Thực hành tìm hiểu về sợi quang, cáp quang và ứng dụng của cáp quang

TÊN HỌC SINH: NGUYỄN VỸ HUY. LỚP 11D. THPT NINH GIANG 
Cấu trúc chi tiết của cáp quang ADSS (ADSS optical fiber cable)
THỰC HÀNH:TÌM HIỂU VỀ SỢI QUANG, CÁP QUANG VÀ ỨNG DỤNG CỦA CÁP QUANG
Năm 1966, Charles Kuen Kao và George Hockman, hai kỹ sư trẻ tại Phòng thí nghiệm chuẩn viễn thông (Anh), đã công bố khám phá mới đầy hứa hẹn về khả năng của sợi quang - những sợi thủy tinh hoặc nhựa trong suốt, linh hoạt và mỏng hơn một sợi tóc.
Đến năm 1970, Corning Glass Works, hãng sản xuất gốm sứ và thủy tinh của Mỹ, lần đầu tiên sản xuất thành công sợi cáp quang thành phẩm có thể sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ cao và sao đó đã được các công ty viễn thông triển khai sử dụng.
Tuy nhiên phải đến những năm 90 với sự bùng nổ của Internet đã khiến công nghệ cáp quang được ứng dụng rộng rãi và trở nên không thể thiếu trong việc truyền tải dữ liện. Cáp quang là cơ sở của Internet và Wi-Fi. Hiện nay, mọi doanh nghiệp với mạng LAN đều sử dụng nó. Mọi người cũng nhờ đến cáp quang mỗi khi gửi e-mail, tin nhắn SMS, ảnh, video và các file dữ liệu khác
I.Khái niệm
-Cáp quang là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu.
-Cáp quang dài, mỏng thành phần của thủy tinh trong suốt bằng đường kính của một sợi tóc. Chúng được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang và được sử dụng để truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa.
II.Cấu tạo
Core (lõi) : Được làm bằng sợi thủy tinh hoặc nhựa Plastic để truyền tín hiệu ánh sáng
Cladding : là lớp bao bọc core có chức năng bảo vệ và phản xạ đẩy các tia sáng hướng trở về core
Primary Coating : là lớp vỏ nhựa bên ngoài bảo vệc ladding và core khỏi bụi bẩn, ẩm và trầy xước
Strength Member: là lớp chịu nhiệt, chịu lực kéo được làm từ các sợi Kevlar
Bufer : Là lớp nhựa PVC bảo vệ khỏi va đập, ẩm ướt.
Jacket: là lớp bảo vệ ngoài cùng có khả năng chịu va đập, chịu mài mòn, nhiệt và ẩm ướt và các tác động từ môi trường. 
Cấu tạo của cáp quang
III.Phân loại cáp quang
-Có 3 cách phân loại cáp quang:
Phân loại dây cáp theo chất liệu Core:
- POF (Plastic Optical Fiber): Core làm bằng sợi plastic, sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu khoảng cách ngắn, mạng tốc độ thấp, loại này hiện nay ít được sử dụng
Glass Optical Fiber
Plastic Optical Fiber
 - GOF (Glass Optical Fiber): Core được làm bằng sợi thủy tinh tốc độ truyền tải nhanh và độ suy hao thấp.
Phân loại dây cáp quang theo phương thức truyền dữ liệu :
♦ Singlemode: sử dụng loại cáp có lõi nhỏ (9 µm) và sử dụng nguồn phát laser phát tia sáng xuyên suốt nên tín hiệu ít bị suy hao và tốc độ cao và khoảng cách truyền tải dữ liệu đi rất xa.
Phương thức truyền Singlemode
♦ Multimode : sử dụng loại cáp có lõi có đường kính lớn hơn SingleMode ( từ 50 µm đến 62.5µm). Sử dụng nguồn phát LED hoặc laser để truyền tia sáng, tốc độ truyền dẫn dữ liệu và khoảng cách truyền tải thấp hơn SingleMode, khoảng cách giới hạn là ≤ 5km thường được dùng cho các doanh nghiệp, cơ quan, nhà xưởng, khách sạn lớn. Multimode có 2 kiểu truyền là :
-Multimode Step Index: Các tia sáng truyền theo nhiều hướng khác nhau vì vậy có mức suy hao cao và tốc độ khá chậm. Step index ít phổ biến, thường dùng cho cáp quang POF(Plastic Optical Fiber)
Phương thức truyền Multimode Step Index(SI-)
♦ Multimode Graded Index:Các tia sáng truyền dẫn theo đường cong và hội tụ tại một điểm. Do đó Graded index ít suy hao và có tốc độ truyền dẫn cao và được sử dụng phổ biến hơn.
