TRƯỜNG-ĐẠI-HỌC-SƯ-PHẠM-KỸ-THUẬT-THÀNH-PHỐ-HỒ-CHÍ-MINH (1)

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN VẬT LIỆU ĐIỆN- ĐIỆN TƯ ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ SỢI CÁP QUANG GVHD: Ths Phạm Xuân Hô Thực hiện: Nhóm Nguyễn Dương Trường Phú (nhóm trưởng) Đặng Thị Minh Sang Nguyễn Duy Niên Vũ Nguyễn Hoàng Nguyễn Hữu Thịnh Trần Ngọc Pháp LỜI NÓI ĐẦU 15142091 15154297 15142085 15142039 15142110 15142086 Ngày nhu cầu tiếp cận tin tức người ngày càng tăng, đó việc sủ dụng Internet và truy cập Wifi ngày nhiều So với trước đây, chúng ta sử dụng cáp kim loại để truyền tải tín hiệu nó lại có vài nhược điểm như: truyền tín hiệu chậm và dễ bị nhiễu bởi các xạ điện, Để đáp ứng nhu cầu sử dụng Internet ngày tăng người vào năm 1966 tìm loại cáp tốt so với cáp kim loại trước đây, đó là cáp quang Từ đây, các hệ thống thông tin quang chiếm hầu hết các tuyến truyền dẫn quan trọng mạng lưới viễn thông quốc tế và xem là phương thức truyền dẫn có hiệu các tuyến vượt biển và xuyên lục địa Cùng với bùng nổ thông tin xã hội đại, đòi hỏi mạng truyền dẫn phải có phát triển mạnh quy mơ và trình độ cơng nghệ nhằm tạo cấu trúc mạng đại Các hệ thống thông tin quang thời gian tới phải đảm bảo có tốc độ cao, cự ly xa và độ tin cậy cao Vì thế, nhóm chúng em chon đề tài “ CÁP QUANG” để phân tích và tìm hiểu cấu tạo cũng nguyên lí truyền tải cáp nhằm phổ biến tính thiết thực cáp quang sống đại ngày NỘI DUNG Giới thiệu chung cáp quang 1.1) Lịch sử phát triển: • 1790: CLAU DE CHAPPE kỹ sư người Pháp, xây dựng hệ thống điện báo gồm chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu đó Tin tức vượt • qua chặng đường 200km vòng 15 phút 1870: JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh chứng tỏ ánh sáng có thể dẫn theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần Điều áp dụng thông tin quang • 1880: ALEXANDER GRAHAM BELL người Mỹ giới thiệu hệ thống thông tin Photophone Tiếng nói truyền ánh sáng môi trường không khí Nhưng chưa áp dụng thực tế quá nhiều nguồn • nhiễu 1934: NORMAN R.FRENCH người Mỹ nhận sáng chế hệ thống • thơng tin quang Sử dụng các thủy tinh để truyền dẫn 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES xây dựng và • • phát triển Laser 1960: THEODOR H MAIN đưa Laser vào hoạt động thành công 1962: Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn thừa nhận vấn đề lại là • phải tìm mơi trường truyền dẫn quang thích hợp 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM hai kỹ sư phịng thí nghiệm Stanrdard Telecommunications Anh, đề xuất dùng sợi thủy tinh dẫn ánh sáng Nhưng cơng nghệ chế tạo sợi quang thời đó cịn hạn chế • • • nên suy hao quá lớn (ở khoảng 1000dB/Km) 1970: Hãng Corning Glass Work chế tạo thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ 20dB/Km ở bước sóng 1310 nm 1972: Loại sợi GI chế tạo với độ suy hao 4dB/Km 1983: Sợi đơn mode (SM) xuất xưởng Mỹ 1.2) Khái niệm cáp quang: Cáp quang là những bó sợi quang dẫn đặt những lớp vỏ bọc đặc