Nghiên cứu các đặc trưng của pcf lõi đặc với mạng lục giác đều được thẩm thấu bởi methanol (ch3oh)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
__________________

PHAN THÁI KHÁNH TRANG

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI ĐẶC VỚI
MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU BỞI
METHANOL (CH3OH)

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Vinh 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
*****************

PHAN THÁI KHÁNH TRANG

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI ĐẶC VỚI
MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU BỞI
METHANOL (CH3OH)

LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8.44.01.10

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Chu Văn Lanh

VINH - 2018


vii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ được hoàn thành tại Trường Đại học Vinh.Để hoàn
thành luận văn tốt nghiệp này, bằng tấm lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời
chân thành cảm ơn đến:Thầy giáo PGS.TS. Chu Văn Lanh đã giao đề tài, tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ đầy tâm huyết trong suốt quá trình nghiên cứu và hồn thành luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Sau Đại học, Khoa Vật lí và
Cơng nghệ cùng các thầy giáo, cơ giáo Khoa Sau Đại học, Khoa Vật lí và Cơng nghệ đã
giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu tham khảo và đóng góp nhiều ý
kiến quý báu trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên,
giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót,
tác giả kính mong nhận được sự chỉ dẫn của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp
Vinh, tháng 6 năm 2018
Tác giả luận văn

Phan Thái Khánh Trang


viii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... vii
MỤC LỤC ........................................................................ Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................... iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... vi
DANH MỤC VIẾT TẮT .................................................................................................. vii
1. Lý do chọn đề tài: ........................................................................................................... 8
2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................... 10
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 10
4. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................... 10
5. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 10
6. Dự kiến đóng góp mới của đề tài ................................................................................. 10
7. Dự kiến cấu trúc các chương trong luận văn ................................................................ 11
CHƯƠNG I:.................................................................................................................. 12
TỔNG QUAN VỀ CÁC SỢI QUANG ........................................................................ 12
Tổng quan về sợi quang thông thường: .................................................................... 12
1.2. Tổng quan về sợi tinh thể quang tử: .................................................................. 13
1.3. Một số so sánh về sợi quang thông thường với sợi tinh thể quang tử: ............. 27
1.4 Kết luận chương 1 .............................................................................................. 29
CHƯƠNG 2. ................................................................................................................. 30
ĐẶC TRƯNG CỦA SỢI TINH THỂ QUANG TỬ LÕI ĐẶC VỚI MẠNG LỤC
GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU BỞI METHANOL .............................................. 30
2.1.Mơ hình và lý thuyết........................................................................................... 31
2.2. Nghiên cứu các đặc trưng của PCF lõi đặc với mạng lục giác đều được thẩm
thấu Methanol ........................................................................................................... 33
2.3 . Kết luận ........................................................................................................... 40
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................... 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 43


iv

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình

1.1

Nội dung
Dạng hình học của tinh thể quang tử [1].

1.2

Sơ đồ mặt cắt ngang của sợi tinh thể quang tử lõi đặc.

1.3

Mặt cắt ngang của sợi tinh thể quang tử rỗng đầu tiên, với khoảng cách
giữa các lỗ là 4,9µm và đường kính lõi 14,8µm[2].

1.4

Quy trình xếp chồng và kéo sợi.

1.5

Phương pháp ống.

1.6

Cấu trúc tinh thể thiếu lớp thứ hai[3].

1.7

Sự chiếu xạ bằng tia cực tím[4].

1.8

Cách tử Bragg sợi quang chu kì lớn đầu tiên được mơ tả dưới dạng một
sợi tinh thể quang tử lõi silica rắn tinh khiết.

1.9

Hình ảnh mặt cắt ngang của một sợi dải khoảng trống quang tử lõi khí
(a) trước khi bức xạ tia CO2, (b) sau khi bức xạ tia CO2 (c) Hình ảnh bên cạnh
của một cách tử Bragg sợi quang chu kì lớn được ghi trong sợi dải khoảng
trống quang tử lõi khí, trong đó có khoảng hai giai đoạn của cách tử Bragg sợi
quang chu kì lớn được minh họa [ 5].

1.10

Hệ thống cảm biến nhiệt độ dựa trên điều chế cường độ[6].

1.11

Sơ đồ của cách tử Bragg sợi quang chu kì lớn khắc bằng tia CO 2 với
các khe bất đối xứng (a) trước khi lực kéo được áp dụng cho lưới và (b) sau
khi lực kéo được áp dụng cho lưới [7].

2.1

Cấu trúc hình học của lõi đặc ở sợi tinh thể quang tử với lớp vỏ dạng
lưới lục giác được thẩm thấu chất lỏng trong lỗ khí.

2.2

Thành phần thực của chiết suất ở Ethanol và Methanol [22] và Silica


v

nung chảy [23].
2.3

Phần thực của sự phụ thuộc chiết suất hiệu dụng vào bước sóng được
tính tốn với kích thước mạng là Ʌ = 5 µm và đường kính của lỗ khí lần lượt
là 1,0µm, 1,5µm, 2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm, 4,0µm.

2.4

Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng được tính với kích
thước mạng là Ʌ = 5 µm và đường kính của các lỗ khí lần lượt là 1,0µm,
1,5µm, 2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm, 4,0µm.

