Xem mẫu
- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG
ĐỀ TÀI:
CÁCH TỬ BRAGG SỌI QUANG
CHƯƠNG 2
CHẾ TẠO FBG
2.1 Độ nhạy trong sợi quang
Khái niệm độ nhạy trong sợi quang được đưa ra đầu tiên bởi Hill. Độ nhạy
trong sợi quang được định nghĩa như là một tính chất của vật liệu dẫn quang được
thể hiện ở khả năng lưu giữ quá trình điều biến vi sai nhằm phân bố cường độ phát
xạ quang theo ý muốn. Tính chất này được ứng dụng nhiều trong chế tạo các thiết
bị quang, chẳng hạn như cách tử. Cách tử chiết suất khúc xạ là một thiết bị quang
có nhiệm vụ điều biến tín hiệu theo chu k ì hoặc pha của sóng tới. Việc chế tạo các
cách tử dạng này thường dùng các vật liệu có tính chất nhạy cảm ánh sáng, chẳng
hạn như Li, Ga-As, Ba-Ti, …
Để mô tả độ nhạy ánh sáng trong sợi quang, chẳng hạn sợ i Ge, người ta đưa
ra một số mô hình. Những mô hình này dựa vào sự thay đổi đỉnh hấp thụ của vật
liệu và mối quan hệ Kramer-Kronig để phân tích sự biến thiên của chiết suất khúc
xạ.
2. 1. 1 Mô hình trung tâm màu
Cơ chế tạo ra độ nhạy trong sợi quang là dựa trên sự ảnh hưởng của sự thay
đổi chiết suất khúc xạ vào sự phát xạ ánh sáng của cấu trúc GeO không hoàn hảo
và đỉnh hấp thụ vật liệu tại bước sóng 252nm. Cấu trúc không hoàn hảo này được
- gọi là mô hình trung tâm màu. Cấu trúc này được tạo ra do quá trình ion hoá có
phát xạ.
Hình 2. 1 minh hoạ quá trình tạo trung tâm màu Ge. Trung tâm màu được
tạo ra do sự phá vỡ liên kết Ge-Ge/Si giải phóng 1e tự do. Quá trình này cộng với
quá trình chiếu xạ bằng tia cực tím sẽ tạo ra đỉnh hấp thụ mới ở bước sóng 195,
213 và 281nm. Quá trình này là liên tục do tính chất cấu trúc của vật liệu SiO2.
Theo mô hình này, người ta chứng minh được rằng chiết suất khúc xạ tại
một điểm chỉ phụ thuộc vào mật độ và véc tơ định hướng của các ion được tạo ra
do phá vỡ liên kết. Nó được thể hiện bằng phổ hấp thụ electron của các ion này. Có
thể nhận thấy rằng băng hấp thụ này tương ứng với trung tâm GeE’. Dùng biểu
thức Kramer-Kronig người ta có thể đánh giá được sự thay đổi của băng hấp thụ
này.
Hình 2. 1. Cơ chế độ nhạy trong mô hình trung tâm màu
- 2. 1. 2 Mô hình thay đổi mật độ
Mô hình thay đổi mật độ dựa vào tính chất mật độ phụ thuộc vào quá trình
ion hoá phát xạ của GeO. Sự ion hoá này chính là sự bẻ gãy các vòng ring nhỏ (2
hoặc 3 phần tử) trong cấu trúc vật liệu sợi. Người ta chứng minh được rằng mối
quan hệ giữa độ thay đổi mật độ và chỉ số chiết suất khúc xạ là xấp xỉ tuyến tính.
Mặc dù mô hình thay đổi mật độ được đưa ra năm 1991, nhưng mãi đến năm
1998 người ta mới xác nhận các kết quả này bằng cách dùng kính hiển vi điện tử.
Tuy nhiên các kết quả đưa ra vẫn chưa đầy đủ. Lý thuyết về mô hình này hiện nay
đang tiếp tục được nghiên cứu.
Ngoài các mô hình chúng ta đã nêu ở trên còn có một số mô hình mà chúng
ta không nêu ra ở đây, chẳng hạn như mô hình dịch chuyển electron, … Việc ứng
dụng các mô hình này vào quá trình chế tạo cách tử chính là việc sử dụng các tính
chất làm tăng độ nhạy.
2. 2 Các phương pháp tăng độ nhạy
Để tăng hiệu quả của cách tử, độ nhạy của cách tử phải đạt được giá trị phù
hợp, vì vậy yêu cầu tăng độ nhạy. Phần này trình bày tóm tắt các phương pháp tăng
độ nhạy đáp ứng của sợi quang. Các phương pháp được sử dụng bao gồm: Xử lí
bằng Hydro, xử lí bằng nhiệt và xử lí bằng cơ học.
