ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Mạnh Tưởng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG
SỢI SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành:Vật lý kỹ thuật
HÀ NỘI - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Mạnh Tưởng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG
SỢI SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành:Vật lý kỹ thuật
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hội
Cán bộ đồng hướng dẫn: TS Bùi Huy
HÀ NỘI - 2011
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Phạm Văn Hội và TS Bùi Huy đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo trong quá trình em thực hiện khóa luận tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn các anh chị đang công tác tại Phòng Vật liệu và Ứng
dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã
tạo điều kiện tốt nhất giúp em thực hiện các thực nghiệm trong quá trình làm khóa
luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô đã giảng dạy trong những năm học
tập, và tập thể lớp K52V đã động viên, giúp đỡ trong thời gian qua.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đối với gia đình,người
thân,bạn bè-những người luôn động viên và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để em
yên tâm học tập.

Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2011
Nguyễn Mạnh Tưởng
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 3
NGHIÊN CỨU CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI 3
1.1. Tổng quan về cách tử Bragg trong sợi (FBG) 3
1.1.1. Giới thiệu 3
1.1.2. Nguyên lý hoạt động 4
1.2. Các phương pháp chế tạo FBG 6
1.2.1. Phương pháp chế tạo FBG sử dụng bộ chia chùm tia 8
1.2.2. Phương pháp chế tạo FBG qua mặt nạ pha( Phase Mask) 9
1.2.3. Phương pháp chế tạo FBG bằng hệ giao thoa kế 12
1.3. Ứng dụng của FBG 13
1.3.1. Các ưu điểm chính của FBG 13
1.3.2. Ứng dụng của FBG trong bộ tách ghép kênh OADM 13
1.3.3. FBG dùng để bù tán sắc 19
1.3.4. Ứng dụng trong cảm biến 21
2.1. FBG làm cảm biến nhiệt độ 22
2.2. FBG làm cảm biến sức căng 22
2.3. Cảm biến gia tốc dựa trên FBG cho công trình kiến trúc xây dựng dân dụng 23
2.3.1. Giới thiệu 23
2.3.2. Thiết kế của sensor gia tốc FBG 24
2.4. Sử dụng FBG trong cảm biến đo môi trường lỏng 27
2.5. Cảm biến FBG đo địa chấn 29
3.2. Kết quả và nhận xét 37
KẾT LUẬN 40

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADM Add/Drop Multiplexing Bộ tách ghép kênh

Cách tử Bragg sợi quang
chu kỳ đều
UV Ultra Violet Tia cực tím
WDM
Wavelength Division
Multiplex
Ghép kênh phân chia theo
bước sóng
MỞ ĐẦU
Mô hình cách tử Bragg quang được đưa ra và chứng minh các tính chất của nó
lần đầu tiên vào năm 1978 bởi Hilletal. Đến năm 1989, nó được mô tả một cách rõ
ràng hơn bởi Meltzetal, cách tử Bragg quang được tạo ra bằng cách sử dụng phép
chiếu giao thoa hai luồng tia cực tím UV-exposure. Với sự phát triển của mình, FBG
có liên quan trực tiếp và chặt chẽ với sự phát triển của sợi quang, nó có khả năng sử
dụng trong việc xây dựng các bộ lọc dùng để tách ghép kênh trong hệ thống truyền tải
dữ liệu đa kênh. Nổi bật nhất trong những ứng dụng này là FBG được dùng cho hệ
thống DWDM. FBG là cơ sở cho các thiết bị lựa chọn thụ động cho các bước sóng
đơn, ghép bước sóng và chọn bước sóng băng hẹp. Nó làm việc tốt trong điều kiện các
yếu tố về nhiệt độ và sức căng được đảm bảo bởi vì các điều kiện này có thể ảnh
hưởng đến độ tin cậy của FBG.
Sự phát triển nhanh chóng của FBG về các ứng dụng trong mạng viễn thông
quang và các hệ thống cảm biến đã thúc đẩy là nâng cao tốc độ đột phá trong nghiên
cứu, những kết quả này đã làm cải thiện và phát triển chất lượng cũng như các tính
năng của các thiết bị quang. Trong tương lai, các tính năng của các thiết bị này có thể
vượt qua các giới hạn hiện tại bằng việc sử dụng kĩ thuật photonic.
Tính năng nhạy cảm với môi trường là một điểm không tốt của FBG, tuy nhiên
hiện nay nó lại được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống cảm biến. Một trong các ứng
dụng là cầu chì sillica, nó liên quan đến tính chất không bị ảnh hưởng bởi điện từ
trường của FBG.
FBG đang trở nên rất phổ biến với tư cách là một thiết bị quang đơn giản, linh

