cấu trúc sợi quang
Chương 1: Cáp Sợi Quang 1-1 CHƯƠNG 1 CÁP SI QUANG 1.1. Cấu Trúc Sợi Quang. Sợi quang là một dẫn sóng điện môi hình trụ hoạt động ở tần số ánh sáng. Cấu trúc cơ bản của sợi quang gồm có hai phần: - Lõi (core): ống hình trụ, có bán kính a, chiết suất n 1 - Lớp bọc (cladding): hình trụ bao quanh bên ngoài lõi, có bán kính b (b>a) và chiết suất n 2 (n 2 <n 1 ). Lòi và lớp bọc của sợi quang có thể được chế tạo bằng thủy tinh hay bằng plastic. Bằng cách tạo sự chênh lệch về chiết suất giữa lõi và lớp bọc như trên (n 1 >n 2 ), tín hiệu ánh sáng có thể được truyền dọc trong lõi của sợi quang bằng cách phản xạ nhiều lần (phẩn xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp bọc. Do đó, tín hiệu ánh sáng có thể truyền qua sợi quang có cự ly dài ngay cả khi sợi quang bò uốn cong với một độ cong có giới hạn (xem hình 1.1). Hình 1.1 Mặt cắt của sợi quang và nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác động do điều kiện ngoài, sợi quang còn được bọc thêm vài lớp nữa: - Lớp phủ, hay còn gọi là lớp vỏ thứ nhất (Primary Coating). - Lớp vỏ thứ hai (Secondary Coating). Đặc tính cơ học của sợi quang được quyết đònh bởi vật liệu chế tạo sợi và lớp bảo vệ bên ngoài. Nếu do tác động của lực kéo hoặc lực uốn cong mà sợi bò đứt thì có thể do nhiều nguyên nhân. Người ta chia ra làm 3 loại sau: (1) Đứt do lự kéo lớn, khoảng ≥ 40N, thì nguyên nhân là do có thể ở cấu trúc của tinh thể hoặc bề mặt sợi có vài chỗ bò rạn nhỏ. (2) Đứt do lực kéo trung bình, khoảng 15N ÷ 40N, thường do có tạp chất nằm trong lớp bọc sợi, gây nên những chỗ khuyết tật. (3) Đứt do lực kéo yếu, dưới 15N, 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. n 1 n 2 n a a b b 0 a b lõi (n 1 ) lớp bọc (n 2 ) Chương 1: Cáp Sợi Quang 1-2 a. Lớp phủ (Primary Coating) - Được bọc ngay trong quá trình kéo sợi nhằm bảo vệ sợi quang: Chống lại sự xâm nhập của hơi nước. Tránh sự trầy sướt gây nên những vết nứt. Giảm ảnh hưởng vi uốn cong. - Vật liệu dùng làm lớp phủ có thể là epoxyarylate, polyurethanes, ethylen - vinyl - acetate, . - Lớp phủ còn có chức năng loại bỏ những tia sáng khúc xạ ra ngoài lớp bọc. Muốn vậy chiết suất của lớp phủ phải lớn hơn chiết suất lớp bọc, nếu không sẽ xảy ra sự phản xạ toàn phần trên mặt tiếp giáp giữa lớp bọc và lớp phủ. n n p n 1 n 2 n 0 Lớp phủ Hình 1.2 Mặt cắt ngang của sợi quang sau khi bọc lớp phủ. - Độ đồng nhất, bề dày và độ đồng tâm của lớp phủ có ảnh hưởng đến chất lượng của sợi quang. Thông thường đường kính lớp phủ là 250 µm (đối với sợi có D = 125µm). - Lớp phủ có thể được nhuộm màu hoặc có những vòng đánh dấu. Lớp này được tuốt bỏ khi hàn nối hoặc ghép ánh sáng. b. Lớp vỏ (Secondary Coating, Buffer Coating, Jacket) - Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chòu đựng của sợi quang trước tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt độ. Hiện nay lớp vỏ có các dạng sau: Đệm lỏng (Loose buffer). Đệm khít (Tight buffer). Dạng băng dẹp (Ribbon). n p = 1,52 n 1 = 1,48 n 2 = 1,46 Chương 1: Cáp Sợi Quang 1-3 Mỗi dạng có ưu