(Luận văn thạc sĩ) 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


Từ viết tắt

ASE

Amplified spontaneuous emmission

Bức xạ tự phát đợc khuếch tán

EDF

Erbium doped fiber

Sợi quang pha tạp erbium

EDFL

Erbium doped fiber laser

Laze quang sợi pha tạp erbium

EDFA

Erbium doped fiber amplifier

Khuếch đại quang sợi pha tạp
erbium

NA

Nurmerical aperture

Độ mở (khẩu độ)

SE

Spontaneous emission

Bức xạ tự 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 thơng tin quang, nhưng chúng địi 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 thơng 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 cịn có thể sử dụng như
khuếch đại quang tại cùng bước sóng, khơng 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 phịng 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 dịng các
điện tử đó được khuếch đại (các nhân quang điện, avanlanche photo diode….).
Khi đó sự tương quan của dịng điện với trường tín hiệu tới khơng đóng một vai
trị 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. Mơ 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 khơng làm mất tính chất kết
hợp của nó hay nói cách khác là sự tương quan khơng bị mất đi trong q 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 q trình truyền này hồn tất, laser thu
ở chế độ gọi là bị khóa hồn tồn, khi đó sự đóng góp duy nhất của nó là cơng
suất và đặc trưng phổ của nó hồn tồn 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 hồn thành trong q trình học tập tại trường Đại học
Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội và trong phịng thí nghiệm quang tử
micro – nano là phịng 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, cịn
∆ có giá trị trong khoảng 0,001 ÷ 0,02.
Khi chùm sáng từ ngồi (khơng 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 khơng 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 mơi
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 mơi 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:

8
• Cho GeO2 làm tăng chiết suất.
• Cho Fluorid làm giảm chiết suất.
1.1.2. Cấu trúc sợi quang pha tạp erbium
Cấu trúc chính của một sợi quang pha tạp erbium bao gồm lõi pha tạp
erbium được bọc bởi một lớp thủy tinh. Chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của
lớp bọc để tạo ra sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc. Lõi để dẫn ánh sáng
còn lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ tồn phần giữa lõi
và lớp bọc. Hình 1-1 chỉ ra cấu trúc của một sợi quang pha tạp erbium.

Hình 1-1: Cấu trúc của sợi quang pha tạp erbium

Lớp phủ hay lớp bảo vệ thứ nhất có tác dụng bảo vệ sợi quang chống lại sự
xâm nhập của hơi nước, tránh sự trầy xước gây nên vết nứt và giảm ảnh hưởng vi
uốn cong. Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia
sáng truyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ tồn phần khơng thể xảy ra giữa
lớp bọc và lớp phủ.
Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng
cơ học và thay đổi nhiệt độ.
Một số phương pháp chế tạo quang sợi
Vật liệu thích hợp nhất để chế tạo quang sợi là sợi thủy tinh. Thủy tinh
được tạo ra từ các hỗn hợp oxit kim loại nóng chảy, sulfide hoặc selennide.
Chúng tạo ra một vật liệu sợi có cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp. Loại
thủy tinh trong suốt tạo ra các sợi dẫn quang chính là thủy tinh oxit, trong đó


9
đioxit silic (SiO2) là loại oxit thông dụng nhất để chế tạo sợi quang. Nó có chỉ số

