luận án tiến sĩ nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể quang tử mạng lục giác đều được thẩm các chất lỏng định hướng ứng dụng trong phát siêu liên tục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

TRẦN QUỐC VŨ

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG TÁN SẮC CỦA SỢI
TINH THỂ QUANG TỬ MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC
THẨM THẤU CÁC CHẤT LỎNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG
DỤNG TRONG PHÁT SIÊU LIÊN TỤC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGHỆ AN, 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG TÁN SẮC CỦA SỢI
TINH THỂ QUANG TỬ MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC
THẨM THẤU CÁC CHẤT LỎNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG
DỤNG TRONG PHÁT SIÊU LIÊN TỤC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Chuyên ngành: QUANG HỌC
Mã số: 9440110

Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS Đinh Xuân Khoa
2. PGS.TS Chu Văn Lanh

NGHỆ AN, 2021


i

LỜI CAM ĐOAN
Được sự hướng dẫn khoa học tận tình của GS.TS Đinh Xuân Khoa và
PGS.TS Chu Văn Lanh luận án “Nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể
quang tử mạng lục giác đều được thẩm thấu các chất lỏng định hướng ứng
dụng trong phát siêu liên tục” đã được hồn thiện. Tơi xin cam đoan các kết quả
trong luận án là trung thực, chưa có trong các luận án khác, nội dung của luận án đã
được đăng trên 11 tạp chí chun ngành trong và ngồi nước.
Tác giả luận án

Trần Quốc Vũ


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận án này không chỉ là công sức của cá nhân tơi mà cịn có sự đóng góp
nhiệt tình của những người Thầy, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình của tơi.
Đầu tiên, tơi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến
GS.TS Đinh Xuân Khoa và PGS.TS Chu Văn Lanh, đang công tác ở Trường Đại
học Vinh, quý thầy đã tận tình hướng dẫn tơi hồn thành tốt luận án này.
Xin chân thành cảm ơn Viện Sư phạm Tự nhiên cùng các Thầy, Cô giáo
trong ngành Vật lý Trường Đại học Vinh; PGS.TS Phạm Hồng Minh, Viện Vật lý,
Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam, đã tận tình truyền đạt kiến thức
cho tôi trong suốt thời gian học tập.
Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Vinh;

Sở Giáo dục và Đào tạo tỉnh An Giang; Ban lãnh đạo Trường trung học phổ thông
Chuyên Thủ Khoa Nghĩa, thành phố Châu Đốc, tỉnh An Giang, đã tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi được học nghiên cứu sinh và hoàn thành luận án này.
Cuối cùng con xin trân trọng gửi đến Ba, Mẹ lòng biết ơn vơ vàn, vì đã hy
sinh cả cuộc đời cho con từ buổi đầu đi học cho đến khi con thành đạt. Cảm ơn
những lời động viên, an ủi của chị và em của tơi. Ngồi ra, sự thành công của tôi
không thể thiếu người vợ Phạm Võ Duyên Minh và hai đứa con thân yêu Trần
Minh Anh Thư và Trần Minh Thư, chính họ là nguồn động lực lớn nhất giúp tơi
vựơt qua được những khó khăn gặp phải trong suốt thời gian học tập cũng như làm
luận án.
Tôi xin gửi đến mọi người lời biết ơn sâu sắc nhất!
Nghệ An, ngày 08 tháng 6 năm 2021
Tác giả luận án
Trần Quốc Vũ


iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Photonic crystal fiber (PCF)

Sợi tinh thể quang tử

Zero dispersion wavelength (ZDW )

Bước sóng có tán sắc bằng khơng

Generalized Nonlinear Schrưdinger

Phương trình Schrưdinger phi tuyến

Equation (GNLSE) Photonic band

tính tổng quát

gap (PBG)

Vùng cấm quang tử

Total internal reflection (TIR)

Phản xạ toàn phần

Group velocity dispersion (GVD)

Tán sắc vận tốc nhóm

Nonlinear Schrưdinger Equation (NLSE)

Phương trình Schrưdinger phi tuyến

Supercontinuum generation (SG)

Phát siêu liên tục

High optical dispersion (HOD)

Tán sắc quang bậc cao

Split-step Fourier method (SSFM)

Phương pháp Fourier chia bước

Stimulated Raman scattering (SRS )

Tán xạ Raman cưỡng bức

Super continuum (SC)

Siêu liên tục

Self-phase modulation (SPM)

Tự biến điệu pha

Fourwave mixing (FWM)

