Khả năng thu tín hiệu photon với độ nhạy cao của laser quang sợi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano

Đại học quốc gia hà nội
Trờng đại học công nghệ
=========FễG=========

Vơng Thị Xuân Hơng

Khả năng thu tín hiệu photon với độ nhạy cao của
laser quang sợi ứng dụng trong nghiên cứu tính
chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano

Ngành
: Khoa học và công nghệ nano
Chuyờn ngnh : Vt liu v linh kin nano
Mã số
:

Luận văn thạc sĩ
Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Trần Thị Tâm

Hà Nội - 2005


Li cm n
Lun vn Khả năng thu với độ nhạy cao tín hiệu photon của laser
quang sợi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc
nano c hon thnh trong thi gian hc tp v nghiờn cu ti lp cao hc
khúa 10, ngnh Cụng ngh nano, Trng i hc Cụng Ngh, i hc Quc Gia
H Ni. Li u tiờn, em xin c by t lũng bit n sõu sc ti cụ giỏo: TS.
Trn Th Tõm, ngi ó vch ra con ng v tn tỡnh hng dn cho em hon
thnh c lun vn tt nghip ny. Em xin chõn thnh cm n cỏc thy, cỏc cụ
trong khoa Vt lý k thut, trng i hc Cụng Ngh, nhng ngi ó dy bo

v trang b cho em nhng kin thc trong sut thi gian hc tp. c bit em xin
c cm n thy giỏo ch nhim lp PGS. TS. Nguyn Nng nh ó rt quan
tõm ti vic hc tp ca chỳng em.
ti cng khụng th cú c nhng kt qu nh ngy hụm nay nu
khụng cú c s gúp ý, ch bo ca cỏc chỳ, cỏc anh ch trong phũng thớ
nghim. Em xin by t lũng cm n ti KS. ng Quc Trung, KS. Trn Anh
V, KS. Lờ Hu Minh, CN. Ngc Chung, CN. V Ngc Chõm trong phũng
K thut laze Vin khoa hc Vt liu Vin Khoa hc Vit Nam.
Cui cựng em xin gi ti gia ỡnh, bn bố s bit n v nhng quan tõm,
ng viờn v c v giỳp em vt qua c cỏc khú khn hon thnh khúa
lun ny.


Tõ viÕt t¾t

ASE

Amplified spontaneuous emmission

Bøc x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch t¸n

EDF

Erbium doped fiber

Sîi quang pha t¹p erbium

EDFL

Erbium doped fiber laser

Laze quang sîi pha t¹p erbium

EDFA

Erbium doped fiber amplifier

KhuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p
erbium

NA

Nurmerical aperture

§é më (khÈu ®é)

SE

Spontaneous emission

Bøc x¹ tù ph¸t

WDM

Wavelength divion multiplexing

Bé ghÐp / chia b−íc sãng


1

Mục lục
Mục lục ..................................................................................................... 1
Mở đầu ..................................................................................................... 3
Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium ........................................ 6
1.1. Sợi quang ..................................................................................................... 6
1.1.1. Các thông số của sợi quang................................................................... 6
1.1.2. Cấu trúc sợi quang pha tạp erbium ....................................................... 8
1.1.3. Phân loại sợi quang ............................................................................... 9
1.2. Cách tử quang khắc Bragg......................................................................... 12
1.2.1. Các loại cách tử ................................................................................... 12
1.2.2. Cách tử quang khắc Bragg .................................................................. 14
1.2.3. Các tính chất của cách tử quang khắc Bragg ...................................... 15
1.2.4. Các đặc trưng của cách tử quang khắc................................................ 17
1.3. Laser quang sợi pha tạp erbium ................................................................. 17
1.3.1. Nguyên lý của laser............................................................................. 17
1.3.2. Phổ của ion erbium.............................................................................. 21
1.3.3. Nguyên lý khuếch đại ánh sáng trong các sợi đơn mode pha tạp
erbium............................................................................................................ 23
1.3.4. Sự chọn lọc mode................................................................................ 28
1.3.5. Laser sợi DFB đơn mode .................................................................... 29
Chương 2: Khả năng thu nhận ánh sáng của laser ........................... 35
2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................ 35
2.2. Hiện tượng tiền khuếch đại........................................................................ 35
2.3. Các đặc tính của bộ tiền khuếch đại: ......................................................... 36
2.4. Ý nghĩa vật lý - Sự tiệm cận ngưỡng......................................................... 38


2
2.5. Ý nghĩa hình học........................................................................................ 39

