Nghiên cứu cảm biến quang sử dụng cách tử bragg trong sợi quang ứng dụng đo nhiệt độ

Danh mục các hình vẽ1.1 Cảm biến dịch chuyển dựa trên khẩu độ số có thể được sử 8 dụng để chỉ thị đóng cửa và đo mức dịch chuyển của máymóc 1.2 Một mẫu cảm biến đã được chế tạo và thử ng

NGUYỄN THẾ ANH

NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN QUANG SỬ DỤNG CÁCH TỬ TRONG

SỢI QUANG ỨNG DỤNG ĐO NHIỆT ĐỘ

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nano

Mã số: Chương trình đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Phạm Văn Hội

HÀ NỘI - 2013

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, cảm ơn phógiáo sư, tiến sĩ Phạm Văn Hội đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ dạy tận tình giúp tôi hoànthành luận văn thạc sĩ này

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị thuộc tập thể Phòng Vật liệu và Ứng dụngQuang sợi Viện Khoa học vật liệu– Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đãgiúp đỡ tôi trong suốt quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, hoàn thành luận văn thạc sĩ

Tôi xin gửi lời cảm ơn các thầy cô ở ở khoa vật lý kỹ thuật tại trường đại họcCông nghệ, ĐHQG Hà Nội đã giảng dạy tận tình và hướng dẫn tôi trong suốt thời gianqua, và giúp đỡ tôi tích lũy những kiến thức vô cùng quý báu cho những nghiên cứukhoa học trong tương lai

Tác giả luận văn

Nguyễn Thế Anh

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là luận văn do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trựctiếp của phó giáo sư, tiến sĩ Phạm Văn Hội Các số liệu, kết quả trong luận văn này làtrung thực và do chính tôi thực hiện

Tất cả các tài liệu, công trình nghiên cứu của các tác giả khác được sử dụng làmtài liệu tham khảo trong quá trình làm luận văn này đều được liệt kê và trích dẫn rõ ràngtrong phần danh mục các tài liệu tham khảo

Hà nội, Ngày thángTác giả luận văn

Nguyễn Thế Anh

Lời cam đoan 2

Danh mục các hình vẽ 3

Danh mục bảng biểu 6

Danh mục từ viết tắt 6

Chương 1: Tổng quan về cảm biến quang sợi 9

1.1 Phân loại cảm biến quang sợi 9

1.2 Cảm biến quang sợi nội sinh và ngoại sinh 9

1.3 Cảm biến quang sợi dựa vào điều chế quang 10

1.3.1 Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ ánh sáng 10

1.3.2 Cảm biến quang sợi dựa vào phân cực ánh sáng 15

1.3.3 Cảm biến quang sợi dựa vào pha của ánh sáng 15

1.3.4 Cảm biến quang sợi dựa vào phổ quang 20

Chương 2 : Nghiên cứu cảm biến sử đo nhiệt độ sử dụng cách tử trong sợi quang 23

2.1 Tổng quan về cách tử Bragg trong sợi (FBG) 23

2.1.1 Điều kiện bước sóng Bragg 23

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 25

2.1.3 Phổ phản xạ và phổ truyền qua của FBG 27

2.2 Laser bán dẫn 27

2.2.1 Tăng ích quang 27

2.2.2 Hồi tiếp và ngưỡng phát laser 28

2.2.3 Cấu trúc của laser bán dẫn 30

2.2.3.1 Laser bán dẫn khuếch đại do dẫn sóng (laser công tắc dải) 31

2.2.3.2 Laser dẫn sóng chặn bằng chiết suất (Index-guided laser) 31

Chương 3: Chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ trong vùng 1550 nm 37

3.1 Các phương pháp chế tạo FBG 37

3.1.1 Phương pháp chế tạo FBG sử dụng bộ chia chùm tia 38

3.1.2 Phương pháp chế tạo FBG qua Phase Mask. 39

3.1.3 Phương pháp chế tạo FBG bằng hệ giao thoa kế 42

3.2 Chế tạo cách tử Bragg trong sợi 43

3.2.1 Mô tả giao thoa kế 45

3.2.1.4 Chương trình điều khiển giao thoa kế. 49

3.2.3 Một số yêu cầu cho hệ 50

3.3 Kết quả chế tạo cách tử 51

3.3.1 Một số dụng cụ cần thiết 51

3.3.2 Khảo sát các thông số nội của FBG 52

3.3.3 Kết quả chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ trong vùng 1550 nm 54 Chương 4: Kết quả thực nghiệm xây dựng hệ cảm biến 56

4.1 Khảo sát sự phụ thuộc của bước sóng phát xạ của laser DFB vào nhiệt độ đế 56

4.2 Khảo sát sự phụ thuộc của bước sóng phản xạ của cách tử vào nhiệt độ 60

4.3 Thiết lập cấu hình hệ cảm biến đo nhiệt độ 63

Kết luận 67

Tài liệu tham khảo tiếng Anh 68

Danh mục các hình vẽ

1.1 Cảm biến dịch chuyển dựa trên khẩu độ số có thể được sử 8

dụng để chỉ thị đóng cửa và đo mức dịch chuyển của máymóc

1.2 Một mẫu cảm biến đã được chế tạo và thử nghiệm để đo 9

sức căng cơ khí của hệ thống

1.4 Một ứng dụng của cảm biến quang sợi sử dụng vi uốn 11

cong1.5 Cảm biến quiang sợi sử dụng phương pháp phản xạ 121.6 Cảm biến quang sợi dựa trên hiện tượng sóng phù du 131.7 Một cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot 141.8 Ứng dụng đo gia tốc của cảm biến quang sợi sử dụng giao 15

thoa kế Fabry-Perot1.9 Cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder 161.10 Cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnder 171.11 Một ứng dụng của cảm biến quang sợi dựa trên dịch phổ 18

của cách tử Bragg trong sợi quang1.12 Thí dụ về ứng dụng của cảm biến quang sợi đo biến dạng 19

trong thiết kế cánh máy bay phản lực

2.2 Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg 222.3 Dạng phổ của tín hiệu khi qua cách tử a) Phổ tín hiệu 23

vào, b) Phổ tín hiệu2.4 Cấu trúc của laser bán dẫn và bộ cộng hưởng Faby-Perot 26

của nó2.5 Các mode dao động trong buồng cộng hưởng của laser 272.6 Sơ đồ laser bán dẫn cấu trúc dị thể kép (DHL) 282.7 Cấu trúc laser dị thể chôn (BH-laser diode) 29

Thứ tự Tên hình vẽ Trang

2.8 Cấu trúc laser DFB (trái) và laser DBR (phải) 302.9 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến quang sử dụng cách tử 32

Bragg2.10 Sơ đồ dự kiến nguyên lý cảm biến quang sử dụng dụng 33

đầu thu là photodiode3.1 Cấu trúc GeO2 trong lõi sợi quang 343.2 Sự giao thoa của hai chùm tia UV để tạo FBG 35