Trộn 4 sóng

Soliton fission (SF)

Sự tách soliton

Optical wave-breaking (OWB)

Hãm sóng quang

Dispersion wave (DW)

Sóng tán sắc

Stimulated Brillouin scattering (SBS)

Tán xạ Brillouin cưỡng bức


iv

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Kí hiệu

Đơn vị

n

Không thứ nguy

n2

Không thứ nguy

neff

Không thứ nguy

c

2,998.108 m/s
[Hz]

0

8,85.10 F/m

μ0

1,26.10-6 H/m

k0

[cm-1]

L
c

[dB/m]

Aeff

[μm2]

,

[μm]

0

γ

[(W.km)-1]

[dB/km]
-1

[cm ]
P0

[KW]

L

[μm]

D

[ps/km.nm]


DM

[ps/km.nm]

Dw

[ps/km.nm]
[rad/s]
r,t

[A/m2]

j r,t

Er , t
3

D
r,t

S
R

H
r,t
Br , t
Pr , t

hR(t)
S
z
0

Tr

LD
LNL
Lfiss
LMI
2

N

[C/m3]

d
Dc


[cm]
[V/m]
2

[C/m ]
[A/m]
[T]
[C/m2]

[cm]
[cm]
[ps2/km]
Số vô hướng
Không thứ nguyên
Không thứ nguyên

Không thứ nguyên
Không thứ nguyên
không thứ nguyên
2
[ps/km.nm ] Không thứ nguyên
[cm]
[μm]
[fs]

[μm]
Không thứ nguyên
[μm]
[cm]


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 0.1: a) Sợi quang thơng thường và b) Một số loại sợi tinh thể quang tử
Hình 0.2: Cấu trúc của sợi quang thơng thường
Hình 0.3: Cấu trúc hình học của sợi quang PCF
Hình 1.1: Hình dạng hình học của tinh thể quang tử (a) 1D (b) 2D và (c) 3D
Hình 1.2: Sơ đồ mặt cắt của PCF lõi đặc [4 - 7]
Hình 1.3: Mặt cắt ngang của PCF lõi rỗng đầu tiên, với khoảng cách giữa
các lỗ là 4,9 μm và đường kính lõi 14,8 μm [4 - 7]
Hình 1.4: Các thơng số PCF [7]
Hình 1.5: Mơ hình biểu diễn mặt cắt ngang qua (a) một sợi quang thông
thường [1 - 3] và (b) một PCF lõi rắn [4 - 7]
Hình 1.6: Quá trình chế tạo PCF
Hình 1.7: Tiền mẫu PCF (Hình a, b, c, d, e, f)
Hình 1.8: Biểu diễn diện tích mode hiệu dụng [28, 31]
Hình 1.9: Minh họa giam giữ mất mát của ánh sáng khi truyền dẫn trong
PCF [34]
Hình 1.10: Mất mát uốn cong của PCF [36]
Hình 1.11: Đồ thị biểu diễn chiết suất tuyến tính n của toluen, nitrobenzen,
benzen và thủy tinh silica nung chảy theo bước sóng λ
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hình học của PCF với lõi thẩm thấu hợp chất thơm
Hình 2.2: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF
có hằng số mạng Ʌ = 1,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8

Hình 2.3: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF
có hằng số mạng Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.4: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF
có hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8


vii
Hình 2.5: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF
có hằng số mạng Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.6: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có
hằng số mạng Ʌ = 1,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.7: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có
hằng số mạng Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.8: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có
hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.9: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có
hằng số mạng Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.10: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng
Ʌ = 1,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.11: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng
Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.12: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng
Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.13: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng
Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.14: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số
mạng Ʌ = 1,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.15: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số
mạng Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.16: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số

mạng Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
Hình 2.17: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số
mạng Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8


