a> Lượng hấp thụ ánh sáng do chất bẩn của thuỷ tinh đặc biệt có hại hơn là lẫn các ion kim loại vào sợi quang. Nhưng với kỹ thuật chế tạo sợi quang bây giờ yếu tố này có thể bị loại bỏ.
b> Một loại chất bẩn nữa mà kỹ thuật hiện nay không thể loại bỏ được là gốc nước OH gây ra đỉnh hấp thụ ở bước sóng 1,38 µm có trị số suy hao 40 dB/Km khi trọng lượng chiếm một phần triệu. Công nghệ sản xuất sợi quang hiện nay cho phép suy hao gốc nước OH gây nên chỉ chiếm khoảng 0.3 dB/Km đến 2dB/Km. Ngoài ra còn các đỉnh hấp thụ OH gây ra ở các bước sóng 1,25 µm và 0.9 µm nhưng có trị số suy hao bé hơn. Những đỉnh này trước đây rất quan trọng đã ảnh hưởng đến các cửa sổ suy hao thấp.
- Cửa sổ suy hao thứ nhất gần 0,85µm. - Cửa sổ suy hao thứ hai gần 1,3 µm. - Cửa sổ suy hao thứ ba gần 1,55 µm
c> Quá trình sản xuất các công đoạn chế tạo phôi thuỷ tinh, kéo sợi gây ra các khuyết tật và ứng suất làm suy hao khoảng 0,15 - 0,16 dB/Km đối với sợi đa mode tại cửa sổ thứ ba.
2.5.3. Các nguyên nhân gây suy hao ngoài
a> Khi lắp đặt và hàn nối sợi làm cho trục của lõi sợi bị biến dạng gây nên cho sợi cong và vi cong.
Suy hao vi cong có thể do hai nguyên nhân sau: - Nhiệt độ và lực ép khi lắp đặt cáp.
- Khi đặt sợi cáp trong quá trình sản xuất và chế tạo sợi cáp.
b> Khi lắp đặt lực ép vào các bề mặt gồ ghề của vỏ sợi hoặc do oằn sợi nằm trong vỏ cáp.
c> Sự phụ thuộc vào nhiệt độ:
Do vật liệu chất độn và vật liệu cáp có hệ số dãn nở khác nhau. Khi nhiệt độ thay đổi làm cho lực ép vào sợi quang cũng thay đổi từ đó sẽ tạo ra suy hao vi cong do biến đổi sợi.
2.5.4. Suy hao do hàn nối sợi
Các bộ nối để nối hai đầu của sợi quang với nhau trên panel hoặc các cổng “đuôi heo” của thiết bị. Đặc tính quan trọng của bộ nối là phải gắn với lõi với mức độ chính xác cao, cụ thể làm tâm của hai lõi không được lệch nhau quá phạm vi cho phép và khe hở hai đầu của sợi phải thật bé để phản xạ nhỏ nên suy hao phải thật bé.
- Suy hao khi nối hai sợi có lõi khác nhau. - Suy hao do nối hai sợi có góc mở khác nhau. - Suy hao do đặt lệch sợi và sợi không đồng tâm.
- Suy hao gây ra do mặt cắt của hệ số khúc xạ không đối xứng. - Suy hao do khoảng cách giữa hai đằu của sợi đặt xa nhau. - Suy hao do hai đầu của sợi có góc nghiêng.
- Suy hao do phản xạ Frenel.
2.5.5. Méo mode
Yếu tố cuối cùng sinh ra sự suy giảm tín hiệu là méo giữa các mode. Đây là hậu quả của của sự chênh lệch về trễ nhóm đối với từng mode riêng rẽ tại một tần số đơn thuần.