3.4 Nhiễu xạ của chùm tia tới Phase Mask 373.5 Chùm UV tới vuông góc được nhiễu xạ thành hai bậc 1 373.6 Chế tạo cách tử FBG dùng Phase Mask 383.7 Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG bằng hệ gương giao thoa 393.8 Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG dùng hệ giao thoa kế Talbot 40

(tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quang học)

3.10

3.13 Nguyên lý hoạt động của Circulator 493.14 Cách đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ 493.15 Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử 493.16 Phổ dải rộng ASE của sợi khi chưa khắc cách tử 50

3.20 Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ=1557.198nm 52

nhiệt độ đế4.4 Máy đo phổ quang (OSA) với băng tần từ 600 nm đến 55

1700 nm, độ phân giải phổ 0,01 nm4.5 Phổ phát xạ của laser DFB bị dịch do thay đổi nhiệt độ 564.6 Đồ thị sự phụ thuộc bước sóng phát xạ của laser DFB vào 57

sự thay đổi nhiệt độ của đế4.7 Cách tử FBG được bọc hạt nano CdSe (trái); FBG được 58

bọc hat nano sau đó bọc ống teflon ra ngoài cùng (phải)4.8 Sơ đồ khảo sát sự phụ thuộc bước sóng phản xạ của cách 59

tử Bragg vào sự thay đổi nhiệt độ4.9 Sự dịch bước sóng phản xạ của cách tử gây ra bởi sự thay 59

đổi nhiệt độ trong khoảng 10 -100oC4.10 Sự phụ thuộc bước sóng phản xạ của FBG vào nhiệt độ 60

môi trường4.11 Sơ đồ cấu hình cảm biến đo nhiệt độ sử dụng cách tử 61

Bragg trong sợi quang4.12 Thiết bị biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện 614.13 Sơ đồ mạch in của bộ thu và xử lý tín hiệu quang 624.14 Dao động ký điện tử dùng đo tín hiệu điện trên 62

photodiode trong hệ cảm biến

Danh mục bảng biểu

Bảng 4.1 Cường độ tín hiệu lớn nhất của Photodiode so với sự thay 64

đổi nhiệt độ của FBG và laser diode

Danh mục từ viết tắt

OSA (Optical Sepectrum Analyzer): Máy phân tích phổ quang

FBG (Fiber Bragg Grating): Cách tử trong sợi quang

DFB (Distributed Feedback Gratings): Cách tử phản hồi phân bố

EDFA (Erbium Drop Fiber Amplifier) : Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

LCD (Liquid-crystal Display): Màn hình tinh thể lỏng

Mở đầu

Sự phát triển của nền công nghiệp quang điện tử và thông tin quang trong nhữngthập niên qua đã góp phần phát triển nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau Trong đó,lĩnh vực nghiên cứu sử dụng sợi quang trong thiết kế các cảm biến đang rất được quantâm

Các cảm biến quang phát triển nhanh chóng thể hiện nhiều ưu điểm vượt trộinhư:

- Kích thước nhỏ

- Khối lượng nhẹ

- Băng thông rộng

- Độ nhạy cao

- Ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường

- Bền trong môi trường khắc nghiệt

Cảm biến quang học dựa trên cách tử Bragg (Fiber Bragg Gratting (FBG)) đã thuhút sự chú ý ngay từ khi nó được phát minh FBG không chỉ được biết đến trong cáclĩnh vực quang tử, truyền thông mà nó còn được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vựcnghiên cứu cảm biến Cảm biến sử dụng FBG có khả năng đo được các thông số nhưsức căng, nhiệt độ, áp suất, hóa học hay sinh học và nhiều thông số khác [4,7,11] Với

sự linh hoạt trong thiết kế cảm biến FBG có thể sử dụng đơn điểm hoặc thành một dãynhiều điểm với chi phi rẻ Bởi vậy nó trở thành một thiết bị lý tưởng được áp dụng cho

vô số các ứng dụng cảm biến khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau và công nghiệp.Với bất kỳ sự thay dổi bước sóng phản xạ của cách tử Bragg đều bị ảnh hưởng bởi cácyêu tố như nhiệt độ, áp suất hay sức căng.Ví dụ như đáp ứng nhiệt của cảm biến dựatrên FBG bị ảnh hưởng bởi cả hai yếu tố: sự giãn nở nhiệt của vật liệu và sự thay đổichiết suất do nhiệt độ Sự thay đổi bước sóng phản xạ của FBG thường được phát hiệnbằng cách đo bước sóng thông qua máy phân tích phổ quang Điều đó là một bất lợi củacảm biến dựa trên FBG do có giá thành của sản phẩm lớn

Trong luận văn này chúng tôi đề xuất một phương pháp mới phát hiện sự dịchbước sóng phản xạ của FBG thông qua điều chỉnh bước sóng phát xạ của laser đơnmode DFB (Distributed Feedback Gratings) thông qua sự thay đổi nhiệt độ trên đế laser.Chúng tôi sẽ thu được cường độ lớn nhất ở detector khi bước sóng phát xạ của lasertrùng với bước sóng phản xạ của cách tử Hệ số giãn nở nhiệt theo nhiệt độ của cách tửchế tạo trên sợi thủy tinh là rất nhỏ 11pm/ oC [5,3] Do vậy các nghiên cứu thường bọccách tử FBG bằng các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn để tăng độ đáp ứng nhiệtcủa cách tử Khi nhiệt độ tăng lên vật liệu bọc sẽ bị giãn nở tạo ứng suất lực lên cách tửFBG Tuy nhiên nếu vật liệu bọc phủ không đều trên bề mặt cách tử dẫn tới ứng suất lựcgây lên cách tử không đồng nhất gây hiện tượng giãn phổ phản xạ của cách tử hoặc gâyhỏng cách tử [8] Chúng tôi đã trộn hạt nano CdSe vào vật liệu

bọc trước khi phủ ra ngoài cách tử với mục đích làm cho vật liệu bọc được phủ trên bềmặt của cách tử đồng nhất do vậy sẽ tránh hiện tượng giãn phổ hoặc gây hỏng cách tửđồng thời tăng được độ đáp ứng nhiệt của cách tử là 22.7pm/ 0C Các mẫu thử nghiệm

đã cho thấy đáp ứng nhiệt tốt cho việc đô nhiệt độ trong vùng 0 - 100 oC khi nhiệt độ đếlaser thay đổi trong khoảng 10 -50 0C và tỷ lệ / T của DFB laser là 77,5 pm K-1 Các kếtquả ban đầu chúng tôi thu được rất khả quan và đã được đăng trên tạp chí khoa họcchyên ngành như: Tạp chí Communication in Physics, tạp chí Khoa học và Công nghệnăm 2013

Nội dung của luận văn được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về cảm biến quang

Chương 2: Nghiên cứu cảm biến sử đo nhiệt độ sử dụng cách tử trong sợi quang

Chương 3: Chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ trong vùng 1550 nm

Chương 4: Kết quả thực nghiệm xây dựng hệ cảm biến

Chương 1: Tổng quan về cảm biến quang sợi

1.1 Phân loại cảm biến quang sợi

Hiện nay,có rất nhiều loại cảm biến quang sợi đang được nghiên cứu và sử dụng Chúng ta có thể phân loại cảm biến quang sợi theo các tiêu chí như sau:

