Quy trình chế tạo và ứng dụng của sợi quang tử tinh thể

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: QUY TRÌNH CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG TỬ TINH THỂ Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực Lớp MSSV : PGS.TS Lƣu Tiến Hƣng : Lê Xuân Thăng : 52K_ĐTVT : 1151089301 NGHỆ AN - 2016 LỜI CẢM ƠN Trong suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp này, em nhận đƣợc hƣớng dẫn, giúp đỡ thầy cô, anh chị bạn Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Vinh, Khoa Điện tử Viễn thông Thầy, Cô giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Đặc biệt, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Lƣu Tiến Hƣng hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành đến nhƣng ngƣời thân toàn thể bạn bè giúp đỡ, động viên em suốt thời gian học tập thực đồ án tốt nghiệp Em xin chúc thầy cơ, anh chị tồn thể bạn bè sức khỏe dồi dào, đạt nhiều thành công công việc, học tập nghiên cứu Nghệ An, tháng năm 2016 Sinh viên thực Lê Xuân Thăng LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, Internet trở thành nhu cầu thiết yếu, giúp ngƣời đâu giới giao tiếp, trao đổi, học tập, mua sắm, giải trí… dễ dàng, nhanh chóng Đi với phát triển yêu cầu băng thông ngày cao Các dịch vụ yêu cầu băng thông lớn ngày phổ biến nhƣ IPTV, video trực tuyến, VoD, Game Online, Hosting Server, VPN, IP Camera, VoIP, hội nghị truyền hình qua mạng Hiện nay, cáp quang đƣợc sử dụng rộng rãi giải pháp để đáp ứng yêu cầu - cáp quang lựa chọn cho việc triển khai hạ tầng mạng địi hỏi nhiều băng thơng tốc độ cao Nhƣng năm gần đây, với phát triển khơng ngừng kỹ thuật cơng nghệ nói chung cơng nghiệp chế tạo sợi quang nói riêng, bản, sợi quang thƣờng tiến gần tới tiệm cận giới hạn Vì sợi quang tinh thể PCFs với nhiều ƣu điểm tốc độ, băng thơng, khả uốn cong, tán sắc thấp… công nghệ sợi quang thay cho sợi quang thơng thƣờng Đây lý mà tơi chọn đề tài “Quy trình chế tạo ứng dụng sợi quang tử tinh thể” cho đồ án tốt nghiệp đại học Đồ án hồn thành nhằm đạt đƣợc ba mục đích chính: 1) Tìm hiểu đƣợc tổng quan sợi quang thơng thƣờng; 2)Tìm hiểu cấu trúc, tính chất sợi tinh thể quang tử 3) Tìm hiểu quy trình chế tạo ứng dụng sợi tinh thể quang tử Đề tài đƣợc tiến hành dựa việc phân tích tổng hợp tài liệu tiếng anh số nƣớc giới báo khoa học…về sợi quang tử tinh thể, quy trình chế tạo tài liệu có liên quan Từ tơi viết thành đồ án Cấu trúc đồ án, phần mở đầu, phần kết luận tài liệu tham khảo phần nội dung đồ án có ba chƣơng sau đây: Chƣơng Giới thiệu tổng quan sợi quang Trong chƣơng tập trung tìm hiểu kiến thức tổng quan sợi quang bao gồm cấu tạo, phân loại số tính chất truyền dẫn, suy hao, tán sắc sợi quang Chƣơng Sợi tinh thể quang tử Trong chƣơng này, chúng tơi trình bày định nghĩa, lịch sử, phân loại tính chất sợi quang tinh thể PCFs, trọng tâm chƣơng giới thiệu nêu tính chất đặc tính tán sắc, suy hao sợi quang tinh thể có lỗ khí xếp theo cấu trúc lục giác Chƣơng Quy trình chế tạo ứng dụng sợi tinh thể quang tử Chƣơng tập trung tìm hiểu quy trình chế tạo nên sợi tinh thể quang tử nay, số ứng dụng cảm biến, quang học màng mỏng điều khiển lan truyền ánh sáng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABSTRACT DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 10 Chƣơng LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG 11 1.1 Nhu cầu băng thông rộng 11 1.2 Giới thiệu chung sợi quang 12 1.2.1 Lịch sử phát triển sợi quang 13 1.2.2.