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

Danh mục các hình vẽ 1.1 Cảm biến dịch chuyển dựa trên khẩu độ số có thể được sử dụng để chỉ thị đóng cửa và đo mức dịch chuyển của máy móc 8 1.2 Một mẫu cảm biến đã được chế tạo và thử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THẾ ANH

NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN QUANG SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG

TRONG SỢI QUANG ỨNG DỤNG ĐO NHIỆT ĐỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

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

Lời cảm ơn

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

hoàn thành luận văn thạc sĩ này

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị thuộc tập thể Phòng Vật liệu và Ứng dụng

Quang sợi Viện Khoa học vật liệu– Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

đã giúp 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 học

Công nghệ, ĐHQG Hà Nội đã giảng dạy tận tình và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian

qua, và giúp đỡ tôi tích lũy những kiến thức vô cùng quý báu cho những nghiên cứu

khoa 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 trực tiếp của phó giáo sư, tiến sĩ Phạm Văn Hội Các số liệu, kết quả trong luận văn này là trung thực và do chính tôi thực hiện

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

Hà nội, Ngày tháng năm 2013

Tác giả luận văn

Nguyễn Thế Anh

Mục Lục

Lời cảm ơn 1

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

2.2.3.3 Laser đơn mốt dọc 32

2.3 Xây dựng cấu hình cảm biến 33

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

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

8

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

sức căng cơ khí của hệ thống

9

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

cong

11

1.5 Cảm biến quiang sợi sử dụng phương pháp phản xạ 12 1.6 Cảm biến quang sợi dựa trên hiện tượng sóng phù du 13 1.7 Một cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot 14 1.8 Ứng dụng đo gia tốc của cảm biến quang sợi sử dụng giao

thoa kế Fabry-Perot

15

1.9 Cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder 16 1.10 Cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnder 17 1.11 Một ứng dụng của cảm biến quang sợi dựa trên dịch phổ

của cách tử Bragg trong sợi quang

18

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

trong thiết kế cánh máy bay phản lực

19

2.3 Dạng phổ của tín hiệu khi qua cách tử a) Phổ tín hiệu

2.5 Các mode dao động trong buồng cộng hưởng của laser 27

2.6 Sơ đồ laser bán dẫn cấu trúc dị thể kép (DHL) 28

2.10 Sơ đồ dự kiến nguyên lý cảm biến quang sử dụng dụng

đầu thu là photodiode

33

3.5 Chùm UV tới vuông góc được nhiễu xạ thành hai bậc 1 37

3.7 Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG bằng hệ gương giao thoa 39 3.8 Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG dùng hệ giao thoa kế Talbot

(tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quang học)

3.14 Cách đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ 49

3.16 Phổ dải rộng ASE của sợi khi chưa khắc cách tử 50

3.18 Đo hệ số phản xạ của cách tử bằng mô hình truyền qua 51

3.19 Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ=1556.85nm 51 3.20 Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ=1557.198nm 52

Thứ tự Tên hình vẽ Trang

3.21 Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ=1557.3nm 52

4.1 Mạch điện tử điều khiển dòng cho pin peltier dùng để

điều khiển nhiệt độ đế laser

53

4.3 Sơ đồ quan sát phổ phát xạ của laser DFB phụ thuộc vào

4.7 Cách tử FBG được bọc hạt nano CdSe (trái); FBG được

bọc hat nano sau đó bọc ống teflon ra ngoài cùng (phải)

58

4.8 Sơ đồ khảo sát sự phụ thuộc bước sóng phản xạ của cách

tử Bragg vào sự thay đổi nhiệt độ

59

4.9 Sự dịch bước sóng phản xạ của cách tử gây ra bởi sự thay

đổi nhiệt độ trong khoảng 10 -100oC

59

4.10 Sự phụ thuộc bước sóng phản xạ của FBG vào nhiệt độ

môi trường

60

4.11 Sơ đồ cấu hình cảm biến đo nhiệt độ sử dụng cách tử

Bragg trong sợi quang

61

4.12 Thiết bị biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện 61 4.13 Sơ đồ mạch in của bộ thu và xử lý tín hiệu quang 62 4.14 Dao động ký điện tử dùng đo tín hiệu điện trên

photodiode trong hệ cảm biến

62

Danh mục bảng biểu

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

đổi nhiệt độ của FBG và laser diode

64

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 những thập 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 quan tâm

