Luận văn: Laser quang sợi thu tín hiệu photon độ nhạy cao cho cảm biến nano

Luận văn: Nghiên cứu khả năng thu tín hiệu photon độ nhạy cao của laser quang sợi, ứng dụng trong cảm biến vật liệu cấu trúc nano.

• Tác giả: Vương Thị Xuân Hương
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Tâm
• Trường học: Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học và công nghệ nano
• Đề tài: Khả năng thu tín hiệu photon với độ nhạy cao của laser quang sợi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Mục lục
• 1. Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium
• 1.1. Các thông số của sợi quang
• 1.2. Cấu trúc sợi quang pha tạp erbium
• 1.3. Phân loại sợi quang
• 1.4. Cách tử quang khắc Bragg
• 1.4.1. Các loại cách tử
• 1.4.2. Cách tử quang khắc Bragg
• 1.4.3. Các tính chất của cách tử quang khắc Bragg
• 1.5. Laser quang sợi pha tạp erbium
• 1.5.1. Nguyên lý của laser
• 1.5.2. Phổ của ion erbium
• 1.5.3. Nguyên lý khuếch đại ánh sáng trong các sợi đơn mode pha tạp erbium
• 1.5.4. Sự chọn lọc mode
• 1.5.5. Laser sợi DFB đơn mode
• 2. Chương 2: Khả năng thu nhận ánh sáng của laser
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Hiện tượng tiền khuếch đại
• 2.3. Các đặc tính của bộ tiền khuếch đại:
• 2.3.1. Ý nghĩa vật lý - Sự tiệm cận ngưỡng
• 2.3.2. Ý nghĩa hình học
• 2.4. Laser quang sợi pha tạp erbium được sử dụng như một đầu thu độ nhạy cao
• 3. Chương 3: Khảo sát hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao và ứng dụng
• 3.1. Hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao
• 3.1.1. Sơ đồ khối của hệ đo
• 3.1.2. Bộ suy giảm
• 3.1.3. Máy phân tích quang phổ (OSA)
• 3.1.4. Hiện tượng kéo tần số:
• 3.1.5. Thu nhận tín hiệu
• 3.2. Chế tạo và khảo sát tính chất cảm biến nhiệt quang của vật liệu VO2 cấu trúc nano
• 3.2.1. Màng mỏng VO2 cấu trúc nano
• 3.2.2. Thực nghiệm chế tạo màng mỏng VO2 cấu trúc nano
• 3.2.3. Phân tích kết quả
• Tài liệu tham khảo
• Mở đầu

Tóm tắt

I. Tổng quan về Laser quang sợi và thu tín hiệu photon

Laser quang sợi đã trở thành một công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ viễn thông đến y sinh. Đặc biệt, khả năng thu tín hiệu photon với độ nhạy siêu cao của laser quang sợi mở ra những triển vọng mới trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và độ phân giải cao. Khác với laser bán dẫn và laser rắn, laser quang sợi có tính tương thích cao với hệ quang sợi, đặc biệt là EDFL (Erbium Doped Fiber Laser) do bức xạ bước sóng 1,55μm, bước sóng của cửa sổ quang học trong thông tin quang sợi thế hệ mới. Hệ số mất mát chỉ còn 0,2-0,3dB/km so với 0,5 dB/km tại 1,3 μm, cho phép đặt các trạm chuyển nối xa hơn. Quan trọng hơn nữa là dây quang sợi pha tạp Er còn có thể sử dụng như khuếch đại quang tại cùng bước sóng, không cần đến các hệ tái tạo điện quang. Theo nghiên cứu của Vương Thị Xuân Hương (2005), các loại laser đơn mode DBR hoặc DFB đang ngày càng được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu thông tin quang. Một trong những ứng dụng quan trọng của laser quang sợi là tiêm quang học, cho phép thu được những tín hiệu rất nhỏ. Các đầu thu truyền thống đều sử dụng nguyên lý quang điện trong hoặc ngoài, trong khi laser quang sợi tận dụng tính chất kết hợp của ánh sáng, mang lại hiệu suất truyền rất cao.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của laser quang sợi

Laser quang sợi, hay fiber laser, là một loại laser trong đó môi trường khuếch đại là sợi quang. Sợi quang này thường được pha tạp với các ion đất hiếm như erbium (Er), ytterbium (Yb), hoặc neodymium (Nd) để tạo ra khả năng khuếch đại ánh sáng. Laser quang sợi hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch đại quang học bằng bức xạ cưỡng bức. Một nguồn bơm, thường là một laser diode, cung cấp năng lượng để kích thích các ion đất hiếm trong sợi quang lên trạng thái năng lượng cao. Khi các ion này trở về trạng thái năng lượng thấp, chúng phát ra photon ánh sáng. Các photon này tiếp tục kích thích các ion khác, tạo ra một chuỗi phản ứng khuếch đại ánh sáng. Ánh sáng khuếch đại được giữ lại trong sợi quang nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, và một phần ánh sáng được thoát ra ngoài qua một bộ ghép nối để tạo ra chùm tia laser. Việc sử dụng sợi quang làm môi trường khuếch đại mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm hiệu suất cao, chất lượng chùm tia tốt, và khả năng tản nhiệt tốt.