Ƣu điểm sợi quang 14 1.3 Sự truyền sóng ánh sáng sợi quang 16 1.3.1 Nguyên lý truyền dẫn 17 1.3.2 Sợi quang mode truyền dẫn 19 1.3.3 Các phƣơng trình Maxwell 20 1.3.4 Các phƣơng trình dẫn sóng 21 1.4 Suy hao nguyên nhân gây suy hao sợi quang 22 1.4.1 Suy hao hấp thụ 22 1.4.2 Suy hao uốn cong 24 1.4.3 Suy hao tán xạ 24 1.5 Tán sắc sợi quang 26 1.5.1 Hiện tƣợng, nguyên nhân ảnh hƣởng tán sắc 26 1.5.2 Các loại tán sắc 26 1.6 Sợi đơn mode đa mode 31 1.6.1 Sợi đơn mode 31 1.6.2 Sợi đa mode 32 1.7 Kết luận chƣơng 31 Chƣơng SỢI QUANG TỬ TINH THỂ 33 2.1 Giới thiệu sợi quang tinh thể PCF 33 2.1.1 Định nghĩa 33 2.1.2 Lịch sử 33 2.2 Phân loại tính chất PCFs 38 2.2.1 Phân loại 38 2.2.2 Một số tính chất PCFs 39 2.3 Tính chất sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao 41 2.3.1 Tính chất sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao với lỗ khí xếp có cấu trúc 41 2.3.2 Đƣờng đặc tính d/ 41 2.3.3 Tính chất ngƣỡng 41 2.4 Sợi với tính chất đặc biệt 47 2.4.1 Sợi lõi đôi 47 2.4.2 Sợi lƣỡng chiết cao (Highly birefringent( HB)) 48 2.4.3 Sợi phi tuyến hệ siêu liên tục 49 2.4.4 Sợi laser khuyếch đại 51 2.4.5 Sự tạo ảnh với sợi PCF 53 2.4.6 Sợi Fresnel 53 Chƣơng QUY TRÌNH CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CỦA SỢI TINH THỂ QUANG TỬ 56 3.1 Quy trình chế tạo 56 3.1.1 Kỹ thuật xếp sợi kéo dài 56 3.1.2 Phƣơng pháp chế tạo 58 3.2 Ứng dụng sợi tinh thể quang tử 64 3.2.1 Ứng dụng cảm biến 62 3.2.2 Một số ứng dụng khác 69 3.3 Kết luận chƣơng 68 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Nhu cầu băng thông Internet năm gần 11 Hình 1.2 Sơ đồ Gigabit LAN tịa nhà 12 Hình 1.3 Cấu tạo sợi quang thông thƣờng 17 Hình 1.4 Sự phản xạ khúc xạ ánh sáng 18 Hình 1.5 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng sợi quang 19 Hình 1.6 Độ hấp thụ tạp chất kim loại 23 Hình 1.7 Sự suy hao hấp thụ ion OH 23 Hình 1.8 Suy hao tán xạ Rayleigh 25 Hình 1.9 đƣờng đặc tuyến suy hao 26 Hình 1.10 Các loại tán sắc 28 Hình 1.11 Tán sắc chất liệu (dmod), tán sắc dẫn sóng (dwg) tán sắc thể thay đổi theo bƣớc sóng 29 Hình 1.12 Tán sắc (dmod) thay đổi theo chiết suất 30 Hình 1.13.sợi đơn mode 31 Hình 1.14 sợi đa mode 32 Hình 2.1 sợi quang tinh thể PCF 33 Hình 2.2 PCFs tự nhiên 34 Hình 2.3 Mặt cắt mẫu PCF lõi đặc có đƣờng kính lỗ khí 300 nm khoảng cách lỗ liền kề 2.3 μm 36 Hình 2.4 Mặt cắt sợi PCFs lõi rỗng với Λ = 4.9μm đƣờng kình lõi d = 14.8μm 37 Hình 2.5 Mặt cắt số loại sợi quang tinh thể 39 Hình 2.6 Một số dạng cấu trúc xếp lỗ khí PCFs 39 Hình 2.7 Sợi PCFs cấu trúc lục giác lõi đặc với thông số d, Λ 41 Hình 2.8 Cấu trúc PCFs lõi đặc với lỗ khí theo cấu trúc lục giác dùng silica, vịng lỗ khí phía đƣợc thay đổi thành hình êlip 41 Hình 2.9 Sợi PCFs có lỗ khí xếp theo hình tam giác 42 Hình 2.10 Đƣờng tần số định mức Λ/λ với sợi PCFs có tinh thể quang xếp theo hình tam giác lõi chiết suất cao với tỉ lệ d/Λ = 0,23 43 Hình 2.11.Giá trị V sợi PCFs có tinh thể quang xếp theo hình tam giác lõi chiết