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

- 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 thu hút sự chú ý ngay từ khi nó được phát minh FBG không chỉ được biết đến trong các lĩnh vực quang tử, truyền thông mà nó còn được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu cảm biến Cảm biến sử dụng FBG có khả năng đo được các thông số như sức 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 dãy nhiều 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 các yêu tố như nhiệt độ, áp suất hay sức căng.Ví dụ như đáp ứng nhiệt của cảm biến dựa trên FBG bị ảnh hưởng bởi cả hai yếu tố: sự giãn nở nhiệt của vật liệu và sự thay đổi chiết suất do nhiệt độ Sự thay đổi bước sóng phản xạ của FBG thường được phát hiện bằng cách đo bước sóng thông qua máy phân tích phổ quang Điều đó là một bất lợi của cảm 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 dịch bước sóng phản xạ của FBG thông qua điều chỉnh bước sóng phát xạ của laser đơn mode 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 laser trùng với bước sóng phản xạ của cách tử Hệ số giãn nở nhiệt theo nhiệt độ của cách tử chế tạo trên sợi thủy tinh là rất nhỏ 11pm/ oC [5,3] Do vậy các nghiên cứu thường bọc cách tử FBG bằng các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn để tăng độ đáp ứng nhiệt của cách tử Khi nhiệt độ tăng lên vật liệu bọc sẽ bị giãn nở tạo ứng suất lực lên cách tử FBG Tuy nhiên nếu vật liệu bọc phủ không đều trên bề mặt cách tử dẫn tới ứng suất lực gây lên cách tử không đồng nhất gây hiện tượng giãn phổ phản xạ của cách tử hoặc gây hỏng 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 bề mặt của cách tử đồng nhất do vậy sẽ tránh hiện tượng giãn phổ hoặc gây hỏng cách tử đồng 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

đế laser thay đổi trong khoảng 10 -50 0C và tỷ lệ /T của DFB laser là 77,5 pm K-1 Các kết quả ban đầu chúng tôi thu được rất khả quan và đã được đăng trên tạp chí khoa học chyên ngành như: Tạp chí Communication in Physics, tạp chí Khoa học và Công nghệ năm 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 cảm biến cường độ (biên độ), cảm biến pha, cảm biến tần số hay cảm biến phân cực Bởi vì việc phát hiện pha hay tần số trong quang học dựa trên kỹ thuật giao thoa nên chúng ta cũng gọi các cảm biến 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 đo nồng độ pH, phân tích khí, nghiên cứu quang phổ hấp thụ và phát

xạ của vật liệu,…), cảm biến y sinh (đưa vào qua ống thông hay nội soi để đo lưu lượng máu, nồng độ glucose,…) Các cảm biến quang sợi theo cường độ hay cảm biến giao thoa đều có thể được dùng trong các ứng dụng này

- Cảm biến quang sợi ngoại sinh và cảm biến quang sợi nội sinh là một cách phân loại khác Ở cảm biến quang sợi ngoại sinh, quá trình cảm biến diễn ra bên ngoài sợi quang và sợi quang làm việc như một ống dẫn truyền ánh sáng đến vùng cảm biến một cách hiệu quả và theo 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 đổi khi

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 trong môi 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 sợi quang tương tự như hầu hết các cảm biến điện Cảm biến tập trung cho phép đo tại nhiều điểm trong môi trường

do một hệ thống sợi quang đảm nhận và cảm biến phân tán có thể cảm nhận môi 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 xem xét 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 biến các thay đổi của môi trường thành dạng điều chế của chùm sáng truyền qua Điều chế này 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 thể được 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 bằng hàng chục phương pháp sử dụng các loại cảm biến quang sợi khác nhau Điều quan trọng 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 để mang ánh sáng (có mang thông tin ban đầu) vào trong một hộp đen có chứa môi trường cần 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 cantilever hoặc 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 thay đổi cường độ ánh sáng thuộc loại cảm biến ngoại sinh dựa trên điều chế cường

độ Hình 1.1 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 mức dịch chuyển của máy móc