2. 2. 1 Xử lí bằng Hydro
Khi dịch chuyển sợi quang trong môi trường Hydro áp suất cao tại nhiệt độ
phòng, các phân tử Hydro sẽ khuếch tán vào trong sợi. Các phân tử này sẽ phá vỡ
liên kết Si-O-Ge tạo ra Si-OH và GeO cực tính âm như hình 2. 2.
- Hình 2. 2. Phản ứng phá vỡ cấu trúc Si-O-Ge do nhiệt
Cấu trúc Si-OH có đỉnh hấp thụ tại bước song 1390nm nằm trong vùng phổ
sử dụng. Tuy nhiên điều này không ảnh hưởng nhiều vì thực tế mật độ -OH trong
sợi nhỏ hơn nhiều mật độ GeO2 (lượng –OH chỉ chiếm 1-2%). Ngoài ra có thể khắc
phục hiện tượng này bằng cách thay chất tải H2 (Hydro) bởi D2 (Đơtơri) vì khi đó
phổ của đỉnh hấp thụ nằm ngoài cửa sổ phổ sử dụng. Sự thay đổi chiết suất khúc xạ
ở mức cao, n 6.10 3 , có tác dụng làm tăng độ nhạy khi có tác dụng của tia cực tím.
2. 2. 2. Xử lí bằng nhiệt
Chổi nhiệt là phương pháp đơn giản trong việc dùng ảnh hưởng của nhiệt để
làm thay đổi chiết suất khúc xạ. Vùng sợi quang cần làm tăng độ nhạy được quét
bằng nguồn nhiệt tạo thành từ oxi và hydro giàu với nhiệt độ khoảng 1700oC trong
vòng 20 phút. Ở nhiệt độ này hydro khuếch tán vào lõi sợi rất nhanh và tạo phản
ứng bẻ gãy cấu trúc GeO. Quá trình này tạo ra đỉnh hấp thụ ở bước sóng 250nm
trong lõi sợi và làm tăng độ nhạy. Khi đó tia cực tím sẽ có ảnh hưởng lớn đến sự
thay đổi chỉ số chiết suất khúc xạ. Phương pháp này có thể làm tăng độ nhạy với hệ
số lớn hơn 10.
Phương pháp tăng độ nhạy bằng nhiệt có rất nhiều ưu điểm. Rõ ràng nhất là
độ nhạy tạo ra rất ổn định khi so với phương pháp xử lí bằng hydro vì trong
phương pháp xử lí bằng hydro, khi hydro thẩm thấu ra khỏi sợi thì độ nhạy của sợi
sẽ giảm. Ngoài ra vật liệu dùng để chế tạo cách tử cũng không yêu cầu có độ nhạy
- cao. Nhược điểm chính của phương pháp này là do xử lí ở nhiệt độ cao nên độ bền
sợi không cao.
2. 2. 3 Xử lí bằng cơ học
Bằng thực nghiệm người ta chứng minh được rằng khi thay đổi sức căng bề
mặt của cách tử kết hợp với chiếu xạ bằng tia cực tím, chỉ số chiết suất khúc xạ
cũng thay đổi. Hình 2. 3 biểu diễn sự thay đổi tương ứng giữa chúng.
Ngoài ra, khi chiếu xạ bằng tia cực tím, cách tử làm bằng sợi Ge sẽ tạo nên
sức căng. Lí do là khi chiếu xạ bằng tia cực tím, các phẩn tử bị bẻ gãy (hay là cấu
trúc không hoàn hảo) của liên kết Si-Ge-O sẽ sắp xếp lại theo cấu trúc chặt chẽ hơn
làm tăng mật độ. Điều đó cũng có nghĩa là độ nhạy sẽ tăng. Trong một số trường
hợp, hệ số tăng độ nhạy của phương pháp này có thể lớn hơn 10.
