Cáp Quang Là Gì Và Hoạt Động Như Thế Nào?

Cáp quang là gì?

Cáp quang được cấu tạo bởi sợi quang, bộ gia cường (strength members) và lớp vỏ ngoài (outer jacket). Sợi quang truyền tín hiệu, bộ gia cường cung cấp khả năng chịu lực kéo và chịu nén, còn lớp vỏ ngoài bảo vệ toàn bộ cáp khỏi các tác động môi trường.

Không giống như dây đồng trong các loại cáp Category hay Ethernet, truyền dữ liệu bằng tín hiệu điện, sợi quang sử dụng thủy tinh làm môi trường truyền dẫn cho các xung ánh sáng di chuyển với tốc độ cực nhanh. Quá trình truyền tín hiệu cơ bản yêu cầu một bộ phát (transmitter), một bộ thu (receiver) và một sợi quang bằng thủy tinh để dẫn truyền ánh sáng từ bộ phát đến bộ thu.

Sợi quang được sản xuất qua hai bước. Bước đầu tiên là tạo ra thủy tinh tinh khiết để sản xuất phôi sợi (preform). Trong bước này, các loại khí pha tạp được sử dụng để phủ nhiều lớp thủy tinh tinh khiết lên một trụ hình trụ. Độ tinh khiết của thủy tinh rất quan trọng để có thể truyền ánh sáng đi xa mà không bị mất tín hiệu.

Bước thứ hai gọi là “kéo sợi” (fiber draw). Phôi thủy tinh sẽ được nung nóng và kéo dài để giảm đường kính thành sợi quang mảnh. Kích thước tiêu chuẩn của một sợi quang là 250 micron. Để dễ hình dung, một sợi tóc người khoảng 100 micron. Quy trình này tương tự như cách làm kẹo thủ công có hoa văn nhỏ, nhưng thay vì cuộn, phôi thủy tinh được nung chảy và kéo dài để đạt được kích thước mong muốn.

Các sợi quang sau khi được tạo thành sẽ được bó lại cùng với bộ gia cường và/hoặc lớp đệm (buffer materials) bên trong lớp vỏ ngoài.

Cấu tạo của Cáp Quang

Sợi quang bao gồm ba thành phần chính: lõi (core), lớp phản xạ (cladding) và lớp phủ bảo vệ (coating). Đây còn được gọi là “ba chữ C”.

Lõi (Core)

Đầu tiên là “lõi” – phần cấu trúc thủy tinh cho phép ánh sáng di chuyển đến thiết bị nhận. Khi ánh sáng truyền đi, tín hiệu quang được duy trì trong lõi nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần (total internal reflection). Ánh sáng được phản xạ liên tục tại bề mặt giữa lõi và lớp cladding (lớp phản xạ) mà chúng ta sẽ tìm hiểu tiếp theo.

Tín hiệu ánh sáng di chuyển theo những quỹ đạo nhất định trong sợi quang, gọi là các “mode”.

Lớp phản xạ (Cladding)

Bọc quanh lõi là lớp phản xạ mỏng bằng thủy tinh gọi là “cladding.” Lớp này đóng vai trò như một bề mặt gương hoàn hảo, giúp giữ ánh sáng bên trong lõi. Nhờ đó, dữ liệu có thể truyền đi suốt chiều dài của sợi quang mà không bị thất thoát.

Lớp phủ bảo vệ (Coating)

Thông thường, hai lớp phủ được xử lý bằng tia UV sẽ được phủ lên bề mặt lớp cladding. Gọi chung là “coating,” lớp phủ này bảo vệ sợi thủy tinh khỏi trầy xước, cong vi mô và các tạp chất. Vì sợi quang rất mảnh và dễ vỡ nên cần được bảo vệ kỹ càng trong suốt quá trình sản xuất cũng như sử dụng.

Cấu trúc tổng thể của cáp sẽ được thiết kế phù hợp với từng ứng dụng và tiêu chuẩn khu vực.

Cáp quang còn bao gồm hai thành phần khác:

Bộ gia cường (Strength Members)

Để tăng khả năng chịu lực khi lắp đặt, các vật liệu như thép, sợi aramid, sợi thủy tinh hoặc thanh sợi thủy tinh cứng được sử dụng. Chúng giúp cáp quang chịu được lực kéo, uốn cong, va đập, xoắn và các lực tác động khác.

Vỏ ngoài (Jacket)

Là lớp bảo vệ ngoài cùng của cáp, lớp vỏ giúp chống lại các yếu tố môi trường bên ngoài. Có nhiều loại vỏ khác nhau, ví dụ như vỏ chống cháy được sử dụng trong các ứng dụng trong nhà như hệ thống riser hoặc plenum.

Các loại cáp quang

Có hai loại cáp quang: singlemode và multimode — và mỗi loại hoạt động theo cách khác nhau một chút.

Cáp Quang Singlemode

Cáp quang singlemode được thiết kế với lõi rất nhỏ, chỉ cho phép một chế độ ánh sáng duy nhất đi qua. Thiết kế này giúp giảm thiểu sự phản xạ ánh sáng và giảm suy hao tín hiệu đáng kể, khiến singlemode trở thành lựa chọn lý tưởng cho truyền tải khoảng cách xa.

Đặc điểm chính của Singlemode:

• Kích thước lõi: Đường kính rất nhỏ (khoảng 9 micron).

• Khoảng cách: Hỗ trợ truyền tải khoảng cách rất xa, hầu như không giới hạn.

• Băng thông: Khả năng truyền tải băng thông cao với suy hao tín hiệu tối thiểu.

• Ứng dụng: Truyền thông đường dài như kết nối giữa các khuôn viên, truyền dẫn dưới biển và kết nối văn phòng từ xa.

• Chi phí: Cáp thường có giá thấp hơn, nhưng bộ thu phát (transceivers) thường đắt hơn so với multimode.

Các loại sợi quang Singlemode:

• G.652: Sợi quang singlemode tiêu chuẩn; có các phiên bản giảm đỉnh nước (low water peak).

• G.653: Sợi quang dịch chuyển tán sắc (dispersion-shifted), tối ưu hóa cho các bước sóng nhất định.

• G.654: Sợi quang dịch chuyển điểm cắt, dùng cho mạng truyền tải siêu dài.

• G.655: Sợi quang dịch chuyển tán sắc không bằng 0 (NZDSF), phù hợp với hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM).

• G.657: Sợi quang chống uốn cong (bend-insensitive), giảm thiểu suy hao do uốn cong mạnh.

Mỗi loại sợi quang singlemode có các đặc tính riêng biệt tùy thuộc vào bước sóng hoạt động, khoảng cách truyền và kiến trúc hệ thống.

Cáp Quang Multimode

Cáp quang multimode có đường kính lõi lớn hơn nhiều, cho phép nhiều chế độ ánh sáng truyền qua cùng lúc. Thiết kế này hỗ trợ việc sử dụng các thiết bị quang học có chi phí thấp hơn, nhưng lại gây ra hiện tượng tán sắc mode (modal dispersion), làm giới hạn khoảng cách truyền và băng thông.

Đặc điểm chính của Multimode:

• Kích thước lõi: Đường kính lớn hơn (50 hoặc 62.5 micron).

• Khoảng cách: Phù hợp nhất cho các ứng dụng truyền tải ở khoảng cách ngắn.

• Băng thông: Cung cấp băng thông cao trong khoảng cách ngắn; bị giới hạn khoảng cách ở băng thông cao do tán sắc mode.

• Ứng dụng: Mạng nội bộ (LAN), trung tâm dữ liệu (data centers) và mạng doanh nghiệp.

• Chi phí: Cáp và thiết bị thu phát liên quan thường có chi phí hợp lý hơn cho khoảng cách ngắn.

Các loại sợi quang Multimode (dòng OM):

• OM1: Lõi 62.5 micron, hỗ trợ tốc độ lên đến 1 Gbps trong phạm vi 300 mét.

• OM2: Lõi 50 micron, hỗ trợ tốc độ lên đến 1 Gbps trong phạm vi 600 mét.

• OM3: Tối ưu hóa cho laser, hỗ trợ 10 Gbps trong phạm vi 300 mét.

• OM4: Phiên bản hiệu suất cao hơn của OM3, hỗ trợ 10 Gbps trong phạm vi 550 mét.

• OM5: Tối ưu hóa cho các ứng dụng sợi quang đa mode băng rộng (WBMMF) và ghép bước sóng ngắn (SWDM).

Cách Mỗi Loại Cáp Quang Hoạt Động

Cáp quang multimode sử dụng một lõi lớn cho phép nhiều chùm tia sáng (hay “mode”) truyền qua cáp cùng lúc nhưng theo các lộ trình khác nhau. Vì mỗi chế độ ánh sáng có thể đi theo những tuyến đường hơi khác nhau, nên chúng sẽ đến đích vào những thời điểm hơi khác nhau.

Hiện tượng này, gọi là tán sắc mode (modal dispersion), có thể gây ra méo tín hiệu khi truyền ở khoảng cách xa. Cáp quang multimode hoạt động hiệu quả nhất khi sử dụng ở khoảng cách ngắn, nơi độ trễ giữa các mode ánh sáng vẫn ở mức tối thiểu và không ảnh hưởng đến độ rõ nét của tín hiệu.

Các loại cáp quang multimode hiện đại như OM3, OM4 và OM5 được tối ưu hóa với các nguồn laser như LED hoặc VCSEL để căn chỉnh các mode tốt hơn và giảm hiện tượng tán sắc. Các công nghệ như ghép bước sóng ngắn (SWDM) trong OM5 cho phép truyền đồng thời nhiều tín hiệu laser, giúp tối ưu hóa việc sử dụng các bước sóng ánh sáng hiện có, cải thiện đáng kể luồng dữ liệu qua sợi quang.

Ngược lại, cáp quang singlemode sử dụng một lõi rất nhỏ chỉ cho phép một mode ánh sáng truyền thẳng qua sợi. Bằng cách giới hạn ánh sáng theo một đường thẳng duy nhất, cáp singlemode loại bỏ hoàn toàn hiện tượng tán sắc mode.

Vì chỉ có một con đường cho ánh sáng truyền đi, toàn bộ xung ánh sáng di chuyển đồng đều và đến đầu thu cùng lúc. Điều này dẫn đến tín hiệu có độ suy hao và méo cực kỳ thấp, ngay cả ở những khoảng cách rất xa, khiến cáp quang singlemode trở thành lựa chọn lý tưởng cho các kết nối đường dài như liên kết giữa các cơ sở, cáp ngầm dưới biển và mạng trục viễn thông.

Lợi Ích Của Cáp Quang

Cáp quang mang lại nhiều lợi thế quan trọng, khiến nó trở thành lựa chọn hàng đầu cho cơ sở hạ tầng mạng hiệu suất cao. Dưới đây là những điểm nổi bật của cáp quang:

1. Hỗ Trợ Băng Thông Rất Cao

Cáp quang, đặc biệt là loại singlemode, cung cấp băng thông cao nhất hiện có, truyền tải lượng dữ liệu lớn hơn nhiều so với cáp đồng có cùng đường kính.
Giới hạn không nằm ở bản thân sợi cáp, mà là ở các thiết bị điện tử được kết nối với nó. Khi công nghệ phát triển, việc nâng cấp bộ thu phát và các thành phần khác cho phép bạn khai thác tối đa tiềm năng của sợi cáp mà không cần thay thế cáp.
Ngoài ra, cáp quang còn giảm độ trễ, giúp tải xuống nhanh hơn, tải lên mượt mà hơn và truy cập tài nguyên liền mạch ở cả khoảng cách ngắn và dài.

2. An Toàn Bảo Mật

Cáp quang cực kỳ an toàn vì không phát ra tín hiệu điện từ có thể bị nghe lén.
Việc xâm nhập vào cáp quang yêu cầu phải tiếp cận vật lý và cắt vào sợi cáp, điều này thường làm gián đoạn mạng và kích hoạt cảnh báo ngay lập tức — khiến việc truy cập trái phép trở nên cực kỳ khó khăn.

3. An Toàn Khi Sử Dụng

Do truyền tín hiệu bằng ánh sáng thay vì điện, cáp quang an toàn khi thao tác, loại bỏ các rủi ro liên quan đến cáp điện như tia lửa, điện giật hoặc hỏa hoạn.

4. Chịu Được Môi Trường Khắc Nghiệt

Cáp quang có khả năng chống chịu tốt với môi trường như độ ẩm, mưa và nhiệt độ khắc nghiệt.
Ngay cả trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt hoặc khi bị sét đánh, hiệu suất cáp quang vẫn không bị ảnh hưởng vì nó không chứa thành phần kim loại dẫn điện. Điều này làm cho cáp quang trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng ngoài trời, công nghiệp và đường dài.

5. Cáp Quang Miễn Nhiễm Với Nhiễu Điện Từ (EMI)

Khác với cáp đồng, cáp quang không truyền dòng điện và hoàn toàn miễn nhiễm với nhiễu điện từ (EMI) và xuyên âm.
Điều này đảm bảo quá trình truyền dữ liệu ổn định và không bị gián đoạn ngay cả trong môi trường có nhiều thiết bị điện tử.

CÁP QUANG BELDEN

Servo Dynamics – Nhà Phân Phối Ủy Quyền Belden Tại Việt Nam

Servo Dynamics tự hào là nhà phân phối ủy quyền của Belden tại Việt Nam, cung cấp các giải pháp cáp và kết nối đẳng cấp thế giới cho thị trường trong nước. Là đối tác đáng tin cậy, chúng tôi mang đến đầy đủ dòng sản phẩm hiệu suất cao của Belden, bao gồm cáp quang, giải pháp Ethernet công nghiệp và các phụ kiện mạng. Với cam kết mạnh mẽ về chất lượng, đổi mới và dịch vụ khách hàng, đội ngũ của chúng tôi đảm bảo các doanh nghiệp tại Việt Nam có quyền tiếp cận công nghệ tiên tiến, đáng tin cậy để vận hành hiệu quả và duy trì kết nối trong thế giới số hóa nhanh chóng hiện nay.