............................................ 18

2 PHÂN TÍCH CÁC HEỆU ÚNG PHE THUYẾTNT TRONG
QUÁ TRÈNH TẠO XUNG ÁNH SẮNG TRANG
sct QUANG TINH THỂ

BANG

28


2

Eteửi sách lánh\e

1.1

a. Sợi PCF có lõi rỗng, b. Sợi PCF có lõi đặc [17]................................... 10

1.2

Tần số chuẩn hóa của PCF mạng lục giác, yếu tố làm đầy

0,2. PCP tmyèn dẫn chỉ inode Gơ bốn trong vùng nhìn thấy
mhà]gngoại gần [14].)

12

1.3

Sộ. híỉng chiết cao................................................................................... 13

1.4

Qạy trinh chế tạo sợi quang [14].............................................................. 18

1.5

So sánh tán sắc trong scấ FCF va SEF [14]..............................................20

1.6

Xung truyền (đường cong trên) trong môi trường phi tuyến
trải qua sự tự thay đổi tần số (đường cong dưới) thông qua
quá trình SPM. Phần trước của xung được chuyển sang
vừng tần số thấp

hctL

phần san của xung với tần số cao

hon [21]..........................................................................................22


3

2.2

Đường cong tán sắc của mode cơ bản Z7QI mcủamodebậc
nhất LF\ [ . Hỉnh ảnh chèn là mặt cắt của sợi PCF phi hứdng
chiết [29]...................................................................................30

2.3

Đường cong tán sắc của bốn mode Lỉh1-T-, LFfay, LF\Lr, Lĩịiy
. Hưh ảnh chèn là mặt cắt, của sợi PCF lứ3ng (ljiết. [29] . . 31

2.4

Tho XI mg ánh sáng trắng bằng cách bơmxi mg lascr \ào sci

PGP. \à Aĩy. gutỉng, A/2: bảnnĩteibưâc sáng, 2SX: thấu
kứhhiểnvi, XYZ: trục(Ịch chuyển theo ba chiều, PCF: scẳ
qỊuang phi ti^ổn[29].......................................................................33

2.5

Sự phân bố cường độ theo không gian của các mo de khác

nhau[29]....................................................................................................33

2.6

Tạo xungánl 1 sáng traiỊg(Si TJ XIX XKitiium ISO) bằngsci quang

tinh thể(Fhotc3iiic ĩưber Cbystal: PCF) tại Viện Vạt Lí Việt
Nam [29]...................................................................................................31

2.7

Sự phát tĩiẻn phổ của sc theo các chiều dài khác nhau của
sợi PCF. Hình ảnh chèn trên cùng là sự phân bố cường độ
theo khang gian của sc, tạo bởi lõi của FCF phi lưỡng chiết,,


4

2.9

Sơ đồ thí nghiệm đo phổ phân giải femto giây. Xung quét
sc và xung bơm được hội tụ vào trong tinh thể ZnS dày
4Qim. Thi biộu hấp thụ hai photm ( xung bơm42Qnm TSC) trong ZnS được đo với sự biến đỗi theo thời gian giữa
hai xung. S: gttng bán nạ tách chùm tia, M gií ỉng, P:
parabde, M) thấu kính hạ tụ của knửi hiến vi, PGF: SCÌ
quang học phi tuyến, SHG: nhân đôi tần số, BBO: tinh thể
phi tựyến loại 1,AZ,: kiểm soát, thời gian, F: hình lọc nỀu
BG39, hTnr lún dẫn ZnS vtl bềdạy40gm, Điều chế: cho
tần số tia quét đi qua là 800 Hz, tần số tia bơm là 400 Hz.[29] 40

2.10 Thổ và sự phân bố phổ theo tbci gan của sc sinh ra bởi
đoạn PCF có chiều dài 7,2 mm. Thể hiện theo tín hiệu hấp
thụ hai photcn trong nẫu bán dẫn ZnS, oó liồ dày 4Cịim.
Xung laser cơ bản có bước sóng trung tâm là 840 nm, độ
lộng phổ tại vị trí một, phần hai chiều cao của xung laser là
25 nm, tbcấ gan xung là 50 fs, năng hítng xung là 1 nJ. [29]
2.11 Tĩn hiệu hấp thụ hai photcn trcng mẫu bán dẫn ZnS oó bề
dạy 4QLím. sc sinh ra bởi đoạn PCF có chiều dài 22 mm.
Xung laser oơ bổn GÓ bưdc sóng trung tâm là, 840 ĨII 1 thời

scng laser cơ bản gậy ra [29]
2.12 Phổ

......................................................42

sc hình thành ở đầu ra của sợi MF với công suất trung

tinh p(w, \p = 79í>ơụAr = 27/s[28].........................................................43
trong sc.ã MFvtl Pav = HSrrayAp =7SOnrrìịAr = 27/8 [28]. 45

41


5

2.14 ]Vb tả trang thái phổ lần h t t đutl sự kết hợp của các hiệu
ứng a) Ị32. b)/?2 + ss + HOD. c)p2 +RS + SS. d)/?2 +
HOD^rBS^rSS

[29]


6

DANH SÁCH KÍ HEẸU

FWM: trội bốn scng
GVD: tán SBC \ện tốc nhem
HCX): tán sắc bậc cao
IA IA : diện tích inodc lớn

