Theo mode lan truyền sợi quang được chia làm hai nhóm:
• Sợi quang đơn mode (được gọi tắt là SM): loại này chỉ cho một mode lan truyền. • Sợi quang đa mode: cho phép nhiều mode lan truyền.
2.2.3. Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ
Loại cáp quang phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ bao gồm:
a>Sợi quang đa-mode chiết suất phân bậc:
Khi ánh sáng đi vào lõi của cáp quang theo một góc nào đó sẽ lan truyền trong lõi theo phương thức phản xạ hoàn toàn. Khi cáp quang bị uốn cong đột ngột thì góc giữa đường quang và mặt phẳng biên có thể lớn hơn góc tới hạn do vậy tổn hao sang mặt áo sẽ tăng lên. Trong kiểu sợi quang đa phương thức ánh sáng đi thẳng và ánh sáng phản xạ hoàn toàn với góc lớn sẽ có các góc khác nhau. Tỷ lệ với sự chênh lệch này có sự chênh lệch về thời điểm đến của đầu cuối làm cho việc truyền thông tin đến các địa điểm xa vài trụcMHz-Km.
b> Sợi quang đa – mode chiết suất biến đổi:
Sợi quang đa model chỉ số lớp: Được thiết kế để giảm độ sai lệch về thời gian như đã đề cập ở trên. Loại sợi quang này có hệ số khúc xạ lớn nhất tại lõi của nó và có độ khúc xạ nhỏ hơn về phía áo sợi quang Điều này có nghĩa là sự phân bố hệ số khúc xạ có hình chuông. Nếu đúng như vậy thì tốc độ của ánh sáng mà nó bị uốn cong theo chiều dài sẽ tăng lên khi hệ số khúc xạ giảm đi và do vậy ánh sáng sẽ dến đầu cuối ra gần đúng như thể ánh sáng đã lan truyền theo một đường thẳng. Vì vậy nó có thể giữ nhiều thông tin ( GHz-Km) gấp hàng trăm nghàn lần so với sợi quang chi số bước.
Đường kính của lõi sợi quang chỉ số lớp này là 50µm và đường kính của áo sợi quang là 125 µm.
c> Sợi quang đơn mode (Nằm trong nhóm sợi quang chiết xuất phân bậc):
Đường kính và lõi của sợi quang đơn model nhỏ hơn nhiều so với sợi quang đa model. Khi đường kính và lõi của sợi quang giảm xuống và độ sai lệch về hệ số khúc xạ giữa lõi và áo sơị quang giảm đi. Trong trường hợp này không có sự khác biệt nào về thời gian do sự khác biệt giữa các góc lan truyền gây ra vì vậy nó có dải thông truyền dẫn lớn (100GHz-Km hoặc hơn nữa).
2.4. Các nguyên tắc lan truyền ánh sáng của sơi quang
2.4.1. Ánh sáng truyền qua sợi quang đa model chiết xuât bậc
Đa mode chiết xuất bậc đa dạng sóng có chiết suất nhảy bậc. Sợi quang đa model chiết suất bậc có đường kính chỉ bằng đường kính của 1sợi tóc, bọc bên ngoài là vỏ cũng bằng thuỷ tinh có chiết suất bé hơn. Độ rộng băng tần đạt đến 100MHz/Km. Khi một tia sáng đi vào sợi quang với một góc tương đối hẹp, nó bị phản xạ liên tục ở đường biên cho đến khi nó chạy ra ở đầu cuối.
Có nhiều tia sáng trong lõi, n1=const nên tốc độ của ánh sáng trong lõi là: c/n1=const.
Vậy mọi tia sáng được truyền trong lõi sợi có vận tốc giống nhau. Tia nào có quãng đường đi ngắn thì thời gian truyền nhỏ sẽ đến sớm hơn và ngược lại. Các tia sáng đến cuối sợi cáp không đồng thời. Xung ánh sáng ở cuối sợi cáp là xung quang tổng hợp thành phần đến xung cuối sợi cáp bị dãn rộng và sụt đỉnh, xuất hiện giao thoa giữa các xung quang ( méo tín hiệu) . Vì những lý do trên mà sợi quang SI-MM chỉ sử dụng cho các đường truyền tốc độ thấp cỡ chục Mb/s trong các tuyến có cự ly ngắn, không dùng trong các tuyến đường trục.