2.6. Các hình thức lắp đặt cáp 2.6.1. Cáp treo
a> Cáp treo được phân loại có dây treo ngoài và có dây treo trong. Sợi cáp được nâng lên và gắn buộc vào dây treo với vỏ ngoài của cáp. Khi thi công chỉ cần nâng và gắn day treo đó vào cột. Cách lắp đặt loại này nhanh gọn, ít tốn kém hơn, nhưng ảnh hưởng đến các công trình khác, không đảm bảo mỹ quan thành phố hoặc điều hành giao thông.
Đối với cáp có dây treo ngoài không đòi hỏi lực căng đặc biệt mà chỉ cần có khả năng chịu nhiệt tốt và đặc tính cơ học tốt. Loại này dùng cho những vùng có băng và gió mạnh hoặc có khoảng lặp quá dài.
Laghing wire 20mm 12mm G – FAP Support member
Meternal Strength Member
Optic al Unit Fiber Strength member Polyruetha ng sheath Slotted coer Kelat strength member Polyethylen Sheath With internal Sheangth member 12mm With internal streng member Hình 2.7: Các loại cáp phòng tự treo.
Loại tự treo phải có ứng suất cơ và nhiệt cao trong quá trình khai thác, phải đảm bảo chịu được lực căng lớn. Loại có dây treo ngoài có thể sử dụng mọi loại cấu trúc nhưng loại tự treo chỉ dùng cấu trúc đệm lỏng để sợi không gian di chuyển tự do.
2.6.2. Cáp cống
Đường cống đặt cáp làm bằng bê tông, ống sành hoặc ống nhựa được nối với nhau bằng các bể cáp (hầm cáp) sau đó cáp được luồn vào trong cống. Hình thức này xây dựng tốn kém. Kỹ thuật lắp đặt phức tạp, nhưng nó thích hợp với mạng lưới cố định, lâu dài và đảm bảo mỹ quan trong thành phố, không gây cản trở giao thông, quản lý mạng cáp tiện.
Cáp cống không có dây bện để treo.
Cáp cống phải chụi lực kéo và chống vặn cáp khi kéo vào cống. Cáp phải nhẹ để lắp đặt trong tuyến có cự ly dài và mềm mại tránh dủi do khi lắp đặt. Vỏ cáp chọn sao cho tự nó có khả năng giảm ma sát đến mức tối thiểu để kéo đặt trong cống dễ dàng thường là vỏ PE.
2.6.3. Cáp chôn trực tiếp
Là loại cáp được đặt dưới đất ở độ sâu cách mặt đất từ 0,5m đến 0,9m. Khi thi công phải đào rãnh để đặt cáp sau đó phủ đất lên.
Loại cáp này cần có lớp vỏ sắt để bảo vệ đề phòng bị đào bới vào cáp. Lớp vỏ sắt ở ngoài gồm các vỏ thép hoặc các băng thép giống như cáp đồng thông thường. Ngoài cùng có lớp vỏ PE phủ lên lớp vỏ thép.
2.6.4. Cáp trong nhà và cáp vượt
Cáp trong nhà là loại cáp có ít sợi có cấu trúc chặt để cho đường kính của cáp nhỏ và mềm mại chống va đập, dễ nối. Có khả năng chống gậm nhấm và chống xây xát.
Cáp vượt giữa các nhà cao tầng cũng là loại cáp trong nhà (có thể sử dụng loại cáp tự treo).
Cáp trong nhà và cáp vượt đều phải dính sát tường nhà cao tầng vỏ cáp phải được chế tạo bằng chất không bắt lửa không tạo ra hơi độc và khói đen.
Hình 2.8: Cáp trong nhà và cáp vượt.
2.6.5. Cáp thả dưới nước
a> Cáp thả dưới nước là loại cáp thả qua ao, hồ, sông ngòi và đồng ruộng hoang có nước sâu.
b> Loại cáp này phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
• Vỏ cáp này phải được gia cường chịu được sức kéo đứt do dòng nước chẩy, chống ăn mòn vỏ cáp và khi kéo lắp đặt.
• Chống ẩm và chống thấm nước tại vùng có áp xuất cực đại, chống thấm dọc cáp. • Chịu lực ép tĩnh cao, chịu đựng sự va chạm.
2.6.6. Cáp thả biển 2,5mm PVC SHEATH ARAMID FIBER STRENGTHMEMBER TIGHT JACKETED FIBER SINGLE FIBER CABLE STRENGT H MEMBER FIBE RS PVC SHEATH FLAT UNDER CARPET CABLE
Cáp quang thả biển phải có suy hao bé, băng tần rộng để đạt được đoạn lặp cực đại. Vì vậy phải sử dụng sợi đơn mode. Tuyến cáp quang thả biển phải có độ tin cậy cao, các đặc tính cơ học và truyền dẫn phải ổn định trong một thời gian không ít hơn 25 năm. Cáp quang thả biển phải có cấu trúc cơ bản như hình vẽ dưới đây. Hai lớp dây sắt ở gần tâm đóng vai trò phần tử gia cường để chống lại lực kéo và lực ép của nước. Các ống kim loại bằng đồng và bằng nhôm ở phía trong và phía ngoài để ngăn nước và làm dây dẫn cấp nguồn cho cáp trạm lặp. Điện trở một chiều của ống dẫn khoảng 0,7Ω/Km.
Hình 2.9: Cáp thả biển.
Vỏ bọc bên ngoài cũng bằng PE phải vững chắc để bảo vệ cáp và có khả năng cách điện cao khi có cấp nguồn cao áp. Đối với cáp cần bảo vệ đặc biệt thì các sợi thép của vỏ sắt phải có thêm lớp vỏ plastic. Các sợi quang có tới 12 sợi đơn mode. Hai giải pháp được sử dụng: các sợi được bọc và soắn xung quanh sợi gia cường trung tâm và
METAL RIBBON SLOTTED CORE (METALLIC OR NOT) PLASTIC SHEATH ARMOUR
ING PLASTIC SHEATH
POLYETHYLENE INSULATING SHEATH TIGH T FIBE R CENTRAL WIRE WATER BLOCKING COMPOUMD METALLIC TUBE FIBE R METALLIC TUBE STRENGTH MEMBER STEEL WIRES 26mm
đặt trong chất độn plastic hoặc cao su silicon, còn nếu sợi lỏng thì đặt trong lõi có khe được làm đầy bằng dầu thích hợp.
+ Cáp thả biển phải đáp ứng được những yêu cầu sau:
• Có đủ sức chụi đựng lực căng đảm bảo cho sợi bị kéo căng ít nhất khi lắp đặt hoặc khi nằm dưới đáy biển sâu hoặc khi bị cá mập tấn công trong vùng nước nóng. Trong trường hợp thứ hai cáp phải có vỏ sắt lực căng thông thường của cáp không có vỏ sắt là 10.000 kg.
• Chống lại áp suất của nước tại độ sâu đã quy định. Hầu hết cáp thả biển được thiết kế để đặt ở độ sâu cực đại là 8.000m.
• Trọng lượng trong nước: Tham số này ảnh hưởng đến độ căng của cáp khi lắp đặt. Cáp không có vỏ sắt thì trọng lượng khoảng 0,5 kg/m bằng khoảng một nửa trọng lượng trong không khí.
2.7. Hàn sợi quang 2.7.1. Nhận xét
Nhìn ở bên ngoài sợi quang ta không thể phân biệt được sợi đa mode hay đơn mode. Vì đường kính vỏ của hai loại đều như nhau, chỉ có đường kính của lõi sợi đa mode là lớn hơn sợi đơn mode. Bởi vậy kỹ thuật hàn sợi đơn mode phải cao hơn.
