Cáp quang biển (cáp thông tin) có cấu tạo như thế nào?

Toàn bộ hành tinh của chúng ta được bao phủ dày đặc trong các mạng lưới có dây và không dây cho nhiều mục đích khác nhau, và phần lớn toàn bộ thông tin trang web này được kiểm soát bởi cáp dữ liệu. Ngày nay chúng không chỉ được lắp đặt trên không hay dưới lòng đất mà còn ngay cả dưới nước.

Cáp thông tin liên lạc ngầm được lắp đặt dọc theo đáy biển và đại dương và được sử dụng để truyền năng lượng điện, truyền giọng nói và gần đây hơn là truyền dữ liệu chung. Đây là các loại cáp truyền tín hiệu viễn thông đường dài giữa các lục địa hoặc các khu vực địa lý khác nhau. Cáp thông tin xuyên lục địa hiện đại dựa trên công nghệ cáp quang, cho phép truyền một lượng lớn dữ liệu ở tốc độ cao với tổn hao thấp, những sợi cáp ngầm đầu tiên được lắp đặt vào giữa TK19 và phục vụ cho việc liên lạc bằng điện báo.

I. Lịch sử cáp thông tin

Khái niệm cáp ngầm dưới biển không phải là mới. Việc bắt đầu thực hiện ý tưởng đầy tham vọng đầu tiên như vậy bắt đầu từ ngày 5/8/ 1858, khi các bang của hai lục địa là Hoa Kỳ và Vương quốc Anh được kết nối bằng cáp điện báo xuyên Đại Tây Dương, dây cáp này vẫn hoạt động tốt trong suốt thời gian qua nhưng nhanh chóng bắt đầu xuống cấp và cuối cùng bị vỡ do ăn mòn. Thông tin liên lạc dọc theo tuyến đường chỉ được khôi phục một cách đáng tin cậy vào năm 1866.

• 4 năm sau, một tuyến cáp được lắp đặt từ Anh đến Ấn Độ, nối trực tiếp Bombay và London. Các nhà công nghiệp và nhà khoa học giỏi nhất thời bấy giờ đã tham gia phát triển các dự án bao gồm Wheatstone, Thomson, anh em Siemens. Mặc dù những sự kiện này đã diễn ra cách đây 1.5 thế kỷ nhưng ngay cả khi đó con người cũng đã tạo ra những đường dây liên lạc kéo dài hàng nghìn km.
• Công việc kỹ thuật theo hướng này và các hướng khác đã phát triển, vào năm 1956, liên lạc qua điện thoại cũng được thiết lập với Mỹ. Đường dây này có thể gọi là “tiếng nói xuyên đại dương”, tương tự như cuốn sách cùng tên của Arthur C. Clarke, kể về câu chuyện xây dựng đường dây điện thoại xuyên đại dương.
• Năm 1988, tuyến cáp quang xuyên Đại Tây Dương đầu tiên được công bố.
• Hiện nay, cáp ngầm dưới biển kết nối mọi châu lục trên thế giới (trừ Nam Cực) và mang hơn 99% lưu lượng Internet quốc tế.

II. Cấu tạo chung của cáp quang biển

Chắc chắn nhiều người quan tâm đến cách sản xuất một sợi cáp được thiết kế để hoạt động ở độ sâu lên tới 8 km dưới nước. Rõ ràng, sợi cáp này phải bền và không thấm nước tuyệt đối, đủ chắc chắn, có thể chịu được áp lực nước rất lớn và không bị hư hỏng cả trong quá trình lắp đặt cũng như trong quá trình sử dụng sau này. Theo đó, cáp phải được làm bằng vật liệu đặc biệt cho phép duy trì các đặc tính hoạt động có thể chấp nhận được của đường truyền ngay cả trong điều kiện chịu tải kéo cơ học, không chỉ trong quá trình lắp đặt.

Ví dụ tuyến cáp quang Thái Bình Dương dài 9.000 km của Google, kết nối Oregon và Nhật Bản vào năm 2015, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 60Tbps. Chi phí của dự án này là 300 triệu USD.

Phần truyền dẫn của cáp quang không có gì bất thường. Tính năng chính là bảo vệ cáp biển sâu nhằm bảo vệ lõi quang truyền thông tin trong mục đích sử dụng ở độ sâu lớn như vậy, đồng thời tối đa hóa tuổi thọ hoạt động không gặp sự cố của đường dây liên lạc.

