Tài liệu Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang sợi sử dụng cách tử bragg

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Mạnh Tưởng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG SỢI SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành:Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Mạnh Tưởng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG SỢI SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành:Vật lý kỹ thuật Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hội Cán bộ đồng hướng dẫn: TS Bùi Huy HÀ NỘI - 2011 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Phạm Văn Hội và TS Bùi Huy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong quá trình em thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn các anh chị đang công tác tại Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện tốt nhất giúp em thực hiện các thực nghiệm trong quá trình làm khóa luận này. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô đã giảng dạy trong những năm học tập, và tập thể lớp K52V đã động viên, giúp đỡ trong thời gian qua. Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đối với gia đình,người thân,bạn bè-những người luôn động viên và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để em yên tâm học tập. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 06 năm 2011 Sinh viên thực hiện Nguyễn Mạnh Tưởng TÓM TẮT NỘI DUNG Cách tử Bragg trong sợi quang là linh kiện quang tử được làm bằng sợi nhạy quang, trong đó phần lõi sợi quang có chiết suất thay đổi theo một chu kỳ nhất định dọc theo chiều dài của sợi quang, sự thay đổi chiết suất này thỏa mãn điều kiện Bragg: λBragg = 2neff.ΛBragg Cách tử Bragg có nhiều ứng dụng trong mạng thông tin quang và trong nghiên cứu cảm biến quang sợi như là ứng dụng chế tạo các bộ tách bước sóng quang, bù tán sắc trên tuyến thông tin quang, làm phẳng phổ khuếch đại quang cho thiết bị EDFA và đặc biệt có khả năng ứng dụng trong các laser sợi với độ đơn sắc cao sử dụng trong mạng viễn thông quang và nghiên cứu chế tạo cảm biến nhiệt độ, áp suất,gia tốc… Trong khuôn khổ khóa luận của mình,chúng tôi đã tìm hiểu một số cấu hình của một số cảm biến sử dụng cách tử Bragg trong sợi như:cảm biến đo gia tốc,cảm biến đo dư chấn… và xây dựng một cảm biến đo độ dịch chuyển .Với các kết quả thu được có thể giúp chúng ta sử dụng FBG làm các sensor ứng dụng trong thực tế khi chúng ta tích hợp, tinh giản các thiết bị quang trong hệ thống. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trong bản đồ án tốt nghiệp này là kết quả trong công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Huy và PGS.TS Phạm Văn Hội.Tất cả các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố tại các tài liệu hay ấn phẩm nào khác .Các tài liệu tham khảo khác đều có chỉ dẫn rõ ràng về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phần phụ lục cuối khoá luận. Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2011 Nguyễn Mạnh Tưởng MỤC LỤC MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1................................................................................................................... 