Lưới bragg sợi quang là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Khái niệm lưới Bragg sợi quang

Lưới Bragg sợi quang (Fiber Bragg Grating – FBG) là một loại cấu trúc quang học thụ động được tích hợp trực tiếp vào lõi của sợi quang. Cấu trúc này được hình thành bằng cách ghi đè một chuỗi các vùng có chiết suất thay đổi tuần hoàn lên đoạn sợi quang, tạo thành một lưới phản xạ bước sóng nhất định của ánh sáng tới. Lưới Bragg có thể phản xạ một phần phổ hẹp trong khi vẫn cho phép phần còn lại của ánh sáng truyền qua, nhờ đó hoạt động như một bộ lọc quang hiệu quả.

Cơ chế hoạt động của FBG dựa trên hiện tượng giao thoa phản xạ gọi là hiện tượng Bragg. Khi một chùm sáng đa sắc truyền trong sợi quang và gặp lưới Bragg, chỉ có ánh sáng có bước sóng phù hợp với điều kiện Bragg mới bị phản xạ, còn các thành phần khác tiếp tục truyền qua. Điều kiện Bragg được xác định bởi công thức: $\lambda_B = 2n_{\text{eff}} \Lambda$ trong đó $\lambda_B$ là bước sóng trung tâm bị phản xạ, $n_{\text{eff}}$ là chiết suất hiệu dụng của lõi sợi, và $\Lambda$ là chu kỳ của lưới khắc.

Khả năng phản xạ chọn lọc theo bước sóng cho phép FBG đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng như cảm biến sợi quang, hệ thống viễn thông quang học, laser sợi và mạng truyền dẫn đa bước sóng (WDM). Ngoài ra, FBG còn có ưu điểm nổi bật là độ chính xác phổ cao, tính ổn định quang học và khả năng tích hợp dễ dàng với các thiết bị sợi quang hiện có.

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Lưới Bragg bao gồm một đoạn sợi quang có chiết suất của vùng lõi được điều biến tuần hoàn theo chiều dọc của sợi. Quá trình này thường được thực hiện bằng chiếu xạ tia cực tím (UV) lên lõi sợi thông qua mặt nạ giao thoa (phase mask) hoặc các phương pháp ghi trực tiếp bằng laser. Mỗi thay đổi nhỏ trong chiết suất tạo ra phản xạ yếu, nhưng khi các thay đổi này được lặp lại theo chu kỳ, chúng tạo ra hiện tượng giao thoa phản xạ tăng cường tại bước sóng Bragg.

Khi ánh sáng trắng đi qua một FBG, các thành phần có bước sóng khác nhau tương tác khác nhau với lưới. Bước sóng trùng với điều kiện Bragg sẽ bị phản xạ mạnh nhất, trong khi các bước sóng khác truyền qua gần như không bị ảnh hưởng. Đây chính là cơ chế hoạt động giúp FBG hoạt động như một gương quang phổ hẹp. Cơ chế này cũng cho phép FBG hoạt động trong cả hai chiều: phản xạ tín hiệu về nguồn hoặc làm phần tử phản xạ trong các cấu trúc laser.

Bảng dưới đây tóm tắt nguyên lý hoạt động cơ bản của FBG theo bước sóng:

Thành phần quang phổ	Phản xạ bởi FBG	Truyền qua FBG
$\lambda = \lambda_B$	Cao (gần 100%)	Rất thấp
$\lambda \ne \lambda_B$	Thấp hoặc không đáng kể	Gần như toàn phần

Phân loại lưới Bragg sợi quang

Các loại lưới Bragg có thể được phân loại dựa trên nhiều đặc điểm thiết kế và ứng dụng cụ thể. Phân loại giúp xác định loại FBG phù hợp cho từng mục tiêu sử dụng như cảm biến, lọc phổ hay tạo phản hồi trong laser.

Một số loại phổ biến bao gồm:

• Lưới Bragg chuẩn (Uniform FBG): Có chu kỳ đều đặn và phản xạ một phổ rất hẹp tại bước sóng Bragg. Đây là loại FBG cơ bản nhất, thường dùng làm cảm biến nhiệt hoặc strain.
• Lưới Bragg nghiêng (Tilted FBG): Có các mặt phẳng lưới nghiêng một góc so với trục sợi, cho phép ánh sáng bị tán xạ ra lớp vỏ sợi thay vì phản xạ ngược về lõi, hữu ích trong cảm biến môi trường hoặc tiếp xúc bề mặt.
• Lưới Bragg phân bố (Chirped FBG): Có chu kỳ lưới thay đổi dọc theo chiều dài sợi, cho phép phản xạ một dải bước sóng rộng hơn. Thường dùng trong hệ thống bù tán sắc.
• Lưới Bragg lệch pha (Phase-shifted FBG): Được tạo bằng cách thêm một bước nhảy pha nhỏ tại trung tâm lưới, tạo ra một khe phổ cực hẹp trong đáp ứng phản xạ, phù hợp cho lọc laser hoặc đo tần số rất chính xác.

Bảng sau giúp so sánh các loại FBG theo chức năng chính:

Loại FBG	Đặc điểm	Ứng dụng chính
Uniform FBG	Chu kỳ lưới cố định	Đo strain, nhiệt độ
Tilted FBG	Góc nghiêng với trục sợi	Cảm biến tiếp xúc, vi sinh
Chirped FBG	Chu kỳ biến đổi dọc sợi	Bù tán sắc, phản xạ dải rộng
Phase-shifted FBG	Bổ sung pha lệch	Lọc laser phổ hẹp

Thông số kỹ thuật và đặc trưng phổ

Lưới Bragg được mô tả bằng nhiều thông số kỹ thuật ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khả năng ứng dụng. Các thông số này bao gồm: bước sóng Bragg $\lambda_B$, độ phản xạ cực đại (reflectivity), băng thông phản xạ (FWHM), chiều dài lưới $L$, và độ sâu điều biến chiết suất.

Phổ phản xạ của FBG có dạng đỉnh hẹp tại $\lambda_B$, với độ rộng phụ thuộc vào chiều dài lưới và mức điều biến chiết suất. Băng thông phổ phản xạ được xấp xỉ theo công thức: $\Delta \lambda \propto \frac{\lambda_B^2}{n_{\text{eff}} L}$ Do đó, lưới càng dài thì phổ phản xạ càng hẹp và chính xác. Ngoài ra, độ phản xạ cực đại phụ thuộc vào độ sâu điều biến chiết suất và mức độ khớp giao thoa của các lớp lưới.

Đặc trưng phổ cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và ứng suất tác động lên sợi quang, gây dịch chuyển $\lambda_B$. Vì vậy, trong thiết kế cảm biến FBG, cần hiệu chỉnh hoặc bù nhiệt để duy trì độ chính xác cao.

Ứng dụng trong viễn thông

Trong lĩnh vực viễn thông quang học, lưới Bragg sợi quang (FBG) đóng vai trò như bộ lọc quang phổ có độ chọn lọc cao, giúp xử lý tín hiệu chính xác theo bước sóng. Ứng dụng phổ biến nhất là trong hệ thống truyền dẫn Wavelength Division Multiplexing (WDM), nơi nhiều kênh dữ liệu được truyền đồng thời trên cùng một sợi quang nhưng với các bước sóng khác nhau. FBG có thể được sử dụng để chọn lọc, định tuyến hoặc loại bỏ các kênh cụ thể.

Trong các bộ khuếch đại quang (EDFA), FBG được dùng để ổn định bước sóng phát xạ của laser hoặc loại bỏ các thành phần phổ không mong muốn. FBG cũng được tích hợp trong các thiết bị ghép kênh (multiplexer) hoặc tách kênh (demultiplexer) để đảm bảo phân phối chính xác tín hiệu tới từng bộ thu. Đặc biệt, trong hệ thống DWDM (Dense WDM), FBG có thể hoạt động như một phần tử quang thụ động có khả năng xử lý hàng trăm kênh trong một băng thông rộng.

Ví dụ, trong một laser sợi quang đơn mode, FBG được dùng để làm gương phản xạ hồi tiếp, định hình phổ và ổn định tần số phát xạ. Việc sử dụng FBG giúp loại bỏ nhu cầu về các gương phản xạ truyền thống, giúp tăng độ tin cậy và giảm chi phí hệ thống. Hơn nữa, do FBG được tích hợp trong chính sợi quang, nên không yêu cầu căn chỉnh hoặc lắp ráp phức tạp.

Một số ứng dụng viễn thông cụ thể:

• Lọc bước sóng trong bộ thu phát quang
• Bù tán sắc bằng lưới chirped FBG
• Ghép/tách kênh quang bằng mạng FBG song song

Ứng dụng trong cảm biến quang

Lưới Bragg sợi quang là một trong những công nghệ cảm biến quang học có độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn, miễn nhiễm với nhiễu điện từ và dễ dàng tích hợp trong môi trường khắc nghiệt. Nguyên lý cảm biến của FBG dựa trên sự dịch chuyển bước sóng Bragg $\lambda_B$ khi có sự thay đổi về nhiệt độ, ứng suất cơ học, áp suất, độ cong hoặc các yếu tố môi trường khác.

Ví dụ, khi sợi quang có FBG bị kéo căng, chu kỳ lưới $\Lambda$ và chiết suất hiệu dụng $n_{\text{eff}}$ sẽ thay đổi, kéo theo sự thay đổi bước sóng phản xạ. Việc theo dõi sự thay đổi nhỏ này cho phép đo các đại lượng vật lý với độ phân giải rất cao. Công thức tổng quát cho độ dịch chuyển bước sóng phản xạ là: $\Delta \lambda_B = \lambda_B (k_\epsilon \cdot \Delta \epsilon + k_T \cdot \Delta T)$ trong đó $k_\epsilon$ và $k_T$ là các hệ số hiệu ứng ứng suất và nhiệt độ.

Các ứng dụng cảm biến phổ biến:

• Giám sát sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring – SHM) cho cầu, đập, nhà cao tầng
• Đo biến dạng trong vật liệu composite, đặc biệt trong hàng không
• Đo nhiệt độ cục bộ trong các môi trường có từ trường cao như máy biến áp hoặc lò phản ứng
• Giám sát rung động và áp suất trong ống dẫn dầu khí, tua-bin, và thiết bị công nghiệp

Hệ thống cảm biến phân tán sử dụng nhiều FBG có thể được tích hợp dọc theo một sợi quang duy nhất. Điều này cho phép theo dõi nhiều điểm đo khác nhau với độ phân giải cao, tiết kiệm dây dẫn và giảm thiểu nhiễu môi trường.

Kỹ thuật chế tạo lưới Bragg

Các kỹ thuật chế tạo lưới Bragg hiện đại cho phép tạo ra các lưới có chất lượng quang học cao, độ chính xác về chu kỳ lưới đạt đến nanomet và phù hợp cho cả môi trường công nghiệp lẫn nghiên cứu. Hai phương pháp chính là chiếu tia UV qua mặt nạ nhiễu xạ (phase mask) và ghi trực tiếp bằng tia laser femtosecond.

Phương pháp sử dụng mặt nạ phase mask là kỹ thuật phổ biến nhất vì tính đơn giản, dễ kiểm soát và khả năng sản xuất hàng loạt. Tia laser UV được chiếu qua một mặt nạ chứa các rãnh nhiễu xạ tạo ra mẫu giao thoa định kỳ trên lõi sợi, làm thay đổi chiết suất nhờ hiệu ứng quang học phi tuyến.

Trong khi đó, phương pháp ghi trực tiếp bằng laser femtosecond cho phép khắc FBG trong các loại sợi đặc biệt như sợi không có lớp phủ, sợi rỗng, hoặc sợi polymer. Phương pháp này không cần mặt nạ và có thể tạo ra các cấu trúc phức tạp như lưới ba chiều hoặc lưới Bragg phân bố bất kỳ.

Bảng so sánh hai phương pháp phổ biến:

Phương pháp	Ưu điểm	Hạn chế
Phase mask UV	Dễ triển khai, giá thành thấp, tái lập cao	Giới hạn về cấu trúc lưới
Laser femtosecond	Khắc chính xác, không cần mặt nạ	Chi phí cao, tốc độ thấp hơn

Ưu điểm và hạn chế

Lưới Bragg sợi quang có nhiều ưu điểm khiến nó trở thành thành phần không thể thiếu trong các hệ thống quang học hiện đại. Một số lợi ích đáng kể bao gồm:

• Kích thước nhỏ gọn, dễ tích hợp trong hệ thống quang
• Miễn nhiễm hoàn toàn với nhiễu điện từ, phù hợp cho môi trường công nghiệp
• Độ nhạy cao với các thay đổi vật lý như strain, nhiệt độ, áp suất
• Có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và nhiệt độ cao
• Cho phép multiplexing nhiều cảm biến trên cùng một sợi quang

Tuy nhiên, FBG cũng có một số hạn chế:

• Cần bộ đọc bước sóng chính xác (interrogator) có giá thành cao
• Đáp ứng chậm nếu cần tốc độ đo rất cao (trên hàng kHz)
• Nhạy cảm với nhiệt độ đòi hỏi kỹ thuật bù trừ
• Khó triển khai nếu yêu cầu đo đa thông số đồng thời

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Các hướng nghiên cứu hiện đại tập trung vào việc tăng độ nhạy, mở rộng ứng dụng và tích hợp thông minh FBG trong các hệ thống đo lường và truyền dẫn. Một trong những xu hướng nổi bật là phát triển FBG chịu nhiệt cao, FBG phân cực kép và FBG với cấu trúc tinh thể quang học.

Các cảm biến FBG lai (hybrid) kết hợp với vật liệu nano như graphene, hoặc tích hợp với thiết bị MEMS đang được nghiên cứu để phát hiện các hiện tượng sinh học, hóa học và vật lý có độ chính xác cực cao. Ngoài ra, việc sử dụng trí tuệ nhân tạo để phân tích dữ liệu cảm biến từ mạng FBG phân tán đang mở ra một kỷ nguyên mới cho giám sát thời gian thực thông minh.

FBG đang được sử dụng không chỉ trong các lĩnh vực truyền thống như dầu khí, hàng không, xây dựng mà còn trong y tế, robot mềm, đo nhịp tim và cảm biến sinh học không xâm lấn.

Tài liệu tham khảo

1. Othonos, A., & Kalli, K. (1999). Fiber Bragg Gratings: Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing. Artech House.
2. Hill, K. O., & Meltz, G. (1997). Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview. Journal of Lightwave Technology, 15(8), 1263–1276.
3. Thorlabs – Fiber Bragg Gratings
4. NKT Photonics – FBG Technology
5. OSA Publishing – High-temperature FBGs