nhược điểm riêng và được sử dụng trong những điều kiện khác nhau. (b) (c) (a) Hình 1.3 Minh họa các dạng đệm sợi quang. (a) Đệm khít; (b) Đệm lỏng; (c) Băng dẹp Cấu trúc sợi quang Lõi 10/50 um Lớp bọc 125 um Lớp phủ 250 um Lớp vỏ 900 um Hình 1.4 Cấu trúc sợi quang khi đem làm cáp (1) Dạng ống đệm lỏng - Sợi quang (đã bọc lớp phủ) được đặt trong ống đệm có đường kính trong lớn hơn kích thước sợi quang. Lớp vỏ Lớp chất nhồi Sợi quang (a) (b) Hình 1.5 Minh họa cấu trúc đệm lỏng (a) Ống đệm một sợi quang; (b) Ống đệm nhiều sợi quang Chương 1: Cáp Sợi Quang 1-4 - Ống đệm lỏng gồm hai lớp: Lớp trong: có hệ số ma sát nhỏ. Lớp ngoài: che chở sợi quang trước ảnh hưởng của lực cơ học. và được chế tạo từ các vật liệu polyester và polyamide. - Với ống đệm chứa 1 sợi quang, đường kính: 1,2÷2mm, bề dày: 0,15÷ 0,5mm. Nếu ống đệm chứa nhiều sợi (2÷12sợi) thì đường kính: 2,4÷3 mm. - Với dạng ống đệm lỏng, sợi quang di chuyển tự do trong ống đệm. - Chất nhồi phải có các tính năng sau: Ngăn ẩm. Có tính nhớt, không tác dụng hóa học với các thành phần khác của cáp. Không đông đặc hoặc nóng chảy ở nhiệt độ làm việc. Dễ tẩy sạch khi cần hàn nối. Khó cháy. - Ống đệm lỏng cũng được nhuộm màu. - Dạng ống đệm lỏng được dùng trong các đường truyền dẫn chất lượng cao trong điều kiện môi trường thay đổi nhiều. (2) Dạng đệm khít: - Đơn giản, lớp vỏ ôm sát lớp phủ. Lớp vỏ Lớp đệm mềm Sợi quang Lớp vỏ Sợi quang (a) (b) Hình 1.6 (a) Cấu trúc đệm khít và (b) đệm tổng hợp. - Phương pháp này làm giảm đường kính của lớp vỏ, nên giảm được kích thước và trọng lượng cáp. - Nhược điểm: sợi quang bò ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bò kéo căng. Để giảm ảnh hưởng này, ngường ta dùng thêm một lớp đệm mềm giữa lớp phủ và lớp vỏ. Hình thức này gọi là đệm tổng hợp. - Dạng đệm khích và đệm tổng hợp được dùng trong cáp đặt trong nhà, dùng làm dây nhảy đậùu nối các trạm đầu cuối, - Đường kính: 0,50 ÷ 1 mm. Chương 1: Cáp Sợi Quang 1-5 (3) Dạng băng dẹp: - Cấu trúc băng dẹp cũng là một dạng đệm khít nhưng vỏ bọc nhiều sợi quang thay vì một sợi. Số sợi trong một băng có thể là 4, 8, 12 sợi. - Nhược điểm: sợi quang bò ảnh hưởng trực tiếp khi bò kéo căng. - Được sử dụng trong cáp có nhiều sợi. 4 8 Hình 1.7 Cấu trúc băng dẹp. 1.2 Cáp Quang. 1.2.1 Đặc Điểm, Yêu Cầu Của Cáp Quang. - Không bò ảnh hưởng nhiễu điện từ. - Không thấm nước, lọt nước. - Chống được các ảnh hưởng: va chạm, lực kéo, lực nén, lực uốn cong, . - Ổn đònh khi nhiệt độ thay đổi. - Ít bò lão hoá. - Trọng lượng nhỏ, kích thước bé. 1.2.2. Khả Năng Của Sợi Quang và Cáp Quang. Để đáp ứng những yêu cầu trên, sợi và cáp được thiết kế rất ngặt nghèo để vừa đảm bảo bền vững cơ học, vừa đảm bảo được các đặc tính truyền dẫn. - Sợi quang là vật liệu cách điện, nên hoàn toàn không nhạy cảm với nhiễu sóng điện từ, do đó trong cáp không cần có lớp bảo vệ che sóng điện từ như đối với cáp kim loại. - Sợi quang rất nhỏ, tốn rất ít nguyên liệu. Nếu xét cùng khả năng truyền dẫn thì 1g thủy tinh làm sợi dẫn quang thay thế được vài Kg đồng để làm cáp