3 NGHIÊN CỨU CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI.......................................................3 1.1. Tổng quan về cách tử Bragg trong sợi (FBG).....................................................3 1.1.1. Giới thiệu....................................................................................................3 1.1.2. Nguyên lý hoạt động...................................................................................4 1.2. Các phương pháp chế tạo FBG...........................................................................6 1.2.1. Phương pháp chế tạo FBG sử dụng bộ chia chùm tia.................................8 1.2.2. Phương pháp chế tạo FBG qua mặt nạ pha( Phase Mask)...........................9 1.2.3. Phương pháp chế tạo FBG bằng hệ giao thoa kế.......................................12 1.3. Ứng dụng của FBG...........................................................................................13 1.3.1. Các ưu điểm chính của FBG......................................................................13 1.3.2. Ứng dụng của FBG trong bộ tách ghép kênh OADM...............................14 1.3.3. FBG dùng để bù tán sắc............................................................................20 1.3.4. Ứng dụng trong cảm biến..........................................................................22 CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN QUANG SỢI SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG.................23 2.1. FBG làm cảm biến nhiệt độ..............................................................................23 2.2. FBG làm cảm biến sức căng.............................................................................24 2.3. Cảm biến gia tốc dựa trên FBG cho công trình kiến trúc xây dựng dân dụng. .24 2.3.1 .Giới thiệu..................................................................................................24 2.3.2. Thiết kế của sensor gia tốc FBG................................................................25 2.4. Sử dụng FBG trong cảm biến đo môi trường lỏng............................................29 2.5. Cảm biến FBG đo địa chấn...............................................................................30 2.5.1. Cấu trúc cơ khí của các đầu cảm biến.......................................................30 2.5.2. Tần số đáp ứng của cảm biến FBG gia tốc................................................33 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THU ĐƯỢC.....................................36 3.1. Khảo sát FBG sensor đo độ dịch chuyển.........................................................36 3.2. Kết quả và nhận xét..........................................................................................39 KẾT LUẬN.................................................................................................................42 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................43 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ADM CFBG Chirped Fiber Bragg Grating Add/Drop Multiplexing Bộ tách ghép kênh Cách tử Bragg sợi quang chu kỳ biến đổi DWDM Dense Wavelength Division Multiplex Ghép kênh mật độ cao phân chia theo bước sóng EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang LCFBG Linear Chirped Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kỳ biến đổi tuyến tính MUX Multiplexing Bộ ghép kênh OADM Optical Add/Drop Multiplexing Bộ ghép tách kênh quang chu kỳ đều OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi UVUniform Chirped Fiber Bragg Grating Ultra Violet Tia cực tím Wavelength Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo bước sóng Cách tử Bragg sợi quang UFBG WDM MỞ ĐẦU Mô hình cách tử Bragg quang được đưa ra và chứng minh các tính chất của nó lần đầu tiên vào năm 1978 bởi Hilletal. Đến năm 1989, nó được mô tả một cách rõ ràng hơn bởi Meltzetal, cách tử Bragg quang được tạo ra bằng cách sử dụng phép chiếu giao thoa hai luồng tia cực tím UV-exposure. Với sự phát triển của mình, FBG có liên quan trực tiếp và chặt chẽ với sự phát triển của sợi quang, nó có khả năng sử dụng trong việc xây dựng các bộ lọc dùng để tách ghép kênh trong hệ thống truyền tải dữ liệu đa kênh. Nổi bật nhất trong những ứng dụng này là FBG được dùng cho hệ thống DWDM. FBG là cơ sở cho các thiết bị lựa chọn thụ động cho các bước sóng đơn, ghép bước sóng và chọn bước sóng băng hẹp. Nó làm việc tốt trong điều kiện các yếu tố về nhiệt độ và sức căng được đảm bảo bởi vì các điều kiện này có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của FBG. Sự phát triển nhanh chóng của FBG về các ứng dụng trong mạng viễn thông quang và các hệ thống cảm biến đã thúc đẩy là nâng cao tốc độ đột phá trong nghiên cứu, những kết quả này đã làm cải thiện và phát triển chất lượng cũng như các tính năng của các thiết bị quang. Trong tương lai, các tính năng của các thiết bị này có thể vượt qua các giới hạn hiện tại bằng việc sử dụng kĩ thuật photonic. Tính năng nhạy cảm với môi trường là một điểm không tốt của FBG, tuy nhiên hiện nay nó lại được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống cảm biến. Một trong các ứng dụng là cầu chì sillica, nó liên quan đến tính chất không bị ảnh hưởng bởi điện từ trường của FBG. FBG đang trở nên rất phổ biến với tư cách là một thiết bị quang đơn giản, linh hoạt và có vô số các ứng dụng trong các thiết bị và hệ thống quang. Nhờ khả năng cảm biến tốt đối với sự thay đổi của môi trường nên ta dựa vào FBG có thể xác định được các thông số vật lý cơ bản của môi trường như áp suất, nhiệt độ,sức căng… Hiện tại, các FBG có rất nhiều ứng dụng trong các hệ thống cảm biến như: - Cảm biến nhiệt độ . - Cảm biến sức căng . 1 - Cảm biến áp suất. - Cảm biến gia tốc. - Cảm biến độ dịch chuyển….. Nhờ các tính chất mà FBG có thể mang lại nên chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang sợi sử dụng cách tử Bragg” làm nội dung nghiên cứu trong khóa luận của mình. Mục đích của khóa luận: Nghiên cứu,chế tạo cảm biến quang sợi sử dụng cách tử FBG và khảo sát chúng khi thay đổi các điều kiện bên ngoài.Chúng tôi hy vọng rằng các kết quả thu được ban đầu có thể là cơ sở để chúng ta có thể hoàn thiện chúng và ứng dụng trong thực tế. Nội dung khóa luận gồm có 3 chương:  Chương 1. Nghiên cứu cách tử Bragg trong sợi.  Chương 2. Cảm biến quang sợi sử dụng cách tử Bragg.  Chương 3. Thực nghiệm và kết quả. 2 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI 1.1. Tổng quan về cách tử Bragg trong sợi (FBG) 1.1.1. Giới thiệu Hình 1.1: Cấu tạo và chiết suất của FBG Cách tử Bragg quang thực chất là sự xáo trộn cấu trúc chỉ số chiết suất theo dạng chu kì dọc theo hướng truyền sóng của sợi quang và được mô tả trong hình trên. Chỉ số chiết suất của FBG được tính theo phương trình sau : n( x, y, z )  n( x, y, z )δ (n, x , y) zcos( 3 2π )z Λ (1. 1) Trong đó n( x, y, z ) là chỉ số chiết suất trung bình của lõi sợi quang và δn( x, y, z ) là chỉ số điều chế và Λ là chu kì của FBG. Một lượng nhỏ ánh sáng được phản xạ tại mỗi điểm nơi chỉ số chiết suất của FBG thay đổi. Sự phản xạ hoàn toàn trong FBG xảy ra tại các bước sóng riêng khi ở đó xuất hiện mode ghép mạnh nhất. Đây gọi là điều kiện Bragg được mô tả trong phương trình (1. 2), bước sóng mà tại đó có sự phản xạ hoàn toàn được gọi là bước sóng Bragg λB. Chỉ có những bước sóng thoả mãn điều kiện Bragg là chịu ảnh hưởng của cách tử và phản xạ một cách mạnh mẽ. FBG trong suốt đối với các bước sóng nằm ngoài vùng bước sóng Bragg. Bước sóng Bragg được tính như sau: λB = 2 neffΛ (1. 2) Trong đó neff là chỉ số khúc xạ ảnh hưởng và Λ là chu kì của FBG. Đây chính là điều kiện xảy ra phản xạ Bragg. Từ phương trình (1. 2) chúng ta có thể thấy rằng bước sóng Bragg hoàn toàn phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ và chu kì của cách tử. Các cách tử dài với chỉ số khúc xạ thay đổi không đáng kể có đỉnh phản xạ rất nhọn và băng tần phản xạ rất nhỏ. Hệ số suy hao: 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 Pin (dB ) prefl 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. 1.1.2. 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: 4  0  1  2 (1.3)  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.  0  (  0 )  2 0  Ta có  0  2 neff 0 2 (1.4)  , 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  2neff  (1.5) 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 1.2, 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 λ 0 ở mỗi chu kỳ bằng một nửa bước sóng đến λ 0. Điều này tương đương với neff   0 2 (điều kiện Bragg). Λ Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg 1.1.3. Phổ phản xạ và phổ truyền qua của FBG 5 Hình 1.3: Dạng phổ của tín hiệu khi qua cách tử. a) Phổ tín hiệu vào, b) Phổ tín hiệu được truyền qua, c) Phổ tín hiệu bị phản xạ 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. 1.2. Các phương pháp chế tạo FBG Để chế tạo FBG ta dựa theo nguyên lý: chiếu chùm tử ngoại có năng lượng đủ lớn để làm thay đổi cấu trúc và chiết suất của lõi sợi dọc theo chiều dài của sợi. Sự thay đổi chiết suất trong lõi sợi quang theo quy luật tuần hoàn là do có sự giao thoa của hai chùm tia UV. Xét trường hợp chiếu chùm UV có bước sóng 248nm vào sợi quang có lõi là SiO2 pha tạp GeO2 là vật liệu nhạy quang (14% đến 20%) nếu pha tạp thấp sẽ không tạo được FBG. 6 Hình 1.4: cấu trúc GeO2 trong lõi sợi quang Khi chiếu chùm UV vào sợi tại một vị trí nào đó cấu trúc của GeO 2 bị bẻ gãy, khi đó nguyên tử Oxi sẽ không còn ở vị trí cũ nữa mà lệch đi so với hướng ban đầu. Tại vị trí đó chiết suất của sợi thay đổi do đó có thể tạo được chiết suất khác nhau ở từng đoạn trong lõi sợi, nơi có cường độ UV lớn thì chiết suất tăng, nơi có cường độ UV thấp thì giữ nguyên chiết suất nên tạo được cấu trúc của FBG. Khi áng sáng tới bề mặt có sự thay đổi chiết suất sẽ bị phản xạ trở lại, khi thoả mãn điều kiện Bragg thì sẽ thu được bước sóng phản xạ Bragg. Hình 1.5 mô tả nguyên lý chế tạo FBG dựa vào hiện tượng giao thoa của hai chùm tia UV. Hình 1.5: Sự giao thoa của hai chùm tia UV để tạo FBG 7 Chú ý: khi sử dụng chất khác pha tạp vào lõi thì cần phải sử dụng bước sóng khác 248nm để bẻ gãy mạch liên kết của chất pha tạp trong cấu trúc. Có rất nhiều phương pháp chế tạo cách tử. Sau đây chúng ta tìm hiểu một số phương pháp để chế tạo FBG. 1.2.1. Phương pháp chế tạo FBG sử dụng bộ chia chùm tia Phương pháp được mô tả như trong hình 1.6. Chùm UV được chia làm 2 tại bộ chia chùm tia (beam splitter) và sau đó được hội tụ tại góc θ nhờ sự phản xạ từ hai gương UV. Phương pháp này cho phép bước sóng Bragg được chọn phụ thuộc vào bước sóng UV theo công thức sau: B  neff uv � � nuv sin � � �2 � (1.6) λB bước sóng phản xạ Bragg, n eff là chỉ số mode hiệu dụng trong sợi, n uv là chỉ số chiết suất của sợi trong UV, λuv là bước sóng của bức xạ UV. Từ công thức trên ta thấy λB phụ thuộc vào bước sóng của chùm tia UV và góc hợp bởi hai chùm tia tới gây giao thoa tại sợi vì vậy khi thay đổi λ uv và θ thì λB cũng thay đổi tức là chu kỳ cách tử thay đổi. Sợi được giữ ở đoạn giao thoa của hai chùm tia. Đây là phương pháp được sử dụng thành công đầu tiên để chế tạo cách tử tại bước sóng nhìn