Khái niệm và cách thức hoạt động của cáp sợi quang học

Đi cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học máy tính đa dạng về quy mô, hệ điều hành và ứng dụng chính là sự phổ biến của cáp quang trong mọi mặt của đời sống. Vậy cáp quang là gì và chúng hoạt động ra sao, Bảo Châu sẽ giúp các bạn hiểu thêm về sợi quang học nhé

Sợi quang học là gì?

Sợi quang học là một loại sợi trong suốt, linh hoạt được làm từ thủy tinh (silica) hoặc chất dẻo thấm chất lượng cao, hơi dày hơn sợi tóc người. Nó có chức năng dẫn sóng hoặc truyền ánh sáng, giữa đầu và cuối sợi này. Chúng thường được sắp xếp trong các bó gọi là cáp quang.

Có thể nói sợi quang là một môi trường truyền thông tin nhanh hơn cáp đồng trục nhiều lần. Không giống như cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao (đây là tốc độ truyền dữ liệu, phân biệt với tốc độ tín hiệu) và truyền xa hơn. Những năm gần đây sự xuất hiện của cáp quang làm cho cáp đồng trục dần đi vào quên lãng.

Một sợi quang bao gồm 3 thành phần

Lõi: là sợi thủy tinh mỏng, nơi tín hiệu ảnh sáng truyền đi.
Lớp phủ: Nhựa phủ bảo vệ các sợi.
Lớp sơn phủ: Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi.

Những sợi quang học được sắp xếp trong bó cáp quang và được bao phủ bởi lớp phủ bên ngoài jacket.

Phân loại cáp quang:

Cáp quang gồm 2 loại chính là Multimode (đa mode) và Single mode (đơn mode).

Loại đơn mode: Lõi nhỏ (8 micron hay nhỏ hơn), hệ số thay đổi khúc xạ thay đổi từ lõi ra cladding ít hơn multimode. Các tia truyền theo phương song song trục. Xung nhận được hội tụ tốt, ít méo dạng. Thường dùng cho truyền tải tín hiệu khoảng cách xa hàng nghìn km.
Loại đa mode: Lõi lớn (100 micron), các tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi: thẳng, cong, zig-zag… Sử dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn.

Ưu điểm của sợi quang:

Mỏng hơn - Cáp quang được thiết kế có đường kính nhỏ hơn cáp đồng
Dung lượng tải cao hơn
Suy giảm tín hiệu ít
Tín hiệu ánh sáng từ sợi quang không bị nhiễu, làm cho chất lượng tín hiệu tốt
Sử dụng nguồn điện ít hơn
Không cháy
Cáp quang lý tưởng thích hợp để tải thông tin dạng số mà đặc biệt hữu dụng trong mạng máy tính

Một sợi quang truyền ánh sáng thế nào?

Tưởng tượng bạn muốn chiếu một chùm đèn pin vào một ngõ nhỏ. Chỉ cần chùm tia thẳng xuống ngõ và ánh sáng truyền đi theo đường thẳng. Nếu ngõ tồn tại một chỗ uốn cong, ta có thể để một cái gương tại chỗ cong để phản chiếu các chùm tia sáng xung quanh góc. Nếu có nhiều khúc uốn cong trong ngõ ta có thể đặt nhiều gương tại bức tường đặt góc chùm tia để nó phản chiếu từ bên này sang bên kia ngõ. Ví dụ trên cho ta hình dung về những gì sẽ xảy ra trong một sợi quang học.

Ánh sáng trong cáp sợi quang truyền qua lõi và va đập liên tục vào lớp sơn phủ. Bởi vì lớp sơn phủ không hấp thu bất kì ánh sáng trong lõi nên sóng ánh sáng có thể truyền đi với cự li rất xa. Tuy nhiên ánh sáng cũng có thể bị giảm sút bởi sự không tinh khiến của thủy tinh. Sự suy giảm tín hiệu phụ thuộc vào độ tinh khiến của thủy tinh.

Hệ thống chuyển tiếp của cáp quang

Bộ phận truyền: Tạo ra và mã hóa các tín hiệu ánh sáng

Ở bộ phận này sẽ nhận và hướng các thiết bị quang học bật và tắt ánh sáng theo chuỗi chính xác, do đó tạo ra một tín hiệu ánh sáng. Bộ phận truyền là bộ phận gần với sợi quang học và thậm chí có thể có một những ống kính tập trung ánh sáng vào sợi cáp quang. Các Laser có nhiều năng lượng hơn đèn LED, nhưng thay đổi tùy theo nhiệt độ và chi phí tốn kém hơn. Các bước sóng phổ biến nhất của các tín hiệu ánh sáng là 850 nm, 1.300 nm, và 1.550 nm.

Bộ phận tái tạo ánh sáng: Có thể cần thiết để tăng tín hiệu ánh sáng

Các bộ phận tái tạo ánh sáng được ghép dọc theo cáp để tăng tín hiệu ánh sáng. Bởi lẽ trong một số trường hợp xảy ra tình trạng bị mất tín hiệu khi ánh sáng được truyền qua sợi quang, đặc biệt trên khoảng cách dài. Một bộ phận tái tạo quang học bao gồm các sợi quang học với một lớp phủ đặc biệt được kích lên bằng Laser. Khi tín hiệu suy hao đi vào lớp phủ này năng lượng từ Laser cho phép kích các phân tử tín hiệu trở nên mạnh hơn để phát ra một tín hiệu ánh sáng mới và mạnh hơn, với đặc điểm tương tự như tín hiệu ánh đầu vào.

Bộ thu ánh sáng: Nhận và giải mã các tín hiệu ánh sáng

Bộ phận này lấy tín hiệu của ánh sáng kỹ thuật số được truyền đến, giải mã chúng và gửi các tín hiệu điện tử cho máy tính, truyền hình, hoặc điện thoại của người sử dụng. Người nhận sử dụng một photocell hoặc photodiode để tách ánh sáng.