2.6. Laser quang sợi pha tạp erbium được sử dụng như một đầu thu độ nhạy
cao ..................................................................................................................... 41
Chương 3: Khảo sát hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao và ứng dụng
................................................................................................................ 44
3.1. Hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao............................................................... 44
3.1.1. Sơ đồ khối của hệ đo ........................................................................... 44
3.1.2. Nguồn bơm.......................................................................................... 45
3.1.3. Nguồn tín hiệu..................................................................................... 45
3.1.4. Isolator................................................................................................. 48
3.1.5. Bộ suy giảm......................................................................................... 48
3.1.6. Laser thu.............................................................................................. 48
3.1.7. Máy phân tích quang phổ (OSA) ........................................................ 49
3.1.8. Máy đo công suất ................................................................................ 49
3.1.9. Hiện tượng kéo tần số: ........................................................................ 49
3.1.10. Thu nhận tín hiệu .............................................................................. 51
3.2. Chế tạo và khảo sát tính chất cảm biến nhiệt quang của vật liệu VO2 cấu
trúc nano............................................................................................................ 52
3.2.1. Màng mỏng VO2 cấu trúc nano........................................................... 52
3.2.2. Thực nghiệm chế tạo màng mỏng VO2 cấu trúc nano ........................ 53
3.2.3. Phân tích kết quả ................................................................................. 54
Kết luận .................................................................................................. 60
Tài liệu tham khảo ................................................................................. 62


3

Mở đầu
Mặc dù cả hai loại laser bán dẫn và laser rắn đều là những loại có khả năng
ứng dụng thích hợp trong thông tin quang, nhưng chúng đòi hỏi hồi tiếp ngược và
kết nối vi phân không nhậy cảm với hệ quang sợi/quang dẫn. Với sự tương thích

cao với hệ quang sợi, laser quang sợi pha tạp đất hiếm trở nên hấp dẫn hơn so với
hai loại laser nêu trên, đặc biệt là EDFL do bức xạ bước sóng 1,55μm, bước sóng
của cửa sổ quang học trong thông tin quang sợi thế hệ mới. Hệ số mất mát chỉ
còn 0,2-0,3dB/km so với 0,5 dB/km tại 1,3 μm, cho phép đặt các trạm chuyển nối
xa hơn. Quan trọng hơn nữa là dây quang sợi pha tạp Er còn có thể sử dụng như
khuếch đại quang tại cùng bước sóng, không cần đến các hệ tái tạo điện quang.
Để tăng việc thực hiện và mở rộng lĩnh vực ứng dụng các loại laser này, rất
nhiều phòng thí nghiệm cũng như nhiều viện nghiên cứu tập trung vào nghiên
cứu về laser quang sợi. Rất nhiều loại laser quang sợi đã được chế tạo để ngày
càng phù hợp hơn với thông tin quang. Đặc biệt là các laser đơn mode DBR hoặc
DFB, được nghiên cứu và phát triển. Nhưng cùng với sự phát triển của chúng,
người ta đã tìm ra được những ứng dụng rất quan trọng, một trong những ứng
dụng đó là tiêm quang học. Nhờ tiêm quang học, người ta có thể thu được những
tín hiệu rất nhỏ.
Các đầu thu truyền thống đều sử dụng nguyên lý quang điện trong hoặc
ngoài. Đó là tín hiệu được thu nhận kích thích một điện tử rồi sau đó dòng các
điện tử đó được khuếch đại (các nhân quang điện, avanlanche photo diode….).
Khi đó sự tương quan của dòng điện với trường tín hiệu tới không đóng một vai
trò nào cả. Thời gian tương tác giữa photon và nguyên tử rất ngắn, công suất
quang truyền sang cho đầu thu trong thời gian đó là cỡ pico Watt. Hình ảnh đó có
thể liên tưởng tới hình ảnh thu xung, mỗi xung tương ứng với sự truyền năng
lượng của một photon tín hiệu.
Việc dùng laser làm đầu thu tận dụng được tính ưu việt của tính chất kết
hợp của ánh sáng. Mô hình của đầu thu này là: một tín hiệu kết hợp rất yếu và có
độ rộng phổ rất mảnh đi tới một laser khác có cùng tần số cộng hưởng nhưng có
độ rộng vạch phổ lớn hơn rất nhiều. Tính chất ưu việt của laser được dùng ở đây


