Cáp quang được làm bằng vật liệu gì? Hướng dẫn từng lớp hoàn chỉnh

Cáp quang được làm từ nhiều vật liệu được thiết kế chính xác phối hợp với nhau: lõi nhựa hoặc thủy tinh silica siêu tinh khiết mang tín hiệu ánh sáng, lớp ốp bằng thủy tinh hoặc polyme phản chiếu ánh sáng trở lại lõi, một hoặc nhiều lớp phủ bảo vệ bằng polyme acrylate xử lý bằng tia cực tím và cấu trúc cáp bên ngoài bao gồm các bộ phận chịu lực, ống đệm và vỏ bọc bằng polyetylen hoặc PVC. Mỗi vật liệu được chọn theo các đặc tính quang học, cơ học và môi trường cụ thể, cùng xác định hiệu suất, độ bền và sự phù hợp của cáp đối với các môi trường lắp đặt khác nhau.

Hiểu biết cáp quang được làm từ chất liệu gì là điều cần thiết đối với các kỹ sư chỉ định cơ sở hạ tầng mạng, kỹ thuật viên xử lý và nối cáp cũng như người quản lý mua sắm so sánh các loại cáp để triển khai đường dài, trung tâm dữ liệu hoặc ngoài trời. Hướng dẫn này trình bày chi tiết từng lớp và vật liệu — với dữ liệu hiệu suất, so sánh và hướng dẫn lựa chọn thực tế.

Cốt lõi: Các giải pháp thay thế nhựa và thủy tinh silic siêu tinh khiết

Lõi là thành phần trung tâm dẫn ánh sáng của cáp quang và là thành phần quan trọng nhất về mặt quang học trong toàn bộ cấu trúc. Trong sợi quang tiêu chuẩn, lõi được làm từ thủy tinh silica nung chảy có độ tinh khiết cực cao (silicon dioxide, SiO2) với mức độ tinh khiết vượt quá 99,9999% — tinh khiết hơn nhiều so với kính cửa sổ hoặc thấu kính quang học được sử dụng trong các ứng dụng khác.

Lõi thủy tinh silic: Tiêu chuẩn ngành

Thủy tinh silic là vật liệu lõi chiếm ưu thế vì nó mang lại độ suy giảm quang học (mất tín hiệu) thấp nhất có thể trên các bước sóng được sử dụng trong viễn thông. Độ suy giảm tối thiểu theo lý thuyết của sợi thủy tinh silica là khoảng 0,148 dB/km ở bước sóng 1550 nm - một giới hạn vật lý được gọi là giới hạn tán xạ Rayleigh. Sợi quang đơn mode thương mại đạt được giá trị suy giảm 0,18–0,20 dB/km ở bước sóng 1550 nm trong sản xuất, đạt đến mức tối thiểu theo lý thuyết này.

Để tạo ra sự chênh lệch chiết suất cần thiết để dẫn hướng ánh sáng, lõi silica được pha tạp một lượng nhỏ germanium dioxide (GeO2), thường ở nồng độ 3–10 mol%. Sự pha tạp Germanium làm tăng chỉ số khúc xạ của lõi lên trên chiết suất của lớp bọc xung quanh, tạo ra điều kiện phản xạ nội toàn phần giúp bẫy và dẫn ánh sáng dọc theo trục sợi. Các chất tạp chất khác được sử dụng trong các loại sợi chuyên dụng bao gồm phốt pho pentoxit (P2O5) và oxit nhôm (Al2O3) để định hình đường cong chỉ số khúc xạ cụ thể.

Sự khác biệt về đường kính lõi: Chế độ đơn và Đa chế độ

Kích thước vật lý của lõi thủy tinh thay đổi đáng kể giữa hai loại sợi chính:

• Sợi đơn chế độ (SMF): Đường kính lõi 8–10 micromet. Lõi cực nhỏ chỉ cho phép một chế độ ánh sáng truyền đi, loại bỏ sự phân tán phương thức và cho phép khoảng cách truyền từ 40 km trở lên giữa các điểm khuếch đại trong mạng viễn thông.
• Sợi đa mode (MMF) - OM1/OM2: Đường kính lõi 62,5 micromet (OM1) hoặc 50 micromet (OM2). Lõi lớn hơn cho phép nhiều chế độ ánh sáng truyền đồng thời, hạn chế băng thông bằng cách phân tán phương thức nhưng giúp việc căn chỉnh và kết nối dễ dàng hơn và ít tốn kém hơn.
• Sợi đa mode (MMF) — OM3/OM4/OM5: Đường kính lõi 50 micromet với cấu hình chỉ số khúc xạ được phân loại được tối ưu hóa giúp bù một phần cho sự phân tán phương thức, cho phép tốc độ dữ liệu 100 Gbps trên khoảng cách lên tới 100 mét (OM4) cho các ứng dụng trung tâm dữ liệu.

