Nghiên cứu cáp sợi quang

Chương 1: Cáp Sợi Quang



1-1

CHƯƠNG 1

CÁP SI QUANG


1.1. Cấu Trúc Sợi Quang.
Sợi quang là một dẫn sóng điện môi hình trụ hoạt động ở tần số ánh sáng. Cấu trúc
cơ bản của sợi quang gồm có hai phần:
- Lõi (core): ống hình trụ, có bán kính a, chiết suất n
1

- Lớp bọc (cladding): hình trụ bao quanh bên ngoài lõi, có bán kính b (b>a) và
chiết suất n
2
(n
2
<n
1
).
Lòi và lớp bọc của sợi quang có thể được chế tạo bằng thủy tinh hay bằng plastic.
Bằng cách tạo sự chênh lệch về chiết suất giữa lõi và lớp bọc như trên (n
1
>n
2

), tín
hiệu ánh sáng có thể được truyền dọc trong lõi của sợi quang bằng cách phản xạ nhiều
lần (phẩn xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp bọc. Do đó, tín hiệu ánh
sáng có thể truyền qua sợi quang có cự ly dài ngay cả khi sợi quang bò uốn cong với
một độ cong có giới hạn (xem hình 1.1).

Hình 1.1 Mặt cắt của sợi quang và nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác động do điều kiện ngoài, sợi quang còn được
bọc thêm vài lớp nữa:
- Lớp phủ, hay còn gọi là lớp vỏ thứ nhất (Primary Coating).
- Lớp vỏ thứ hai (Secondary Coating).
Đặc tính cơ học của sợi quang được quyết đònh bởi vật liệu chế tạo sợi và lớp bảo
vệ bên ngoài. Nếu do tác động của lực kéo hoặc lực uốn cong mà sợi bò đứt thì có thể
do nhiều nguyên nhân. Người ta chia ra làm 3 loại sau:
(1) Đứt do lự kéo lớn, khoảng ≥ 40N, thì nguyên nhân là do có thể ở cấu trúc của
tinh thể hoặc bề mặt sợi có vài chỗ bò rạn nhỏ.
(2) Đứt do lực kéo trung bình, khoảng 15N ÷ 40N, thường do có tạp chất nằm
trong lớp bọc sợi, gây nên những chỗ khuyết tật.
(3) Đứt do lực kéo yếu, dưới 15N, thường do các khuyết tật trên bề mặt do các bọt
khí, do có tạp chất trong lớp bảo vệ, do phủ lớp bảo vệ kém.
n
1

n
2

n
a
a

b
b
0
a
b
lõi (n
1
)
lớp bọc (n
2
)

Chương 1: Cáp Sợi Quang



1-2

a. Lớp phủ (Primary Coating)
- Được bọc ngay trong quá trình kéo sợi nhằm bảo vệ sợi quang:
 Chống lại sự xâm nhập của hơi nước.
 Tránh sự trầy sướt gây nên những vết nứt.
 Giảm ảnh hưởng vi uốn cong.
- Vật liệu dùng làm lớp phủ có thể là epoxyarylate, polyurethanes, ethylen -
vinyl - acetate, ...
- Lớp phủ còn có chức năng loại bỏ những tia sáng khúc xạ ra ngoài lớp bọc.
Muốn vậy chiết suất của lớp phủ phải lớn hơn chiết suất lớp bọc, nếu không
sẽ xảy ra sự phản xạ toàn phần trên mặt tiếp giáp giữa lớp bọc và lớp phủ.

n

n
p

n
1

n
2

n
0

Lớp phủ


Hình 1.2 Mặt cắt ngang của sợi quang sau khi bọc lớp phủ.