Cách tử Bragg quang thực chất là sự xáo trộn cấu trúc chỉ số chiết suất theo
dạng chu kì dọc theo hướng truyền sóng của sợi quang và được mô tả trong hình trên.
Chỉ số chiết suất của FBG được tính theo phương trình sau :
2π
( , , ) ( , , )δ ( , , )cos( )
Λ
n x y z n x y z n x y z z
= +
(1. 1)
3
Trong đó
( , , )n x y z
là chỉ số chiết suất trung bình của lõi sợi quang và
δ ( , , )n x y z
là chỉ số điều chế và Λ là chu kì của FBG.
Một lượng nhỏ ánh sáng được phản xạ tại mỗi điểm nơi chỉ số chiết suất của
FBG thay đổi. Sự phản xạ hoàn toàn trong FBG xảy ra tại các bước sóng riêng khi ở
đó xuất hiện mode ghép mạnh nhất. Đây gọi là điều kiện Bragg được mô tả trong
phương trình (1. 2), bước sóng mà tại đó có sự phản xạ hoàn toàn được gọi là bước
sóng Bragg λ
B
. Chỉ có những bước sóng thoả mãn điều kiện Bragg là chịu ảnh hưởng
của cách tử và phản xạ một cách mạnh mẽ. FBG trong suốt đối với các bước sóng nằm
ngoài vùng bước sóng Bragg.
Bước sóng Bragg được tính như sau:
λ
B
= 2 n
eff
Λ

0
β
và
1
β
. Năng lượng được ghép từ sóng này sang sóng khác nếu chúng thoả mãn điều
kiện cân bằng pha Bragg:
4
0 1
2
π
β β
=
Λ
−
(1.3)
Trong đó
Λ
là chu kỳ của cách tử. Xét một sóng ánh sáng với hằng số lan truyền
0
β
truyền từ trái qua phải. Năng lượng từ sóng này được ghép vào sóng tán xạ chuyển
dịch theo hướng ngược lại tại cùng bước sóng nếu thoả mãn điều kiện pha Bragg.
0 0 0
2
2( )
π
β β β
=
Λ

trong khi các bước sóng khác được truyền qua mà không bị tổn hao hoặc tổn hao rất ít.
Sự hoạt động của cách tử có thể được hiểu bằng cách tham khảo hình 1.2, hình
vẽ cho thấy sự thay đổi tuần hoàn chỉ số khúc xạ. Sóng đến được phản xạ từ mỗi chu
kỳ cách tử. Các sự phản xạ này được cộng pha khi chiều dài đường đi của sóng λ
0
ở
mỗi chu kỳ bằng một nửa bước sóng đến λ
0
. Điều này tương đương với
0
2
eff
n
λ
Λ =
(điều kiện Bragg).
Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg

1.1.3. Phổ phản xạ và phổ truyền qua của FBG
5
Λ
Hình 1.3: Dạng phổ của tín hiệu khi qua cách tử. a) Phổ tín hiệu vào, b) Phổ tín
hiệu được truyền qua, c) Phổ tín hiệu bị phản xạ
Khi cho tín hiệu dải rộng qua cách tử thì chỉ có bước sóng phù hợp với bước
sóng cách tử được phản xạ trở lại và các bước sóng còn lại cho qua. Cường độ của tín
hiệu được phản xạ khi qua cách tử phụ thuộc vào chiều dài cách tử, độ chính xác của
cách tử.
1.2. Các phương pháp chế tạo FBG
Để chế tạo FBG ta dựa theo nguyên lý: chiếu chùm tử ngoại có năng lượng đủ
lớn để làm thay đổi cấu trúc và chiết suất của lõi sợi dọc theo chiều dài của sợi. Sự

