MỞ ĐẦU Trong thế kỷ 20, sợi quang thông thường (Hình 0.1a) được sử dụng để truyền thông tin dưới dạng các xung quang ngắn với tốc độ cực cao trên một khoảng cách dài. Kể từ năm 1970 đến nay tốc độ phát triển công nghệ này thật đáng kinh ngạc và đã trở thành vấn đề quan trọng của mạng viễn thông toàn cầu [1, 2]. Ngoài việc sử dụng trong lĩnh vực thông tin quang, các sợi quang thông thường còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác như trong y học, gia công, cảm biến,…. Trong quá trình lan truyền sự mất mát và độ tán sắc là các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền của các sợi quang học.
Bằng cách tạo ra các cơ chế biến đổi độ tán sắc đã đem lại các công nghệ hoàn thiện lĩnh vực thông tin quang ngày nay [3]. Một bước ngoặt mới có tính đột phá trong công nghệ quang sợi đó là vào năm 1996, Russell và các đồng nghiệp đã đưa ra một loại sợi quang mới gọi là sợi tinh thể quang tử (photonic crystal fiber - PCF) (Hình 0. Kể từ đó, các PCF đã được nghiên cứu chuyên sâu hơn hai thập kỷ bởi rất nhiều nhà khoa học lớn và họ đã chỉ ra các PCF có nhiều ưu điểm hơn so với các loại sợi quang học thông thường. Một PCF có thể được coi là một tinh thể lượng tử ánh sáng, với một cấu trúc đối xứng hai chiều trong đó bao gồm một khu vực trung tâm được bao quanh bởi một mạng tạo bởi nhiều lỗ không khí chạy song song với trục sợi [5].
Sau khi phát hiện ra PCF thì các nghiên cứu về việc ứng dụng nó trong lĩnh vực quang học được rất nhiều nhà khoa học quan tâm. PCF có các tính chất rất thú vị cho các ứng dụng phi tuyến vì nó có khả năng giam giữ ánh sáng rất lớn và có khả năng điều khiển được độ tán sắc [6]. Một điều khá thú vị, các PCF với bước sóng ứng với độ tán sắc bằng không rất thích hợp cho việc phát siêu liên tục [7]. Các tham số ảnh hưởng đến độ tán sắc của PCF đó là các 2 tham số hình học như cấu trúc các loại mạng, kích thước đường kính lỗ khí, khoảng cách giữa các lỗ khí và vật liệu thẩm thấu vào lỗ khí [8].
Trong khoảng thời gian từ năm 1996 đến năm 2006, các nghiên cứu chủ yếu tập trung cho các PCF được bơm vào lỗ mạng hoặc lõi bởi không khí như nghiên cứu cơ chế dẫn ánh sáng của PCF [5, 9] và các PCF lõi đặc cấu trúc vi mô [10]. Các nghiên cứu về PCF sử dụng chất khí bơm vào các lỗ mạng hoặc lõi đã chứng tỏ được những tính chất nổi trội và những ứng dụng vượt bậc của PCF so với các sợi quang thông thường. Đồng thời các nghiên cứu này cũng đã chỉ ra PCF khí còn tồn tại một số hạn chế như dải bước sóng tán sắc bằng không rất hẹp, tính phi tuyến trong các PCF khí nhỏ. Những hạn chế này làm ảnh hưởng không nhỏ đến các ứng dụng của PCF trong công nghệ sợi quang.
Trong những năm gần đây, với việc thẩm thấu chất lỏng vào lớp vỏ hoặc lõi của PCF đã mở ra một ứng dụng rất tiềm năng của nó trong phát siêu liên tục [11]. Bằng cách lựa chọn chất lỏng, người ta có thể điều khiển được đường cong tán sắc phẳng của các đường tán sắc [12 - 14]. Đồng thời việc sử dụng chất lỏng rất thích hợp cho việc phát siêu liên tục [15]. Ngoài ra, cũng bằng cách thẩm thấu một hỗn hợp chất lỏng thích hợp vào các lỗ khí có thể tạo ra được các PCF ứng dụng trong cảm biến nhiệt có độ nhạy cao [16].
Các nghiên cứu về PCF được thẩm thấu chất lỏng vào lớp vỏ hoặc lõi đã mở ra những ứng dụng đầy hứa hẹn của nó trong công nghệ sợi quang và đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu trong thời gian tiếp theo. Tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn chưa phân tích được đầy đủ, tường minh sự phụ thuộc của các đại lượng đặc trưng của PCF vào các tham số cấu trúc và các chất lỏng sử dụng có tính độc khá cao đối với con người. Ở Việt Nam, kể từ năm 2005 đến năm 2015 đã có một số nhóm nghiên cứu ở Viện Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã có những nghiên cứu bước đầu về tinh thể quang tử như sử dụng khúc xạ âm trong các ống dẫn sóng tinh thể không đồng đều [17, 18], nghiên 3 cứu chế tạo và tính chất quang của các tinh thể quang tử chứa các tâm phát xạ [19], nghiên cứu và chế tạo cảm biến quang học trên cơ sở tinh thể quang tử một chiều ứng dụng trong lĩnh vực Sinh - Hóa [20], các sợi tinh thể có tán sắc cực phẳng và giam giữ mất mát thấp [21, 22], các sợi tinh thể quang tử cho diện tích mode hiệu dụng lớn và tán sắc âm lớn [23], các sợi đơn mode có tán sắc siêu phẳng với dải bước sóng tán sắc gần không rộng [24]. Như vậy, các nghiên cứu về PCF còn rất ít được quan tâm ở Việt Nam.
