Đồ án Cáp sợi quang

ĐẠI HỌC KTCN THÁI NGUYÊN -----š›&š›----- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “CÁP SỢI QUANG” GVHD: Đào Huy Du SVTH: Lương Xuân Trường Mục lục Trang LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………...6 Chương 1 CƠ SỞ THÔNG TIN QUANG……………………………………7 1.1. Lịch sử phát triển…………………………………………………………7 1.2. Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản…………………………9 1.3. Ưu điểm của thông tin quang………………………………………........11 Chương2 SỢI QUANG……………………………………………………....12 2.1. Những ứng dụng của sợi quang………………………………………….12 2.2. Ưu điểm của thông tin sợi quang………………………………………..13 2.3. Lý thuyết chung về sợi dẫn quang………………………………………14 2.3.1. Phổ của sóng điện từ………………………………………………14 2.3.2. Chiết suất của môi trường…………………………………………17 2.3.3. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần…………………………..172.4. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang…………………………………18 2.4.1.Nguyên lý truyền dẫn chung……………………………………….18 2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang…………………………...20 2.5. Phân loại sợi quang……………………………………………………...23 2.5.1. Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI)…………………………………………………………………………...24 2.5.1.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index)………24 2.5.1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index)…..25 2.5.2. Các dạng chiết suất khác:…………………………………………..26 2.5.3. Sợi đa mode và đơn mode………………………………………….27 2.5.3.1.Sợi đa mode (MM: Multi Mode):…………………………….27 2.5.2.2.Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ):…………………………...28 2.6.Các thông số của sợi quang………………………………………………29 2.6.1. Suy hao của sợi quang:……………………………………………..29 2.6.2.Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang:……………………...31 2.6.2.1. Suy hao do hấp thụ:…………………………………………..31 2.6.2.2.Suy hao do tán xạ:…………………………………………….32 2.6.2.3.Suy hao do sợi bị uốn cong…………………………………...33 2.6.2.4.Một số suy hao khác………………………………………….34 2.6.2.5. Đặc tuyến suy hao…………………………………………....35 2.6.3.Tán sắc (Dispersion)………………………………………………..36 2.6.4. Các nguyên nhân gây ra tán sắc……………………………………38 2.6.4.1.Tán sắc mode (Mode Despersion)……………………………38 2.6.4.2.Tán sắc vật liệu……………………………………………….40 2.6.4.3. Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng:……………………...41 2.6.4.4..Độ tán sắc tổng cộng………………………………………...42 2.6.4.5. Tán sắc bậc cao…………………………………………….…43 2.6.4.6.Tán sắc mode phân cực………………………………………..43 2.6.4.7.Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt……………………….45 2.6.5.Dải thông của sợi quang……………………………………………..46 2.6.6. Bước sóng cắt……………………………………………………….48 2.6.7. Đường kính trường mode (MFD:Mode Field Diameter)…………...48 2.7.Cấu trúc sợi quang……………………………………………………….49 2.7.1. Cấu trúc của sợi quang………………………………………………49 2.7.1.1.Lớp phủ………………………………………………………...50 2.7.1.2.Lớp vỏ………………………………………………………….50 2.7.2. Yêu cầu đối với sợi quang…………………………………………...52 2.8. Các phương pháp chế tạo sợi quang……………………………………..53 2.8.1.Vật liệu chế tạo sợi…………………………………………………...53 2.8.2.Các phương pháp chế tạo sợi quang………………………………….54 2.8.3.Các phương pháp chế tạo phôi sợi……………………………………54 2.8.3.1.Phương pháp thanh ống cổ điển………………………………….54 2.8.3.2.Phương pháp nồi nấu đôi (Double Orucible)…………………….55 2.8.3.3.Phương pháp đọng hơi hóa chất………………………………….56 2.8.3.3.1.Phương pháp đọng hơi hóa chất: (chemical vapour deposition- CVD)……………………………………………………..56 2.8.3.3.2.Phương pháp đọng hơi hóa chất nhờ Plasma (Plasma chemical vapour Deposition- PCVD)…………………………………58 2.8.3.3.3.Phương pháp đọng hơi hóa chất bờn ngoài ( Outside Chemical Vapour Deposition- OCVD)……………………………….59 2.8.3.3.4.Phương pháp đọng hơi hóa chất theo trục ( Vapour Axial Deposition- VAD)…………………………………………………….59 2.8.4.Quỏ trỡnh kộo sợi…………………………………………………...59 2.8.5. Nguyên tắc tạo ra sợi quang mới…………………………………...60 2.9. Hàn nối sợi quang……………………………………………………….61 2.9.1. Yêu cầu kỹ thuật ……………………………………………………61 2.9.2.Các phương pháp hàn nối sợi quang…………………………………62 2.9.2.1. Phương pháp dùng keo dính………………………………...…62 2.9.2.2.Phương pháp dùng hồ quang…………………………………...63 2.9.3.Bảo vệ mối nối………………………………………………………..65 Chương 3 CÁP QUANG…………………………………………………...67 3.1. Tổng quan……………………………………………………………….67 3.1.1. Đặc điểm, yêu cầu đối với cáp quang ……………………………...67 3.1.2. Khả năng của sợi và cáp quang……………………………………...67 3.2. Cấu trúc cáp quang…………………………………………………...….68 3.2.1.Cấu trúc tổng quát của cáp quang……………………………………69 3.2.1.1.Phần lõi………………………………………………………...70 3.2.1.2.Vỏ cáp……………………………………………………….…73 3.3.Phân loại cáp quang:…………………………………………………..…74 3.3.1. Phân loại theo cấu trúc:……………………………………………...74 3.3.2. Phân loại theo mục đích sử dụng……………………………………75 3.3.3. Phân loại theo điều kiện lắp đặt……………………………………..75 3.3.3.1.Cáp treo………………………………………………………...76 3.3.3.2.Cáp đặt trong cống…………………………………………..…76 3.3.3.3. Cáp chôn trực tiếp……………………………………………..77 3.3.3.4.Cáp đặt trong nhà………………………………………………78 3.3.3.5. Cáp ngập nước và thả biển…………………………………….78 3.4. Mã màu trong cáp…………………………………………………….…79 3.5. Đo thử cáp quang và đo bảo dưỡng……………………………………...81 3.5.1.Khái quát……………………………………………………………..81 3.5.2. Mục đích của đo thử…………………………………………………82 3.5.3.Đo thử bảo dưỡng………………………………………………….…83 3.6.Các biện pháp bảo vệ cáp quang…………………………………………84 3.6.1. Độ chôn sâu cáp……………………………………………………..84 3.6.2. Chống mối và chống chuột………………………………………….86 3.6.3. Chống ảnh hưởng của sét……………………………………………86 Tài Liệu Tham Khảo…………………………………………………….…87 LỜI NÓI ĐẦU Hiện này các hệ thống thông tin quang đó chiếm hầu hết các tuyến truyền dẫn quan trọng trên mạng lưới viễn thông quốc tế, và được coi là phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa. Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do sự bùng nổ thông tin, mạng truyền dẫn đòi hỏi phải có sự phát triển mạnh về cả quy mô và trình độ công nghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng hiện đại bao gồm cả các hệ thống thông tin quang. Các hệ thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo có tốc độ cao, cự ly xa, độ tin cậy cao… Trong toàn bộ hệ thống thông tin quang phần không thể thiếu được chính là Cáp Sợi Quang. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn các hệ thống khác một phần chính là nhờ môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang. Vỡ vậy, em đó chọn đề tài Cáp Sợi Quang làm đồ án nghiên cứu giúp em tìm hiểu sâu hơn . Do thời gian hạn hẹp và kiến thức của bản thân còn hạn chớnh vỡ vậy đồ án của em không thể tránh được những thiếu sót. Nên em mong các thầy cô trong bộ môn và các bạn trong lớp đánh giá và đóng góp nhiều ý kiến để đề tài sâu hơn và phát triển đồ án ở mức cao hơn nữa. Trong quỏ trỡnh làm bài, em đó được nhận được sự hướng dẫn chi tiết của thầy Đào Huy Du và góp ý của cỏc bạn trong lớp. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh Viên Lương Xuân Trường Chương 1 CƠ SỞ THÔNG TIN QUANG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác.Khoảng cách truyền tin có thể là hàng trăm Km, hàng trục ngàn Km hoặc xuyên qua các đại dương.Thông tin có thể truyền qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau. Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng và sử dụng các sợi quang để truyền tin. Nó phát triển nhanh và còn tiềm tàng khả năng rất lớn trong việc hiện đại hoá các mạng lưới viễn thông trên thế giới. 1.1. Lịch sử phát triển Trong tiến trình lịch sử phát triển của nhân loại việc trao đổi thông tin giữa con người với con người đã trở thành một nhu cầu quan trọng, một yếu tố quyết định góp phần thúc đẩy sự lớn mạnh tiến bộ của mỗi quốc gia, cũng như nền văn minh của nhân loại . Cùng với sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến sử dụng môi trường truyền dẫn là dây dẫn kim loại cổ điển (cáp đồng ) và không gian.Thì việc sử dụng ánh sáng như một phương tiện trao đổi thông tin cũng được khai thác có hiệu quả . Cùng với thời gian thông tin quang đã phát triển và ngày càng hoàn thiện với những mốc lịch sử như sau: -1790 : CLAU DE CHAPPE , kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiêu trên đó . Tin tức vượt qua chặng đường 200km trong vòng 15 phút . -1870 : JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần . Điều vẫn được áp dụng trong thông tin quang hiện nay . -1880 : ALEXANDER GRAHAM BELL , người Mỹ giới thiệu hệ thống thông tin Photophone. Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường không khí . Nhưng chưa được áp dụng trong thực tế vì quá nhiều nguồn nhiễu. - 1934: NORMAN R.FRENCH, người Mỹ, nhận bằng sáng chế hệ thống thông tin quang. Sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyền dẫn. - 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, xây dựng và phát triển Laser - 1960: THEODOR H MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công. - 1962: Laser bán dẫn và Photodiode bán dẫn được thừa nhận vấn đề còn lại là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp. - 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM, hai kĩ sư phòng thí nghiệm Stanrdard Telecommunications của Anh , đề xuất dùng sợi thuỷ tinh dẫn ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn hạn chế nên suy hao quá lớn (ỏ khoảng 1000dB/Km) - 1970: Hãng Corning Glass Work chế ttoạ thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ hơn 20 [dB/km] ở bước sóng 1310nm. - 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4 [dB/km]. - 1983: Sợi đơn mode(SM) được xuất xưởng tại Mỹ. Ngày nay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi với độ suy hao chỉ còn khoảng 0,2 [dB/km] ở bước sóng 1550nm. 1.2. Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản Sợi quang Trạm lặp E O O E Nguôn tín hiệu. Phần tử điện. Phần tử điện. O E E O Biến đổi điện-quang Biến đổi sợi quang Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống thông tin quang đơn giản Theo sơ đồ hệ thống ta có: - Nguồn tín hiệu thông tin: là dạng thông tin thông thường là hình ảnh , tiếng nói , fax...hay còn là tín hiệu đầu vào. - Phần tử điện: là phần chung của hệ thống, để xử lý nguồn tin tạo ra tín hiệu điện đưa vào hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu Alalog hoặc Digtal - Bộ biến đổi E/O: Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu từ tín hiệu điện thành tín hiệu quang với các mức tín hiệu điện được biến đổi thành cường độ quang, các tín hiệu điện ‘0’và ‘1’được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng ‘không’ và ‘có’. Sau đó tín hiệu quang được đưa vào sợi quang truyền đi. Bộ biến đổi điện quang thực chất là các linh kiện phát quang như LED,Laser diode... - Sợi quang: Để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã được điều biến, nó có vai trò như kênh truyền dẫn. - Bộ biến đổi O/E: là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa vào và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện như tín hiệu đã phát đi, nó có vai trò như bộ giải điều chế. -Trạm lặp : Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, tín hiệ trên đường truyền bị tiêu hao, dạng sóng (độ rộng xung) bị giãn ra do nhiều nguyên nhân khác nhau. Vì vậy, để truyền được đi xa cần có trạm lặp. Hiện nay chưa thực hiện được khuếch đại hay tái sinh trực tiếp tín hiệu quang nên các trạm lặp phải thực hiện 3 bước sau: + Chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện + Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh tín hiệu điện. + Chuyển đổi tín hiệu điện đã được khuếch đại hoặc tái sinh thành tín hiệu quang để tiếp tục phát đi. - Tải tin: Trong hệ thống thông tin điện thì tải tin là các sóng điện từ cao tần, trong hệ thống quang là ánh sáng cũnh là sóng điện từ song có tần số rất cao (1014-1015Hz) do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng rất rộng. - Năng lực truyền dẫn: năng lực truyền dẫn của hệ thống được đánh giá qua hai đại lượng: + Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn được + Cự ly trạm lặp hoặc độ dài chuyển tiếp Xu thế của các hệ thống truyền dẫn quang là truyền dẫn dải rất rộng và cự ly trạm lặp rất lớn. Thực tế ở các hệ thống quang hiện nay đã vượt qua các hệ thống điện ở cả 2 yêu cầu trên. Các đại lượng trên được xác định bởi nhiều yếu tố liên quan như: + Tiêu hao và tán xạ truyền dẫn của sợi quang + Công suất bức xạ và khả năng điều biến linh hoạt của sợi quang + Độ nhạy của máy thu quang + Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử toàn tuyến 1.3. Ưu điểm của thông tin quang So với hệ thống thông tin điện tử thì hệ thống thông tin quang có những ưu điểm hơn hẳn đó là những ưu điểm cơ bản như sau: 1. Suy hao truyền dẫn thấp: dẫn tới giảm được trạm lặp , kéo dài được cự ly truyền dẫn, cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền được tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi cùng chi phí xây dựng mạng nên 2. Băng tần truyền dẫn lớn , đáp ứng được thuê bao dịch vụ dải rộng . 3. Sợi quang: được chế tạo từ những nguyên liệu chính là thạch anh hay nhựa tổng hợp nên nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền. Sợi có đường kính nhỏ, trọng lượng nhỏ, không có xuyên âm rất dễ lắp đặt và uốn cong . 4. Dùng cáp sợi quang: rất kinh tế trong cả việc sản xuất cũng như lắp đặt và bảo dưỡng. Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không dẫn điện, không gây chập, cháy. 5. Tín hiệu tuyền trong sợi quang: không chịu ảnh hưởng của nhiễu từ trường bên ngoài (như sóng vô tuyến điện, truyền hình, ảnh hưởng của cáp điện cao thế ...) dẫn đến tính bảo mật thông tin cao, không bị nghe trộm. Nó được sử dụng tại những nơi có nhiễu điện từ mạnh như trong các nhà máy, nàh máy điện…mà không cần phải che chắn điện từ. 6. Một cáp sợi quang: có cùng kích cỡ với cáp kim loại thì có thể chứa được một số lượng lớn lõi sợi quang lớn hơn số lượng kim loại. 7. Sợi quang: có tính bảo mật cao, vì vậy việc đánh cắp thông tin trên sợi quang là rất khó khăn. Tuy nhiên hệ thống thông tin quang có một số hạn chế như: + Khó khăn trong việc ghép nối, + Không sử dụng được trong vùng bị chiếu xạ Chính vì có những ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được sử dụng rộng rãi trên mạng lưới viễn thông của nhiều quốc gia. Chúng được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh. Tại Việt Nam cáp quang đã và đang lắp đặt với tuyến truyền dẫn đường dài liên tỉnh dùng cáp ngầm. Tốc độ các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về , cự ly truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao trong mạng lưới viễn thông. Chương2 SỢI QUANG 2.1. Những ứng dụng của sợi quang Cùng với sự phát triển không ngừng về thông tin viễn thông, hệ thống truyền dẫn quang – truyền tín hiệu trên sợi quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới. Do có nhiều ưu điểm hơn hẳn các hình thức thông tin khác về dung lượng kênh truyền, tính kinh tế,…mà thông tin quang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến xuyên đường trục avf các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại tây dương. Công nghệ nagỳ nay đã tạo ra thông tin quang phát triển và thay đổi theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất. Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ đã làm đơn giản việc tăng chiều dài của toàn tuyến thông tin quang, kết hợp với công nghệ khuếch đại quang ra đời sẽ làm tăng chiều dài gấp đôi hoặc gấp n lần. Chất lượng của tín hiệu thu được trên hệ thống này sẽ được cải thiện một cách đáng kể. Ở nước ta thông tin sợi quang đang ngày cành chiếm vị trí quan trọng, các tuyến cáp quang được hình thành, đặc biệt là tuyến cáp quang Hà Nội – Hồ Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong thông tin toàn quốc. Trong tương lai mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp. Tuyến đường trục cáp quang sẽ được rẽ nhánh tới các tỉnh, huyện, và xây dựng tuyến cáp quang nội hạt. * Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay: Mạng đường trục xuyên quốc gia. Mạng riêng của các công ty đường sắt, điện lực. Đường trung kế Đường cáp thả biển liên quốc gia Đường truyền số liệu, mạng LAN Mạng truyền hình 2.2. Ưu điểm của thông tin sợi quang So với dây kim loại sợi quang có nhiều ưu điểm đáng chú ý là: Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận do đó giảm được số trạm tiếp vận Dải thông rất rộng: có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ Hoàn toàn cách điện không chịu ảnh hưởng của sấm sét Không bị can nhiễu bởi trường điện từ Xuyên âm giữ các sợi dây không đáng kể Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên Dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so với sợi kim loại cùng dung lượng và cự ly. 2.3. Lý thuyết chung về sợi dẫn quang Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánh sáng. Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng vì rất cần thiết để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và nguyên lý của dao động laser. Ba vấn đề sau sẽ là cơ sở lý thuyết cho việc hình thành hệ thống thông tin quang: 1. Phổ của sóng điện từ 2. Chiết suất của môi trường 3. Hiện tượng phản xạ toàn phần 2.3.1. Phổ của sóng điện từ Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem như sóng hoặc hạt (photon). Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng. Đặc trưng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ của nó, tức là một dải tần số của các dao động điện từ hay còn gọi là sóng điện từ được sinh ra, hoặc là dải bước sóng tương ứng. Hai đại lượng tần số và bước sóng tỷ lệ với nhau theo công thức: C(m/s)=l(m).f(Hz) hoặc E(ev) = h.f Trong đó : C là vận tốc ánh sáng trong chân không [ C=3.108 m/s ] H là hằng số Planck [ h=6,25.10-34J/s ] Ánh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ 800nm đến 1600nm. Đặc biệt có ba bước sóng thông dụng là 850nm, 1300nm và 1550nm. Hình 2.1: Các bước sóng trong thông tin quang Hình 2.2. Tần số và bước sóng dùng trong Thông tin quang Ta biết nếu bước sóng càng nhỏ thì tần số càng lớn mà khi tần số càng lớn thì độ suy hao càng lớn. Song qua đặc tuyến suy hao của sợi quang (hình 2-7) và đặc biệt ở bước sóng 1550nm thì độ suy hao là dưới 0,2dB/km. Như vậy là vấn đề suy hao được giải quyết nên ở ba bước sóng đó hiện nay đang được dùng rộng rãi mà đặc biệt là ở bước sóng 1550nm. Cùng đó ta đã khai thác thêm được các vùng tần số khác để mở rộng dải tần số đồng thời khai thác được các ưu điểm của cáp sợi quang. 2.3.2. Chiết suất của môi trường Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy. trong đó : n : Chiết suất của môi trường V : Vận tốc ánh sáng trong môi trường Mà C ³ V nên n ³ 1. Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền cho nó. 2.3.3. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần Cho một tia sáng đơn sắc đi từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường thứ hai có chiết suất n2 (n1<n2) như hình vẽ sau: n1 b 1 n2 n1 2 2 1 aT a P n2 P aT 2 Vùng phản xạ toàn phần a) (b) Hình 2.3. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần Tia tới (tia 1) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai môi trường một góc a, khi sang môi trường thứ hai, tia sáng này bị khúc xạ và hợp với pháp tuyến P ở một góc b. Theo định luật khúc xạ Snelious ta có: n1.sinat = n2.sinb Khi tia tới đạt tới góc a thi tia khúc xạ sẽ chạy song song với mặt phân cách giữa hai môi trường. Tức là góc khúc xạ bt = 900. Suy ra: Sin at = Góc at được gọi là góc tới hạn, độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất giữa hai môi trường và khi tia tới với góc a >at thì tia phản xạ tại mặt phân cách trở lại môi trường 1. Như vậy, điều kiện để xảy ra hiện tượng toàn phần là: - Các tia sáng phải đi từ môi trường chiết quang hơn (n1) sang môi trường kém chiết quang hơn (n2) .Hay là Chiết suất n1 > n2 - Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn. 2.4. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 2.4.1.Nguyên lý truyền dẫn chung Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding) bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1 > n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc. Ta đã biết điều kiện xảy ra hiệ tượng tàn phần là: + Chiết suất n1 > n2 + Góc tới lớn hơn góc tới hạn. Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n1 > n2. Vậy chỉ còn điều kiện là góc tới at phải lớn hơn góc tới hạn ath (at >ath). Nên người ta đưa ra khái niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi. Áp dụng công thức : Snelious để tính N:n0 n2 n1 ath at b n0Sinath=n1.Sinb. (n0=1 : chiết suất của không khí) Þ 1.Sinath=n1.Sinb=n1Cosa1. (Sinb=Sin(900-at)=Cosat) Với gọi là độ lệch chiết suất tương đối Vậy điều kiện để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần ở trong lõi là khi đưa nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở . 2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết được bản chất thực của các quá trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phương trình sóng. Một mode được hiểu là một trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phương trình sóng và số lượng các mode có quan hệ với các sóng điện từ đơn thoả mãn các phương trình Maxwell và điều kiện bờ từ sợi quang. Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode với tổn hao thấp. Mode vỏ với tổn hao cao và các mode rò có đặc tính của cả hai loại mode trên. Dĩ nhiên khi đưa ánh sáng vào sợi quang thì phần lớn năng lượng tập trung trong ruột sợi, còn phần năng lượng rò ra vỏ tạo ra mode vỏ và mode rò bị dập tắt ngay. Người ta chú ý đến các mode được truyền dẫn trong ruột sợi và các mode lan truyền có những đặc tính sau : - Các mode hoàn toàn độc lập với nhau. - Mỗi mode có một tốc độ lan truyền rộng. - Mỗi mode chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng. Thực tế phải tồn tại một bước sóng giới hạn lg sao cho các bước sóng của các mode đều phải tuân theo điều kiện l > lg. Số lượng các mode lan truyền trong sợi quang phụ thuộc vào tỷ số dk/l nên dk lớn hơn l nhiều thì sợi cho vô số mode truyền qua, còn khi dk rất nhỏ thì chỉ có một mode cơ bản được truyền qua (sợi đơn mode). Người ta định nghĩa tham số cấu trúc V hay còn gọi là tần số chuẩn hoá: Với sợi SI, nếu V3,518 ta có sợi đa mode. Để nghiên cứu chính xác người ta phải sử dụng các phương trình truyền sóng. Và các mode lan truyền chính là nghiệm của hệ phương trình truyền sóng. Tuy nhiên việc lập và giải phương trình sóng rất phức tạp nên đơn giản nhất là dùng phương pháp quang hình học xem xét các mode lan truyền trên mặt cắt dọc của sợi. n2 n1 qmax qmax 1 2 3 b) a) 1 3 2 c) Hình 2.4: Các mode lan truyền trong sợi đa mode SI(a), GI(b), và sợi đơn mode(c) Ánh sáng từ nguồn bức xạ phát ra được đưa vào sợi với nhiều góc khác nhau nên sợi chạy theo nhiều đường dích dắc khác nhau (a) hoặc dạng hình sin (b)với chiều dài khác nhau và có một mode chạy song song trục có quãng đường đi ngắn nhất (c). Ánh sáng lan truyền trong lõi phải thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần có nghĩa là ánh sáng đưa vào sợi phải nằm trong một hình nón có nửa góc mở ath Sợi SI có Sợi GI có Mà như ta biết khẩu độ số NA = Sinath Như vậy sợi SI có Giá trị của NA nằm trong giới hạn từ 0,2¸0,37. Còn sợi GI có Độ mở của sợi GI luôn luôn thay đổi tuỳ giá trị đưa ra ánh sáng vào tại tâm lõi có độ mở là lớn nhất, còn ra đến chỗ mặt phân cách lõi thì độ mở bằng 0. Muốn tăng hiệu suất ánh sáng vào sợi cần có độ mở lớn song lý thuyết đã chứng minh là khi tăng độ mở thì xung ánh sáng lan truyền bị tán xạ lớn, băng tần truyền dẫn của sợi bị thu hẹp lại. Theo hình 2-5 ta không thể mô tả đặc trưng của các mode vì thực tế không phải tất cả các tia sáng đi vào lõi trong phạm vi góc mở cho phép đều được lan truyền đến cuối sợi. Do bản thân ánh sáng có tính sóng, giữa các tia có hiện tượng giao thoa. Hai tia sóng sẽ triệt tiêu nhau nếu đỉnh của một sóng gặp bụng của một sóng khác, hoặc hai sóng lệch pha nhau một nửa bước sóng, còn nếu hai bước sóng có đỉnh gặp đỉnh thì sẽ càng tăng cường chạy đến cuối đường sợi mà ta gọi là các mode. Về phương tiện truyền sóng, có thể nói mode được đặc trưng bởi sự phân bố cường độ ánh sáng trên mặt cắt ngang của sợi và được lan truyền với tốc độ xác định. Xa hơn nữa, xét về phương diện truyền dẫn thì mode sẽ trở thành tải tin khi điều biến, như thế trên sợi đơn mode có một tải tin còn trên sợi đa mode thì có rất nhiều tải tin, mỗi tải tin ứng với một bước sóng nhất định. 2.5. Phân loại sợi quang Để phân biệt sợi quang, người ta dựa vào các yếu tố của sợi quang mà phân biệt thành các lại sợi khác nhau. Danh mục Loại sợi Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc Sợi có chỉ số chiết suất Gradien Phân loại theo mode truyền dẫn Sợi đơn mode Sợi đa mode Phân loại theo cấu trúc vật liệu Sợi thuỷ tinh Sợi chất dẻo Sợi thuỷ tinh đa thành phần Phân loại dựa theo các chức năng đặc biệt Sợi lỗ không khí Sợi duy trì phân cực 2.5.1. Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI) 2.5.1.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index): Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau Hình 2.5. Sợi SI (Step-Index) Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc: - Số lượng mode truyền M » V2/2 trong đó V = 2p.a.NA/l - Tán sắc mode trong sợi GI là lớn => ảnh hưởng tới việc mang dung lượng thông tin của sợi. Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiên tượng tán sắc,do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần 2.5.1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index): Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần. Hình 2.6 : Sợi GI ( Građe - Index) Mặt cắt chiết suất: Trong đó :a - bán kính lõi, a là hệ số mặt cắt xác định dạng biến đổi chiết suất trong lõi, a = 2 tơng ứng với mặt cắt parabol. Khẩu độ số: Sợi truyền nhiều mode hoặc và cũng có 2 loại tia: tia kinh tuyến và tia nghiêng hoặc tia xoắn Quỹ đạo các tia lan truyền có dạng đờng cong hình sin do bị đổi hớng liên tục khi truyền trong sợi. Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng lại có vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng lại có vận tốc truyền nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất. Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường parabol thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI. 2.5.2.Các dạng chiết suất khác: Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến , ngoài ra còn có một số dạng chiết suất khác nhằm đấp ứng các yêu cầu đặc biệt: a.Dạng giảm chiết suất lớp bọc: Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm chiết suất lớp bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất D nhưng có chiết suất lõi n1 không cao. b. Dạng dịch độ tán sắc: Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm. Người ta có thể dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình vẽ: c) Dạng san bằng tán sắc: Với mục đích giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng. Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình vẽ: Dạng chiết suất này quá phức tạp nên mới chỉ được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế. 2.5.3. Sợi đa mode và đơn mode 2.5.3.1.Sợi đa mode (MM: Multi Mode): Sợi có thể truyền được nhiều mode (coi mỗi mode là một tia sáng ứng với một góc lan truyền cho phép). Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125mm) là: - Đường kính lõi: d = 2a = 50mm Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125mm Độ chênh lệch chiết suất: D= 0,01 = 1% Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 =1,46 Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần. 125mm n2 n1 n2 n1 125mm Sợi SI - MM Sợi GI - MM 50mm 50mm 2.5.2.2.Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ): Cấu trúc của sợi dẫn quang đơn mode dựa trên cơ sở kích thước của đường kín lõi và sự khác nhau nhỏ về chỉ số chiết suất giữa lõi và vỏ sợi. Kích thước đường kính lõi sợi khoảng vìa bước sóng.Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc. Đặc điểm của sợi đơn mode: - Mặt cắt chiết suất thờng có dạng SI - Kích thớc sợi bé, độ lệch chiết suất nhỏ - Sợi chỉ truyền một mode - Không có tán sắc mode - Để hiểu đặc tính truyền ánh sáng trong sợi đơn mode phải sử dụng lý thuyết truyền sóng - Điều kiện đơn mode V < 2,405 9mm 125mm n1 n2 D=0,3% Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là: Đường kính lõi: d = 2a =9mm ¸ 10mm Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125mm Độ lệch chiết suất: D = 0,003 = 0,3% Chiết suất lõi: n1 = 1,46 Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng l = 1300 nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( ~ 0). Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng. Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao. Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến. 2.6.Các thông số của sợi quang 2.6.1. Suy hao của sợi quang: Công suất trên sợi quang giảm dần theo hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện. Sự thay đổi công suất quang trung bình truyền trong sợi tuân theo định luật Beer Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng: L P1=P0 P2=P(L) Z Trong đó: P0 : công suất ở đầu sợi (z = 0) P(z): công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi a: hệ số suy hao Độ suy hao được tính bởi: Trong đó : P1 = P0 : công suất đưa vào đầu sợi P2 = P(L) : công suất ở cuối sợi Hệ số suy hao trung bình: Trong đó: A: suy hao của sợi L: chiều dài sợi 2.6.2.Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang: Công suất truyền trong sợi bị thất thoát do sự hấp thụ của vật liệu, sự tán xạ ánh sáng và sự khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong. 2.6.2.1. Suy hao do hấp thụ: Gồm 2 loại chính: + Hấp thụ ngoài + Hấp thụ thuần * Hấp thụ ngoài: Do sự có mặt của các ion tạp chất - Sự hấp thụ của các chất kim loại: Các tạp chất trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ ánh sáng. Các tạp chất thường gặp là Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Nikel (ni).v.v.. Mức độ hấp thụ của tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó. Để có sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/Km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9) - Sự hấp thụ của OH: Sự có mặt của các ion OH trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm. Như vậy độ ẩm cũng là một trong nhưng nguyên nhân gây suy hao của sợi quang. Trong quá trình chế tạo nồng độ của các ion OH trong lõi sợi được giữ ở mức dưới một phần tỷ (10-9) để giảm độ hấp thụ của nó. Đỉnh hấp thụ chính (cộng hưởng dao động) tại 2,7 mm và các đỉnh hấp thụ điều hoà và tổ hợp của chúng với thuỷ tinh tại 1.39, 1.24, 0.95 mm. * Hấp thụ thuần: do hấp thụ của thuỷ tinh tạo nên sợi. - Hấp thụ cực tím (l < 0,4 mm): Các photon kích thích điện tử trong dải hoá trị và kích thích kên mức năng lượng cao hơn (Cộng hưởng hay chuyển tiếp điện tử). - Hấp thụ hồng ngoại (l > 7 mm): Do tương tác giữa các liên kết dao động và trường của tín hiệu quang (Cộng hưởng dao động). Do bản chất vô định hình của thuỷ tinh các cộng hưởng này ở dạng các dải hấp thụ có đuôi dài mở rộng vào vùng nhìn thấy. Hấp thụ thuần trong dải 0.8-1.6 mm < 0,1 dB/km. 2.6.2.2.Suy hao do tán xạ: Nguyên nhân: Sinh ra từ: - Sự thay đổi vi mô về mật độ trong vật liệu - Sự thăng giáng thành phần - Các khuyết tật hoặc cấu trúc không đồng nhất trong quá trình sản xuất sợi. Quan trọng: Sự thăng giáng mật độ dẫn đến các thăng giáng ngẫu nhiên của chiết suất n cỡ < bớc sóng l Þ Tán xạ Rayleigh * Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ bọc không hoàn hảo: -Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc tia sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau, những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp vỏ bọc và bị suy hao dần. * Tán xạ Raylegh: a(dB/Km) 600 1200 1400 1600 800 1000 1 0 4 3 2 l(nm) -Xuất hiện do ảnh hưởng của những chỗ không đồng nhất còn xót lại trong giai đoạn làm nguội sợi hay những chỗ hàn nối sợi quang không chuẩn. Kích thước của các chỗ không đồng nhất còn nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Vùng hồng ngoại nhiều nên khi bước sóng tăng thì tiêu hao này giảm nhỏ rất nhanh, tỷ lệ nghịch với số mũ bậc 4 của bước sóng Và tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng nên giảm nhanh về phía bước sóng dài. Hình 2.7: Suy hao do tán xạ reyleigh Hệ số suy hao: Trong đó hằng số C nằm trong phạm vi 0,7-0,9 (dB/km)-mm aR = 0.12 - 0,16 dB/km tại 1,55 mm 2.6.2.3.Suy hao do sợi bị uốn cong Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu). Khi bất kỳ một sợi dẫn quang nào bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và gây ra suy hao. Có 2 loại suy hao do uốn cong sợi: + Uốn cong vĩ mô + uốn cong vi mô * Uốn cong vĩ mô: Là uốn công có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi. - Khi bán kính R giảm dần thì suy hao tăng theo hàm mũ. - Ở sợi đa mode: Số lượng mode truyền dẫn trong sợi bị uốn cong nhỏ hơn sợi thẳng. Số lượng mode hiệu dụng: * Uốn cong vi mô: Là sợi bị uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên - Do quá trình sản xuất sợi quang và chế tạo cáp sợi quang tạo lực nén không đều lên bề mặt. - Để giảm suy hao vi uốn cong bọc thêm lớp đệm chịu nén bằng polyme. - Đối với sợi SM chọn tham số V sát với giá trị cắt V = 2,0 - 2,4 2.6.2.4.Một số suy hao khác - Suy hao do sự không hoàn hảo cấu trúc sợi quang - Suy hao do hàn nối - Suy hao trong môi trờng hidrogen và chiếu xạ gamma 2.6.2.5. Đặc tuyến suy hao Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo bước sóng người ta nhận được phổ của sợi. Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao riêng. Một đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode như hình 2.8 Nhìn vào hình 2.8 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi là ba cửa sổ suy hao. Hình 2.8: Cửa sổ suy hao (phổ suy hao) của sợi quang * Cửa sổ thứ nhất: Ở bước sóng 850nm, suy hao trung bình ở mức từ (2-3)dB/Km, được dùng cho giai đoạn đầu. * Cửa sổ thứ hai : Ở bước sóng 1300nm. Suy hao tương đối thấp khoảng từ (0,4¸0,5) dB/Km, ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên được dùng rộng rãi hiện nay. * Cửa sổ thứ ba : Ở bước sóng 1550nm. Suy hao thấp nhất cho đến nay khoảng 0,2 dB/Km, với sợi quang bình thường độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn so với bước sóng 1300nm. Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm. Lúc đó sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ có lợi : Suy hao thấp và tán sắc nhỏ. Bước sóng 1550nm sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai. Hấp thụ điện tử Hấp thụ vật liệu Hấp thụ do tạp chất Hình 2.9: Đặc tuyến suy hao 2.6.3.Tán sắc (Dispersion). Khi truyền dẫn các tín hiệu Digital quang, xuất hiện hiện tượng giãn xung ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên nhau. Khi đó không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây nên méo tín hiệu khi tái sinh. Hiện tượng giãn xung này gọi là hiện tượng tán sắc. Đối với tín hiệu Analog thì ảnh hưởng của tán sắc làm biên độ tín hiệu ở đầu thu giảm nhỏ và có tín hiệu dịch pha. 0 tS tE t P AS E t P 0 Hình 2.10. Ảnh hưởng tán sắc lên tín hiệu digital(a) và analog(b). S chỉ tín hiệu phát, A chỉ tín hiệu thu. a: Dẫn xung, b: xụt biên độ. Hậu quả của tán sắc là làm hạn chế biên độ rộng băng truyền dẫn của sợi bởi vì để thu được chính xác các xung thì phải chờ khi xung thứ nhất kết thúc, xung thứ hai mới đến. Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãn rộng đè lên nhau dẫn tới thu sai. Ta thử xem xét ví dụ ở hình trên coi các xung phát và thu có dạng phân bố Gauss gần đúng, xung 1 là xung phát, xung 2 là xung thu. Độ rộng xung ở giá trị biên độ 0,5 (mức 3dB) là ts,te Độ giãn xung là Xung phân bố Gauss có phân bố biên độ là : Sau khi truyền qua sợi quang. Coi gần đúng như một bộ lọc thông thấp Gauss tại mức suy hao 3 dB, độ rộng băng truyền dẫn B có quan hệ với t như sau: Khi đồng thời có nhiều hiệu ứng tán sắc tác động thì tán sắc tổng cộng là: Người ta cũng định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang là tốc độ bit có thể truyền dẫn lớn nhất C bit/s Do ảnh hưởng của tán sắc, các xung ở đầu vào máy thu bị giãn rộng, nhưng hai xung kề nhau còn phân biệt được khi độ giãn xung t còn nhỏ hơn độ rộng xung phát đi từ đó có tốc độ bit là: C=1/ts=1/t=2,26.B=2.B Như vậy độ giãn xung, độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bit C có quan hệ ảnh hưởng lẫn nhau. Để truyền dẫn 2 bit/s thì về lý thuyết có độ rộng bằng khoảng 1 HZ nhưng trên thực tế cần 1,6HZ cho nên ta có thể nói rằng tốc độ bit/s lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn. Từ đó, để sợi cho phép truyền được các luồng bit tốc độ cao hay là có băng tần rộng cần phải giảm ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến mức thấp nhất thông qua chọn loại sợi hoặc chọn các tham số cấu trúc tối ưu của sợi. 2.6.4. Các nguyên nhân gây ra tán sắc. 2.6.4.1.Tán sắc mode (Mode Despersion) Nguyên nhân: - Sợi truyền nhiều mode - Mỗi mode truyền có vận tốc nhóm khác nhau (mỗi mode có hằng số lan truyền khác nhau) Þ Lệch thời gian truyền gây ra tán sắc mode. Độ tán sắc của mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi đa mode thông qua số mũ g trong biểu thức hàm chiết suất. Tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode. Vì phạm vi có hạn nên ở đây chỉ đưa ra công thức đã tính toán về tán sắc mode : Với chiều dài sợi quang là L, chiết suất n1, n2 ; Giá sử có hai tia đi vào sợi quang, tia thứ nhất đi đoạn đường dài hơn, tia thứ hai đi đoạn đường ngắn hơn, ta có: Trong đó: t1: Thời gian truyền tia thứ nhất t2: Thời gian truyền tia thứ hai. Thời gian chênh lệch giữa hai đường truyền Dt là: với Độ trải xung do tán sắc mode dmat là: Độ tán sắc mode là : . + Đối với sợi MM – SI: Độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode bậc thấp nhất) và tia dài nhất (mode bậc cao nhất) + Đối với sợi MM – GI: - Các tia có quãng đường ngắn lan truyền với vận tốc chậm và ngược lại. - Sợi GI có một mặt cắt chiết suất tối ưu ở đó độ trễ thời gian là nhỏ nhất. - Độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode bậc thấp nhất) và tia dài nhất (mode bậc cao nhất). a ¹ aopt a = aopt 2.6.4.2.Tán sắc vật liệu . Nguyên nhân: - Chiết suất thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền sóng của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau - Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định. - Tộc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất là hàm của bớc sóng) Þ Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu Về mặt vật lý, tán sắc vật liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang, đơn vị của độ tán sắc do chất liệu M là ps/nm.Km. + Hệ số tán sắc: + Ta có: ps/(nm.km) + Độ dãn xung vì nguồn có độ rộng phổ lD do tán sắc vật liệu là tD = DM.lD.L + Chiết suất nhóm: + Sự phụ thuộc chiết suất vào bớc sóng hay tần số quang có thể được tính bằng phương trình Sellmeier: wi: chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi Bi: cường độ dao động Hình 2.11: Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi ở sợi thuỷ tinh Ởbước sóng 850nm độ tán sắc vật liệu khoảng (90¸120) ps/nm.Km, ở bước sóng 1300nm độ tán sắc vật liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng nhưng ngược dấu lên tán sắc sắc thể bằng không. Còn ở bước sóng 1550nm độ tán sắc này khoảng 20 ps/nm.Km. 2.6.4.3. Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng: Nguyên nhân: - Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng. - Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định. - Do hằng số lan truyền lan là hàm của a/l nên vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau Þ Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng. +Hệ số tán sắc ống dẫn sóng: * dV/d l = -V/l * Độ dãn xung vì nguồn có độ rộng phổ Dl do tán sắc ống dẫn sóng là: Dt = Dw.Dl.L Hình 2.12: Tham số b và các vi phân của nó Tán sắc do ống dẫn sóng nhỏ và chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode. 2.6.4.4..