MF: sợi quang có cấn trúc 11ÌCTO mâ.
PCF : sợi quang tinh thể.
PDG: vừng cấm quang tử
PM: phân cục duy trì
se: xung ánh sáng liên tục.
ss : quá. trình tự dốc
SPM : tự biến điệu pha
SSFS : tự biến đổi tần số
TER : phản xạ toàn phần
7U\\Ĩ: buổc sáng khchg tán sắc
uv: tia cụC tím


7

MỞ ĐẦU

Sợi quang tinh thổ (ĩTotcõc Qistal Fĩber: PƠF), sậ quang oó cấn
trúc nicro hay sợi quang có cấu trúc lỗ... là nhũng txìi gậ dành cho nhem
các sợi quang được chế tạo dựa trên sự sắp xếp tuần hoàn: cấu trúc lỗ
trống rricro mét bao bọc bcắ silic. Gách sắp xếp này cho pihểp nén ánh
sáng trong cấn trúc của scẳ và, dẫn truyền ánh sáng trong la silioo (sợi
qỊuang với lõi chiết suất cao) hay' dẫn tnyồn ánh sáng trong lõi không Idẩ
(sợi quang với lõi chiết suất thấp)[l]. Sợi quang vúi cách thiết, kế nxi nạy
được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1996. Sau 16 năm tồn tại, sợi quang này
đã xuất hiện trong nhiều lĩnh vực ứng dụng như: truyền tải dữ liệu, truyền
tải năng lượng cao, đo lường chính xác, và quang học phi tuyến...Bên cạnh
đó nó còn được sử dụng như một nguồn sáng mới, chuyên cung cấp ánh
sáng trắng do các lũ thuật tạo tành ảnh và quang phổ.
Trong vấn đề tìm hiểu các hiện tượng quang học phi tuyến, người ta.

quan tâm đặc biệt đến sợi PCF với lõi chiết xuất cao. Nhờ vào tính chất phi
tuyến cao do diện tích lõi nhỏ và sự chênh lệch lớn vè chiết suất, giũa lõi
và mạng l\fị lỗ trống, mà loại PCF này GÓ khả năng tạo ra xung ánh sáng
trắng (Si qx rmiỂim n mi SC) ngay cả vrì nhũng nguồn lascr năng họng
thấp. Đặc điềm của xung ánh sáng trắng là có độ rộng phổ lớn (có thẻ lên
trên 1000 nrn) và thcả gian xung ngắn (có thể rút xuống cỡ đuổi rrột trăm
íemto giây). Ngày nay việc phát triền PCF để tạo ra se có phổ lệch về
phía bước sóng ngắn đang là hướng được quan tâm nhiều[2,3,4]. Bên cạnh
đó, quá trình hình thành se chứa đựng rất nhiều yếu tố quang phi tuyến
đan xen lẫn nhau, nên việc kiểm soát các tính chất của se là rất phức tạp.
Chính điều này mà sự hình thành se đang là vấn đề được nghiên cứu rất
mạnh hiện nay vè ca mặt thực nghiệm lẫn lí thuyết [5,6,7,8,9].


8

Sự hình thành va phát, triểấr của sc là kết quả của sự tưỉrg tác giữì
xung lasa: cơ bản và sợi PCF trong quá trình lan trụyèn. Vĩ việc tạo ra
sc là một quá trình phứo hơp, tập trung nhiều hiộu lìng phi tiỊyổn khác"
nhau, các yếu tố tán sắc, sự lưỡng chiết của nôi trrỀng và, các mode lan
truyền[10,11,12,13], nên để thỏa mãn các yêu cầu trên là rất phức tạp. Để
hiểu được quá trình này tôi phân tích sự biến đổi phỗ của sc trong từng
chiều dài khác nhau của sợi PCF. Từ kết quả này, tôi hiểu được quá trình
biến đổi phổ và phân tích được một cách định tính vai trò của các hiện
tượng quang học phi tuyến trong quá trình mở rộng phổ.
Mục đích của nghiên cứu này là tìm hiểu được các hiện tượng phi
tuyến biến đổi trong sợi PCF thông qua tính chất phổ của sc qua các
chiều dài khấc nhau. Trên cơ sở đó tôi chọn đề tài : "Phân tíđi các hiệu.
útỊg

phi

tụyến

trong

quá

trình,

tạo

xung

ánh

sáng

trắrg

bằng

sọí

quang tinh thể".
Nội dung của luận văn này ngoài hai phần mở đầu và kết luận, luận
văn được trình bày có nội dung được chia làm hai chương:
Chut&TỊg I. Trình bạy kiến thúc tổng quan vồ cán trúc, các thong số
vật lý của scá PCF và một số hiện tượng quang phi tuyến xuất hiộr trang
quá trình dẫn triỊyồn xung lascr.

ChũLttg n. Được dành để trình bày chi tiết về phương pháp khảo
sát phổ và sự phân bố phổ theo thời gian của sc được trình bày, đồng
thời tôi đã phân tích các hiệu ứng phi tuyến xảy ra trong qua trình tạo
sc thông qua phổ đo bằng thực nghiệm. Đây cũng là phần chính của nội
đung ngpiien cứu.


9

OiubkỊg 1

SỢ[ QUANG HỌC TINHTHẾ VÀ
XUNGẮNHSẮNG1RẮNG
1.1.