1.2. Ưu điểm vượt trội của laser quang sợi so với công nghệ khác

So với các công nghệ laser khác, laser quang sợi có nhiều ưu điểm vượt trội. Thứ nhất, chúng có hiệu suất cao hơn do ánh sáng bơm được tập trung và giữ lại trong sợi quang, giảm thiểu sự mất mát năng lượng. Thứ hai, chúng tạo ra chùm tia laser có chất lượng tốt hơn, với độ phân kỳ thấp và độ ổn định cao. Thứ ba, chúng có khả năng tản nhiệt tốt hơn, cho phép hoạt động ở công suất cao mà không bị quá nhiệt. Thứ tư, chúng có kích thước nhỏ gọn và dễ dàng tích hợp vào các hệ thống quang học khác. Cuối cùng, chúng có tuổi thọ cao hơn do các thành phần quang học được bảo vệ bên trong sợi quang. Những ưu điểm này khiến laser quang sợi trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho nhiều ứng dụng, từ công nghiệp đến y học.

1.3. Các thông số quan trọng ảnh hưởng đến độ nhạy thu photon

Độ nhạy của một hệ thống thu photon sử dụng laser quang sợi phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Một trong những yếu tố quan trọng nhất là SNR (Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu). SNR càng cao, khả năng phát hiện photon càng tốt. SNR bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu, bao gồm nhiễu nhiệt, nhiễu lượng tử, và nhiễu do bức xạ tự phát khuếch đại (ASE). Một yếu tố khác là hiệu suất lượng tử của detector. Hiệu suất lượng tử là tỷ lệ giữa số photon tới detector và số electron được tạo ra. Hiệu suất lượng tử càng cao, khả năng phát hiện photon càng tốt. Ngoài ra, độ rộng vạch phổ của laser, công suất laser, và độ ổn định của hệ thống cũng ảnh hưởng đến độ nhạy thu photon.

II. Thách thức và giải pháp nâng cao độ nhạy thu tín hiệu photon

Mặc dù laser quang sợi có nhiều ưu điểm, việc thu tín hiệu photon với độ nhạy siêu cao vẫn còn nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là giới hạn nhiễu lượng tử. Nhiễu lượng tử là một loại nhiễu không thể tránh khỏi, gây ra bởi bản chất lượng tử của ánh sáng. Để vượt qua giới hạn nhiễu lượng tử, cần sử dụng các kỹ thuật như nén lượng tử và đo lường homodyne. Một thách thức khác là sự xuất hiện của bức xạ tự phát khuếch đại (ASE), làm giảm SNR. Để giảm thiểu ASE, cần sử dụng các bộ lọc quang và tối ưu hóa cấu hình laser. Ngoài ra, sự không ổn định của laser và các thành phần quang học khác cũng có thể gây ra nhiễu và làm giảm độ nhạy. Để cải thiện độ ổn định, cần sử dụng các bộ điều khiển nhiệt độ và các kỹ thuật ổn định khác.

2.1. Các nguồn nhiễu ảnh hưởng đến độ nhạy thu photon

Độ nhạy của hệ thống thu tín hiệu photon bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu khác nhau. Nhiễu lượng tử là một nguồn nhiễu cơ bản, xuất phát từ bản chất lượng tử của ánh sáng. Nhiễu nhiệt phát sinh từ chuyển động nhiệt của các electron trong mạch điện tử. Nhiễu bức xạ tự phát (ASE) được tạo ra bởi sự khuếch đại của các photon được phát ra một cách ngẫu nhiên trong môi trường khuếch đại. Nhiễu tán xạ do sự không hoàn hảo của các thành phần quang học. Nhiễu điện tử phát sinh từ các mạch điện tử sử dụng để khuếch đại và xử lý tín hiệu.

2.2. Các phương pháp giảm thiểu nhiễu và tăng cường tín hiệu

Để cải thiện độ nhạy siêu cao trong việc thu tín hiệu photon, cần áp dụng các phương pháp giảm thiểu nhiễu và tăng cường tín hiệu. Bộ lọc quang có thể được sử dụng để loại bỏ ASE và các tần số nhiễu khác. Kỹ thuật khóa pha có thể được sử dụng để giảm nhiễu tần số thấp. Làm mát detector có thể làm giảm nhiễu nhiệt. Kỹ thuật đo lường đồng bộ có thể tăng cường tín hiệu bằng cách trung bình nhiều lần đo. Kỹ thuật nén lượng tử có thể vượt qua giới hạn nhiễu lượng tử.

