Luận văn Nghiên cứu cảm biến quang sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang ứng dụng đo nhiệt độ

73 trang phuongnguyen 5080

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu cảm biến quang sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang ứng dụng đo nhiệt độ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_van_nghien_cuu_cam_bien_quang_su_dung_cach_tu_bragg_tro.pdf

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu cảm biến quang sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang ứng dụng đo nhiệt độ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI 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
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Phạm Văn Hội HÀ NỘI - 2013
1 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
2 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
3 Danh mục các hình vẽ Thứ tự Tên hình vẽ Trang 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 máy móc 1.2 Một mẫu cảm biến đã được chế tạo và thử nghiệm để đo 9 sức căng cơ khí của hệ thống 1.3 Cảm biến vi uốn cong đơn giản 10 1.4 Một ứng dụng của cảm biến quang sợi sử dụng vi uốn 11 cong 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 15 thoa kế Fabry-Perot 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 18 của cách tử Bragg trong sợi quang 1.12 Thí dụ về ứng dụng của cảm biến quang sợi đo biến dạng 19 trong thiết kế cánh máy bay phản lực 2.1 Phản xạ Bragg 20 2.2 Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg 22 2.3 Dạng phổ của tín hiệu khi qua cách tử. a) Phổ tín hiệu 23 vào, b) Phổ tín hiệu 2.4 Cấu trúc của laser bán dẫn và bộ cộng hưởng Faby-Perot 26 của nó 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 2.7 Cấu trúc laser dị thể chôn (BH-laser diode) 29
4 Thứ tự Tên hình vẽ Trang 2.8 Cấu trúc laser DFB (trái) và laser DBR (phải) 30 2.9 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến quang sử dụng cách tử 32 Bragg 2.10 Sơ đồ dự kiến nguyên lý cảm biến quang sử dụng dụng 33 đầu thu là photodiode 3.1 Cấu trúc GeO2 trong lõi sợi quang 34 3.2 Sự giao thoa của hai chùm tia UV để tạo FBG 35 3.3 Chế tạo FBG dùng Beam splitter 36 3.4 Nhiễu xạ của chùm tia tới Phase Mask 37 3.5 Chùm UV tới vuông góc được nhiễu xạ thành hai bậc 1 37 3.6 Chế tạo cách tử FBG dùng Phase Mask 38 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 40 (tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quang học) 3.9 Toàn bộ hệ thống chế tạo FBG 42 3.10 42 Phase Mask 3.11 Gương quét (scaning mirror) 43 3.12 Hai gương giao thoa 43 3.13 Nguyên lý hoạt động của Circulator 49 3.14 Cách đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ 49 3.15 Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử 49 3.16 Phổ dải rộng ASE của sợi khi chưa khắc cách tử 50 3.17 Mô hình đo truyền qua của FBG 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
5 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 53 điều khiển nhiệt độ đế laser 4.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch ổn định nhiệt độ 54 4.3 Sơ đồ quan sát phổ phát xạ của laser DFB phụ thuộc vào 55 nhiệt độ đế 4.4 Máy đo phổ quang (OSA) với băng tần từ 600 nm đến 55 1700 nm, độ phân giải phổ 0,01 nm 4.5 Phổ phát xạ của laser DFB bị dịch do thay đổi nhiệt độ 56 4.6 Đồ thị sự phụ thuộc bước sóng phát xạ của laser DFB vào 57 sự thay đổi nhiệt độ của đế 4.7 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 độ 4.9 Sự dịch bước sóng phản xạ của cách tử gây ra bởi sự thay 59 đổi nhiệt độ trong khoảng 10 -100oC 4.10 Sự phụ thuộc bước sóng phản xạ của FBG vào nhiệt độ 60 môi trường 4.11 Sơ đồ cấu hình cảm biến đo nhiệt độ sử dụng cách tử 61 Bragg trong sợi quang 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 62 photodiode trong hệ cảm biến
6 Danh mục bảng biểu Thứ Tự Tên bảng biểu Trang 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.
7 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
8 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
9 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
10 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.
11 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, I0 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 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.
12 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 . 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, 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.
13 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. 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 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
14 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. 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 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.
15 Hình 1.6. Cảm biến quang sợi dựa trên hiện tượng sóng phù du 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:
16 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
17 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 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
18 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. 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- 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.
19 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 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.
20 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
21 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 . 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 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
22 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.
23 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 Tia 1 Tia 2 Tia 3 . a a 1 θ 2 θ i Λ Λ Hình 2.1.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
24 Hiệu quang trình bằng số nguyên lần bước sóng. Ta có:  a mn (2.1) Trong đó m là bậc nhiễu xạ   là bước sóng trong môi trường truyền dẫn n n λ là bước sóng trong chân không, n là chiếu suất của môi trường a Ta thấy: sin  1 sin  m  (2.2)  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 và vector sóng bị phản xạ. KKKf i Trong đó: K f là Vector sóng tới cách tử Ki vector sóng ra khỏi cách tử K vector sóng bị phản xạ Trong cách tử sợi tia phản xạ ngược với tia tới sợi nên  900 sin  1 Xét bậc của tia phản xạ là m=1 vì tại bậc 1 năng lượng tập trung lớn nhất
25 Kết hợp với điều kiện phản xạ Bragg ta được B 2n eff (2.3) 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 * 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 Pin Ta có hệ số suy hao là: 10log10 ()dB Khi qua FBG thì chỉ một bước prefl 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 2   (2.4) 0 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. 2  ()  2  (2.5) 0 0 0 
26 2 neff Ta có 0 , λ0 là bước sóng của sóng đến, neff là chỉ số khúc xạ hiệu 0 dụng của sợi quang (vật làm cách tử Bragg), sóng được phản xạ với điều kiện là: 0 2neff  (2.7) 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 neff  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
27 2.1.3. Phổ phản xạ và phổ truyền qua của FBG Lõi sợi Tín hiệu vào Tín hiệu được . Tín hiệu truyền qua Λ đư ợc phản xạ I I I a) b) c) λ λ λ λB λB 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 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.
28 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 N  g N N T (2.8) Trong đó NT là giá trị của mật độ hạt tải khi môi trường hoạt tính trở lên trong suốt với bước sóng phát (hấp thụ và phát xạ bằng nhau) và σg là tiết diện tăng ích, hay gọi là tăng ích vi phân. Thông thường NT và σg của laser InGaAsP là 1,0 ÷1,5.1018cm 3 và 2 ÷ 3.10 16cm 2 . 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 n 1 Rm (2.9) n 1 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%.
