ĐỀ tài tìm HIỂU về cáp QUANG

̶̶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

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN VẬẬ̣T LIỆU

ĐIỆN - ĐIỆN TƯ

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

SINH VIÊN THỰC HIỆẬ̣N: NHÓM 5

Nguyễn Thúy Phượng (Nhóm trưởng)

Mai Thành Gióó

Phan Tiến Thành

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

TÀÀ̀I LIỆẬ̣U THAM KHẢO 23

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, Internet đã trởở̉ thành một nhu cầu thiết yếu, giúp mọi người ởở̉ khắpnơi trên thế giới cóó thể giao tiếp, trao đổi, học tập, mua sắm, giải trí dễễ̃ dàng, nhanhchóóng 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 trởở̉ thành lựa chọn sốmột So với trước đây, chúng ta sử dụng cáp kim loại để truyền tải tín hiệu nhưng nóólại cóó một vài nhược điểm như: truyền tín hiệu chậm và dễễ̃ bị nhiễễ̃u bởở̉i 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, đóó là cáp quang Từđây, các hệ thống thông tin quang chiếm hầu hết các tuyến truyền dẫn quan trọng trênmạng lưới viễễ̃n thông quốc tế và được xem là phương thức truyền dẫn cóó 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 cóó 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 cóó tốc độ cao, cự ly xa và độ tin cậy cao Vì thế,nhóóm 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 cóó 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 ýtưởở̉ng đầu tiên về cáp quang, do nước và thủy tinh cóó những đặc tính rất giốngnhau

̶̶e Năm 1854, một nhà vật lý tên John Tyndall, đã đưa ý tưởở̉ng của 2 nhà khoahọc bên trên lên 1 bước nữa khi chứng minh rằng tín hiệu ánh sáng cóó 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 thân của những chiếc máy nội soi hiện đại

̶̶e Vào những năm 1920, John Logie Baird đã được cấp bằng sáng chế cho ýtưởở̉ng 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 đóó 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 viễễ̃n 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 tóóc

̶̶e Những năm tiếp theo, sợi quang vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triểnnhưng gặp một vấn đề khóó khăn là tín hiệu ánh sáng bị nhiễễ̃u 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, cóó 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 ởở̉ Long Beach, California

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

1.2 Khái niệm cáp quang:

Cáp quang là những bóó 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 hóóa thành tínhiệu điện và chuyển đổi thành những tín hiệu ánh sáng cóó các bước sóóng λ khác nhau

1.3 Khái niệm sợi cáp quang:

Sợi quang dẫn là những ống hình trụ trong suốt, trong đóó 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 sóóng, 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 cóó 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 cóó khả năng bị suy giảm đi bởở̉i khoảng cách (tùy thuộc vào độ tinh khiếtcủa vật liệu được sử dụng), nhưng nóó 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 cóó nhân ởở̉ tâm và vỏ bọc bên ngoài.Vật liệu làm nhân cóó 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 chởở̉, tránh tia sáng lạ làm nhiễễ̃u

Hệ số chiết xuất của nhân n1> n2hệ số chiết xuất của lớp bọc Nếu θ B < θ A thì ánh 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 Nóó là cực kỳ mỏng,linh hoạt và cóó 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 cóó thể dễễ̃ 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 bởở̉i các chuyên gia sử dụng thiết bị đặc biệt dự định

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

Vì nóó là sóóng mang chính và hướng dẫn của sóóng ánh sáng, nóó cóó thể được gọi

là ống dẫn sóóng quang học Bởở̉i cùng một mã thông báo, cấu trúc của nóó cóó ảnhhưởở̉ng đến việc truyền ánh sáng Do đóó, tất cả các dữ liệu đang được chuyểngiao sẽ cóó các thông số truyền dẫn hoặc các thuộc tính của nóó 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 trởở̉lại lõi

 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 sóóng, 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 của lớp 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, cóó

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

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

đường kính của sợi quang, cho phép chứa nhiều sợi quang bên trong giúp chosợi quang co giãn tự nhiên khi nhiệt độ của môi trường thay đổi Ngoài ra, bêntrong ống đệm còn cóó thêm một lớp chất nhờn để ngăn ẩm, chống cháy và giúplàm sạch sợi quang dễễ̃ dàng khi cần hàn hoặc bấm đầu nối cáp Với nhiều ưuđiểm trên nên nóó 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, cóó khả năng chịu va đập, nhiệt và chịu mài mòncao, bảo vệ phần bên trong tránh ẩm ướt và các ảnh hưởở̉ng 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 ởở̉ 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 cóó thể được sử dụng để truyền một lượng dữ liệukhổng lồ Các dây cáp quang được thiết kế sao cho chúng uốn cong tất cả các tia sángvào bên 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 cóó khả năng bị suy giảm đi bởở̉i khoảng cách (tùy thuộc vào độ tinh khiếtcủa vật liệu được sử dụng), nhưng nóó 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 cóó chỉ số chiết suất đồng đều ởở̉ lõi sợi gọi là sợi cóó chỉ số chiết suấtphân bậc SI (Step Index), loại sợi cóó chỉ số chiết suất ởở̉ lõi giảm dần từ tâm lõi sợi ratới tiếp giáp lõi và lớp bọc gọi là sợi cóó chỉ số chiết suất giảm dần GI (Graded Index).Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì cóó sợi đa mode MM (Multimode) và sợi đơnmode SM (Single mode) Sợi đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nóó, cònsợi đơn mode chỉ cho phép 1 mode truyền trong nóó

Phân loại theo chỉ số chiết suất:

- Sợi cóó chỉ số chiết suất phân bậc

- Sợi cóó chỉ số chiết suất giảm dần

Phân loại theo mode truyền dẫn:

- Sợi đơn mode

- Sợi đa mode:

+ Sợi cóó chỉ số chiết suất phân bậc (sợi SI : step – index) : Đây là loạisợi cóó 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 phóóngvào đầu sợi với góóc tới khác nhau sẽ truyền theo những động khác nhau.Các tia trong lõi truyền với cùng vận tốc (Vì v=c/nh ởở̉ 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 ởở̉ cuối sợi Đây là hiện tượng tán sắc ( Dispersion) Do đóó độtán sắc ánh sáng lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu cóó tốc độ caoqua cự ly dài được Nhược điểm này cóó thể khắc phục ởở̉ trong loại sợiquang cóó chiết suất giảm dần

+ Sợi cóó chỉ số chiết suất giảm dần (sợi GI : graded – index) : Sơi Gi cóódạng phân bố chiết lõi dạng parabol Vì chiết thay đổi một cách liên tụcnên tia sáng ởở̉ 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 cóó đường truyền dài hơn nhưng cóó vận tốctruyền lớn hơn ( V=c/n ) và ngược lại các tia ởở̉ gần trục cóó đường truyệnngắn hơn nên vận tốc truyền lại nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trục cóóđường truyền ngắn nhất nhưng đi với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ởở̉trục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đồngparabol ( g=2) thì đường đi của tia sáng cóó 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 cóó thêm dây treonên cóó 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 hưởở̉ng của sét, củađiện lực.

Cáp ngầm (cáp treo trong cống): Cáp kéo trong cống phải chịu được lực kéo vàxoắn, cóó trọng lực nhẹ để dễễ̃ 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 cóó 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 cóó 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 cóó số sợi quang ít, các đặctính chủ yếu là: kích thước bên ngoài nhỏ, mềm dẻo, cho phép uốn cong, dễễ̃ dàng thaotác và hàn nối, cáp cần cóó 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 ởở̉ 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, cóó 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 cóó 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 cóó áp suất đặc biệt lớn

+ Cóó khả năng chống sự dẫn nước dọc theo cáp