Vật liệu lõi sợi quang nhựa (POF)

Đối với các ứng dụng khoảng cách ngắn, chi phí thấp, sợi quang nhựa sử dụng lõi polymethyl methacrylate (PMMA) - cùng loại kính acrylic được sử dụng trong các cửa sổ và bảng hiển thị trong suốt. POF lõi PMMA có độ suy giảm cao hơn nhiều (thường là 150–200 dB/km ở 650 nm) so với sợi silica, giới hạn khoảng cách truyền hữu ích ở khoảng 50–100 mét. Tuy nhiên, lõi lớn của sợi PMMA (thường là 980 micromet trên tổng đường kính 1.000 micromet) và tính linh hoạt khiến nó trở nên thiết thực cho các mạng thông tin giải trí ô tô, chiếu sáng gia đình và các ứng dụng cảm biến công nghiệp, nơi tính dễ vỡ của sợi silica và lõi nhỏ gây khó khăn cho việc căn chỉnh và xử lý.

Sợi nhựa lõi polyme perfluorinated (PF polymer), đôi khi được gọi là sợi quang nhựa có chỉ số phân loại (GI-POF), đạt được độ suy giảm thấp hơn đáng kể khoảng 10–50 dB/km và băng thông cao hơn, thu hẹp khoảng cách hiệu suất giữa POF tiêu chuẩn và sợi silica cho các ứng dụng mạng cơ sở lên đến 300 mét.

Tấm ốp: Kính dẫn hướng ánh sáng bằng phản xạ toàn phần bên trong

Lớp bọc là lớp thủy tinh hoặc nhựa bao quanh lõi và là vật liệu quan trọng thứ hai về mặt quang học trong cáp quang . Chức năng quang học duy nhất của nó là có chiết suất thấp hơn một chút so với lõi, sao cho ánh sáng chiếu vào ranh giới vỏ bọc lõi ở các góc lớn hơn góc tới hạn sẽ bị phản xạ toàn phần và được dẫn dọc theo sợi thay vì thoát ra vật liệu xung quanh.

Tấm ốp Silica nguyên chất

Trong hầu hết các sợi viễn thông đơn mode và đa mode tiêu chuẩn, lớp bọc được làm từ thủy tinh silica nguyên chất (không pha tạp) có chiết suất xấp xỉ 1,444 ở bước sóng 1550 nm. Lõi pha tạp gecmani có chỉ số khúc xạ cao hơn một chút, khoảng 1,447–1,452 tùy thuộc vào nồng độ chất pha tạp, tạo ra chênh lệch chiết suất (delta) là 0,2–0,35% xác định khẩu độ số và góc tiếp nhận ánh sáng của sợi.

Đường kính ngoài của lớp bọc tiêu chuẩn cho sợi quang cấp chính xác là 125 micromet — một tiêu chuẩn toàn cầu được duy trì với dung sai kích thước cộng hoặc trừ 1 micromet. Đường kính tiêu chuẩn hóa này cho phép sợi từ các nhà sản xuất khác nhau được nối với nhau và kết nối một cách đáng tin cậy bằng cách sử dụng các đầu nối và thiết bị nối tiêu chuẩn công nghiệp.

