Đại học quốc gia hà nội
Trờng đại học công nghệ
=========FễG=========

Vơng Thị Xuân Hơng

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

Ngành
: Khoa học và công nghệ nano
Chuyờn ngnh : Vt liu v linh kin nano
Mã số
:

Luận văn thạc sĩ
Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Trần Thị Tâm

Hà Nội - 2005


Li cm n
Lun vn Khả năng thu với độ nhạy cao tín hiệu photon của laser
quang sợi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc
nano c hon thnh trong thi gian hc tp v nghiờn cu ti lp cao hc
khúa 10, ngnh Cụng ngh nano, Trng i hc Cụng Ngh, i hc Quc Gia
H Ni. Li u tiờn, em xin c by t lũng bit n sõu sc ti cụ giỏo: TS.
Trn Th Tõm, ngi ó vch ra con ng v tn tỡnh hng dn cho em hon
thnh c lun vn tt nghip ny. Em xin chõn thnh cm n cỏc thy, cỏc cụ
trong khoa Vt lý k thut, trng i hc Cụng Ngh, nhng ngi ó dy bo


Laze quang sîi pha t¹p erbium

EDFA

Erbium doped fiber amplifier

KhuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p
erbium

NA

Nurmerical aperture

§é më (khÈu ®é)

SE

Spontaneous emission

Bøc x¹ tù ph¸t

WDM

Wavelength divion multiplexing

Bé ghÐp / chia b−íc sãng


1

2.6. Laser quang sợi pha tạp erbium được sử dụng như một đầu thu độ nhạy
cao ..................................................................................................................... 41
Chương 3: Khảo sát hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao và ứng dụng
................................................................................................................ 44
3.1. Hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao............................................................... 44
3.1.1. Sơ đồ khối của hệ đo ........................................................................... 44
3.1.2. Nguồn bơm.......................................................................................... 45
3.1.3. Nguồn tín hiệu..................................................................................... 45
3.1.4. Isolator................................................................................................. 48
3.1.5. Bộ suy giảm......................................................................................... 48
3.1.6. Laser thu.............................................................................................. 48
3.1.7. Máy phân tích quang phổ (OSA) ........................................................ 49
3.1.8. Máy đo công suất ................................................................................ 49
3.1.9. Hiện tượng kéo tần số: ........................................................................ 49
3.1.10. Thu nhận tín hiệu .............................................................................. 51
3.2. Chế tạo và khảo sát tính chất cảm biến nhiệt quang của vật liệu VO2 cấu
trúc nano............................................................................................................ 52
3.2.1. Màng mỏng VO2 cấu trúc nano........................................................... 52
3.2.2. Thực nghiệm chế tạo màng mỏng VO2 cấu trúc nano ........................ 53
3.2.3. Phân tích kết quả ................................................................................. 54
Kết luận .................................................................................................. 60
Tài liệu tham khảo ................................................................................. 62


3

Mở đầu
Mặc dù cả hai loại laser bán dẫn và laser rắn đều là những loại có khả năng
ứng dụng thích hợp trong thông tin quang, nhưng chúng đòi hỏi hồi tiếp ngược và
kết nối vi phân không nhậy cảm với hệ quang sợi/quang dẫn. Với sự tương thích

