Cỏc thiết bị vi quang học thường được sản xuất dựa trờn hai cụng nghệ
khỏc nhau, đú là bộ tỏn sắc gúc và cỏc bộ lọc.
Bộ lọc điện mụi sử dụng trong ghộp kờnh quang hoạt động dựa trờn nguyờn lý phản xạ tớn hiệu ở một dải phổ này và cho phần phổ cũn lại đi qua. Phần tử cơ bản để thực hiện ghộp kờnh theo bước súng là bộ lọc điện mụi giao
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
thoa, nú cú cấu trỳc đa lớp gồm cỏc màng mỏng cú chỉ số chiết xuất cao và thấp đặt xen kẽ nhau. Hầu hết cỏc bộ lọc giao thoa làm việc dựa trờn nguyờn lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm 2 gương phản xạ thành phần đặt song song cỏch nhau bởi một lớp điện mụi trong suốt. Nguyờn lý hoạt động của nú như sau: khi chựm tia sỏng chạm vào thiết bị, cỏc hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng.
a.
Sử dụng bộ lọc b. Sử dụng bộ tỏn sắc
Hỡnh 3. 4: Nguyờn lý ghộp/tỏch bước súng
Theo đặc tớnh phổ thỡ cú thể phõn cỏc bộ lọc giao thoa thành hai họ:
- Bộ lọc thụng dải: được đặc trưng bởi bước súng cắt λc và cú đỏp ứng phổ
thụng thấp hoậc thụng cao.
- Bộ lọc băng thụng: được đặc trưng bởi bước súng trung tõm λo và độ rộng băng ∆λ của bộ lọc.
Cỏc bộ lọc thụng dải được đặc trưng bởi bước súng cắt λc, cú cấu trỳc bao gồm cỏc lớp điện mụi cú chiết suất cao H (Ge, Si, Ta2O5...) và cỏc lớp cú chiết suất thấp L (GeF3, SiO, SiO2..) đặt xen kẽ nhau trờn cựng một phiến đế. Mỗi lớp cú độ dày là λ/4 đối với bộ lọc bậc 0 và độ dày 3λ/4 đối với bộ lọc bậc 1. Cấu trỳc thường được sử dụng là cấu trỳc (H/2 L H/2)k, yờu cầu đặt ra đối với bộ lọc loại này là đặc tuyến phải cú sườn dốc và cú độ
phản xạ cao trong dải phổ tớn hiệu và đồng thời truyền dẫn tốt phổ tớn hiệu bự. Cỏc bộ lọc thụng dải được sử dụng rộng rói cho việc ghộp/tỏch hai bước súng ở hai cửa sổ truyền dẫn khỏc nhau (vớ dụ như 850 và 1300nm hay 1300 và 1550nm). Do đú mà thiết bị này cú thể sử dụng một cỏch cú hiệu quả đối với cỏc nguồn sỏng cú độ rộng phổ lớn như LED. Cũn cỏc nguồn cú độ rộng phổ hẹp như laser người ta thường sử dụng cỏc bộ lọc băng thụng. Hơn nữa
λ1, λ2, λ3 … λn λ2, λ3 … λn λ1 λ2 λ n λ1 λ2 ... λ n
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
Chiết suất cao
Chiết suất thấp
Lớp phõn cỏch trong suốt
để bộ lọc cú khả năng đỏp ứng được sự chuyển dịch bước súng của nguồn do nhiệt độ gõy ra, bộ lọc phải được thiết kế sao cho đặc tớnh phổ cú dạng phẳng xung quanh bước súng trung tõm và sườn của đặc tớnh càng dốc càng tốt để cú thể ngăn ngừa sự xuyờn kờnh giữa hai kờnh kề nhau.
Bộ lọc băng thụng được đặc trưng bởi bước súng trung tõm λ0, cú
độ rộng băng ∆λ, thớch hợp với cỏc nguồn phỏt cú phổ hẹp như laser. Cú thể đạt độ rộng dải thụng ∆λ/λ = 0.045 với bộ lọc gồm 23 lớp điện mụi và 3 hốc sử dụng cỏc lớp chiết suất cao TiO2 = 2.45 và lớp chiết suất thấp SiO2 = 1.47 trờn phiến cú chiết suất n = 1.563.
Hỡnh 3.5 là sơ đồ cấu trỳc của một bộ lọc điện mụi giao thoa sử dụng nhiều lớp cú chiết suất cao thấp xen kẽ nhau. Nguyờn lý hoạt động của hệ
thống như sau: khi chựm tia sỏng chạm vào thiết bị, cỏc hiện tượng giao thoa ỏnh sỏng tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng. Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyờn lần của nửa bước súng ỏnh sỏng tới thỡ giao thoa xếp chồng xảy ra và bước súng đú được truyền dẫn thụng suốt nhất. Cỏc chựm ỏnh sỏng ở những bước súng khỏc trong buồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn.
Hỡnh 3. 5: Cấu trỳc của bộ lọc điện mụi giao thoa
Dưới đõy ta xem xột một số thiết bị tỏch bước súng dựng bộ lọc điện mụi màng mỏng: Bộ tỏch 2 bước súng: a) Cấu hỡnh cơ bản λ1 λ1,λ2 Sợi quang Thấu kớnh Kớnh lọc λ2
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
b) Cấu hỡnh khi thực hiện trong thực tế
Hỡnh 3. 6: Cấu trỳc bộ tỏch hai kờnh sử dụng bộ lọc giao thoa
Cấu trỳc cơ bản của bộ tỏch hai kờnh như ở hỡnh 3.6a, trong khi đú thực tế cấu trỳc này chỉ đơn giản như ở hỡnh 3.6b. Cỏc phần tử chuẩn trực và hội tụ cỏc thấu kớnh GRIN 1/4 chu kỳ P. Bộ lọc được thiết kế để phỏt đi
λ1 và phản xạλ2 sẽđược đặt giữa hai thấu kớnh. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cỏc thiết bị tỏch bước súng này được sử dụng rộng rói ở cỏc hệ thống thụng tin quang sử dụng cỏc nguồn phỏt LED ở bước súng 850 nm và 1300 nm, hoặc sử dụng cỏc nguồn phỏt phổ hẹp của cỏc tổ hợp bước súng như: 800 nm và 830 nm; 800 nm và 890 nm; 1200 nm và 1300 nm; hoặc 1300nm và 1550 nm vv..., với suy hao xen nhỏ hơn 3dB và suy hao xuyờn kờnh cao hơn 25dB.
Bộ tỏch lớn hơn 2 bước súng:
Thiết bị này sử dụng cỏc bộ lọc nối tiếp nhau, và mỗi bộ lọc cho đi qua một bước súng và phản xạ cỏc bước súng cũn lại. Hỡnh 3. 7: Cấu trỳc cơ bản của một bộ tỏch nhiều bước súng λ1 λ1λ2 λ2 Thấu kớnh GRIN (1/4 P) Bộ lọc Bộ lọc (λ1) λ1, λ2,..., λn λ1 λ3 λ2 λ4
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
Hỡnh 3. 8: Một bộ tỏch vi quang 5 kờnh thực tế
Trong thực tế, thiết bị tỏch nhiều bước súng ngoài cỏc bộ lọc cũn cú thấu kớnh, cỏc sợi quang vv... Hỡnh 3.8 là bộ tỏch 5 bước súng dựng thấu kớnh GRIN và khối thuỷ tinh trong suốt.
Đụi khi cú thể thực hiện tạo ra bộ tỏch kờnh mà khụng cần sử dụng đến cỏc phần tử chuẩn trực, thiết bị khụng cú thấu kớnh, mà cỏc bộ lọc giao thoa
ở đõy được đặt trờn từng đoạn một cỏch thớch hợp và đầu sợi được mài nhẵn.
Hỡnh 3. 9: Cấu trỳc cơ bản của bộ tỏch nhiều kờnhsử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi.
Thiết bị kết hợp ghộp và tỏch bước súng (OMUX-ODMUX):
λ1… λ5 λ2 λ4 Sợi quang Thấu kớnh GRIN Khối thủy tinh trong suốt Bộ lọc λ1 λ3 λ5 λ1 λ2 λ3 Sợi quang Bộ lọc λ4 λ1, λ2,λ3,
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
Hỡnh 3. 10: Thiết bị OMUX – ODMUX 4 bước súng
Cỏc bước súng 0,81àm và 0,89àm từ hai nguồn quang khỏc nhau được ghộp thành một tia chung để truyền qua sợi quang. Cỏc bước súng 1,2 àm và 1,3 àm từ sợi quang đến được tỏch thành hai tia ứng với mỗi bước súng
đểđưa đến diode thu quang. Thấu kớnh GRIN tại cổng vào dựng loại 1/4P phõn kỡ, tại cổng ra dựng loại 1/4 P hội tụ.
Ánh sỏng phản xạ giữa cỏc lớp phẳng song song, nơi đặt cỏc bộ lọc nhiều lớp, ỏnh sỏng được chia ra theo 2 vựng phổ khỏc nhau: bộ lọc bước súng dài LWPF phản xạ cỏc bước súng 0.81àm và 0.89 àm, bộ lọc cỏc bước súng ngắn SWPF phản xạ cỏc bước súng 1.2àm và 1.3 àm. Cỏc bộ lọc thụng dải BPF sẽ chọn ra cỏc kờnh riờng biệt: 0.81 àm ra khỏi 0.89 àm và 1.2 àm ra khỏi 1.3àm. Độ rộng cỏc kờnh là 25nm và 32 nm ở cửa sổ đầu tiờn và 47nm và 50 nm tại cửa sổ thứ hai. Một thớ dụ khỏc của bộ OMUX-ODMUX dựng gương cầu lừm như hỡnh 3.11 BPF 0,81àm 0,81àm Connector LWPF SWPF 0,89àm BPF 0,89àm 0,8àm và 0,89àm 1, 2àm và 1,3àm Thấu kính GRIN BPF 1,2 àm
BPF 1,3 àm Khối thuỷ tinh
1,2 àm
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
Hỡnh 3. 11: Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước súng
Cỏc đầu sợi quang đặt trờn mặt phẳng tiờu D. Gương cầu lừm A phản xạ
bước súng 0,825 àm tới đầu ra. Gương cầu lừm B phản xạ bước súng 0,870 àm từ sợi chung vào và tới sợi ra. Gương cầu lừm C phản xạ bước súng 1,3 àm từ sợi chung vào và tới sợi ra khỏc.
3.2.2. Phương phỏp ghộp kờnh sử dụng cỏch tử nhiễu xạ
Do nhược điểm khụng tỏch được cỏc tia sỏng cú bước súng gần nhau nờn thấu kớnh ngày nay hầu như khụng được sử dụng nữa, mà thay vào đú người ta sử dụng cỏch tử nhiễu xạ là chủ yếu. Cỏc bộ tỏch/ghộp bước súng sử dụng bộ lọc khụng thể thực hiện được khi số lượng kờnh lớn và cỏc bước súng rất sỏt gần nhau. Thuận lợi chớnh của cỏch tử đú là cú thể nhiễu xạ đồng thời tất cả cỏc bước súng và cú thể thực hiện được với cỏc bộ tỏch ghộp nhiều kờnh. Nguyờn lý cơ bản của ghộp bước súng sử dụng cỏch tử đú là: dựa trờn hiện tượng gúc nhiễu xạ phụ thuộc vào bước súng ỏnh sỏng.
Cỏch tử nhiễu xạ là một thiết bị quang thụ động, nhiễu xạ chựm sỏng tới theo cỏc hướng khỏc nhau tựy theo gúc tới của chựm sỏng trờn bề mặt cỏch tử, bước súng của ỏnh sỏng tới, cỏc đặc tớnh thiết kế của cỏch tử, khoảng cỏch giữa cỏc rónh d (chu kỳ cỏch tử), gúc của rónh cỏch tử φ. Trờn 1mm của cỏch tử cú từ hàng chục cho đến hàng nghỡn rónh nhỏ, số rónh trờn một đơn vị chiều dài của cỏch tửđược gọi là hằng số cỏch tử.
