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 hoàn thiện. Tôi 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 chuyên ngành trong và ngoài nước.
Tác giả luận án
Trần Quốc Vũ
ii
LỜI CẢM ƠN
Luận án này không chỉ là công sức của cá nhân tôi mà còn có sự đóng góp
nhiệt tình của những người Thầy, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình của tôi.
Đầu tiên, tôi 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 tôi hoàn 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 Công nghệ Việt Nam, đã tận tình truyền đạt kiến thức
cho tôi trong suốt thời gian học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng 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 vô 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 tôi. Ngoài 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 tôi
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 không
Generalized Nonlinear Schrödinger
Phương trình Schrödinger phi tuyến
Equation (GNLSE)
tính tổng quát
Photonic band gap (PBG)
Vùng cấm quang tử
Total internal reflection (TIR)
Phản xạ toàn phần
Group velocity dispersion (GVD)
Tán sắc vận tốc nhóm
Nonlinear Schrödinger Equation (NLSE)
Phương trình Schrödinger 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
Nghĩa
n
Không thứ nguyên
Chiết suất tuyến tính
n2
Không thứ nguyên
Chiết suất phi tuyến
neff
Không thứ nguyên
Chiết suất hiệu dụng
c
2,998.108 m/s
Vận tốc ánh sáng trong chân không
[Hz]
Tần số của môi trường
0
8,85.10-12 F/m
Độ điện thẩm trong chân không
μ0
1,26.10-6 H/m
Độ từ thẩm trong chân không
k0
[cm-1]
Hằng số sóng
Lc
[dB/m]
Suy hao giam giữ
Aeff
[μm2]
Diện tích mode hiệu dụng
, 0
[μm]
Bước sóng ánh sáng
γ
[(W.km)-1]
Hệ số phi tuyến
[dB/km]
Hệ số suy hao
[cm-1]
Hằng số lan truyền
P0
[KW]
Công suất cực đại của xung laser vào
L
[μm]
Độ dài lan truyền
D
[ps/km.nm]
Tham số tán sắc
DM
[ps/km.nm]
Tán sắc vật liệu
Dw
[ps/km.nm]
Tán sắc ống dẫn sóng
[rad/s]
Tần số góc của sóng quang
r, t
[C/m3]
Véc tơ mật độ điện tích
[A/m2]
Véc tơ mật độ dòng điện
j r, t
v
[V/m]
Véc tơ cường độ điện trường
[C/m2]
Véc tơ cảm ứng điện
[A/m]
Véc tơ cường độ từ trường
[T]
Véc tơ cảm ứng từ
P r, t
[C/m2]
Véc tơ phân cực điện cảm ứng
hR(t)
Không thứ nguyên
Hàm phản ứng Raman
S
[ps/km.nm2]
Tham số độ dốc tán sắc
z
[cm]
Chiều dài sợi quang
0
[fs]
Độ rộng thời gian xung vào
Tr
Không thứ nguyên
Hằng số Raman
LD
[cm]
Chiều dài đặc trưng tán sắc
LNL
[cm]
Chiều dài đặc trưng phi tuyến
Lfiss
[cm]
Chiều dài tách soliton
LMI
[cm]
Chiều dài điều chế không ổn định
2
[ps2/km]
Độ tán sắc bậc vận tốc nhóm
N
Số vô hướng
Số bậc soliton
Không thứ nguyên
Thời gian chuẩn hóa
Không thứ nguyên
Quãng đường lan truyền chuẩn hóa
3
Không thứ nguyên
Đặc trưng cho hiệu ứng tán sắc bậc 3
S
không thứ nguyên
Đặc trưng cho hiệu ứng tự dựng xung
R
Không thứ nguyên
Đặc trưng cho hiệu ứng tự dịch chuyển tần số
[μm]
Hằng số mạng
d
[μm]
Đường kính của các lỗ khí
Dc
[μm]
Đường kính lõi
E r, t
D r, t
H r, t
B r, t
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 0.1: a) Sợi quang thông thường và b) Một số loại sợi tinh thể quang tử 3
Hình 0.2: Cấu trúc của sợi quang thông thường
3
Hình 0.3: Cấu trúc hình học của sợi quang PCF
4
Hình 1.1: Hình dạng hình học của tinh thể quang tử (a) 1D (b) 2D và (c) 3D 10
Hình 1.2: Sơ đồ mặt cắt của PCF lõi đặc [4 - 7]
12
Hình 1.3: Mặt cắt ngang của PCF lõi rỗng đầu tiên, với khoảng cách giữa 12
các lỗ là 4,9 μm và đường kính lõi 14,8 μm [4 - 7]
Hình 1.4: Các thông số PCF [7]
13
Hình 1.5: Mô hình biểu diễn mặt cắt ngang qua (a) một sợi quang thông 14
thường [1 - 3] và (b) một PCF lõi rắn [4 - 7]
Hình 1.6: Quá trình chế tạo PCF
17
Hình 1.7: Tiền mẫu PCF (Hình a, b, c, d, e, f)
18
Hình 1.8: Biểu diễn diện tích mode hiệu dụng [28, 31]
21
Hình 1.9: Minh họa giam giữ mất mát của ánh sáng khi truyền dẫn trong 26
PCF [34]
Hình 1.10: Mất mát uốn cong của PCF [36]
27
Hình 1.11: Đồ thị biểu diễn chiết suất tuyến tính n của toluen, nitrobenzen, 43
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 47
Hình 2.2: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF 49
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 50
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 51
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 52
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 55
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 56
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 57
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 58
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
61
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
62
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
64
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
65
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 68
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 69
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 70
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 71
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
74
Hình 2.19: Đặc trưng tán sắc của các PCF - B được chọn để SC
75
Hình 2.20: Đặc trưng của tán sắc mode PCF cho các sợi # F1, # F2 và # F3. 76
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 80
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 82
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 84
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 86
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 88
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 toán 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 toán 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 toán 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, 11
88]
Bảng 1.2: Các tham số tán sắc của toluen, nitrobenzen, benzen và silica [39 - 42
44]
Bảng 2.1: Các tham số cho các cấu trúc PCF được thiết kế để thực hiện các 47
mô phỏng
Bảng 2.2: Các giá trị của chiết suất hiệu dụng tại bước sóng 1,55 µm với 54
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 59
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 66
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 72
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
93
Bảng 3.2: Các đặc trưng phi tuyến của # f3
95
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 MÔ 9
HÌNH VẬT LÝ CHO PHÁT SIÊU LIÊN TỤC
1.1. Tinh thể quang tử
9
1.2. Sợi tinh thể quang tử
10
1.3. Phân loại PCF
12
1.4. Cơ chế dẫn sáng của PCF
13
1.5. Ưu điểm của PCF so với sợi quang thông thường
15
1.6. Ứng dụng của PCF
16
1.7. Phương pháp chế tạo PCF
16
1.8. Tính chất và các đặc trưng của PCF
19
1.8.1. Tính chất đơn mode cao của PCF
19
1.8.2. Đặc trưng chiết suất hiệu dụng
20
1.8.3. Đặc trưng diện tích mode hiệu dụng và hệ số phi tuyến
21
1.8.4. Đặc trưng tán sắc trong PCF
23
1.8.5. Mất mát trong PCF
25
1.8.5.1. Mất mát hấp thụ
25
1.8.5.2 Giam giữ mất mát
26
1.8.5.3. Mất mát uốn cong
27
1.9. Mô hình vật lý cho phát siêu liên tục
28
xii
1.9.1. Phương trình lan truyền xung trong sợi quang
28
1.9.1.1. Lan truyền xung ngắn
30
1.9.1.2. Lan truyền xung cực ngắn
32
1.9.2. Phương pháp số để giải phương trình lan truyền
35
1.10. Một số tính chất vật lý của silica và hợp chất thơm
40
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
44
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA
PCF LÕI RỖNG THẨM THẤU CÁC HỢP CHẤT THƠM
45
2.1. Giới thiệu chương
45
2.2. Cấu trúc của PCF lõi rỗng thẩm thấu hợp chất thơm
46
2.3. Nghiên cứu các đặc trưng của PCF lõi rỗng với mạng lục giác đều
được thẩm thấu hợp chất thơm
48
2.3.1. Đặc trưng chiết suất hiệu dụng
48
2.3.2. Đặc trưng diện tích mode hiệu dụng
54
2.3.3. Đặc trưng tán sắc
60
2.3.4. Đặc trưng giam giữ mất mát
67
2.4. Tối ưu các tham số cấu trúc của các PCF về đặc trưng tán sắc để ứng
dụng phát siêu liên tục
72
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
77
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG PCF
LÕI RỖNG THẨM THẤU HỢP CHẤT THƠM
78
3.1. Giới thiệu chương
78
3.2. Nghiên cứu SC trong PCF lõi rỗng thẩm thấu toluen
80
3.3. Nghiên cứu SC trong PCF lõi rỗng thẩm thấu nitrobenzen
83
3.4. Nghiên cứu SG trong PCF lõi rỗng thẩm thấu benzen
89
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
97
xiii
KẾT LUẬN CHUNG
98
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
100
TÀI LIỆU THAM KHẢO
102
1
MỞ ĐẦU
Trong thế kỷ 20, sợi quang thông 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 thông tin quang, các sợi quang thông thường
còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác như trong y học, gia công, cảm
biến,… . Trong quá 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 công nghệ hoàn thiện lĩnh vực thông tin quang ngày
nay [3].
Một bước ngoặt mới có tính đột phá trong công 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 thông 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 không 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 không 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 không 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 còn tồn tại một
số hạn chế như dải bước sóng tán sắc bằng không 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 công
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 không 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 còn 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 nguyên
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 thông thường
Các sợi quang thông thường (Hình 0.1a và Hình 0.2) có ứng dụng rất tốt trong
thông 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.
Không 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 (CHCl 3) 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 không (ZDW) bằng
1,0 μm nên có đặc trưng tán sắc dị thường tại bước sóng bơm và độ tán sắc ở bước
sóng bơm bằng 7,6 ps.nm–1.km–1. 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 công 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. Ngoài
ra, các công bố còn 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 tôi sẽ xây dựng
mô 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 tôi phân tích các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng lên quá trình phát siêu liên tục.
- Xem thêm -