Tấm ốp pha tạp Fluorine

Một số thiết kế sợi - đặc biệt là sợi đơn mode có lớp bọc bị nén được sử dụng trong các ứng dụng dịch chuyển phân tán - sử dụng silica pha tạp flo cho lớp bọc bên trong. Pha tạp flo làm giảm chỉ số khúc xạ của silica xuống dưới chỉ số khúc xạ của thủy tinh nguyên chất, cho phép thiết kế các cấu hình chiết suất phức tạp (chẳng hạn như cấu trúc W hoặc cấu trúc được hỗ trợ bởi rãnh) giúp cải thiện hiệu suất suy giảm uốn cong, loại bỏ các chế độ bậc cao không mong muốn và giảm sự phân tán. Lớp phủ pha tạp flo được tìm thấy trong sợi không nhạy cảm khi uốn cong (tiêu chuẩn ITU-T G.657) được sử dụng trong lắp đặt cáp quang đến nhà (FTTH), nơi không thể tránh khỏi những khúc cua chặt quanh các góc và trong các ống dẫn nhỏ.

Lớp phủ: Lớp polyme Acrylate được xử lý bằng tia cực tím

Ngay xung quanh lớp kính 125 micromet là lớp phủ polymer hai lớp được áp dụng trong quá trình kéo sợi - lớp bảo vệ đầu tiên mà sợi nhận được sau khi được kéo ra khỏi phôi. Lớp phủ này là lớp bảo vệ cơ học chính cho sợi thủy tinh và không có chức năng quang học.

Lớp phủ sơ cấp: Lớp bên trong mềm

Lớp phủ chính là polyme acrylate mềm, mô đun thấp được xử lý bằng tia cực tím được phủ trực tiếp lên bề mặt kính với đường kính ngoài khoảng 190–200 micromet. Mô đun Young thấp của nó (thường là 0,5–1,0 MPa) cho phép nó đệm kính khỏi ứng suất uốn cong vi mô - những biến dạng nhỏ gây ra bởi sự bất thường trên bề mặt hoặc áp lực ngang lên sợi có thể làm tăng sự suy giảm. Lớp phủ chính cũng bảo vệ bề mặt thủy tinh nguyên sơ khỏi độ ẩm, điều này có thể gây ra hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất (còn gọi là mỏi tĩnh) làm suy yếu dần sợi silica theo thời gian.

Lớp phủ thứ cấp: Lớp ngoài cứng

Lớp phủ thứ cấp (bên ngoài) là polyme acrylate được xử lý bằng tia cực tím có mô đun cao hơn, cứng hơn được áp dụng trên lớp phủ sơ cấp, nâng tổng đường kính sợi được phủ lên tiêu chuẩn 245–250 micromet. Độ cứng cao hơn của nó (mô đun thường là 50–100 MPa) chống mài mòn, xử lý hư hỏng và các lực hướng tâm có thể nén lớp phủ mềm sơ cấp và gây ra tổn thất do uốn vi mô. Lớp phủ thứ cấp cũng được tạo màu bằng chất tạo màu ổn định tia cực tím để nhận dạng sợi - 12 màu tiêu chuẩn của tiêu chuẩn mã hóa màu TIA-598 được sử dụng trong cáp ruy băng và cáp đa sợi.

Vật liệu phủ đặc biệt cho môi trường khắc nghiệt

• Lớp phủ polyimide: Đối với các ứng dụng nhiệt độ cao lên đến 300°C (chẳng hạn như cảm biến giếng dầu và hàng không vũ trụ), lớp phủ acrylate tiêu chuẩn được thay thế bằng lớp phủ polyimide (PI) được áp dụng ở các lớp mỏng 5–7 micromet trên mỗi lớp. Sợi được phủ polyimide có đường kính ngoài chỉ 155 micromet, cho phép đóng gói chặt chẽ hơn trong các dụng cụ hạ cấp và bó dây máy bay.
• Lớp phủ carbon kín: Một lớp cacbon vô định hình siêu mỏng (0,02–0,05 micromet) lắng đọng trên bề mặt kính trước khi phủ acrylate tạo ra lớp chắn ẩm hoàn chỉnh cho các môi trường giàu hydro như cáp ngầm dưới biển và một số ứng dụng cảm biến hóa học nhất định. Sợi carbon kín có tổn thất lão hóa do hydro dưới 0,01 dB/km sau 25 năm hoạt động dưới biển.
• Lớp phủ Ormocer (Gốm biến tính hữu cơ): Lớp phủ polyme vô cơ-hữu cơ lai mang lại khả năng chống bức xạ vượt trội cho cơ sở hạt nhân và hệ thống cáp quang trong không gian, nơi lớp phủ acrylate thông thường xuống cấp nhanh chóng khi tiếp xúc với bức xạ ion hóa.
• Lớp phủ bên ngoài không chứa halogen (LSZH) ít khói: Đối với các ngăn xếp ruy băng sợi được sử dụng trong trung tâm dữ liệu và các ứng dụng trong nhà, vật liệu ma trận acrylate tuân thủ LSZH được sử dụng để tạo ra khói độc hại tối thiểu và không có hợp chất halogen khi tiếp xúc với lửa.

So sánh vật liệu lõi cáp quang: Thủy tinh silic và nhựa

Thủy tinh silic và nhựa là hai lựa chọn vật liệu cốt lõi cơ bản cho cáp quang. Bảng dưới đây so sánh hiệu suất của chúng theo các tiêu chí ứng dụng, cơ học và quang học quan trọng nhất.

Bảng 1: So sánh vật liệu lõi nhựa và thủy tinh silica được sử dụng trong cáp quang theo tám tiêu chí hiệu suất và ứng dụng.

Vật liệu kết cấu cáp: Bộ phận chịu lực, ống đệm và vỏ bọc

Ngoài sợi, cấu trúc cáp bên ngoài bao gồm một số lớp vật liệu bổ sung giúp bảo vệ sợi thủy tinh mỏng manh khỏi ứng suất cơ học, độ ẩm, động vật gặm nhấm, nghiền nát và suy thoái tia cực tím trong quá trình lắp đặt và trong suốt tuổi thọ thiết kế của cáp là 20–25 năm. Mỗi thành phần cấu trúc được làm từ vật liệu được lựa chọn cho các đặc tính bảo vệ cụ thể.

Thành phần sức mạnh: Sợi Aramid, sợi thủy tinh và thép

Các bộ phận chịu lực chịu lực kéo tác dụng lên cáp trong quá trình lắp đặt và chu trình nhiệt độ trong quá trình sử dụng, bảo vệ sợi quang khỏi bị kéo giãn (làm tăng độ suy giảm và có thể gây đứt). Ba vật liệu thành viên cường độ chính được sử dụng trong cáp quang construction là:

• Sợi sợi Aramid (loại Kevlar): Thành viên chịu lực được sử dụng rộng rãi nhất trong cáp dây trong nhà và cáp vá. Sợi aramid có độ bền kéo khoảng 3.600 MPa và mô đun Young là 70–125 GPa - mạnh hơn thép khoảng năm lần ở cùng trọng lượng. Dây vá tiêu chuẩn chứa 150–300 sợi aramid denier; cáp phân phối sử dụng sợi lưu động nặng hơn 1.420–2.840 denier. Aramid không dẫn điện (quan trọng đối với cách ly điện) và có độ giãn nở nhiệt thấp, giữ cho độ căng của sợi ở mức trung tính khi thay đổi nhiệt độ.
• Thanh nhựa gia cố sợi thủy tinh (FRP): Thanh FRP trung tâm (thường có đường kính 0,5–3 mm) được sử dụng làm bộ phận chịu lực trung tâm trong cáp ống lỏng ngoài trời. FRP cung cấp cường độ nén cao (không giống như aramid, bị uốn cong khi nén), làm cho nó phù hợp với các loại cáp phải chống lại lực nghiền khi lắp đặt chôn hoặc ống dẫn. Thanh FRP có độ bền kéo 1.000–1.500 MPa và giống như aramid, không dẫn điện.
• Dây thép và băng thép: Các bộ phận cường độ bằng thép được sử dụng trong cáp trên không tự hỗ trợ (thiết kế ADSS và hình 8), cáp bọc thép để chôn trực tiếp và cáp ngầm. Thép mang lại khả năng chịu tải kéo cao nhất — một sợi dây thép 6 mm có thể chịu được tải trọng kéo trên 20 kN — nhưng tăng thêm trọng lượng và yêu cầu liên kết điện cũng như nối đất khi lắp đặt gần đường dây điện. Thép mạ kẽm hoặc thép không gỉ được sử dụng tùy theo yêu cầu tiếp xúc với sự ăn mòn.

Ống đệm: PBT, PVDF và Polypropylene

Ống đệm là cấu trúc hình trụ rỗng chứa và bảo vệ từng sợi quang hoặc dải băng sợi bên trong cáp. Chúng phục vụ hai chức năng: bảo vệ sợi khỏi áp lực ngang và cung cấp bộ đệm giãn nở nhiệt có kiểm soát để ngăn sợi bị căng trong quá trình co rút ở nhiệt độ lạnh của cáp. Các vật liệu ống đệm phổ biến nhất là:

• Polybutylene Terephthalate (PBT): Vật liệu tiêu chuẩn công nghiệp dành cho ống đệm dạng ống lỏng trong cáp ngoài trời. PBT mang lại sự ổn định kích thước tuyệt vời ở nhiệt độ (-40 đến 70°C), độ hấp thụ độ ẩm thấp (dưới 0,1%), khả năng kháng hóa chất tốt và độ dày thành 0,3–0,6 mm mang lại khả năng chống nghiền đáng kể. Các ống PBT thường được đổ đầy gel chặn nước (gel hydrocacbon thixotropic) hoặc băng chặn nước khô để ngăn hơi ẩm xâm nhập.
• PVDF (Polyvinylidene Fluoride): Được sử dụng trong cấu trúc đệm chặt cho cáp trong nhà và môi trường hóa học khắc nghiệt. PVDF cung cấp khả năng chống bức xạ UV, ngọn lửa và nhiều loại hóa chất vượt trội, khiến nó phù hợp với hệ thống cáp của các cơ sở công nghiệp và lắp đặt trong nhà được xếp hạng toàn thể. Lớp phủ đệm kín PVDF được áp dụng ở đường kính ngoài 900 micromet trực tiếp trên sợi được phủ 250 micromet.
• Polypropylen (PP): Giải pháp thay thế PBT với chi phí thấp hơn cho một số ứng dụng cáp phân phối khoảng cách ngắn, đặc biệt là trong các thiết kế kết hợp trong nhà-ngoài trời. PP có độ ổn định kích thước thấp hơn một chút so với PBT ở nhiệt độ cao nhưng có khả năng kháng hóa chất tuyệt vời và đặc tính xử lý tốt để sản xuất cáp tốc độ cao.

Vật liệu chặn nước: Gel, băng và bột

Sự xâm nhập của nước là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự cố cáp quang khi lắp đặt chôn và chôn trực tiếp. Ba phương pháp chặn nước được sử dụng, mỗi phương pháp có hệ thống vật liệu riêng biệt:

• Gel làm đầy hydrocarbon: Chặn nước truyền thống trong cáp ống rời sử dụng gel gốc dầu mỏ thixotropic để lấp đầy ống đệm và các khe hở giữa các ống. Gel vẫn đủ lỏng để cho phép sợi di chuyển trong ống nhưng đủ nhớt để ngăn chặn sự di chuyển của nước. Cáp chứa đầy gel yêu cầu quy trình làm sạch bằng gel đặc biệt trong quá trình nối và kết thúc.
• Băng và sợi Polymer siêu thấm (SAP): Cáp bị chặn nước khô sử dụng băng hoặc sợi được phủ SAP, phồng lên nhanh chóng khi tiếp xúc với nước (hấp thụ gấp 400 lần trọng lượng của chúng), ngăn chặn sự di chuyển của nước mà không gây lẫn lộn gel dầu mỏ. Tính năng chặn nước dựa trên SAP hiện đang chiếm ưu thế trong các thiết kế cáp mới nhờ khả năng xử lý dễ dàng hơn và ưu tiên về môi trường hơn so với gel dầu mỏ.
• Bột SAP trong ống đệm: Một số thiết kế cáp kết hợp bột SAP được phủ bụi bên trong ống đệm làm cơ chế chặn nước chính, đạt được trọng lượng nhẹ khi kết cấu khối khô và chế tạo đơn giản hơn so với quấn băng SAP.

Lớp giáp: Thép tôn, Nhôm và Polyetylen

Cáp quang bọc thép bao gồm các lớp giáp kim loại hoặc điện môi giữa lõi và vỏ ngoài để chống lại sự nghiền nát, sự tấn công của loài gặm nhấm và tác động cơ học. Ba loại áo giáp chính là:

• Băng thép tôn (CST) Giáp: Một băng thép sóng được dán theo chiều dọc (thường dày 0,15–0,25 mm) được liên kết với lớp bọc polyetylen bên trong. Lớp giáp CST mang lại khả năng chống va đập tuyệt vời (thường được đánh giá ở mức 3.000–4.000 N/100 mm) và khả năng chống gặm nhấm đối với cáp chôn trực tiếp ở những khu vực đã biết có hoạt động gặm nhấm.
• Băng nhôm sóng: Được sử dụng trong tàu ngầm và một số loại cáp chôn trực tiếp trong đó trọng lượng nhôm thấp hơn so với thép là lợi thế. Nhôm cũng có khả năng chống ăn mòn cao hơn trong môi trường nước mặn.
• Giáp lồng vào nhau: Dây thép mạ kẽm quấn xoắn quanh cáp mang lại lớp giáp linh hoạt cho cáp đứng trong nhà-ngoài trời yêu cầu cả khả năng chống gặm nhấm và khả năng lắp đặt linh hoạt quanh các khúc cua.

Chất liệu áo khoác ngoài: Polyethylene, PVC, LSZH và PVDF

Áo khoác ngoài là tuyến phòng thủ đầu tiên chống lại tác hại vật lý, bức xạ UV, độ ẩm, hóa chất và nhiệt độ khắc nghiệt. Việc lựa chọn chất liệu áo khoác có ý nghĩa quan trọng đối với an toàn cháy nổ, tuân thủ môi trường, dễ lắp đặt và độ bền lâu dài.

Bảng 2: So sánh các vật liệu vỏ ngoài được sử dụng trong cáp quang về khả năng chống tia cực tím, mức độ cháy, phạm vi nhiệt độ, độc tính khói và môi trường triển khai điển hình.

Kính sợi quang được tạo ra như thế nào: Quá trình tạo phôi và vẽ

Hiểu biết what cáp quangs are made of sẽ không đầy đủ nếu không hiểu cách sản xuất thủy tinh silica siêu tinh khiết - một quá trình đáng chú ý như hiệu suất quang học của sợi.

Chế tạo phôi

Sợi quang bắt đầu ở dạng phôi thủy tinh — một thanh rắn bằng silic siêu tinh khiết dài khoảng 1 mét và đường kính 80–160 mm — chứa cấu trúc chiết suất vỏ bọc lõi ở quy mô lớn. Quy trình chế tạo phôi được sử dụng rộng rãi nhất là Lắng đọng hơi hóa học biến đổi (MCVD), trong đó hơi silicon tetrachloride (SiCl4) và germanium tetrachloride (GeCl4) bị oxy hóa bên trong ống silica quay ở nhiệt độ 1.500–1.900°C, lắng đọng các lớp bồ hóng thủy tinh pha tạp và không pha tạp liên tiếp. Lắng đọng hơi bên ngoài (OVD) và Lắng đọng dọc trục hơi (VAD) là các quy trình thay thế được các nhà sản xuất khác nhau sử dụng để đạt được tốc độ lắng đọng cao hơn và kích thước phôi lớn hơn.

Vẽ sợi

Khuôn phôi được đưa thẳng đứng vào lò kéo nơi đầu của nó được nung nóng đến khoảng 2.000°C - ngay dưới điểm làm mềm của silica - và một sợi mỏng được kéo xuống với tốc độ 10–25 mét mỗi giây. Khi sợi ra khỏi lò và nguội đi, nó đi qua các buồng xử lý bằng tia cực tím để áp dụng và xử lý lớp phủ acrylate hai lớp, sau đó đưa vào trống cuốn. Toàn bộ quá trình từ đầu tạo phôi đến sợi được phủ diễn ra trong môi trường được kiểm soát chính xác để ngăn ngừa ô nhiễm bề mặt có thể làm giảm độ bền của sợi. Độ bền kéo của sợi kéo được liên tục kiểm tra trực tuyến ở ứng suất biến dạng 1% (khoảng 0,7 GPa) để đảm bảo độ bền đứt tối thiểu trong cáp thành phẩm.

Câu hỏi thường gặp về vật liệu cáp quang

Câu 1: Cáp quang được làm bằng thủy tinh hay nhựa?

Hầu hết các cáp quang viễn thông và mạng dữ liệu đều được chế tạo với lõi và lớp bọc bằng thủy tinh silica. Sợi quang bằng nhựa (POF) tồn tại và sử dụng lõi PMMA hoặc polymer perfluorinated, nhưng chiếm một phần nhỏ trong số lượng sợi được lắp đặt trên toàn cầu - chủ yếu trong các ứng dụng ô tô, trang trí và cảm biến khoảng cách ngắn. Khi mọi người đề cập đến "cáp quang" trong bối cảnh mạng hoặc cơ sở hạ tầng internet, họ hầu như luôn có nghĩa là sợi silica lõi thủy tinh.

Câu 2: Tại sao thủy tinh silica được sử dụng cho cáp quang thay vì các vật liệu khác?

Thủy tinh silica được sử dụng vì nó đạt được độ suy giảm quang học thấp nhất so với bất kỳ vật liệu nào ở các bước sóng được sử dụng trong viễn thông (1310 nm và 1550 nm). Độ suy giảm 0,18–0,20 dB/km của nó cho phép tín hiệu truyền đi 40 km trở lên mà không cần khuếch đại. Không có vật liệu rắn trong suốt nào có thể đạt được hiệu suất này ở những bước sóng này. Silica còn có độ ổn định hóa học tuyệt vời, không hút ẩm, có thể kéo thành sợi cực kỳ đồng đều và tính chất quang học của nó đã được hiểu rõ sau nhiều thập kỷ nghiên cứu và sản xuất thương mại.

Câu 3: Bên trong vỏ bảo vệ của cáp quang có gì?

Bên trong vỏ ngoài của cáp quang ngoài trời dạng ống lỏng điển hình, bạn sẽ tìm thấy: một thanh FRP trung tâm hoặc thanh cường độ thép, nhiều ống đệm PBT được mã hóa màu (mỗi ống chứa 6–12 sợi quang mã màu trong gel chặn nước hoặc được bao quanh bởi băng SAP), sợi sợi aramid hoặc các bộ phận tăng cường dây thép bổ sung quấn quanh bó ống và trong các phiên bản bọc thép, một băng thép gấp nếp giữa bó ống và vỏ ngoài. Cáp đệm chặt trong nhà có cấu trúc đơn giản hơn: mỗi sợi có một lớp đệm chặt PVDF hoặc nylon 900 micromet trực tiếp trên lớp phủ 250 micromet, với các bộ phận bền bằng sợi aramid bên dưới lớp áo ngoài.

Câu 4: Kính trong cáp quang có độ tinh khiết như thế nào?

Thủy tinh silica trong cáp quang viễn thông là một trong những vật liệu tinh khiết nhất được sản xuất thương mại. Tổng hàm lượng tạp chất kim loại là dưới 1 phần tỷ (ppb) đối với các kim loại chuyển tiếp như sắt, đồng và crom - những nguyên tố hấp thụ ánh sáng ở bước sóng viễn thông và sẽ làm tăng đáng kể độ suy giảm. Mức độ tinh khiết này, vượt quá 99,9999% SiO2, đạt được thông qua quá trình lắng đọng hơi hóa học, tạo ra thủy tinh từ tiền chất khí siêu tinh khiết (SiCl4 với độ tinh khiết lớn hơn 99,9999%) thay vì từ thạch anh tự nhiên có chứa tạp chất khoáng vi lượng không thể tránh khỏi.

Câu 5: Cáp quang có chịu được điều kiện thời tiết ngoài trời không?

Có, cáp quang tiêu chuẩn ngoài trời được thiết kế đặc biệt để tồn tại trong 20–25 năm tiếp xúc với bức xạ tia cực tím, chu kỳ nhiệt độ, độ ẩm, tải trọng gió và trong một số trường hợp là loài gặm nhấm hoặc bị nghiền nát. Cáp có vỏ bọc HDPE màu đen chứa muội than (2–3% tính theo trọng lượng) giúp hấp thụ bức xạ tia cực tím và ngăn ngừa sự thoái hóa chuỗi polyme vốn có thể gây giòn và nứt theo thời gian. Cấu trúc ống lỏng chứa đầy gel hoặc bị chặn khô giúp ngăn hơi ẩm tiếp cận sợi thủy tinh, do sự xâm nhập của nước kết hợp với ứng suất cơ học làm tăng tốc độ mỏi do ăn mòn ứng suất ở silica. Cáp được lắp đặt trên không cũng phải chịu được tải trọng băng và độ rung do gió gây ra - các yêu cầu được giải quyết bằng thiết kế độ võng cáp thích hợp và kích thước bộ phận chịu lực.

