Kiến thức cần biết về cáp quang – chìa khóa công nghệ tương lai

Ngày nay, Internet đã trở thành nhu cầu thiết yếu, giúp tất cả mọi người ở khắp nơi trên thế giới có thể trao đổi, giao tiếp, học tập, mua sắm, giải trí dễ dàng, nhanh chóng. Các dịch vụ, ứng dụng trên Internet cũng ngày càng phát triển nhanh chóng, kéo theo đó những đòi hỏi tốc độ, băng thông kết nối Internet trở nên cao hơn. Từ đó cáp quang trở thành lựa chọn số một – FTTH (Fiber To Home) là một điển hình. FTTH đáp ứng các dịch vụ luôn đòi hỏi mạng kết nối tốc độ cao như IPTV, hội nghị truyền hình, video trực tuyến, giám sát từ xa IP Camera…

Trước đây, cáp quang chỉ được sử dụng để kết nối các đường trục chính của quốc gia, nhà cung cấp dịch vụ, doanh nghiệp lớn vì chi phí cao. Nhưng hiện nay, cáp quang đã được sử dụng khá rộng rãi ở các doanh nghiệp vừa, nhỏ, các trường đại học và người sử dụng thông thường.

1.Cấu tạo và đặc điểm của dây cáp quang

Cáp quang là loại cáp dùng ánh sáng truyền dẫn tín hiệu, do đó ít suy hao và thường được dùng cho kết nối khoảng cách xa. Trong khi cáp đồng lại sử dụng dòng điện để truyền tín hiệu, dễ bị suy hao trong quá trình truyền dẫn đến khoảng cách kết nối ngắn hơn.

Sợi cáp quang cấu tạo từ ba thành phần chính: lõi (core), lớp vỏ bảo vệ chính (primary coating hay còn gọi coating, primary buffer) lớp phản xạ ánh sáng (cladding).

+Core được làm bằng sợi thủy tinh hoặc plastic được dung để truyền dẫn ánh sáng.

+Bao bọc core là cladding – lớp plastic hoặc thủy tinh – có tác dụng bảo vệ và phản xạ ánh sáng trở lại core.

+Primary coating là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và cladding không bị trầy xước, bụi, ẩm. Hai loại cáp quang phổ biến nhất là GOF (Glass Optical Fiber) – cáp quang bằng thuỷ tinh và POF (Plastic Optical Fiber) – cáp quang làm từ plastic. POF có đường kính core tương đối lớn khoảng 1mm, sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu ở khoảng cách ngắn, mạng tốc độ thấp. Trên các tài liệu kỹ thuật, cáp quang GOF ghi các thông số 9/125µm, 50/125µm hay 62,5/125µm, đây chính là đường kính của core/cladding; còn primary coating có đường kính mặc định là 250µm.

Bảo vệ sợi cáp là lớp vỏ ngoài gồm nhiều lớp khác nhau tùy theo cấu tạo, tính chất của từng loại cáp. Nhưng có ba lớp bảo vệ chính là lớp chịu lực kéo (strength member), lớp vỏ bảo vệ ngoài (buffer) và lớp áo giáp (jacket) – tùy theo từng tài liệu sẽ có tên gọi khác nhau. Strength member là lớp có khả năng chịu nhiệt, chịu kéo căng, thường được làm từ các sợi Kevlar. Buffer làm từ nhựa PVC, bảo vệ tránh va đập, ẩm ướt. Lớp bảo vệ ngoài cùng là Jacket. Tùy theo mỗi loại cáp hay yêu cầu sử dụng các lớp jacket của từng loại cáp cũng khác nhau. Jacket có khả năng chịu va đập, nhiệt và chịu sự mài mòn, bảo vệ phần bên trong tránh ẩm ướt và các ảnh hưởng từ môi trường.

Có hai cách thiết kế khác nhau để bảo vệ sợi cáp quang là ống đệm không chặt (loose-tube) và ống đệm chặt (tight buffer).

Loose-tube thường sử dụng ngoài trời (outdoor), cho phép chứa được nhiều sợi quang bên trong. Loose-tube giúp sợi cáp quang có thể “giãn nở” trước sự thay đổi của nhiệt độ, co giãn tự nhiên, không bị căng, bẻ gập tại những điểm cong.

Tight-buffer thường được dùng trong nhà (indoor), bao bọc khít sợi cáp quang (như cáp điện), dễ lắp đặt khi thi công.

Trên một số tài liệu, bạn có thể gặp hai thuật ngữ viết tắt IFC, OSP. IFC (Intrafacility fiber cable) là loại cáp dùng trong nhà, có ít lớp bảo vệ vật lý và linh hoạt trong việc thi công lắp đặt. OSP (Outside plant cable) là loại cáp sử dụng ngoài trời, chịu được những điều kiện khắc nghiệt của nhiệt độ, độ ẩm, bụi… loại cáp này được bảo vệ bởi nhiều lớp.

Các tia sáng bên trong cáp quang có hai kiểu truyền dẫn là: Singelmode (Đơn mốt) và Multimode (Đa mốt). Cáp quang Singlemode (SM) có đường kính core tương đói nhỏ (khoảng 9µm), sử dụng nguồn phát laser truyền tia sáng xuyên suốt nên tín hiệu ít bị suy hao và có tốc độ khá lớn. SM thường hoạt động ở 2 bước sóng (wavelength) 1310nm và 1550nm. Cáp quang Multimode (MM) có đường kính core lớn hơn SM (khoảng 50µm, 62.5µm). MM sử dụng nguồn sáng LED (Light Emitting Diode) hoặc laser để dẫn truyền tia sáng và thường hoạt động ở 2 bước sóng 850nm, 1300nm; MM có khoảng cách kết nối và tốc độ truyền dẫn nhỏ hơn SM.

MM có hai kiểu truyền: chiết xuất liên tục (Graded index) và chiết xuất bước (Step index). Các tia sáng kiểu Step index truyền theo nhiều hướng khác nhau vì vậy  mức suy hao cao và tốc độ tương đối chậm. Step index ít phổ biến, thường dùng cho cáp quang POF. Các tia sáng kiểu Graded index truyền dẫn theo đường cong và hội tụ tại một điểm. Do vậy Graded index có độ suy hao thấp và có tốc độ truyền dẫn cao hơn Step index. Graded index được sử dụng tương đối phổ biến.

Truyền dẫn tín hiệu trên cáp quang có hai dạng là: đơn công (simplex) và song công (duplex). Simplex chỉ truyền tín hiệu theo 1 chiều. Duplex có thể truyền nhận tín hiệu theo kiểu 1 chiều bán song công (half-Duplex) hoặc cả 2 chiều song công toàn phần (full-Duplex) Duplex ở cùng thời điểm tùy thuộc vào cách cấu hình.

Để đấu nối cáp quang vào bảng đấu dây (patch panel) hoặc vào các cổng vào/ra (input/output) trên các thiết bị truyền nhận quang, người ta phải sử dụng dây nối quang một đầu có sẵn đầu nối (pigtail) hay cả hai đầu có sẵn đầu nối (pathcord).

2.Một số loại cáp quang

Zipcord: hai sợi quang vỏ ngoài liền nhau (như dây điện).

Ribbon: cáp quang dạng ruy-băng, chứa nhiều sợi quang bên trong.

Bất kỳ giao tiếp quang nào cũng bao gồm có 3 thành phần chính: nguồn phát, vật truyền dẫn trung gian (cáp quang) và nguồn thu. Nguồn phát chuyển đổi tín hiệu điện tử thành ánh sáng và truyền dẫn qua cáp quang. Nguồn thu chuyển đổi ánh sáng quay trở lại thành tín hiệu điện tử. Có hai loại nguồn phát là LED và Laser. Laser ít tán sắc, cho phép truyền dẫn dữ liệu tốc độ nhanh, khoảng cách tương đối xa (trên 20km), dùng được cho cả Singlemode và Multimode. Tuy nhiên chi phí cao và khó sử dụng. LED tuy tán sắc nhiều, truyền dẫn tốc độ chậm, nhưng bù lại chi phí thấp, dễ sử dụng, thường dùng cho cáp quang Multimode. LED dùng cho hệ thống có khoảng cách ngắn, có thể sử dụng cho cả sợi quang thủy tinh, sợi quang plastic.

Một số bài viết có thể tham khảo thêm:
Module quang SFP và những điều bạn chưa biết.
Tổng hợp mọi thứ về cáp sợi quang.

3.Các thông số quang cần quan tâm:

+Suy hao quang (Optical loss): lượng công suất quang (optical power) hao hụt trong suốt quá trình truyền dẫn qua cáp quang, điểm ghép nối. Ký hiệu dB.

+Suy hao phản xạ (Optical Return loss): là sự suy hao ánh sáng do bị phản xạ tại các điểm ghép nối, đầu nối quang.

+Suy hao tiếp xúc (Insertion loss): giảm công suất quang ở hai đầu ghép nối. Giá trị thông thường từ 0,2dB – 0,5dB.

+Suy hao (Attenuation): Là mức suy giảm công suất quang trong suốt quá trình truyền dẫn trên một khoảng cách xác định. Ký hiệu: dB/km. Ví dụ: với cáp quang Multimode ở bước sóng 850nm suy giảm 3dB/km, trong khi đó ở bước sóng 1300nm chỉ suy giảm 1dB/km. Ở cáp quang Singlemode: suy giảm 0,4dB/km ở 1310nm và 0,3dB/km ở 1550nm. Đầu nối (connector) suy giảm 0,5dB/cặp đấu nối. Điểm ghép nối (splice) suy giảm 0,2 dB/điểm.

+Bước sóng (Wavelength): là chu kỳ di chuyển sóng điện từ. Ký hiệu nm (nanometer). Ánh sáng chúng ta nhìn thấy được có wavelength trong khoảng từ 400nm đến 700nm (màu tím đến màu đỏ). Cáp quang sử dụng ánh sáng nằm trong vùng hồng ngoại có wavelength lớn hơn wavelength mà ta có thể nhìn thấy – trong khoảng 850nm, 1300nm và 1550nm. Các bước sóng truyền dẫn quang được xác định dựa trên hai yếu tố nhằm khắc phục tình trạng suy hao do năng lượng và vật liệu truyền dẫn: các bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại và bước sóng không nằm trong vùng hấp thu, cản trở năng lượng ánh sáng truyền dẫn (absorption) do tạp chất lẫn trong cáp quang trong quá trình sản xuất.

Vậy vì sao chúng ta không sử dụng các bước sóng dài hơn? Bước sóng hồng ngoại là sự chuyển tiếp giữa ánh sáng và nhiệt. Bước sóng dài hơn, nhiệt xung quang phát ra càng nóng hơn, tín hiệu bị nhiễu loạn nhiều hơn. Do đó, thường POF có bước sóng 650nm, 850nm. GOF với Multimode hoạt động ở 850nm và 1300nm, Singlemode ở 1310nm, 1550nm. Giữa hai bước sóng 1300nm và 1310nm không khác biệt nhau, chỉ là cách quy ước để phân biệt giữa cáp quang Singlemode hay Multimode.

4.Đầu nối quang

Đầu nối quang: gồm nhiều thành phần kết hợp lại với nhau, chúng có nhiều kiểu như SC/PC, ST/UPC, FC/APC… Nhưng có hai thành phần bạn cần quan tâm, đó là kiểu đầu nối SC, ST, FC…và điểm tiếp xúc PC, UPC, APC.

SC (subscriber connector), ST (straight tip), FC (fiber connector) là các kiểu đầu nối quang ở dạng hình vuông, hình tròn…

Bên trong đầu nối là ferrule, có vai trò giúp bảo vệ và giữ thẳng sợi cáp quang. Ferrule được làm bằng thủy tinh, kim loại, plastic hoặc gốm (ceramic) – trong đó chất liệu gốm là tốt nhất.

Đỉnh của ferrule làm nhẵn (polish) với ba dạng điểm tiếp xúc chính là PC (Physical Contact), UPC (Ultra Physical Contact) và APC (Angled Physical Contact), giúp đảm bảo chỗ ghép nối có ít ánh sáng bị hao hụt hoặc bị phản xạ nhất.

Dạng PC thì được vạt cong, sử dụng với các kiểu đầu nối như FC, SC, S. Dạng PC có giá trị suy hao phản xạ (optical return loss) là 40dB. Vì giá trị này tương đối cao, nên đã thúc đẩy các nhà sản xuất tiếp tục tìm kiếm các giải pháp tốt hơn. UPC là giải pháp tiếp theo, nó cũng được vạt cong giống như PC nhưng giảm return loss đi đáng kể. UPC có giá trị return loss 50dB. UPC dùng với các đầu nối FC, SC, ST, DIN, E2000. APC được vạt chéo 8 độ, nên loại bỏ được hầu hết sự phản xạ ở điểm ghép nối và có giá trị return loss 60dB. Bạn nên lưu ý trong khi đọc các thông số kỹ thuật quang đề cập mức suy hao có thể sẽ làm bạn dễ hiểu sai về dấu “+” và “-“. Chẳng hạn, với kết quả tính toán, đo đạc mức độ suy hao là -40dB. Trên thông số kỹ thuật có thể viết giá trị suy hao (loss values) là 40dB hoặc số đo mức phản xạ là -40dB hay độ lợi (gain) là -40dB. Tất cả đều như nhau, do đó bạn cần chú ý cách viết để tránh hiểu sai về thông số.

Hiện nay, giá thành cáp quang và các phụ kiện quang đã giảm so với cách nay vài năm. Cùng với việc ứng dụng nhiều giải pháp như IP Camera, VoIP, Hội nghị truyền hình qua mạng, kết nối mạng gigabit giữa các tòa nhà, văn phòng, xưởng sản xuất; cáp quang đang dần trở thành lựa chọn số một cho việc triển khai hạ tầng mạng đòi hỏi nhiều băng thông và tốc độ cao. Trên thị trường có rất nhiều chủng loại dây cáp quang để khách hàng có nhiều sự lựa chọn tùy theo mục đích sử dụng. Hy vọng bài viết Kiến thức cần biết về cáp quang – chìa khóa công nghệ tương lai sẽ giúp quý vị hiểu thêm về sản phẩm này. Mọi thắc mắc cũng như cần tư vấn về cáp quang và các thiết bị mạng, quý vị có thể liên hệ theo thông tin: