Cách sử dụng cáp quang dành cho viễn thông

Cáp quang dành cho viễn thông là một lĩnh vực khoa học và kỹ thuật sử dụng các sợi quang để truyền thông tin. Sợi quang học (còn gọi là sợi quang học) là những sợi trong suốt, mỏng, có tính linh hoạt cao, được làm bằng silica (thủy tinh) hoặc nhựa được kéo thành sợi chỉ dày hơn sợi tóc người một chút. Sợi quang truyền ánh sáng từ đầu này sang đầu kia của sợi quang.

Cáp quang, là một bó gồm hàng nghìn sợi quang, mang lại lợi thế hơn cáp điện ở chỗ chúng có thể chạy trên khoảng cách xa hơn và ở tốc độ dữ liệu cao hơn (băng thông). Cáp quang cũng không dễ bị nhiễu điện từ (EMI) có thể làm giảm chất lượng truyền dẫn trong cáp điện.

Nguồn gốc của truyền thông cáp quang

Được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1970, sợi quang đã cách mạng hóa ngành viễn thông và đóng một vai trò quan trọng trong sự ra đời của Thời đại thông tin. Vì những ưu điểm của nó so với truyền dẫn điện, sợi quang đã thay thế phần lớn thông tin liên lạc bằng dây đồng trong các mạng đường trục ở các nước phát triển.

Quá trình giao tiếp bằng sợi quang bao gồm các bước cơ bản sau:

• tạo ra tín hiệu quang liên quan đến việc sử dụng máy phát, thường là từ tín hiệu điện
• chuyển tiếp tín hiệu dọc theo sợi quang, đảm bảo rằng tín hiệu không bị quá méo hoặc yếu
• nhận tín hiệu quang học
• chuyển đổi nó thành một tín hiệu điện

Cáp quang được các công ty viễn thông sử dụng để truyền tín hiệu điện thoại, thông tin liên lạc Internet và tín hiệu truyền hình cáp. Nó cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác, bao gồm y tế, quốc phòng, chính phủ, công nghiệp và thương mại. Ngoài việc phục vụ các mục đích viễn thông, nó còn được sử dụng làm đường dẫn ánh sáng, làm công cụ hình ảnh, laser, hydrophone cho sóng địa chấn, SONAR, và làm cảm biến đo áp suất và nhiệt độ.

Do suy hao và nhiễu thấp hơn, cáp quang có lợi thế hơn so với dây đồng trong các ứng dụng đường dài, băng thông cao. Tuy nhiên, việc phát triển cơ sở hạ tầng trong các thành phố là tương đối khó khăn và tốn nhiều thời gian, và các hệ thống cáp quang có thể phức tạp và tốn kém để lắp đặt và vận hành. Do những khó khăn này, các hệ thống thông tin liên lạc bằng sợi quang ban đầu chủ yếu được lắp đặt trong các ứng dụng đường dài, nơi chúng có thể được sử dụng hết công suất truyền dẫn, bù lại chi phí tăng lên. Giá của truyền thông cáp quang đã giảm đáng kể kể từ năm 2000.

Giá cung cấp cáp quang đến tận nhà hiện đã trở nên hiệu quả hơn về chi phí so với việc triển khai mạng dựa trên đồng. Giá đã giảm xuống còn 850 đô la cho mỗi người đăng ký ở Mỹ và thấp hơn ở các nước như Hà Lan, nơi chi phí đào thấp và mật độ nhà ở cao.

Kể từ năm 1990, khi các hệ thống khuếch đại quang được bán trên thị trường, ngành công nghiệp viễn thông đã thiết lập một mạng lưới đường truyền cáp quang xuyên đại dương và liên tỉnh rộng lớn. Đến năm 2002, mạng lưới xuyên lục địa dài 250.000 km cáp thông tin dưới biển với dung lượng 2,56 Tb / giây đã được hoàn thành và mặc dù dung lượng mạng cụ thể là thông tin đặc quyền, các báo cáo đầu tư viễn thông chỉ ra rằng dung lượng mạng đã tăng đáng kể kể từ năm 2004.

Các hệ thống thông tin liên lạc bằng sợi quang hiện đại thường bao gồm một máy phát quang để chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để gửi qua sợi quang, một cáp chứa nhiều sợi quang được định tuyến qua các ống dẫn ngầm và các tòa nhà, nhiều loại bộ khuếch đại, và một máy thu quang để khôi phục tín hiệu dưới dạng tín hiệu điện. Thông tin được truyền đi thường là thông tin kỹ thuật số được tạo ra bởi máy tính, hệ thống điện thoại và các công ty truyền hình cáp.

Bộ truyền quang được sử dụng phổ biến nhất là các thiết bị bán dẫn như điốt phát quang (đèn LED) và điốt laze. Sự khác biệt giữa đèn LED và điốt laser là đèn LED tạo ra ánh sáng không mạch lạc, trong khi điốt laser tạo ra ánh sáng mạch lạc. Để sử dụng trong thông tin liên lạc quang, máy phát quang bán dẫn phải được thiết kế nhỏ gọn, hiệu quả và đáng tin cậy, đồng thời hoạt động trong dải bước sóng tối ưu và được điều chế trực tiếp ở tần số cao.

Ở dạng đơn giản nhất, đèn LED là một điểm nối p-n phân cực thuận, phát ra ánh sáng thông qua sự phát xạ tự phát, một hiện tượng được gọi là điện phát quang. Ánh sáng phát ra không mạch lạc với độ rộng phổ tương đối rộng 30-60 nm. Việc truyền ánh sáng LED cũng không hiệu quả, với chỉ khoảng 1% [22] công suất đầu vào, hoặc khoảng 100 microwatts, cuối cùng được chuyển đổi thành công suất phóng đã được ghép vào sợi quang. Tuy nhiên, do thiết kế tương đối đơn giản, đèn LED rất hữu ích cho các ứng dụng chi phí thấp.

Đèn LED truyền thông thường được làm từ Indium gallium arsenide phosphide (InGaAsP) hoặc gallium arsenide (GaAs). Vì đèn LED InGaAsP hoạt động ở bước sóng dài hơn đèn LED GaAs (1,3 micromet so với 0,81–0,87 micromet), phổ đầu ra của chúng, trong khi năng lượng tương đương rộng hơn về bước sóng với hệ số khoảng 1,7. Độ rộng phổ lớn của đèn LED có khả năng phân tán sợi quang cao hơn, hạn chế đáng kể sản phẩm khoảng cách tốc độ bit của chúng (một thước đo phổ biến về tính hữu dụng). Đèn LED chủ yếu phù hợp cho các ứng dụng mạng cục bộ với tốc độ bit 10–100 Mbit / s và khoảng cách truyền dẫn vài km. Đèn LED cũng đã được phát triển sử dụng một số giếng lượng tử để phát ra ánh sáng ở các bước sóng khác nhau trên một phổ rộng và hiện đang được sử dụng cho các mạng WDM (Ghép kênh phân chia theo bước sóng) cục bộ.

Ngày nay, đèn LED đã được thay thế phần lớn bởi các thiết bị VCSEL (Laser phát ra bề mặt khoang dọc), cung cấp các đặc tính về tốc độ, công suất và quang phổ được cải thiện, với chi phí tương tự. Các thiết bị VCSEL thông thường kết hợp tốt với cáp quang đa chế độ.

Laser bán dẫn phát ra ánh sáng thông qua phát xạ kích thích chứ không phải phát xạ tự phát, dẫn đến công suất phát cao (~ 100 mW) cũng như các lợi ích khác liên quan đến bản chất của ánh sáng kết hợp. Đầu ra của tia laser tương đối định hướng, cho phép hiệu quả ghép nối cao (~ 50%) vào sợi quang đơn mode. Độ rộng phổ hẹp cũng cho phép tốc độ bit cao vì nó làm giảm ảnh hưởng của sự phân tán màu sắc. Hơn nữa, laser bán dẫn có thể được điều chế trực tiếp ở tần số cao vì thời gian tái tổ hợp ngắn.