viii
Hình 2.18: Đặc trưng tán sắc của các PCF - T được chọn để SC
Hình 2.19: Đặc trưng tán sắc của các PCF - B được chọn để SC
Hình 2.20: Đặc trưng của tán sắc mode PCF cho các sợi # F1, # F2 và # F3.
Các đường thẳng đứng đứt nét chỉ ra các bước sóng bơm: 1030 nm và 1560
nm tương ứng
Hình 3.1: a) Sự phát triển phổ dọc theo chiều dài sợi; b) Sơ đồ phổ tương
ứng của xung mở rộng; c) Phổ SC: Cường độ phổ được khảo sát cho hai
PCF có chiều dài 4 cm và 10 cm với tán sắc thường (# I_0,30). Xung đầu
vào có độ rộng 350 fs và năng lượng 2,5 nJ cho sợi có chiều dài 4 cm và 10
cm.
Hình 3.2: a) Sự phát triển phổ dọc theo chiều dài sợi; b) Sơ đồ phổ tương
ứng của xung mở rộng; c) Phổ SC: Cường độ phổ được khảo sát cho hai sợi
có chiều dài 4 cm và 10 cm có tán sắc dị thường (#I_0,35). Xung đầu vào
có độ rộng 450 fs và năng lượng 3 nJ.
Hình 3.3: a) Sự mở rộng của SC dọc theo sợi; b) Phổ SC đối với năng
lượng xung khác nhau trong phạm vi 0,01 nJ - 0,1 nJ và mức độ kết hợp
được tính từ 20 cặp riêng lẻ với nhiễu ngẫu nhiên đối với năng lượng xung
0,1 nJ, cho # F1
Hình 3.4: a) Sự mở rộng của SC dọc theo sợi; b) Phổ SC đối với năng
lượng xung khác nhau trong phạm vi 0,05 nJ - 0,5 nJ và mức độ kết hợp
được tính từ 20 cặp riêng lẻ với nhiễu ngẫu nhiên đối với năng lượng xung
0,5 nJ, cho # F2
Hình 3.5: (a) Sự mở rộng của SC dọc theo sợi (b) Phổ SC đối với năng
lượng xung khác nhau trong phạm vi 0,01 nJ - 0,06 nJ và mức độ kết hợp

được tính từ 20 cặp riêng lẻ với nhiễu ngẫu nhiên đối với năng lượng xung
0,06 nJ, cho # F3


ix
Hình 3.6: a) Sự mở rộng của SG trong sợi # f1 với tất cả đặc trưng tán sắc 91
thường cho năng lượng xung đầu vào khác nhau cho 1 cm lan truyền;
b) Phổ SC cho các năng lượng xung đầu vào khác nhau và mức độ kết hợp
bậc nhất được tính tốn cho 20 cặp xung riêng lẻ có nhiễu ngẫu nhiên, cho
#f1. (c) Sự mở rộng của quá trình truyền xung trong # f1 như một hàm của
độ dài lan truyền với năng lượng xung đầu vào 3,0 nJ và các phổ xung tại
ba vị trí khác nhau dọc theo sợi
Hình 3.7: (a) Sự mở rộng SG trong sợi # f2 với hai ZDW cho năng lượng 94
xung đầu vào khác nhau đối với 1,0 cm lan truyền. (b) Phổ SC cho các năng
lượng xung đầu vào khác nhau và độ kết hợp bậc nhất được tính tốn với 20 cặp
xung riêng lẻ có nhiễu ngẫu nhiên, cho # f2. (c) Sự mở rộng của quá trình truyền
xung trong # f2 như một hàm của độ dài lan truyền với năng lượng xung đầu vào
1,0 nJ và các biểu đồ phổ xung tại ba vị trí khác nhau dọc theo sợi
Hình 3.8: (a) Sự mở rộng của SG trong # f3 cho năng lượng xung đầu vào khác
nhau cho 1,0 cm lan truyền. (b) Phổ SC cho các năng lượng xung đầu 96 vào
khác nhau và mức độ kết hợp bậc nhất được tính tốn với 20 cặp xung riêng lẻ
có nhiễu ngẫu nhiên, cho # f3. (c) Sự mở rộng của quá trình truyền xung trong #
f3 như một hàm của độ dài lan truyền với năng lượng xung đầu vào 3,0 nJ và
các phổ xung tại ba vị trí khác nhau dọc theo sợi


x

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG
Bảng 1.1: Tổng quan về sự phát triển của PCF tử năm 1978 đến nay [27,

88]
Bảng 1.2: Các tham số tán sắc của toluen, nitrobenzen, benzen và silica [39 44]
Bảng 2.1: Các tham số cho các cấu trúc PCF được thiết kế để thực hiện các
mô phỏng
Bảng 2.2: Các giá trị của chiết suất hiệu dụng tại bước sóng 1,55 µm với
các hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi từ
0,3 đến 0,8
Bảng 2.3: Các giá trị diện tích mode hiệu dụng của PCF tại bước sóng 1,55
µm với hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi
từ 0,3 đến 0,8
Bảng 2.4: Các giá trị tán sắc của PCF tại bước sóng 1,55 µm với hằng số
mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi từ 0,3 đến 0,8.
Độ tán sắc D có đơn vị ps/nm/km
Bảng 2.5: Các giá trị giam giữ mất mát của PCF tại bước sóng 1,55 µm với
hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi từ 0,3
đến 0,8. Giam giữ mất mát Lc có đơn vị dB/cm
Bảng 3.1: Các đặc trưng phi tuyến của # f2
Bảng 3.2: Các đặc trưng phi tuyến của # f3


xi

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN DANH
MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ
VÀ MƠ 9

HÌNH VẬT LÝ CHO PHÁT SIÊU LIÊN TỤC
1.1.