biệt, nhiệm vụ cáp quang là truyền tín hiệu thơng tin mã hóa thành tín hiệu điện và chuyển đổi thành những tín hiệu ánh sáng có các bước sóng λ khác 1.3) Khái niệm sợi cáp quang: Sợi quang dẫn là những ống hình trụ suốt, đó ánh sáng truyền dọc theo ống nhờ phản xạ toàn phần Sợi quang dẫn lúc đầu cấu tạo từ những sợi thủy tinh kéo nhỏ và sau này làm plastic gọi là lõi truyền sóng, mặt ngoài ống trụ tráng lớp phản quang (cladding) và tất đặt lớp vỏ bọc dọc theo ống trụ 1.4) Cấu tạo cáp quang: Cáp quang thường cấu tạo từ các thành phần sau: sợi quang (filber), lớp bảo vệ (coating), lớp chịu lực (strength members), lớp ống đệm bảo vệ (buffer) và lớp vỏ bảo vệ (jacket)  Sợi quang (filber): Cấu tạo sợi cáp quang gồm: Phần lõi (core): Phần lõi cáp quang hay gọi core thường làm sợi thủy tinh hoặc plastic dùng truyền dẫn ánh sáng Lớp phản xạ ánh sáng (cladding): Bao bọc lõi cáp quang là lớp phản xạ ánh sáng hoặc lớp thủy tinh hay plastic – nhằm bảo vệ và phản xạ ánh sáng trở lại lõi  Lớp bảo vệ (primary coating): Để tránh cọ xước lớp bọc, sợi quang thường bao bọc thêm lớp chất dẻo Lớp vỏ bảo vệ này ngăn chặn các tác động học vào sợi, gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị răn lượn sóng, kéo dãn hoặc cọ sát bề mặt, chống xâm nhập nước, mặt khác cũng tạo điều kiện để bọc sợi thành cáp sau này Lớp vỏ này gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp Lớp vỏ sơ cấp bọc quanh lớp bọc quá trình kéo sợi Chiết suất lớp vỏ bọc sơ cấp lớn chiết suất lớp bọc và lớn chiết suất lõi  Lớp ống đệm bảo vệ (buffer) : Thường chia làm loại gồm: ống đệm chặt (tight buffer) và ống đệm không chặt (loose buffer) -Loại ống đệm chặt: làm nhựa dẻo, bị tác động nhiệt, có độ uốn cong tốt nên thường sử dụng để chế tạo các loại dây đấu nối (patch cord) -Loại ống đệm khơng chặt: là loại ống nhựa có đường kính lớn đường kính sợi quang, cho phép chứa nhiều sợi quang bên giúp cho sợi quang co giãn tự nhiên nhiệt độ môi trường thay đổi Ngoài ra, bên ống đệm có thêm lớp chất nhờn để ngăn ẩm, chống cháy và giúp làm sợi quang dễ dàng cần hàn hoặc bấm đầu nối cáp Với nhiều ưu điểm nên nó thường dùng các đường truyền dẫn cao và điều kiện môi trường thay đổi nhiều ngoài trời  Lớp chịu lực (strength members): Được làm sợi gia cường “aramid yarn” (Kevlar) Trong quá trình lắp đặt và thi cơng, lớp chịu lực bảo vệ cáp quang không bị đứt trước các lực kéo cáp quá lớn  Lớp vỏ bảo vệ (jacket): Là lớp bảo vệ ngoài cùng, có khả chịu va đập, nhiệt và chịu mài mòn cao, bảo vệ phần bên tránh ẩm ướt và các ảnh hưởng từ môi trường các tia hồng ngoại Lớp vỏ bảo vệ phân loại theo môi trường sử dụng và tiêu chí chống cháy 1.5) Nguyên lý truyền liệu sợi cáp quang: Các tín hiệu thơng tin, các tín hiệu điện dạng số hay tương tự chuyển đổi sang tín hiệu ánh sáng với bước sóng λ Ánh sáng có bước sóng λ truyền sợi quang nhờ phản xạ toàn phần Tại đầu tín hiệu sáng, ánh sáng thu và chuyển đổi lại thành tín hiệu điện Ánh sáng sợi cáp quang qua lõi (core) cách liên tục phản xạ từ vỏ bọc (cladding), nguyên tắc gọi là phản ánh tổng số nội Bởi vỏ bọc toàn cho khơng hấp thụ ánh sáng từ lõi, đó sóng ánh sáng có thể truyền xa 1.6) Phân loại cáp quang: 1.6.1- Phân loại sợi quang: Việc phân loại sợi quang phụ thuộc vào thay đổi thành phần chiết suất lõi sợi Loại sợi có số chiết suất đồng ở lõi sợi gọi là sợi có số chiết suất phân bậc SI (Step Index), loại sợi có số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi sợi tới tiếp giáp lõi và lớp bọc gọi là sợi có số chiết suất giảm dần GI (Graded Index) Nếu phân chia theo mode truyền dẫn có sợi đa mode MM (Multimode) và sợi đơn mode SM (Single mode) Sợi đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn nó, sợi đơn mode cho phép mode truyền nó + Phân loại theo số chiết suất: Sợi có số chiết suất phân bậc Sợi có số chiết suất giảm dần + Phân loại theo mode truyền dẫn: Sợi đơn mode Sợi đa mode + Phân loại theo cấu trúc vật liệu: Sợi thuỷ tinh Sợi lõi thuỷ tinh lớp bọc chất dẻo Sợi thuỷ tinh nhiều thành phần Sợi chất dẻo 1.6.2- Phân loại cáp quang + Phân loại theo cấu trúc cáp: Cáp cấu trúc cổ điển Cáp cấu trúc viên trụ có rãnh Cáp cấu trúc Ru ba + Phân loại theo phạm vi sử dụng: Cáp nội hạt: là cáp sử dụng phạm vi thành phố, thị xã, thị trấn Cáp trung kế: là cáp nối giữa các tổng đài với Cáp đường dài: là cáp nối giữa các tỉnh, các quốc gia với + Phân loại theo cách lắp đặt: Cáp treo: Là cáp treo đường cột Riêng cáp tự treo có thêm dây treo nên có tiết diện hình số cáp đồng Loại cáp tự treo thường sợi, để khơng tăng tải trọng cáp xung quanh sợi cáp khơng cần gia cường Đặc biệt người ta tránh sử dụng kim loại cho cáp vừa giảm nhẹ trọng lượng cáp vừa tránh ảnh hưởng sét, điện lực Cáp ngầm (cáp treo cống): Cáp kéo cống phải chịu lực kéo và xoắn, có trọng lực nhẹ để dễ lắp đặt và phải mềm dẻo để vượt qua các chướng ngại kéo cáp Loại này cũng phải chịu ẩm và nước cống cáp và bể cáp thường hay đọng nước Chính cấu trúc cáp thường có chất độn Jelly và thành phần chống ẩm kim loại Trong trường hợp cáp khơng bơm chất độn Jelly cần phải thực bơm cho cáp Cáp chôn trực tiếp: Cáp chôn trực tiếp thường phải có lớp vỏ bọc kim loại tốt để tránh phá huỷ đào bới đất hoặc các tác động khác đất Vỏ bọc thép bên ngoài gồm các sợi thép hoặc các băng thép Vỏ bọc ngoài lớp thép này là vỏ chất dẻo Cáp đặt nhà và cáp nhảy: Loại cáp này thường có số sợi quang ít, các đặc tính chủ yếu là: kích thước bên ngoài nhỏ, mềm dẻo, cho phép uốn cong, dễ dàng thao tác và hàn nối, cáp cần có đặc tính chống gặm nhấm tốt Vì cáp loại này thường bám sát tường nhà và thiết bị phải đảm bảo không bắt lửa, khơng phát khí độc phịng Cấu trúc loại cáp này thường ở dạng bọc chặt để đảm bảo kích thước nhỏ và Cáp quang sợi dùng làm cáp nhảy để đấu nối các trạm đầu cuối Trên số tài liệu, ta thường gặp hai thuật ngữ viết tắt IFC, OSP IFC (Intrafacility fiber cable) là loại cáp dùng nhà, có lớp bảo vệ vật lý và việc thi công lắp đặt linh hoạt OSP (Outside