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

căng cơ khí của hệ thống

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 là một mẫu cảm biến dịch chuyển sử dụng trong một hệ thống để giám sát sức căng hay độ dịch chuyển của một hệ cơ khí Khi có một sự dịch chuyển hay một lực căng cơ học xảy ra sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa hai lõi sợi quang do vậy thay đổi 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

Hình 1.3: Cảm biến vi uốn cong đơn giản

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 chế này xảy ra liên quan tới mất mát do các đầu nối và bộ chia, mất mát do micro hay macro bending, sai lệch cơ khí và sự lệch của nguồn sáng và đầu thu Để giải quyết các vấn đề này nhiều cảm biến quang sợi dựa vào cường độ với độ phân giải cao đã triển khai thành công hai bước sóng Một bước sóng được sử dụng để hiệu chỉnh tất cả các lỗi do sự thay đổi 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 sáng truyền qua một sợi quang do vậy cảm biến quang sợi dựa vào cường độ có thể bị ảnh hưởng 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 độ sáng lối ra tỉ lệ thuận với lượng vi uốn cong Vì vậy, bằng việc phát hiện ra

sự thay đổi cường độ ánh sáng lối ra của cảm biến quang sợi, lượng vi uốn cong có thể

đo được

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

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

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

Một hệ sợi quang được đặt dọc vật sẽ thay đổi cường độ sáng đi qua nó khác nhau 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 sử dụng kết hợp với kỹ thuật phản xạ miền thời gian quang, chúng có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng rộng hơn Nhược điểm của nguyên lý sử dụng sợi quang cảm biến micro 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 phương pháp 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 gần sợi quang thì hầu hết ánh sáng có thể được phản xạ ngược trở lại sợi và cường độ ánh sáng càng tăng lên Tuy nhiên khi gương phản xạ chuyển động ra xa so với lối ra cuối sợi 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

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

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

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 quang đơn mode, nó không hoàn toàn bị giới hạn trong lõi sợi mà mở rộng ra vùng bọc thủy tinh 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

sử dụng rộng rãi nhất: đó là bộ ghép/ tách quang Cường độ ghép giữa hai sợi quang là một hàm của khoảng cách giữa hai lõi sợi Khoảng cách càng gần thì khả năng ghép càng mạnh 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 thứ hai được đặt rất gần để một phần sóng phù du của sợi thứ nhất sẽ truyền trong sợi thứ hai Do vậy, hiện tượng ghép sóng phù du xảy ra Hệ số ghép trực tiếp tỉ

lệ với khoảng cách hai sợi quang Khi một tác động của môi trường như sự thay đổi

áp suất, sóng âm hay 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 sự theo dõi sự thay đổi cường độ của sợi quang thứ hai, chúng ta

có thể nhận biết được sự thay đổi của môi trường

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 khi đặt 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

là khác 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 dưới tác động bên ngoài như áp lực hay sức căng, sợi quang sẽ làm việc như một bộ trễ tuyến tính 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 cảm biến nhạy với thông số môi trường cần đo và không nhạy với các thông số môi trường khác

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

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 ngoài bởi vậy cảm biến quang sợi cũng có thể được xây dựng dựa trên sự thay đổi pha của trường ánh sáng Mối quan hệ giữa sự thay đổi pha và sự khác biệt quang trình có thể được biểu diễn bằng biểu thức sau:

Hình 1.6 Cảm biến quang sợi dựa trên hiện tượng sóng phù du

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 sợi quang 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 biến quang sợi dựa vào cường độ Chú ý rằng, bộ thu quang không thể phát hiện trực tiếp

sự thay đổi pha quang nên sự thay đổi pha quang phải được biến đổi thành sự thay đổi

về cường 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 biến loại này Do vậy, cũng có nhiều tài liệu gọi loại cảm biến này là cảm biến giao thoa quang 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 ra một 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 trễ pha 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 gần vùng 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

Cảm biến này cũng đã được so sánh với một cảm biến truyền thống và ta thấy

sự tương ứng của kết quả với độ nhạy thu lớn hơn của cảm biến truyền thống Phổ tần của hai cảm biến thu được là giống nhau, dạng tín hiệu thu được cũng giống nhau, chỉ khác nhau về độ nhạy vì chỉ một sự thay đổi rất nhỏ của pha cũng có thể gây ra một sự thay đổi 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, dao động 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 năng ghép 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

