Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN ĐỘ MẤT MÁT TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học Tự nhiên THANH HÓA, THÁNG 04 /2023... NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Trưởng nhóm nghiên cứu: Trần Hồng Thắm Nam, Nữ: Nữ

Lớp, khoa: K23, Khoa KHTN Năm thứ: 3/ Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Đại học sư phạm Vật lý CLC

Người hướng dẫn: TS Lê Văn Hiệu

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Vật Lý CLC

+ Viết thuyết minh đề tài

+ Nghiên cứu tổng quan

về sợi tinh thể quang tử,

độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất máttán sắc

trong sợi tinh thể quang tử

Phân chia nhiệm vụ, tổng quan, tổng hợp ý kiến, nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, kết quả nghiên cứu

Vật Lý CLC

+ Nghiên cứu tổng quan

về sợi tinh thể quang tử,

độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc

Comment [L1]: Cô sửa lại biaf

Formatted: Vietnamese Formatted: Justified

Formatted: Justified

Formatted: Vietnamese Formatted: Vietnamese Formatted: Vietnamese

Comment [hl2]: Ui zoi Formatted: Justified

lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử Tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, tổng quan, kết quả nghiên cứu, tài liệu tham khảo

Formatted: Line spacing: Multiple 1.4 li

MỤC LỤC

Danh sách thành viên tham gia nghiên cứu đề tài i

1.7 Hiệu quả và phạm vi sử dụng (kinh tế, xã hội, giáo dục, khoa học,

kỹ thuật, ) và tính mới, đóng góp mới của đề tài 4

1.8 Cấu trúc báo cáođề tài 5

Formatted: Line spacing: Multiple 1.4 li, Tab

1.4 Độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử 11

Chương 2 Phương pháp nghiên cứu 12

2.1 Giới thiệu phần mềm MODE Solutions 12

2.2 Thiết lập các tham số mô phỏng cho sợi tinh thể quang tử 13

Chương 32 Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc

tính quang học của sợi tinh thể quang tử

162

32.1 Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh

thể quang tử

162

32.1.2 Ảnh hưởng của hằng số mạng lên độ mất mát của sợi tinh thể

32.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc tính tán

32.2.2 Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc tính tán sắc trong sợi

Phụ lục 1 Chương trình thiết kế cấu trúc sợi tinh thể quang tử mạng lục

giác

31

Phụ lục 2 Chương trình chạy cho độ mất mát trong không gian ba chiều

với các giá trị khác nhau của hằng số mạng

Hệ số Sellmeier của vật liệu.

Hình 1.1 Mô hình sợi tinh thể quang tử lõi đặc (a) và mặt cắt ngang của nó (b)

Hình 1.2 Sơ đồ chiết suất thủy tinh / không khí truyền dẫn trong PCF (trái) với

cấu hình chiết suất (phải) [17]

Hình 1.3 Ảnh chụp mặt cắt ngang của sợi suspended NL_35B1 [17] [20]

Hình 1.4 Mô tả khoảng cách dải quang tử mẫu [17]

Hình 1.5 Các loại khác nhau của sợi tinh thể loại bandgap: (a) Sợi dạng tổ ong,

(b) Sợi lõi rỗng Bragg [17], (c) Sợi dạng lục giác, (d) Sợi dạng lưới lục

giác - PBF5B3

Hình 1.6 Chế tạo sợi tinh thể quang tử: (a) tạo ra các ống nhỏ riêng rẽ, (b) hình

thành khuôn phôi, (c) bước tạo hình trung gian, (d) bước tạo sợi hoàn

chỉnh

Hình 2.1 Giao diện của phần mềm MODE Solutions

Hình 2.2 Cửa sổ Material Database

Hình 2.3 Các cấu trúc (a) và các thuộc tính của cấu trúc hình tròn (b)

