Nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của pcf lõi đặc với mạng lục giác đều được thẩm thấu bởi rượu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN THÁI HỒNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƢNG CỦA PCF LÕI
ĐẶC VỚI MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU
ĐƢỢC THẨM THẤU BỞI RƢỢU

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGHỆ AN- 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN THÁI HỒNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƢNG CỦA PCF
LÕI ĐẶC VỚI MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU
ĐƢỢC THẨM THẤU BỞI RƢỢU

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 60.44.01.09

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS. CHU VĂN LANH

NGHỆ AN- 2017

LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ 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 q 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.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: SỢI TINH THỂ QUANG TỬ ................................................... 4
1.1. Tổng quan về sợi tinh thể quang tử .............................................................. 4
1.2. Cơ chế dẫn sáng trong sợi quang tử ............................................................. 6
1.2.1. Tinh thể băng cấm lượng tử (photonic band gap-PBG) ............................. 6

1.2.2. Chế tạo tinh thể PBG như thế nào ............................................................. 6
1.2.3. Hoạt động của Tinh thể PBG .................................................................... 7
1.2.4. Làm sao để tinh thể PBG hoạt động ổn định ............................................. 9
1.2.5. Vật liệu dùng cho tinh thể PBG: ............................................................... 9
1.2.6. Phân loại tinh thể PBG ............................................................................. 9
1.2.7. Vùng cấm trong tinh thể PBG một chiều ................................................ 10
1.2.8. Sóng trong tinh thể PBG một chiều ........................................................ 12
1.2.9. Sợi quang tử (PCF) ................................................................................. 13
1.3. Phương pháp chế tạo ................................................................................. 16
1.4. Các phương pháp mô phỏng ...................................................................... 19
1.5. Các đặc trưng của sợi quang tử đơn mode ................................................. 24
1.5.1. Sợi đơn mode vơ hạn .............................................................................. 24
1.5.2. Diện tích trường mode ............................................................................ 26
1.5.3. Đặc trưng tán sắc .................................................................................... 27
1.6. Kết luận ..................................................................................................... 30
CHƢƠNG 2: ĐẶC TRƢNG CỦA PCF LÕI ĐẶC VỚI MẠNG LỤC GIÁC
ĐỀU ĐƢỢC THẨM THẤU BỞI RƢỢU ...................................................... 31
2.1.Vật liệu và cấu trúc mạng ........................................................................... 31
2.2. Các đặc trưng mode cơ bản ...................................................................... 31


2.2.1 Cấu trúc ................................................................................................... 31
2.2.2 Phân bố trường mode cơ bản ................................................................... 32
2.2.3 Chiết suất hiệu dụng và hệ số hấp thụ ..................................................... 34
2.3 Đặc trưng tán sắc ........................................................................................ 37
2.4 Kết luận ...................................................................................................... 41
KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................... 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 43