suất cao 47 Hình 2.12 Mặt cắt sợi PCF hai lõi với mạng vng, đƣờng kính sợi 220 µm, số mạng Λ=1.81, đƣờng kính lỗ d = 0.61 µm (d/ Λ = 0.34) đƣờng kính tâm lỗ dc =0.45 µm mẫu đƣợc chế tạo phƣơng pháp IEMT 48 Hình 2.13 Ví dụ PCF lƣỡng hiết cao: (a) HB PCF với mạng lục giác lỗ tròn (Suzuki cộng sự), (b) Mẫu thử HB PCF dạng hình chữ nhật với mạng hình chữ nhật lỗ elip IEMT 49 Hình 2.14 PCF phi tuyến có kích thƣớc lõi nhỏ tỷ số khác biệt lõi /lớp bọc lớn phần khơng khí lớn Những mẫu PCF phi tuyến đƣợc chế tạo Viện Cơng nghệ Vậtliệu điện tử inWarsaw Sợi có đƣờng kính lõi 1-3 µm, đƣờng kính lỗ 3-5 µm, đƣờng kính sợi 200-270 µm 50 Hình 2.15 PCF lớp bọc đôi (Limpert cộng sự) Một lõi rắn đƣợc bao quanh lớp bọc với hệ số lấp đầy thấp (trong), đóng vai trị nhƣ lõi bơm bơm trƣờng bị giới hạn lớp bọc thứ hai có hệ số lấp đầy cao 52 Hình 2.16 Khái niệm sợi Fresnel (theo Canning cộng sự) 54 Hình 3.1 Nhà máy sản xuất sợi tinh thể quang tử 56 Hình 3.2 Các bƣớc chế tạo sợi tinh thể quang tử 57 Hình 3.4 Quá trình chế tạo sợi tinh thể quang tử 59 Hình 3.5 Chế tạo sợi tinh thể quang tử: tiền chế tạo, bƣớc trung gian bƣớc hình thành sợi (Viện điện tử Công nghệ vật liệu (IEMT)) 59 Hình 3.6 Lỗ khuyết chế tạo PCF 61 Hình 3.7 Tia cực tím (UV) 63 Hình 3.8 Thiết lập thí nghiệm để đo biến dạng đƣợc đề xuất dựa đôi lõi sợi tinh thể quang tử 64 Hình 3.9 Sự thay đổi bƣớc sóng đỉnh cao nhƣ chức 65 Hình 3.10 Thiết lập thí nghiệm cho cảm biến dựa uốn cong cƣờng độ dựa TC-PCF, hai trực giao uốn cong hƣớng (a) (b), dự kiến giao thoa rìa (ảnh nhỏ) thay đổi rìa uốn cong gây 66 Hình 3.11 Đề xuất chƣơng trình cảm biến cho cảm biến tải trọng ngang 67 Hình 3.12 cho thấy phổ truyền giao thoa HB-PCF dựa 68 Hình 3.13 Định hƣớng góc tải áp dụng: ° góc quy chiếu 68 Hình 3.14 Độ nhạy tải ngang cho góc khác tải đặt vào 68 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Sợi quang tinh thể (PCFs) loại sợi quang mới, dựa tính chất tinh thể quang (PC) có khả giới hạn ánh vùng lõi sợi, mà điều sợi quang thông thƣờng Một sợi PCFs sợi quang hợp chất silica có lỗ khí chạy song song với trục sợi Không giống nhƣ sợi quang thông thƣờng, lõi vùng phản xạ (cladding) PCF làm từ vật liệu, tính chất PCF bắt nguồn từ có mặt lỗ khí PCFs với nhiều ƣu điểm tốc độ, băng thông, khả uốn cong, tán sắc thấp Đồ án trình bày khái niệm, cấu trúc tính chất đặc trƣng sợi quang tử tinh thể Quy trình chế tạo số ứng dụng điển hình sợi quang tử tinh thể đƣợc trình bày đồ án ABSTRACT PCF, photonic crystal fiber, is a new kind of optical fiber created basing on the notion that PC can constrain the light within the fiber’s core, which may be impossible for conventional fiber Basically, a PCF is a photosynthetic fiber composing of silica with air holes parallel to its axles Unlike conventional fiber, the core and cladding areas of PCFs are made of the same material and it is the air holes that make PCF totally different from other kind of fiber The variety in the way these air holes are arranged enables PCF to control well the reflection of light between its core and optical crystals within cladding areas and bring about many amazing optical properties as well This thesis presents the concept, structure and