1.2.1. Phương pháp chế tạo FBG sử dụng bộ chia chùm tia
Phương pháp được mô tả như trong hình 1.6. Chùm UV được chia làm 2 tại bộ
chia chùm tia (beam splitter) và sau đó được hội tụ tại góc θ nhờ sự phản xạ từ hai
gương UV. Phương pháp này cho phép bước sóng Bragg được chọn phụ thuộc vào
bước sóng UV theo công thức sau:
sin
2
eff uv
B
uv
n
n
λ
λ
θ
=
 
 ÷
 
(1.6)
λ
B
bước sóng phản xạ Bragg, n
eff
là chỉ số mode hiệu dụng trong sợi, n
uv
là chỉ số
chiết suất của sợi trong UV, λ
uv
là bước sóng của bức xạ UV.

m
i
m
λ
θ
θ
−
Λ =
 
 ÷
 
(1.7)
θ
m
/2 là góc của bậc được nhiễu xạ, λ
uv
là bước sóng UV và θ
i
là góc của chùm
UV tới.Trong các trường hợp khi chu kỳ của cách tử nằm giữa λ
uv
và λ
uv
/2 thì sóng đến
chỉ được nhiễu xạ thành một bậc (m = -1) với phần công suất còn lại giữ nguyên trong
sóng được truyền qua m = 0.
9
Hình 1.7: Nhiễu xạ của chùm tia tới Phase Mask.
* Nguyên lý chế tạo
Để việc khắc cách tử dễ dàng và có hiệu quả hơn người ta sử dụng Phase Mask

Λ = =
(1.8)
g
Λ
là chu kỳ của các vân giao thoa. Chu kỳ của cách tử được khắc trong Phase
Mask được xác định bởi bước sóng Bragg được yêu cầu
B
λ
đối với cách tử trong sợi
và sử dụng phương trình (1.8) ta được:

2 2
Bragg pm
g
eff
N
n
λ
Λ
Λ = =
(1.9)
Trong đó
1N ≥
là số nguyên chỉ ra bậc của chu kỳ cách tử.
Để làm tối thiểu bậc không từ chùm tia UV đến vuông góc trên Phase Mask thì
chiều sâu được khắc nhỏ nhất d của cách tử của Phase Mask.
( )
1
2
uv

quá trình chế tạo FBG, do đó ta phải chắn chùm bậc 0 lại. Chu kỳ cách tử
g
Λ
chế tạo
được được tính theo công thức:
( )
2sin 2
uv
g
B
λ
θ
Λ =
(1.11)
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG bằng hệ gương giao thoa
Ưu điểm:
- Có thể chế tạo được FBG trong dải bước sóng rộng (ví dụ loại Phase Mask
1060 có thể chế tạo được FBG có bước sóng Bragg nằm trong khoảng 1200nm tới
1600).
12
- Hệ số phản xạ cao lên tới trên 90%.
- Chiều dài cách tử có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh hai gương giao
thoa.
Nhược điểm
- Sự căn chỉnh hệ cần độ chính xác cao.
Ngoài các phương pháp đã kể trên còn rất nhiều phương pháp để chế tạo cách
tử.
1.3. Ứng dụng của FBG
1.3.1. Các ưu điểm chính của FBG
- FBG thuộc loại bộ lọc phản xạ, FBG phản xạ bước sóng cần dùng thay cho sự

