Tán sắc trong sợi quang đơn mode ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của mạng thông tin quang tốc độ cao dùng ánh sáng trong cửa sổ 1550nm, nó làm tăng tỷ lệ lỗi bit, giới hạn tốc độ hoặc khoảng cách truyền của mạng. Để có mạng kích thước lón, tốc độ cao phải giảm tối thiểu tán sắc trong sợi quang.
Một số giải pháp khắc phục hiện tượng tắn sắc đang được áp dụng hiện nay trên thế giới là sử dụng các sợi cáp quang thông tin có độ tán sắc tối thiểu hoặc cáp quang có khả năng bù tán sắc. Tuy nhiên các phương pháp này có nhược điểm là chi phí lớn do giá thành các loại cáp này rất đắt so với cáp quang thông thường.
Hiện nay người ta đang nghiên cứu sử dụng FBG có chu kỳ thay đổi để bù tán sắc. Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị có kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và hoạt động có hiệu quả.
FBG chu kỳ biến đổi tuyến tính là một sợi quang đơn mode có một đoạn lõi được ghi những cách tử có chu kỳ thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài của sợi quang.
( )z 0 l( )z
Λ = Λ + Λ (1.12)
0
Λ là chu kỳ ở điểm bắt đầu của đoạn cách tử, Λllà sự thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài của đoạn cách tử.
Tại vị trí z trên đoạn cách tử Bragg, một sóng ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược trở lại nếu bước sóng của nó thoả mãn công thức:
( ) 2 ( ) ( )
B z neff z z
λ = Λ (1.13)
( )
B z
λ là bước sóng tại vị trí z tương ứng với chu lỳ cách tử Λ( )z .
Đặc tính của FBG chu kỳ biến đổi tuyến tính là tại những vị trí tương ứng với chu kỳ dài hơn sẽ phản xạ những ánh sáng có bước sóng dài hơn.
Giả sử xung tín hiệu đi vào đầu có chu kỳ dài hơn của đoạn cách tử.Khi đó, những bước sóng dài hơn sẽ bị phản xạ ở gần phần đầu của đoạn cách tử hơn. Nói cách khác, những bước sóng ngắn hơn sẽ phải đi một quãng đường xa hơn trong đoạn
cách tử trước khi chúng được phản xạ ngược trở lại. Kết quả là một khoảng thời gian trễ d sẽ được tạo ra giữa thành phần bước sóng ngắn so với thành phần bước sóng dài.
e 2 ff 1 c n L d c λ = ∆ ÷ (1.14)
Trong đó d là khoảng thời gian trễ, neff là chiết suất hiệu dụng, L là độ dài đoạn cách tử Bragg, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, ∆λclà hiệu số giữa bước sóng bị phản xạ ở đầu đoạn cách tử (thành phần bước sóng dài nhất) so với bước sóng bị phản xạ ở cuối đoạn cách tử (thành phần ngắn nhất).
Hình 1.16: Nguyên lý bù tán sắc của FBG chu kỳ biến đổi tuyến tính
Đây là hiện tượng ngược với hiện tượng tán sắc và là nguyên lý của thiết bị bù tán sắc trong mạng thông tin quang dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính.
Hình 1.17: Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính
Trên hình vẽ circulator là thiết bị ghép nối quang chỉ cho ánh sáng đi lần lượt các cổng 1, 2, 3 theo chiều kim đồng hồ. Một xung bị giãn rộng sau khi được khuếch đại sẽ đi qua một circulator để tới đoạn cách tử Bragg có chu kỳ biến đổi như hình vẽ. Tại đoạn cách tử, thành phần bước sóng ngắn tới trước do tán sắc sẽ phải đi thêm quãng đường nữa trước khi được phản xạ ngược lại để tới thiết bị đầu thu. Trong khi đó, thành phần bước sóng dài hơn, đến chậm hơn do bị tán sắc, sẽ được phản xạ ngay khi tới cách tử Bragg. Kết quả là xung tín hiệu sau khi đi qua thiết bị bù đã được co lại. 1.3.4. Ứng dụng trong cảm biến
Bằng những ưu điểm của mình, hiện nay FBG đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong chế tạo cảm biến quang.Các ứng dụng này sẽ được nghiên cứu chi tiết hơn trong chương 2.
CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN QUANG SỢI SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG
Với rất nhiều ưu điểm của mình như ổn định trong quá trình sử dụng, hiệu suất cao ,có kích thước nhỏ, dễ sử dụng và gỡ bỏ khi cần thiết…,đặc biệt là không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường,FBG hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong việc chế tạo cảm biến quang sợi.
Trong chương 2 này chúng ta sẽ đi tìm hiểu một số loại cảm biến đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế hiện nay:
• Cảm biến nhiệt độ. • Cảm biến sức căng. • Cảm biến gia tốc FBG.
• Cảm biến đo môi trường lỏng. • Cảm biến đo địa chấn.
2.1. FBG làm cảm biến nhiệt độ Nguyên lý: ta có Nguyên lý: ta có ( ) [ 1 ] B e B p T λ α ζ λ ∆ = − + ∆ (2.1) α là hệ số dãn nở nhiệt (khoảng 6
10− ), pe là hệ số quang đàn hồi của thuỷ tinh
(pe ≅0, 22 cho Silica), ζ là hệ số quang nhiệt của thuỷ tinh (chiết suất thay đổi theo T, khoảng 10−5).
Từ công thức (2.1) ta thấy ∆T thay đổi khi ∆λB thay đổi, do đó dựa vào sự dịch bước sóng Bragg 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 để làm tăng độ nhạy theo T của FBG. Cảm biến dạng này kết hợp cả dãn nở và sức căng tác động lên sợi quang .
2.2. FBG làm cảm biến sức căng
1 1 2 eff B eff B eff B eff n n n L L L L n L L λ λ λ ∂ ∂ ∂Λ ∆ ∂Λ ∆ = Λ + ÷∆ ⇔ = + ÷÷∆ ∂ ∂ ∂ Λ ∂ Đặt eff e eff n L P n L ∂ = − ∂ và kết hợp với 1 1 1 L N L L L ∂ ∂Λ = = Λ ∂ Λ ta được: (1 ) B e B L P L λ λ ∆ = − ∆ (2.2) Trong đó: B λ ∆ là độ dịch bước sóng,
N là số chu kỳ của cách tử trong FBG,
e
P là hằng số đàn hồi quang hiệu dụng (giá trị trung bình của Pe là 0,22)
Từ phương trình (2.2) ta thấy ∆L thay đổi khi ∆λB, do đó dựa vào sự dịch bước sóng Bragg ta có thể biết được sự thay đổi sức căng.
2.3. Cảm biến gia tốc dựa trên FBG cho công trình kiến trúc xây dựng dândụng dụng
2.3.1. Giới thiệu
Cảm biến gia tốc là một phần quan trọng cấu thành một hệ thống giám sát chất lượng công trình kiến trúc xây dựng dân dụng đặc biệt là phát hiện những thiệt hại do động đất và gió bão.
Cảm biến gia tốc quang có rất nhiều ưu điểm so với cảm biến gia tốc điện thông thường ví dụ như “ sự miễn dịch” của nó với nhiễu điện trường và khả năng truyền tín hiệu qua khoảng cách xa mà không cần có thêm các bộ khuếch đại.Mới đây,chúng ta đã phát triển một loại cảm biến gia tốc quang mới sử dụng yếu tố cách tử Bragg trong sợi.
Cảm biến gia tốc này đã được chế tạo để có độ nhạy cao cỡ 1 pm/Gal trong phạm vi tần số thấp.Độ nhạy qua trục được giảm tới mức tối thiểu bằng cách sử dụng một lò xo lá.Cơ chế làm việc của sensor này bảo đảm sự phân bố sức căng đồng đều trên yếu tố cách tử Bragg do đó phản xạ Bragg tối đa sẽ không bị giảm.Mặt khác,môi trường cách tử Bragg cần được gắn một cái giá đỡ kéo căng để tạo ra biến dạng một cách
thích hợp.Biến dạng này không được lớn hơn giới hạn làm việc của sợi quang trong công nghiệp truyền thông.Những mức biến dạng sẽ gây nguy hại và kết quả là sẽ hỏng trong một thời gian ngắn sử dụng.Để vượt qua khuyết điểm này thì việc phân loại biến dạng đã được chú ý đến.Với việc phân loại này, thời gian tồn tại của cách tử Bragg đã được kéo dài tới khoảng 50 năm bằng với 8000 biến dạng nhỏ đặt vào cách tử Bragg.Những điểm có lợi của khả năng phối hợp đã được chứng minh bởi cảm biến đo gia tốc sử dụng cách tử FBG và cảm biến đo áp lực sử dụng FBG.