Câu 6: Sự khác biệt giữa vật liệu áo khoác LSZH và PVC là gì?

Áo khoác PVC (polyvinyl clorua) là chất chống cháy và chi phí thấp nhưng thải ra khí hydro clorua (HCl) và khói đen dày đặc khi đốt cháy - độc hại và ăn mòn trong không gian hạn chế như trung tâm dữ liệu, đường hầm vận chuyển hoặc các tòa nhà có người ở. Áo khoác LSZH (Low Smoke Zero Halogen) được chế tạo từ các polyme không chứa halogen (thường là hợp chất polyolefin với chất chống cháy gốc khoáng như nhôm trihydrat), khi tiếp xúc với lửa sẽ tạo ra khói tối thiểu và không có khí axit halogenic. Các tiêu chuẩn cáp Châu Âu (EN 50575) và nhiều quy chuẩn xây dựng quốc gia hiện yêu cầu cáp LSZH trong các tòa nhà công cộng, cơ sở hạ tầng giao thông và môi trường trung tâm dữ liệu đông dân cư. Cáp LSZH thường có giá cao hơn 15–30% so với cáp có vỏ bọc PVC tương đương.

Câu hỏi 7: Chất liệu vỏ cáp quang có ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tín hiệu không?

Bản thân vật liệu áo khoác không có ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền ánh sáng qua sợi, vì ánh sáng chỉ truyền trong lõi và lớp bọc thủy tinh. Tuy nhiên, vật liệu vỏ bọc gián tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất quang học theo hai cách: thứ nhất, vật liệu vỏ cứng hơn tác dụng lực ngang lớn hơn lên bó sợi, có khả năng gây ra sự suy giảm do uốn cong vi mô tăng lên nếu thiết kế ống đệm hoặc lớp phủ sợi không được tối ưu hóa; thứ hai, vật liệu áo khoác có độ ổn định kích thước kém ở nhiệt độ cực cao (đặc biệt là vật liệu co lại đáng kể ở nhiệt độ thấp) có thể đặt sợi vào ứng suất nén hoặc kéo nếu thiết kế cáp không cung cấp khả năng giảm sức căng thích hợp. Cáp được thiết kế tốt sử dụng vật liệu vỏ tiêu chuẩn duy trì hiệu suất suy giảm được chỉ định trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ hoạt động định mức.

Kết luận: Tại sao việc lựa chọn vật liệu lại xác định hiệu suất của cáp quang

Câu trả lời cho cáp quang được làm từ chất liệu gì tiết lộ một hệ thống kỹ thuật phức tạp, từng lớp, trong đó mọi vật liệu đều được chọn với độ chính xác: silica pha tạp gecmani siêu tinh khiết cho lõi dẫn ánh sáng với tổn thất tối thiểu, lớp phủ silica không pha tạp hoặc pha tạp flo tạo ra ranh giới phản xạ bên trong toàn phần, lớp phủ acrylate xử lý bằng tia cực tím hai lớp bảo vệ kính khỏi uốn cong vi mô và độ ẩm, và cấu trúc cáp bên ngoài gồm các thành phần cường độ aramid hoặc FRP, ống đệm PBT, vật liệu SAP chặn nước, áo giáp thép tùy chọn, và một hợp chất áo khoác phù hợp với các yêu cầu về an toàn cháy nổ, chống tia cực tím, phạm vi nhiệt độ và môi trường khi triển khai.

Mỗi lớp vật chất đều có một vai trò không thể thay thế được. Hư hỏng của bất kỳ bộ phận đơn lẻ nào - vết nứt màng ngăn trong lớp phủ, nước xâm nhập qua lớp vỏ bị hư hại hoặc sự suy giảm tia cực tím của lớp vỏ ngoài trời không được bảo vệ - đều có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hoặc tuổi thọ của toàn bộ liên kết cáp. Đối với các nhà thiết kế mạng, người lắp đặt và kỹ sư mua sắm, việc hiểu rõ các vật liệu tạo nên cáp quangs là nền tảng để đưa ra các quyết định về thông số kỹ thuật chính xác trên toàn bộ các ứng dụng viễn thông, trung tâm dữ liệu, công nghiệp và đặc biệt.