2. Nhận xột của giảng viờn:
2.8. Các phơng pháp chế tạo sợi quang
2.8.1.Vật liệu chế tạo sợi
Cấu trúc cơ bản của sợi dẫn quang nhìn chung gồm có lõi và vỏ phản xạ, toàn bộ tạo nên sợi dẫn quang dài và rất mảnh, chúng có vai trò truyền thông tin cho cự ly xa và tốc độ lớn nên phải đợc cấu tạo từ các vật liệu phù hợp với bản chất truyền tín hiệu của chúng. Nh vậy, trong qúa trình chọn vật liệu sợi quang cần phải thoả mãn yêu cầu sau:
- Vật liệu phải đảm bảo tạo đợc các sợi dẫn quang dài, mảnh và mềm dẻo - Vật liệu phải đảm bảo trong suốt tại các bớc sóng hoạt động thông dụng, tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao và méo.
- Các vật liệu chế tạo ra lõi và vỏ sợi phải có bản chất vật lý tơng thích để tạo ra sự chênh lệch về chỉ số chiết suất giữa lõi và và khá nhỏ.
Vật liệu thích ứng và dùng nhiều nhất là thuy tinh và chất dẻo trong suốt. Các sợi làm bằng chất dẻo ít đợc dùng hơn vì suy hao của nó thờng là lớn hơn các sợi thuỷ tinh. Nó chỉ đợc dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp, và những nơi có tác động cơ học mạnh, ít quan tâm tới chất lợng truyền dẫn, thực chất thì sợi chất dẻo đôi khi bị lạm dụng trong các trờng hợp sử dụng.
2.8.2.Các phơng pháp chế tạo sợi quang
Có hai phơng pháp chế tạo sợi quang:
Phơng pháp thứ nhất: là vật liệu làm ruột và làm vỏ đợc đa vào lò nấu chảy rồi cho kéo chảy ra ngoài thành dạng sợi
Phơng pháp thứ hai: Sử dụng phôi có sẵn cũng gồm có vỏ và ruột đêm kéo nóng thành sợi.
Yêu cầu nhiệt độ và tốc độ kéo rất ổn định để đảm bảo kích thớc hình học và dạng của đờng cong biến thiên theo yêu cầu.Phải chú ý tránh bụi bẩn và tạp chất để không làm hỏng bề mặt của sợi. Khi sợi kéo ra còn đang óng sẽ đợc phủ lớp bảo vệ luôn, để sau khi nguội đã có lớp bảo vệ hoàn chỉnh và đồng đều
2.8.3.Các phơng pháp chế tạo phôi sợi
2.8.3.1.Phương phỏp thanh ống cổ điển
Phương phỏp này được sủ dụng vào thời kỳ đầu thử nghiệm chế tạo sợi quang cú tiờu hao bộ. Sử dụng một thanh thủy tinh hoặc thanh thạch anh, dự kiến làm vật liệu ruột sợi luồn vào một ống thủy tinh cú chiết suất bộ hơn định để làm vỏ sợi. Đường kớnh ngoài của thanh phải rất khớt với đường kớnh trong của ống, khụng cũn khe hở cho khụng khớ lọt vào. Phương phỏp này chỉ để chế tạo sợi đa mốt SI
Phương phỏp này cú nhược điểm là nếu trờn bề mặt phõn cỏch của vỏ và ruột phụi cú khuyết tật, khụng đồng đều hoặc khụng tinh khiết thỡ khi kộo thành sợi vẫn cũn lại cỏc khuyết tật đú, gõy nờn tổn hao tỏn xạ lớn.
2.8.3.2.Phương phỏp nồi nấu đụi (Double Orucible)
Hỡnh 2.17. Phương phỏp nấu nồi đụi
Dựng phương phỏp này để chế tạo ra sợi chứ khụng để chế phụi. *Ưu điểm:
- Trỏnh được cỏc chỗ khuyết tật trờn lớp phõn cỏch- ruột sợi mà phương phỏp thanh ống gặp phải
Trờn hỡnh vẽ giới thiệu tổng quỏt phương phỏp này. Thủy tinh làm vỏ và ruột sợi được nấu riờng thành cỏc chất lỏng rồi đưa vào nồi hai lớp riờng rẽ. Đầu ra nồi nấu đụi này cú van hai lớp để kộo sợi ra. Nhờ đổ thờm thủy tinh liờn tục nờn trong quỏ trỡnh nấu và kộo liờn tục cú thể đạt được sợi rất dài. Sợi núng được kộo qua bề phủ chất bảo vệ trước khi được cuốn thành cuộn. Dựng phương phỏp này cú thể chế sợi SI và sợi GI. Lũ nấu chế từ chất Platin tinh khiết để khụng gõy tạp chất. Tuy nhiờn nồi nấu cũng vẫn cú thể mang tạp chất vào thủy tinh nấu, làm cản trở việc chế tạo cỏc sợi cú suy hao bộ. Sự biến thiờn của chiết suất sợi đạt được nhờ sự khuyếch tỏn của thủy tinh núng chảy
tại lớp phõn chia vỏ lừi và nhờ sự kết hợp của hai loại thủy tinh. Để chế tạo sợi đơn mốt cú đường kớnh rất bộ thỡ phương phỏp này chưa thực hiện được.
2.8.3.3.Phương phỏp đọng hơi húa chất
Cỏc phương phỏp chế tạo sợi quang hiện đại đều cú chung một nguyờn lý cơ bản là dung phương phỏp đọng hơi để chế tọa phụi, sau đú kộo thành sợi tức là chế tạo phụi sợi từ thể hơi. Yờu cầu phải đạt được tức là phụi cũng phải cú hai lớp vỏ và lừi, kớch thước tỷ lệ vỏ và lừi cũng như sự biến thiờn của chiết suất của phụi phải theo đỳng giỏ trị như của loại sợi định chế tạo. Đõy chớnh là một thành cụng của cụng nghệ mới. Như thế cú thể chế tạo được sợi dưới dạng thụ sau đú kộo nhỏ sợi thành sợi cần cú. Nhờ cụng nghệ mới này mới cú thể chế được sợi đơn mốt SM cú tổn hao bộ vỡ sợi tạo thành từ thể khớ khụng mang lẫn tạp chất. Trong phương phỏp đọng hơi húa chất xuất hiện một số phương phỏp dẫn xuất khỏc nhau, nhưng đếu khụng chệch khỏi nguyờn lý cơ bản này.
2.8.3.3.1.Phương phỏp đọng hơi húa chất: (chemical vapour deposition- CVD)
Hỡnh 2.18. Phương phỏp đọng hơi hoỏ chất
Khi chế tạo để thay đổi chiết suất người ta phải sử dụng thờm chất phụ gia như GeO2, P2O5, B, F, trong đú GeO2 và P2O5 làm tăng chiết suất, cũn B, F thỡ làm giảm chiết suất cua thủy tinh thạch anh
Nguyờn liệu sử dụng là một ống thạch anh thuần khiết. Cỏc chất lỏng Tetra-clorit- silic SiCl4, Tetra-clorit-Giecmani GeCl4, cỏc chất khớ O2, PCl3, BCl3 (FCl3) tựy nhà sản xuất mà cú những loại phụi sợi với thành phần và vỏ ruột như sau:
a : Vỏ là thủy tinh SiO2, ruột là SiO2 + GeO2
b : Vỏ là thủy tinh Bor- Silicat SiO2 + B2O3, ruột SiO2 + GeO2 + P2O5 Ống thạch anh được quay trũn quanh trục. Quanh ống cú nguồn đốt cú thể là một bộ cộng hưởng súng cực ngắn để cú thể đạt nhiệt độ 15000ữ 16000
C. Cỏc nguyờn liệu được đưa vào ống, ở nhiệt độ cao sẽ xảy ra phản ứng húa học. Sau cỏc phản ứng cỏc vật liệu cấu thành vỏ và ruột rơi vào thành ống theo từng lớp. Sau đú nung chảy ống để ống co lại thành một phụi đặc.
2.8.3.3.2.Phương phỏp đọng hơi húa chất nhờ Plasma (Plasma chemical vapour Deposition- PCVD)
Khỏi quỏt về phương phỏp này như hỡnh vẽ:
Hỡnh 2.19: Phương phỏp PCVD tạo phụi
Cũng là phương phỏp đọng hơi húa chất bờn trong. Cỏc nguyờn liệu ở thể hơi do một hệ thống cung cấp vào ống thủy tinh đặt trong lũ nung ở
C
0
1150 . Quỏ trỡnh phản ứng xảy ra nhờ một vựng Plasma sinh ra nhờ bộ cộng hưởng súng cực ngắn. Bộ này cú thể di chuyển dọc theo ống. Bơm để giữ ỏp lực trong ống để tạo Plasma và hỳt khớ thừa ra. Đường bao chiết suất rất chớnh xỏc nhờ tạo được hàng nghỡn lớp rất mỏng trờn thành ống sau đú ống này được nung chảy ở 20000C để tạo thành phụi đặc.
2.8.3.3.3.Phương phỏp đọng hơi húa chất bờn ngoài ( Outside Chemical Vapour Deposition- OCVD)
Phương phỏp này được hóng Corning Glas (Mỹ) phỏt triển. Hai phương phỏp trờn là phương phỏp đọng hơi bờn trong lũng ống thủy tinh. Trong phương phỏp này ống thủy tinh được thay bằng một thanh thủy tinh. Cho cỏc
vật liệu đọng hơi ở xung quanh thanh cũng theo phương phỏp trờn. Khi đó phủ đủ cỏc lớp yờu cầu, cho rỳt nhanh thanh thủy tinh ra cũn lại một ống phụi rỗng. Tiếp tục nung chảy ống ở 20000C để cú phụi đặc. Theo phương phỏp này cú thể tạo ra được phụi khỏ lớn để kộo được sợi quang dài hàng chục kilomet.
2.8.3.3.4.Phương phỏp đọng hơi húa chất theo trục ( Vapour Axial Deposition- VAD)
- Đõy là một phương phỏp rất tốt được phỏt triển ở Nhật Bản và luụn được cải tiến.
Cỏc vật liệu tạo ruột và vỏ sợi được bốc hơi và ngưng tụ vào đầu của một thanh thủy tinh xoay trũn liờn tục. Khi di chuyển thanh dọc trục sẽ tạo được phụi. Điều chỉnh hàm lượng cỏc chất phụ gia để cú chiết suất để cú chiết suất yờu cầu. Sau đú kộo phụi này qua lũ nung để tạo kớch thước hỡnh học đều cho phụi sợi. Ưu điểm của phương phỏp này là cú tốc độ đọng hơi lớn và hiệu suất sử dụng nguyờn liệu cao tới 60- 80℅. Theo phương phỏp này người ta chế được sợi cú độ rộng băng truyền dẫn rất lớn
2.8.4.Quỏ trỡnh kộo sợi
Hỡnh 2.20. Nguyờn lý của quỏ trỡnh kộo sợi từ phụi
Sợi kộo ra từ lũ nung cú đường kớnh ngoài đỳng yờu cầu. Để cú kớch thước hỡnh học đều và đường bao chiết suất ổn định thỡ nhiệt độ của phụi và tốc độ kộo phải rất ổn định. Lưu ý khụng cho bụi bẩn bỏm vào trờn mặt sợi cũn núng, cú thể sinh ra cỏc chỗ gẫy nhỏ sau này. Hai lớp phủ bảo vệ bờn trong mềm và bờn ngoài cứng, là loại quang húa chất. Nguồn bức xạ cực tớm giỳp cho đạt được tốc độ kộo sợi rất lớn.