• Suy hao mỗi mối hàn sẽ phụ thuộc vào kỹ thuật hàn. • Trước khi hàn phải chuẩn bị đầu sợi để hàn như sau:
Bóc hết các lớp vỏ giấy chống ẩm, sợi tơ thuỷ tinh vv...chỉ để lại các ống đệm có sợi quang và dây dẫn cấp điện nguồn (nếu có) và các sợi gia cường với độ dài khoảng thích hợp.
b> Khi kéo vỏ nhựa ra khỏi sơi dây phải đặt sợi dây thẳng và tay phải kéo nhẹ kìm để sợi dây không bị đứt.
c> Tiếp theo dùng kìm và dao tuốt vỏ bảo vệ sợi dây là lớp vỏ đầu tiên của sợi dây bọc bằng silicol. Sau đó dùng bông hoặc giấy mềm khô để lau lần cuối cùng. Khi sợi đã sạch lúc đó dùng dao cơ khí hoặc điện để cắt sợi dây: cắt bỏ một đoạn dài khoảng 2-3cm.
d> Làm ống báo vệ mối hàn vào một sợi để sau khi hàn song đậy ống này lên mối hàn bảo vệ mối hàn an toàn.
2.7.2. Phương pháp hàn cơ học
Hàn cơ học là dùng các thiết bị cơ học đặt các đầu sợi cần hàn đúng một vị trí cần hàn cố định.
a> Hàn cơ học bằng ống mao dẫn:
Hình 2.10: Hàn cơ học bằng ống mao.
• ống mao dẫn làm bằng vật liệu thuỷ tinh hoặc dùng vật liệu gồm có lỗ khoan trong lõi, với lỗ đường kính lớn hơn đường kính sợi quang một ít sao cho chỉ đưa khít được sợi quang vào mà thôi.
• Sau đó gài sợi quang vào bên trong và bịt kín cố định.
HOLE
GLASS OR
CERAMIC CAPILLARY OPTICAL
• Có một lỗ khoan ở giữa thanh ống để bỏ keo dán vào trong lỗ khoan để giữ cho sợi quang ổn định cơ học và làm phù hợp chỉ số khúc xạ, tránh sự phản xạ.
b> Hàn cơ học bằng măng xông cơ nhiệt:
Một trong hai đầu sợi được gài vào măng xông có điểm nóng chảy thấp hơn silicol sau đó đốt nóng cho măng xông co lại và áp xuất vào sợi. Đưa chất keo dán bảo vệ cho sợi từ một đầu của măng xông.
Sợi thứ hai được gài vào nửa còn lại của măng xông và được giữ chặt nhờ keo dán Epoxy đổ đầy vào trong ống.
Hình 2.11: Hàn cơ học bằng măng xông cơ nhiệt.
COLLAPSED SLEEVE OPTICALFIBER EPOXY
CHƯƠNG III: NGUỒN PHÁT QUANG 3.1. Nguyên lý bức xạ ánh sáng của chất bán dẫn
3.1.1. Nguyên lý bức xạ ánh sáng
Nguồn phát quang dùng trong thông tin sợi quang thích hợp là các linh kiện quang bán dẫn gồm diode bức xạ ánh sáng LED và diode laser LD.
Các nguồn phát quang bán dẫn dùng trong thông tin quang như LED và diode laser LD dựa trên nguyên lý bức xạ ánh sáng do sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống xảy ra trong vùng chuyển tiếp P-N của chất bán dẫn được đặt dưới điện áp thuận. Vùng tiếp giáp P-N này được gọi là vùng hoạt tính của LED và LD.
Theo thuyết vật lý chất bán dẫn trong các tinh thể, các điện tử hoá trị của các nguyên tử của nó có các mức năng lượng phân bố gián đoạn theo những vùng hay dải khác nhau (hình 3.1).