29 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 E tần số ω và số sóng k n . Sau một quy trình o c g phản xạ vòng kín, biên độ của chúng được tăng lên exp 2L do tăng ích và 2 pha của nó thay đổi 2kL, Trong đó L là độ dài buồng cộng hưởng. Trong khi đó biên độ thay đổi RRL1 2exp int 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: Eoexp gL R1 R 2 exp int L exp 2 ikL E o (2.10) Biên độ và pha của hai phía như nhau, vậy ta nhận được: 1 1 g int ln int mir cav (2.11) 2LRR 1 2
30 mc 2kL 2 m suy ra   (2.12) m 2nL 2 .n  trong đó : k và m là số nguyên. c Phương trình (3.37) chỉ ra hệ số tăng ích bằng tổng mất mát của buồng cộng hưởng tại ngưỡng laser và sau đó phương trình (3.38) chỉ ra rằng tần số phát ν có thể trùng với một trong tập hợp tần số νm. Các tần số này là các mốt dọc và xác định bằng c độ dài quang nL. Khe tần số Δν giữa các mốt dọc là hằng số và  trong L L 2nL đó chiết suất n bao gồm tán sắc của vật liệu vì vậy nên sử dụng công thức chiết suất dn nhóm n = ng và ng n  . d 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. Tăng ích Mode phát quang Các mode dọc Mode phát laser n  Profil phát xạ 2n l g  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 giữa hai lớp bọc là bán dẫn loại p và loại n với độ rộng vùng cấm lớn hơn vùng cấm của
31 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 SiO2 p-InP p-InGaAsP InGaAsP n-InGaAsP n-InP Công tắc 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 5µm2. 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
32 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 1µm2 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 ° ° 2 α// ~ 8 ÷18 cho các laser có độ rộng vùng phát xạ 0,1 5 µm . p-InP n-InP p-InP n-InP n-InP Đế InGaAsP Công tắc kim loại Hình 2.7.Cấu trúc(hoạ tlaser tính) 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 phát vài mốt dọc. Các thông số phổ này có thể chấp nhận được cho các hệ thống thông tin quang 1,3µm với tốc độ bít 2,5Gb/s. Tuy nhiên laser đa mốt không thể sử dụng trong các 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 nhiều bước sóng trong một sợi quang yêu cầu phải có laser phát đơn mốt dọc với độ rộng phổ dưới 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 mất mát 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)
33 và laser phản xạ Bragg phân bố (Distributed Bragg Reflector – DBR Laser). Hai laser trên 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) 2n Trong đó λB là bước sóng phản xạ trong cách tử phân bố này, n là chiết suất trung bình của mốt và m là số nguyên chỉ bậc khúc xạ của cách tử. Bậc 1 của phản xạ Bragg lớn hơn so với các bậc cao nhiều, do đó ta chỉ quan tâm điều kiện m=1. Nếu ta có λB=1,55nm, với n 3,3 và m=1 thì chu kỳ của cách tử Bragg  =235nm sẽ rất thích hợp để phản xạ đúng bước sóng phát xạ 1,55nm. Vùng bơm Cách tử p-type p-type n-type n-type DBR DBR Hoạt tính Hoạt tính DFB - laser 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 ổn định, chúng hiện được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang đường trục với tốc độ bít từ 2,5Gb/s trở lên và trong các hệ thống thông tin quang WDM. Ổn định nhiệt độ cho 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 (ánh sáng tử ngoại) bước sóng 248 nm công suất cao vào lõi của sợi quang silica SiO2 có pha tạp GeO2 nồng độ cao. Dưới tác dụng của tia cực tím mạch liên kết của GeO2 –
34 SiO2 bị bẻ gẫy do đó các vùng bị chiếu ánh sáng tử ngoại sẽ có chiết suất thấp hơn so với vùng không bị chiếu. Bằng phương pháp giao thoa kế Talbot (Mach Zehnder cải tiến) trên chùm laser UV , ta sẽ tạo được ảnh giao thoa gồm các đường sáng tối xen kẽ nhau, chiếu ảnh giao thoa này vào lõi sợi quang chúng ta thu được các vùng có chiết suất khác nhau sắp xếp xen kẽ theo chu kỳ dọc theo trục của sợi quang tạo ra cấu trúc của cách tử Bragg. Khi có ánh sáng chiếu tới cách tử đóng vai trò như một gương phản xạ ánh sáng có bước sóng phù hợp tuân theo công thức B 2n eff sin (2.14) với B là bước sóng ánh sáng được phản xạ  là chu kỳ của cách tử n eff là chiết suất hiệu dụng của cách tử,  là góc tới của chùm sáng với trục cách tử. Trong sợi quang góc   luôn bằng vì vậy  2n . Nguyên lý cơ bản của loại cảm biến này là: Dựa 2 B eff vào sự thay đổi chiết suất của cách tử khi có sự thay đổi về nhiệt độ hay áp suất dẫn tới bước sóng phản xạ của của cách tử bị thay đổi theo nguyên lý sau [5,3]: Nguyên lý cảm biến nhiệt dọc theo trục sợi B  1 pe   T (2.15). B 6 Trong đó là hệ số dãn nở nhiệt (khoảng 10 ), pe là hệ số quang đàn hồi của thuỷ tinh ( pe  0,22 cho Silica),  là hệ số quang nhiệt của thuỷ tinh (chiết suất thay đổi theo T, khoảng 10 5 ). Từ công thức (2.15) ta thấy T thay đổi dẫn tới hệ số quang đàn hồi của thủy tinh, hệ số quang nhiệt, hệ số dãn nở nhiệt bị thay đổi tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Để đo được sự thay đổi đó chúng ta đo khoảng dịch bước sóng phản xạ B của cách tử, do đó dựa vào sự dịch bước sóng Bragg chúng ta có thể biết được sự thay đổi của nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ sử dụng FBG thường sử dụng kỹ thuật “nhúng” FBG vào môi trường có hệ số dãn nở nhiệt lớn để làm tăng độ nhạy theo 0 T của FBG do hệ số và  của thủy tinh silica rất nhỏ nên B chỉ đạt 11 pm/ C. Cảm biến dạng này kết hợp cả dãn nở và sức căng tác động lên sợi quang. Sơ đồ nguyên lý được trình bày dưới đây.
35 Nguồn sáng phổ rộng Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến quang sử dụng cách tử Bragg Sử dụng nguồn phổ dải rộng trong vùng bước sóng phản xạ của cách tử đưa vào cổng 1 của bộ Coupler phổ ánh sáng này được truyền sang cách tử đặt trong môi trường được gắn trên cổng 2. Do sự tác dụng của môi trường như sự thay đổi nhiệt độ, áp suất làm thay đổi bước sóng phản xạ của cách tử so với bước sóng phản xạ ban đầu khi chưa có sự thay đổi của các yếu tố của môi trường.Sự thay đổi bước sóng này được quan sát trên bộ thu được gắn trên cổng 3. Bộ thu thường sử dụng là máy phân tích phổ quang độ phân giải cao rất đắt tiền hoặc photodiode để biến tín hiệu quang sang tín hiệu điện.Tuy nhiên bộ thu sử dụng photodiode phải có cấu hình rất phức tạp và đắt tiền mới có thể thu được sự thay đổi bước sóng phản xạ của cách tử Bragg. Các nghiên cứu về cảm biến FBG hiện nay là thay thế tín hiệu quang phổ bằng tín hiệu điện để giảm giá thành thiết bị Từ khi cách tử Bragg được chế tạo lần đầu tiên vào năm 1978 bởi Kenneth Hill đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng cách tử Bragg trong thông tin quang sợi như dùng tách ghép bước sóng, bù tán sắc cho hệ thống truyền thông tin. Đặc biệt những nghiên cứu ứng dụng cách tử Bragg trong cảm biến quang sử dụng để đo nhiệt độ, áp suất, gia tốc, độ căng [1,6,9] đang phát triển rất mạnh. Ở trong nước, các nghiên cứu về cảm biến quang học sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang đã được các tập thể thuộc Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam nghiên cứu về sử dụng hạt nano bọc cách tử Bragg để giảm độ giãn phổ phản xạ của cách tử khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng lớn. Tuy nhiên các nghiên cứu này phần thu của cảm biến vẫn sử dụng máy phân
36 tích phổ quang có độ phân giải cao. Do vậy không thể cạnh tranh giá thành với các loại cảm biến cùng loại sử dụng bán dẫn. 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 pentier. 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. Hình 2.10. Sơ đồ dự kiến nguyên lý cảm biến quang sử dụng dụng đầu thu là photodiode Trên hình 2.10 laser là loại phát xạ đơn mốt có bước sóng phát xạ trùng với bước sóng phát xạ của cách tử được gắn với cổng 1 của bộ phản xạ vòng tại nhiệt độ phòng. Ánh sáng phát xạ từ laser được truyền đến cách tử được gắn trên cổng 2. Bước sóng phản xạ của cách tử được thu bằng photodiode được gắn trên cổng 3. Ban đầu khi cách tử chưa chịu tác động của các yếu tố môi trường như sự thay đổi nhiệt độ hay áp suất do bước sóng của laser trùng với bước sóng phản xạ của cách tử nên photodiode thu được công suất lớn nhất tại bước sóng λ của laser (a). Khi cách tử chịu tác động của môi trường như sự thay đổi nhiệt độ hay áp suất dẫn tới bước sóng phản xạ sẽ bị dịch một khoảng B so với bước sóng của laser phát (b). Khi đó photodiode sẽ thu được công suất giảm và dần về 0 khi dịch một khoảng B lớn. Đề xuất của chúng tôi là điều khiển cho bước sóng của laser dịch một khoảng  = B để trùng với vị trí của bước sóng của cách tử vừa dịch. Khi đó công suất của photodiode đạt giá trị lớn nhất. Bằng cách đó chúng tôi nhận được khoảng dịch của bước sóng cách tử tương ứng với khoảng dịch của bước sóng laser do vậy chúng tôi chỉ cần sử dụng 1 photodiode để thu được sự dịch chuyển của bước sóng cách tử giá trị đó tương ứng với sự thay đổi của nhiệt độ.
