CHẾ TẠO FBG

CHẾ TẠO FBG
2.1 Độ nhạy trong sợi quang
Khái niệm độ nhạy trong sợi quang được đưa ra đầu tiên bởi Hill. Độ nhạy
trong sợi quang được định nghĩa như là một tính chất của vật liệu dẫn quang được
thể hiện ở khả năng lưu giữ quá trình điều biến vi sai nhằm phân bố cường độ phát
xạ quang theo ý muốn. Tính chất này được ứng dụng nhiều trong chế tạo các thiết
bị quang, chẳng hạn như cách tử. Cách tử chiết suất khúc xạ là một thiết bị quang
có nhiệm vụ điều biến tín hiệu theo chu kì hoặc pha của sóng tới. Việc chế tạo các
cách tử dạng này thường dùng các vật liệu có tính chất nhạy cảm ánh sáng, chẳng
hạn như Li, Ga-As, Ba-Ti, …
Để mô tả độ nhạy ánh sáng trong sợi quang, chẳng hạn sợi Ge, người ta đưa
ra một số mô hình. Những mô hình này dựa vào sự thay đổi đỉnh hấp thụ của vật
liệu và mối quan hệ Kramer-Kronig để phân tích sự biến thiên của chiết suất khúc
xạ.
2. 1. 1 Mô hình trung tâm màu
Cơ chế tạo ra độ nhạy trong sợi quang là dựa trên sự ảnh hưởng của sự thay
đổi chiết suất khúc xạ vào sự phát xạ ánh sáng của cấu trúc GeO không hoàn hảo và
đỉnh hấp thụ vật liệu tại bước sóng 252nm. Cấu trúc không hoàn hảo này được gọi
là mô hình trung tâm màu. Cấu trúc này được tạo ra do quá trình ion hoá có phát
xạ.
Hình 2. 1 minh hoạ quá trình tạo trung tâm màu Ge. Trung tâm màu được tạo
ra do sự phá vỡ liên kết Ge-Ge/Si giải phóng 1e tự do. Quá trình này cộng với quá
trình chiếu xạ bằng tia cực tím sẽ tạo ra đỉnh hấp thụ mới ở bước sóng 195, 213 và
281nm. Quá trình này là liên tục do tính chất cấu trúc của vật liệu SiO
2
.
Theo mô hình này, người ta chứng minh được rằng chiết suất khúc xạ tại một
điểm chỉ phụ thuộc vào mật độ và véc tơ định hướng của các ion được tạo ra do phá
vỡ liên kết. Nó được thể hiện bằng phổ hấp thụ electron của các ion này. Có thể
nhận thấy rằng băng hấp thụ này tương ứng với trung tâm GeE’. Dùng biểu thức
Kramer-Kronig người ta có thể đánh giá được sự thay đổi của băng hấp thụ này.

Hình 2. 1. Cơ chế độ nhạy trong mô hình trung tâm màu
2. 1. 2 Mô hình thay đổi mật độ
Mô hình thay đổi mật độ dựa vào tính chất mật độ phụ thuộc vào quá trình
ion hoá phát xạ của GeO. Sự ion hoá này chính là sự bẻ gãy các vòng ring nhỏ (2
hoặc 3 phần tử) trong cấu trúc vật liệu sợi. Người ta chứng minh được rằng mối
quan hệ giữa độ thay đổi mật độ và chỉ số chiết suất khúc xạ là xấp xỉ tuyến tính.
Mặc dù mô hình thay đổi mật độ được đưa ra năm 1991, nhưng mãi đến năm
1998 người ta mới xác nhận các kết quả này bằng cách dùng kính hiển vi điện tử.
Tuy nhiên các kết quả đưa ra vẫn chưa đầy đủ. Lý thuyết về mô hình này hiện nay
đang tiếp tục được nghiên cứu.
Ngoài các mô hình chúng ta đã nêu ở trên còn có một số mô hình mà chúng
ta không nêu ra ở đây, chẳng hạn như mô hình dịch chuyển electron, … Việc ứng
dụng các mô hình này vào quá trình chế tạo cách tử chính là việc sử dụng các tính
chất làm tăng độ nhạy.
2. 2 Các phương pháp tăng độ nhạy
Để tăng hiệu quả của cách tử, độ nhạy của cách tử phải đạt được giá trị phù
hợp, vì vậy yêu cầu tăng độ nhạy. Phần này trình bày tóm tắt các phương pháp tăng
độ nhạy đáp ứng của sợi quang. Các phương pháp được sử dụng bao gồm: Xử lí
bằng Hydro, xử lí bằng nhiệt và xử lí bằng cơ học.
2. 2. 1 Xử lí bằng Hydro
Khi dịch chuyển sợi quang trong môi trường Hydro áp suất cao tại nhiệt độ
phòng, các phân tử Hydro sẽ khuếch tán vào trong sợi. Các phân tử này sẽ phá vỡ
liên kết Si-O-Ge tạo ra Si-OH và GeO cực tính âm như hình 2. 2.