Vùng dưới gồm các mức năng lượng thấp hơn gọi là vùng hoá trị với mức đỉnh ký hiệu là B (ev), vùng trên gồm các mức năng lượng cao hơn gọi là vùng dẫn với mức thấp nhất ký hiệu là Ec. Vùng giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn không tồn tại mức gọi là vùng cấm, ký hiệu là EG (band gap), nó có giá trị là:
EG=EC – EV (eu)
Tuỳ theo trạng thái của chất bán dẫn, trong vùng năng lượng các điện tử có thể chiếm đầy hoàn toàn các mức, chiếm một số mức hoặc để trống hoàn toàn. Trong điều kiện cân bằng nhiệt của chất bán dẫn đại đa số các điện tử nằm tại các mức trong vùng hoá trị, có rất ít điện tử nằm ở vùng dẫn. Chất bán dẫn không phát xạ ánh sáng.
Quá trình bức xạ ánh sáng do tái hợp của chất bán dẫn diễn ra theo 3 giai đoạn sau đây:
• Sự hấp thụ năng lượng từ bên ngoài gọi là nguồn bơm. • Sự dịch chuyển điện tử lên trạng thái kích thích.
• Sự chuyển dich điện tử tái hợp.
Khi chất bán dẫn được cấp một năng lượng có mức lớn hơn năng lượng vùng cấm E>EG (gọi là nguồn bơm) thí dụ như tăng nhiệt độ, chiếu ánh sáng hoặc cấp điện áp định thiên, thì một số điện tử nằm ở mức E1 trong vùng hoá trị (gọi là mức ổn định) hấp thụ được năng lượng cấp này sẽ dịch chuyển lên mức E2 thuộc vùng dẫn và tại vùng hóa trị hình thành các lỗ trống, số lỗ trống bằng số điện tử đã dịch chuyển lên vùng dẫn.
Điện tử nằm ở mức E2 này gọi là điện tử ở trạng thái bị kích thích. Vì trạng thái kích thích của điện tử là không ổn định, nên chúng sẽ bị hạt nhân nguyên tử hút quay trở về mức ổn định E1 trong vùng hoá trị.
Khi điện tử dịch chuyển từ mức E2 về mức E1 để tái hợp với lỗ trống thì một năng lượng được giải phóng. Nếu năng lượng giải phóng dưới dạng ánh sáng (photon) thì sự dịch chuyển tái hợp bức xạ. Ánh sáng phát ra của dịch chuyển này được tính theo định luật Planck là: 1 2 E E ch − = λ (3.1)
Với h=6,625. 10-34 Js gọi là hằng số Planck ev=1,6.10-19 J
e=1,6.10-19C
Nếu năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt đốt nóng mạng tinh thể (gọi là phonon) thì dịch chuyển gọi là dịch chuyển tái hợp không bức xạ. Nếu một điện tử từ trạng thái bị kích thích (từ mức E2) dịch chuyển trở về trạng thái ổn định (về mức E1) một cách tự nhiên để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ ra một photon ánh sáng, thì bức xạ ánh sáng như vậy được gọi là bức xạ tự phát (Spontaneous Emission). Ánh sáng của các photon bức xạ tự phát có bước sóng tính theo công thức trên nhưng có hướng và pha tuỳ ý, nên gọi là ánh sáng không kết hợp, nó có cường độ yếu. Nếu một điện tử đang nằm ở trạng thái kích thích (mức E2) khi nhận được ánh sáng từ bên ngoài chiếu vào có năng lượng của photon là:
Ep=hv=E2 – E1 (ev) (3.2) thì ngay lập tức dịch chuyển về mức ổn định E1 để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ ra một photon ánh sáng. Bức xạ này gọi là bức xạ kích thích hay cưỡng bức (Stimulate Emission) sự bức xạ ánh sáng kích thích của Eistein. Ở đây v là tần số của photon chiếu
vào được tính theo công thức trên. Chúng có cùng hướng và đồng pha với nhau. Nên ánh sáng bức xạ kích thích gọi là ánh sáng kết hợp. Ánh sáng kết hợp có cường độ mạnh