Cáp quang trên máy bay

Cáp quang trên máy bay

Khi mạng avionics và giải trí cabin cần băng thông lớn hơn nhiều so với dây đồng (Module 05, 06), sợi quang trở thành lựa chọn: nhẹ, băng thông rất rộng, miễn nhiễm điện từ. Module này giải thích sợi quang dẫn sáng bằng phản xạ toàn phần ra sao, tính góc tới hạn, khẩu độ số và số mode, rồi đến suy hao, tán sắc, các loại sợi, cấu tạo cáp và hệ thống truyền tin, kèm hai demo chạy ngay trên trang.

Tooley ch.10 (tr.162-177) · Bài giảng "Fiber optics" (37 slide) · Floyd ch.13 mục 13-1 (tr.740-745)

Sợi quang là gì?

Sợi quang là ống dẫn sóng mà sóng điện từ (ánh sáng) đi dọc theo với tổn hao rất nhỏ. Cấu tạo: lõi (chiết suất cao hơn n₁), vỏ phản xạ (cladding, chiết suất thấp hơn n₂ < n₁) và lớp phủ bảo vệ cơ học. Nhiều sợi gộp thành một cáp có sợi gia cường aramid và vỏ ngoài.

Hệ truyền thông quang mẫu: tín hiệu điện → nguồn sáng (LED hoặc laser) → sợi → đầu thu quang (photodiode) → tín hiệu điện.

Lịch sử: 1910, 1970, 1990

Ưu điểm và nhược điểm so với cáp đồng

Ưu điểm (Tooley 10.1): nhẹ và nhỏ; băng thông cực rộng, tốc độ dữ liệu rất cao; tương đối miễn nhiễm điện từ; nhiễu và nhiễu xuyên âm giảm hẳn; suy hao tương đối thấp; tin cậy và tuổi thọ dài; cách ly điện, không có vòng đất.

Cáp đồng nặng gấp khoảng 5 lần cáp quang polymer và 5 lần sợi silica; trên máy bay thế hệ mới nhiều avionics, tiết kiệm có thể tới 1 300 kg.

Nhược điểm: ngành còn ngại công nghệ mới; cần độ chính xác cao khi lắp cáp và đầu nối; lo ngại độ bền cơ học và phải bảo đảm bán kính uốn đủ lớn.

Hôm nay: sợi quang trong buồng lái và khoang khách

Ứng dụng tăng nhanh nhờ nhu cầu băng thông lớn.

• Buồng lái: EFB, hệ thống nhìn tăng cường, màn hình lớn nhiều video, HUD, camera, qua một bộ chuyển mạch mạng avionics quang.
• Khoang khách: giải trí trên chuyến bay (phim theo yêu cầu, internet Wi-Fi, trò chơi, mua sắm) qua bộ chuyển mạch cabin và điểm truy cập Wi-Fi nối bằng sợi quang.

Máy bay dùng sợi quang chuẩn hoá và vị trí lắp

Bài giảng liệt kê các máy bay dân dụng và quân sự dùng sợi quang chuẩn: A350 XWB, A380-800, Boeing 787, A340-600, F-22, Eurofighter Typhoon, A400M, F-35, các trực thăng Merlin, Wildcat, Chinook, v.v.

Lý do chuẩn hoá: băng thông cao, nhẹ, miễn nhiễm EMI, và dùng chung sợi và đầu nối tiêu chuẩn hàng không để tin cậy, tương thích và bảo trì dễ hơn.

Vị trí điển hình: khoang khách (IFE, Wi-Fi), buồng lái (EFB, hiển thị video), trục mạng (chuyển mạch quang, nối buồng lái và cabin), đuôi (liên lạc, anten, liên kết dữ liệu), động cơ và cánh (giám sát, cảm biến chịu nhiệt), điều khiển bay và cảm biến.

Ngày mai: nâng cấp máy bay cũ và cảm biến sợi quang

Mạng quang đã nằm sẵn trong A380 và Boeing 787. Nhiều máy bay cũ cần nâng cấp dây và cáp (từ cáp đồng nặng, băng thông hạn chế) sang mạng quang cho các yêu cầu băng thông, nhất là giải trí.

