ĐỀ tài tìm HIỂU về cáp QUANG

̶e Những năm tiếp theo, sợi quang vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triểnnhưng gặp một vấn đề khó khăn là tín hiệu ánh sáng bị nhiễu và suy giảmnhiều trong quá trình truyền tải.. Kh

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ CÁP QUANG GVHD: THS PHẠM XUÂN HỔ

SINH VIÊN THỰC HIỆN: NHÓM 5

Nguyễn Thúy Phượng (Nhóm trưởng) 20142098 Mai Thành Gió 19161097

TP Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 04 năm 2022

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

NỘI DUNG 2

1 Giới thiệu chung về cáp quang 2

1.1 Lịch sử phát triển: 2

1.2 Khái niệm cáp quang: 3

1.3 Khái niệm sợi cáp quang: 3

1.4 Nguyên lý chung truyền sáng: 4

1.5 Cấu tạo sợi quang dẫn: 5

1.6 Nguyên lý truyền dữ liệu của sợi cáp quang: 9

1.7 Cơ chế hoạt động của cáp quang: 9

1.8 Phân loại cáp quang: 9

1.9 Ưu điểm và nhược điểm của sợi cáp quang: 12

2 Ứng dụng của sợi cáp quang: 16

2.1 Trong công nghiệp 16

2.2 Trong Internet 16

2.3 Trong truyền hình cáp 17

2.4 Trong điện thoại 17

2.5 Trong mạng máy tính 17

2.6 Trong phẫu thuật và nha khoa 17

2.7 Trong chiếu sáng và trang trí 18

2.8 Trong kiểm tra cơ khí 18

2.9 Trong quân sự và hàng không vũ trụ 19

2.10 Trong công nghệ ô tô 19

3 Quy trình sản xuất sợi quang: 19

4 Thi công cáp quang: 21

TỔNG KẾT 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, Internet đã trở thành một nhu cầu thiết yếu, giúp mọi người ở khắpnơi trên thế giới có thể giao tiếp, trao đổi, học tập, mua sắm, giải trí dễ dàng, nhanhchóng Các ứng dụng, dịch vụ trên Internet cũng ngày càng phát triển theo, điều nàyđòi hỏi tốc độ, băng thông kết nối Internet cao và cáp quang trở thành lựa chọn sốmột So với trước đây, chúng ta sử dụng cáp kim loại để truyền tải tín hiệu nhưng nó

lại có một vài nhược điểm như: truyền tín hiệu chậm và dễ bị nhiễu bởi các bức xạđiện, Để đáp ứng nhu cầu sử dụng Internet ngày một tăng của con người thì vào năm

1966 đã tìm ra một loại cáp rất tốt so với cáp kim loại trước đây, đó là cáp quang Từđây, các hệ thống thông tin quang chiếm hầu hết các tuyến truyền dẫn quan trọng trênmạng lưới viễn thông quốc tế và được xem là phương thức truyền dẫn có hiệu quảnhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa Cùng với sự bùng nổ thông tin trong

xã hội hiện đại, đòi hỏi mạng truyền dẫn phải có sự phát triển mạnh về cả quy mô vàtrình độ công nghệ nhằm tạo ra cấu trúc mạng hiện đại Các hệ thống thông tin quangtrong 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 về cấu tạo cũngnhư nguyên lí truyền tải của cáp nhằm phổ biến về tính thiết thực của cáp quang trongcuộc sống hiện đại ngày nay

NỘI DUNG

1 Giới thiệu chung về cáp quang.

1.1 Lịch sử phát triển:

Công nghệ sợi thủy tinh trong cáp quang xuất hiện lần đầu tiên từ thời La Mã

cổ khi họ bắt đầu biết biến thủy tinh thành sợi

̶e Năm 1840, 2 nhà vật lí là Daniel Collodon và Jaques Babinet đã cố gắngchứng minh rằng ánh sáng có thể truyền theo tia nước Họ đã thành công bằngcách dẫn ánh sáng chạy theo tia nước trong đài phun nước Đây được coi là ýtưởng đầu tiên về cáp quang, do nước và thủy tinh có những đặc tính rất giốngnhau

̶e Năm 1854, một nhà vật lý tên John Tyndall, đã đưa ý tưởng của 2 nhà khoahọc bên trên lên 1 bước nữa khi chứng minh rằng tín hiệu ánh sáng có thể đitheo một dòng nước cong

̶e Năm 1880, Alexander Graham Bell đã tạo ra hệ thống điện thoại quang đầutiên được gọi là Photophone.