2.5

Sự phụ thuộc của tán sắc vào bước sóng được tính tốn với kích thước
mạng là Ʌ = 5 µm và đường kính của các lỗ khí lần lượt là 1,0µm, 1,5µm,
2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm, 4,0µm.


vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng
1.1

Nội dung
Bước sóng tán sắc bằng khơng ở các bước sóng khác nhau
[5]…………….

2.1

Giá trị chiết suất hiệu dụng của sợi tinh thể quang tử với kích
thước mạng là Ʌ = 5 µm và đường kính của các lỗ khí lần lượt là 1,0µm,
1,5µm, 2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm, 4,0µm ở bước sóng 1,55 µm đối
với Ethanol và Methanol.

2.2

Giá trị của diện tích mode hiệu dụng của sợi tinh thể quang tử với
các kích thước mạng là Ʌ = 5 µm và đường kính của các lỗ khí lần lượt
là 1,0µm, 1,5µm, 2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm. 4,0µm ở bước sóng
1,55µm đối với Ethanol và Methanol.

2.3

Giá trị tán sắc của sợi tinh thể quang tử với các kích thước mạng
là Ʌ = 5 µm và đường kính của các lỗ khí lần lượt là 1,0µm, 1,5µm,
2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm. 4,0µm ở bước sóng 1,55µm đối với
Ethanol và Methanol.

2.4

Giá trị của bước sóng tán sắc điểm khơng ở sợi tinh thể quang tử
với kích thước mạng là Ʌ = 5 µm và đường kính của các lỗ khí lần lượt

là 1,0µm, 1,5µm, 2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm, 4,0µm ở bước sóng
1,55 µm đối với Ethanol và Methanol.

2.5

Giá trị của sự mất mát ở sợi tinh thể quang tử với kích thước mạng
là Ʌ = 5 µm và đường kính của các lỗ khí lần lượt là 1,0µm, 1,5µm,
2,0µm, 2,5µm, 3,0µm, 3,5µm, 4,0µm ở bước sóng 1,55µm đối với
Ethanol và Methanol.


vii

DANH MỤC VIẾT TẮT
PC

Photonic crytals

Tinh thể quang

PCF

Photonic crytal fiber

Sợi tinh thể quang tử

LPFG

Long period fiber grating

Cách tử Bragg chu kì lớn

PBG

Photonic bandgap guidance

Dải cấm quang tử

TIR

Total internal reflection

Phản xạ toàn phần


viii

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Các sợi quang thông thường (Hình1) có nhiều ứng dụng tốt trong thơng tin
quang và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên nó có những hạn chế về cấu trúc như:
Hạn chế trong thiết kế (cấu trúc
lõi và vỏ thường cố định), hạn chế trong
việc chọn vật liệu (tính chất nhiệt của lõi
và của vỏ phải giống nhau), hạn chế về
mật độ năng lượng truyền, các hạn chế
cơ bản về kích thước của mode trong chế
độ đơn mode,…
Một bước ngoặt mới, có tính đột phá trong cơng nghệ quang sợi đó là vào năm
1996, Russell và các đồng nghiệp [1] đã đưa ra một loại sợi quang mới gọi là sợi tinh thể

quang tử (Photonic crystal fiber (PCF)). PCF là một sợi quang sử dụng tinh thể quang tử
để tạo lớp vỏ bao quanh lõi của sợi. Tinh thể quang tử là một môi trường có hằng số điện
mơi biến đổi tuần hồn và có mất mát thấp được tạo bởi các lỗ khí có kích thước cỡ
micro sắp xếp tuần hồn chạy dọc theo tồn bộ chiều dài sợi.
PCF có 2 loại đó là sợi lõi đặc (hình 2.a) và sợi lõi rỗng (hình 2.b). Các sợi
lõi đặc có cơ chế dẫn ánh sáng theo nguyên lý phản xạ toàn phần bên trong sợi tương tự
như các sợi quang thông thường, các sợi lõi đặc có cơ chế dẫn ánh sáng theo nguyên lý
dải vùng cấm tương tự như sự truyền dẫn của electron trong vật lý chất rắn với cấu trúc
dải mức năng lượng.


9

Lỗ khí

Lỗ khí

Lõi đặc
Hình 2.a

Lõi rỗng
Hình 2.b

Trước năm 2006, các nghiên cứu về PCF tập trung vào các sợi được bơm khí [2],
[3], [4],... và đã thu được những kết quả rất đáng khích lệ. Tuy nhiên khi dùng chất khí
thì có một số hạn chế như:
- Các đường tán sắc có độ dốc cao (khơng phẳng),
- Dải bước sóng ứng với độ tán sắc bằng khơng hẹp,
- Tính phi tuyến trong các PCFs khí nhỏ nên có các hạn chế khi ứng dụng cho sự
phát siêu liên tục.

Kể từ năm 2006, các nghiên cứu về PCF thẩm thấu chất lỏng [5], [6], [7],... đã
được quan tâm đặc biệt vì nó khơng chỉ khắc phục được những hạn chế của PCF khí mà
cịn mở ra những ứng dụng mới đầy triển vọng trong khoa học và công nghệ như việc
ứng dụng nó để tạo ra sự phát siêu liên tục và các cảm biến có độ nhạy cao. Để đóng góp
vào q trình nghiên cứu đó, chúng tơi chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu một số tính
chất đặc trưng của PCF lõi đặc với mạng lục giác đều được thẩm thấu bởi
Methanol”.