Các lớp phổ biến của máy phát laser bán dẫn được sử dụng trong sợi quang bao gồm VCSEL (Máy phát laser bề mặt khoang dọc), Fabry-Pérot và DFB (Mặt sau phân tán).

Điốt laser thường được điều chế trực tiếp, tức là đầu ra ánh sáng được điều khiển bởi dòng điện cấp trực tiếp vào thiết bị. Đối với tốc độ dữ liệu rất cao hoặc liên kết khoảng cách rất xa, nguồn laser có thể được vận hành theo sóng liên tục và ánh sáng được điều chế bởi thiết bị bên ngoài, bộ điều biến quang học, chẳng hạn như bộ điều biến hấp thụ điện hoặc giao thoa kế Mach-Zehnder. Điều chế bên ngoài làm tăng khoảng cách liên kết có thể đạt được bằng cách loại bỏ tiếng kêu của laser, giúp mở rộng đường truyền của laser được điều chế trực tiếp, làm tăng sự phân tán màu sắc trong sợi quang. Để có hiệu suất băng thông rất cao, điều chế mạch lạc có thể được sử dụng để thay đổi pha của ánh sáng ngoài biên độ, cho phép sử dụng QPSK, QAM và OFDM.

Bộ thu phát là một thiết bị kết hợp bộ phát và bộ thu trong một vỏ duy nhất (xem hình bên phải).

Sợi quang học đã chứng kiến ​​những tiến bộ gần đây trong công nghệ. “Khóa dịch chuyển pha cầu phương phân cực kép là một định dạng điều chế có hiệu quả gửi lượng thông tin nhiều gấp bốn lần so với truyền quang truyền thống có cùng tốc độ.

Các loại cáp quang

Cáp quang bao gồm lõi, lớp bọc và lớp đệm (lớp phủ bên ngoài bảo vệ), trong đó lớp bọc dẫn hướng ánh sáng dọc theo lõi bằng cách sử dụng phương pháp phản xạ toàn phần bên trong. Lõi và lớp phủ (có chiết suất thấp hơn) thường được làm bằng thủy tinh silica chất lượng cao, mặc dù cả hai đều có thể được làm bằng nhựa. Việc kết nối hai sợi quang được thực hiện bằng cách nối nhiệt hạch hoặc nối cơ học và yêu cầu các kỹ năng đặc biệt và công nghệ kết nối do độ chính xác vi mô cần thiết để căn chỉnh các lõi sợi quang.

Hai loại sợi quang chính được sử dụng trong truyền thông quang bao gồm sợi quang đa mode và sợi quang đơn mode. Một sợi quang đa chế độ có lõi lớn hơn (≥ 50 micromet), cho phép các thiết bị phát và thu kém chính xác hơn, rẻ hơn kết nối với nó cũng như các đầu nối rẻ hơn. Tuy nhiên, một sợi quang đa chế độ gây ra sự biến dạng đa chế độ, điều này thường giới hạn băng thông và độ dài của liên kết. Hơn nữa, vì hàm lượng dopant cao hơn, các sợi đa mode thường đắt tiền và có độ suy giảm cao hơn. Lõi của sợi quang đơn mode nhỏ hơn (<10 micromet) và yêu cầu các thành phần đắt tiền hơn và các phương pháp kết nối, nhưng cho phép các liên kết dài hơn, hiệu suất cao hơn nhiều. Cả sợi quang đơn và đa chế độ đều được cung cấp ở các cấp độ khác nhau.

Xem thêm: thiết kế cáp mạng cho toà nhà văn phòng, hệ thống cáp đồng CAT6 có những tiện ích gì, hệ thống cáp đồng UTP có tốt không