1. Lớp vỏ bọc bên ngoài của cáp thường được làm bằng PE. Polyethylene có khả năng chống ẩm, nó không tương tác với các dung dịch kiềm và muối có trong nước biển và polyethylene không phản ứng với axit hữu cơ hoặc vô cơ, kể cả axit sulfuric đậm đặc. Polyetylen là lựa chọn hợp lý nhất ở đây, vì các phản ứng với nước ở bất kỳ thành phần nào đều bị loại trừ, điều đó có nghĩa là cáp sẽ không bị ảnh hưởng bởi môi trường trong nước biển. PE cũng được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt trong các đường dây điện thoại đầu tiên giữa các châu lục, được xây dựng vào giữa thế kỷ 20. Nhưng vì độ xốp tự nhiên của nó, không thể bảo vệ cáp hoàn toàn nên các lớp bảo vệ bổ sung cũng được sử dụng.
2. Bên dưới lớp PE có một màng mylar, là vật liệu tổng hợp dựa trên polyetylen terephthalate (PET). PET có tính trơ về mặt hóa học, chịu được nhiều môi trường khắc nghiệt, độ bền của nó lớn gấp 10 lần PE, có khả năng chống va đập và mài mòn. Mylar đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bao gồm cả hàng không vũ trụ, chưa kể đến nhiều ứng dụng trong bao bì, dệt may…
3. Dưới màng mylar có một lớp giáp bảo vệ, các thông số của nó phụ thuộc vào đặc điểm, mục đích của từng cáp cụ thể. Đây thường là một lớp sợi thép cứng giúp cáp có độ bền và khả năng chống lại các tác động cơ học bên ngoài. Bức xạ điện từ từ dây cáp có thể thu hút cá mập đến cắn. Sự hiện diện của lớp thép mạ kẽm này cho phép bạn để cáp ở phía dưới một cách an toàn mà không cần phải đặt nó trong rãnh. Trọng lượng của một km cáp như vậy có thể lên tới vài tấn. Giáp nhôm không thể được sử dụng vì trong nước biển nó sẽ phản ứng tạo thành hydro và điều này sẽ gây bất lợi cho sợi quang bên trong.
4. Tiếp theo là lớp nhôm polyethylene, là vật liệu kết hợp của lá nhôm và màng polyetylen dán lại với nhau. Lớp này gần như vô hình trong khối lượng lớn của kết cấu cáp vì độ dày của nó chỉ khoảng 0.2 mm.
5. Tiếp theo, để tăng cường độ chắc chắn cho cáp, người ta phủ một lớp polycarbonate, khá bền nhưng lại nhẹ. Với polycarbonate, cáp thậm chí còn có khả năng chống chịu áp lực và va đập tốt hơn, không phải vô cớ mà polycarbonate được sử dụng trong sản xuất mũ bảo hộ.
6. Dưới lớp polycarbonate có một ống đồng (hoặc nhôm). Nó được bao gồm trong thiết kế lõi cáp và đóng vai trò như một lớp màn chắn. Bên trong lớp này có các ống đồng chứa sợi quang nhỏ xíu. Giữa thành ống và sợi quang có một loại gel thixotropic kỵ nước.

III. Lắp đặt cáp quang biển

Đặt cáp dọc theo đáy đại dương và biển là một quá trình có trách nhiệm đòi hỏi tàu phải có thiết bị đặc biệt.

Tuyến cáp trước tiên được lên kế hoạch cẩn thận để đảm bảo bảo vệ tối đa cho cáp được lắp đặt. Tuyến đường được đánh dấu sẽ xác định loại cáp sẽ được sử dụng. Các dây cáp được nối trực tiếp trên boong của các tàu đang rải.

Để giảm nguy cơ đứt do ứng suất cơ học, cáp được đặt dọc theo tuyến đường hơi nhấp nhô. Ở độ sâu lớn hơn, cáp thường được đặt trực tiếp dưới đáy biển, trong trường hợp đó phải mất khoảng 1 ngày mới lắp được 100 km cáp. Ở những khu vực rủi ro hơn, nơi độ sâu nông hơn và có nguy cơ hư hỏng, chẳng hạn như do neo tàu hoặc đánh bắt cá ở biển sâu, cáp thường được đặt trong rãnh sâu 1 – 3.5 m.