37 Chương 3: Chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ trong vùng 1550 nm 3.1. 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 o o o Ge o Ge o o o Ge Ge o o o o o Hình 3.1.Cấu trúc GeO2 trong lõi sợi quang Khi chiếu chùm UV vào sợi tại một vị trí nào đó cấu trúc của GeO2 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 2.6 mô tả nguyên lý chế tạo FBG dựa vào hiện tượng giao thoa của hai chùm tia UV.
38 Chùm tia UV Chùm tia UV Lớp phủ 125μm Sợi Lõi sợi 9μm Λ Phần giao thoa Cách tử Hình 3.2. Sự giao thoa của hai chùm tia UV để tạo FBG Chú ý: khi sử dụng chất khác pha tạp vào lõi thì cần phải sử dụng bước sóng khác 248 để bẻ gãy mạch trong cấu trúc GeO2 Các bước để chế tạo cách tử: - Bước 1: Loại bỏ lớp bọc (cladding) của sợi nhạy quang, để FBG chính xác cần thực hiện gọt sợi bằng máy gọt sợi quang trong phòng sách. Sau đó thực hiện chiếu chùm tia UV - Bước 2: Tạo cách tử trên sợi dựa vào sự giao thoa của hai chùm tia: đặt sợi vào vị trí giao thoa của hai chùm tia một cách chính xác. Có rất nhiều phương pháp chế tạo cách tử. Sau đây chúng ta tìm hiểu một số phương pháp để chế tạo FBG. 3.1.1. Phương pháp chế tạo FBG sử dụng bộ chia chùm tia Phương pháp được mô tả như trong hình 3.3. 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 n  bước sóng UV theo công thức sau: eff uv (3.1) B  nuv sin 2 λB bước sóng phản xạ Bragg, neff là chỉ số mode hiệu dụng trong sợi, nuv là chỉ số chiết suất của sợi trong UV, λuv là bước sóng của bức xạ UV.
39 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 λuv 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. Chùm UV Gương UV θ sợi Gương UV Hình 3.3. 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 3.1.2. Phương pháp chế tạo FBG qua 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 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 2.8 Các bậc đến và bậc nhiễu xạ thoả mãn phương trình nhiễu xạ chung, với Λpm là chu kỳ của Phase Mask,
40 muv pm (3.2) m sin sini 2 θm/2 là góc của bậc được nhiễu xạ, λuv là bước sóng UV và θi là góc của chùm UV tới.Trong các trường hợp khi chu kỳ của cách tử nằm giữa λuv 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. Chùm tia tử ngoại đến θi Λpm Phase Mask Chùm tia được truyền m = 0 m = -1 θm/2 θt Hình 3.4. 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). Chùm tia tử ngoại đến vuông góc Λpm Chùm tia nhiễu xạ m = +1 m = -1 θm/2 θm/2 m = 0 Hình 3.5. Chùm UV tới vuông góc được nhiễu xạ thành hai bậc 1
41 Khi bức xạ UV tới vuông góc với Phase Mask (θi = 0) thì bức xạ này được nhiễu xạ thành các bậc m = 0 và m = 1 như thấy trong hình 2.9. Đặt sợi ngay sau Phase Mask (như thấy trong hình 2.10), 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  uv pm g (3.3) 2sin m 2 2 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 (2.8) ta được: NBragg pm g (3.4) 2neff 2 Trong đó N 1 là số nguyên chỉ ra bậc của chu kỳ các 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 n 1 uv (3.5) uv 2 nuv là chỉ số của vật liệu Phase Mask tại bước sóng uv Chùm UV Phase Mask Lõi Bậc -1 Bậc 1 Hình 3.6. Chế tạo cách tử FBG dùng Phase Mask
42 Ưu điểm: - Tạo ra bước sóng phản xạ chính xác, đơn giản Nhược điểm: - Mỗi loại Phase Mask chỉ chế tạo được một loại FBG (chu kỳ không đổi = chu kỳ Phase Mask /2) mà Phase Mask rất 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 3.1.3. Phương pháp chế tạo FBG bằng hệ giao thoa kế Sơ đồ nguyên lý được mô tả trong hình 2.11. 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: uv g (3.6) 2sin B 2 Các gương giao thoa Phase Mask Khe hở B B 0 Sợi quang Chùm UV Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG bằng shệ gương giao thoa
43 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). - Hệ số phản xạ cao lên tới trên 90% - Chiều dài cách tử có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh hai gương giao thoa. Nhược điểm - Sự căn chỉnh hệ cần độ chính xác cao Ngoài các phương pháp đã kể trên còn rất nhiều phương pháp để chế tạo cách tử 3.2. Chế tạo cách tử Bragg trong sợi Trong quá trình thực hiện luận văn tôi đã dùng hệ giao thoa kế Talbot tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quang học thuộc viện Khoa Học Vật Liệu - Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam để chế tạo cách tử Bragg. Sơ đồ nguyên lý của hệ giao thoa kế này được mô tả trong hình dưới đây: KrF Sợi Gương giao thoa 1 Laser Mặt nạ pha Λ Tấm nhôm Gương quét Gương giao thoa 2 Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG dùng hệ giao thoa kế Talbot (tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quang học)
44 * Tiến hành các bước như sau: - Làm sạch buồng laser, các đường ống dẫn khí và nạp khí cho laser - Bật máy tính và bắt đầu chương trình điều khiển giao thoa kế (xem chi tiết ở mục 3.1.1.3) * Nguyên lý chế tạo: Dùng nguồn laser Excimer có năng lượng 210mj/xung, bước sóng 248nm, độ rộng xung 10ns, tần số lặp lại 1-50Hz. Chiếu chùm UV do laser phát ra vào gương quết 450, chùm tia này được đưa tới 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. Do nếu để bậc 0 chiếu tới sợi sẽ ảnh hưởng tới quá trình chế tạo FBG nên người ta dùng tấm nhôm phẳng đặt sau Phase Mask để chắn chùm tia bậc 0 lại. Với nhiễu xạ bậc 1 và B là góc hợp bởi hai chùm tia giao thoa tại sợi, cách tử chế tạo được có chu kỳ: uv g (3.7) 2sinB uv là bước sóng của chùm tia UV (ở đây uv = 248nm ) Theo (3.1) ta thấy chu kỳ cách tử phụ thuộc vào uv (bước sóng của nguồn ) và B , uv mà cố định. Do đó để tạo ra các loại cách tử có chu kỳ khác nhau người ta chế tạo hệ gương giao thoa có thể quay xung quanh trục của nó một góc nhất định. Khi gương quay cộng với vị trí đặt sợi thay đổi sẽ tạo ra hai chùm tia giao thoa khác, từ đó cách tử tạo ra có chu kỳ khác nhau và do đó có bước sóng phản xạ khác nhau.
45 Hình 3.9. Toàn bộ hệ thống chế tạo FBG 3.2.1. Mô tả giao thoa kế 3.2.1.1. Những thành phần giao thoa kế quan trọng * Các thành phần quang - 1 Phase Mask để chế tạo cách tử chu kỳ 560nm và một Phase Mask để chế tạo cách tử chu kỳ 1060nm. Hình 3.10 . Phase Mask - 1 gương HR có độ phản xạ cao khi góc tới là 450 (gương quét)
46 Hình 3.11. Gương quét (scaning mirror) - 2 gương giao thoa HR có độ phản xạ cao khi góc tới nằm trong khoảng từ 620 đến 780. Hình 3.12. Hai gương giao thoa * Các thành phần cơ - 2 giá quay chính xác M-037.DG cùng với một máy tính điều khiển dải dịch chuyển 900 - 1 giá thẳng chính xác M-405.DG với dải chuyển động 25mm để máy tính điều khiển sự sắp hàng của gương quét.