2.3.2. Thiết kế của sensor gia tốc FBG
Sơ đồ của một sensor gia tốc FBG được thể hiện trên hình 2.1.Sensor gia tốc này gồm một đòn cân bằng cứng hình chữ L,một khối đặc và một lò xo.Để phát hiện biến dạng tác động vào sensor thì cách tử Bragg trong sợi quang phải đặt ở vị trí giữa 2 điểm A và B. Nó được liên kết với cảm biến gia tốc ở 2 điểm này.Cách tử Bragg cần được kéo căng .Để sử dụng được cấu hình này thì môi trường cách tử Bragg phải được phân bố biến dạng một cách đồng đều và việc đo độ dài của nó phải có đặc điểm là kết quả phản hồi nhanh mà không bị mở rộng ra.điểm đặc biệt là giữ được độ phân giải của sensor trong phạm vi biên độ rộng.
Hình chiếu mặt và hình chiếu cạnh của nguyên mẫu một sensor gia tốc được thể hiện trong hình 2.2.Phần bên trong được thể hiện trong hình 2.3.Một lò xo lá được sử dụng trong sensor để cực tiểu độ nhạy qua trục.Để đạt được độ nhạy cao trong vùng tần số thấp,tần số tự nhiên được chỉnh thành 45Hz.Trong phân tích dưới đây,sensor gia tốc được làm mẫu của một hệ thống tự do không có sự chống rung,độ vững chắc của cách tử Bragg có xét đến yếu tố lò xo K .
Hình 2.1: Sơ đồ khối của sensor gia tốc FBG
Hình 2.3: Hình dạng bên trong của sensor gia tốc FBG
Phương trình chuyển động để mô tả hệ thống trong hình 1 :
(2.3) Khi
(2.4)
Chia cả 2 vế cho M ta được:
(2.5) Trong đó 0 K M ω = (2.6)
(2.7) Cho phép chúng miêu tả chuyển động của vật M ở dạng sau:
(2.8)
Biên độ thu được khi thay thế phương trình (2.7) và (2.8 ) vào phương trình (2.3): 2 2 0 0 1 1 1 ( / ) g Y A ω ω ω − = − (2.9) Ta có thể hiểu rằng gia tốc trọng trường tỉ lệ với độ dịch chuyển của vật khối Y trong một vùng tần số thấp và biên độ tỉ lệ nghịch với bình phương tần số tự nhiên.Trị số biến dạng ɛ gây ra trong cách tử Bragg được biểu diễn xấp xỉ dưới dạng:
2 0 / 1 g d l A L ε ω ≈ − (2.10) Tần số tự nhiên của nguyên mẫu là 45 Hz.Chiều dài hiệu dụng của cách tử Bragg là 30 mm.Hệ số d l/ là 0.2.Với điều kiện 1.0 Gal(cm s/ 2) gây ra 0,83 đơn vị biến dạng trong cách tử Bragg.Khi một cách tử Bragg bước sóng 1550nm được sử dụng,độ nhạy của sự thay đổi bước sóng là 1,2 pm/đơn vị biến dạng.Vì thế, biên độ gia tốc của 1.0 Gal tương ứng với 1pm bước sóng thay đổi của bước sóng cách tử Bragg.Mối quan hệ giữa độ dịch bước sóng Bragg Δλ (pm) và biên độ gia tốc Ag(Gal ) có thể được
biểu diễn đơn giản dưới dạng sau:
1.0Ag
λ
∆ = (2.11)
2.4. Sử dụng FBG trong cảm biến đo môi trường lỏng
Sử dụng khả năng ghép chung của các cảm biến rời rạc dựa trên FBG, một cảm biến gia tốc có thể FBG được tích hợp chung cảm biến áp lực để đo môi trường lỏng. Một cảm biến gia tốc FBG có thể được sử dụng để phát hiện các phản ứng gây ra gia
tốc của lớp đất, trong khi các bộ cảm biến FBG áp lực sẽ đo áp lực nước trong lòng đất. Kết hợp các dữ liệu áp lực nước với dữ liệu gia tốc trong các môi trường lỏng dưới mặt đất có thể đánh giá khả năng xảy ra trận động đất. Như đã nêu trong ví dụ này, một số loại ghép các bộ cảm biến sẽ là một tính năng hấp dẫn của hệ thống dựa trên cảm biến FBG.
Hình
2.4: FBG cảm biến áp lực
Hình 2.5: Cảm biến đo môi trường lỏng bao gồm các bộ cảm biến gia tốc FBG và cảm biến áp lực FBG
2.5. Cảm biến FBG đo địa chấn
Cảm biến sợi quang sử dụng cách tử Bragg có một số lợi thế như không bị nhiễu trường điện từ, gọn nhẹ, và tiêu thụ năng lượng thấp. Quan trọng nhất, cảm biến FBG có độ nhạy cao trong việc thu các biến dạng cơ học (có thể phát hiện được sự biến dạng cỡ micro). Nguyên tắc cơ bản của hệ thống cảm biến địa chấn FBG là nó biến rung động của mặt đất vào các tín hiệu cảm biến của FBG thông qua thiết kế cơ khí, và sau khi qua điều chế quang học tạo ra điện áp đầu ra tương tự tỷ lệ thuận với những thay đổi của chúng.