Tinh thể quang tử

1.2.

Sợi tinh thể quang tử

1.3. Phân loại PCF
1.4.

Cơ chế dẫn sáng của PCF

1.5. Ưu điểm của PCF so với sợi quang thông thường
1.6.

Ứng dụng của PCF

1.7.

Phương pháp chế tạo PCF

1.8. Tính chất và các đặc trưng của PCF
1.8.1. Tính chất đơn mode cao của PCF
1.8.2. Đặc trưng chiết suất hiệu dụng
1.8.3. Đặc trưng diện tích mode hiệu dụng và hệ số phi tuyến
1.8.4. Đặc trưng tán sắc trong PCF
1.8.5. Mất mát trong PCF
1.8.5.1. Mất mát hấp thụ

1.8.5.2 Giam giữ mất mát
1.8.5.3. Mất mát uốn cong
1.9. Mơ hình vật lý cho phát siêu liên tục


xii
1.9.1. Phương trình lan truyền xung trong sợi quang
1.9.1.1. Lan truyền xung ngắn
1.9.1.2. Lan truyền xung cực ngắn
1.9.2. Phương pháp số để giải phương trình lan truyền
1.10. Một số tính chất vật lý của silica và hợp chất thơm
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA
PCF LÕI RỖNG THẨM THẤU CÁC HỢP CHẤT THƠM
2.1.

Giới thiệu chương

2.2.

Cấu trúc của PCF lõi rỗng thẩm thấu hợp chất thơm

2.3.

Nghiên cứu các đặc trưng của PCF lõi rỗng với mạng lục giác đề

được thẩm thấu hợp chất thơm
2.3.1. Đặc trưng chiết suất hiệu dụng
2.3.2. Đặc trưng diện tích mode hiệu dụng
2.3.3. Đặc trưng tán sắc

2.3.4. Đặc trưng giam giữ mất mát
2.4. Tối ưu các tham số cấu trúc của các PCF về đặc trưng tán sắc để ứng
dụng phát siêu liên tục
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG PCF
LÕI RỖNG THẨM THẤU HỢP CHẤT THƠM
3.1.

Giới thiệu chương

3.2.

Nghiên cứu SC trong PCF lõi rỗng thẩm thấu toluen

3.3.

Nghiên cứu SC trong PCF lõi rỗng thẩm thấu nitrobenzen

3.4.

Nghiên cứu SG trong PCF lõi rỗng thẩm thấu benzen

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3


KẾT LUẬN CHUNG
CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO

1

MỞ ĐẦU
Trong thế kỷ 20, sợi quang thơng thường (Hình 0.1a) được sử dụng để truyền
thông tin dưới dạng các xung quang ngắn với tốc độ cực cao trên một khoảng cách
dài. Kể từ năm 1970 đến nay tốc độ phát triển công nghệ này thật đáng kinh ngạc
và đã trở thành vấn đề quan trọng của mạng viễn thông toàn cầu [1, 2].
Ngoài việc sử dụng trong lĩnh vực thơng tin quang, các sợi quang thơng
thường cịn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác như trong y học, gia cơng,
cảm biến,… . Trong q trình lan truyền sự mất mát và độ tán sắc là các yếu tố
chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền của các sợi quang học. Bằng cách tạo ra các
cơ chế biến đổi độ tán sắc đã đem lại các cơng nghệ hồn thiện lĩnh vực thông tin
quang ngày nay [3].
Một bước ngoặt mới có tính đột phá trong cơng nghệ quang sợi đó là vào
năm 1996, Russell và các đồng nghiệp đã đưa ra một loại sợi quang mới gọi là sợi
tinh thể quang tử (photonic crystal fiber - PCF) (Hình 0.1b) [4]. Kể từ đó, các PCF
đã được nghiên cứu chuyên sâu hơn hai thập kỷ bởi rất nhiều nhà khoa học lớn và
họ đã chỉ ra các PCF có nhiều ưu điểm hơn so với các loại sợi quang học thơng
thường. Một PCF có thể được coi là một tinh thể lượng tử ánh sáng, với một cấu
trúc đối xứng hai chiều trong đó bao gồm một khu vực trung tâm được bao quanh
bởi một mạng tạo bởi nhiều lỗ khơng khí chạy song song với trục sợi [5]. Sau khi
phát hiện ra PCF thì các nghiên cứu về việc ứng dụng nó trong lĩnh vực quang học
được rất nhiều nhà khoa học quan tâm.
PCF có các tính chất rất thú vị cho các ứng dụng phi tuyến vì nó có khả năng
giam giữ ánh sáng rất lớn và có khả năng điều khiển được độ tán sắc [6]. Một điều
khá thú vị, các PCF với bước sóng ứng với độ tán sắc bằng khơng rất thích hợp cho
việc phát siêu liên tục [7]. Các tham số ảnh hưởng đến độ tán sắc của PCF đó là các