plant cable) là loại cáp dùng ngoài trời, chịu những điều kiện khắc nghiệt nhiệt độ, độ ẩm, bụi loại cáp này có nhiều lớp bảo vệ Cáp ngậm nước và cáp quang biển: Cáp ngậm nước sử dụng để thả qua sơng hoặc qua đồng lầy Vì loại cáp này cần đáp ứng số yêu cầu sau: + Tính chống ẩm và chống thấm nước các vùng có áp suất đặc biệt lớn + Có khả chống dẫn nước dọc theo cáp + Có khả chịu lực kéo quá trình lắp đặt hoặc sửa chữa + Có khả hàn nối sửa chữa dễ dàng + Có cấu trúc tương thích với cáp đặt đất liền + Ruột cáp thường bao bọc ống nhôm hoặc ống đồng ngăn ẩm cần chú ý đến ảnh hưởng hydro 1.7) Ưu điểm nhược điểm sợi cáp quang:  Ưu điểm: Dung lượng lớn : Các sợi quang có khả truyền những lượng lớn thông tin Với công nghệ hai sợi quang có thể truyền đồng thời 60.000 đàm thoại Một cáp sợi quang (có đường kính ngoài cm) có thể chứa khoảng 200 sợi quang, tăng dung lượng đường truyền lên 6.000.000 đàm thoại So với các phương tiện truyền dẫn dây thông thường, cáp lớn gồm nhiều đôi dây có thể truyền 500 đàm thoại cáp đồng trục có khả với 10.000 đàm thoại và tuyến viba hay vệ tinh có thể mang 2000 gọi đồng thời Kích thước và trọng lượng nhỏ : So với cáp đồng có dung lượng, cáp sợi quang có đường kính nhỏ và khối lượng nhẹ nhiều Do đó dễ lắp đặt chúng hơn, đặc biệt ở những vị trí có sẵn dành cho cáp (như các đường ống đứng các tòa nhà), ở đó khoảng khơng là Khơng bị nhiễu điện : Truyền dẫn sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ (EMI) hay nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và nó không tạo nhiễu nội nào Sợi quang có thể cung cấp đường truyền “sạch" ở những môi trường khắc nghiệt Các công ty điện lực sử dụng cáp quang, dọc theo các đường dây điện cao để cung cấp đường thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp Cáp sợi quang cũng không bị xuyên âm Thậm chí dù ánh sáng bị xạ từ sợi quang nó khơng thể thâm nhập vào sợi quang khác Tính cách điện : Sợi quang là vật cách điện Sợi thủy tinh này loại bỏ nhu cầu các dịng điện cho đường thơng tin Cáp sợi quang làm chất điện mơi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cho phép cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng Nó có thể loại bỏ nhiễu gây bởi các dòng điện chạy vòng đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi phóng điện các đường dây thông tin sét hay những trục trặc điện Đây thực là phương tiện an toàn thường dùng ở nơi cần cách điện Tính bảo mật : Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao Một sợi quang khơng thể bị trích để lấy trộm thông tin các phương tiện điện thông thường dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, và khó trích để lấy thơng tin ở dạng tín hiệu quang Các tia sáng truyền lan ở tâm sợi quang và hoặc khơng có tia nào thoát khỏi sợi quang đó Thậm chí trích vào sợi quang nó có thể bị phát nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu đầu cuối Trong các tín hiệu thông tin vệ tinh và viba có thể dễ dàng thu để giải