NguyenHuuTung_Hàn nối sợi quang

Định nghĩa hàn nối sợi quang “Hàn nối sợi quang là một yêu cầu tạo ra một đường liền mạch thông suốt phía trong lõi của sợi cáp quang để cho việc truyền dẫn ánh sáng từ đầu này đen đầu k

PHƯƠNG PHÁP HÀN NỐI SỢI QUANG

Do những hạn chế về kỹ thuật chế tạo cáp sợi quang, phương pháp lắp đặt nên chiều dài của các cuộn cáp nói chung có hạn Khi thi công muốn ghép nối các đoạn cáp ngắn lại với nhau

• Khoảng cách giữa hai trạm thông tin thường dài hơn chiều dài của cuộn cáp Do

đó cần phải nối các cuộn cáp lại với nhau

• Xử lý sự cố đứt cáp quang

Ngoài ra ở mỗi trạm thông tin cần phải nối các linh kiện sợi quang với các linh kiện thu phát quang Có nghĩa là ta cần nối giữa hai cáp sợi quang với nhau hoặc là nối giữa dây cáp quang và dây pig tail

1 Định nghĩa hàn nối sợi quang

“Hàn nối sợi quang là một yêu cầu tạo ra một đường liền mạch thông suốt phía trong lõi của sợi cáp quang để cho việc truyền dẫn ánh sáng từ đầu này đen đầu kia trong đoạn chiều dài sợi quang.”

Từ định nghĩa trên, ta thấy khác với cáp kim loại, sợi quang không thể hàn nối bằng cách xoắn các sợi quang lại với nhau Việc hàn nối sợi quang lại phức tạp, tốn thời gian và tốn kém hơn nhiều Các mối nối quang cũng suy hao về công suất lớn hơn cáp đồng từ 10 đen 100 lần và khi thiet ke các hệ thống truyền dẫn quang thì suy hao tại các mối nối này cần phải xem xét tính toán Bởi vì suy hao tại các mối nối này ảnh hưởng tới cự ly tối đa giữa máy phát và máy thu, do đó khi thiết kế cần đạt sự suy hao và phản xạ quang tại các mối nối nhỏ nhất

2 Nguyên nhân gây đứt sợi quang

 Quá trình sản xuất:

- Việc không đảm bảo về nhiệt độ trong quá trình nung làm cho sợi thủy tinh chảy không đều dẫn đến việc bị đứt thành từng đoạn

- Do do các lực kéo, lực cắt ngang và lực uốn cong bị giản nở quá lớn do tác động của lực kéo thường xuyên, tốc độ lão hóa châm

- Do quá trình sản xuất bị dừng đột ngột bởi yếu tố nào đó

 Quá trình vận chuyển:

- Do lăn, đè lên sợi làm sợi bị dập, nát phải nối thay thế bằng đoạn sợi quang khác

Đặc tính cơ bản của sợi quang được quyet định bởi vât 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:

 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

 Đứt do lực kéo trung bình, khoảng từ 15N đen 40N, thường do tạp chất nằm trong vỏ sợi, gây nên các chỗ khuyết tật

 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 vây 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 đen 10 km.

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến suy hao mối nối sợi quang

Có một số yếu tố ảnh hưởng đến suy hao mối nối hai đầu sợi quang bao gồm: chất lượng mặt cắt đầu sợi, vị trí tương đối giữa hai đầu sợi và độ lệch các tham số của hai sợi quang

Hình 1: Đầu sợi quang cắt không đảm bảo yêu cầu

Các đầu sợi quang trước khi kết nối được chuẩn bị đảm bảo chất lượng tốt nhất để giảm thiểu suy hao khi kết nối Một đầu sợi quang tốt cần đảm bảo sạch

với bề mặt phẳng nhẵn và vuông góc với trục sợi Chất lượng đầu sợi này được xác định chủ yếu qua bước cắt đầu sợi, việc cắt đầu sợi không tốt sẽ làm cho đầu sợi bị sứt mẻ hoặc ghồ ghề gây ra suy hao lớn khi kết nối

(a)Lệch tâm (b) Khe hở (c) Lệch trục

Hình 2: Các lỗi cơ bản có thể xảy ra khi kết nối

Hình 3: Sự chênh lệch tâm và khe hở giữa hai đầu sợi quang

Trong quá trình kết nối hai đầu sợi quang, vị trí tương đối giữa hai đầu sợi liên quan đến quá trình đồng chỉnh ảnh hưởng có nghĩa đến chất lượng hàn nối Có ba kiểu lỗi đồng chỉnh cơ bản giữa hai đầu sợi như cho thấy trong hình

2 bao gồm lệch tâm, khe hở và lệch trục Sự lệch tâm xảy ra khi các trục của hai sợi bị lệch nhau một khoảng d và là yếu tố thường gặp trong thực tế Sự lệch tâm sẽ làm giảm diện tích xếp chồng của hai bề mặt đầu sợi như cho thấy trong hình 3 và dẫn tới sự giảm lượng công suất quang được ghép cặp từ sợi này sang sợi kia Khe hở xảy ra khi các sợi được đồng chỉnh thẳng hàng về trục nhưng có một khe hở s giữa hai đầu sợi làm cho phần công suất quang của một số mode bậc cao sẽ bị chặn bởi sợi thu gây ra suy hao như cho thấy trong hình 3 Khi các trục hai sợi bị lệch nhau một góc tại mối nối thì phần công suất

quang đi ra khỏi sợi đầu sẽ nằm ngoài góc tiếp nhận của sợi thu sẽ bị mất mát Mức tổn hao được so sánh qua thực nghiệm gây ra bởi các lỗi đồng chỉnh được thể hiện qua hình 4 đối với sợi đa mode GI tại hai đường kính lõi 50 và 55µm Ở đây độ lệch tâm và khoảng khe hởđược chuẩn hóa theo bán kính của sợi a, còn độ lệch trục được chuẩn hóa theo khẩu độ số cực đại của sợi Hình 4 cho thấy rằng trong ba lỗi đồng chỉnh thì suy hao chiếm nhiều nhất gây ra do sự lệch tâm Trong thực tế độ lệch trục chuẩn hóa trong hàn nối có thể đạt được nhỏ hơn 1% (tương đương 10) và mức suy hao của tất cả các lỗi nên nhỏ hơn 0,5 dB Trong trường hợp hàn nóng chảy, suy hao do khe hở có thể bỏ qua, nhưng đối với connector hai đầu sợi sẽ cách nhau một khe hở nhỏ để tránh sự

cọ sát vào nhau gây hỏng trong khi kết nối Khoảng cách khe hở thường trong phạm vi từ 0,025 đến 0,1 mm

Hình 4: So sánh thực nghiệm suy hao do các lỗi đồng chỉnh Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến suy hao hàn nối đó là sự khác biệt về các thông

số hai sợi kết nối như khác nhau về đường kính lõi, khác về đường kính vỏ,

khác về khẩu độ số hay có độ méo khác nhau như mô tả trong hình 5 Đây có thể được coi là yếu tố khách quan do chính sợi quang gây ra Sự khác biệt về các tham số này là không tránh khỏi khi kết nối sợi quang từ các nhà sản xuất khác nhau

4 Các phương pháp hàn nối sợi quang

4.1 Hàn nối bằng keo dính

Phương pháp này thực hiện hoàn toàn bằng nhân công, không có sự giám sát, điều chỉnh, nên độ chính xác không cao và chỉ áp dụng để nối các sợi

đa mode có đường kính ruột lớn

Vật liệu để thực hiện một mối nối gồm một ổ nối hình V, một miếng đệm và một cái kẹp

 Trình tự hàn nối bằng keo dính gồm các bước:

- Bước 1: Tuốt sạch lớp phủ bảo vệ ở hai đầu sợi

- Bước 2: Đặt cả hai đầu sợi vào đáy ổ chữ V

- Bước 3: Đặt miếng đệm lên trên đầu hai sợi, ở miếng đệm có lỗ để quan sát, điều chỉnh khoảng cách hai đầu sợi Tự hai đầu sợi nằm ở đáy o V

đã đồng trục với nhau một cách tương đối

- Bước 4: Đặt kẹp giữ vào để giữ chặt miếng đệm

- Bước 5: Nhỏ một giọt keo dán qua lỗ miếng đệm xuống để nối hai đầu sợi Toàn bộ o nối nằm trong một miếng đệm vài cm, nên hai đầu sợi được giữ ổn định

- Bước 6: Sau khi o nối đã khô, đặt lại o vào máng đệm, dán chặt hai đầu lại, đã có một mối nối cơ học bền chắc

- Bước 7: Sấy nhiệt hoặc dung nguồn bức xạ cực tím để làm khô keo dính

- Bước 8: Toàn bộ mối nối này được bảo vệ bằng một ống nhựa co nóng nhờ nhiệt

Trong phương pháp này không thể quan sát khả năng chỉnh đồng trục của hai đầu sợi, nên rất hạn chế sử dụng Vì đường kính ruột và vỏ rất bé nên muốn quan sát để chỉnh đồng trục cần phải có một bộ chỉnh tốt và kính phóng đại lớn

để quan sát Điều này được thực hiện ở cơ cấu hàn hồ quang

4.2 Hàn hồ quang.

Kỹ thuật hàn nóng chảy được sử dụng để nối vĩnh viễn hai sợi quang với nhau dọc trên tuyến truyền dẫn Hai đầu sợi quang sau khi được làm sạch và cắt đảm bảo yêu cầu sẽ được đặt vào bộ giữ sợi rãnh chữ V trong máy hàn nóng chảy như hình 2-53 Các đầu sợi sẽ được đưa vào gần nhau và được đồng chỉnh bằng thủ công hoặc tự động Hiện nay hầu hết các máy hàn nóng chảy đều có khả năng tự động đồng chỉnh đầu sợi nhờ hệ thống camera giám sát và đo kiểm

tự động trong máy hàn

Kỹ thuật hàn nóng chảy sợi quang

Sau khi đã đồng chỉnh tốt, hai đầu sợi được đốt nóng bằng tia hồ quang điện hoặc bằng xung laser đến mức các đầu sợi bị nóng chảy tức thì và gắn kết với nhau Quá trình đốt nóng có thể thực hiện qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu các đầu sợi được đốt nóng ở mức công suất thấp để làm sạch các đầu sợi trước khi được đốt nóng ở giai đoạn sau với mức công suất lớn hơn để làm nóng chảy đầu sợi Kỹ thuật này có thể tạo ra mối hàn có suy hao thấp (có giá trị trung bình điển hình nhỏ hơn 0,06 dB)

Các bước thực hiện:

- Bước 1: Tuốt các lớp vỏ, lớp bảo vệ sợi đến khi thấy sợi quang, sau đó

làm sạch sợi quang bằng cồn hoặc dung dịch

- Bước 2: dùng kìm tuốt lớp bảo về sợi quang và cắt sợi quang sao cho mặt cắt vuông góc với trục

- Bước 3: cho sợi quang đã làm sạch vào máy hàn, Điều chỉnh cho hai sợi lại gần nhau (đồng trục, đồng tâm)

- Bước 4: Đậy nắp máy hàn và cho đóng mạch tia lửa điện Hai đầu sợi nóng chảy và sẽ dính chặt vào nhau Quá trình xảy ra tự động Thời gian phóng điện đã được tính toán phù hợp với loại sợi và kích thước sợi

- Bước 5: kiểm tra mối nối qua màn hình Máy hàn sẽ tính toán suy hao của mối nôi Mối nối tốt có suy hao ≤0.05dB nếu suy hao vượt quá giá

trị cho phép máy hàn hiển thị thông báo hàn lại Mối hàn tốt nhìn đều như đoạn sợi thông thường

- Bước 6: luồn ống co nóng vào mối hàn rồi nung để bảo vệ mối hàn

 Ưu, nhược điểm của phương pháp hàn hồ quang:

Trong những trường hợp đòi hỏi mức độ ổn định cao, việc hàn sợi quang với đoạn cáp pig-tail được xem là giải pháp thay thế thích hợp Với phương pháp này, mỗi đầu sợi quang sẽ có một mối hàn Tại các thanh hoặc hộp phối quang, các đoạn cáp pig-tail sẽ được lắp vào phía sau thanh hoặc hộp phối quang Một số nhà sản xuất cáp có sẵn các thanh phối quang hỗ trợ kèm theo với cáp để sẵn sàng cho việc hàn sợi quang

Ưu điểm:

• Giảm chi phí vật tư: Phương pháp hàn với cáp pig-tail có chi phí thấp

hơn giải pháp dùng đầu nối quang

• Hiệu suất cao nhất và ít suy hao: Những đoạn cáp pig-tail được sản

xuất tại nhà máy trong môi trường được quản lý chặt chẽ về chất lượng Kết quả chứng nhận tương ứng với số sê-ri được dán lên từng sợi cáp Các đầu nối trong phương pháp hàn với cáp pig-tail được mài và bấm trong môi trường tự động nên hạn chế được các lỗi do con người gây ra Hàn được xem là phương pháp kết nối có độ suy hao thấp nhất

• Chiều dài cáp và chừa cáp chùng không là vấn đề: Trước khi được lắp

vào các hộp phối quang, cáp trục được cắt theo đúng nhu cầu thực tế, do đó không cần phải xác định trước chiều dài của cáp và cũng loại bỏ nhu cầu chừa cáp chùng khi thiết kế

• Có thể thao tác đến từng kết nối: Không giống như connector, giải

pháp hàn với cáp pig-tail cho phép chúng ta có thể thao tác đến từng sợi quang riêng lẻ

• Khả năng quản lý và tính linh hoạt cao hơn: Giải pháp hàn cần sử

dụng khay hàn để quản lý và cố định các mối hàn Tùy theo vị trí hàn mà các khay hàn được đặt ở khu vực tập trung hoặc gần thiết bị Khi các mối hàn và

cáp trục đã được cố định trong khay hàn, các thao tác MAC chỉ cần được thực hiện thông qua cáp đấu nối ở khu vực cross-connect

Nhược điểm:

• Tăng chi phí thi công và yêu cầu chuyên môn: Giải pháp này đòi hỏi

các nhân viên kỹ thuật phải có chuyên môn, được đào tạo và cần nhiều thời gian hơn khi hàn cáp quang

• Chi phí đầu tư máy hàn cao: Với mức giá khoảng 12.000 USD, việc

đầu tư máy hàn thật sự lãng phí đối với những công ty có mật độ sử dụng trung bình

• Hạn chế về môi trường làm việc: Để hoàn tất một mối hàn, nhân viên kỹ thuật

cần phải được cung cấp một vị trí làm việc thuận lợi như mặt phẳng đặt máy hàn quang, không gian rộng để thao tác, nguồn điện cho máy hàn

• Không hỗ trợ công nghệ sợi quang song song: Cáp pig-tail được tách

riêng thành những đầu nối riêng biệt nên không phù hợp cho công nghệ sợi quang song song hỗ trợ ứng dụng 40 và 100 Gb/s

4.3 Đầu nối quang.

a) Khái niệm.

Đầu nối (Connector): là thiết bị để nối cáp sợi quang với các thiết bị quang

b) Phân loại.

Đầu nối thông dụng :SC/PC, SC/APC, SC/UPC, ST/UPC, FC/APC, FC/UPC, LC/UPC, LC/APC … ST (straight tip), FC (fiber connector) là các kiểu đầu nối quang có dạng hình tròn, SC (subscriber connector) là đầu vuông

to, LC là đầu vuông nhỏ )

•

• Các đầu nối chuyên dụng SMA 905,SMA906,D4, BICONIC, DIN

c) Cấu tạo

Bên trong đầu nối là ferrule, giúp bảo vệ và giữ thẳng sợi cáp quang Ferrule được làm bằng thủy tinh, kim loại, plastic hoặc gốm (ceramic) – trong