Hình 2.4 Cửa sổ thư viện các loại cấu trúc lõi của sợi tinh thể quang tử

Hình 2.5 Thiết lập các thông số trong quá trình mô phỏng

Hình

32.1

(a) Mô hình sợi tinh thể quang tử với mặt cắt ngang của sợi, (b)

phương thức lan truyền cơ bản của sợi tinh thể quang tử

Hình Thành phần chiết suất thực (n) và chiết suất ảo (k) của C2Cl4 tại 200

C

Formatted: Space After: 8 pt

Formatted Table

Comment [Ma3]: Hình dưới ko có c d

Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Italic Formatted: Left, Space After: 0 pt, Adjust

space between Latin and Asian text, Adjust space between Asian text and numbers

Formatted: Font: Not Highlight

32.2 Đường màu đen mô tả chiết suất thực của thủy tinh tinh khiết silica.Hình

32.3

Ảnh hưởng của hằng số mạng lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử đối với phương thức lan truyền cơ bản trong gian 3D (a) và 2D (b)

Hình

32.4

Ảnh hưởng của đường kính lỗ khí lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử đối với phương thức lan truyền cơ bản trong gian 3D (a) và 2D (b)

Hình

32.5

Phân bố cường độ sáng trong mode cơ bản với các vòng lỗ khí khác nhau trong sợi tinh thể quang tử tương ứng với 3 vòng, 5 vòng và 8 tám vòng lỗ khí trong lớp vỏ

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

PCF Sợi tinh thể quang tử

ZWD Bước sóng tán sắc bằng không

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong

sợi tinh thể quang tử

- Khoa: Khoa học Tự nhiên

4 Giáo viên hướng dẫn: TS Lê Văn Hiệu

5 Thời gian thực hiện: 08 tháng (từ tháng 09/2022 đến tháng 04/2023)

6 Cơ quan quản lý đề tài: Trường Đại học Hồng Đức

7 Đơn vị chủ trì đề tài: Khoa Khoa học Tự nhiên

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài này, tTrước tiên chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến

TS Lê Văn Hiệu, người dẫn khoa học, đã định hướng nghiên cứu từ phương pháp

tiếp cận, cung cấp tài liệu, bổ sung kiến thức, hướng dẫn các kỹ năng cần thiết để

chúng em hoàn thành tốt đề tài này

Đại học Hồng Đức, cùng quý thầy, cô khoa Khoa học Tự nhiên, Bộ môn Vật lý đã

tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em trong quá trình học tập và thực hiện đề tài

Cuối cùng, chúng em xin gửi lời tri ân đến bạn bè, đặc biệt là gia đình thân

yêu đã luôn quan tâm, động viên và sát cánh bên chúng em trong những thời điểm

khó khăn nhất Đây chính là nguồn sức mạnh tinh thần to lớn giúp chúng em vượt

qua mọi trở ngại để không ngừng vươn lên trong học tập và cuộc sống

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Thanh Hóa, tháng 4 năm 2023

Nhóm sinh viên

Trần Hồng Thắm Nguyễn Trà My

Formatted: Vietnamese

Formatted: Vietnamese Formatted: Vietnamese Formatted: Vietnamese

Formatted: Indent: Left: 7.62 cm, Hanging:

0.5 cm, Right: 0.84 cm

PHẦN I - MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, sợi tinh thể quang tử (Photonic Crystal fiber) đã

nhận được rất nhiều sự chú ý nghiên cứu trên toàn thế giới, bởi vì các tính chất độc

đáo và mới lạ của nó như: có thể tạo ra chế độ đơn mode [1], lưỡng chiết cao [2],

hay tạo ra môi trường có độ phi tuyến cao [3], đặc biệt hơn nữa là có thể điều chỉnh

các đặc tính tán sắc để đạt được tán sắc phẳng hay tán stắc cực phẳng [4] Với sSự

linh động trong việc sắp xếp lỗ khí xung quanh lõi chạy dọc theo chiều dài của nó,

PCF cho phép thay đổi các đặc tính tán sắc, đặc tính mất mát cũng như các đặc tính

phi tuyến của loại sợi quang này khibằng cách thay đổi độ lớn các tham số cấu trúc

như hằng số mạng (khoảng cách giữa hai lỗ khí liên tiếp), đường kính lỗ khí (d),

hình dạng lỗ khí và hệ số lấp đầy tuyến tính (f) [5] Ngoài ra, cũng nhờ sự linh động

trong cách sắp xếp các lỗ khí nàynhư vậy, cơ chế lan truyền trong sợi cũng có thể

thay đổi được Với những ưu điểm vượt trội trong thiết kế và chế tạo, sợi tinh thể

quang tử được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như truyền dẫn thông tin, kỹ thuật y

sinh hay các thiết bị cảm biến [6-76-7]

Độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử là một trong những yếu tố quan trọng

nhất ảnh hưởng đến quá trình lan truyền của xung, từ đó ảnh hưởng đến hệ thống

kết nối trong hệ thống thông tin trong hệ thống truyền dẫn thông tin quang (nền

tảng của công cuộc hiện đại hóa các mạng lưới viễn thông trên thế giới) Dựa trên

độ mMất mát, ta có thể xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa giữa bộ phát quang

và bộ thu quang hoặc bộ khuyếch đại quang trên đường truyền Khi ánh sáng lan

truyền trong sợi quang, công suất sẽ giảm dần dạng hàm mũ theo khoảng cách

Thực tế, độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử phụ thuộc vào nhiều yếu tố như

chiều dài sợi (khoảng cách lan truyền), vật liệu làm sợi hay các tham số cấu trúc

của sợi Mỗi sự sắp xếp hợp lýthiết kế khác nhau về cấu trúc sợi quang như hằng số

mạng (khoảng cách giữa hai lỗ khí liên tiếp), kích thước đường kính lỗ khí sẽ làm

cho đặc tính quang học của sợi tinh thể quang tử như đặc tính tán sắc có, độ mất

mát thay đổikhác nhau Như vậy, bằng sự kết hợp giữa vật liệu và các tham số cấu

trúc sợi phù hợp, chúng ta có thể thu được cấu trúc sợi có độ mất mát cực thấp [5]

Hầu hết các công trình nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc tìm kiếm và thay thế

các vật liệu nhằm thu được độ mất mát nhỏtối thiểu Trong khi đó, ảnh hưởng của

các tham số cấu trúc lên độ mất mát của sợi vẫn còn ít được quan tâm Mặt khác,

công nghệ chế tạo sợi tinh thể quang tử với các cấu trúc phức tạp như hình lục giác,

hình vuông, cấu trúc xoắn vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn và tốn kém [8] Vì vậy

việc nghiên cứu ảnh hưởng các tham số cấu trúc như hằng số mạng hay đường kính

lỗ khí lên đặc tính quang học của sợi tinh thể quang tử vẫn là một cách thứcphương

pháp mang lại nhiều hiệu quả trong lĩnh vực này

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay, đã và đang có rất nhiều công trình nghiên cứu của các nhóm trên thế

giới về thiết kế và chế tạo các sợi tinh thể quang tử có độ mất mát thấp [9-102]

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong quá trình

lan truyền, cách tiếp cận điển hình là xem xét cho phương thức lan truyền sóng cơ

bản Sự phát triển của công nghệ chế tạo sợi quang qua nhiều năm đã đạt được kết

quả trong việc tạo ra sợi quang có độ mất mát rất thấp Sợi quang được chế tạo với

độ mất mát 0.2dB/km và đặc tính này trở thành lợi thế chính của thông tin quang

sợi Điều này thuận lợi cho việc đặt bộ khuếch đại cho mỗi khoảng cách trên đường

truyền mà không cần chuyển sang tín hiệu điện ở bước trung gian, do đó giảm được

cả giá thành và cả độ phức tạp của hệ thống

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, những nghiên cứu về sợi tinh thể quang tử, hiện tại có nhóm

của PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải ở Viện điện tử-Viễn thông trường bách khoa Hà

Nội, nhóm nghiên cứu này tập trung thiết kế các cấu trúc lõi đặc với tán sắc cực

Formatted: Not Highlight Formatted: Not Highlight

phẳng và mất mát nhỏ, những đặc tính này rất quan trọng quyết định đến hình dạng

và sự mở rộng xung đầu ra trong sự phát siêu liên tục của sợi tinh thể quang tử; cấu

trúc với các hình dạng khác nhau của lỗ khí như hình vuông, elip, hay lục giác cũng

được nhóm xem xét [113-14] Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Tống Hoàng Tuấn tại

trường ĐH Y Hà nội, tập trung nghiên cứu chủ yếu với các cấu trúc sợi quang cổ

điển (step-index) được tạo bởi các vật liệu phi tuyến cao như chalcogenide hay

tellurite trong vùng giữa hồng ngoại có nhiều ứng dụng trong y học với độ mất mát

thấp [12-135] Trong khi đấy nhóm Quang tử tại đại học Vinh do GS.TS Đinh

Xuân Khoa làm trưởng nhóm cũng đã và đang nghiên cứu về vấn đề này [146]-17]

Một nhóm nghiên cứu khác hiện nay cũng đang nghiên cứu về vấn đề này là nhóm

Quang tử tại Trường Đại học Hồng Đức (TS Chu Văn Biên, TS Lê Văn Hiệu, TS

Nguyễn Thị Dung, TS Nguyễn Thị Huệ) Các hướng nghiên cứu chính của nhóm

Quang tử Trường Đại học Hồng Đức đang thực hiện hiện nay là nghiên cứu quá

trình lan truyền xung và quá trình phát siêu liên tục trong sợi tinh thể quang tử

được bơm đầy bởi chất lỏng có độ phi tuyến cao Bước đầu nhóm đã đạt được

nhiều kết quả khích lệ Các nghiên cứu của nhóm bước đầu tập trung nghiên cứu

ảnh hưởng của các yếu tố lên độ mất mát[15-17] Hầu hết các nghiên cứu được đề

cập phía trên chỉ tập trung vào các cấu trúc đã được tối ưu hóa Ảnh hưởng của các

tham số cấu trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử vẫn còn ít được quan

tâm, chưa được xem xét cụ thể Trong khi đó, việc nghiên cứu giảm độ mất mát

trong sợi tinh thể quang tử bằng cách thay đổi các tham số cấu trúc vẫn là một cách

thức mang lại nhiều hiệu quả trong việc tối ưu hóa hệ thống thông tin quang

1.3 Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu được ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc: hằng số mạng lên mất mát

của sợi tinh thể quang tử

- Nghiên cứu được ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc: đường kính lỗ khí lên mất

mát của sợi tinh thể quang tử

Formatted: Font color: Auto Formatted: Font color: Auto

Comment [Ma6]: Thêm nhóm của thầy Hiệu ạ Comment [Ma7]: Trích dẫn 8-9 trong TM ạ

Formatted: Not Highlight

- Nghiên cứu được ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc: số lượng lỗ trống lên sự

mất mát và tán sắc của sợi tinh thể quang tử

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc tính tán sắc trong sợi tinh

thể quang tử

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu:

- Sợi tinh thể quang tử

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Hằng số mạng, đường kính lỗ khí, số lượng lỗ khí trong sợi tinh thể quang

tử

1.5 Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về sợi tinh thể quang tử

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hằng số mạng lên mất mát của sợi tinh thể

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc tính tán sắc trong

sợi tinh thể quang tử

1.6 Phương pháp nghiên cứu:

- Để nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát trong

sợi tinh thể quang tử chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng Bằng cách sử dụng

Formatted: Indent: First line: 1.27 cm

Formatted: Indent: First line: 1.27 cm

phần mềm MODE Solution chúng tôi thiết kế cấu trúc sợi tinh thể quang tử, kết

hợp với các tính toán số chúng tôi cũng xem xét ảnh hưởng của các tham số cấu

trúc lên độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử

1.7 Hiệu quả và phạm vi sử dụng (kinh tế, xã hội, giáo dục, khoa học, kỹ

thuật, ) và tính mới, đóng góp mới của đề tài

- Kết quả của đề tài được sử dụng để mở rộng phạm vi nghiên cứu trong lĩnh

vực sợi tinh thể quang tử, quang học phi tuyến

- Đề tài là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến vấn đề nghiên

cứusinh viên ngành sư phạm vật lí, học viên cao học quan tâm đến đề tài nghiên

cứu

1.8 Cấu trúc của báo cáođề tài :

Ngoài phần mở đầu, kết luận chung và tài liệu tham khảo, nội dung báo cáo có hai

ba chương gồm:

Chương 1: Tổng quan về sợi tinh thể quang tử

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương 32: Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất mát

trong sợi tinh thể quang tử

Formatted: Left, Indent: First line: 0 cm,

Space After: 8 pt, Line spacing: Multiple 1.08

li, Tab stops: Not at 1.27 cm + 4.84 cm

PHẦN 2-NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ

ĐỘ MẤT MÁT TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ

Trong chương này, chúng tôi trình bày những kiến thức tổng quan về sợi tinh

thể quang tử, các loại sợi tinh thể quang tử Ngoài ra, phương pháp chế tạo sợi tinh

thể quang tử và độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử cũng được chúng tôi đề cập

đếNgiới thiệu trong chương

1.1 Sợi tinh thể quang tử (PCF)

Sợi quang tinh thể (PCF) là loại sợi quang mới, dựa trên tính chất của các tinh

thể quang có khả năng giới hạn ánh sáng trong vùng lõi của sợi, mà điều này là

không thể đối với các sợi quang thông thường

Một sợi PCF cơ bản là sợi quang hợp chất silica có những lỗ khí chạy song

song với trục của sợi Khác với những sợi quang thông thường, lõi và vùng phản xạ

của PCF làm cũng từ một vật liệu, và mọi tính chất của PCF đều bắt nguồn từ sự có

mặt của những lỗ khí này Sợi tinh thể quang tử linh hoạt hơn trong thiết kế và chế

tạo bởi sự đa dạng trong cách sắp xếp các lỗ khí bằng cách thay đổi khoảng cách

hay bán kính của chúng

Sợi tinh thể quang tử ngoài có các đặc tính của một sợi quang thông thường thì

nó còn có rất nhiều tính chất khác như: thu được chế độ đơn mode, khả năng lưỡng

chiết cao, tính phi tuyến tính cao, khả năng điều chỉnh các đặc tính tán sắc để đạt

được tán sắc phẳng hoặc tán sắc cực phẳng Những ưu việt mà sợi tinh thể quang tử

có thể mang lại: tốc độ, băng thông, khả năng uốn cong, tán sắc thấp, khả năng duy

trì sự phân cực hay có thể thu được các chế độ lan truyền đơn mode Những đặc

điểm nổi bật này giúp sợi tinh thể quang tử trong tương lai có thể thay thế cho sợi

quang thông thường Ngoài ra bằng cách sử dụng các vật liệu khác nhau bao gồm

các silica tinh khiết, các chất thủy tinh mềm như chalcogenide [18] hay

lead-Formatted: Centered Formatted: Indent: First line: 0 cm

bismuth-galate [19]8] với hệ số phi tuyến cao, hay chất lỏng cũng tạo ra bước đột phá mới trong thiết kế sợi tinh thể quang tử

Nhờ sự linh động trong cách sắp xếp các lỗ khí, cơ chế lan truyền trong sợi cũng có thể thay đổi được cùng với những ưu điểm vượt trội trong thiết kế và chế tạo, sợi tinh thể quang tử được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như truyền dẫn thông tin, kỹ thuật y sinh hay các thiết bị cảm biến…

1.2 Các loại sợi tinh thể quang tử

Dựa vào phương thức truyền dẫn ánh sáng, sợi tinh thể quang tử được chia thành hai loại: Loại thứ nhất, sợi lõi đặc có chiết suất vùng lõi lớn hơn chiết suất vùng vỏ, trong trường hợp này ánh sáng truyền dẫn trong lõi sợi quang thông qua quá trình phản xạ toàn phần giữa lớp lõi và lớp vỏ (Index guiding PCFs) Nguyên nhân của sự chênh lệch chiết suất này được tạo ra là do sự xuất hiện của các lỗ khí bên trong lớp vỏ Loại thứ hai, sợi tinh thể quang tử lõi rỗng, trong trường hợp này chiết suất của vùng lõi nhỏ hơn chiết suất ở vùng vỏ (Bandgap guiding PCFs) vì vậy ánh sáng lan truyền qua sợi tinh thể quang tử thông qua hiệu ứng giam giữ Band Gap

1.2.1 Sợi tinh thể Index gG uiding

Hình 1(a) và 1(b) thể hiện mô hình sợi tinh thể quang tử và mặt cắt ngang cấu trúc Index guiding PCF Giả sử sợi tinh thể được làm từ thủy tinh silica nung chảy có tám vòng lỗ khí được sắp xếp đều nhau trong mạng lục giác được xác định bởi hằng số mạng và đường kính lỗ khí d Cấu trúc bao gồm một lõi rắn được bao quanh bởi một mạng lưới các lỗ khí trong một mẫu hình lục giác hoặc hình chữ nhật chạy đồng đều dọc theo chiều dài của sợi Trong trường hợp này, ánh sáng được truyền dẫn bởi cơ chế khúc xạ và phản xạ tương tự như sợi quang thông thường do có sự hiện diện của các lỗ khí làm giảm chiết suất của lớp vỏ

Hình 1.1 Mô hình sợi tinh thể quang tử lõi đặc (a) và mặt cắt ngang của nó (b)

Hình 1.2 mô tả phân phối chiết suất trong lớp vỏ và lớp lõi sợi tinh thể Index

gguidingh Trên thực tế, cấu trúc loại này thường được sử dụng rộng rãi bởi nó có

sự linh hoạt trong thiết kế thông qua sự thay đổi kích thước của các lỗ khí và lớp vỏ bọc bên ngoài Rõ ràng, khi các vật liệu không đồng nhất thì các tính chất đó trong một sợi thông thường không thể đạt được

Hình 1.2 Sơ đồ chiết suất thủy tinh / không khí truyền dẫn trong PCF (trái) với cấu

Trong thực tế, có một cấu trúc đặc biệt của loại này (được gọi là cấu trúc suspended [20]) Một trong những ưu điểm của cấu trúc này là có thể tạo ra độ chênh lệch chiết suất của lớp vỏ và lớp lõi thông qua các lỗ khí có đường kính lớn Ngoài ra, cấu trúc này còn cho phép chúng ta điều chỉnh tán sắc một cách dễ dàng thông qua việc điều chỉnh tán sắc ống dẫn sóng Ngược lại, nhược điểm của cấu trúc này là đường kính của các lỗ khí lớn nên làm giảm công suất đầu ra và cũng

làm giá thành cao hơn so với các sợi tinh thể thông thường vì cần thêm chi phí trong quá trình bảo quản Hình 1.3 biểu diễn một ví dụ về cấu trúc suspended

Hình 1.3 Ảnh chụp mặt cắt ngang của sợi suspended NL_35B1 [17] [20]

1.2.2 Sợi tinh thể Band gap guiding

Loại sợi tinh thể thứ hai được gọi là sợi tinh thể loại Band gap Đối với sợi loại này, chiết suất của vùng lõi nhỏ hơn chiết suất của lớp vỏ, vì vậy ánh sáng lan truyền trong sợi thông qua cơ chế giam giữ quang tử hay còn gọi là cơ chế Band gap

Hình 1.4 Mô tả khoảng cách dải quang tử mẫu [17]

Hình 1.4 mô tả vùng dải cấm quang tử Trong đó vùng màu vàng cho phép hiệu ứng band gap xảy ra trong sợi tinh thể quang tử Các ví dụ cơ bản về các sợi loại này được thể hiện trong hình 1.5

Hình 1.5 Các loại khác nhau của sợi tinh thể loại band gap: (a) Sợi dạng tổ ong,

1.3 Chế tạo PCF

Hiện nay, đối với bất kỳ loại thuỷ tinh nào hay cấu trúc nào thì phương pháp chung để chế tạo sợi tinh thể quang tử là sử dụng phương pháp kéo sợi (Stack and Draw method) Các bước chính trong phương pháp này được mô tả trong sơ đồ hình 1.6 Đầu tiên những ống nhỏ riêng rẽ được tạo ra với những đường kính và bề dày thành ống khác nhau

Hình 1.6 Chế tạo sợi tinh thể quang tử: (a) tạo ra các ống nhỏ riêng rẽ, (b) hình

thành khuôn phôi, (c) bước tạo hình trung gian, (d) bước tạo sợi hoàn chỉnh

Tiếp theo, chúng ta đem xếp những ống nhỏ riêng rẽ lại với nhau để tạo thành một khối gồm nhiều ống nhỏ có tính đối xứng sau đó nung cấu trúc được định sẵn đến nóng chảy và kéo sợi theo hình tháp với kích thước cỡ milimet Đây

chính là bước tạo hình trung gian Khoảng trống xung quanh các ống được lấp đầy

bằng thủy tinh sao cho vẫn giữ được vị trí của các lỗ Để đạt được sợi có các tham

số cấu trúc thích hợp, người ta bổ sung thêm những thanh thủy tinh bao quanh

khuôn phôi trung gian, sau đó tiếp tục nung chảy và kéo sợi theo dạng hình tháp để

thu được sợi hoàn chỉnh theo kích thước micrômet Bước cuối cùng, người ta tạo ra

lớp vỏ bảo vệ sợi khỏi những tác động cơ học bằng cách sử dụng lớp polymer

Ngoài ra, cũng có một số báo cáo về kỹ thuật chế tạo sợi tinh thể quang tử

theo phương pháp khác là quá trình đùn, được sử dụng chủ yếu đối với sợi tinh thể

quang tử tạo từ thuỷ tinh mềm

1.4 Độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử

Trong lĩnh vực truyền dẫn thông tin, độ mất mát trong sợi quang là một trong

những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng mạnh đến quá trình lan truyền của xung,

hay ảnh hưởng đến hệ thống kết nối trong hệ thống thông tin Ngoài ra, độ mất mát

cũng là một trong những yếu tố xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa giữa bộ

phát quang và bộ thu quang hoặc bộ khuyếch đại quang trên đường truyền

Độ mất mát trong quá trình lan truyền quyết định đến khả năng lan truyền xung

trong sợi tinh thể quang tử và được xác định bằng công thức:

[ ] (

) (1.1) Trong đó, là số sóng được xác định bởi công thức k0 = (2×π)/λ

nNeff là chiết suất hiệu dụng của chế độ lan truyền cơ bản và λ là bước sóng

Trên thực tế, độ mất mát trong sợi tinh thể quang tử phụ thuộc vào nhiều yếu tố

như chiều dài sợi (khoảng cách lan truyền), vật liệu làm sợi hay các tham số cấu

trúc của sợi Mỗi sự sắp xếp khác nhau với sự hợp lí về cấu trúc như hằng số mạng

(khoảng cách giữa hai lỗ khí liên tiếp), kích thước đường kính lỗ khí sẽ làm cho đặc

tính quang học của sợi tinh thể quang tử như đặc tính tán sắc, độ mất mát thay đổi

Formatted: Font: Bold Formatted: Centered, Line spacing: 1.5 lines

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong chương này, chúng tôi trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng

trong đề tàibáo cáo Để nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên độ mất

mát trong sợi tinh thể quang tử, chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng, bằng

cách sử dụng phần mềm MODE Solutions để thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc của sợi

tinh thể quang tử với các lỗ khí được chứa đầy bởi tetrachloroethylene (C2Cl4)

2.1 Giới thiệu phần mềm MODE Solutions

MODE Solutions là một phần mềm mô phỏng quang tử mạnh, cho phép thiết kế

các tham số, thành phần, mạch quang tử có tính khả thi nhất Với tính linh hoạt

trong việc mô tả hình học thiết bị phức tạp, nó đặc biệt phù hợp để xử lý sợi quang

có cấu trúc vi mô, chẳng hạn như sợi tinh thể quang tử

MODE Solutions với giao diện người dùng hiện đại và chuyên nghiệp cho phép

người dùng thực hiện các tác vụ tối ưu hóa khác nhau và mang lại hiệu suất tối đa

Ứng dụng này cung cấp khả năng làm việc với Matlab và mô phỏng mạch quang tử

bằng cách sử dụng các công cụ mô phỏng và tự động hóa khác nhau nên thuận tiện

trong việc tính toán và xử lý số liệu, có thể sử dụng đồng thời trên nhiều máy tính

Giao diện làm việc của MODE Solution được mô tả như hình 2.1

Hình 2.1 Giao diện của phần mềm MODE Solutions

Formatted: Justified, Line spacing: 1.5 lines

Formatted: Font: Bold Formatted: Justified, Indent: First line: 0 cm,

Line spacing: 1.5 lines

Formatted: Indent: First line: 0.75 cm

Formatted: Centered

Formatted: Font: Bold

2.2 Thiết lập các tham số mô phỏng cho sợi tinh thể quang tử

Để tiến hành mô phỏng, các thông số của sợi tinh quang tử được thiết lập thông qua

các bước sau:

Bước 1: Từ menu của MODE Solutions, chọn New Project Sau đó chọn thẻ vật

liệu Materials , để thiết lập các đặc tính, thông số cho vật liệu cần mô phỏng

Khi đó, xuất hiện cửa sổ Material Database Material Database cho phép quản lý

(tạo, sửa đổi, xóa) các vật liệu có sẵn sử dụng trong mô phỏng

Hình 2.2 Cửa sổ Material Database

Bước 2: Thiết lập thẻ cấu trúc Structures , để chọn cấu trúc phù hợp cho lớp

vỏ của sợi tinh thể quang tử cần mô phỏng, ví dụ hình tròn, hình lục giác, tam giác

Mỗi cấu trúc mô phỏng có thể được thêm vào bằng cách nhấp vào tương ứng biểu

tượng trong GUI

Ví dụ, nhấp vào nút Circle để chọn cấu trúc hình tròn Khi đối tượng được chọn,

nhấn nút Edit sẽ xuất hiện cửa sổ trong đó có thể sửa đổi các thuộc tính của đối

tượng được chọn

Formatted: Font: Bold Formatted: Font: Bold Formatted: Font: Bold Formatted: Font: Bold Formatted: Font: (Default) Times New Roman,

14 pt

Formatted: Font: Bold

Formatted: Font: (Default) Times New Roman,

14 pt

Formatted: Centered

Formatted: Font: Bold, Italic Formatted: Font: Italic Formatted: Font: Italic Formatted: Font: Not Bold, Italic Formatted: Font: Bold Formatted: Font: Bold

Formatted: Font: Bold Formatted: Font: Bold

Cửa sổ tương ứng cho cấu trúc hình tròn được hiển thị bên dưới

(a) (b)

Hình 2.3 Các cấu trúc (a) và các thuộc tính của cấu trúc hình tròn (b)

Bước 3: Chọn thẻ thành phần Components , để xác định các loại cấu trúc

lõi của sợi tinh thể quang tử Các thành phần Components là các cấu trúc phức tạp

hơn được xây dựng từ một hoặc một số nguyên mẫu Các thông số phổ biến có sẵn

để được điều chỉnh Các nhóm cấu trúc dựng sẵn này cho phép người dùng nhanh

chóng thiết lập các môi trường mô phỏng phổ biến (nhưng thường khó xây dựng)

Thao tác này sẽ mở cửa sổ thư viện như hình 2.4

Hình 2.4 Cửa sổ thư viện các loại cấu trúc lõi của sợi tinh thể quang tử

Formatted: Centered

Formatted: Font: Bold, Italic Formatted: Font: Italic