LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG
Nhu cầu băng thông rộng hiện nay
Ngày nay, Internet đã trở thành nhu cầu thiết yếu, giúp mọi người giao tiếp, học tập và mua sắm dễ dàng Cuộc cạnh tranh trong thị trường dịch vụ băng rộng ngày càng gia tăng, buộc các nhà cung cấp phải phát triển chiến lược cung cấp dịch vụ đa dạng với thoại, dữ liệu và video qua một kết nối duy nhất Sự phát triển mạnh mẽ của Internet và Intranet đã dẫn đến nhu cầu ngày càng cao về băng thông rộng, đặc biệt trong các ứng dụng chia sẻ file và làm việc từ xa.
B ăn g th ôn g kế t n ối in te rn et
Hình 1.1 Nhu cầu về băng thông Internet trong những năm gần đây [1]
Sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng và dịch vụ trực tuyến hiện nay yêu cầu tốc độ và băng thông kết nối Internet cao Cáp quang đã trở thành lựa chọn hàng đầu với giải pháp FTTH (Fiber To The Home), cung cấp công nghệ truy nhập Internet tốc độ cao nhất hiện nay, với tốc độ lên đến 10 Gbps, nhanh gấp 200 lần so với ADSL 2+.
Cáp quang trước đây chủ yếu được sử dụng cho kết nối giữa các đường trục chính của quốc gia và các doanh nghiệp lớn do chi phí cao Tuy nhiên, hiện nay, cáp quang đã trở nên phổ biến hơn tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ, trường đại học và người tiêu dùng thông thường nhờ vào giá thành giảm Các giải pháp như FTTH đã đáp ứng nhu cầu về mạng tốc độ cao cho các dịch vụ như IPTV, video trực tuyến, VoD, game online, Hosting Server riêng, VPN, giám sát từ xa IP Camera, VoIP, hội nghị truyền hình qua mạng, và kết nối Gigabit giữa các tòa nhà trong mạng LAN Do đó, cáp quang trở thành lựa chọn hàng đầu cho việc triển khai hạ tầng mạng cần băng thông và tốc độ cao.
Hình 1.2 Sơ đồ Gigabit LAN trong một tòa nhà [2].
Giới thiệu chung về sợi quang
Hệ thống thông tin truyền thông cho phép truyền tải dữ liệu từ địa điểm này đến địa điểm khác, với khoảng cách có thể dao động từ vài trăm mét đến hàng trăm km, thậm chí xa hơn.
Hệ thống thông tin quang sợi sử dụng ánh sáng và các sợi quang để truyền tải thông tin qua các khoảng cách lớn, từ hàng chục ngàn km, và có khả năng truyền thông qua các sóng điện với tần số từ vài MHz đến hàng trăm THz Trong những năm gần đây, các hệ thống này đã trở thành nền tảng chủ đạo trong việc hiện đại hóa mạng lưới viễn thông toàn cầu, đặc biệt trong vùng nhìn thấy và gần hồng ngoại của phổ sóng điện từ.
Các hệ thống thông tin quang đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển và hiện nay là những hệ thống tiên tiến nhất, được triển khai trên các mạng lưới viễn thông toàn cầu Chúng có cấu hình linh hoạt, hỗ trợ tốc độ và cự ly truyền dẫn lớn, đảm bảo chất lượng dịch vụ viễn thông tốt nhất.
1.2.1 Lịch sử phát triển sợi quang
Hệ thống thông tin quang khác biệt so với hệ thống viba chủ yếu ở dải tần số sóng mang, nhưng lại cho phép truyền tải thông tin với số lượng kênh lớn hơn nhiều Ban đầu, các sợi dẫn quang có suy hao cao khoảng 1000 dB/km, nhưng vào năm 1966, các nhà nghiên cứu như Kao, Hockman và Werts đã phát hiện ra rằng suy hao chủ yếu do tạp chất trong vật liệu chế tạo Đến năm 1970, Kpron, Keck và Maurer đã phát minh ra sợi thủy tinh với suy hao chỉ 20 dB/km, mở ra khả năng truyền dẫn tương đương với cáp đồng, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ thông tin quang.
Từ những nghiên cứu đầu tiên, sợi dẫn quang đã có sự phát triển vượt bậc với suy hao giảm đáng kể Đến đầu những năm 1980, hệ thống thông tin sử dụng sợi dẫn quang đã trở nên phổ biến, đặc biệt ở vùng bước sóng 1300 nm Hiện nay, công nghệ sợi quang đã đạt được mức suy hao rất thấp, với giá trị dưới 0,154 dB/km tại bước sóng 1550 nm, cho thấy sự tiến bộ mạnh mẽ trong gần ba thập kỷ qua Giá trị suy hao này gần đạt đến mức lý thuyết tối ưu cho các sợi đơn mode, là 0,14 dB/km.
Trong những năm gần đây, kỹ thuật chế tạo cáp quang đã phát triển nhanh chóng, đạt được nhiều kết quả ấn tượng về tốc độ truyền và băng thông Năm 2001, tập đoàn viễn thông Alcatel của Pháp đã thiết lập kỷ lục băng thông cáp quang lên tới 10,2 Tbps bằng cách sử dụng 256 kênh với băng thông 40 Gbps trên khoảng cách hơn 100 km Đến cuối năm 2006, tập đoàn viễn thông Nhật Bản NTT đã công bố kỷ lục mới về truyền dữ liệu qua cáp quang, đạt 14 Tbps trên khoảng cách xa.
Vào năm 2007, tập đoàn Alcatel-Lucent đã thiết lập kỷ lục mới về truyền tải dữ liệu qua cáp quang, đạt 25,6 Tbps Kỷ lục này được thực hiện qua một đường cáp quang đơn với ba chặng, mỗi chặng dài 80 km Trước đó, một hệ thống cáp quang với 140 kênh đã cho phép truyền tải thông tin với băng thông lên tới 111 Gbps trên khoảng cách 160 km.
Vào tháng 3 năm 2010, NTT đã công bố tốc độ kỷ lục 69Tbps cho kênh phân tần WDM 16 Romano Valussi, Giám đốc công nghệ quang dẫn của Alcatel-Lucent, nhấn mạnh rằng "mạng cáp quang là nhân tố then chốt trong cuộc cách mạng băng thông rộng mà chúng ta đang chứng kiến hiện nay."
1.2.2 Ƣu điểm của sợi quang
Công nghệ chế tạo nguồn phát và thu quang cùng với sợi dẫn quang đã phát triển các hệ thống thông tin quang, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống thông tin cáp kim loại, đặc biệt là cáp đồng.