Độ tán sắc tổng cộng Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức với Dchr=Dmat+Dwg Trong đó: Dchr: Độ tán sắc thể Dwg: Độ tán sắc ống dẫn sóng. - Trong sợi đơn mode, hệ số tán sắc sắc thể: D = DM + DW - Sợi đơn mode thông thờng: D = 0 tại l » 1310 nm, D = 15-18 ps/(nm.km) tại l = 1550 nm DM: Tán sắc vật liệu DW: Tán sắc ống dẫn sóng D: Tán sắc tổng DR: Tán sắc dư (nhỏ) DP: Tán sắc do mặt cắt gây ra (nhỏ) DR DP Hình 2.13: Tán sắc tổng và các tán sắc thành phần 2.6.4.5. Tán sắc bậc cao Nguyên nhân: Do D ¹ 0 trong dải bớc sóng nằm trong phổ xung quang quanh lZD. Đặc trưng bởi độ dốc tán sắc: S = dD/d l hoặc Trong đó: 2.6.4.6.Tán sắc mode phân cực Nguyên nhân: - Sợi đơn mode có hai mode phân cực trực giao - Do sợi thực tế không hoàn hảo nên mỗi mode có chỉ số mode khác nhau (birefringence) * Độ lệch chỉ số mode - Xung quang truyền trong sợi một phần năng lợng mang bởi một trạng thái phân cực (trục nhanh), phần khác mang bởi trạng thái khác (trục chậm) Þ tán sắc mode phân cực (PMD). Độ trễ thời gian: - Ở đây các chỉ số phụ x và y dùng để phân biệt 2 mode phân cực trực giao với nhau. - Đối với những sợi quang dài người ta tiến hành ghép các cặp mode nhằm làm cân bằng thời gian truyền và giảm phân cực mode (PMD) Quá trình ghép cặp mode thay đổi theo môi trờng sợi quang, độ dài ghép cặp mode biến đổi theo chiều dài sợi Þ Giá trị PMD tức thời là một biến ngẫu nhiên. - Hệ số PMD: DPMD có đơn vị ps/km1/2 - Nhiều cặp ghép mode sẽ tương ứng với một giá trị PMD hiệu dụng 2.6.4.7.Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt. Khi thay đổi tán sắc ống dẫn sóng DW dẫn tới D thay đổi => hình thành nên các sợi quang mới như: - Sợi tán sắc phẳng - Sợi dịch tán sắc - Sợi bù tán sắc a.Sợi dịch tán sắc. Vì độ suy hao ở mức sóng 1550 nm chỉ bằng phân nửa so với suy hao ở bước sóng 1300 nm nên ở tuyến cáp quang đường dài hay sử dụng bước sóng này, nhưng độ tán sắc ở bước sóng 1550 nm lại lớn. Để giải toả trở ngại này người ta làm theo hai cách: - Giảm độ rộng phổ của nguồn quang để giảm tán sắc chất liệu Dmar = Dmar.Dl. - Dịch điểm có tán sắc bằng 0 đến bước sóng 1550 nm. Để có sợi dịch tán sắc thì chất liệu và tán sắc ống dẫn sóng triệt tiêu nhau ở bước sóng 1550 nm ( hình 2-9). Hình 2.14: Tán sắc thể của các loại sợi b. Sợi san bằng tán sắc Dung lượng của sợi quang có thể được nới rộng bằng cách ghép hai hay nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang (WDM). Cần một sợi quang có độ tán sắc nhỏ trong khoảng một bước sóng. Sợi như vậy gọi là sợi san bằng tán sắc và sự biến thiên tán sắc theo bước sóng như hình (2-9). 2.6.5.Dải thông của sợi quang Sợi quang được xem như hàm truyền đạt: P1(fm) và P2(fm) là biên độ công suất ở đầu và cuối sợi quang với tần số điều chế fm. Khi fm = hz tức là có điều chế thì hàm truyền đạt biểu diễn dạng chuẩn hoá: Đường biểu diễn của hàm truyền đạt như hình 2.15 Tần số điều chế mà tại đó biên độ của hàm truyền đạt bằng ẵ được gọi là dải thông B của sợi quang. Như vậy dải thông B là tần số điều chế mà tại đó công suất quang giảm đi 50% (hay 3dB). 1 1 0,5 0 B fm Hình 2.15: Hàm truyền đạt của sợi quang Dải thông của sợi quang tỷ lệ nghịch với độ tán sắc tổng cộng và được tính theo công thức: Để tính được dải thông chung của sợi quang ta sử dụng thông số B1 là dải thông ứng với một đơn vị độ dài (thường là 1km). Thừa số y có giá trị từ 0,5 đến 1 phụ thuộc vào chiều dài của sợi thường y = 0,6¸0,8 2.6.6. Bước sóng cắt Mỗi mode LP có một bước sóng truyền khác nhau, khi thừa số cắt Vc có: Vcn > V thì mode đó mới được truyền. Trong sợi đơn mode (chỉ có một mode là LP01) thì bước sóng cắt lc1 là bước sóng ngắn nhất mà sợi làm việc. Để tiện ta ký hiệu lc là lc1. V¥ Vùng đơn mode Vùng đa mode Mode LP01 LP12 Mode LP01 LP12 Mode LP01 , LP11 LP12 , LP21 ¥ l lC1 lC2 0 0 VC2 VC1=2.405 Sự phân chia vùng đơn mode và đa mode ở hình 2-11. Hình 2.16: Vùng đa mode và đơn mode Trên thực tế bước sóng cắt còn phụ thuộc vào chiều dài sợi và độ uốn cong của sợi quang. Sợi càng dài và độ uốn cong càng nhỏ thì lc càng nhỏ và ngược lại. 2.6.7. Đường kính trường mode (MFD:Mode Field Diameter) Khi sự phân tích suy hao của các mối nối và điều kiện phóng ánh sáng vào sợi thì sự phân bố trường là rất quan trọng. Năng lượng ánh sáng thể hiện qua năng lượng trường bức xạ F(r) không chỉ tập trung trong lõi mà một phần truyền ngoài lớp bọc. Sự phân bố trường như hình 2-12: Bán kính trường mode P là bán kính tại đó biên độ giảm đi 1/e lần (e = 2,718… nên 1/e »0,37 = 37%). Đường kính trường mode 2P phụ thuộc vào l, nếu l dài thì đường kính trường mode càng tăng. Đối với sợi SI - SM thì đường kính trường mode hơi lớn hơn đường kính lõi và tính theo công thức gần đúng sau 2.7.Cấu trúc sợi quang 2.7.1. Cấu trúc của sợi quang Thành phần chính của sợi quang gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding). Trong viễn thông dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thuỷ tinh. Lõi để dẫn ánh sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc. 250mm 125mm lớp vỏ Lớp phủ lớpbọc 0,9 ( 2mm) Lõi 10 (50)mm Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài sợi quang còn được bọc thêm một vài lớp nữa: Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primary coating) Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating) 2.7.1.1.Lớp phủ. Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang: Chống lại sự xâm nhập của hơi nước. Tránh sự trầy sướt gây nên những vết nứt Giảm ảnh hưởng vì uốn cong Lớp phủ được bọc ngay trong quá trình kéo sợi. Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng truyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ra phân cách giữa lớp bọc và lớp phủ. Lớp phủ có thể được nhuộm mầu hoặc có thêm vòng đánh dấu, khi hàn nối sợi hoặc ghép ánh sáng vào sợi nhất thiết phải tẩy sạch lớp phủ. Độ đồng nhất, bề dày và độ đồng tâm của lớp phủ có ảnh hưởng đến chất lượng của sợi quang. 2.7.1.2.Lớp vỏ. Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học và sự thay đổỉ nhiệt độ, cho đến nay lớp vỏ có các dạng chính sau: Dạng ống đệm lỏng (Loose buffer) Dạng đệm khít (tight buffer) Dạng băng dẹt (Ribbon) Mỗi dạng có những ưu nhược diểm khác nhau do đó được sử dụng trong từng điều kiện khác nhau. Dạng ống đệm lỏng: 1,2 ¸ 2mm sợi quang lớp phủ ốngđệm chất nhồi Sợi quang (đã bọc lớp phủ) được đặt trong một ống đệm có đường kính lớn hơn đường kích thước sợi quang. - Ống đệm lỏng thường gồm hai lớp, lớp trong có hệ số ma sát nhỏ để sợi quang di chuyển tự do khi cáp bị kéo căng hoặc co lại, lớp ngoài bảo vệ sợi quang trước ảnh hưởng của lực cơ học. Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống đệm lỏng không cần chất nhồi nhưng với cáp ngoài trời thì phải bơm thêm chất nhồi có các tính chất sau: - Có tác dụng ngăn ẩm - Có tính nhớt không tác dụng hoá học với các thành phần khác của cáp - Dễ tẩy sạch khi cần hàn nối - Khó cháy. Cấu trúc ống đệm lỏng có nhiều ưu điểm nên được dùng trong các đường truyền dẫn cần chất lượng cao, trong điều kiện môi trường thay đổi nhiều. Dạng đệm khít: Một cách đơn giản để bảo vệ sợi quang dưới tác dụng của nhiều điều kiện bên ngoài là bọc một lớp vỏ ôm sát lớp phủ. Phương pháp này làm giảm đường kính của lớp vỏ do đó giảm kích thước và trọng lượng của cáp, song sợi quang lại chịu ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bị kéo căng để giảm ảnh hưởng này người ta chèn thêm một lớp đệm mềm ở giữa lớp phủ và lớp vỏ. Hình thức này được gọi là cấu trúc đệm tổng hợp. Sợi quang có vỏ đệm khít và đệm tổng hợp thường được dùng làm cáp đặt trong nhà, làm dây nhảy để đấu nối các trạm đầu cuối... Sợi quang Lớp phủ Lớp đệm mềm Lớp vỏ 0,9mm Sợi quang lớp phủ lớp đệm mềm lớp vỏ 0,9mm c) Dạng băng dẹt: Cấu trúc băng dẹt cung là một dạng vỏ đệm khít nhưng bọc nhiều sợi quang thay vì một sợi. Số sợi trong băng có thể lên đến 12, bề rộng của mỗi băng tuỳ thuộc vào số sợi trong băng. Nhược điểm của cấu trúc này giống như cấu trúc đệm khít, tức là sợi quang chịu ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bị kéo căng. băng 4 sợi băng 8 sợi 2.7.2. Yêu cầu đối với sợi quang Cũng giống như trong cáp thông tin điện, các sợi quang được chế tạo xong chưa được đem sử dụng ngay, mà được dùng để sản suất cáp. Sợi quang cần đáp ứng được các yêu cầu ngặt nghèo sau: Về cơ: bền vững, không bị đứt gãy dưới tác dụng của lực kéo, lực cắt ngang và lực uốn cong. Không bị dãn nở quá lớn do tác động của lực kéo thường xuyên. Tốc độ lão hoá chậm. Đặc tính cơ học của sợi quang được quyết định bởi vật liệu chế tạo sợi và bởi lớp vật liệu bên ngoài. Nếu do tác động của lực kéo và lực uốn cong mà sợi bị đứt thì có thể do nhiều nguyên nhân, người ta chia ra ba loại sau: Đứt do lực kéo lớn, khoảng > 40 N (Newton), nguyên nhân có thể do cấu trúc của thạc anh hoặc trên bề mặt sợi có đôi chỗ bị rạn nhỏ. Đứt do lực kéo trung bình, khoảng từ 15 đến 40 N, thường do các tạp chất nằm trong lớp vỏ sợi, gây nên các chỗ khuyết tật. Đứt do lực kéo yếu, dưới 15 N, thường do các khuyết tật trên bề mặt, do các bọt khí, do có tạp chất trong lớp bảo vệ, do phủ lớp bảo vệ kém. Khi quấn sợi để tạo thành cáp sẽ xuất hiện các lực kéo độ vài Newton, nếu sợi rơi vào trường hợp thứ 3 như trên thì rất nguy hiểm. Vì vậy, để đảm bảo bản chế tạo cáp chắc chắn, và để trong quá trình thử nghiệm cáp vẫn bền vững thì sợi phải chịu được lực kéo khoảng 4 – 5 N trong 1 giây. Nếu sợi được phủ là lớp nhựa bảo vệ Acrylat một sợi phải chịu được lực thử là 50 N. Khi đó mới có khả năng kéo được các sợi dài đến 10Km. Về đặc tính truyền dẫn ánh sáng: Vật liệu phải có tính tinh khiết, không có tạp chất. Cấu tạo vỏ và ruột đều đặn, không có chỗ khuyết tật để tránh làm tán xạ ánh sáng, sinh thêm tiêu hao phụ và méo xung tín hiệu. Đặc tính truyền dẫn ánh sáng của sợi được quyết định bởi kích thước của ruột sợi, bởi chiết suất trong ruột và vỏ sợi và bởi độ đồng đều của chiết suất, tức là phụ thuộc vào công nghệ và kỹ thuật chế tạo sợi. 2.8. Các phương 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 được cấu tạo từ các vật liệu phù hợp với bản chất truyền tín hiệu của chúng. Như vậy, trong qúa trình chọn vật liệu sợi quang cần phải thoả mãn yêu cầu sau: - Vật liệu phải đảm bảo tạo được các sợi dẫn quang dài, mảnh và mềm dẻo - Vật liệu phải đảm bảo trong suốt tại các bước 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 tương 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 được dùng hơn vì suy hao của nó thường là lớn hơn các sợi thuỷ tinh. Nó chỉ được dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp, và những nơi có tác động cơ học mạnh, ít quan tâm tới chất lượng truyền dẫn, thực chất thì sợi chất dẻo đôi khi bị lạm dụng trong các trường hợp sử dụng. 