Mẫu thử nghiệm cảm biến FBG đo địa chấn bao gồm việc thiết kế điện-quang, thiết kế cơ khí và phần cứng và giao diện phần mềm của hệ thống cảm biến. Việc thử nghiệm thí nghiệm của hệ thống được thực hiện có hệ thống trên nhiều tần rung động. Các nghiên cứu về các tính chất cảm biến cho thấy cảm biến có độ nhạy cao (2500 mV / g ở 90 Hz) cho tín hiệu gia tốc trong phạm vi 80 dB, độ tuyến tính tốt và ổn định sau khi tích hợp thành thiết bị.
2.5.1. Cấu trúc cơ khí của các đầu cảm biến
Hình 2.6: Sơ đồ thiết kế Việc thiết kế cơ khí cảm biến gia tốc sử dụng FBG được thể hiện trong hình 2.6. Hai đầu của cảm biến sợi cách tử Bragg được gắn trực tiếp trên thanh lò xo lá của một cấu hình L. Cách tử Bragg được kéo căng để đạt được sự phân bố biến dạng đồng đều dọc theo cách tử Bragg. Bằng cách sử dụng
cấu hình này, cách tử Bragg luôn luôn bị căng phân phối đồng đều dọc theo chiều dài đo của nó để đảm bảo đặc tính phản xạ sắc nét mà không mở rộng trong phổ phản xạ.
Lò xo lá được sử dụng ở đây để giảm thiểu sự nhạy rung động qua trục.Vật khối (vật liệu: đồng thau, trọng lượng: 10,6 gram) được gắn vào một đầu của lò xo lá (vật liệu: thép không rỉ, chiều dài: 4 cm, chiều rộng: 1,2 cm, độ dày: 0,2 cm). Đầu còn lại của lò lá được gắn bởi một cột đỡ (chiều cao: 1,27 cm). Cột này là cố định trên vỏ cuả hộp chứa cảm biến.
Tất cả các yếu tố của cảm biến được đóng gói chỉ có sợi quang kéo dài ra. Nó bảo vệ các thành phần dưới tác động cơ học bên ngoài không bị va đập hoặc hư hỏng. Trong thử nghiệm toàn bộ cảm biến được trôn dưới mặt đất. Các cảm biến tiếp tục được đóng hộp để có được các giao diện kết nối (FCPC) giữa cáp quang và điểm nối lên khỏi mặt đất.
Sóng địa chấn từ tất cả các hướng va chạm mặt đất dọc theo bề mặt trên đầu cảm biến,những sóng địa chấn này tạo ra những rung động thay trên vỏ cảm biến cùng với các cực hỗ trợ tại một đầu của lò xo lá. Trong khi vật khối ở đầu kia của lò xo lá vẫn còn tĩnh, nó gây ra sự rung động trên cảm biến FBG.
Sự thay đổi biến dạng của sợi cách tử Bragg có thể được phát hiện bởi sự dịch chuyển bước sóng Bragg theo hiệu ứng Bragg . Trong thiết kế, cách tử Bragg hoạt động tại bước sóng 1550 nm. Độ biến dạng ở bước sóng 1550 nm là ~ 1pm/με. Như vậy, ứng với độ biến dạng 1000 με sẽ dẫn đến một sự thay đổi bước sóng 1 nm của một bộ cảm biến FBG. Sự thay đổi bước sóng của bộ cảm biến FBG được phát hiện thông qua hệ thống biến đổi quang điện.
Việc thiết kế giảm xóc cũng là một yếu tố quan trọng trong hệ thống lò xo khối lượng. Một giảm xóc tốt sẽ sinh các phản ứng tần số thấp, trong khi một giảm sóc chất lượng thấp sẽ cho kết quả dao động không đúng với dao động của lò xo lá. Giảm xóc bằng cách gắn keo silicon dưới của khối lượng và đầu cảm biến cơ bản đã cho kết quả khá tốt để đo dao động địa chấn.
Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống thiết bị cảm biến FBG đo địa chấn
Sơ đồ thiết bị cảm biến FBG đo địa chấn được trình bày trong hình 2.7.Thành