10

2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của PCF lõi đặc với mạng lục giác đều
được thẩm thấu bởi Methanol. Từ đó có thể xác định được bộ tham số nhằm thiết kết tối
ưu hóa các PCF.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Các tính chất đặc trưng của các PCF đó là chiết suất hiệu dụng, tán sắc, diện tích
mode hiệu dụng và mất mát.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các PCF lõi đặc, mạng lục giác đều
- Chiết suất hiệu dụng, tán sắc, diện tích mode hiệu dụng và mất mát.
của PCF
- Lõi đặc được thẩm thấu Methanol
4. Nội dung nghiên cứu
4.1.Tìm hiểu tổng quan về sợi tinh thể quang tử.
4.2. Nghiên cứu về chiết suất hiệu dụng của PCF.
4.3. Nghiên cứu về tán sắc của PCF.
4.4. Diện tích mode hiệu dụng
4.5. Mất mát

5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu bằng lý thuyết số trên cơ sở sử dụng phần mềm mô phỏng Mode
Solutions và phần mềm Matlap.
6. Dự kiến đóng góp mới của đề tài
- Kết quả của luận văn nhằm tối ưu sự truyền dẫn trong các PCF.


11
- Làm tài liệu tham khảo cho các học viên cao học và những ai quan tâm.
7. Dự kiến cấu trúc các chương trong luận văn
Ngoài phần mở đầu, mục lục và tài liệu tham khảo, luận văn dự kiến có cấu
trúc gồm 2 chương:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC SỢI QUANG
1.1. Tổng quan về sợi quang tử thông thường
1.2. Tổng quan về sợi tinh thể quang tử
1.3. Một số so sánh về sợi quang thông thường và sợi tinh thể quang tử
1.4. Kết luận chương 1
Chương 2: ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI ĐẶC VỚI MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU
ĐƯỢC THẨM THẤU BỞI METHANOL
2.1. Mơ hình và lý thuyết
2.2. Nghiên cứu các đặc trưng của PCF lõi đặc với mạng lục giác đều được thẩm
thấu Methanol
2.2.1 Ảnh hưởng lên chiết suất hiệu dụng
2.2.2.Ảnh hưởng lên diện tích mode hiệu dụng
2.2.3 Ảnh hưởng lên sự tán sắc màu
2.2.4. Ảnh hưởng lên sự mất mát
2.3. Kết luận chương 2
KẾT LUẬN CHUNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO

12
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ CÁC SỢI QUANG
1.1. Tổng quan về sợi quang thơng thường
Sợi quang hay cịn gọi là cáp quang, lâu nay được sử dụng để truyền tín hiệu trong
lĩnh vực truyền thông. Đối với bất kỳ hệ thống truyền thơng tin nào thì quan trọng nhất
là đường truyền và tỷ số tín hiệu tiếng ồn của chúng quyết định đến chất lượng của kênh.
Cho tới nay, sợi dẫn quang đã đạt tới sự mất mát rất nhỏ, giá trị mất mát khoảng
0,2dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi
quang trong gần 3 thập niên qua. Băng thông truyền dẫn lớn xấp xỉ 50 THz vì thế dung
lượng mang thông tin của hệ thống thông tin quang lớn hơn nhiều so với hệ thống cáp
đồng tốt nhất (khoảng 500 MHz). Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin
quang sợi – hay thường là các hệ thống thông tin quang chính là các hệ thống thơng tin
chủ đạo,là nền tảng của cơng cuộc hiện đại hóa các mạng lưới viễn thơng trên thế giới.
Ngồi truyền thơng, sợi quang có nhiều ứng dụng trong cảm biến,nhưng thiết kế của nó
khơng thật sự linh hoạt. Vì vậy, một sợi thay thế đã xuất hiện, sợi PCF có nhiều ưu điểm
hơn bằng cách thay đổi kích thước hình học của nó. Các sợi PCF là các sợi quang học
với sự sắp xếp theo chu kì các vật liệu chiết suất thấp dưới nền vật liệu có với chiết suất
cao hơn. Chất liệu nền trong các sợi tinh thể quang tử thường là silica tinh khiết và vùng
chiết suất thấp thường được cấu tạo bởi các lỗ khí chạy dọc theo chiều dài của chúng.
Đối với sợi FCF có thể đạt được chế độ đơn mode ngay cả ở đường kính lõi khoảng vài
phần mười của µm, trong khi sợi quang thơng thường phải giảm thiểu lõi mới đạt được
chế độ đơn mode. Trong sợi quang,hiện tượng không tán sắc xảy ra ở bước sóng
1310nm. Để khơng có sự tán sắc ở các bước sóng khác nhau, sợi cân bằng tán sắc có thể
được thiết kế bằng cách sử dụng sợi tinh thể quang tử.


