Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu chế tạo thử nghiệm mẫu cảm biến âm quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder với cấu hình như sau
Hình 3.1. Cấu hình thực nghiệm hệ thống cảm biến âm quang sợi.
Các thành phần chính cho hệ thống cảm biến âm quang sợi được nghiên cứu gồm:
- Hai sợi quang
- Nguồn ánh sáng laser bước sóng 1552 nm - Ống cảm biến và ống tham chiếu
- Hai bộ ghép/tách quang để chia và hợp tín hiệu quang - Bộ thu và xử lý tín hiệu quang
- Máy dao động ký để quan sát dạng tín hiệu thu được
- Máy tính có cài sẵn phần mềm phân tích phổ WaveSurfer 1.8.8p3.
Ánh sáng từ nguồn laser sẽ được chia thành hai nhánh với tỉ lệ chia cường độ 50/50 nhờ một bộ tách quang. Nhánh cảm biến sẽ là sợi quang quấn chặt trên một ống trụ rỗng đàn hồi như plastic hay PVC, nhánh tham chiếu sẽ là sợi quang quấn chặt trên một ống trụ đặc không đàn hồi để không bị ảnh hưởng bởi áp suất âm. Khi có một tín hiệu thủy âm lan truyền từ nguồn âm tới cảm biến, áp suất âm này gây ra một lực tác dụng lên thành ống cảm biến làm cho nó dao động đàn hồi theo tần số sóng âm. Thành ống lại tác dụng lên sợi quang quấn quanh nó một áp lực làm thay đổi chiều dài sợi quang gây ra thay đổi quang trình. Sự thay đổi quang trình sẽ làm cho ánh sáng qua nhánh cảm biến được điều biến pha và tới bộ ghép quang. Bộ ghép quang này sẽ hợp tín hiệu quang từ nhánh cảm biến và nhánh tham chiếu. Tại đây, hiện tượng giao thoa sẽ xảy ra và điều chế pha sẽ biến thành điều chế cường độ và dễ dàng phát hiện được nhờ photodiode trên bộ thu tín hiệu quang-điện và được xử lý khuếch đại và lọc. Cuối
cùng tín hiệu thu được sẽ được hiển thị trên một máy dao động ký tương tự hoặc đưa ra loa. Tín hiệu này có thể được khôi phục lại và được phân tích phổ Fourier nhờ phần mềm WaveSurfer 1.8.8p3.
Sau đây chúng tôi sẽ trình bày chi tiết về các thiết bị sử dụng trong phần thực nghiệm chế tạo và khảo sát cảm biến thủy âm quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach- Zehnder đã nghiên cứu:
� Sợi quang được sử dụng là sợi quang đơn mode có độ suy hao rất thấp [1]. - Ở bước sóng λ=1552 nm độ suy hao vào khoảng 0.2 dB/km.
Hình 3.2 Hình ảnh sợi quang được sử dụng trong cảm biến thủy âm quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder.
Sợi quang là phương tiện truyền dẫn hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay do các ưu điểm của nó như :
- Suy hao truyền dẫn thấp và độ rộng băng thông lớn - Kích cỡ và trọng lượng nhỏ
- Chống can nhiễu tốt - Cách điện tốt - Bảo mật thông tin
- Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng - Giá thành rẻ
+ Phân loại theo vật liệu
- Sợi quang thạch anh (SiO2): không chỉ chứa SiO2 nguyên chất mà còn pha thêm tạp chất để làm thay đổi chiết suất. Người ta có thể pha thêm GeO2, P2O5 để làm tăng thêm chiết suất SiO2 hoặc pha thêm B2O3 hoặc Flourin để làm giảm chiết suất của SiO2.
- Sợi quang đa vật liệu: Có thành phần chủ yếu là soda lime, thuỷ tinh hoặc thuỷ tinh Bo - Silica và các kim loại kiềm như Na, Ca làm chất phụ gia…
- Sợi quang làm bằng nhựa: Silicon, Acrilic, Resin.
Trong mạng lưới viễn thông, sợi quang thuỷ tinh thạch anh được sử dụng nhiều nhất bởi vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và các đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài. Các loại sợi bằng nhựa thì thường được sử dụng ở những nơi cần truyền cự ly ngắn, khó đi cáp bằng máy móc, thuận tiện trong sử dụng lắp đặt thủ công mặc dù loại này có đặc tính truyền dẫn kém.
+ Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ
- Sợi có chiết suất phân bậc: Chiết suất của lõi n1 không đổi. Vì n1>n2 (n2 là chiết suất lớp bọc) nên tại mặt phân cách giữa lớp bọc và lõi có chiết suất phân bậc
- Sợi có chiết suất giảm dần: Chiết suất n1 của lõi đạt giá trị lớn nhất tại tâm lõi và giảm dần cho tới biên lớp mặt phân cách giữa lớp bọc và lõi.
Các sợi quang dùng trong viễn thông được làm bằng thuỷ tinh silica tinh khiết. Sự phản xạ toàn phần xảy ra khi ánh sáng đi từ lõi (có chiết suất 1,47 đến 1,48) tới mặt phân cách lõi - lớp bọc (lớp bọc có chiết suất 1,46), ánh sáng sẽ phản xạ toàn phần liên tiếp và truyền đi xa .
+ Phân loại theo mode lan truyền
- Sợi đơn mode: chỉ cho một mode duy nhất là tia song song với trục của sợi truyền qua, lõi của sợi đơn mode có đường kính khoảng 9μm.
- Sợi đa mode: truyền dẫn đồng thời nhiều mode, trong sợi đa mode ngoài tia song song với trục của sợi còn có các tia thành phần đi xiên dọc theo lõi sợi. Sợi đa mode có đường kính lớn hơn sợi đơn mode rất nhiều, khoảng 50μm.
Sợi quang đơn mode thương mại thông thường có cấu tạo gồm lõi (core) là sợi thủy tinh hoặc plastic đã được tinh chế nhằm cho phép truyền đi tối đa các tín hiệu ánh sáng. Sợi quang được tráng một lớp bọc (cladding) nhằm phản chiếu tốt các tín hiệu. Ngoài ra bên ngoài là lớp phủ và lớp vỏ để bảo vệ sợi.
Hình 3.4. Cấu trúc sợi quang đơn mode điển hình
- Lõi: Nơi ánh sáng truyền đi trong sợi
- Lớp bọc: Vật liệu phủ bên ngoài lõi có chiết suất nhỏ hơn chiết suất lõi để phản xạ ánh sáng.
- Lớp phủ: Lớp vật liệu dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ướt - Lớp vỏ: Lớp vật liệu gia cường để tránh cho sợi khỏi đứt gãy khi kéo căng
và uốn cong.
Ở đây chúng tôi sử dụng sợi quang tiêu chuẩn thương mại SMF-28 trần không có lớp vỏ bảo vệ bên ngoài để tăng độ nhạy áp suất.
Hình 3.5 Hình ảnh bộ coupler quang được sử dụng trong hệ thống cảm biến thủy âm quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder
Hai bộ ghép/tách quang này có tác dụng như các gương trong giao thoa kế Mach- Zehnder.
- Một bộ coupler quang được dùng để tách chùm sáng lối vào thành hai chùm sáng lối ra có cường độ bằng nhau để đưa vào hai nhánh.
- Một bộ coupler quang khác được dùng để kết hợp hai chùm sáng từ hai nhánh để tạo ra giao thoa và thu được cường độ tín hiệu lối ra Iphụ thuộc độ lệch pha ∆� của hai nhánh.
� Ống cảm biến và ống tham chiếu
- Ống cảm biến dùng để quấn sợi quang tạo thành nhánh cảm biến. - Ống tham chiếu dùng để quấn sợi quang tạo thành nhánh tham chiếu
Hình 3.6 Hình ảnh ống cảm biến và ống tham chiếu được sử dụng trong hệ thống cảm biến thủy âm quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder quang sợi
- Ống cảm biến là một ống trụ rỗng được làm từ vật liệu đàn hồi. Để cảm biến có dải đáp ứng tần số rộng thì vật liệu chế tạo nên có hệ số Young cao và hệ số khối thấp theo công thức đưa ra ở trên. Ống cảm biến có tác dụng truyền áp suất thủy âm từ môi trường lên sợi quang quấn trên ống từ đó làm thay đổi pha chùm ánh sáng truyền trong nhánh cảm biến khi bị tác dụng của sóng âm từ môi trường.
- Ống tham chiếu được sử dụng để cố định pha của tín hiệu quang truyền trên nhánh tham chiếu khi chịu tác dụng của sóng âm. Ống tham chiếu là một ống trụ đặc để không bị thay đổi khi chịu tác dụng của áp suất thủy âm từ môi trường.