characteristics of photonic crystal fibers Fabrication process and some typical applications of photonic crystal fibers are also presented in the scheme nhƣ kỹ thuật cấu trúc dẫn ảnh (sợi dẹt, dẫn ảnh …vv) Sợi dƣới dạng tháp cho PCF chế tạo Viện điện tử Công nghệ vật liệu, Warsaw, Ba Lan Với phƣơng pháp sợi tinh thể quang tử đƣợc chế tạo qua số bƣớc thể hình 3.4 Hình 3.4 Quá trình chế tạo sợi tinh thể quang tử [17] Trong đó: a b tạo ống nhỏ riêng lẻ, c) Tạo dạng sợi, d) Hình thành sợi trung gian, e) Hình thành sợi Trong bƣớc ống nhỏ riêng rẽ đƣợc tạo Sợi tinh thể quang tử sử dụng ống nhỏ với đƣờng kính bề dày thành ống khác (Những ảnh hƣởng phụ thuộc vào giá trị d / Λ sợi ), hình dạng mặt cắt khác nhau(Trịn, lục giác , vng) loại thuỷ tinh khác Hình 3.5 Chế tạo sợi tinh thể quang tử: tiền chế tạo, bước trung gian bước 59 hình thành sợi (Viện điện tử Công nghệ vật liệu (IEMT)) [18] a) Đầu tiên PCF đƣợc hình thành với lỗ  = 1mm mạng lục giác; b) Tiếp theo với lõi  = 250 µm mạng lục giác; c) Sợi PCF đƣờng kính sợi  = 120 µm mạng lục giác, đƣờng kính lỗ trống khơng khí d = µm, d/ Λ = 0.5; d) Bƣớc trung gian hai lõi PCF với mạng hình vng; e) sợi với hai lõi mạng hình vng, đƣờng kính sợi 250 µm, đƣờng kính lỗ khơng khí d = 2.5 µm, d/ Λ = 0.5; f) sợi đa mode với mạng hình vng, bán kính sợi 160 µm, đƣờng kính lỗ trống khơng khí µm Tiếp theo ống nhỏ riêng rẽ đƣợc đặt lại để tạo thành khối nhiều ống nhỏ có tính đối xứng Lỗ khuyết bên nhân ánh sáng thuỷ tinh trƣờng hợp sợi với dải vùng cấm quang tử, lỗ khuyết bên nhân sáng lỗ có đƣờng kính thích hợp Những khuyết đƣợc đặt cấu trúc sợi Một cấu trúc đƣợc định sẵn sau nung đến nóng chảy kéo sợi theo hình tháp với kích thƣớc cỡ milimét bƣớc gọi bƣớc tạo hình trung gian Đây thuỷ tinh tổng hợp nhiệt với lỗ vị trí ống nhỏ chiếm đầy khoảng không gian chúng để tạo đƣợc sợi có đƣờng kính thơng số cấu trúc thích hợp (khoảng cách lỗ, đƣờng kính lỗ, đƣờng kính lõi) bƣớc tạo hình trung gian đƣợc bổ xung thêm thuỷ tinh Tƣơng tự nhƣ bƣớc tạo hình trung gian nung chảy kéo sợi theo dạng hình tháp ta đƣợc sợi hồn chỉnh với kích thƣớc cỡ micromét Cuối lớp polymer đƣợc sử dụng trình tạo sợi PCF để tạo lớp bọc bảo vệ sợi khỏi tác động học Trong suốt trình thực nghiệm ngƣời ta nhận thấy cấu trúc mỏng tính đối xứng bị ảnh hƣởng hình dạng tiết diện lỗ trống Khi bề dày thành lỗ nhỏ, chúng có khuynh hƣớng nhận hình dạng đối xứng mạng Đối mạng lục giác, lục giác mạng hình vng hình vng Đây điều hiển nhiên mỏng thuỷ tinh có 60 tính rẻo cao (nhiệt độ thấp) cấu trúc với tỷ số d/Λ cao (>0.6)(hình 3.5f) Hiện tƣợng tƣơng tự đƣợc thể rõ cấu trúc đa sợi mỏng (tính dẫn ảnh) Việc chế tạo sợi quang tử với tính chất truyền qua vấn đề khó khăn Một số điều chỉnh thơng số để sợi có cấu trúc cỡ micromét nhƣ nhiệt độ tỷ lệ kéo dãn Những lỗ khuyết bị ảnh hƣởng tính chất cấu trúc làm sai lệch so với giá trị tính đƣợc theo lý thuyết Vấn đề lớn việc chế tạo xuất méo mó lỗ khí, xuất thêm lỗ, ảnh hƣởng làm tính đối xứng (hình 3.6) Sự xuất lỗ với đƣờng kính khác có hình dạnh bất thƣờng quan sát rõ mạng hình vng Thơng thƣờng nhiệt độ sợi khơng có phân phối xuyên tâm Nhƣ ta thấy phía ngồi lỗ có biến dạng lớn có đƣờng kính nhỏ so với thiết