2

tham số hình học như cấu trúc các loại mạng, kích thước đường kính lỗ khí, khoảng
cách giữa các lỗ khí và vật liệu thẩm thấu vào lỗ khí [8].
Trong khoảng thời gian từ năm 1996 đến năm 2006, các nghiên cứu chủ yếu
tập trung cho các PCF được bơm vào lỗ mạng hoặc lõi bởi khơng khí như nghiên
cứu cơ chế dẫn ánh sáng của PCF [5, 9] và các PCF lõi đặc cấu trúc vi mô [10].
Các nghiên cứu về PCF sử dụng chất khí bơm vào các lỗ mạng hoặc lõi đã chứng
tỏ được những tính chất nổi trội và những ứng dụng vượt bậc của PCF so với các
sợi quang thông thường. Đồng thời các nghiên cứu này cũng đã chỉ ra PCF khí cịn
tồn tại một số hạn chế như dải bước sóng tán sắc bằng khơng rất hẹp, tính phi tuyến
trong các PCF khí nhỏ. Những hạn chế này làm ảnh hưởng không nhỏ đến các ứng
dụng của PCF trong công nghệ sợi quang.
Trong những năm gần đây, với việc thẩm thấu chất lỏng vào lớp vỏ hoặc lõi
của PCF đã mở ra một ứng dụng rất tiềm năng của nó trong phát siêu liên tục [11].
Bằng cách lựa chọn chất lỏng, người ta có thể điều khiển được đường cong
tán sắc phẳng của các đường tán sắc [12 - 14]. Đồng thời việc sử dụng chất lỏng rất
thích hợp cho việc phát siêu liên tục [15]. Ngoài ra, cũng bằng cách thẩm thấu một
hỗn hợp chất lỏng thích hợp vào các lỗ khí có thể tạo ra được các PCF ứng dụng
trong cảm biến nhiệt có độ nhạy cao [16]. Các nghiên cứu về PCF được thẩm thấu
chất lỏng vào lớp vỏ hoặc lõi đã mở ra những ứng dụng đầy hứa hẹn của nó trong
cơng nghệ sợi quang và đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu
trong thời gian tiếp theo. Tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn chưa phân tích được
đầy đủ, tường minh sự phụ thuộc của các đại lượng đặc trưng của PCF vào các
tham số cấu trúc và các chất lỏng sử dụng có tính độc khá cao đối với con người.
Ở

Việt Nam, kể từ năm 2005 đến năm 2015 đã có một số nhóm nghiên cứu ở

Viện Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện
Kỹ thuật Quân sự đã có những nghiên cứu bước đầu về tinh thể quang tử như sử
dụng khúc xạ âm trong các ống dẫn sóng tinh thể khơng đồng đều [17, 18], nghiên

3
cứu chế tạo và tính chất quang của các tinh thể quang tử chứa các tâm phát xạ [19],
nghiên cứu và chế tạo cảm biến quang học trên cơ sở tinh thể quang tử một chiều
ứng dụng trong lĩnh vực Sinh - Hóa [20], các sợi tinh thể có tán sắc cực phẳng và
giam giữ mất mát thấp [21, 22], các sợi tinh thể quang tử cho diện tích mode hiệu
dụng lớn và tán sắc âm lớn [23], các sợi đơn mode có tán sắc siêu phẳng với dải
bước sóng tán sắc gần không rộng [24]. Như vậy, các nghiên cứu về PCF cịn rất ít
được quan tâm ở Việt Nam. Hơn nữa, các kết quả nghiên cứu vẫn còn khiêm tốn so
với các nước khác. Bên cạnh lý do kinh phí và phương tiện chưa đủ, sự liên kết hợp
tác không hiệu quả trong nghiên cứu chuyên ngành cũng có thể là một phần ngun
nhân.