Phương thức truyền Multimode, Graded Index(GI-).
So sánh kiểu truyền SI- và GI-. Trong đó kiểu truyền GI- giữ nguyên chất lượng tín hiệu còn truyền kiều SI- dễ gây tín hiệu sai lệch
-Truyền dẫn tín hiệu trên cáp quang có hai dạng đơn công (simplex) và song công (duplex). Simplex truyền tín hiệu chỉ 1 chiều. Duplex có thể truyền nhận tín hiệu 1 chiều bán song công (half-Duplex) hoặc cả 2 chiều song công toàn phần (full-Duplex) Duplex ở cùng thời điểm tùy theo cách cấu hình.
Phân loại dây cáp quang theo thiết kế:
Loại dây Loose Tube
♦ Ống đệm không chặt(Loose Tube) :dùng ngoài trời (outdoor), cho phép chứa nhiều sợi quang bên trong. Giúp sợi cáp quang “giãn nở” trước sự thay đổi nhiệt độ, co giãn tự nhiên, không bị căng, bẻ gập ở những chỗ cong
♦ Ống đệm chặt (Tight Buffer) :thường dùng trong nhà (indoor), bao bọc khít sợi cáp quang (như cáp điện), giúp dễ lắp đặt khi thi công
Loại dây Tight Buffer
IV.SỬ DỤNG
1.Truyền thông 
Sợi quang được sử dụng như một phương tiện cho viễn thông và mạng máy tính vì nó rất linh hoạt và có thể vận chuyển dễ dàng bằng cách bó lại như các loại cáp khác . Sợi quang rất hữu ích cho thông tin liên lạc đường dài, bởi vì ánh sáng truyền qua các sợi ít suy giảm so với các loại cáp điện. 
Việc mỗi kênh tín hiệu ánh sáng lan truyền trong sợi đã được điều khiển ở mức cao như 111 GB /s của NTT . Trong tháng 6 năm 2013, các nhà nghiên cứu đã chứng minh có thể truyền 400 GB /s trên một kênh duy nhất sử dụng 4 chế độ quỹ đạo góc đà ghép . 
Mỗi sợi có thể mang theo nhiều kênh độc lập, bằng việc sử dụng bước sóng khác nhau của ánh sáng ( ghép kênh phân chia bước sóng (WDM)).Năm 2011 kỷ lục về băng thông trên một lõi duy nhất là 101 TB / s (370 kênh tại 273 GB /s). Kỷ lục cho một sợi đa lõi là 1,05 petabits mỗi giây.
Đường dây cáp quang: Phải đạt tiêu chuẩn không gấp khúc(gãy), tại một điểm uốn phải có độ cong tiêu chuẩn
Đối với ứng dụng khoảng cách ngắn, chẳng hạn như một mạng lưới trong một tòa nhà văn phòng, hệ thống cáp sợi quang có thể tiết kiệm không gian trong ống dẫn cáp. Vì một sợi duy nhất có thể mang dữ liệu hơn nhiều so với dây cáp điện như cáp Ethernet tiêu chuẩn loại 5, mà thường chạy ở tốc độ 100 MB / s hoặc 1 GB/ s. Loại sợi này cũng không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện; không có sự lẫn lộn giữa các tín hiệu trong cáp khác nhau. Sợi cáp không bọc thép không dẫn điện, làm cho sợi dễ dàng bảo vệ thiết bị thông tin liên lạc trong môi trường điện áp cao . 
Sợi được thường cũng được sử dụng cho các kết nối ngắn khoảng cách giữa các thiết bị. Ví dụ, hầu hết các TV độ nét cao được cung cấp một kết nối quang âm thanh kỹ thuật số. Điều này cho phép truyền tải âm thanh trên ánh sáng, sử dụng bộ giao thức TOSLINK.
2.Lợi thế hơn dây đồng 
Những lợi thế của truyền thông sợi quang học đối với hệ thống dây đồng có là:
Băng thông rộng
-Một sợi quang duy nhất có thể thực hiện 3.000.000 cuộc gọi thoại song công toàn phần(full-duplex) hoặc 90.000 kênh TV.
Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ
-Truyền ánh sáng qua sợi quang không bị ảnh hưởng bởi các bức xạ điện gần đó. Các sợi quang học là không dẫn điện, vì vậy nó không hoạt động như một ăng ten để nhận tín hiệu điện từ. Thông tin được vận chuyển bên trong sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ kể cả xung điện từ được tạo ra bởi các thiết bị hạt nhân.
Mất sự suy giảm chất lượng khi khoảng cách dài
-Sự suy giảm tổn thất có thể thấp : 0,2 dB / km trong sợi cáp quang, cho phép truyền tải trên một khoảng cách dài mà không cần bộ lặp .
Chất cách điện
-Sợi quang không dẫn điện, sợi quang có thể được xâu thành chuỗi trên cột bên cạnh dây cáp điện cao áp.
Chi phí vật liệu và phòng chống trộm cắp
-Hệ thống cáp thông thường sử dụng một lượng lớn đồng. Ở một số nơi, đồng bị trộm vì có giá trị trên thị trường phế liệu.
 Cáp đồng Cáp quang
3.Cảm biến 
Singapore đã lắp đặt “hàng rào thông minh” xung quanh khu vực sân bay Changi, cũng như nhiều cơ sở dân sự và quân sự khác.
Hệ thống bảo vệ có tên AgilFence PIDS này là một loại hàng rào ứng dụng công dụng cảm biến của sợi quang. Theo hãng phát triển ST Electronics, hàng rào này có thể sử dụng để bảo vệ các cơ sở quân sự và biên giới quốc gia.
AgilFence PIDS 
Sợi có nhiều công dụng trong viễn thám. Trong một số ứng dụng, các cảm biến là chính là sợi quang. Trong các trường hợp khác, sợi được sử dụng để kết nối với một bộ cảm biến sợi quang. Tùy thuộc vào ứng dụng, sợi quang có thể được sử dụng bởi vì kích thước nhỏ của nó, hoặc là không có điện ở những nơi xa xôi, hay vì nhiều cảm biến có thể được ghép dọc theo chiều dài của sợi bằng cách sử dụng các bước sóng ánh sáng khác nhau cho mỗi cảm biến, hoặc bằng cách cảm nhận thời gian trễ khi ánh sáng đi dọc theo sợi qua từng cảm ứng. 
Một lợi ích lớn của cảm biến bên ngoài là khả năng của chúng “đến” những nơi không thể tiếp cận thông thường được. Một ví dụ là các phép đo nhiệt độ bên trong máy bay động cơ phản lực bằng cách sử dụng một cáp để truyền bức xạ vào một bức xạ hỏa kế bên ngoài động cơ. Cảm biến bên ngoài có thể được sử dụng trong cùng một cách để đo nhiệt độ bên trong máy biến áp điện , nơi cực trường điện làm cho các kỹ thuật đo lường khác không thể thực hiện được. Cảm biến bên ngoài đo độ rung, xoay, di dời, vận tốc, gia tốc, mô-men xoắn. 
Sử dụng phổ biến cho các cảm biến sợi quang bao gồm các hệ thống bảo vệ phát hiện xâm nhập tiên tiến. Ánh sáng được truyền dọc theo một cáp cảm biến sợi quang được đặt trên một hàng rào, đường ống, hoặc hệ thống cáp thông tin liên lạc, và các tín hiệu trở lại được theo dõi và phân tích cho các rối loạn. Tín hiệu trở lại này được xử lý bằng kỹ thuật số để phát hiện rối loạn và phát đi một cảnh báo nếu một sự xâm phạm đã xảy ra.
4.Truyền tải điện 
Máy MRI ứng dụng kĩ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ nên sản xuất ra từ trường mạnh, vì vậy các đường dây tải điện gần máy dùng sợi quang thay vì dây dẫn thường
Sợi quang có thể được sử dụng để truyền tải điện năng bằng cách sử dụng một “tế bào quang điện” để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Dù phương pháp này truyền tải điện không hiệu quả như những dây dẫn thông thường, nó đặc biệt hữu ích trong các tình huống mà không thể sử dụng dây dẫn kim loại như trong các trường hợp sử dụng gần các máy MRI(máy sản xuất ra từ trường mạnh). Một ví dụ khác là cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử trong các ăng-ten công suất lớn và các thiết bị đo được sử dụng trong các thiết bị truyền tải điện cao áp. 
5.Các ứng dụng khác 
Trong quang phổ , bó sợi quang truyền ánh sáng từ một phổ kế với một chất mà không thể được đặt bên trong máy quang phổ chính nó, để phân tích thành phần của nó. Một máy quang phổ phân tích chất bằng cách chuyển ánh sáng ra và thông qua chúng. Bằng cách sử dụng các loại sợi, một máy quang phổ có thể được sử dụng để nghiên cứu các đối tượng từ xa. 
Một sợi quang pha tạp với một số nguyên tố đất hiếm như erbium có thể được sử dụng như là phương tiện tăng cường tia laser hoặc khuếch đại quang . Sợi quang pha đất hiếm có thể được sử dụng để cung cấp tín hiệu khuếch đại bởi nối một phần ngắn của sợi pha tạp vào một đường cáp quang thường. Các nguồn cung cáp cho sợi pha tạp bước sóng laser thứ hai được ghép vào dòng ngoài các sóng tín hiệu. Cả hai bước sóng của ánh sáng được truyền qua sợi pha tạp, mà truyền năng lượng từ các nguồn bước sóng thứ hai để các sóng tín hiệu. Các quá trình gây ra sự khuếch đại được phát xạ cưỡng bức .
Sử dụng sợi quang trong một bóng đèn trang trí hoặc đèn ngủ.
Một frisbee được chiếu sáng bằng sợi quang
Cáp quang còn được dùng để nội soi trong Y học. Loại cáp này gồm các sợi quang rất nhỏ , một cáp quang thường dùng có thể gồm hàng trăm sợi quang.
V.Một số thông tin khác
1.Hệ thống cáp quang xuyên biển AAG (Asia-America Gateway)
Tuyến Cáp quang biển Châu Á Thái Bình Dương(AAG)
 Tại Việt Nam cũng như các nước khác trên thế giới, các kết nối Internet hướng đi quốc tế chủ yếu phụ thuộc vào các tuyến cáp quang biển (một phần sử dụng đường truyền vệ tinh). Các tuyến cáp chính bao gồm tuyến AAG (Asia - America Gateway), tuyến TVH (Thái Lan – Việt Nam – Hongkong) và tuyến SMW3 (hay còn gọi là SEA - ME - WE3).
Công tác bảo trì cáp quang biển
Trong các tuyến cáp quang biển trên, trừ tuyến cáp quang SMW3 đi theo chiều kết nối từ Châu Á sang Ấn Độ, vào Châu Âu, các tuyến còn lại đều đi theo hướng sang Châu Mỹ qua đảo Guam và Hawaii.
Được khánh thành và đưa vào sử dụng từ tháng 11/2009, tuyến cáp quang biển Châu Á Thái Bình Dương (AAG) có chiều dài hơn 20.000 km, dung lượng thiết kế đạt 2 Terabit/giây và là tuyến cáp quang quan trọng, kết nối trực tiếp khu vực Đông Nam Á với Mỹ. Tổng vốn đầu tư toàn tuyến vào khoảng 560 triệu USD.
Tuyến AAG có các điểm cập bờ chính yếu tại Mersing (Malaysia), Changi (Singapore), Sri Racha (Thái Lan), Tungku (Bruney), Vũng Tàu (Việt Nam), Currimao (Philippinnes), South Lantau (Hong Kong), Guam (Mỹ), Hawaii (Mỹ)...
Tuyến AAG cập bờ Việt Nam tại Vũng Tàu, nằm trong đoạn S1 có chiều dài 314 km. Hiện AAG là tuyến cáp quang đầu tiên và duy nhất kết nối trực tiếp lưu lượng từ khu vực Đông Nam Á đến Mỹ do vậy các sự cố liên quan đến tuyến cáp này sẽ ảnh hưởng lớn đến lưu lượng kết nối, trao đổi thông tin giữa các quốc gia khu vực này ra thế giới. Bên cạnh đó, tuyến cáp quang AAG còn có thể kết nối đến Australia, Ấn Độ, Châu Âu và châu Phi thông qua điểm cập bờ của hệ thống.
Chỉ sau gần 2 năm đưa vào hoạt động (từ 11/2009-10/2011) , tuyến cáp biển AAG đã xảy ra sự cố đứt cáp tới 10 lần, chủ yếu ở đoạn cáp đi qua vùng biển Đông trong khi tuyến cáp nối giữa Hồng Kông và Mỹ lại tương đối ổn định, ít gặp sự cố lớn.Mới đây nhất cáp biển AAG lại xảy ra sự cố vào đầu năm 2015 khiến cho việc truy cập internet của người dùng tại VN bị ảnh hưởng lớn.Chúng ta có thể giải thích hiện tượng này bằng cấu tạo của sợi cáp quang biển: Với chiều dài tới hàng chục ngàn km, để tiết kiệm chi phí, các tuyến cáp quang biển đều có chung 1 nguyên tắc thiết kế: được gia cường ở gần bờ và rất mỏng manh ở ngoài khơi xa
Khi vào gần bờ các tuyến cáp quang ngầm phải được gia cường bởi thép bện và các lớp tăng cường khác là do càng vào gần bờ, mực nước càng nông và các hoạt động hàng hải càng dày đặc thì khả năng tuyến cáp bị mỏ neo của 1 con tàu nào hay các loại lưới rà đáy biển móc phải gây hư hại lại càng lớn. Và mỏ neo tàu bè cũng như các hoạt động đánh bắt cá của con người chính là nguyên nhân gây ra tới 70% các vụ đứt cáp quang trên biển, 30% còn lại là do sự đánh cắp có chủ đích của con người và thiên tai như động đất, núi lửa ngầm hoặc trượt bùn, giông bão (ở các khu vực nước nông).
Cáp quang biển có nhiều phân đoạn với cấu tạo khác nhau, càng vào gần bờ thì càng phải được gia cường nhiều hơn. Mặc dù trông dày đặc thép nhưng nếu bị một mỏ neo của một con tàu chở hàng cỡ vài chục nghìn tấn móc phải và rê đi thì sợi cáp đó cũng chẳng khác sợi chỉ là bao.
Cáp quang biển nằm nổi trên nền cát đáy biển khiến các mỏ neo được tàu thuyền thả xuống rê trên nền cát rất dễ vướng phải, gây hư hại.
2. “Hàng rào thông minh”-Ứng dụng công dụng cảm biến của sợi quang
Bên cạnh những ứng dụng to lớn về mặt truyền thông mà cáp quang đem lại cho chúng ta. Cảm biến là một ứng dụng rất mới của sợi quang, mở ra tiềm năng phát triển mạnh mẽ của thiết bị cảm biến sợi quang trong tương lai, một trong những ví dụ điển hình cho ứng dụng này là “Hàng rao thông minh”-AgiFance PIDS- phát triển bởi ST Electronics.
Singapore đã lắp đặt “hàng rào thông minh” xung quanh khu vực sân bay Changi, cũng như nhiều cơ sở dân sự và quân sự khác.
Hệ thống bảo vệ có tên AgilFence PIDS này là một loại hàng rào mà các bức tường của nó gồm nhiều cáp sợi quang với các sensor màu tích hợp đặt cách đều nhau, cũng như các camera quan sát bật tự động. Theo hãng phát triển ST Electronics, hàng rào này có thể sử dụng để bảo vệ các cơ sở quân sự và biên giới quốc gia.
Nguyên tắc loạt động của AgiFence PIDS- ST Electronics
Các hệ thống kiểm soát vành đai hiện đại đôi khi sử dụng cáp sợi quang, nhưng chúng không phổ biến trên thị trường vì đắt đỏ.Theo ST Electonics, hệ thống AgilFence PIDS rẻ hơn nhiều. 
Khác với các hệ thống an ninh hiện có sử dụng các sensor quang thông thường để xác định đứt cáp, AgilFence được trang bị các sensor màu có khả năng cho đi qua cáp phần lớn ánh sáng trắng và chỉ phản xạ theo hướng ngược lại (đến sensor trước đó) ánh sáng có độ dài bước sóng nhất định.
Nguyên lý làm việc của hệ thống là khi có tác động lên cáp sợi quang, các sensor trong cáp bị đụng chạm sẽ thay đổi độ dài bước sóng ánh sáng phản xạ làm nó không trùng hợp với độ dài bước sóng ánh sáng tại các sensor thu. Sự thay đổi này sẽ được hệ thống điều khiển ghi nhận và các camera video quan sát ở gần nhất các đường cáp bị báo động sẽ bật lên. Điều đó cũng xảy ra khi có mưu toan cắt cáp sợi quang.
Mọi sự tác động lên hàng rào sẽ gây ra sự thay đổi độ dài bước sóng ánh sáng tại các sensor thu, từ đó gửi cảnh báo đến hệ thống điều khiển ngay lập tức
Thậm chí, khi gần như tất cả các sợi cáp bị cắt thì tất cả những khu vực còn lại trên vành đai bảo vệ của AgilFence vẫn duy trì khả năng hoạt động đầy đủ.
The End
Hệ thống AgilFence có sử dụng các camera với ống kính có độ zoom lớn, nên chỉ cần đặt ít camera hơn trên suốt vành đai bảo vệ. Việc điều khiển các camera được thực hiện tự động khi có tín hiệu báo động. Số lượng camera ít hơn có nghĩa là cần ít nguồn lực máy tính hơn và số lượng nhân viên vận hành ít hơn. Ngoài ra, “hàng rào thông minh” không đòi hỏi cấp điện cho từng phân khu của nó mà chỉ cần đấu vào lưới điện tại trung tâm điều khiển.