Hình 2.4: Ánh sáng truyền qua sơi quang đa mode chiết suất bậc.
Hình 2.4. Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết suất bậc
2.4.2. Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết xuất liên tục ( GI-MM)
Hình 2.5: ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết suất liên tục.
Sợi quang đa mode- Chiết suất giảm dần có đường kính lõi gần 50µm. Độ rộng băng tần đạt khoảng 1GHz.Km. Cấu tạo của lõi sợi quang coi như tạo bởi nhiều thấu kính hội tụ xếp đặt theo thứ tự nhất định.
Có nhiều tia sáng được truyền trong lõi, n1 giảm theo bán kính nên vận tốc của tia sáng trong lõi là :
c/n ≠ const
Vậy tia sáng nào gần tâm lõi thì vận tốc nhỏ xa lõi thì vận tốc lớn. Do chiết suất lõi giảm liên tục theo chiều tầng của bán kính nên tia sáng không truyền thẳng mà sẽ bị uốn cong đều có xu hướng quay trở lại lõi. Quỹ đạo của tia sáng gần giống như hình sin,
có tia sáng chưa kịp tới bề mặt tiếp giáp giữa n1và n2 thì đã bị uốn cong quay trở lại lõi. Tia sáng nào có quãng đường đi dài thì có vận tốc lớn, tia sáng có quãng đường đi ngắn thì có vận tốc nhỏ. Các tia sáng đến cuối sợi cáp tương đối đồng thời nên xung quang ít sụt đỉnh ít bị giãn rộng. Vì vậy sợi GI- MM có khả năng truyền tốc độ cao hơn SI-MM. Thường được sử dụng ở các đường truyền có tốc độ hàng trăm Mb/s.
2.4.3. Sợi quang đơn mode chiết suất bậc
Hình 2.6: Ánh sáng truyền qua sợi quang đơn mode chiết suất liên tục.
Đường kính của sợi quang được làm thật bé chỉ có ánh sáng song song với trục được truyền đi như thế sự đa dạng và méo xung được khắc phục, đường kính của sợi bằng 5µm. Theo lý thuyết lượng thông tin truyền qua sợi quang đạt tới 100Gb/s. Độ rộng băng tần được coi là vô hạn. Nhưng điều này còn bị giới hạn bởi nguồn sáng chỉ còn 10GHz/Km.
Ánh sáng truyền trong sợi thì đạt được diều kiện chỉ còn mode cơ bản được truyền trong lõi sợi. Có hai cấu trúc cơ bản của sợi quang đơn mode.
2.5. Đặc tính suy hao của sợi quang ( Ký hiệu suy hao = AT )
- Suy hao của sợi quang là một trong các thông số quan trọng để xác định khoảng cách thông tin trên mỗi khoảng lặp cực đại. Tính bằng dB/Km.
- Suy hao phụ thuộc vào bước sóng truyền qua sợi quang và phụ thuộc vào lõi sợi quang. Nhưng suy hao phải đủ nhỏ có thể truyền công suất quang từ đầu phát đến đầu thu đạt chỉ tiêu theo thiết kế.
2.5.1. Các yếu tố suy hao bên trong
Khi ánh sáng truyền trong sợi quang ánh sáng bị hấp thụ do bị cộng hưởng cực tím(UV)kết hợp với cấu trúc các nguyên tử tinh thể, đuôi cộng hưởng hồng ngoại kết hợp với các liên kết phân tử.
a> Suy hao do tác động của ánh sáng vào các điện tử của nguyên tử (AT) mà đỉnh hấp thụ của nó nằm trong vùng cực tím(UV), còn đuôi của nó lan sang vùng gần hồng ngoại (IR)- là vùng bước sóng hoạt động của các sợi quang.
b> Do tán xạ Rayleigh do sự thay đổi bất thường thành phần của góc nhiệt động học trong vật liệu thuỷ tinh.
2.5.2. Suy hao do công nghệ chế tạo sợi quang
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