Nghiên cứu ứng dụng cách tử quang sợi Bragg với chu kỳ nanô trong kỹ thuật sensor nhiệt độ và vi dịch chuyển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





TRẦN THÀNH CÔNG




NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁCH TỬ QUANG SỢI
BRAGG VỚI CHU KỲ NANO TRONG KỸ THUẬT
SENSOR NHẠY NHIỆT ĐỘ VÀ VI DỊCH CHUYỂN








Người hướng dẫn: PGS,TS Trần Thị Tâm


Hà Nội – 2008



1

MỤC LỤC
Lời cảm ơn i
Lời cam đoan ii
Danh mục các bảng biểu iii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị iii
Danh mục các từ viết tắt iv
MỤC LỤC 1
MỞ ĐẦU 4
CHƢƠNG 1: SƠ LƢỢC VỀ SỢI QUANG 6
1.1. Sơ lược về sợi quang 6
1.1. 1. Các thông số về sợi quang 6
1.1.2. Sự biến đổi chiết suất của sợi quang 7
1.1.3. Cấu trúc sợi quang 7
1.1.4. Một số phương pháp chế tạo sợi quang 8
1.1.5. Phân loại sợi quang 8
1.2. Các loại cách tử 10
1.2.1. Cách tử răng cưa 10
1.2.2. Cách tử hình sin 10
1.2.3. Cách tử lớp 10
1.2.4. Cách tử Bragg 11
1.2.5. Cách tử quang sợi Bragg 11
CHƢƠNG2: CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG 12
2.1. Khái niệm cách tử quang sợi Bragg (FBG) 12
2.2. Các tính chất của cách tử quang sợi Bragg 12
2.2.1. Các tính chất chung 12
2.2.2. Sự phụ thuộc của bước sóng Bragg vào nhiệt độ và sự kéo căng 13
2.3. Chế tạo cách tử quang sợi Bragg 15
2.3.1. Vật liệu để chế tạo cách tử quang sợi Bragg 15
2.3.2. Các kỹ thuật quang khắc cách tử quang sợi Bragg 16

2
2.4 Các loại cách tử đặc biệt 21
2.5. Ứng dụng của cách tử quang sợi Bragg 23
2.5.1. Bộ lọc bước sóng và WDM 23
2.5.2. Thiết bị bù tán sắc 24
2.5.3. Thiết bị laser và khuyếch đại quang 24
2.5.4. Thiết bị sensor 25
CHƢƠNG 3: CÁC SENSOR DỰA TRÊN CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG 26
3.1. Các loại sensor dựa trên cách tử quang sợi Bragg 26
3.1.1. Sensor đo độ căng 26
3.1.2. Sensor đo dịch chuyển 27
3.1.3. Sensor đo nhiệt độ 28
3.1.4. Sensor đo áp suất 29
3.1.5. Sensor đo gia tốc 29
3.1.6. Sensor đo sóng âm 30
3.2. Một số hướng nghiên cứu đáng quan tâm về sensor dựa trên FBG 32
3.2.1.Các phương pháp phân tích số liệu tích hợp 32
3.2.2.Các phương pháp phân tách, đo kết hợp nhiều thông số 34
3.2.3.Tích hợp FBG trong các cấu trúc và các hệ vật liệu thông minh 36
3.3. Những ưu điểm chính của sensor dựa trên cách tử FBG 37
3.3.1. Kích thước nhỏ 37
3.3.2. Khả năng đa tích hợp cao 37
3.3.3.Không bị nhiễu loạn bởi điện trường 38
3.3.4. Khả năng ứng dụng đa dạng 38
3.3.5. Lắp đặt dễ dàng và giá thành rẻ 38
3.3.6. Khả năng đo đạc ở những khoảng cách xa 38
3.3.7. Tuổi thọ cao 38
3.4. Thị trường của sensor dựa trên cách tử FBG 38

CHƢƠNG 4: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT SENSOR ĐO VI DỊCH CHUYỂN
VÀ NHIỆT ĐỘ DỰA TRÊN CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG 41
4.1. Sensor đo vi dịch chuyể n 41


3
4.1.1. Thiết kế 41
4.1.2. Chế tạo 42
4.1.3. Nguyên tắc hoạt động 44
4.1.4. Kết quả thực nghiệm 45
4.2. Khảo sát độ nhạy nhiệt độ của cách tử quang sợi Bragg 47
4.2.1. Nguyên tắc 47
4.3.2. Thực nghiệm 47
4.2.3. Về vấ n đề nâng cao độ nhạy của sensor nhiệt độ FBG 49
KẾT LUẬN 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO 55



iii
Danh mục các bảng biểu

Bảng 1. Hệ số giãn nở nhiệt của một số loại vật liệu
Bảng 2. Hệ số giãn nở nhiệt ảo tính theo k

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình1.1. Cấu trúc của một sợi quang
Hình 1.2. Cầu trúc của một đơn mode
Hình 1.3. Cấu trúc của sợi quang đa mode
Hình 1.4. Sự truyền sóng trong các sợi quang khác nhau

Hình 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg
Hình 2.2. Sự điều biến hệ số chiết suất của lõi sợi quang
Hình 2.3. Ảnh của vật liệu loại chế tạo từ TEOS nguyên chất
Hình 2.4: Hạt nano zieconia trong vật liệu lai ASZ
Hình 2.5. Sơ đồ khảo sát sự giao thoa giữa hai tia sáng S
1
và S
2

Hình 2.6. Sơ đồ khảo sát sự giao thoa của hai chùm tia
Hình 2.7. Chế tạo sợi quang bằng phương pháp giao thoa hai chùm tia
Hình 2.8. Quy trình chế tạo FBG bằng mặt nạ quang
Hình 2.9 . Hình ảnh một thiết bị quang khắc
Hình.2.10. Hình ảnh một hệ quang khắc
Hình 2.11. Cấu trúc của một số loại cách tử FBG
Hình 2.12. Phổ phản xạ của một số loại cách tử
Hình 2.13. Một hệ WDM có sử dụng cách tử Bragg quang sợi
Hình 3.1. Hình ảnh về sensor đo độ căng của nhóm Hideaki và cộng sự
Hình 3.2. Một số loại sensor đo sức căng trên thị trường
Hình 3.3. Sơ đồ một sensor đo dịch chuyển cỡ rộng
Hình 3.4. Cấu trúc của một loại sensor đo nhiệt độ
Hình 3.5. Cấu trúc của sensor đo áp suất
Hình 3.6. Cấu trúc của sensor đo gia tốc
Hình 3.7. Sóng âm gây nên sự biến dạng cách tử khi truyền qua
Hình 3.8 . Tín hiệu sóng âm thu nhận bởi sensor dựa trên FBG
Hình 3.9. Sơ đồ mạng 5x12 sensor được nhận biết bằng phương pháp bẫy tín hiệu
Hình 3.10. Kỹ thuật dùng phổ tán sắc
Hình 3.11. Sơ đồ mạng sensor sử dụng
phương pháp TDM/WDM

iv
Hình 3.12. Cấu trúc của một hệ đo đồng thời áp suất và nhiệt độ
Hình 3.13. So sánh kích thước của một sensor đo độ căng FBG và một sensor điện tử
tương đương
Hình 3.14. Rất nhiều sensor FBG có thể được tích hợp trong một mạng lưới.
Hình 3.15. Các sensor FBG được sử dụng để theo dõi chất lượng đường ống dẫn dầu
Hình 4.1. Mô hình đơn giản của sensor đo vi dịch chuyển dựa trên cách tử FBG
Hình 4.2. Bản thiết kế chi tiết cấu trúc của sensor đo vi dịch chuyển sử dụng FBG
Hình 4.3. Cơ cấu của hệ cơ học trước khi lắp đặt sợi quang
Hình 4.4. Hệ khảo sát hoạt động của sensor đo vi dịch chuyển
Hình 4.5. Phổ phản xạ của cách tử tại hai mức dịch chuyển khác nhau
Hình 4.6. Đồ thị biểu diễn sự chuyển dịch của bước sóng Bragg theo độ dịch chuyển
Hình 4.7. Sơ đồ hệ thí nghiệm khảo sát độ nhạy nhiệt độ của cách tử quang sợi Bragg
Hình 4.8. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi bước sóng theo nhiệt độ
Hình 4.9. Phổ phả n xạ củ a cá ch tử Bragg tạ i cá c nhiệ t độ khá c nhau
Hình 4.10. Sơ đồ mô tả hai loại vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau
Hình 4.11. Cấu trúc nhằm tăng cường độ nhạy của sensor đo nhiệt độ

Danh mục các từ viết tắt
FBG: Cách tử quang sợi Bragg






4
MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, vấn đề kiểm soát độ bền các công trình xây dựng và các
kiến trúc dân sinh đang ngày càng đƣợc quan tâm, đòi hỏi phải có sự theo dõi độ biến dạng
của các kết cấu theo thời gian. Thêm vào đó là sự biến động về địa chất tạo ra các vết nứt
đất ảnh hƣởng tới độ bền của các công trình xây dựng , kiến trúc dân sinh. Ít nhiều chúng đã
gây ra những thảm hoạ thiên nhiên gây thiệt hại to lớn cho con ngƣời.

Một vấn đề lớn đƣợc đặt ra là làm sao có thể ghi nhận và dự đoán trƣớc đƣợc
những sự thay đổi đó, kể cả trong các lớp địa tầng, địa chất để có thể giảm thiểu tối đa
thiệt hại?
Một trong những câu trả lời là phải tiến hành đo độ biến dạng, đo độ vi dịch
chuyển của lớp địa tầng nơi khảo sát, của các kết cấu xây dựng, từ đó đƣa ra các giải
pháp phòng ngừa thích hợp.

Sensor sử dụng cách tử Bragg là một loại sensor hiện đại, mới đƣợc phát triển
trong khoảng 20 năm gần đây. Với hàng loạt những ƣu điểm nổi bật nhƣ dễ chế tạo, độ
nhạy cao, dễ lắp đặt, không chịu ảnh hƣởng của điện từ trƣờng, khả năng đa tích hợp
lớn [27,29], loại sensor này đang ngày càng tỏ ra có một thị trƣờng tiềm năng to lớn.
Đặc biệt, nó rất hữu ích trong các kỹ thuật đo từ xa, đo trên diện rộng[4,24], hay trong
việc kiểm soát các thông số của các lớp địa tầng, địa chất, các công trình xây dựng,
cầu cống, hầm mỏ[2]. Sensor sử dụng cách tử Bragg cũng đã đƣợc nghiên cứu nhằm
ứng dụng trong các ngành công nghiệp hạt nhân [3], công nghiệp vũ trụ[15].
Thêm vào đó, khả năng ứng dụng của sensor sử dụng cách tử quang sợi Bragg
cũng rất đa dạng. Sử dụng cách tử Bragg có thể chế tạo các loại sensor đo dịch chuyển,
sức căng, nhiệt độ, áp suất [8,34,30] vv với độ chính xác khá cao.
Nhƣ vậy, ta có thể thấy rằng tiềm năng ứng dụng của các sensor dựa trên cách tử
Bragg là rất lớn, từ những ứng dụng thƣờng gặp trong đời sống hàng ngày đến những
ứng dụng trong các lĩnh vực đặc biệt, từ các ngành công nghiệp truyền thống nhƣ cầu
cống, hầm mỏ đến những ngành công nghiệp hiện đại nhƣ công nghiệp hạt nhân, hàng
không vũ trụ v.v Chính vì thế mà nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đã tập trung
nghiên cứu nhằm phát triển ngành sensor dựa trên loại cách tử quang sợi Bragg này.

Nắm bắt đƣợc xu thế này, ở Việt Nam hiện nay, đã có một số nhóm bƣớc đầu
triển khai các đề tài nghiên cứu nhằm sử dụng cách tử Bragg trong kỹ thuật sensor,
chẳng hạn nhƣ nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Nguyễn Văn Hội, Viện Khoa học Vật
liêu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Đi cùng xu thế nghiên cứu ấy và nhận thấy đƣợc tầm quan trọng của lĩnh vực
nghiên cứu này, hơn nữa, các điều kiện để triển khai nghiên cứu lại không hề tốn kém,


5
đòi hỏi kỹ thuật cao cũng nhƣ đầu tƣ đắt tiền, nghĩa là việc triển khai đề tài nghiên cứu
này hoàn toàn phù hợp với điều kiện nghiên cứu của Việt Nam. Do đó, tôi đã chọn đề
tài này để nghiên cứu với mục tiêu thiết lập những kỹ thuật bƣớc đầu nhằm chế tạo các
loại sensor đo vi dịch chuyển với độ nhạy tới cỡ vài µm và sensor đo nhiệt độ với độ
nhạy tới 2
o
C. Hy vọng rằng trong tƣơng lai không xa, có thể đƣa đƣợc những kỹ thuật
này ứng dụng trong thực tế để khảo sát sự biến dạng ở một số khu vực địa tầng, địa
chất nhất định.

Nội dung của luận văn đƣợc chia làm bốn chƣơng:
Chƣơng 1. Sơ lƣợc về dẫn sóng quang và sợi quang
Chƣơng 2. Cách tử quang sợi Bragg
Chƣơng 3.Các sensor dựa trên cách tử quang sợi Bragg
Chƣơng 4. Chế tạo sensor vi dịch chuyển và nhiệt độ dựa trên cách tử Bragg

Cuối cùng là phần kết luận và một số đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai
nhằm cải thiện hơn nữa chất lƣợng của thiết bị.