Việc sản xuất cáp quang biển sâu thường được đặt càng gần biển càng tốt, thường là gần cảng vì cáp nặng nhiều tấn/ km và tốt hơn là nên lắp ráp nó theo những đoạn dài nhất có thể, ít nhất 4 km, tương đương trọng lượng khoảng 15 tấn. Việc vận chuyển một sợi cáp nặng như vậy đi một quãng đường dài không phải là một việc dễ dàng. Đối với vận tải đường bộ, các bệ đường sắt ghép đôi được sử dụng để có thể cuộn toàn bộ lại mà không làm hỏng sợi bên trong nó.

Cuối cùng, dây cáp không đơn giản là ném từ tàu xuống nước. Mọi thứ phải mang lại lợi nhuận kinh tế và an toàn. Đầu tiên, họ nhận được giấy phép sử dụng vùng nước ven biển từ các quốc gia khác nhau, sau đó là giấy phép làm việc… Sau đó, họ tiến hành khảo sát địa chất, đánh giá hoạt động địa chấn và núi lửa trong khu vực lắp đặt cáp, xem dự báo của các nhà khí tượng học và tính toán khả năng xảy ra lở đất dưới nước cũng như những bất ngờ khác trong khu vực đặt cáp. Họ sẽ tính đến độ sâu, mật độ của đáy, tính chất của đất, sự hiện diện của núi lửa, tàu chìm và các vật thể lạ khác có thể cản trở công việc hoặc yêu cầu kéo dài cáp. Chỉ sau khi các chi tiết này được đo lường cẩn thận đến từng chi tiết nhỏ nhất, họ mới bắt đầu tải cáp lên tàu và lắp đặt.

Cáp sẽ được đặt liên tục. Nó được vận chuyển trong vịnh trên một con tàu đến địa điểm đặt để hạ xuống đáy. Máy tháo cáp ở tốc độ chính xác, duy trì độ căng khi tàu đi theo lộ trình rải. Nếu cáp bị đứt trong quá trình lắp đặt, cáp quang sẽ được nâng lên tàu và sửa chữa ngay lập tức.

Tóm lại cáp quang biển được đặt dưới đáy đại dương phải đối mặt với nhiều rủi ro khác nhau có thể dẫn đến hư hỏng hoặc đứt, bao gồm các hiện tượng tự nhiên như động đất, sóng thần, núi lửa dưới nước, lở đất cũng như các yếu tố con người như neo tàu, lưới đánh cá, tàu ngầm, nạo vét… Do đó, cáp quang phải được giám sát liên tục bằng các cảm biến đặc biệt để xác định vị trí và nguyên nhân lỗi, đồng thời sửa chữa bằng các phương tiện chuyên dụng để nâng cáp lên bề mặt và khôi phục tính nguyên vẹn của nó.

IV. Sửa chữa các vị trí bị hỏng

Mối nguy hiểm lớn nhất đối với cáp quang biển là hoạt động kiến tạo, gây ra động đất và hoạt động núi lửa. Trong trường hợp có sự cố, tàu dịch vụ sẽ túc trực. Vị trí hư hỏng được xác định bằng cách phản xạ tín hiệu với độ chính xác cao lên tới decimet. Cáp được vớt lên từ đáy biển bằng lưỡi câu, phần bị hư hỏng được thay thế bằng cáp mới, được hàn vào cáp cũ (khoảng một trăm mét trước và sau phần bị hỏng).

Quá trình sửa chữa mất từ vài giờ – vài ngày, tùy thuộc vào độ sâu, độ phức tạp và quy mô thiệt hại. Công việc sửa chữa được thực hiện dưới sự giám sát liên tục của các chuyên gia giám sát chất lượng hàn, cách điện và kiểm tra cáp. Sau khi sửa chữa xong, cáp được hạ xuống phía dưới và liên lạc giữa các điểm từ xa được khôi phục.

Sửa chữa cáp thông tin xuyên biển xuyên đại dương là một nhiệm vụ phức tạp và có trách nhiệm, đòi hỏi trình độ chuyên môn cao, thiết bị công nghệ và sự phối hợp hành động.