2.8.2.Các phương pháp chế tạo sợi quang Có hai phương pháp chế tạo sợi quang: Phương pháp thứ nhất: là vật liệu làm ruột và làm vỏ được đưa vào lò nấu chảy rồi cho kéo chảy ra ngoài thành dạng sợi Phương 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 thước hình học và dạng của đường 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 được phủ lớp bảo vệ luôn, để sau khi nguội đã có lớp bảo vệ hoàn chỉnh và đồng đều 2.8.3.Các phương pháp chế tạo phôi sợi 2.8.3.1.Phương pháp thanh ống cổ điển Phương pháp này được sủ dụng vào thời kỳ đầu thử nghiệm chế tạo sợi quang có tiêu hao bé. Sử dụng một thanh thủy tinh hoặc thanh thạch anh, dự kiến làm vật liệu ruột sợi luồn vào một ống thủy tinh có chiết suất bé hơn định để làm vỏ sợi. Đường kính ngoài của thanh phải rất khít với đường kính trong của ống, không cũn khe hở cho khụng khớ lọt vào. Phương pháp này chỉ để chế tạo sợi đa mốt SI Phương pháp này có nhược điểm là nếu trên bề mặt phân cách của vỏ và ruột phôi có khuyết tật, không đồng đều hoặc không tinh khiết thỡ khi kộo thành sợi vẫn cũn lại cỏc khuyết tật đó, gây nên tổn hao tán xạ lớn. 2.8.3.2.Phương pháp nồi nấu đôi (Double Orucible) Hỡnh 2.17. Phương phỏp nấu nồi đụi Dùng phương pháp này để chế tạo ra sợi chứ không để chế phụi. *Ưu điểm: Tránh được cỏc chỗ khuyết tật trờn lớp phõn cỏch- ruột sợi mà phương pháp thanh ống gặp phải Trờn hỡnh vẽ giới thiệu tổng quát phương pháp 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 đôi này có 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 nóng được kộo qua bề phủ chất bảo vệ trước khi được cuốn thành cuộn. Dùng phương pháp này có 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 có đường kớnh rất bộ thỡ phương pháp này chưa thực hiện được. 2.8.3.3.Phương pháp đọng hơi hóa chất Các phương pháp chế tạo sợi quang hiện đại đều cú chung một nguyờn lý cơ bản là dung phương pháp đọng hơi để chế tọa phôi, sau đó kéo thành sợi tức là chế tạo phụi sợi từ thể hơi. Yêu 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 đúng giá trị như của loại sợi định chế tạo. Đây chính là một thành cụng của cụng nghệ mới. Như thế cú thể chế tạo được sợi dưới dạng thô sau đó kéo 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 pháp đọng hơi hóa chất xuất hiện một số phương pháp dẫn xuất khác nhau, nhưng đếu khụng chệch khỏi nguyờn lý cơ bản này. 2.8.3.3.1.Phương pháp đọng hơi hóa chất: (chemical vapour deposition- CVD) Sơ đồ của phương pháp này cho trên hỡnh 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 đó 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 ữ 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 đó nung chảy ống để ống co lại thành một phụi đặc. 2.8.3.3.2.Phương pháp đọng hơi hóa chất nhờ Plasma (Plasma chemical vapour Deposition- PCVD) Khỏi quỏt về phương pháp này như hỡnh vẽ: Hỡnh 2.19: Phương phỏp PCVD tạo phụi Cũng là phương pháp đọng hơi hóa chất bờn trong. Cỏc nguyờn liệu ở thể hơi do một hệ thống cung cấp vào ống thủy tinh đặt trong lũ nung ở . 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 đó ống này được nung chảy ở để tạo thành phôi đặc. 2.8.3.3.3.Phương pháp đọng hơi hóa chất bờn ngoài ( Outside Chemical Vapour Deposition- OCVD) Phương pháp này được hóng Corning Glas (Mỹ) phỏt triển. Hai phương pháp trên là phương pháp đọng hơi bên trong lũng ống thủy tinh. Trong phương pháp này ống thủy tinh được thay bằng một thanh thủy tinh. Cho cỏc vật liệu đọng hơi ở xung quanh thanh cũng theo phương pháp trên. 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 để có phôi đặc. Theo phương pháp này có thể tạo ra được phụi khỏ lớn để kéo được sợi quang dài hàng chục kilomet. 2.8.3.3.4.Phương pháp đọng hơi hóa chất theo trục ( Vapour Axial Deposition- VAD) - Đây là một phương pháp rất tốt được phỏt triển ở Nhật Bản và luôn 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 phôi. Điều chỉnh hàm lượng cỏc chất phụ gia để cú chiết suất để cú chiết suất yờu cầu. Sau đó kéo phôi này qua lũ nung để tạo kích thước hỡnh học đều cho phụi sợi. Ưu điểm của phương pháp này là có tốc độ đọng hơi lớn và hiệu suất sử dụng nguyờn liệu cao tới 60- 80℅. Theo phương pháp này người ta chế được sợi có độ rộng băng truyền dẫn rất lớn 2.8.4.Quỏ trỡnh kộo sợi Nguyờn lý của quỏ trỡnh kộo sợi từ phôi được mụ tả trờn hỡnh vẽ: Hỡnh 2.20. Nguyờn lý của quỏ trỡnh kộo sợi từ phụi Sợi kộo ra từ lũ nung cú đường kính ngoài đúng yêu cầu. Để có kích 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 tím giúp cho đạt được tốc độ kộo sợi rất lớn. 2.8.5. Nguyên tắc tạo ra sợi quang mới Khi phân tích các loại sợi quang ta thấy rằng sợi đơn mode có suy hao nhỏ và có băng tần lớn. Điều đó khẳng định vai trò và năng lực của nó trong mạng viễn thông hiện tại và tương lai. Tuy nhiên, để nâng cao khả năng sử dụng sợi đơn mode thông thường người ta tiếp tục thay đổi một số tham số cấu trúc của loại sợi này. Nhờ tối ưu hoá thiết kế sợi đơn mode công nghệ quang sợi đã cho ra đời các loại sợi mới có suy hao rất nhỏ, chất lượng truyền dẫn tốt hơn, tích băng tần cự ly lớn và tuổi thọ cao sẽ đáp ứng được các hệ thống thông tin quang tiên tiến. Đối với các hệ thống thông tin quang có cự ly và dung lượng lớn thì yếu tố là các hiệu ứng phi tuyến, suy hao và tán sắc sợi. Trong truyền dẫn đơn mode, suy hao của sợi đạt giá trị nhỏ nhất ở vùng bước sóng 1550nm nhưng tán sắc có giá trị thấp nhất tại vùng 1300nm. Nếu cả hai yếu tố suy hao và tán sắc đều đạt giá trị tối ưu thì sẽ có được tuyến thông tin cự ly truyền dẫn xa và tốc độ lớn. Tán sắc trong sợi đơn mode chủ yếu là tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng. Tán sắc vật liệu thường khod thay đổi, tuy nhiên có thể thay đổi tán sắc dẫn sóng bằng cách sửa đổi mặt cắt chỉ số chiết suất phân bậc đơn giản ở lõi sợi thành mặt cắt chỉ số chiêt suất phức tạp hơn để cho ra được giá trị tán sắc mong muốn. 2.9. Hàn nối sợi quang 2.9.1. Yêu cầu kỹ thuật Trong kỹ thuật thông tin quang, các sợi quang của các loại cáp quang phải được hàn nối với nhau, hoặc các sợi quang phải được nối vào các linh kiện phát hoặc thu quang. Việc nối không tốt sẽ gây nên tổn thất tín hiệu quang tại chỗ hàn nối. Yêu cầu của hàn nối phải đạt tổn thất quang càng bé càng tốt. Nhưng vì đường kính của sợi quang rất bé, nhất là ánh sáng chỉ được lan truyền trong lõi sợi quang, do đó rất khó phối hợp. Trong thực tế các đầu sợi quang khó lòng khớp sít vào nhau nên không tránh khỏi bị suy hao. 2.9.2.Các phương pháp hàn nối sợi quang Trong phần này ta không đề cập đến việc đấu nối sợi quang với các linh kiện thu, phát quang. Khi chế tạo các linh kiện này thì các nhà chế tạo đã chế sẵn thành các Môđun với đầu sợi quang thò ra ngoài phần sợi quang của Môđun thu, phát này được nối với sợi quang bên ngoài nhờ các bộ con-nec-to tháo lắp được, giống các bộ con-nec-to trong kỹ thuật điện tử thông thường. Để hàn nối hai sợi quang với nhau người ta nghiên cứu phương pháp sau: - Dùng bộ nối tháo rời được và không tháo rời được. - Hàn nối bằng sợi keo dính và bằng hồ quang điện. Phương pháp dùng các bộ đấu nối thường đạt độ chính xác không cao, nên hay sử dụng cho các loại sợi có tốc độ truyền dẫn thấp, cự ly gần như trong nhà, trong máy bay hay tàu thuỷ…. Phương pháp hàn nối thì hai sợi dẫn quang được nối với nhau một cách chắc chắn cố định, có độ chính xác cao. Trong hướng này có hai phương pháp chính là nối bằng keo dính và hồ quang. 2.9.2.1. Phương pháp dùng keo dính Cách này thực hiện hoàn toàn bằng nhân công, không có sự giám sát, điều chỉnh nên độ chính xác không cao và chỉ có thể áp dụng để nối sợi đa mode có đương kính ruột lớn, ở đây không trình bày cụ thể và điều kiện không cho phép. Hình 2.18.Hàn sợi bằng keo dính 2.9.2.2.Phương pháp dùng hồ quang. Được thực hiện nhờ các máy hàn. Hồ quang được tạo ra nhờ các tia lửa điện phóng điện. Nguyên lý của phương pháp này như ở hình 2 -13. các bước tiến hành như sau: 1- Dùng hoá chất để tách và tẩy sạch lớp vỏ bảo vệ hai đầu sợi cầu nối. 2- Kẹp hai đầu sợi lên bộ gá (hình a). 3- Điều chỉnh cho hai sợi lại gần nhau, khoảng cách giữa chúng khoảng 10% đường kính sợi quang. Có thể cho tia hồ quang làm sạch từng đầu sợi riêng rẽ trước khi cho chũng lại gần nhau. Quá trình này được quan sát nhờ kính hiển vi hoặc kính lúp, nhờ bộ phận gương lắp gần theo có thể quan sát được cả chiều ngang và chiều đứng, để sao cho hai đầu sợi quang hoàn toàn đồng trục và đồng tâm với nhau (hình b) 4- Đóng mạch tia lửa điện, hai đầu sợi nóng chảy và sau vài giây dính chặt vào nhau. Quá trình sảy ra tự động, thời gian tính toán là phù hợp với sợi và kích thước của sợi (hình c). 5- Kiểm tra mối nối (mối nối tốt như một sợi bình thường tại chỗ nối), nếu có khuyết tật thì phải hàn lại. Một nối hàn tốt nếu nhìn thấy đềuđặn như một đoạn sợi bình thường (hình d). 