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

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

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

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

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

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 chỉnhMột 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

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

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

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

- 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

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

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:

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

• 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

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

• 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

5 Máy hàn sợi quang

Hiện nay, để phương pháp dùng máy hàn hồ quang được sử dụng rộng rãi nhất

Hiện tại thị trường về cáp quang chưa được dùng phổ biến như ở cáp đồng, đặc

biệt về công nghệ sản xuất máy hàn và thiết bị thi công chưa được phổ biến rộng rãi

lên số lượng hãng sản xuất máy hàn cáp quang là không nhiều, hiện tại có một số

hãng nổi tiếng sau:

• Corning - Mỹ, Corning là hãng đầu tiên sản xuất sợi quang thành công của thế giới

và là hãng đầu ngành về sợi quang, cáp quang, dụng cụ thi công và máy hàn cáp

quang

• Inoinstrument - Hàn Quốc, là hãng đầu ngành về sản xuất máy hàn cáp quang, sản

phẩm chất lượng hàng đầu trong thị trường máy hàn sợi quangi

5.1 Quy trình vận hành khai thác máy hàn sợi quang.

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

 Cấp nguồn cho máy hàn

 Thiết lập điều kiện cho quá trình hàn

Trước khi thực hiện hàn nung sợi, cần thiết lập các điều kiện cho máy hàn cho

thuận tiện khi vận hành và để đạt hiệu quảcao nhất khi thực hiện hàn sợi, cụ

thể như sau:

- Góc màn hình: Màn hình máy hàn có thể điều chỉnh lên xuống Trước khi thực

hiện thao tác hàn sợi quang thực hiện hiệu chỉnh góc màn hình thích hợp đểngười

hàn có góc nhìn tốt nhất

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

- Độ sáng màn hình: Trên màn hình của máy hàn có phím Lamp để điều chỉnh độ

sáng của màn hình máy hàn Người hàn có thể điều chỉnh độ sáng màn hình phù

hợp với ánh sáng bên ngoài sao cho quan sát là tốt nhất

- Chế độ hàn: Chọn chế độ hàn thích hợp cho các loại sợi quang cần hàn Chế độ

hiện tại được hiển thịtrên màn hình “READY”

- Chế độAUTO được khuyến nghịcho các loại sợi SM, DS, NZDS và MM Việc cân

chỉnh hồ quang sẽ được thực hiện tự động cho phù hợp với tiến trình hàn

- Chế độ gia nhiệt: Lựa chọn chế độ gia nhiệt thích hợp với loại ống co nhiệt bảo vệ

mối hàn Chế độ gia nhiệt được hiển thịtrên màn hình “READY”

- Để thay đổi chế độ hàn, bấm tại màn hình “READY” Để thay đổi chế độ nung,

bấm lần nữa Màn hình sẽ chuyển lần lượt vào chế độ [Splice Mode Select] và

[Heater Mode Select]

 Làm sạch sợi quang:

Làm sạch sợi quang bằng gạc hoặc vải mỏng thấm cồn khoảng 100mm đầu sợi

để tránh các hạt bụi lọt vào ống co nhiệt trong quá trình luồn sợi qua ống co nhiệt,

nếu để hạt bụi lọt vào ống co nhiệt sẽ làm ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn sau

khi nung

 Chuẩn bị sợi quang cần hàn:

 Bước 1: Luồn sợi quang qua ống co nhiệt

Luồn một trong hai sợi quang vào ống co nhiệt (Fiber protection sleeve)

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

 Bước 2: Tuốt và làm sạch sợi

Tuốt lớp áo ngoài sợi quang khoảng 30 đến 40 mm đầu sợi bằng dụng cụ tuốt

sợi Làm sạch kỹlưỡng sợi bằng gạc hay vải mỏng tẩm cồn Cồn sử dụng phải

là loại 99% trở lên

 Bước 3: Cắt phẳng đầu quang

- Để mở khoá đe dao, ấn nhẹ nắp dao xuống Tiếp theo, gạt núm khoá sang vịtrí “unlock” để mở đe dao

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện

- Ấn nắp dao nhanh khi lưỡi dao cắt qua sợi quang

- Thả nắp dao từ từ Lò xo hồi vị sẽ đẩy nắp dao mở ra

- Lấy phần cắt bỏ ra và vứt bỏ vào nơi an toàn

- Mở kẹp giữ sợi quang và lấy sợi ra

- Lấy phần cắt bỏ ra và vứt bỏ vào nơi an toàn

- Mở kẹp giữ sợi quang và lấy sợi ra

- Sau khi dùng xong dao, khoá dao bằng cách ấn nắp dao xuống và kéo chốt đến vị trí “lock”

 Bước 4: Đưa sợi quang vào máy hàn:

- Mở lắp khoang hàn (wind protector) và mở các tấm kẹp giữ sợi quang (Sheath clamp)

- Đặt các sợi quang đã được chuẩn bị vào rãnh chữ V, vị trí đầu các sợi quang phải nằm giữa rãnh chữ V và đầu của điện cực

Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vố tuyến diện