47 - 1 giá thẳng chính xác M-410.DG với dải chuyển động 50mm để máy tính điều khiển sự sắp hàng của sợi - 1 giá máy đo góc dùng để điều chỉnh sự sắp thẳng hàng của Phase Mask bằng tay. - 1 giá thẳng để điều chỉnh khoảng cách giữa Phase Mask và các gương giao thoa bằng tay. - 2 kẹp sợi để đặt sợi. Khoảng cách các thành phần của giao thoa kế được xác định một cách chính xác. + Khoảng cách giữa hai gương giao thoa là 62mm + Khoảng cách từ Phase Mask với chu kỳ 1060nm tới đường kết nối ảo giữa hai tâm của gương giao thoa là 128,8mm. + Khoảng cách từ Phase Mask với chu kỳ 560nm tới đường kết nối ảo giữa hai tâm của gương giao thoa là 62,8mm. + Khoảng cách của sợi tới đường kết nối ảo giữa hai tâm của gương giao thoa phụ thuộc vào vị trí của các gương giao thoa. Sự sắp xếp các thành phần của giao thoa kế có thể được tính toàn bằng thủ tục con “mô phỏng cài đặt giao thoa kế - INTERFEROMETER SETUP SIMULATION” 3.2.1.2. Những chú ý chung cho sự lắp đặt giao thoa kế Giao thoa kế phải đặt lên nơi khô ráo, không có bụi. Tất cả các hạt bụi trên các yếu tố quang phải được loại bỏ. Nếu không bề mặt chức năng quang sẽ bị phá huỷ. Tất cả các kết nối điện phải được thực hiện theo chỉ dẫn. Chú ý rằng các Motor không được dịch chuyển đập vào các thành phần cơ để ngăn chặn sự thiệt hại motor. Trong trường hợp cần thiết, các nút bấm được tích hợp trong chương trình điều khiển. Bằng cách nhấn các nút đó các Motor tương ứng sẽ dừng ngay lập tức. Nếu máy tính điều khiển dừng không thể hoạt động được, cần ngắt các Motor bằng cách loại bỏ Cable kết nối các Motor hoặc tắt máy vi tính.
48 3.2.1.3. Thủ tục điều chỉnh giao thoa kế Chùm laser sẽ được điều chỉnh sao cho gương quét 450 và các thành phần của giao thoa kế (Phase Mask và sợi) được sắp xếp chính xác trên trục quang. Các gương giao thoa phải được quay chính xác xung quanh giá gương. Cài đặt camera sao cho có thể quan sát các gương từ bên trên. Kết nối camera với màn hình thông qua cab đồng trục BNC (75Ω). Đánh dấu vị trí gương trên màn hình và quay gương 1800 theo mọi hướng. Thủ tục này sẽ được thực hiện chừng nào mà các gương quay chính xác xung quanh giá gương. Các ốc điều chỉnh cho việc quay gương phải được vặn chặt và không dùng đến trong các bước sau. Phase Mask được điều chỉnh trong các bước tiếp theo. Một phần nhỏ của chùm laser sẽ bị cắt nhờ sử dụng lỗ nhỏ trước đầu ra của laser. Phần này sẽ được hướng chính xác về tâm của Phase Mask. Phase Mask được điều chỉnh sao cho sự phản xạ chùm laser của Phase Mask được phản xạ chính xác trở lại vào lỗ nhỏ trước đầu ra của laser. Chú ý tới khoảng cách từ Phase Mask tới các gương giao thoa sao cho chính xác. Độ cong của Phase Mask được kiểm tra bằng cách sử dụng các lỗ nhỏ, mà nó được đặt tại các bậc nhiễu xạ 1. Nếu Phase Mask đã được đặt vào vị trí chính xác thì các gương giao thoa bắt đầu được điều chỉnh. Các gương giao thoa được quay chừng nào các bậc nhiễu xạ 1 được phản xạ lại trở lại chính nó và có thể được xem như cách lỗ nhỏ đặt trước đầu ra của laser một khoảng gần nhất. Sau đó các gương này sẽ đi về vị trí Home của chúng và vị trí này được ấn định là vị trí 0. Việc điều chỉnh giá thẳng bằng vòng kẹp sợi được thực hiện như sau: chèn một sợi vào trong kẹp sợi và di chuyển sợi cho đến khi sợi được đặt chính xác vào điểm giao nhau của hai chùm tia. Gán vị trí của giá thẳng bây giờ là vị trí 0. Thay cho thủ tục đã kể ra ở trên, một bản thuỷ tinh có thể được đặt tại vị trí sợi Điều chỉnh camera sao cho bạn có thể xem được ảnh phát huỳnh quang của hai chùm tia trên bản thuỷ tinh. Điều chỉnh giá thẳng sao cho 2 chùm tia chồng chéo chính xác lên nhau. Cuối cùng, giao thoa kế được kiểm tra nhờ thủ tục khắc với sợi thử nghiệm. Giữ nguyên không thay đổi vị trí của giá thẳng và gián bước sóng bragg cho giao thoa kế . Thay đổi bước sóng bragg cho đến khi có thể khắc được FBG đồng nhất với hệ số phản xạ cao. Định nghĩa độ lệch của giao thoa kế trên cơ sở bước sóng bragg đo được. Bây giờ giao thoa kế đã được điều chỉnh một cách trọn vẹn và có thể được sử dụng trong dải bước sóng xác định theo cấu hình của nó.
49 Để FBG có chất lượng tốt cần gá sợi với độ căng vừa phải, đặt sợi đúng vị trí giao thoa của hai chùm tia để có cường độ laser lớn nhất cho độ chính xác của bước sóng và độ rộng phổ ∆λ của FBG hẹp. Căn chỉnh hệ sao cho các bộ phận đêu nằm trên một mặt phẳng, thời gian chiếu xạ laser phải hợp lý nên cường độ laser phải luôn đủ mạnh vì nếu cường độ yếu thì thời gian chiếu xạ sẽ lâu, sự rung của hệ thống cũng là một yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của FBG, vì vậy tất cả hệ thống phải được lắp đặt trên giá chắc chắn (giá chống rung) và trong quá trình chế tạo không được va chạm vào hệ thống. Ngoài ra độ chính xác FBG còn phụ thuộc vào môi trường như: bụi, hơi nước bám vào Phase Mask cũng như gương sẽ làm sự phản xạ có chất lượng kém hoặc không chính xác. 3.2.1.4. Chương trình điều khiển giao thoa kế. Chương trình điều khiển giao thoa kế được giải thích như sau: Sau khi tất cả các motor được kết nối đúng, bật máy tính và bắt đầu chương trình điều khiển “INTERFEROMETER _ 248.LLB”. Thường trình khởi tạo motor sẽ được thực hiện đầu tiên. Có thể không dễ dàng để ngắt thường trình này. Tất cả các motor đang di chuyển tới vị trí tham chiểu của chúng. Sau khi sự khởi tạo thành công, mặt nạ đầu vào sẽ được mở. Đưa vào các tham số quan trọng để xác định cấu hình giao thoa kế. * Các thông số quan trọng: - Phase Mask period - Chu kỳ Phase Mask được sử dụng (giá trị mặc định 1060nm hoặc 560nm). - Interferometer mirror distance - Khoảng cách giữa các gương giao thoa (giá trị mặc định 62mm). - Effective fiber refractive index - Chỉ số khúc xạ hiệu dụng của sợi (giá trị mặc định 1,454) - Laser wavelenght - Bước sóng laser (giá trị mặc định 248nm) - Wavelenght at the effective fiber refractive index - Bước sóng tương ứng với chỉ số khúc xạ hiệu dụng của sợi (giá trị mặc định 1543nm) - Dispersion – Tán sắc của sợi (giá trị mặc định 1,519x10-5nm-1)
50 3.2.2. Những thành phần khác - Hệ khí: hệ khí tạo laser gồm khí Heli, Neon, Kripton và Flo; Trong đó hai khí Heli và Neon là khí đệm còn hai khí Kripton và Flo là khí chính. Khí Flo rất độc nên được giữ trong hộp kín để đảm bảo an toàn. Trước khi nạp khí cần xả hết khí trong buồng laser bằng cách dùng bơm chân không, khi thay khí cần mở van từ từ và đóng hết các van lại khi nạp đủ để tránh bị rò rỉ Có hai cách nạp khí: + Chỉ dùng Heli làm khí đệm: tổng áp suất trong buồng khi nạp đủ khí là 3000mbar + Dùng cả Heli và Neon làm khí đệm: tổng áp suất khi đó là 4200mbar - Nguồn laser Excimer KrF: Có công suất trung bình lớn nhất là 100 W Năng lượng lớn hơn 200mJ Độ rộng xung trong khoảng 5 – 90ns Bước sóng phát ra 248nm 3.2.3. Một số yêu cầu cho hệ - Chùm laser rất nguy hiểm cho mắt người vì vậy trong quá trình chế tạo phải hết sức cẩn thận không để cho tia laser chiếu vào mắt, hiện nay chỉ có một kính bảo hộ nên chỉ có một người được làm việc trên hệ này (yêu cầu mua thêm kính bảo hộ cho hệ thống này). - Cần mua 1 thiết bị đo công suất cho nguồn laser Excimer để xác định thời điểm thay khí từ đó cho cường độ laser đủ lớn. - Hệ thống này yêu cầu độ chính xác rất cao, vì vậy các cán bộ sử dụng phải huấn luyện rất cẩn thận và phải tuân thủ những quy định chặt chẽ trong điều chỉnh hệ thống. - Để mở rộng khả năng tạo cách tử FBG trong sợi quang pha tạp Ge thấp cần 0 mua hệ trữ H2 áp suất cao (200atm), và có nhiệt độ đến 200 C.
