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 –

Cách tử p-type Hoạt tính DFB - laser DBR-laser DBR DBR Vùng bơm n-type p-type n-type Hoạt tính

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 tửđóng vai trò như một gương phản xạánh sáng có bước sóng phù hợp tuân theo công thức B 2neff sin (2.14) với B

là bước sóng ánh sáng được phản xạ  là chu kỳ của cách tử neff là chiết suất hiệu dụng của cách tử,  là góc tới của chùm sáng với trục cách tử. Trong sợi quang góc 

luôn bằng 2



vì vậy B 2neff . Nguyên lý cơ bản của loại cảm biến này là: Dựa vào sựthay đổi chiết suất của cách tử khi có sựthay đổi về nhiệt độ hay áp suất dẫn tới

bước sóng phản xạ của của cách tử bịthay đổi theo nguyên lý sau [5,3]:

Nguyên lý cảm biến nhiệt dọc theo trục sợi

   1  B e B p T          (2.15).

Trong đó  là hệ số dãn nở nhiệt (khoảng 106),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 bịthay 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 đểlàm tăng độ nhạy theo T của FBG do hệ số  và  của thủy tinh silica rất nhỏ nên B chỉđạt 11 pm/ 0C. Cảm biến dạng này kết hợp cả dãn nở và sức căng tác động lên sợi quang. Sơ đồ

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 sựthay đổi nhiệt độ, áp suất làm thay đổi bước sóng phản xạ của cách tử so với bước sóng phản xạban đầu

khi chưa có sựthay đổi của các yếu tố của môi trường.Sựthay 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 thểthu được sựthay 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 đểđo nhiệt độ, áp suất, gia tốc, độcăng [1,6,9]đang phát triển rất mạnh. Ởtrong 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 tửBragg để giảm độ giãn phổ phản xạ của cách tử khi nhiệt độthay đổi trong khoảng lớn. Tuy nhiên các nghiên cứu này phần thu của cảm biến vẫn sử dụng máy phân

tích phổquang 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 xạdo tác động của môi trường và sựđiều chỉnh bước sóng phát xạ của laser phát xạđơn mốt dịch theo sựthay 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.

Trên hình 2.10 laser là loại phát xạ đơn mốt có bước sóng phát xạ trùng với

bước sóng phát xạ của cách tửđược gắn với cổng 1 của bộ phản xạ vòng tại nhiệt độ

phòng. Ánh sáng phát xạ từlaser được truyền đến cách tửđược gắn trên cổng 2. Bước sóng phản xạ của cách tửđược thu bằng photodiode được gắn trên cổng 3. Ban đầu khi cách tửchưa chịu tác động của các yếu tốmôi 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 sựthay 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 tửtương 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 trịđó tương ứng với sự thay đổi của nhiệt độ.

Hình 2.10. Sơ đồ dự kiến nguyên lý cảm biến quang sử dụng dụng đầu thu là photodiode

Ge Ge Ge Ge o o o o o o o o o o o o

Hình 3.1.Cấu trúc GeO2 trong lõi sợi quang

Chương 3: Chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ trong vùng 1550 nm