Đó từ lõu, vật liệu thủy tinh được con người biết đến và sử dụng đểchế tạo cỏc vật dụng nhằm phục vụ cho cuộc sống. Ngày nay vật liệu thủy tinh ngày càng được sử dụng rộng rói trong cỏc lĩnh vực khỏc nhau nhất là trong cụng nghệ điện tử và thụng
tin quang. Vật liệu thủy tinh trờn cơ sở silica được sửdụng rộng rói trong viễn thụng và thụng tin quang bởi nú cú một số ưu điểm sau:
- Cú tớnh trong suốt trong vựng nhỡn thấy và vựng hồng ngoại: Đõy là yờu cầu quan trọng đối với vật liệu truyền dẫn quang.
- Cú suy hao quang thấp nhất đối với tớn hiệu xung quanh bước súng 1530 nm (trựng với cửa sổ quang học thứ 3).
- Bền cơ học và thõn thiện với mụi trường.
- Nguyờn liệu sẵn cú, rẻ tiền.
Hỡnh 1.15 a) Cấu trỳc tứ diện của silica
b) Cấu trỳc mạng tinh thể silica c) Cấu trỳc mạng vụ định hỡnh của silica
Silica cú thể tồn tại ở 2 pha: pha tinh thểvà pha vụ định hỡnh. Với vật liệu dựng để truyền dẫn tớn hiệu thỡ silica được sử dụng ở trạng thỏi vụ định hỡnh. Vật liệu thuỷ tinh silica chế tạo bằng phương phỏp sol-gel cú cấu trỳc vụ định hỡnh. Tuy nhiờn vẫn tồn tại trật tự gần, trật tự đú cú cấu trỳc tứ diện, tõm là ion Si4+ bao quanh bởi 4 ion O2-, trong đú cú cỏc nguyờn tử Si liờn kết với cỏc nguyờn tử Oxi bằng liờn kết cộng hoỏ trị. Gúc liờn kết O-Si-O là cỡ109o, khoảng cỏch liờn kết Si-O xấp xỉ1,61Ǻ. Khi pha tạp iụn đất hiếm vào mạng nền thuỷ tinh silica, cỏc iụn đất hiếm cú thể nằm bờn cạnh tứ diện đều, cũng cú thểchỳng làm khối tứ diện này bị mộo đi. Do vậy, sự tỏch mức năng lượng 4f cũn phụ thuộc vào sự biến dạng của khối tứ diện và sự xắp xếp cỏc khối này xung quanh iụn đất hiếm. Trong lĩnh vực thụng tin quang, sợi quang chế tạo bằng thuỷ tinh silica được sử dụng rất phổ biến.
Một đặc trưng quan trọng là độ suy hao trờn đường truyền tớn hiệu, độ suy hao cú nhỏ mới truyền thụng tin đi một cỏch chớnh xỏc qua khoảng cỏch lớn. Sự suy hao của sợi quang do cỏc nguyờn nhõn sau:
- Suy hao do hấp thụ vật liệu như là SiO2 hấp thụ mạnh tại vựng bước súng λ < 0,4 μm (hấp thụ vựng cực tớm) và tại vựng bước súng λ > 1,7 μm (hấp thụ hồng ngoại). Một số tạp chất như là Fe, Cu, Ni, Mn, Ge hấp thụ mạnh tại vựng 0,6→1,6 μm, nhưng cỏc tạp chất này hầu hết được loại bỏra khỏi vật liệu sợi quang SiO2. Tuy nhiờn, trong sợi quang cũn tồn tại cỏc nhúm OH-, chỳng cú cỏc đỉnh hấp thụ mạnh tại 0,95; 1,24; 1,39 μm, cỏc nhúm OH rất khú loại bỏ hết ra khỏi sợi quang với cụng nghệ xử lý hiện nay nhúm OH vẫn cũn chiếm khoảng 10-8 trong vật liệu SiO2. Cũn một số tạp chất khỏc như là GeO2, P2O5và B2O3 cũng gõy ra hấp thụ quang phụ.
- Suy hao do tỏn xạ RayLeigh là nguyờn nhõn của sự phõn bố khụng hoàn hảo của cỏc mật độ phõn tử của chất trong toàn khối. Tỏn xạ Rayleigh gõy ra suy hao quang với hệ số suy hao tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc bốn của bước súng nờn giảm rất nhanh vềphớa bước súng dài αR = C/λ4, C là hằng số nằm trong khoảng 0,7→0,9 (dB/Km).μm-4 phụthuộc vào thành phần lừi sợi quang SiO2. Vậy αR= (0,12 →0,16) dB/km tại λ= 1,55 μm. Ngoài ra, cũn một số hiệu ứng tỏn xạ trong sợi quang là tỏn
xạ Raman và tỏn xạ Brillouin là cỏc hiệu ứng tỏn xạ khụng đàn hồi của cỏc photon năng lượng cao thành photon năng lượng thấp hơn và sinh ra phonon.
- Suy hao do sợi quang bị uốn cong là khi sợi quang bịchốn ộp tạo nờn những chỗ uốn cong, suy hao này xuất hiện do tia sỏng đi lệch trục qua những chỗ uốn cong. Với sợi quang bị uốn cong cú bỏn kớnh uốn cong càng nhỏ thỡ suy hao càng tăng. Khi lắp đặt và chế tạo sợi quang khụng thể trỏnh khỏi những chỗ uốn cong. Hiện nay bỏn kớnh uốn cong tối thiểu là 40 mm thỡ gõy ra suy hao là khụng đỏng kể.
- Cửa sổ 850 nm cú độ suy hao cỡ 2→3 dB/Km ở những sợi quang chế tạo trong giai đoạn đầu, nhưng với kỹ thuật hiện nay suy hao quang này chưa phải là thấp nhất.
- Cửa sổ1300 nm cú độ suy hao 0,4→0,5 dB/Km, đặc biệt khi đú độ tỏn sắc là rất thấp nờn bước súng này được sử dụng khỏ rộng rói.
- Cửa sổ1550 nm là vựng mất mỏt thấp nhất cú độ suy hao cỡ 0,2 dB/Km, thấp hơn cửa sổ1300 nm nhưng độ tỏn sắc lại cao hơn. Người ta cố gắng giảm suy hao quang thấp nhất trong vựng này để ỏp dụng rộng rói trong tuyến cỏp quang.
CHƯƠNG 2THỰC NGHIỆM