CHƯƠNG 2 PHƯƠNG TIỆN TRUYỀN DẪN VÀ CÁC THIẾT BỊ MẠNG PHƯƠNG TIỆN TRUYỀN DẪN VÀ CÁC THIẾT BỊ MẠNG
2.2.3. Cáp quang (Fiber-optic cable)
Mô tả vật lý :
Cáp quang là một phương tiện mềm dẻo, đường kính nhỏ có khả năng truyền tia sáng. Các chất liệu thủy tinh hoặc chất dẻo có thể được sử dụng để làm nên cáp quang. Cáp quang được chế tạo bởi silic đyoxit nóng chảy tinh khiết có khả năng truyền tốt nhất nhưng rất khó chế tạo. Cáp quang chế tạo bằng sợi thủy tinh nhiều thành phần không tốt bằng nhưng kinh tế hơn và vẫn cho kết quả chấp nhận được. Sợi chất dẻo có giá rẻ nhất và có thể sử dụng cho các đường truyền
m ngắn và chấp nhận mất mát cao.
Cáp sợi quang có dạng hình trụ và bao gồm ba thành phần đồng tâm: lõi, lớp sơn phủ và vỏ bọc. Lõi là thành phần trong cùng và bao gồm một hoặc nhiều sợi rất mảnh làm bằng thủy tinh hoặc nhựa. Lõi có đường kính khoảng 8 đến 100 . Mỗi sợi được bọc một loại vỏ đặc biệt làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo có đặc tính quang học khác với lõi. Bề mặt giữa lõi và lớp vỏ bọc đặc biệt có tác dụng tạo sự khúc xạ ánh sáng toàn phần trong lõi. Lớp ngoài cùng bọc lấy một hoặc một vài sợi cáp phủ sơn là vỏ bọc. Vỏ bọc đựoc làm bằng chất liệu nhựa tổng hợp và các chất liệu khác nhằm bảo vệ lõi chống lại hơi ẩm, sự ăn mòn, va đập và các nguy hại từ môi trường bên ngoài.
Ứng dụng :
Một trong các công nghệ có ý nghĩa nhất trong truyền dữ liệu là sự phát triển của các hệ thống truyền thông bằng cáp quang. Cáp quang còn được sử dụng trong truyền thông đường dài và các ứng dụng của nó trong lĩnh vực quân sự đang phát triển mạnh. Sự cải thiện liên tục trong hiệu suất và giá thành ngày càng giảm cùng với các ưu điểm vốn có của cáp quang đã khiến nó được dùng ngày càng nhiều để kết nối mạng nội bộ. Các đặc tính sau của cáp quang phân biệt nó với cáp xoắn đôi và cáp đồng trục:
Dung lượng lớn hơn: Tiềm năng về băng thông của cáp quang rất lớn, vì vậy tốc độ truyền dữ liệu của cáp quang rất cao, lên tới hàng trăm Gbps trên quãng đường hàng chục km. Ta có thể so sánh với tốc độ thực tế cực đại hàng trăm Mbps trên quãng đường 1 km của cáp đồng trục và chỉ vài Mbps trên 1 km hay từ 100Mbps đến 1 Gbps trên vài chục mét của cáp xoắn đôi.
Kích thước nhỏ hơn và nhẹ hơn: Một sợi cáp quang nhỏ hơn một dây cáp đồng trục và một bó cáp xoắn đôi. Để chạy trong các tòa nhà hay dưới lòng đất, ưu điểm về kích thước rất có lợi và kích thước nhỏ hơn cũng giảm các yêu cầu về cấu trúc công trình.
Ít suy giảm hơn: Sự suy giảm trong cáp quang nhỏ hơn nhiều so với cáp đồng trục và cáp xoắn đôi, và là một hằng số trên một miền rộng.
Không bị ảnh hưởng bởi điện từ: Các hệ thống cáp quang không bị ảnh hưởng bởi các trường điện từ bên ngoài. Vì vậy hệ thống không bị ảnh hưởng bởi sự nhiễu giao thoa, nhiễu xung và nhiễu xuyên âm. Sợi quang không phát ra năng lượng do đó ít ảnh hưởng đến các thiết bị khác và có mức bảo mật cao hơn,
tránh bị nghe trộm và khó bị rò rỉ.
Khoảng cách cần lặp tín hiệu lớn hơn: Số bộ lặp cần sử dụng ít hơn làm giảm giá thành và ít các nguồn gây lỗi. Hiệu suất của các hệ thống cáp quang theo quan điểm này có sự phát triển vững chắc. Khoảng cách thông thường giữa các bộ lặp vào khoảng 10 km và đã có các ghi nhận khoảng cách lên tới hàng trăm km. Các hệ thống cáp đồng trục và cáp xoắn đôi thường phải dùng bộ lặp sau khoảng vài km.
Có năm loại ứng dụng chính của cáp quang đã trở nên quan trọng:
Các cáp trục đường dài
Các cáp trục trong thành phố
Các cáp trục giữa các vùng
Đường nối giữa khách hàng và tổng đài
Các mạng nội bộ
Việc sử dụng cáp quang trong truyền tín hiệu đường dài ngày càng trở nên thông dụng trong các mạng điện thoại. Các quãng đường lên đến 1500 km và dung lượng rất cao (thông thường khoảng 20000 đến 60000 kênh tiếng nói). Các hệ thống này đang cạnh tranh về mặt kinh tế với sóng viba và có giá thấp hơn nhiều so với cáp đồng trục. Các đường cáp quang chạy dưới biển cũng đang được sử dụng nhiều hơn.
Các đường trục trong thành phố có độ dài trung bình khoảng 12 km và có thể có khoảng 100000 kênh tiếng nói trong mỗi nhóm trục. Các đường trục này được lắp đặt trong các đường ống chôn dưới đất và không có các bộ lặp tín hiệu, được nối với các tổng đài điện thoại.
Các đường trục giữa các vùng có độ dài khoảng 40 đến 160 km kết nối các thành phố và các vùng quê hay là giữa các tổng đài điện thoại của các công ty khác nhau. Hầu hết các hệ thống này có ít hơn 5000 kênh tiếng nói. Các kỹ thuật được sử dụng trong các ứng dụng này đang cạnh tranh với các kỹ thuật sử dụng sóng vi ba
Các đường nối giữa khách hàng và tổng đài là các đường cáp chạy trực tiếp từ tổng đài trung tâm tới khách hàng. Các đường cáp này đang dần thay thế cáp xoắn đôi và cáp đồng trục để trở thành các mạng có đầy đủ dịch vụ không chỉ xử lý tiếng nói và dữ liệu mà còn cả hình ảnh và video. Ban đầu ứng dụng này của cáp quang là cho các khách hàng thương mại, nhưng việc truyền dẫn đến từng gia đình
sẽ sớm xuất hiện.
Ứng dụng quan trọng cuối cùng của cáp quang là cho mạng nội bộ. Các chuẩn đang được phát triển và các sản phẩm cho mạng cáp quang dã có dung lượng từ 100 Mbps đến 1 Gbps và có thể hỗ trợ hàng trăm, thậm chí hàng nghìn trạm trong một toà nhà lớn hoặc một khu nhiều tòa cao ốc.
Các đặc tính truyền dẫn :
Cáp quang truyền tín hiệu được mã hóa thành các chùm tia sáng phản xạ toàn phần bên trong. Điều này có thể xay ra trong bất cứ môi trường truyền dẫn nào có chỉ số khúc xạ cao hơn môi trường bên ngoài. Trong thực tế, cáp quang hoạt động như một sóng truyền có hướng với tần số trong khoảng từ 1014 đến 1015 hertz, bao gồm cả ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy được.
Hình dưới đây mô tả nguyên lý truyền dẫn trong cáp quang. Tia sáng từ một nguồn sáng đi vào trong lõi hình trụ bằng thủy tinh hoặc chất dẻo. Các tia có góc rộng bị phản xạ và truyền dọc theo sợi cáp, các tia khác bị hấp thu bởi chất bao bọc. Hình thức truyền này gọi là truyền đa cách, nhảy bậc, theo nghĩa có nhiều góc khác nhau sẽ phản xạ.
Khi truyền dẫn đa cách, tồn tại nhiều đường truyền khác nhau, mỗi đường truyền sẽ có độ dài khác nhau dẫn tới thời gian truyền của mỗi đường cũng khác nhau. Điều này khiến các thành phần tín hiệu (xung ánh sáng) trải ra theo thời gian và vì vậy giới hạn tốc độ truyền mà dữ liệu có thể nhận một cách chính xác. Hay nói cách khác yêu cầu khoảng cách giữa các xung đã giới hạn tốc độ dữ liệu.
Loại cáp này phù hợp cho việc truyền khoảng cách rất ngắn. Khi bán kính của lõi cáp giảm đi, số góc phản xạ cũng ít đi. Bằng cách giảm bán kính của lõi theo yêu cầu của bước sóng.Việc truyền theo kiểu đơn cách (single-mode) cung cấp hiệu suất cao hơn vì các lý do sau. Vì chỉ có một đường truyền nên các sai lệch như khi truyền theo kiểu đa phương thức không thể diễn ra. Kiểu đơn cách thường được sử dụng cho các ứng dụng đường dài bao gồm điện thoại và truyền hình cáp.
Cuối cùng, do các chỉ số khúc xạ của lõi khác nhau nên ta có thể có kiểu truyền thứ ba là đa cách biến đối dần. Đây là kiểu trung gian giữa hai kiểu trên về mặt đặc tính. Chỉ số khúc xạ cao hơn tại trung tâm khiến tia sáng càng gần trục thì càng chậm hơn các tia gần lớp vỏ. Tia sáng trong lõi đi theo đường cong xoắn ốc vì chỉ số khúc xạ được phân loại và giảm khoảng cách phải truyền của nó. Khoảng cách được thu ngắn và tốc độ cao hơn cho phép tia sáng ở phía ngoài biên tới thiết bị nhận gần như cùng thời điểm với các tia truyền thẳng ở lõi. Các cáp có kiểu đa cách biến đổi dần thường được sử dụng trong các mạng nội bộ.
Có hai loại nguồn sáng khác nhau được sử dụng trong các hệ thống cáp quang: dioed phát quang (LED) và diode bức xạ laser (ILD). Cả hai đều là các thiết bị bán dẫn phát ra các chùm sáng tại một hiệu điện thế nào đó. Đèn LED rẻ hơn hoạt động trong miền nhiệt độ rộng hơn và có thời gian sử dụng lâu hơn. Trong khi đó ILD hoạt động theo nguyên lý laser hiệu quả hơn và có tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn.
Có một mối liên hệ giữa bước sóng sử dụng, kiểu truyền và tốc độ dữ liệu nhận được. Cả hai kiểu truyền đơn cách và đa cách đều hỗ trợ một vài bước sóng ánh sáng và có thể sử dụng cả nguồn ánh sáng laser hay đèn LED. Trong cáp quang, ánh sáng được truyền tốt nhất trong ba “cửa sổ” bước sóng khác nhau, 850, 1300 và 1550 nanometer (nm). Tất cả những bước sóng này đều nằm trong vùng hồng ngoại của phổ tần số, nằm phía dưới vùng ánh sáng nhìn thấy được (từ 400 đến 700 nm). Sự mất mát sẽ giảm đi khi bước sóng tăng lên và cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn trên các khoảng cách dài. Hầu hết các ứng dụng cục bộ hiện nay đều sử dụng nguồn sáng đèn LED. Mặc dù việc sử dụng đèn LED không đắt nhưng nó giới hạn tốc độ dữ liệu dưới 100 Mbps và khoảng cách là vài km. Để có thể có tốc độ dữ liệu cao hơn và khoảng cách xa hơn phải sử dụng đèn LED phát ánh sáng có bước sóng 100 nm hoặc nguồn sáng laser. Để có tốc độ dữ liệu cao nhất và khoảng cách truyền xa nhất ta phải dùng nguồn sáng laser có bước sóng 1500 nm Dồn thành phần bước sóng (Wavelength-Division Multiplexing):
Tiềm năng của cáp quang sẽ được sử dụng toàn bộ khi nhiều chùm sáng với các tần số khác nhau được truyền trên cùng một sợi cáp. Đây là cách truyền dồn thành phần tần số (FDM) nhưng thường được gọi là dồn thành phần bước sóng (WDM). Ánh sáng truyền trong sợi cáp bao gồm nhiều màu hay nhiều bước sóng, mỗi bước sóng mang các kênh dữ liệu khác nhay. Năm 1997 phòng thí nghiệm Bell đã chứng minh một hệ thống WDM với 100 chùm sáng sẽ hoạt động ở 10 Gbps với tốc độ dữ liệu khoảng 1 tỷ tỷ bit mỗi giây. Hiện nay các hệ thống thương mại với 80 kênh và tốc độ 10 Gbps đã đi vào hoạt động.