Ánh sáng là sóng điện từ

Chu kỳ không gian là bước sóng λ, chu kỳ thời gian là chu kỳ T = 1/f. Liên hệ: λ = v/f = vT. Ánh sáng nhìn thấy khoảng 400 đến 700 nm. Trong chân không v = c ≈ 3 × 10⁸ m/s; trong vật liệu điện môi không từ v = c/√ε_r.

Ví dụ sợi silica: n ≈ 1,44 (ε_r = n² ≈ 2,07) cho v = 3×10⁸/1,44 ≈ 2,08×10⁸ m/s.

Chiết suất và tốc độ ánh sáng trong vật liệu

Chiết suất n = √ε_r cho biết ánh sáng bị chậm bao nhiêu so với chân không: v = c/n.

Định luật Snell

Khi tia sáng gặp biên giữa hai môi trường điện môi chiết suất khác nhau, nó đổi hướng (khúc xạ): n₁ sin θi = n₂ sin θr, với θi và θr đo từ pháp tuyến.

• Vào môi trường chiết suất cao hơn (n₂ > n₁): θr < θi, tia gập về phía pháp tuyến.
• Vào môi trường chiết suất thấp hơn (n₂ < n₁): θr > θi, tia gập ra xa pháp tuyến.

Góc tới hạn và phản xạ toàn phần

Với n₁ > n₂, góc khúc xạ luôn lớn hơn góc tới. Khi θr = 90° tia đi dọc biên; góc tới tương ứng là góc tới hạn: sin θc = n₂/n₁.

Cấu tạo sợi và mặt cắt chiết suất

Mặt cắt chiết suất: lõi cao hơn vỏ (n₁ > n₂).

Dẫn ánh sáng trong sợi bằng phản xạ toàn phần

Ánh sáng đi vào lõi và gặp biên lõi-vỏ với góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn thì bị phản xạ toàn phần, rồi lại gặp biên đối diện... Nhờ chuỗi phản xạ này nó chạy dọc lõi, kể cả khi sợi bị uốn. Tia có góc tới nhỏ hơn θc sẽ lọt vào vỏ và mất do tán xạ hoặc hấp thụ.

Điều kiện: n₁ > n₂ và θi ≥ θc với sin θc = n₂/n₁.

Góc chấp nhận và khẩu độ số

Chỉ tia vào sợi trong hình nón chấp nhận (nửa góc θa) mới được dẫn. Áp dụng Snell tại đầu sợi (không khí vào lõi): n₀ sin θ₁ = n₁ sin θ₂. Giới hạn xảy ra khi tia trong lõi tới biên đúng góc tới hạn, cho:

NA = n₀ sin θa = √(n₁² − n₂²), trong không khí NA = sin θa

NA đặc trưng khả năng thu sáng của sợi.

Bài tập 1 (slide 20): θc, θa và NA

Đề: sợi có n₁ = 1,53 (SiO₂) và n₂ = 1,50 (SiO₂ pha GeO₂). Tính góc tới hạn θc, góc chấp nhận θa và khẩu độ số NA.

Lời giải của module (slide không in đáp án):

• θc = sin⁻¹(1,50/1,53) = sin⁻¹(0,9804) = 78,64°
• NA = √(1,53² − 1,50²) = √0,0909 = 0,3015
• θa = sin⁻¹(0,3015) = 17,55° (trong không khí)

Mode truyền, tần số chuẩn hoá V và số mode

Ánh sáng trong lõi đi thành nhiều tia riêng, mỗi tia theo một đường khác nhau gọi là một mode; mỗi mode đều thoả điều kiện TIR. Mode bậc thấp có góc nhỏ (gần trục), mode bậc cao có góc lớn (gần góc tới hạn), đi đường dài hơn nên tán sắc mode lớn hơn.

V = (π d/λ) √(n₁² − n₂²) = (π d/λ) NA; với V ≫ 1 (đa mode chiết suất bậc): N ≈ V²/2.

Bài tập 2 (slide 22): V, số mode và θa

Đề: d_core = 62,5 µm, NA = 0,275, λ = 1300 nm. Tính V, số mode N và θa.