51 3.3. Kết quả chế tạo cách tử 3.3.1. Một số dụng cụ cần thiết * Máy phân tích phổ Các thông số chính của máy phân tích phổ Advantest Q8384: - Hãng sản xuất Advantest – Japan - Năm sản xuất 2005 - Vùng bước sóng 600nm1700nm - Độ chính xác λ = 20pm - Độ phân giải 0,01nm - Vùng động lực 60dB 0,05dB - Vùng hoạt động -87dBm23dBm Trong quá trình thực nghiệm chúng tôi điều chỉnh máy quét theo chế độ Hi – sen1 với thời gian mỗi lần quét khoảng 60s, độ phân giải 0,01nm và vùng hoạt động - 75dBm  -25dBm. * Máy hàn sợi quang: Model FSM 18S Japan Sợi quang được hàn bằng nguồn hồ quang (nhiệt độ lớn hơn 20000K). Các mối hàn có độ suy hao thấp (khoảng 0,01  0,08dBm). * Nguồn Nguồn phát sáng phổ rộng được dùng trong thực nghiệm là nguồn phát xạ ngẫu nhiên được khuyếch đại (ASE) của bộ khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) cho vùng bước sóng 1550nm, độ rộng phổ ASE là 50nm (1520nm  1570nm) hoàn toàn nằm trong vùng cửa sổ thứ 3 của mạng thông tin quang hiện nay. Nguồn phát sáng cho vùng 820nm là nguồn phát siêu huỳnh quang (Super Luminescent Diode) có công suất phát xạ tổng đến 1mW, độ rộng phổ là 30nm (810nm  840nm). Nguồn này được sử dụng trong các thực nghiệm đo phổ truyền qua của sóng ánh sáng sau khi qua FBG.
52 * Circulator Circulator hoạt động theo nguyên tắc: tín hiệu vào cổng số 1 sẽ ra ở cổng số 2, tín hiệu vào cổng 2 sẽ ra ở cổng số 3. 2 1 3 Hình 3.13. Nguyên lý hoạt động của Circulator 3.3.2. Khảo sát các thông số nội của FBG 3.3.2.1. Đo hệ phản xạ của FBG thông qua phổ phản xạ Để đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ: trước tiên ta phải xác định được điểm 0 (như mô tả trong hình 3.7 ). Sau đó đo khoảng từ điểm 0 đến đỉnh phản xạ và tra bảng ta sẽ thu được độ phản xạ của cách tử. P Cường độ Điểm Nền λ Hình 3.14. Cách đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ 2 1 3 EDFA OSA cirulator Hình 3.15. Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử
53 Đưa tín hiệu được phát ra từ bộ EDFA phát phổ dải rộng (trong vùng 1530nm – 1560nm) vào cổng 1 của Circulator, tín hiệu đó được đưa ra cổng 2 và cho qua cách tử, bước sóng bằng với bước sóng cách tử được phản xạ trở lại và được đưa ra cổng 3 được nối với máy phân tích phổ Hình 3.16. Phổ dải rộng ASE của sợi khi chưa khắc cách tử 3.3.2.2. Đo hệ số phản xạ của cách tử thông qua phổ truyền qua Để đo hệ số phản xạ qua phổ truyền qua, trước tiên ta thực hiện mắc theo mô hình như sau: FBG EDFA OSA Hình 3.17. Mô hình đo truyền qua của FBG Sau đó đo phổ truyền qua của tín hiệu sau khi qua cách tử, tiếp theo ta xác định khoảng L (dB) và tiến hành đo độ phản xạ theo công thức: L R 1 10 10 (3.8)
54 P L λ Hình 3.18. Đo hệ số phản xạ của cách tử bằng mô hình truyền qua 3.3.3. Kết quả chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ trong vùng 1550 nm Chúng tôi sử dụng hệ giao thoa kế Tabot để chế tạo cách tử với các thông số kỹ thuật của laser Excimer như sau: thời gian 15 phút, 8 xung/s, điện áp 18kV, đồng thời sử dụng phương pháp đo hệ số phản xạ bằng phương pháp phản xạ để khảo sát cách tử FBG. Kết quả chế tạo cách tử được trình bày dưới đây: Hình 3.19. Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ=1550.08nm
55 Hình 3.20. Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ=1557.198nm Hình 3.21. Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ=1557.3nm Trên hình 3.19,3.20,3.20 trình bày kết quả chế tạo 3 cách tử có bước sóng phản xạ lần lượt là 1550,08 nm, 1557,198nm, 1557,3nm. Các cách tử này có độ phản xạ từ 60-80 %, có độ bán rộng phổ 0.13 - 0.18nm.
56 Chương 4: Kết quả thực nghiệm xây dựng hệ cảm biến Để xây dựng được cấu hình cảm biến chúng tôi phải thực hiện các công việc như sau: Chế tạo cách tử Bragg trong vùng bước song 1550 nm (đã làm trong chương 3); Khảo sát sự phụ thuộc của bước sóng phat xạ của laser DFB vào nhiệt độ đế laser; Khảo sát sự thay đổi bước sóng phản xạ của cách tử vào nhiệt độ; Thiết lập hệ cảm biến đo nhiệt đô. Sau đây chúng tôi lần lượt tiến hành thực nghiệm theo các bước. 4.1 Khảo sát sự phụ thuộc của bước sóng phát xạ của laser DFB vào nhiệt độ đế Để khảo sát sự phụ thuộc bước sóng phát xạ của laser DFB vào nhiệt độ trên đế laser chúng tôi đã sử dụng hệ mạch điều khiển dòng nuôi cho pin peltier qua đó điều khiển nhiệt độ của đế laser như hình 4.1 dưới đây: Hình 4.1. Mạch điện tử điều khiển dòng cho pin peltier dùng để điều khiển nhiệt độ đế laser. Trên hình 4.1 laser DFB được gắn trên phiến nhôm (1), phiến nhôm đặt trên pin peltier (2). Chúng tôi đã sử dụng pin peltier của modul laser bơm công suất cao để điều khiển nhiệt độ cho laser DFB do vậy có độ ổn định cao. Mạch điện tử dùng để điều khiển dòng cho pin peltier được thiết kế với độ ổn định tốt do vậy có thể điều khiển nhiệt độ trên đế laser ổn định sai số nhiệt độ là 0.1 độ. Mạch điện điều khiển nhiệt độ cho laser bơm hoạt động theo nguyên lý sau:
57 Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý của mạch ổn định nhiệt độ. - Cảm biến nhiệt độ bên trong module laser sẽ tạo ra điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ của laser. - Mạch điện tử sẽ so sánh điện áp cảm ứng với điện áp chuẩn (tương ứng với nhiệt độ chuẩn, thường đặt ở 250C). Kết quả xử lý của mạch so sánh sẽ điều khiển dòng điện chạy qua pin Peltier. - Chiều và độ lớn của dòng điện qua pin Peltier được thiết kế thích hợp sao cho nhiệt độ của laser luôn luôn bằng nhiệt độ chuẩn. Để hệ thống điều khiển nhiệt độ hoạt động ổn định, chúng tôi đã thiết kế hệ điều khiển bằng hai phương pháp: xử lý bằng kỹ thuật tín hiệu tương tự (analog) và xử lý bằng kỹ thuật số (digital). Sơ đồ điều khiển ổn định nhiệt độ cho laser phối hợp giữa hai mạch điều khiển là: mạch điều khiển tương tự và mạch điều khiển số như trên hình 4.2. Nguyên tắc hoạt động của phương pháp xử lý tín hiệu tương tự là các mạch so sánh tín hiệu điện với giá trị điện áp chuẩn. Điện áp sai lệch sẽ tạo ra dòng điện qua pin Peltier thích hợp, sao cho pin Peltier điều khiển nhiệt độ của laser đúng với nhiệt độ chuẩn. Trong phương pháp xử lý số, điện áp điều khiển pin Peltier xuất phát từ chương trình phần mềm, nguyên tắc hoạt động của phương pháp này là: Biến đổi giá trị điện áp chỉ thị nhiệt độ thành tín hiệu số (Analog to Digital Converter – ADC), sử dụng vi xử lý để so sánh và xử lý các giá trị số này bằng chương trình phần mềm. Các kết quả xử lý của chương trình sẽ được chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu điện áp nhờ mạch chuyển đổi số sang tương tự (Digital to Analog Converter – DAC). Sau mạch DAC sẽ là điện áp điều khiển dòng điện cấp cho pin Peltier, chiều và độ lớn của dòng điện qua pin Peltier được tính toán sao cho nhiệt độ của laser bơm luôn luôn bằng nhiệt độ chuẩn. Phổ phát xạ của laser được quan sát bằng máy phân tích phổ quang theo sơ đồ hình 4.3
58 Sợi quang đơn mốt Máy phân tích Laser DFB phổ quang (OSA) Hệ thống điều khiển nhiệt độ Hình 4.3.Sơ đồ quan sát phổ phát xạ của laser DFB phụ thuộc vào nhiệt độ đế Ở điều kiện ban đầu mạch điều khiển nhiệt độ luôn thiết lập nhiệt độ trên đế laser là 23oC do vậy bước sóng phát xạ của laser được ổn định. Khi thay đổi nhiệt độ đế laser dẫn tới phổ phát xạ của laser cũng thay đổi, sự thay đổi đó được quan sát thông qua máy phân tích phổ quang. Hình 4.4. Máy đo phổ quang (OSA) với băng tần từ 600 nm đến 1700 nm, độ phân giải phổ 0,01 nm Thiết bị đo phổ Advantest Q8384 là máy phân tích phổ chuyên dụng cho sợi quang sử dụng cách tử nhiễu xạ. Thiết bị Q8384 có độ phân giải phổ theo bước sóng 10pm, độ chính xác của bước sóng đo ±20pm, vùng bước sóng hoạt động từ 600nm đến 1700nm, vùng công suất quang đo được từ -87dBm đến 23dBm (tương đương từ 1 pico-watt đến 200 mW). Thiết bị sử dụng màn hình hiển thị LCD màu và các phím
59 điều khiển trên mặt máy với hướng dẫn sử dụng rất tiện lợi. Số liệu đo đạc được lấy ra bằng ổ đĩa mềm 3.5 inch hoặc đồ thị qua máy in nội. Laser DFB là laser diode phát xạ đơn mốt với độ bán rộng phổ  <0,2 nm và có bước sóng phát xạ 1550.5 nm ở nhiệt độ phòng. Khi nhiệt độ đế laser thay đổi dẫn tới chiết suất của cách tử trong cấu trúc của laser DFB bị thay đổi chiết suất, độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn dùng chế tạo laser bị mở rộng. Sự thay đổi chiết suất của cách tử gây ra sự thay đổi bước sóng cộng hưởng trong buồng cộng hưởng của laser, sự mở rộng vùng cấm làm cho phổ profil phát xạ của chất bán dẫn cũng thay đổi dẫn tới làm thay dịc phổ phát xạ của nó. Phổ phát xạ của laser DFB ở một vài nhiệt độ được trình bày trên hình 4.5. 0 23 C 0 0 30 C 0 15 C -10 -20 -30 Power (dBm) Power -40 -50 -60 1540 1545 1550 1555 1560 Wavelength (nm) Hình 4.5. Phổ phát xạ của laser DFB bị dịch do thay đổi nhiệt độ Laser DFB có bước sóng phát xạ 1550.5 nm ở nhiệt độ phòng (23oC). Khi nhiệt độ đế tang lên 35 oC bước sóng của laser bị dich về bước sóng dài một khoảng 0.65 nm. Khi nhiệt độ đế giảm xuống 10 oC thì bước sóng phát xạ của laser dịch về bước sóng ngắn so với khi ở nhiệt độ phòng một khoảng 0.55 nm. Để khảo sát chi tiết hơn sự phụ thuộc của bước sóng phát xạ của laser DFB vào sự thay đổi của nhiệt độ đế. Chúng tôi đã thay đổi nhiệt độ đế của laser trong vùng 10- 50 oC với mỗi bước là 1 oC. Với mỗi bước thay đổi nhiệt độ chúng tôi thu được một bước sóng phát xạ của laser DFB. Như vậy trong khoảng nhiệt độ trên chúng tôi thu được tỷ lệ / T của laser DFB là 77,5 pm.K-1. Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bước sóng phát xạ của laser trình bày trên hình 4.6
60 1554.0 1553.5 1553.0 1552.5 1552.0 1551.5 1551.0 (nm) wavelength Lasing 1550.5 10 20 30 40 50 Laser substrate temperature (oC) Hình 4.6. Đồ thị sự phụ thuộc bước sóng phát xạ của laser DFB vào sự thay đổi nhiệt độ của đế. 4.2. Khảo sát sự phụ thuộc của bước sóng phản xạ của cách tử vào nhiệt độ Theo các nghiên cứu gần đây về cách tử Bragg trong sợi quang. Độ nhạy của nhiệt độ theo bước sóng của FBG trong sợi thủy tinh thuần là 11pm/ 0C [2-3]. Với độ nhạy đó nếu sử dụng máy phân tích phổ quang của chúng tôi có độ phân giải 10pm/0C để quan sát sẽ dẫn đến sai số của kết quả đo. 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 tác dụng lên cách tử. 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 tiến hành trộn hạt nano CdSe với keo epoxy sau đó bọc bên ngoài cách tử như hình 4.7 Hình 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)