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PCF

Photonic Crystal Fiber

Sợi tinh thể quang tử

GVD

Group velocity dispesion

Tán sắc vận tốc nhóm

MFD

Mode field diameter

Đường kính trường mode

GI
PBG

Graded - Step - Index hay
gradient
Photonic Band Gap

Chiết suất liên tục
vùng cấm lượng tử

DANH MỤC HÌNH
Hình 0.1 sợi quang thơng thường, sợi quang tử .................................................. 1
Hình 1.1 cấu trúc tinh thể quang tử một chiều và cấu trúc sợi quang cách tử
Bragg ................................................................................................................. 5
Hình 1.2 cấu trúc tinh thể quang tử 2D, cấu trúc sợi quang tử 2D ...................... 5
Hình 1.3 Quá trình phản xạ cộng hưởng trong mạng cấu trúc tinh thể ................ 8
Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể PBG ........................................................................ 10
Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể PBG một chiều ...................................................... 10
Hình 1.6 Vùng cấm xuất hiện trong tinh thể PBG một chiều ........................... 11
Hình 1.7 Cấu trúc tinh thể PBG 2D và phổ truyền qua ..................................... 12
Hình 1.8 Cấu trúc tinh thể PBG 2D có khuyết và phổ truyền qua .................... 12
Hình 1.9 Các sóng hình thành trong tinh thể PBG một chiều ........................... 13
Hình 1.10 Các sóng hình thành trong tinh thể PBG hai chiều ......................... 13
Hình 1.11 Sợi quang tử (a) sợi quang thơng thường (b) .................................. 14
Hình 1.12 Cánh bướm (a) cấu trúc vi mô của cánh bướm (b) ......................... 15
Hình 1.13 Sợi quang tử lõi đặc(a) sợi quang tử lõi rỗng(b) ............................. 16
Hình 1.14 Quá trình chế tạo sợi quang tử ........................................................ 17
Hình 1.15 Các mẫu sợi quang tử ...................................................................... 18
Hình 1.16 Tế bào Yee ...................................................................................... 20
Hình 1.17 Mơ phỏng PWE .............................................................................. 22
Hình 1.18 Đặc trưng mode của PCF đỏn mode vơ hạn .................................... 25
Hình 1.19 Tần số chuẩn hóa đối với PCF Mạng lục giác với chỉ số lấp đầy
0,2 ................................................................................................................... 25
Hình 1.20 Cấu trúc đặc trưng của sợi PCF đơn mode ....................................... 26
Hình 1.21 so sánh tán săc trong sợi SIF và PCF ............................................ 28
Hình 1.22 Cấu hình giảm mất mát do Hasen đề xuất ...................................... 29
Hình 2.1 Cấu trúc mạng của sợi quang ............................................................. 32

Hình 2.2 Phân bố trường mode cơ bản trong lõi sợi quang .............................. 33
Hình 2.3 Phân bố trường mode cơ bản trong lõi sợi quang nhúng lỗ khơng khí và
lỗ rượu ............................................................................................................. 34
Hình 2.4 chiết suất của rượu ............................................................................ 35
Hình 2.5 Hệ số hấp thụ của rượu ...................................................................... 36
Hình 2.6 Chiết suất hiệu dụng của sợi quang tử thẩm thấu rượu ...................... 36
Hình 2.7 Hệ số hấp thụ của sợi quang tử thẩm thấu rượu ................................. 37
Hình 2.8 Đặc trưng tán sắc của sợi quang tử với ống khí ................................. 38
Hình 2.9 Đặc trưng tán sắc của sợi quang tử và ống thẩm thấu rượu ................ 39
Hình 2.10 Đặc trưng tán sắc của sợi quang tử và ống thẩm thấu rượu có đường
kính thay đổi .................................................................................................... 40


1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các sợi quang thơng thường khơng chỉ có các ứng dụng trong lĩnh vực
thơng tin quang mà cịn có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như trong y học,
gia công, cảm biến, và rất nhiều lĩnh vực khác. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến
chất lượng truyền của các sợi quang học đó là sự mất mát và độ tán sắc. Bằng
cách tạo ra các cơ chế biến đổi độ tán sắc (thường được gọi là quản lý tán sắc
hay công nghệ tán sắc) đã đem lại các cơng nghệ hồn thiện lĩnh vực thơng tin
quang ngày nay.
Các sợi quang có ứng dụng rất tốt trong thông tin quang và một số lĩnh
vực khác khơng thuộc thơng tin quang. Tuy nhiên, nó có một số hạn chế trong
việc thiết kế và chế tạo như hạn chế trong thiết kế tự do, việc chọn vật liệu gặp
khó khăn (nhiệt độ của lõi và vỏ phải giống nhau), hạn chế về mật độ năng
lượng truyền, hạn chế về kích thước mode trong chế độ phát 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 (PCF) (photonic crystal fiber) (Hình 0.1).

Hình 0.1. Sợi quang thơng dụng (trái) và một số loại sợi quang tử (phải)
Kể từ đó, các sợi tinh thể quang tử (PCFs) đã được nghiên cứu chuyên sâu
gần hai thập kỷ bởi rất nhiều nhà khoa học lớn và họ đã chỉ ra các PCF có nhiều
lợi thế hơn so với các loại sợi quang học thơng thường. Một PCF có thể được


2
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. Sau khi phát hiện ra các PCFs thì các
nghiên cứu về việc ứng dụng nó trong ngành trong quang học rất phong phú và
hữu dụng. Ngày nay, PCFs có một phạm vi ứng dụng rất rộng lớn như trong các
laser sợi, bộ khuếch đại, truyền tải công suất cao, cảm biến khí rất nhạy và các
thiết bị phi tuyến. Trong khoảng thời gian trước năm 2006,các nghiên cứu tập
trung cho các sợi tinh thể quang tử được bơm vào lỗ mạng bởi khơng khí. Các
nghiên cứu này thể hiện qua các cơng trình [1], [2], [3], [4].
Các PCF có nhiều ưu điểm hơn so với các sợi quang thơng thường trong
việc thiết kế và chế tạo đó là nó có thể được thiết kế linh hoạt hơn trong cơ chế
dẫn ánh sáng, trong thiết kế các loại mạng, hình dạng và kích thước các lỗ mạng
và lựa chọn vật liệu.
Các PCF có các tính chất đặc trưng đó là chiết suất hiệu dụng, tán sắc,
diện tích hiệu dụng và giam giữ mất mát.
Các tham số ảnh hưởng đến các tính chất đặc trưng của các PCFs đó là
các tham số hình học như kích thước đường kính lỗ, cấu trúc các loại mạng,
khoảng cách giữa các lỗ và vật liệu đổ vào lỗ.
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã cho thẩm thấu chất lỏng
vào các lỗ rỗng. Việc thẩm thấu (bơm) chất lỏng vào các lỗ rỗng của lớp vỏ hay
lõi là một bước đột phá trong công nghệ quản lý tán sắc. Bằng cách lựa chọn

chất lỏng, người ta có thể điều khiển được độ cong phẳng của các đường tán sắc.
Khi bơm chất lỏng vào các lỗ rỗng thì thu được các đường tán sắc phẳng hơn
nhiều khi bơm khí. Đồng thời việc sử dụng chất lỏng rất thích hợp cho việc phát
siêu liên tục. Ngoài ra, cũng bằng cách bơm một hỗn hợp chất lỏng thích hợp
vào các lỗ có thể tạo ra được các sợi tinh thể quang tử được ứng dụng trong cảm
biến nhiệt độ có độ nhạy cao. Các nghiên cứu về sợi tinh thể quang tử được bơm


3
chất lỏng vào lỗ mạng được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm trong những
năm gần đây, được thể hiện qua các cơng trình [5], [6], [7], [8].
Để góp phần vào các q trình nghiên cứu trên, chúng tơi đề xuất đề tài
nghiên cứu của luận văn “Nghiên cứu một số tính chất đặc trƣng của PCF lõi
đặc với mạng lục giác đều đƣợc thẩm thấu bởi rƣợu”.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của PCF lõi đặc với mạng lục giác đều
được thẩm thấu bởi rượu. Từ đó có thể xác định được bộ tham số nhằm thiết kết
tối ưu hóa các PCF.
3. Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng
Các tính chất đặc trưng của các PCF đó là chiết suất hiệu dụng, tán
sắc,diện tích hiệu dụng và giam giữ mất mát.
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các PCF lõi đặc, mạng lục giác đều
4. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu các PCF lõi đặc, mạng lục giác đều,Chiết suất hiệu dụng và
tán sắc của PCF
5. Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài
Nghiên cứu bằng lý thuyết số trên cơ sở sử dụng phần mềm mô phỏng
Mode Solutions và phần mềm Matlap.

6. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của luận văn
 Luận văn giới thiệu tổng quan lý thuyết về sợi quang nói chung và sợi
quang tử nói riêng.
 Giới thiệu sơ lược về phần mềm mode solutions.
 Kết quả của luận văn nhằm tối ưu sự truyền dẫn trong các PCF.
 Làm tài liệu tham khảo cho các học viên cao học và những ai quan tâm.


4
CHƢƠNG 1: SỢI TINH THỂ QUANG TỬ

1.1. Tổng quan về sợi tinh thể quang tử
Sợi tinh thể quang tử là những sợi quang có cấu trúc chu kỳ bằng cách tạo
ra các lỗ chứa khí hoặc chứa chất lỏng,...Ánh sáng có thể lan truyền dọc theo sợi
quang có tiết diện ngang bị khuyết tật có cấu trúc tinh thể. Khuyết tật được tạo
ra bằng cách lấy đi một hoặc nhiều lỗ hổng trong lớp vỏ hoặc lõi và bơm vào đó
là các chất khí hoặc chất lỏng. Sợi quang tử là một loại sợi quang mới. Kết hợp
giữa tính chất của sợi quang và của tinh thể quang tử, sợi quang tử tinh thể có
hàng loạt các đặc trưng lạ thường so với sợi quang thông thường. Sợi quang
thông thường đã xuất hiện nhiều trong ứng dụng cho thông tin cũng như các lĩnh
vực khác ngồi thơng tin, nhưng chúng cũng có hàng loạt các hạn chế cơ bản
quy định bởi cấu trúc của chúng. Chúng có giới hạn về đường kính trong chế độ
đơn mode, bước sóng cắt của mode, hạn chế trong việc chọn vật liệu (đặc trưng
nhiệt của lõi và vỏ phải như nhau). Sợi quang tử được chế tạo rất đa dạng. Hàng
loạt thơng số có thể thay đổi như: hằng số mạng (lattice pitch), dạng của ống
khí, đường kính ống khí, chiết suất của thủy tinh, và dạng của mạng (tứ giác, lục
giác, bát giác,…). Việc tự do lựa chọn đó cho phép chúng ta nhận được sợi
quang đơn vô cùng đơn mode , tức là chúng trở thành sợi đơn mode trong toàn
bộ vùng quang học và bước sóng cắt khơng tồn tại. Hơn thế nữa, có hai cơ chế
dẫn sóng trong sợi quang tử: cơ chế dẫn chiết suất (giống như sợi quang thông

thường dựa trên nguyên lý của hiện tượng phản xạ toàn phần) và cơ chế vùng
cấm quang tử (photonic bandgap).
Nhờ thao tác lựa chọn cấu trúc, ta có thể chế tạo sợi quang có đặc trưng
tán sắc mong muốn. Sợi quang tử có thể thiết kế chế tạo sao cho chúng có tán
sắc khơng, tán sắc thấp, tán sắc dị thường trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
Chúng cũng có thể có tán sắc phẳng trong một vùng bước sóng lớn. Kết hợp
giữa tán sắc dị thường cùng với diện tích trường mode nhỏ sẽ thu được các đặc


5
trưng phi tuyến của sợi quang. Mặt khác, sợi quang đơn mode với lõi là chất rắn
hay lõi khơng khí (hay chất lỏng) cũng có thể chế tạo được. Ý tưởng sợi quang
tử được Yeh và cộng sự công bố lần đầu tiên vào năm 1978 [11]. Họ đã đề xuất
sử dụng vỏ của sợi quang bằng cách tử Bragg, khi đó tiết diện ngang của sợi
quang tương tự như tinh thể quang tử một chiều (hình1.1). Cịn sợi quang tử 2D
(hai chiều) với lõi khơng khí được Russell và cộng sự chế tạo vào năm 1992
(hình 1.2).

a)
Hình 1.1. a) Cấu trúc tinh thể quang tử một chiều;
b) Cấu trúc sợi quang cách tử Bragg.

a)

b)
Hình 1.2. a) Cấu trúc tinh thể quang tử 2D;
b) Cấu trúc sợi quang tử 2D.

Quá trình phát triển nghiên cứu của sợi quang tử được trình bày trong
bảng 1 [10].

6

Bảng 1.
Năm

Sự kiện

1978

Ý tưởng về sợi quang cách tử Bragg

1992

Ý tưởng về sợi quang tử lõi khí

1996

Chế tạo thành cơng sợi quang đơn mode vỏ quang tử

1997

Sợi quang tử đơn mode khơng giới hạn

1999

Sợi quang tử vùng cấm có lõi khí

2000

Sợi quang tử lưỡng chiết cao

2000

Phát siêu liên tục

2001

Chế tạo thành công sợi quang Bragg

2001

Chế tạo thành công laser sợi quang tử vỏ đôi

2002

Sợi quang tử với tán sắc siêu phẳng

2003

Sợi quang Bragg với thủy tinh và lõi khí

1.2. Cơ chế dẫn sáng trong sợi quang tử
1.2.1. Tinh thể băng cấm lƣợng tử (photonic band gap-PBG)
Tinh thể băng cấm lượng tử là một cấu trúc vật liệu có thể điều khiển
chùm ánh sáng tương tự như các linh kiện bán dẫn điều khiển dịng điện. Vật
liệu bán dẫn khơng ưu tiên các điện tử có năng lượng nằm trong vùng cấm (năng
lượng nhỏ hơn chênh lệch năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị, Eg). Tinh
thể PBG cũng khơng ưu tiên các photon ánh sáng có năng lượng trong vùng

cấm. Do đó, có thể ngăn hoặc cho phép ánh sáng truyền qua tinh thể. Bằng
cách này, ánh sáng có thể điều khiển được.
1.2.2. Chế tạo tinh thể PBG nhƣ thế nào
Tinh thể PBG gồm các vật liệu điện môi (thơng thường là thủy tinh), có hệ
số mất mát rất nhỏ đối với trường điện từ. Các lỗ trống (không khí hoặc dung
dịch, …) được chèn vào trong vật liệu, tạo thành mạng có cấu trúc lặp xác định


7
(cấu trúc mạng tứ giác, lục giác, bát giác,… ). Kích thước lỗ trống được lựa
chọn phù hợp với bước sóng ánh sáng liên quan. Nếu chế tạo chính xác, thì
mạng lỗ trống này sẽ trở thành PBG có thể ngăn không cho ánh sáng nằm trong
vùng tần số nào đó truyền qua tinh thể.
1.2.3. Hoạt động của Tinh thể PBG
Trong bán dẫn, các điện tử sẽ bị tán xạ bởi các nguyên tử cấy trong mạng,
do đó băng cấm hình thành. Trong tinh thể PBG, các lỗ trống có vai trò tương tự
như nguyên tử trong bán dẫn. Ánh sáng sẽ phản xạ hoặc khúc xạ qua mặt tiếp
xúc giữa lỗ trống và thủy tinh. Sự giao thoa phức tạp giữa chùm tia tới, phản xạ
và khúc xạ sẽ làm cho ánh sáng trong một băng tần nào đó khơng truyền qua.
Như vậy, băng cấm hình thành trong mạng nhiều lỗ trống sắp xếp theo chu kỳ
trong vật liệu.
Hiệu ứng vật lý trong tinh thể PBG: Băng cấm được hình thành do sự
tương hợp giữa hai cơ chế tán xạ cộng hưởng nội như trong hình 1.3.


8

ε(x)

a)

d- đƣờng kính lỗ

Λ-hằng số
mạng

Truyền qua cộng hƣởng

b)

Phản xạ cộng hƣởng λ/4 = d
λ
c)

/L

2/L

k

Hình 1.3. Quá trình phản xạ cộng hưởng trong mạng cấu trúc tinh thể.
a) Cấu trúc mạng tinh thể một chiều;
b) Quá trình truyền qua và phản xạ cộng hưởng;
c) Quá trình cộng hưởng qua các tế bào mạng.
Thứ nhất là cộng hưởng Bragg vĩ mô trong mạng tán xạ có chu kỳ. Hiện
tượng sẽ khơng cấm đối với trường điện truyền theo phương có biến điệu theo
chu kỳ, nếu số nguyên (m = 1,2,3,…) nửa bước sóng trùng với hằng số mạng
(Λ) của mơi trường điện môi vi cấu trúc.
Thứ hai là cộng hưởng phản xạ vi mô của mỗi tế bào đơn vị trong vật liệu.
Trong mỗi lỗ nhúng, phản xạ ngược cực đại sẽ xẩy ra khi một phần tư bước sóng

(λ/4) chính xác bằng đường kính của lỗ nhúng (d) có chiết suất n. Sự xuất hiện
hiệu ứng PBG được tăng cường bằng cách chọn các tham số vật liệu d, Λ và n


9
sao cho cả hai hiện tượng cộng hưởng vĩ mô và vi mô cùng xẩy ra tại một tần số
nào đó mong muốn.
1.2.4. Làm sao để tinh thể PBG hoạt động ổn định
Muốn cho tinh thể hoạt động ổn định đối với ánh sáng tại bước sóng nào
đó cần thỏa mãn các điều kiện sau đây:
i) Sự xuất hiện hiệu ứng PBG sẽ ổn định nếu các tham số hình học của
tinh thể PBG được lựa chọn sao cho cả hai hiện tượng cộng hưởng vĩ mô và vi
mô đều xẩy ra.
ii) Cả hai cơ chế phản xạ phải đủ mạnh và độc lập. Trong thực tế, điều
này có nghĩa là vật liệu điện mơi phải có độ tương phản chiết suất lớn và độ
tương phản này ln ln chính xác so với lỗ nhúng hoặc chất lỏng chứa trong
các lỗ nhúng đó.
iii) Hệ số hấp thụ hoặc hệ số suy giảm của vật liệu đối với ánh sáng nhỏ
có thể bỏ qua.
1.2.5. Vật liệu dùng cho tinh thể PBG:
Vật liệu chính để chế tạo tinh thể PBG thường là thủy tinh (SiO2) như
trong sợi quang thông thường. Trong một số trường hợp cần thay đổi chiết suất
các vật liệu khác có thể cấy thêm vào thủy tinh một số loại vật liệu sau: Germani
(Ge), Asenit-Galli (GaAs), Phôt pho-indi (InP).
1.2.6. Phân loại tinh thể PBG
Phụ thuộc vào nhu cầu ứng dụng mà tinh thể PBG có thể có các cấu trúc
khác nhau. Nhưng chủ yếu hiện nay tinh thể PBG có thể phân loại 3D, 2D và 1D
(xem hình 1.4).

10

Hình 1.4. Cấu trúc của tinh thể PBG.
1.2.7. Vùng cấm trong tinh thể PBG một chiều
Màng mỏng nhiều lớp là tinh thể lượng tử vùng cấm một chiều. Khái
niệm một chiều được giải thích cho vật liệu điện mơi chỉ phân bố chu kỳ theo
một chiều (hình 1.5). Nó bao gồm các lớp hai vật liệu điện môi và chiết suất
khác nhau xếp kế tiếp nhau và cách nhau một khoảng Λ, tương tự như màng
mỏng điện môi phủ trên gương laser hay tấm lọc giao thoa. Băng cấm lượng tử
của vật liệu này được tăng cường khi độ tương phản chiết suất lớn.

Hình 1.5. Cấu trúc của tinh thể PBG một chiều.
Ví dụ trong cấu trúc một chiều chế tạo từ các lớp điện mơi có chiều dày a
như nhau và có hằng số điện mơi khác nhau: ε1= ε2= 13 (hình 1.6a), ε1= 13 và
ε2= 10 (hình 1.6b), ε1=13 và ε2 = 1 (hình 1.6c). Khi khơng có độ tương phản
(chênh lệch hằng số điện môi bằng không) khơng có vùng cấm, nhưng khi có sự


11
chênh lệch hằng số điện môi giữa hai lớp vùng cấm (vùng bơi màu) xuất hiện và

Véc tơ sóng kza/2

(b)

Véc tơ sóng kza/2

Tần số chuản hóa ωa/2c

(a)

Tần số chuản hóa ωa/2c

Tần số chuản hóa ωa/2c

khi độ chênh lệch hằng số điện mơi lớn thì vùng cấm cũng lớn.

Vùng cấm
(c)

Véc tơ sóng kza/2

Hình 1.6. Vùng cấm xuất hiện trong tinh thể PBG một chiều.
Sự xuất hiện vùng cấm trong tinh thể PBG hai chiều hay ba chiều cũng
tương tự. Chỉ khác ở chỗ, vùng cấm xuất hiện đối với sóng truyền lan theo chiều
nào qua tinh thể đó. Khi sóng truyền theo một phương bất kỳ, nó có thể được
phân tách thành tổng hợp của các sóng truyền theo các phương tương ứng với
mạng tinh thể.
Trong tinh thể băng cấm 2D, chúng ta có thể thấy được băng cấm thơng
qua phổ truyền qua của chúng. Ví dụ, băng cấm trong vùng 0,22 μm đến 0,38μm
của băng cấm 2D thể hiện trên hình 1.7.


12

a)

b)

Hình 1.7.a) Cấu trúc của tinh thể PBG 2D và b) Phổ tuyền qua.

Cũng trong cấu trúc 2D, bằng cách thế một hoặc nhiều ống trụ trong mạng
sẽ tạo ra lỗi trong mạng băng cấm 2D. Bằng cách này sẽ định xứ một mode nào
đó trong băng cấm (hình 9).

a)
Hình 1.8.

b)
a) Cấu trúc của tinh thể PBG 2D có khuyết
b) Phổ tuyền qua.

1.2.8. Sóng trong tinh thể PBG một chiều
Một sóng truyền trong tinh thể PBG một chiều sẽ phản xạ từng phần từ
mỗi lớp cấu trúc (hình 1.9). Các sóng thành phần tăng cường lẫn nhau nếu chúng
hợp pha. Kết hợp với sóng tới, sẽ hình thành sóng đứng và do đó khơng thể
truyền qua vật liệu.


13

1. Sóng vào

2. Sóng phản
xạ

3. Sóng tổng
hợp

Hình 1.9. Các sóng hình thành trong tinh thể PBG một chiều.
Một sóng khơng thuộc băng cấm truyền qua vật liệu cấu trúc một chiều.

Các sóng phản xạ khơng hợp pha nhau nên chúng triệt tiêu nhau. Ánh sáng
truyền qua vật liệu với hệ số suy giảm nào đó rất nhỏ.
Sóng trong băng cấm 2D: 1) Đối với băng cấm 2D, mỗi tế bào đơn vị sẽ
tạo ra sóng phản xạ (1); 2) Sóng phản xạ và khúc xạ sẽ kết hợp với nhau để loại
sóng tới (2); 3) Hiện tượng này sẽ xẩy ra trong tất cả các phương có thể (3).

Hình 1. 10. Các sóng hình thành trong tinh thể PBG hai chiều.
1.2.9. Sợi quang tử (PCF)
Sợi quang tử (PCF) là sợi dẫn quang mà tiết diện ngang của nó có cấu trúc
2D khuyết như trên hình 1.8a. Có hai loại sợi PBG 1) Lõi chiết suất lớn là dạng


14

cải tiến của sợi quang phản xạ toàn phần (TIR); 2) Lõi có chiết suất thấp dựa
trên hiệu ứng quang tử băng cấm.
* Sợi TIR cải tiến (hình 1.11):
- Các ống trụ khơng khí được ngăn cách bởi các gap (phần thủy tinh giữa
các lỗ khơng khí) trong sợi thủy tinh. Chiết suất hiệu dụng của vỏ (gồm ống khí
và gap) nhỏ hơn chiết suất lõi (phần thủy tinh bao bởi lớp lỗ khơng khí trong
cùng).
- Ánh sáng sẽ lách qua khe cấm nằm giữa các ống khí. Nhưng cấu hình
kiểu vùng cấm đã ngăn lại.
- Mode cơ bản có bước sóng dài nhất được bẫy trong lõi, trong khi đó
các mode bậc cao hơn nhanh chóng lọt ra ngồi như một q trình sàng lọc.
- Với các ống khí đủ nhỏ, sợi quang tử sẽ giữ nguyên bản chất của sợi
đơn mode đối với tất cả các bước sóng, khi đó được gọi là sợi đơn mode vơ hạn.

a)
Hình 1.11. a) Sợi quang tử;

b)
b) Sợi quang thông thường.

- Sợi quang tử hoàn toàn khác với sợi TIR nhờ cơ chế hoạt động cơ bản.
- Hiệu ứng cấm cũng có thể nhìn thấy trong tự nhiên, ví dụ có thể nhìn
thấy màu chói từ cách bướm (hình 1.12). Đó là hệ quả của sự tồn tại vi cấu trúc
trên cánh bướm. Cấu trúc vi cấu trúc đó sẽ hoạt động như vùng cấm quang, nó
ngăn sự truyền qua của ánh sáng trong một vùng phổ nào đó. Ánh sáng sẽ phản
xạ lại và tạo thành màu chói.


15
- Trong sợi quang tử, các ống sắp xếp theo chu kỳ sẽ hoạt động như lõi,
các ống khí thêm vào hoạt động như vỏ. Do đó, ánh sáng khơng truyền qua được
vào vỏ do vùng cấm, chúng bị giam vào lõi, thậm chí khi lõi có chiết suất nhỏ
(Trong sợi quang TIR, chiết suất lõi phải lớn hơn chiết suất vỏ).
- Trong thực tế, sợi quang lõi khơng khí hoặc chân khơng có chiết suất và
mất mát thấp có thể chế tạo.

a)

b

Hình 1. 12. a) Cánh bướm; b) Cấu trúc vi mô của cánh bướm..
Khi cấu trúc cuả sợi thủy tinh được tạo ra khuyết tật bằng cách đưa vào
một số ống khí, khi đó sự truyền lan ánh sáng trong sợi quang tử được xem như
cơ chế phản xạ trong đã bị thay đổi. Nhờ sự thay đổi bởi mạng các ống khí đó
mà các mode bậc cao sẽ bị mất đi và chỉ có mode cơ bản được dẫn trong sợi.
Mode này có đường kính (đường kính tiết diện phân bố trường ánh sáng) nhỏ

nhất, gần bằng kích thước của khuyết tật, tức là hằng số mạng. Theo Knight và
cộng sự [2], sợi quang sẽ là đơn mode khi d/Λ < 0.4, trong đó, d là đường kính
của ống khí và Λ hằng số mạng. Cịn sự lan truyền ánh sáng trong tinh thể quang
tử được xây dựng vào năm 1996 trong sợi quang lõi đặc.
Trong mạng các ống khí, nếu thay ống thủy tinh ở lõi bằng một ống khí có
đường kính lớn hơn đường kính các ống khí mạng, chúng ta sẽ nhận được quang
tử băng cấm [2, 3].


16

Hình 1. 13. a) Sợi quang tử lõi đặc;
b) Sợi quang tử lõi rỗng (quang tử băng cấm).
Sự truyền lan ánh sáng lúc này sẽ tương tự như cơ chế mà chúng ta đã biết
trong Vật lý chất rắn, đó là cơ chế dẫn điện trong chất bán dẫn. Năm 1997 sự
truyền ánh sáng trong sợi quang tử băng cấm được xây dựng. Một số ống khí ở
giữa mạng các ống khí đã lấy đi thay vào đó là một ống trống chứa khí [5]. Cấu
trúc chu kỳ của lõi sẽ hình thành cấu trúc quang tử tinh thể 2D với hằng số mạng
gần bằng bước sóng ánh sáng. Trong cấu trúc tinh thể quang tử băng cấm 2D
mạng, hiện tượng ngăn cấm sự truyền qua một số ánh sáng trong một vùng tần
số (bước sóng) nhất định. Như vậy, khi cấu trúc chu kỳ bị phá vỡ, một vùng phổ
riêng với các đặc trưng quang học khác với sợi quang tử sẽ hình thành. Vùng
khuyết tật sẽ hỗ trợ cho một số mode có tần số rơi vào vùng cấm không thẩm
thấu ra ngoải tinh thể lượng tử. Các mode này sẽ bị giam giữ vào vùng khuyết
và truyền trong lõi. Do quang tử vùng cấm giam giữ ánh sáng trong lõi, nên
khơng u cầu vùng khuyết có chiết suất lớn hơn chiết suất xung quanh.
1.3. Phƣơng pháp chế tạo
Mặc dù loại thủy tinh dạng cấu trúc và nguyên lý chế tạo sợi quang tử rất
đa dạng, nhưng chúng ta có thể thấy phương pháp kéo được áp dụng nhiều nhất
trong quá trình chế tạo sợi quang tử từ sợi thủy tinh gia nhiệt mềm. Trong

17
phương pháp này, thủy tinh nóng chảy được ép vào khn gồm nhiều lỗ trịn
[16]. Phương pháp tạo (cấy) vật liệu thủy tinh đã được biết trong công nghệ
thủy tinh [17]. Với phương pháp này sợi quang tử được sản xuất qua nhiều bước
(hình 1.13).

Hình 1.14. Quá trình chế tạo sợi quang tử.
a) Tạo ống tủy tinh riêng lẻ;
b) Xếp theo cấu trúc mong muốn;
c) Tạo mẫu trung gian; d) Kéo đến sợi cuối cùng.
Bước thứ nhất các ống thủy tinh đơn lẻ được chế tạo. Chúng ta có thể sử
dụng ống thủy tinh có đường kính, độ dày khác nhau, tiết diện ngang khác nhau,
loại thủy tinh khác nhau để chế tạo (hình 1.14).
Tiếp theo các ống riêng lẻ được sắp xếp theo mạng mong muốn. Các chỗ
khuyết, trong đó ánh sáng truyền qua có thể là một sợi thủy tinh đối với sợi
quang tử đặc và là ống khí đối với sợi quang vùng cấm với đường kính mong
muốn. Sợi thủy tinh tạo khuyết được đặt đúng theo cấu trúc mạng mong muốn.
Tồn bộ bó sợi và ống xếp theo cấu trúc đó được làm nóng chảy và kéo bằng
thiết bị kéo sợi quang thơng thường. Bó sợi đó được kéo nhỏ đến đường kính cỡ
milimet, đó chính là mẫu trung gian.