Lời giải của module:

• V = π d NA / λ = π × 62,5×10⁻⁶ × 0,275 / 1300×10⁻⁹ = 41,54
• N ≈ V²/2 = 1725,2/2 = 863 mode
• θa = sin⁻¹(0,275) = 15,96°

Ba giới hạn truyền: suy hao, tán sắc mode, tán sắc màu

1. Suy hao: công suất giảm theo khoảng cách do hấp thụ, tán xạ và tổn hao uốn. Điển hình 0,2 đến 0,5 dB/km ở 1550 nm (slide).
2. Tán sắc mode (thời gian): các mode có đường dài khác nhau nên đến muộn khác nhau, xung ra bị giãn.
3. Tán sắc màu: các bước sóng khác nhau có vận tốc nhóm khác nhau, xung ra bị giãn.

Suy hao: công thức mũ và dB/km

P(z) = P_in e^(−αz): công suất giảm theo hàm mũ với khoảng cách (α tính bằng Np/m). Thường biểu diễn bằng A = −(1/L)·10 log₁₀[P(L)/P(0)] (dB/km). Suy hao gồm hấp thụ, tán xạ, tổn hao uốn và tổn hao đầu nối.

Quy đổi: A (dB/km) = 4,343 × α (Np/km).

Cửa sổ truyền dẫn 1310 nm và 1550 nm

Đồ thị suy hao của sợi silica theo bước sóng gồm ba đóng góp: tán xạ Rayleigh (tỉ lệ 1/λ⁴, chiếm ưu thế dưới khoảng 1 µm), đỉnh hấp thụ OH⁻ (nước, quanh 1,24 và 1,39 µm) và hấp thụ mạng tinh thể (chiếm ưu thế khi trên 1,6 µm).

Cực tiểu quanh 1310 nm (≈ 0,35 dB/km) và 1550 nm (≈ 0,18 dB/km); vì vậy hầu hết hệ thống thông tin quang hoạt động ở hai bước sóng này.

Bài tập 3 (slide 27): chiều dài tối đa của sợi

Đề: công suất vào 1 mW, bước sóng 1310 nm, công suất ra tối thiểu đo được 50 µW, sợi SiO₂, dùng hệ số suy hao từ đồ thị (slide 26: ≈ 0,35 dB/km ở 1310 nm). Tính chiều dài tối đa l_max.

Lời giải của module: ngân sách = 10 log₁₀(1 mW / 0,05 mW) = 10 log₁₀(20) = 13,01 dB. L_max = 13,01 / 0,35 = 37,2 km.

Tán sắc mode (slide 28)

Trong sợi đa mode, tia nghiêng góc θ so với trục đi quãng đường L(θ) = L/cos θ dài hơn tia dọc trục, nên đến muộn hơn. Dùng vận tốc nhóm v_g ≈ c/n₁, chênh lệch thời gian giữa tia dài nhất và ngắn nhất là Δt = ΔL/v_g.

Hệ quả: xung vào hẹp thành xung ra rộng, hai xung gần nhau có thể chồng lấn, giới hạn tốc độ bit.

Tán sắc màu (slide 29)

Chiết suất vật liệu phụ thuộc bước sóng: n = n(λ) (tán sắc vật liệu), nên mỗi bước sóng đi với vận tốc v(λ) = c/n(λ) khác nhau. Một xung gồm nhiều bước sóng (độ rộng phổ Δλ) bị giãn một lượng Δt = L·D(λ₀)·Δλ, với tham số tán sắc D(λ) = (1/L)(dt_g/dλ) tính bằng ps/(nm·km). Tại bước sóng tán sắc không λ₀: D(λ₀) = 0.

Ba loại sợi quang

Cáp quang và mã màu

Cáp điển hình (Tooley hình 10.9, bài giảng slide 31) gồm: 5 sợi quang và 2 sợi đệm (filler, polyester, không dẫn sáng, giữ hình dạng cáp), băng keo polyester (giữ sợi gọn, làm cáp mềm), sợi aramid (Kevlar) chịu kéo và vỏ ngoài nhiệt dẻo chống ẩm và cách điện.

Mỗi sợi có lớp buffer bảo vệ mã màu: xanh lam, đỏ, xanh lá, vàng, trắng (sợi 1 đến 5).

Hệ truyền tin: bộ phát, đầu nối, sợi, bộ thu

Đầu nối quang: yêu cầu và cấu tạo

Đầu nối phải: tin cậy, bền, chính xác và lặp lại được kể cả nhiều lần cắm, lắp không cần dụng cụ chuyên dụng, tổn hao thấp, chi phí thấp. Tổn hao đầu nối thường nêu bằng chiều dài sợi tương đương: sáu đầu nối × 0,5 dB = 3 dB, tương đương nhiều km sợi tổn hao thấp.

Cấu tạo (Tooley hình 10.10): chìa và rãnh căn chỉnh, chốt dẫn hướng và hốc, vòng màu, ba ren khởi đầu; tiếp điểm gốm.

Floyd: các loại đầu nối và sợi trong truyền dữ liệu

Floyd mục 13-1 (tr.743) liệt kê đầu nối: ST (AT&T, phổ biến cho mạng đa mode), SC (gài, đa mode), FC (phổ biến cho đơn mode), LC (đơn mode), LX-5 (như LC nhưng có màn che đầu sợi), MT (12 sợi cho cáp dải), FDDI (song công, chứa hai sợi cho hai chiều).

Ưu điểm sợi quang so với truyền điện (Floyd tr.742): tốc độ nhanh hơn, dung lượng tín hiệu cao hơn, truyền xa tốt hơn, miễn nhiễm EMI; nhược điểm chính là giá cao hơn đồng trục, UTP và STP. Tốc độ phổ biến 10 đến 40 GHz, có nơi trên 100 GHz.

Mạng quang trên máy bay: Boeing 777, ARINC 636, FDDI

Boeing 777 là máy bay thương mại đầu tiên vào sản xuất với mạng cục bộ bằng sợi quang, phát triển từ thập niên 1980: AVLAN (avionics, ở buồng lái và khoang thiết bị điện) và CABLAN (cabin, ở trần khoang khách). Hai mạng theo chuẩn ARINC 636, cải biên từ FDDI để đạt tới 100 Mbps.

Thành phần mạng (Tooley 10.5): bộ ghép (3 hoặc 4 cổng), bộ chuyển mạch dùng gương để lái chùm tia vào các sợi khác nhau, và bộ định tuyến; bộ định tuyến điều khiển khối chuyển mạch vòng (BSU) bằng các tín hiệu PRI HI, PRI RTN, SEC HI, SEC RTN.

An toàn khi làm việc với sợi quang

Cũng theo Tooley: cần chú ý căn chỉnh phích và đế đúng và giữ vùng tiếp xúc sạch để tổn hao thấp và ghép hiệu quả.

Tổng kết: một hệ sợi quang theo từng bước

1. Chọn loại sợi theo tốc độ và khoảng cách: đa mode cho ngắn, đơn mode cho dài.
2. Tính góc tới hạn, NA, V để biết sợi dẫn và nhận ánh sáng ra sao.
3. Lập ngân sách công suất: P_in − P_min (dB) trừ tổn hao sợi, đầu nối, uốn; chọn 1310 hoặc 1550 nm.
4. Kiểm tra tán sắc để biết tốc độ bit tối đa.
5. Lắp đầu nối đúng và sạch; dải đỏ phải bị che ít nhất 50%.
6. An toàn mắt: ngắt hai đầu trước khi nhìn mặt đầu nối.

Góc tới hạn, khẩu độ số, số mode và suy hao

• n₁, n₂chiết suất của lõi và của vỏ (n₁ > n₂)
• θcgóc tới hạn tại biên lõi và vỏ
• NAkhẩu độ số, bằng sin của góc chấp nhận khi ở không khí
• d, λđường kính lõi và bước sóng trong chân không
• V, Ntần số chuẩn hoá và số mode truyền được
• A, L_maxsuy hao theo dB/km và chiều dài sợi tối đa với ngân sách công suất