kim loại. Như vậy sợi cáp quang sẽ nhỏ và nhẹ hơn cáp kim loại nhiều. - Sợi quang rất dòn, dễ gãy, dễ bò tác động của hơi nước. Thế nhưng lớp vỏ bảo vệ trực tiếp bao quanh sợi quang đã làm cho sợi tránh được tác động của độ ẩm, tăng độ bền cơ học, lại dễ uốn dẻo được.Khi chế tạo cáp quang, cấu trúc cáp được thiết Chương 1: Cáp Sợi Quang 1-6 kế để còn vượt xa những đặc điểm này của sợi. Điều đáng lưu ý là khả năng gãy sợi trong cáp do tác động dãn nở kéo dài. Chẳng hạn muốn sợi không bò đứt trên đoạn nối dài 30Km trong thời hạn sử dụng 30 năm thì lực kéo tác động lâu lên nó sinh ra sự keó dãn sợi chỉ được phép làm sợi dãn ra dưới hai phần nghìn độ dài của sợi. - Xét về phương diện truyền sóng, nếu sợi bò uốn cong nhỏ thì năng lượng trường lọt ra lớp bọc của sợi quang, gây ra suy hao phụ. Nếu bán kính uốn cong nhỏ hơn 30mm thì đặc tính truyền dẫn bò ảnh hưởng đáng kể. Nếu sợi quang trong cáp không được bảo vệ cẩn thận thì sẽ chòu các tác động bên ngoài, như lực tác động ngang, sợi bò uốn cong tại một chỗ nào đó, hoặc khi sợi cáp uốn cong với bán kính nhỏ, sợi cũng bò uốn theo, . phát sinh suy hao phụ. Như vậy, cáp quang phải được chế tạo bền vững với các động cơ học và nhiệt độ của môi trường, để đảm bảo sợi vừa không bò đứt, vừa không giảm các đặc tính truyền dẫn trong mọi điều kiện sử dụng cáp. 1.2.3. Phân Loại Cáp Quang. Có thể phân loại cáp quang theo các hướng sau: - Phân loại theo cấu trúc. - Phân loại theo mục đích sử dụng. - Phân loại theo điều kiện lắp đặït. a. Phân loại theo cấu trúc. - Cáp có cấu trúc cổ điển: các sợi hoặc nhóm sợi được phân bố đối xứng theo hướng xoay tròn đồng tâm. Loại cấu trúc này hiện nay rất phổ biến. Hình 1.8 Cáp có cấu trúc cổ điển. - Cáp có lõi trục có rãnh: Các sợi hoặc nhóm sợi được đặt trên rãnh có sẵn trên một lõi của cáp. Hình 1.9 Cáp lõi trục có rãnh. Chương 1: Cáp Sợi Quang 1-7 - Cáp có cấu trúc băng dẹp: nhiều sợi quang được ghép trên một băng, và nhiều băng xếp chồng lên nhau. Hình 1.10 Cáp có cấu trúc băng dẹp. - Cáp có cấu trúc đặc biệt: do nhu cầu trong cáp có thể có các dây kim loại để cấp nguồn từ xa, cảnh báo, làm đường nghiệp vụ; hoặc cáp đi trong nhà, chỉ cần hai sợi quang là đủ, . Hình 1.11 Cáp hai sợi dùng trong nhà. Trong thực tế, khi cần cáp nhiều sợi quang, có thể chế tạo cáp gồm nhiều nhóm, mỗi nhóm là một cáp nhỏ của các loại cáp trên. Số lượng sợi trong cáp có thể từ 2 sợi đến hàng nghìn sợi, tùy theo lónh vực sử dụng. Ví dụ: trên mạng nội hạt thì cáp thuê bao và cáp trung kế giữa các điểm chuyển mạch thì cần rất nhiều sợi quang; cáp truyền dẫn đường dài không cần có nhiều sợi vì không phải rẽ nhánh nhiều. Tuy nhiều sợi nhưng cáp không quá to. Ví dụ: cáp có 800 sợi: đường kính ngoài ≈ 35 mm; cáp nội hạt có 4000 sợi: đường kính ngoài ≈ 85 mm. b. Phân loại theo mục đích sử dụng. - Cáp dùng trên mạng thuê bao nội hạt, nông thôn. - Cáp trung kế giữa các tổng dài. - Cáp đường dài. c. Phân loại theo điều kiện lắp đặt. - Cáp chôn trực tiếp. - Cáp đặt trong ống. - Cáp thả dưới nước, thả biển. - Cáp dùng trong nhà. - Chương 1: Cáp Sợi Quang 1-8 1.2.4. Cấu Trúc Cáp Quang. Chúng ta xem xét cấu trúc cáp có cấu trúc cổ điển. a. Cấu trúc tổng quát. Gồm có: - Thành phần chòu lực trung tâm. - Sợi quang. - Băng quấn. - Chất nhồi. - Lớp gia cường ngoài. - Vỏ cáp. Hình 1.12 Cấu trúc tổng quát của cáp quang. b. Sợi quang. Các sợi quang đã được đệm (dạng đệm lỏng, đệm khít, đệm tổng hợp, băng dẹp) sắp xếp theo một thứ tự nhất đònh. ♦ Cách sắp xếp sợi quang Sợi quang thường được sắp xếp theo từng lớp hoặc đơn vò. − Cấu trúc lớp: (a) Cấu trúc một lớp. (b) Cấu trúc hai lớp. Hình 1.13 Cấu trúc lớp. 1 2 3 5 4 7 6 1. Vỏ cáp (vỏ ngoài) 2. Lớp gia cường (thành phần chòu lực ngoài) 3. Lớp vỏ trong của cáp. 4. Băng quấn. 5. Sợi quang. 6. Chất nhồi. 7. Thành phần chòu lực trung tâm Chương 1: Cáp Sợi Quang 1-9 Cấu trúc theo từng lớp thường dùng ở mạng đường dài. − Cấu trúc đơn vò: Hình 1.14 Cấu trúc đơn vò. Cấu trúc đơn vò có mật độ sợi cao nên phù hợp với mạng cáp nội hạt. ♦ Sự xoắn ruột cáp: Sợi quang cùng các thành phần khác (dây đồng, ống làm đầy, .) sẽ được bện xung quanh thành phần chòu lực trung tâm để tạo thành ruột cáp. − Các kiểu xoắn cáp: (a) (b) (c) Hình 1.15 Các kiểu xoắn cáp. (a) Xoắn kiểu S (xoắn thuận). (b) Xoắn kiểu Z (xoắn nghòch). (c) Xoắn kiểu SZ (xoắn thuận nghòch). Chiều quay S Chiều quay Z Hình 1.16 Minh họa bện SZ Chương 1: Cáp Sợi Quang 1-10 Trong cách bện SZ phải có dây quấn xung quanh các thành phần bện để giữ chúng do độ cứng của các thành phần bện, đặc biệt là ở chỗ đổi chiều. Phần tử điền đầy Sợi quang Ống đệm Thành phần chòu lực trung tâm (a) Khi cáp bò kéo dãn (b) Bình thường (c) Khi cáp co lại. Hình 1.17 Vò trí của sợi trong ống đệm − Xác đònh độ gia tăng chiều dài sợi quang do xoắn cáp: S R S L 2πR R R: Bán kính xoắn. L: Chiều dài của thành phần bò xoắn. S: Bước xoắn. α: Góc xoắn. Hình 1.18 Chiều dài của sợi quang trên đoạn một bước xoắn cáp. [...]... nhóm Chỉ màu đen Đơn vò 1 Đơn vò 5 Chỉ màu vàng Đơn vò 2 Đơn vò 4 Đơn vò 3 1-16 Chương 1: Cáp Sợi Quang Hình 1.22 Đánh dấu sợi quang trong cáp có cấu trúc dạng rãnh Bảng 1.2: Luật Màu Sợi Quang Trong Cáp Đức (12 Sợi) Sản Xuất Tại Việt Nam Thứ Tự Sợi Sợi 1 Sợi 2 Sợi 3 Sợi 4 Sợi 5 Sợi 6 Sợi 7 Sợi 8 Sợi 9 Sợi 10 Sợi 11 Sợi 12 Màu Xanh dương Cam Xanh lá Nâu Xám Trắng Đỏ Đen Vàng Tím Hồng Ngọc lam (Blue) (Orange)... ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ (1.9) Chương 1: Cáp Sợi Quang Sợi quang Sợi quang R df R di df di Ống đệm Hình 1.19 Độ rỗng của ống đệm lỏng: (a) có một sợi quang; (b) có nhiều sợi quang Theo hình 1.22 ta có: di : đường kính trong của ống đệm lỏng; df : đường kính sợi Nếu ống chứa nhiều sợi quang thì df là đường kính tương đương của bó sợi ∆R: bán kính rỗng ∆R = di − d f (1.10) 2 Ví dụ 3 Trong sợi cáp chứa các ống đệm lỏng... độ) của sợi quang vì những yếu tố này có ảnh hưởng đến các thông số truyền dẫn cũng như độ bền cơ học của sợi quang Trong cấu trúc ống đệm lỏng, sợi quang có thể di chuyển tự do trong ống đệm Ở trạng thái bình thường sợi quang nằm giữa ống Khi bò kéo căng sợi quang dòch vào phía trục của cáp, còn khi bò co rút sợi quang dòch ra phía vỏ cáp Do đường kính trong của ống đệm lớn hơn đường kính sợi quang. .. Chương 1: Cáp Sợi Quang b Cáp trong nhà • Mẫu 4: J-VY Ý nghóa: - J: Cáp dùng trong nhà - V: Sợi đệm khít - Y: vỏ bọc bằng nhựa PVC 1.4 Những Điểm Cần Lưu Ý Khi Khai Thác Cáp Quang Ngòai các yêu cầu kỹ thuật như khi thi công cáp kim loại, có một số điểm cần lưu ý trong khai thác cáp sợi quang như sau: a Bán kính uốn cong tối thiểu : Sợi quang khi bò uốn cong là một nguyên nhân gây suy hao đối với sợi quang. .. sợi quang: uốn cong và vi uốn cong Do đó, khi lắp đặt cáp sợi quang cần lưu ý: + Không được dẫm đạp lên cáp sợi quang + Không quăng quật cáp + Không uốn cong cáp vượt quá bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất quy đònh Trong các trường hợp vi phạm các lưu ý trên, cho dù cáp không bò ảnh hưởng nhưng sợi quang bên trong cáp có thể bò nứt, gảy, uốn cong hoặc vi uốn cong làm tăng suy hao đối với sợi. ..Chương 1: Cáp Sợi Quang Do sợi quang được xoắn trong cáp nên chiều dài sợi quang khác với chiều dài của cáp L2 = (2πR)2 + S2 (1.1) Suy ra L= tgα = ( 2πR) S 2πR 2 ⎛ 2πR ⎞ + S = S 1+ ⎜ ⎟ ⎝ S ⎠ 2 2 ⎛ S ⎞ ⇒ α = arctg⎜ ⎟ ⎝ 2πR ⎠ (1.2) (1.3) Độ gia tăng chiều dài sợi quang theo %: L−S L = −1 S S (1.4) ⎛ 2πR ⎞ z = 1+ ⎜ ⎟ −1 ⎝ S ⎠ (1.5) z= 2 Ví dụ 1 Một cáp sợi quang có : S = 100 mm, R = 4... vật nặng như búa, kềm, xẻng xuống cáp, tránh để rơi cáp và dẫm đạp lên cáp + Tránh làm méo, biến dạng cáp do các bàn kẹp, vật đỡ, các điểm buộc và đøng dẫn, 1-20 Chương 1: Cáp Sợi Quang + Tránh đặt các vật nặng hoặc chất đống các cáp trên các cáp sợi quang + Tránh làm rơi các cuộn cáp gây ra chấn động cáp bên trong + Không cho phép các phương tiện giao thông đi qua cáp + Khi lắp đặt, cần hạn chế số... của cáp Do đó, khi lắp đặt cáp sợi quang lưu ý : + Không bao giờ được xoắn cáp Nếu cất giữ cáp , nên sử dụng các bôbin (các vòng cuộn cáp) Đối với những cáp có chiều dài ngắn, đặt cáp nằm ngang theo hình số 8 (xem hình 1.24 và hình 1.25) Đảm bảo rằng các đọan cong của hình số 8 lớn hơn bán kính uốn cong tối thiểu của cáp Để tránh đè bẹp cáp khi cất giữ cáp có chiều lớn, cần đỡ các điểm cắt chéo của cáp. .. của sợi quang nêu trên là 6 phần ngàn Cũng cần lưu ý rằng có thể tăng độ thay đổi chiều dài cho phép ε bằng cách tăng bán kính R, tăng bán kính rỗng ∆R và giảm bước xoắn S Tuy nhiên: - Tăng R và tăng ∆R làm tăng đường kính sợi cáp - Giảm S làm giảm bán kính uốn cong của sợi quang 1-13 Chương 1: Cáp Sợi Quang c Thành phần chòu lực (Thành phần gia cường) - Nhiệm vụ của thành phần chòu lực: Giữ cho sợi quang. .. Do vậy, khi lắp đặt cáp sợi quang cần lưu ý: + Việc kéo cáp cần thực hiện ổn đònh liên tục, không được giật cục + Không đẩy cáp + Khi kéo cáp bằng máy, cần phải kiểm tra lực kéo căng cáp thường xuyên không được vượt quá giới hạn cho phép c Những lưu ý khác : Ngòai hai yếu tố vừa nêu trên, còn có các thông số khác cũng cần phải lưu ý khi lắp đặt cáp sợi quang : + Khoảng nhiệt độ của cáp + Lực nén + Lực