Băng thông truyền dẫn rất lớn
Tần số sóng mang quang dao động trong khoảng 10^13 đến 10^16 Hz, chủ yếu gần vùng hồng ngoại với giá trị 10^14 Hz, mang lại băng thông truyền tải vượt trội so với hệ thống cáp kim loại, như cáp đồng trục chỉ đạt khoảng 500 MHz Mặc dù băng thông của hệ thống sợi quang chưa được khai thác hoàn toàn, nhưng khả năng truyền tải ở mức vài GHz qua khoảng cách vài km và hàng trăm MHz qua hàng chục km mà không cần can thiệp điện (như bộ lặp) đã được chứng minh Do đó, dung lượng mang thông tin của hệ thống thông tin quang vượt trội hơn hẳn so với các hệ thống cáp đồng tốt nhất hiện nay.
Sự phát triển công nghệ chế tạo sợi quang đã mang lại những tiến bộ vượt bậc, với sợi quang có độ suy hao chỉ 0.2dB/km, tạo ra lợi thế lớn cho thông tin quang Điều này cho phép lắp đặt bộ khuếch đại cho từng khoảng cách trên đường truyền mà không cần chuyển đổi sang tín hiệu điện, từ đó giảm chi phí và độ phức tạp của hệ thống.
Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ
Sợi quang được sản xuất từ các chất điện môi, giúp chúng không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ và xung điện tử tần số vô tuyến Nhờ vậy, hệ thống thông tin quang hoạt động ổn định ngay cả trong môi trường có nhiễu điện Điều này cho phép sợi quang có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và sử dụng hiệu quả trong các môi trường phản ứng hạt nhân.
Sợi quang có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao nhờ ánh sáng được bức xạ một cách không đáng kể Đặc tính này rất phù hợp cho các lĩnh vực như quân đội, ngân hàng và các ứng dụng truyền dữ liệu yêu cầu độ bảo mật cao.
Có kích thước và trọng lượng nhỏ
Sợi quang có kích thước rất nhỏ, với bán kính thường không lớn hơn sợi tóc con người Điều này khiến cho ngay cả khi được phủ lớp bảo vệ, sợi quang vẫn nhẹ và nhỏ hơn đáng kể so với cáp đồng.
Sợi có tính cách điện tốt
Sợi quang, được làm từ thủy tinh hoặc nhựa, là chất cách điện, nên không gặp phải những vấn đề cơ bản như dây dẫn kim loại Đặc tính này giúp sợi quang truyền thông tin một cách lý tưởng trong các môi trường có điện áp cao hoặc gần nguồn điện.
Tin cậy và linh hoạt
Sự truyền sóng ánh sáng trong sợi quang
Cáp quang, hay còn gọi là cáp sợi quang, bao gồm ba thành phần chính: lõi sợi quang (core), lớp phản xạ ánh sáng (cladding) và các lớp bọc cáp (coating) Lõi sợi quang là thành phần quan trọng nhất, có chức năng truyền dẫn sóng ánh sáng Khi mô tả môi trường truyền dẫn quang trong hệ thống thông tin quang, chỉ cần tập trung vào lõi sợi quang Lớp cladding, được làm từ thủy tinh hoặc nhựa, có nhiệm vụ bảo vệ và phản xạ ánh sáng trở lại lõi Các lớp bọc bên ngoài có chức năng bảo vệ sợi quang khỏi tác động của các yếu tố môi trường trong quá trình lắp đặt cáp.
Hình 1.3 Cấu tạo của một sợi quang thông thường [4]
1.3.1 Nguyên lý truyền dẫn Ánh sáng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ 800 nm đến 1600 nm Đặc biệt ta có ba vùng cửa sổ thông dụng là
Bảng 1.1 Các vùng bước sóng trong thông tin quang theo TCN68- 160:1996 [1]
Vùng Bước sóng làm việc
Chiết suất của môi trường: n = (1.1)
Với: n là chiết suất của môi trường
𝐶 = 3 m/s là vận tốc ánh sáng
V là vận tốc ánh sáng trong môi trường
Nguyên lý truyền dẫn của sợi quang dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần, xảy ra khi ánh sáng chuyển từ môi trường có chiết suất cao sang môi trường có chiết suất thấp hơn với góc tới lớn hơn góc tới giới hạn Khi đó, toàn bộ tia sáng sẽ bị phản xạ mà không có tia nào bị khúc xạ.
Tia phản xạ Tia phản xạ Định luật Snell: n1sinα = n2sinβ
Hình 1.4 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng
Nếu 𝑛1> 𝑛2 thì α < 𝛽 nếu tăng α thì β cũng tăng theo và β luôn lớn hơn α
Khi góc tới 𝛽 đạt 90°, tức là song song với mặt tiếp giáp, góc α được gọi là góc tới hạn α𝑇 Nếu tiếp tục tăng góc α vượt quá α𝑇, sẽ không còn hiện tượng khúc xạ, chỉ xuất hiện tia phản xạ Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần.
Dựa vào định luật Snell có thể tính đƣợc góc tới hạn 𝛼𝑇
Sợi quang được chế tạo với lõi bằng thủy tinh có chiết suất n1 và lớp phủ ngoài bằng thủy tinh có chiết suất n2, trong đó n1 > n2 Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần nhiều lần tại mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp phản xạ, cho phép ánh sáng truyền đi với cự ly dài, ngay cả khi sợi bị uốn cong trong giới hạn cho phép.
Lõi (core) n1 Lớp bọc (cladding) n2
Hình 1.5 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
1.3.2 Sợi quang và các mode truyền dẫn
Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc (Step index - SI) truyền ánh sáng theo nhiều hướng khác nhau, dẫn đến mức suy hao cao và tốc độ truyền dẫn khá chậm Loại sợi này ít phổ biến và thường được sử dụng cho cáp quang POF.
(Plastic Optical Fiber cáp quang làm bằng plastic)
Sợi đa mode chiết suất liên tục (Graded index - GI) cho phép các tia sáng truyền dẫn theo đường cong và hội tụ tại một điểm, giúp giảm thiểu suy hao và nâng cao tốc độ truyền dẫn so với sợi Step index Với những ưu điểm này, Graded index được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng.
Sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc sử dụng nguồn phát laser giúp truyền tia sáng xuyên suốt, giảm thiểu suy hao tín hiệu và đạt tốc độ cao.
Sợi quang 20 mode hoạt động chủ yếu ở hai bước sóng 1310nm và 1550nm Để tính toán sự truyền sóng ánh sáng trong sợi quang, chúng ta hiện đang áp dụng các phương trình Maxwell Phân tích các vấn đề liên quan đến các phương trình Maxwell tại ranh giới lõi sợi là cần thiết để hiểu rõ hơn về cơ cấu truyền tín hiệu quang trong sợi quang dẫn.
Với một môi trường điện môi đẳng hướng, tuyến tính, không có dòng điện, các phương trình này có dạng:
Phương trình ∇ × 𝐵 = 0 (1.6) thể hiện mối quan hệ giữa các véc tơ trường điện từ E và H với các mật độ thông lượng D và B Các mật độ thông lượng này có sự liên quan chặt chẽ với các véc tơ trường tương ứng.
Công thức 𝐵 = 𝜇𝐻 + 𝑀 mô tả mối quan hệ giữa từ trường và từ thông, trong đó ε là hằng số điện mụi, μ là độ từ thẩm của môi trường, và P, M lần lượt là các phân tử điện và từ Đối với sợi quang, giá trị M bằng 0 do bản chất của thủy tinh không mang tính từ.