Trong hệ thống cảm biến thủy âm quang sợi hai ống trên không nhất thiết phải được làm từ cùng một vật liệu và đường kính ống không cần thiết phải giống nhau vì chúng ta chỉ lấy thành phần khác biệt pha. Tuy nhiên để thuận tiện trong tính toán và để giảm can nhiễu từ các thông số môi trường khác như nhiệt độ thì sợi quang trên hai nhánh, ống cảm biến và ống tham chiếu nên có cùng kích thước. Trên hai nhánh, sự thay đổi của các thông số môi trường khác như nhiệt độ là như nhau do vậy không ảnh hưởng đên độ sai khác pha. Điều này sẽ làm giảm nhiễu môi trường cho tín hiệu cảm biến.
Sau khi quấn sợi quang và hàn nối như hình 3.1, chúng tôi tiến hành đóng gói các phần tử và linh kiện để tiện cho việc khảo sát dưới nước và di chuyển. Việc đóng gói đảm bảo các tiêu chí:
- Suy hao quang nhỏ nhất
- Các phần tử được gắn chắc chắn trong hộp - Không để thấm nước
- Có tính thẩm mỹ và cơ động
� Một nguồn phát laser ở bước sóng 1552 nm
Đây là thành phần rất quan trọng trong hệ thống để phát laser đưa vào trong sợi. Công suất laser sẽ quyết định khả năng truyền dẫn đi xa của tín hiệu thu được. Sự ổn định của laser là rất quan trọng để giảm nhiễu hệ thống. Do vậy chúng ta hãy xem xét sơ lược về nguyên lý phát laser và phổ laser. Ở đây chúng tôi sử dụng laser bán dẫn đơn mode loại DFB.
Hình 3.8 Hình ảnh nguồn phát tín hiệu Laser bước sóng 1552 nm
Nguồn phát laser bán dẫn
Từ khi laser bán dẫn được chế tạo thành công vào những năm 60 của thế kỷ trước, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu về chúng. Với những đặc tính nổi trội của mình như sự tiện dụng, nhỏ gọn và giá thành thấp, laser bán dẫn ngày càng được quan tâm và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Laser hay khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức hoạt động dựa trên cơ sở của hai hiện tượng chính là: Hiện tượng phát xạ cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng sóng ánh sáng. Hiện tượng phát xạ cưỡng bức xảy ra khi một photon bị kích thích lên mức năng lượng cao sau đó chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra hai photon.
Hiện tượng cộng hưởng sóng ánh sáng xảy ra trong buồng cộng hưởng là hai gương hoặc hệ thống các gương được bố trí để ánh sáng có thể được phản xạ trở lại môi trường kích thích tạo nên hiện tượng khuếch đại ánh sáng.
Như vậy cấu trúc hệ thống laser gồm 3 phần: - Nguồn năng lượng (thường gọi là dòng bơm);
- Môi trường khuếch đại có vùng hoạt tính, hay môi trường laser; - Gương hay hệ thống gương, tạo nên hệ thống khuyếch đại quang học
Dòng bơm là phần cung cấp năng lượng cho hệ thống laser. Vùng hoạt tính bị kích thích bằng dòng bơm tạo ra sự kích thích đồng đều giữa các electron, cần thiết cho sự phát xạ cưỡng bức các hạt photon. Gương hay hệ thống gương sẽ tạo nên một buồng cộng hưởng hay môi trường để khuếch đại quang học như hình trên[1].
Phân loại theo số mode phát ra thì laser chia thành hai loại: laser đa mode và laser đơn mode. Dưới đây là hình ảnh của một phổ laser đa mode.
Hình 3.11. Phổ laser đa mode
Dòng bơm Vùng hoạt tính Gương phản xạ Môi trường khuếch đại Gương phản xạ
Từ phổ laser đa mode ta thấy có rất nhiều vạch phổ liên tiếp nhau, nếu đưa tín hiệu đa mode vào hệ giao thoa ta thấy sự giao thoa hỗn độn của các vạch phổ gần nhau. Do vậy ta không thể sử dụng loại laser này để làm nguồn phát cho hệ cảm biến bởi vì không thể quan sát được dạng tín hiệu thu được sau giao thoa.