Người ta chế tạo cỏch tử bằng cỏch dựng một mũi kim cương nhọn rạch những đường song song cỏch đều trờn một tấm thuỷ tinh phẳng. Chỗ bị rạch cú tỏc dụng như những chắn sỏng, chỗ cũn lại cú tỏc dụng như những khe sỏng. Cỏch tử thu được bằng cỏch đú gọi là cỏch tử truyền xạ. Cỏch tử truyền xạ ngày nay dựng rất ớt vỡ mũi kim cương mau mũn khi rạch lờn thuỷ tinh
0,825 àm 0,825 àm 0,825 àm ; 1,3 àm Sợi chung 0,870 àm 1,3 àm
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
hoặc thạch anh, khiến cho cỏc khe cuối khụng cũn độ rộng như khe đầu. Vả
lại một phần ỏnh sỏng bị mất vỡ phản xạ. Thay vào đú là cỏch tử phản xạ, bằng cỏch rạch lờn bề mặt kim loại phủ trờn thuỷ tinh, tạo ra cỏc chắn sỏng. Phần cũn lại phản xạ ỏnh sỏng cú tỏc dụng như cỏc “khe”. Cỏc lớp kim loại phủ thường là bạc hoặc nhụm, khỏ mềm, nờn mũi kim cương rất lõu mũn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tựy theo cỏc bước súng khỏc nhau mà cỏch tử nhiễu xạ ỏnh sỏng theo cỏc hướng khỏc nhau. Do vậy, chựm tia tới với nhiều bước súng khỏc nhau sẽ được tỏch ra theo nhiều hướng tựy thuộc vào bước súng. Ngược lại, cỏc ỏnh sỏng đơn sắc từ cỏc hướng khỏc nhau cũng cú thểđược ghộp lại thành một chựm sỏng truyền theo cựng một hướng.
Cỏch tử phản xạ:
Hỡnh 3. 12: Nguyờn lý hoạt động của phương phỏp sử dụng cỏch tử phản xạ.
Cỏch tử truyền xạ:
Hỡnh 3. 13: Nguyờn lý hoạt động của phương phỏp sử dụng cỏch tử truyền xạ
Cỏch tử
λ1, λ2,..., λn λ1 λ2
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
3.2.2.1. Cụng thức cỏch tử
Ta xột một dóy khe hở cỏch đều (chu kỳ cỏch tử là d):
Hỡnh 3. 14: Tỡm cụng thức cỏch tử
Khi đú hiệu quang trỡnh giữa hai chấn động thứ cấp từ hai khe liờn tiếp là:
δ = nd(sinθ - sinθ0) (3.1)
Trong đú : n là chiết suất của lớp quang phủ trờn bề mặt cỏch tử Với cỏch tử phản xạ :
δ = nd(sinθ + sinθ0). (3.2)
Khi tớn hiệu từ hai khe liờn tiếp mà cựng pha thỡ :
δ = mλ (3.3)
ởđõy m là số nguyờn (bậc nhiễu xạ). Cụng thức cực đại chớnh là:
nd(sinθ + sinθ0) = mλ (3.4)
Do mặt phẳng của mỗi khe trựng với mặt phẳng cỏch tử, điều đú sẽ dẫn đến sự trựng của cực đại nhiễu xạ trung tõm với cực đại chớnh bậc khụng, khiến cho phần lớn năng lượng của chựm sỏng tới dồn vào quang phổ bậc khụng,
điều đú rất bất lợi cho quan điểm sử dụng cỏch tử vỡ quang phổ bậc khụng (tức m=0) là vựng sỏng chớnh giữa cỏc bước súng đều cho cực đại, cỏch tử
hoạt động như một gương phẳng đối với chựm tia tới, khi đú cỏc bước súng sẽ khụng được phõn tỏch ra nữa. Để khắc phục điều đú người ta tỡm cỏch nghiờng mặt phẳng của cỏc khe đi so với mặt phẳng cỏch tử một gúc α. Nhờ
thế sẽ xuất hiện một hiệu pha phụ giữa hai chấn động phản xạ (hay truyền xạ) vỡ vậy cú tờn gọi là cỏch tử pha.