thấy. 8 Hình 1.6: Chế tạo FBG dùng Beam splitter. Ở đây chùm laser phải đủ lớn để khi tách ra thành hai phần thì tính chất của chùm tia không thay đổi. Trong công nghiệp cách này rất khó để sản xuất hàng loạt. 1.2.2. Phương pháp chế tạo FBG qua mặt nạ pha( Phase Mask) Phương pháp này lợi dụng một phần tử quang nhiễu xạ để điều chỉnh chùm tử ngoại khắc. * Nguyên lý nhiễu xạ qua mặt nạ pha(Phase Mask) : khi chiếu chùm tia UV qua Phase Mask, chùm tia này sẽ được nhiễu xạ thành một vài bậc m = 0, �1,…Điều này được cho thấy trong hình 1.7. Các bậc đến và bậc nhiễu xạ thoả mãn phương trình nhiễu xạ chung, với Λpm là chu kỳ của Phase Mask:  pm  muv � m � sin  sin  i � � � 2 � (1.7) θm/2 là góc của bậc được nhiễu xạ, λ uv là bước sóng UV và θi là góc của chùm UV tới.Trong các trường hợp khi chu kỳ của cách tử nằm giữa λ uv và λuv/2 thì sóng đến chỉ được nhiễu xạ thành một bậc (m = -1) với phần công suất còn lại giữ nguyên trong sóng được truyền qua m = 0. 9 Hình 1.7: Nhiễu xạ của chùm tia tới Phase Mask. * Nguyên lý chế tạo Để việc khắc cách tử dễ dàng và có hiệu quả hơn người ta sử dụng Phase Mask với các tia UV tới vuông góc với Phase Mask và mặt cắt của cách tử tuần hoàn trong Phase Mask phải được chọn sao cho khi chùm tia UV đến trên Phase Mask, chùm tia nhiễu xạ bậc không có công suất nhỏ hơn 5% công suất truyền, bậc 1 và -1 có công suất lớn nhất (lớn hơn 37 % công suất truyền). Hình 1.8: Chùm UV tới vuông góc được nhiễu xạ thành hai bậc � 1 Khi bức xạ UV tới vuông góc với Phase Mask (θ i = 0) thì bức xạ này được nhiễu xạ thành các bậc m = 0 và m = � 1 như thấy trong hình 1.8. Đặt sợi ngay sau Phase Mask (như thấy trong hình 1.9), mẫu giao thoa tại sợi của hai chùm nhiễu xạ bậc � 1 được hội tụ có chu kỳ Λg liên quan tới góc nhiễu xạ θm/2 theo phương trình: 10 g   uv  pm 2sin   m 2  2 (1.8)  g là chu kỳ của các vân giao thoa. Chu kỳ của cách tử được khắc trong Phase Mask được xác định bởi bước sóng Bragg được yêu cầu B đối với cách tử trong sợi và sử dụng phương trình (1.8) ta được: g  N Bragg 2neff   pm 2 (1.9) Trong đó N �1 là số nguyên chỉ ra bậc của chu kỳ cách tử. Để làm tối thiểu bậc không từ chùm tia UV đến vuông góc trên Phase Mask thì chiều sâu được khắc nhỏ nhất d của cách tử của Phase Mask. d  nuv  1  uv 2 (1.10) nuv là chỉ số của vật liệu Phase Mask tại bước sóng uv . Hình 1.9: Chế tạo cách tử FBG dùng Phase Mask Ưu điểm: - Tạo ra bước sóng phản xạ chính xác, đơn giản. Nhược điểm: 11 - Mỗi loại Phase Mask chỉ chế tạo được một loại FBG (chu kỳ không đổi = chu kỳ Phase Mask /2) mà Phase Mask khá đắt. - Hệ số phản xạ thấp dưới 80% do sợi khó đặt vào vị trí giao thoa của hai chùm tia và do sợi đặt gần Phase Mask chịu ảnh hưởng của rung động cơ học. 1.2.3. Phương pháp chế tạo FBG bằng hệ giao thoa kế Sơ đồ nguyên lý được mô tả trong hình 1.10. Chiếu chùm UV vuông góc với Phase Mask, sau khi qua Phase Mask chùm tia bị tán xạ thành nhiều chùm ứng với các bậc 0, �1, �2,... Ta chỉ dùng nhiễu xạ bậc �1 có cường độ lớn nhất và hướng chúng tới hệ 2 gương giao thoa, sau khi phản xạ trên 2 gương giao thoa, hai chùm tia đó sẽ được giao thoa trên sợi quang để tạo cách tử. Nếu để bậc 0 chiếu tới sợi sẽ ảnh hưởng tới quá trình chế tạo FBG, do đó ta phải chắn chùm bậc 0 lại. Chu kỳ cách tử  g chế tạo được được tính theo công thức: g  uv 2sin   B 2  (1.11) Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG bằng hệ gương giao thoa Ưu điểm: - Có thể chế tạo được FBG trong dải bước sóng rộng (ví dụ loại Phase Mask 1060 có thể chế tạo được FBG có bước sóng Bragg nằm trong khoảng 1200nm tới 1600). 12