61 Đầu tiên chúng tôi trộn hạt nano CdSe kích thước 6-10 nm với keo epoxy sau đó bọc bên ngoài cách tử với chiều dầy 1000-1500 nm. Tiếp theo chúng tôi bọc ống teflon với đường kính d=10mm ra bên ngoài cách tử đã được bọc hạt nano. Với phương pháp trộn hạt nano vào vật liệu trước khi bọc đảm bảo được vật liệu bọc được phủ đồng nhất lên cách tử. Do vậy chúng tôi tôi tránh được hiện tượng giãn phổ hoặc phá hủy cách tử do ứng suất lực tác dụng không đồng nhất lên cách tử.Chúng tôi sử dụng cách tử đã được bọc đặt lên một đế Đồng sau đó cho vào buồng điều khiển nhiệt độ và tiến hành đo bước sóng phản xạ của cách tử ở các nhiệt độ khác nhau. Sơ đồ khảo sát cách tử đã được bọc trình bày như trên hình 4.8 Cách tử được bọc ống teflon/ hạt nano Cdse Circulator EDFA 1 2 3 Hệ thống điều khiển nhiệt độ Máy phân tích phổ quang Hìn h.4.8. Sơ đồ khảo sát sự phụ thuộc bước sóng phản xạ của cách tử Bragg vào sự thay đổi nhiệt độ Phổ phát xạ tự phát của EDFA (Erbium Drop Fiber Amplifier) có bước sóng trong vùng 1525- 1565 nm được đưa vào cổng 1 của bộ circulator. Ánh sáng của phổ nguồn được truyền tới cách tử Bragg gắn trên cổng 2.Tại đây bước bước sóng nào thỏa mãn định luật Bragg sữ được cách tử phản xạ lại. Bước sóng phản xạ từ cách tử được quan sát bằng máy phân tích phổ quang (Advantest Q8383) gắn trên cổng 3 của bộ circulator. Sử dụng hệ thống điều khiển nhiệt độ chúng tôi thay đổi nhiệt độ từ 0oC đến 110 oC với mỗi bước thay đổi là 5oC tác động lên cách tử Bragg dẫn tới thay đổi bước sóng phản xạ của cách tử. Ở nhiệt độ phòng 23 0C bước sóng phản xạ của cách tử 0 1551.056 nm. Khi giảm nhiệt độ xuống 10 C bước sóng phản xạ của cách tử bị dịch về bước sóng 1551.09 nm. Khi tăng nhiệt độ lên 100 0C bước sóng phản xạ của cách tử dịch về bước sóng 1553.3 nm. Phổ phản xạ của cách tử có độ bán rộng phổ là 0.18 nm và không bị thay đổi khi nhiệt độ thay đổi tử 10 0C đến 100 0C được trình bày trên hình 4.9
62 -20 0 0 85 C 0 0 23 C 100 C 10 C 0.18 nm 0.18 nm -30 -40 Intensity (dBm) Intensity -50 1550 1551 1552 1553 1554 1555 Wavelength (nm) H ình 4.9. Sự dịch bước sóng phản xạ của cách tử gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ trong o khoảng 10 -100 C Cách tử sau khi được phủ hạt nano CdSe có thể được bọc lại bằng nhiều vật liệu có hệ đáp ứng nhiệt cao như Polymer, Teflon hay kim loại . Chúng tôi chọn Teflon vì FBG có bước sóng phản xạ trùng với bước sóng phát xạ của laser DFB ở nhiệt độ phòng (23oC). Sự phụ thuộc phi tuyến của bước sóng phản xạ của cách tử được bọc vào sự thay đổi của nhiệt độ trong vùng 0-110oC được trình bày trên hình 4.10. Điều này có nghĩa là để đo nhiệt độ môi trường bởi cảm biến FBG đã được bọc chúng ta phải có dữ liệu nền của sự dịch bước sóng của FBG trong một vùng nhiệt độ cụ thể. Trong vùng nhiệt độ 0-110oC cách tử được phủ hạt nano và bọc Teflon có bước sóng phản xạ dịch 3 nm và có độ đáp ứng nhiệt trung bình là 22,7pm/0C. 1553.5 1553.0 1552.5 1552.0 1551.5 1551.0 FBG reflection wavelength (nm) wavelength reflection FBG 1550.5 0 20 40 60 80 100 120 o Temperature in Testing Box ( C) Hình 4.10. Sự phụ thuộc bước sóng phản xạ của FBG vào nhiệt độ môi trường
63 4.3. Thiết lập cấu hình hệ cảm biến đo nhiệt độ Với ý tưởng điều khiển bước sóng phát xạ của laser DFB trùng với bước sóng phản xạ của cách tử Bragg để xây dựng một cấu hình cảm biến mới. Chúng tôi đã tiến hành các thí nghiệm để thu nhận số liệu của sự phụ thuộc của bước sóng phát xạ của laser vào nhiệt độ đế cũng như sự phụ thuộc của bước songs phản xạ của cách tử vào nhiệt độ môi trường. Trong phần này chúng tôi trình bày cấu hình cảm biến theo sơ đồ trên hình 4.11 Cách tử được bọc hạt Circulator nano / Teflon Laser DFB 1 2 3 Hệ thống điều Buồng điều khiển khiển nhiệt độ đế nhiệt độ Thiết bị Dao động ký chuyển đổi điện tử quang điện Hình 4.11. Sơ đồ cấu hình cảm biến đo nhiệt độ sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang Laser DFB được gắn trên hệ thống điều khiển nhiệt độ trong vùng 10- 50oC đồng thời nó được nối với cổng 1 của bộ Circulator. Ánh sáng phát xạ từ laser được truyền tới cổng 2, tại đây có gắn cách tử được bọc hạt nano/Teflon đăt trên tấm Đồng bên trong của buồng điều khiển nhiệt độ trong vùng 0- 110oC. Khi ánh sáng tới thỏa mãn điều kiện phản xạ của định luật Bragg ánh sáng này sẽ được truyền tới thiết bị biến đổi quang điện gắn trên cổng 3. Hình 4.12. Thiết bị biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện
64 Thiết bị biến đổi quang điện có một photodiode để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện để phục vụ cho quá trình xử lý tín hiệu. Bộ thu này còn có nhiệm vụ khuếch đại và lọc tín hiệu thu được. Thiết kế mạch điện tử của thiết bị bao gồm khối nguồn sẽ tạo ra thế một chiều -5V/+5V ổn định để định thiên cho các tầng khuếch đại. Mạch nguồn này là mạch nguồn phổ dụng sử dụng một mạch cầu để chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thế xoay chiều đưa vào, các tụ nguồn được sử dụng để là phẳng thế sau chỉnh lưu và đưa tới lối vào hai IC ổn thế âm dương 7905 và 7805. Lối ra là thế ổn định - 5V/+5V. Lối vào -5V sẽ được dùng để phân cực ngược cho photodiode trong module thu PINFET MODULE. Tín hiệu quang lối vào sẽ biến đổi thành tín hiệu điện nhờ một photodiode phân cực ngược. Sau đó tín hiệu này sẽ được khuếch đại nhờ một bộ khuếch đại có phản hồi và điều khiển khuếch đại tự động AGC. Sau đó tín hiệu qua một bộ đệm rồi ra ngoài. Sơ đồ mạch in được chỉ ra trong hình 4.13 Hình 4.13. Sơ đồ mạch in của bộ thu và xử lý tín hiệu quang Tín hiệu sau khuếch đại được đưa ra ngoài nối đến một kênh của dao động ký điện tử để quan sát. Hình 4.14. Dao động ký điện tử dùng đo tín hiệu điện trên photodiode trong hệ cảm biến
65 Tại nhiệt độ phòng (23oC) laser DFB có bước sóng phát xạ 1550.5nm trùng với bước sóng phản xạ của cách tử do vậy chúng tôi thu được tín hiệu điện trên photodiode thông qua dao động ký điện tử là 2.07V. Chúng tôi thực hiện điều chỉnh nhiệt độ buồng chứa FBG lên 30oC và dữ nguyên nhiệt độ đế laser ở nhiệt độ phòng khi đó bước sóng phản xạ của cách tử dịch về bước sóng 1551.826 nm không còn trùng với bước sóng phát xạ của laser. Do vậy chúng tôi không thu được tín hiệu điên trên photodiode. Tiếp theo chúng tôi giữ nguyên nhiệt độ đặt lên cách tử đồng thới tiến hành thay đổi nhiệt độ đế laser lên 25.8 oC theo đường đặc tuyến của laser đã khảo sát. Khi đó bước sóng phát xạ của laser 1551.84 nm sấp xỉ với bước sóng phát xạ của FBG do vậy chúng tôi thu được tín hiệu trên photodiode là 2.05V. Chúng tôi tiến hành điều chỉnh nhiệt độ của FBG và nhiệt độ trên đế laser từng bước theo đường đặc tuyến đã thu được từ 2 phần trên chúng tôi thu được tín hiệu điện lớn nhất của photodiode hiện thị trên dao động ký điênh tử trình bày trong bảng 4.1 Bảng 4.1. Cường độ tín hiệu lớn nhất của Photodiode so với sự thay đổi nhiệt độ của FBG và laser diode Nhiệt độ của hộp Bước sóng của Nhiệt độ trên đế Bước sóng phát xạ Cường độ lớn nhât o o chứa FBG ( C) FBG λB (nm) laser ( C) của laser λL (nm) trên photodiode V) 0 1550.620 10.94 1550.61 2.07 10 1551.056 16.2 1551.06 2.07 20 1551.610 22.6 1551.61 2.05 30 1551.826 25.8 1551.84 2.03 40 1552.096 29.2 1552.10 2.02 50 1552.276 31.8 1552.30 1.97 60 1552.626 35.9 1552.58 1.90 70 1552.846 39.0 1552.85 1.81 80 1553.056 41.7 1553.05 1.67 90 1553.236 44.5 1553.21 1.51 100 1553.376 46.3 1553.27 1.47 Bảng 4.1 trình bày sự so sánh giữa sự dịch bước sóng của FBG trong vùng nhiệt độ 0- 100oC và nhiệt độ của đế laser trong vùng 10-50oC với cường độ tín hiệu điện lớn nhất trên photodiode. Sai số của tín hiệu điện là ± 0.2V. Cường độ tín hiệu điện trên lớn nhất của photodiode trong khoảng 2.05 ± 0.2V khi bước sóng phát xạ từ laser và bước sóng phản xạ của cách tử trùng nhau trong vùng nhiệt độ 0-300C và nó sẽ bị giảm khi nhiệt độ đế laser lớn hơn 30oC. Kết quả đo của cảm biến nhiệt độ của chúng tôi có độ chính xác ± 0.3oC. Đặc biệt là bước sóng của FBG bị dịch do tác động của
66 tác nhân vật lý của môi trường có thể đo đước thông qua đo sự thay đổi nhiệt độ đế laser mà không sử dụng máy phân tích phổ quang. Nếu chúng ta có dữ liệu nền của sự dịch bước sóng của FBG do tác các nhân vật lý và bước sóng phát xạ của laser do thay đổi nhiệt độ đế.