kế, nên nên thêm hai đến ba vịng ống nhỏ so với thiết kế cấu trúc ban đầu Những ống nhỏ đƣợc thêm vào không ảnh hƣởng tới mode dẫn lỗ khuyết Sự xuất thêm lỗ trống thƣờng vùng ống nhỏ khơng khít trình làm mỏng Sự ảnh hƣởng tới đối xứng cấutrúc đƣợc quan sát đặc biệt mạng hình vng, lỗ trống bị đổi chỗ (trở thành đối xứng tam giác), cấu trúc xếp theo kểu xiên dòng lỗ trống bị nhấp nhơ Hình 3.6 Lỗ khuyết chế tạo PCF (a) Cấu trúc vng 5x5 với bán kính lỗ trống khác nhau, (b) Cấu trúc 61 lục giác với khe ống nhỏ không nhau, (c) Cấu trúc vuông 9x9 với lỗ hổng bị thay Để tránh sai hỏng địi hỏi phải điều khiển xác tất q trình làm mỏng (ống nhỏ, tạo hình trung gian) Nó thực cần thiết để điều chỉnh điều khiển xác nhiệt độ trình làm mỏng, phân phối nhiệt độ lò, điều chỉnh định hƣớng tâm, vận tốc đƣa vào kéo Những thông số cho thấy đƣờng kính sợi, phân phối nhiệt độ, tiết diện thời gian đốt nóng Hầu hết báo cáo PCFs mô tả sợi đƣợc làm thuỷ tinh silica Silica tạo sợi tốt ứng dụng cho hầu hết ứng dụng dải bƣớc song 200 – 2500 nm, nhƣng sử dụng vật liệu khác làm tăng thơng số đặc biệt sợi có vùng phổ truyền vƣợt ngồi vùng Vì ngày có nhiều ý tới tạo sợi đƣợc làm từ nhiều thành phần thuỷ tinh nhƣ: tellurite, fluoride chalcogenide Sợi làm đa thành phần thuỷ tinh có vài tính chất mà sợi làm từ silica khơng có đƣợc nhƣ có chiết xuất cao, độ truyền qua bƣớc sóng hồng ngoại tốt, tính phi tuyến cao, lƣợng photon tƣơng đối mức thấp Một vài sợi đƣợc làm từ silicate, chalcogenite, thuỷ tinh tellurite đƣợc báo cáo Thuỷ tinh silica pha trộn làm cho tính chất quang học tính chất học đƣợc mở rộng Sự suy giảm lớn thuỷ tinh sợi loại thƣờng dẫn đến bất lợi lớn Tuy nhiên tính chất khơng quan trọng sử dụng sợi dải bƣớc sóng ngắn ví dụ nhƣ cảm biến 3.2 Ứng dụng sợi tinh thể quang tử 3.2.1 Ứng dụng cảm biến Một loạt cảm biến đƣợc chế tạo quang tử sợi tinh thể cảm nhận nhiệt độ, áp suất, biến dạng, độ ẩm, vv… Nó đạt độ tuyến tính tốt cách sử dụng sợi lƣới dài cách tử (LPFG) nhƣ cảm biến sợi tinh thể quang tử LPFG cung cấp tính chu kỳ vài trăm bƣớc sóng so với sợi Bragg cách tử có tính tuần hồn vài bƣớc sóng Sợi Bragg lƣới 62 tinh thể quang tử 1D định kỳ khơng biến đổi tuần hoàn chiết suất lõi sợi xảy kích thƣớc Để xây dựng LPFG loại khác quang sợi, phƣơng pháp chế tạo khác nhƣ tiếp xúc với tia laser cực tím, CO2 laser chiếu xạ, phóng điện hồ quang điện đƣợc sử dụng tia laser UV exposure (tia cực tím) - Đây phƣơng pháp đƣợc sử dụng để chế tạo LPFG Nói chung, tạo thay đổi định kỳ chiết suất lõi sợi Hai tia cực tím (UV) phát sợi silica GeO2 pha tạp tức sợi cáp quang Hai tia UV có bƣớc sóng 244 nm Hình 3.7 Tia cực tím (UV) [19] Khi hai tia UV tính xây dựng can thiệp với khác, sau tạo cƣờng độ tối đa có cƣờng độ tối thiểu hai chùm tia UV triệt tiêu can thiệp với Chiết suất sợi silica đƣợc tăng lên nơi có cƣờng độ tối đa nghĩa thể tích cực sin đỉnh nơi có cƣờng độ tối thiểu khơng có thay đổi chiết suất lõi sợi thể âm đỉnh hình sin Nó tạo thành biến số định kỳ theo trục lƣới sợi Laser CO2 chiếu xạ - Nó cấp để tiếp xúc với tia laser cực tím cung cấp số tính bật nhƣ:  Phần lớn linh hoạt hơn, tính linh hoạt đƣợc điều khiển chiếu 63 xạ chùm CO2 laser  Chi phí thấp khơng u cầu nhạy