Luận văn này đƣợc thực hiện trong khuôn khổ của đề tài: QC.06.23,

ĐHQG Hà Nội.



















6
CHƢƠNG 1
SƠ LƢỢC VỀ SỢI QUANG
1.1. Sơ lƣợc về sợi quang
1.1. 1. Các thông số về sợi quang

Sợi quang gồm một lõi dẫn có chiết suất n
1
, bán kính a. Lớp vỏ cũng là vật liệu
dẫn quang bao xung quanh lõi có chiết suất n

2
và có bán kính b. Các tham số n
1
, n
2
, a
quyết định tính chất truyền dẫn của sợi quang. Đó là các tham số cấu trúc. Các chiết
suất n
1
và n
2
khác nhau rất ít nên độ lệch chiết suất tỷ đối ∆ thƣờng rất nhỏ (∆<<1)

Δ
11
21
2
1
2
2
2
1
2
n
n
n
nn
n
nn







(1.1)
Phần lớn các sợi quang dùng trong thông tin quang hiện nay thƣờng đƣợc chế tạo
từ Silica (SiO
2
) có độ sạch cao. Sự thay đổi nhỏ của chiết suất đƣợc tạo ra khi pha một
lƣợng nhỏ các tạp chất (ví dụ nhƣ titan, germani…) vào trong silica. Bình thƣờng,
chiết suất của có giá trị thay đổi từ 1,44 đến 1,46, còn ∆ có giá trị trong khoảng 0,001
tới 0,02.

Khi chùm ánh sáng từ bên ngoài không khí đi vào, để có thể lan truyền trong sợi
quang thì góc θ phải nhỏ hơn một góc θ
c
giới hạn. Áp dụng định luật Snell, mối tƣơng
quan giữa góc tới từ không khí θ
a
và góc khúc xạ tới hạn θ
c
cần phải thỏa mãn phƣơng
trình sau:

sin θ
a
= n
1
sin θ

c
(1.2)


với điều kiện phản xạ toàn phần từ thành của lõi sợi quang giữa hai môi trƣờng có
chiết suất n
1
và n
2
ta có:

2 1/ 2
1
sin (1 os )
ac
nc


=
2 2 1/ 2
12
()nn
(1.3)
Bởi vậy:

2 2 1/2
12
arcsin(n -n )
a



(1.4)
Giá trị NA= đƣợc gọi là khẩu độ số của sợi quang. Góc θ
a
là góc nhận của sợi
quang, đây là thông số quyết định cho việc thiết kế hệ kết hợp cho ánh sáng ra và vào
sợi quang.
Khẩu độ số là thông số đặc trƣng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn laser với
sợi quang. Giá trị khẩu độ số thƣờng nằm trong khoảng từ 0,14 đến 0,50.
Kích thƣớc của lõi và vỏ các sợi quang tiêu chuẩn hiện nay đƣợc dùng trong
thông tin (2a/2b) là (8/125), (50/125), (62,5/125), (85/125), (100/140) μm.


7
Nếu sợi quang là sợi đơn mode thì nó chỉ có một mode lan truyền. Bƣớc sóng
nhỏ nhất tại đó sợi quang làm việc nhƣ sợi đơn mode đƣợc gọi là bƣớc sóng cắt:


22
12
2
2.045
c
a n n




(1.5)
1.1.2. Sự biến đổi chiết suất của sợi quang

Sự biến thiên chiết suất của có thể biểu thị thông qua công thức sau:

n(r)=
1
1 2 ( )
g
r
n
a

với -a≤r≤a (1.6)
n(r)=n
2
với
ra
(1.7)
Ngày nay có rất nhiều vật liệu chế tạo sợi quang, song các sợi quang đƣợc sử
dụng thông dụng trong viễn thông đều đƣợc chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh có chiết
suất là:
n=
5,1
r

(1.8)
Trong đó ε
r
là hằng số điện môi tƣơng ứng của vật liệu.
Khi muốn thay đổi chiết suất thì trong quá trình chế tạo lõi và vỏ sợi, chẳng hạn
từ thuỷ tinh, thạch anh, ngƣời ta thêm hoạt chất vào, ví dụ:

-cho GeO
2
làm tăng chiết suất
-Cho Fluoride làm giảm chiết suất.
1.1.3. Cấu trúc sợi quang
Cấu trúc chính của một sợi quang bao gồm lõi pha tạp đƣợc bọc bên trong một lớp
thuỷ tinh. Chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của lớp bọc để tạo ra sự phản xạ toàn phần
giữa mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc. Hình vẽ dƣới đây (1.1) chỉ ra cấu trúc điển hình của
một sợi quang.
Lớp phủ hay lớp bảo vệ thứ nhất có tác dụng bảo vệ sợi quang chống lại sự xâm
nhập của hơi nƣớc, tránh sự va đập, trầy xƣớc gây nên vết nứt vỡ và giảm ảnh hƣởng
của vi uốn cong. Lớp vỏ có tác dụng tăng cƣờng sức chịu đựng của sợi quang trƣớc
các tác động cơ học và sự thay đổi nhiệt độ.



8



1.1.4. Một số phương pháp chế tạo sợi quang
Vật liệu thích hợp nhất để chế tạo sợi quang là sợi thuỷ tinh. Thuỷ tinh đƣợc tạo
ra từ các hỗn hợp oxit kim loại nóng chảy, sulfide hoặc selenide. Chúng tạo ra một vật
liệu sợi có cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp. Loại thuỷ tinh trong suốt tạo ra các
sợi dẫn quang chính là thuỷ tinh ôxit, trong đó đioxit silic (SiO
2
) là loại ôxit thông
dụng nhất để chế tạo sợi quang. Nó có chỉ số chiết suất tại bƣớc sóng 850 nm là 1,458.
Công nghệ chế tạo sợi quang thông thƣờng bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất
là giai đoạn công nghệ lắng đọng hơi tạo ra một hình trụ có chiết suất phản xạ mong

muốn. Giai đoạn thứ hai, sản phẩm của giai đoạn một đƣợc đƣa tới một lò nấu thuỷ
tinh với một tốc độ thích hợp-giai đoạn tạo phôi.
Tại giai đoạn thứ nhất có nhiều công nghệ có thể sử dụng chẳng hạn nhƣ công
nghệ MCVD (modified chemical vapor deposition-công nghệ lắng đọng có điều khiển
từ pha hơi), công nghệ OVD (outer vapor deposition-lắng đọng hơi bên ngoài) và
VAD (công nghệ lắng đọng pha hơi theo trục) nhƣng ngƣời ta thƣờng sử dụng công
nghệ MCVD. Những lớp SiO
2
đƣợc lắng đọng bên trong lớp thuỷ tinh nóng chảy bằng
cách pha trộn với hơi SiCl
4
và O
2
tại nhiệt độ khoảng 1800
o
C. Để đảm bảo về độ đồng
nhất thì ngƣời ta sử dụng những dây truyền tịnh tiến. Chiết suất của lớp vỏ đƣợc quyết
định bằng việc pha fluourrine vào ống tuýp. Khi đã lắng đọng xong chiều dày lớp vỏ ,
lớp lõi đƣợc hình thành bằng việc thêm vào hơi GeCl
4
hoặc POCl
3
, việc thêm này
quyết định chiết suất của lớp lõi. Lúc này nếu thêm vào hơi ErCl
3
thì ta có sợi quang
pha tạp erbium.
Nhƣ vậy quá trình chế tạo sợi quang pha tạp erbium giống nhƣ quá trình chế tạo
các sợi quang thông thƣờng, chỉ có ở quá trình lắng đọng ngƣời ta đã thêm vào hơi
ErCl

3
.
1.1.5. Phân loại sợi quang
Ngƣời ta có thể phân loại sợi quang theo nhiều cách. Sau đây là một số cách
phân loại tiêu biểu:

Sợi quang
Lớp phủ
Lớp đệm mềm
Lớp vỏ
0,9mm
Cấu trúc sợi quang có vỏ đệm tổng hợp
Hình1.1. Cấu trúc của một sợi quang


9
Phân loại theo vật liệu điện môi
Theo vật liệu điện môi dùng để chế tạo sợi quang, sợi quang đƣợc phân ra làm 3
loại bao gồm:
Sợi quang thạch anh
Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu
Sợi quang bằng nhựa.

Phân loại theo mode lan truyền:
Theo số lƣợng mode lan truyền, sợi quang đƣợc phân loại làm hai nhóm:
Sợi đơn mode, gọi tắt là SM (single mode) là loại sợi chỉ có một mode lan truyền.


Sợi đa mode, gọi tắt là MM (multi mode): là loại sợi có nhiều mode lan truyền.

Phân loại theo phân bố chiết suất:
Các sợi quang có thể phân chia làm hai nhóm theo phân bố chiết suất của lõi sợi:
Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI (step index).
Trong sợi quang SI, chiết suất của lõi không đổi. Vì n
1
> n
2
nên tại mặt phân cách
của lõi-vỏ, chiết suất có bƣớc nhảy.

Sợi quang có chiết suất gradient từ lõ ra vỏ GI (graded-index)
10μm

n
1

n
2

∆ = 0,3%

Hình 1.2. Cấu trúc của một đơn mode
125 μm
50μ
m


n

1

n
2

∆ = 1%

Sợi đa mode SI
125μm
50μ
m


n
1

n
2

∆ = 1%

Sợi đa mode GI
125μm
Hình 1.3. Cấu trúc của sợi quang đa mode


10
Trong sợi quang GI, chiết suất n
1
của lõi đạt giá trị lớn nhất tại tâm lõi và giảm dần

từ trong ra ngoài cho đến mặt phân cách lõi-vỏ thì bằng chiết suất n
2
của vỏ. Sợi quang
đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần.



1.2. Các loại cách tử
Trong quang học, cách tử nhiễu xạ có bề mặt gồm những dãy song song cách đều
nhau trong không gian là một thiết bị phản xạ hoặc truyền qua đối với ánh sáng. Khi
ánh sáng truyền tới cách tử thì xảy ra hiện tƣợng nhiễu xạ và giao thoa, ánh sáng bị
phản xạ hoặc truyền qua theo các hƣớng khác nhau hay còn gọi là các bậc khác nhau.
Cách tử có thể đƣợc dùng nhƣ một linh kiện lọc lựa bƣớc sóng.
Thƣờng có các loại cách tử sau:
1.2.1. Cách tử răng cưa
Có bề mặt gồm những rãnh hình răng cƣa.Vùng giữa những rãnh sẽ phản xạ
những ánh sáng tới theo những hƣớng nhất định để có đƣợc cƣờng độ nhiễu xạ lớn
nhất. Bƣớc sóng mà tại đó hiệu suất của cách tử là lớn nhất phụ thuộc vào mặt góc của
các rãnh (khe).
1.2.2. Cách tử hình sin
Có bề mặt là những rãnh hình sin đối xứng .Hiệu suất của cách tử có thể điều
chỉnh bằng cách thay đổi tần số và chiều cao h của những rãnh hình sin này. Trong
lĩnh vực điện từ (λ/d>0,7 va h/d>0,3), cách tử hình sin cho những giá tri hiệu suất nhƣ
là cách tử răng cƣa .
1.2.3. Cách tử lớp
Hình 1.4. Sự truyền sóng trong các sợi
quang khác nhau


11

Cách tử lớp có đặc trƣng là bề mặt cách tử gồm những rãnh hình chữ nhật .
Những hình chữ nhật này đƣợc xác định bởi chiều cao „‟h‟‟ và cách nhau bởi khoảng
cách „‟V‟‟ .Cách tử này có ƣu điểm là có khả năng khử bậc 2 của nhiễu xạ ( hiệu suất
là 2 % tai V= 1 ).Hiệu suất này có thể thay đổi khi thay đổi khoảng cách „‟V‟‟.
1.2.4. Cách tử Bragg
Công thức Bragg cho nhiễu xạ tia X (cũng nhƣ là nhiễu xạ Bragg) đƣợc William
Henry Bragg và William Lawrence Bragg đƣa vào năm 1913 cùng với những khám
phá của họ về khả năng phản xạ tia X của tinh thể rắn .Họ đã tìm ra rằng những tinh
thể rắn có mạng tinh thể đƣợc sắp sếp theo chu kỳ tuần hoàn có khả năng phản xạ ánh
sáng tới với những bƣớc sóng và góc tới nhất định theo những hƣớng nhất định sẽ cho
những đỉnh có cƣờng độ lớn nhất (đỉnh Bragg).
1.2.5. Cách tử quang sợi Bragg
Cách tử quang sợi Bragg là cách tử có thể phản xạ ánh sáng nhờ sự biến đổi tuần
hoàn hệ số chiết suất của sợi quang . Cách tử quang sợi đƣợc chế tạo bằng cách quang
khắc lên sợi quang thông qua quá trình chiếu bƣớc sóng của chùm laser có bƣớc sóng
thích hợp lên sợi quang .




12
CHƢƠNG2
CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG
2.1. Khái niệm cách tử quang sợi Bragg (FBG)
Cách tử quang sợi Bragg [7, 21,17] là một thiết bị có chiết suất tuần hoàn dọc
theo một sợi quang, có tính chất lọc lựa ánh sáng. Khi một chùm ánh sáng có dải bƣớc
sóng rộng chiếu vào cách tử Bragg, cách tử sẽ cho qua một phần lớn ánh sáng, còn
một phần ánh sáng có dải bƣớc sóng hẹp sẽ bị phản xạ ngƣợc trở lại, dải ánh sáng này
có bƣớc sóng trung tâm gọi là bƣớc sóng Bragg. Bƣớc sóng Bragg phụ thuộc vào
cách tử theo phƣơng trình :

λ
B
= 2

n Λ (2.1)

Trong đó, n
eff
là chỉ số khúc xạ và

là độ dài của bƣớc cách tử. Trong các cách
tử phổ biến, chiết suất n có giá trị vào khoảng 1,46. Còn chu kỳ (bƣớc) cách tử có độ
dài vào khoảng một vài trăm nm.




2.2. Các tính chất của cách tử quang sợi Bragg
2.2.1. Các tính chất chung
Cách tử quang sợi Bragg có thể cách ly hoặc cho qua những mode lan truyền
giống nhƣ một bộ lọc dƣới ánh sáng tới . Nó tác động nhƣ một phin lọc cắt tại bƣớc
sóng gọi là bƣớc sóng Bragg λ
B
.
Biểu thức cho mối tƣơng quan giữa bƣớc sóng Bragg và các thông số của cách tử
trong bậc gần đúng thứ nhất là :
λ
B
= 2nΛ (2.2)

Trong đó n
eff
là hệ số chiết suất hiệu dụng của cách tử, Λ là chu kỳ của cách tử
quang sợi. Sự biến điệu của hệ số chiết suất của lõi đƣợc chỉ ra trên hình 2.2.
Hình 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt
động của cách tử quang sợi Bragg


13
Biến điệu hệ số chiết suất của lõi chứa hai thành phần : thành phần liên tục và
thành phần xoay chiều.

eff eff
2
( ) ( ).1 os( z+ (z))n z n z c

  

  
(2.3)
neff

sự thay đổi thành phần một chiều của chiết suất trung bình, ν là độ nhìn thấy của
các vân giao thoa, Φ là độ gợn sóng của cách tử.


Khả năng lọc tần số là do có sự kết hợp giữa các mode lan truyền ngƣợc nhau.
Trong biểu thức kết hợp, ta có thể tách ra một tham số chủ yếu đặc trƣng cho sự lọc
lựa, hệ số kết hợp k. Ta có biểu thức sau đây:

eff
kn




(2.4)
Độ phản xạ của cách tử quang sợi Bragg [5] là hàm của bƣớc sóng và chiều dài
cách tử đƣợc viết nhƣ sau:

22
0
2 2 2
0
sinh ( ) 1 /
()
osh ( ) 1 /
B
N V n N
P
c V n NA
  

  

 




 

(2.5)
2.2.2. Sự phụ thuộc của bước sóng Bragg vào nhiệt độ và sự kéo căng
Xuất phát từ công thức cơ bản biểu diễn sự phụ thuộc của bƣớc sóng Bragg vào
chiết suất và độ dài bƣớc cách tử:
λ
B
=2nΛ (2.6)
Từ công thức trên ta nhận thấy rằng vì chiết suất n và độ dài Λ của bƣớc cách tử
đều chịu sự thay đổi khi có sự thay đổi của nhiệt độ hay một sức căng nào đó tác động
lên nó, do đó, bƣớc sóng Bragg cũng sẽ có sự biến đổi theo công thức:

22
B
nn
n l n T
l l T T

   
   
        
   
   
   
(2.7)
Ta lần lƣợt khảo sát sự biến đổi của λ
B
theo nhiệt độvà độ căng.
eff

n


Vùng cách tử
O
z
Hình 2.2. Sự điều biến hệ số chiết suất của lõi
sợi quang


14
Từ công thức : λ
B
=2nΛ

Δλ
B
= 2nΔΛ +2ΛΔn

22
n
n
T T T

  
  
  




1
2 2 ( )
Tn
nn
T T n T

  
  
  




1
2 [ ( ) ]
n
n
T n T



  





1
2 [ ( ) ] T

n
n
nT


    



Nhƣ vậy
 
1
2 ( ) T
dn
n
n dT

    
(2.8)
Trong đó α là hệ số giãn nở nhiệt,
dn
dT
là hệ số quang-nhiệt (thermo-optic) của
vật liệu chế tạo cách tử. Chúng ta cần chú ý rằng trong những loại cách tử khác nhau,
các hệ số α, n,
dn
dT
là khác nhau. Trong trƣờng hợp phổ biến, chúng thƣờng có giá trị
lần lƣợt là 0,55.10
-6

/
o
C, 1,46 và 11.10
-6
/
o
C. Từ đó ta có thể dễ dàng ƣớc lƣợng đƣợc
rằng độ nhạy của cách tử trần vào khoảng 0,0105 nm/
o
C tại bƣớc sóng 1300nm và
khoảng 0,0125 nm/
o
C tại bƣớc sóng 1550 nm.
Tiếp theo, ta xét sự biến đổi của λ
B
theo độ căng (độ biến dạng):
Sự thay đổi của λ
B
theo độ căng là do có sự thay đổi chiều dài dọc theo trục sợi
quang và do hiệu ứng quang đàn hồi. Ngƣời ta đã chứng minh đƣợc rằng sự phụ thuộc
đó đƣợc cho bởi công thức:

(1 )
eB
p
  
  
(2.9)
Trong đó, ε là độ biến dạng, p
e

là hệ số quang đàn hồi đƣợc xác định bởi công thức:


 
2
12 11 12
( ) ( )
2
e
n
p p p p

  
(2.10)
Với p
i,j
là các hệ số Pockel của tensor biến dạng-quang (strain-optic), ν là tỷ số
Poisson. Các giá trị điển hình thƣờng gặp là ν =0,2 ; p
11
= 0,113 ; p
12
=0,252 ; n = 1,46
[29]. Bởi vậy giá trị




thƣờng vào khoảng 0,001051 nm/µε tại 1300 nm và khoảng
0,001254 tại 1550 nm.
Một cách tổng quát, sự thay đổi của bƣớc sóng λ

B
theo nhiệt độ và độ căng có thể
đƣợc biểu diễn bởi phƣơng trình:


 

 
2
12 11 12
1
2 1 ( ) ( ) ( )
2
B
n dn
n p p p T
n dT
   

        


(2.11)