13

1.2. Tổng quan về sợi tinh thể quang tử
1.2.1 Tinh thể quang
Tinh thể quang (PC – Photonic crytals) là cấu trúc micro quang có ảnh hưởng đến
sự lan truyền của các hạt photon trong nó tương tự như cách mà các tinh thể bán dẫn tác
động lên chuyển động của electron. Ở cánh bướm và lông chim của con công có các lỗ
khí,đây chính là khởi nguồn của tinh thể quang tử tự nhiên.
Tinh thể quang là một cấu trúc tuần hồn trong khơng gian của các vật liệu với
hằng số điện môi khác nhau được sắp xếp xen kẽ. Chúng được gọi là “tinh thể” vì nó
được tạo nên bởi sự sắp xếp tuần hoàn của đơn thể cơ bản và đối tượng “tinh thể” này là
các quang tử. Hiện tượng này xảy ra khi chu kì nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng. Tinh
thể quang tử có thể ức chế sự lan rộng của một dải bước sóng nhất định theo một hướng
hoặc theo mọi hướng và do đó nó có khả năng giam giữ ánh sáng.
Tinh thể quang tử được tạo thành từ các cấu trúc nano điện môi và 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. Ở đây một vùng
trống trong cấu trúc năng lượng photon là những kiểu lan truyền mà sóng điện từ khơng
được phép, hay nhưng dải bước sóng khơng lan truyền được. Các dải sóng này tạo thành
các dải cấm quang tử.
Ánh sáng của một số bước sóng trong dải cấm quang tử bị cấm truyền từ bất kỳ
hướng nào bên trong một tinh thể quang tử. Bởi vì sự giống nhau này với chất bán dẫn
có vùng cấm năng lượng cho các electron, các tinh thể quang tử đơi khi cịn được gọi là
"chất bán dẫn cho photon". Chúng có thể được tạo ra từ hầu hết các vật liệu, do đó nó
đáp ứng các u cầu về tính tương thích vật liệu.

Hình 1.1. Dạng hình học của tinh thể quang tử
(a) 1D (b) 2D và (c) 3D [1]


14
Ý tưởng này được bày tỏ lần đầu tiên bởi Bykov vào đầu năm 1972.Tuy nhiên,

Eli Yablonovitch và Sajeev John là hai người đầu tiên đưa ra các thuộc tính quang học
của tinh thể quang tử trong hai ấn phẩm độc lập của mình.Tinh thể quang tử được phân
loại gồm tinh thể một chiều, hai chiều và ba chiều.
Hình 1.1 mơ tả hình dạng các tinh thể quang tử 1D, 2D và 3D. Trong tinh thể
quang một chiều, sự biến điệu định kỳ của chiết suất chỉ xảy ra theo một hướng, trong
khi các biến đổi chiết suất được thống nhất cho hai hướng khác ở một cấu trúc. Tương tự
như vậy trong tinh thể quang tử hai chiều, sự biến điệu định kỳ của chiết suất xảy ra
trong hai hoặc ba chiều tương ứng.
Các ví dụ đơn giản nhất của tinh thể quang tử 1-D, 2-D, 3-D là lưới Bragg, sợi
tinh thể quang tử, ….
1.2.2. Sợi tinh thể quang tử
Các sợi tinh thể quang tử (PCFs) còn được gọi là sợi cấu trúc nhỏ hoặc sợi quang
tinh thể đã tạo ra sự quan tâm lớn cho cộng đồng khoa học. Ngày nay, nó được xem như
là một cơng nghệ sợi thay thế. Sợi PCFs được chia làm 2 loại như sau, đó là: indexguiding (dẫn sóng theo chiết suất hay high-index core fibres – sợi quang tinh thể có lõi
chiết suất cao) và photonic bandgap (hay low – index core fibres – sợi quang tinh thể có
lõi chiết suất thấp). Các sợi tinh thể quang tử thuộc nhóm đầu tiên thì tương tự như các
sợi quang thơng thường, bởi vì ánh sáng được giới hạn trong một lõi rắn dựa trên hiện
tượng phản xạ nội toàn phần. Trong thực tế, có một sự khác biệt về chiết suất dương
giữa các lớp vỏ bọc quang tinh thể ánh sáng, nơi có sự hiện diện của lỗ khí gây ra một
chiết suất trung bình thấp. Cơ chế truyền dẫn được định nghĩa là "biến đổi" bởi vì chiết
suất vỏ bọc quang khơng phải là giá trị khơng đổi, nhưng bước sóng của chúng khác
nhau đáng kể.
Khi sợi quang tinh thể có lõi chiết suất thấp hơn chiết suất của vật liệu vùng bao
quanh, thì ánh sáng khơng được dẫn hướng bởi hiện tượng phản xạ toàn phần thay vào


15
đó là bằng dải cấm quang tử (PBG). Trong thực tế, cấu trúc lỗ khí để tạo thành vỏ bọc
sợi tinh thể quang tử là một tinh thể quang tử hai chiều, đó là một vật liệu với các tính
chất tuần hoàn được đặc trưng bởi một dải khoảng trống quang tử, nơi mà ánh sáng ở

các dải bước sóng nhất định khơng thể lan truyền.

Hình 1.2: Sơ đồ mặt cắt ngang của sợi tinh thể
quang tử lõi đặc [2]
Đặc tính này, cũng như sự tương phản chiết suất giữa silica và khơng khí, cung
cấp một loạt các tính năng thú vị mới. Tính linh hoạt cao của thiết kế này là một trong
những đặc tính nổi bật của các sợi tinh thể quang tử. Ví dụ: sợi tinh thể quang tử có lõi
silica nhỏ và lỗ khí lớn, tức là phần làm đầy khơng khí cao ở mặt cắt ngang, có các tính
chất phi tuyến tốt hơn so với các sợi quang thơng thường và do đó chúng có thể được sử
dụng thành công trong nhiều ứng dụng.


16
1.2.3. Cơ chế truyền dẫn
Trong tiêu chuẩn của sợi quang sự thì phản xạ tồn phần là phương pháp truyền
dẫn ánh sáng bởi vì chiết suất ở lõi lớn hơn chiết suất ở lớp vỏ bọc nên ánh sáng bị giam
giữ bên trong lõi. Trong các sợi tinh thể quang tử lõi rắn, khi ánh sáng bị giam giữ trong
một vùng có chiết suất cao hơn, sự biến đổi phản xạ toàn phần sẽ xảy ra, tương tự như
cơ chế truyền dẫn của các sợi quang thông thường. Thay vào đó, khi ánh sáng được giới
hạn trong một vùng với chiết suất thấp hơn vùng xung quanh, như trong các sợi lõi đặc
lúc đó xuất hiện dải cấm quang tử.
a. Biến đổi Phản xạ tồn phần
Có thể sử dụng một sợi tinh thể quang tử hai chiều, bằng cách chọn vật liệu với
chiết suất cao hơn so với chiết suất hiệu dụng của vỏ bọc quang.Ví dụ về loại cấu trúc
này là sợi tinh thể quang tử với lõi rắn silica được bao quanh bởi vỏ bọc tinh thể quang
tử với một mạng lưới tam giác có các lỗ khí. Các sợi này, còn được gọi là các sợi tinh
thể quang tử chiết suất truyền dẫn, hướng ánh sáng thông qua dạng phản xạ toàn phần
(TIR), được gọi là biến đổi phản xạ toàn phần.
Về cơ bản trong lõi rắn sợi tinh thể quang tử, lõi bao gồm silica tinh khiết trong
khi lớp vỏ bọc quang chứa tinh thể ánh sáng có số lỗ khí làm giảm chiết suất của lõi.

Chiết suất có thể sửa đổi này của lớp vỏ bọc quang nhỏ hơn chiết suất có thể sửa đổi của
cốt lõi cho phép ánh sáng di chuyển bằng cách sử dụng hiện tượng biến đổi phản xạ toàn
phần.
Chúng ta có thể hiểu rõ hơn được cơ chế truyền dẫn bằng cách so sánh nó với mơ
hình bộ lọc hoặc sàng. Lớp vỏ bọc của sợi tinh thể quang tử bao gồm các lỗ khí. Các lỗ
khí này hoạt động như các rào chắn mạnh, vì vậy chúng là "dây lưới" của sàng. Phạm vi
của chế độ cơ bản, mà phù hợp với lõi silica với một sợi đơn có đường kính giữa các số
khơng tương đương nhau (hoặc lớn hơn) đến 2λ, là "hạt gạo" không thể trốn qua lưới
dây. Trong khi đó kích thước tùy đối tượng có thể to nhỏ khác nhau, do đó chúng có thể
lọt qua các khoảng trống. Khi tỉ số d / λ (là phần làm đầy khơng khí của lớp vỏ bọc tinh


17
thể ánh sáng) tăng lên, các chế độ trật tự bậc cao liên tiếp bị mắc kẹt. Một thiết kế hình
học của mặt cắt sợi phải tốt để đảm bảo rằng chỉ có chế độ truyền dẫn cơ bản.
b. Cơ chế dải cấm quang tử
Thiết kế của sợi tinh thể quang tử hoàn toàn khác với dạng truyền thống, kết quả
từ thực nghiệm là lớp vỏ bọc tinh thể quang tử có chiết suất lớn hơn lõi. Nó khơng làm
lại sự phản xạ toàn phần để dẫn hướng các photon. Trên thực tế, để truyền dẫn ánh sáng
bằng sự phản xạ tồn phần, cần phải có lõi bao quanh bởi vật liệu có chiết suất vỏ bọc
quang thấp hơn. Nhưng trong cơ chế dải cấm quang tử lõi bao gồm lỗ khí và khơng có
vật liệu mất mát ít nào thích hợp với một chiết suất thấp hơn khơng khí ở tần số quang
học. Do đó, ánh sáng được dẫn hướng do sự hiện diện của dải cấm. Chúng ta biết rằng
các tinh thể quang tử chỉ cho phép những photon mà có dải cấm lớn hơn dải cấm của lớp
vỏ quang của sợi tinh thể quang tử. Vì vậy, tất cả những photon có dải cao hơn dải cấm
của sợi tinh thể quang tử mất dần trong lớp vỏ và phần cịn lại lan truyền trong lõi khơng
khí.
Sợi tinh thể quang tử lõi đặc đầu tiên có một mạng lưới dạng tam giác đơn giản
gồm các lỗ dải cấm khí, và lõi được hình thành bằng cách loại bỏ bảy mạch dẫn ở trung
tâm của mặt cắt sợi. Trong loại ánh sáng này được dẫn hướng bằng cách sử dụng dải

cấm, nghĩa là chỉ một phần cụ thể có thể đi vào vỏ bọc và phần còn lại phản xạ lại và
mất trong khơng khí hoặc lõi đặc. Khi ánh sáng trắng được đưa vào lõi sợi, các chế độ
màu được truyền đi, do đó chỉ ra rằng dẫn hướng ánh sáng chỉ tồn tại trong các dải bước
sóng bị hạn chế, trùng với dải cấm quang tử.

