Thủy tinh quang học là một loại vật liệu đặc biệt mới với những tính chất ưu việt hơn các loại thủy tinh thông thường được chế tạo tùy theo mục đích người sử dụng. Các loại thủy tinh này ngày càng đa dạng, giá thành hạ, chất lượng cao nhưng mặt khác cũng đòi hỏi công nghệ chế tạo hiện đại mà chủ yếu chỉ có thể tìm thấy ở các nước phát triển
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM - ĐỀ TÀI THỦY TINH QUANG HỌC VÀ CÁP QUANG Môn học: Công nghệ sản xuất ceramics truyền thống GVHD: TS Võ Thị Thu Như SVTH MSSV Trần Phi Hùng 19128035 Huỳnh Quang Trung 19128094 Hoàng Gia Bảo 19128018 Nguyễn Phương Nam 19128050 Phạm Nguyễn Minh Nguyệt 19128054 Nguyễn Thị Thu Thảo 19128073 Nguyễn Thanh Vinh 19128101 TP Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2022 DANH SÁCH NHĨM THAM GIA BÁO CÁO MƠN HỌC: CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT CERAMIC TRUYỀN THỐNG HỌC KÌ II NĂM HỌC 2021 - 2022 Mã môn học: TCER424503_21_2_01 (Thứ 2) Giảng viên hướng dẫn: TS Võ Thị Thu Như Tên đề tài: Thủy tinh quang học cáp quang Danh sách nhóm tham gia tiểu luận STT Họ tên MSSV Đánh giá Trần Phi Hùng 19128035 Tốt Huỳnh Quang Trung 19128094 Tốt Phạm Nguyễn Minh Nguyệt 19128054 Tốt Nguyễn Phương Nam 19128050 Tốt Nguyễn Thị Thu Thảo 19128073 Tốt Nguyễn Thanh Vinh 19128101 Tốt Hoàng Gia Bảo 19128018 Tốt Nhận xét giảng viên Chữ ký giảng viên MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I THỦY TINH QUANG HỌC 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Thành phần thủy tinh quang học 1.3 Nấu thủy tinh quang học CHƯƠNG SỢI CÁP QUANG 11 2.1 Lịch sử phát triển sợi cáp quang 11 2.2 Sợi thủy tinh quang dẫn 13 2.1.1 OVD (Outline Vapor Deposition): 13 2.1.2 VAD (Vapour Axial Deposition) 14 2.1.3 MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition) 14 2.3 Dây cáp quang (Optical Caple) 18 LỜI KẾT 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Một số loại thủy tinh quang học tính chất Bảng Thành phần hóa số chủng loại thủy tinh quang học (% k.l) DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Biểu đồ chiết suất số Abbe (d) số loại thủy tinh quang học Hình Biểu đồ chế độ nấu thủy tinh quang học flint Hình Chế độ ủ số loại thủy tinh quang học Hình Đập nồi lấy thủy tinh quang học Hình Nguyên lý ngưng tụ hóa học từ pha MCVD (a) nguyên lý “ống lồng ống” chế tạo thủy tinh sợi dẫn quang (b) 15 Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị kéo sợi quang dẫn 16 Hình Đặc trung tổn hao sợi thủy tinh quartz với lớp vỏ nhưa silicon 18 Hình Mặt cắt ngang sợi cáp quang 19 Hình Kết cấu số loại cáp quang với số sợi quang khác 20 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại nay, khoa học công nghệ phát triển cách vượt bậc với bước tiến khổng lồ Trong ngành khoa học công nghệ nghiên cứu vật liệu kĩ thuật phát triển ngày mạnh mẽ chiếm giữ vị trí vơ quan trọng khoa học đại Khoa học ngày phát triển, yêu cầu thiết bị cao đòi hỏi nguyên vật liệu phải thỏa mãn tiêu chuẩn nghiêm ngặt Vì nhà khoa học vật lí hóa học cố gắng tìm kiếm vật liệu kĩ thuật cải tiến loại nguyên vật liệu có để chúng ứng dụng ngày hữu ích vào yêu cầu đại công nghệ Thủy tỉnh - vật liệu có lịch sử phát triển lâu đời với phát triển nhân loại - thu hút ý nhà nghiên cứu khoa học với tính chất đặc biệt Thủy tỉnh quang học khơng sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp xây dựng dụng cụ ngày mà cịn ứng dụng vào thiết bị khoa học Thủy tinh quang học loại vật liệu đặc biệt với tính chất ưu việt loại thủy tinh thông thường chế tạo tùy theo mục đích người sử dụng Các loại thủy tinh ngày đa dạng, giá thành hạ, chất lượng cao mặt khác địi hỏi cơng nghệ chế tạo đại mà chủ yếu tìm thấy nước phát triển Tuy nhiên, nước phát triển nhu cầu sử dụng chế tạo vật liệu thủy tinh quang học để chế tạo thiết bị quang học đại không nhỏ Hiện nước ta có nhiều đề tài nghiên cứu với mục đích tìm hiểu quy trình công nghệ chế tạo vật liệu thủy tinh, đề tái với cơng trình ứng dụng thực tế trợ giúp