̶e Năm 1888, 2 bác sĩ người Vienna đã sử dụng những thanh thủy tinh cong

để chiếu sáng một số bộ phận trong cơ thể bệnh nhân Đây chính là tiền thâncủa những chiếc máy nội soi hiện đại

̶e Vào những năm 1920, John Logie Baird đã được cấp bằng sáng chế cho ýtưởng sử dụng các đường ống trong suốt để truyền hình ảnh cho truyền hình

Tuy nhiên, vào những năm 1930, Heinrich Lamm mới là người đầu tiên truyềnhình ảnh thông qua một loạt các sợi quang

̶e Năm 1951, Hogler Moeller đã xin cấp bằng sáng chế của Đan Mạch vềhình ảnh sợi quang, trong đó ông đề xuất bọc sợi thủy tinh hoặc chất liệu trongsuốt trong một loại nhựa nhưng bị từ chối vì trùng bằng sáng chế của Braid

̶e Năm 1966, Charles Kuen Kao và George Hockman, hai kỹ sư trẻ tại Phòng thínghiệm chuẩn viễn thông (Anh), đã công bố khám phá mới đầy hứa hẹn về khảnăng của sợi quang - những sợi thủy tinh hoặc nhựa trong suốt, linh hoạt vàmỏng hơn một sợi tóc

̶e Những năm tiếp theo, sợi quang vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triểnnhưng gặp một vấn đề khó khăn là tín hiệu ánh sáng bị nhiễu và suy giảmnhiều trong quá trình truyền tải Nhưng đến năm 1970, Corning Glass Works

đã tạo ra các sợi thủy tinh với độ suy giảm dưới 20dB / km

̶e Năm 1973, Phòng thí nghiệm Bell đã phát triển một quy trình lắng đọng hơiđược sửa đổi, có thể được sản xuất hàng loạt thành một sợi quang tổn hao thấp.

Quá trình này vẫn còn, cho đến ngày nay, tiêu chuẩn cho sản xuất cáp quang

̶e Vào năm 1977, những cuộc điện thoại trực tiếp đầu tiên thông qua cápquang xảy ra ở Long Beach, California

̶e Đầu những năm 1980, các công ty điện thoại bắt đầu sử dụng sợi quang đểxây dựng lại cơ sở hạ tầng truyền thông

1.2 Khái niệm cáp quang:

Cáp quang là những bó sợi quang dẫn được đặt trong những lớp vỏ bọc đặcbiệt, nhiệm vụ của cáp quang là truyền tín hiệu thông tin đã được mã hóa thành tínhiệu điện và chuyển đổi thành những tín hiệu ánh sáng có các bước sóng λ khác nhau

1.3 Khái niệm sợi cáp quang:

Sợi quang dẫn là những ống hình trụ trong suốt, trong đó ánh sáng được truyền

đi dọc theo ống nhờ sự phản xạ toàn phần

Sợi quang dẫn lúc đầu được cấu tạo từ những sợi thủy tinh kéo nhỏ và sau nàylàm bằng plastic được gọi là lõi truyền sóng, mặt ngoài ống trụ được tráng lớp phảnquang (cladding) và tất cả đặt trong lớp vỏ bọc dọc theo ống trụ

1.4 Nguyên lý chung truyền sáng:

Sợi quang hoạt động theo nguyên tắc phản xạ toàn phần (total internalreflection - TIR) Các tia sáng có thể được sử dụng để truyền một lượng dữ liệu khổng

lồ Các dây cáp quang được thiết kế sao cho chúng uốn cong tất cả các tia sáng vàobên trong (sử dụng TIR) Các tia sáng được truyền đi liên tục, bật ra khỏi các bứctường sợi quang và truyền dữ liệu từ điểm đầu đến điểm cuối Cho dù tín hiệu ánhsáng cũng có khả năng bị suy giảm đi bởi khoảng cách (tùy thuộc vào độ tinh khiếtcủa vật liệu được sử dụng), nhưng nó vẫn truyền tín hiệu tốt hơn so với cáp kim loại

1.5 Cấu tạo sợi quang dẫn:

Cấu trúc cơ bản của sợi quang dẫn gồm có nhân ở tâm và vỏ bọc bên ngoài

Vật liệu làm nhân có hệ số chiết xuất n1 lớn hơn hệ số chiết xuất n2 của vật liệu làmlớp bọc ngoài Bên ngoài lớp bọc này là vỏ để che chở, tránh tia sáng lạ làm nhiễu

Hệ số chiết xuất của nhân n1> n2hệ số chiết xuất của lớp bọc Nếu θ B < θ A thìánh sáng được phản xạ toàn phần và được truyền dẫn trong sợi quang dẫn Nếu θ B >

θ A thì ánh sáng bị mất đi, không truyền dẫn được trong sợi quang dẫn

Cáp quang thường được cấu tạo từ các thành phần cơ bản sau: sợi quang

(filber), lớp bảo vệ (coating), lớp chịu lực (strength members), lớp ống đệm bảo vệ (buffer) và lớp vỏ ngoài bảo vệ (jacket).

 Sợi quang (filber):

Cấu tạo sợi cáp quang gồm:

- Phần lõi (core): Phần lõi cáp quang hay còn gọi core thường được làm bằng sợi

thủy tinh hoặc plastic dùng truyền dẫn ánh sáng

Lõi là phần quang trọng nhất trong cấu tạo sợi cáp quang Phần lõi là phầntrong cùng được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa trong suốt Nó là cực kỳ mỏng,linh hoạt và có hình dạng hình trụ

Lớp phủ chỉ đơn giản là lớp bảo vệ bảo vệ lõi và lớp phủ khỏi đứt sợi quang

Kích thước của lõi là khác nhau giữa 8 và 63 micron Các mảnh của sợi rất nhỏ

bé có thể dễ dàng thâm nhập vào da và trong một số trường hợp đi qua cơ thểcon người với các mạch máu Đây là một trong nhiều lý do tại sao cài đặt nênđược thực hiện bởi các chuyên gia sử dụng thiết bị đặc biệt dự định

Mục đích duy nhất của nó là giữ cho tất cả ánh sáng trong chính nó và hướngánh sáng theo một hướng song song với trục của nó.

Vì nó là sóng mang chính và hướng dẫn của sóng ánh sáng, nó có thể được gọi

là ống dẫn sóng quang học Bởi cùng một mã thông báo, cấu trúc của nó có ảnhhưởng đến việc truyền ánh sáng Do đó, tất cả các dữ liệu đang được chuyểngiao sẽ có các thông số truyền dẫn hoặc các thuộc tính của nó dựa trên cấu trúccủa phân đoạn sợi quang này

- 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 lạilõi

 Lớp bảo vệ (primary coating):

Để tránh cọ xước lớp bọc, sợi quang thường được bao bọc thêm một lớpchất dẻo Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào sợi, gia cườngthêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị răn lượn sóng, kéo dãn hoặc cọ sát bề mặt, chống sựxâm nhập của hơi nước, mặt khác cũng tạo điều kiện để bọc sợi thành cáp sau này

Lớp vỏ này được gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp Lớp vỏ sơ cấp được bọc quanh lớp bọc

ngay trong quá trình kéo sợi Chiết suất của lớp vỏ bọc sơ cấp lớn hơn chiết suất củalớp bọc và lớn hơn chiết suất lõi.

 Lớp ống đệm bảo vệ (buffer):

Thường được chia làm 2 loại gồm: ống đệm chặt (tight buffer) và ống đệm không chặt (loose buffer).

- Loại ống đệm chặt: được làm bằng nhựa dẻo, ít bị tác động của nhiệt, có độ

uốn cong tốt nên thường được sử dụng để chế tạo các loại dây đấu nối (patchcord)

- Loại ống đệm không chặt: là loại ống bằng nhựa có đường kính lớn hơn đường

kính của sợi quang, cho phép chứa nhiều sợi quang bên trong giúp cho sợiquang co giãn tự nhiên khi nhiệt độ của môi trường thay đổi Ngoài ra, bêntrong ống đệm còn có thêm một lớp chất nhờn để ngăn ẩm, chống cháy và giúplàm sạch sợi quang dễ dàng khi cần hàn hoặc bấm đầu nối cáp Với nhiều ưuđiểm trên nên nó thường được dùng trong các đường truyền dẫn cao và trongđiều kiện môi trường thay đổi nhiều như ngoài trời

 Lớp chịu lực (strength members):

Được làm bằng sợi gia cường “aramid yarn” (Kevlar) Trong quá trình lắp

đặt và thi công, lớp chịu lực sẽ bảo vệ cáp quang không bị đứt trước các lực kéocáp quá lớn

 Lớp vỏ ngoài bảo vệ (jacket):

Là lớp bảo vệ ngoài cùng, có khả năng chịu va đập, nhiệt và chịu mài mòncao, bảo vệ phần bên trong tránh ẩm ướt và các ảnh hưởng từ môi trường như cáctia hồng ngoại Lớp vỏ bảo vệ được phân loại theo môi trường sử dụng và tiêu chíchống cháy

1.6 Nguyên lý truyền dữ liệu của sợi cáp quang:

Thông tin được truyền dẫn qua sợi quang bắt đầu ở dạng một dòng điện mang

theo một lượng dữ liệu số hoá Một nguồn sáng, thường là nguồn laser, chuyển hoádòng điện này thành những xung ánh sáng và đưa chúng vào những sợi quang Ở điểmnhận tín hiệu, một điốt ảnh (thiết bị dò ánh sáng) nhận xung ánh sáng và chuyển hoáchúng thành dòng điện và tái tạo lại thông tin gốc

Xung ánh sáng đi qua lõi của sợi quang bằng rất nhiều hướng được gọi là nhữngđường dẫn (mode) bằng cách phản xạ qua lớp sơn bọc ngoài

1.7 Cơ chế hoạt động của cáp quang:

Sợi quang hoạt động theo nguyên tắc phản xạ toàn phần (total internalreflection – TIR) Các tia sáng có thể được sử dụng để truyền một lượng dữ liệu khổng

lồ Các dây cáp quang được thiết kế sao cho chúng uốn cong tất cả các tia sáng vàobên trong (sử dụng TIR) Các tia sáng được truyền đi liên tục, bật ra khỏi các bứctường sợi quang và truyền dữ liệu từ điểm đầu đến điểm cuối Cho dù tín hiệu ánh

sáng cũng có khả năng bị suy giảm đi bởi khoảng cách (tùy thuộc vào độ tinh khiếtcủa vật liệu được sử dụng), nhưng nó vẫn truyền tín hiệu tốt hơn so với cáp kim loại.

1.8 Phân loại cáp quang:

1.8.1 - Phân loại sợi quang

Việc phân loại sợi quang phụ thuộc vào sự thay đổi thành phần chiết suất củalõi sợi Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi có chỉ số chiết suấtphân bậc SI (Step Index), loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi sợi ratới 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 đơnmode SM (Single mode) Sợi đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nó, cònsợi đơn mode chỉ cho phép 1 mode truyền trong nó

 Phân loại theo chỉ số chiết suất:

- Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc

- Sợi có chỉ số chiết suất giảm dần

 Phân loại theo mode truyền dẫn:

- Sợi đơn mode

- Sợi đa mode:

+ Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc (sợi SI : step – index) : Đây là loạisợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhaumột cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang phóngvào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những động khác nhau

Các tia trong lõi truyền với cùng vận tốc (Vì v=c/nh ở đây nọ khôngđổi ) mà chiều dài đờng truyền khác nhau nên thời gian sẽ khác nhautrên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới một hiện tượng : Khi đamột xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sángrộng hơn ở cuối sợi Đây là hiện tượng tán sắc ( Dispersion) Do đó độtán sắc ánh sáng lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu có tốc độ caoqua cự ly dài được Nhược điểm này có thể khắc phục ở trong loại sợiquang có chiết suất giảm dần

+ Sợi có chỉ số chiết suất giảm dần (sợi GI : graded – index) : Sơi Gi có

dạng phân bố chiết lõi dạng parabol Vì chiết thay đổi một cách liên tụcnên tia sáng ở trong lõi bị uốn cong dần Đường truyền của các tia sángtrong sợi GI cũng không bằng nhau nên vận tốc truyền cũng thay đổitheo Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng có vận tốctruyền lớn hơn ( V=c/n ) và ngược lại các tia ở gần trục có đường truyệnngắn hơn nên vận tốc truyền lại nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trục có

đường truyền ngắn nhất nhưng đi với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở

trục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đồngparabol ( g=2) thì đường đi của tia sáng có dạng hình sin và thời giantruyền của các tia này bằng nhau Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều

so với sợi SI

 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

1.8.2 - Phân loại cáp quang

 Phân loại theo cấu trúc cáp:

- Cáp trung kế: là cáp nối giữa các tổng đài với nhau

- Cáp đường dài: là cáp nối giữa các tỉnh, các quốc gia với nhau

 Phân loại theo cách lắp đặt:

Cáp treo: Là cáp được treo trên đường cột Riêng cáp tự treo có thêm dây treonên có tiết diện hình số 8 như cáp đồng Loại cáp tự treo thường ít sợi, để không tăngtải trọng cáp thì xung quanh sợi cáp không cần gia cường Đặc biệt người ta tránh sửdụng kim loại cho cáp vừa giảm nhẹ trọng lượng cáp vừa tránh ảnh hưởng của sét, củađiện lực.

Cáp ngầm (cáp treo trong cống): Cáp kéo trong cống phải chịu được lực kéo vàxoắn, có trọng lực nhẹ để dễ lắp đặt và phải rất mềm dẻo để vượt qua các chướng ngạitrong khi kéo cáp Loại này cũng phải chịu được ẩm và nước vì trong cống cáp và bểcáp thường hay đọng nước Chính vì vậy trong cấu trúc của cáp thường có chất độnJelly và thành phần chống ẩm bằng kim loại Trong trường hợp cáp không được bơmchất độn Jelly thì cần phải thực hiện bơm hơi cho cáp

Cáp chôn trực tiếp: Cáp chôn trực tiếp thường phải có lớp vỏ bọc kim loại tốt

để tránh sự phá huỷ do đào bới đất hoặc các tác động khác trong đất Vỏ bọc thép bênngoài gồm các sợi thép hoặc các băng thép Vỏ bọc ngoài lớp thép này là vỏ chất dẻo

Cáp đặt trong nhà và cáp nhảy: Loại cáp này thường có số sợi quang ít, các đặctính chủ yếu là: kích thước bên ngoài nhỏ, mềm dẻo, cho phép uốn cong, dễ dàng thaotác và hàn nối, cáp cần có đặc tính chống gặm nhấm tốt Vì cáp loại này thường bámsát tường nhà và thiết bị cho nên phải đảm bảo không bắt lửa, không phát ra khí độctrong phòng Cấu trúc loại cáp này thường ở dạng bọc chặt để đảm bảo kích thước nhỏ

và chắc Cáp quang 1 sợi dùng làm cáp nhảy để đấu nối trong các trạm đầu cuối Trên

một số tài liệu, ta thường gặp hai thuật ngữ viết tắt IFC, OSP IFC (Intrafacility fiber

cable) là loại cáp dùng trong nhà, có ít lớp bảo vệ vật lý và việc thi công lắp đặt linh

hoạt OSP (Outside plant cable) là loại cáp dùng ngoài trời, chịu được những điều

kiện khắc nghiệt của nhiệt độ, độ ẩm, bụi loại cáp này có nhiều lớp bảo vệ

Cáp ngậm nước và cáp quang biển: Cáp ngậm nước được sử dụng để thả quasông hoặc qua đồng lầy Vì vậy loại cáp này cần đáp ứng một số yêu cầu sau:

+ Tính chống ẩm và chống thấm nước tại các vùng có áp suất đặc biệt lớn

+ Có khả năng chống sự dẫn nước dọc theo cáp