Việc xác định các hiện tượng về trường điện từ có thể nhận được từ các phương trình Maxwell Từ các phương trình (1.1) và (1.2) ta có:
Sử dụng phép đồng nhất véc tơ ta sẽ có
Hai biểu thức (1.9) và (1.10) là các phương trình sóng chuẩn
1.3.4 Các phương trình dẫn sóng
Bài viết này phân tích quá trình lan truyền sóng điện từ dọc theo sợi dẫn quang, sử dụng hệ thống tọa độ trục (𝑟, ∅, 𝑧) với trục z nằm dọc theo sợi Khi sóng điện từ truyền theo trục z, chúng sẽ có hình dạng đặc trưng.
H = H0(𝑟, ∅) (1.14) là các hàm điều hòa theo thời gian t trong tọa độ z Tham số 𝛽 thuộc thành phần z của véc tơ truyền lan và được xác định thông qua các điều kiện biên trên trường điện từ tại ranh giới phân cách lõi và vỏ của sợi Khi thay thế các phương trình (1.13) và (1.14) vào các phương trình dạng xoắn của Maxwell, qua các phép chứng minh, ta có kết quả về phương trình dạng sóng trong tọa độ trụ.
Các phương trình trên chỉ chứa một đại lượng duy nhất, 𝐸𝑧 hoặc 𝐻𝑧, cho thấy các thành phần dọc của E và H là tách biệt và có thể được chọn tùy ý, miễn là chúng thỏa mãn các phương trình đã nêu Tuy nhiên, cặp 𝐸𝑧 và 𝐻𝑧 cần phải tuân thủ các điều kiện đường bao của các thành phần trường điện từ được mô tả trong các phương trình mode.
Suy hao và các nguyên nhân gây suy hao trong sợi quang
1.4.1.1 Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại
Các tạp chất kim loại trong thủy tinh, như sắt (Fe), đồng (Cu), mangan (Mn), crom (Cr), coban (Co) và niken (Ni), là những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng quan trọng.
Mức độ hấp thụ của các tạp chất phụ thuộc vào nồng độ và bước sóng ánh sáng truyền qua Đối với tạp chất ở nồng độ một phần triệu, độ hấp thụ của một số tạp chất có thể được thể hiện như hình 1.6.
Để sản xuất sợi quang với độ suy hao dưới 1 dB/km, cần sử dụng thủy tinh cực kỳ tinh khiết, với nồng độ tạp chất kim loại không vượt quá một phần tỷ.
1.4.1.2 Sự hấp thụ của ion OH
Các liên kết giữa SiO2 và ion OH trong nước còn sót lại trong vật liệu chế tạo sợi quang gây ra mật độ suy hao hấp thụ đáng kể, đặc biệt là ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm và 1400nm Do đó, độ ẩm được xem là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến suy hao của sợi quang.
Hình 1.7 Sự suy hao hấp thụ của ion OH (với nồng độ )
1.4.1.3 Sự hấp thụ bằng tia cực tím và hồng ngoại
Sợi quang được sản xuất từ thủy tinh tinh khiết cao vẫn gặp phải hiện tượng hấp thụ ánh sáng Thủy tinh này có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và hồng ngoại, ảnh hưởng đến hiệu suất truyền dẫn.
Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang
1.4.2 Suy hao do uốn cong
Khi sợi quang bị chèn ép và xuất hiện những chỗ uốn cong nhỏ, suy hao của sợi sẽ tăng lên do tia sáng bị lệch trục tại các vị trí này Sự phân bố trường bị xáo trộn khi ánh sáng đi qua những chỗ uốn cong dẫn đến việc phát xạ năng lượng ra ngoài sợi Đặc biệt, sợi đơn mode rất nhạy cảm với những chỗ uốn cong, đặc biệt ở bước sóng dài Suy hao sẽ gia tăng khi bán kính uốn cong của sợi giảm.
1.4.3 Suy hao do tán xạ
Khi sóng điện từ di chuyển trong môi trường điện môi và gặp các vùng không đồng nhất trong sợi quang như bọt khí hay vết nứt, hiện tượng tán xạ sẽ xảy ra Nếu kích thước của vùng không đồng nhất khoảng một phần mười bước sóng, chúng trở thành nguồn điểm tán xạ Các tia sáng đi qua những vùng này sẽ phân tán theo nhiều hướng khác nhau, chỉ một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục theo hướng ban đầu, trong khi phần còn lại có thể chuyển hướng hoặc thậm chí quay ngược lại nguồn sáng Độ tiêu hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc bốn của bước sóng, dẫn đến việc độ tiêu hao giảm nhanh chóng ở bước sóng dài.
Suy hao do tán xạ Rayleigh trong sợi silica thay đổi theo bước sóng: ở 850nm, suy hao khoảng 1dB/km - 2dB/km; ở 1300nm, suy hao giảm còn khoảng 0,3dB/km; và ở 1550nm, suy hao tiếp tục giảm xuống mức thấp hơn.
1.4.3.2 Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp không hoàn hảo
Khi tia sáng chiếu vào những điểm không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc, nó sẽ bị tán xạ, tạo ra nhiều tia phản xạ với các góc khác nhau Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ bị khúc xạ qua lớp bọc và dần suy hao.
Trên đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng có suy hao thấp, còn gọi là 3 cửa sổ suy hao:
Cửa sổ thứ nhất ở bước sóng 850nm có suy hao thấp nhất cho các sợi quang chế tạo giai đoạn đầu, với suy hao trung bình từ 2 - 3 dB/km Tuy nhiên, hiện nay bước sóng này ít được sử dụng do không phải là mức suy hao thấp nhất hiện có.
Hình 1.9 Đường đặc tuyến suy hao
Cửa sổ thứ hai ở bước sóng 1300nm có suy hao tương đối thấp, chỉ khoảng 0.4 – 0.5 dB/Km Đặc biệt, độ tán sắc ở bước sóng này rất thấp, điều này giúp nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng hiện nay.
Cửa sổ thứ ba ở bước sóng 1550nm: cho đến nay suy hao ở bước sóng này là thấp nhất, có thể dưới 0,2dB/Km.
Tán sắc trong sợi quang
1.5.1 Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng của tán sắc
Tán sắc là hiện tượng làm méo tín hiệu do sự dãn xung ánh sáng trong quá trình truyền tín hiệu, đặc biệt quan trọng đối với các tuyến tốc độ cao và đường truyền dài.
Tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng bị biến dạng tương tự như tín hiệu điện, hiện tượng này được gọi là tán sắc Tán sắc gây méo tín hiệu analog và làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu digital, từ đó hạn chế dải thông của đường truyền dẫn quang Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu D, được đo bằng đơn vị (S) và xác định theo một công thức cụ thể.