Scá quaọg học tinh thể

Sợi quang tinh thổ (PGF - pbotcnic crystal íìtxx hạy om gọi là
nicxcstmcture). PGF oơ bản là sợi quang hợp chất, silicat inà trong nó
có nhũng lỗ trang liay lỗ khí (air - hcio) chạy smg song vổi trục của sợi.
Khmg gimg như nhũng scầ quang thông thuÈng lãi (ccxe) va vừng phản
xạ (daddiqg) của PCF cùng làm từ một vật, liệu, VỀL mọi tính (hất của
PCF đều bắt nguồn từ sự có mặt của những lỗ khí này. Sợi quang học tinh
thể được chia làm 2 loại chính :
+ Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao (high -indnx ccre fìber) quá
trình dẫn sóng xảy ra trong sợi có lõi đặc (Index- gudding).
+ Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất thấp (low - index ccre tìl xr)
quá trình dẫn sóng xay ra trong sậ oó lcl lỗng (photmic bandgap).
Truớc tiên ta sẽ tìm hiểu oơ chế truyền dẫn sáng trang sậ quang tinh
thể. Đề điều khiển các tính chất quang của sợi cần phân bổ vị trí các lỗ

khí sao cho thích họp. TI lông thuỀng sự sắp xốp nạy có cấu trúc, thitìng
được sử dụng với các dạng mạch vòng, các đa giác, nhiều đa giác...bởi vì


10

khi đó sợi quang có khả năng chế tạo cao, có nhiều tính chất đặc biệt và có
khả năng kiểm soát quang phổ cũng như những đặc tính khác. Cấu trúc
của các lỗ khí troọg sợi PCF chay dọc thno trục của sợi với hai thcng Hố
cần quan tâm là đường kính của lỗ khí d và khoảng cách giữa hai lỗ khí
liền hồ nhai 1A. Sợi PQP là sc.i oó cấL

1

trúc IIÌCTO (ME7) 1x1 mọt sự sáp xốp

hợp nhất giữa silicat và các lỗ khí, sợi biểu hiện tính đối xứng tịnh tiến
dọc theo trục của sợi (z). Tác dụng chủ yếu của cấu trúc định kì này là để
thay đổi chỉ số khúc xạ hiệu dụng cho việc dẫn truyền trong sợi dẫn đến
tìúoh chất tán sắc ral trcọg sợi.
(b)

Năm 1991 Russell đã phát hiện ra rằng ánh sáng có thể bị giam (bị
giới hạn) trong lõi rỗng và cho đến nâm 1999 sợi đơn mode có lõi rỗng
được chế tạo thành công với vùng cấm quang có cơ chế dần sóng rất mạnh
mẽ, ánh sáng vẫn 1Ị gi(l hạn troog lõi ngay cả khi bị uốn. ccng. Hỉnh 1. la
(ho thấy xung quanh lỗ khí trung tâm là sự sắp xếp tuần hoàn của lỗ khí
và silic tạo thành một cấu trúc tinh thể quang tử. Phần lõi được thay là
một lỗ khí lớn hơn các lỗ khí xung quanh khi đó tồn tại một vùng cấm
quang tử (PBG). Sự định hướng ánh sáng được xem tương tự như cách

dẫn electron trong vật lý chất rắn. Đối với sợi lõi rỗng thì hiệu ứng phi
tuyến thể hiện rất thấp và thường ứng dụng để truyền năng lượng nên


Ỉ/

C1-1)

=^A/TTTFT
11

trong luận văn này ta không tìm hiểu kĩ mà chỉ quan tâm đến sợi PCF có
lõi đặc khi đó khả năng tương tác với ánh sáng cao thề hiện nhiều tính
chất phi tuyến liên quan đến quá trình tạo xung ánh sáng trắng trong sợi
PCF. Trong sợi có lõi đặc phần trung tâm lõi của sợi được làm từ silic, các
tinh thổ quang tử bay giò lại thể hiộn chỉ số khííc xạ gịũa silic và, khang
khí do đó quá trình dẫn sóng lại được giải thích là do cơ chế hiện tượng
phản xạ toàn phần (TLR) bĩnh l.lb [14,15,16].
Sau đây là một số đặc tính đặc biệt của sợi PCF so với các sợi quang
thông thường. Ta thấy trong một môi trường đồng nhất tán sắc hên quan
giũa. \hctơ scng k \ù tần số scng UJ của ánh sáng lan truyền và được đưa
ra thông qua chỉ số khúc xạ của vật liệnUJ=C k /TÌ . Tan sắc onn phụ
thuộc vào hitìng truyền sáng, sáng truyền dọc thoo trục z với tham số
tniyồnsckig kz điều đó giúp ta xác định được chỉ số khúc xạ hiệu dụng :
7?eff = —— trong đó uJf ,nK

1

biểu thị tần số nhỏ nhất, của mode dẫn GÓ trong

sợi, kz là hằng số trụyền và trang các tài liệu quang thà tán sắc fi =kz (cu
theo /5) [17].
Khi nghiên cứu sợi PCF chúng ta có thể thiết kế các sợi luôn là đơn
mode với phổ được mở rộng từ vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng
ngoại gần. Đối với phần thân của sợi luôn tồn tại một ngưỡng giới hạn tần
số để sợi từ đơn mode trở thành sợi đa mode. Để đo số lượng mode dẫn
có trong phần thân sợi ta xác định tần số chuản tắc ư :

Trong đó p là bốn kính lõi, ritxxc kci TìrijTrVtiTìg là chỉ số khúc xạ của lõi
và, phần thân sợi. Trong truồng hợp sợi chuẩn thà chỉ số của phần thân
phụ thuộc vào buớc sóng,

V

tăng khi bước sóng giảm. Điều đó cho kết quả

hoạt động của vùng đa mode từ ngưỡng tần số lớn hơn 2,405. Đối với sợi
PCF chỉ số khúc xạ hiệu dụng của phần thân phụ thuộc rất mạnh vào


12

bước sóng, trong khi đối với những sợi cổ điển thì nó dường như không
đổi. Tần số chuẩn tắc có xu hướng ổn định ở bước sóng ngắn (Hình 1.2).
Chỉ số khúc xạ ở phần thân quang tử và giá trị ổn định của tần số chuẩn
tắc này được đặc trưng bởi cấu trúc phần thân của sợi, hay yếu tố điền
đầy (chính là tỉ số giữa đường kính lỗ khí d và khoảng cách giữa hai lỗ khí
A trong mạng). Với một thiết kế nhất định ta có thể giữ cho tần số V GÓ
một giá trị dưới bất kì vùng bước sóng nào, trong điều kiện đó sợi luôn là
đơn mode. Đối với sợi PCF tần số ngưỡng ước tính vào khoảng 2,5. Trong

sợi lõi đặc với mạng lỗ khí là tam giác, đường kính lỗ khí d = 300nm và
khoảng cách giũa hai lỗ khí licài tiếp là A = 2,3ịim thì sợi luôn là đơn
mo de ngay cả khi bước sóng ngắn. Vùng mo de cơ bản được xem như vùng
lõi silica có đường kính bằng 2A là khoảng cách gjĩfe hai lỗ khí thnộcxcog
đầu tiên [14].

Hình 1.2: Tần số chuẩn hóa của PCF mạng lục giác, yếu tố làm đầy 0,2. PCF truyền dẫn chỉ mode
cơ bản trong vừng nhìn thấy và tòng ngoại gần [ld].)

Với những sợi đơn mode như trên, trong thực tế quá trình truyền với
sự đóng góp cùng một lúc của hai phương truyền, đó là phân cực trực giao.
Trong các 9ỢL GÓ lõi tròn lí tưdng, hai phiĩtng nạy cùng tn Ịyèn xới xận tốc
pha. Nhưng thực tế sợi không hoàn toàn là đối xứng tròn kết quả là hai


Zí =

' V^V=A

(!-2)
13

phoitxig này oó vận tốc pha va vạn tốc nhátnhơi khác nhan. Lưlt]g chiết
trong PCF được tạo ra do sự bất đối xứng trục của chỉ số khúc xạ hiệu
dụng. Điều này phụ thuộc vào kích thước và đặc biệt là cấu trúc không
gian của lỗ khí. Tính lưỡng chiết cao đang được nghiên cứu và phát triển
mạnh, đặc biệt trong các sợi PCF có cấu trúc bất đối xứng. Khả năng
phân cực nắm giữ trong sợi lưỡng
đo bằng chiều dài nhịp của.
Px Pychiết được?eff

nó. Được xác định bằng hệ thức :
.
Trong đó Ị3X và Ị5y _lần liíỢt là hằng A
số truyền khác nhan theo. hai
phương phân cực trực giao. Khi đó độ lưỡng chiết B được định nghĩa là
sự khác nhan giữa hằng số dẫn trựyèn Ị3X và Ị3y của hai thành phần phân
cực HE\\ v à

a i a

ĩ i r x d e cơ bản:
B = \(px- Ị3y)/2ỉĩ = |7?effic - ??effy I

Trong việc tạo ra nguồn

sc,

(1.3)

tính lưỡng chiết trong sợi PCF được chú

ý để cải thiện sự ỗn định quang phổ và sự mỡ rộng tối đa của một nguồn
bơm nhất định bằng cách chọn sợi PCF phi tuyến phân cực duy trì (PM).
Khi đó quang phổ của sc cũng phãn cực[ 14,16,17].
Tiếp theo một đặc tính không kém phần quan trọng trong sợi quang
là tán sắc. Tăn sắc là hiộn tượng dãn XI mg ánh sáng thno thơi gian Idá


14

trựyèn tín hiệu, nó gây máo hay Hến dạng tiến hiệu Tăn sắc kí hiệu D,
độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị ns/km hay ps/km. Tán sắc
có nhiều loại như tán sắc modc, tán sắc ĨĨỀ11 và tán sắc mode phân cực.
Cần chú ý tán sắc mode chỉ xảy ra. trong sợi đa mode, do các mode có
tốc độ lan truyền khác nhau nên thời gian truyền của các mode là khác
nhau gây ra tán sắc mode. Tán sắc màu được chia làm hai loại: tán sắc
vật liệu và tán sắc ống dẫn scng. Tăn sắc vật liệu xay ra do sự phụ thuộc
của chiết suất vào buóc Hổng. Tăn sắc Ống dẫn sáng xảy ra do ánh sáng
truyền trong sợi không phải là đơn sắc do đó hằng số truyền của sợi là
một hàm phụ thuộc vào Hĩ3c sống. Không giống sci quang trụyền thống,
trong sợi PCF tán sắc ống dẫn sóng là rất lớn. Han thế nữa, tán sắc vật
liệu bị biến đổi bởi sự hiện diện của các lỗ khí trong phần thân sợi. Do đó
tổng tán sắc trong sợi có thể xom như gần tán sắc vật, liệu và tán sắc Ống
dẫn song. Thong số mo tả tính chất quan trọng của scẳ là tán sắc vận tốc
nhán(GVD) : D=--^L. Trong đó 7?eff là chỉ số khúc xạ hiệu dụng, với
7?eff _