chiết suất tại bước sóng 850 nm là 1,458 nm. Cơng nghệ chế tạo sợi quang thông
thường bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là giai đoạn công nghệ lắng
đọng hơi tạo ra một hình trụ với chiết suất phản xạ mong muốn. Giai đoạn thứ
hai, sản phẩm của giai đoạn một được đưa tới một lò nấu thủy tinh với một tốc độ
thích hợp – giai đoạn tạo phơi.
Có nhiều công nghệ chế tạo như công nghệ MCVD (modified chemical
vapor deposition – công nghệ lắng đọng từ pha hơi các chất hóa học thay đổi),
cơng nghệ OVD (lắng đọng hơi bên ngồi) và cơng nghệ VAD (cơng nghệ lắng
đọng hơi theo trục). Nhưng ở giai đoạn thứ nhất người ta thường sử dụng công
nghệ MCVD (modified chemical vapor deposition – cơng nghệ lắng đọng từ pha
hơi các chất hóa học thay đổi). Những lớp SiO2 được lắng đọng bên trong tuýp
thủy tinh nóng chảy bằng cách pha trộn với hơi SiCl4 và O2 tại nhiệt độ khoảng
1800oC. Để đảm bảo về sự đồng đều thì người ta sử dụng những dây chuyền tịnh
tiến. Chiết suất của lớp vỏ được quyết định bằng việc pha fluourine vào ống tuýp.
Khi đã lắng đọng xong chiều dày lớp vỏ, lớp lõi được hình thành bằng việc thêm
vào hơi GeCl4 hoặc POCl3, việc thêm này quyết định chiết suất của lớp lõi. Lúc
này nếu thêm vào hơi ErCl3 thì ta có sợi quang pha tạp erbium.
Như vậy quá trình chế tạo quang sợi pha tạp erbium cũng giống như quá
trình chế tạo các sợi quang thơng thường, chỉ có ở q trình lắng đọng lớp lõi
người ta đã thêm vào hơi ErCl3. Để giúp cho q trình pha trộn được tốt hơn, oxit
nhơm được đưa thêm vào hỗn hợp để tăng tính hịa tan của erbium trong mạng
thủy tinh. Mật độ pha tạp của erbium thường cỡ 1018 ions/cm3. Phần lõi sợi pha
erbium thường nhỏ hơn nhiều so với lõi của sợi đơn mode. Lõi pha tạp erbium
thường có đường kính cỡ 2 μm, với Δn lớn để đảm bảo đường kính trường mode
nhỏ (thường cỡ 4 μm). Điều này được tạo ra nhằm tăng thêm cường độ của
trường quang trong vùng pha erbium giúp cho quá trình bức xạ cảm ứng.
1.1.3. Phân loại sợi quang
Người ta có thể phân loại sợi quang theo nhiều cách. Sau đây là một số
phân loại tiêu biểu:

10
Phân loại theo vật liệu điện mơi: Có 3 loại, bao gồm:
• Sợi quang thạch anh.
• Sợi quang thủy tinh đa vật liệu
• Sợi quang bằng nhựa.
Phân loại theo mode lan truyền: Theo số lượng mode có thể lan truyền, sợi
quang được chia thành hai nhóm:
• Sợi đơn mode, gọi tắt là SM (single – mode) : Sợi này chỉ cho một mode
lan truyền.
• Sợi đa mode: cho phép nhiều mode lan truyền.
Phân loại theo phân bố chiết suất: Các sợi quang có thể chia làm 2 nhóm
theo phân bố chiết suất của lõi sợi:
• Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI (step-index).
• Sợi quang có chiết suất gradient từ lõi ra vỏ GI (graded- index)

Hình 1-2: Quang sợi đa mode chiết suất bậc

Hình 1-3: Quang sợi đa mode chiết suất gradient


11

Hình 1-4: Quang sợi đơn mode chiết suất bậc

Hình 1-5: Quang sợi đơn mode nhiều lớp vỏ

Trong quang sợi SI, chiết suất của lõi khơng đổi. Vì n1 > n2 (n2 là chiết suất
của lớp vỏ) nên tại mặt phân cách của vỏ chiết suất có bước nhảy.
Trong quang sợi GI, chiết suất n1 của lõi đạt giá trị lớn nhất tại tâm lõi và giảm

dần cho đến mặt phân cách vỏ - lõi thì bằng giá trị chiết suất n2 của vỏ. Quang sợi
đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần.
So sánh quang sợi đơn mode với quang sợi đa mode ta thấy:
Độ tán sắc của quang sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với quang sợi đa
mode. Đối với tán sắc mode, do quang sợi đơn mode chỉ cho phép truyền một
mode duy nhất nên tán sắc mode bằng khơng. Cịn đối với tán sắc màu bao gồm
tán sắc dẫn sóng và tán sắc vật liệu thì có thể làm cho tán sắc dẫn sóng bù trừ với
tán sắc vật liệu để độ tán sắc bằng khơng. Ví dụ như ở bước sóng 1300 nm độ tán
sắc vật liệu và dẫn sóng bằng nhau và trái dấu nên độ tán sắc của quang sợi đơn
mode rất thấp (≈0), do đó dải thơng của quang sợi đơn mode rất rộng. Tuy nhiên,
do kích thước lõi quang sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các
linh kiện quang cũng phải tương đương và quá trình hàn nối quang sợi đơn mode