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

Fabry-Perot

quang sợi trong vài năm trở lại đây sẽ cung cấp cho khách hàng các thiết bị giao thoa quan trọng để tiếp tục giảm giá thành và cho phép xây dựng các hệ thống với chi phí hiệu 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 hai chùm sáng Ánh sáng truyền từ nguồn laser được chia thành hai nhánh cảm biến và tham chiếu Sau khi đi hết chiều dài sợi, ánh sáng sẽ bị phản xạ lại theo đúng nhánh đó bằng các gương phản xạ Ánh sáng sau đó được kết hợp lại bằng bộ ghép/tách quang

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 Zehnder được sử dụng khá rộng rãi Cảm biến bao gồm hai nhánh: nhánh cảm biến và nhánh tham chiếu Ánh sáng từ nguồn sáng kết hợp chẳng hạn như từ một laser bán dẫn phản hồi phân tán DFB được đưa vào sợi quang đơn mode Ánh sáng sau khi được chia ra thành hai chùm nhờ bộ chia quang với tỉ số cường độ 50/50 Một phần ánh sáng sẽ truyền qua nhánh cảm biến và phần còn lại truyền qua nhánh tham chiếu Sau khi qua nhánh cảm biến và tham chiếu, lối ra từ hai nhánh lại được kết hợp lại bằng một bộ cộng Ở đây, tín hiệu giao thoa giữa hai chùm sáng được tạo ra và được thu lại nhờ một photodiode

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

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

có chu kỳ bằng tín hiệu sin, điều này dẫn đến sự thay đổi có chu kỳ của chiều dài sợi trên nhánh tham chiếu

Chú ý rằng cảm biến quang sợi giao thoa thường được xây dựng sử dụng sợi quang đơn mode điển hình Bởi vì sợi quang đơn mode điển hình có thể hỗ trợ chế độ hai phân cực trực giao và những hiện tượng như bending xảy ra, sợi quang trở thành lưỡng 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 lưỡng chiết

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

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 khác nhau, cấu hình Michelson chỉ yêu cầu một bộ hợp/chia quang Bởi vì ánh sáng truyền qua cả hai nhánh cảm biến và tham chiếu hai lần nên dịch pha trên mỗi đơn vị chiều dài được 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 dễ dàng để đóng gói hơn mặc dù điều này vẫn phụ thuộc từng ứng dụng Ưu điểm rõ ràng khác của cấu hình Michelson là cảm biến có thể được chế tạo với chỉ một sợi quang từ module nguồn/bộ thu tới cảm biến Tuy nhiên, gương phản xạ chất lượng cao được yêu cầu 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

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

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 sóng khi có tác động của môi trường Những ví dụ của cảm biến quang sợi loại này bao gồm các loại cảm biến dựa trên bức xạ của vật đen, hấp thụ, huỳnh quang, mẫu chuẩn và cách tử phân tán

Một trong những loại cảm biến đơn giản nhất loại này là cảm biến vật đen Một hốc vật đen được đặt tại điểm cuối của sợi quang Khi hốc tăng nhiệt độ, nó bắt đầu phát sáng 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 đo nhiệt độ trong các môi trường độc hại Độ nhạy và độ chính xác của cảm biến này cao hơn tại nhiệt độ cao và bị giới hạn ở nhiệt độ khoảng 200 bởi vì tỉ số tín hiệu trên tạp nhiễu thấp Việc bảo dưỡng phải được thực hiện để đảm bảo rằng điểm nóng nhất là hốc đen và không nằm trên chính sợi dẫn quang đó bởi vì điều đó có thể làm hỏng tính toàn vẹn 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 quang sợi 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 được đưa 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 cánh máy bay phản lực sử dụng để nghiên cứu và thiểt kế cánh máy bay và tự động hóa điều khiển Dữ liệu từ hệ cảm biến sẽ được số hóa và mô phỏng trong không gian

3 chiều nhờ phần mềm Matlab Các kỹ sư có thể dựa vào các mô phỏng này để tính toán và điều chỉnh thiểt kế Hình 1.8 trình bày thiết kế sơ bộ cảm biến đo biến dạng cánh máy bay sử dụng FBG