2.3. Tối ưu hóa thiết kế laser quang sợi để đạt độ nhạy tối đa

Thiết kế laser quang sợi đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được độ nhạy tối đa. Các yếu tố cần xem xét bao gồm lựa chọn vật liệu pha tạp, thiết kế buồng cộng hưởng, và phương pháp bơm. Vật liệu pha tạp phải có hiệu suất lượng tử cao và độ rộng vạch phổ hẹp. Buồng cộng hưởng phải được thiết kế để giảm thiểu mất mát và tối đa hóa sự tương tác giữa ánh sáng và vật liệu pha tạp. Phương pháp bơm phải cung cấp đủ năng lượng để kích thích các ion đất hiếm lên trạng thái năng lượng cao, đồng thời giảm thiểu nhiễu và nhiệt.

III. Ứng dụng của Laser quang sợi trong thu photon siêu nhạy

Khả năng thu tín hiệu photon với độ nhạy siêu cao của laser quang sợi mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong viễn thông lượng tử, nó có thể được sử dụng để phát hiện và giải mã các photon đơn lẻ, cho phép truyền thông an toàn và bảo mật. Trong hình ảnh y sinh, nó có thể được sử dụng để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao và độ tương phản cao của các tế bào và mô, giúp chẩn đoán và điều trị bệnh tật. Trong vật lý lượng tử, nó có thể được sử dụng để thực hiện các thí nghiệm về hiện tượng lượng tử, giúp hiểu rõ hơn về bản chất của vũ trụ. Theo luận văn của Vương Thị Xuân Hương, việc sử dụng laser quang sợi pha tạp erbium có nhiều ứng dụng trong các nghiên cứu về tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano.

3.1. Viễn thông lượng tử Bảo mật truyền thông bằng photon đơn lẻ

Viễn thông lượng tử sử dụng các tính chất lượng tử của ánh sáng để truyền thông an toàn và bảo mật. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của viễn thông lượng tử là phân phối khóa lượng tử (QKD), cho phép hai bên chia sẻ một khóa mã hóa mà không sợ bị nghe lén. QKD dựa trên việc truyền các photon đơn lẻ giữa hai bên. Nếu một bên thứ ba cố gắng nghe lén, họ sẽ làm thay đổi trạng thái lượng tử của các photon, và hai bên sẽ phát hiện ra sự can thiệp này. Laser quang sợi với độ nhạy siêu cao rất phù hợp để phát hiện và giải mã các photon đơn lẻ trong hệ thống QKD.

3.2. Hình ảnh y sinh Nâng cao độ phân giải và tương phản hình ảnh

Hình ảnh y sinh là một lĩnh vực quan trọng trong y học, cho phép các bác sĩ quan sát các tế bào và mô bên trong cơ thể mà không cần phẫu thuật. Tuy nhiên, độ phân giải và độ tương phản của các kỹ thuật hình ảnh y sinh truyền thống thường bị giới hạn. Laser quang sợi với độ nhạy siêu cao có thể được sử dụng để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao và độ tương phản cao của các tế bào và mô. Kỹ thuật này có thể giúp chẩn đoán và điều trị bệnh tật sớm hơn và chính xác hơn.

3.3. Cảm biến quang học Phát hiện dấu hiệu bệnh tật sớm

Cảm biến quang học sử dụng ánh sáng để phát hiện và đo lường các thay đổi trong môi trường. Laser quang sợi với độ nhạy cao có thể được sử dụng để phát hiện các dấu hiệu bệnh tật sớm, chẳng hạn như các protein ung thư trong máu. Ứng dụng trong cảm biến nhiệt quang của vật liệu VO2 cấu trúc nano.

IV. Cách chế tạo hệ thống thu tín hiệu laser độ nhạy cao

Việc xây dựng một hệ thống thu tín hiệu laser với độ nhạy siêu cao đòi hỏi sự tỉ mỉ và chính xác trong từng bước. Các bước cơ bản bao gồm lựa chọn và thiết lập nguồn bơm, nguồn tín hiệu, bộ suy giảm, laser thu, máy phân tích phổ và máy đo công suất. Đặc biệt quan trọng là việc hiệu chỉnh và tối ưu hóa các thành phần để giảm thiểu nhiễu và tối đa hóa tín hiệu. Hệ đo trong nghiên cứu bao gồm: laser diode đơn mode Nortel LC92A-20 có bước sóng là 980 nm, công suất lớn nhất là 37 mW được sử dụng làm nguồn bơm. Nguồn tín hiệu là laser phản hồi phân bố DFB quang sợi pha tạp erbium có thể thay đổi được bước sóng.

4.1. Lựa chọn linh kiện Nguồn bơm laser thu và bộ suy giảm

Lựa chọn linh kiện là bước quan trọng đầu tiên trong việc xây dựng hệ thống. Nguồn bơm cần có công suất đủ lớn để kích thích laser thu hoạt động hiệu quả. Laser thu cần có độ rộng vạch phổ hẹp và độ ổn định cao. Bộ suy giảm cần có khả năng điều chỉnh công suất tín hiệu một cách chính xác.

4.2. Thiết lập và hiệu chỉnh hệ thống quang học Tối ưu hóa đường truyền tín hiệu

Sau khi lựa chọn linh kiện, cần thiết lập và hiệu chỉnh hệ thống quang học để đảm bảo tín hiệu được truyền đi một cách hiệu quả. Cần căn chỉnh các thấu kính và gương để tập trung ánh sáng vào đúng vị trí. Cũng cần giảm thiểu sự mất mát ánh sáng do tán xạ và hấp thụ.

4.3. Đo lường và phân tích kết quả Đánh giá độ nhạy và hiệu suất

Bước cuối cùng là đo lường và phân tích kết quả để đánh giá độ nhạy và hiệu suất của hệ thống. Cần đo SNR, hiệu suất lượng tử, và các thông số khác để xác định xem hệ thống có đáp ứng được yêu cầu hay không.

V. Kết quả nghiên cứu và tiềm năng phát triển trong tương lai

Những nghiên cứu gần đây đã chứng minh tiềm năng to lớn của laser quang sợi trong việc thu tín hiệu photon với độ nhạy siêu cao. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để đưa công nghệ này vào ứng dụng thực tế. Trong tương lai, chúng ta có thể kỳ vọng vào sự phát triển của các hệ thống thu tín hiệu photon nhỏ gọn, hiệu quả và giá cả phải chăng hơn, mở ra những cơ hội mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.1. Tổng kết các thành tựu đã đạt được trong lĩnh vực

Trong những năm gần đây, đã có nhiều thành tựu đáng kể trong lĩnh vực thu tín hiệu photon sử dụng laser quang sợi. Các nhà nghiên cứu đã phát triển các kỹ thuật mới để giảm thiểu nhiễu và tăng cường tín hiệu, cũng như cải thiện độ ổn định và hiệu suất của hệ thống. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng to lớn của công nghệ này trong nhiều ứng dụng khác nhau.

5.2. Các hướng nghiên cứu và phát triển tiềm năng

Trong tương lai, có nhiều hướng nghiên cứu và phát triển tiềm năng trong lĩnh vực thu tín hiệu photon sử dụng laser quang sợi. Một trong những hướng quan trọng nhất là phát triển các hệ thống nhỏ gọn, hiệu quả và giá cả phải chăng hơn. Các hướng khác bao gồm cải thiện độ nhạy và độ phân giải, phát triển các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau, và nghiên cứu các vật liệu và linh kiện mới.

5.3. Thách thức và cơ hội trong quá trình thương mại hóa công nghệ

Quá trình thương mại hóa công nghệ thu tín hiệu photon sử dụng laser quang sợi đối mặt với nhiều thách thức và cơ hội. Thách thức bao gồm chi phí sản xuất cao, độ phức tạp của hệ thống, và sự cạnh tranh từ các công nghệ khác. Cơ hội bao gồm tiềm năng ứng dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhu cầu ngày càng tăng về các hệ thống thu tín hiệu độ nhạy cao, và sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức nghiên cứu.

VI. Kết luận Laser quang sợi chìa khóa cho tương lai thu photon

Laser quang sợi đang nổi lên như một công nghệ then chốt trong lĩnh vực thu tín hiệu photon với độ nhạy siêu cao. Với những ưu điểm vượt trội và tiềm năng phát triển to lớn, nó hứa hẹn sẽ mở ra những cánh cửa mới cho khoa học và công nghệ trong tương lai. Nghiên cứu và phát triển các ứng dụng, tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hơn.

6.1. Tóm tắt những ưu điểm và ứng dụng nổi bật

Laser quang sợi mang đến sự kết hợp tuyệt vời giữa hiệu suất cao, độ ổn định, và khả năng tích hợp. Khả năng ứng dụng rộng rãi từ viễn thông lượng tử đến hình ảnh y sinh và cảm biến quang học chứng minh tiềm năng to lớn của công nghệ này.

6.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu và phát triển tiếp theo

Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc giảm chi phí sản xuất, tăng độ nhạy, và phát triển các ứng dụng mới. Việc hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư, và doanh nghiệp là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của công nghệ này.

6.3. Tầm quan trọng của laser quang sợi trong khoa học và công nghệ

Laser quang sợi đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ khoa học cơ bản đến các ứng dụng thực tế. Sự phát triển của công nghệ này sẽ mang lại những lợi ích to lớn cho xã hội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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: TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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: TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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: TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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.