12
địi hỏi chính xác cao. Với cơng nghệ hiện đại các khó khăn trên đều có thể đáp
ứng và do đó sợi đơn mode được áp dụng phổ biến.
1.2. Cách tử quang khắc Bragg
1.2.1. Các loại cách tử
Trong quang học, cách tử nhiễu xạ có bề mặt gồm những rãnh song song
cách đều trong không gian là một thiết bị phản xạ hoặc truyền qua đối với ánh
sáng. Khi ánh sáng truyền tới cách tử thì xảy ra hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa,
ánh sáng bị phản xạ hoặc truyền qua theo những hướng khác nhau hay còn gọi là
những bậc khác nhau. Cách tử có thể được dùng như một linh kiện lọc lựa bước
sóng.
Thường có những loại cách tử sau
Cách tử răng cưa: có bề mặt gồm những rãnh hình răng cưa như hình 1-6.
Vùng giữa những rãnh (sườn rãnh) sẽ phản xạ những bức xạ tới theo những
hướng nhất định để có được cường độ nhiễu xạ là lớn nhất. Bước sóng mà tại đó
hiệu suất của cách tử là lớn nhất phụ thuộc vào mặt góc của các rãnh (khe).

Hình 1-6: Cách tử răng cưa

Cách tử hình sin: có bề mặt là những rãnh hình sin đối xứng (hình 1-7),
thích hợp trong việc sử dụng làm thiết bị đo góc của chùm tia đối xứng. Hiệu suất
của cách tử có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số và chiều cao (h) của
những rãnh hình sin này. Trong lĩnh vực điện từ (λ/d>0.7 và h/d>0.3), cách tử
hình sin cho những giá trị hiệu suất như là cách tử răng cưa.


13

Hình 1-7: Cách tử hình sin

Cách tử lớp: hình 1-8 chỉ ra hình ảnh của một cách tử lớp. Cách tử lớp có
đặc trưng là bề mặt cách tử gồm những rãnh hình chữ nhật. Những hình chữ nhật
này được miêu tả bởi chiều cao “h” và cách nhau bởi khỏang cách “V”. Cách tử
này có ưu điểm là có khả năng khử bậc 2 của nhiễu xạ (hiệu suất là 2% tại V=1).
Hiệu suất này có thể thay đổi khi thay đổi khoảng cách “V”.

Hình 1-8: Cách tử lớp

Cách tử Bragg: Công thức Bragg cho nhiễu xạ tia X (cũng như là nhiễu xạ
Bragg) được William Henry Bragg và William Lawrence Bragg đưa ra vào năm
1913 cùng với những khám phá của họ về khả năng phản xạ tia X của tinh thể
rắn. Họ đã tìm ra rằng những tinh thể rắn có mạng tinh thể được sắp xếp theo chu
kỳ tuần hồn có khả năng phản xạ ánh sáng tới với những bước sóng và góc tới
nhất định theo những hướng nhất định có những đỉnh cường độ (đỉnh Bragg).
Hình 1-9 và hình 1-10 chỉ ra một ví dụ về cấu trúc tinh thể rắn NaCl có thể phản
xạ ánh sáng như một cách tử.

Hình 1-9:Tinh thể NaCl với những tấm chắn xiên

Hình 1-10: Tinh thể NaCl với những tấm chắn
bình thường


14
1.2.2. Cách tử quang khắc Bragg
Cách tử quang khắc Bragg là cách tử quang sợi có thể phản xạ ánh sáng
nhờ sự biến đổi tuần hoàn hệ số chiết suất của sợi quang. Cách tử quang khắc
được chế tạo bằng cách quang khắc lên sợi quang thơng qua q trình chiếu bước
sóng của chùm laser có bước sóng thích hợp lên sợi quang. Người ta thường sử
dụng laser cực tím (Ultraviolet – UV) liên tục đi qua một hệ quang học chiếu vào
một mặt nạ pha. Các vạch của mặt nạ pha dựa trên yêu cầu của bước sóng laser,
bậc 0 nhiễu xạ bị làm giảm thiểu. Quang sợi được đặt tại vị trí giao thoa và hệ số
chiết suất của lõi quang sợi được biến điệu vĩnh viễn như được minh hoạ trên
hình 1-11b.