67 Kết luận Với ý tưởng kết hợp giữa sự phụ thuộc của bước sóng phản xạ của cách tử và bước sóng phát xạ của laser vào sự thay đổi nhiệt độ. Chúng tôi đã xây dựng cấu hình cảm biến đo nhiệt độ sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang mà không sử dụng đến máy phân tích phổ quang. Chúng tôi đã tiến hành các thực nghiệm chế tạo cách tử Bragg trong sợi quang; khảo sát phổ phát xạ của laser DFB và phổ phản xạ của cách tử Bragg. Chúng tôi đã thu được: 3 cách tử Bragg ở bước sóng 1550.08nm, 1557.198nm, 1557.3nm ;độ nhạy của bước sóng phát xạ của laser vào nhiệt độ là 77,5 pm/ 0C trong vùng nhiệt độ 10-50 0C và độ nhạy của bươc sóng phản xạ của cách tử Bragg đã được bọc hạt nano CdSe/Teflon vào nhiệt độ là 27,2pm/ 0C trong vùng nhiệt độ 0 -100oC . Dựa trên những kết quả đó chúng tôi thiết lập cấu hình hệ cảm biến đo nhiệt độ với sai số ± 0.3oC. Chúng tôi điều khiển nhiệt độ trên đế laser sao cho bước sóng phát xạ của nó trùng với bước sóng phản xạ của FBG đã được bọc hạt nano CdSe/Teflon bị dịch do tác động của các yếu tố vật lý của môi trường như nhiệt độ, để xác định độ dịch của bước sóng của FBG trong phạm vi vài nm. Điều đó có nghĩa các bộ cảm biến được đề xuất có thể áp dụng để đo lường sự thay đổi FBG bước sóng mà không cần sử dụng thiết bị phân tích phổ chi phí lớn. Chúng tôi tin rằng các cảm biến FBG mới có một tiềm năng lớn cho các ứng dụng trong xây dựng dân dụng. Lời Cảm Ơn: Đề tài được hỗ trợ kinh phí bởi nhiệm vụ nghiên cứu khoa học cấp cơ sở dành cho cán bộ trẻ của Viện khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trong quá trình thực hiện đề tài có sử dụng các thiết bị của phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về vật liệu và linh kiện điện tử.
68 Tài liệu tham khảo tiếng Anh 1. Dong X., Huang Y., Lang K., Zhang W., Kai G., Dong X. J.Microw, Temperature compensation for micro-vibration sensor with fiber grating, Opt. Tech. Lett. 42 (2004) 474-476. 2. Chen Q.Y., Lu P. Atomic, Molecular and Optical Physics, Ed. by Chen L.T., Nova Sci. Publisher Inc. (2008) 235-260. 3. Francis, To So Yu Shizhuo Yin, Fiber Optics Sensor, Marcel Dekker, Inc., ISBN: 0-8247-0732-X. 4. Gianluca Gagliardi , Mario Salza, Pietro Ferraro, Edmond Chehura, Ralph P. Tatam, Tarun K. Gangopadhyay, Nicholas Ballard, Daniel Paz-Soldan, Jack A. Barnes, Hans-Peter Loock , Timothy T.-Y. Lam, Jong H. Chow and Paolo De Natale, Optical Fiber Sensing Based on Reflection Laser Spectroscopy, Sensors 2010, 10, 1823-1845. 5. Govind P. Agrawal, Fiber-Optic Communications Systems, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc. 2002, ISBNs: 0-471-21571-6 (Hardback); 0-471-22114-7 (Electronic). 6. Jung J., Nam H., Lee B., Byun J.O., Kim N.S.,Meltz G. and Morey W.W., Fiber Bragg grating cryogenic temperature sensors,Proc. SPIE, v.1516 (1991) 185-199. 7. Paren Saidi Reddy, Ravinuthala L.N.Sai Parasad, Kaminenin Srimannarayana, Maduvarasu Sai Shankar, Dipankar Sen Gupta, Anovol method for high temperature measurements using fiber Bragg grating sensor, Optica Appplicata, Vol.XL, No. 3, (2010). 8. Pham Van Hoi, Phan Thanh Binh, Pham Tran Tuan Anh, Ha Xuan Vinh, Chu Thi Thu Ha, Nguyen Thu Trang, Spectra profile expantion of Bragg wavelength on nano - particle embedde fiber - Bragg-grating. Sensor and Actuators A 141 (2008) 334-338. 9. Qiying Chen and Ping Lu, Fiber Bragg Grating and Their Applications as Temperature and Humidity Sensor, Nova Science Publishers, Inc., 2008, pp. 235-260, ISBN: 978-1-60456-907-0. 10. S.M.Sze, Kwok K. Ng, Physics of semiconductor devices, Third Edition, A John Wiley & Sons, JNC., Pulication, 2007, ISBN-I 3: 978-0-47 1-1 4323-9, ISBN-10: 0-471-14323-5. 11. Tao Fu, Jiuming Fanb, Chang Wang, Tongyu Liu, A novel multifunctional optical fiber sensor based on FBG and fiber optic coupler, Proc. of SPIE Vol. 6933, 693317, (2008).
Công trình công bố 1. Nguyen The Anh, Pham Thanh Son, Nguyen Thuy Van, Hoang Thi Hong Cam, Ngo Quang Minh, Bui Huy, and Pham Van Hoi. “Determination of wavelength shift of fiber Bragg grating sensors by tunable single-mode diode laser”. Communications in Physics, Vol.23, No.1 (2013), pp.67-73. 2. Pham Van Hoi, Bui Huy, Nguyen The Anh, Pham Thanh Son, Nguyen Thuy Van, Hoang Thi Hong Cam, and Ngo Quang Minh, “Optical devices based on photonics crystals”, Tạp chí khoa học và Công nghệ 51 (2A) 2013 19-30.