Nghiên cứu vận tốc nhóm trong sợi quang tử lõi đặc với lớp vỏ mạng lục giác đều có bước không đổi và đường kính lỗ khí thay đổi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN LÊ NHẬT KHÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VINH – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ************** NGUYỄN LÊ NHẬT KHÁNH LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 Cán hướng dẫn: TS Chu Văn Lanh VINH – 2016 LỜI CẢM ƠN Để luận văn hoàn thành ngồi cố gắng thân tơi cịn nhận hướng dẫn, bảo quý thầy giáo, gia đình bạn bè Qua đây, tơi xin gửi lời cám ơn chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Chu Văn Lanh, người trực tiếp tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ Tôi xin chân thành cảm ơn nhà khoa học giúp đỡ, đóng góp ý kiến quý báu liên quan đến nội dung luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại học Vinh Trường Đại học Sài Gịn tận tình dạy dỗ, tạo điều kiện, giúp đỡ suốt thời gian học tập nghiên cứu đề tài Xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, đồng nghiệp bạn bè động viên chia khó khăn thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU Chương 1: LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG VÀ SỢI QUANG TỬ 1.1 Tổng quan sợi quang 1.1.1 Ưu điểm sợi quang 1.1.2 Nguyên lý truyền dẫn sóng ánh sáng sợi quang đơn lõi 1.1.3 Phân loại ống dẫn quang 1.1.3.1 Phân loại theo cấu trúc hình học 1.1.3.2 Phân loại theo số mode Sợi quang đơn mode sợi quang đa mode 1.1.3.3 Phân loại theo vật liệu cấu thành 13 1.1.4 Các phương trình Maxwell 13 1.1.5 Suy hao nguyên nhân gây suy hao sợi quang 15 1.1.5.1 Suy hao hấp thụ 16 1.1.5.2 Suy hao uốn cong 16 1.1.5.3 Suy hao tán xạ 17 1.1.6 Tán sắc sợi quang 17 1.1.6.1 Hiện tượng 17 1.1.6.2 Nguyên nhân 20 1.1.6.3 Ảnh hưởng 20 1.1.7 Vận tốc nhóm sợi quang 21 1.2 Sợi tinh thể quang tử 22 1.2.1 Từ sợi quang thông thường đến sợi quang tử tinh thể 22 1.2.2 Cơ chế điều khiển 25 1.2.2.1 Biến đổi phản xạ toàn phần 25 1.2.2.2 Điều khiển vùng dải cấm tinh thể 27 1.2.3 Các tính chất ứng dụng 27 1.2.3.1 Các sợi lõi đặc 27 1.2.3.2 Các sợi lưỡng chiết cao 28 1.3 Kết luận chương 30 Chương NGHIÊN CỨU VẬN TỐC NHÓM TRONG SỢI QUANG TỬ LÕI ĐẶC VỚI LỚP VỎ MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU CĨ BƯỚC KHƠNG ĐỔI VÀ ĐƯỜNG KÍNH LỖ KHÍ THAY ĐỔI 31 2.1 Phần mềm mô Mode Solutions 31 2.1.1 Giới thiệu phần mềm Mode Solutions 31 2.1.2 Mode Solutions ? 32 2.1.3 Eigenmode solver- giải mode riêng 32 2.1.4 Sơ lược sử dụng phần mềm Lumicar – Mode solutions để nghiên cứu vận tốc nhóm sợi tinh thể quang tử 33 2.2 Nghiên cứu vận tốc nhóm sợi quang tử lõi đặc với lớp vỏ mạng lục giác có bước khơng đổi đường lỗ khí thay đổi 40 2.2.1 Trường hợp 1: Λ = 5µm; d = 1µm 40 2.2.2 Trường hợp 2: Λ = 5µm; d = 2µm 42 2.2.3 Trường hợp 3: Λ = 5µm; d = 3µm 44 2.2.4 Trường hợp 4: Λ = 5µm; d = 4µm 46 2.3 Tổng hợp đồ thị bình luận 48 2.4 Kết luận chương 49 KẾT LUẬN CHUNG 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PCFS Photonic Crystal Fibres Sợi quang tử ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụ SI Step - index Chiết suất nhảy bậc GI graded - step hay gradient Chiết suất liên tục NA Numerical Aperture Khẩu độ số FP Fabry - Perot PBG Photonic Band Gap vùng cấm quang tử DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1 Cấu tạo sợi quang thơng thường …………………………………6 Hình 1.2 Sự phản xạ khúc xạ ánh sáng…………………………………………….7 Hình 1.3 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng sợi quang ………………………… Hình 1.4 Ống dẫn quang hình trụ ………………………………………………… 10 Hình 1.5 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc sợi quang có chiết suất liên tục 12 Hình 1.6 Mơ tả tín hiệu vào - qua ống dẫn sáng………………………… 18 Hình 1.7 Mơ tả quan hệ mát công suất gây tán sắc màu 19 Hình 1.8 Cấu tạo sợi tinh thể quang tử PCF cấu trúc lục giác dùng silica.Trong thơng số cần quang tâm d  ………………………………………………… 24 Hình 1.9 Mặt cắt mẫu PCF lõi đặc có đuờng kính lỗ khí 300 nm khoảng cách lỗ liền kề 2.3 pm…………………………………………… 25 Hình 1.10 (a) Sơ đồ PCF lõi rắn với mạng tam giác lỗ - khí, mà điều khiển ánh sáng cho biến đổi phản xạ tồn phần (b) Hình ảnh cực nhỏ PCF mạng tam giác lõi rắn chế tạo……………………………………… 26 Hình 1.11 Hình ảnh cực nhỏ (a) mặt cắt ngang (b) khu vực lõi PCF tam giác lưỡng chiết cao, cung cấp sợi tinh thể A / S…………………… 29 Hình 1.12 Hình ảnh cực nhỏ (a) mặt cắt ngang (b) khu vực lõi PCF phi tuyến, đặc trưng lõi nhỏ silica lỗ - khí lớn, với độ tán sắc khơng có bước sóng chuyển sang nhìn thấy …………………………….29 Hình 2.1 Chọn thêm loại vật liệu ………………………………………33 Hình 2.2 Chọn cấu trúc sợi ………………………………………………………….34 Hình 2.3 Thiết lập thuộc tính vịng trịn……………………………… 36 Hình 2.4 Thiết lập cấu trúc lổ khí……………………………………………………37 Hình 2.5 Thiết lập thuộc tính cấu trúc lổ khí……………………………….38 Hình 2.6 Thiết lập mơ khu vực………………………………………… 39 Hình 2.7 Thiết lập thuộc tính mơ khu vực……………………………….39 Hình 2.8a Kết mơ cấu trúc PCF…………………………………………40 Hình 2.8b Kết mơ cường độ sáng……………………………………….41 Hình 2.8c Kết mơ vận tốc nhóm……………………………………… 42 Hình 2.9a Kết mơ cấu trúc PCF…………………………………………43 Hình 2.9b Kết mơ cường độ sáng……………………………………….43 Hình 2.9c Kết mơ vận tốc nhóm……………………………………… 44 Hình 2.10a Kết mơ cấu trúc PCF……………………………………… 45 Hình 2.10b Kết mơ cường độ sáng…………………………………… 45 Hình 2.10c Kết mơ vận tốc nhóm……………………………………….46 Hình 2.11a Kết mơ cấu trúc PCF……………………………………… 46 Hình 2.11b Kết mơ cường độ sáng…………………………………… 47 Hình 2.11c Kết mơ vận tốc nhóm……………………………………….47 Hình 2.12 Mơ tả vận tốc nhóm PCF với Λ = 5μm đường kính khác d = 1μm , 2μm , 3μm , 4μm………………………………………………………….48 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Từ kỉ XIX, người ta dẫn ánh sáng theo vòi nước hệ thống phun nước Một người có ý tưởng nhà Vật lý Thụy sỹ Jean - Daniel Colladon (1841) Các thủy tinh dẫn sáng dùng đèn Năm 1876, "vua sáng chế phát minh" Aleksander Graham Bell sáng chế đăng kí phát minh điện thoại vào năm 1880, cho phép liên lạc khoảng cách 200 m Năm 1890, John Tyndal nghiên cứu hiệu ứng dẫn quang chất điện môi Những nghiên cứu phát triển cho dạng ống dẫn quang Lord Rayleigh vào năm 1910 Cũng năm