Hình 1-11: a-Minh hoạ cấu trúc quang sợi, b- Quá trình tạo cách tử,
c- Cách tử quang khắc


1.2.3.

15
Các tính chất của cách tử quang khắc Bragg

Qua quá trình quang khắc, ta đã tạo ra sự biến đổi điều hòa hệ số chiết suất
của lõi quang sợi. Khi đó quang sợi có thể cách ly hoặc cho qua những mode lan

truyền giống như một cách tử dưới ánh sáng tới. Nó tác động như một phin lọc
cắt tại bước sóng gọi là bước sóng Bragg λBragg.
Biểu thức cho mối tương quan giữa bước sóng Bragg và các thơng số của
cách tử trong bậc gần đúng thứ nhất là:

λBragg = 2.neff.Λ

(9)

Trong đó neff là hệ số chiết suất hiệu dụng của quang sợi, Λ là chu kỳ của cách tử
quang khắc. Sự biến điệu hệ số chiết suất của lõi quang sợi được chỉ ra trên hình
1-12.
Biến điệu hệ số chiết suất của lõi quang sợi chứa hai thành phần: thành
phần liên tục và thành phần xoay chiều.
δneff ( z ) = δneff ( z ).1 + ν cos(

2π
z + Φ( z ))
Λ

(10)

δneff là sự thay đổi thành phần một chiều của chiết suất trung bình, ν là độ nhìn

thấy của các vân giao thoa, φ là độ gợn sóng của cách tử.

Hình 1-12: Sự điều biến hệ số chiết suất của lõi sợi quang

Khả năng lọc tần số là do có sự kết hợp giữa những mode lan truyền ngược
nhau. Trong biểu thức kết hợp, ta có thể tách ra một tham số chủ yếu đặc trưng

cho sự quang khắc một cách tử: hệ số kết hợp k. Ta có biểu thức sau:


16
k=

π
ν δneff
λ

(11)

Độ phản xạ của cách tử quang khắc Bragg là hàm của bước sóng và chiều
dài cách tử được viết như sau:

R( Lg , λ ) =

R( Lg , λ ) =

Ω 2 sinh 2 ( SL g )
Δβ sinh ( SL g ) + S cosh ( SLg )
2

2

2

2

Ω 2 sin 2 (QLg )

đối với Ω 2 f Δβ 2
đối với Ω 2 p Δβ 2

Δβ 2 − Ω 2 cos 2 (QLg )

Trong đó λ là bước sóng, Lg là chiều dài của cách tử, Ω là hệ số kết hợp,

Δβ = β - (π/Λ), β =

2π

λ

n là hàng số truyền,

Λ là chu kỳ cách tử, S = (Ω 2 − Δβ 2 )1 / 2

và Q = (Δβ 2 − Ω 2 )1 / 2 . Phương trình này đúng với giả thiết sự hấp thụ và mode
truyền kết hợp là không đáng kể.
Hệ số phản xạ cực đại Rmax được xác định bởi biểu thức:
Rmax = tanh 2 (k .L g )

(12)

Độ phản xạ cực đại của cách tử là từ 0 – 100% và độ rộng dải nhỏ nhất là
0.1 – 0.2 nm đối với cách tử quang khắc trên sợi quang pha tạp erbium. Trong
trường hợp đó, sự thay đổi chiết suất Δn bởi việc chiếu tia cực tím (UV) bậc 5
10-4.

x

Bước sóng phản xạ cực đại mà ta dùng cho laser được xác định bằng biểu
thức:
λ R max = (1 +

δn eff
neff

).λ Bragg

(13)

Hoạt động đơn mode của laser được thể hiện ở chỗ mode phát laser tại
vùng trung tâm của cách tử, ở đó những khuếch đại khác là khơng đáng kể. Mode


17
bên cạnh sẽ được chỉnh khỏi vùng cách tử. Do đó khoảng phổ tự do Δβ của laser
sẽ lớn hơn một nửa vùng cách tử:

Δβ FSR =

π
Lg

(14)

Đối với cách tử Bragg có độ rộng đường cỡ 0.2 nm thì chiều dài buồng cộng
hưởng thường là 8 mm.