Hình 2. 3. Chỉ số chiết suất khúc xạ thay đổi theo sức căng
2. 2. 4 Xử lý bằng tia cận cực tím
- Phòng thí nghiệm Starobudov đã đưa ra phương pháp làm thay đổi chỉ số
chiết suất bằng cách sử dụng các tia cận cực tím cho sợi Ge – Si tại bước sóng 330
nm. Mô hình mô tả quá trình làm việc của hệ thống này cho bởi hình 2. 4 sau:
Hình 2.4: Xử lý bằng tia cận cực tím
Trong hình vẽ trên, một hệ thống tia UV có bước sóng khoảng 240 nm
được dùng để kích thích sợi Si – Ge từ trạng thái S0 ổn định lên trạng thái kích
thích S1 mà ở đó sợi có xu hướng bị ion hoá, do tự phát hoặc do các ion 240 nm
khác kích thích từ bên ngoài. Quá trình ion hoá này sẽ ảnh hưởng đến chỉ số chiết
suất của sợi và người ta có thể điều khiển quá trình này để đạt được các chỉ số chiết
suất khác nhau tại các vị trí khác nhau. Việc này sẽ dẫn đến sự thay đổi và sắp xếp
lại cấu trúc của lõi sợi quang và gây nên sự thay đổi chiết suất. Ưu điểm chính của
công nghệ này là sản phẩm do nó tạo ra có độ ổn định nhiệt rất cao nhưng nó lại
không yêu cầu việc luyện lại bằng nhiệt.
2. 3 Một số phương pháp chế tạo cách tử
Hiện nay có rất nhiều phương pháp chế tạo cách tử. Ở mục này chúng ta sẽ
đưa ra các phương pháp được dùng phổ biến hiện nay.
2. 3. 1 Chiếu xạ tia cực tím điểm-điểm
Sơ đồ của phương pháp này được biểu diễn ở hình 2. 5.
- Trong sơ đồ, các thành phần có tác dụng như kính thiên văn và kính hiển vi
có tác dụng làm giảm kích thước của luồng chiếu xạ tia cực tím. Máy tính có khả
năng điều khiển bộ dịch và tấm chắn sáng. Nguồn tia cực tím được tạo ra từ laser
KrF chiếu qua một khe hẹp. Toàn bộ quá trình chế tạo sợi đều được thực hiện một
cách tự động và do máy tính điều khiển bằng phần mềm.
Phương pháp này có ưu điểm chi phí thấp, dễ dàng thực hiện và có khả năng
tạo ra cách tử có chu kì và độ dài khác nhau.
Hình 2. 5. Sơ đồ phương pháp chế tạo điểm - điểm
2. 3. 2 Chiếu xạ bằng xung laser CO2
Năm 1998, người ta đưa ra một phương pháp chế tạo cách tử chu kì dài.
Trong phương pháp này, một máy tính điều kiển cơ cấu cơ học gắn cố định vào sợi
với độ chính xác 0.1m để có thể điều chỉnh tiêu điểm Gaussian 145 m của dòng
laser CO2. Trong khi sợi được dịch bằng bộ dịch, máy tính điều khiển bộ chắn sáng
cho phép dòng laser chiếu vào sợi. Để có thể quan sát dễ dàng có thể đặt các thiết
bị như máy phân tích phổ, camera.
Ngoài ra ở phương pháp này, khi thử với sợi mang tải H2 và không mang tải
H2 người ta nhận thấy rằng chất lượng của cách tử chu kì dài chế tạo từ sợi không
- mang tải chiếu xạ CO2 kém hơn. Ngoài ra, nhiệt độ yêu cầu đối với sợi không
mang tải H2 khi chiếu xạ trong quá trình chiếu xạ là 1700 trong khi đó đối với sợi
mang tải H2 là từ 800oC đến 1200oC. Điều đó có nghĩa là mức công suất yêu cầu
cho sợi mang tải H2 chỉ bằng khoảng ¼ so với sợi không mang tải H2.
Phương pháp chiếu xạ CO tạo ra cách tử rất ổn định. Đặc tính băng tần bị
loại bỏ không thay đổi ngay cả khi nhiệt độ tăng lên đến 1200oC trong khi đó cách
tử dùng phương pháp chiếu xạ bằng tia cực tím bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Như
vậy cách tử dùng phương pháp chiếu xạ có cả ưu điểm bền và chịu được nhiệt độ
cao do đó nó thường được sử dụng trong thực tế.
2. 3. 3 Phương pháp dãy vi thấu kính
Phương pháp dãy vi thấu kính có ưu điểm là giá thành thấp, nó có thể sản
xuất với số lượng lớn cách tử. Hình 2. 6 chỉ ra cấu trúc của dãy vi thấu kính. Để
chế tạo dãy vi thấu kính, người ta dùng sợi silica nóng chảy dài khoảng 1. 3m với
suy hao thấp trong vùng 180nm đến 1100nm. Đường kính của lõi và lớp mạ tương
ứng là 400 m và 440 m . Sau khi xử lí loại bỏ lớp đệm, sợi được cắt thành các
miếng nhỏ 2cm. Tiếp theo các mẩu này được xếp liền kề đặt vào khuôn nhôm. Sau
đó chiếu xạ bằng tia cực tím để định dạng cho dãy thấu kính. Chú ý rằng chu kì của
dãy vi thấu kính tương ứng với bước sóng 440 m (bằng với đường kính lớp mạ của
sợi).
- 248nm
Khuôn
Al
248nm
Hình 2. 6. Cấu trúc dãy vi thấu kính
Mặc dù phương pháp này có ưu điểm về giá thành nhưng nó c ũng có rất
nhiều nhược điểm. Một nhược điểm dễ nhận thấy là khó khăn trong việc thực hiện
các thao tác chế tạo mảng bởi vì quá trình này đòi hỏi độ chính xác cao. Hơn nữa
khi sử dụng việc tập trung á nh sáng vào một vùng nào đó có thể làm ảnh hưởng
đến cấu trúc mảng. Để khắc phục nhược điểm này, chúng ta có thể sử dụng mảng
với một mặt lồi.
2. 3. 4 Phương pháp cấy ion
Bằng thực nghiệm người ta biết rằng phương pháp cấy ion làm tăng chỉ số
chiết suất ở mức cao đối với hầu như tất cả các vật liệu chế tạo sợi quang, vì vậy
đây là phương pháp rất phổ biến trong thực tiễn. Để thực hiện người ta dùng sợi Ge
có lõi đường kính 9 m vớithành phần 97SiO2:3GeO2, vỏ làm bằng Si nguyên chất
với đường kính 125 m . Cách bố trí mặt nạ và sợi như hình 5. 6. Sợi được cấy bằng
ion He2+ tại nhiệt độ phòng thông qua một mặt nạ kim loại bằng cách dùng máy
gia tốc 1. 7 MV (năng lượng của ion khoảng 51MeV). Khi ion được cấy vào lõi,
phần vỏ sẽ được khắc axit để đường kính còn khoảng 53m .
- Hình 2. 7. Sơ đồ bố trí mặt nạ và sợi trong phương pháp cấy ion
Để quan sát người ta dùng một máy phân tích phổ. Từ đó đi đến kết luận tại
vùng cấy ion, chiết suất khúc xạ tăng lên đáng kể. Như vậy có thể thấy rằng
phương pháp này có hiệu quả đối với hầu hết các loại vật liệu. Đây chính là ưu
điểm nổi trội của phương pháp này.
2. 3. 5 Phương pháp mặt nạ biên độ tia UV
Đây là dạng phương pháp phổ biến nhất dùng để chế tạo FBG. Hình 2. 5 mô tả chi
tiết phương pháp này.
- Hình 2.8: Phương pháp mặt nạ biên độ sử dụng tia UV
Đối với thiết bị này, mặt nạ biên độ cho phép các xung laser đạt ngưỡng truyền qua
theo đường vuông góc, ngưỡng của xung trong hệ thống này quy định 100 mJ/ cm2
/ 1 xung. Trong đó các mặt nạ có một số có chu kì khác với các mặt nạ còn lại và
do vậy ảnh hưởng của sóng laser cũng khác so với các phần còn lại, do ảnh hưởng
của laser mà chiết suất của các vị trí khác nhau trong lõi sợi có thể khác nhau.
Phổ của cách tử được giám sát bằng ánh sáng của một LED băng rộng chiếu qua
cách tử và đưa đến một máy phân tích quang phổ. Khi sóng phản xạ trở lại từ cách
tử thoả mãn các yêu cầu về phổ thì nguồn laser sẽ ngừng phát và sản phẩm được
hoàn thành.
2. 4 Tóm tắt
Trên đây chúng ta trình bày một cách khái quát về cách tử FBG, các tính
chất của cách tử được xây dựng dựa trên các mô hình khác nhau và các phương
pháp chế tạo cách tử phổ biến hiện nay. Mỗi phương pháp này đều có ưu nhược
điểm riêng. Để lựa chọn phương pháp tối ưu chúng ta phải dựa vào các tiêu chí
khác để đánh giá. Thực tế hiện nay các phương pháp này ngày càng được hoàn
thiện và một số phương pháp mới đang được đề xuất thử nghiệm. Để lựa chọn một
- phương pháp chế tạo thích hợp người sử dụng cần căn cứ vào các tính chất cũng
như ứng dụng và yêu cầu chất lượng của FBG để sử dụng các công nghệ chế tạo
phù hợp.
nguon tai.lieu . vn
