TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu cảm biến quang tích hợp ứng dụng trong Môi trường Sinh viên thực hiện: Lê Tuấn Anh
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nghiên cứu cảm biến quang tích hợp ứng dụng trong Môi trường
Sinh viên thực hiện: Lê Tuấn Anh
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Trung Thành
Hà Nội, năm 2015
Trang 2MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU i
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3
1.2.1 Cách tiếp cận 3
1.2.2 Đối tượng và nội dung nghiên cứu 3
1.2.3 Phương pháp nghiên cứu 4
1.3 CẢM BIẾN QUANG TÍCH HỢP 4
1.3.1 Cơ chế cảm biến quang 5
1.3.2 Cấu trúc cảm biến 7
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN DỰA VÀO MMI VÀ VI CỘNG HƯỞNG 13
2.1 THIẾT BỊ GIAO THOA ĐA MODE 13
2.1.1 Ống dẫn sóng phẳng 13
2.1.2 Phương pháp phân tích truyền mode 14
2.1.3 Ma trận truyền dẫn của MMI 17
2.2 THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN DÙNG MMI VÀ VI CỔNG HƯỞNG 18
2.2.1 Cảm biến dựa vào 4x4 MMI 18
2.2.2 Cảm biến dựa vào 6x6 MMI 25
2.3 THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN DÙNG MMI KHE ỐNG DẪN SÓNG 28
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VỀ CỘNG HƯỞNG FANO VÀ ỨNG DỤNG 31
3.1 CỘNG HƯỞNG FANO VÀ CẢM BIẾN QUANG SỬ DỤNG 3x3 MMI 31
3.1.1 Cảm biến quang sử dụng cộng hưởng 2x2 33
3.1.2 Cảm biến sử dụng cộng hưởng 3x3 MMI 35
3.2 CẢM BIẾN QUANG SỬ DỤNG CẤU TRÚC 4x4 GMZI 39
3.2.1 Nguyên tắc hoạt động 39
3.2.2 Kết quả mô phỏng 43
3.3 CẢM BIẾN SỬ DỤNG MZI VỚI HAI BỘ VI CỘNG HƯỞNG 47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO 52
Trang 3DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU
Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ thống cảm biến quang 4
Hình 1.2 Cấu trúc cảm biến huỳnh quang 5
Hình 1.3 Thay đổi chiết suất hiệu dụng trong ống dẫn sóng quang 7
Hình 1.4 Cấu trúc cảm biến MZI (a) Lý thuyết và (b) Thực tế 8
Hình 1.5 Ống dẫn sóng rỗng 8
Hình 1.6 Cách tử Bragg 9
Hình 1.7 Ống dẫn sóng khe (a) Cấu trúc và (b) Mode quang 10
Hình 1.8 Cấu trúc cảm biến dựa vào bộ vi cộng hưởng 11
Hình 1.9 Cấu trúc MRR 11
Hình 1.10 Đặc tuyến truyền dẫn của bộ ghép phụ thuộc vào hệ số suy hao 12
Hình 1.11 Đặc tuyến phổ của bộ vi cộng hưởng 12
Hình 2.1 Ống dẫn sóng phẳng 13
Hình 2.2 Trường trong bộ ghép GI-MMI 16
Hình 2.3 Trường trong bộ ghép RI-MMI 16
Hình 2.4 Trường trong bộ ghép SI-MMI 17
Bảng 2.1 Các cơ chế giao thoa trong MMI 17
Hình 2.5 Cấu trúc cảm biến dùng MZI 18
Hình 2.6 Cấu trúc cảm biến dùng 4x4 MMI 19
Hình 2.7 Hàm truyền của cảm biến dùng MZI và 4x4 MMI 21
Hình 2.8 Hệ số nâng cao độ nhạy 22