£)ặc tính tán sắc trong PCF có thể hình dung là do sự

thay đổi của kích thước và vị trí của lỗ khí trong vùng thân sợi. Sự thay
đỗi về hình dạng mạng và kích thước lỗ khí của sợi dẫn đến tồn tại một
bước sóng không tán sắc (ZDW) có thể thay đỗi trong vùng nhìn thấy.
Nếu ZDW nằm trong vừng ánh sáng nhìn thấy nó cho tán sắc dị thuùng
trong vùng này (ánh sáng xanh di chuyển nhanh hơn ánh sáng đỏ). Tán
sắc dị thường có thể được dùng để bù đắp tán sắc trong viễn thông đường
dài. Ngoài ra trong PCF tán sắc phẳng cũng có thể thu được. Với PCF
mạng lục gác có khoảng cách giữa các lỗ khí Ả = 2, G2ịirn đường kính
lỗ khí d = 0,316gm thì tán sắc rất phẳng có giá trị 2f&/ (kmnm) trong
vừng buớc sóng từ 1,3

1, Gp.m [15,16,18].

Một thuộc tính qian trọng rÉĩa là tính phi tiryốn cao, trong SỘL PCF
lõi đặc ta có thể có chỉ số tương phản hiệu dụng cao hơn nhiều so với sợi


15

quang thông thưrìig bằng cách tạo lỗ khí lớn hoặc giảm kích thuốc của
lõi, điều đó ánh sáng sẽ được bó buộc vào trong lõi silicat. Bằng cách này
một lượng lớn mode dẫn được giam hãm trong lõi dẫn đến nâng cao các
hiệu ứng phi tuyến do đó tạo môi trường với cường độ cao trong lối. Rất
nhiều thí nghiệm xác định thuộc tính tán sắc trong sợi phi tuyến đã được
thực hiện, điều đó giúp khai thác thành công sợi PCF trong các thiết bị
quang với một mức độ tán sắc thích hợp. Hiện nay đây là một ứng dụng
quan trọng, đặc biệt trong việc hình thành và mở rộng quang phổ liên tục
SO Cốc hiệu ứọg phi tuyến thamgia xào quá trình nở rộng phổ phoụ thuộc
nhiều vào tán sắc trung bình nen các thiết kế phù hẹp) với thuộc tính tán
sắc để giảm công suất nguồn bơm. Theo các nghiên cứu quang phổ được
mỏ rộng có thề thu được bằng xung bơm với bước sóng gần với bước sóng
không tán sắc[14,15,16].
Sợi có diện tích mode lớn. Bằng việc thay đổi cấu trúc hình học của sợi
PCF ta có thể thu được những sợi có diện tích hiệu dụng lớn (LMA). Sợi
với lỗ khí mạng tam giác mà lõi của sợi được xác định thiếu đi một lỗ khí.
Trong PCF mạng tam giác đường kính lõi c^ore = 2A — ứng với khoảng
cách giữa 2 mép đối diện của 2 lỗ khí của vùng lõi. Khi tỉ số d/A <0,4 sợi
PCF mạng tam giác luôn là đơn mode với bất kì bước sóng nào. Sợi PCF
có LMA thường được khai thác trong những ứng dụng công suất cao, từ
những sợi này giới hạn suy hao và phi tuyến đó được giảm đáng kể. Nó
được xác định bằng hệ thức: Aĩ.ff = 7TUJ2. AeS là một đại lượng rất quan

trong, nguồn gốc để đo độ phi tuyến. Khi diện tích hiệu dụng giảm cho
mật độ công suất cao dẫn đến tính phi tuyến cũng tăng đáng kẻ[14,17].
Một trong những yếu tố quan trọng trong kĩ thuật sợi quang đó chính
là sụy hao trong quá, trình tmyèu dẫn. Suy hao trong sợi quang thông
thường đã được giảm trong vòng 30 năm trở lại đây nhờ những cải tiến


16

không ngừng. Trong sợi quang hợp chất silicat suy hao tối thiểu đối với
vùng bước sóng 1550nm là không nhỏ hơn 0,2dB/Km. Đây là giới hạn
quan trọng, từ giới hạn này ta phải đặt các bộ khuếch đại trong thông tin
liên lạc, điều này gây ra một chi phí lớn trong thông tin liên lạc đường
dài. Do đó cần tìm hiểu cơ chế suy hao trong sợi quang để hiểu và cải tiến
công nghề nhằm giảm sự suy hao đó. Một số suy hao gây ảnh hưởng đến
quá trình dẫn sẽ được đề cập. Trong sợi PCF ta đặt hệ số suy hao quang
làa(ĩB

được đo bằng đơn vị dB/Km. Hệ số suy hao này sẽ được biểu diễn

như sam

ư(ĨB =ẢỊ\^ -\-I3-\-OtOH-\-&TR

(1-4)

trong đó A, B, aoH, Qqii làn hl.it, là hộ số tán xạ Raykigh và, suy hao bồ
mạt, suy hao do hấp thụ icn CH và suy hao do sự hấp thụ của tia cụt tím
và tia hồng ngoại. Ngoài ra ta cần chú ý đến suy hao do sự giam hãm và
uốn cong trâu scầ quang.