1.2.4. Quy trình

chế tạo

Một trong những

khía cạnh rất quan

trọng của bất kỳ thiết

bị nào là q trình chế

tạo của nó.Các sợi

quang

học

truyền

Hình 1.3. Mặt cắt ngang của sợi tinh thể quang tử lõi rỗng đầu tiên, với khoảng
cách giữa các lỗ là 4,9 μm và đường kính lõi 14,8 μm [3]


18

thống thường được sản xuất bằng cách chế tạo khuôn dạng sợi và sau đó là phác thảo sợi
từ nó với một lò nhiệt độ cao trong một thiết lập dạng tháp. Các phương pháp đọng hơi
khác nhau, ví dụ, đọng hơi hóa chất có thể sửa đổi (MCVD), đọng hơi hóa chất dọc theo
trục(VAD), và đọng hơi hóa chất bên ngoài (OVD), được sử dụng cho việc chế tạo sợi
trịn đối xứng. Do đó, phương pháp đọng hơi hóa chất có thể được kiểm sốt một cách
rất chính xác chỉ theo hướng xun tâm mà khơng có sự điều chỉnh đáng kể của phương
pháp. Trong trường hợp của sợi tinh thể quang tử, một số lực như độ nhớt, trọng lực và
sức căng bề mặt là rất quan trọng. Những lực này là do diện tích bề mặt lớn hơn nhiều
trong một hình học có cấu trúc vi mơ, và thực tế là nhiều bề mặt gần lõi sợi, do đó việc
tạo sức căng bề mặt tương đối quan trọng hơn nhiều. Cũng trong các lõi sợi quang học
thông thường và các vật liệu phủ với các chiết suất tương tự, thường khác khoảng 1%,
trong khi thiết kế các sợi tinh thể quang tử đòi hỏi độ tương phản chiết suất cao hơn
nhiều, khác nhau có lẽ 50-100% [5]. Từ đó mọi kĩ tht được mơ tả trước đây không
được trực tiếp áp dụng cho việc chế tạo khuôn cho các sợi quang học có cấu trúc vi mơ,
mà cấu trúc của nó khơng được đặc trưng bởi một sự đối xứng trịn. Có hai phương pháp
để chế tạo chất liệu sợi tinh thể quang tử: "Quy trình xếp chồng và kéo sợi" và "phương
pháp ống"
a. Quy trình xếp chồng và kéo sợi
Phương pháp này được giới thiệu bởi Birksetal vào năm 1996 đã trở thành kỹ
thuật chế tạo ưu tiên.Vì nó cho phép sản xuất tương đối nhanh, sạch sẽ, chi phí thấp và
tạo khn linh hoạt. Các khuôn của sợi tinh thể quang tử được thực hiện bằng cách xếp
chồng lên một số ống silica mao mạch và các thanh để tạo thành cấu trúc khơng khísilica mong muốn. Cách thực hiện khuôn mẫu này cho phép có độ linh hoạt cao về thiết
kế, vì có thể điều khiển được hình dạng và kích thước lõi, cũng như các mô tả chiết suất
trên khắp vùng vỏ bọc. Kể từ khi có thể kiểm sốt hình dạng và kích thước lõi, cũng
như chiết suất mơ tả trong tồn bộ vùng vỏ bọc quang là có thể. Sau quá trình xếp


19
chồng, các mao dẫn và các thanh được giữ lại với nhau bằng các dây mỏng và hợp nhất
với nhau trong quá trình phác thảo trung gian, nơi mà các phơi khung được phác thảo từ

khung. Sau đó, khung được phác thảo ra từ một tháp rút sợi thông thường, mở rộng rất
nhiều chiều dài của nó, trong khi giảm mặt cắt ngang của nó, từ đường kính 20 mm
xuống cịn 80-200 μm [4]. Để kiểm sốt cẩn thận kích thước lỗ khí trong q trình phác
thảo, nó rất hữu ích khi áp dụng cho bên trong của khung một áp lực nhẹ so với môi
trường xung quang, và để điều chỉnh đúng tốc độ phác thảo.
Nhiệt độ không được vượt q 19000°C [4] vì sức căng bề mặt có thể dẫn đến sự
sụp đổ lỗ khí. Cơ năng, nhiệt độ và áp suất là tất cả các thông số quan trọng cần được
kiểm sốt chính xác trong q trình chế tạo sợi tinh thể quang tử. Cuối cùng, các sợi tinh
thể quang tử được phủ để cung cấp một lớp vỏ bọc bảo vệ tiêu chuẩn, cho phép xử lý
mạnh mẽ các sợi. Phương pháp xếp chồng yêu cầu xử lý rất cẩn thận và việc kiểm sốt
kích thước lỗ khí, vị trí và hình dạng của chúng trong các sợi tinh thể quang tử làm cho
bản phác thảo phức tạp hơn nhiều so với sợi quang thơng thường.