hợp của nó hay nói cách khác là sự tương quan không bị mất đi trong quá trình
tương tác. Ở đây có sự kết hợp của hai hành động: khuếch đại cộng hưởng và lọc
lựa. Hiệu suất truyền rất cao. Trong nghiên cứu gần đây nhất, các tác giả sử dụng
laser bán dẫn làm đầu thu đã thu được những tín hiệu nhỏ cỡ -80 dBm – tức là
nhạy hơn 100 lần. Và trong trường hợp này tín hiệu được thu nhận ở chế độ liên
tục chứ không phải là chế độ xung như ở các đầu đo truyền thống [1].
Tiêm quang học có đặc tính truyền đặc trưng phổ của laser phát sang laser
thu như tần số, độ rộng vạch và nhiễu. Khi quá trình truyền này hoàn tất, laser thu
ở chế độ gọi là bị khóa hoàn toàn, khi đó sự đóng góp duy nhất của nó là công
suất và đặc trưng phổ của nó hoàn toàn là của laser phát. Nhiều ứng dụng quan
trọng có thể được thực hiện từ tiêm quang bằng laser như giảm chiều rộng của
vạch laser, khóa trên một tần số tuyệt đối, xác định các hằng số của laser, giảm
nhiễu, phát sinh những tần số vi sóng, hồi phục tín hiệu nhịp đồng hồ và tái đồng
bộ………
Đây là một vấn đề còn rất mới cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm nhưng
rất thiết thực và hấp dẫn. Gần đây trên thế giới cũng mới có một số nghiên cứu
về tiêm quang học, sử dụng laser như một đầu thu cực nhạy với phương pháp
khái quát hàm Airy, song chưa tiến hành với laser quang sợi pha tạp erbium cũng
như những điều kiện thí nghiệm cũng khác so với ở Việt Nam. Vì vậy trong luận
văn này sẽ đi sâu nghiên cứu lý thuyết mới về tiêm quang học, tiến hành tổng
hợp, thu thập tài liệu, thực nghiệm nghiên cứu về khả năng thu nhận của laser
quang sợi pha tạp erbium từ đó đưa ra những kết luận về ảnh hưởng của tần số
cũng như độ nhạy thu nhận của laser quang sợi pha tạp erbium và những ứng
dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano ở điều kiện
thực nghiệm tại Việt Nam.
Nội dung của khóa luận được bố cục thông qua các chương như sau:
Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium.
Chương 2: Khả năng thu nhận ánh sáng của laser.
Chương 3: Khảo sát hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao và ứng dụng.


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:
sin θ a = n1 (1 − cos θ c )
2

Bởi vậy:

1/ 2

⎡ ⎛n
= n1 ⎢1 − ⎜⎜ 2
⎢⎣ ⎝ n1

⎞
⎟⎟
⎠

2

(4)

)

− n22 ≈ n1 2Δ được gọi là khẩu độ số của quang sợi. Góc

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 0.14 ÷ 0.50.
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), (62.5/125), (85/125),
(100/140) μm.
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:
λc =

2πa n12 − n22

(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 ≤a
⎛r⎞

sensitivity detector for cohenrent light: the laser”, Optics Communications
185 (2000) 109 – 114.

[2]

S. Blin, G. M. Stephan,
R. Gabet, P. Besnard and D. Kilper,
”Amplification process in a laser injected by a narrow band weak signal”,
Europhys. Lett. 52 (1), pp. 60-65 (2000).

[3]

S. Blin, G. M. Stephan, R. Gabet, P. Besnard and T.T.Tam, O. Vaudel, S.
LaRochelle, “Spectral and time phenomena in optical injection using
distributed feedback semiconductor or fibre laser ”.

[4]

Stephan G. M., Phys. Res. A, 58 (1998) 2467

[5]

R. H. Pantell, “The laser oscillator with an external signal”, Proceedings
of the IEEE, vol. 53, pp. 474–477, May 1965.

[6]

H. L. Stover andW. H. Steier, “Locking of laser oscillators by light
injection”, Applied Physics Letters, vol. 8, pp. 91–93, May 1966.


63
C.M.Lampert and C.G.Granqvist, eds, in “Large-area Chromogenics:
Materials and Devices for Transmittance Control”, Vol. 154 (SPIE Optical
Engineering Press, Bellingham, 1990)

[13]

Nguyen Nang Dinh, Proc. Conf. “40 years Anniversary of Hanoi
University of Technology”, Hanoi –10/1996, p. 176 (in Vietnamese).

[14]

G. Micocci, A. Serra, A. Tepore, and S. Capone. J. Vac. Sci. Technol. A
15 (1) Jan/Feb (1997) 34-38.

[15]

B. D. Cullity, Elements of X-Ray diffraction, 2nd ed., p.102, AddisonWesley Publishing Company, Inc., Reading, MA (1978).