Tài liệu Cáp quang và các vật liệu dùng trong công nghệ chế tạo cáp quang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM  Luận Văn Tốt Nghiệp Ngành: Sư phạm Vật Lí – Công Nghệ CÁP QUANG VÀ CÁC VẬT LIỆU DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁP QUANG Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: ThS - GVC Hoàng Xuân Dinh Nguyễn Thị Thùy Mỵ Lớp: SP Vật Lý_CN K34 MSSV: 1080327 Cần Thơ, 2011 MỤC LỤC Tóm tắt đề tài ........................................................................................................ 4 Phần MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 5 1 Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 5 2 Các giả thuyết của đề tài................................................................................. 5 3 Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài...................................... 5 3.1 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 5 3.2 Phương tiện thực hiện đề tài.................................................................... 6 4 Các bước thực hiện đề tài ............................................................................... 6 Phần NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 7 1.1 Sơ lược về bản chất của ánh sáng.................................................................. 7 1.1.1 Lý thuyết hạt ánh sáng........................................................................ 7 1.1.2 Lý thuyết sóng ánh sáng Huygens...................................................... 7 1.1.3 Lý thuyết điện từ của Maxwell........................................................... 7 1.1.4 Lý thuyết lượng tử ánh sáng............................................................... 8 1.2 Các tính chất cơ bản của ánh sáng................................................................ 8 1.2.1 Tính truyền thẳng của ánh sáng.......................................................... 8 1.2.2 Sự khúc xạ và phản xạ của ánh sáng .................................................. 8 1.3 Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang................................................. 9 Chương 2: SỢI QUANG .................................................................................... 11 2.1 Sợi quang ....................................................................................................... 11 2.2 Cấu trúc sợi quang........................................................................................ 11 2.3 Phân loại sợi quang....................................................................................... 12 2.4 Đặc điểm của sợi quang................................................................................ 12 2.5 Yêu cầu kỹ thuật của sợi quang................................................................... 13 Chương 3: CÁP QUANG ................................................................................... 15 3.1 Định nghĩa cáp quang................................................................................... 15 3.2 Ưu điểm của cáp quang................................................................................ 15 3.3 Lịch sử phát triển cáp quang ....................................................................... 15 3.4 Cấu tạo cáp quang ........................................................................................ 16 3.5 Phân loại cáp quang...................................................................................... 18 3.5.1 Phân loại theo cấu trúc ....................................................................... 18 3.5.2 Phân loại theo mục đích sử dụng........................................................ 19 3.5.3 Phân loại theo điều kiện lắp đặt.......................................................... 19 a) Cáp treo ................................................................................................... 19 b) Cáp kéo trong cống ................................................................................. 21 c) Cáp chôn trực tiếp ................................................................................... 25 d) Cáp đặt trong nhà ................................................................................... 31 e) Cáp ngập nước và thả biển ...................................................................... 32 3.6 Yêu cầu kỹ thuật của cáp quang ................................................................. 33 Chương 4: VẬT LIỆU CHẾ TẠO CÁP QUANG ........................................... 34 4.1 Lớp vỏ ............................................................................................................ 34 4.1.1 Vỏ PE................................................................................................. 34 4.1.2 Vỏ VPC .............................................................................................. 34 4.1.3 Vỏ halogen tự do ................................................................................ 35 4.2 Thành phần gia cường.................................................................................. 35 4.3 Thành phần chống ẩm.................................................................................. 36 4.4 Lớp lõi ............................................................................................................ 37 4.4.1 Lớp bảo vệ sợi quang ......................................................................... 37 a) Lớp vỏ sơ cấp (primary coating) ............................................................. 37 b) Lớp vỏ thứ cấp (secondary coating)........................................................ 37 4.4.2 Sợi quang ............................................................................................ 38 a) Sợi thủy tinh ............................................................................................ 39 b) Sợi thủy tinh Halogen ............................................................................. 39 c) Sợi thủy tinh tích cực .............................................................................. 39 d) Các loại sợi vỏ chất dẻo .......................................................................... 40 e) Sợi chất dẻo ............................................................................................. 40 4.5 Quá trình chế tạo................................................................................. 40 4.5.1 Giai đoạn tạo mẫu tiền chế ................................................................. 40 a) Phương pháp nấu chảy thủy tinh ............................................................. 41 b) Phương pháp động hơi hóa chất.............................................................. 42 4.5.2 Kéo sợi................................................................................................ 45 Chương 5: NHỮNG CẢI TIẾN MỚI TRONG CÁP QUANG VÀ CÁC VẬT LIỆU TIỀM NĂNG TRONG CHẾ TẠO SỢI QUANG........................ 47 5.1 Những cải tiến mới trong cáp quang........................................................... 47 5.1.1 Tốc độ truyền tải................................................................................. 47 5.1.2 Quá trình cải tiến ống chứa sợi quang ................................................ 47 5.1.3 Phát minh mới .................................................................................... 48 5.2 Các vật liệu tiềm năng trong chế tạo sợi quang ......................................... 49 5.2.1 Bọt biển .............................................................................................. 49 5.2.2 Vật liệu biến đổi photon ..................................................................... 50 5.2.3 Chế tạo cáp quang mới lõi kẽm senlenua ........................................... 51 5.2.4 Tạo sợi cáp quang cực nhỏ từ tơ nhện .........................................................53 Phần KẾT LUẬN Tài liệu tham khảo GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài: “CÁP QUANG VÀ CÁC VẬT LIỆU DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁP QUANG”. Gồm 3 phần: 1. Phần mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài, các giả thuyết của đề tài, các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài, các bước thực hiện đề tài. 2. Phần nội dung: Gồm có 5 chương - Chương 1: Cơ sở lý thuyết Trình bày những vấn đề về bản chất và các tính chất cơ bản của ánh sáng. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang. - Chương 2: Sợi quang Trình bày về định nghĩa sợi quang, cấu trúc sợi quang, đặc điểm sợi quang, phân loại sợi quang và các yêu cầu kỹ thuật của sợi quang. - Chương 3: Cáp quang Trình bày những điều về cáp quang như: Định nghĩa cáp quang, ưu điểm của cáp quang, lịch sử phát triển của cáp quang, cấu tạo cáp quang, phân loại cáp quang và yêu cầu kỹ thuật của cáp quang. - Chương 4: Vật liệu chế tạo cáp quang Trình bày các vật liệu chế tạo lớp vỏ, thành phần gia cường, thành phần chống ẩm và lớp lõi của cáp quang, quá trình chế tạo sợi quang. - Chương 5: Những cải tiến mới trong cáp quang và các vật liệu tiềm năng trong chế tạo sợi quang. Trình bày về những cải tiến trong cáp quang như tốc độ truyền tải, quá trình cải tiến ống chứa sợi quang và các vật liệu tiềm năng như bọt biển, vật liệu biến đổi và cáp quang lõi kẽm senlenua. 3 Phần kết luận: Tổng kết lại những kết quả đạt được và những hạn chế của đề tài, những dự định sẽ làm trong tương lai. Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 1 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ Phần MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Trước đây, cáp quang chỉ dùng để kết nối các đường trục chính của quốc gia, nhà cung cấp dịch vụ, doanh nghiệp lớn vì chi phí khá cao. Nhưng hiện nay, cáp quang được sử dụng khá rộng rãi ở các doanh nghiệp vừa, nhỏ, các trường đại học và người sử dụng thông thường. Internet đã khiến công nghệ cáp quang thực sự bùng nổ. Cáp quang là cơ sở của Internet và Wi-Fi. Internet đã trở thành một nhu cầu thiết yếu, giúp mọi người ở khắp nơi trên thế giới có thể giao tiếp, trao đổi, học tập, mua sắm, giải trí dễ dàng, nhanh chóng. Các ứng dụng, dịch vụ trên Internet cũng ngày càng phát triển theo, điều này đòi hỏi tốc độ, băng thông kết nối Internet cao và cáp quang trở thành lựa chọn số một. Mọi doanh nghiệp với mạng LAN đều sử dụng nó. Mọi người cũng nhờ đến cáp quang mỗi khi gửi e-mail, tin nhắn SMS, ảnh, video và các file dữ liệu khác. Cáp quang cũng đang đóng vai trò quan trọng tại nhiều lĩnh vực và trong tương lai nó sẽ là trụ cột của mạng giải trí gia đình. Hiện nay cáp quang được sử dụng rất phổ biến. Vậy cáp quang là gì? Và cáp quang được chế tạo từ các vật liệu gì ? Từ các vấn đề trên nên em chọn đề tài “Cáp Quang Và Các Vật Liệu Dùng Trong Công Nghệ Chế Tạo Cáp Quang”. 2 Các giả thuyết của đề tài - Sợi quang và cáp quang có cấu tạo như thế nào? - Có bao nhiêu loại cáp quang ? - Cáp quang được chế tạo từ những vật liệu nào ? F Do đó, nội dung nghiên cứu của em gồm có: - Nghiên cứu lý thuyết về sợi quang và cáp quang - Nghiên cứu về phân loại cáp quang - Các vật liệu để chế tạo sợi quang - Những vật liệu tiềm năng trong chế tạo sợi quang 3 Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài 3.1 Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài này, em đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với các phương pháp sau: - Tổng hợp lý thuyết về sợi quang và cáp quang. Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 2 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ - Nghiên cứu cáp quang và các vật liệu để chế tạo cáp quang. Tìm các tài liệu có liên quan như: giáo trình, sách, luận văn hoặc tiểu luận có liên quan, những bài báo cáo của các bạn về cáp quang và ứng dụng, tài liệu trên mạng, đọc và tổng hợp sau đó viết bài. 3.2 Phương tiện thực hiện đề tài - Tài liệu tham khảo: Sách, bài giảng, Luận văn tốt nghiệp Đại học, tài liệu từ các bài báo cáo của các bạn về cáp quang và ứng dụng, tài liệu từ Internet. - Ý kiến nhận được từ: giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn và các bạn sinh viên. 4. Các bước thực hiện đề tài - Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài. - Bước 2: Tìm các tài liệu có liên quan đến đề tài và đọc tài liệu, nghiên cứu tài liệu, tham khảo ý kiến từ thầy cô, bạn bè. - Bước 3: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài và trao đổi với giáo viên hướng dẫn. - Bước 4: Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, tham khảo ý kiến và chỉnh sửa. - Bước 5: Viết hoàn chỉnh đề tài và nộp. Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 3 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ Phần NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sơ lược về bản chất ánh sáng Ánh sáng là sóng điện từ trường biến thiên trong không gian. Nó được đặt trưng bởi vectơ cường độ điện trường E , vectơ cường độ từ trường H , vuông góc nhau và vuông góc với phương truyền sóng v . Dãy bức xạ của ánh sáng thì thường chia làm 3 vùng như sau: + Vùng tử ngoại có bước sóng từ 100nm ÷ 380nm + Vùng nhìn thấy có bước sóng từ 380nm ÷ 780nm + Vùng hồng ngoại có bước sóng từ 780nm ÷ 1mm Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận vùng hồng ngoại. Các bước sóng thường dùng đó là 1300nm và 1550nm. 1.1.1 Lý thuyết hạt ánh sáng Lý thuyết hạt ánh sáng được Isaac Newton đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là dòng chuyển dời của các hạt vật chất. Lý thuyết này giải thích được hiện tượng phản xạ và một số tính chất khác của ánh sáng; tuy nhiên không giải thích được nhiều hiện tượng như giao thoa, nhiễu xạ mang tính chất sóng. 1.1.2 Lý thuyết sóng ánh sáng Huygens Lý thuyết sóng ánh sáng, được Christian Huygens đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là sự lan truyền của sóng. Lý thuyết này giải thích được nhiều hiện tượng mang tính chất sóng của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ; đồng thời giải thích tốt hiện tượng khúc xạ và phản xạ. 1.1.3. Lý thuyết điện từ của Maxwell Sau khi lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ra đời, lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell năm 1865, khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt, lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học, cho thấy ánh sáng chỉ là trường hợp riêng của sóng điện từ. Các thí ngiệm sau này về sóng điện từ, như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887, điều khẳng định tính chính xác lý thuyết của Maxwell. Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 4 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ 1.1.4 Lý thuyết lượng tử ánh sáng Lý thuyết lượng tử của ánh sáng nói riêng và vật chất nói chung ra đời khi các thí nghiệm về bức xạ vật đen được giải thích bởi Max Planck và hiệu ứng quang điện được giải thích bởi Albert Einstein đều cần dùng đến giả thuyết rằng ánh sáng là dòng của các hạt chuyển động riêng lẻ, gọi là quang tử (photon). Vì tính chất hạt và tính chất sóng cùng được quan sát ở ánh sáng, và cho mọi vật nói chung, lý thuyết lượng tử đi đến kết luận về lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng và vật chất; đúc kết ở công thức De Broglie (1924), liên hệ giữa động lượng một hạt và bước sóng của nó. 1.2 Các tính chất cơ bản của ánh sáng 1.2.1 Tính truyền thẳng của ánh sáng Trong môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng thì ánh sáng truyền theo đường thẳng. 1.2.2 Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng Hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng: Khi có một tia sáng truyền từ môi trường 1 có chiết suất n1 đến mặt ngăn cách với môi trường 2 có chiết suất n2 (n1 ≠ n2) thì tia sáng tách thành 2 tia mới: Một tia khúc xạ sang môi trường 2, một tia phản xạ lại môi trường 1. Các tia tới, tia khúc xạ và tia phản xạ được mô tả (Hình 1.1). Khúc xạ Phản xạ N S N α I S S n1 n2 β α α’ I n1 n2 2 R Hình 1.1 Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng Định luật Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 5 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ - Tia phản xạ và khúc xạ đều nằm trong mặt phẳng tới (Mặt phẳng tới là mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến của mặt ngăn cách tại điểm tới). - Góc phản xạ bằng góc α’ = α (α là góc tới, α’ là góc phản xạ). - Góc khúc xạ β được tính theo công thức Snell: n1sinα = n2sinβ * Hiện tượng phản xạ toàn phần Từ công thức Snell ta thấy: - Nếu n1 < n2 thì sinα > sinβ tức là α > β tia khúc xạ lệch về phía gần pháp tuyến. - Nếu n1 > n2 thì sinα < sinβ tức là α < β tia khúc xạ lệch về phía xa pháp tuyến hơn. Đặc biệt tại trường hợp n1 > n2 nếu tăng α thì β cũng tăng theo nhưng β luôn lớn hơn α. Khi góc tới α tăng đến giá trị mà β = 900 (tia khúc xạ nằm song song với mặt ngăn cách) Thì góc tới tương ứng trường hợp này gọi là góc tới hạn igh . Nếu tiếp tục tăng góc tới lớn hơn góc tới hạn igh thì không còn tia khúc xạ nữa mà chỉ có tia phản xạ. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần. Góc tới hạn igh được tính dựa vào công thức Snell. n1sinα = n2sinβ ↔ n1sinigh = n2sin900 ↔ n1sinigh = n2 Như vậy để có hiện tượng phản xạ toàn phần phải có 2 điều kiện: - Môi trường 1 chứa tia tới phải có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường 2 - Góc tới lớn hơn góc tới hạn. 1.2.3 Nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang Nguyên lý cơ bản trong sợi quang dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của ánh sáng (Hình 1.2). I1 M I S N I2 Hình 1.2 Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 6 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ Xét tia tới SI đến điểm I trên tiết diện MN của sợi dây. Tia này bị khúc xạ khi đi vào sợi dây. Tia khúc xạ tới mặt phẳng tiếp xúc giữa lõi và lớp vỏ tại I1 dưới góc tới i lớn hơn góc tới hạn và bị phản xạ toàn phần Hiện tượng phản xạ toàn phần như vậy lặp lại nhiều lần liên tiếp tại các điểm I2, I3... Tia sáng được dẫn qua sợi quang học mà cường độ sáng bị giảm không đáng kể. Các tia sáng truyền trong lõi sợi quang thuộc một trong hai nhóm. Nhóm thứ nhất gồm các tia sáng đi qua trục của sợi quang các tia này gọi là tia kinh tuyến. (Trong hình 1.3(a) có hai tia kinh tuyến trong sợi quang bậc thang). Nhóm thứ hai là tia xoắn hình 1.3(b) vì nó không bao giờ sử dụng hết diện tích của sợi quang các tia này truyền trong cự ly lớn hơn các tia kinh tuyến và vì vậy nó bị suy giảm nhiều hơn. a b Hình 1.3 Đường truyền của tia kinh tuyến (a) và tia xoắn (b) trong sợi quang bậc thang Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 7 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ Chương 2: SỢI QUANG 2.1 Sợi quang Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền ánh sáng nhìn thấy được và các tia hồng ngoại (hình 2.1). Chúng có lõi ở giữa và có phần bao bọc xung quanh lõi. Để ánh sáng có thể phản xạ toàn phần trong lõi thì chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của áo một chút. Hình 2.1 Sợi quang Lõi và áo được làm bằng thuỷ tinh hay plastic. Vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời chống xuyên tâm với các sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý. Để bọc ngoài ta dùng các nguyên liệu mềm và độ tổn thất năng lượng quang lớn. 2.2 Cấu trúc sợi quang Cấu trúc cơ bản của sợi quang gồm có một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thuỷ tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn và bao quanh lõi là lớp bọc hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 (n2 < n1). Lõi được dùng để dẫn áng sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc. - Lõi: lõi được làm bằng những sợi nhỏ mỏng thuỷ tinh hoặc nhựa, đo bằng micra, ở đó ánh sáng được truyền qua đường kính của lõi càng lớn thì càng có nhiều ánh sáng được truyền dẫn . - Lớp sơn phủ: lớp này ngay sát lõi có chỉ số khúc xạ thấp hơn chỉ số khúc xạ của lõi . Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 8 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ - Đệm nhựa : lớp này để bảo vệ sợi quang từ những tác động va đập và độ cong quá mức. - Sợi chống va đập mang tính chất cơ khí. - Vỏ ngoài : vỏ ngoài phủ lên sợi quang. 2.3 Phân loại sợi quang Việc phân loại sợi quang phụ thuộc vào sự thay đổi thành phần chiết suất của lõi sợi. Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi có chỉ số chiết suất phân bậc SI (Step Index), loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và lớp bọc gọi là sợi có chỉ số chiết suất giảm dần GI (Graded Index). Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì có sợi đa mode MM (Multimode) và sợi đơn mode SM (Single mode). Sợi đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nó, còn sợi đơn mode chỉ cho phép 1 mode truyền trong nó. Bảng 2.1 Phân loại sợi quang Danh mục Loại sợi - Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc Phân loại theo chỉ số chiết suất - Sợi có chỉ số chiết suất giảm dần - Sợi đơn mode Phân loại theo mode truyền dẫn - Sợi đa mode - Sợi thuỷ tinh - Sợi lõi thuỷ tinh lớp bọc chất dẻo Phân loại theo cấu trúc vật liệu - Sợi thuỷ tinh nhiều thành phần - Sợi chất dẻo Bảng 2.2 Các thông số tiêu chuẩn của sợi quang Loại Các thông số Bước sóng sử dụng Sợi quang chiết suất biến đổi 0,85 µm Đường lõi kính Đường kính lớp bọc Tỷ lệ đồng tâm Tỷ lệ không tròn của lõi Tỷ lệ không tròn của lớp bọc 50 µm ± 6% 125 µm ± 2,4% 6% hoặc ít hơn 6% hoặc ít hơn 2% hoặc ít hơn Sợi quang đơn mode 1,3 µm 1,55 µm ........... 125 µm ± 2,4% 0,5 ÷ 3 µm ...... 2% hoặc ít hơn 2.4 Đặc điểm của sợi quang - Sợi quang có tính đàn hồi: Khi kéo một sợi quang nó sẽ bị giãn dài ra và sau đó trở lại độ dài ban đầu của nó. Kéo một sợi với một lực đủ mạnh nó sẽ bị đứt gãy (bắt đầu Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 9 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ tại một điểm yếu hay vết rạn bề mặt) sau khi giãn dài khoảng 5%. Kéo một dây đồng nó sẽ giãn tới khoảng 30% và không trở về độ dài ban đầu của nó. - Sợi quang có thể chịu ứng suất hàng trăm ngàn pao trên inh vuông diện tích tiết diện. Về lý thuyết, độ bền của sợi đạt tới 2000kpsi, khỏe hơn thép, nhưng trong thực tế sợi bị đứt gãy ở những ứng suất thấp hơn, với những vết rạn bắt đầu từ những sai hỏng bề mặt. Ứng suất đặt vào sợi có thể gây nên những sai hỏng bề mặt mà sau này có thể phá hủy cáp. Một sợi tiêu chuẩn 125.10-6 m có diện tích tiết diện chỉ 0,000019 inh. Thực tế là những sợi quang hay gãy tại những vết rạn bề mặt gây một hiệu quả nghiêm trọng. Sợi càng dài càng chứa nhiều vết rạn có thể gây gãy ở một ứng suất nhất định. Các nhà sản suất sợi thường có phép kiểm tra đơn giản loại bỏ những điểm yếu nhất trong sợi; bằng cách treo một vật nặng lên sợi, tạo ra một ứng suất nhất định dọc theo chiều dài sợi. 3.5 Yêu cầu kỹ thuật của sợi quang Cũng giống như cáp thông tin điện, các sợi quang được chế tạo xong chưa được đem sử dụng ngay mà được dùng để sản xuất cáp thì để đảm bảo những tính năng truyền dẫn ánh sáng và có tuổi thọ cao, sợi quang cần có yêu cầu sau đây: - Về cơ: bền vững không đứt, gãy do các lực kéo, lực cắt ngang và lực uốn cong. Không bị giản nở quá lớn do tác động của lực kéo thường xuyên, tốc độ lão hóa chậm. - Về tính truyền dẫn ánh sáng: Vật liệu phải rất tinh khiết, cấu tạo ruột và vỏ phải đều đặn, không có chỗ khuyết tật để tránh sự tán xạ của ánh sáng, sinh tiêu hao phụ gây méo dạng tín hiệu. Các sợi quang sau khi chế tạo hoàn chỉnh đều được phủ hai lớp để bảo vệ, thường là polyme hữu cơ. Lớp bên trong để phân bố tải trọng lên sợi và tăng độ bền của sợi do tác dụng uốn cong. Lớp bên ngoài để bảo vệ bề mặt sợi khỏi những tác động cơ làm hỏng sợi. Ngoài ra, lớp bảo vệ bên ngoài cũng có chiết suất lớn hơn chiết suất của thủy tinh vỏ sợi để chặn các tia sáng lạ không truyền vào lớp vỏ sợi. Đặc tính cơ bản của sợi quang được quyết định bởi vật liệu chế tạo sợi và bởi lớp bảo vệ bên ngoài. Nếu do tác động của lực kéo hoặc lực uốn cong mà sợi bị đứt thì có nhiều nguyên nhân, người ta chia ra 3 loại sau đây: 1. Đứt do lực kéo lớn, khoảng trên 40N thì nguyên nhân có thể do cấu trúc của thạch anh hay do bề mặt của sợi có chỗ bị rạn vỡ. Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 10 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ 2. Đứt do lực kéo trung bình, khoảng từ 15N đến 40N, thường do tạp chất nằm trong vỏ sợi, gây nên các chỗ khuyết tật. 3. Đứt do lực kéo dưới 15N, thường do các khuyết tật trên bề mặt, do bọt khí, do có các 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 vài Niuton, nếu sợi rơi vào trường hợp thứ ba như trên thì rất nguy hiểm, vì vậy để bảo đảm chế tạo cáp chắc chắn và để trong quá trình thí nghiệm cáp bền vững, thì sợi phải chịu đựng được lực kéo khoảng 4 - 5N trong thời gian 1s. Nếu sợi được phủ lớp bảo vệ nhựa Acrylat thì một mét phải chịu được lực thử là 50 N. Khi đó mới có khả năng kéo được sợi có chiều dài đến 10 km. Đặc tính truyền dẫn ánh sáng của sợi thì lại được quyết định bởi kích thước của ruột sợi, bởi chiết suất trong ruột và vỏ sợi và bởi đồng bộ đều của chiết suất, tức là phụ thuộc vào công nghệ và kỹ thuật chế tạo sợi. Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 11 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ Chương 3: CÁP QUANG 3.1 Định nghĩa cáp quang Cáp quang là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu. Cáp quang dài, mỏng thành phần của thủy tinh trong suốt bằng đường kính của một sợi tóc. Chúng được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang và được sử dụng để truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa. Không giống như cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao và truyền xa hơn. Cáp quang dùng ánh sáng truyền dẫn tín hiệu, do đó ít suy hao và thường được dùng cho kết nối khoảng cách xa. Trong khi cáp đồng sử dụng dòng điện để truyền tín hiệu, dễ bị suy hao trong quá trình truyền và có khoảng cách kết nối ngắn hơn. 3.2 Ưu điểm của cáp quang - Dung lượng lớn. - Kích thước và trọng lượng nhỏ do đó dễ dàng lắp đặt. - Không bị nhiễu bởi các tín hiện điện, điện từ hoặc thậm chí cả bức xạ ánh sáng. - Tính cách điện do được làm từ thủy tinh, không chứa vật chất dẫn điện nên rất an toàn khi sử dụng trong các môi trường đòi hỏi tính an toàn cao. - Tính bảo mật cao do không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường. - Độ tin cậy cao do cáp quang được thiết kế thích hợp có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt và thậm chí có thể hoạt động ở dưới nước. - Tính linh hoạt do các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video. - Dễ dàng nâng cấp khi chỉ cần thay thế thiết bị thu phát quang còn hệ thống cáp sợi quang vẫn có thể được giữ nguyên. 3.3 Lịch sử phát triển cáp quang © Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động, hình dáng và màu sắc của sự vật thông qua đôi mắt. © Tiếp đó, một hệ thống thông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn hiệu. Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 12 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ © Sau đó, năm 1791, VC.Chape phát minh ra một máy điện báo quang. © Năm 1895, Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến. © Đầu năm 1980, A.G.Bell đã nghĩ ra một thiết bị quang thoại có khả năng biến đổi dao động của máy phát thành ánh sáng. © Tuy nhiên, sự phát triển tiếp theo của hệ thống này đã bị bỏ do sự xuất hiện hệ thống vô tuyến. © Sự nghiên cứu hiện đại về thông tin quang được bắt đầu bằng sự phát minh thành công của Laser năm 1960 bởi nhà vật lý người Mỹ Theodore Maiman. © Năm 1966, Charles Kuen Kao và George Hockman đã công bố khám phá mới đầy hứa hẹn về khả năng của sợi quang - những sợi thủy tinh hoặc nhựa trong suốt, linh hoạt và mỏng hơn một sợi tóc. Kết luận của Kao nghe có vẻ "hoang đường" nên ông phải chịu sức ép rất lớn từ gia đình và trong giới khoa học. Tuy nhiên, ông đã truyền cảm ứng cho nhiều nhà khoa học nghiên cứu về các tiềm năng của sợi quang học trong các thập niên kế tiếp. © Năm 1970, Corning Glass Works chế tạo một cáp quang phá vỡ giới hạn 20dB (17dB/km). © Cuối những năm 70, các công ty viễn thông quyết định triển khai và sử dụng công nghệ này. Mạng cáp quang bắt đầu phổ biến ở các thành phố cũng như dưới lòng đại dương nhưng nó chỉ làm nên cách mạng vào những năm 90. 3.4 Cấu tạo cáp quang Cáp quang có cấu tạo gồm dây dẫn trung tâm là sợi thủy tinh hoặc plastic đã được tinh chế nhằm cho phép truyền đi tối đa các tín hiệu ánh sáng. Sợi quang được tráng một lớp lót nhằm phản chiếu tốt các tín hiệu ánh sáng và hạn chế sự gãy gập của sợi cáp quang (Hình 3.1). Lõi Lớp phản xạ ánh sáng Lớp vỏ bảo vệ chính Thành phần gia cường Vỏ bảo vệ ngoài Lớp áo giáp Hình 3.1 Cấu tạo cáp quang Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 13 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ Cáp quang bao gồm các thành phần cơ bản sau: © Lõi (core) Lõi sợi quang là trung tâm phản chiếu của sợi quang khi truyền ánh sáng, lõi được làm bằng sợi thủy tinh hoặc plastic. © Lớp phản xạ ánh sáng (cladding) Lớp phủ sợi quang là một lớp bên ngoài bao bọc lõi sợi quang để phản xạ lại ánh sáng trở vào lõi, được làm từ thủy tinh hay plastic. © Vỏ bảo vệ chính (primary coating hay còn gọi coating, primary buffer) Primary coating là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và clading không bị bụi, ẩm, trầy xước. © Các thành phần gia cường (Strength member) Thành phần này được các hãng sản xuất cáp sợi quang thêm vào theo từng chủng loại cụ thể để tăng cường sự chắc chắn của cáp nhằm hạn chế tối đa lực cơ học có thể tác động lên sợi cáp quang. Lớp đệm sợi quang là lớp vỏ bên ngoài bảo vệ sợi quang nhằm hạn chế các tác động cơ học, môi trường tác độ lên sợi quang. © Lớp vỏ bảo vệ ngoài (buffer) Là lớp vỏ ngoài cùng bao bọc các sợi quang bên trong và được làm từ các loại nhựa có khả năng chịu đựng các lực cơ học cũng như tác độ của môi trường. © Lớp áo giáp( Jacket): Hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang được đặt trong bó gọi là cáp quang. Những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp được gọi là jacket. 3.5 Phân loại cáp quang 3.5.1 Phân loại theo cấu trúc © Cáp có cấu trúc cổ điển: Có các sợi hoặc các nhóm sợi quang phân bố đối xứng theo hướng xoay vòng đồng tâm (Hình 3.2). Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 14 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ Hình 3.2 Cáp quang có cấu trúc cổ điển © Cáp có lõi trục rãnh: Các sợi hoặc các nhóm sợi được đặt lên các rãnh có sẵn (Hình 3.3). Hình 3.3 Cáp có lõi trục rãnh © Cáp có cấu trúc băng dẹt: Nhiều sợi quang được ghép trên một băng và trong ruột cáp có nhiều băng xếp chồng lên nhau. (Hình 3.4) Hình 3.4 Cáp có cấu trúc băng dẹt © Cáp có cấu trúc đặc biệt: Do nhu cầu trong cáp có các dây kim loại để cấp nguồn từ xa, để cảnh báo, để làm đường nghiệp vụ, hoặc cáp trong nhà chỉ cần 2 sợi quang, cáp có các dây đồng. Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 15 SP Vật lí – Công Nghệ K34 GVHD: ThS-GVC Hoàng Xuân Dinh SVTH: Nguyễn Thị Thùy Mỵ 3.5.2 Phân loại theo mục đích sử dụng © Cáp dùng trên mạng thuê bao nội hạt, nông thôn là cáp sử dụng trong phạm vi thành phố, thị xã, thị trấn. © Cáp trung kế giữa các tổng đài là cáp nối giữa các tổng đài với nhau. © Cáp đường dài là cáp nối giữa các tỉnh, các quốc gia với nhau. 3.5.3 Phân loại theo điều kiện lắp đặt a) Cáp treo Hình 3.5 Minh họa cáp quang treo FTTH 4 sợi Cấu trúc của cáp © Số sợi: 4 sợi quang đơn mode. © Bước sóng hoạt động của sợi quang: 1310nm và 1550nm. © Ống đệm chứa và bảo vệ sợi quang được làm theo công nghệ ống đệm lỏng với quy cách của ống đệm lỏng trung tâm. Các khoảng trống giữa sợi và bề mặt trong của ống đệm lỏng được điền đầy bằng một hợp chất đặc biệt chống sự thâm nhập của nước. © Lớp nhựa HDPE chất lượng cao bảo vệ ngoài. © Dây treo cáp bằng thép 1x1.2mm. © Lõi sợi quang được làm bằng Silica và được bổ sung bởi Germanium, có chỉ số chiết suất lớn hơn chỉ số chiết suất của lớp vỏ phản xạ. © Vỏ phản xạ sợi quang được làm bằng doped Silica © Lớp bảo vệ sơ cấp của sợi quang được làm bằng một loại vật liệu chịu được tia cực tím (UV-curable acrylate). Lớp bảo vệ này được cấu thành bởi hai lớp đàn hồi bám chặt vào bề mặt sợi quang nhằm bảo vệ sợi quang đối với môi trường ẩm. Lớp acrylate bên trong mềm hơn lớp bên ngoài. Lớp bảo vệ này có thể được loại bỏ dễ dàng bằng các Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 16 SP Vật lí – Công Nghệ K34