đắc lục cho việc phát triển thủy tỉnh quang học ứng dụng Hơn nữa, Intemet trở thành nhu cầu thiết yếu, giúp người khắp nơi giới giao tiếp, trao đổi, học tập, mua sắm, giải trí dễ dàng, nhanh chóng.Các ứng dụng, dịch vụ Internet ngày phát triển theo, điều địi hỏi tốc độ, băng thơng kết nối Internet cao cáp quang trở thành lựa chọn số đáp ứng dịch vụ ln địi hỏi mạng kết nối tốc độ cao IPTV, hội nghị truyền hình, video trực tuyến, giám sát từ xa IP Camera Nhằm đưa cách khái quát chất đặc điểm vật liệu thủy tinh quang học cap quang để sâu vào nghiên cứu loại thủy tinh quang học cáp quang, đề tài “Thủy tinh quang học cáp quang" hi vọng đóng góp phần để người biết đặc điểm vật liệu thủy tỉnh quang học cáp quang thực tiễn khoa học nói riêng tiến người nói chung CHƯƠNG I THỦY TINH QUANG HỌC 1.1 Lịch sử phát triển Những cửa hàng bán dụng cụ quang học ngành công nghiệp thủy tinh ban đầu cho thủy tinh tái tạo, thành phần cấu tạo tính chất thủy tinh có liên quan với Isaac Newton phát vào năm 1666 số khúc xạ thủy tinh khác màu ánh sáng khác Ơng tin điều có nghĩa thấu kính thủy tinh có tượng quang sai màu; tức là, có viền cầu vồng hình ảnh cho dù lấy nét mạnh đến mức Vì quang sai màu dường tránh khỏi hệ thống thấu kính nên Newton phát minh kính thiên văn phản xạ dựa gương Tuy nhiên, vào khoảng thời gian đó, ơng từ bỏ khả nhà sản xuất kính thấu kính tiêu sắc tạo loại kính cách sử dụng hợp chất chì làm thành phần Loại thủy tinh có sẵn thời điểm làm từ cát, vôi soda, ngày gọi thủy tinh Cron Đây cơng thức có từ thời người Phoenicia Sự đời chì khơng làm thay đổi chiết suất thủy tinh mà làm giảm khác biệt chiết suất màu sắc khác ánh sáng Kính pha chì gọi kính flint Trên thực tế, từ năm 1690, Galileo dùng kính thiên văn quan sát bầu trời phải lâu sau này, tên tuổi loại thủy tinh quang học xác định rõ ràng Sử dụng kính pha chì, Chester Moore Hall vào năm 1733 thiết kế hệ thống thấu kính tiêu sắc Đến năm 1758, J Dollond nhận sáng chế Vương quốc Anh cho hệ thống thấu kính tiêu sắc bắt đầu sản xuất Địa điểm nghiên cứu quang học cấp cao chuyển sang lục địa Các nghiên cứu Joseph von Fraunhofer liên quan đến quang phổ nguyên tố làm cho việc xác định chất lượng quang học kính trở nên xác Fraunhofer cộng xây dựng nhà máy sản xuất kính quang học gần Munich Sau nhà máy xây dựng Pháp, Thụy Sĩ Anh Mãi cuối kỷ 19, lý thuyết thực hành quang học tiến vượt bậc so với cơng trình Fraunhofer Trước năm 1880 người ta biết đến thủy tinh cron flint (xấp xỉ có 30 loại) (Thủy tinh cron, bao gồm silicate vơi - soda, có chiết suất thấp số Abbe cao, theo quan điểm số Abbe đánh giá mức độ cao Thủy tinh flint, chiết suất cao số Abbe thấp, đại diện silicat kiềm chì Sự phân biệt cron flint số Abbe, thủy tinh flint có vd < 50 nd > 1.6, vd < 55 nd < 1,6) E Abbe chuyển công nghệ lên tầm cao Abbe thành lập nhà máy Zeiss Jena, nơi ơng đặt nhà hóa học, Otto Schott người Đức, làm việc để kiểm tra ảnh hưởng nguyên tố khác lên đặc tính quang học kính Năm 1880, Otto Schott mở rộng biểu đồ thủy tinh việc tạo loại thủy tinh fluorine (vd cao nd thấp) boron (nd/vd vừa phải) bắt đầu sử dụng BaO (vd vừa phải, nd cao) làm thành phần thủy tinh Từ đồ thủy tinh cịn có thủy tinh nặng (chiết suất lớn) nhẹ (chiết suất nhỏ) bên cạnh cron flint Cho tới nay, CHLB Đức coi nơi sản xuất thủy tinh quang học chất lượng cao Năm 1930, bắt đầu sử dụng hợp chất khác đất (đặc biệt lantan), Ti, Zn P… để làm hợp chất thủy tinh 1.2 Thành phần thủy tinh quang học Thủy tinh quang học chủng loại thủy tinh sử dụng thiết bị quang học, đặc biệt dùng làm lăng kính, thấu kính, kính lọc màu cho thiết bị quang học, loại kính ngắm (kính hiển vi, kính thiên văn, kính đeo mắt,…) Đây loại thủy tinh có yêu cầu chất lượng cao độ tinh khiết, độ đồng nhất, độ xác kích thước, đặc biệt độ nhẵn bóng bề mặt tính chất quang học Thủy tinh quang học cần chiết suất cao, độ tán sắc nhỏ, độ thấu quang (trong suốt), độ đồng quang học mức cao nhất, khơng có khuyết tật bọt khí, vân, dạng