đó chất liệu gốm là tốt nhất

• Đỉnh của ferrule được làm nhẵn (polish) với ba dạng điểm tiếp xúc chính

PC (Physical Contact), UPC (Ultra Physical Contact) và APC (Angled Physical Contact), giúp đảm bảo chỗ ghép nối có ít ánh sáng bị mất hoặc bị phản xạ nhất

• PC: được vạt cong, sử dụng với các kiểu đầu nối FC, SC, ST PC, có giá trị suy hao phản xạ (optical return loss) là 40dB

• UPC cũng được vạt cong như PC nhưng giảm return loss hơn UPC có giá trị return loss 50dB (là giải pháp giúp giảm giá trị suy hao) UPC dùng với các đầu nối FC, SC, ST, DIN, E2000

• APC được vạt chéo 8 độ, loại bỏ hầu hết sự phản xạ ở điểm ghép nối và có giá trị return loss 60dB ( suy hao ít nhất)

d) Dây nhảy quang, dây nối quang.

 Dây nối quang.

Dây nối quang – pigtaill: là một đoạn sợi quang có đường kính la 0.9 mm, được gắn một đầu với đầu nối quang, đầu còn lại để chờ, nhằm mục địch gắn vào cáp quang

 Dây nhảy quang

Dây nhảy quang là một đoạn sợi quang có đường kính thông dụng là 0.9, 2.0, 2.4, 3.0 mm, hai đầu được gắn vào cáp quang, các đầu nối có thể là dạng PC, UPC, APC thuộc chuẩn SC, ST, LC, MU, E2000,

Dây nhảy quang dùng để kết nối từ hộp ODF đến thiết bị quang điện hoặc giữa

2 ODF với nhau

Sử dụng connector quang để kết nối mặc dù có suy hao lớn hơn so với mối hàn nóng chảy nhưng lại cho phép khả năng tháo lắp một cách linh hoạt trên hệ thống Có nhiều loại connector quang khác nhau được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau và cũng tiến triển theo sự phát triển của hệ thống Một loại connector quang tốt sẽ có suy hao ghép nối thấp, ổn định khi sử dụng, độ tin cậy cao và dễ dàng tháo lắp Các đầu connector quang được kết nối với nhau qua adapter quang tương ứng Hiện nay suy hao trung bình của một kết nối connector quang cỡ 0,3 dB Thông thường kết nối connector quang được thực hiện qua tiếp xúc vật lý (PC), do vậy có thể có một phần nhỏ ánh sáng bị phản

xạ tại đầu sợi kết nối gây ảnh hưởng đến hệ thống Trong một số hệ thống yêu cầu phần ánh sáng phản xạ tại điểm kết nối phải rất nhỏ, các connector quang

có đầu vát nghiêng (APC) sẽ được sử dụng

Ưu điểm:

• Giảm chi phí thi công: Với khả năng plug-and-play, giải pháp đấu nối giúp

tiết kiệm thời gian so với phương pháp hàn hoặc bấm đầu, cũng không đòi hỏi phải trang bị nhiều kiến thức và các dụng cụ chuyên môn cho đội ngũ thi công

• Nâng cao hiệu suất: Các đầu nối được sản xuất và kiểm tra tại nhà máy trong

môi trường được quản lý chặt chẽ về chất lượng Trên mỗi sợi cáp có dán các kết quả chứng nhận tương ứng với số sê-ri trên từng sợi cáp

• Quá trình lắp đặt đơn giản và dễ dàng: Việc thi công giải pháp đấu nối chỉ

đơn giản là thao tác cắm và rút Cáp trục có cấu tạo bền và chắc nên không bị ảnh hưởng trong quá trình thi công

• Tương thích với các ứng dụng tương lai: Các công nghệ 40 và 100 Gigabit/s

trên sợi quang multimode đòi hỏi phải được triển khai trên công nghệ sợi quang song song (parallel optical fiber)– dữ liệu được truyền và nhận trên nhiều sợi quang Với thiết kế mang nhiều sợi quang, phương pháp đầu nối sẵn sàng và hoàn toàn tương thích với các công nghệ này