📜 Bối cảnh lý thuyết và lịch sử

Theo bài giảng, năm 1910 Hondros và Debye phân tích lý thuyết ống dẫn sóng điện môi và chỉ ra ánh sáng có thể được dẫn trong cấu trúc trụ nhờ phản xạ toàn phần. Năm 1970 Corning chế tạo sợi quang thực dụng đầu tiên với suy hao dưới 20 dB/km, mở đường cho truyền thông đường dài. Sợi quang xuất hiện trên máy bay từ khoảng 1990, vì truyền dữ liệu tốc độ cao, miễn nhiễm EMI và nhẹ. Theo Tooley, Boeing 777 là máy bay thương mại đầu tiên vào sản xuất với mạng cục bộ bằng sợi quang, phát triển từ thập niên 1980, gồm AVLAN ở buồng lái và khoang thiết bị điện, và CABLAN ở trần khoang khách, theo chuẩn ARINC 636 cải biên từ FDDI để đạt tới 100 Mbps.

🔎 Case study: nên dùng sợi quang nào cho một liên kết trên máy bay, và dài nhất bao nhiêu?

Giả sử một bộ phát công suất 1 mW, bộ thu đo được tối thiểu 50 µW, hoạt động ở 1310 nm trên sợi SiO₂ có suy hao 0,35 dB/km (bài tập slide 27). Ngân sách công suất là 10 log₁₀(1 mW / 50 µW) = 13,01 dB, nên chiều dài tối đa là 13,01 / 0,35 ≈ 37,2 km. Trên máy bay chỉ cần vài chục mét, nên ngân sách này rất dư; điều quan trọng hơn là đầu nối: Tooley tính sáu đầu nối, mỗi đầu 0,5 dB, tổng 3 dB, tương đương hàng km sợi. Với sợi đa mode lõi 62,5 µm, NA = 0,275 ở 1300 nm, V = 41,5 và khoảng 863 mode (bài slide 22), nên tán sắc mode là giới hạn chính của tốc độ. Vì thế mạng máy bay hiện nay vẫn dùng nhiều sợi đa mode (dễ cắt, nối, đầu nối), còn sợi đơn mode có băng thông cao hơn nhưng khó hơn khi căn chỉnh (Tooley 10.2.2).

⚠️ Bẫy hay gặp (và các chỗ không khớp tìm thấy trong tài liệu)

Bẫy chung: nhầm góc tới hạn θc (tính ở biên lõi và vỏ) với góc chấp nhận θa (tính ở đầu vào sợi, từ không khí). Với n₁ = 1,53 và n₂ = 1,50 thì θc = 78,6° còn θa chỉ 17,5°. Chính vì vậy slide 19 ghi "θ₁ = θc = θa" là không đúng: hai góc đó đo ở hai nơi khác nhau và không bằng nhau; điều kiện giới hạn đúng là góc φ tại biên (tính từ pháp tuyến) bằng θc, hay tương đương góc trong sợi so với trục bằng 90° − θc. Ký hiệu θ₁ cũng bị dùng khác nhau giữa slide 17 (góc trong không khí) và slide 19 (góc trong lõi). Slide 9 ghi nước có ε_r ≈ 80 nhưng n ≈ 1,33; √80 ≈ 8,9, không phải 1,33: ε_r = 80 là hằng số điện môi tĩnh, còn ở tần số ánh sáng ε_r ≈ 1,77 (= 1,33²). Slide 28 viết Δt ≈ (n₁ − n₂)L/c, thiếu hệ số n₁/n₂ (công thức đúng cho tia xiên tới hạn là n₁(n₁ − n₂)L/(c n₂)), và nói điển hình 10 đến 50 ns/km trong khi với n₁ − n₂ = 0,02 đến 0,04 công thức cho khoảng 67 đến 137 ns/km. Slide 30 ghi nhãn sợi chiết suất biến thiên là "MM-SI" trong khi bảng so sánh bên dưới ghi MM-GI. Slide 24 ghi suy hao 0,2 đến 0,5 dB/km ở 1550 nm còn slide 26 ghi 0,18 dB/km. Cuối cùng, Tooley mục 10.2 viết ngược quy tắc khúc xạ: sách nói khi ánh sáng đi từ chiết suất cao sang thấp thì tia "bị bẻ về phía pháp tuyến", nhưng theo định luật Snell tia bị bẻ ra xa pháp tuyến (slide 12 của bài giảng viết đúng); đây là câu chữ của sách mâu thuẫn với định luật Snell và với bài giảng, nên không dùng để học.