Hơn nữa, các kết quả nghiên cứu vẫn còn khiêm tốn so với các nước khác. Bên cạnh lý do kinh phí và phương tiện chưa đủ, sự liên kết hợp tác không hiệu quả trong nghiên cứu chuyên ngành cũng có thể là một phần nguyên nhân.1: a) Sợi quang thông thường và b) Một số loại sợi tinh thể quang tử Lõi Vỏ Lớp vỏ bảo vệ Hình 0.2: Cấu trúc của sợi quang thông thường Các sợi quang thông thường (Hình 0.2) có ứng dụng rất tốt trong thông tin quang và một số lĩnh vực khác. Tuy nhiên các sợi quang thông thường này tồn tại một số hạn chế liên quan đến cấu trúc của nó như: gặp khó khăn trong việc thiết kế, khó khăn trong việc chọn vật liệu (tính chất nhiệt của lõi và vỏ phải giống 4 nhau), hạn chế về mật độ năng lượng truyền, hạn chế cơ bản về kích thước mode trong chế độ đơn mode, … Các PCF (Hình 0.3) linh hoạt hơn trong việc thiết kế và chế tạo cấu trúc của nó như việc chọn các loại lõi (lõi đặc hay lõi rỗng), kích thước và hình dạng của các lõi, các kiểu mạng, hằng số mạng, hình dạng và kích thước các lỗ mạng, tự do lựa chọn các loại vật liệu để thẩm thấu vào lỗ mạng hoặc lõi. Mỗi một sự thay đổi các yếu tố này đều ảnh hưởng lên các đại lượng đặc trưng của PCF.
Nhiều công bố quan tâm nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc như đường kính lỗ khí d, hằng số mạng Ʌ (khoảng cách từ tâm lỗ khí này đến tâm lỗ khí gần nhất) lên các các đại lượng đặc trưng của PCF bao gồm chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và mất mát [6, 8, 9]. Tuy nhiên hạn chế của các cấu trúc trong các công bố này là chưa xác định được mối liên hệ giữa các đại lượng này và sử dụng kết quả đó cho các ứng dụng công nghệ quang trong các trường hợp cụ thể. Hợp chất silica Chất lỏng Chất lỏng Hợp chất silica Hình 0.3: Cấu trúc hình học của sợi quang PCF: a) Lõi đặc b) Lõi rỗng được thẩm thấu chất lỏng Trong công bố gần đây, các tác giả đã thẩm thấu chloroform (CHCl 3) vào lõi của PCF [25]. Kết quả nghiên cứu đã thu được hai cấu trúc tối ưu để ứng dụng cho 5 phát siêu liên tục tại bước sóng bơm 1030 nm.
Sợi tối ưu thứ nhất có hằng số mạng Λ = 1,0 μm và thừa số lấp đầy f = 0,65 có đặc trưng tán sắc thường, có độ tán sắc bằng -24 ps.km−1 tại bước sóng bơm. Sợi tối ưu thứ hai có hằng số mạng Λ = 2,0 μm và thừa số lấp đầy f = 0,65 có bước sóng tán sắc bằng không (ZDW) bằng 1,0 μm nên có đặc trưng tán sắc dị thường tại bước sóng bơm và độ tán sắc ở bước sóng bơm bằng 7,6 ps. Kết quả phát siêu liên tục cho hai cấu trúc tối ưu này đã mở rộng phổ trong dải bước sóng 600 nm - 1260 nm. Trong công bố [26], các tác giả đã phát siêu liên tục trong PCF lõi nước có chiều dài sợi 5 cm.
Kết quả đã thu được phổ mở rộng trong phạm vi bước sóng từ 600 nm đến 1140 nm. Các kết quả thu được qua các công trình trên đóng góp quan trọng trong tiến trình nghiên cứu phát siêu liên tục trong các PCF lõi chất lỏng và càng khẳng định các ưu điểm của các PCF được thẩm thấu chất lỏng. Tuy nhiên, khi sử dụng các chất lỏng trên thì diện tích mode hiệu dụng thu được lớn; đường cong tán sắc phẳng nhưng chưa tiệm cận gần nhất với đường tán sắc bằng không; giam giữ mất mát lớn. Những yếu tố này có ảnh hưởng lớn đến độ phẳng và khả năng mở rộng phổ trong phát siêu liên tục.
Ngoài ra, các công bố còn chưa phân tích đầy đủ các hiện tượng vật lý ảnh hưởng lên quá trình phát siêu liên tục. Để khắc phục những hạn chế trên, chúng tôi sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng bản quyền Lumerical Mode Solutions để thiết kế các PCF lõi rỗng được thẩm thấu các hợp chất thơm (toluen, benzen và nitrobenzen). Tiếp theo, chúng tôi sẽ xây dựng mô hình vật lý để nghiên cứu sự truyền sóng ánh sáng trong PCF, nghiên cứu ảnh hưởng của bước sóng, các tham số cấu trúc lên các đại lượng đặc trưng của PCF (chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và giam giữ mất mát). Các kết quả thu được sẽ xác định được PCF có cấu trúc tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả phát siêu liên tục (SG) với sự mở rộng phổ lớn và siêu phẳng.
Trong tiến trình đó chúng tôi phân tích các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng lên quá trình phát siêu liên tục. 6 Các kết quả thu được không chỉ đóng góp trong nghiên cứu cơ bản mà còn có tính định hướng cho các nghiên cứu ứng dụng. Từ những phân tích các vấn đề rất mới, có tính thời sự và rất cần thiết ở trên, chúng tôi chọn đề tài với tiêu đề: “Nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể quang tử mạng lục giác đều được thẩm thấu các chất lỏng định hướng ứng dụng trong phát siêu liên tục” làm đề tài luận án của mình.