Hình 0.1: a) Sợi quang thông thường và b) Một số loại sợi tinh thể quang tử

Lõi

Vỏ

Lớp vỏ bảo vệ

Hình 0.2: Cấu trúc của sợi quang thơng thường
Các sợi quang thơng thường (Hình 0.1a và Hình 0.2) có ứng dụng rất tốt trong
thơng tin quang và một số lĩnh vực khác. Tuy nhiên các sợi quang thông thường này
tồn tại một số hạn chế liên quan đến cấu trúc của nó như: gặp khó khăn trong việc thiết
kế, khó khăn trong việc chọn vật liệu (tính chất nhiệt của lõi và vỏ phải giống


4

nhau), hạn chế về mật độ năng lượng truyền, hạn chế cơ bản về kích thước mode
trong chế độ đơn mode, …
Các PCF (Hình 0.1b và Hình 0.3) linh hoạt hơn trong việc thiết kế và chế tạo cấu
trúc của nó như việc chọn các loại lõi (lõi đặc hay lõi rỗng), kích thước và hình dạng
của các lõi, các kiểu mạng, hằng số mạng, hình dạng và kích thước các lỗ mạng, tự do
lựa chọn các loại vật liệu để thẩm thấu vào lỗ mạng hoặc lõi. Mỗi một sự thay đổi các
yếu tố này đều ảnh hưởng lên các đại lượng đặc trưng của PCF. Nhiều công bố quan
tâm nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc như đường kính lỗ khí d, hằng số
mạng Ʌ (khoảng cách từ tâm lỗ khí này đến tâm lỗ khí gần nhất) lên các các đại lượng
đặc trưng của PCF bao gồm chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và
mất mát [6, 8, 9]. Tuy nhiên hạn chế của các cấu trúc trong các công bố này là chưa
xác định được mối liên hệ giữa các đại lượng này và sử dụng kết quả đó cho các ứng
dụng công nghệ quang trong các trường hợp cụ thể.

Khơng khí.

Hợp chất silica

Chất lỏng

Chất lỏng

Hợp chất silica

Hình 0.3: Cấu trúc hình học của sợi quang PCF:
a)

Lõi đặc

b)

Lõi rỗng được thẩm thấu chất lỏng

Trong công bố gần đây, các tác giả đã thẩm thấu chloroform (CHCl3) vào lõi
của PCF [25]. Kết quả nghiên cứu đã thu được hai cấu trúc tối ưu để ứng dụng cho


5
phát siêu liên tục tại bước sóng bơm 1030 nm. Sợi tối ưu thứ nhất có hằng số mạng
Λ
= 1,0 μm và thừa số lấp đầy f = 0,65 có đặc trưng tán sắc thường, có độ
tán sắc
bằng -24 ps.nm−1.km−1 tại bước sóng bơm. Sợi tối ưu thứ hai có hằng số mạng Λ =
2,0 μm và thừa số lấp đầy f = 0,65 có bước sóng tán sắc bằng khơng (ZDW) bằng
1,0 μm nên có đặc trưng tán sắc dị thường tại bước sóng bơm và độ tán sắc ở bước
–1

–1

sóng bơm bằng 7,6 ps.nm .km . Kết quả phát siêu liên tục cho hai cấu trúc tối ưu
này đã mở rộng phổ trong dải bước sóng 600 nm - 1260 nm. Trong công bố [26], các
tác giả đã phát siêu liên tục trong PCF lõi nước có chiều dài sợi 5 cm. Kết quả đã thu
được phổ mở rộng trong phạm vi bước sóng từ 600 nm đến 1140 nm. Các kết quả thu
được qua các cơng trình trên đóng góp quan trọng trong tiến trình nghiên cứu

phát siêu liên tục trong các PCF lõi chất lỏng và càng khẳng định các ưu điểm của
các PCF được thẩm thấu chất lỏng. Tuy nhiên, khi sử dụng các chất lỏng trên thì
diện tích mode hiệu dụng thu được lớn; đường cong tán sắc phẳng nhưng chưa tiệm
cận gần nhất với đường tán sắc bằng không; giam giữ mất mát lớn. Những yếu tố
này có ảnh hưởng lớn đến độ phẳng và khả năng mở rộng phổ trong phát siêu liên

tục. Ngồi ra, các cơng bố cịn chưa phân tích đầy đủ các hiện tượng vật lý ảnh
hưởng lên quá trình phát siêu liên tục.
Để khắc phục những hạn chế trên, chúng tôi sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng
bản quyền Lumerical Mode Solutions để thiết kế các PCF lõi rỗng được thẩm thấu các
hợp chất thơm (toluen, benzen và nitrobenzen). Tiếp theo, chúng tơi sẽ xây dựng mơ
hình vật lý để nghiên cứu sự truyền sóng ánh sáng trong PCF, nghiên cứu ảnh hưởng
của bước sóng, các tham số cấu trúc lên các đại lượng đặc trưng của PCF (chiết suất
hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và giam giữ mất mát). Các kết quả thu
được sẽ xác định được PCF có cấu trúc tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả phát siêu liên
tục (SG) với sự mở rộng phổ lớn và siêu phẳng. Trong tiến trình đó chúng tơi phân tích
các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng lên quá trình phát siêu liên tục.


6
Các kết quả thu được khơng chỉ đóng góp trong nghiên cứu cơ bản mà cịn có tính
định hướng cho các nghiên cứu ứng dụng.
Từ những phân tích các vấn đề rất mới, có tính thời sự và rất cần thiết ở trên,
chúng tôi chọn đề tài với tiêu đề: “Nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể
quang tử mạng lục giác đều được thẩm thấu các chất lỏng định hướng ứng
dụng trong phát siêu liên tục” làm đề tài luận án của mình.
Mục đích nghiên cứu
Đề tài sẽ sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mơ phỏng với các
mục tiêu chính sau:

 Nghiên cứu sự truyền sóng ánh sáng trong PCF và mơ hình vật lý dùng cho
phát siêu liên tục.

 Nghiên cứu các đại lượng đặc trưng của PCF lõi rỗng thẩm thấu các hợp chất
thơm: Nghiên cứu thiết kế cấu trúc của PCF được thẩm thấu các hợp chất thơm và
nghiên cứu ảnh hưởng của bước sóng, các tham số cấu trúc lên các đại lượng đặc

trưng của PCF.

 Nghiên cứu phát siêu liên tục cho các PCF được thẩm thấu hợp chất thơm với
các cấu trúc tối ưu.

Nội dung nghiên cứu
Đề tài sẽ sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết bằng mơ phỏng với các
nhiệm vụ chính sau:






Nghiên cứu những vấn đề tổng quan về PCF.
Nghiên cứu mơ hình vật lý cho phát siêu liên tục.
Nghiên cứu một số tính chất vật lý của silica và các hợp chất thơm.
Nghiên cứu thiết kế cấu trúc của PCF lõi rỗng được thẩm thấu các hợp chất thơm.

 Nghiên cứu các đại lượng đặc trưng của PCF lõi rỗng được thẩm thấu các hợp
chất thơm.
 Nghiên cứu SG trong các PCF lõi rỗng thẩm thấu hợp chất thơm.


7
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính của luận án bao gồm:



Các sợi tinh thể quang tử.



Các tham số cấu trúc mạng của sợi tinh thể quang tử.

 Các đại lượng đặc trưng của PCF bao gồm chiết suất hiệu dụng, diện tích mode
hiệu dụng, tán sắc và giam giữ mất mát.
 Các hợp chất thơm bao gồm toluen, nitrobenzen, benzen.


Phát siêu liên tục và một số hiệu ứng phi tuyến.

Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu chính của luận án tập trung nghiên cứu phát siêu liên tục
các PCF với chất nền silica, lõi rỗng thẩm thấu các hợp chất thơm (toluen,
nitrobenzen, benzen) và mạng lục giác đều.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết mô phỏng. Cụ thể:

 Sử dụng phần mềm mô phỏng Lumerical Mode Solutions để thiết kế các PCF
được thẩm thấu các chất lỏng khác nhau.

 Dựa vào hệ phương trình Maxwell để thành lập mơ hình vật lý cho PCF. Từ đó
nghiên cứu sự lan truyền của ánh sáng trong PCF.