Có hai dạng OADM chính được sử dụng trong các mạng quang WDM, đó là
fixed OADM được dùng để tách hoặc ghép các tín hiệu dữ liệu trên các kênh WDM
riêng biệt cố định và OADM có thể điều chỉnh vì vậy nó có khả năng lựa chọn định
tuyến được các bước sóng khác nhau trong mạng quang. Chức năng chính của dạng
thiết bị OADM thứ hai này là cung cấp định tuyến lại một cách mềm dẻo cho các
luồng quang, định tuyến vòng cho các kết nối hỏng, do vậy nó làm cho giảm tối thiểu
việc phải ngắt dịch vụ và cũng như khả năng thích ứng hay nâng cấp mạng quang với
các kĩ thuật WDM khác nhau.
Các cấu hình đã giới thiệu trước đây dùng để thực hiện tách hay ghép kênh quang
sử dụng cả hai công nghệ Planar và công nghệ sợi. Các thiết bị Planar cung cấp các tổ
hợp giải pháp với khả năng tách và ghép nhiều kênh sử dụng duy nhất chỉ một mạch
quang tích hợp sử dụng kĩ thuật dãy cách tử dẫn sóng AWG (arrayed waveguide
gratings) hoặc kĩ thuật định tuyến cách tử dẫn sóng WGR (waveguide grating router).
Mặt hạn chế chính của thiết bị Planar là suy hao xen cao, có thể lên tới 7 dB và tính
phụ thuộc phân cực. Mặt khác các thiết bị toàn quang là cũng là các giải pháp rất hấp
dẫn bởi vì tính suy hao xen thấp, tính nhạy phân cực (phụ thuộc vào sợi và cấu hình)
14
và dễ dàng sử dụng cho việc ghép giữa các thiết bị đầu vào và đầu ra của mạng quang
bằng việc sử dụng các ghép nối đơn giản.
Một dạng riêng của các OADM toàn quang đó là dựa trên cách tử Bragg đặt giữa
các coupler quang. Cấu hình này đã được chứng minh là phù hợp cho việc thực hiện
tách ghép kênh, bao gồm các cách tử Bragg và các dạng coupler như là coupler nửa
vòng (half cycle), coupler kín (full cycle).
Các cấu hình OADM
 OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB
Cấu hình đảm bảo tính ổn định và thực hiện tốt chức năng tách ghép kênh được
đưa ra dựa trên thiết bị 4 cổng PW (planar waveguide) được mô tả trong hình … Nó
bao gồm các thiết bị : bộ chia 3 dB và cách tử ở một trong các cổng ra output của
coupler làm nhiệm vụ chọn bước sóng.
Hình 1.12: Mô hình OADM dựa trên FBG và coupler 3 dB

thiết bị chế tạo theo công nghệ planar hay công nghệ toàn quang sử dụng cho cấu hình
này đều đã được mô tả và thực nghiệm.
Về mặt lý thuyết thiết bị này là đối xứng và có thể mang lại những kết quả khả
quan trong chống mất tín hiệu, sự phản xạ ngược và chống xuyên âm.
Hình 1.13: OADM dựa trên cấu hình giao thoa Mach-Zehnder
Nguyên lý của cấu hình này được miêu tả trong hình vẽ trên: Một Coupler 3 dB
chia ánh sáng đưa vào từ cổng 1 và ánh sáng có bước sóng λ
G
được phản xạ bởi hai
cách tử FBG giống nhau. Các tín hiệu phản xạ này được đưa trở lại vào Coupler và
được lấy ra tại cổng Drop. Tín hiệu phản hồi ngược trở lại cổng 1 được triệt tiêu hoàn
toàn nhờ sử dụng Coupler phù hợp (bộ chia 50%). Các bước sóng phát được làm nhiễu
trong Coupler 3 dB thứ hai vì thế chúng đến cổng ra mà không có phần dư nào phản
xạ trở lại cổng Add, tính năng này cũng do Coupler quyết định. Cấu hình này dựa trên
cơ sở chia và nhiễu của ánh sáng và vì thế khá nhạy trong việc thay đổi độ dài truyền
16
tín hiệu, đặc điểm của các cách tử giống nhau, tính chất của bộ Coupler 3 dB. Vì vậy
độ ổn định của môi trường, của các Coupler giống nhau, của các FBG quyết định việc
thiết bị thực hiện các tính năng của nó có đảm bảo hay không. Sự ổn định và khả năng
chịu ảnh hưởng của thiết bị này trong hệ thống WDM thực tế đã được phân tích bởi
Erdogan: cấu hình này nếu sử dụng các thiết bị theo công nghệ Planar có độ dài
truyền dẫn ngắn hơn vì vậy dễ ổn định hơn. Nhưng mặt khác các thiết bị dựa trên sợi
lõi kép tránh được yêu cầu về luồng UV sử dụng trong cấu hình giao thoa Mach –
Zehnder.
 Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator
Cấu hình này tương tự như các cấu hình 4 cổng đã nói ở trên, nhưng trong đó các
Coupler được thay thế bằng các Circulator quang. Về lý thuyết, cấu hình này sử dụng
các thiết bị không giao thoa là lý tưởng. Các tính chất phổ theo nguyên lý phụ thuộc
vào hoạt động và tính chất của FBG và có thể được thiết kế như một bộ lọc trực giao
lý tưởng sử dụng kĩ thuật scattering ngược, sự mất tín hiệu và xuyên âm chủ yếu phụ