cảm ánh sáng trình xử lý sơ khác để viết cách tử sợi tinh thể  Các CO trình chiếu xạ laser đƣợc xử lý dƣới kiểm sốt để tạo hồ sơ lƣới phức tạp thông qua kỹ thuật điểm tới điểm mà không tốn mặt nạ  Kỹ thuật cao hiệu cho lƣới chế tạo CO2 laser chiếu xạ đƣợc sử dụng để viết LPFG chất lƣợng cao loại khác sợi quang mà không cần ánh sáng, bao gồm sợi tinh thể lõi rắn sợi tinh thể lõi rỗng Hai tia laser chiếu xạ cung cấp gần không chèn Việc liên tục chiếu xạ tia laser CO2 PCF lõi rắn tăng nhiệt độ bề mặt sợi Do đó, có định kỳ làm cong lỗ khơng khí khí hố SiO2 sợi quang bề mặt diễn Nó gây chiết suất định kỳ điều chế theo trục sợi & tạo LPFG với định kỳ rãnh PCF lõi rắn Thông qua chức quét gƣơng CO2 chùm tia laser đƣợc chuyển sang giai đoạn cách tử để tạo sợi quang dài cách tử (LPFG) Dƣới ứng dụng thiết thực sợi quang tinh thể thí nghiệm để đo độ cảm biến Hình 3.8 Thiết lập thí nghiệm để đo biến dạng đề xuất dựa đôi lõi sợi tinh thể quang tử [19] 64 Trong đó: Twin – core sợi lõi đôi, Fusion Splicing điểm nối hợp nguồn ánh sáng vào sợi quang tinh thể lõi đơi Hình 3.8 cho thấy thiết lập thí nghiệm phép đo biến dạng đề xuất sử dụng TC-PCF dựa giao thoa dòng Từ hai lõi TC-PCF khơng xác giống hệt có chút khác biệt số hiệu hai chế độ cốt lõi, khác biệt đƣờng dẫn quang học độ dài cánh tay giao thoa tồn Ánh sáng từ nguồn băng thông rộng mà qua kính phân cực đƣợc gắn vào hai lõi điểm nối, sau tái kết dầm giao thoa đầu Chúng ta quan sát mà bƣớc sóng cao điểm chuyển sang bƣớc sóng ngắn biến dạng đặt vào đƣợc tăng lên Thay đổi màu xanh với ứng dụng biến dạng ngụ ý lƣỡng chiết nhóm nhạy cảm chế độ lõi đôi tiêu cực TC-PCF Độ nhạy biến dạng đƣợc chứng minh có phụ thuộc bƣớc sóng Trong ba dãy quang phổ gần 1.450 nm, 1500 nm 1550 nm, phù hợp tuyến tính liệu đo lên đến 1800 μ mang lại ƣớc tính chủng nhạy cảm 1,8 pm / μ, -2.0 pm / μ, -2,18 pm / μ, tƣơng ứng [19] Hình 3.9 Sự thay đổi bước sóng đỉnh cao chức biến dạng đặt vào [19] 65 Trong chế tạo sợi lõi đôi TC-PCF họ, điển hình tham số d / Λ lớn 0,83 Phần máy độn đầy cung cấp điểm cứng để uốn tƣơng phản số lớn lõi silica lớp phủ Tính chất đặc biệt đƣợc sử dụng cho cảm biến uốn cong cƣờng độ dựa với thay đổi rìa khơng gian uốn cong gây Thiết lập thí nghiệm cho giao thoa uốn cong gây đƣợc hiển thị hình 3.10 TC-PCF cho thấy hành vi giao thoa thay đổi khác dọc theo hai hƣớng uốn cong trực giao Thay đổi số vân tối đa xảy sợi bị uốn theo hƣớng trục lõi kép, hầu nhƣ khơng có thay đổi vân xảy sợi bị bẻ cong theo hƣớng trực giao với trục Họ thiết kế số giao thoa với góc uốn cong khác cách áp dụng uốn hƣớng đến TC-PCF Hình 3.10 Thiết lập thí nghiệm cho cảm biến dựa uốn cong cường độ dựa TC-PCF, hai trực giao uốn cong hướng (a) (b), dự kiến giao thoa rìa (ảnh nhỏ) thay đổi rìa uốn cong gây [19] Hình 3.10 cho thấy thay đổi rìa đo cho hai hƣớng trực giao uốn cho đầy đủ góc uốn cong hƣớng; mơ hình rìa giao thoa dự đƣợc thể hình chữ nhật Kể từ chế tạo TC-PCF cịn có khả chịu đựng để khơng bị uốn cong gây ra, ca rìa dễ tính mà khơng biến động 66 cƣờng độ tín hiệu Mẫu TC-PCF họ cho thấy tổn hao uốn cong 0,02 dB 633 nm với cấu hình thử nghiệm tƣơng tự hình đầy đủ góc uốn cong ứng dụng [19] Hình 3.11 Đề xuất chương trình cảm biến cho cảm biến tải trọng ngang [19] Hình 3.11 cho thấy thiết lập thí nghiệm cho ngang cảm biến tải trọng góc khác tải áp dụng với giao thoa lƣỡng chiết dựa sợi lƣỡng chiết cao (HB-PCF) Các cảm biến đề xuất đƣợc cấu hình cách chèn HB-PCF dài 20cm phân cực tuyến tính xoay (RLP) phân cực dòng Hai giai đoạn luân chuyển đƣợc sử dụng để xoay sợi quang học để áp dụng góc độ khác Các tƣớc HB-PCF với chiều dài 20 cm đƣợc đặt khối rắn (giảm) kính (trên -15 -20 -25 Truyền tải (dBm) cùng) để đặt vào tải trọng ngang -30 -35 -40 Bƣớc sóng -45 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 67 Hình 3.12 Sự lan truyền sóng giao thoa HB-PCF[19] Ánh sáng phân cực phát từ nguồn ASE đƣợc tung vào RLP; Sau đó, trạng thái đƣợc phân cực trở thành tuyến tính Khi ánh sáng tuyến tính phân cực qua HB-PCF, giai đoạn chậm phát triển đƣợc gây khúc xạ kép HB-PCF Một mô hình can thiệp phổ truyền dẫn đƣợc tạo sau ánh sáng truyền qua kính phân cực sợi Chúng tơi đo độ nhạy tải ngang cho góc độ khác tải đặt vào Để có đƣợc độ nhạy tải ngang với góc độ khác tải đặt vào, họ xoay HB-PCF bƣớc 15◦ cách sử dụng giai đoạn luân chuyển; sau đó, họ đo thay đổi bƣớc sóng đỉnh Điểm khởi đầu 0◦ trục chậm vng góc với hƣớng tải đặt vào Hình 3.13 Định hướng góc tải áp dụng: 0° góc quy chiếu [19] Hình 3.14 Độ nhạy tải ngang cho góc khác tải đặt vào [19] 68 Hình 3.14 tóm tắt nhạy tải ngang cho góc độ khác tải áp dụng Với số liệu đo góc tải áp dụng, chúng tơi tính tốn độ nhạy từ phù hợp tuyến tính Sau lắp đặt, họ thiết kế nhạy cảm nhƣ chức góc tải đặt vào, nhƣ thể hình 3.13 Độ nhạy đo 0◦, 105◦, 180◦ 0,018, -0,006 -0,009 nm / N, tƣơng ứng Các dấu hiệu nhạy cảm tích cực 0◦ xung quanh 105◦ tiêu cực phạm vi khoảng 105◦ để 180◦ lƣỡng chiết thay đổi liên quan đến việc thay đổi góc độ tải áp dụng với có nhiều ảnh hƣởng chuyển đổi bƣớc sóng cao điểm Các lƣỡng chiết đƣợc giới thiệu arraying lỗ khơng khí kích cỡ khác dọc theo hai trục trực giao xung quanh lõi Các cảm biến đề xuất đƣợc cấu hình cách đặt HB-PCF RLP phân cực sợi Chúng điều tra nhạy cảm tải ngang cho góc độ khác tải áp dụng quan sát thấy nhạy cảm gần nhƣ không 0◦, 105◦, 180◦ 3.2.2 Một số ứng dụng khác Các tinh thể quang tử đƣợc ứng dụng để điều khiển lan truyền ánh sáng Các tinh thể quang tử chiều đƣợc dùng rộng rãi quang học màng mỏng; nhƣ tạo lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gƣơng để tạo độ phản chiếu thấp hay cao tuỳ ý; hay sơn đổi màu in ấn bảo mật Các tinh thể quang tử hai chiều ba chiều đƣợc dùng nghiên cứu khoa học Ứng dụng thƣơng mại tinh thể quang tử hai chiều sợi tinh thể quang tử, thay cho sợi quang học truyền thống thiết bị quang học phi tuyến dùng với bƣớc sóng đặc biệt (ở khơng có vật liệu truyền thống suốt ngồi khơng khí hay chất khí) Khả sản xuất ngăn ngừa lỗi tinh thể quang tử ba chiều 69 đƣợc nghiên cứu 3.3 Kết luận chƣơng Chƣơng chƣơng đồ án, nhƣng để thực tốt đƣợc chƣơng chƣơng trƣớc góp phần quan trọng Để tìm hiểu đƣợc quy trình chế tạo ứng dụng sợi quang tử tinh thể trƣớc hết phải hiểu đƣợc sợi quang thông thƣờng chế Cuối quy trình chế tạo sợi tinh thể quang tử đƣợc tơi trình bày nhƣ trên, cịn ứng dụng nhiều nhƣng với phạm vi đề tài cho phép tơi trình bày số ứng dụng điển hình 70 KẾT LUẬN Tuy thời gian thực đề tài hạn chế, nhƣng đƣợc giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo hƣớng dẫn với kiến thức đƣợc trang bị nhà trƣờng hiểu biết mình, chúng tơi nghiên cứu, tìm hiểu sợi tinh thể quang tử thu đƣợc kết nhƣ sau: Hiểu rõ sợi quang tinh thể, nhƣ phân loại đƣợc sợi quang tinh thể số tính chất Nắm rõ đƣợc cấu trúc chế truyền dẫn sợi tinh thể quang tử, từ thấy đƣợc ƣu điểm vƣợt trội giũa sợi quang thơng thƣờng Phân tích cấu tạo, ta có hai chế, cấu trúc sợi quang Nắm rõ đƣợc quy trình chế tạo sợi tinh thể quang tử, số ứng dụng nhƣ: sử dụng cảm biến, ứng dụng quang học màng mỏng sử dụng để điều khiển lan truyền ánh sáng 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Văn San, “Kỹ thuật thông tin quang”, Nhà xuất Khoa học & Kỹ thuật, 1997 [2] Vũ Văn San, “Hệ thống thông tin quang”, Nhà xuất Bƣu điện, 1998 [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Fiber-optic_communication, truy nhập cuối ngày 31/03/2016 [4] Photonic crystal fibres for industrial laser beam delivery systems, http://www.aop.hw.ac.uk/Projects/mat16.htm, truy nhập cuối ngày 04/04/2016 [5] F.Zolla, G Renversez, A Nicolet, B Kuhlmey, S Guenneau, D Felbacq, "Foundations of Photonic Crystal Fibres" (Imperial College Press, London, 2005) [6] Nguyễn Hoàng Hải, “A Novel Defected Elliptical Pore Photonic Crystal Fiber with Ultra-Flattened Dispersion and Low Confinement Losses”, IEICE TRANS ELECTRON, VOL.E90C, NO.8 AUGUST 2007 [7] H Hundertmark, D Kracht, D Wandt, C Fallnich, V.V Ravi Kanth Kumar, A.K George, J.C Knight, P.S.J Russell, Opt Expr 11, 3196 (2003) [8] T.P Hansen, J Broeng, S.E.B Libori, E Knudsen, A Bjarklev, J.R Jensen, H Simonsen, IEEE Phot Techn Lett 13, 588 (2001) [9] B.J Mangan, J.C Knight, T.A Birks, P.S Russell, A.H Greenaway, Electron.Lett 36, 1358 (2000) [10] G Kakarantzas, A Ortigosa -Blanch, T.A Birks, P.S Ru ssell, L Farr, F Couny, B.J Mangan, Opt Lett 28, 158 (2003) 72 [11] A.Bjarklev, J.Broeng, and A.S.Bjarklev, “Photonic Crystal Fibers”, Kluwer Academic Publishers, 2003 [12] F.Poli, A Cucinotta, S Selleri, “Photonic Crystal Fibers Properties and Applications”, Springer Series in Materials Science, Vol 102, 2007 [13] Photonic crystal fibres for industrial laser beam delivery systems, http://www.aop.hw.ac.uk/Projects/mat16.htm, truy nhập cuối ngày 25/03/2016 [14] World Record 69-Terabit Capacity for Optical Transmission over a Single Optical http://www.ntt.co.jp/news2010/1003e/100325a.html, truy nhập cuối ngày 25/03/2016 [15] http://frankmccown.blogspot.com/2007/11/more-bandwidth-at harding.html, truy nhập cuối ngày 11/04/2016 73 ... cấu trúc lục giác Chƣơng Quy trình chế tạo ứng dụng sợi tinh thể quang tử Chƣơng tập trung tìm hiểu quy trình chế tạo nên sợi tinh thể quang tử nay, số ứng dụng cảm biến, quang học màng mỏng điều... 51 2.4.5 Sự tạo ảnh với sợi PCF 53 2.4.6 Sợi Fresnel 53 Chƣơng QUY TRÌNH CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CỦA SỢI TINH THỂ QUANG TỬ 56 3.1 Quy trình chế tạo 56... niệm sợi Fresnel (theo Canning cộng sự) 54 Hình 3.1 Nhà máy sản xuất sợi tinh thể quang tử 56 Hình 3.2 Các bƣớc chế tạo sợi tinh thể quang tử 57 Hình 3.4 Quá trình chế tạo sợi tinh thể