Cỏc tia tới và tia nhiễu xạ tạo với phỏp tuyến M của mặt phẳng mỗi khe cỏc gúc i và i’, tạo với phỏp tuyến N của cỏch tử những gúc θ và θ0, thỡ:
θ0 θ
θ0 θ
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
i = θ0 - α
i’=θ - α
Hỡnh 3. 15: Cỏch tử pha (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cực đại nhiễu xạ trung tõm xảy ra theo phương i = -i’. Khi đú, ta cú:
θ = 2α - θ0 (3.5)
Nếu muốn cực đại chớnh bậc m khỏc 0, tức là:
(sinθ + sinθ0) = mλ/nd (3.6)
thỡ gúc i của chựm sỏng tới phải thoả món hệ thức:
cosi = cos(θ0 - α ) = mλ/2ndsinα (3.7) Khi đú năng lượng chựm sỏng tới được tập trung vào cực đại chớnh bậc m; cỏc cực đại khỏc bị ỏp đảo mạnh. Tuy nhiờn, cực đại chớnh bậc chỉ trựng đỳng với cực đại nhiễu xạ trung tõm, theo cụng thức trờn, đối với một bước súng λ nào
đú.
Khi rọi ỏnh sỏng lờn bề mặt cỏch tử, ngoài hiện tượng nhiễu xạ tức là hiện tượng tia sỏng lệch khỏi phương truyền thẳng khi gặp cỏch tử, cũn cú hiện tượng giao thoa của cỏc tia sỏng bị phản xạ bởi bề mặt cỏch tử sẽ làm cho ỏnh sỏng bị nhiễu xạ theo cỏc gúc θ riờng biệt, theo cụng thức:
(sinθ + sinθ0) = mλ/nd (3.8) Rừ ràng gúc nhiễu xạθ phụ thuộc vào bước súng λ của ỏnh sỏng tới. Tuy nhiờn nhỡn vào biểu thức trờn ta thấy cú sự ảnh hưởng của bậc nhiễu xạ m, khoảng cỏch giữa cỏc khe, chiết suất lớp phản xạ và gúc tới θ0. Cỏc ảnh hưởng này phụ thuộc vào cụng nghệ chế tạo cỏch tử.
3.2.2.2. Cỏc bộ tỏch ghộp bước súng sử dụng cỏch tử
Núi chung, cỏc bộ ghộp kờnh hoặc tỏch kờnh sử dụng cỏch tử bao gồm 3 phần chớnh: cỏc phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với cỏc thành phần thu - phỏt); phần tử hội tụ quang; phần tử tỏn sắc gúc (cỏch tử). N M α + α θ θ 0 θ0 i' i
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
Hỡnh 3.16 là cấu hỡnh đơn giản của một bộ ghộp kờnh của Finke. Trong đú, mảng đầu sợi quang được đặt tại tiờu cự của một thấu kớnh trũn, phần tử tỏn sắc gúc được đặt tại tiờu cự bờn kia của thấu kớnh đú. Bộ tỏch kờnh thực tế loại này đó thực hiện tỏch từ 4 đến 6 kờnh với suy hao khoảng 1,2 đến 1,7 dB (triển vọng cú thể tỏch được 10 kờnh).
Hỡnh 3. 16 :Sơđồ bộ ghộp kờnh sử dụng cỏch tử của Finke.
Hỡnh 3.17 là bộ tỏch Littrow với cấu trỳc cơ bản và cấu trỳc thực tế sử
dụng thấu kớnh GRIN-rod của bộ tỏch 2 kờnh. Trong cấu hỡnh này, cả tớn hiệu ỏnh sỏng đi vào và ỏnh sỏng đi ra khỏi bộ ghộp chỉ sử dụng một thấu kớnh, dựng thấu kớnh chuẩn trực hoặc thấu kớnh GRIN. Hoặc là cỏch tử phẳng với gương cầu. a) Cấu trỳc cơ bản b) Cấu trỳc thực tế sử dụng thấu kớnh GRIN-rod của bộ tỏch 2 kờnh Hỡnh 3. 17: Bộ tỏch Littrow Thấu kớnh trũn Cỏch tử Đầu mảng sợi λ1, λ2, λ3, λ4 λ1 λ2 λ3 Lăng kính chuẩn trực Cách tử λ1 λ2 λ1,λ2 Cách tử Lăng kính Grin λ1 λ2 λ1,λ2
Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tỳ
Đầu mảng cỏc sợi quang được đặt trước một khe đó được quang khắc trờn mặt cỏch tử phản xạ phẳng. Gương cầu lừm cú tỏc dụng làm thay đổi hướng của bất kỳ một tia đa bước súng phõn kỳ nào thành một tia song song quay trở lại cỏch tử, tia này khi đến cỏch tử, sẽ bị tỏn sắc và