6- Gia cố cơ học để bảo vệ mối nối. Một phương pháp hay dùng hiện nay là dùng một ống bọc nhựa co nóng, có đệm đoạn vật liệu gia cường (hình e). (a) (b) (c) (d) (e) Ngày nay các nhà máy hàn đã được thiết kế hiện đại, việc làm này được thực hiện hoàn toàn tự động để tăng chất lượng. Hình 2.19: Phương pháp hàn nối bằng hồ quang Việc hàn nối nhờ hoàn toàn tự động nên tiêu hao tại các mối nối rất nhỏ, với sợi đa mốt tiêu hao các mối nối trung bình là 0,038 dB, còn với sợi đơn mode thì là 0,5 dB. Trong thực tế, độ suy hao đạt khoảng 0,1 dB là chấp nhận được. 10 10 10 10 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Số mối hàn(n) Suy hao (dB) 0 Hình 2.20: Đồ thị suy hao thực tế mối hàn Furukawa – SI 475 2.9.3.Bảo vệ mối nối Khi nối các sợi quang đã được tách ra, không còn các lớp bảo vệ của vỏ cáp vì vậy người ta dùng các hộp bảo vệ chỗ nối. Có nhiều loại hộp bảo vệ, có loại để trong nhà, có loại để ngoài trời, có loại chôn trực tiếp, tuỳ theo điều kiện môi trường và mục đích sử dụng ta chọn cho thích hợp. Hình 2.21. ống mang sông bảo vệ mối nối Hình2.22.Mối nối được kẹp chặt và bảo vệ Chương 3 CÁP QUANG 3.1. Tổng quan 3.1.1. Đặc điểm, yêu cầu đối với cáp quang Cũng như cáp kim loại, cáp quang cũng có các yêu cầu, đặc điểm cần phải đáp ứng. Trước hết, có lớp vỏ bao bên ngoài để bảo vệ sợi cáp quang khỏi ảnh hưởng của môi trường như côn trùng, độ ẩm hoặc các lực cơ học tác động. Cáp cần phải đáp ứng các yêu cầu sau: - Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. - Không thấm nước, lọt nước. - Chống được các ảnh hưởng của các tác động cơ học như va chạm, lực kéo, nén, lực uấn cong… - Ổn định khi nhiệt độ thay đổi, nhất là khi ở nhiệt độ rất thấp có tác động co ngót sợi. - Ít bị bão hoà, có thời gian làm việc lâu. - Trọng lượng nhỏ và kích thước bé. 3.1.2. Khả năng của sợi và cáp quang Để đáp ứng được những yêu cầu trên thì sợi và cáp quang phải đáp ứng được những yêu cầu rất ngặt nghèo, vừa đảm bảo được bền vững cơ học, vừa đảm bảo được đặc tính truyền dẫn. Nếu xét trong một chừng mực nào đó thì cáp quang thể hiện tính ưu việt so với cáp kim loại như: Sợi quang là vật liệu cách điện nên hoàn toàn không nhạy cảm với nhiễu điện từ, do đó trong cáp không cần có lớp bao che điện từ như đối với cáp kim loại. Sợi quang là rất nhỏ, tốn ít nguyên liệu. Nếu xét trong cùng một khoảng thời gian truyền dẫn thì 1 gam thuỷ tinh làm sợi dẫn quang thay thế được vài kg đồng để làm cáp kim loại. Nguyên liệu chế tạo cáp quang là sẵn có trong tự nhiên, trong khi đó kim loại màu chế tạo cáp kim loại thì ngày càng khan hiếm. Sợi quang rất dòn và dễ gẫy. Thế nhưng nhờ lớp bảo vệ trực tiếp bao quanh sợi đã làm co sợi tránh được độ ẩm, tăng độ bền cơ học và dễ uốn dẻo. Khi chế tạo thành cáp thì cấu trúc của cáp còn vượt xa những đặc điểm này của sợi Xét về phương diện truyền sóng, nếu sợi bị uốn cong nhỏ thì năng lượng của trường lọt từ ruột ra vỏ gây ra tiêu hao phụ. Nếu sợi quang trong cáp không được bảo vệ cẩn thận thì sẽ chịu các tác động của bên ngoài, sợi bị uốn cong hoặc khi sợi cáp bị uốn cong với bán kính nhỏ, sợi cũng bị uốn theo gây suy hao phụ Bởi vậy, cáp quang phải được chế tạo một cách bền vững với các tác động cơ học và nhiệt độ của môi trường, để đảm bảo sợi vừa không bị đứt vừa không giảm sút các đặc tính truyền dẫn, trong mọi điều kiện sử dụng cáp. 3.2. Cấu trúc cáp quang Cho đến nay, cáp dẫn quang có rất nhiều cấu trúc khác nhau. Do công nghệ phát triển đã đưa ra được những mẫu cấu trúc cáp quang có đặc tính thoả mãn được nhiều yêu cầu. Để tạo được cáp dẫn quang, sợi quang trước hết phải được bọc sơ bộ bằng các lớp Polime mỏng rồi mới tạo thành cáp. Các sợi đã được bọc hoàn thiện làm thành phần chính của lõi cáp. Lõi cáp còn có thể thêm các sợi gia cường bằng nilon và các đôi giây bằng kim loại để cấp nguồn từ xa. Người ta có thể đặt các sợi dẫn cáp quang vào lõi cáp với nhiều hình thức. Chính vì vậy cáp quang có thể có dạng hình tròn hoặc dẹt, sợi dẫn quang có thể được bọc chặt hoặc bọc lỏng. Để tránh ảnh hưởng cơ học làm gãy đứt và thuận lợi khi hàn nối. Thường các sợi được đặt lỏng tự do trong lõi cáp, hoặc đặt lỏng có keo mềm độn vào. Các nước Tây Âu và Úc thường thiết kế lõi cáp có các rãnh múi khế mà trong các rãnh đó là các sợi cáp quang. Còn các nước Châu Mỹ và Nhật thì thường cho sợi nằm lỏng trong các ống ghen nhỏ ở lõi cáp. Việc cấu trúc vỏ cáp rất phong phú, phù hợp với điều kiện từng môi trường đặt cáp. 3.2.1.Cấu trúc tổng quát của cáp quang Cáp chôn - Phần vỏ: . Vỏ PE thứ nhất bọc ngoài lõi (1mm) . Lớp chống ẩm và chống gặm nhắm . Vỏ PE ngoài cùng (1,5-2 mm) - Phần lõi: . Phần tử gia cường . Các ống đệm (khối ống đệm) . Các sợi dây đồng để cấp nguồn . Các phần tử độn & chất điền đầy Vỏ PE ngoài cùng Lõi cáp Băng nhôm tráng nhựa hai mặt Vỏ PE ngoài cùng Băng thép mã kẽm Chất điền đầy Lõi cáp Cáp cống 3.2.1.1.Phần lõi Phần tử gia cường: Thành phần gia cường của cáp là các phần tử tạo cho cáp có các lực cơ học cần thiết để tạo sức căng và co, đặc biệt là bảo đảm tính ổn định nhiệt cho cáp. - Yêu cầu đối với vật liệu gia cường: + Có modul Young cao: để tăng tính chịu lực, vd: Thép + Vật liệu phải nhẹ, có độ mềm dẻo ( đây là đặc tính quan trọng trong quá trình kéo cáp trong cống), vd: sợi aramid. Các đặc tính của một số vật liệu chế tạo phần tử gia cường : Vật liệu Trọng lượng riêng Modul đàn hồi (kg/mm2) Ứng suất cong (kg/mm2) Độ dãn tại điểm cong(%) Ứng suất gãy (kg/mm2) Độ dãn khi đứt (%) Dây thép Sợi carbon G-FRP Sợi tơ 49 Sợi tơ 29 7,86 1,50 2,48 1,44 1,44 20´103 10¸2´104 9´103 13´103 6´103 40¸150 150¸200 300 300 70 0,2¸1 1¸1,5 3 2 1,2 50¸300 150¸200 300 300 300 20¸25 1,5 2,4 2 4 Sắp xếp các phần tử gia cường trong cáp sợi quang Ống đệm và khối đệm Ống đệm chặt một sợi Ống đệm lỏng một sợi Khối các băng dẹt Đặt trong lõi rãnh chữ V c. Chất độn và chất điền đầy - Trong ống đệm lỏng: . Chất điền đầy phải trung tính để không tạo ra hydro, không đóng băng và không dãn nở trong dải nhiệt độ từ -30 ¸ +70 0C. . Là chất gien có đặc tính là ở thể lỏng khi bị khuấy động và ở thể đặc khi đứng yên. - Trong lõi cáp: . Chất điền đầy có ứng suất cao, có các thành phần không ảnh hưởng đến đặc tính của phần tử khác, không làm phình vỏ PE và có hệ số dãn nở tơng đối thấp. Lớp chắn là sản phẩm dầu mỏ có tính đàn hồi, chịu nhiệt và kết dính bao bọc lõi cáp, vừa đóng vai trò chống thấm nớc, vừa gắn kết lõi và vỏ cáp thành một khối vững chắc nhng không làm giảm tính mềm mại của cáp. . Cáp trong nhà không phải điền đầy lõi cáp. Để bảo vệ các phần tử bện trong lõi cáp sử dụng băng mỏng plastic để quấn quanh lõi. . Ngoài ra đặt thêm một băng giấy rộng khoảng 6mm trên lõi cáp suốt dọc chiều dài cáp, trên đó có ghi khoảng cách theo mét. Cũng có thể ghi chiều dài theo mét ngay trên vỏ ngoài của cáp. Bện các phần tử bên trong lõi: Khi sản xuất cáp sợi quang thường sử dụng công nghệ bện các lớp của lõi cáp. Các phần tử bệ được sắp sếp tập trung trong một hoặc nhiều lớp xung quanh phần tử trung tâm. Các phần tử trong một lớp được bện xung quanh phần tử trung tâm theo kiểu lò xo hoặc kiểu đổi chiều ZS. Mối liên quan giữa bước bện S, góc bện a và chiều dài phần tử bện L: a 1 2 3 Góc bện a Bước bện S Chiều dài phần tử bện L Chu vi vòng tròn bện 2pR 3.2.1.2.Vỏ cáp Vỏ cáp sợi quang có chức năng cơ bản là bảo vệ cáp và có tính chất quyết định đến tuổi thọ của cáp. Vỏ cáp có thể được bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi bị các tác động của ứng suất cơ học và môi trường bên ngoài. Các vật liệu chế tạo vỏ cáp như: - Vỏ PE: . Vật liệu chịu nhiệt đợc tổng hợp từ ethylene. . Có mật độ thấp, dẻo, chịu lực căng tốt, màu đen - Vỏ PVC: . Polyvinyl chloride (PVC) sử dụng chủ yếu cho cáp trong nhà màu xám . PVC cũng thích hợp cho cáp ngoài trời lắp đặt những nơi đất bị nhiệm bẩn có hoá chất ăn mòn. . Vỏ PVC có khả năng chống lửa bằng cách tăng polymer halogen - Vỏ halogen tự do: . Chế tạo từ các vật liệu chứa ethylene vinylacetate (EVA) và đợc trộn thêm 50% trọng lượng aluminum trioxydhydrate (được chọn khi có yêu cầu chống lửa và không bị halogen hoá). Trong các trường hợp này PE và PVC không thích hợp. . Dới tác động của ngọn lửa có nhiệt độ cao hơn 2500C nước tách ra khỏi aluminum trioxyhydrate. Thông qua tách nước và nước bốc hơi làm cho ngọn lửa yếu dần. Nhiệt độ giảm thấp hơn và nồng độ oxy giảm do bổ sung hơi nước nên lửa bị dập tắt. Vỏ EVA cũng có các đặc tính như vỏ PE nhưng có khả năng chống cháy tốt hơn. Vỏ bọc kim loại: . Thường là các băng thép nhăn hoặc các sợi thép sếp thành vỏ bọc . Các vỏ này thường dùng cho loại cáp chôn trực tiếp để bảo vệ chống các ứng suất cơ học, gặm nhấm, chống sự phá huỷ của côn trùng và các sinh vật. 3.3.Phân loại cáp quang: Người ta phân loại cáp quang theo nhiều loại khác nhau để thuận lợi cho việc nghiên cứu. 3.3.1. Phân loại theo cấu trúc: Cáp có cấu trúc cổ điển: Các sợi hoặc các nhóm sợi quang được phân bố đối xứng theo hướng xoay vòng đồng tâm, loại cấu trúc này rất phổ biến. Cáp có lõi trục có rãnh: Các sợi hoặc các nhóm sợi được đặt trên các rãnh có sẵn trên một lõi của cáp. Cáp có cấu trúc băng dẹt: Nhiều sợi quang được ghép trên cùng một băng và trong ruột cáp có nhiều băng xếp chồng lên nhau. Cáp có cấu trúc đặc biệt: Do nhu cầu, trong cáp có thể có các dây kim loại để cấp nguồn từ xa, để cảnh báo, để làm các đường nghiệp vụ… hoặc cáp đi trong nhà chỉ cần hai sợi là đủ…. b) c) a) d) e) Hình 3.1: Các ví dụ về cấu trúc cáp quang a.Cáp có cấu trúc đặc biệt c. Cáp có cấu trúc băng dẹt b. Cáp có lõi hình trục có rãnh d. Cáp sợi quang dùng trong nhà e. Cáp có dây đồng 3.3.2. Phân loại theo mục đích sử dụng - Cáp dùng để trên mạng thuê bao, nội hạt, nông thôn. - Cáp trung kế giữa các tổng đài. - Cáp đường dài. 3.3.3. Phân loại theo điều kiện lắp đặt - Cáp treo ngoài trời. - Cáp đặt trong ống nước. - Cáp chôn trực tiếp. - Cáp ngập nước và thả biển. - Cáp dùng trong nhà và cáp nhảy 3.3.3.1.Cáp treo Cấu trúc của cáp treo Thường có cấu tạo ôm sát vào thành phần gia cường kim loại hoặc phi kim loại độc lập, hoặc dưới dạng tự chịu lực. Được dùng trong môi trường băng tuyết và gió, có cự ly dài. Cáp tự chịu lực đòi hỏi phải có sức bền cao và cần phải ở dạng cấu trúc bọc lỏng để sợi có khoảng tự do lớn hơn. 3.3.3.2.Cáp đặt trong cống - Cáp đặt trong cống phải chịu được lực kéo và xoắn, có trọng lượng nhẹ để dễ lắp đặt - Có tính mềm dẻo để dễ vượt qua các chướng ngại khi kéo cáp - Chịu được ẩm và nước vì trong cống cáp và bể cáp thường hay đọng nước. Chính vì vậy mà trong cấu trúc của cáp thường có chất độn jelly và thành phần chống ẩm bằng kim loại. Trong trường hợp cáp không được độn đầy thì cần bơm hơi cho cáp. Lớp bọc thép cũng được sử dụng để chống gặm nhấm của côn trùng. Cáp kéo trong cống thường có ở tất cả các dạng cấu trúc bọc chặt, bọc lỏng, bọc lỏng bằng khe dưới dạng băng hoặc bó sợi. 3.3.3.3. Cáp chôn trực tiếp. ‚ Th ƒ „  † ‡ ˆ ‰ Cấu trúc cáp chôn trực tiếp: 1.sợi thép gai cường 5. Dây xoắn bao quanh 9. Lớp thép bện 2.Sợi quang 6. Sợi khác 10.Vỏ PE 3.Chất độn, chất điền đầy 7.Vỏ bỏ PE 4.