Chúng ta sẽ sử dụng các nguồn phát laser đơn mode để làm nguồn phát vào hệ cảm biến. Thiết kế laser đơn mode yêu cầu có bộ cộng hưởng với hệ số mất mát khác nhau đối với các bước sóng khác nhau. Hiện nay có 2 loại laser đơn mode: Laser phản hồi phân bố (Distributed Feedback Laser- DFB Laser) và laser phản xạ Bragg phân bố (Distributed Bragg Reflector – DBR Laser). Hai laser trên đều sử dụng cách tử Bragg phân bố trong cấu trúc của laser để chọn lựa mode phản xạ về vùng hoạt tính, tuy nhiên vị trí của cách tử Bragg trong laser có khác nhau[1].
Ta thấy ở cấu trúc laser DFB cách tử được chế tạo ngay trên bề mặt lớp hoạt tính còn trong cấu trúc laser DBR, cách tử được chế tạo bên ngoài. Các cách tử này sẽ phản xạ đúng bước sóng được thiết kế. Với phương pháp này, bằng việc chế tạo cách tử phản xạ, chúng ta có thể chọn lọc bước sóng mà laser phát ra.
Chúng tôi sử dụng nguồn phát Laser bán dẫn DFB phát xạ quang đơn mode (phát xạ một bước sóng quang) ổn định ở bước sóng λ=1552 nm và công suất quang ra đạt gần -4,7 dBm. Do bước sóng λ=1552 nm nằm trong cửa sổ quang học thứ 3 nên có suy hao rất thấp cỡ 0.2 dB/km khi truyền dẫn trong sợi quang rất tiện dụng cho việc truyền dẫn tín hiệu đi xa. Hình 3.12b dưới đây trình bày phổ phát xạ của laser bán dẫn DFB sử dụng trong cảm biến quang âm.
Cách tử p-type Hoạt tính DFB - laser DBR-laser DBR DBR Vùng bơm n-type p-type n-type Hoạt tính
Hình 3.12b. Phổ laser của laser bán dẫn DFB sử dụng trong thực nghiệm
Ta thấy tín hiệu laser đơn mode này có độ rộng phổ rất hẹp cỡ 0.2nm. Nguồn phát này phù hợp để đưa vào hệ cảm biến. Tuy nhiên công suất của laser phải ổn định nhờ sự ổn nhiệt của pin Pelteir. Bởi vì sự thăng giáng nhiệt độ khi laser hoạt động liên tục có thể gây ra giảm công suất và dịch bước sóng của laser. Điều này sẽ gây nhiễu cho tín hiệu thu được và ảnh hưởng đến độ ổn định của hệ cảm biến.
� Một dao động ký HAMMEG
Dao động ký có tác dụng hiển thị tín hiệu điện của bộ chuyển đổi tín hiệu quang điện đã chuyển đổi.
Hình 3.13 Bộ dao động ký hiển thị tín hiệu điện được sử dụng trong hệ thống cảm biến thủy âm quang sợi.
Dao động ký tương tự có các tính năng sau: - Quan sát dạng tín hiệu
- Đo biên độ tín hiệu
- Đo tần số, chu kì, khoảng thời gian của tín hiệu - Đo độ dịch pha của tín hiệu
� Máy tính có cài đặt sẵn phần mềm phân tích phổ WaveSurfer 1.8.8p3.
Hình 3.14. Máy tính có cài phần mềm phân tích phổ WaveSurfer 1.8.8p3
Máy tính này làm nhiệm vụ:
- Thu tín hiệu âm thanh từ nguồn phát - Thu tín hiệu âm thanh thu được
- Phân tích phổ của hai tín hiệu bằng phần mềm phân tích phổ WaveSurfer 1.8.8p3.
� Một bộ thu và xử lý tín hiệu quang
- Bộ thu tín hiệu có một photodiode để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện để phục vụ cho quá trình xử lý tín hiệu. Bộ thu này còn có nhiệm vụ khuếch đại và lọc tín hiệu thu được.
Sau đây chúng ta sẽ xem xét chi tiết về bộ thu và xử lý tín hiệu quang này.
Bộ thu và xử lý tín hiệu quang
Bộ thu và xử lý tín hiệu quang là một thành phần quan trọng trong cấu hình của một cảm biến quang sợi giao thoa. Nó sẽ biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khuếch đại và lọc tín hiệu.
Sơ đồ nguyên lý của bộ thu và xử lý tín hiệu quang này được chỉ ra trong hình 3.16 dưới đây
Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý của một bộ thu và xử lý tín hiệu quang