LUẬN văn sư PHẠM vật lý cáp QUANG và các vật LIỆU DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ tạo cáp QUANG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM  Luận Văn Tốt Nghiệp Ngành: Sư phạm Vật Lí – Cơng Nghệ CÁP QUANG VÀ CÁC VẬT LIỆU DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁP QUANG Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: ThS - GVC Hoàng Xuân Dinh Nguyễn Thị Thùy Mỵ Lớp: SP Vật Lý_CN K34 MSSV: 1080327 Cần Thơ, 2011 MỤC LỤC Tóm tắt đề tài Phần MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Các giả thuyết đề tài Các phương pháp phương tiện thực đề tài 3.1 Phương pháp nghiên cứu 3.2 Phương tiện thực đề tài Các bước thực đề tài Phần NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sơ lược chất ánh sáng 1.1.1 Lý thuyết hạt ánh sáng 1.1.2 Lý thuyết sóng ánh sáng Huygens 1.1.3 Lý thuyết điện từ Maxwell 1.1.4 Lý thuyết lượng tử ánh sáng 1.2 Các tính chất ánh sáng 1.2.1 Tính truyền thẳng ánh sáng 1.2.2 Sự khúc xạ phản xạ ánh sáng 1.3 Nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang Chương 2: SỢI QUANG 11 2.1 Sợi quang 11 2.2 Cấu trúc sợi quang 11 2.3 Phân loại sợi quang 12 2.4 Đặc điểm sợi quang 12 2.5 Yêu cầu kỹ thuật sợi quang 13 Chương 3: CÁP QUANG 15 3.1 Định nghĩa cáp quang 15 3.2 Ưu điểm cáp quang 15 3.3 Lịch sử phát triển cáp quang 15 3.4 Cấu tạo cáp quang 16 3.5 Phân loại cáp quang 18 3.5.1 Phân loại theo cấu trúc 18 3.5.2 Phân loại theo mục đích sử dụng 19 3.5.3 Phân loại theo điều kiện lắp đặt 19 a) Cáp treo 19 b) Cáp kéo cống 21 c) Cáp chôn trực tiếp 25 d) Cáp đặt nhà 31 e) Cáp ngập nước thả biển 32 3.6 Yêu cầu kỹ thuật cáp quang 33 Chương 4: VẬT LIỆU CHẾ TẠO CÁP QUANG 34 4.1 Lớp vỏ 34 4.1.1 Vỏ PE 34 4.1.2 Vỏ VPC 34 4.1.3 Vỏ halogen tự 35 4.2 Thành phần gia cường 35 4.3 Thành phần chống ẩm 36 4.4 Lớp lõi 37 4.4.1 Lớp bảo vệ sợi quang 37 a) Lớp vỏ sơ cấp (primary coating) 37 b) Lớp vỏ thứ cấp (secondary coating) 37 4.4.2 Sợi quang 38 a) Sợi thủy tinh 39 b) Sợi thủy tinh Halogen 39 c) Sợi thủy tinh tích cực 39 d) Các loại sợi vỏ chất dẻo 40 e) Sợi chất dẻo 40 4.5 Quá trình chế tạo 40 4.5.1 Giai đoạn tạo mẫu tiền chế 40 a) Phương pháp nấu chảy thủy tinh 41 b) Phương pháp động hóa chất 42 4.5.2 Kéo sợi 45 Chương 5: NHỮNG CẢI TIẾN MỚI TRONG CÁP QUANG VÀ CÁC VẬT LIỆU TIỀM NĂNG TRONG CHẾ TẠO SỢI QUANG 47 5.1 Những cải tiến cáp quang 47 5.1.1 Tốc độ truyền tải 47 5.1.2 Quá trình cải tiến ống chứa sợi quang 47 5.1.3 Phát minh 48 5.2 Các vật liệu tiềm chế tạo sợi quang 49 5.2.1 Bọt biển 49 5.2.2 Vật liệu biến đổi photon 50 5.2.3 Chế tạo cáp quang lõi kẽm senlenua 51 5.2.4 Tạo sợi cáp quang cực nhỏ từ tơ nhện 53 Phần KẾT LUẬN Tài liệu tham khảo GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài: “CÁP QUANG VÀ CÁC VẬT LIỆU DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁP QUANG” Gồm phần: Phần mở đầu: Nêu lý chọn đề tài, giả thuyết đề tài, phương pháp phương tiện thực đề tài, bước thực đề tài Phần nội dung: Gồm có chương - Chương 1: Cơ sở lý thuyết Trình bày vấn đề chất tính chất ánh sáng Nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang - Chương 2: Sợi quang Trình bày định nghĩa sợi quang, cấu trúc sợi quang, đặc điểm sợi quang, phân loại sợi quang yêu cầu kỹ thuật sợi quang - Chương 3: Cáp quang Trình bày điều cáp quang như: Định nghĩa cáp quang, ưu điểm cáp quang, lịch sử phát triển cáp quang, cấu tạo cáp quang, phân loại cáp quang yêu cầu kỹ thuật cáp quang - Chương 4: Vật liệu chế tạo cáp quang Trình bày vật liệu chế tạo lớp vỏ, thành phần gia cường, thành phần chống ẩm lớp lõi cáp quang, trình chế tạo sợi quang - Chương 5: Những cải tiến cáp quang vật liệu tiềm chế tạo sợi quang Trình bày cải tiến cáp quang tốc độ truyền tải, trình cải tiến ống chứa sợi quang vật liệu tiềm bọt biển, vật liệu biến đổi cáp quang lõi kẽm senlenua Phần kết luận: Tổng kết lại kết đạt hạn chế đề tài, dự định làm tương lai Luận Văn Tốt Nghiệp Trang SP Vật lí – Cơng Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hồng Xn Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ Phần MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trước đây, cáp quang dùng để kết nối đường trục quốc gia, nhà cung cấp dịch vụ, doanh nghiệp lớn chi phí cao Nhưng nay, cáp quang sử dụng rộng rãi doanh nghiệp vừa, nhỏ, trường đại học người sử dụng thông thường Internet khiến công nghệ cáp quang thực bùng nổ Cáp quang sở Internet Wi-Fi Internet 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 Mọi doanh nghiệp với mạng LAN sử dụng Mọi người nhờ đến cáp quang gửi e-mail, tin nhắn SMS, ảnh, video file liệu khác Cáp quang đóng vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực tương lai trụ cột mạng giải trí gia đình Hiện cáp quang sử dụng phổ biến Vậy cáp quang gì? Và cáp quang chế tạo từ vật liệu ? Từ vấn đề nên em chọn đề tài “Cáp Quang Và Các Vật Liệu Dùng Trong Công Nghệ Chế Tạo Cáp Quang” Các giả thuyết đề tài - Sợi quang cáp quang có cấu tạo nào? - Có loại cáp quang ? - Cáp quang chế tạo từ vật liệu ? F Do đó, nội dung nghiên cứu em gồm có: - Nghiên cứu lý thuyết sợi quang cáp quang - Nghiên cứu phân loại cáp quang - Các vật liệu để chế tạo sợi quang - Những vật liệu tiềm chế tạo sợi quang Các phương pháp phương tiện thực đề tài 3.1 Phương pháp nghiên cứu Để thực đề tài này, em hồn thành phần nghiên cứu với phương pháp sau: - Tổng hợp lý thuyết sợi quang cáp quang Luận Văn Tốt Nghiệp Trang SP Vật lí – Cơng Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ - Nghiên cứu cáp quang vật liệu để chế tạo cáp quang Tìm tài liệu có liên quan như: giáo trình, sách, luận văn tiểu luận có liên quan, báo cáo bạn cáp quang ứng dụng, tài liệu mạng, đọc tổng hợp sau viết 3.2 Phương tiện thực đề tài - Tài liệu tham khảo: Sách, giảng, Luận văn tốt nghiệp Đại học, tài liệu từ báo cáo bạn cáp quang ứng dụng, tài liệu từ Internet - Ý kiến nhận từ: giáo viên hướng dẫn, thầy cô môn bạn sinh viên Các bước thực đề tài - Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt đề tài - Bước 2: Tìm tài liệu có liên quan đến đề tài đọc tài liệu, nghiên cứu tài liệu, tham khảo ý kiến từ thầy cô, bạn bè - Bước 3: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài trao đổi với giáo viên hướng dẫn - Bước 4: Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, tham khảo ý kiến chỉnh sửa - Bước 5: Viết hoàn chỉnh đề tài nộp Luận Văn Tốt Nghiệp Trang SP Vật lí – Cơng Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hồng Xn Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ Phần NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sơ lược chất ánh sáng Ánh sáng sóng điện từ trường biến thiên khơng gian Nó đặt trưng vectơ cường độ điện trường E , vectơ cường độ từ trường H , vng góc vng góc với phương truyền sóng v Dãy xạ ánh sáng thường chia làm vùng sau: + Vùng tử ngoại có bước sóng từ 100nm ÷ 380nm + Vùng nhìn thấy có bước sóng từ 380nm ÷ 780nm + Vùng hồng ngoại có bước sóng từ 780nm ÷ 1mm Ánh sáng dùng thông tin quang nằm vùng cận vùng hồng ngoại Các bước sóng thường dùng 1300nm 1550nm 1.1.1 Lý thuyết hạt ánh sáng Lý thuyết hạt ánh sáng Isaac Newton đưa ra, cho dòng ánh sáng dòng chuyển dời hạt vật chất Lý thuyết giải thích tượng phản xạ số tính chất khác ánh sáng; nhiên khơng giải thích nhiều tượng giao thoa, nhiễu xạ mang tính chất sóng 1.1.2 Lý thuyết sóng ánh sáng Huygens Lý thuyết sóng ánh sáng, Christian Huygens đưa ra, cho dịng ánh sáng lan truyền sóng Lý thuyết giải thích nhiều tượng mang tính chất sóng ánh sáng giao thoa, nhiễu xạ; đồng thời giải thích tốt tượng khúc xạ phản xạ 1.1.3 Lý thuyết điện từ Maxwell Sau lý thuyết sóng lý thuyết hạt đời, lý thuyết điện từ James Clerk Maxwell năm 1865, khẳng định lại lần tính chất sóng ánh sáng Đặc biệt, lý thuyết kết nối tượng quang học với tượng điện từ học, cho thấy ánh sáng trường hợp riêng sóng điện từ Các thí ngiệm sau sóng điện từ, Heinrich Rudolf Hertz năm 1887, điều khẳng định tính xác lý thuyết Maxwell Luận Văn Tốt Nghiệp Trang SP Vật lí – Cơng Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ 1.1.4 Lý thuyết lượng tử ánh sáng Lý thuyết lượng tử ánh sáng nói riêng vật chất nói chung đời thí nghiệm xạ vật đen giải thích Max Planck hiệu ứng quang điện giải thích Albert Einstein cần dùng đến giả thuyết ánh sáng dòng hạt chuyển động riêng lẻ, gọi quang tử (photon) Vì tính chất hạt tính chất sóng quan sát ánh sáng, cho vật nói chung, lý thuyết lượng tử đến kết luận lưỡng tính sóng hạt ánh sáng vật chất; đúc kết công thức De Broglie (1924), liên hệ động lượng hạt bước sóng 1.2 Các tính chất ánh sáng 1.2.1 Tính truyền thẳng ánh sáng Trong mơi trường suốt, đồng tính đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng 1.2.2 Sự khúc xạ phản xạ ánh sáng Hiện tượng khúc xạ phản xạ ánh sáng: Khi có tia sáng truyền từ mơi trường có chiết suất n1 đến mặt ngăn cách với mơi trường có chiết suất n2 (n1 ≠ n2) tia sáng tách thành tia mới: Một tia khúc xạ sang môi trường 2, tia phản xạ lại môi trường Các tia tới, tia khúc xạ tia phản xạ mô tả (Hình 1.1) Khúc xạ Phản xạ N S N α I S S n1 n2 β α α’ I n1 n2 R Hình 1.1 Sự khúc xạ phản xạ ánh sáng Định luật Luận Văn Tốt Nghiệp Trang SP Vật lí – Cơng Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ - Tia phản xạ khúc xạ nằm mặt phẳng tới (Mặt phẳng tới mặt phẳng chứa tia tới pháp tuyến mặt ngăn cách điểm tới) - Góc phản xạ góc α’ = α (α góc tới, α’ góc phản xạ) - Góc khúc xạ β tính theo cơng thức Snell: n1sinα = n2sinβ * Hiện tượng phản xạ toàn phần Từ công thức Snell ta thấy: - Nếu n1 < n2 sinα > sinβ tức α > β tia khúc xạ lệch phía gần pháp tuyến - Nếu n1 > n2 sinα < sinβ tức α < β tia khúc xạ lệch phía xa pháp tuyến Đặc biệt trường hợp n1 > n2 tăng α β tăng theo β ln lớn α Khi góc tới α tăng đến giá trị mà β = 900 (tia khúc xạ nằm song song với mặt ngăn cách) Thì góc tới tương ứng trường hợp gọi góc tới hạn igh Nếu tiếp tục tăng góc tới lớn góc tới hạn igh khơng cịn tia khúc xạ mà có tia phản xạ Hiện tượng gọi tượng phản xạ tồn phần Góc tới hạn igh tính dựa vào cơng thức Snell n1sinα = n2sinβ ↔ n1sinigh = n2sin900 ↔ n1sinigh = n2 Như để có tượng phản xạ tồn phần phải có điều kiện: - Mơi trường chứa tia tới phải có chiết suất lớn chiết suất mơi trường - Góc tới lớn góc tới hạn 1.2.3 Nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang Nguyên lý sợi quang dựa vào tượng phản xạ tồn phần ánh sáng (Hình 1.2) I1 M I S N I2 Hình 1.2 Nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang Luận Văn Tốt Nghiệp Trang SP Vật lí – Cơng Nghệ K34 ... Vậy cáp quang gì? Và cáp quang chế tạo từ vật liệu ? Từ vấn đề nên em chọn đề tài ? ?Cáp Quang Và Các Vật Liệu Dùng Trong Công Nghệ Chế Tạo Cáp Quang? ?? Các giả thuyết đề tài - Sợi quang cáp quang. .. điều cáp quang như: Định nghĩa cáp quang, ưu điểm cáp quang, lịch sử phát triển cáp quang, cấu tạo cáp quang, phân loại cáp quang yêu cầu kỹ thuật cáp quang - Chương 4: Vật liệu chế tạo cáp quang. .. cấu tạo nào? - Có loại cáp quang ? - Cáp quang chế tạo từ vật liệu ? F Do đó, nội dung nghiên cứu em gồm có: - Nghiên cứu lý thuyết sợi quang cáp quang - Nghiên cứu phân loại cáp quang - Các vật