Ống lỏng (rỗng) 8. Đai thép Các đặc điểm của cáp chôn trực tiếp tương tự như cáp đặt trong cống. Nhưng thường thì cáp chôn trực tiếp được bảo vệ tốt hơn thể hiện như: + Có vỏ bọc kim loại tốt hơn để tránh sự phá huỷ do đào bới đất hoặc các tác động khác trong đất. + Vỏ bọc thép bên ngoài gồm các sợi thép hoặc các băng thép. Cáp chôn trực tiếp cũng có đủ các cấu trúc như cáp đặt trong cống. 3.3.3.4.Cáp đặt trong nhà Đặc điểm của loại cáp này như: Thường có sợi dẫn quang là ít Kích thước bên ngoài nhỏ, mềm dẻo, cho phép uốn cong, dễ dàng thao tác và hàn nối. Cáp có đặc tính chống gặm nhấm tốt Cấu trúc thường ở dạng bọc chặt để đảm bảo cấu trúc nhỏ và chắc chắn. Vì các loại cáp trong nhà và cáp nhảy thường bám sát tường nhàvà thiết bị nên nó phải đảm bảo không dẫn lửa, không phát ra khí độc trong phòng, đảm bảo an toàn khi có sự cố. 3.3.3.5. Cáp ngập nước và thả biển a. Cáp ngập nước Cáp ngập nước được sử dụng để thả qua sông hoặc khu vực có nước ngập cạn, đầm lầy,…vì vậy nó phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe sau: Tính chống ẩm và chống thấm nước tại các vùng có áp suất đặc biệt lớn. Có khả năng chống sự dẫn nước dọc theo cáp Có khả năng chịu được sự kéo khi lắp đặt và sửa chữa cáp Chống lại được các áp lực thống kê Cho khả năng hàn nối và sửa chữa dễ dàng Có cấu trúc tương thích với cáp đặt trên đất liền Lớp kim loại tạo cáp cần phải chú ý đến ảnh hưởng của hydro b. Cáp thả biển Cấu trúc của cáp biển Cáp thả biển có cấu trúc rất phức tạp, bản thân nó là cáp ngập nước nhưng nó có yêu cầu khắt khe hơn các loịa cáp ngập nước ở trên gấp nhiều lần như: + Chống được khả năng thâm nhập của nước biển, sự phá hoại của các động vật dưới biển, sự cọ sát của các tàu thuyền. + Có khả năng sửa chữa cáp bằng tàu + Tuổi thọ của cáp cao Cáp biển có hai loại: loại thả nông và loại thả sâu 3.4. Mã màu trong cáp Trường hợp có nhiều sợi quang hoặc nhiều nóm sợi thì cần thiết phải đánh dấu các nhóm sợi và các sợi trong nhóm hoặc các sợi trong cáp để tránh việc hàn nối nhầm. Bảng 1 và bảng 2 ví dụ ở dưới là các luật mầu của sợi trong cáp hoặc luật màu trong các ống đệm. Các sợi màu được phủ lên sợi trực tiếp và không làm ảnh hưởng đến các đặc tính của sợi. Trường hợp nếu các sợi được đặt trong ống thì lấy ống màu đỏ làm chuẩn, đếm các màu khác theo chiều kim đồng hồ. Bảng 1: mã màu sợi trong ống đệm lỏng nhiều sợi Số thứ tự sợi Màu sợi Theo DIN 47002 (Đức) Theo FOCAL Theo VINA GSC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Xanh lam - BL Vàng – YL Xanh lục - GN Đỏ – RD Tự nhiên - NT Xanh lam có các vòng tròn đen Vàng có các vòng tròn đen Xanh lục có các vòng tròn đen Đỏ có các vòng tròn đen Tự nhiên có các vòng tròn đen Xanh lam - BL Da cam - OR Xanh lục - GN Nâu - BN Xám - GY Tự nhiên - NT Đỏ - RD Đen - BK Vàng - YL Tím - VI Hồng - LO Ngọc lam - AQ Xanh lam - BL Da cam - OR Xanh lục - GN Đỏ - RD Vàng - YL Tím - VI Nâu - BN Đen - BK Tự nhiên - NT Xám - GY Xanh nhạt - LB Hồng - LO Bảng 2: Mã màu ống đệm Số thứ tự ống Màu ống Theo FOCAL Theo VINA GSC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Xanh lam - BL Da cam - OR Xanh lục - GN Nâu - BN Xám - GY Tự nhiên - NT Đỏ - RD Đen - BK Vàng - YL Tím - VI Hồng - LO Ngọc lam - AQ Xanh lam - BL Da cam - OR Tự nhiên - NT Nếu các sợi quang trong sợi cáp có lõi có rãnh thì chai thành các nhóm sợi, gọi là các đơn vị, thì trong ruột cáp có các sợi màu chỉ thị các đơn vị sợi quang được đặt vào khi độn chất làm đầy vào ruột cáp. 3.5. Đo thử cáp quang và đo bảo dưỡng 3.5.1.Khái quát Cũng như trong thông tin điện, trong thông tin quang luôn luôn phải đo thử. Các đại lượng cần đo thử là công suất, độ rộng băng truyền, tỷ lệ lỗi…v.v…có thể tách riêng công việc đo thử thành 2 loại công tác đo như sau: Đo thử áp dụng trong phòng thí nghiện và tại các nơi chế tao: Mục đích để tính toán, thiết kế, chế tạo cáp tối ưu. Các phép đo này thường phức tạp, chi phí lớn, thường dựa trên khuyến nghị của CCITT về tiêu chuẩn và phương pháp đo. Đo thử áp dụng trên các hệ thống đang xây lắp hoặc đang khai thác: Mục đích của nó hoàn toàn khác trong phòng thí nghiệm, đối tượng đo thử và phương pháp đo đôi khi cũng khác. Người ta phải tính toán đến việc hài hoà giữa việc đo thử và chi phí cũng như lợi ích của đo thử, đảm bảo cho các hệ thống hoạt động tin cậy àm chi phí đo thấp nhất. 3.5.2. Mục đích của đo thử Việc đo thử trên cáp quang đã xây lắp nhằm các mục đích sau: Xác định xem tổng tiêu hao truyền dẫn có thoả mãn theo thiết ké hay không Xác định xem khi lắp đặt cáp có vấn đề gì ảnh hưởng tới tiêu hao của sợi và quá trình hoạt động sau này của cáp hay không Tìm các chỗ không đồng đều như: hàn nối xấu, chỗ tiêu hao sợi lớn, chỗ đấu bộ nối (connector) Xác nhận các chỗ nối sợi và tiêu hao sợi để nhằm thiết kế các đoạn lặp trong tương lai Lập bảng số liệu chuẩn cho công tác bảo dưỡng sau này Cung cấp các thông tin phản hồi để tối ưu hoá việc thiết kế, chế tạo và lắp đặt cáp Tích luỹ kinh nghiệm để tối ưu công tác đo thử. Yêu cầu các phương pháp đo phải an toàn, hiệu quả, giá thành hạ mà vẫn thực hiện đầy đủ các mục đích đo thử như trên Một số công tác đo thử như: đo tiêu hao tuyền dẫn, đo tổn hao mối nối, đo tán xạ…..v.v. 3.5.3.Đo thử bảo dưỡng Dùng máy đo phản xạ OTDR để đo thử bảo dưỡng. Đặc tuyến suy hao của máy thể hiện trên màn ảnh hoặc in ra máy in sẽ cung cấp các thông tin về độ dài khoảng lặp, khoảng cách đến các chỗ nối, khoảng cách và thể loại của các chỗ nối không đồng đều như: chỗ có tổn hao lớn, hệ số tiêu hao lớn, hoặc chỗ phản xạ do sợi bị đứt. Hình3.2: Phương pháp xác định chỗ đứt nhờ OTDR Gọi DA là khoảng cách quang từ Ni tới chỗ đứt DB là khoảng cách quang từ Ni+1 tới chỗ đứt D là khoảng cách thực giữa hai chỗ nối Từ đó xácđịnh được khoảng cách từ các chỗ nối đến chỗ đứt sợi Khoảng cách từ Ni  tới chỗ đứt là: DNi DNi = (DA.D)/(DA+DB) Khoảng cách từ Ni+1 tới chỗ đứt là: DNi+1 DNi+1 = (DB.D)/( DB+DA) Nhờ sử dụng máy vi tính trong các thiết bị đo với các chương trình đầy đủ có thể đo thử nhiều nội dung cần thiết một cách dễ dàng. 3.6.Các biện pháp bảo vệ cáp quang Các cáp quang sau khi được chế tạo có cấu trúc phù hợp theo phương pháp rải đặt như cáp để treo, cáp chôn trực tiếp hay cáp thả dưới nước. Trong khi thi công các tuyến cáp cần có các biện pháp gia cường và bảo vệ bổ xung để tránh các thảm hoạ có thể xảy ra cho cáp. Trong các loại đường cáp thì đường cáp chôn trực tiếp bị ảnh hưởng khá nhiều, chẳng hạn như ảnh hưởng của các tác hại cơ học của các phương tiện giao thông vận tải, ảnh hưởng của các loài gặm nhấm như kiến, chuột, mối…và ảnh hưởng của sét đánh. Vì vậy, ở đây nêu một số biện pháp chống thảm hoạ cho đường cáp chôn trực tiếp. 3.6.1. Độ chôn sâu cáp Cáp được chôn trực tiếp dưới lòng đất. Tuyến cáp có thể đi qua nhiều loại địa hình khác nhau như đồi núi, đồng ruộng, hoặc các đường giao thông như đường sắt, đường bộ. Cáp cần phải có độ chôn sâu cần thiết để tránh các tác độngc ơ học trên bề mặt đất, nhất là các tác động do ảnh hưởng rung động của các phương tiện giao thông cơ giới khi tuyến cáp chạy qua đường. Các tác động cơ học dễ làm các sợi quang bị rạn, phát sinh tiêu hao phụ hoặc có thể bị gãy sợi. Hiện nay thì nhiều nước đã khuyến nghị chọn độ chôn sâu cáp là 1,1 – 1,2m, cũng có nước chôn cáp ở độ sâu 1,5m và cáp được luồn trong các ống nhựa PE hoặc PVC. Bên dưới và bên trên sợi cáp có dải các lớp cát hoặc lớp đất mịn dầy mỗi phía 10cm để giữ sợi cáp luôn thẳng, tránh được các chỗ uốn cong nhỏ, tránh được tiêu hao phụ. Bên trên sợi cáp 1cm có thể đặt băng nhựa báo hiệu hoặc lót gạch nằm ngang rãnh cáp, hoặc các tấm bê tông để tránh đào hầm vào cáp Hình3.3: Mặt cắt của cáp trực tiếp trong đất Trong trường hợp địa hình phức tạp, khó khăn, nhiều sỏi đá, không đào đủ độ sâu cần thiết thì cáp phải được đặt trong lòng ống nhựa PVC đường kính 28-34mm và cả cáp lẫn ống nhựa đặt trong lòng ống sắt đường kính 80-100mm, hoặc trong rãnh bê tông Khi cáp vượt qua đường giao thông, qua cầu, đi dọc hầm đường sắt..v.v.thì cũng phải dùng ống sắt và ống nhựa như trên. 3.6.2. Chống mối và chống chuột Cáp quang có vỏ ngoài PE là nhựa mật độ thấp nên mối, kiến, và các loài gặm nhấm có thể gặm nhấm vỏ nhựa. Một số loài mối, kiến có thể sống ở độ sâu 1m nên có thể ăn vỏ cáp. Bên trong lớp vỏ PE đều có băng thép mạ hình lượn sóng bao bọc. Mối và kiến không thể gặm nhấm băng thép mạ, tuy nhieen sau nhiều năm lớp thép này có thể bị rỉ và bị ăn mòn ở một vài chỗ nhỏ cũng không ảnh hưởng đến sợi quang bên trong cáp. Do vậy, ảnh hưởng của kiến mối là không đáng kể. Các loài chuột chỉ gặm nhấm vỏ PE nếu chúng gặp cáp trên đường đi, không gặm được lớp vỏ thép, nhưng vỏ thép trần lâu ngày sẽ bị ăn mòn. Một biện pháp bảo vệ hữu hiệu là dùng các băng thép bọc nhựa quấn xung quanh cáp trần, nếu cáp quang đi riêng lỗ cống thì có thể bịt kín đầu lỗ cống lại không cho chuột chui vào, còn đoạn cáp trần trong bể thì bọc bằng thép bọc nhựa 3.6.3. Chống ảnh hưởng của sét Ở Việt Nam thường xuyên cso sét đánh trong mùa mưa, vì trong cáp có thép quấn, do vậy nếu sét đánh vào vùng đất bên cạnh dễ làm ảnh hưởng đến cáp. Ảnh hưởng của sét vào cáp phụ htuộc rất nhiều vào yếu tố như điện trở suất của đất, cường độ của sét, tần suất sét đánh ở từng vùng, do đó cần phải xem xét tỉ mỉ các yếu tố ảnh hưởng này để tính toán tỉ mỉ. * Khả năng hư hỏng và biện pháp bảo vệ Theo các tính toán thì khả năng sét đánh vào vùng đất lân cận cáp là khá lớn, tuy nhiên trong thực tế thì khả năng hư hỏng cáp là nhỏ vì một số lý do: Sét đánh vào mùa mưa nên điện trở suất của cáp rất thấp, khả năng sét đánh vào cáp là ít Cường độ sét nói chung nhỏ hơn giá trị tính toán là 50KA, bên cạnh đó thì khả năng chịu đựng xung điện áp của vỏ PE là của cáp là rất cao, đạt giá trị 100KA Ở vùng núi cao, đất có nhiều đá, điện trở suất cao, nhưng sét có xu thế đánh vào các mô cao như mỏm núi, ngọn cây..v.v. Rõ ràng là khả năng hư hỏng của cáp liên quan trực tiếp tới điện trở suất của đất, điện trở xuất càng cao thì khả năng hư hỏng càng nhiều. Ngoài ra, ở các vùng đồng bằng đều có điện trở suất khá thấp, chỉ ở vùng núi mới có điện trở suất cao, do đó cần lưu ý khi xây dựng các tuyến cáp quang tại các vùng cụ thể Đoạn tuyến cáp quang nào chon dọc đường sắt thì không cần có biệ pháp chống sét bổ xung nữa. Tài liệu tham khảo: 1. Hệ thống thông tin quang Ts.Vũ Văn San, Nhà xuất bản Bưu điện 2. Fiber Optic Cabling - Barry Elliott and Mike Gilmore 3. Soi quang va cong nghe SDH 4. Các tài liệu khác