Hai ví dụ về cảm biến sử dụng cách tử Bragg nêu trên vẫn phải sử dụng máy phân 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 điều chỉnh bước sóng phát xạ của laser phát xạ đơn mốt dịch theo sự thay đổi của bước sóng phản xạ của cách tử bằng cách sử dụng pin peltier Bằng cách đó chúng tôi sử

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

cánh máy bay phản lực

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 chúng tôi không phải sử dụng máy phân tích phổ quang mà vẫn đo được sự thay đổi bước sóng phản 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 tiết trong 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 trong lĩnh vực thông tin quang Hiện nay FBG đang được nghiên cứu rất nhiều do những ưu điểm và các ứng dụng của chúng như: bộ lọc, bộ tách/ghép quang, bù tán sắc tích luỹ trong 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 suất của lõi sợi thay đổi một cách tuần hoàn dọc theo chiều dài của sợi Chu kỳ của sự thay đổi 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:

  là bước sóng trong môi trường truyền dẫn

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

Ta thấy: sin  a  1 sin m  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

Kết hợp với điều kiện phản xạ Bragg ta được

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: 10log10 in ( )

refl

P dB p

  Khi qua FBG thì chỉ một bước

sóng bị phản xạ còn các bước sóng khác truyền qua do đó phổ tín hiệu truyền qua FB tại bước sóng Bragg bị giảm

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

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 cân bằng pha Bragg



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

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

0 2n eff

Bước sóng λ0 này được gọi là bước sóng Bragg Trong thực tế, hiệu suất phản xạ giảm khi bước sóng của sóng đến không ăn khớp với bước sóng Bragg Do đó nếu có một vài bước sóng được truyền vào cách tử Bragg thì bước sóng Bragg được phản xạ trong 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

vẽ cho thấy sự thay đổi tuần hoàn chỉ số khúc xạ Sóng đến được phản xạ từ mỗi chu

kỳ cách tử Các sự phản xạ này được cộng pha khi chiều dài đường đi của sóng λ0 ở mỗi chu kỳ bằng một nửa bước sóng đến λ0 Điều này tương đương với n eff 0 2

(điều kiện 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

2.1.3 Phổ phản xạ và phổ truyền qua của FBG

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

Điều kiện đảo mật độ trong laser bán dẫn được thực hiện bằng cách pha tạp suy biến nặng các lớp p và n kẹp giữa lớp hoạt tính sao cho mức fermi nằm trong các vùng hoá trị và vùng dẫn

λB

λB

Tín hiệu được truyền qua

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

1, 0÷1,5.10 cm18 3

và 2÷3.1016cm2

Laser bán dẫn có σg lớn sẽ có thể phát xạ ở mật độ dòng bơm nhỏ Laser loại giếng lượng 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 tiếp quang 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:

2

1 1

m

n R

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%

pha của nó thay đổi 2kL, Trong đó L là độ dài buồng cộng hưởng Trong khi đó biên

độ thay đổi R R1 2 exp   intL  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

Gương phản xạ

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

2 kL  2 m  suy ra

2

m

mc nL

trong đó :

2 n k

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

2

L

c nL

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

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 giữa hai lớp bọc là bán dẫn loại p và loại n với độ rộng vùng cấm lớn hơn vùng cấm của

Tăng ích

Mode phát quang

Mode phát laser

Profil phát xạ Các mode dọc

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

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

Dòng bơm Công tắc kim loại dạng dải

SiO 2

p-InP

Công tắc Vùng phát xạ laser

p-InGaAsP InGaAsP n-InGaAsP n-InP

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

chặn bằng chiết suất đã khắc phục khuyết điểm trên bằng cách chặn quang theo chiều ngang trong vùng hoạt tính bằng cách pha tạp các chất có chiết suất nhỏ hơn vào vùng hoạt tính Người ta có thể chế tạo vùng hoạt tính có tiết diện 0,1 1 µm2 bằng cách chôn nhiều 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 lớp hoạt 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 ghép nối laser-sợi quang Thông thường góc phân kỳ α~ 25°÷30° và

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