1.2.4. Các đặc trưng của cách tử quang khắc
Các đặc trưng cơ bản của cách tử là:
Độ phản xạ cực đại: độ phản xạ cực đại của cách tử quyết định biên độ của
vạch truyền qua. Biên độ này và độ phản xạ cực đại có mối liên quan bởi phương
trình (12). Do đó nếu cách tử có độ dài lớn hoặc có hệ số kết hợp lớn thì sẽ có độ
phản xạ lớn.
Độ tinh: độ tinh là độ mảnh vạch phản xạ của cách tử. Với cách tử yếu, độ
tinh của vạch phản xạ lớn hơn độ tinh của cách tử dài. Khi đạt được bão hịa, độ
tinh suy giảm nhanh chóng theo độ dài của cách tử.
Bước sóng trung tâm: bước sóng trung tâm được xác định bởi biểu thức
(13). Nó tăng theo bước sóng Bragg và bước sóng này tăng theo hệ số chiết suất
hiệu dụng.
1.3. Laser quang sợi pha tạp erbium
1.3.1. Nguyên lý của laser
Từ laser được bắt nguồn từ những chữ cái tiếng Anh “Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation” có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức
xạ cưỡng bức. Có thể nói bức xạ cưỡng bức là chìa khóa cho sự hoạt đọng của
laser. Khái niệm này đã được Einstein đưa ra vào năm 1913 và tới năm 1960 thế
giới được nhìn thấy một laser hoạt động đầu tiên.
Nguyên lý hoạt động của laser: một vật liệu được dùng là mơi trường hoạt
tính, có khả năng chuyển đổi nguồn năng lượng từ bên ngoài là nguồn bơm thành
một phổ bức xạ năng lượng hoàn toàn đặc trưng cho chất đó. Khi năng lượng
bơm vào đủ lớn thì ánh sáng bức xạ sẽ được cấu thành từ các photon cảm ứng.


18
Nguồn quang học này được đặt trong buồng cộng hưởng thích đáng để tạo ra ánh
sáng đặc trưng của laser như phổ hẹp, phân kỳ nhỏ, mật độ năng lượng cao, độ
kết hợp cao..... Laser có các tính chất tĩnh, tính chất động và phân cực khác nhau
phụ thuộc vào từng loại.

Trong trường hợp laser quang sợi, môi trường hoạt tính là lõi của quang
sợi pha tạp các ion erbium và được bơm trên một giá trị được gọi là ngưỡng là
giá trị bơm nhỏ nhất có thể để đạt được phát laser. Ta sẽ nghiên cứu kỹ hơn về
vấn đề này ở các phần sau. Laser quang sợi pha tạp erbium sử dụng hệ 3 mức
năng lượng. Ở đó mức 1 là mức cơ bản, mức 2 là mức giả bền có thời gian sống
là τ, mức 3 là mức bơm. Mức cơ bản tương ứng với mức 4I15/2. Mức giả bền là
mức 4I13/2 thời gian sống khá dài cỡ 10 ms. Mức bơm 4I11/2 có thời gian sống rất
ngắn cỡ 10 μs.
Trong thực tế, laser có rất nhiều cấu hình khác nhau nhưng nhìn chung, cấu
hình cơ bản của laser có dạng sau (hình 1-13):

Hình 1-13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của laser

Cấu hình cơ bản của laser gồm: một mơi trường hoạt tính đặt trong một bộ
cộng hưởng quang. Bộ cộng hưởng quang được làm từ hai bộ phản xạ M1 và M2
để tạo nên sự phản hồi. Ở bước sóng tín hiệu λs, M1 là bộ phản xạ toàn phần,
trong khi bộ ghép nối lối ra M2 có hệ số truyền qua T2, hoặc tương đương với hệ
số phản xạ R2=1 – T2.
Có hai cách cơ bản nhất để thực hiện buồng cộng hưởng của laze quang sợi là
buồng Fabri – Perro và buồng vòng.


19
Buồng Fabry – Perrot.
Buồng cộng hưởng Fabry – Perrot được tạo thành bởi hai gương song song
với nhau (hình 1-14).
Sóng quang học lan truyền trong môi trường sẽ phải phản xạ nhiều lần trên
từng gương và giao thoa với nhau. Đối với một số bước sóng nhất định, giao thoa
được tạo thành và cường độ sóng là cực đại. Cịn đối với một số bước sóng khác,
giao thoa bị triệt tiêu và tại bước sóng đó khơng có năng lượng hay năng lượng

bằng khơng.
Có thể tính tốn hàm số truyền qua của buồng cộng hưởng Fabry – Perrot
thể hiện chức năng phin lọc của buồng.

Hình 1-14: Buồng cộng hưởng Fabry- Perrot

Gọi EA là trường điện đơn sắc tần số ν tại điểm A của buồng. Trường này
là sự kết hợp của trường ban đầu Es và của Es sau những lần phản xạ xuôi, ngược
1, 2, 3, ..... n lần trong buồng. Es đại diện cho trường ban đầu, liên quan với
trường đi vào buồng từ ngoài kể cả trong trường hợp buồng Fabry – Perrot truyền
qua và trường hợp bức xạ ngẫu nhiên được tạo nên trong môi trường.
Qua mỗi lần xuôi ngược, trường Es chịu sự thay đổi pha là 2φ với:
φ=

2πnl

λ

=

2πnlν
c

(15)

Đồng thời Es còn chịu sự suy giảm theo biên độ do phản xạ r1 và r2 trên hai
gương, do đó trường EA có thể viết như sau:


20

E A = E S + r1 r2 exp(−2iφ ) E S + (r1 r2 ) exp(−4iφ ) E S + ..... + (r1 r2 ) n exp(−2niφ ) E S (16)
2

Phương trình cịn có thể viết lại là:
E A = E S + (1 + r1 r2 exp(−2iφ ) + [r1 r2 exp(−4iφ )]2 + ..... + [(r1 r2 ) n exp(−2niφ )]n ) (17)

Khi n tiến tới vô hạn, phương trình trên được viết lại dưới dạng:
EA =

Đặt F =

ES
1 − rr21 exp(−2iφ )

(18)

EA
ES

Hàm F hay hàm Airy cho ta biết mối liên quan của trường cộng hưởng
trong buồng với trường của nguồn kích thích.
Giá trị tuyệt đối của F chính là hàm số truyền qua của buồng. Hàm số này
phụ thuộc vào tần số ν của trường EA qua hệ số thay đổi pha φ.
Sự biến đổi của hàm số truyền qua như là một hàm phụ thuộc vào tần số ν
được thể hiện trên hình 1-15

Hình 1-15: Tiến độ phát triển của |F| là hàm số phụ thuộc

Hình này chỉ ra rằng trường trong buồng đạt cực đại với những tần số νk.
Những tần số này là những tần số mà ở đó tạo nên giao thoa của vơ số sóng xi

– ngược. Ta biết rằng, đó là những sóng sau mỗi chu trình xi – ngược thì thay
đổi pha là 2π, có nghĩa là 2φ = 2kπ.


21
Theo cơng thức ta tìm được: νk = k (c/2nl).
Nghĩa là độ dài quang học của buồng phải bằng số nguyên lần nửa bước
sóng:
nl = k(λk/2).

(19)

Những tần số νk được gọi là những mode dọc của buồng.
Khoảng phổ tự do (FSR) của buồng được định nghĩa là khoảng cách giữa
hai tần số gần nhau và bằng: Δν = ν k +1 − ν k = c / 2nl .
Chức năng lọc tần số này của buồng đóng vai trị chủ yếu trong trường hợp
laser. Nó xác định trong phổ của một laser một lượng các tần số cách nhau có khả
năng dao động. Số lượng mode của một laser phụ thuộc vào tương quan giữa
FSR của buồng và độ rộng đường cong khuếch đại của mơi trường hoạt tính (độ
rộng phổ của ASE). Laser là laser đơn mode khi chỉ có một mode dọc có mặt
dưới đường cong khuếch đại. Cịn laser là laser đa mode khi có nhiều mode có
mặt dưới đường cong khuếch đại.
1.3.2. Phổ của ion erbium
Các ion đất hiếm họ Lanthamide được pha tạp vào lõi sợi quang sẽ đóng
vai trị là mơi trường tăng ích quang. Rất nhiều ion đất hiếm khác nhau như:
erbium, holmium, neodym, praseodym, thulium và yterbium pha tạp vào trong
sợi quang có khả năng khuếch đại bước sóng trong dải rộng 0.5 μm đến 3.5 μm.
Erbium được đặc biệt chú ý vì chúng có khả năng khuếch đại quang ở
vùng bước sóng 1.55 μm là vùng cửa sổ thơng tin thứ 3 của thơng tin quang hiện
đại. Tại bước sóng 1.55 μm, suy hao trong sợi quang thủy tinh là nhỏ nhất. Ion

erbium có cấu hình 4f115s25p6, lớp 4f là lớp khơng được lấp đầy hồn tồn.
Vùng 4fN của ngun tử erbium được tạo thành từ rất nhiều siêu mức. Đầu
tiên, các lực tương tác giữa các nguyên tử sẽ chia mức 4fN từ một orbital điện tử
thành 2S+1Lj siêu mức. Tiếp theo đó khi các ion erbium được đưa vào ma trận thủy
tinh dưới tác động của trường tinh thể các siêu mức đó lại được chia thành một
tập hợp các siêu mức Stark. Quá trình này được miêu tả trên hình 1-16.


22

Hình 1-16: Giản đồ thể hiện sự chia mức năng lượng 4fN thành các siêu mức

Cấu trúc các mức năng lượng của ion erbium trong thủy tinh được thể hiện
trên hình 1-17. Đối với ion erbium có thể kích thích bằng nhiều bước sóng.
Những thí nghiệm đầu tiên người ta thường sử dụng các laze khí argon hoặc laser
bán dẫn Nd có nhân tần bậc hai và laser màu trong vùng khả kiến để bơm kích
thích ion erbium trong thủy tinh. Sau năm 1990, laser bán dẫn bước sóng 980 nm
và 1480 nm được chế tạo để bơm kích thích ion erbium.
Đặc trưng rất quan trọng của ion erbium là nó có mức 4I13/2 là mức siêu bền
với thời gian sống của hạt tải tại mức này lên đến 10 ms. Thời gian sống tại mức
4

I11/2 cỡ vài μs. Do đó nếu ta bơm kích thích bằng chùm laser có bước sóng 980

nm các ion erbium được kích thích lên mức 4I11/2 và sau thời gian μs chúng
chuyển dời không bức xạ xuống mức 4I13/2 với thời gian sống tại mức này gấp
hàng vạn lần thời gian sống tại mức 4I11/2. Điều này cho phép chúng ta tạo trạng
thái phân bố đảo trong mơi trường pha tạp erbium.

Hình 1-17: Các mức năng lượng của erbium trong quang sợi silic

23
Trong thủy tinh SiO2 pha tạp thêm GeO2 để tăng chiết suất lõi sợi, bức xạ
của ion erbium lớn hơn hấp thụ, do đó hệ số khuếch đại quang khá cao trong
vùng này.
Trong các bộ khuếch đại, bơm tại các bước sóng 980 nm và 1480 nm cho hiệu
qủa cao. Khi bơm tại bước sóng 980 nm đạt được hiệu suất là 11 dB/mW. Đây là
hệ số tăng ích cao.

Hình 1-18: Phổ hấp thụ của erbium

Phổ hấp thụ của erbium thể hiện trên hình 1-18. Có thể thấy các dải hấp
thụ rộng trong vùng 810 nm và 980 nm. Đối với bước sóng 980 nm hệ số hấp thụ
cao hơn hẳn.
1.3.3. Nguyên lý khuếch đại ánh sáng trong các sợi đơn mode pha
tạp erbium.
Nguyên lý
Xem xét hệ 2 mức năng lượng. N1 và N2 là phân bố của chúng. Xét sự lan
truyền của một sóng điện từ phẳng theo hướng Oz qua hệ như trên hình 1-19: