Truyền Thông Quang [PDF]

Zitiervorschau

1. Giới thiệu: Nhu cầu băng thông cao hơn và kết nối tốc độ nhanh hơn đã tăng đáng kể sự phát triển của thị trường cáp quang trong vài năm qua, đặc biệt là sợi quang đơn mode (SMF) và sợi quang đa mode (MMF). Tuy nhiên, mặc dù hai loại cáp quang này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đa dạng, nhưng vấn đề – chế độ sợi đơn mode so với sợi đa mode: sự khác biệt là gì – vẫn còn khó hiểu. 2. Khái niệm: - Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy được và các tia hồng ngoại. Chúng có 3 lớp: lõi (core), áo (cladding) và vỏ bọc (coating).

- Sợi quang đơn mode (single mode) hay sợi quang đa mode (multi mode) đều chỉ truyền một tín hiệu (là dữ liệu mà ta cần truyền). - Chế độ trong cáp quang đề cập đến con đường mà ánh sáng truyền đi. Sợi quang đơn mode có đường kính lõi nhỏ hơn 9 micron (chính xác là 8,3 micron) và chỉ cho phép một bước sóng và con đường duy nhất cho ánh sáng truyền đi, giúp giảm đáng kể phản xạ ánh sáng và giảm suy hao.

- Cáp quang multimode có đường kính lõi lớn hơn so với cáp quang single mode, cho phép truyền nhiều đường và một số bước sóng ánh sáng. Sợi quang đa mode có hai kích cỡ, 50 micron và 62,5 micron. Nó thường được sử dụng cho các khoảng cách ngắn.

3. Lý do chia làm 2 loại: - Tùy vào mục đích sử dụng của người dùng. Vì sợi quang đơn mode thường được sử dụng cho khoảng cách xa trong khi sợi quang đa mode thường được sử dụng cho phạm vi ngắn. Hơn nữa, chi phí hệ thống và chi phí lắp đặt thay đổi với các chế độ sợi quang khác nhau. 4. Thuộc tính - Cáp quang dùng ánh sáng truyền dẫn tín hiệu, do đó ít suy hao và thường được dùng cho kết nối khoảng cách xa. - Cấu tạo từ ba thành phần chính: lõi (core), lớp phản xa ánh sáng (cladding), lớp vỏ bảo vệ chính (primary coating hay còn gọi coating, primary buffer). - Core được làm bằng sợi thủy tinh hoặc plastic dùng truyền dẫn ánh sáng. Bao bọc core là cladding – lớp thủy tinh hay plastic – nhằm bao vệ và phản xa ánh sáng trở lại core. Primary coating là lớpvỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và cladding không bị bụi, ẩm, trầy xước.

- Hai loại cáp quang phổ biến là GOF (Glass Optical Fiber) – cáp quang làm bằng thuỷ tinh và POF (Plastic Optical Fiber) – cáp quang làm bằng plastic. POF có đường kính core khá lớn khoang 1mm, sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu khoang cách ngắn, mang tốc độ thấp. Trên các tài liệu kỹ thuật, ban thường thấy cáp quang GOF ghi các thông số 9/125µm, 50/125µm hay 62,5/125µm, đây là đường kính của core/cladding; còn primary coating có đường kính mặc định là 250µ m. - Bảo vệ sợi cáp quang là lớp vỏ ngoài gồm nhiều lớp khác nhau tùy theo cấu tao, tính chất của mỗi loai cáp. Nhưng có ba lớp bao vệ chính là lớp chịu lực kéo (strength member), lớp vỏ bao vệ ngoài (buffer) và lớp áo giáp Jacket. Strength member là lớp chịu nhiệt, chịu kéo căng, thường làm từ các sợi Kevlar. Buffer thường làm bằng nhựa PVC, bao vệ tránh va đập, ẩm ướt. Lớp bao vệ ngoài cùng là Jacket. Mỗi loai cáp, tùy theo yêu cầu sử dụng sẽ có thêm các lớp jacket khác nhau. Jacket có khả năng chịu va đập, nhiệt và chịu mài mòn, bao vệ phần bên trong tránh ẩm ướt và các ảnh hưởng từ môi trường. Mode là gì ? Dịch rộng ra: Chế độ là một thuật ngữ trong sợi cáp quang ám chỉ một trạng thái lan truyền ổn định trong sợi quang. Nói một cách dễ hiểu, ta coi mỗi mode là một tia sáng ứng với một góc lan truyền cho phép. Khi tia sáng được truyền đi trong sợi quang, tia sáng sẽ đi theo 3 đường, tương ứng với 3 tia sáng khác nhau. 

Tia High Order Mode là những tia sáng lan truyền trong sợi cáp quang có số lần phản xạ lớn. 



Tia Low Order Mode là: những tia sáng lan truyền trong sợi cáp quang có số lần phản xạ ít. 



Tia Axial Mode là: tia sáng lan truyền dọc theo trục trung tâm của sợi cáp quang. Thời gian tia sáng lan truyền trong sợi quang từ A đến B là nhanh nhất.

Các tia sáng bên trong cáp quang có hai kiểu truyền dẫn là đơn mốt (Singlemode) và đa mốt (Multimode).

Cáp quang Singlemode(SM) có đường kính core khá nhỏ (khoang 9µ m), sử dụng nguồn phát laser truyền tia sáng xuyên suốt vì vậy tín hiệu ít bị suy hao và có tốc độ khá lớn. SM thường hoat động ở 2 bước sóng (wavelength) 1310nm, 1550nm. - Sự sai biệt về chiết suất giữa lớp lõi và lớp cladding là tương đối nhỏ. - Cũng được gọi là transverse mode (chế độ nằm ngang) - Chỉ có một loại tia sáng được lan truyền là tia Axial, nghĩa là không có hiện tượng tán sắc. - Tốc độ nhanh, băng thông lớn hơn. - Đắt tiền hơn so với sợi đa mode. - Yêu cầu về hệ thống thu phát phải có các bộ thu phát có tia laser hoạt động ở bước sóng dài hơn và chiều dài phổ hẹp hơn. Cáp quang Multimode(MM) có đường kính core lớn hơn SM (khoang 50µ m, 62.5µm). MM sử dụng nguồn sáng LED (Light Emitting Diode) hoặc laser để truyền tia sáng và thường hoat động ở 2 bước sóng 850nm, 1300nm; Multimode có khoảng cách kết nối và tốc độ truyền dẫn nhỏ hơn Singlemode

Đường kính core, cladding của MM và SM Multimode(MM) có hai kiểu truyền: chiết xuất bước (Step index) và chiết xuất liên tục (Graded index). *Các tia sáng kiểu Step index truyền theo nhiều hướng khác nhau vì vậy có mức suy hao cao và tốc độ khá chậm. Step index ít phổ biến.

- Quỹ đạo các tia lan truyền có dạng zigzag, gồm 2 loại tia: tia kinh tuyến (a) và tia nghiêng hoặc tia xoắn (b).

- Chiết suất phụ thuộc vào chính vật liệu cấu thành nên sợi quang đó. - Lõi đồng nhất có chiết suất n1, lớp phản xạ ánh sáng xung quanh lõi có chiết suất n2. - Bị ảnh hưởng nhiều do hiện tượng tán sắc. Do đó, băng thông không cao và không được sử dụng trong các hệ thống mạng. Số lượng mode truyền:

M≈

V2 trong đó V =2 π . a . NA/ λ 2

a: đường kính của sợi quang, λ : bước sóng NA =n0 sin θ0 ,max =sin θ NA =√ n12 − n22

Đại lượng M được dùng để xác định số lượng mode khả dĩ có thể có trong một sợi quang. NA: Numerical Aperture (khẩu độ số) là phép đo khả năng thu thập tia sáng xuất hiện trong sợi quang

n 1 −n 2

Nếu n 1 ≈ n 2tℎì NA=n 1 √ 2 ∆ với ∆= n 2

được gọi là Fractional index cℎange

Khi ∆ ↑ → NA ↑ → càng nℎiều ánℎ sáng được kết ℎợp vào sợi ℎơn  Tán sắc mode lớn  giới hạn dung lượng mang thông tin của sợi.

*Các tia sáng kiểu Graded index truyền dẫn theo đường cong và hội tụ tai một điểm. Do đó Graded index ít suy hao và có tốc độ truyền dẫn cao hơn Step index. Graded index được sử dụng khá phổ biến.

- Quỹ đạo các tia lan truyền cũng có dạng zigzag, gồm 2 loại tia: tia kinh tuyến và tia nghiêng hoặc tia xoắn. - Quỹ đạo các tia lan truyền có dạng đường cong hình sin do bị đổi hướng liên tục khi truyền trong sợi. - Các tia sáng sẽ lan truyền chậm hơn khi gặp chiết xuất cao và sẽ nhanh hơn khi gặp chiết xuất thấp. - Số lượng mode truyền: M ≈

2

V trong đó V =2 π . a . NA/ λ 4

- Tán sắc mode nhỏ hơn nhiều so với sợi SI  Tăng dung lượng mang thông tin của sợi. - Băng thông cao hơn sợi đa mode chiết suất bậc. Các thông số cần quan tâm - Suy hao quang (Optical loss): lượng công suất quang (optical power) mất trong suốt quá trình truyền dẫn qua cáp quang, điểm ghép nối. Ký hiệu dB. - Suy hao phản xạ (Optical Return loss): ánh sáng bị phản xạ tai 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): 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 giam 3dB/km, trong khi ở bước sóng 1300nm chỉ suy giam 1dB/km. Cáp quang Singlemode: suy giam 0,4dB/km ở 1310nm, 0,3dB/km ở 1550nm. Đầu nối (connector) suy giam 0,5dB/cặp đấu nối. Điểm ghép nối (splice) suy giam 0,2 dB/điểm. 5. Phân loại sợi quang theo phân bố chỉ số khúc xạ (Slide) Có 3 loại sợi quang phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ là: - Sợi đa mode chiết suất bậc (Step Index Multi Modes)

- Sợi đa mode chiết suất biến đổi (Graded Index Multi Modes) - Sợi đơn mode chiết suất bậc (Step Index Single Modes a.

Sợi đa mode chiết suất bậc (Step Index Multi Modes)

(Slide) Sợi đa mode chiết suất bậc là sợi quang có lõi (core) đồng nhất có chiết suất là n1 và lớp phản xạ ánh sáng (cladding) xung quanh lõi có chiết suất n2 (n2 < n1) Trong loại sợi này, một chỉ số khúc xạ đồng nhất được duy trì trong lõi. Tại giao diện lớp phủ lõi, giá trị chiết suất gần như bằng 0 dẫn đến sự phản xạ mạnh của chùm ánh sáng. Chỉ số khúc xạ kém này ở bề mặt lớp phủ lõi là một biểu hiện của chỉ số khúc xạ thấp hơn của lớp phủ. Sợi đa mode chiết suất bậc hoạt động trên nguyên tắc phản xạ toàn phần và cho phép truyền ánh sáng qua trục sợi / lõi theo hình ziczac. Ánh sáng đi vào sợi quang đa mode chiết suất bậc ở các góc tới khác nhau sẽ đi qua các đường khác nhau đảm bảo hoạt động đa mode hiệu quả. Mỗi chùm sáng truyền với tốc độ như nhau trên sợi quang tuy nhiên thời gian nó đi ra phụ thuộc vào góc mà nó đi vào. Chùm tia sáng đi vào ở góc dốc hơn sẽ chống lại nhiều phản xạ hơn dẫn đến việc thoát ra muộn hơn so với chùm tia sáng đi vào ở góc độ dốc hơn. Sợi đa mode chiết suất bậc bị ảnh hưởng nhiều bởi hiện tượng tán sắc, do đó băng thông không cao và không được sử dụng trong các hệ thống mạng. Để hạn chế sự ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc, các nhà sản xuất đã cho ra đời loại cáp sợi đa mode chiết suất biến đổi (Gran Index Multi Modes). b. Sợi đa mode chiết suất biến đổi (Graded Index Multi Modes)

(Slide) Sợi đa mode chiết suất biến đổi là sợi quang có lõi sợi quang được kết hợp từ nhiều lớp thủy tinh có chiết suất n1, n2, n3… khác nhau thay vì chỉ có một chiết suất như trong lõi của sợi đa mode chiết suất bậc. Trong loại sợi này, chiết suất cao hơn được duy trì ở trục lõi và nó giảm dần khi khoảng cách xuyên tâm (đo từ tâm lõi) tăng lên. Nói tóm lại, chiết suất bên trong sợi quang có chiết suất giảm dần ra khỏi tâm của nó và ở rìa của giá trị chiết suất lõi của nó trở nên gần bằng giá trị chiết suất của lớp phủ. Sự thay đổi dần dần giá trị chiết suất này dẫn đến hiện tượng khúc xạ bên trong thay vì phản xạ. Do đó, các tia sáng uốn cong về phía trục sợi khi chúng di chuyển qua sợi có chiết suất thấp.  Tán sắc là một hiện tượng phổ biến liên quan đến các ứng dụng sợi quang đa mode trong đó các chế độ ánh sáng khác nhau đi vào sợi quang đồng thời nhưng thoát ra không đồng bộ. Trong các sợi đa mode chiết suất biến đổi, ảnh hưởng của phương thức tán sắc có thể giảm đáng kể vì tốc độ ánh sáng bên trong lõi thay đổi theo chiết suất. Ánh sáng đi ra khỏi lõi của sợi quang được cải thiện về tốc độ khi chiết suất giảm dần. Sự khác biệt về tốc độ này bù đắp cho thời gian dài hơn của chùm ánh sáng truyền qua các con đường dài hơn. Kết quả là, trong các các sợi đa mode chiết suất biến đổi, thời gian truyền của các chế độ khác nhau gần như giống hệt nhau dẫn đến hạn chế hiện tượng tán sắc, giúp tăng băng thông. c. Sợi đơn mode chiết suất bậc (Step Index Single Modes)

(Slide) Sợi đơn mode chiết suất bậc có lõi trung tâm nhỏ, chỉ có một đường dẫn cho tia sáng qua cáp. Tia sáng truyền trong sợi quang qua phản xạ. Kích thước lõi điển hình là 2 đến 15 micromet. Vì vậy sợi đơn mode còn được gọi là sợi cơ bản hoặc sợi monomode. Sợi quang đơn mode sẽ chỉ cho phép một chế độ truyền và cũng không bị chênh lệch độ trễ chế độ. Sợi lõi của sợi quang đơn mode rất hẹp so với bước sóng ánh sáng được sử dụng. Do đó, chỉ có một con đường duy nhất tồn tại qua lõi cáp mà ánh sáng có thể truyền qua. Hiện tượng tán sắc ánh sáng không xuất hiện ở sợi quang đơn mode. Điều này làm cho sợi quang đơn mode có băng thông lớn hơn và truyền dữ liệu xa hơn so với sợi quang đa mode.

Note: Step Index: Step Index là sự sắp xếp theo bậc của từng lớp chiết suất, loại này có phần lõi lớn 100 micron, các tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi: thẳng, zig-zag… Loại dây này xung dễ bị méo dạng do tại điểm đến sẽ nhận các chùm tia riêng lẻ. ( Micron là một phép đo sử dụng để đo kích thước hạt hoặc vật thể có kích thước nhỏ hơn 1mm. Một micron bằng 1/1.000.000m (mét) và 1/1.000mm hoặc 1/25400″ (inches). Chỉ số Index: để nói về một tập thông tin được sắp xếp theo một thứ tự, một trật tự và một quy luật nhất định nào đó. Graded index: phần lõi có chỉ số khúc xạ giảm dần từ trong ra ngoài cladding, các tia ở gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding, các tia theo đường cong thay vì zig-zag. Ở loại này, xung sẽ ít bị méo dạng hơn do các chùm tia tại điểm hội tụ. (cladding: lớp vỏ bọc quang) Chỉ số khúc xạ (chiết suất): Chiết suất của chân không là 1. Chiết suất của không khí gần bằng 1. Các môi trường trong suốt khác đều có chiết suất tuyệt đối lớn hơn 1. Chiết suất của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không. Phản xạ toàn phần: là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt. Hiện tượng tán sắc: hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt. Băng thông: Băng thông hay còn được hiểu là tốc độ truyền dữ liệu của một đường truyền. Băng thông được đo bằng đơn vị bit trên giây (bps). Hiện tượng khúc xạ: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng lệch phương (gãy) của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau. Không đồng bộ: Không đồng bộ là các chế độ ánh sáng khác nhau thoát ra sợi quang không cùng một lúc. 6. So sánh a. Đường kính lõi Đường kính lõi sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode. Đường kính lõi điển hình là 9µm. Và đường kính lõi đa mode là 50µm và 62.5µm, cho phép nó có khả năng thu thập ánh sáng cao hơn và đơn giản hóa các kết nối. Đường kính caldding của chế độ đơn và sợi đa mode là 125µm.

b. Các loại cáp quang đa mode: Được xác định theo tiêu chuẩn ISO 11801, cáp quang đa mode có thể được phân loại thành cáp quang multimode OM1, Cáp quang multimode OM2, Cáp quang multimode OM3, Cáp quang multimode OM4 và Cáp quang multimode OM5 mới được phát hành. Sự khác biệt chính giữa các sợi đa mode dựa trên sự khác biệt vật lý. Theo đó, sự khác biệt vật lý dẫn đến tốc độ truyền dữ liệu và khoảng cách khác nhau.

c. Bước sóng & Nguồn sáng Do kích thước lõi lớn nên sợi đa mode có thể truyền một số nguồn ánh sáng chi phí thấp như đèn LED và VCSEL hoạt động ở bước sóng 850nm và 1310nm. Trong khi chế độ đơn thường sử dụng một điốt laser hoặc laser để tạo ra ánh sáng được truyền vào cáp. Và bước sóng sợi đơn mode thường được sử dụng là 1310nm và 1550nm. VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser): Laser phát ra bề mặt khoang dọc (VCSEL) là một loại laser mới phát ra ánh sáng từ bề mặt thẳng đứng. Cấu trúc khác với laser phát ra cạnh thông thường mang lại nhiều lợi thế: góc phân kỳ nhỏ và đối xứng tròn của phân bố trường xa và gần làm tăng đáng kể hiệu quả ghép với sợi mà không cần hệ thống tạo chùm phức tạp và đắt tiền. Nó đã được chứng minh rằng hiệu quả ghép với sợi đa mode có thể hơn 90%; d. Băng thông Băng thông sợi đa mode bị giới hạn bởi chế độ ánh sáng của nó và băng thông tối đa hiện nay là 28 GHz đối với sợi OM5. Trong khi băng thông sợi đơn mode là không giới hạn về lý thuyết do nó cho phép một ánh sáng của chế độ truyền qua tại một thời điểm. e. Hỗ trợ nhiều giao thức Sợi cáp quang multi-mode có thể hỗ trợ nhiều giao thức truyền dữ liệu. Do đó, người ta có thể sử dụng cáp làm xương sống của một loạt các ứng dụng có giá trị cao.

f. Khoảng cách truyền của cáp quang

Từ bảng trên, chúng ta có thể thấy khoảng cách sợi đơn mode dài hơn nhiều so với cáp sợi đa mode ở tốc độ dữ liệu từ 1G đến 10G, nhưng cáp đa mode OM3 / OM4 / OM5 hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn. Vì cáp quang đa mode có kích thước lõi lớn và hỗ trợ nhiều hơn một chế độ ánh sáng. g. Hiệu quả chi phí Với lõi sợi lớn hơn và dung sai căn chỉnh tốt, sợi đa mode và các thành phần ít tốn kém hơn và dễ dàng làm việc hơn với các thành phần quang học khác như đầu nối sợi và bộ điều hợp sợi, và cáp quang multi-mode ít tốn kém hơn để vận hành, cài đặt và bảo trì so với sợi quang chế độ đơn. Kết: Do công suất và độ tin cậy cao, sợi cáp quang đa một thường được sử dụng cho các ứng dụng xương sống trong các tòa nhà. Nhìn chung, cáp MMF là lựa chọn hiệu quả nhất cho các ứng dụng doanh nghiệp và trung tâm dữ liệu lên đến phạm vi 500-600 mét. Nhưng cáp quang multi-mode không thể thay thế sợi quang single mode, vì việc chọn cáp quang single mode hay cáp quang multi-mode, tất cả phụ thuộc vào ứng dụng và khoảng cách truyền.