- Độ đồng nhất, bề dày và độ đồng tâm của lớp phủ có ảnh hưởng đến chất
lượng của sợi quang. Thông thường đường kính lớp phủ là 250 µm (đối với sợi
có D = 125µm).
- Lớp phủ có thể được nhuộm màu hoặc có những vòng đánh dấu. Lớp này
được tuốt bỏ khi hàn nối hoặc ghép ánh sáng.
b. Lớp vỏ (Secondary Coating, Buffer Coating, Jacket)
- Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chòu đựng của sợi quang trước tác dụng cơ
học và sự thay đổi nhiệt độ. Hiện nay lớp vỏ có các dạng sau:
 Đệm lỏng (Loose buffer).
 Đệm khít (Tight buffer).
 Dạng băng dẹp (Ribbon).
n
p

= 1,52
n
1
= 1,48
n
2
= 1,46


Chương 1: Cáp Sợi Quang



1-3
Mỗi dạng có ưu nhược điểm riêng và được sử dụng trong những điều kiện khác nhau.
(b) (c) (a)

Hình 1.3 Minh họa các dạng đệm sợi quang.
(a) Đệm khít; (b) Đệm lỏng; (c) Băng dẹp

Cấu trúc sợi quang
Lõi
10/50 um

Lớp bọc
125 um

Lớp phủ
250 um

Lớp vỏ
900 um


Hình 1.4 Cấu trúc sợi quang khi đem làm cáp

(1) Dạng ống đệm lỏng
- Sợi quang (đã bọc lớp phủ) được đặt trong ống đệm có đường kính trong
lớn hơn kích thước sợi quang.

Lớp vỏ

Lớp chất nhồi

Sợi quang

(a) (b)

Hình 1.5 Minh họa cấu trúc đệm lỏng
(a) Ống đệm một sợi quang; (b) Ống đệm nhiều sợi quang


Chương 1: Cáp Sợi Quang



1-4

- Ống đệm lỏng gồm hai lớp:
 Lớp trong: có hệ số ma sát nhỏ.

 Lớp ngoài: che chở sợi quang trước ảnh hưởng của lực cơ học.
và được chế tạo từ các vật liệu polyester và polyamide.
- Với ống đệm chứa 1 sợi quang, đường kính: 1,2÷2mm, bề dày: 0,15÷
0,5mm. Nếu ống đệm chứa nhiều sợi (2÷12sợi) thì đường kính: 2,4÷3 mm.
- Với dạng ống đệm lỏng, sợi quang di chuyển tự do trong ống đệm.
- Chất nhồi phải có các tính năng sau:
 Ngăn ẩm.
 Có tính nhớt, không tác dụng hóa học với các thành phần khác của
cáp.
 Không đông đặc hoặc nóng chảy ở nhiệt độ làm việc.
 Dễ tẩy sạch khi cần hàn nối.
 Khó cháy.
- Ống đệm lỏng cũng được nhuộm màu.
- Dạng ống đệm lỏng được dùng trong các đường truyền dẫn chất lượng cao
trong điều kiện môi trường thay đổi nhiều.
(2) Dạng đệm khít:

- Đơn giản, lớp vỏ ôm sát lớp phủ.
Lớp vỏ

Lớp đệm mềm

Sợi quang

Lớp vỏ

Sợi quang

(a) (b)

Hình 1.6 (a) Cấu trúc đệm khít và (b) đệm tổng hợp.
- Phương pháp này làm giảm đường kính của lớp vỏ, nên giảm được kích
thước và trọng lượng cáp.
- Nhược điểm: sợi quang bò ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bò kéo căng. Để
giảm ảnh hưởng này, ngường ta dùng thêm một lớp đệm mềm giữa lớp
phủ và lớp vỏ. Hình thức này gọi là đệm tổng hợp.
- Dạng đệm khích và đệm tổng hợp được dùng trong cáp đặt trong nhà,
dùng làm dây nhảy đậùu nối các trạm đầu cuối, ....
- Đường kính: 0,50 ÷ 1 mm.

Chương 1: Cáp Sợi Quang



1-5
(3) Dạng băng dẹp:
- Cấu trúc băng dẹp cũng là một dạng đệm khít nhưng vỏ bọc nhiều sợi
quang thay vì một sợi. Số sợi trong một băng có thể là 4, 8, 12 sợi.
- Nhược điểm: sợi quang bò ảnh hưởng trực tiếp khi bò kéo căng.
- Được sử dụng trong cáp có nhiều sợi.

4 8

Hình 1.7 Cấu trúc băng dẹp.

1.2 Cáp Quang.
1.2.1 Đặc Điểm, Yêu Cầu Của Cáp Quang.
-
Không bò ảnh hưởng nhiễu điện từ.

-
Không thấm nước, lọt nước.

-
Chống được các ảnh hưởng: va chạm, lực kéo, lực nén, lực uốn cong, ...

-
Ổn đònh khi nhiệt độ thay đổi.

-
Ít bò lão hoá.

-
Trọng lượng nhỏ, kích thước bé.

1.2.2. Khả Năng Của Sợi Quang và Cáp Quang.
Để đáp ứng những yêu cầu trên, sợi và cáp được thiết kế rất ngặt nghèo để vừa
đảm bảo bền vững cơ học, vừa đảm bảo được các đặc tính truyền dẫn.
-
Sợi quang là vật liệu cách điện, nên hoàn toàn không nhạy cảm với nhiễu sóng
điện từ, do đó trong cáp không cần có lớp bảo vệ che sóng điện từ như đối với cáp
kim loại.

-
Sợi quang rất nhỏ, tốn rất ít nguyên liệu. Nếu xét cùng khả năng truyền dẫn thì 1g
thủy tinh làm sợi dẫn quang thay thế được vài Kg đồng để làm cáp kim loại. Như
vậy sợi cáp quang sẽ nhỏ và nhẹ hơn cáp kim loại nhiều.

-
Sợi quang rất dòn, dễ gãy, dễ bò tác động của hơi nước. Thế nhưng lớp vỏ bảo vệ

trực tiếp bao quanh sợi quang đã làm cho sợi tránh được tác động của độ ẩm, tăng
độ bền cơ học, lại dễ uốn dẻo được.Khi chế tạo cáp quang, cấu trúc cáp được thiết

Chương 1: Cáp Sợi Quang



1-6

kế để còn vượt xa những đặc điểm này của sợi. Điều đáng lưu ý là khả năng gãy
sợi trong cáp do tác động dãn nở kéo dài. Chẳng hạn muốn sợi không bò đứt trên
đoạn nối dài 30Km trong thời hạn sử dụng 30 năm thì lực kéo tác động lâu lên nó
sinh ra sự keó dãn sợi chỉ được phép làm sợi dãn ra dưới hai phần nghìn độ dài của
sợi.

-
Xét về phương diện truyền sóng, nếu sợi bò uốn cong nhỏ thì năng lượng trường lọt
ra lớp bọc của sợi quang, gây ra suy hao phụ. Nếu bán kính uốn cong nhỏ hơn
30mm thì đặc tính truyền dẫn bò ảnh hưởng đáng kể. Nếu sợi quang trong cáp
không được bảo vệ cẩn thận thì sẽ chòu các tác động bên ngoài, như lực tác động
ngang, sợi bò uốn cong tại một chỗ nào đó, hoặc khi sợi cáp uốn cong với bán kính
nhỏ, sợi cũng bò uốn theo, ... phát sinh suy hao phụ.

Như vậy, cáp quang phải được chế tạo bền vững với các động cơ học và nhiệt
độ của môi trường, để đảm bảo sợi vừa không bò đứt, vừa không giảm các đặc tính
truyền dẫn trong mọi điều kiện sử dụng cáp.
1.2.3. Phân Loại Cáp Quang.
Có thể phân loại cáp quang theo các hướng sau:
- Phân loại theo cấu trúc.
- Phân loại theo mục đích sử dụng.

- Phân loại theo điều kiện lắp đặït.
a. Phân loại theo cấu trúc.
- Cáp có cấu trúc cổ điển: các sợi hoặc nhóm sợi được phân bố đối xứng theo hướng
xoay tròn đồng tâm. Loại cấu trúc này hiện nay rất phổ biến.

Hình 1.8 Cáp có cấu trúc cổ điển.
- Cáp có lõi trục có rãnh: Các sợi hoặc nhóm sợi được đặt trên rãnh có sẵn trên một
lõi của cáp.

Hình 1.9 Cáp lõi trục có rãnh.

Chương 1: Cáp Sợi Quang



1-7
- Cáp có cấu trúc băng dẹp: nhiều sợi quang được ghép trên một băng, và nhiều
băng xếp chồng lên nhau.

Hình 1.10 Cáp có cấu trúc băng dẹp.
- Cáp có cấu trúc đặc biệt: do nhu cầu trong cáp có thể có các dây kim loại để cấp
nguồn từ xa, cảnh báo, làm đường nghiệp vụ; hoặc cáp đi trong nhà, chỉ cần hai
sợi quang là đủ, ...

Hình 1.11 Cáp hai sợi dùng trong nhà.
Trong thực tế, khi cần cáp nhiều sợi quang, có thể chế tạo cáp gồm nhiều nhóm,
mỗi nhóm là một cáp nhỏ của các loại cáp trên.
Số lượng sợi trong cáp có thể từ 2 sợi đến hàng nghìn sợi, tùy theo lónh vực sử
dụng. Ví dụ: trên mạng nội hạt thì cáp thuê bao và cáp trung kế giữa các điểm
chuyển mạch thì cần rất nhiều sợi quang; cáp truyền dẫn đường dài không cần có

nhiều sợi vì không phải rẽ nhánh nhiều.
Tuy nhiều sợi nhưng cáp không quá to. Ví dụ: cáp có 800 sợi: đường kính ngoài
≈ 35 mm; cáp nội hạt có 4000 sợi: đường kính ngoài ≈ 85 mm.
b. Phân loại theo mục đích sử dụng.
- Cáp dùng trên mạng thuê bao nội hạt, nông thôn.
- Cáp trung kế giữa các tổng dài.
- Cáp đường dài.
c. Phân loại theo điều kiện lắp đặt.
- Cáp chôn trực tiếp.
- Cáp đặt trong ống.
- Cáp thả dưới nước, thả biển.
- Cáp dùng trong nhà.
-

Chương 1: Cáp Sợi Quang



1-8

1.2.4. Cấu Trúc Cáp Quang.
Chúng ta xem xét cấu trúc cáp có cấu trúc cổ điển.
a. Cấu trúc tổng quát.
Gồm có:
- Thành phần chòu lực trung tâm.
- Sợi quang.
- Băng quấn.
- Chất nhồi.
- Lớp gia cường ngoài.
- Vỏ cáp.

Hình 1.12 Cấu trúc tổng quát của cáp quang.
b. Sợi quang.
Các sợi quang đã được đệm (dạng đệm lỏng, đệm khít, đệm tổng hợp, băng
dẹp) sắp xếp theo một thứ tự nhất đònh.
♦ Cách sắp xếp sợi quang

Sợi quang thường được sắp xếp theo từng lớp hoặc đơn vò.
− Cấu trúc lớp:

(a) Cấu trúc một lớp. (b) Cấu trúc hai lớp.
Hình 1.13 Cấu trúc lớp.

1
2

3
5
4
7

6

1. Vỏ cáp (vỏ ngoài)
2. Lớp gia cường (thành phần chòu lực ngoài)

3. Lớp vỏ trong của cáp.
4. Băng quấn.
5. Sợi quang.
6. Chất nhồi.
7. Thành phần chòu lực trung tâm