Hình 1.4. Quy trình xếp chồng và kéo sợi [4]


20
b. Phương pháp ống
Các dạng khung khơng khí Silica cũng đã được ép đùn, cho phép sự hình thành
các cấu trúc không dễ dàng đạt được bằng cách xếp chồng các mao dẫn. Trong sức ép
đùn một vật liệu được đẩy hoặc phác thảo thông qua một công cụ gọi là khn ép được
sử dụng để định hình vật liệu của mặt cắt ngang mong muốn. Quá trình ép đùn được áp
dụng cho các loại kính khác ngồi silica mà khơng có sẵn ở dạng ống. Trong q trình
chế tạo này, một thủy tinh nóng chảy được buộc qua một khn ép có chứa một mẫu lỗ
được thiết kế phù hợp. Sức ép đùn cho phép sợi được rút trực tiếp từ thủy tinh số lượng
lớn, sử dụng một tháp phác thảo sợi và hầu như bất kỳ cấu trúc nào, tinh thể hoặc vơ
định hình, đều có thể được sản xuất. Nó hoạt động với nhiều vật liệu, bao gồm cả
polyme và kính hợp chất. Các khung cấu trúc của đường kính ngồi 16 mm và ống lớp
phủ được ép đùn. Các khung được giảm quy mô trên một tháp phác thảo sợi để một
thanh có đường kính khoảng 1,6 mm trong quá trình hình thành thanh. Cái thanh được

chèn vào trong ống lớp vỏ. Lắp ráp này được rút ra để tạo các sợi cuối cùng.

Hình 1.5. Phương pháp ống [4]


21
Phương pháp này cũng có thể được áp dụng cho kính thơng dụng khác, bao gồm
một số có độ phi tuyến cao hơn và độ giảm bản chất thấp hơn một chút. Đặc biệt, một
sợi tinh thể quang tử tellurite với đường kính ngồi 190 μm và đường kính lõi 7 μm đã
được thực hiện [4].
1.2.5. Ứng dụng
Đối với dẫn hướng chiết suất và dẫn hướng dải khoảng trống sợi tinh thể quang tử
bằng cách thay đổi kích thước lỗ, khơng gian và khoảng cách giữa lõi chúng ta có thể có
được các thuộc tính quang học cần thiết.
a. Sợi đơn mode liên tục
Trên cơ sở các chế độ, sợi quang học có hai loại: sợi đơn mode và sợi đa mode.
Trong sợi đơn mode chỉ có một chế độ có thể lan truyền và trong nhiều sợi đa mode có
thể đi di chuyển cùng một lúc. Sản xuất sợi đơn mode là một mở rộng và rất khó để có
được một bán kính lõi hẹp của vài micromet. Nhưng bằng cách sử dụng sợi đơn mode
chúng ta có thể bù đắp cho vấn đề tán sắc đa phương. Vì vậy, cần phải có một sợi đơn
mode liên tục tại bán kính tương đối lớn hơn.
Sợi tinh thể quang tử lõi đặc đầu tiên bao gồm một lưới tam giác của lỗ khí có
đường kính d khoảng 300 nm và khoảng cách giữa các lỗ khí λ bằng 2,3 μm [1] như
trong hình 1.2 khơng bao giờ trở thành sợi đa mode có nghĩa là nó là đơn mode liên tục.
Sự thay đổi trong thiết kế bao gồm ba, năm hoặc bảy lỗ bị thiếu cũng được tìm thấy là
đơn mode liên tục. Nhận thấy rằng khi giá trị của tỷ lệ kích thước lỗ đến khoảng cách lỗ
vượt quá giá trị nhất định thì chỉ có duy nhất sự lan truyền đơn mode được hỗ trợ. Kích
thước lõi rất nhỏ đến rất lớn có thể được hỗ trợ ở bất kể bước sóng.Vì vậy, nó có thể xây
dựng một sợi với kích thước lõi hàng chục micromet.
b. Tinh thể quang tử không tán sắc

Sự tán sắc là một hiện tượng rất quan trọng cần được xem xét và bù đắp. Về cơ
bản có hai loại tán sắc: mơ hình đa phương thức và phương thức nội bộ hoặc tán sắc.


22
Sự tán sắc đa phương thức kết xảy ra do thực tế là nhiều mode di chuyển bên
trong sợi và mỗi mode di chuyển với vận tốc khác nhau và do đó tiếp cận với vật nhận ở
những thời điểm khác nhau. Loại tán sắc này có thể được bù đắp bằng cách sử dụng sợi
đơn mode, tức là chúng ta có thể sử dụng sợi đơn mode liên tục. Màu sắc có nghĩa là
màu sắc, loại tán sắc này xảy ra bởi vì những màu sắc khác nhau của ánh sáng di chuyển
với tốc độ khác nhau. Nó có hai loại: tán sắc dẫn hướng vật liệu và tán sắc dẫn hướng
sóng. Tán sắc dẫn hướng sóng có hệ số tán sắc âm, do đó độ tán sắc tổng thể phải bằng 0
tại một số điểm.Đối với sợi thông thường, sự tán sắc bằng không xảy ra ở 1.3μm. Có thể
bù lại sự tán sắc nếu các bước sóng tán sắc bằng không xảy ra ở tần số hoạt động.
Do sự chênh lệch chiết suất cao giữa silica và khơng khí trong các sợi tinh thể
quang tử, và tính linh hoạt của việc thay đổi kích cỡ và kiểu mẫu của lỗ khí, có thể thu
được một phạm vi rộng hơn của các thành phần tán sắc với các sợi tinh thể quang tử so
với các sợi tiêu chuẩn. Bằng cách thiết kế chính xác sợi tinh thể quang tử, có thể thiết kế
một sợi như vậy cho bước sóng có tán sắc bằng khơng ở bước sóng hoạt động.
Bảng 1.1. Bước sóng tán sắc bằng khơng ở các
bước sóng khác nhau [5].
Cấu hình của sợi tinh thể Bước sóng có độ
Cấu hình của sợi
Bước sóng
quang tử
tán sắc bằng 0
tinh thể quang tử
có độ tán sắc bằng
Lớp 3
......