- Căn cứ vào quá trình điều chế và giải điều chế của cảm biến có thể phân loại cảmbiến cường độ (biên độ), cảm biến pha, cảm biến tần số hay cảm biến phân cực Bởi vì việc pháthiện pha hay tần số trong quang học dựa trên kỹ thuật giao thoa nên chúng ta cũng gọi các cảmbiến loại này là cảm biến giao thoa

- Cảm biến quang sợi cũng có thể được phân loại trên cơ sở ứng dụng của chúng:cảm biến vật lý (ví dụ như đo nhiệt độ, sức căng, áp lực…), cảm biến hóa học (ví dụ như đonồng độ pH, phân tích khí, nghiên cứu quang phổ hấp thụ và phát xạ của vật liệu,…), cảm biến ysinh (đưa vào qua ống thông hay nội soi để đo lưu lượng máu, nồng độ glucose,…) Các cảmbiến quang sợi theo cường độ hay cảm biến giao thoa đều có thể được dùng trong các ứng dụngnày

- Cảm biến quang sợi ngoại sinh và cảm biến quang sợi nội sinh là một cách phânloại khác Ở cảm biến quang sợi ngoại sinh, quá trình cảm biến diễn ra bên ngoài sợi quang vàsợi quang làm việc như một ống dẫn truyền ánh sáng đến vùng cảm biến một cách hiệu quả vàtheo mô hình mong muốn sẽ thu góp ánh sáng từ vùng cảm biến về trung tâm xử lý Ngược lại,trong một cảm biến quang sợi nội sinh, một hoặc nhiều tính chất vật lý của sợi quang sẽ thay đổikhi có tác động của các thông số môi trường

- Cảm biến quang sợi cũng có thể được phân loại theo đáp ứng với số điểm đo trongmôi trường Ba loại cảm biến quang sợi quan trọng là: cảm biến điểm-điểm, cảm biến tập trung

và cảm biến phân tán Trong cảm biến điểm-điểm có một điểm đo duy nhất tại điểm cuối của sợiquang tương tự như hầu hết các cảm biến điện Cảm biến tập trung cho phép đo tại nhiều điểmtrong môi trường do một hệ thống sợi quang đảm nhận và cảm biến phân tán có thể cảm nhậnmôi trường tại bất cứ điểm nào dọc theo một tuyến sợi quang

Mỗi loại cảm biến này lại được phân loại thành các loại nhỏ Dưới đây, chúng ta sẽ xemxét vài loại cảm biến quang sợi quan trọng nhất

1.2 Cảm biến quang sợi nội sinh và ngoại sinh

Trong cảm biến quang sợi nội sinh, các thuộc tính của chính bản thân sợi sẽ biếncác thay đổi của môi trường thành dạng điều chế của chùm sáng truyền qua Điều chếnày có thể là cường độ, pha hay phân cực Cảm biến quang sợi nội sinh diễn ra

trong chính bản thân sợi quang Hầu như bất kỳ tác động môi trường nào cũng có thểđược biến đổi thành tín hiệu quang để được phân tích, xử lý.

Các trường hợp thông thường, mỗi tác động môi trường có thể được đo bằnghàng chục phương pháp sử dụng các loại cảm biến quang sợi khác nhau Điều quantrọng là cần thiết kế cảm biến để thu được sự thay đổi mong muốn của môi trường

Ngược lại, trong cảm biến quang sợi ngoại sinh, sợi quang được sử dụng đểmang ánh sáng (có mang thông tin ban đầu) vào trong một hộp đen có chứa môi trườngcần đo và dẫn chùm sáng mang thông tin bị tác động bởi môi trường về thiết bị xử lý,phân tích Hộp đen có thể chứa gương, khí hay tế bào chất lỏng, một nhánh cantileverhoặc hàng chục cơ chế khác có thể tạo ra để điều chỉnh hoặc biến đổi chùm sáng

1.3 Cảm biến quang sợi dựa vào điều chế quang

Các loại cảm biến quang sợi có điều chế quang gồm bốn loại chính Dưới đây,chúng tôi sẽ thảo luận về mỗi loại cảm biến này

1.3.1 Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ ánh sáng

Trong một vài khía cạnh, loại đơn giản nhất của cảm biến quang sợi dựa vào thayđổi cường độ ánh sáng thuộc loại cảm biến ngoại sinh dựa trên điều chế cường độ Hình1.1 sẽ chỉ ra một cảm biến dịch chuyển bao gồm hai sợi quang được giữ rất gần nhau.Ánh sáng được đưa vào một sợi quang, khi nó đi ra, chùm sáng mở rộng thành hình nón

mà có góc phụ thuộc độ dịch chuyển

Hình 1.1: Cảm biến dịch chuyển dựa trên khẩu độ số có thể được sử dụng

để chỉ thị đóng cửa và đo mứ c dịch chuyển của máy móc.

Với loại cảm biến này hệ số điều chế thông thường có thể được định nghĩa là:

Ở đây, I là sự thay đổi công suất quang gây ra bởi điều chế, I 0 là công suất

quang đạt được tại đầu thu khi không có điều chế và P là nhiễu.

Hình 1.2 Một mẫu cảm biến đã được chế tạo và thử nghiệm để đo sức

căng cơ khí của hệ thống

Hình 1.2 là một mẫu cảm biến dịch chuyển sử dụng trong một hệ thống để giámsát sức căng hay độ dịch chuyển của một hệ cơ khí Khi có một sự dịch chuyển hay mộtlực căng cơ học xảy ra sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa hai lõi sợi quang do vậy thayđổi khẩu độ số của chùm sáng làm cho cường độ tín hiệu thu được tăng lên hoặc giảm

đi Nhờ hệ thống phân tích sẽ biết được sức căng hay độ dịch chuyển

Tuy nhiên, cảm biến quang sợi dựa vào cường độ có một số hạn chế như mất mát

và thăng giáng trong hệ thống không liên quan đến tác động của môi trường Hạn chếnày xảy ra liên quan tới mất mát do các đầu nối và bộ chia, mất mát do micro hay macrobending, sai lệch cơ khí và sự lệch của nguồn sáng và đầu thu Để giải quyết các vấn đềnày nhiều cảm biến quang sợi dựa vào cường độ với độ phân giải cao đã triển khai thànhcông hai bước sóng Một bước sóng được sử dụng để hiệu chỉnh tất cả các lỗi do sự thayđổi cường độ không mong muốn bằng cách bỏ qua vùng cảm biến

Có nhiều cơ chế biến đổi dẫn đến sự thay đổi cường độ sáng khi chùm sángtruyền qua một sợi quang do vậy cảm biến quang sợi dựa vào cường độ có thể bị ảnhhưởng bởi mất mát do uốn cong, do bộ hợp hai sợi quang, lớp phủ bị thay đổi, phản xạ,hấp thụ, suy hao, tán xạ phân tử, hiệu ứng phân tử hay trường phân rã

a Cảm biến quang sợi cường độ sử dụng vi uốn cong (micro bending)

Chúng ta biết rằng khi uốn cong sợi quang sẽ có mất mát do hiện tượng uốn cong(bending) Uốn cong cục bộ được gọi là vi uốn cong (micro bending) Do đó, cường độsáng lối ra tỉ lệ thuận với lượng vi uốn cong Vì vậy, bằng việc phát hiện ra sự thay đổicường độ ánh sáng lối ra của cảm biến quang sợi, lượng vi uốn cong có thể đo được

Hình 1.3: Cảm biến vi uốn cong đơn giản

Bên cạnh việc đo dịch chuyển, một vài thông số khác như sức căng, áp suất, áplực và thay đổi vị trí có thể cũng được thiết kế cơ khí để liên hệ với sự thay đổi vi uốncong này, bởi vậy các thông số này cũng có thể được đo bằng cùng một cấu hình cảmbiến quang sợi

Hình 1.4 là mô hình ứng dụng một cảm biến quang sợi sử dụng hiện tượng uốncong để mô phỏng độ cong của một vật.

Hình 1.4 Một ứng dụng của cảm biến quang sợi sử dụng vi uốn cong

Một hệ sợi quang được đặt dọc vật sẽ thay đổi cường độ sáng đi qua nó khácnhau khi có một lực uốn cong vật Dựa vào sự thay đổi này chúng ta có thể phân tích và

mô phỏng lại độ cong này nhờ máy tính

Ưu điểm chính của sợi quang cảm biến vi uốn cong là giá thành rẻ và khi sửdụng kết hợp với kỹ thuật phản xạ miền thời gian quang, chúng có thể được sử dụng chonhiều ứng dụng rộng hơn Nhược điểm của nguyên lý sử dụng sợi quang cảm biếnmicro bend là độ chính xác tổng thể thường khá thấp

b Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ sử dụng phương pháp phản xạ

Hình 1.5 chỉ ra nguyên lý cơ bản của một cảm biến quang sợi sử dụng phươngpháp phản xạ Ánh sáng truyền dọc theo sợi quang từ trái sang phải, truyền đến cuối sợi

và đến một gương phản xạ chuyển động Nếu gương phản xạ chuyển động đến càng gầnsợi quang thì hầu hết ánh sáng có thể được phản xạ ngược trở lại sợi và cường độ ánhsáng càng tăng lên Tuy nhiên khi gương phản xạ chuyển động ra xa so với lối ra cuốisợi quang thì sẽ có ít ánh sáng có thể quay trở lại sợi quang và sẽ thu được tín hiệu yếu

Do đó, quan hệ qua lại giữa khoảng cách giữa gương phản xạ với

sợi quang và cường độ ánh sáng phản xạ lại sợi quang có thể được sử dụng để đo độdịch chuyển Để tránh sự ảnh hưởng của thăng giáng cường độ của nguồn sáng, một tínhiệu tham chiếu thích hợp có thể được thêm vào trong loại cảm biến quang sợi dựa vàocường độ này.

Hình 1.5 Cảm biến quang sợi sử dụng phương pháp phản xạ

c Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ sử dụng phương pháp ghép sóng phù du

Một hiện tượng sóng phù du xảy ra khi ánh sáng lan truyền dọc một sợi quangđơn mode, nó không hoàn toàn bị giới hạn trong lõi sợi mà mở rộng ra vùng bọc thủytinh xung quanh Phần sóng ánh sáng trong vùng bao quanh này được gọi là sóng phù

du Hiện tượng này được sử dụng để chế tạo một trong những thiết bị quang sợi được sửdụng rộng rãi nhất: đó là bộ ghép/ tách quang Cường độ ghép giữa hai sợi quang là mộthàm của khoảng cách giữa hai lõi sợi Khoảng cách càng gần thì khả năng ghép càngmạnh Hình 1.6 trình bày mô hình cảm biến quang sợi dựa trên khái niệm ghép sóng phù

du này Ánh sáng được đưa vào trong một sợi quang, nó lan truyền đến vùng mà sợi thứhai được đặt rất gần để một phần sóng phù du của sợi thứ nhất sẽ truyền trong sợi thứhai Do vậy, hiện tượng ghép sóng phù du xảy ra Hệ số ghép trực tiếp tỉ lệ với khoảngcách hai sợi quang Khi một tác động của môi trường như sự thay đổi áp suất, sóng âmhay nhiệt độ sẽ gây ra sự thay đổi khoảng cách giữa hai sợi quang dẫn đến sự thay đổi

hệ số ghép Do đó, cường độ ánh sáng trên sợi thứ hai cũng thay đổi Như vậy, bằng sựtheo dõi sự thay đổi cường độ của sợi quang thứ hai, chúng ta có thể nhận biết được sựthay đổi của môi trường

Hình 1.6 Cảm biến quang sợi dựa trên hiện tượng sóng

1.3.2 Cảm biến quang sợi dựa vào phân cực ánh sáng

Sợi quang được làm từ thủy tinh Chiết suất của sợi quang có thể bị thay đổi khiđặt vào một áp lực hay sức căng Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng đàn hồi quang.Thêm vào đó, trong nhiều trường hợp, áp lực hay sức căng theo các hướng khác nhau làkhác nhau bởi vậy sự thay đổi chiết suất cũng khác nhau theo các hướng khác nhau Do

đó, có một sự sai khác pha giữa các hướng phân cực khác nhau Nói cách khác là dướitác động bên ngoài như áp lực hay sức căng, sợi quang sẽ làm việc như một bộ trễ tuyếntính Bởi vậy bằng việc phát hiện sự thay đổi trong trạng thái phân cực lối ra mà chúng

ta có thể thu được sự biến đổi của thông số bên ngoài

Để thiết kế được một cảm biến quang sợi thực tế, chúng ta cần chế tạo các cảmbiến nhạy với thông số môi trường cần đo và không nhạy với các thông số môi trườngkhác

Với cảm biến quang sợi dựa vào phân cực, sự thay đổi chiết suất theo môi trườngtheo các hướng phân cực hầu như là như nhau Do vậy, không có sự sai khác pha nàogiữa hai trạng thái phân cực khác nhau Nói cách khác, delta=0 Như vậy, sự thănggiáng của nhiệt độ môi trường cũng không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của cảmbiến

1.3.3 Cảm biến quang sợi dựa vào pha của ánh sáng

Pha của trường ánh sáng cũng có thể thay đổi khi có những tác động bên ngoàibởi vậy cảm biến quang sợi cũng có thể được xây dựng dựa trên sự thay đổi pha củatrường ánh sáng Mối quan hệ giữa sự thay đổi pha và sự khác biệt quang trình có thểđược biểu diễn bằng biểu thức sau:

Ở đây là bước sóng ánh sáng và biểu diễn sự khác biệt quang trình Bởi

vì bước sóng ánh sáng là rất nhỏ nên một sự thay đổi quang trình rất nhỏ trong sợiquang có thể dẫn đến một sự thay đổi lớn của pha quang

Do vậy, nhìn chung, cảm biến quang sợi dựa vào pha nhạy hơn các cảm biếnquang sợi dựa vào cường độ Chú ý rằng, bộ thu quang không thể phát hiện trực tiếp sựthay đổi pha quang nên sự thay đổi pha quang phải được biến đổi thành sự thay đổi vềcường độ sử dụng các phương pháp giao thoa như Mach-Zehnder, Michelson, Fabry-Perot hay Sagnac Một số kỹ thuật giao thoa được khai thác để triển khai trong cảm biếnloại này Do vậy, cũng có nhiều tài liệu gọi loại cảm biến này là cảm biến giao thoaquang sợi

a Cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot

Một giao thoa kế Fabry-Perot la một giao thoa kế đa chùm tia Hình 1.5 chỉ ramột giao thoa kế Fabry-Perot Dựa vào độ phản xạ cao của gương, trong loại giao thoa

kế này, ánh sáng bị phản xạ qua lại một phần trong một hốc bao nhiêu lần thì tăng độ trễpha bấy nhiêu lần Cường độ lổi ra truyền qua của giao thoa kế Fabry-Perot cho thấy hệ

số phản xạ càng cao thì đỉnh giao thoa càng sắc nét Nói theo cách khác là càng gầnvùng đỉnh giao thoa, cường độ sáng lối ra càng nhạy với sự thay đổi nhỏ của trễ pha

Hình 1.7 Một cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot

Hệ số phản xạ càng cao, đỉnh giao thoa càng sắc nét Bởi vậy, độ nhạy của cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot có thể rất cao.

Hình dưới đây là một ứng dụng đo gia tốc sử dụng cảm biến quang sợi theo phương pháp giao thoa kế Fabry-Perot

Hình 1.8 Ứng dụng đo gia tốc của cảm biến quang sợi sử dụng

giao thoa kế Fabry-Perot

Cảm biến này cũng đã được so sánh với một cảm biến truyền thống và ta thấy sựtương ứng của kết quả với độ nhạy thu lớn hơn của cảm biến truyền thống Phổ tần củahai cảm biến thu được là giống nhau, dạng tín hiệu thu được cũng giống nhau, chỉ khácnhau về độ nhạy vì chỉ một sự thay đổi rất nhỏ của pha cũng có thể gây ra một sự thayđổi rất lớn của cường độ

b Giao thoa kế Sagnac

Giao thoa kế Sagnac về mặt nguyên lý được sử dụng để đo phép quay Nó cũng

có thể được triển khai để đo các thông số biến đổi theo thời gian như âm thanh, daođộng và sự biến đổi chậm như sức căng

Ưu điểm của cảm biến này là độ nhạy cực cao, phân phối diện rộng và khả năngghép số lượng lớn và sự kết hợp của các cảm biến giao thoa cho phép đo vị trí và cường

độ của các sự kiện biến đổi theo thời gian Số lượng lớn các sản phẩm con quay

quang sợi trong vài năm trở lại đây sẽ cung cấp cho khách hàng các thiết bị giao thoaquan trọng để tiếp tục giảm giá thành và cho phép xây dựng các hệ thống với chi phíhiệu quả.

c Cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Michelson

Hình 1.11 cho thấy một cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Michelson.Trong trường hợp này, một bộ ghép/tách quang được sử dụng để vừa chia vừa hợp haichùm sáng Ánh sáng truyền từ nguồn laser được chia thành hai nhánh cảm biến vàtham chiếu Sau khi đi hết chiều dài sợi, ánh sáng sẽ bị phản xạ lại theo đúng nhánh đóbằng các gương phản xạ Ánh sáng sau đó được kết hợp lại bằng bộ ghép/tách quang

Hình 1.9 Cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder

d Cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnder

Hình 1.12 cho thấy một cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnderđược sử dụng khá rộng rãi Cảm biến bao gồm hai nhánh: nhánh cảm biến và nhánhtham chiếu Ánh sáng từ nguồn sáng kết hợp chẳng hạn như từ một laser bán dẫn phảnhồi phân tán DFB được đưa vào sợi quang đơn mode Ánh sáng sau khi được chia rathành hai chùm nhờ bộ chia quang với tỉ số cường độ 50/50 Một phần ánh sáng sẽtruyền qua nhánh cảm biến và phần còn lại truyền qua nhánh tham chiếu Sau khi quanhánh cảm biến và tham chiếu, lối ra từ hai nhánh lại được kết hợp lại bằng một bộcộng Ở đây, tín hiệu giao thoa giữa hai chùm sáng được tạo ra và được thu lại nhờ mộtphotodiode

Hình 1.10 Cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnder

Để giảm ảnh hưởng từ các nhân tố thay đổi không mong muốn của môi trườngnhư nhiệt độ và để nâng cao độ nhạy của cảm biến, trong nhiều trường hợp độ dài củanhánh tham chiếu có thể được điều biến có chu kỳ Điều này có thể làm được bằng cáchcuốn sợi quang của nhánh tham chiếu lên một trống gốm áp điện PZT Một tín hiệu điệnhình sin được đưa vào trống gốm áp điện để đường kính của trống điều biến có chu kỳbằng tín hiệu sin, điều này dẫn đến sự thay đổi có chu kỳ của chiều dài sợi trên nhánhtham chiếu

Chú ý rằng cảm biến quang sợi giao thoa thường được xây dựng sử dụng sợiquang đơn mode điển hình Bởi vì sợi quang đơn mode điển hình có thể hỗ trợ chế độhai phân cực trực giao và những hiện tượng như bending xảy ra, sợi quang trở thànhlưỡng chiết Hiệu ứng này có thể dẫn đến thay đổi sự rõ nét của vân giao thoa Do vậy tỉ

số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu cảm biến có thể bị ảnh hưởng vởi hiện tượng lưỡngchiết

Có nhiều điểm giống và khác nhau giữa giao thoa kế Michelson và Zehnder Về giống nhau thì Michelson có thể bao hàm cả Mach-Zehnder và ngược lại

Mach-Do vậy, từ lập luận này có thể thấy rằng, sự mất mát quang học ứng với cả hai cấu hình

là như nhau Tất nhiên, tại lối ra chúng có dạng giống như của Mach-Zehnder Về khácnhau, cấu hình Michelson chỉ yêu cầu một bộ hợp/chia quang Bởi vì ánh sáng truyềnqua cả hai nhánh cảm biến và tham chiếu hai lần nên dịch pha trên mỗi đơn vị chiều dàiđược tính gấp đôi Do vậy, cảm biến sử dụng giao thoa kế Michelson có thể nhạy hơn.Trong nhiều trường hợp thực tế, cấu hình vật lý của giao thoa kế Michelson thường dễdàng để đóng gói hơn mặc dù điều này vẫn phụ thuộc từng ứng dụng Ưu điểm rõ ràngkhác của cấu hình Michelson là cảm biến có thể được chế tạo với chỉ một sợi quang từmodule nguồn/bộ thu tới cảm biến Tuy nhiên, gương phản xạ chất lượng cao được yêucầu cho giao thoa Michelson Thêm vào đó, một phần ánh sáng quay trở lại nguồn laser

do lối ra phản xạ lại Điều này có thể cực kỳ nguy hiểm với nguồn laser diode bán dẫn.Một bộ cách ly quang là cần thiết để giảm ảnh hưởng của hiệu ứng này

1.3.4 Cảm biến quang sợi dựa vào phổ quang

Cảm biến quang sợi dựa vào phổ phụ thuộc chùm sáng điều chế theo bước sóngkhi có tác động của môi trường Những ví dụ của cảm biến quang sợi loại này bao gồmcác loại cảm biến dựa trên bức xạ của vật đen, hấp thụ, huỳnh quang, mẫu chuẩn vàcách tử phân tán

Một trong những loại cảm biến đơn giản nhất loại này là cảm biến vật đen Mộthốc vật đen được đặt tại điểm cuối của sợi quang Khi hốc tăng nhiệt độ, nó bắt đầu phátsáng và hoạt động như một nguồn sáng Bộ thu quang kết hợp với một bộ lọc băng hẹp

sẽ được sử dụng để quyết định đặc tính của đường cong vật đen tương ứng nhiệt độ

Loại cảm biến này đã được thương mại hóa thành công và được sử dụng để đonhiệt độ trong các môi trường độc hại Độ nhạy và độ chính xác của cảm biến này caohơn tại nhiệt độ cao và bị giới hạn ở nhiệt độ khoảng 200 bởi vì tỉ số tín hiệu trên tạpnhiễu thấp Việc bảo dưỡng phải được thực hiện để đảm bảo rằng điểm nóng nhất là hốcđen và không nằm trên chính sợi dẫn quang đó bởi vì điều đó có thể làm hỏng tính toànvẹn của tín hiệu

Ngày nay, các cảm biến sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang cũng rất phổ biến

và được ứng dụng rộng rãi Hình dưới đây mô tả một vài ứng dụng của cảm biến quangsợi dựa vào dịch phổ của cách tử Bragg hay hệ cách tử Bragg

Hình 1.11 Một ứng dụng của cảm biến quang sợi dựa trên dịch phổ của cách tử

Bragg trong sợi quang

Trong hình 1.11 ta thấy cảm biến sử dụng một cách tử Bragg trong sợi (FBG)

để phản xạ tại bước sóng với n là chiểt suất và là chu kỳ cách tử Tín hiệu

phản xạ sẽ được quan sát trên một máy phân tích phổ quang OSA Cảm biến này đượcđưa vào trụ cầu và nối với máy tính điều khiển giám sát qua một hệ thống dẫn truyền.Khi có một rung động hay một thay đổi trong kết cấu trụ sẽ làm cách tử trên sợi quang

co giãn tức chu kỳ cách tử thay đổi làm cho bước sóng Bragg bị dịch đi Nhờ quan sát

và phân tích độ dịch này ta có thể biết được sự thay đổi trong kết cấu của trụ cầu Tương

tự như vậy khi ứng dụng phương pháp này trong phân tích dữ liệu thay đổi trên cánhmáy bay phản lực sử dụng để nghiên cứu và thiểt kế cánh máy bay và tự động hóa điềukhiển Dữ liệu từ hệ cảm biến sẽ được số hóa và mô phỏng trong không gian 3 chiềunhờ phần mềm Matlab Các kỹ sư có thể dựa vào các mô phỏng này để tính toán và điềuchỉnh thiểt kế Hình 1.8 trình bày thiết kế sơ bộ cảm biến đo biến dạng cánh máy bay sửdụng FBG

Hình 1.12 Thí dụ về ứng dụng của cảm biến quang sợi đo biến dạng

trong thiết kế cánh máy bay phản lực.

Hai ví dụ về cảm biến sử dụng cách tử Bragg nêu trên vẫn phải sử dụng máyphân tích phổ quang để thấy được sự dịch chuyển của bước sóng phản xạ của cách tử

Do vậy giá thành của hệ cảm biến còn rất đắt và cấu hình của hệ phức tạp Chúng tôi có

ý tưởng kết hợp sự thay đổi bước sóng phản xạ do tác động của môi trường và sự điềuchỉnh bước sóng phát xạ của laser phát xạ đơn mốt dịch theo sự thay đổi của bước sóngphản xạ của cách tử bằng cách sử dụng pin peltier Bằng cách đó chúng tôi sử

dụng 1 photodiode để thu sự thay đổi bước sóng phản xạ của cách tử thông qua cường

độ phản xạ của cách tử FBG trùng hợp với phổ phát xạ của laser đơn mốt.Do vậy chúngtôi không phải sử dụng máy phân tích phổ quang mà vẫn đo được sự thay đổi bước sóngphản xạ của cách tử Bragg do sự thay đổi của môi trường gây ra Cấu hình chi tiết của

hệ cảm biến đo nhiệt độ sử dụng các tử Bragg trong sợi quang sẽ được trình bày chi tiếttrong chương sau

Chương 2 : Nghiên cứu cảm biến sử đo nhiệt độ sử dụng cách tử trong sợi quang

2.1 Tổng quan về cách tử Bragg trong sợi (FBG)

Sự phát minh ra cách tử Bragg được xếp ngang với sự phát minh ra Laser tronglĩnh vực thông tin quang Hiện nay FBG đang được nghiên cứu rất nhiều do những ưuđiểm và các ứng dụng của chúng như: bộ lọc, bộ tách/ghép quang, bù tán sắc tích luỹtrong các hệ thống và nhất là trong lĩnh vực cảm biến là rất có triển vọng

FBG là sợi quang đơn mode thông thường dài vài cm, trong đó chỉ số chiết suấtcủa lõi sợi thay đổi một cách tuần hoàn dọc theo chiều dài của sợi Chu kỳ của sự thayđổi này sẽ quyết định bước sóng phản xạ của cách tử

FBG được tạo ra bởi Kenneth Hill vào năm 1978 tại Canada dựa vào

- GeO2 – SiO2 là vật liệu nhạy sáng

- Lõi sợi quang chịu ảnh hưởng lớn dưới tác dụng của chùm ánh sáng có bước sóng

244 (ánh sáng tử ngoại)

- Sự thay đổi hệ số khúc xạ trong lõi sợi

2.1.1 Điều kiện bước sóng Bragg

* Điều kiện phản xạ Bragg

Phản xạ Bragg xảy ra trên bề mặt tiếp giáp của 2 môi trường có chiết suất khác

nhau, khi được chiếu sáng sẽ xuất hiện phản xạ có tính chu kỳ gọi là phản xạ Bragg

Gọi khoảng chênh lệch giữa hai tia phản xạ liên tiếp là a

Góc hợp bởi tia tới và tia vuông góc với tia phản xạ là θ

Hiệu quang trình bằng số nguyên lần bước sóng Ta có:

a m n

Trong đó m là bậc nhiễu xạ

n là bước sóng trong môi trường truyền dẫn n

λ là bước sóng trong chân không, n là chiếu suất của môi trường

n

Công thức (2.2) gọi là điều kiện phản xạ Bragg

* Điều kiện bước sóng Bragg

Bước sóng Bragg phải thoả mãn hai định luật sau:

- Định luật bảo toàn năng lượng: tần số của sóng tới và sóng phản xạ phải bằng

nhau vì năng lượng hf ( h là hằng số Plank)

- Bảo toàn xung lượng: Vector sóng tới cách tử bằng vector sóng ra khỏi cách tử

Kết hợp với điều kiện phản xạ Bragg ta được

B 2 n eff

neff là chỉ số khúc xạ hiệu dụng của môi trường tại bước sóng B

B là bước sóng Bragg bị phản xạ

là chu kỳ cách tử (từ 223nm đến 535nm) Công thức (2.3) là điều kiện bước sóng Bragg

Gọi Pin là công suất của tín hiệu tới cách tử, Prefl là công suất tín hiệu khi qua cách tử

Ta có hệ số suy hao là:10log

Pin

( dB)Khi qua FBG thì chỉ một bước

Xét hai sóng truyền theo hai hướng ngược chiều nhau với hằng số truyền dẫn 0 và

1 Năng lượng được ghép từ sóng này sang sóng khác nếu chúng thoả mãn điều kiện cânbằng pha Bragg

0

2

1

Trong đó là chu kỳ của cách tử Xét một sóng ánh sáng với hằng số lan truyền

0 truyền từ trái qua phải Năng lượng từ sóng này được ghép vào sóng tán xạ chuyển dịch theo hướng ngược lại tại cùng bước sóng nếu thoả mãn điều kiện pha Bragg

Ta có 0

2 neff

, λ0 là bước sóng của sóng đến, neff là chỉ số khúc xạ hiệu

0dụng của sợi quang (vật làm cách tử Bragg), sóng được phản xạ với điều kiện là:

0 2neff

Bước sóng λ0 này được gọi là bước sóng Bragg Trong thực tế, hiệu suất phản xạgiảm khi bước sóng của sóng đến không ăn khớp với bước sóng Bragg Do đó nếu cómột vài bước sóng được truyền vào cách tử Bragg thì bước sóng Bragg được phản xạtrong khi các bước sóng khác được truyền qua mà không bị tổn hao hoặc tổn hao rất ít

Sự hoạt động của cách tử có thể được hiểu bằng cách tham khảo hình 2.3, hình vẽcho thấy sự thay đổi tuần hoàn chỉ số khúc xạ Sóng đến được phản xạ từ mỗi chu kỳcách tử Các sự phản xạ này được cộng pha khi chiều dài đường đi của sóng λ0 ở mỗichu kỳ bằng một nửa bước sóng đến λ0 Điều này tương đương với n eff 0 2

(điều kiện Bragg)

Λ

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg

* Độ ổn định của cách tử phụ thuộc vào một số yếu tố

- Loại và nồng độ của tạp chất pha tạp vào lõi

- Kiểu làm nhạy sáng

- Mật độ công suất tia sáng UV

- Phương pháp sử dụng để khắc cách tử

2.1.3 Phổ phản xạ và phổ truyền qua của FBG

Lõi sợi Tín hiệu vào

Hình 2.3.Dạng phổ của tín hiệu khi qua cách tử a) Phổ tín hiệu vào, b) Phổ tín hiệu

Khi cho tín hiệu dải rộng qua cách tử thì chỉ có bước sóng phù hợp với bước

sóng cách tử được phản xạ trở lại và các bước sóng còn lại cho qua Cường độ của tín

hiệu được phản xạ khi qua cách tử phụ thuộc vào chiều dài cách tử, độ chính xác của

cách tử

2.2 Laser bán dẫn

Laser bán dẫn là linh kiện phát quang lý tưởng cho thông tin quang do: công suất

phát quang cao, góc phân kỳ nhỏ do đó tăng hiệu suất ghép nối laser - sợi quang, ánh

sáng phát xạ kết hợp với độ rộng phổ khá hẹp Hiện nay laser bán dẫn đã có thể phát

chùm sáng với độ rộng phổ < 0,1nm tại -3dB và tần số điều biến trực tiếp có thể đạt hơn

25GHz Đa số hệ thống thông tin quang hiện nay sử dụng laser bán dẫn là nguồn phát

tín hiệu quang

2.2.1 Tăng ích quang

Laser InGaAsP phát bước sóng 1,3µm có hệ số tăng ích g<0 khi mật độ hạt tải

bơm N 1018 cm 3 Khi N tăng lên hệ số tăng ích g tăng dần lên giá trị dương Khi

N 1,5.1018 cm 3 , hệ số tăng ích g thay đổi tuyến tính với N Lưu ý rằng khi N tăng,

đỉnh phổ phát xạ cũng tăng dần về phía sóng ngắn Sự phụ thuộc tuyến tính của g vào

N có thể tính bằng công thức thực nghiệm [10]:

g Ng N NT

Trong đó NT là giá trị của mật độ hạt tải khi môi trường hoạt tính trở lên trongsuốt với bước sóng phát (hấp thụ và phát xạ bằng nhau) và σg là tiết diện tăng ích, haygọi là tăng ích vi phân Thông thường NT và σg của laser InGaAsP là 1, 0 ÷1,5.1018 cm

3 và2÷3.1016 cm2

Laser bán dẫn có σg lớn sẽ có thể phát xạ ở mật độ dòng bơm nhỏ Laser loại giếnglượng tử có σg lớn hơn so với loại thông thường, do đó laser giếng lượng tử có thể phát

xạ tại dòng bơm rất nhỏ (~1mA)

2.2.2 Hồi tiếp và ngưỡng phát laser

Hồi tiếp quang là điều kiện bắt buộc để laser hoạt động Trong laser bán dẫn hồi tiếpquang được thực hiện bởi 2 cạnh tinh thể tạo nên laser mà không cần gương ngoài Hệ

số phản xạ trên bề mặt tinh thể được tính bằng công thức Fresnel:

n 1 2

n – là chiết suất của vật liệu no=1 là chiết suất của không khí

Thông thường chiết suất của GaAs hoặc InP bằng 3,5 do đó Rm ≈ 30%

Dòng bơm

Vùng hoạt tính

Gương phản xạ

Môi trường khuếch đại

Gương phản xạ

Hình 2.4 Cấu trúc của laser bán dẫn và bộ cộng hưởng Faby-Perot của nó

Xét sóng phẳng với biên độ Eo tần số ω và số sóng k n

c Sau một quy trìnhphản xạ vòng kín, biên độ của chúng được tăng lên exp g

2 2L do tăng ích vàpha của nó thay đổi 2kL, Trong đó L là độ dài buồng cộng hưởng Trong khi đó biên độ

thay đổi R1 R2 exp int L do phản xạ trên 2 gương và do hấp thụ nội trong laser bán

dẫn (bao gồm hấp thụ hạt tải tự do, tán xạ và một vài cơ chế khác) R1 và R2

là hệ số phản xạ trên gương.

Ở trạng thái dừng, sóng phẳng hầu như không thay đổi sau 1 vòng phản xạ, nghĩa

là:

Biên độ và pha của hai phía như nhau, vậy ta nhận được:

g int

2L R1R2

trùng với một trong tập hợp tần số νm Các tần số này là các mốt dọc và xác định bằng

độ dài quang nL Khe tần số ΔνL giữa các mốt dọc là hằng số và L c trong

Thông thường ΔνL = 100÷200 GHz khi L = 200÷400µm

Laser Fabry-Perot (FP) thường phát đa mốt và BL ≈ 10(Gb/s)-km tại λ=1,55µm

Hình 2.5 Các mode dao động trong buồng cộng hưởng của laser

2.2.3 Cấu trúc của laser bán dẫn

Laser bán dẫn dị thể thường có vùng hoạt tính rất mỏng (cỡ 0,1µm) được kẹp giữahai lớp bọc là bán dẫn loại p và loại n với độ rộng vùng cấm lớn hơn vùng cấm của

chất hoạt tính Laser bán dẫn có độ dài từ vài chục đến vài trăm micro tuỳ thuộc vào

công suất phát của laser thiết kế

2.2.3.1 Laser bán dẫn khuếch đại do dẫn sóng (laser công tắc dải)

Dòng bơm đi vào vùng hoạt tính đi qua một dải công tắc kim loại ở trung tâm laser

Độ rộng của công tắc dải thay đổi trong khoảng 3-10µm Dòng bơm hạt tải trong vùng

hoạt tính sẽ tập trung tại trung tâm theo một dải dọc laser và tăng ích quang cũng sẽ tập

trung tại dải này Ở ngoài dải bơm dòng vùng hoạt tính có hệ số hấp thụ cao, do đó ánh

sáng sẽ truyền tập trung trong vùng dải bơm dòng Hiện tượng giam giữ ánh sáng do

tăng ích quang gọi là khuếch đại do dẫn sóng

Dòng bơm

Công tắc kim loại dạng dải

SiO 2 p-InP p-InGaAsP InGaAsP n-InGaAsP n-InP

Công tắ c Vùng phát xạ laser

Hình 2.6 Sơ đồ laser bán dẫn cấu trúc dị thể kép (DHL)

Chùm sáng laser trên gương có tiết diện Elíp vói kích thước thông thưòng 1 5 µm2

Khuyết điểm của laser này là: kích thước chùm sáng trên gương không ổn định khi công

suất phát tăng, vì vây laser loại này ít khi sử dụng trong hệ thống thông tin quang chất

lượng cao

2.2.3.2 Laser dẫn sóng chặn bằng chiết suất (Index-guided laser)

Laser công tắc dải về nguyên tắc chỉ giam giữ ánh sáng theo chiều dọc do chiết suất

của vùng hoạt tính lớn hơn vùng dị chất, còn chiều ngang không được chặn quang, do

đó nó gặp vấn đề về ổn định mốt phát khi công suất quang thay đổi Laser dẫn sóng

chặn bằng chiết suất đã khắc phục khuyết điểm trên bằng cách chặn quang theo chiềungang trong vùng hoạt tính bằng cách pha tạp các chất có chiết suất nhỏ hơn vào vùnghoạt tính Người ta có thể chế tạo vùng hoạt tính có tiết diện 0,1 1µm2 bằng cách chônnhiều tạp chất chung quanh dải này theo chiều ngang Trong một số trường hợp, người

ta gọi laser này là laser cấu trúc dị thể chôn Các thông số về quang của laser này rất tốt

và đa số các hệ thống thông tin hiện nay sử dụng loại laser này Do chiều dày của lớphoạt tính rất mỏng (0,1µm) và độ dài của các lớp bọc dị thể dẫn sóng cỡ micron-mét, do

đó độ phân kỳ của đa số chùm tia laser bán dẫn theo chiều dọc và ngang là khác nhau.Điều này dẫn đến hiệu ứng loạn sắc (astigmatism) của chùm tia và giảm hiệu suất ghépnối laser-sợi quang Thông thường góc phân kỳ α ~ 25°÷30° và α// ~ 8°÷18° cho các laser

Công tắc kim loại

Hình 2.7.Cấu trúc laser dị thể chôn (BH-laser diode)

2.2.3.3 Laser đơn mốt dọc

Các loại laser FP và BH có độ rộng phổ phát xạ khá lớn (2÷4nm) và thường phátvài mốt dọc Các thông số phổ này có thể chấp nhận được cho các hệ thống thông tinquang 1,3µm với tốc độ bít 2,5Gb/s Tuy nhiên laser đa mốt không thể sử dụng trongcác hệ thống thông tin quang 1,55µm do tán sắc sợi quang khá lớn tại bước sóng này,đặc biệt khi sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) để truyền tải nhiềubước sóng trong một sợi quang yêu cầu phải có laser phát đơn mốt dọc với độ rộng phổdưới nanômét Người ta gọi loại laser này là laser đơn mốt dọc (single-longitudinal-mode laser diode) Thiết kế laser đơn mốt dọc yêu cầu có bộ cộng hưởng với hệ số mấtmát khác nhau đối với các bước sóng khác nhau Hiện nay có 2 loại laser đơn mốt dọc:Laser phản hồi phân bố (Distributed Feedback Laser- DFB Laser)

và laser phản xạ Bragg phân bố (Distributed Bragg Reflector – DBR Laser) Hai lasertrên đều sử dụng cách tử Bragg phân bố trong cấu trúc của laser để chọn lựa mốt phản

xạ về vùng hoạt tính, tuy nhiên vị trí của cách tử Bragg trong laser có khác nhau

B

[5,10].Ta xét cách tử Bragg có chu kỳ cách tử là m (2.13)

Trong đó λB là bước sóng phản xạ trong cách tử phân bố này, n là chiết suất trung bìnhcủa mốt và m là số nguyên chỉ bậc khúc xạ của cách tử Bậc 1 của phản xạ Bragg lớnhơn so với các bậc cao nhiều, do đó ta chỉ quan tâm điều kiện m=1 Nếu ta cóλB=1,55nm, với n 3,3 và m=1 thì chu kỳ của cách tử Bragg =235nm sẽ rất thích hợp đểphản xạ đúng bước sóng phát xạ 1,55nm

Cách tử p-type

n-type

Hoạt tính

DFB - laser

Vùng bơm p-type

DBR

n-type

DBR Hoạt tính DBR-laser

Hình 2.8 Cấu trúc laser DFB (trái) và laser DBR (phải)

Chế tạo cách tử Bragg trong laser bằng phương pháp Holography sử dụng các laser có bước sóng vùng cực tím

Các loại laser DFB và DBR có độ rộng phổ phát xạ rất hẹp ( 0,1 nm) và hoạt động rất ổnđịnh, chúng hiện được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang đường trục với tốc độbít từ 2,5Gb/s trở lên và trong các hệ thống thông tin quang WDM Ổn định nhiệt độcho loại laser này thường sử dụng bộ làm lạnh Peltier có điều khiển

2.3 Xây dựng cấu hình cảm biến

Cách tử Bragg trong sợi quang (FBG) được chế tạo bằng cách hội tụ chùm tia UV (ánhsáng tử ngoại) bước sóng 248 nm công suất cao vào lõi của sợi quang silica SiO2 có phatạp GeO2 nồng độ cao Dưới tác dụng của tia cực tím mạch liên kết của GeO2 –