15
Nhƣ vậy ta đã thiết lập đƣợc phƣơng trình miêu tả sự phụ thuộc của λ
B
vào sự

thay đổi của nhiệt độ và độ căng. Đó là xuất phát cho hầu hết các ứng dụng của cách tử
FBG trong kỹ thuật sensor. Chi tiết hơn về các ứng dụng này sẽ đƣợc đề cập ở dƣới.
2.3. Chế tạo cách tử quang sợi Bragg
2.3.1. Vật liệu để chế tạo cách tử quang sợi Bragg [26]
Trong tự nhiên tồn tại một số những hợp chất nhất định mà chiết suất của nó bị
biến đổi khi đƣợc chiếu sáng. Những chất đó gọi là những chất nhạy quang. Ngƣời ta
đã lợi dụng điều đó để tạo nên những cấu trúc quang học có chiết suất phân bố nhƣ ý
muốn. Hƣớng nghiên cứu tìm hiểu về tính nhạy quang của các loại vật liệu là một
hƣớng nghiên cứu quan trọng. Trong kỹ thuật chế tạo cách tử quang sợi Bragg thì vật
liệu nhạy quang đóng một vai trò hết sức quan trọng và đã luôn đƣợc quan tâm nghiên
cứu nhằm ngày một hoàn thiện. Việc nghiên cứu này cũng gắn liền với công nghệ chế
tạo các sợi quang dẫn sóng.
Trong giai đoạn đầu tiên, các sợi quang đƣợc sử dụng trong truyền dẫn quang
hầu hết đƣợc làm từ vật liệu thủy tinh silica. Do đó, ngay lúc đầu ngƣời ta đã tập trung
nghiên cứu nhằm tạo ra các chất nhạy quang trên nền vật liệu này. Ngƣời ta đã phát
hiện ra rằng khi pha tạp các tạp chất chẳng hạn nhƣ Germani, Boron, Tin, đất hiếm
vv có thể tạo ra đƣợc hiện tƣợng nhạy quang. Những thành tựu công nghệ ngày nay
đã có thể tạo ra những chất nhạy quang có khả năng thay đổi chiết suất xuống tới 10
-15
.
Ngày nay, trong việc chế tạo các dẫn sóng quang, có một hƣớng nghiên cứu quan
trọng là sử dụng các vật liệu polymer làm vật liệu truyền dẫn thay vì thủy tinh nhƣ
trƣớc đây. Sử dụng polymer có một số ƣu điểm nổi bật nhƣ là giá thành chế tạo rẻ, dễ
ghép nối[1]. Đi cùng với xu thế ấy, ngƣời ta cũng có xu hƣớng sử dụng các vật liệu
polymer để chế tạo cách tử Bragg. Khi đƣợc chiếu sáng, các mạch moneme sẽ liên kết
với nhau để tạo nên một mạch lớn hơn, gọi là quá trình polyme hóa, đồng thời xảy ra
quá trình hình thành các liến kết dọc giữa các vật liệu. Chính điều này đã làm cho chiết
suất của vật liệu polymer bị thay đổi khi đƣợc chiếu sáng.
Bởi vì công nghệ dẫn sóng quang trên cơ sở vật liệu polymer mới đƣợc phát
triển trong thời gian gần đây cho nên hầu hết sự tập trung trƣớc đó nhằm phát triển vật

liệu nhạy quang là dành cho sợi quang thủy tinh. Vị trí dành cho sợi quang polyme
hoàn toàn chỉ ở một mức độ nào đó.
Tại Việt Nam thời gian vừa qua cũng đã có một hƣớng nghiên cứu rất mạnh
nhằm sử dụng các vật liệu polymer làm vật liệu dẫn sóng quang [1]. Trong công trình
nghiên cứu này, các tác giả đã tạo ra những vật liệu nhạy quang trên cơ sở polymer.
Đó là những kết quả thiết thực đƣa tới khả năng có thể chế tạo các cách tử Bragg hoàn
toàn bằng công nghệ và vật liệu của Việt Nam. Hơn nữa, là chế tạo bằng vật liệu
polymer chức năng, một loại vật liệu tiên tiến. Dƣới đây là một vài hình ảnh của loại
vật liệu đƣợc chế tạo tại Việt Nam này.


16



Hình 2.3. Ảnh của vật liệu loại chế
tạo từ TEOS nguyên chất[1]
Hình 2.4: Hạt nano zieconia trong
vật liệu lai ASZ[1]

Một số tính chất của vật liệu dẫn sóng quang ASZ đƣợc chế tạo tại Việt Nam.

 Khoảng điều chỉnh chiết suất lớn: 1.45-1.50
 Có tính nhạy quang (chùm UV) và có thể tăng chiết suất màng đến 0.009
(khi chiếu chùm bƣớc sóng 330 nm)
 Độ phân cực vật liệu nhỏ: n
TE
- n
TM
 0.001

 Tổn hao lan truyền ánh sáng trong dẫn sóng tầng: 0.5-1.0 dB/cm tại bƣớc
sóng 1538 nm.
 Hệ số quang nhiệt lớn: dn/dT  - 2.3x10
-4

 Chiều dày màng thay đổi lớn: từ 100 nm đến 10 m và đồng nhất
 Bám dính tốt trên đế silica, silicon, thuỷ tinh và ổn định
2.3.2. Các kỹ thuật quang khắc cách tử quang sợi Bragg
Về cơ bản, cách tử quang sợi Bragg là một cấu trúc có tính chất tuần hoàn về
chiết suất. Ở trên đây ta đã nói có thể dùng sự chiếu sáng để làm thay đổi chiết suất
của các vật liệu nhạy quang. Chính vì thế mà các kỹ thuật để chế tạo cách tử quang sợi
Bragg về cơ bản đều dựa trên cơ sở tạo ra các chùm tia sáng có sự phân bố cƣờng độ
một cách tuần hoàn hoặc có thể đƣợc chiếu xạ một cách tuần hoàn trong không gian.
Khi tạo ra đƣợc các điều kiện đó, ta hoàn toàn có thể đƣa sợi quang có chứa vật liệu
nhạy quang vào các vùng này, khi ấy hiện tƣợng biến đổi chiết suất sẽ xảy ra, tạo ra
trên sợi quang một cấu trúc cách tử Bragg. Có nhiều cách để tạo ra các điều kiện đó,
chẳng hạn có thể dùng phổ giao thoa của hai chùm tia, dùng mặt nạ, hoặc dùng một tia
sáng rất mảnh chiếu một cách ngắt quãng đều đặn lên sợi quang. Dƣới đây, ta sẽ lần
lƣợt xét từng cách thức đó.


17
2.3.2.1. Kỹ thuật dùng phổ giao thoa của hai chùm tia
Giao thoa ánh sáng là hiện tƣợng hai hay nhiều ánh sáng kết hợp với nhau trong
không gian tạo thành các vùng có ánh sáng đƣợc tăng cƣờng hay giảm bớt.
Giả sử từ hai nguồn S
1
và S
2
phát ra hai nguồn ánh sáng có tính chất kết hợp kết

hợp với nhau, nghĩa là chúng cùng tần số, và cùng pha dao động, đƣợc mô tả bởi
phƣơng trình:






Hai sóng này truyền tới điểm M trên màn E, ta hãy khảo sát cƣờng độ điện
trƣờng tổng hợp tại điểm đó.
Tại điểm M, pha của hai sóng ánh sáng đã sai khác với pha ban đầu một góc nào
đó. Ta có thể hiểu sự sai khác này chính là do pha của dao động phải mất một thời gian
mới có thể truyền tới điểm M, nhƣ vậy pha của hai dao động tại M sẽ chậm hơn pha
dao động của nguồn đúng bằng thời gian để sóng ánh sáng từ hai nguồn truyền tới M.
Khi đó chúng ta có các phƣơng trình mô tả dao động sáng tại điểm M:
E
‟
1
= E
o
sin{ω(t-t
1
)+α}=E
o
sin{2πν(t-
1
r

)+α} =E
o

sin(2πνt-2
1
r


+α) (2.15)
E
‟
2
= E
o
sin{ω(t-t
2
)+α}= E
o
sin{2πν(t-
2
r

)+α} =E
o
sin(2πνt-2
2
r


+α) (2.16)
Độ lệch pha giữa hai sóng này là:
12
2

rr



(2.17)
Do hiệu số
12
rr
thay đổi khi ta dịch chuyển điểm M dọc theo màn E, do đó độ
lệch pha giữa hai sóng cũng sẽ thay đổi dọc theo màn E. Ta sẽ thu đƣợc những vị trí
mà tại đó các sóng cùng pha với nhau, tại đó xảy ra hiện tƣợng cực đại giao thoa (vân
sáng), các vị trí ấy cần thỏa mãn điều kiện:


12
2
2r r k



   
=>
12
rr
=kλ (2.18)
Còn những điểm mà tại đó hai dao động sáng ngƣợc pha nhau , tại đó xảy ra hiện
tƣợng cực tiểu giao thoa (vân tối), các vị trí ấy thỏa mãn điều kiện:

12
2

(2 1)r r k



    
=>
12
rr
=(2k+1)
2

(2.19)
Bây giờ ta sẽ xét cụ thể xem các điểm cực đại và cực tiểu giao thoa ấy phân bố
nhƣ thế nào trên màn E. Trƣớc hết dễ nhận thấy rằng tại điểm O nằm chính giữa trên
màn E, hai sóng ánh sáng có cùng pha do hiệu đƣờng đi của chúng bằng không. Do

S
1
S
2

r
1
r
2

E

D

a

O

M


Hình 2.5. Sơ đồ khảo sát sự giao thoa giữa
hai tia sáng S
1
và S
2


E
1
= E
o
sin(ωt+α) (2.13)
E
2
= E
o
sin(ωt+α) (2.14)



18
vậy, tại đó hai sóng cực đại giao thoa với nhau tạo ra một vân sáng gọi là vân sáng
trung tâm.

Gọi x là khoảng cách từ điểm M bất kỳ trên màn E tới điểm O, ta có:

2 2 2
1
()
2
a
r D x  
2 2 2
1
()
2
a
r D x  


2 2 2
2
()
2
a
r D x  

=>
22
21
2r r xa

Vì x<<D và a<<D nên ta có thể coi r
1

+r
2
=2D, vậy ta có:
r
2
-r
1=
xa
D

=> x=
21
()
D
rr
a

(2.20)
Vậy vị trí các vân sáng sẽ là:
x
k
=
D
k
a

(k

Z) (2.21)

Còn vị trí của các vân tối là:
x
l
=
(2 1)
D
k
a


(2.22)
Ta nhận thấy rằng khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối bất kỳ liền
nhau sẽ là:

1kk
D
x x x
a


   
(2.23)
Nhƣ vậy, ta thấy rằng phổ giao thoa thu đƣợc trên màn E sẽ bao gồm các vân
sáng và vân tối xen kẽ nhau, mỗi vân sáng hoặc mỗi vân tối cách nhau một khoảng
bằng
x
, gọi là khoảng vân.

Tiếp theo ta xét trƣờng hợp hai chùm tia kết hợp có độ rộng nhất định giao thoa
với nhau nhƣ hình vẽ trên. Tại điểm N nằm trên đƣờng thẳng đi qua M và song song
với trục giao thoa, ta có độ lệch pha của hai tia sáng
'
1
S
và
'
2
S
là:

S
1
S
2

E

a

O

M

x

'
1
S

'
2
S

N

H

Hình 2.6. Sơ đồ khảo sát sự
giao thoa của hai chùm tia


19

' ' '
12
2
rr



  
(2.24)
Thực hiện các phép biến đổi tƣơng tự nhƣ ở phần trên, ta thu đƣợc:

''
'
''
12

12
'
SS
xa
r r x
HN D
  

(2.25)
Mặt khác, ta lại thấy hai tam giác S
1
S
2
M và
''
12
S S M
đồng dạng với nhau,do đó:

''
''
''
1 2 1 2
1 2 1 2
''
S S S S
a a xa xa
r r r r
HM HN D D D D
        

(2.26)
Nhƣ vậy, ta thấy

' ' '
1 2 1 2
22
r r r r



      
(2.27)
Nghĩa là độ lệch pha của hai dao động sáng tại N đúng bằng độ lệch pha của hai
dao động sáng tại M, hay hình ảnh giao thoa tại N hoàn toàn giống nhƣ hình ảnh giao
thoa tại M. Vậy khi hai chùm sáng kết hợp giao thoa với nhau, nó sẽ tạo ra các dải màu
sáng tối xen lẫn nhau, xếp lần lƣợt theo phƣơng vuông góc với màn chắn E.
Ngƣời ta lợi dụng điều này để tạo nên các cách tử bằng cách đƣa sợi quang có
thành phần chứa vật liệu cảm quang vào trong vùng này và chiếu xạ trong một thời
gian. Khi đó, dọc theo sợi quang, sẽ có các đoạn nằm trong vùng ánh sáng giao thoa
đƣợc tăng cƣờng và những đoạn nằm trong vùng ánh sáng bị triệt tiêu, các đoạn này
nằm xen kẽ và cách đều nhau theo đúng quy luật phân bố cƣờng độ của chùm tia giao
thoa. Các đoạn đƣợc chiếu xạ mạnh thì chiết suất thay đổi, các đoạn nằm trong vùng
cƣờng độ yếu thì giữ nguyên. Nhƣ vậy sau một thời gian chiếu xạ, ta sẽ thu đƣợc cấu
trúc cách tử Bragg trong lòng sợi quang.



Trong phƣơng pháp này, thời gian và cƣờng độ chiếu xạ ảnh hƣởng mạnh đến khả
năng thành công trong chế tạo [31]. Nếu chiếu xạ với cƣờng độ và thời gian không đủ
lớn thì có thể chất lƣợng cách tử sẽ thấp, nhƣng nếu chiếu xạ quá liều thì sợi quang có

thể bị cháy và không tạo đƣợc thành cách tử. Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau lại có
một chế độ chiếu xạ khác nhau. Chúng ta phải luôn luôn tìm kiếm các chế độ chiếu xạ
hợp lý nhất.
Hình 2.7. Chế tạo sợi quang bằng
phƣơng pháp giao thoa hai chùm tia


20
2.3.2.2. Kỹ thuật dùng mặt nạ quang
Một phƣơng pháp quan trọng không kém để chế tạo cách tử quang sợi Bragg là
dùng mặt nạ quang. Ở phƣơng pháp này, cấu hình sẽ đƣợc thiết kế trên máy tính, sau
đó qua các kỹ thuật chế tạo, cấu hình sẽ đƣợc chuyển lên mặt nạ. Cuối cùng là sử dụng
kỹ thuật quang sợi để chuyển cấu hình từ mặt nạ lên sợi quang.
Quy trình của phƣơng pháp này đƣợc mô tả nhƣ hình vẽ dƣới đây. Một điều may
mắn là kỹ thuật này đƣợc thừa hƣởng những thành quả từ công nghệ vi điện tử mang
lại vì vậy nên dù đến sau nhƣng nó đã có những bƣớc phát triển rất vững mạnh.









Ƣu điểm của phƣơng pháp này là ta có thể chế tạo các cách tử quang sợi Bragg
với độ chính xác cao. Cùng một mặt nạ có thể đƣợc dùng để chế tạo rất nhiều cách tử
quang sợi Bragg .
2.3.2.3. Phƣơng pháp chiếu hình trực tiếp
Ngoài các phƣơng pháp trên, còn có một phƣơng pháp nữa cũng hay đƣợc sử

dụng, đó là phƣơng pháp chiếu hình trực tiếp. Trong phƣơng pháp này, ngƣời ta sử
dụng một chùm tia sáng rất mảnh cỡ bƣớc cách tử và chiếu nó một cách có chu kỳ dọc
theo sợi quang. Nhƣ vậy ta cũng sẽ thu đƣợc những cách tử mong muốn. Ƣu điểm của
CAD
SYSTEM
MẶT NẠ
QUANG
SỢI
QUANG
Kỹ thuật
tạo mặt nạ
Kỹ thuật
quang khắc

FBG
Hình 2.9 . Hình ảnh một thiết bị
quang khắc
Hình.2.10. Hình ảnh một
hệ quang khắc

Hình 2.8. Quy trình chế tạo FBG bằng mặt
nạ quang


21
phƣơng pháp này là ta có thể chế tạo các loại cách tử với cấu trúc rất đa dạng, rẻ tiền
nhƣng nhƣợc điểm của nó là độ chính xác không cao.
2.4 Các loại cách tử đặc biệt
Trong thực tế, rất khó khăn để chế tạo đƣợc các loại cách tử có các bậc chiết suất
hoàn hảo. Bởi vì hầu hết các loại cách tử đều đƣợc tạo nên từ sự giao thoa ánh sáng,

chúng sẽ có dạng hình sin. Do vậy về cơ bản sự phân bố chiết suất của chúng dọc theo
cách tử sẽ có dạng:









x
nnxn
eff

2
cos)(
(2.12)
Tất nhiên một lần nữa phƣơng trình đã cho cũng chỉ miêu tả gần đúng dạng của
chiết suất thƣờng gặp trong thực tế, giống nhƣ cũng hết sức khó khăn để luôn luôn tạo
ra các cách tử có chiết suất phân bố hoàn hảo vậy. Trong một số trƣờng hợp chính sự
phân bố chiết suất bất thƣờng này sẽ gây nên những tính chất đặc biệt. Dƣới đây là
bảng mô tả một số loại cách tử có thể có.

a) Cách tử Bragg bƣớc nghiêng (blazed Bragg grating):
Nếu nhƣ các cách tử hơi nghiêng đi so với trục của nó, ánh sáng sẽ bị đi ra ngoài
cách tử thay vì phản xạ ngƣợc trở lại. Bởi vậy nó còn có tên gọi là cách tử blazed
Bragg, nó có thể không có giá trị bởi sự mất mát năng lƣợng ánh sáng khi truyền qua,
song nó cung có thể đƣợc sử dụng một cách hữu ích cho mục đích phân tích phổ hoặc
cho mục đích phân biệt hoặc chuyển đổi giữa các mode.
Hình 2.11. Cấu trúc của một số loại cách tử FBG


22
b) Cách tử Bragg chirped:
Trong cách tử Bragg chirped, độ lớn của chu kỳ cách tử đƣợc tăng dần, điều đó
cho phép nó đƣợc sử dụng nhƣ một thiết bị bù tán sắc (spectral dispersion
compensation).
c) Cách tử Bragg Apodized (cách tử mờ hóa)
Trong hình vẽ phía dƣới, phổ phản xạ của một cách tử quang sợi Bragg đƣợc mô
tả. Đỉnh phổ phản xạ không những có một độ rộng nhất định mà còn có những vết phụ
(không mong muốn) ở hai bên. Cƣờng độ của các vết phụ có thể đƣợc làm cho suy
giảm đi bằng kỹ thuật mờ hóa (apodization). Một cách tử Bragg đƣợc mờ hóa có sự
tăng lên đáng kể của chiết suất Δn, điều đó cho phép ngăn chặn việc hình thành các vết
mờ. Điều này có thể giúp ta có đƣợc một phổ Bragg rõ ràng ở vùng trung tâm.

d) Cách tử kết hợp
Loại cách tử thứ năm đƣợc mô tả ở hình vẽ trên về thực chất có thể coi nhƣ là sự
kết hợp của hai cách tử. Bằng cách ghi đồng thời hai bƣớc cách tử khác nhau trong
cùng một đoạn sợi quang , chúng ta có thể đạt đƣợc đồng thời hai đỉnh phản xạ. Nếu
nhƣ cái thứ nhât phản xạ ở vùng bƣớc sóng từ 1520 tới 1540 nm, và cái thứ hai phản
xạ ở vùng từ 1545 tới 1565 nm, nó sẽ có tác dụng tổng thể nhƣ là một bộ lọc tại vùng
bƣớc sóng quanh 1543 nm. Kỹ thuật này vì thế còn đƣợc gọi là kỹ thuật vùng cấm
(band gap) hoặc cách tử Bragg dịch pha.
e) Cách tử có chu kỳ lớn
Cách tử tiếp theo trên hình 2.5 là cách tử có chu kỳ lớn hay cách tử truyền qua,
nó thực sự không giống một cách tử Bragg thông thƣờng. Bƣớc cách tử của nó có độ
lớn gấp nhiều lần cách tử Bragg thông thƣờng (khoảng 5-50μm), vì thế nó không tạo
ra phổ phản xạ nhƣ bình thƣờng. Tuy nhiên vẫn có hiện tƣợng kết cặp mode (mode
coupling) bên trong nó, tuy nhiên sự kết cặp này chỉ bắt gặp với các mode có cùng
hƣớng truyền.
Hình 2.12. Phổ phản xạ của một số loại cách
tử