mã Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng : Sợi quang là phương tiện truyền dẫn đồng và không gây tượng pha-đinh Những tuyến cáp quang thiết kế thích hợp có thể chịu đựng những điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt và chí có thể hoạt động ở nước Sợi quang có thời gian hoạt động lâu, ước tính 30 năm số cáp Yêu cầu bảo dưỡng hệ thống cáp quang là so với yêu cầu hệ thống thông thường cần lặp điện tuyến thông tin; cáp không có dây đồng, là yếu tố có thể bị mòn dần và gây hoặc lúc có lúc khơng có tín hiệu; và cáp quang cũng không bị ảnh hưởng bởi ngắn mạch, tăng vọt điện áp nguồn hay tĩnh điện Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video Các hệ thống này có thể tương thích với các chuẩn RS.232, RS422, V.35, Ethernet, Arcnet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp và cịn nhiều nữa Tính mở rộng: Các hệ thống sợi quang thiết kế thích hợp có thể dễ dàng mở rộng cần thiết Một hệ thống dùng cho tốc độ số liệu thấp, ví dụ T1 (1544 Mb/s) có thể nâng cấp trở thành hệ thống tốc độ số liệu cao hơn, OC-12 (622 Mb/s), cách thay đổi các thiết bị điện tử Hệ thống cáp sợi quang có giữ nguyên cũ Sự tái tạo tín hiệu: Cơng nghệ ngày cho phép thực những đường truyền thông cáp quang dài 70 km trước cần tái tạo tín hiệu, khoảng cách này có thể tăng lên tới 150 km nhờ sử dụng các khuếch đại laze Trong tương lai, công nghệ có thể mở rộng khoảng cách này lên tới 200 km và có thể 1000 km Chi phí tiết kiệm sử dụng các lắp trung gian và việc bảo dưỡng chúng có thể là khá lớn Ngược lại, các hệ thống cáp điện thông thường vài km có thể cần có lặp  Nhược điểm: Vấn đề biến đổi điện - quang Trước đưa tín hiệu thơng tin điện vào sợi quang, tín hiệu điện đó phải biến đổi thành sóng ánh sáng (có bước sóng 850, 1310 hoặc 1550 nm) Công việc này các thiết bị điện tử thực đầu phát, các thiết bị này tạo khn dạng thích hợp cho tín hiệu thơng tin và biến đổi nó thành tín hiệu quang sử dụng đèn LED hoặc phát laze bán dẫn Sau đó tín hiệu quang này truyền lan nhờ sợi quang Tại đầu thu, tín hiệu quang phải biến đổi trở tín hiệu điện khả dụng Chi phí thiết bị điện tử biến đổi tín hiệu cần xem xét tất các ứng dụng Đường truyền thẳng Cáp quang cần có đường thẳng Cáp chôn trực tiếp, đặt các ống hoặc treo không theo đường thẳng Điều này có thể đòi hỏi phải mua hoặc thuê tài sản, nơi có đường cáp quang qua Đôi có những đường thẳng cho các tuyến cáp Đối với những nơi vùng rừng núi hay số khu vực đô thị các phương pháp thơng tin vơ tuyến có thể thích hợp Yêu cầu lắp đặt đặc biệt Do sợi quang chủ yếu làm thủy tinh silic, nên cần phải có những kỹ thuật đặc biệt xây dựng và lắp đặt các tuyến thông tin cáp quang Các phương pháp lắp đặt cáp đồng thơng thường, ví dụ uốn cong, bọc dây, hay hàn khơng cịn áp dụng nữa Đồng thời phải có các thiết bị sợi quang thích hợp để kiểm tra đo thử các sợi quang Các kỹ thuật viên phải đào tạo lắp đặt và triển khai cáp quang Vấn đề sửa chữa Không dễ dàng sửa chữa các đường cáp quang bị hư hỏng Các quy trình sửa chữa địi hỏi phải có nhóm kỹ thuật viên có kỹ tốt các thiết bị thích hợp Trong số trường hợp có thể cần thay toàn đoạn cáp bị hỏng Vấn đề này trở nên phức tạp nhiều có nhiều ngưởi sử dụng phục vụ đoạn cáp bị hỏng đó Vì cần có thiết kế hệ thống thích hợp với việc định tuyến liên lạc phịng bị cho những tình hỏng hốc bất ngờ các đường cáp quang Ứng dụng sợi cáp quang: 2.1) Trong công nghiệp: - Kết nối hai hay nhiều điều khiển PLC, PAC, Micro controllers - Vi điều khiển thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp: RS232, RS422, RS485 - Kết nối hệ thống profield bus SiemensĐương bus theo: ARCNET, DeviceNet, - Các camera giám sát công nghiệp - Hệ thống LAN công nghiệp thông qua các Switches công nghiệp - Hệ thống đường trục Ethernet mạng DCS, SCANDA hoặc hệ thống giám sát tham số ứng dụng 2.2) Trong truyền thông tin: Dịch vụ truy cập internet phổ biến thị trường là ADSL với tốc độ tối đa vào khoảng 5.000 Kbps So với ADSL, tốc độ truy cập internet sử dụng đường truyền cáp quang lớn nhiều lần và vượt qua ngưỡng chuẩn ADSL2+ (download/upload = 24Mbps/1Mbps) Tốc độ tối đa truyền dữ liệu cáp quang có thể lên tới Gbps, nhanh gấp 200 lần so với ADSL2+ Bên cạnh đó, truyền cáp quang có ưu đặc biệt độ ổn định cao, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện trường, từ trường, độ bảo mật cao và khả nâng cấp băng thông không giới hạn Những ưu điểm bật như: - Download & Upload dữ liệu cực nhanh,tốc độ chiều - Sử dụng nhiều máy tính, chạy nhiều ứng dụng mạng lúc - Kết hợp với truyền hình trực tuyến IPTV để đưa giới nhà với muôn vàn phim Quốc tế đặc sắc, nhất, cập nhật kịp thời Cùng với 51 kênh truyền hình với đủ thể loại Ngoài các dịch vụ nghe nhạc, hát karaoke online,… -Phục vụ hội nghị truyền hình,họp giao ban giữa các chi nhánh Công ty hay Hội chuẩn khám chữa bệnh qua mạng, đào tạo giáo dục từ xa… -Thiết kế hệ thống camera giám sát nhà bạn bạn vắng nhà? Camera giám sát nơi công sở , Siêu thị từ xa ,Nhà Kho…(ip camera) -Ứng dụng tốt cho các ứng dụng như: Host… 2.3) Trong y học: -Một những ứng dụng quan trọng sợi quang la lĩnh vực y học Các nhà giải phẩu có thể dùng sợi quang học để chẩn đoán hình ảnh bên thể người, điều này giúp cho việc chẩn đoán và phẫu thuật phương pháp nội soi cách dễ dàng Nội soi phế quản_ Ống nội soi chế tạo từ sợi quang (mềm cứng) 2.4) Trong trang trí Sợi quang ứng dụng nhiều lĩnh vực trang trí 3 Quy trình sản xuất sợi quang: Công nghệ in 3D giờ áp dụng vào việc sản xuất cáp quang sợi thủy tinh Về bản, ta khó có thể hình dung quy trình sản xuất sợi thủy tinh, loại vật liệu siêu nhỏ và phức tạp mặt hóa học và quang học Nhưng quy trình sản xuất cáp quang đại bao gồm bước: tạo khn phối và kéo sợ Quy trình tạo khuôn phôi: Đầu tiên, ống thủy tinh rỗng nhấn chìm bể chứa silicon dioxide để loại bỏ hoàn toàn các chất cặn bã và sau đó mang đun nóng Sau quá trình đó, ống thủy tinh trở nên rắn hơn; ống thủy tinh này là lõi sợi cáp quang Thi công cáp quang: