Hiểu biết

Cáp quang truyền tải thông tin bằng cách gửi tín hiệu ánh sáng dọc theo các sợi thủy tinh hoặc sợi nhựa siêu mỏng, mang lại tốc độ, công suất và phạm vi truyền lớn hơn đáng kể so với dây đồng truyền thống. Được xây dựng từ ba lớp chính - lõi bên trong, lớp bọc xung quanh và lớp phủ bảo vệ bên ngoài - những sợi cáp này đóng vai trò là xương sống của mạng băng thông rộng, cơ sở hạ tầng viễn thông và hệ thống truyền thông công nghiệp hiện đại. Hiểu biếtsợi quang hoạt động như thế nàocó thể giúp ích rất nhiều trong việc giải quyết một số vấn đề khó khăn.

Sợi quang là gì

Sợi quanglà một vật dẫn truyền thông sử dụng ánh sáng làm chất mang thông tin và thủy tinh hoặc nhựa làm phương tiện truyền dẫn. Quy trình cơ bản hoạt động như sau: tín hiệu điện được chuyển đổi thành xung ánh sáng, truyền với tốc độ cao qua các sợi thủy tinh cực mỏng, sau đó chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện ở đầu thu. Sợi truyền thông tiêu chuẩn có đường kính khoảng 125 micromet - gần bằng đường kính của sợi tóc người. Mặc dù có mặt cắt-cực kỳ mỏng này nhưng bên trong lại có cấu trúc đồng tâm nhiều lớp chính xác, trong đó mỗi lớp phục vụ một chức năng độc lập.

Điều quan trọng là phải phân biệt giữa cáp quang và cáp quang. MỘTcáp quanglà một cụm cáp hoàn chỉnh chứa một hoặc nhiều sợi quang cùng với các bộ phận chịu lực và vỏ bảo vệ, được thiết kế để truyền dữ liệu dưới dạng xung ánh sáng trên khoảng cách xa.

Cấu trúc vật lý bốn lớp{0}}của cáp quang

Để hiểucáp quang được làm bằng gì, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn bốn lớp được thiết kế-chính xác từ trong ra ngoài.

Cốt lõi

Nằm ở chính giữa, lõi có đường kính từ 8 đến 62,5 micromet và đóng vai trò là kênh thực tế mà tín hiệu ánh sáng truyền qua. Lõi được làm từ-silicon dioxide (SiO₂) có độ tinh khiết cao pha tạp một lượng nhỏ germanium (Ge) để tăng chỉ số khúc xạ của nó. Độ tinh khiết của lõi xác định trực tiếp khoảng cách truyền tín hiệu và mức suy hao - loại sợi truyền thông-yêu cầu độ tinh khiết của thủy tinh từ 99,99% trở lên.

Tấm ốp

cácvỏ bọc cáp quangbao quanh lõi với đường kính đồng đều 125 micromet. Nó cũng được làm từ silicon dioxide, nhưng với công thức pha tạp khác khiến nó có chỉ số khúc xạ thấp hơn một chút so với lõi. Sự chênh lệch chiết suất này là điều kiện tiên quyết vật lý cho phép truyền tín hiệu ánh sáng - nếu không có nó, ánh sáng sẽ đơn giản rò rỉ ra khỏi sợi quang.

Lớp phủ (Đệm)

Một hoặc hai lớp acrylate được xử lý bằng tia cực tím-lớp phủđược áp dụng trên lớp phủ, nâng tổng đường kính sợi lên 250 micromet. Lớp phủ bảo vệ kính trần khỏi bị uốn cong vi mô, trầy xước và xâm nhập hơi ẩm. Sự xuống cấp của lớp phủ là một trong những nguyên nhân chính làm giảm hiệu suất của sợi sau khi sử dụng-lâu dài.

Áo khoác

Cấu trúc bảo vệ ngoài cùng thường được làm từ polyetylen (PE) hoặc polyvinyl clorua (PVC), với một số ứng dụng chuyên dụng sử dụng vật liệu Low Smoke Zero Halogen (LSZH). Áo khoác cũng có thể chứa sợi aramid (Kevlar), dây thép hoặc thanh nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh (FRP) làm thành phần chịu lực để chống lại ứng suất kéo, nén và uốn trong quá trình lắp đặt.

Cùng với nhau, bốn lớp lõi silica có độ tinh khiết cao-, lớp bọc silica pha tạp, lớp phủ acrylate và vỏ bọc polymer - tạo nên những thành phần thiết yếuvật liệu sợi quangcó trong mọi loại cáp truyền thông.

Trong triển khai thực tế, hàng chục đến hàng nghìn sợi quang được bó lại với nhau thành một sợi cáp quang. Cáp quang và cáp quang là hai khái niệm khác nhau: cáp quang là phương tiện truyền dẫn; cáp là sản phẩm hoàn chỉnh bao gồm sợi, bộ phận chịu lực và vỏ bảo vệ.

Cáp quang hoạt động như thế nào

Phản xạ nội toàn phần

Nguyên tắc cơ bản đằng saucáp quang truyền dữ liệu như thế nàolà Phản xạ nội toàn phần (TIR). Khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất cao hơn sang môi trường có chiết suất thấp hơn và góc tới vượt quá góc tới hạn, ánh sáng bị phản xạ 100% trở lại phía chiết suất cao hơn{2}}thay vì đi qua mặt phân cách. Sợi quang khai thác chính xác nguyên tắc này: chiết suất của lõi (khoảng 1,467) cao hơn chiết suất của lớp bọc (khoảng 1,460), do đó tín hiệu ánh sáng liên tục bật ra khỏi bề mặt lớp bọc-lõi ở các góc lướt nông, truyền dọc theo sợi.

Một thông số quan trọng ở đây là Khẩu độ số (NA). NA mô tả phạm vi góc tối đa mà sợi có thể chấp nhận ánh sáng tới, được xác định bởi chênh lệch chiết suất giữa lõi và lớp bọc. NA lớn hơn mang lại dung sai ghép lớn hơn, giúp căn chỉnh với nguồn sáng dễ dàng hơn nhưng cũng làm tăng độ phân tán và làm giảm chất lượng tín hiệu. Đây là một trong những điểm cân bằng-cốt lõi trong thiết kế sợi quang.

Liên kết truyền thông quang học hoàn chỉnh

Để hiểucáp quang hoạt động như thế nàotrong hệ thống-thế giới thực, chúng ta cần xem xét ba giai đoạn cốt lõi của mộttruyền thông cáp quangliên kết.

Máy phát:Tín hiệu điện trước tiên được mã hóa thành chuỗi xung kỹ thuật số (0 và 1), sau đó nguồn sáng chuyển đổi chúng thành xung quang. Có hai loại nguồn sáng: điốt laze (LD) và điốt phát quang (LED). Điốt laze cung cấp công suất đầu ra cao hơn, độ rộng phổ hẹp hơn và tốc độ điều chế nhanh hơn, khiến chúng phù hợp với các tình huống-khoảng cách xa, tốc độ{6}}cao. Đèn LED có chi phí-thấp hơn nhưng có độ rộng quang phổ rộng hơn, phù hợp cho các ứng dụng có khoảng cách-ngắn.

Fiber (Phân đoạn truyền dẫn):Khi các xung quang đi vào sợi quang, chúng sẽ truyền dọc theo lõi. Khi truyền đường dài, bộ khuếch đại quang được đặt đều đặn để bù cho sự suy giảm tín hiệu. Ghép kênh phân chia bước sóng dày đặc hiện đại (DWDM) công nghệ sợi quangcó thể đồng thời truyền 80 đến 160 kênh bước sóng khác nhau trong một sợi quang, mỗi kênh mang dữ liệu độc lập, cho phép-dung lượng sợi quang đơn lẻ ở cấp độ terabit-mỗi{4}}giây.

Người nhận:Bộ tách sóng quang (thường là điốt quang PIN hoặc điốt quang tuyết lở, APD) chuyển đổi các xung quang nhận được thành tín hiệu điện, sau đó được khôi phục về dữ liệu gốc thông qua các mạch quyết định và phục hồi đồng hồ.

Suy giảm tín hiệu

Truyền ánh sáng qua sợi quang không phải là một quá trình không bị mất mát. Sự suy giảm tín hiệu là hạn chế cốt lõi trongtruyền thông cáp quangthiết kế hệ thống.

Sự suy giảm đến từ ba nguồn chính. Đầu tiên là sự hấp thụ vật liệu - các ion hydroxyl dư (OH⁻) trong thủy tinh tạo ra các đỉnh hấp thụ ở các bước sóng cụ thể (khoảng 1383 nm), đó là lý do tại sao các sợi truyền thông hiện đại chủ yếu sử dụng cửa sổ suy hao thấp 1310 nm và 1550 nm. Thứ hai là sự tương tác tán xạ Rayleigh - giữa ánh sáng và sự bất thường về mật độ vi mô trong thủy tinh gây ra tổn thất tán xạ, cơ chế tổn thất chiếm ưu thế ở bước sóng ngắn hơn. Thứ ba là tổn thất uốn cong - bán kính uốn cong của sợi quá nhỏ khiến tín hiệu ánh sáng bị rò rỉ từ lõi.

Để tham khảo, sợi quang đơn mode G.652D chính thống hiện nay có độ suy giảm điển hình là 0,35 dB/km ở 1310 nm và 0,20 dB/km ở 1550 nm. Điều này có nghĩa là ở bước sóng 1550 nm, công suất tín hiệu giảm xuống 1% mức ban đầu sau khi đi được 100 km. Do đó, các đường trục đường dài cần có bộ khuếch đại quang cứ sau 80 đến 100 km để tái tạo tín hiệu.

Các loại cáp quang:Chế độ-đơn so với chế độ đa-

Sợi quang được phân thành hai loại chính dựa trên số lượng chế độ truyền dẫn. Những cái nàycác loại cáp quangkhác nhau cơ bản về các thông số vật lý, thông số kỹ thuật hiệu suất và các ứng dụng phù hợp.

Sợi quang đơn{0}}chế độ (SMF)

Sợi quang đơn mode có đường kính lõi từ 8 đến 10 micromet và chỉ cho phép truyền một chế độ cơ bản (LP01). Bằng cách loại bỏ sự phân tán đa phương thức, sợi quang-chế độ đơn đạt được sản phẩm băng thông-khoảng cách vượt xa so với sợi quang nhiều-chế độ, khiến nó trở thành lựa chọn tiêu chuẩn cho giao tiếp khoảng cách- trung bình và{9}}dài.

Các bước sóng hoạt động điển hình là 1310 nm và 1550 nm, sử dụng Điốt Laser phản hồi phân tán (DFB-LD) làm nguồn sáng. Khoảng cách truyền có thể lên tới hàng chục đến hàng trăm km (có thể mở rộng đến hàng nghìn km với bộ khuếch đại quang). Mã màu áo khoác ngoài là màu vàng.

Các chỉ định tiêu chuẩn chính thống bao gồm ITU-T G.652 (chế độ đơn-tiêu chuẩn), G.655 (không dịch chuyển độ phân tán bằng-0) và G.657 (không nhạy cảm với đường cong-, được thiết kế để triển khai FTTH).

Sợi quang đa chế độ (MMF)

Sợi quang đa chế độ có đường kính lõi là 50 hoặc 62,5 micromet, cho phép hàng trăm đến hàng nghìncác chế độ của sợi quangđể tuyên truyền cùng một lúc. Các chế độ khác nhau truyền đi ở tốc độ khác nhau, đến máy thu vào những thời điểm khác nhau - một hiện tượng gọi là phân tán đa phương thức - trực tiếp giới hạn khoảng cách truyền và băng thông của sợi quang đa chế độ.

Các bước sóng hoạt động điển hình là 850 nm và 1300 nm, sử dụng VCSEL (Laser phát ra bề mặt khoang dọc) hoặc đèn LED làm nguồn sáng. Khoảng cách truyền thường trong khoảng vài trăm mét. Để nhận biết màu áo khoác: OM3/OM4 sử dụng màu xanh nước biển, OM5 sử dụng màu xanh lá chanh và OM1/OM2 sử dụng màu cam.

Tiêu chí lựa chọn

Trong sốcác loại cáp quang, yếu tố quyết định là khoảng cách truyền. Đối với khoảng cách dưới 300 mét, - chẳng hạn như kết nối nội bộ-dữ liệu-và trong-cáp tòa nhà, - sợi quang đa chế độ mang lại lợi thế về chi phí vì các mô-đun quang tương thích của nó rẻ hơn đáng kể so với các mô-đun quang-đơn chế độ tương đương. Ngoài 500 mét đường trục chính của khuôn viên trường -, mạng đô thị và các đường trục-đường dài - cáp quang đơn{14}}là lựa chọn khả thi duy nhất. Trong phạm vi khoảng cách tối ưu tương ứng của chúng, không có loại nào vượt trội hơn hẳn; giải pháp nhiều chế độ thường mang lại tổng chi phí sở hữu thấp hơn.

Cáp quang được sản xuất như thế nào

Cáp quang chủ yếu bao gồm-thủy tinh silica siêu tinh khiết (silicon dioxide), được kéo thành các sợi mỏng hơn sợi tóc người để truyền tín hiệu quang. Một sợi cáp quang điển hình bao gồm một số thành phần chính: lõi trung tâm mang tín hiệu ánh sáng, lớp kính bọc xung quanh cho phép phản xạ bên trong, lớp phủ bảo vệ polymer che chắn sợi khỏi bị hư hại vật lý và các bộ phận gia cố cường độ, chẳng hạn như Kevlar hoặc thép, giúp nâng cao độ bền cơ học của cáp..Sản xuất sợi quangnằm ở giao điểm của kỹ thuật hóa học chính xác và khoa học quang học. Toàn bộ quá trình được chia thành hai giai đoạn: chế tạo phôi và vẽ sợi.

Chế tạo phôi

Khuôn phôi là một thanh thủy tinh có độ tinh khiết cao-có đường kính khoảng 10 đến 20 cm và dài khoảng 1 mét, với cấu hình chỉ số khúc xạ của lớp bọc-lõi đã được thiết lập bên trong. Có bốn phương pháp chế tạo chính: MCVD (Lắng đọng hơi hóa học biến đổi), OVD (Lắng đọng hơi bên ngoài), VAD (Lắng đọng trục hơi) và PCVD (Lắng đọng hơi hóa học plasma).

Lấy quy trình OVD làm ví dụ: khí silicon tetrachloride (SiCl₄) và germanium tetrachloride (GeCl₄) có độ tinh khiết cao- trải qua phản ứng oxy hóa trong ngọn lửa oxy-hydro. Các hạt SiO₂ và GeO₂ thu được lắng đọng trên một thanh mục tiêu đang quay, tạo thành từng lớp để tạo thành thân thủy tinh xốp (được gọi là "phôi bồ hóng"), sau đó được khử nước ở nhiệt độ cao, thiêu kết và co lại thành dạng phôi rắn, trong suốt.

Một phôi duy nhất có thể mang lại hàng trăm km sợi. Chất lượng của phôi xác định tất cả các đặc tính hiệu suất quang học của sợi quang - bao gồm các thông số suy giảm, phân tán và bước sóng cắt - bị khóa ở giai đoạn tạo phôi và không thể sửa được trong quá trình vẽ.

Vẽ sợi

Khuôn phôi được đưa vào tháp kéo, một cấu trúc thẳng đứng cao khoảng 20 đến 30 mét. Đầu dưới của phôi được làm nóng đến khoảng 2.000 độ để làm mềm kính, sau đó được kéo dưới tác động của trọng lực và lực căng thành sợi có đường kính 125 micromet. Tốc độ vẽ có thể đạt tới 1.000 đến 2.500 mét mỗi phút.

Trong quá trình kéo, sợi đi qua máy đo đường kính laser nội tuyến để theo dõi-thời gian thực với độ chính xác ±0,1 micromet, sau đó ngay lập tức bước vào giai đoạn phủ - hai lớp acrylate được xử lý dưới đèn UV, đưa đường kính sợi lên 250 micromet. Toàn bộ quá trình từ làm mềm đến phủ sơn sẽ được xử lý trong vòng chưa đầy một giây.

Sau khi kéo, sợi trải qua quá trình kiểm tra bằng chứng, thường chịu lực căng 0,69 GPa (khoảng 1%) để loại bỏ các phần có vết nứt nhỏ, đảm bảo rằng độ tin cậy cơ học của sợi được vận chuyển đáp ứng yêu cầu về tuổi thọ sử dụng 25 năm.

Ưu điểm của cáp quang so với đồng

Khi so sánh sợi với đồng,ưu điểm của cáp quangtrở nên rõ ràng ngay lập tức. Bảng dưới đây nêu bật lý do tại sao cáp quang lại trở thành phương tiện được ưa chuộng trong các mạng hiện đại.

Chất xơ và đồng là bổ sung, không cạnh tranh. Kiến trúc mạng chính thống hiện tại tuân theo nguyên tắc "cáp-tới{2}}the-cạnh" - các lớp tổng hợp và đường trục sử dụng cáp quang, trong khi lớp truy cập (vài chục mét cuối cùng đến các thiết bị cuối) tiếp tục sử dụng đồng. Mô hình kiến ​​trúc này dự kiến ​​sẽ không thay đổi căn bản trong vòng 5 đến 10 năm tới.

Ứng dụng cáp quang

cácsử dụng cho sợi quangtrải dài gần như mọi ngành công nghiệp, từ viễn thông đến y học. Dưới đây là các lĩnh vực ứng dụng chính.

Đường trục viễn thông và Internet

Internet toàn cầu chạy trên cáp quang. Cáp quang dưới biển và cáp đường trục dài trên mặt đất-kết nối các châu lục. 5Mạng đường truyền trung gian và đường truyền phía trước của trạm gốc G cũng dựa vào cáp quang, với mỗi trạm gốc cần 6 đến 12 lõi sợi quang. Ở quy mô này,sử dụng cáp quang trong mạngtạo thành xương sống của kết nối toàn cầu.

Trung tâm dữ liệu

Các trung tâm dữ liệu sử dụng sợi quang đa chế độ OM3/OM4 cho các kết nối nội bộ tốc độ cao-khoảng cách cao-OM3/OM4. Giữa các trung tâm dữ liệu, sợi quang đơn chế độ với công nghệ truyền thông quang học kết hợp được sử dụng, với tốc độ trên mỗi bước sóng đã đạt tới 400G và 800G và đang được triển khai.

FTTH (Cáp quang đến nhà)

FTTH mang cáp quang trực tiếp đến người dùng dân cư, sử dụng công nghệ PON (Mạng quang thụ động) để phân phối tín hiệu quang cho nhiều người dùng cuối, đạt được khả năng truy cập băng thông rộng loại gigabit-với chi phí thấp.

Công nghiệp và cảm biến

Cảm biến sợi quang được sử dụng để theo dõi nhiệt độ và biến dạng, được triển khai rộng rãi trong đường ống dẫn dầu và khí đốt, cáp điện, hệ thống cảnh báo cháy đường hầm và-giám sát tình trạng kết cấu quy mô lớn.

Thuộc về y học

Ứng dụng cáp quangtrong y học tiếp tục mở rộng - ống nội soi, tia laser phẫu thuật và hệ thống hình ảnh đều dựa vào sợi quang để chiếu sáng, tạo ảnh và hỗ trợ phẫu thuật chính xác.

Quân sự và hàng không vũ trụ

Sợi quang thay thế đồng trong truyền thông quân sự, bus dữ liệu và hệ thống hàng không vũ trụ, mang lại khả năng miễn nhiễm EMI và chống nghe lén. Con quay hồi chuyển sợi quang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống dẫn đường máy bay và tên lửa.