Báo cáo bài tập lớn công nghệ nano
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.9 MB, 30 trang )
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
MỤC LỤ
MỤC LỤC...................................................................................................................1
DANH SÁCH NHĨM VÀ BẢNG PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC................................3
PHẦN 1 MỞ ĐẦU......................................................................................................4
PHẦN 2 NỘI DUNG...................................................................................................5
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ...................................5
1.1
Giới thiệu về sợi tinh thể quang tử.................................................................5
1.1.1 Định nghĩa..................................................................................................5
1.1.2 Các đặc trưng của sợi tinh thể quang tử......................................................5
1.1.3 Lịch sử phát triển........................................................................................6
1.1.4 Kĩ thuật truyền dẫn trong sợi tinh thể quang tử...........................................6
1.2
Phân loại sợi tinh thể quang tử.......................................................................7
1.2.1 Sợi tinh thể quang tử đơn mode..................................................................8
1.2.2 Sợi lõi rỗng.................................................................................................8
1.2.3 Các sợi có tính chất đặc biệt.......................................................................9
1.2.3.1 Sợi lõi đôi............................................................................................9
1.2.3.2 Sợi lưỡng chiết suất cao.......................................................................9
1.2.3.3 Sợi phi tuyến và thế hệ siêu liên tục...................................................10
1.2.3.4 Sợi laser và khuếch đại.......................................................................11
2.3.5 Sợi quang tạo ảnh linh hoạt...................................................................11
2.3.6 Sợi Fresnel............................................................................................12
CHƯƠNG II CÁC SỢI GIẢ HAI CHIỀU LÕI RẮN................................................13
1
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
2.1 Sợi tinh thể quang tử hai chiều lõi rắn.............................................................13
2.1.1 Giới thiệu về sợi tinh thể quang tử hai chiều.............................................13
2.1.2 Cấu trúc sợi tinh thể quang tử hai chiều và sợi hai chiều lõi rắn...............13
2.1.2.1 Cấu trúc sợi tinh thể quang tử hai chiều.............................................13
2.1.3.2 Cấu trúc sợi hai chiều lõi rắn.............................................................14
2.1.3 Ngun lí truyền dẫn.................................................................................15
2.1.3.1 Ngun lí phản xạ tồn phần..............................................................15
2.1.3.2 Nguyên lí giam cầm ánh sáng trong vùng cấm quang tử....................16
CHƯƠNG III ỨNG DỤNG SỢI LÕI RẮN. TRUYỀN DẪN ĐƠN MODE KHÔNG
GIỚI HẠN.................................................................................................................17
3.1 Ứng dụng của sợi lõi rắn..................................................................................17
3.2 Truyền dẫn đơn mode khơng giới hạn..............................................................17
CHƯƠNG IV THỰC HÀNH MƠ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM OptiFTTD...........22
PHẦN 3 KẾT LUẬN.................................................................................................27
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................28
2
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
DANH SÁCH NHĨM VÀ BẢNG PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Họ Tên
Nguyễn Trung Thành
Trần Thị Hoa Phượng
Tạ Tùng Lâm
Vũ Tiến Đạt
Nguyễn Ngọc Kha
Nguyễn Quốc Tú
Nguyễn Văn Hà
Trịnh Văn Hải
Ngô Xuân Lộc
Nguyễn Văn Hiệp
MSSV
20112190
20114635
20111747
20111391
20111702
20112165
20111461
20111489
20111757
20111591
3
Công việc
Làm báo cáo + slide + thuyết trình
Chương 2
Mơ phỏng (hỗ trợ)
Chương 3
Chương 1
Mơ phỏng (chính)
Chương 2 + làm báo cáo
Chương 1 + làm slide
Mô phỏng (hỗ trợ)
Chương 3
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
PHẦN 1 MỞ ĐẦU
Khoa học công nghệ ngày càng phát triển thì các sản phẩm cơng nghệ ngày
càng được chế bản một cách tiên tiến hơn, tinh xảo hơn. Một trong những yêu cầu
được đặt ra để cải tiến sản phẩm đó là kích thước và tốc độ. Đáp ứng được nhu cầu
đó của mơi trường cơng nghệ tiên tiến, ngành công nghệ nano ngày càng chiếm ưu
thế. Đi sâu vào phần tốc độ, nhìn vào tốc độ hiện tại, ai cũng thấy sự thay đổi nhanh
chóng và tích cực của các sợi tinh thể quang tử trong việc đáp ứng được tốc độ truyền
tải cao và linh hoạt. Lần này, nhóm sẽ giới thiệu về sợi tinh thể quang tử lõi rắn, một
trong những sợi tinh thể quang tử hiện nay. Đưa đến những hiểu biết cơ bản của mình
về sợi lõi rắn, giúp mọi người có thể có cái nhìn tiệm cận hơn với loại sợi ra đời từ
năm 1996 này.
Bản báo cáo gồm 3 phần:
Phần mở đầu giới thiệu tổng quan về đề tài “Các sợi tinh thể quang tử giả hai
chiều lõi rắn”.