4
là khả năng thu nhận – khuếch đại ánh sáng nhưng không làm mất tính chất kết

hợp của nó hay nói cách khác là sự tương quan không bị mất đi trong quá trình
tương tác. Ở đây có sự kết hợp của hai hành động: khuếch đại cộng hưởng và lọc
lựa. Hiệu suất truyền rất cao. Trong nghiên cứu gần đây nhất, các tác giả sử dụng
laser bán dẫn làm đầu thu đã thu được những tín hiệu nhỏ cỡ -80 dBm – tức là
nhạy hơn 100 lần. Và trong trường hợp này tín hiệu được thu nhận ở chế độ liên
tục chứ không phải là chế độ xung như ở các đầu đo truyền thống [1].
Tiêm quang học có đặc tính truyền đặc trưng phổ của laser phát sang laser
thu như tần số, độ rộng vạch và nhiễu. Khi quá trình truyền này hoàn tất, laser thu
ở chế độ gọi là bị khóa hoàn toàn, khi đó sự đóng góp duy nhất của nó là công
suất và đặc trưng phổ của nó hoàn toàn là của laser phát. Nhiều ứng dụng quan
trọng có thể được thực hiện từ tiêm quang bằng laser như giảm chiều rộng của
vạch laser, khóa trên một tần số tuyệt đối, xác định các hằng số của laser, giảm
nhiễu, phát sinh những tần số vi sóng, hồi phục tín hiệu nhịp đồng hồ và tái đồng
bộ………
Đây là một vấn đề còn rất mới cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm nhưng
rất thiết thực và hấp dẫn. Gần đây trên thế giới cũng mới có một số nghiên cứu
về tiêm quang học, sử dụng laser như một đầu thu cực nhạy với phương pháp
khái quát hàm Airy, song chưa tiến hành với laser quang sợi pha tạp erbium cũng
như những điều kiện thí nghiệm cũng khác so với ở Việt Nam. Vì vậy trong luận
văn này sẽ đi sâu nghiên cứu lý thuyết mới về tiêm quang học, tiến hành tổng
hợp, thu thập tài liệu, thực nghiệm nghiên cứu về khả năng thu nhận của laser
quang sợi pha tạp erbium từ đó đưa ra những kết luận về ảnh hưởng của tần số
cũng như độ nhạy thu nhận của laser quang sợi pha tạp erbium và những ứng
dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano ở điều kiện
thực nghiệm tại Việt Nam.
Nội dung của khóa luận được bố cục thông qua các chương như sau:
Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium.
Chương 2: Khả năng thu nhận ánh sáng của laser.
Chương 3: Khảo sát hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao và ứng dụng.

5
Khóa luận được hoàn thành trong quá trình học tập tại trường Đại học
Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội và trong phòng thí nghiệm quang tử
micro – nano là phòng thí nghiệm liên kết giữa trường ĐH Công Nghệ và Viện
khoa học vật liệu – Viện Khoa học Việt Nam.


6

Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium
1.1. Sợi quang
1.1.1. Các thông số của sợi quang
Sợi gồm một lõi dẫn quang có chiếu suất n1, bán kính a. Lớp vỏ cũng là vật
liệu dẫn quang bao xung quanh lõi có chiết suất n2 và có bán kính b. Các tham số
n1, n2 và a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Đó là các tham số cấu
trúc. Các chiết suất n2 và n1 khác nhau rất ít nên độ lệch chiết suất tỉ đối ∆ thường
rất bé (∆<<1)
Δ=

n12 − n 22 n1 − n2 Δn
≈
=
n1
n1
2n12

(1)

Phần lớn các quang sợi được dùng trong các hệ thông tin quang hiện nay

thường được chế tạo từ silica (SiO2) có độ sạch cao. Sự thay đổi nhỏ của chiết
suất được tạo ra khi pha một lượng nhỏ các chất tạp ( thí dụ như titan,
germani,..….) chiết suất n1 thay đổi từ 1,44 ÷ 1,46 phụ thuộc vào bước sóng, còn
∆ có giá trị trong khoảng 0,001 ÷ 0,02.
Khi chùm sáng từ ngoài (không khí) đi vào quang sợi, để có thể lan truyền
trong quang sợi với góc θ phải nhỏ hơn một góc θc tới hạn. Áp dụng định luật
Snell, mỗi tương quan giữa góc tới từ không khí θa và góc khúc xạ tới hạn θc
được biểu diễn như sau:
1 * sin θ a = n1 sin θ c

(2)

Với điều kiện phản xạ toàn phần từ thành của lõi quang sợi giữa hai môi
trường có chiết suất n1 và n2 ta có:
sin θ a = n1 (1 − cos θ c )
2

Bởi vậy:

1/ 2

⎡ ⎛n
= n1 ⎢1 − ⎜⎜ 2
⎢⎣ ⎝ n1

⎞
⎟⎟
⎠

2

⎤
⎥
⎥⎦

1/ 2

(

= n12 − n 22

)

1/ 2

(3)


7
θ a = sin −1 (n12 − n22 )

1/ 2

Giá trị NA =

(n

2
1

(4)

)

− n22 ≈ n1 2Δ được gọi là khẩu độ số của quang sợi. Góc

θa là góc nhận của quang sợi – đây là thông số quyết định cho việc thiết kế hệ kết
hợp cho ánh sáng ra và vào sợi quang.
Khẩu độ số là đặc trưng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn laze với sợi
quang. Giá trị khẩu độ số thường nằm trong khoảng từ 0.14 ÷ 0.50.
Kích thước của lõi và vỏ các sợi quang tiêu chuẩn hiện nay được dùng
trong thông tin quang sợi (2a/2b) là (8/125), (50/125), (62.5/125), (85/125),
(100/140) μm.
Nếu sợi quang là sợi đơn mode thì nó chỉ có một mode lan truyền. Bước
sóng nhỏ nhất mà tại đó sợi quang làm việc như sợi đơn mode được gọi là bước
sóng cắt:
λc =

2πa n12 − n22

(5)

2.045

Sự biến đổi chiết suất của quang sợi
Sự biến thiên chiết suất của quang sợi có thể biểu thị qua công thức sau:
g

r ≤a
⎛r⎞

n(r ) = n1 1 − 2Δ⎜ ⎟ với
⎝a⎠

n( r ) = n 2

với

r >a

(6)
(7)

Ngày nay, có rất nhiều vật liệu chế tạo sợi quang, song các sợi quang sử
dụng thông dụng trong viễn thông đều được chế tạo từ thủy tinh thạch anh có
chiết suất là:
n = ε r ≈ 1 .5

(8)

Trong đó: εr là hằng số điện môi tương ứng của vật liệu.
Khi muốn thay đổi chiết suất thì trong quá trình chế tạo lõi và vỏ sợi, chẳng
hạn từ thuỷ tinh, thạch anh, người ta thêm hoạt chất vào, ví dụ:


62

Tài liệu tham khảo
[1]

R. Gabet, G. M. Stephan, M. Bondiou, P. Besnard, D.Kilper, ”Ultrahigh

sensitivity detector for cohenrent light: the laser”, Optics Communications
185 (2000) 109 – 114.

[2]

S. Blin, G. M. Stephan,
R. Gabet, P. Besnard and D. Kilper,
”Amplification process in a laser injected by a narrow band weak signal”,
Europhys. Lett. 52 (1), pp. 60-65 (2000).

[3]

S. Blin, G. M. Stephan, R. Gabet, P. Besnard and T.T.Tam, O. Vaudel, S.
LaRochelle, “Spectral and time phenomena in optical injection using
distributed feedback semiconductor or fibre laser ”.

[4]

Stephan G. M., Phys. Res. A, 58 (1998) 2467

[5]

R. H. Pantell, “The laser oscillator with an external signal”, Proceedings
of the IEEE, vol. 53, pp. 474–477, May 1965.

[6]

H. L. Stover andW. H. Steier, “Locking of laser oscillators by light
injection”, Applied Physics Letters, vol. 8, pp. 91–93, May 1966.

[7]

S. Kobayashi and T. Kimura, “Coherence of injection phase-locked
AlGaAs semiconductor laser” Electronics Letters, vol. 16, no. 17, pp. 668–
670, 1980.

[8]

S. Kobayashi and T. Kimura, “Injection locking in AlGaAs semiconductor
laser”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 17, pp. 681–689, May
1981.

[9]

S. Kobayashi, H. Nishimoto, and R. Lang, “Experimental observation of
asymetric detuning characteristics in semiconductor laser injection
locking”, Electronics Letters, vol. 18, pp. 54–56, January 1982.

[10]

William T. Silfvas (2004), “Laser fundamentals”, Cambridge university
press, USA.

[11]

C.M Lambert, Solar Energy Mater, Vol. 11 (1984) p.1


[12]

63
C.M.Lampert and C.G.Granqvist, eds, in “Large-area Chromogenics:
Materials and Devices for Transmittance Control”, Vol. 154 (SPIE Optical
Engineering Press, Bellingham, 1990)

[13]

Nguyen Nang Dinh, Proc. Conf. “40 years Anniversary of Hanoi
University of Technology”, Hanoi –10/1996, p. 176 (in Vietnamese).

[14]

G. Micocci, A. Serra, A. Tepore, and S. Capone. J. Vac. Sci. Technol. A
15 (1) Jan/Feb (1997) 34-38.

[15]

B. D. Cullity, Elements of X-Ray diffraction, 2nd ed., p.102, AddisonWesley Publishing Company, Inc., Reading, MA (1978).