Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium 1. Các thông số của sợi quang Sợi gồm một lõi dẫn quang có chiếu suất n1, bán kính a. Lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh lõi có chiết suất n2 và có bán kính b. Các tham số n1, n2 và a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang.
Đó là các tham số cấu trúc. Các chiết suất n2 và n1 khác nhau rất ít nên độ lệch chiết suất tỉ đối ∆ thường rất bé (∆<<1) n12 − n 22 n1 − n2 Δn Δ= ≈ = (1) 2n12 n1 n1 Phần lớn các quang sợi được dùng trong các hệ thông tin quang hiện nay thường được chế tạo từ silica (SiO2) có độ sạch cao. Sự thay đổi nhỏ của chiết suất được tạo ra khi pha một lượng nhỏ các chất tạp ( thí dụ như titan, germani,.) chiết suất n1 thay đổi từ 1,44 ÷ 1,46 phụ thuộc vào bước sóng, còn ∆ có giá trị trong khoảng 0,001 ÷ 0,02. Khi chùm sáng từ ngoài (không khí) đi vào quang sợi, để có thể lan truyền trong quang sợi với góc θ phải nhỏ hơn một góc θc tới hạn.
Áp dụng định luật Snell, mỗi tương quan giữa góc tới từ không khí θa và góc khúc xạ tới hạn θc được biểu diễn như sau: 1 * sin θ a = n1 sin θ c (2) Với điều kiện phản xạ toàn phần từ thành của lõi quang sợi giữa hai môi trường có chiết suất n1 và n2 ta có: 1/ 2 ⎡ ⎛ n ⎞2 ⎤ sin θ a = n1 (1 − cos θ c ) 2 1/ 2 = n1 ⎢1 − ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎥ ( = n12 − n 22 ) 1/ 2 (3) ⎢⎣ ⎝ n1 ⎠ ⎥⎦ Bởi vậy: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 θ a = sin −1 (n12 − n22 ) 1/ 2 (4) Giá trị NA = (n − n ) ≈ n 2Δ được gọi là khẩu độ số của quang sợi. Góc 2 1 2 2 1 θa là góc nhận của quang sợi – đây là thông số quyết định cho việc thiết kế hệ kết hợp cho ánh sáng ra và vào sợi quang. Khẩu độ số là đặc trưng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn laze với sợi quang. Giá trị khẩu độ số thường nằm trong khoảng từ 0.
Kích thước của lõi và vỏ các sợi quang tiêu chuẩn hiện nay được dùng trong thông tin quang sợi (2a/2b) là (8/125), (50/125), (62. Nếu sợi quang là sợi đơn mode thì nó chỉ có một mode lan truyền. Bước sóng nhỏ nhất mà tại đó sợi quang làm việc như sợi đơn mode được gọi là bước sóng cắt: 2πa n12 − n22 λc = (5) 2.045 Sự biến đổi chiết suất của quang sợi Sự biến thiên chiết suất của quang sợi có thể biểu thị qua công thức sau: g ⎛r⎞ r ≤a n(r ) = n1 1 − 2Δ⎜ ⎟ với (6) ⎝a⎠ n( r ) = n 2 r >a với (7) Ngày nay, có rất nhiều vật liệu chế tạo sợi quang, song các sợi quang sử dụng thông dụng trong viễn thông đều được chế tạo từ thủy tinh thạch anh có chiết suất là: n = ε r ≈ 1 .5 (8) Trong đó: εr là hằng số điện môi tương ứng của vật liệu. Khi muốn thay đổi chiết suất thì trong quá trình chế tạo lõi và vỏ sợi, chẳng hạn từ thuỷ tinh, thạch anh, người ta thêm hoạt chất vào, ví dụ: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 • Cho GeO2 làm tăng chiết suất.
• Cho Fluorid làm giảm chiết suất. Cấu trúc sợi quang pha tạp erbium Cấu trúc chính của một sợi quang pha tạp erbium bao gồm lõi pha tạp erbium được bọc bởi một lớp thủy tinh. Chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của lớp bọc để tạo ra sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc. Lõi để dẫn ánh sáng còn lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc.
Hình 1-1 chỉ ra cấu trúc của một sợi quang pha tạp erbium. Hình 1-1: Cấu trúc của sợi quang pha tạp erbium Lớp phủ hay lớp bảo vệ thứ nhất có tác dụng bảo vệ sợi quang chống lại sự xâm nhập của hơi nước, tránh sự trầy xước gây nên vết nứt và giảm ảnh hưởng vi uốn cong. Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng truyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ra giữa lớp bọc và lớp phủ. Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học và thay đổi nhiệt độ.
Một số phương pháp chế tạo quang sợi Vật liệu thích hợp nhất để chế tạo quang sợi là sợi thủy tinh. Thủy tinh được tạo ra từ các hỗn hợp oxit kim loại nóng chảy, sulfide hoặc selennide. Chúng tạo ra một vật liệu sợi có cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp. Loại thủy tinh trong suốt tạo ra các sợi dẫn quang chính là thủy tinh oxit, trong đó LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 đioxit silic (SiO2) là loại oxit thông dụng nhất để chế tạo sợi quang.
Nó có chỉ số chiết suất tại bước sóng 850 nm là 1,458 nm. Công nghệ chế tạo sợi quang thông thường bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là giai đoạn công nghệ lắng đọng hơi tạo ra một hình trụ với chiết suất phản xạ mong muốn. Giai đoạn thứ hai, sản phẩm của giai đoạn một được đưa tới một lò nấu thủy tinh với một tốc độ thích hợp – giai đoạn tạo phôi.
Có nhiều công nghệ chế tạo như công nghệ MCVD (modified chemical vapor deposition – công nghệ lắng đọng từ pha hơi các chất hóa học thay đổi), công nghệ OVD (lắng đọng hơi bên ngoài) và công nghệ VAD (công nghệ lắng đọng hơi theo trục). Nhưng ở giai đoạn thứ nhất người ta thường sử dụng công nghệ MCVD (modified chemical vapor deposition – công nghệ lắng đọng từ pha hơi các chất hóa học thay đổi). Những lớp SiO2 được lắng đọng bên trong tuýp thủy tinh nóng chảy bằng cách pha trộn với hơi SiCl4 và O2 tại nhiệt độ khoảng 1800oC. Để đảm bảo về sự đồng đều thì người ta sử dụng những dây chuyền tịnh tiến.
Chiết suất của lớp vỏ được quyết định bằng việc pha fluourine vào ống tuýp. Khi đã lắng đọng xong chiều dày lớp vỏ, lớp lõi được hình thành bằng việc thêm vào hơi GeCl4 hoặc POCl3, việc thêm này quyết định chiết suất của lớp lõi. Lúc này nếu thêm vào hơi ErCl3 thì ta có sợi quang pha tạp erbium. Như vậy quá trình chế tạo quang sợi pha tạp erbium cũng giống như quá trình chế tạo các sợi quang thông thường, chỉ có ở quá trình lắng đọng lớp lõi người ta đã thêm vào hơi ErCl3.
Để giúp cho quá trình pha trộn được tốt hơn, oxit nhôm được đưa thêm vào hỗn hợp để tăng tính hòa tan của erbium trong mạng thủy tinh. Mật độ pha tạp của erbium thường cỡ 1018 ions/cm3. Phần lõi sợi pha erbium thường nhỏ hơn nhiều so với lõi của sợi đơn mode. Lõi pha tạp erbium thường có đường kính cỡ 2 μm, với Δn lớn để đảm bảo đường kính trường mode nhỏ (thường cỡ 4 μm).
Điều này được tạo ra nhằm tăng thêm cường độ của trường quang trong vùng pha erbium giúp cho quá trình bức xạ cảm ứng. Phân loại sợi quang Người ta có thể phân loại sợi quang theo nhiều cách. Sau đây là một số phân loại tiêu biểu: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Phân loại theo vật liệu điện môi: Có 3 loại, bao gồm: • Sợi quang thạch anh. • Sợi quang thủy tinh đa vật liệu • Sợi quang bằng nhựa.
Phân loại theo mode lan truyền: Theo số lượng mode có thể lan truyền, sợi quang được chia thành hai nhóm: • Sợi đơn mode, gọi tắt là SM (single – mode) : Sợi này chỉ cho một mode lan truyền. • Sợi đa mode: cho phép nhiều mode lan truyền. Phân loại theo phân bố chiết suất: Các sợi quang có thể chia làm 2 nhóm theo phân bố chiết suất của lõi sợi: • Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI (step-index). • Sợi quang có chiết suất gradient từ lõi ra vỏ GI (graded- index) Hình 1-2: Quang sợi đa mode chiết suất bậc Hình 1-3: Quang sợi đa mode chiết suất gradient LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Hình 1-4: Quang sợi đơn mode chiết suất bậc Hình 1-5: Quang sợi đơn mode nhiều lớp vỏ Trong quang sợi SI, chiết suất của lõi không đổi.
Vì n1 > n2 (n2 là chiết suất của lớp vỏ) nên tại mặt phân cách của vỏ chiết suất có bước nhảy. Trong quang sợi GI, chiết suất n1 của lõi đạt giá trị lớn nhất tại tâm lõi và giảm dần cho đến mặt phân cách vỏ - lõi thì bằng giá trị chiết suất n2 của vỏ. Quang sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần. So sánh quang sợi đơn mode với quang sợi đa mode ta thấy: Độ tán sắc của quang sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với quang sợi đa mode.
Đối với tán sắc mode, do quang sợi đơn mode chỉ cho phép truyền một mode duy nhất nên tán sắc mode bằng không. Còn đối với tán sắc màu bao gồm tán sắc dẫn sóng và tán sắc vật liệu thì có thể làm cho tán sắc dẫn sóng bù trừ với tán sắc vật liệu để độ tán sắc bằng không. Ví dụ như ở bước sóng 1300 nm độ tán sắc vật liệu và dẫn sóng bằng nhau và trái dấu nên độ tán sắc của quang sợi đơn mode rất thấp (≈0), do đó dải thông của quang sợi đơn mode rất rộng. Tuy nhiên, do kích thước lõi quang sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và quá trình hàn nối quang sợi đơn mode LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 đòi hỏi chính xác cao.
Với công nghệ hiện đại các khó khăn trên đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode được áp dụng phổ biến. Cách tử quang khắc Bragg 1. Các loại cách tử Trong quang học, cách tử nhiễu xạ có bề mặt gồm những rãnh song song cách đều trong không gian là một thiết bị phản xạ hoặc truyền qua đối với ánh sáng. Khi ánh sáng truyền tới cách tử thì xảy ra hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa, ánh sáng bị phản xạ hoặc truyền qua theo những hướng khác nhau hay còn gọi là những bậc khác nhau.
Cách tử có thể được dùng như một linh kiện lọc lựa bước sóng. Thường có những loại cách tử sau Cách tử răng cưa: có bề mặt gồm những rãnh hình răng cưa như hình 1-6.