0
Lớp 4
......
Lớp 3
......
Lớp 5
1.55 μm
Lớp 4
......
Lớp 6
1.45 µm
Lớp 5
1.55 μm
Hình 1.6. Cấu trúc sợi PCF thiếu lớp thứ
Lớp 7
1.2 µm
hai [5].
Lớp 6
1.45 µm
Lớp 7
Hình 1.6. Cấu trúc sợi PCF thiếu lớp thứ
hai [5]

1.2 µm

Bảng 1.1: Bước sóng tán sắc bằng khơng ở
các bước sóng khác nhau [5]


23

Bằng cách sử dụng một sợi tinh thể quang tử với một lỗ khí trống trong lõi rắn và
thiếu một vịng thứ hai như thể hiện trong hình.1.6 chúng ta có thể đạt được sự tán sắc
bằng khơng ở các bước sóng khác nhau. Do đó bằng cách sử dụng các lớp khác nhau,
chúng ta có thể đạt được sự tán sắc bằng khơng ở các bước sóng khác nhau.
c. Ứng dụng cảm ứng của sợi tinh thể quang tử sử dụng cách tử Bragg sợi
quang chu kì lớn
Một loạt các cảm biến có thể được chế tạo bằng cách sử dụng sợi tinh thể quang
tử để xác định nhiệt độ, áp suất, độ biến dạng, độ ẩm ... Có thể đạt được độ tuyến tính tốt
hơn bằng cách sử dụng cách tử Bragg sợi quang chu kì lớn (LPFG) như một cảm biến
trong sợi tinh thể quang tử. Cách tử Bragg sợi quang chu kì lớn cung cấp chu kỳ của vài
trăm bước sóng so với lưới sợi Bragg có chu kỳ bước sóng ít. Lưới sợi Bragg là một tinh
thể quang tử 1D trong đó sự biến thiên định kỳ hoặc không định kỳ về chiết suất của lõi
sợi xảy ra trong một chiều. Để xây dựng cách tử Bragg sợi quang chu kì lớn trong các
loại sợi quang học khác nhau, các phương pháp chế tạo khác nhau như chiếu xạ bằng tia
cực tím , bức xạ tia CO2, xả điện hồ quang được sử dụng.
Sự chiếu xạ bằng tia cực tím. Đây là phương pháp đầu tiên được sử dụng để chế
tạo cách tử Bragg sợi quang chu kì lớn. Nói chung, nó xây dựng sự thay đổi định kỳ
trong chiết suất của lõi sợi. Hai tia cực tím đầu tiên (UV) gắn liền vào sợi silica GeO2
tổng hợp, nghĩa là sợi quang học cảm quang. Hai chùm tia cực tím có bước sóng 244 nm
[6]. Khi hai chùm tia cực tím này can thiệp vào nhau, tạo ra cường độ cực đại và sẽ có
cường độ tối thiểu khi hai chùm tia cực tím can thiệp tàn phá nhau. Chiết suất của sợi
silica tăng lên ở nơi có cường độ cực đại, nghĩa là thể hiện tại đỉnh dương của hình sin
và ở nơi có cường độ tối thiểu khơng có sự thay đổi trong chiết suất của lõi sợi được
biểu diễn bằng đỉnh âm của hình sin. Nó tạo thành một sự thay đổi chiết suất định kỳ
theo trục của sợi là lưới phủ.


24

Hình 1.7. Sự chiếu xạ bằng tia cực tím [6]
Sự bức xạ của tia
CO1.7:
2 vượt trội hơn sự chiếu xạ của tia UV vì nó cung cấp một số
Hình
Sự chiếu xạ bằng tia cực tím [6]
tính năng độc đáo như :
•

Tính linh hoạt hơn, bởi vì tính linh hoạt được kiểm sốt bởi sự bức xạ của

chùm tia CO2.
•

Chi phí thấp vì khơng địi hỏi độ cảm quang và bất kỳ quá trình xử lý sơ bộ

khác là để viết một lưới trong các sợi thủy tinh.
•

Q trình bức xạ tia CO2 có thể được xử lý dưới sự kiểm sốt để tạo ra các

cấu hình lưới phức tạp thơng qua kỹ thuật điểm đến điểm mà không cần mặt phủ đắt
tiền.
•

Kỹ thuật hiệu quả cao để chế tạo lưới.

Việc bức xạ tia CO2 có thể được sử dụng để ghi các cách tử Bragg sợi quang chu
kì lớn chất lượng cao trong các loại sợi quang khác nhau mà khơng có sự cảm quang,
bao gồm các sợi tinh thể quang tử lõi rắn và các sợi dải khoảng trống quang tử lõi khí.

Bức xạ tia CO2 cung cấp sự mất mát thêm vào gần bằng không. Sự bức xạ liên tục của
chùm tia CO2 lên lõi rắn của sợi tinh thể quang tử làm tăng nhiệt độ trên bề mặt sợi. Do
đó, có sự sụp đổ theo chu kỳ của lỗ khí và q trình khí hố của SiO2 trên bề mặt sợi đã
diễn ra. Nó tạo ra các điều chế chiết suất định kỳ dọc theo trục sợi và tạo ra cách tử
Bragg sợi quang chu kì lớn với các khe chu kì trong lõi rắn của sợi tinh thể quang tử.