 Các đại lượng đặc trưng của PCF phụ thuộc vào bước sóng, các tham số cấu trúc
và chất lỏng thẩm thấu vào PCF sẽ được mô phỏng bằng phần mềm Lumerical Mode

 Để phát siêu liên tục với cấu trúc và chất lỏng đã được tối ưu, chúng tôi sử
dụng code phát siêu liên tục đã được Viện ITME của Ba Lan cung cấp.
Bố cục luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận án được trình bày trong
ba chương có cấu trúc như sau:


8
Chương 1. Tổng quan về sợi tinh thể quang tử và mơ hình vật lý cho phát siêu
liên tục
Trong chương này chúng tôi giới thiệu tổng quan về PCF bao gồm đưa ra
định nghĩa và phân loại PCF, các phương trình mơ tả sự lan truyền của ánh sáng
trong PCF, trình bày về cơ chế dẫn sáng trong PCF và giới thiệu các đại lượng đặc
trưng của PCF. Chúng tôi dẫn ra phương trình lan truyền xung trong sợi quang và
phương pháp số mơ phỏng q trình lan truyền xung. Cuối chương 1, chúng tơi
giới thiệu một số tính chất vật lý của silica và các hợp chất thơm.
Chương 2. Nghiên cứu các đại lượng đặc trưng của sợi tinh thể quang tử lõi
rỗng thẩm thấu các hợp chất thơm
Trong chương này, chúng tôi thiết kế một PCF với chất nền silica, có lõi rỗng
được thẩm thấu hợp chất thơm với lớp vỏ gồm các lỗ khí được sắp xếp thành mạng
lục giác đều và đường kính của các lỗ khí có thể thay đổi được. Các hợp chất thơm
bao gồm benzen, toluen và nitrobenzen. Tiếp theo, chúng tôi nghiên cứu các đại
lượng đặc trưng của PCF này. Các đại lượng đặc trưng nó bao gồm chiết suất hiệu
dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và giam giữ mất mát. Từ đó, chúng tơi tối
ưu cấu trúc về tán sắc để ứng dụng cho phát siêu liên tục.
Chương 3. Nghiên cứu phát siêu liên tục trong các sợi tinh thể quang tử lõi
rỗng thẩm thấu hợp chất thơm
Trong chương, chúng tơi sử dụng các dữ liệu về diện tích mode hiệu dụng,
tán sắc và giam giữ mất mát được trích xuất từ chương trình chạy mơ phỏng bởi
phần mềm bản quyền Lumerical Mode Solutions cho các cấu trúc đã được tối ưu

trong chương 2. Các dữ liệu này được đưa vào code Matlab được viết trên cơ sở
giải phương trình Schrưdinger phi tuyến tổng qt (GNLSE). Từ đó, chúng tơi
nghiên cứu phát siêu liên tục trong các PCF có cấu trúc tối ưu được chọn.


9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ
VÀ MƠ HÌNH VẬT LÝ CHO PHÁT SIÊU LIÊN TỤC
Trong chương này chúng tôi giới thiệu tổng quan về sợi tinh thể quang tử
bao gồm đưa ra định nghĩa và phân loại PCF, các phương trình mơ tả sự lan
truyền của ánh sáng trong PCF, trình bày về cơ chế dẫn sáng trong PCF và giới
thiệu các đại lượng đặc trưng của PCF. Chúng tơi dẫn ra phương trình lan truyền
xung trong sợi quang và phương pháp số mô phỏng quá trình lan truyền xung.
Cuối chương 1, chúng tơi giới thiệu một số tính chất vật lý của silica và các hợp
chất thơm.
1.1. Tinh thể quang tử
Năm 1972, Bykov đã đưa ra ý tưởng về tinh thể quang tử. Sau đó,
Yablonovitch và Sajeev John đã nêu lên các đặc tính quang học của tinh thể
quang tử [4].
Tinh thể quang tử là những vi cấu trúc điện mơi tuần hồn ảnh hưởng đến
sự lan truyền của các photon và xem nó giống như các tinh thể bán dẫn tác động
lên chuyển động của các electron. Đuôi công và đôi cánh của bướm là ví dụ của
tinh thể quang tử quan sát được trong tự nhiên [4 - 5].
Tinh thể quang tử có thể ngăn cản sự lan truyền của một số bước sóng một
trong hai hoặc tất cả các hướng, nên tinh thể quang tử có khả năng giam ánh
sáng bên trong vùng lõi sợi (điều này là không thể đối với sợi quang thơng
thường) [5].
Tinh thể quang tử có thể được chế tạo dưới dạng một chiều, hai chiều và
tinh thể quang tử ba chiều như (Hình 1.1).