Độ rộng của xung vào và xung ra được đo bằng đơn vị (S) Độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng ns/km hoặc ps/km Đối với tán sắc do chất liệu, độ tán sắc được đánh giá trên mỗi km sợi ứng với mỗi nm của bề rộng phổ của nguồn quang, với đơn vị tính là ps/nm.km.
Sợi quang đa mode có đầy đủ các thành phần tán sắc nhƣ sau:
Tán sắc mode là hiện tượng xảy ra khi năng lượng của ánh sáng được phân tán thành nhiều mode khác nhau Mỗi mode này truyền đi với vận tốc nhóm riêng, dẫn đến thời gian truyền của chúng không giống nhau.
Tán sắc đơn sắc (chromatic dispersion) bao gồm:
+Tán sắc chất liệu (material dispersion)
+Tán sắc dẫn sóng (waveguide dispersion)
Tán sắc thể xảy ra khi tín hiệu quang truyền trên sợi quang không phải là đơn sắc, mà bao gồm một dải bước sóng nhất định Mỗi bước sóng có vận tốc truyền khác nhau, dẫn đến thời gian truyền tín hiệu cũng khác nhau.
Tán sắc trong sợi quang làm dãn rộng các xung ánh sáng, dẫn đến méo tín hiệu và suy giảm hiệu suất hệ thống Khi xung tín hiệu bị dãn quá mức, hiện tượng phủ chờm giữa các xung kề nhau xảy ra, khiến thiết bị thu quang không thể phân biệt các tín hiệu, dẫn đến lỗi tín hiệu Do đó, tán sắc đã tạo ra giới hạn truyền dẫn trong hệ thống.
Trước hết chúng ta xem qua bảng phân lớp các loại tán sắc
Tán sắc mode Tán sắc đơn sắc
Tán sắc dẫn sóng Tán sắc vật liệu
Hình 1.10 Các loại tán sắc
Trong sợi đơn mode, không xuất hiện hiện tượng tán sắc do chỉ có một mode truyền dẫn Điều này có nghĩa là không có sự khác biệt về tốc độ và bước sóng giữa các mode, giúp giảm thiểu các vấn đề liên quan đến tán sắc.
Tiếp theo ta đi vào cụ thể từng loại tán sắc này
1.5.2.1 Tán sắc vật liệu (material dispersion)
Chiết suất của thủy tinh thay đổi tùy theo bước sóng, dẫn đến vận tốc truyền ánh sáng cũng khác nhau cho các bước sóng khác nhau Điều này là nguyên nhân gây ra hiện tượng tán sắc trong chất liệu.
Tán sắc do chất liệu phản ánh mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề rộng phổ quang qua mỗi km sợi quang, với đơn vị đo là ps/nm.km Biến thiên của tán sắc chất liệu M theo bước sóng được thể hiện trong hình 1.11.
Tán sắc chất liệu (dmod), tán sắc dẫn sóng (dwg) và tán sắc thể thay đổi theo bước sóng Ở bước sóng 850nm, độ tán sắc của chất liệu M dao động từ 90 đến 20 ps/nm.km Khi sử dụng nguồn quang LED với bề rộng phổ 50 nm, độ nới rộng xung quanh khi truyền qua mỗi km sẽ được tính toán dựa trên các thông số này.
Dmat= 100ps/nm.km x 50nm = 5ns/km
Nếu sử dụng laser diode với bước sóng 3nm, độ nới rộng xung chỉ khoảng 0,3ns/km Tại bước sóng 1300nm, tán sắc do chất liệu của ống dẫn sóng là ngược dấu, dẫn đến tán sắc tổng thể bằng không, vì vậy bước sóng này thường được ưu tiên cho các đường truyền tốc độ cao Trong khi đó, ở bước sóng 1550nm, độ tán sắc do chất liệu khoảng 20ps/nm.km.
1.5.2.2 Tán sắc dẫn sóng (waveguide dispersion)
Dwg do sợi đơn mode chỉ giữ đƣợc khoảng 80% năng lƣợng trong lõi, chỉ còn
20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn trong lõi
Dwg phụ thuộc vào hằng số lan truyền sóng β (hay phụ thuộc vào thiết kế sợi nhƣ các tham số a, n và λ)
Trong vựng bước súng từ 0 đến 1.6àm thỡ Dwg< 0
1.5.2.3 Tán sắc đơn sắc (chromatic dispersion)
Là tổng của tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng
1.5.2.4 Tán sắc mode (mode dispersion)
Tán sắc mode là do ảnh hưởng của nhiều đường truyền Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode
Hình 1.12 Tán sắc (dmod) thay đổi theo chiết suất
Sự phụ thuộc của dmod vào số mũ trong hàm chiết suất g được thể hiện rõ ràng trong hình 1.12, cho thấy Dmod đạt giá trị cực tiểu khi g khoảng 2 Bên cạnh đó, dmod tăng nhanh chóng khi giá trị của g khác 2, từ cả hai phía.
Ngoài ra còn có tán sắc mặt cắt và tán sắc tổng
Sợi đơn mode và đa mode
1.6.1 Sợi đơn mode (SM: Single Mode)
Khi kích thước lõi sợi giảm để chỉ cho phép một mode sóng cơ bản truyền qua, sợi đó được gọi là sợi đơn mode Trong sợi đơn mode, chỉ có một mode sóng được truyền, do đó độ tán sắc do nhiều đường truyền là bằng không Sợi đơn mode thường có cấu trúc phân bố chiết suất nhảy bậc.
Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là: Đường kớnh lừi: d = 2a =9àm - 10àm Đường kớnh lớp bọc: D = 2b = 125àm Độ lệch chiết suất: = 0,003 = 0.3%
Chiết suất lõi của sợi đơn mode là n1 = 1.46, với độ tán sắc rất nhỏ, đặc biệt tại bước sóng 1300 nm, độ tán sắc gần như bằng 0 Điều này cho thấy dải thông của sợi đơn mode rất rộng.
Sợi đơn mode có kích thước lõi rất nhỏ, yêu cầu các linh kiện quang và thiết bị hàn nối phải tương thích và có độ chính xác cao Hiện nay, các yêu cầu này đã được đáp ứng, dẫn đến việc sợi đơn mode trở nên phổ biến trong ứng dụng.
1.6.2 Sợi đa mode (MM: Multi Mode)
Cỏc thụng số của sợi đa mode thụng dụng (50/125àm) là: Đường kớnh lừi: d = 2a = 50àm Đường kớnh lớp bọc: D = 2b = 125àm Chênh lệch chiết suất: = 0.01 = 1%
Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 = 1.46 Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần
Kết luận chương 1
Trong chương này, chúng tôi đã khám phá kiến thức tổng quan về sợi quang bào, bao gồm cấu tạo, phân loại và các tính chất như truyền dẫn, suy hao, và tán sắc Đặc biệt, chúng tôi đã tập trung vào cơ chế truyền dẫn trong sợi quang, điều này sẽ là nền tảng cho nghiên cứu trong chương 2.
