Cáp quang là gì? Cấu tạo và cách hoạt động của cáp quang

Cáp quang là loại cáp viễn thông được ứng dụng rộng rãi và phổ biến nhất hiện nay. Cáp quang có vai trò và ý nghĩa quan trọng trong mọi mặt của nhịp sống hiện đại. Trong bài viết này, hãy cùng Bizfly Cloud khám phá cáp quang có cấu tạo ra sao, cũng như ứng dụng của cáp quang trong công nghệ như thế nào nhé!

Cáp quang là gì?

Cáp quang được biết đến là những sợi quang dài mỏng, tiết diện nhỏ, có đường kính chỉ bằng khoảng 1 sợi tóc. Sử dụng với mục đích chính là truyền tải dữ liệu bằng những xung ánh sáng, truyền được ở trên một dây dài làm bằng nhựa hoặc thủy tinh. Tín hiệu trong cáp quang không hề giống với cáp đồng có tín hiệu được truyền bằng điện, cáp quang ít bị nhiễu, truyền với tốc độ cao hơn và xa hơn.

Sợi quang không bị ảnh hưởng bởi vấn đề nhiễu điện từ. Cáp quang có ứng dụng được trong hiện tượng phản xạ ánh sáng. Được biết các sợi single mode sử dụng trong đường truyền dài còn sợi multimode dùng cho các khoảng cách ngắn hơn. Phần lớp bọc ở bên ngoài của loại sợi dây này cần được bảo vệ tốt hơn với dây kim loại.

Sợi single mode được sử dụng để truyền đường dài còn sợi multimode được sử dụng cho khoảng cách ngắn hơn. Lớp bọc bên ngoài của loại sợi này cần có bảo vệ tốt hơn so với dây kim loại.

Cấu tạo của cáp quang

Cấu tạo của cáp quang bao gồm dây dẫn trung tâm chính là sợi thủy tinh hoặc plastic đã được tinh chế giúp cho phép truyền đi tối đa các tín hiệu ánh sáng. Sợi quang đã được tráng một lớp lót giúp phản chiếu tốt những tín hiệu.

• Core: Trung tâm phản chiếu của sợi quang nơi ánh sáng đi qua
• Cladding: Vật chất quang ở bên ngoài bao bọc lõi, phản xạ ánh sáng trở lại vào trong lõi.
• Coating: Lớp phủ dẻo bên ngoài giúp bảo vệ sợi không bị ẩm, không bị hỏng từ môi trường.
• Srength member (tạm dịch: thành phần gia cường): là lớp chịu nhiệt, chịu kéo căng, thường được làm từ những sợi tơ Aramit (Kevlar) kim loại có dạng sợi, hoặc một lớp băng thép mỏng đã dập gợn sóng thành hình sin.
• Jacket: Với hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang đã được đặt trong bó gọi là Cáp quang. Những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp được gọi là jacket.

Các loại cáp quang phổ biến hiện nay

Các loại cáp quang khác nhau phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ, vật liệu được sử dụng và phương thức truyền ánh sáng.

Phân loại dựa trên chỉ số khúc xạ:

• Step Index: Loại này bao gồm một lõi được bao quanh bởi lớp bọc có chỉ số khúc xạ nhất định.
• Graded Index: Chỉ số khúc xạ của sợi quang giảm khi khoảng cách xuyên tâm từ trục sợi tăng.

Phân loại dựa trên các vật liệu được sử dụng:

• Sợi quang nhựa: polymethyl methacrylate là chất liệu cốt lõi để truyền ánh sáng.
• Sợi thủy tinh: loại này bao gồm các sợi thủy tinh cực kỳ mịn.

Phân loại dựa trên chế độ truyền ánh sáng:

• Single Mode: Những sợi này được sử dụng để truyền tín hiệu đường dài.
• Multimode: Các sợi này được sử dụng để truyền tín hiệu khoảng cách ngắn.

Phân loại dựa trên sự kết hợp của các loại trên:

• Step index-single mode
• Graded index-Single mode
• Step index-Multimode
• Graded index-Multimode

Cơ chế hoạt động của cáp quang

Sợi quang hoạt động theo nguyên tắc phản xạ toàn phần (total internal reflection – TIR). Các tia sáng có thể được sử dụng để truyền một lượng dữ liệu khổng lồ. Các dây cáp quang được thiết kế sao cho chúng uốn cong tất cả các tia sáng vào bên trong (sử dụng TIR). Các tia sáng được truyền đi liên tục, bật ra khỏi các bức tường sợi quang và truyền dữ liệu từ điểm đầu đến điểm cuối. Cho dù tín hiệu ánh sáng cũng có khả năng bị suy giảm đi bởi khoảng cách (tùy thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu được sử dụng), nhưng nó vẫn truyền tín hiệu tốt hơn so với cáp kim loại.

Một hệ thống cáp quang bao gồm các thành phần sau:

• Máy phát: tạo ra các tín hiệu ánh sáng và mã hóa chúng phục vụ cho việc truyền tải.
• Sợi quang: phương tiện để truyền xung ánh sáng (tín hiệu).
• Bộ thu quang: nhận xung ánh sáng truyền (tín hiệu) và giải mã chúng.
• Bộ tái tạo quang: cần thiết cho việc truyền dữ liệu đường dài.

Ưu điểm của cáp quang

Cáp quang là công nghệ mới được hầu hết các nhà cung cấp lựa chọn bởi nhiều lợi thế vượt trội hơn so với dây đồng. Kể từ khi đầu tư vào cáp quang, nhiều doanh nghiệp đã nhận thấy lợi nhuận cao hơn đáng kể. Dưới đây là một số ưu điểm nổi bật của cáp quang:

• Băng thông lớn hơn & tốc độ nhanh hơn, cải thiện độ trễ — Cáp quang hỗ trợ băng thông và tốc độ rất cao. Số lượng lớn dữ liệu có thể được truyền trên một đơn vị cáp quang là ưu thế mạnh mẽ nhất của nó. Các sợi thủy tinh có đường kính nhỏ có thể hỗ trợ tốc độ băng thông vượt quá tốc độ 10 gigabit trên mỗi sợi.
• Giá thành rẻ — Dây cáp quang dài, liên tục có thể được làm với giá thành rẻ hơn so với chiều dài tương đương của dây đồng. Với số lượng lớn nhà cung cấp tham gia vào cạnh tranh thị phần, giá cáp quang chắc chắn sẽ giảm xuống.
• Mỏng hơn và trọng lượng nhẹ hơn — Sợi quang học mỏng hơn và có thể chịu được áp lực kéo theo đường kính nhỏ hơn so với dây đồng. Sợi mềm dẻo, có thể uốn cong dễ dàng, ít bị hư hỏng, đứt gãy và chống lại hầu hết các yếu tố ăn mòn thường tấn công cáp đồng.
• Khả năng mang điện cao hơn —Vì sợi quang mỏng hơn nhiều so với dây đồng, nhiều sợi hơn có thể được bó vào một cáp có đường kính nhất định.
• Ít suy giảm tín hiệu hơn — Sự suy giảm hay mất mát của tín hiệu trong cáp quang ít hơn trong dây đồng.
• Tín hiệu ánh sáng — Không giống như tín hiệu điện truyền trong dây đồng, tín hiệu ánh sáng từ một sợi quang không gây nhiễu hay trùng lặp với tín hiệu từ các sợi khác trong cùng một sợi cáp quang. Có nghĩa rằng các cuộc gọi điện thoại rõ nét hơn hoặc phạm vi phủ sóng TV cao hơn.
• Khoảng cách truyền dài hơn — Cáp quang là một phương tiện tiêu tốn điện năng thấp, có nghĩa là bạn có thể đạt được băng thông cao hơn trong khoảng cách truyền lớn hơn. Cáp quang có thể đạt khoảng cách 10km so với khoảng cách tối đa 100 mét (đây là giới hạn của cáp đồng)
• Tính linh hoạt hơn — Bộ chuyển đổi quang điện (Media converters) chẳng hạn như Ethernet UTP giúp kết hợp cáp quang vào các mạng hiện có, đáp ứng nhu cầu hiện tại và cung cấp tính linh hoạt cho các nhu cầu trong tương lai.
• Tuổi thọ cao — Sợi quang thường có tuổi đời lâu hơn khoảng hơn 100 năm.

Nhược điểm của cáp quang

• Nối cáp sẽ mất nhiều công đoạn, bắt buộc cáp phải thẳng không được gập.
• Chi phí triển khia hàn, nối và thiết bị đầu cuối sẽ cao hơn so với cáp đồng. Tuy nhiên, công nghệ bấm rệp được triển khai nên tiết kiệm được nhiều chi phí và thời gian bảo dưỡng cũng nhanh hơn.

Ứng dụng của cáp quang

Hiện nay cáp quang bao gồm 2 loại chính là Singlemode và Multimode và ứng dụng của mỗi loại này là hoàn toàn khác nhau.

• Singlemode: Với loại cáp quang này, người sử dụng có thể dùng với khoảng cách xa lên tới hàng nghìn km. Singlemode được dùng phổ biến trong các mạng điện thoại, mạng truyền hình cáp. Bởi vậy mà loại mạng cáp quang này được nhà cung cấp internet sử dụng trong nước và cả quốc tế.