đá,… Hai thông số quan trọng để đánh giá chất lượng thủy tinh quang học chiết suất nD (thường khoảng 1,4 - 2) độ tán sắc đánh giá theo tỉ số Abbe 𝜐𝐷 = (𝑛𝐷 − 1)/(𝑛𝐹 − 𝑛𝐶) Các số D, F, C kí hiệu tia đơn sắc: Tia D He, nD = 587,6 nm; tia F C hydro, n F = 486,1nm; nC = 656,3 nm Chỉ số (n F - nC) gọi độ tán sắc trung bình Các loại thủy tinh Loại Crown Crown có bari Crown flint Flint có bari Flint nhẹ Flint Flint nặng Crown nặng Flint đặc biệt Kí hiệu nD 20C (nF - nC) 20C K 1,4982 - 1,5263 0,00765 - 0,00876 BaK 1,5147 - 1,5668 0,00849 - 0,01015 KF 1,5181 - 1,5262 0,00819 - 0,01032 BaF 1,5484 - 1,6395 0,01046 - 0,01325 LF 1,5480 - 1,5785 0,01195 - 0,01407 F 1,6128 - 1,6242 0,01695 - 0,01738 TF(SF) 1,6475 - 1,7550 0,01912 - 0,02742 TK(SK) 1,5638 - 1,6577 0,00928 - 0,01032 OF 1,5294 0,01022 Bảng Một số loại thủy tinh quang học tính chất Ký hiệu K dùng thủy tinh Crown, F thủy tinh flint Có nhiều chủng loại thủy tinh quang học với thành phần hóa ứng dụng nhiều lính vực khoa học, kỹ thuật đời sống Phổ biến thủy tinh flint (có chiết suất thấp, 𝐷 < 50 − 55) Trong thành phần có PbO BaO thay phần PbO (BaO/PbO) Trong oxyt hóa trị 2, PbO oxyt làm tăng chiết suất thủy tinh tốt nhất, sau BaO Hình Biểu đồ chiết suất số Abbe ( 𝑑) số loại thủy tinh quang học Thủy tinh crown loại thủy tinh có độ tán sắc cao, 𝐷 > 50 − 55, với crown bari, crown kali (trên thủy tinh sỏ borosilicate) Thành phần hóa tính chất quang học quan trọng (chiết suất 𝑛𝐷 độ tán sắc 𝑛𝐹 − 𝑛𝐶) loại thủy tinh tham khảo bảng 1.1 1.2 biểu đồ H.1.1 Ta thấy thủy tinh flint có chiết suất cao độ tán sắc lớn, thủy tinh crown chiết suất thấp độ tán sắc nhỏ Chiết suất nd (chiết suất với tia d He 587,6 nm) n D (tia D Na 589,3 nm) hàm độ tán xạ (hay biến đổi chiều dài sóng ánh sáng, biểu thị số Abbe, 𝑑 = 𝑛𝑑−1 , với F C tương ứng với tia F C Hydro, 486,1 nm 𝑛𝐹−𝑛𝐶 656,3 nm) Ngoài thành phần oxyt nói trên, thủy tinh quang học có oxyt khác có tác dụng khử bọt, khử màu, tăng bền cơ, bền hóa… Oxyt arsenic As2O5 (0,3-1%) chất khử bọt có thành phần thủy tinh flint crown Hàm lượng Sb2O3 thủy tinh flint KF đến 20% Oxyt boric B2O3 có tác dụng làm tăng chiết suất thủy tinh, thành phần quan trọng thủy tinh hệ crown (dưới 20%) thủy tinh flint La (flint có La2O3) đến 41,3% Thủy tinh hệ Na2O-B2O3-SiO2 độ bền hóa tốt thủy tinh chì có thành phần trọng lượng tương tự hệ Na 2O-PbO-SiO2 Oxyt ZnO dùng làm tăng bền nước thủy tinh Oxyt nhôm Al2O3 thành phần không mong muốn hầu hết loại thủy tinh quang học làm đục gây huỳnh quang thủy tinh Al 2O3 có thành phần lẫn theo nguyên liệu nấu khác, cần khống chế hàm lượng không 1%, trừ trường hợp với thủy tinh K crown BKSI (9% Al2 O3), FKI (8,5% Al2 O3) Các oxyt TiO2, MoO2, V2O5 tạo thủy tinh có chiết suất cao dễ gây màu độ tán sắc lớn nên hạn chế khả sử dụng Nhằm mục đích tăng chiết suất thủy tinh giảm độ tán sắc, người ta dùng thêm nguyên tố hiếm, đặc biệt với thủy tinh chứa La2O3 Tuy nhiên, nguyên tố đất dễ gây màu có chất phóng xạ nên khơng thích hợp số trường hợp để nấu thủy tinh quang học Thủy tinh La flint (hay La/Pb borat) có hàm lượng nguyên tố La 2O3 lớn, tới 32,4% Đây loại thủy tinh quang học xuất lần đầu vào năm 1945 với đặc Thông thường người ta dùng nồi samốt chất lượng cao nấu thủy tinh Mỗi nồi dùng lần Trong trình nấu, tiến hành khuấy trộn học cánh khuấy Platin (Pt) Với thủy tinh không yêu cầu chất lượng cao (như kính mắt), thủy tinh sau nấu cán thành cắt thành phôi thủy tinh nhỏ Thời gian ủ giai đoạn định tính chất quang Trên biểu đồ, thời gian ủ tới ngày Tuy nhiên, với ống kính Leica, thời gian ủ trung bình khoảng tháng tới năm trở lên Cá biệt với số loại ống kính có độ F0.95 có thời gian hạ nhiệt 10 năm Hình Chế độ ủ số loại thủy tinh quang học Với chủng loại thủy tinh quang học cao cấp, sau nấu xong, nồi khối thủy tinh nồi đưa vào lò ủ riêng biệt để làm nguội với tốc độ chậm để không phát sinh ứng suất chênh lệch nhiệt, đảm bảo thủy tinh có chiết suất đồng Lị ủ thủy tinh thiết kế đặc