Hình 2. 2. Phản ứng phá vỡ cấu trúc Si-O-Ge do nhiệt
Cấu trúc Si-OH có đỉnh hấp thụ tại bước song 1390nm nằm trong vùng phổ
sử dụng. Tuy nhiên điều này không ảnh hưởng nhiều vì thực tế mật độ -OH trong
sợi nhỏ hơn nhiều mật độ GeO
2

(lượng –OH chỉ chiếm 1-2%). Ngoài ra có thể khắc
phục hiện tượng này bằng cách thay chất tải H
2
(Hydro) bởi D
2
(Đơtơri) vì khi đó
phổ của đỉnh hấp thụ nằm ngoài cửa sổ phổ sử dụng. Sự thay đổi chiết suất khúc xạ
ở mức cao,
3
10.6
−
≈∆
n
, có tác dụng làm tăng độ nhạy khi có tác dụng của tia cực tím.
2. 2. 2. Xử lí bằng nhiệt
Chổi nhiệt là phương pháp đơn giản trong việc dùng ảnh hưởng của nhiệt để
làm thay đổi chiết suất khúc xạ. Vùng sợi quang cần làm tăng độ nhạy được quét
bằng nguồn nhiệt tạo thành từ oxi và hydro giàu với nhiệt độ khoảng 1700
o
C trong
vòng 20 phút. Ở nhiệt độ này hydro khuếch tán vào lõi sợi rất nhanh và tạo phản
ứng bẻ gãy cấu trúc GeO. Quá trình này tạo ra đỉnh hấp thụ ở bước sóng 250nm
trong lõi sợi và làm tăng độ nhạy. Khi đó tia cực tím sẽ có ảnh hưởng lớn đến sự
thay đổi chỉ số chiết suất khúc xạ. Phương pháp này có thể làm tăng độ nhạy với hệ
số lớn hơn 10.
Phương pháp tăng độ nhạy bằng nhiệt có rất nhiều ưu điểm. Rõ ràng nhất là
độ nhạy tạo ra rất ổn định khi so với phương pháp xử lí bằng hydro vì trong
phương pháp xử lí bằng hydro, khi hydro thẩm thấu ra khỏi sợi thì độ nhạy của sợi
sẽ giảm. Ngoài ra vật liệu dùng để chế tạo cách tử cũng không yêu cầu có độ nhạy
cao. Nhược điểm chính của phương pháp này là do xử lí ở nhiệt độ cao nên độ bền

sợi không cao.
2. 2. 3 Xử lí bằng cơ học
Bằng thực nghiệm người ta chứng minh được rằng khi thay đổi sức căng bề
mặt của cách tử kết hợp với chiếu xạ bằng tia cực tím, chỉ số chiết suất khúc xạ
cũng thay đổi. Hình 2. 3 biểu diễn sự thay đổi tương ứng giữa chúng.
Ngoài ra, khi chiếu xạ bằng tia cực tím, cách tử làm bằng sợi Ge sẽ tạo nên
sức căng. Lí do là khi chiếu xạ bằng tia cực tím, các phẩn tử bị bẻ gãy (hay là cấu
trúc không hoàn hảo) của liên kết Si-Ge-O sẽ sắp xếp lại theo cấu trúc chặt chẽ hơn
làm tăng mật độ. Điều đó cũng có nghĩa là độ nhạy sẽ tăng. Trong một số trường
hợp, hệ số tăng độ nhạy của phương pháp này có thể lớn hơn 10.

Hình 2. 3. Chỉ số chiết suất khúc xạ thay đổi theo sức căng
2. 2. 4 Xử lý bằng tia cận cực tím
Phòng thí nghiệm Starobudov đã đưa ra phương pháp làm thay đổi chỉ số
chiết suất bằng cách sử dụng các tia cận cực tím cho sợi Ge – Si tại bước sóng 330
nm. Mô hình mô tả quá trình làm việc của hệ thống này cho bởi hình 2. 4 sau:
Hình 2.4: Xử lý bằng tia cận cực tím
Trong hình vẽ trên, một hệ thống tia UV có bước sóng khoảng 240 nm được
dùng để kích thích sợi Si – Ge từ trạng thái S
0
ổn định lên trạng thái kích thích S
1
mà ở đó sợi có xu hướng bị ion hoá, do tự phát hoặc do các ion 240 nm khác kích
thích từ bên ngoài. Quá trình ion hoá này sẽ ảnh hưởng đến chỉ số chiết suất của sợi
và người ta có thể điều khiển quá trình này để đạt được các chỉ số chiết suất khác
nhau tại các vị trí khác nhau. Việc này sẽ dẫn đến sự thay đổi và sắp xếp lại cấu
trúc của lõi sợi quang và gây nên sự thay đổi chiết suất. Ưu điểm chính của công
nghệ này là sản phẩm do nó tạo ra có độ ổn định nhiệt rất cao nhưng nó lại không
yêu cầu việc luyện lại bằng nhiệt.
2. 3 Một số phương pháp chế tạo cách tử

Hiện nay có rất nhiều phương pháp chế tạo cách tử. Ở mục này chúng ta sẽ
đưa ra các phương pháp được dùng phổ biến hiện nay.
2. 3. 1 Chiếu xạ tia cực tím điểm-điểm
Sơ đồ của phương pháp này được biểu diễn ở hình 2. 5.
Trong sơ đồ, các thành phần có tác dụng như kính thiên văn và kính hiển vi
có tác dụng làm giảm kích thước của luồng chiếu xạ tia cực tím. Máy tính có khả
năng điều khiển bộ dịch và tấm chắn sáng. Nguồn tia cực tím được tạo ra từ laser