ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: CÁCH TỬ BRAGG SỌI QUANG CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1. 1. Lịch sử phát triển của cách tử Bragg quang Mô hình cách tử Bragg quang được đưa ra và chứng minh các tính chất của nó lần đầu tiên vào năm 1978 bởi Hill et al. Đến năm 1989, nó được mô tả một cách rõ ràng hơn bởi Meltz et al, cách tử Bragg quang được tạo ra bằng cách sử dụng phép chiếu giao thoa hai luồng tia cực tím UV-exposure. Với sự phát triển của mình, FBG có liên quan trực tiếp và chặt chẽ với sự phát triển của sợi quang, nó có khả năng sử dụng trong việc xây dựng các bộ lọc dùng để tách ghép kênh trong hệ thống truyền tải dữ liệu đa kênh. Nổi bật nhất trong những ứng dụng này là FBG được dùng cho hệ thống DWDM, FBG là cơ sở cho các thiết bị lựa chọn thụ động cho các bước sóng đơn, ghép bước sóng và chọn bước sóng băng hẹp. Nó làm việc tốt trong điều kiện các yếu tố về nhiệt độ và sức căng được đảm bảo bởi vì các điều kiện này có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của FBG. Sự phát triển nhanh chóng của FBG về các ứng dụng trong mạng viễn thông quang và các hệ thống cảm biến đã thúc đẩy là nâng cao tốc độ đột phá trong nghiên cứu, những kết quả này đã làm cải thiện và phát triển chất lượng cũng như các tính năng của các thiết bị quang. Trong tương lai, các tính năng của các thiết bị này có thể vượt qua các giới hạn hiện tại bằng việc sử dụng kĩ thuật photonic. Tính năng nhạy cảm với môi trường là một điểm không tốt của FBG, tuy nhiên hiện nay nó lại được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống cảm biến. Một trong các ứng dụng là cầu chì sillica, nó liên quan đến tính chất không bị ảnh hưởng bởi điện từ trường của FBG. FBG có chu kì lớn được đưa ra và chứng minh bởi Vengkarsar và nhóm nghiên cứu của ông, nó lập tức được ứng dụng rộng rãi trong các bộ lọc thông băng và được sử dụng trong các hệ thống mạng DWDM, đó là các bộ cân bằng khuyếch đại EDFA, trong các hệ thống laser như các thiết bị cân bằng laser phát. Hơn nữa, FBG đang trở nên rất phổ biến với tư cách là một thiết bị quang đơn giản, linh hoạt và có vô số các ứng dụng trong các thiết bị và hệ thống quang. Các dạng cách tử Bragg hiện đang được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng hiện nay bao gồm các loại : FBG chu kì đều (Normal FBG), FBG chu kì tuyến tính (linear chirped FBG) và Apodisation FBG. 1. 2. Sơ lược công nghệ chế tạo FBG Kĩ thuật để tạo ra cách tử Bragg quang đầu tiên là kĩ thuật mặt nạ biên độ phát minh do Vengsarkar et al, phương pháp này sử dụng sợi quang Si-Ge giàu Hidro đặt trong môi trường chiếu xạ laser KrF (λ = 248 nm) thông qua mặt nạ biên độ làm bằng silica mạ Crom. Mỗi cách tử được tạo ra trên sợi quang có độ dài chừng 1 inch và chu kì của cách tử vào khoảng 60 µm cho đến 1 mm. Phổ truyền ánh sáng của cách tử được giám sát ngay trong quá trình tạo nên cách tử, thời gian để tạo ra một cách tử nằm trong khoảng 5 – 10 phút. Phương pháp mặt nạ biên độ này là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay do độ tin cậy trong toàn bộ quá trình sử dụng nó. Với việc cho phép các mặt nạ biên độ có thể được tái sử dụng và các yêu cầu trong lúc chế tạo được giảm thiểu đã làm giảm giá thành của sản phẩm. Nhược điểm của phương pháp này là việc để tạo ra các cách tử có chu kì khác nhau chúng ta chỉ co duy nhất một cách đó là thay đổi bằng các mặt nạ có chu kì khác nhau và điều này làm tăng giá thành sản phẩm. Zhang et al đã chế tạo cách tử Bragg quang bằng cách sử dụng phương pháp chiếu xạ trực tiếp tia UV lên sợi quang theo điểm - điểm. Quá trình chiếu xạ điểm điểm phụ thuộc vào các yêu cầu về chu kì và đáp ứng phổ. Quá trình này được điều khiển bởi một máy tính sử dụng chương trình điều khiển đóng ngắt chiếu xạ và vì vậy nó có ưu điểm rất lớn đó là có khả năng điều khiển một cách mềm dẻo chu kì của cách tử sản phẩm bằng việc thay đổi các thông số chiếu xạ thông qua phần mềm điều khiển. Nhược điểm chính của phương pháp này là việc nó tiêu tốn nhiều thời gian trong việc chiếu xạ, hơn nữa yêu cầu kĩ thuật của phương pháp này rất nghiêm ngặt. Một kĩ thuật mới dùng để chế tạo FBG sử dụng chiếu xạ tập trung xung laser hồng ngoại femto giây. Phương pháp này được thuyết trình bởi Kondo et al. Trong kĩ thuật này, sợi quang được chọn là sợi quang đơn mode tiêu chuẩn cho truyền tải (NA=0. 11, đường kính trường mode 9. 3 0. 5 µm, đường kính vỏ 125 2 µm, bước sóng cắt 1260 40 µm). Lõi và vỏ của sợi quang lần lượt là Silica nguyên chất và Silica pha Ge. Các xung laser được sử dụng để gây ảnh hưởng tạo ra sự thay đổi chiết suất của sợi. Độ rộng xung laser khoảng 120 fs, bước sóng 800 nm và tần số lặp khoảng 200 khz. Chùm laser được đưa tới và tập trung trong phạm vi khoảng 20 λ ở lõi của sợi quang. Các tính năng của FBG sản phẩm được giám sát bởi camera CCD đặt trên microscope. Sợi quang được đặt vào một máy tính điều khiển và sẽ được chiếu xạ laser hồng ngoại bởi phương pháp điểm - điểm. Việc phân tích đáp ứng phổ và phổ truyền dẫn của FBG được phân tích và giám sát cùng lúc để tạo ra các sản phẩm có tính năng theo yêu cầu. Các FBG sản xuất theo công nghệ này có tuổi thọ rất cao. Hiện nay hầu hết các FBG đều được chế tạo theo phương pháp chiếu xạ tia UV lên sợi quang nhưng Davis et al và Karpov et al đã đưa ra khả năng sử dụng xung laser CO 2 . Thực nghiệm của họ dựa trên cấu hình bao gồm một máy tính điều khiển dùng để điều chỉnh vị trí sợi quang. Dưới sự điều khiển của máy tính, các xung laser đơn (~ 0. 5W, 300ms) được tập trung vào phần đường kính của sợi quang tại các vị trí đã xác định trước dọc theo chiều trục sợi. Một hệ thống giám sát được lắp ngay phía trên sợi dùng để giám sát vị trí của sợi và đảm bảo rằng các lỗi vật lý không xảy ra trong quá trình chế tạo. Một nguồn quang băng rộng có bước sóng nằm trong khoảng 1. 4 - 1. 6 µm được chiếu vào sợi quang và một máy phân tích phổ cũng được sử dụng để phân tích nhằm giám sát phổ truyền dẫn của FBG đang được chế tạo. Ưu điểm chính của phương pháp này là việc kĩ thuật sử dụng laser CO 2 không quá đắt, các yếu tố kĩ thuật của FBG được giám sát chặt chẽ và không xảy ra các lỗi vật lý làm cho méo, biến dạng FBGs. Một kĩ thuật chế tạo FBG khác được Lin và Wang đưa ra, trong đó cấu trúc chiết xuất theo nếp gấp của sợi quang được tạo ra bằng cách khắc axit trên sợi quang. Loại FBG này được chế tạo theo cách sau : một sợi quang dịch tán sắc tiêu chuẩn với đường kính vỏ ban đầu là 125µm được sử dụng. Một lớp vỏ kim loại mỏng với độ dày 120nm được phủ lên sợi quang với một lớp chất bảo vệ chống lại sự ăn mòn của axit tại các vị trí đã định trước, sau đó nó được nhúng vào dung dịch axit flohidric. Khi đó các phần không có bảo vệ sẽ bị ăn mòn bởi axit vào trong đường kính lõi khoảng 42µm. Phần mặt nạ sẽ được thiết lập sao cho cấu trúc nếp gấp có chu kì là 400µm trong độ dài tổng cộng của FBG là 20nm . Việc mất ánh sáng truyền dẫn tối đa nằm tại hai đầu của FBG do hiện tượng phản xạ, bởi vì lúc đó độ chênh lệch về chiết suất giữa hai môi trường truyền ánh sáng là lớn nhất (chiết suất không khí là 1). Một trong các tính năng của FBG chế tạo theo phương pháp này là quan hệ giữa bước sóng và mất năng lượng truyền dẫn có thể điều chỉnh ở bên ngoài bằng cách thay đổi các điều kiện tác động cơ học khi chế tạo, bởi vì chỉ số chiết suất điều chế truyền dẫn tạo nên bởi nhiều cấu trúc nếp gấp khác nhau. Một kĩ thuật chế tạo FBG khác cũng được đưa ra bởi Fujimaki et al. Trong kĩ thuật này, các ion Helium được đưa sâu vào trong lõi sợi quang thông qua một mặt nạ kim loại, khoảng cách cách tử được tạo ra là 60µm. Việc cấy các ion này gây ảnh hưởng đến chiết suất của sợi quang và tạo nên cách tử. Loại cách tử này có thể được sử dụng trong bộ lọc chọn bước sóng trong truyền dẫn quang. Việc chế tạo FBG hiện nay là tương đối đơn giản, các phương pháp sử dụng thường phụ thuộc vào lĩnh vực và mục đích sử dụng chẳng hạn như sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn hay là các hệ thống cảm biến …Phương pháp sử dụng chế tạo FBG hiện nay phù hợp với tính công nghiệp được đưa ra và chứng minh bởi Liu đó là sử dụng tia UV tác động lên sợi quang để tạo nên một dãy các vi thấu kính. Dãy vi thấu kính này được tạo nên bằng việc sử dụng laser bước sóng 248nm chu kì xung 20ns. Với phương pháp này, thời gian dùng cho việc chế tạo sẽ nhanh gấp 4 lần so với phương pháp sử dụng mặt nạ kim loại. Tóm lại, các phương pháp sử dụng chế tạo FBG được liệt kê vào 2 dạng : đó là phương pháp sử dụng chiếu xạ tia UV và phương pháp không sử dụng chiếu xạ tia UV. Trong phương pháp sử dụng chiếu xạ tia UV, chia làm hai kĩ thuật chính là kĩ thuật chiếu xạ tia UV điểm - điểm và kĩ thuật mặt nạ biên độ. Kĩ thuật chiếu xạ điểm điểm là kĩ thuật có tính mềm dẻo và phù hợp cho việc chế tạo các FBG có các đặc tính phổ khác nhau nhưng lại không phù hợp cho việc chế tạo hàng loạt, trong khi phương pháp mặt nạ biên độ không phù hợp với việc thay đổi đặc tính phổ của cách tử, nhưng lại phù hợp với việc chế tạo hàng loạt và giá thành cho việc chế tạo này tương đối rẻ, có 3 loại mặt nạ biên độ được sử dụng đó là mặt nạ Crom, mặt nạ điện môi và mặt nạ kim loại. Trong phương pháp không sử dụng chiếu xạ tia UV, kĩ thuật sử dụng laser CO 2 có giá thành rẻ, còn các phương pháp cấy ion và phương pháp khắc axit vẫn đang còn trong quá trình thực nghiệm. 1.3. Sơ lược về các ứng dụng của FBG Các đặc điểm về độ cảm quang và khả năng tương thích vốn có với sợi quang đã cho phép chế tạo rất nhiều loại FBG khác nhau, đặc biệt là các LPG. Hiện tại, các FBG có rất nhiều ứng dụng trong các hệ thống cảm biến và truyền dẫn quang. Bộ lọc chọn bước sóng rất hẹp dùng cho bộ khuyếch đại quang EDFA là một ví dụ điển hình về ứng dụng của loại thiết bị này. Hiện nay mặc dù các cách tử quang dạng này được tập trung phát triển cho các ứng dụng liên quan đến truyền dẫn quang và các hệ thống cảm biến nhưng vẫn có nhiều ứng dụng tiềm năng khác có thể phát triển như là chuyển mạch quang, xử lý tín hiệu quang v.v Các ứng dụng của nó có thể tập trung vào 3 ứng dụng chính như sau: + Ứng dụng trong các hệ thống cảm biến: - Cảm biến nhiệt độ - Cảm biến sức căng - Cảm biến áp suất. + Ứng dụng trong laser quang: - Laser cách tử quang bán dẫn - Khoang ổn định ngoài cho laser bán dẫn - Khuyếch đại kích thích Erbium cho laser + Ứng dụng trong truyền dẫn quang: - Bù tán sắc - Các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM - Bộ lọc cân bằng cho khuyếch đại Erbium - Bộ tách ghép kênh - Bộ phản xạ nhiễu - Khuyếch đại Raman Như vậy cách tử Bragg hiện đã và đang trở thành một trong những phát minh về thiết bị quang có các ứng dụng đa dạng trong thực tế. Trong các chương sau chúng ta sẽ mô tả các thuộc tính và ứng dụng cụ thể của từng loại cách tử Bragg sợi quang để làm rõ hơn vấn đề này. . NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: CÁCH TỬ BRAGG SỌI QUANG CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1. 1. Lịch sử phát triển của cách tử Bragg quang Mô hình cách tử Bragg quang được đưa ra và chứng. Mỗi cách tử được tạo ra trên sợi quang có độ dài chừng 1 inch và chu kì của cách tử vào khoảng 60 µm cho đến 1 mm. Phổ truyền ánh sáng của cách tử được giám sát ngay trong quá trình tạo nên cách. lõi sợi quang thông qua một mặt nạ kim loại, khoảng cách cách tử được tạo ra là 60µm. Việc cấy các ion này gây ảnh hưởng đến chiết suất của sợi quang và tạo nên cách tử. Loại cách tử này có