1. 4 Ưu nhược điểm của sợi quang nhựa POF
4.1.2. Laser điốt màu xanh dương
Trong dự án POF-PLUS đã chứng minh được việc lựa chọn truyền dữ liệu tốc độ Gigabit trên các sơi quang nhựa PMMA có lõi chiết suất phân bậc (SI) và chỉ số lõi biến đổi (GI). Hầu hết các thí nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng tia laser đỏ và laser phát xạ mặt VCSEL. Tuy vậy, người ta nhận ra rằng tốc độ truyền tải còn tăng >>1Gbit/s với một điode laser màu xanh dương sẵn có.
Sợi quang nhựa POF có những thuận lợi lớn trong việc kết nối khá dễ dàng. Sự truyền tải với tốc độ 1Gbit/s với chiều dài 50m có thể đạt được với máy phát sử dụng đèn LED. Với laser điốt LD có thể đưa ra tốc độ bit lớn hơn hẳn (10Gbit/s với chiều dài 35m và 5Gbit/s với chiều dài 50m). Người ra thử nghiệm với một LD có ngưỡng bảo vệ là 30mA với bước sóng 405nm. Tại 40mA, công suất dòng điện 4.5mW. Laser được ghép vào sợi quang nhựa SI-POF đường kính lõi 1mm (Misubishi GH401). Kết quả nhận thấy, khẩu độ số NA =0.25 đáp ứng tần số của hệ thống bao gồm 50m và 100m SI-POF.
Hình 4.4: Giá trị SNR khi dùng laser xanh dương trong POF
Chúng ta đã chỉ ra được cách sử dụng của LD xanh dương cho truyền dẫn tốc độ hàng Gigabit trên sợi SI-POF. Tốc độ bit có thể có được là 5.84 Gbit/s là tương tự với kết quả tốt nhất, thu được với LD đỏ và VCSEL. Hiện giờ LD xanh dương có thể sử dụng là rất tốn kém cho hệ thống POF. Tuy nhiên, một tương lai đầy tiềm năng LD xanh lục là một lựa chọn cho truyền dẫn POF tốc độ cao hơn. Độ khả dụng của laser xanh lục, xanh dương và đỏ có thể cũng mở ra con đường cho hệ thống POF – WDM cao.
4.2. Một số công nghệ nổi bật của sợi quang POF
4.2.1. Truyền dữ liệu đồng thời thông qua băng truyền sợi quang đa lõi POF
Với yêu cầu về băng thông cao và ít ảnh hưởng bởi sự uốn cong là khó có thể thực hiện đồng thời trong một sợi quang có đường kính 1mm. Các sợi quang có đường kính lõi nhỏ hơn có thể giải quyết được bài toán này bởi tỉ số bán kính sợi quang lớn hơn cho cùng tỉ số bán kính uốn cong tuyệt đối. Song, điều này lại mâu thuẫn với các yêu cầu về việc dễ dàng thao tác và truyền ánh sáng.
Trong năm 2009, nhà sản xuất sợi quang Nhật Bản Asahi Chemical đã giới thiệu một thế hệ mới của loại sợi quang nhựa đa lõi chiết suất bậc MC-POF. Sợi quang này được phát triển chủ yếu cho chiều dài sợi quang cực ngắn với yêu cầu cao về độ nhạy uốn cong. Với loại sợi này, nhiều lõi sợi (19 đến >200) cùng được đưa vào khi chế tạo theo cách cho phép tất cả lõi sẽ lấp đầy một mặt cắt tròn có đường kính 1mm Trong dự án POF-PLUS, người ta đã thử nghiệm với loại sợi quang này và đã đạt được những ứng dụng đáng kể trong việc truyền tải tốc độ khá cao mà vẫn đảm bảo bán kính uốn cong thấp. Chính vì lý do này mà người ta đã chọn sợi quang MC-POF làm cơ sở cho một cáp băng mới.
Hình 4.5: Cấu tạo của cáp băng MC-POF mới
Hình 4.5 mô tả cấu tạo của cáp băng MC-POF, phiên bản này được sản xuất bởi công ty Lucent, USA. Trong 4 sợi bao gồm 19 lõi có đường kính là 500nm. Các sợi được bảo vệ một cách riêng lẻ và được kết nối với một lớp Acrylat chung. Kích cỡ của cáp thông thường từ 550µm đến 2200µm và khoảng cách tâm 2 lõi sợi khoảng
550µm. Dung sai của tất cả các tham số nhỏ hơn 10µm.
Hình 4.6 biểu diễn đường cong chiết suất của sợi MC POF, với mặt cắt ngang qua đường kính sợi. Các bậc chiết suất tương tự với đặc điểm của sợi POF tiêu chuẩn. Trong sợi MC POF, việc giảm sự chênh lệch chiết suất cũng giúp làm tăng băng thông. Do đường kính lõi nhỏ hơn, nên cho phép tránh được sự tăng mức độ ảnh hưởng của sợi do hiện tượng uốn cong gây ra.
Hình 4.6: Cấu trúc sợi đa lõi chiết suất bậc sợi MC-POF
Tại bước sóng 650nm, suy hao của sợi quang MC-POF có giá trị 0.22dB/m (trong điều kiện EMD). Điều này cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách hơn 50m. Ngoài ra, khi MC-POF được so sánh với sợi SI-POF đơn lõi trong tất cả các thông số quang học, sự khác biệt lớn nhất chính là độ nhạy uốn cong. Theo đó, khi thử nghiệm với độ uốn cong 3600 ở khẩu độ số NA khác nhau, thì giá trị suy hao cũng khác nhau. Suy hao 0.1dB có được với đường kính uốn cong khoảng 1.5nm, giá trị này là ít hơn nhiều so với giá trị của sợi thủy tinh uốn cong.
Hình 4.7: Đường cong suy hao của cáp băng MC-POF
Việc sử dụng cáp băng MC-POF cho phép nâng cao hiệu quả việc truyền dẫn đồng thời tốc độ dữ liệu, mở ra một bước phát triển mới cho việc truyền dẫn cả 2 chiều trong sợi trong tương lai, từ đó góp phần không nhỏ vào những ứng dụng của ngành sợi quang trong công nghệ truyền dẫn.
4.2.2. Truyền dẫn đa Gigabit qua sợi quang nhựa chiết xuất biến đổi GI-POF đường kính lõi 1mm
Một trong những mục tiêu chính của dự án POF-PLUS châu Âu là tối ưu hóa các phần tử có sẵn và sử dụng các kỹ thuật để đạt tới tốc độ đa Gigabit truyền trên sợi quang nhựa POF đường kính lõi 1mm. Người ta nhận thấy, tỉ lệ truyền dẫn sẽ đạt được khoảng 5.3Gbit/s và 7.6Gbit/s cho độ dài sợi quang từ 10m đến 50m bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế đa tần rời rạc (DMT) trong hệ thống phát hiện trực tiếp cường độ điều chế bằng cách sử dụng điều chế trực tiếp “ eye-safe” VCSEL và photodiode silicon. Băng thông được sử dụng là 1.42 GHz tương ứng với hiệu suất quang phổ >3.7bit/s/Hz. Để đạt được mục tiêu truyền dẫn đa Gigabit qua sợi quang nhựa POF, việc lựa chọn các loại sợi quang POF mang tính thương mại và kỹ thuật cũng là vấn đề hết sức quan trọng. Thông thường với sợi quang chiết xuất bậc SI-POF đã được sử dụng cho truyền dẫn Gigabit, tuy vậy thì khẩu độ số NA là 0.5 trên một băng thông thấp 80MHz cho khoảng cách tại 50m không cho đáp ứng tốt. Vì vậy, đối với truyền dẫn đa Gigabit (ở khoảng cách thích hợp cho việc triển khai trong nhà), thì việc sử dụng sợi quang nhựa chiết xuất biến đổi GI-POF là hoàn toàn thích hợp.
Hiện nay, với một loạt các phương pháp truyền dẫn dữ liệu bằng các phương tiện khác nhau như cáo đồng trục cho phát sóng truyền hình, cáp xoắn đôi cho dây điện thoại, hay mạng LAN cho Internet. Việc nhiều cơ sở hạ tầng mạng như vậy đã dẫn đến một cơ sở hạ tầng phức tạp và chi phí dịch vụ cao. Đưa ra một cơ sở hạ tầng chung là cần thiết để cung cấp và cải thiện các dịch vụ mạng hiện nay, đặc biệt là các giải pháp chi phí hiệu quả trong các mạng gia đình. Sợi quang nhựa POF chính là khả
năng cho giải pháp chi phí hiệu quả, đặc biệt khi chia sẻ với các đường dây dẫn điện sẵn có. Nghiên cứu hệ thống lõi sợi quang POF, người ta đã truyền tải thành công một tín hiệu băng gốc DTM với tốc độ 2.2Gbit/s và một tín hiệu tần số vô tuyến ở 200Mbit/s ở khoảng cách 50m bằng sợi quang nhựa PMMA chiết xuất lõi biến đổi GI- POF đường kính lõi 1mm, tỉ số lỗi bit tại BER<10−3. Điều này đã chứng minh cho việc truyền dẫn hiệu quả cả hai tín hiệu có dây và không dây qua loại sợi quang PMMA GI- POF bán kính lõi 1mm, đồng thời làm cơ sở cho việc xây dựng cấu trúc hạ tầng mạng cho các dịch vụ trong nhà, giảm thiểu chi phí, phù hợp cho những ứng dụng mạng thiết kế ở gia đình.
4.3. Ứng dụng của sợi quang POF
Sợi quang chất dẻo (POF) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với tốc độ kết nối phổ biến trong khoảng 10 – 100 Mbps. Sự tiếp tục phát triển của tốc độ các cặp thiết bị vào ra trong mạng với nhu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ và độ tin cậy cao đã tạo ra thị trường và đòi hỏi sự lựa chọn liên kết tốc độ cao hơn sử dụng POF. Nhiều tổ chức và tập đoàn lớn đã tập trung nghiên cứu và phát triển những phương pháp phù hợp để sử dụng các kỹ thuật truyền dẫn tốc độ Gigabit và Multi-gigabit cho sợi POF với mục đích trên. Dưới đây là một vài ứng dụng của sợi POF.
4.3.1. Ứng dụng truyền dẫn trong nhà, văn phòng, các doanh nghiệp
Sự cần thiết cho việc cải thiện băng thông cao hơn luôn luôn là xu hướng ngày càng gia tăng, đặc biệt khi Interet trở thành phương tiện truyền thông của hầu hết mọi người. Có hai yếu tố chính được xuất phát, thứ nhất là từ các doanh nghiệp với nhu cầu cần thiết cho các trung tâm dữ liệu và thiết bị lưu trữ, thứ hai là lượng truy cập và nhu cầu từ người dùng ngày càng lớn. Chính vì vậy, yêu cầu cho lượng dữ liệu được thông qua và nâng cao băng tẩn luôn là một yêu cầu và nhiệm vụ được đặt ra cho các nhà khai thác.
Trong nhà, nhu cầu được thúc đẩy bởi các yêu cầu về đa phương tiện. Truy cập mạng được nâng cấp dựa trên công nghệ DSL dây đồng xoắn và cáp đồng trục với băng thông cao công nghệ PON (Passive Optical Network) cho khả năng cung cấp tốc độ 1Gbit/s và XPON 10Gbit/s. PON bắt đầu được sử dụng từ những nơi chưa có cơ sở hạ tầng như Nam Mỹ, Đông Âu, Trng Quốc. Trong lịch sử, các hệ thống cáp của Mỹ chủ yếu dựa trên cáp đồng trục. Châu Âu là nơi chi phối bởi các dây cáp quang và cáp xoắn. Công nghệ truy cập PON cho phép mang một băng thông lớn hơn tới các hộ gia đình, mặc dù nó sẽ được chia sẻ bởi nhiều người dùng cùng một lúc. Cáp quang được sử dụng trong PON là loại cáp đơn mode và sau đó được đưa vào sử dụng cả trong Ethernet dùng trong nhà. Tuy nhiên hạn chế lớn nhất mà liên kết quang có đó chính là những hạn chế về vấn đề sử dụng dễ dàng và chi phí hợp lý. Chính vì vậy mà POF dựa trên hệ thống này sẽ hoàn toàn được ưu tiên cho việc sử dụng và chi phí.
Thị trường cung cấp mạng cho gia đình đang bùng nổ trên nền video IP cung cấp trực tuyến. Chỉ cần nhấn nút enter trên cửa hàng mua sắm điện tử ngày nay là bạn có thể xem được hầu hết các TV và các sản phẩm liên quan (TV, Game, Set Top Box, Blue Ray, Media Server etc.) có kết nối Ethernet và theo tiêu chuẩn. Trong năm 2010,
trên 210 triệu thiết bị chuyển thông tin theo kết nối Ethernet và tốc độ tăng trưởng là trên 600% trong vòng 4 năm.
Hình 4.8: Hệ thống truyền dẫn bằng Bus POF cho mạng lưới trong nhà
POF đầu tiên tham gia vào mạng trong nhà khi công ty điều hành viễn thông như Deutsche Telekom và Swisscom triển khai POF như một lựa chọn kết nối Ethernet giữa Home Gateway và Set Top Box trong khi triển khai dịch vụ IPTV. Một vài nhà điều hành viễn thông khác thì tham gia trong thử nghiệm và triển khai POF như hội viên của POF-PLUS, Prance Telecom và Telecom Italia và AT&T nằm trong số đó.
Hình 4.9 : Một số cấu trúc mạng trong nhà
Hiện tại có một vài lựa chọn cho kết nối trong nhà tuy nhiên khi đòi hỏi đảm bảo chất lượng dịch vụ và sự xác thực video truyền tải (ví dụ như trong trường hợp FTTH), các nhà điều hành và cài đặt thường hướng đến sử dụng kết nối có dây. Một số cấu trúc mạng trong nhà sử dụng sợi quang nhựa POF được đưa ra nhằm tối ưu cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng và giảm thiểu chi phí như: hệ thống P2P, bus, cây, sao hình cây. Một vài lý do cho việc sử dụng POF trong các ứng dụng mạng trong nhà được đưa ra nhưng phổ biến nhất vẫn là sự dễ dàng trong cài đặt và tốc độ cài đặt nhanh hơn so với cáp Cat5e.
Hình 4.10: Sự đơn giản của thiết bị đầu cuối kết nối cáp
Ngày nay, phần lớn các thiết bị đầu cuối người sử dụng được triển khai sử dụng giao thức FastEthernet (125 Mbps) tuy nhiên với sự giảm chi phí không ngừng của IC điều khiển Ethernet ta mong đợi rằng thị trường sẽ chuyển sang công nghệ Gigabit Ethernet trong vài năm tới. Điều này đưa đến thêm sự phức tạp để đảm bảo thông lượng (throughput) và độ tin cậy trong khi sự khó khăn tăng cao với môi trường trong nhà nơi mà nhiễu nền (EMI) đang tiếp tục gia tăng. POF có thể coi là giải pháp hoàn hảo để giải quyết được những vấn đề này. Việc cho ra đời những thiết bị sử dụng POF với tốc độ Gigabit như những phát minh của dự án POF-PLUS sẽ trở thành đòn giáng mạnh vào thế thống trị lâu này của cáp đồng và tạo động lực cho thị trường đang bùng nổ.
Thị trường mạng cho doanh nghiệp và văn phòng đang được coi như một thị trường khai thác của công nghệ tiềm năng POF Gigabit. Ngày nay chi phí cho việc triển khai hàng triệu kilomet cáp đồng đang trở thành vấn đề đau đầu vì sự không ngừng tăng giá của cáp đồng.
Hình 4.11: Giá thị trường của đồng không ngừng tăng
Hiện nay, Trung Quốc là nước tiêu thụ đồng đứng đầu thế giới chiếm gần 40% nhu cầu toàn cầu, điều này đã đẩy giá cà hàng hóa kim loại tăng hơn 300% trong vòng 3 năm trở lại đây. Với sự bùng nổ và tăng tốc chóng mặt của mạng kết nối Internet đã thúc đẩy các nhà sản xuất phải tăng nguồn POF như là sự lựa chọn về cáp để phát triển cho lĩnh vực truyền thông.
Các doanh nghiệp đang được thúc đẩy và phát triển bởi sự hội tụ của mạng điện thoại và dữ liệu dựa trên IP. Lưu lượng truyền tài dữ liệu được tăng từ 100Mbit/s đến 1Gbit/s vào cuối những năm 90 và tiếp tục đến 10Gbit/s, 40Gbit/s trong thập kỷ qua. Mạng lõi mới đang đi tìm kiếm liên kết 100Gbit/s để lên tới tốc độ 1Tbit/s. Những yêu cầu này đã mang lại một số các công nghệ về kết nối khác nhau, từ phương pháp bằng đồng truyền thống chuyển sang phương tiện truyền thông sợi quang. Phạm vi từ vài mét cho đến hàng chục kilomet. Đối với khoảng cách ngắn hơn, các nhà sản xuất đang tìm kiếm những giải pháp nhằm hiệu quả chi phí cho kết nối thông tin liên lạc. Bảng dưới cho thấy một cái nhìn tổng quát về các công nghệ hiện nay được sử dụng cho 10G mạng LAN và các đặc tính của nó.
Cáp truyền dẫn là một giải pháp đã được áp dụng bởi các nhà cung cấp thiết bị nhằm giảm chi phí trong liên kết truyền dẫn, tuy nhiên cáp trên thị trường ngày nay đưa vào sử dụng lại thiếu đi những chuẩn yêu cầu cần thiết. Chính vì vậy, cáp sợi quang POF ra đời sẽ dựa trên hoạt động đã và đang được sản xuất, sử dụng như một mũi nhọn của thị trường cáp. Với nhu cầu cho mạng doanh nghiệp cung cấp tốc độ 100Gbit/s cho mỗi liên kết, với yêu cầu công nghệ tốt hơn và chi phí rẻ hơn so với cáp quang hiên tại. Hiện nay, mỗi bộ thu phát tốc độ 100Gbit/s sẽ có giá trên 3000$ cho mỗi liên kết đầy đủ.
Hình 4.12: So sánh các công nghệ 10G LAN
Sự lựa chọn POF là sự thay thế quang cho cáp Ethernet đã tạo ra sự phát triển theo cấp số nhân vì những lý do chủ chốt như: giá thành của cáp đồng, dễ dàng lắp đặt và toàn vẹn thông tin và dễ dàng triển khai nhanh chóng trong môi trường nhà ở, văn phòng và khách sạn.
4.3.2. Ứng dụng mạng trong ô tô
Daimler Chrysler giới thiệu sử dụng sợi quang POF trong các mạng ô tô vào