biệt, tạo trường nhiệt độ đồng (chênh lệch nhiệt độ ±2℃) Nhiệt độ lò ủ cần đạt tới khoảng 700℃ để dễ dàng điều chỉnh cơng suất tốc độ làm nguội lị Vì vậy, người ta thường dùng lị ủ điện Hình Đập nồi lấy thủy tinh quang học Sau ủ, lấy sản phẩm khỏi lò, đập vỡ nồi có chứa khối thủy tinh Bằng mắt thường, lựa chọn sơ nhặt lấy khối thủy tinh đạt yêu cầu đem cắt, mài, đánh bóng tạo phôi Sản phẩm trước xuất xưởng kiểm tra chất lượng kỹ thiết bị đại Phần mảnh vỡ hay phế phẩm đem nấu lại (H.4) Phế phẩm mẻ nấu lên đến 75% Thủy tinh nấu nồi samốt theo công nghệ có suất thấp, khơng tránh lỗi vân, bọt khí nhỏ (cỡ 𝜇m) vật liệu chịu lửa làm nồi tan vào thủy tinh Với loại thủy tinh chất lượng cao, đặc biệt với thủy tinh quang học hệ La flint (La/Pb borate) hàm lượng 𝑆𝑖𝑂2 thấp (< 4%), phải dùng nồi nấu platin (Pt) Nồi platin có độ chịu lửa, độ bền hóa hệ số dẫn nhiệt cao, thuận lợi cho q trình nấu, dùng nhiều lần Tuy nhiên, làm nguội (hoặc ủ), tốc độ nguội lớp vỏ kim loại giảm nhiệt độ nhanh khối thủy tinh phía nhiều làm xuất vết nứt vị trí tiếp xúc vỏ nồi thủy tinh Những vết nứt thâm nhập sâu vào phía trong, làm tăng lượng phế phẩm Để tăng suất nấu thủy tinh quang học, khoảng thời gian 1960 – 1965, hãng sản xuất thủy tinh quang học Bausch & Lomb, Corning (Mỹ), Hoya (Nhật) nấu thủy tinh lò bể liên tục Tất nhiên, yêu cầu chất lượng loại thủy tinh quang học cao Trong lò bể nấu thủy tinh quang học, trình nấu (tiếp liệu, nấu chảy, khuấy, đồng hóa) xảy bể nhỏ riêng biệt Dùng platin để phân cách khối thủy tinh nóng chảy với bể nấu Ở giai đoạn đầu, người ta dùng nhiên liệu cung cấp lượng cho trình nấu Còn giai đoạn sau, người ta dùng lượng điện Hiện nay, người ta thường dùng lò nấu điện để nâng cao hiệu suất nhiệt lò Khối thủy tinh nóng chảy từ lị tạo hình thành phôi dạng khối, dạng tấm, dạng trụ … tùy mục đích sử dụng Các phương pháp tạo cán, kéo, đúc, ép … dùng để tạo phôi 10 CHƯƠNG SỢI CÁP QUANG 2.1 Lịch sử phát triển sợi cáp quang Vào cuối kỷ 19 đầu kỷ 20, ánh sáng dẫn qua thủy tinh uốn cong để chiếu sáng khoang thể Các ứng dụng thực tế chiếu sáng gần nha khoa xuất vào đầu kỷ XX Việc truyền hình ảnh qua ống nhà thí nghiệm vơ tuyến Clarence Hansell nhà tiên phong truyền hình John Logie Baird chứng minh vào năm 1920 cách độc lập Vào năm 1930, Heinrich Lamm người ta truyền hình ảnh qua bó sợi quang học sử dụng để khám nội khoa, công việc ông bị lãng quên Năm 1953, nhà khoa học Hà Lan Bram van Heel lần chứng minh khả truyền hình ảnh thơng qua bó sợi quang có lớp phủ suốt Cùng năm đó, Harold Hopkins Narinder Singh Kapany Đại học Imperial London thành công việc tạo bó truyền hình ảnh với 10.000 sợi, sau đạt khả truyền hình ảnh qua bó dài 75 cm kết hợp vài nghìn sợi Ống soi dày bán linh hoạt sợi quang thực tế cấp sáng chế Basil Hirschowitz, C Wilbur Peters, Lawrence E Curtiss, nhà nghiên cứu Đại học Michigan, vào năm 1956 Trong trình phát triển ống soi dày, Curtiss sản xuất sợi bọc thủy tinh đầu tiên; sợi quang học trước dựa vào khơng khí dầu sáp khơng thực tế làm vật liệu phủ số thấp Kapany đặt thuật ngữ sợi quang học, viết báo năm 1960 tạp chí Scientific American giới thiệu chủ đề với nhiều đối tượng, viết sách lĩnh vực Hệ thống truyền liệu sợi quang hoạt động nhà vật lý người Đức Manfred Bưrner Phịng thí nghiệm nghiên cứu Telefunken Ulm chứng minh vào năm 1965, sau đơn xin cấp sáng chế cho công nghệ vào năm 1966 Năm 1968, NASA sử dụng sợi quang máy quay truyền hình gửi đến mặt trăng Vào thời điểm đó, việc sử dụng máy ảnh bảo mật nhân viên xử lý máy ảnh phải giám sát người có giấy phép an ninh thích hợp Charles K Kao George A Hockham thuộc công ty Standard Telephone and Cables (STC) Anh người đầu tiên, vào năm 1965, thúc đẩy ý tưởng 11 suy giảm sợi quang giảm xuống 20 decibel km (dB/km), làm cho sợi quang trở thành phương tiện giao tiếp thực tế Họ đề xuất suy giảm sợi có sẵn vào thời điểm tạp chất loại bỏ, khơng phải hiệu ứng vật lý tán xạ Họ đưa lý thuyết cách xác có hệ thống đặc tính ánh sáng sợi quang vật liệu phù hợp để sử dụng cho sợi - thủy tinh silica với độ tinh khiết cao Khám phá mang lại cho KaoGiải Nobel Vật lý năm 2009 Giới hạn suy hao quan trọng 20 dB / km lần đạt vào năm 1970 nhà nghiên cứu Robert D Maurer, Donald Keck, Peter C Schultz Frank Zimar làm việc cho nhà sản xuất kính Mỹ Corning Glass Works Họ chứng minh sợi quang có độ suy giảm 17 dB / km cách pha tạp thủy tinh silica với titan Vài năm sau, họ sản xuất loại sợi quang với độ suy giảm dB / km cách sử dụng germanium dioxide làm chất pha tạp cốt lõi Năm 1981, General Electric sản xuất thỏi thạch anh nung chảycó thể kéo thành sợi dài 25 dặm (40 km) Ban đầu, sợi quang chất lượng cao sản xuất với tốc độ m/s Kỹ sư hóa học Thomas Mensah gia nhập Corning vào năm 1983 tăng tốc độ sản xuất lên 50 m/s, làm cho cáp quang rẻ cáp đồng truyền thống Những đổi mở kỷ nguyên viễn thông cáp quang Trung tâm nghiên cứu Ý CSELT làm việc với Corning để phát triển loại cáp quang thực tế, kết tuyến cáp quang đô thị triển khai Turin vào năm 1977 CSELT phát triển kỹ thuật ban đầu để nối sợi quang, gọi Springroove Suy hao cáp quang đại nhiều so với cáp đồng điện, dẫn đến kết nối cáp quang đường dài với khoảng cách lặp lại 70 – 150 km (43 – 93 mi) Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium, giúp giảm chi phí hệ thống cáp quang đường dài cách giảm loại bỏ lặp quang điện-quang, phát triển hai nhóm nghiên cứu David N Payne thuộc Đại học Southampton dẫn đầu Emmanuel Desurvire Bell Labs vào năm 1986 1987 Trường tinh thể quang tử dẫn đến phát triển vào năm 1991 sợi tinh thể quang tử, dẫn ánh sáng cách nhiễu xạ từ cấu trúc tuần hồn, khơng 12 phải phản xạ toàn phần bên Sợi tinh thể quang tử bán thị trường vào năm 2000 Sợi tinh thể quang tử mang lượng cao so với sợi thông thường đặc tính phụ thuộc vào bước sóng chúng sử dụng để cải thiện hiệu suất 2.2 Sợi thủy tinh quang dẫn Thủy tinh sợi quang dẫn loại thủy tinh quang học dạng sợi nhỏ, dài, thành phần sợi lõi chủ yếu SiO2 với độ tinh khiết cao, sử dụng thiết bị truyền sóng điện từ sở hiệu ứng phản xạ toàn phần sợi thủy tinh lõi Để chế tạo thủy tinh sợi quang dẫn, trước hết cần tạo nguyên liệu thủy tinh siêu tinh khiết, loại ngun liệu khơng thể có tự nhiên Thủy tinh SiO2 siêu tinh khiết khơng hình thành từ pha lỏng nóng chảy loại thủy tinh thơng thường mà hình thành từ pha ngưng tụ Để điều chế SiO2 siêu tinh khiết, trước hết ta điều chế SiCl4 Sau đó, phương pháp ngưng tụ hóa học SiCl4 phản ứng với O2 H2O từ pha hơi, ta thu SiO2 siêu tinh khiết bám thành ống để kéo thành sợi Ở nhiệt độ cao, phản ứng tạo SiO2 GeO2 từ SiCl4 GeCl4 với O2 viết sau: SiCl4 + O2 = SiO2 + 2Cl2 GeCl4 + O2 = GeO2 + 2Cl2 Ở nhiệt độ thấp, phản ứng xảy theo chiều Ở nhiệt độ cao, từ 1800 K trở lên, phản ứng oxy hóa SiCl4 tạo SiO2 gần hồn tồn, đó, chuyển hóa GeO2 có hiệu suất thấp, 25% Với nguyên lý kỹ thuật ngưng tụ để thu thủy tinh siêu tinh khiết có khác biệt, chủ yếu phương pháp thu bột thủy tinh ngưng tụ mặt ống ceramic (hoặc graphite) hay thu hồi thủy tinh ngưng tụ phía ống thủy tinh Một số phương pháp ngưng tụ hóa học khác giới thiệu sau đây: 2.1.1 OVD (Outline Vapor Deposition): Dùng khí oxy sục qua dung dịch SiCl4 GeCl4 nhiệt độ phịng, khí oxy theo SiCl4 GeCl4 dẫn vào vòi đốt Dùng vịi phun H2 O2 (khí oxy hydrogen) 13 để đốt Sản phẩm cháy ngưng tụ thành ống ceramic graphite thành lớp xốp, tạo thủy tinh với mức tinh khiết cao Phải lấy lớp thủy tinh khỏi ống ngưng tụ để tạo lớp lõi sợ thủy tinh quang dẫn Lớp vỏ ngồi ngưng tụ bề mặt vật liệu thích hợp khác Khống chế tỷ lệ SiO2 GeO2 (làm tăng chiết suất so với SiO2) để điều chỉnh chiết suất tốc độ lượng khí O2 sục qua dung dịch Do khí lẫn Cl2, xảy phản ứng khử nước 1200oC: H2O + Cl2 = HCl + ½ O2 Quá trình OVD cho phép tạo khoảng 1800 gr (trên ống đường kính 11 cm chiều dài 80 cm), từ kéo khoảng 50 km sợi thủy tinh 2.1.2 VAD (Vapour Axial Deposition) Tương tự với phương pháp OVD, người ta dùng oxy sục qua dung dịch SiCl4 GeCl4 vòi đốt H2O2 Khác với trình OVD, ống ngưng tụ đặt thẳng đứng, dọc theo chiều bay Như vậy, ngưng tụ trình VAD xảy dọc trục (axial) Sự khử nước tạo thủy tinh tương tự trình OVD Một lượng nhỏ tạp chất nhỏ OH (dưới ppb) (part per bilion = phần OH 10 SiO2), tương ứng với việc suy giảm bé 0,04 dB/km ứng với tín hiệu truyền 𝜆 = 1,39 𝜇𝑚 2.1.3 MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition) Khác với hai phương pháp kể trên, phản ứng xảy lòng ống thủy tinh quartz Các oxyt SiO2, GeO2 ngưng tụ thành ống thủy tinh quartz thủy tinh hóa Khơng phải lấy thủy tinh hình thành khỏi ống, ống thủy tinh quartz dùng tạo lớp vỏ phương pháp kéo “ống lồng ống” Do phản ứng xảy ống quartz, lượng tạp chất nhỏ Khuyết điểm MCVD khơng có q trình khử nước, nhiên nồng độ OH- sợi MCVD phải bảo đảm bé ppm Hiện nay, MCVD phương pháp chế tạo thủy tinh nguyên liệu làm sợi quang dẫn phổ biến (H.2.1.a) Theo phương pháp ngưng tụ hóa học từ pha MCVD (H.2.1.a), nguyên liệu đầu vào hỗn hợp khí oxy (O2) sục qua dung dịch clorua silic (SiCl4) clorua germanium (GeCl4) Oxy (O2) theo SiCl4, GeCl4 nước (H2O) phun vào ống thủy tinh quartz (SiO2) Ống thủy tinh quartz xoay quanh trục, nằm vùng cuộn dãy 14 tần số sóng radio tạo trường plasma nhiệt độ cao, tạo điều kiện xảy phản ứng với khí oxy tạo khí SiO2 GeO2 tinh khiết Các khí SiO2 GeO2 ngưng tụ lên thành ống thủy tinh quartz tạo thành lớp pha thủy tinh SiO2 GeO2 Hình Nguyên lý ngưng tụ hóa học từ pha MCVD (a) nguyên lý “ống lồng ống” chế tạo thủy tinh sợi dẫn quang (b) Sự hình thành thủy tinh SiO2 theo phương pháp ngưng tụ từ pha (không phải từ chất lỏng lạnh) cho phép thu SiO2 ≈ 100% trọng lượng Mức tạp chất nhỏ, có nguyên từ Co, 20 nguyên từ Fe, 50 nguyên tử Cu tỷ nguyên tử (109) cấu tạo nên sợi quang, thỏa mãn yêu cầu khơng làm nhiễu sóng điện từ lan truyền sợi Độ bền sợi thủy tinh khác cao, bền kéo sợ vào khoảng GPa (4.109 N/m2), nghĩa với sợi đường kính 125 𝜇𝑚 chịu tải trọng kéo 50 N Để tạo hiệu ứng phản xạ tồn phần, sợi quang dẫn có cấu tạo gồm hai phần lõi vỏ, chiết suất lõi cần lớn chiết suất vỏ (n lõi > nvỏ) Đây lý phải có GeO2 ngưng tụ với SiO2 thành phần thủy tinh lõi (H.5.a) Một sợi quang dẫn gồm phần sợi lõi (là thủy tinh thành phần SiO2 + GeO2, có chiết suất lớn vỏ) vỏ (là thủy tinh quartz thành phần SiO2, chiết suất nhỏ lõi) hình thành kỹ thuật ngưng tụ ống sau kéo sợi kiểu “ống lồng ống” (H.5.b) Ống thủy tinh quartz (SiO2) dùng làm vỏ ngồi, ống “lõi” lồng phía thủy tinh hình thành từ ngưng tụ pha SiO + GeO2 (H.5.a) Như vật, dùng thủy tinh SiO2 làm lớp vỏ, việc phải dùng GeO2 thành phần lớp lõi cần thiết, GeO2 có tác dụng làm tăng chiết suất thủy tinh Ngồi GeO2, P2O5 oxyt có tác dụng làm tăng chiết suất thủy tinh SiO2 P2O5 đưa vào thủy tinh 15 khí POCl3 (clorua oxy photpho) Để làm giảm chiết suất thủy tinh SiO2, người ta thêm F vào thành phần thủy tinh Trên thực tế, ống thủy tinh quartz với lớp bột thủy tinh SiO GeO2 ngưng tụ từ pha lắp vào thiế bị kéo hay tháp kéo (drawing tower, H.6) Ngoài điều chỉnh chiết suất lõi thủy tinh phía trong, cịn phải quan tâm tới tính chất vật lý, quang học khác sợi thủy tinh lõi, hệ số dãn nở nhiệt, độ tán sắc, nhiệt độ nóng Phần tạo phơi từ thiết bị MCVD gắn vào tiếp liệu Phơi qua lị 1900 – 2200oC, chảy lỏng kéo sợi Đo đường kính tia laser để chỉnh tốc độ kéo Sợi kéo trống quay 10 qua lò ủ Một số thông số kỹ thuật: - Tốc độ kéo 33 – 66 inch/s (10 – 20 m/s) - Chiếu dài sợi: tới 1,4 dặm (2,2 km) - Độ bền kéo: ≥ 100.000 lb/in2 Các thông số kỹ thuật khác: - Chiết suất, khuyết tật quang, đường kính lõi, đường kính lớp phủ, độ đồng nhất; - Mức suy giảm tín hiệu ánh sáng có bước sóng khác theo khoảng cách truyền - Năng lực (băng thông): Số lượng tín hiệu thực lúc (sợi đa mode); - Màu sắc phân tán: lan truyền bước sóng khác qua sợi lõi (quan trọng băng thông); - Khả truyền sáng nước; Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị kéo sợi quang dẫn chảy cần quan tâm lĩnh vực ứng dụng cụ thể sợi thủy tinh quang dẫn để chế tạo với thông số kỹ thuật phù hợp Cột tháp; Lò graphite; Đệm bơi trơn; Bộ phận giữ phơi; Đo kích thước; Lị ủ; Phơi thủy tinh (ống SiO2 phía Đệm bơi trơn; 10 Kéo cuộn ngồi SiO2 + GeO2 phía trong); Lị ủ 16 Trên H.6 giới thiệu nguyên lý thiết bị chế tạo sợi thủy tinh quang dẫn Ơng phơi giữ đầu phận giữ phôi 2, đầu dẫn qua lò điện cực graphite nhiệt độ cao (1900 – 2200°C) tạo phôi thủy tinh Để điện cực khơng bị oxy hóa, mơi trường lị phải mơi trường khí nitơ (N 2) Phơi thủy tinh qua lò bị chảy mềm kéo thành sợi thiết bị kéo cuộn 10 Sợi kéo qua phận kiểm tra chất lượng (kích thước, chiết suất ) tia lazer để điều chỉnh tốc độ kéo Sau đó, sợi thủy tinh kéo qua lị ủ làm mát khí Heli (He) tạo vỏ bảo vệ polymer phía ngồi Tồn trình chế tạo sợi thủy tinh quang dẫn tự động hóa Tùy theo phương thức truyền sáng phân sợi quang dẫn thành hai loại sợi đơn mode sợi đa mode Mode hiểu phương thức truyền sóng ổn định sợi quang với loại sóng ánh sáng đơn sắc (có thể hiểu thích hợp với bước sống truyền phù hợp mà thơi) Sợi đơn mode (single mode) có lõi nhỏ, đường kính khoảng 3,5.10 -4 inch (khoảng μm) Sợi đơn mode dùng truyền bước sóng (mode) lan truyền sơng song với trục) Sóng truyền sợi mode đơn suy hao, dùng truyền tải tia laser, hồng ngoại (bước sóng 1300 – 1550 nm), dùng truyền sóng khoảng cách xa, phổ biến với mạng điện thọa, cáp truyền hình Sợi đa mode (multimode) có lõi lớn sợi đơn mode, đường kính khoảng 2,5.10-3 inch (khoảng 62,5 μm) Sợi đa mode có khả truyền tải nhiều mode sóng, khoảng cách ngắn (< km), thích hợp cho việc kết nối mạng nội Số mode truyền sợi phụ thuộc thông số kỹ thuật sợi quang dẫn Thường dùng truyền tải tia hồng ngoại (bước sóng 850 – 1300 nm) từ đèn diot phát quang (LED) Sợi đa mode phân thành hai loại theo kiểu truyền khác nhau: Chiết suất bậc (Multimode Step Index): Các tia sáng sợi quang theo nhiều hướng khác nhau, đến điểm thu chùm tia sáng riêng lẻ Kiểu truyền phổ biến, thường dùng cho cáp quang có lớp polymer (uretnane acrylate) bảo vệ, cịn gọi POF (Plastic Optical Fiber) 17 Chiết suất biến đổi (Multimode Graded Index): Các tia sáng phân bố dạng chumg parabol, chùm tia khội tụ điểm, tốc độ truyền nhanh bị suy hao Hình Đặc trung tổn hao sợi thủy tinh quartz với lớp vỏ nhưa silicon (theo Unnger, Optische Nachrichtentechnik I) Ngồi loại sợi quang từ SiO2, cịn có sợi quang dẫn từ fluorit, photphat polymer (POF – Polymer Optical Fiber) Thủy tinh fluorite loại hợp chất fluor (F) với kim loại (Zr, Ba, La, Al), khơng có oxyt thành phần Thủy tinh fluorit khó nấu, truyền sóng tốt dãy 2000 – 5000 nm Thủy tinh photphat với nguyên tố có mật độ cao, chiết suất cao Các loại thủy tinh chứa fluor, P 2O5 nghiên cứu, ứng dụng thiết bị kỹ thuật máy tính tốc độ cao Ứng dụng phổ biến sau sợi quang thủy tinh SiO2 sợi quang từ vật liệu polymer Những sợi quang polymer có lõi lớn (0,04 inch μm đường kính) thường ứng dụng truyền tải ánh sáng nhìn thấy màu đỏ (bước sóng 650 nm) từ đèn LED khoảng cách ngắn, mạng tốc độ thấp tổn hao truyền tính hiệu lớn 2.3 Dây cáp quang (Optical Caple) Ứng dụng thực tế để truyền tải thông tin dây cáp quang Trong cấu tạo dây cáp quang, sợi quang dẫn thành phần quang trọng Cấu tạo cáp quang sau: 18 Lỗi (Core): Là phần kết cấu trung tâm, có tác dụng truyền dẫn ánh sáng, thành phần SiO2 GeO2 Vỏ bọc lõi (Cladding): Là lớp thứ hai bao quanh lõi có chiết suất nhỏ chiết suất lõi, thành phần SiO2 Chức vỏ bọc lõi (cladding) phản xạ tất tia sáng trở lõi Ánh sáng truyền từ đầu đến đầu sợi quang cách phản xạ toàn phần mặt ngăn cách lõi – vỏ định hướng lõi Thơng thường, lõi – võ sợi quang dẫn Lớp phủ (Coating): Lớp phủ có tác dụng bảo vệ, loại bỏ tia khúc xạ lớp bọc, chống lại xâm nhập nước, tránh trầy xước, giảm gập gãy uốn cong sợi cáp quang Lớp phủ nhuộm màu khác theo chuẩn màu quy định ngành viễn thông để phân biệt với Vật liệu dùng làm lớp phủ Epoxy Acrylate, polyurethanes, Etylene Vinyl Acetate… Thành phần gia cường (Streng member): Lớp vật liệu tăng độ bền cho cáp quang Vật liệu thừng dùng loại có bền kéo cao sợi polymer chất lượng cao Kevlar, dây kim loại màu (Cu), sợi thép định hình (dập gợn hình sóng sin) Vỏ ngồi (Outlet Jacket): có tác dụng bảo vệ ruột cáp tránh tác động bên va đập, loài vật gậm nhắm, ẩm ướt, nhiệt độ… Các vật liệu làm vỏ cáp cần nhẹ, đảm bảo độ bền cơ, khó chảy, cách điện cách nhiệt tốt PVC, PE, HDPE, PUR Hình Mặt cắt ngang sợi cáp quang Lõi; Vỏ bọc lõi; Lớp phủ; Thành phần gia cường; Vỏ ngồi Do phải truyền tín hiệu xa, sợi cáp quang thiết kế đặt biệt nhằm tránh tác động học làm biến dạng sợi q trình thi cơng kéo cáo 19 trình sử dụng Nguyên tắc thiết kế sợi cáp quang thông thường nguyên tắc “lõi rỗng” (hollow core) Theo nguyên tắc (hollow core), chi tiết gia cường dây cáp thiết kế tạo nên lõi rỗng, sợi quang đặt lõi cho chúng có khơng gian tự định Phần không gian tự sau lắp đầy, giữ sợi cáp quang cố định chất độn dạng gel Các sợi cáp quang có kích thước khác nhau, mang nhiều sợi quang dẫn nhỏ Trên hình sơ đồ minh họa cho số loại cáp quang với số lượng sợi cáp quang khác nhau: 10 sợi (H.9.a), 70 sợi (H.9.b), 2000 sợi (H.9.c) Hình Kết cấu số loại cáp quang với số sợi quang khác Hệ thống cáp quang viễn thông tạo nên cách mạng truyền thống Những tiến kỹ thuật công nghệ cho phép chờ vào việc dùng sợi quang thay dây kim loại thông thường (dây đồng, nhôm…) So với dây kim loại, sợi thủy tinh quang dẫn thể số ưu điểm tổn hao (hiện mức tổn hao khoảng 1% 3000 km đường truyền), đâu tư tốn (dùng cáp quang rẻ so với dùng dây đồng với độ dài tương đương truyền hình cáp, Internet, điều mà trước chưa hình dung được) Do sợi quang mảnh nhẹ dây đồng nên đưa vào cáp nhiều dây so với dây đồng Điều cho phép lúc truyền lượng thông tin (điện thoại nhiều kênh truyền hình) với dung lượng chất lượng cao nhiều Dùng cáp quang suy thối bị nhiễu tín hiệu (do tín hiệu sợi khơng bị chịu ảnh hưởng tới tín hiệu điện – từ trường sợi khác cáp) Điện tổn hao thấp tín hiệu sợi quang suy giảm, phát nhiệt, cho phép dùng máy phát công suất thấp thay máy phát điện cao áp thường dùng với 20 dây đồng Sợi quang lý tưởng để thực hiên thơng tin kỹ thuật sốm dặc biệt hữu ích cho mạng máy tính Do khơng có điện truyền qua sợi quang nên khơng có nguy hỏa hoạn chập mạch Trọng lượng sợi cáp quang nhẹ dây cáp đồng dung lượng truyền tin nhiều, từ cho phép tiết kiệm kết cấu xây dựng việc truyền tải điện xa Các ứng dụng cáp quang phong phú mở rộng lĩnh vực máy ảnh kỹ thuật số, mổ nọi soi y tế, kiểm tra mối hàn đường truyền ống động (máy bay, tên lửa tàu không gian, ô tô…) hệ thống kiểm tra đường ống nước… Sợi quang dẫn có ưu lớn lĩnh vực phát triển mạng viễn thơng máy tính Hạn chế lớn việc ứng dụng sợi quang dẫn thiết bị chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu bước sóng khác thành tín hiệu quang để truyền dẫn sợi quang, sau kể tới khó khăn kỹ thuật kết nối sợi 21 LỜI KẾT Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Cơng nghệ Hóa học Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập Đặc biệt, chúng em xin bày tỏ lịng biết ơn đến TS Võ Thị Thu Như truyền đạt kiến thức hướng dẫn chúng em q trình thực báo cáo Thơng qua giảng dạy tận tình, tâm huyết giúp chúng em hiểu rõ nội dung môn học, tích lũy thêm nhiều kiến thức bổ ích Do hạn chế kiến thức nên báo cáo chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận nhận xét, lời bình từ phía để báo cáo hồn thiện rút kinh nghiệm cho luận tương lai Lời cuối cùng, chúng em kính chúc nhiều sức khoẻ, hạnh phúc thành công việc giảng dạy nghiên cứu Chúng em xin chân thành cảm ơn! 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Quang Minh (2015), Giáo trình Kỹ thuật sản xuất thủy tinh, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh [2] Wikipedia, Optical Fiber, https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber, truy cập 1/5/2022 [3] AGC, Optical glass, https://www.agc.com/en/products/electoric/opticalglass/top.html, truy cập 1/5/2022 23