ở phần trên ta đã xem xét cơ bản về cấu trúc của sợi dẫn quang. Nhìn chung chúng có cấu tạo gồm lõi vμ vỏ phản xạ, toμn bộ tạo nên sợi dẫn quang dμi vμ rất mảnh, chúng có vai trò truyền tín hiệu thông tin cho cự ly xa vμ tốc độ lớn cho nên phải đ−ợc cấu tạo từ các vật liệu phù hợp với bản chất truyền tín hiệu của chúng. Nh− vậy trong quá trình lựa chọn vật liệu cho sợi dẫn quang, cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Vật liệu phải đảm bảo tạo đ−ợc các sợi dẫn quang dμi, mảnh vμ mềm dẻo.
- Vật liệu phải đảm bảo thật trong suốt tại các bước sóng hoạt động thông dụng, tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao vμ méo.
- Các vật liệu chế tạo ra lõi vμ vỏ của sợi phải có bản chất vật lý tương thích để tạo ra sự chênh lệch về chỉ số chiết suất lõi vμ vỏ lμ khá nhỏ.
Tổng hợp các yêu cầu trên, thì vật liệu thích ứng nhất lμ thủy tinh vμ chất dẻo trong suốt. Các loại sợi đ−ợc chế tạo có lõi lμ thủy tinh suy hao lớn thì dùng cho các cự ly truyền dẫn ngắn, tốc độ thấp; còn sợi chế tạo từ thủy tinh có suy hao nhỏ sẽ đ−ợc dùng rất rộng rãi cho các cự ly xa, tốc độ cao vμ các hệ thống thông tin quang tiên tiến. Các loại sợi lμm bằng chất dẻo ít đ−ợc sử dụng hơn vì suy hao của nó th−ờng lμ lớn hơn các loại sợi thủy tinh, nó chỉ đ−ợc dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp vμ nơi mμ có tác động cơ học mạnh, ít quan tâm tới chất l−ợng truyền dẫn; thực chất sợi chất dẻo đôi khi bị lạm dụng trong các tr−ờng hợp sử dụng.
Sợi thủy tinh
Thủy tinh đ−ợc tạo từ các hỗn hợp oxit kim loại nóng chảy, sulfide hoặc selenide.
Chúng tạo ra một vật liệu có cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp. Loại thủy tinh trong suốt tạo ra các sợi dẫn quang chính lμ thủy tinh oxit. Trong đó dioxit silic (SiO2) lμ lọai oxit thông dụng nhất để tạo ra sợi, nó có chỉ số chiết suất tại bước sóng 850nm lμ 1,458.
Để tạo ra hai loại vật liệu gần giống nhau lμm lõi vμ vỏ phản xạ của sợi, tức lμ tạo ra hai loại vật liệu có chỉ số chiết suất hơi lệch nhau, ng−ời ta phải thêm vμo cả hμm l−ợng Flo vμ các oxit khác nhau nh− B2O3, GeO2 vμ P2O5. Nếu muốn tăng chỉ số chiết suất thì thêm P2O5 hoặc GeO2 vμo SiO2, nếu muốn giảm chỉ số chiết suất thì thêm B2O3 vμo SiO2. ở sợi dẫn quang chiết suất của lõi lớn hơn vỏ, nh− vậy ta có thể thấy đ−ợc hỗn hợp vật liệu tạo ra các sợi nh− sau:
- Sợi có lõi GeO2- SiO2 (lõi SiO2 có pha GeO2 ) vμ vỏ phản xạ SiO2. - Sợi có lõi P2O5- SiO2 vμ vỏ phản xạ SiO2.
- Sợi có lõi GeO2- B2O3- SiO2 vμ vỏ phản xạ B2O3- SiO2. - Sợi có lõi SiO2 vμ vỏ phản xạ B2O3- SiO2.
Trong thực tế, vật liệu thô của dioxit Silic (SiO2) chính lμ cát, một nguồn tμi nguyên sẵn có vô tận. Thủy tinh chế từ dioxit Silic tinh khiết ám chỉ tới các loại thủy tinh dioxit Silic vμ dioxit Silic nóng chảy. Chúng có một số đặc điểm quan trọng lμ nhiệt độ lμm biến dạng chúng vμo khoảng 10000C, chúng rất ít bị nở ra khi nhiệt độ tăng; có tính bền vững hóa học cao, rất trong suốt ở vùng ánh sáng nhìn thấy vμ vùng hồng ngoại do đó hoμn toμn phù
hợp với các hệ thống thông tin quang sợi. Một nh−ợc điểm của chúng lμ có nhiệt độ nóng chảy cao dẫn tới khó khăn khi muốn lμm chảy nó trong quá trình chế tạo sợi, tuy nhiên ng−ời ta có biện pháp chế tạo sợi tránh đ−ợc yếu điểm nμy lμ ph−ơng pháp sử dụng kỹ thuật lắng đọng hơi .
Sợi thủy tinh halogen
Năm 1975, các nhμ nghiên cứu ở trường đại học tổng hợp Rennes đã phát minh ra loại thủy tinh Fluoride có suy hao truyền dẫn rất nhỏ ở vùng b−ớc sóng giữa hồng ngoại (từ 0,2
đến 8μm), suy hao thấp nhất ở khoảng bước sóng quanh 2,55μm )[11]. Thủy tinh Fluoride lμ thủy tinh thuộc họ halogen từ các nguyên tố nhóm VII của bảng tuần hoμn, đó lμ Flo, Clo, Brom vμ Iot. Trong quá trình nghiên cứu, các nhμ khoa học đã tập trung vμo phân tích các vật liệu thủy tinh Fluoride kim loại nặng trong đó chủ yếu chứa thμnh phần ZrF4. Để hoμn chỉnh sợi nμy, ng−ời ta còn thêm một số thμnh phần khác có tính chất dung hòa sự kết tinh. Trong tất cả các sợi Fluoride gốc ZrF4, hứa hẹn nhất lμ sợi có cấu tạo ZrF4-BaF2- LaF3-AlF3-NaF [11][8] gọi lμ ZBLAN, đây chính lμ cấu tạo lõi của sợi. Để giảm chiết suất trong tr−ờng hợp nμy tức lμ tạo ra thủy tinh có chỉ số chiết suất thấp hơn, có thể thay một phần ZrF4 bằng HaF4 sẽ có đ−ợc vỏ phản xạ ZHBLAN. Ng−ợc lại nếu muốn tăng chiết suất ZBLAN, có thể thêm PbF2 vμ BiF3. Bảng 2-5 sau đây lμ thμnh phần phân tử vμ phần trăm của chúng để tạo ra sợi Fluoride với lõi ZBLAN [12].
Bảng 2-5: Thμnh phần phân tử của sợi Fluoide ZBLAN
Vật liệu ZrF4 BaF2 LaF3 AlF3 NaF HaF4 chỉ số chiÕt suÊt
hệ số giãn nở nhiệt α(105/0C) phÇn
tr¨m
lâi 54 20 4,5 3,5 18 - 1,4991 2,75 ph©n
tử
vá 39,7 18 4 3 22 13,3 1,4925 2,71
Loại sợi thủy tinh Fluoride có suy hao rất nhỏ cỡ khoảng từ 10-2 dB/km tới 10-3dB/km tạo ra một tiềm năng lớn cho việc xây dựng các tuyến thông tin tốc độ cao cự ly xa. Tuy nhiên việc chế tạo nó vẫn còn gặp nhiều khó khăn nh− độ dμi chế tạo bị hạn chế.
Sợi thủy tinh tích cực
Kết quả nghiên cứu về sợi dẫn quang cho ra các đặc tính từ vμ quang mới lμ việc kết hợp các nguyên tố đất hiếm vμo sợi thủy tinh thụ động bình thường. Đặc tính nμy cho phép vật liệu sợi có thể khuếch đại, tiêu hao vμ lμm trễ pha tín hiệu ánh sáng truyền trong sợi dẫn quang. Quá trình pha tạp đất hiếm ở đây có thể xảy ra ở cả sợi dioxit Silic thông th−ờng vμ sợi halogen. Ngoμi hai loại vật liệu chủ yếu có thể thực hiện quá trình pha tạp nμy lμ Erbium vμ Neodymium, thì còn có một số vật liệu khác. Hμm l−ợng tập trung các ion nguyên tố đất hiếm rất thấp (cỡ khoảng 5.10-3 tới 5.10-2 phần trăm phân tử ) để tránh các hiệu ứng hình thμnh cụm. Ta sẽ xét cụ thể ở ch−ơng - 8 của tμi liệu nμy.
Các loại sợi vỏ chất dẻo
ở trên ta đã xem xét cấu tạo của các loại sợi có lõi vμ vỏ phản xạ đều lμ thủy tinh; các sợi nμy có suy hao nhỏ cho nên chúng đóng vai trò quan trọng vμ phù hợp đối với các tuyến thông tin quang cự ly xa vμ tốc độ cao. Đối với cự ly ngắn (cỡ vμi trăm mét), các loại sợi lõi thủy tinh vμ vỏ phản xạ lμ chất dẻo đ−ợc sử dụng với mục đích giảm chi phí, vì
cự ly nμy cho phép sử dụng các loại sợi có suy hao lớn. Sợi nμy còn gọi lμ sợi thủy tinh vỏ chất dẻo PCS (plastic-clad silica), vỏ th−ờng đ−ợc chế tạo từ hỗn hợp chất polimer có chỉ số chiết suất thấp hơn lõi dioxit silic. Giá trị chỉ số chiết suất vỏ nμy khoảng 1,405 tại b−ớc sóng 850nm, vật liệu nhựa silicone sẽ thỏa mãn giá trị nμy vμ không những vậy nhựa silicone còn tham gia vμo việc tạo vỏ bảo vệ sợi dẫn quang. Thông th−ờng, sợi thủy tinh vỏ phản xạ chất dẻo lμ loại sợi chỉ tồn tại ở dạng sợi có chiết suất phân bậc, chúng lại có
đường kính lõi khá lớn (khoảng 150 đến 600μm) lớn hơn cả lõi sợi gradien tiêu chuẩn 50μm. Sợi nμy có khẩu độ số rất lớn cho phép sử dụng cả các loại nguồn phát quang có góc phát xạ lớn, vì vậy cho phép giảm giá thμnh hệ thống một cách đáng kể.
Sợi chất dẻo
Đó lμ loại sợi chiết suất phân bậc có cả lõi vμ vỏ phản xạ hoμn toμn đ−ợc cấu tạo từ vật liệu chất dẻo. Loại sợi nμy chỉ đáp ứng cự ly truyền dẫn không quá 100m vì có suy hao rất lớn. Khẩu độ số của sợi nμy lớn cho phép góc tiếp nhận ánh sáng khoảng 700. Sợi nμy đã
từng đ−ợc dùng trong quá khứ với số l−ợng rất ít.
2.1.4.2 Đặc tính cơ học của sợi quang
Nh− đã đề cập ở các phần trên, ta đã biết rằng sợi dẫn quang rất nhỏ vμ mảnh, vật liệu chế tạo chủ yếu lại lμ thủy tinh cμng gây một ấn t−ợng sợi rất dễ dμng bị gãy vỡ; ta có cảm giác nh− nó không có khả năng chịu nổi một tác động cơ học nhỏ nμo. Nh−ng trong thực tế hiện nay, sợi dẫn quang lại có thể chịu đ−ợc những ứng suất vμ lực căng trong quá trình bọc cáp, quá trình lắp đặt cũng như khai thác ở các môi trường khác nhau trên mạng lưới viễn thông. Vì vậy, ngoμi các đặc tính truyền dẫn của sợi dẫn quang, các đặc tính cơ học của nó đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình đ−a vμo khai thác các hệ thống thông tin quang. Các đặc tính cơ học đặc tr−ng cho sợi dẫn quang đựơc thể hiện ở lúc chế tạo cáp, lắp đặt cáp vμ trong suốt thời gian cáp đ−ợc khai thác. Trong lúc bọc cáp vμ lắp đặt trên tuyến, tải trọng tác động vμo sợi có thể ở dạng xung lực hoặc thay đổi từ từ. Khi mμ cáp
được khai thác trên tuyến, các tải trọng lúc nμy thường thay đổi rất chậm, có thể do ảnh hưởng của nhiệt độ thay đổi, sự bất ổn định của môi trường lắp đặt vv... Sức bền vμ độ mỏi lμ hai đặc tính cơ học cơ bản của sợi dẫn quang. Thủy tinh lμ vật liệu chế tạo sợi đã tạo ra cảm giác sợi dẫn quang cũng dễ tan vỡ nh− các g−ơng kính vμ các loại vật dụng thủy tinh thông th−ờng vμ nh− vậy sợi dẫn quang không phải lμ sản phẩm chịu lực khỏe. Song cần lưu ý rằng, ứng suất phá vỡ theo chiều dọc của sợi thủy tinh cũng có thể so sánh được với các dây kim loại. Lực liên kết của các nguyên tử cấu tạo nên sợi dẫn quang đã chi phối tới sức bền thực chất của nó. Sợi dẫn quang thủy tinh có độ dμi ngắn có thể chịu lực căng lớn nhất khoảng 14GPa; trong khi đó sợi thép chịu 20GPa. Sự khác nhau giữa sợi kim loại vμ
sợi thủy tinh lμ sợi thủy tinh không thể co dãn nh− sợi kim loại, khi tới ng−ỡng gãy đứt, sợi thủy tinh có thể dãn một l−ợng không đáng kể. ở sợi dây đồng, nó có thể dãn dμi tới hơn 20% trước khi bị đứt, còn sợi dẫn quang thủy tinh thì dãn vμo khoảng 1% trước khi bị kéo đứt. Trên thực tế, sự tồn tại những tập trung ứng suất ở bề mặt của các vết nứt hoặc vết rạn sẽ giới hạn độ dμi trung bình của các sợi dẫn quang dμi nằm trong dải từ 700 đến 3500 MPa. Lực gẫy đứt của độ dμi sợi đã cho đựơc xác định dựa vμo kích cỡ vμ cấu trúc hình học của vết nứt nghiêm trọng nhất trên sợi. Hình 2.20 lμ giả định một kiểu vết nứt cơ học, ở đây vết nứt có dạng hình elip vμ nh− vậy qui về dạng chung có tên lμ vết rạn Griffith [10]. Nếu gọi độ rộng của vết rạn nứt lμ W, độ sâu lμ X vμ bán kính đầu mút lμ ρ thì sức bền của vết rạn của sợi thủy tinh có quan hệ nh− sau:
K =Yσ X (2-85) ở đây hệ số cường độ ứng suất K đựơc cho dưới dạng ứng suất σ có đơn vị áp dụng cho sợi lμ megapascal, độ sâu của vết rạn X tính bằng milimet, vμ hằng số Y không có thứ nguyên sẽ phụ thuộc vμo cấu trúc hình học của vết nứt. ở thủy tinh, vết nứt trên mặt nghiêm trọng nhất có Y = π . Từ biểu thức nμy ta có thể tính đ−ợc kích cỡ của vết nứt lớn nhất. Giá trị lớn nhất của K sẽ phụ thuộc vμo thμnh phần thủy tinh nh−ng dự kiến nằm trong dải từ 0,6 đến 0,9 MN/cm3/2.
Hình 2.20. Mẫu giả định về vết rạn nứt trên sợi dẫn quang.
Nhìn chung, trên sợi dẫn quang có chứa nhiều vết rạn nứt có sự phân bố ngẫu nhiên cho nên lực gẫy đứt của sợi phải đ−ợc nhìn nhận theo quan điểm thống kê. Nếu gọi F(σ,L) lμ xác suất tích lũy, L lμ chiều dμi sợi bị giới hạn d−ới một ứng suất σ, vμ giả thiết rằng các vết nứt lμ độc lập đ−ợc phân bố ngẫu nhiên trên sợi dẫn quang vμ sự gãy đứt sẽ xảy ra tại vết nứt nghiêm trọng nhất, thì ta có:
W
X
ứng suất σ
Bán kính đầu mút ρ
F(σ,L)=1−e−LN(σ) (2-86) Với N(σ) lμ số tích lũy các vết nứt trên một đơn vị độ dμi có một sức bền nhỏ hơn σ. Dạng N(σ) thông dụng lμ dạng ph−ơng trình đ−ợc Weibull rút ra từ kinh nghiệm nh− sau:
m
N L ⎟⎟
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
= ⎛
0 0
) 1
( σ
σ σ (2-87)
Với m, σ0 vμ L0 lμ các hằng số liên quan tới sự phân bố sức bền quán tính ban đầu. Từ
đây dẫn tới dạng ph−ơng trình có tên gọi lμ ph−ơng trình Weibull:
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
−⎛
−
=
0 0
exp 1 ) ,
( L
L L F
m
σ
σ σ (2-88)
Ng−ợc với sức bền, độ mỏi có liên quan tới sự lớn dần của các vết nứt hiện có trên sợi dẫn quang dưới các điều kiện độ ẩm vμ ứng suất sức căng. Sự lớn dần của vết nứt lμm cho sợi bị đứt ở một ứng suất thấp hơn so với ứng suất dùng để kiểm tra độ bền của sợi. Vết nứt nh− ở hình 2.20 sẽ cắt thông qua sợi do có sự ăn mòn hóa học của vật liệu sợi tại đầu mút vết nứt. Nguyên nhân đầu tiên gây ra sự ăn mòn nμy lμ sự xuất hiện của n−ớc từ môi tr−ờng bên ngoμi thâm nhập vμo, nó lμm giảm sức bền của mối liên kết phân tử SiO2 trong thủy tinh. Tốc độ của phản ứng sẽ tăng khi sợi chịu tác động của ứng suất đặt vμo nó. Tuy nhiên, theo các thực nghiệm điều tra cho thấy rằng, nhìn chung sự mỏi tĩnh học sẽ không xảy ra nếu nh− mức ứng suất nhỏ hơn xấp xỉ 0,20 sức bền. Thực tế các loại vỏ bọc dùng cho sợi dẫn quang hiện nay đ−ợc bọc ngay trong quá trình chế tạo có đủ khả năng để bảo vệ chống lại sự ăn mòn của môi tr−ờng ngoμi.
Một yếu tố quan trọng nữa để xem xét đặc tính cơ học của sợi dẫn quang lμ độ mỏi
động. Khi cáp sợi dẫn quang được đặt vμo trong đường ống cáp, nó phải chịu các ứng suất lặp đi lặp lại do tác động của việc dâng cáp lên. Cáp bị dâng lên lμ do những cọ sát giữa cáp vμ đ−ờng ống hoặc dụng cụ dẫn cáp trong các bể cáp ở các tuyến cáp đi l−ợn vòng.
Cáp treo cũng chịu các ứng suất tăng lên do tác động của gió. Lý thuyết vμ thực tế chứng minh rằng thời gian dẫn tới cáp bị h− hỏng d−ới các điều kiện nh− vậy có liên quan tới ứng suÊt cho phÐp lín nhÊt.