Nghiên cứu, thiết kế tối ưu cấu trúc tinh thể quang tạo nguồn supercontinum cho hệ thống chụp quang cắt lớp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ TỐI ƯU CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TẠO NGUỒN SUPERCONTINUM CHO HỆ THỐNG CHỤP QUANG CẮT LỚP LÊ ANH TUẤN Tuan.LA202168M@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Trường: Điện – Điện tử HÀ NỘI, 03/2022 i Chữ ký GVHD _ ii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Lê Anh Tuấn Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế tối ưu cấu trúc tinh thể quang tạo nguồn Supercontinum cho hệ thống chụp quang cắt lớp Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số SV: 20202168M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 5/5/2022 với nội dung sau: - Sửa biểu mẫu - Cải thiện chất lượng hình vẽ - Sửa lỗi tả Ngày 12 tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG iii iv ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Họ tên học viên: Lê Anh Tuấn Số hiệu học viên: 20202168M Khóa: 2020B Viện: Điện tử Viễn thông Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế tối ưu cấu trúc tinh thể quang tạo nguồn Supercontinum cho hệ thống chụp quang cắt lớp Họ tên cán hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải Ngày giao đề tài luận văn: 7/1/2021 Ngày hoàn thành luận văn: Hà Nội, ngày…….tháng… năm……… Cán hướng dẫn (Ký ghi rõ họ, tên) Học viên hoàn thành nộp luận văn ngày…… tháng….… năm……… Người duyệt Học viên (Ký ghi rõ họ, tên) (Ký ghi rõ họ, tên) v vi LỜI CAM ĐOAN Tôi Lê Anh Tuấn, mã số học viên 20202168M, học viên khóa 2020B Người hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Tơi xin cam đoan tồn nội dung trình bày luận văn thạc sỹ Nghiên cứu, thiết kế tối ưu cấu trúc tinh thể quang tạo nguồn Supercontinum cho hệ thống chụp quang cắt lớp kết trình tìm hiểu nghiên cứu Tất kế thừa trích dẫn tuân thủ quy định sở hữu trí tuệ; tài liệu tham khảo liệt kê rõ ràng Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với nội dung viết luận văn Hà Nội, ngày … tháng … năm… Người cam đoan Lê Anh Tuấn vii viii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế tối ưu cấu trúc tinh thể quang tạo nguồn Supercontinum cho hệ thống chụp quang cắt lớp”, xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải, người thầy hướng dẫn trực tiếp mặt khoa học đồng thời hỗ trợ tơi nhiều mặt để tơi hồn thành đề tài luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới quý thầy cô Viện Điện – Điện tử tận tình giảng dạy, truyền đạt cho kiến thức chuyên ngành để vận dụng vào thực tiễn để thực luận văn Tôi xin dành lời yêu thương đến thành viên gia đình, quan bạn bè ln bên tơi Sự động viên, giúp đỡ họ nguồn động lực mạnh mẽ giúp tơi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận văn Do thời gian hạn hẹp lĩnh vực nghiên cứu tương đối phức tạp, q trình thực thân cịn nhiều thiếu sót hạn chế Mong q thầy đóng góp bảo thêm Tôi xin chân thành cảm ơn! ix x Hình 5.11 Hình ảnh mơ bề mặt cắt ngang mẫu thiết kế thứ Mô tả tập trung ánh sáng truyền giá trị bước sóng (a) ; (b) ; (c) ; (d) b Diện tích hiệu dụng Như thấy phổ ánh sáng, diện tích hiệu dụng mẫu thiết kế thứ có giá trị tăng dần theo bước sóng, nằm khoảng từ 0.58 𝜇𝑚% đến 0.73𝜇𝑚% với bước sóng thay đổi từ 𝜆 = 0.8𝜇𝑚 đến 𝜆 = 1.0𝜇𝑚 Kết biểu diễn hình 5-12 Hình 5.12 Biểu diễn thay đổi diện tích hiệu dụng theo bước sóng mẫu thiết kế thứ 72 c Đường cong tán sắc Hình 5.13 Biểu diễn thay đổi tán sắc theo bước sóng mẫu thiết kế thứ Mức độ tán sắc mẫu thay đổi mạnh theo thay đổi bước sóng Như kết trình bày hình 5-13, mức độ tán sắc giảm từ xấp xỉ mức không mức -200 ps/(km.nm) d Suy hao rò rỉ Suy hao rò rỉ đặc trưng cho khả giam giữ ánh sáng lõi sợi quang Mức suy hao thấp chứng tỏ khả giam giữ ánh sáng lõi sợi cao Hình 5.14 Đường biểu diễn suy hao rị rỉ khoảng bước sóng đến mẫu thiết kế thứ 73 Suy hao rị rỉ khơng thu từ kết mô trực tiếp mà tính gián tiếp thơng qua phần ảo chiết suất hiệu dụng theo công thức (PT 5.1) Thông thường giá trị yêu cầu Lc nhỏ 10-8 e Suy hao hàn nối Phần mền APSS hỗ trợ người dùng tính tốn suy hao hàn nối sợi thiết kế với loại sợi khác Thể thông giá trị chênh lệch trùng khớp kết nối (overlap integral), giá trị thấp suy hao Hình 5.15 thể suy hao ghép nối mẫu với sợi đơn mode thơng thường Hình 5.15 Giá trị chênh lệch trùng khớp kết nối thể mức suy hao hàn nối ghép mãu thiết kế PCF thứ với sợi đơn mode thông thường f Xung truyền sợi Các tham số thu sau q trình mơ tính tốn đưa vào phần mềm NLSE Solver để dựng lại hình ảnh xung thay đổi hình dạng trình truyền sợi Bao gồm hệ số suy hao α (dB/km), hệ số phi tuyến 𝛾(𝑊 𝑚)/& , tham số tán sắc bậc 𝛽% (𝑠 % 𝑚/& ), tham số tán sắc bậc (s3.m-1) Trong hệ số suy hao sợi quang tinh thể nhỏ, cỡ khoảng 2e-10 dB/km, giá trị lại tính theo cơng thức 𝛾 = 2𝜋𝑛% /𝜆$ 𝐴CDD 𝛽% = −𝜆%$ 𝐷/2𝜋𝑐 74 𝜆$ % 𝛽* = ƒ „ (2𝜆$ 𝐷 + 𝜆%$ 𝐷′ 2𝜋𝑐 Trong đó, D độ tán sắc, D’ đạo hàm (độ dốc tán sắc), c vận tốc ánh sáng chân không, n2 số chiết suất phi tuyến, λ0 bước sóng, Aeff diện tích hiệu dụng Các hệ số tính tốn bước sóng 𝜆 = 0.829𝜇𝑚 Giá trị tính lần # % lượt 𝛾 = 0.336(𝑊 𝑚)/& , 𝛽% = 1.009𝑒 /%YU 𝑚/& , 𝛽* = −4.344𝑒 /S&U 𝑚/& Dạng xung truyền xung Gaussian, độ dài mô sợi 8m, kết mô biến đổi xung tổng hợp hình 5-16 Hình 5.16 Biểu diễn hình dạng xung Gaussian truyền sợi có độ dài 8m theo miền thời gian miền tần số (a) (b) Biểu diễn hình dạng xung tín hiệu đầu vào đầu dạng chiều (c) (d) Biễu diễn hình dạng xung tín hiệu dạng chiều 75 2.2 Mẫu thiết kế thứ hai a Phổ ánh sáng Kết mô cho thấy ánh sáng truyền tập trung phần lõi, dải bước sóng từ 𝜆 = 0.8𝜇𝑚 đến 𝜆 = 1.0𝜇𝑚 có dấu hiệu lan phía ngồi bước sóng tăng Hình 5.17 mơ tả mặt cắt ngang PCF tập trung ánh sáng truyền bên bốn bước sóng 𝜆 = 0.8𝜇𝑚, 𝜆 = 0.8857𝜇𝑚, 𝜆 = 0.9429𝜇𝑚, 𝜆 = 1.0𝜇𝑚 Hình 5.17 Hình ảnh mơ bề mặt cắt ngang mẫu thiết kế thứ hai Mô tả tập trung ánh sáng truyền giá trị bước sóng (a) 𝜆 = 0.8𝜇𝑚, (b) 𝜆 = 0.8857𝜇𝑚, (c) 𝜆 = 0.9429𝜇𝑚, (d) 𝜆 = 1.0𝜇𝑚 b Diện tích hiệu dụng 76 Như thấy phổ ánh sáng, diện tích hiệu dụng mẫu thiết kế thứ hai có giá trị thay đổi theo hướng tăng dần theo bước sóng, nằm khoảng từ 0.85𝜇𝑚% đến 1.2𝜇𝑚% Kết biểu diễn hình 5.18 Hình 5.18 Biểu diễn thay đổi diện tích hiệu dụng theo bước sóng mẫu thứ hai c Đường cong tán sắc Hình 5.19 Biểu diễn thay đổi tán sắc theo bước sóng mẫu thiết kế thứ hai 77 Mẫu thiết kế có độ tán sắc âm, với giá trị lớn Thay đổi từ -125 ps/(km.nm) đến -325 ps/(km.nm) d Suy hao rò rỉ Hình 5-20 biểu diễn mức độ suy hao rị rỉ mẫu thiết kế thứ hai Kết nằm mức cho phép Hình 5.20 Đường biểu diễn suy hao rò rỉ mẫu thiết kế thứ hai khoảng bước sóng đến e Suy hao hàn nối Mức suy hao hàn nối thể thông qua giá trị chênh lệch trùng khớp kết nối Ở trình bày kết mơ ghép nối mẫu thiết kế thứ hai với mẫu sợi quang đơn mode thông thường ghép nối hai mẫu thiết kế Lưu ý thực tế khó ghép nối hai PCF với khác biệt lớn mặt cấu trúc Kết mang tính tham khảo 78 Hình 5.21 Giá trị chênh lệch trùng khớp kết nối thể suy hao hàn nối ghép mãu thiết kế PCF thứ hai với sợi đơn mode thơng thường Hình 5.22 Giá trị chênh lệch trùng khớp kết nối thể suy hao hàn nối ghép mãu thiết kế PCF thứ với mẫu thiết kế PCF thứ hai f Xung truyền sợi 79 Tương tự với mẫu thiết kế thứ Ta dùng kết mơ để tính tham số truyền dẫn để mơ sử thay đổi hình dạng xung truyền sợi với phần mềm NLSE Solver Các hệ số tính tốn bước sóng 𝜆 = 0.8𝜇𝑚 Các giá trị thu lần # % lượt 𝛾 = 0.214(𝑊 𝑚)/& , 𝛽% = 6.923𝑒 /%;U 𝑚/& , 𝛽* = −1.203𝑒 /S$U 𝑚/& Kết mơ trình bày hình 5.23, sử dụng xung Gaussian với khoảng cách truyền 8m Hình 5.23 Biểu diễn hình dạng xung Gaussian truyền sợi có độ dài 8m theo miền thời gian miền tần số (a) (b) Biểu diễn hình dạng xung tín hiệu đầu vào đầu dạng chiều (c) (d) Biễu diễn hình dạng xung tín hiệu dạng chiều So sánh đánh giá Tiếp theo phần phân tích thiết kế tính tốn mơ phỏng, ta tiến hành đánh giá so sánh hai mẫu thiết kế vừa trình bày với với số mẫu 80 PCF nghiên cứu chế tạo Bảng 5.4 mô tả so sánh hai mẫu thiết kế Bảng 5.4 So sánh hai mẫu thiết kế thực Mẫu thiết kế Mẫu thiết kế Phân bố lỗ khí mặt cắt ngang sợi Các ống mao dẫn bố trí thành vòng Khoảng cách số vòng liền kề Λ = Thông thiết kế cụ 0.8𝜇𝑚 Bán kính mặt cắt thể ngang ống mao dẫn ống mao dẫn đặc biệt a = 0.272𝜇𝑚; b = 0.208 𝜇𝑚 Các ống mao dẫn bố trí thành vịng Khoảng cách vịng liền kề Λ = 0.85𝜇𝑚 Bán kính mặt cắt ngang ống mao dẫn ống mao dẫn đặc biệt a = 0.225 𝜇𝑚; b = 0.2125 𝜇𝑚 Giá trị diện tích hiệu Giá trị diện tích hiệu Diện tích dụng nhỏ, từ 0.58 dụng nhỏ từ 0.85 hiệu dụng tới 0.72 𝜇𝑚% dải tới 1.2 𝜇𝑚% dải tần tần từ 0.8 – 1.0 𝜇𝑚 Hệ số phi tuyến 𝛾~334(𝑊 𝑘𝑚)/& từ 0.8 – 1.0 𝜇𝑚 𝛾~214(𝑊 𝑘𝑚)/& Tán sắc âm với giá trị Tán sắc âm với giá trị Tán sắc lớn, dao động mạnh, lớn, dao động mạnh từ giảm từ 23.9 xuống 125.3 đến 322.4 195.2 ps/(km.nm) ps/(km.nm) dải 81 dải bước sóng từ 0.8 – bước sóng từ 0.8 – 1.0 1.0 𝜇𝑚 𝜇𝑚 Suy hao rò rỉ thấp Suy hao rò rỉ thấp Suy hao rị rỉ khơng đáng kể 10-18 đến không đáng kể, cỡ -10-14 -10-16 dB/km dB/km Về bản, hai mẫu thiết kế PCF thực đạt u cầu ban đầu có diện tích hiệu dụng siêu nhỏ, hệ số phi tuyến cao nhằm phục vụ ứng dụng trình tạo SC ứng dụng hệ thống OCT vùng bước sóng 0.8 – 1.0 𝜇𝑚 Mức độ suy hao rị rỉ hai mẫu thiết kế thấp hoàn tồn khơng đáng kể Tuy nhiên tán sắc có giá trị âm, lớn khơng có dạng phẳng PCF ứng dụng tạo SC hệ thống OCT khơng cần có độ dài lớn nên mức độ tán sắc không ảnh hưởng thực đáng kể; thực tế cần phải làm phẳng giảm thiểu độ tán sắc gần mức không muốn đưa vào ứng dụng Một nhược điểm lớn hai mẫu thiết kế có cấu trúc phân bố ống mao dẫn phức tạp, ống mao dẫn có kích thước nhỏ, dẫn tới khó khăn trình chế tạo Xem xét số mẫu PCF dùng ứng dụng tạo SC hệ thống OCT nghiên cứu chế tạo: • PCF cấu trúc lục giác, tán sắc phẳng tính chất phi tuyến cao ứng dụng OCT nha khoa - Mặt cắt ngang sợi có dạng 82 Hình 5.24 Phân bố ống mao dẫn theo cấu trúc lục giác với sáu vòng - Lõi pha tạp Geminium - Các thông số thiết kế Λ = 1.65 𝜇𝑚 , a = 1.14 𝜇𝑚 , d1 = 0.7 𝜇𝑚 , d2 = 1.10 𝜇𝑚 Hoạt động vùng bước sóng từ 1.2 đến 1.4 𝜇𝑚 - Diện tích hiệu dụng 3.2 đến 4.2 𝜇𝑚% Hệ số phi tuyến 𝛾~60(𝑊 𝑘𝑚)/& , tán sắc có dạng phẳng khoảng đến -4 ps/(km.nm) Suy hao rị rỉ ~ -107 dB/km • PCF tán sắc phẳng, tính chất phi tuyến cao ứng dụng tạo SC - Mặt cắt ngang sợi có dạng Hình 5.25 Phân bố ống mao dẫn với cấu trúc lục giác với mười vòng 83 - Các thơng số thiết kế = 0.89 𝜇𝑚 Đường kính mặt cắt ngang ống mao dẫn vòng d1 = 0.41 Λ , d1 = 0.85 Λ , d1 = 0.92 Λ , d1 = 0.53 Λ , d5=…=d10 = 0.60 Λ Hoạt động vùng bước sóng từ 1.45 đến 1.65 𝜇𝑚 - Diện tích hiệu dụng 2.5 đến 𝜇𝑚% Hệ số phi tuyến 𝛾~30(𝑊 𝑘𝑚)/& , tán sắc có dạng siêu phẳng khoảng đến -0.5 ps/(km.nm) Suy hao rò rỉ ~ -102 dB/km Nhìn chung, mẫu PCF có diện tích hiệu dụng mức tương đối nhỏ, từ đến 5𝜇𝑚% , độ tán sắc kiểm soát tốt thường có dạng phẳng giá trị nhỏ, gần mức khơng Đây rào cản cần vượt qua muốn đưa mẫu thiết kế thực luận văn vào ứng dụng thực tế hay thương mại hóa Kết luận Chương cuối luận văn trình bày trình phân tích thiết kế tính tốn mơ hai mẫu PCF có tính chất phi tuyến cao với mục đích ứng dụng tạo SC hệ thống OCT Về mặt kết quả, đạt số thành cơng định hai mẫu có hệ số phi tuyến lớn Hướng phát triển tìm cách kiểm sốt tán sắc thơng qua tinh chỉnh thông số thiết kế theo chiều hướng đưa tán sắc mức khơng có dạng phẳng Quá trình đánh giá yêu cầu cần đạt để thực tế hóa hai mẫu thiết kế, đồng thời so sánh với hai mẫu PCF nghiên cứu chế tạo thành công 84 TỔNG KẾT LUẬN VĂN Như vậy, toàn nội dung luận văn trình bày Ta có nhìn tổng quan sợi quang tinh thể Từ phương pháp mơ hình hóa để nghiên cứu lý thuyết đến phương thức chế tạo thực nghiệm, định hướng thiết kế số ứng dụng Đây lĩnh vực cịn mẻ giới nói chung Việt Nam nói riêng Trong hai mươi năm kể từ đời đến nay, sợi quang tinh thể nhanh chóng trở thành hướng nghiên cứu hấp dẫn nhiều nhà khoa học Hàng nghìn cơng trình nghiên cứu đời ứng dụng thực tiễn Với đa dạng, linh hoạt cách phân bố, xếp ống mao dẫn, sợi quang tinh thể mang lại nhiều đặc tính truyền dẫn đặc biệt thú vị mà đạt sợi quang thông thường Trong phạm vi luận văn mô tả cụ thể trình nghiên cứu, thiết kế hai mẫu sợi quang tinh thể, với định hướng chế tạo để áp dụng trình tạo Supercontinuum hệ thống chụp cắt lớp sử dụng nguồn quang nguồn kết hợp Hướng phát triển đề tài mở rộng với mục tiêu kiểm soát tán sắc sợi Quá trình thực luận văn thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải Một lần xin cảm ơn thầy cung cấp tài liệu, tận tình hướng dẫn em thực luận văn 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Govind P Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 3rd ed San Diego, Academic Press, 2001 [2] A Bjarklev, J Broeng, and A.S Bjarklev, Photonic Crystal Fibers, Kluwer Academic Publishers, 2003 [3] Vũ Văn San, Hệ Thống Thông Tin Quang, Nhà xuất Bưu Điện, Hà Nội, 2008 [4] Kunimasa Saitoh, Masanori Koshiba, “Highly Nonlinear DispersionFlattened Photonic Crystal Fibers For Supercontinuum Generation In A Telecommunication Window”, Optics Express, Vol 12, No 10, pp 2027-2032, 2004 [5] Yoshinori Namihira, Md Anwar Hossain, Taito Koga, Md Ashraful Islam, S M Abdur Razzak, Shubi F Kaijage, Yuki Hirako, and Hiroki Higa, “Design of Highly Nonlinear Dispersion Flattened Hexagonal Photonic Crystal Fibers for Dental Optical Coherence Tomography Applications”, Optics Review, Vol 19, No 2, pp 78-81, 2012 [6] A F Fercher, W Drexler, C K Hitzenberger and T Lasser, “Optical coherence tomography - principles and applications”, Reports on Progress Inphysics, pp 239- 303, Wien, Austria, January 2003 [7] Goëry Genty, Supercontinuum generation in microstructured fibers and novel optical measurement techniques, Department of Electrical and Communications Engineering, Helsinki University of Technology, Finland, 2004 [8] http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography [9] http://en.wikipedia.org/wiki/Supercontinuum [10] http://en.wikipedia.org/wiki/Photonic_crystal 86 ... trình bày luận văn thạc sỹ Nghiên cứu, thiết kế tối ưu cấu trúc tinh thể quang tạo nguồn Supercontinum cho hệ thống chụp quang cắt lớp kết trình tìm hiểu nghiên cứu Tất kế thừa trích dẫn tuân thủ... thơng Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế tối ưu cấu trúc tinh thể quang tạo nguồn Supercontinum cho hệ thống chụp quang cắt lớp Họ tên cán hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoàng... giả luận văn : Lê Anh Tuấn Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế tối ưu cấu trúc tinh thể quang tạo nguồn Supercontinum cho hệ thống chụp quang cắt lớp Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số