SỢI QUANG TỬ TINH THỂ
Phân loại và tính chất mới của PCFs
Optical fibers can be categorized into two main types: index-guiding fibers, which utilize a high-index core to direct light through variations in refractive index, and photonic bandgap fibers, characterized by a low-index core that employs a photonic bandgap structure to control light propagation.
Hình 2.5 Mặt cắt một số loại sợi quang tinh thể [7]
(a) PCFs lõi chiết suất cao, (b) PBG (photonic bandgap) lõi rỗng
2.2.2 Một số tính chất mới của PCFs
Sợi quang tình thể PCFs sở hữu nhiều tính năng vượt trội so với sợi quang thông thường Dưới đây là một số đặc điểm quan trọng nhất của loại sợi này.
Sợi có thể luôn luôn là đơn mode
Sợi có chênh lệch chiết suất thấp
Sợi duy trì sự phân cực
Tính chất của sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao
Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao với lõi có chiết suất cao hơn vùng bao quanh cladding Các tính chất ảnh hưởng đến sự phản xạ của sợi thường liên quan đến các lỗ khí, được sắp xếp theo nhiều cấu trúc khác nhau như lục giác, bát giác, thập nhị giác và theo nhiều chiều 1D, 2D, 3D.
Hình 2.6 Một số dạng cấu trúc sắp xếp các lỗ khí trong PCFs [7]
(b) Theo cấu trúc lục giác
Sự sắp xếp khác nhau của các lỗ khí, bao gồm hình dạng, kích thước đường kính và khoảng cách giữa các lỗ, sẽ ảnh hưởng đến tính chất của sợi quang tinh thể Một sắp xếp hợp lý có thể tạo ra những đặc tính đặc biệt cho sợi này.
Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao thường có lõi đặc và sử dụng vật liệu chưa pha tạp, với vùng cladding bao quanh chứa các lỗ khí có chiết suất thấp hơn Điều này giúp ánh sáng được giữ lại trong lõi đặc, cho thấy khả năng chế tạo sợi quang tinh thể từ một vật liệu duy nhất khi số lượng lỗ khí đủ lớn Vật liệu phổ biến được sử dụng là silica tinh khiết, bên cạnh đó, sợi quang này cũng có thể được làm từ thủy tinh chalcogenide và polime.
Hình 2.7 minh họa cấu trúc của PCFs lõi đặc với các lỗ khí hình lục giác được làm từ silica Hai thông số quan trọng cần chú ý là d, đại diện cho đường kính của các lỗ khí, và Λ, là khoảng cách giữa hai lỗ khí liền kề trong cùng một vòng.
Hình 2.7 Sợi PCFs cấu trúc lục giác lõi đặc với các thông số d, Λ [7]
Sợi quang tinh thể với lõi chiết suất cao, mặc dù có cấu trúc khác biệt so với sợi quang thông thường, vẫn mang lại những đặc tính tương tự Hơn nữa, chúng sở hữu nhiều tính chất đặc biệt đáng chú ý, sẽ được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo.
2.3.1 Tính chất của sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao với các lỗ khí sắp xếp có cấu trúc Để điều khiển các tính chất của sợi quang cần thiết kế sắp xếp vị trí các lỗ khí sao cho thích hợp Thông thường sự sắp xếp này là có cấu trúc, tức là các lỗ khí thường được xếp thành các vòng, thành nhiều vòng, thành các đa giác, thành nhiều đa giác…bởi vì khi đó sợi quang sẽ có khả năng chế tạo cao, có nhiều tính chất đặc biệt và có thể kiểm soát đƣợc quang phổ cũng nhƣ các đặc tính quang khác
Cấu trúc của sợi PCF lõi đặc với các lỗ khí hình lục giác sử dụng silica, trong đó ba vòng lỗ khí bên trong được biến đổi thành hình êlip Để nghiên cứu tính chất của sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao, chúng ta xem xét một dạng sợi PCF điển hình với các lỗ khí được sắp xếp theo hình tam giác chồng nhau Mặc dù các lỗ khí thực chất sắp xếp theo cấu trúc lục giác, nhưng có hai cạnh nằm ngang, đây là dạng sắp xếp phổ biến nhất của PCFs Cấu trúc lục giác được ưa chuộng do tính đặc biệt của nó trong việc sắp xếp các lỗ khí.
Trúc lục giác có đặc điểm là khoảng cách giữa hai lỗ khí trong cùng một vòng bằng với khoảng cách giữa hai lỗ khí ở các vòng khác Nhờ vào cấu trúc này, sợi trúc lục giác thường dễ chế tạo và sở hữu nhiều tính chất đặc biệt.
Hình 2.9 Sợi PCFs có lỗ khí sắp xếp theo hình tam giác [8].
Trong thiết kế PCFs, tỉ lệ kích thước của vùng cladding, được biểu thị bằng d/Λ, là một thông số quan trọng Trong đó, d đại diện cho đường kính của lỗ khí, còn Λ là khoảng cách giữa hai lỗ khí liền kề trong cùng một vòng.
Sự biến thiên của đường tần số định mức trong mode fundamental index như trong hình đồ thị bên dưới
Chiết suất lớp vỏ Chiết suất lõi
Hình 2.10 Đường tần số định mức Λ/λ với sợi PCFs có các tinh thể quang sắp xếp theo hình tam giác và lõi chiết suất cao với tỉ lệ d/Λ = 0,23
Tỉ lệ Λ dao động từ 0 đến 0,9, với Λ có thể nhận giá trị từ 1 đến 20 Để hiểu rõ hơn về tính chất của sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao, chúng ta nghiên cứu đặc tính của đường tần số định mức Λ/λ, giả định chiết suất phản xạ của vật liệu cơ bản không đổi theo bước sóng Điều này cho phép phân tích ảnh hưởng của các lỗ khí mà không phụ thuộc vào tính chất vật liệu Kết quả và phân tích có thể được điều chỉnh để phản ánh đầy đủ tác động của vật liệu bằng phương pháp nhiễu loạn hoặc phương pháp lặp Đồ thị cho thấy sự biến thiên của đường tần số định mức do chiết suất hiệu dụng của cladding và chiết suất lõi Chiết suất hiệu dụng của cladding được tính từ hằng số truyền β fsm và hằng số sóng k, trong đó chiết suất cladding phụ thuộc mạnh vào bước sóng, trong khi chiết suất phản xạ của lõi vẫn ổn định.
Lõi chiết suất cao giúp giới hạn ánh sáng với tỉ lệ β/k, trong khi chiết suất khúc xạ của silica được giữ cố định ở mức 44 Đồ thị minh họa mối quan hệ này một cách rõ ràng.
Chiết suất phản xạ hiệu dụng của cấu trúc cladding được ký hiệu là và β là hằng số truyền của guide mode Mối quan hệ này tương tự như sợi quang thông thường, nhưng các mẫu PCF đã được nghiên cứu cho thấy điều này không chỉ đúng trong dải bước sóng đã khảo sát mà còn cho phép sợi đơn mode mở rộng dải bước sóng bất thường từ 337 nm đến 1550 nm, như đã được chỉ ra trong các nghiên cứu của Knight và cộng sự.