• Multimode: Sử dụng khuếch đại trong khoảng cách ngắn (< 5km). Vì vậy mạng cáp quang này thường được sử dụng cho các doanh nghiệp, cơ quan, tổ chức, trường học…

Lý do đường truyền cáp quang bị gián đoạn

Bất kể việc lắp đặt cáp quang được lên kế hoạch và triển khai tốt đến đâu, và cáp quang được sử dụng mạnh đến mức nào, bạn không thể hoàn toàn đề phòng các sự cố về đường truyền bị gián đoạn bởi nguyên nhân chính dưới đây:

1. Do thiên tai, thời tiết, môi trường

Không giống như dây đồng, sợi quang không bị rỉ sét và có thể hoạt động ngay cả trong nhiệt độ cực thấp. Các sợi cáp có lớp phủ tiên tiến giúp bảo vệ chúng khỏi nước, ngoại trừ trong vỏ bọc mối nối nơi các đầu của sợi cáp bị tước bỏ lớp phủ của chúng để các mối nối có thể được hợp nhất mà không có chất gây ô nhiễm. Hầu hết các hư hỏng do nước mưa, bão, hay nước biển… xảy ra trong các vỏ bọc có mối nối. Do đó, cần gia cố các điểm kết nối của dây cáp và bản thân dây cáp để đường truyền không bị gián đoạn nếu xảy ra thiên tai, bão lũ…

Sét cũng là một trong những nguyên nhân gây ra hư hỏng cho vỏ cáp và thậm chí cả bản thân sợi quang. Khi sét đánh xuống đất, nó sẽ tìm kiếm chất dẫn điện tốt nhất hiện có, ngay cả khi cáp quang ở dưới lòng đất.

Ở những vùng khí hậu lạnh hơn, nước đi vào vỏ mối nối có thể đóng băng, làm đứt các sợi cáp quang và khiến đường truyền bị gián đoạn. Khi xảy ra sự cố vỡ băng, cần sửa chữa mạng khẩn cấp để tránh thêm thiệt hại và thời gian ngừng hoạt động. Tuy nhiên, trong điều kiện khắc nghiệt, việc tiếp cận với vỏ mối nối thường rất khó khăn.

Các động vật có vẻ rất thích cáp quang. Vào năm 2011, Charter Communications đã phải thay thế 87 dặm cáp ở Tây New York, do bị sóc gặm nhấm. Trên khắp Đại Tây Dương, vào năm 2017, những con chuột đã đánh sập quyền truy cập internet của các khách hàng của Virgin Media tại các khu vực của Nam London sau khi tấn công các đường cáp.

Cá mập – sát thủ biển cả cũng rất “thích” tấn công dây cáp quang. Tuy cắn không đứt nhưng các chiếc răng sắc nhọn sẽ để lại nhiều lỗ thủng khiến nước tràn vào trong, ảnh hưởng trực tiếp tới việc truyền tải dữ liệu

2. Do con người

Theo Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC), đã có hơn một nghìn cuộc tấn công phá hoại cáp quang dẫn đến sự cố ngừng hoạt động nghiêm trọng từ năm 2007 đến năm 2014 tại Hoa Kỳ. Và con số đó chỉ tính các sự cố ảnh hưởng đến ít nhất 900.000 phút gọi của người dùng hoặc dịch vụ 911. Những người đào cáp quang với hy vọng bán lại được, hoặc sử dụng cáp cho mục đích trái phép, đã gây ra những hậu quả gián đoạn đường truyền cáp quang nghiệm trọng.

Năm 2008, mỏ neo của một chiếc thuyền đã cắt qua không phải một mà là hai dây cáp dưới biển của Ai Cập, cắt đứt kết nối với Trung Đông và Đông Nam Á và buộc giao thông phải đi theo các tuyến đường khác nhau.

Trên đất liền, CenturyLink đã phải thay dây cáp trên không sau khi một máy bay nhỏ cắt chúng khi cố gắng hạ cánh tại Sân bay Quốc tế Burbank ở California.

Đó chỉ là một số trong vô vàn trường hợp bị gián đoạn đường truyền cáp quang do sự cố ngoài ý muốn hoặc cố ý phá hoại gây ra bởi con người.

Qua bài viết trên, các bạn đã có thể nắm rõ những thông tin về cấu tạo, ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của cáp quang. Hy vọng rằng sau bài viết này bạn đọc có thể tìm được cho mình một mạng cáp quang phù hợp nhất với doanh nghiệp của mình.

Tham khảo: https://byjus.com/physics/what-is-optical-fiber/