Phần nội dung được chia thành các chương đi sâu vào chi tiết về đặc trưng,
ứng dụng của sợi và mô phỏng:
Chương I Tổng quan về các sợi tinh thể quang tử.
Chương II Các sợi giả hai chiều lõi rắn (solid-core): Cấu trúc hình học,
giam giữ và truyền dẫn ánh sáng trong sợi loại này.
Chương III Ứng dụng của sợi tinh thể quang tử lõi rắn. Khái niệm về các
sợi truyền dẫn đơn mode không giới hạn.
Chương IV Thực hành mơ phỏng trên OptiFTTD
Phần tổng kết trình bày về các thành quả thu được trong đề tài, thuận lợi và
khó khăn nhóm gặp phải, từ đó rút kinh nghiệm cho những lần tiếp theo.
Để thực hiện được đề tài này, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy
Nguyễn Việt Hưng và cơ Nguyễn Thị Bích Huyền đã tận tình hướng dẫn và chỉ ra
cho nhóm những lỗi sai, định hướng cho nhóm lựa chọn tốt hơn trong thời gian qua.
4
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
PHẦN 2 NỘI DUNG
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ
1.1 Giới thiệu về sợi tinh thể quang tử
1.1.1 Định nghĩa
Sợi tinh thể quang tử (PCFs) là sợi có cấu trúc tuần hoàn được làm bằng các ống
nhỏ (như ống mao dẫn). Những lỗ trống được chứa đầy không khí và nó có hình dạng
giống mạng lục giác.
1.1.2 Các đặc trưng của sợi tinh thể quang tử
-
Ánh sáng có thể truyền dọc theo sợi bên trong những lỗ khuyết của cấu trúc tinh
-
thể .
Sợi tinh thể quang tử là một loại mới của sợi quang học .
Sợi được thiết kế theo nguyên tắc mắt lưới : giới hạn về đường kính lõi trong chế
-
độ truyền đơn mode.
Sợi quang học hoạt động rất tốt trong và ngoài lĩnh vực viễn thơng , nhưng có một
-
số hạn chế cơ bản về tốc độ do cấu trúc của chúng.
Phương thức giới hạn bước sóng, giới hạn việc lựa chọn vật liệu (ví dụ: Về tính
chất nhiệt của lõi thuỷ tinh và lớp vỏ phải giống nhau). Việc thiết kế sợi tinh thể
quang tử rất linh động, có một vài thơng số cho việc thết kế như: bước nhảy mạng
(chu kỳ mạng), hình dạng lỗ hổng khơng khí và đường kính của nó, chiết suất của
thuỷ tinh và loại mạng. Linh hoạt trong việc thiết kế cho phép tạo ra sợi đơn mode
có dải bước sóng liên tục trong tồn bộ giải bước sóng quang học, và khơng tồn
-
tại giải bước sóng giới hạn.
Ngồi ra có hai kỹ thuật truyền dẫn trong sợi tinh thể quang tử: một là kỹ thuật
truyền dẫn index (tương tự như trong sợi quang truyền thống), hai là kỹ thuật
-
truyền dẫn dùng vùng cấm quang tử.
Bằng cách sắp xếp khéo léo cấu trúc ta có thể có thể thiết kế những sợi có tính
chất truyền dẫn theo ý muốn. Sợi tinh thể quang tử được thiết kế và chế tạo có thể
khơng tán sắc, tán sắc thấp hoặc tán sắc bất thường (không theo quy tắc) ở giải
bước sóng nhìn thấy. Sự tán sắc cũng có thể được trải rộng trên một dải rất rộng.
5
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
-
Việc kết hợp những tán sắc bất thường với vùng trường mode nhỏ được chú ý
trong sợi khơng tuyến tính. Mặt khác sợi đơn mode có lõi khơng khí, lớn hoặc
chất rắn cũng có thể tạo ra.
1.1.3 Lịch sử phát triển
Ý tưởng về sợi tinh thể quang tử đầu tiên đư ợc đưa ra bởi Yeh và các cộng sự
năm 1978. Họ đã bọc lõi của sợi bằng lưới Bragg (Bragg grating), nó tương tự như
tinh thể quang tử một chiều. Sợi tinh thể quang tử được chế tạo bằng tinh thể quang
tử với lõi khơng khí được phát minh bởi P. Russell năm 1992 và sợi tinh thể quang tử
đầu tiên được báo cáo trong hội nghị về sợi quang (OFC) năm 1996. Bảng dưới trình
bày tóm tắt q trình phát triển của sợi tinh thể quang tử:
1978
1992
1996
1997
1999
2000
2000
2001
2001
2002
2003
Bảng tóm tắt quá trình phát triển của sợi tinh thể quang tử
Ý tưởng về sợi Bragg
Ý tưởng về sợi tinh thể quang tử với lõi khơng khí
Chế tạo sợi đơn mode bọc bằng quang tử (photonic)
Ra đời sợi tinh thể đơn mode liên tục
Sợi tinh thể quang tử với quang tử có dải vùng cấm và lõi khơng khí
Sợi tinh thể quang tử khúc xạ kép ở mức độ cao
Thế hệ sợi tinh thể siêu liên tục
Chế tạo thành công sợi Bragg
Sợi tinh thể lasẻ với hai lớp sơn phủ
Sợi tinh thể với sự tán sắc siêu phẳng
Sợi Bragg với silica và lõi khơng khí.
1.1.4 Kĩ thuật truyền dẫn trong sợi tinh thể quang tử
Nếu lỗ khuyết của cấu trúc thực sự do dịch chuyển tâm của các ống nhỏ thì sự
truyền dẫn sóng điện từ trong sợi tinh thể quang tử có thể được chú ý tới như sự biến
đổi của tổng những phản xạ nội. Sự biến đổi là do hệ thống của những ống nhỏ chứa
khơng khí làm dị rỉ những mode cao hơn vì vậy chỉ có một mode cơ bản được truyền
đi . Đây là mode có đường kính nhỏ nhất gần kích thước của lỗ khuyết, hằng số mạng
của cấu trúc tuần hoàn. Theo Ref một sợi là đơn mode nếu d/ Λ < 0.4 trong đó d là
đường kính của ống khơng khí và Λ là hằng số mạng. Sợi tinh thể quang tử dẫn ánh
sáng lần đầu được đưa ra năm 1996 với sợi lõi rắn (solid core guidance). Một vài tâm
6
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
của sợi nhỏ được đi từ cấu trúc của mạng lục giác và bỏ lại một lỗ rộng chứa đầy
khơng khí.
Những lõi khơng khí phân bố tuần hồn có thể có cấu trúc như một tinh thể qu
ang tử hai chiều có hằng số mạng tương đương với bước sóng ánh sáng . Trong cấu
trúc tinh thể quang tử hai chiều tồn tại dải vùng cấm có thể ngăn cản ánh sáng truyền
trong một dải tần số xác định nào đó . Nếu cấu trúc tuần hoàn bị lỗi với một lỗ khuyết
(thiếu lõi chứa khơng khí hặc lõi chứa khơng khí rộng ). Một vùng đặc biệt với những
đặc điểm quang học khác nhau được tạo ra từ tinh thể quang tử . Vùng lỗ khuyết có
thể tạo ra những mode với tần số nằm trong dải vùng cấm của quang tử , nó có thể
ngăn cản những sóng này xuyên sâu vào trong tinh thể quang tử . Những mode giới
hạn phần lớn bởi các lỗ khuyết và dẫn chúng dọc theo sợi. Khi giải vùng cấm được
sử dụng để giam hãm ánh sáng trong lõi , đòi hỏi miền lỗ khuyết phải có chiết suất
lớn hơn miền xung quanh.
1.2 Phân loại sợi tinh thể quang tử
Sợi tinh thể quang tử đơn mode
Sợi lõi rỗng
Sợi có tính chất đặc biệt
Sợi lõi đơi
Sợi lưỡng chiết suất cao
Sợi phi tuyến và thế hệ siêu liên tục
Sợi laser và khuếch đại
Sợi PCF
Sợi Fresnel
Các sợi này đều có các cấu trúc hình học thuộc 1 trong 3 nhóm sau:
Cấu trúc tinh thể 1 chiều (1D)
Cấu trúc tinh thể 2 chiều (2D)
Cấu trúc tinh thể 3 chiều (3D)
7
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
1.2.1 Sợi tinh thể quang tử đơn mode
PCF có thể được thiết kế sao cho chúng là đơn mode trong một giải phổ nhìn
thấy và hồng ngoại rộng. Những sợi có sự thay đổi chiết suất (step index fibers
(SIFs)) trước đây ln ln có một tần số giới hạn trên khiến cho nó ln suất phát từ
đa mode. Để xác định số mode dẫn trong SIF ta sử dụng một tần số phi tuyến V . V
được định xác định là:
Trong trường hợp sợi chuẩn, chiết suất lớp bọc hầu như khơng phụ thuộc vào
sóng dài và V tăng khi bước sóng giảm. Kết quả là trong hoạt động đa mode giới hạn
tần số chuẩn hoá lớn hơn 2.405.
8
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
1.2.2 Sợi lõi rỗng
Sợi lõi trống bao gồm một lõi trống được bao quanh bởi cấu trúc lớp bọc
micro với sự sắp xếp những lỗ khí thuỷ tinh tuần hồn . Có hai loại sợi lỗ trống : Thứ
nhất là sợi lỗ trống lớp bọc được làm bởi lỗ khí phân bố tuần hoàn [28](quang tử hai
chiều), thứ hai là lớp bọc quang tử được làm từ một dãy những ô khí hình trịn [29]
(nhiễu xạ Bragg, tinh thể quang tử một chiều). Trong cả hai trường hợp điều kiện
phản xạ nội là khơng đầy đủ khi lõi khí có chiết suất nhỏ hơn lớp bọc . Ánh sáng có
thể truyền dọc sợi chỉ với cơ chế giải cấm (bandgap) quang tử
1.2.3 Các sợi có tính chất đặc biệt
1.2.3.1 Sợi lõi đôi
Cấu trúc hai hay nhiều lõi được chế tạo với kỹ th uật bậc chiết suất (stepindex) truyền thống được ứng dụng trong nhiều trường hợp như những bộ ghép định
hướng, bộ đa hợp giải đa hợp bước sóng, cảm biến. Với ký thuật chế tạo đa ống nhỏ
9
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
ta có thể dễ dàng tạo ra PCF đa lõi hơn là phương pháp bước chiết suất truyền thống .
Một thiết kế yêu cầu tính tiếp nối và tính tán sắc (phân tán) của PCFs đa lõi được
chọn mạng tinh thể của sợi, hình dạng lỗ trống, vị trí lõi, những lỗ khuyết trong cấu
trúc tinh thể phải phù hợp. Trong một sợi đơn có thể có những lõi có đường kính
khác nhau và tính chất truyền của PCF lõi đơi được khám phá bởi Mangan và các
cộng sự. Nó được sử dụng như cặp định hướng với công tắc cơ và nhiệt như giải
băng thông. Cảm biến sức căng PCFs hai lõi có hhẹ số khúc xạ kép cao được sử như
bộ tách độ phân cực. Trong PCFs lõi đôi chúng ta giả sử rằng tồn tại hai lỗ khuyết
tinh thể ở nút mạng trong thuỷ tinh rắn thay vì lỗ khí. Hai lõi rắn được tách ra bởi hai
lỗ khí đơn. Một mode cơ bản trong cấu trúc lõi đôi bao gồm bố thành phần, với hai
thành phần cho phân cực trực giao. Đối với mỗi phân cực có thành phần mode chẵn
và lẻ . Đối với hai thành phần phân cực trực giao độ dài kết nối L được chia ra thành
những thành những hệ số truyền của thành phần chẵn và lẻ trong mode cơ bản.
1.2.3.2 Sợi lưỡng chiết suất cao
Trong sợi quang loại bow tie và panda, sự lưỡng chiết cao là do cơ chế ứng
suất trong lõi, trong khi đó sợi với mặt cắt hình elip sự khúc xạ kép cao được tạo ra là
do sự phá vỡ cấu trúc đối xứng. Lưỡng chiết cao của sợi tinh thể quang tử được tạo ra
là do phân bố trục không đối xứng của chiết suất tác động (phụ thuộc vào phân bố
kích thước và khơng gian của lỗ). Điều quan tâm trong PCF lưỡng chiết cao đang
tăng lên vì nó được mong chờ có tính lưỡng chiết cực cao so với sợi quang tiêu chu
ẩn. Trong PCF với mạng lục giác và lỗ khí trịn , đối xứng có thứ tự của m = 6. Steel
10
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
và các cộng sự chỉ ra rằng đối với PCFs mode cơ bản bị suy giảm và những sợi
khơng có tính lưỡng chiết. Steel và Osgood dự đốn rằng tính lưỡng chiết cao trong
sợi với lỗ elip đối xứng của cấu trúc m = 2. Szpulak và các cộng sự chỉ ra rằng những
cấu trúc khác của PCF có các phần tử phân cực tron g mode cơ bản bị suy giảm nhiều
và nó có thể được sử dụng như sợi phân cực trên dải phổ cực rộng. Đối xứng mặt
gương (mirror planes) m = 2 trong sợi có thể được chỉ rõ trong những cấu trúc khác
nhau: mạng lục giác với lỗ tròn và lõi elip.
1.2.3.3 Sợi phi tuyến và thế hệ siêu liên tục
Một PCF với lõi rất nhỏ có thể có tính chất phi tuyến rất cao . Có thể phối hợp
lõi có kích thước lõi nhỏ ( đường kính nhỏ hơn 1 µm) và khác biệt rất lớn về kích
thước lõi/lớp bọc (lên tới 0.4) cho phép chúng ta tăng sợi với vùng ảnh hưởng cực
nhỏ và hệ số phi tuyến cao (hình 22). Chiết suất của lớp bọc thấp là do hệ số lấp đầ y
rất cao. Trong đó, hơn 90% đối với lớp bọc chứa đầy khơng khí. Như vậy ánh sáng
mạnh kết nối trong lõi nhỏ. Hơn nữa tính chất tán sắc có thể được thiết kế để làm
những ảnh hưởng phi tuyến khác nhau. Nó làm một PCF phi tuyến có thể trộn bốn
sóng, khuyếch đại Raman, khuyếch đại thơng số quang học và thế hệ siêu liên tục
ứng dụng trong đo lường, chụp X quang cộng hưởng quang học (OCT) hoặc quang
phổ. Để có được độ truyền qua, tán sắc và phi tuyến phải có sự cân nhắc. PCF cho
phép một sự thay đổi tính chất tán sắc trong một dải cực rộng bao gồm cả những tắn
sắc dị thường của bước sóng dưới 1 micro và kích thước của lõi mà là biến đổi tác
động phi tuyế n của sợi. Wadsworth và các cộng sự đã báo cáo về sự định hướng
11
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
truyền sóng của sợi ở 850 nm cho tới 20 m. Sợi có tán sắc điểm khơng ở 670 nm. Sợi
PCF đã được chứng minh tác động của môi trường đối với thế hệ siêu liên tục. Thế
hệ siêu liên tục lần đầu tiên đưa ra năm 1970 và từ đó được nghiên cứu mở rộng ra
nhiều vật liệu khác nhau.
Thế hệ siêu liên tục là kết quả của một và i hiện tượng phi tuyến khác nhau
giống như tự điều chế pha, tán xạ Raman, tương thích pha và solitons. Về nguyên tắc
nó là nguồn phát xung với sự mở rộng phổ quan trọng đối với xung kích thích quanh
học. Tác đông siêu liên tục đã được báoc cáo trong PCF với bơm trong chế độ phân
tán dị thường hoặc bước sóng tán sắc điểm khơng trong cả hai dải bước sóng nhìn
thấy và hồng ngoại.
1.2.3.4 Sợi laser và khuếch đại
Sợi khuyêcsh đại là một thành phần của lĩnh vực viễn thơng hiện đại. Ngồi ra
sợi laser ngày càng trở nên quan trọng trong y học, quang phổ và trong công nghiệp.
So sánh với laser rắn thông thường, thuận lợi lớn nhất của sợi laser khả năng giải
nhiệt . Nó là do tỷ lệ lớn của bề mặt sợi so với chiều dài. Những thông số hạt chỉ phụ
thuộc vào thiết kế của sợi và phẩm chất của nó khơng ảnh hưởng khi có sự thay đổi,
biến dạng nhiệt. Như vậy những sợi có thể được bơm bởi laser diode đa mode và tạo
ra hoạt động laser/khuyếch đại trong chế độ đơn mode. SIFs thông thường cho ứng
dụng laser bao gồm lõi và lớp bọc đôi làm từ những vật liệu khác nhau , vật liệu điển
hình nhất cho lớp bọc ngoài là polymer. Hoạt động của những thiết bị này được giới
hạn bởi kích thước lõi, số lượng lỗ hổng và tán xạ Raman trong silica pha tạp . Nó là
12
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
do giới hạn công suất bị phát ra. PCF với lớp bọc đôi được làm từ silica với hai lớp
bọc quang tử có tính chất khác nhau. Lớp bọc ở phía trong có số lượng lỗ hổng cao
và xung quanh là mạng của những cầu silica mà hẹp hơn đáng kể bước sóng dẫn bức
xạ. Những ion đất hiếm được pha vào hoạt chất của sợi laser như Yb, Nd, Er, Er/Yb,
Tm, Ho và đưa vào lõi của PCF.
2.3.5 Sợi quang tạo ảnh linh hoạt
Một PCF được thiết kế đặc biệt có thể được sử dụng như một sợi tạo ảnh linh
hoạt thay thế cho bó sợi hình ảnh. Bó sợi hình ảnh được sử dụng để tạo ảnh trong
vùng khó tiếp cận, như bên trong cơ thể con người, lò phản ứng hạt nhân và động cơ
phản lực…v.v và nó được kết nối với ma trận hai chiều trong hệ thống thơng tin. Đã
có nhiều nỗ lực để chế tạo bó với kích thước và vị trí đồng đều trong lõi và có hệ số
chiếm giữ cao. Ngồi ra một đường kính cực tiểu của bó ít nhất là một vài millimet,
nó có giới hạn trong một số trường hợp ứng dụng (ví dụ như nội soi những khoang
nhỏ trong cơ thể…v.v). Kỹ thuật PCF thành công trong việc chế tạo một sợi tạo hình
linh hoạt mới có đường kính milimet, hai cơ chế dẫn được đưa ra, lõi rắn và lõi khí.
Cả hai cơ chế đều có khả năng kết hợp hình ảnh truyền Eijkelenborg. Một sợi có cấu
trúc micromet với đường kính 800 µm, đường kính lõi khí 112 µm với khoảng trống
42 µm đã được chế tạo và thử nghiệm thành công.
13
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
2.3.6 Sợi Fresnel
Có nhiều mối quan tâm tới việc vượt qua giới hạn tán sắc trong không gian tự
do của ánh sáng truyền cường độ cao. Một ví dụ về sự tán sắc dạng sóng trong khơng
gian tự do là sóng Bessel. Nó có thể được mơ tả như tập hợp của sóng G aussian
truyền dọc theo trục sao cho chồng lên nhau tạo nên cường độ đỉnh ở giữa và phân bố
ở vùng lân cận là sóng Bessel. Trên thực tế nó rất khó sinh ra sóng này ngồi dải
Raighley trong quang học cổ điển. Kỹ thuật sợi cấu trúc micro cho phép chế tạo sợi
với vùng Fresnel được xác định bởi vịng của lỗ trống với khoảng cách khơng gian lỗ
trống có thể lớn hơn đáng kể so với bước sóng truyền . Vịng đồng tâm của lỗ (vùng
Fresnel) có nhiều chiết suất tác động (effective refractive indexes). Hình 24 chỉ ra
ánh sáng truyền qua sợi tán xạ trên bề mặt của lỗ khí và ảnh hưởng của cấu trúc ,
dạng đỉnh cường độ trường trong tâm trục sợi. Điều này cho phép ánh sáng tập chung
ở lối ra của sợi tại trường xa mà khơng có bất kỳ ống kính bổ hỗ trợ, trong khi ở các
loại sợi thơng thường, ánh sáng thốt ra do tán xạ và lan rộng.
14
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
CHƯƠNG II CÁC SỢI GIẢ HAI CHIỀU LÕI RẮN
2.1 Sợi tinh thể quang tử hai chiều lõi rắn
2.1.1 Giới thiệu về sợi tinh thể quang tử hai chiều
Tinh thể quang tử được tạo thành từ các cấu trúc nano điện môi hoặc kim loạiđiện môi được thiết kế để tác động lên sự lan truyền của sóng điện từ tương tự như
cách các hố năng lượng tuần hoàn trong các tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển
động của electron; tức là tạo ra các cấu trúc năng lượng của trạng thái photon trong
tinh thể.
Ở đây, một vùng trống trong cấu trúc năng lượng photon là những kiểu lan
truyền mà sóng điện từ khơng được phép, hay những dải bước sóng không lan truyền
được. Điều này dẫn đến các hiện tượng như ngăn cản phát xạ tự phát, định hướng có
độ phản xạ cao hay ống dẫn sóng có độ hao tổn thấp.
2.1.2 Cấu trúc sợi tinh thể quang tử hai chiều và sợi hai chiều lõi rắn
2.1.2.1 Cấu trúc sợi tinh thể quang tử hai chiều
Tinh thể quang tử 2D có lõi khơng khí phân bố tuần hồn và có hằng số mạng
tương đương với bước sóng ánh sáng. Trong cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều tồn
tại dải vùng cấm có thể ngăn cản ánh sáng truyền trong một dải tần số xác định nào
đó.
15
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
Nếu cấu trúc tuần hoàn bị lỗi với một lỗ khuyết (thiếu lõi chứa khơng khí hặc
lõi chứa khơng khí rộng). Một vùng đặc biệt với những đặc điểm quang học khác
nhau được tạo ra từ tinh thể quang tử . Vùng lỗ khuyết có thể tạo ra những mode với
tần số nằm trong dải vùng cấm của quang tử, nó có thể ngăn cản những sóng này
xuyên sâu vào trong tinh thể quang tử. Những mode giới hạn phần lớn bởi các lỗ
khuyết và dẫn chúng dọc theo sợi.
Khi dải vùng cấm được sử dụng để giam hãm ánh sáng trong lõi, địi hỏi miền
lỗ khuyết phải có chiết suất lớn hơn miền xung quanh.
2.1.3.2 Cấu trúc sợi hai chiều lõi rắn
Lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1996 và liên tục phát triển đến ngày nay.
Xuất hiện hai loại cơ bản là: mạng tinh thể kết tinh và mạng tinh thể không kết tinh.
Sợi được thiết kế theo nguyên tắc mắt lưới: giới hạn về đường kính lõi trong chế độ
16
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
truyền đơn mode. Sợi lõi rắn 2 chiều mang đầy đủ các tính chất của một sợi tinh thể
quang tử 2 chiều. Dựa vào đó, người ta có thể chế tạo và sử dụng 1 cách cơ bản.
2.1.3 Nguyên lí truyền dẫn
Có hai ngun lí truyền dẫn được sử dụng trong các sợi tinh thể hai chiều, nhờ
đó, dù sử dụng vật liệu có khác nhau thì người ta vẫn có thể truyền được thông tin
qua sợi. Việc lựa chọn nguyên lí truyền dẫn phụ thuộc vào chiết suất của lớp lõi
(core) và lớp áo (cladding).
Khi chiết suất lõi cao hơn chiết suất áo, ta sử dụng nguyên lí phản xạ toàn
phần. Truyền dẫn bằng cách thức này thường xuất hiện ở sợi lõi rắn.
Tuy nhiên, nếu chiết suất lõi thấp hơn, ánh sáng bị khúc xạ ra ngoài lớp áo và
lớp vỏ, buộc phải lựa chọn nguyên lí tiếp theo là giam cầm ánh sáng vào vùng cấm
quang. Hay bắt gặp ngun lí này ở sợi lõi rỗng (lõi khơng khí) hoặc sợi có chiết suất
lõi thấp.
2.1.3.1 Ngun lí phản xạ tồn phần
Dựa theo ngun lí phản xạ tồn phần tại bề mặt người ta ứng dụng vào việc
điều chỉnh đường đi của tia sáng nhằm tránh việc tia sáng đi ra khỏi sợi, làm tổn hao
thông tin và năng lượng ra ngoài:
Do chiết suất của phần lõi cao hơn của phần áo, nhờ vậy, toàn bộ tia sáng sẽ đi
đến bề mặt sợi rồi phản xạ trở lại.
17
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
Nếu sợi tinh thể quang tử khơng bị bẻ cong thì gần như tia sang chỉ đi theo
một đường thẳng dọc theo tâm của lõi sợi.
2.1.3.2 Nguyên lí giam cầm ánh sáng trong vùng cấm quang tử
Nguyên lí này hoạt động dựa theo cơ chế tạo ra những sai hỏng có chủ ý từ
trước, để định hướng tia sáng đi theo hình dạng đường đi mình mong muốn. Có 3
loại sai hỏng: sai hỏng điểm, sai hỏng đường và sai hỏng vật thể.
Nguyên lí này áp dụng nhiều cho sợi lõi rỗng, do loại sợi này có chiết suất lõi
(khơng khí) luôn nhỏ hơn chiết suất áo. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, người ta
sử dụng nguyên lí truyền dẫn này để sản xuất một số sợi lõi rắn đặc biệt mà ở đó
chiết suất lõi bé hơn chiết suất áo khá nhiều.
18
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
CHƯƠNG III ỨNG DỤNG SỢI LÕI RẮN. TRUYỀN DẪN ĐƠN
MODE KHÔNG GIỚI HẠN
3.1 Ứng dụng của sợi lõi rắn
Sợi lõi rắn có ứng dụng rất nhiều trong thực tiễn mà trong đó ở mảng viễn
thơng là chủ yếu. Với những ưu điểm nổi bật dưới đây sẽ giúp nhìn nhận tính ứng
dụng thực tiễn của sợi tinh thể quang tử:
Băng thông rộng
Suy hao thuần cực thấp
Không chịu sự ảnh hưởng từ nhiễu điện từ
Ít thay đổi đặc tính nhiệt độ
Nhẹ, chịu xoắn cơ khí
………
Do đó, sợi lõi rắn có những ứng dụng quan trọng như:
Truyền dẫn thông tin trong mạng viễn thơng, nâng cao chất lượng thơng tin tại
phía thu
Thành phần chuyển tiếp trong switching (chuyển mạch)
Cảm biến đầu dị (dựa vào hiện tượng ánh sáng vẫn có thể truyền được khi qua
sợi quang bị bẻ cong)
3.2 Truyền dẫn đơn mode khơng giới hạn
Trong một ống dẫn sóng có chỉ số dẫn sóng thơng thường, khi ω càng lớn
(bước sóng λ càng nhỏ hơn), càng nhiều các chế độ lái sóng được kéo xuống dưới
đường ánh sáng..
19
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
Một sự tiếp cận giới hạn của tia quang học, trong đó chế độ lái tia được mơ tả
bởi một loạt các góc liên tục tốt hơn góc tới hạn đối với sự phản xạ nội. Tuy nhiên,
năm 1997 Birk đã lần đầu tiên chỉ ra điều này không thực sự đúng đối với sợi tinh thể
quang tử, chúng có thể vẫn đúng với tinh thể quang tử đơn mode không giới hạn, bất
kể độ dài bước sóng (chỉ giới hạn bởi các tính chất vật chất).
Trong hình trên, chúng ta thấy rằng sợi lõi rỗng lái lên tới đến bốn dải tần, vì
vậy nó khơng phải là đơn mode khơng giới hạn. Tuy nhiên, nó vẫn hiển thị các đặc
điểm cơ bản của hiện tượng này, bởi vì khi kz càng cao (hoặc ω lớn hơn), chúng ta
20
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
khơng nhận được nhiều hơn các dải tần -số lượng dải khơng bao giờ vượt q bốn.
Chúng ta có thể giảm số lượng các chế độ (hoặc, để được chính xác, một cặp các
trạng thái suy hao đi gấp đôi ) bằng cách chia đơi bán kính lỗ để 0.15a, do đó làm
giảm các hạn chế.
Tại sao có sự thiếu hụt ở các mode bậc cao? Lý do là sự tỉ lệ nghịch chỉ số ảnh
hưởng giữa lõi và lớp bọc trong sợi lõi rỗng giảm ở các bước sóng nhỏ hơn, chứ
không cố định như là đối với một lớp phủ đồng nhất. Như vậy, sự giam cầm sẽ yếu
hơn ở các bước sóng nhỏ hơn, và các chế độ lái bậc cao vẫn nằm ở trên dòng ánh
sáng (thấp hơn).
Để cụ thể hơn, chúng tôi xác định các chỉ số hiệu quả của một chế độ như
CKZ / ω, các yếu tố mà vận tốc pha ω / kz bị giảm từ c; các chỉ số hiệu quả tương
đương với chỉ số khúc xạ thơng thường đối với sóng phẳng trong môi trường đồng
nhất.
Tại một ω, một chế độ có chỉ số lái tia rõ ràng có chỉ số hiệu quả lớn hơn so
với đường sáng. Để thể hiện sự sụt giảm trong chỉ số độ tương phản ảnh hưởng tới độ
dài bước sóng, hình 4 đưa ra chỉ số hiệu quả đi ngược với độ dài bước sóng trong
chân không dựa trên sơ đồ dải tần.
21
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
Các dải của sợi lõi rắn, vị trí của chỉ số ảnh hưởng ck2/w tỉ lệ nghịch với độ
dài bước sóng dọc theo nón ánh sáng (vùng xám). Trong giới hạn của bước sóng nhỏ,
chỉ số hiệu quả của cả hai chế độ và đường ánh sáng xấp xỉ bằng 1.45( của silica)
Có một lời giải thích trực quan cho lý do tại sao có sự tỉ lệ ngược chỉ số ảnh
hưởng giảm theo bước sóng. Như chúng ta đầu tiên đưa ra từ định lý biến đổi trong
phần năng lượng điện từ và nguyên lý biến đổi của chương 2, các chế độ cơ bản
(đường sáng) của lớp mạ "khuyết thiếu" được tập trung càng nhiều càng tốt trong vật
liệu điện mơi cao .
Đối với độ dài bước sóng λ>>a , ánh sáng khơng thể hồn tồn nằm trong điện
mơi cao, bởi vì trường biến đổi khơng thể thay đổi nhanh hơn so với bước sóng. Khi
λ càng ngắn, nhiều ánh sáng có thể "thích hợp" trong điện mơi giữa các lỗ. Trong giới
hạn của λ<
hiệu quả, có thể xấp xỉ các chỉ số của vật liệu điện mơi. Vì các lõi được làm bằng
cùng vật liệu điện môi, các chỉ số ảnh hưởng của chế độ lái sóng cũng phải xấp xỉ
tương ứng sự sụt giảm của độ dài bước sóng. Sự chính xác các giới hạn đó có thể
thấy được trong hình 4, tại đó cả hai dịng ánh sáng và chế độ lái sóng các chỉ số xấp
xỉ √ε = 1,45 (silica số lượng lớn).
Tuy nhiên, lời giải thích này vẫn chưa hồn chỉnh. Ví dụ, có thể sự tỉ lệ nghịch
chỉ số ảnh hưởng giảm quá nhanh mà chế độ trở nên càng ít bị giới hạn bởi lõi đối
với λ nhỏ? Hoặc có lẽ sự tỉ lệ nghịch chỉ số ảnh hưởng không giảm đủ nhanh để tiệm
cận loại trừ mode bậc cao? Khơng những đó trường hợp như được bắt nguồn một
cách chặt chẽ hơn trong các mục kế tiếp, trong giới hạn kz → ∞ ta thu được một số
hữu hạn các mode với mơ hình trường cố định.
Tất nhiên, trong một vật liệu thực tế chúng tôi tính cho cùng phải đưa vào tính
tốn thực tế là ε là một hàm của tần số, và thực sự thì liệu có thể dừng rõ ràng tại một
số ω. Mặt khác, chúng ta có thể tương đương giữ ω cố định và thay đổi tỉ lệ cấu trúc,
trong trường hợp mà các phân tích ở trên là chính xác. Các đặc tính mode đơn khơng
22
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
giới hạn, trong trường hợp này, có nghĩa là chúng ta có thể làm cho các ống dẫn sóng
lớn tùy muốn và vẫn lái sóng chỉ một mode lái sóng đơn (suy hao gấp đơi). Điều này
có thể hữu ích cho việc giảm ảnh hưởng của vật liệu phi tuyến , mặc dù là một trong
những giới hạn tính cho cùng bởi thực tế là tổn thất uốn có xu hướng tăng theo kích
thước mode.
23
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
CHƯƠNG IV THỰC HÀNH MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM
OptiFTTD
4.1 Đề tài phần mô phỏng
“Sử dụng phần mềm OptiFDTD xác định các mode truyền dẫn trong sợi tinh
thể quang tử lõi rắn. Cấu trúc mặt cắt của sợi là mạng gồm các ống khí trịn xếp
thành Hình tam giác trên nền chất điện môi, tại lõi của sợi bị khuyết một ống khí và
được lấp đầy bởi điện mơi”.
Đề tài u cầu thiết kế một sợi tinh thể quang tử lõi rắn có mặt cắt là hình tam
giác, sử dụng ngun lí giam cầm nguyên tử trong vùng sai hỏng. Đó là dạng sai
hỏng đường gây ra tại lõi sợi.
4.2 Thực hành mơ phỏng
Thực hiện tạo hình tam giác các ống khí và làm mất đi ống khí ở lõi sợi tinh
thể.
24
BÁO CÁO BTL CƠNG NGHỆ NANO – NHĨM 10 2015
25