này, nhà Vật lý khác Hondros, Debye thu kết thú vị Trong năm hai mươi kỉ trước có ý tưởng dùng chùm ống dẫn quang để chuyển tải hình ảnh Trong viễn thông, độ mát lớn thủy tinh yếu tố cản trở ứng dụng ống dẫn quang truyền xa Năm 1957, Schawlow Townes tương tự hóa ý tưởng máy khuếch đại sóng viba phát xạ cưỡng (maser-microwave amplification by stimulated emission of radiation) sang trường hợp sóng ánh sáng, tạo sở cho xuất laser (1960), bước ngoặt tạo kỉ nguyên quang học Năm 1962, laser xung bán dẫn xuất Hall cộng sáng chế Vào năm 1965, Miller đề xuất ứng dụng ống dẫn sóng biến đổi GI (Graded - Index, hay Gradient) vào viễn thông Năm 1966, đánh dấu bước ngoặt quan trọng viễn thông cáp quang: Charles Kao (giải thưởng Nobel năm 2009) George Hockham rằng, ống dẫn quang từ thủy tinh thạch anh có mát 20 dB/km, tức sau qua khoảng 1km ống dẫn sóng ánh sáng có độ hao hụt 1% cơng suất đầu vào Năm 1968, Vchida cộng sản xuất ống dẫn quang viễn thông đầu tiên, song bước ngoặt cơng nghệ ống dẫn quang có tính chất Charles Kao cộng dự đoán được tập thể nghiên cứu Corning glass company tạo năm 1970 Những ống dẫn quang sản xuất ứng dụng viễn thông có độ mát nhỏ hàng trăm lần thay tất dây dẫn đồng tất ứng dụng viễn thông trừ việc truyền tin khoảng cách ngắn Các ống dẫn sóng sản xuất vật liệu khác thủy tinh thạch anh polymer, dùng viễn thơng mà cịn sử dụng thiết bị đo cực nhạy Một bước ngoặt mới, có tính đột phá cơng nghệ quang vào năm 1996, Russell đồng nghiệp đưa loại sợi quang gọi sợi quang tử tinh thể PCF (photonic crystal fiber) [5] Kể từ đó, sợi tinh thể quang tử (PCFs) nghiên cứu chuyên sâu gần hai thập kỷ nhiều nhà khoa học họ PCF có nhiều lợi so với loại sợi quang học thông thường Để bước đầu nghiên cứu vấn đề này, chọn đề tài “Nghiên cứu vận tốc nhóm sợi quang tử lõi đặc với lớp vỏ mạng lục giác có bước khơng đổi đường kính lỗ khí thay đổi” Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu vận tốc nhóm sợi quang tử lõi đặc với lớp vỏ mạng lục giác Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài Sử dụng phần mềm để mô khảo sát cấu trúc, phân bố cường độ trường mode đường vận tốc nhóm biến đổi theo bước sóng Tìm giá trị tối ưu cho số mẫu sợi quang tử cấu trúc lục giác thủy tinhkhơng khí với đường kính lỗ khơng khí khác Cơ sở lý luận phương pháp nghiên cứu đề tài - Luận văn nghiên cứu lý thuyết dựa trên:lý thuyết sợi quang, sợi quang tử - Phần mềm mode solutions ... nhóm sợi quang tử lõi đặc với lớp vỏ mạng lục giác có bước khơng đổi đường kính lỗ khí thay đổi? ?? Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu vận tốc nhóm sợi quang tử lõi đặc với lớp vỏ mạng lục giác Nhiệm... solutions để nghiên cứu vận tốc nhóm sợi tinh thể quang tử 33 2.2 Nghiên cứu vận tốc nhóm sợi quang tử lõi đặc với lớp vỏ mạng lục giác có bước khơng đổi đường lỗ khí thay đổi 40... chương trình bày sau 31 Chương NGHIÊN CỨU VẬN TỐC NHÓM TRONG SỢI QUANG TỬ LÕI ĐẶC VỚI LỚP VỎ MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU CĨ BƯỚC KHƠNG ĐỔI VÀ ĐƯỜNG KÍNH LỖ KHÍ THAY ĐỔI Trong chương này, chúng tơi sử dụng