Đầu tiên ta xét đến sự suy hao do tán xạ. Khi sóng điện từ truyền
trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất trong sợi
quang, cấc khiỊyổt tật như bợt khí, các vổt, nứt, sẽ gậy ra tán xạ Khi tia
sáng truyền qua chỗ không đồng nhất tán xạ ra nhiều hướng và chỉ có một
phần năng luợng ánh sáng truyền theo huống cũ phần còn lại truyền theo
các hướng khác nhau thậm chí có thể truyền ngược lại nguồn quang. Độ
sựy hao do tán xạ Raykigh tỉ lệ nghịch với lụy thùa bậc 4 của brtíe sóng
(d/À4) non sụy hao giam nhanh vè phía bước sáng dai. ơừn thành phần
sụy hao B xuất hiện là do nhũng khiếm khựyết trcng sc.i, ngiỊýìi nhân chủ
yếu là do độ nhám của bề mặt các lỗ khí đây là một vấn đề quan trọng vì
thự" tế trcng quá trình chế tạo bề mặt của các lỗ khí có thể 1Ị ảnh huởng


17

lấp đầy của lỗ khí thay đổi cũng là một nguyên nhân gây ra sự suy hao
đáng kề. Ảnh hưởng tiếp theo sợi PCF được chế tạo từ vật liệu Silicat nên
các licỲi hốt giũa SiOS và ion CH CÒI sót lại trong vật hẹu trong quá trình
chế tạo sợi quang cũng gây ra suy hao. Đối với những sợi quang ngay khi
được chế tạo bằng thủy tinh tinh khiết thì sự hấp thụ vần xảy ra do bản
thân thụy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh s áng ở vừng cục tím. và, hcng
ngoại. Điều này gây ra trỡ ngại với việc dùng bước sóng dài trong thông
tin quang. Một lí do nào đó sợi quang có thể bị chèn ép tạo nên những chỗ
1Ị uốn cong nhỏ thà sựy hao của sợi cũng tăng lân Sự sựy hao nạy xuất
hiện là do sự ổn định của phương truyền bị biến đổi dẫn đến tia sáng bị
lệch- trục. Mọt cách chính xác GÓ thể hiểu là do sự phân bố của tnòig 1Ị
xáo trộn khi đi qua những chỗ uốn cong dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra
kho sộ [15].
Trang phần CIO của rrục này ta sẽ tìm hiểu quá trình chế tạo scấ
PCF. Bao gồm các bước như Hìnhl.4. Bước đầu tiên là tạo các ống nhỏ

(mao mạch) gọi là phôi ban đầu, các ống này với các đường kính và độ
dày tường khác nhau (điều này sẽ ảnh hưởng đến tỉ số d/A) của, sộ sau
này. Sau đó thực hiện việc xếp các ống silic thành một ống lớn có cấu trúc
theo hành dạng của ống a o cùng cần thiết kế bằng tháp vẽ. Liên kết các
ống nhỏ này được thực hiện bằng tantalum và sau đó được đưa đến tháp
vẽ sợi. Các tháp này được làm đầy bởi khí argon và đưa đến nhiệt độ cao
khoáng từ ÌBŨCPC'đến 2000PC7 điều này giúp các thanh và ống silic được
làm nồm ra, quá trình này tạo các phố trung gian Tụy theo khoảng (ách
giữa các lỗ khí, đường kính lỗ khí, đường kính lõi, cấu trúc hình học của
sợi mà phôi trung gian được đưa vào tháp kéo với nhiệt độ thích hợp, hoặc
bằng cách thay thề các ống bằng một thanh đặc (trường hợp tạo sợi phi
tuyến cao, hay sợi lõi đặc), hay việc loại bỏ một số ống của phôi (trường
hẹp tạo sộ quang tử cố lõi rỗng). Phôi trung gan nạy khi qua tháp kéo sộ,


18

kích thước và hình dạng của sợi được giảm sao cho đường kính vào khoảng
0,05mm. Cuối cùng sợi được phủ một lớp bảo vệ thường bằng polyme để
tăng tdộn năng sử dụng của sợi. Thong quá trình, chế tạo sc.i quang PGP
yêu cầu về đặc tính truyền dẫn cao nên cần điều chỉnh nhiệt độ và tốc
độ kéo phải phù hợp sao cho kích thước và cấu trúc hiển vi của sợi không
lệch ra khỏi giá trị lý thuyết mà sợi đã được mô phỏng. Những vẫn đề
chính trong quá trình chế tạo thường gặp đó là sự biến dạng của các lỗ khí
hay sự xuất hiện bổ xung của các lỗ khí, sự nhiễu loạn cấu trúc đối xứng
của sợi. Thông thường nhiệt độ của sợi không đồng nhất và có phân bố
xuyên tâmrỀQ các lỗ kha bên ngoài thưdng 1Ị biến dạng và, oó kích thuớc
nhỏ hơn, hoặc sự xuất hiện của các lỗ khí phụ nhỏ xung quanh. Đễ tránh
những điều này cần thiết phải kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ thích hợp
của quá trình tạo phôi, phân bố nhiệt độ trong lò, tốc độ cho ăn và kéo

phôi, những tham số xác định đường kính của sợi, phân bố nhiệt độ trên
mặt cắt, của sđi[14,15].
ĨOmm
5mm
^
\ầ
1200-1800°c

4- -►
lOmm
^ ^00-1800°C
1
^00'180°Cc
mm Xo,lmm

lmm

di

a)
Hình 1.4: Qiỵ trình chế tạo scỉ quang [14]

1.2.

Cốc liệu ulỊg ỊÌn trụyến tropg sọí quang

Như ta đã biết sóng ánh sáng là sóng điện từ do đó quá trình truyền
ánh sáng chính là sự lan truyền của điện từ trường trong môi trường sợi

VxVx£=

19

tử điều đóViệc
dẫnmôđếntả xung
đầy đủthímối
nghiệm
quan hệ
bị giữa
suy phân
hao hay
cực ptánđược
sắc gây
thayra đổi
và điện
dẫn
đến cácE hiệu
trường
là rất
ứngcầntuyến
thiết.tính
Phương
và phipháp
tuyến
tiếpxảy
cậnra.củaThành
cơ học
phầnlượng
bước tửsóng

để
khác nhau
đánh
giá thành
của xung
phần truyền
p có thể
dẩn xem
đến xét
vận thông
tốc truyền
qua quá
là khác
trình nhau
tần số
do quang
bước
sóngcộng
thì
phụ hưởng
thuộc gần
vào với
chỉ tần
số khúc
số daoxạ.động
Ngoài
củara,phân
với tửtrường
môi trường.
có cường

Liênđộ quan
cao
thì dẫn
đến
hiện đến
tượnghiệu
này ứng
đượcphi
thể hiện
tuyến.
quaĐáng
phương
chútrình
ý đó
saulà: chỉ số khúc xạ phụ thuộc
vào cường độ (hiệu ứng Kerr) và các phonton có thể tương tác với các
phonon (dao động của phân tử) của môi trường dẫn đến hiệu ứng Raman.
ự>
{2)
(S> :
Phưtng trình mô tả quá trình truyền của trưdng
SỜL
P=sữ(xquang
-E+Xtrong
: EE+X
\EEE =PL+PNL (1.6)

Trong đó PL và P]\ĨL lần lượt là các thành phần tuyến tính và, thành
phần phi tuyến. Trong vật lí lượng tử để mô tả trạng thái lượng tử của
một hệ vật lí theo thời gian ta sử dụng Phương trình Schoringer đề mô

tả nó. Xuất phát từ hộ phưtLỊg trình Lhxvoll chúng ta có thổ xậy dựig
phưiig trình Schcrìngor trong môi trừtqg phi tựyến dọc theo chiều dài sợi
ĩược trình bày trong các tài liệu [18,19,20,21,22] :
theo trục z được trình bày trong các tài liệu [18,19,20,21,22] :
ỠA a
ô^A ,
ỡ,
~dz + 2 A ~ Xrrr '''•'T777 —^(
k>‘2

x(A(z,T) r H T X )\A Z ,T- T X )\ H T x )

- \ế trái của phrOrg trình thể hiện các hiệu lítig tuyến tính: vci Oi là
si.rsiiy @ảmcông suất tụyếntírih, là hệ số tán sắc hên quan đến khai

- ^ " fl ũ i

(L5)


20

triển <±OLO. Trĩyio của bằng số truyền Ị3 (cừ).
- \f' phải ticu tbị cấc hiệa Ííụg phi tiiyốLi vởi. hộ số:
+7=

là, tham số phi tụyến này phụ thuộc vào 7TQ(UỊÌ) là chỉ

số khric xạ ỊÌá tuyến,

là diỘDL tích, modo hiên dụng, Uị) là tần số

trung tâm của xung truyền.
+ rshock = To - ^[lnẠ ì f f(uj)] u ^ ị ì mô tả tần số phụ thuộc- của diện
tícỉi hiệu dụng của mode dẫn
- Tích phân mô tả đáp ứng Raman của sợi. Hàm jR(r\)

mô

tả đáp

úng túc thời m trễ vật liệu: itỊyi) = (1 — fr)ô (TI) -\-frhr(y~i) ocn ỗ(TÌ) m
hr đáp ứng trễ và tức thời Raman[20].
Từ phrt&og trình Schcringcĩ- phi tụyèi này các thành phần tryến tính
như tán sắc hay phi tuyến như quá trình điều biến pha (SPM), quá trình
chéo pha(XPM) hay trôn bốn sóng (FWM), soliton và tán xạ Raman đều

Hình 1.5: So sánh tán sắc tiTSTg sd FCF và SEF [14].

Đầu tiên có thể nói đến hiện tượng tán sắc. Tán sắc là một hiệu ứng
tuyến tính nhưng đóng một vai trò quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính
của tương tác phi tuyến trong sợi quang. Khi xem xét đến tán sắc trong


21

sợi quang cần chú ý đến thuộc tính tán sắc do sự phân cực trong trường
hợp sợi là, luEtog chiết. Trong việc tao ra xung ánh sáng trắng cần chú ý
đến sự tán sắc ảnh hưởng đến vận tốc pha và vận tốc nhóm của tín hiệu
truyền trong sợi. Ngoài ra cần xem xét quá trình biến đổi tần số phi tuyến,

cả tính tuyến tính và phi tuyến đóng góp cho quá trình hợp pha, kết hợp
với vận tốc nhóm tại các bước sóng khác nhau có thể dẫn đến các thành
phần quang phổ được tách biệt rộng ra. Như đã trình bày thuật ngữ tán
sắc (3fr có được là do ta khai triển chuỗi Taylo từ hằng số truyền /3^ [19]:
=*b +g(^- Uô) +-(<*;- w,)2 +.................................
= ko —|—/?1 (UJ— Uị)) + — /32 (cu — 6c|))2 + ....
Trong đó thuật ngữ /3i là, hết, quả ciia sựgiãn XImg