Nguyên nhân khiến sợi PCF không chuyển thành sợi đa mode ở bước sóng ngắn là do chiết suất của cladding phụ thuộc mạnh vào bước sóng Đối với PCF có lõi chiết suất cao, chiết suất mode guide có thể được xấp xỉ bằng một công thức nhất định.
Với bán kính lõi ρ, từ phương trình xấp xỉ, ta nhận thấy rằng một số vô hạn các mode supported của sợi quang thường trong tần số cao tới hạn (hay λ->0) là không cần thiết cho sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao Kết luận này được đưa ra do chiết suất của cladding và lõi là bằng nhau.
PCF không chỉ giới hạn ánh sáng trong lõi ở dải bước sóng thông thường mà còn có khả năng duy trì dạng đơn mode trong dải tần số vô hạn Tuy nhiên, khả năng này phụ thuộc vào sự sắp xếp của các lỗ khí trong sợi PCF, điều này sẽ được trình bày chi tiết trong phần tính chất ngưỡng (cut-off).
QUY TRÌNH CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CỦA SỢI TINH THỂ
Quy trình chế tạo
3.1.1 Kỹ thuật sắp xếp các sợi và kéo dài
Hình 3.1 Nhà máy sản xuất sợi tinh thể quang tử [16]
Việc chế tạo sợi tinh thể quang tử chất lượng cao với thiết kế tùy chỉnh là trọng tâm nghiên cứu tại nhà máy Nhà máy áp dụng phương pháp "sắp xếp và kéo sợi", trong đó các ống dẫn thủy tinh được lắp ráp thủ công và kéo thành các phôi có cấu trúc gần giống với sợi mong muốn Sau khi sắp xếp các phôi vào ống thủy tinh và pha trộn trong quá trình kéo sợi, một phôi cấu trúc vi hoặc "roi" được hình thành Bước cuối cùng là kéo sợi roi thành sợi với kích thước cụ thể, bao gồm lớp vỏ quang-lưới và đường kính sợi bên ngoài Thông số quá trình như nhiệt độ, tỷ lệ đùn phôi, tốc độ kéo sợi, áp lực bên trong lõi, kích thước lỗ thông khí và độ đồng đều có thể được kiểm soát Đối với sợi tinh thể quang tử tiêu chuẩn, một lớp vỏ polymer bên ngoài được phủ để tăng cường sức mạnh cơ khí.
Sau đây là các bước quy trình chế tạo sợi tinh thể quang tử trên thế giới hiện nay, nó thể hiện qua hình sau:
Hình 3.2 Các bước chế tạo các sợi tinh thể quang tử
Bước 1: người ta tạo ra 1 mm mao mạch dày làm sao để kích thước chính xác và để là sản phẩm để thực hiện cho bước 2
Bước 2: các phôi được xếp chồng lên nhau để tạo thành những sợi mong muốn
Bước 3: Các phôi được hợp nhất với nhau và kéo xuống kích thước cho một "sợi" (~ 1 mm đường kính)
Trong bước cuối cùng của quá trình kéo sợi, roi được kéo xuống và được bọc trong một lớp vỏ silic bên ngoài Lớp vỏ silic này có tác dụng bảo vệ sợi khỏi các tác động bên ngoài.
Silica thủy tinh sở hữu độ trong suốt xuất sắc trong vùng hồng ngoại, bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy và gần Ngoài ra, nó còn có các tính chất kéo sợi vượt trội và sức mạnh cơ học ấn tượng.
Vật liệu này là phổ biến nhất trong việc tạo ra sợi tinh thể quang tử, với nhiều cấu trúc khác nhau được phát triển cho các dự án đa dạng Công nghệ chế tạo cho phép sản xuất nhiều loại cấu trúc, từ lưới mạng tinh thể đến các cấu trúc nano và kiến trúc phức tạp hơn.
Lõi rỗng chất lượng cao PCF là yếu tố quan trọng cho các dự án tại nhà máy, đặc biệt trong việc ứng dụng cho thiết bị khí laser, cảm biến quang học và hướng dẫn hạt Các sợi nano với cấu trúc mới đang được phát triển nhằm phục vụ cho các thí nghiệm về ánh sáng và cảm biến hóa học Đội ngũ nghiên cứu cần những sợi tinh thể quang tử đặc biệt để hỗ trợ trong các thí nghiệm, do đó họ sẽ tham gia vào quá trình chế tạo và thiết kế Hình 3.3 minh họa một số cấu trúc đã được phát triển cho đến nay.
Hình 3.3 Một số loại cấu trúc sợi tinh thể quang tử hiện nay [17] Trong đó:
(a) Sợi lõi rỗng; (b) sợi lõi đặc; (c) lưới sợi lõi rỗng
Tất cả các loại thủy tinh và cấu trúc đều sử dụng phương pháp chế tạo sợi tinh thể cơ bản là đa lớp mỏng Bên cạnh đó, có những báo cáo về kỹ thuật chế tạo sợi tinh thể quang tử thông qua quá trình đùn, chủ yếu áp dụng cho sợi tinh thể quang tử từ thủy tinh mềm Trong phương pháp này, thủy tinh được nấu chảy và sau đó ép vào khuôn kéo sợi với các mẫu lỗ được thiết kế sẵn.
59 nhƣ kỹ thuật của cấu trúc dẫn ảnh (sợi dẹt, dẫn ảnh …vv)
Sợi quang dưới dạng tháp được chế tạo cho PCF tại Viện Điện tử Công nghệ Vật liệu ở Warsaw, Ba Lan Phương pháp này bao gồm nhiều bước để sản xuất sợi tinh thể quang tử, như thể hiện trong hình 3.4.
Hình 3.4 Quá trình chế tạo sợi tinh thể quang tử [17]
Trong đó: a và b là tạo các ống nhỏ riêng lẻ, c) Tạo dạng sợi, d) Hình thành sợi trung gian, e) Hình thành sợi
Trong giai đoạn đầu, các ống nhỏ riêng lẻ được tạo ra với đường kính và độ dày khác nhau Sợi tinh thể quang tử sử dụng những ống này, và các đặc tính của chúng phụ thuộc vào tỷ lệ d/Λ trong sợi Hình dạng mặt cắt của ống có thể là tròn, lục giác hoặc vuông, cùng với việc sử dụng các loại thủy tinh khác nhau.
Hình 3.5 Chế tạo sợi tinh thể quang tử: tiền chế tạo, bước trung gian và bước
Viện điện tử Công nghệ vật liệu (IEMT) đã tiến hành hình thành sợi PCF với nhiều cấu trúc khác nhau Đầu tiên, sợi PCF có lỗ đường kính 1mm với mạng lục giác được tạo ra Tiếp theo, một sợi PCF khác có lỗ đường kính 250 µm cũng với mạng lục giác được phát triển Sợi PCF có đường kính 120 µm, với lỗ trống có đường kính 3 µm và tỷ lệ d/Λ là 0.5 cũng được hình thành Bước trung gian là việc tạo ra hai lõi PCF với mạng hình vuông Sợi PCF hai lõi với đường kính 250 µm và lỗ trống có đường kính 2.5 µm, tỷ lệ d/Λ là 0.5 cũng được nghiên cứu Cuối cùng, sợi đa mode với mạng hình vuông, có đường kính 160 µm và lỗ trống 3 µm đã được phát triển.
Các ống nhỏ được sắp xếp lại thành một khối đối xứng, tạo thành cấu trúc của sợi Lỗ khuyết bên trong nhân ánh sáng có thể là thanh thủy tinh hoặc một lỗ có đường kính phù hợp trong trường hợp sợi với dải vùng cấm quang tử Những thanh khuyết này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc của sợi.
Quá trình tạo sợi bắt đầu bằng việc nung chảy một cấu trúc định sẵn thành dạng hình tháp với kích thước milimét, gọi là bước tạo hình trung gian Thanh thuỷ tinh tổng hợp nhiệt với các lỗ nhỏ được bổ sung để tạo ra sợi có đường kính và các thông số cấu trúc phù hợp Sau đó, khi tiếp tục nung chảy và kéo sợi theo hình tháp, ta thu được sợi hoàn chỉnh với kích thước micromét Cuối cùng, lớp polymer được sử dụng để bọc bảo vệ sợi khỏi các tác động cơ học.
Trong quá trình thực nghiệm, cấu trúc mỏng tính đối xứng bị ảnh hưởng bởi hình dạng tiết diện của các lỗ trống Khi bề dày của thành lỗ nhỏ, chúng thường nhận hình dạng đối xứng của mạng Đối với mạng lục giác, hình dạng là lục giác, trong khi đó mạng hình vuông có hình dạng là hình vuông Điều này trở nên rõ ràng khi quan sát mỏng thủy tinh.
Cấu trúc với tỷ số d/Λ cao (>0.6) cho thấy tính rẻo rất cao ở nhiệt độ thấp (hình 3.5f) Hiện tượng này cũng được thể hiện rõ trong cấu trúc đa sợi mỏng, đặc biệt là về tính dẫn.
Việc chế tạo sợi quang tử với các tính chất truyền qua là một thách thức lớn, đòi hỏi điều chỉnh các thông số như nhiệt độ và tỷ lệ kéo dãn để đạt được cấu trúc micromét Những khuyết tật trong cấu trúc có thể làm sai lệch các giá trị lý thuyết, với các méo mó ở lỗ khí và sự xuất hiện thêm các lỗ không mong muốn, dẫn đến mất tính đối xứng Sự khác biệt về đường kính và hình dạng của các lỗ có thể quan sát rõ trong mạng hình vuông Nhiệt độ không đồng đều trong sợi và phân phối xuyên tâm cũng gây ra biến dạng lớn hơn ở bên ngoài lỗ, khiến đường kính nhỏ hơn so với thiết kế ban đầu Để khắc phục, cần thêm hai đến ba vòng ống nhỏ mà không ảnh hưởng đến mode dẫn Các lỗ trống xuất hiện thường do sự không khít nhau giữa các ống nhỏ trong quá trình làm mỏng, và sự mất đối xứng trong cấu trúc đặc biệt rõ ràng trong mạng hình vuông, nơi các lỗ bị đổi chỗ và cấu trúc trở nên không đều.
Hình 3.6 Lỗ khuyết trong chế tạo PCF
(a) Cấu trúc vuông 5x5 với bán kính các lỗ trống khác nhau, (b) Cấu trúc
Cấu trúc 62 lục giác với các khe giữa các ống nhỏ không đều và cấu trúc vuông 9x9 với lỗ hổng bị thay thế yêu cầu điều khiển chính xác trong quá trình làm mỏng ống nhỏ Việc điều chỉnh nhiệt độ, phân phối nhiệt trong lò, và tốc độ đưa vào và kéo ra là rất cần thiết để đạt được đường kính sợi, phân phối nhiệt độ và thời gian đốt nóng tối ưu Hầu hết các báo cáo về PCFs đều tập trung vào sợi làm từ thủy tinh silica, nhưng việc sử dụng các vật liệu khác như tellurite, fluoride và chalcogenide đang ngày càng được chú ý do khả năng cải thiện các thông số đặc biệt của sợi Những sợi làm từ đa thành phần thủy tinh này có những đặc tính vượt trội như chiết suất cao, độ truyền qua tốt trong bước sóng hồng ngoại, và tính phi tuyến cao Mặc dù sự suy giảm lớn trong thủy tinh của sợi này có thể là một bất lợi, nhưng điều này không ảnh hưởng nhiều khi sử dụng trong dải bước sóng ngắn, chẳng hạn như trong các cảm biến.
Ứng dụng của sợi tinh thể quang tử
3.2.1 Ứng dụng trong cảm biến
Cảm biến quang tử sợi tinh thể có khả năng đo lường các yếu tố như nhiệt độ, áp suất, biến dạng và độ ẩm với độ tuyến tính cao Sử dụng sợi lưới dài cách tử (LPFG) làm bộ cảm biến trong sợi tinh thể quang tử mang lại ưu điểm vượt trội, với tính chu kỳ lên đến vài trăm bước sóng, trong khi sợi Bragg cách tử chỉ có tính tuần hoàn ở mức vài bước sóng.
Một tinh thể quang tử 1D có sự biến đổi định kỳ hoặc không trong chiết suất của lõi sợi ở một kích thước nhất định Để chế tạo LPFG trong các loại quang sợi khác nhau, nhiều phương pháp như tiếp xúc với tia laser cực tím, chiếu xạ laser CO2, và phóng điện hồ quang điện được áp dụng Phương pháp đầu tiên được sử dụng là tia laser UV exposure, tạo ra sự thay đổi định kỳ trong chiết suất của lõi sợi Hai tia cực tím (UV) đầu tiên được phát hiện trên sợi silica GeO2 pha tạp, với bước sóng 244 nm.
Hình 3.7 Tia cực tím (UV) [19]
Khi hai tia UV can thiệp với nhau, chúng tạo ra cường độ tối đa và tối thiểu Chiết suất của sợi silica sẽ tăng lên tại điểm cường độ tối đa, thể hiện qua đỉnh sin dương, trong khi tại điểm cường độ tối thiểu, chiết suất của lõi sợi không thay đổi, được biểu diễn bởi đỉnh sin âm.
Nó tạo thành một biến chỉ số định kỳ theo trục của lưới sợi
Laser CO2 chiếu xạ - Nó là cấp trên để tiếp xúc với tia laser cực tím bởi vì nó cung cấp số tính năng nổi bật nhƣ:
Phần lớn linh hoạt hơn, bởi vì tính linh hoạt đƣợc điều khiển bởi chiếu
64 xạ của chùm CO2 laser
Chi phí thấp do không cần nhạy cảm ánh sáng và các quy trình xử lý sơ bộ khác để viết trong các sợi tinh thể.
Các CO trong quá trình chiếu xạ bằng laser có thể được xử lý một cách kiểm soát để tạo ra hồ sơ lưới phức tạp thông qua các kỹ thuật điểm tới điểm, mà không cần sử dụng mặt nạ tốn kém.
Kỹ thuật cao hiệu quả cho lưới chế tạo
Laser CO2 có khả năng chiếu xạ để tạo ra LPFG chất lượng cao cho nhiều loại sợi quang khác nhau, bao gồm cả sợi tinh thể lõi rắn và sợi tinh thể lõi rỗng, mà không cần sử dụng ánh sáng.
Tia laser CO2 chiếu xạ trên PCF lõi rắn tạo ra nhiệt độ cao trên bề mặt sợi, dẫn đến sự làm cong định kỳ của các lỗ không khí và khí hoá SiO2 Hiện tượng này gây ra sự biến đổi chiết suất theo trục sợi, ảnh hưởng đến hiệu suất quang học của sợi quang.
Tạo LPFG với định kỳ rãnh trong PCF lõi rắn được thực hiện thông qua việc sử dụng chức năng quét gương CO2 Chùm tia laser sau đó được chuyển sang giai đoạn cách tử tiếp theo, nhằm tạo ra các sợi quang dài cách tử (LPFG).
Dưới đây là một ứng dụng thiết thực của sợi quang tinh thể trong thí nghiệm để đo độ cảm biến
Hình 3.8 Thiết lập thí nghiệm để đo biến dạng được đề xuất dựa trên một đôi lõi sợi tinh thể quang tử [19]
Trong đó: Twin – core là sợi lõi đôi, Fusion Splicing là các điểm nối hợp giữa nguồn ánh sáng vào và sợi quang tinh thể lõi đôi
Thiết lập thí nghiệm đo biến dạng sử dụng TC-PCF dựa trên giao thoa trong dòng cho thấy sự khác biệt nhẹ giữa hai lõi của TC-PCF, dẫn đến sự khác biệt trong độ dài quang học của cánh tay giao thoa Ánh sáng từ nguồn băng thông rộng qua kính phân cực được kết nối với hai lõi, và sau đó tái kết dầm giao thoa Quan sát cho thấy bước sóng cao điểm chuyển sang ngắn hơn khi biến dạng tăng, cho thấy lưỡng chiết nhóm nhạy cảm giữa các chế độ lõi đôi là tiêu cực trong TC-PCF Độ nhạy biến dạng phụ thuộc vào bước sóng, với các kết quả đo trong ba dãy quang phổ gần 1.450 nm, 1500 nm và 1550 nm cho thấy độ nhạy lần lượt là -1,8 pm/με, -2,0 pm/με và -2,18 pm/με.
Hình 3.9 Sự thay đổi của các bước sóng đỉnh cao như một chức năng của biến dạng đặt vào [19]
Trong quá trình chế tạo sợi lõi đôi TC-PCF, các tham số d / Λ đạt giá trị lớn hơn 0,83, tạo ra điểm cứng để uốn nhờ vào sự tương phản chỉ số lớn giữa lõi silica và lớp phủ Tính chất này có thể ứng dụng trong bộ cảm biến uốn cong cường độ, nhờ vào sự thay đổi rìa không gian uốn cong Thiết lập thí nghiệm giao thoa uốn cong được minh họa trong hình 3.10, cho thấy TC-PCF có hành vi giao thoa khác nhau theo hai hướng uốn cong trực giao Sự thay đổi số vân tối đa xảy ra khi sợi được uốn theo hướng trục của lõi kép, trong khi sự thay đổi vân gần như không đáng kể khi sợi bị bẻ cong theo hướng trực giao Họ đã thiết kế số giao thoa với các góc uốn cong khác nhau bằng cách áp dụng uốn hướng đến TC-PCF.
Hình 3.10 mô tả thiết lập thí nghiệm cho cảm biến dựa trên uốn cong cường độ sử dụng TC-PCF, với hai hướng uốn cong trực giao (a) và (b) Hình ảnh nhỏ cho thấy giao thoa rìa và sự thay đổi rìa uốn cong được gây ra trong quá trình thí nghiệm [19].
Hình 3.10 minh họa sự thay đổi của rìa đo theo hai hướng trực giao, thể hiện đầy đủ các góc uốn cong Mô hình rìa giao thoa được trình bày trong hình chữ nhật Từ khi chế tạo TC-PCF, nó có khả năng chịu đựng tốt mà không bị uốn cong, cho phép tính toán rìa một cách dễ dàng và ổn định.
Mẫu TC-PCF cho thấy cường độ tín hiệu cao với tổn hao uốn cong chỉ 0,02 dB tại bước sóng 633 nm, theo cấu hình thử nghiệm tương tự như hình 6, phù hợp với các 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 mô tả thiết lập thí nghiệm cho cảm biến tải trọng ngang với các góc tải áp dụng khác nhau, sử dụng giao thoa lưỡng chiết dựa trên sợi lưỡng chiết cao (HB-PCF) Cảm biến được cấu hình bằng cách chèn một HB-PCF dài 20cm giữa một phân cực tuyến tính xoay (RLP) và một phân cực trong dòng Để áp dụng các góc độ khác nhau, hai giai đoạn luân chuyển đã được sử dụng để xoay sợi quang học Các sợi HB-PCF dài 20 cm được đặt giữa một khối rắn (giảm) và một tấm kính (trên cùng) nhằm thực hiện tải trọng ngang.
Ánh sáng phân cực từ nguồn ASE được phát ra vào một RLP, và sau đó trở thành ánh sáng tuyến tính Khi ánh sáng này đi qua HB-PCF, hiện tượng khúc xạ kép gây ra sự phát triển của một giai đoạn chậm Mô hình can thiệp trong phổ truyền dẫn xuất hiện sau khi ánh sáng truyền qua kính phân cực trong sợi Để đo độ nhạy tải ngang cho các góc độ khác nhau, HB-PCF được xoay theo từng bước 15° và thay đổi bước sóng đỉnh được ghi nhận Điểm khởi đầu 0° cho thấy các trục chậm vuông góc với hướng tải đặt vào.
Hình 3.13 Định hướng góc của tải áp dụng: 0° là góc quy chiếu [19]
Hình 3.14 Độ nhạy tải ngang cho góc khác nhau của tải đặt vào [19]
Kết luận chương 3
Chương 3 là chương chính của đồ án, nhưng để thực hiện tốt được chương này thì 2 chương trước cũng góp phần khá là quan trọng Để tìm hiểu được quy trình chế tạo và các ứng dụng của sợi quang tử tinh thể thì trước hết chúng ta cũng phải hiểu được sợi quang thông thường và các cơ chế của nó
Quy trình chế tạo sợi tinh thể quang tử đã được trình bày, và mặc dù có nhiều ứng dụng, trong phạm vi đề tài, tôi chỉ đề cập đến một số ứng dụng tiêu biểu.