Hình 2.9 Cấu trúc ống dẫn sóng silic 23
Hình 2.10 Kết quả mô phỏng dùng BPM cho bộ ghép 4x4 MMI với (a) tín hiệu vào cổng 1 và (b) tín hiệu vào cổng 2 23
Hình 2.11 Quan hệ giữa chiết suất hiệu dụng và chiết suất của chất cần đo 24
Hình 2.12 Mode trong ống dẫn sóng khi (a) nanalyte= 1,33 và (b)nanalyte= 1,34 24
Hình 2.13 Độ nhạy cảm biến dùng 4x4 MMI và MZI 25
Hình 2.14 Cấu trúc cảm biến dùng 6x6 MMI với các chiều dài cửa sổ cảm biến a1 a 2 a 3 L , L , L 25
Hình 2.15 Kết quả mô phỏng BPM cho bộ ghép 6x6 MMI với tín hiệu vào cổng 1 (a) trường trong bộ ghép và (b) công suất tín hiệu ra tại cổng 1 và 6 27
Hình 2.16 Cấu trúc cảm biến dùng MMI khe ống dẫn sóng 28
Trang 4Hình 2.17 Trường trong MMI khe với (a) n a=1.33 và (b) n a=1.405 29
Hình 2.18 Cường độ tín hiệu ra tại đầu ra của cảm biến với chiết suất môi trường khác nhau 29
Hình 2.19 Trường trong MMI khe sử dụng 2x2 3dB MMIvới (a) n a =1.33 và (b) a n =1.405 30
Hình 2.30 Cường độ tín hiệu ra tại đầu ra của cảm biến với chiết suất môi trường khác nhau 30
Hình 3.1 Cộng hưởng Fano 31
Hình 3.2 Cấu trúc của bộ vi cộng hưởng 2x2 sử dụng 2x2 MMI 34
Hình 3.3 Cấu trúc của bộ vi cộng hưởng 3x3 sử dụng 3x3 MMI 35
Hình 3.4 Cấu trúc ống dẫn sóng Silic sử dụng trong thiết kế cảm biến 37
Hình 3.5 Kết quả mô phỏng BPM khi tín hiệu vào (a) tại cổng 1, (b) tại cổng 2 và (c) tại cổng 3 37
Hình 3.6 Hàm truyền tín hiệu của bộ vi cộng hưởng 3x3 MMI và 2x2 MMI 38
Hình 3.7 Hàm truyền tín hiệu của bộ vi cộng hưởng 3x3 MMI tại cổng 1 và 2 39
Hình 3.8 Cấu trúc của bộ cảm biến sử dụng 4x4 GMZI 40
Hình 3.9 Cấu trúc của bộ vi cộng hưởng xem như một bộ thông tất 40
Hình 3.10 Cấu trúc tạo ra hai bộ cộng hưởng Fano biến đổi được (a) sử dụng các cổng 1 và 4, (b) sử dụng các cổng 2 và 3 42
Hình 3.11 (a) Kết quả mô phỏng công suất ra chuẩn hóa, suy hao, sai khác về công suất của 4x4 MMI theo chiều dài của nó và (b) Tín hiệu truyền trong cấu trúc MMI tại chiều dài tối ưu 43
Hình 3.12 Kết quả mô phỏng công suất ra, suy hao và sai lệch về công suất ra của bộ ghép với (a) độ rộng MMI khác nhau và (b) bước sóng khác nhau 45
Hình 3.13 Kết quả mô phỏng pha tín hiệu ra tại cổng 1 và 4 tại (a) chiều dài MMI khác nhau, (b) độ rộng MMI khác nhau và (c) bước sóng khác nhau 46
Hình 3.14 (a) Phổ truyền dẫn của thiết bị tại cổng ra 1 khi 1 0, 1 0.5 , 1 , 1 1.5 ϕ = = = = ϕ = = = = π ϕ = = = = π ϕ = = = = π (b) phổ truyền dẫn tại cổng ra 4 khi 1 0, 1 0.5 , 1 , 1 1.5 ϕ = ϕ = π ϕ = π ϕ = π 47
Hình 3.15 Cấu trúc cảm biến sử dụng MZI với hai bộ vi cộng hưởng 48
Hình 3.16 (a) Hàm truyền và (b) vi phân của nó tại cổng ra 1 và 2 tương ứng 49