1+1

(1-8)

tog ld+qg làmthạy

đỗi hình dạng xung, còn /32 biểu hiện về tán sắc nó được biểu diễn qua

orâig thức :

27
TC k
Đon vị của tán sắc vận tốc nhóm (GVD) D là (ps/nm.km). GVD

trong các tài liệu được kí hiệu bởi /32 (có đơn vị ỉ?rã 1). Trcngphạmvi
buớc scĩig nà /32 > 0 thà nó thể biện tán sắc bình thuTtig, hhi /3 2 < 0 thà
nó tho láỘDL tán sắc dị thũ íỉug. CTX1 ITá + llo sáng vhi

=0 thà ta có bi ức

sóng hhôig tán sắc (ZDVV). Tom lại ta có :
+ổ2 > 0( J D < 0): ta có tán sắc thi ồqg.

+ổ2 < 0 ỢD >0): ta oó tán sắc dị tliiíỉng.
Sau đây là các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến quá trình truyền
sóng trong sợi quang. Việc tạo ra sc là một quá trình đóng góp của rất
nhiều hiệu ứng phi tuyến đầu tiên có thể kể đến đó là quá trình tự biến
điệu pha (SPM). Nguồn gốc của SPM chính là hiệu ứng quang học Kerr
(sự thay đổi chỉ số khúc xạ trong môi trường phi tuyến với sự thay đổi của


22

điện trường) :

(1.10)

Trong đó 772 là bậc thứ hai của chỉ số khúc xạ Hiệu ứng Kíir có thể gay
ra sự thay đổi pha tức thời của xung truyền :

(1.11)
Kết quả của sự thay đổi pha kéo theo tần số cũng thay đổi:
trong đó k là số sóng và L khoảng cách xung truyền được. Ví dụ đối với
chùm Gauss , chỉ số khúc xạ thay đổi theo thời gian :
dĩi(ĩ) di
— 2£

— t2

A = íỉai =^~ỉ

.
(113)

do đó tần số lúc này:

_ Lìĩoỉ)
Uịt) =uị) +2k.—Ỷ~

t2
)

(1.14)

Hình 1.6: Xung truyền (đường cong trên) trong môi trường phi tuyến trải qua sự tự thay đổi tần số
(đường cong dưới) thông qua quá trình SPM. Phần trước của xung được chuyển sang vùng tần số
tbấplxỉn, ỊÌỉầnsaucủaxmg vcl tần số cao bcỉri [21].


23

Chúng ta có thể thấy hình vẽ tần số đầu ra. Phía trước của xung được
chuyển sang vừng tần số thấp hơn vì T là, trừ, phía san của xưng chựyển
sang tàn số cao hơn vì r là cộng. Từ quá trình biến đổi pha dẫn đến biến
đỗi tần số nên trong sợi kết quả thu được có thể xảy ra: thứ nhất quá trình
SPM kết hợp với tán sắc thường dẫn đến mở rộng tần số phổ của xung đối
xứng, thứ hai nếu SPMhết hơp vri tán sắc xạy ra trong ĩiiền tán sắc dị
thường trong ống dẫn sóng xung sẽ không thay đổi trong miền thời gian
sau quá trình biến đổi động học để tạo thành soliton[14,19,20].
Môt hiệu ứng mà ta cần quan tâm nữa đó chính là biến điệu chéo
pha (XPM), XPM thường đi kèm theo bởi SPM nhưng để XPM xảy ra.
phải có nhiồn hơn mạt sổng tniyồrr trong sợi. Db chỉ số khúc xạ của rrột
sóng không chỉ phụ thuộc vào cường độ của sóng đó mà còn phụ thuộc

vào cường độ của các sóng truyền khác. Ta có mối liên hệ giữa cường độ
và pha phi tuyến được cho bởi biểu thức sau [20,22]:
NL
j

UJ.jZ

UJjZflí2

+21^/

(1.15)

với j = 1 hoặc 2. Số hạng đầu tiên liên quan đến SPM, số hạng thứ hai là
kết quả của sự điều chế pha của một
c sóng bởi sóng truyền khác điều này
dẫn đến XPM. Từ phương trình ta thấy ảnh hưởng của XPM lớn gấp hai
lần ảnh hưởng của SPM với cùng cường độ. Xung truyền được một khoảng
cách trong sợi, phổ bị chồng lấn giữa xung bơm ban đầu và một vài sóng
tán sắc (DW) với cùng ovecto sóng như xung ban đầu điều này tạo ra một
đỉnh DW. Vị trí sóng tán sắc trong phỗ có thể tìm thấy từ điều kiện hợp
pha (sẽ được tìm hiểu kĩ trong phần 2.4)[24].
Trong sợi PCF phi tuyến cao, sóng không tán sắc có thể bị biến đổi
trong vừng ánh sáng nhìn thấy. Tỉong thí nghiệm với hệ Laser li:Sa oó
bittcr sống bơm vào khoảng SOQnmrri trong vùng tán sắc dị thitdng. Quá
trình lan trựyềh của song phi tựyến ta thấy vận tốc trựyềh sóng không