Cáp quang hoạt động như thế nào? Hướng dẫn thực hành về truyền tín hiệu dựa trên ánh sáng

Nếu bạn giữ đầu cắt của sợi dây cáp quang đang hoạt động áp vào tường và thấy ánh sáng đỏ mờ thì bạn đang nhìn vào chính tín hiệu. Ánh sáng đó chính là dữ liệu: một nguồn sáng nhỏ bật và tắt hàng triệu lần mỗi giây. Cáp quang hoạt động bằng cách chuyển đổi tín hiệu điện thành xung ánh sáng, dẫn các xung đó qua một sợi thủy tinh hoặc nhựa mỏng như sợi tóc và chuyển chúng trở lại thành tín hiệu điện ở đầu xa. Bởi vì thông tin truyền đi dưới dạng photon chứ không phải electron nên nó có thể vượt qua hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm km với độ suy hao thấp, băng thông cao và hoàn toàn miễn nhiễm với nhiễu điện từ. Cần thận trọng trước bất cứ điều gì khác: đừng bao giờ nhìn thẳng vào đầu sợi quang được kết nối, vì ánh sáng hồng ngoại vô hình được sử dụng trong mạng thực có thể làm tổn thương mắt bạn vĩnh viễn. Các phần bên dưới giải thích từng bước về vật lý, sau đó kết nối từng nguyên tắc với các chi tiết quan trọng khi bạn chỉ định, mua hoặc lắp đặt cáp cho một dự án thực tế.

Thực tế bên trong cáp quang là gì

Kết luận đầu tiên: cáp quang là một ống dẫn ánh sáng chính xác được bọc trong lớp bảo vệ. Bộ phận hoạt động của nó là một sợi thủy tinh siêu tinh khiết được vẽ mỏng hơn sợi tóc người; mọi thứ khác tồn tại để giữ ánh sáng bên trong sợi đó và giữ cho sợi đó nguyên vẹn.

• Cốt lõi. Tâm truyền ánh sáng, làm bằng thủy tinh hoặc nhựa quang học. Sợi viễn thông thủy tinh có lõi khoảng 8 đến 62,5 micron tùy theo loại.
• Tấm ốp. Một lớp thủy tinh có chiết suất thấp hơn một chút bao quanh lõi; nó bẫy ánh sáng bên trong. Cặp lõi và lớp bọc thường có chiều ngang 125 micron.
• Lớp phủ và đệm. Một lớp acrylate mềm, thường có kích thước khoảng 250 micron, có tác dụng đệm kính chống mài mòn và chống ẩm.
• Thành viên sức mạnh. Các thanh sợi aramid hoặc sợi thủy tinh chịu tải kéo nên kính không bao giờ phải chịu lực kéo.
• Áo khoác ngoài. Vật liệu PVC hoặc không có halogen ít khói trong nhà, polyetylen ổn định tia cực tím ngoài trời, được chọn để chống chọi với môi trường bị nghiền nát, nước, thay đổi nhiệt độ và động vật gặm nhấm.

Thủy tinh tinh khiết đến mức các kỹ sư muốn nói rằng đại dương, nếu được làm từ nó, sẽ cho phép bạn nhìn thấy đáy biển từ bề mặt. Ánh sáng có thể truyền đi nhiều km trước khi mất đi một nửa.

Phản xạ toàn phần bên trong: Tại sao ánh sáng vẫn ở bên trong

Nguyên tắc chỉ đạo là sự phản ánh nội tâm toàn diện. Lõi được pha tạp chất để có chỉ số khúc xạ cao hơn lớp bọc, khoảng 1,48 so với 1,44 ở sợi đa mode thông thường. Khi ánh sáng truyền trong lõi chạm vào ranh giới đó ở một góc đủ nông, nó sẽ phản xạ ngược lại hoàn toàn, giống như một tấm gương hoàn hảo và chạy theo đường zigzag dọc theo sợi dây. Bởi vì sự phản xạ là toàn bộ nên về cơ bản không có ánh sáng nào lọt vào lớp bọc và tín hiệu truyền đi hàng km.

Góc là tất cả. Ánh sáng phải đi vào sợi quang trong một hình nón gọi là hình nón chấp nhận; bên ngoài hình nón đó nó rò rỉ vào tấm ốp và chết đi trong vòng vài mét. Đây là lý do tại sao các mặt cuối của đầu nối phải được đánh bóng và ghép nối chính xác. Đầu nối bẩn hoặc lệch sẽ ném ánh sáng ra ngoài góc chấp nhận và biến liên kết sạch thành liên kết bị suy hao, đó là lý do tại sao việc kiểm tra sợi luôn bắt đầu bằng việc kiểm tra và làm sạch mặt cuối.

Chuỗi đầy đủ: Từ điện đến ánh sáng và ngược lại

1. Máy phát chuyển đổi electron thành photon

Ở đầu gửi, mạch điều khiển sẽ chuyển đổi nguồn sáng theo dữ liệu số, thường thông qua thao tác bấm bật tắt đơn giản. Các hệ thống tầm ngắn sử dụng đèn LED hoặc VCSEL (laser phát ra bề mặt khoang dọc); hệ thống đường dài sử dụng điốt laser chính xác được khóa ở các bước sóng hồng ngoại, phổ biến nhất là 850 nm, 1310 nm hoặc 1550 nm, trong đó thủy tinh ở mức rõ ràng nhất.

2. Sợi mang xung

Sự suy giảm xác định ngân sách. Sợi đa mode mất khoảng 3 dB mỗi km ở bước sóng 850 nm, do đó tín hiệu giảm khoảng một nửa sau mỗi km. Sợi quang đơn mode ở bước sóng 1550 nm mất khoảng 0,2 dB trên mỗi km, đó là lý do tại sao các tuyến đường dài và tàu ngầm được xây dựng trên đó. Mỗi đầu nối ghép đôi thường tăng thêm 0,3 đến 0,5 dB và mỗi mối nối nhiệt hạch khoảng 0,1 dB và các kỹ sư cộng các số liệu này lại để xác nhận liên kết sẽ thực sự đóng lại.

3. Bộ khuếch đại và bộ tái tạo khôi phục tín hiệu

Trong khoảng thời gian dài, các bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium tăng cường tín hiệu quang một cách trực tiếp mà không chuyển đổi tín hiệu trở lại thành điện năng, đồng thời các bộ tái tạo cách nhau hàng chục km sẽ xây dựng lại các xung sạch trên các tuyến đường dài nhất.

4. Máy thu chuyển đổi photon trở lại dữ liệu

Một photodiode ở đầu xa biến cường độ ánh sáng trở lại thành dòng điện và thiết bị điện tử thu sẽ tái tạo lại luồng kỹ thuật số ban đầu. Toàn bộ chuỗi, từ điện đến quang và ngược lại, là lý do tại sao các liên kết sợi được mô tả bằng mức tổn hao từ đầu đến cuối thay vì chỉ bằng chiều dài cáp.

Chế độ đơn và đa chế độ: Chọn đường kính ống

Kích thước lõi là thông số kỹ thuật quan trọng nhất vì nó xác định số lượng đường đi, được gọi là chế độ, ánh sáng có thể đi. Một lõi nhỏ chỉ cho phép một đường đi nên tất cả ánh sáng đều đến gần như cùng một lúc. Lõi lớn cho phép nhiều đường dẫn và độ trải rộng tại thời điểm đến, được gọi là phân tán phương thức, giới hạn cả khoảng cách và băng thông. Bảng dưới đây tóm tắt sự đánh đổi.

Phiên bản gia dụng: Âm thanh quang kỹ thuật số

Cổng quang hình vuông ở mặt sau của TV hoặc soundbar chạy trên cơ sở vật lý giống hệt ở kích thước thu nhỏ. Một sợi quang bằng nhựa dày khoảng một milimet mang các xung từ đèn LED màu đỏ nhìn thấy được ở bước sóng khoảng 650 nm, được định dạng dưới dạng luồng âm thanh kỹ thuật số S/PDIF. Một photodiode ở đầu xa chuyển đổi các xung trở lại thành tín hiệu điện cho chip giải mã.

Lợi ích thực tế là sự cô lập. Vì không có gì dẫn điện vượt qua khe hở nên âm thanh quang học sẽ loại bỏ vòng lặp trên mặt đất gây ra tiếng ồn và loại bỏ nhiễu điện từ từ các nguồn điện gần đó. Hạn chế của nó là băng thông: định dạng này mang âm thanh vòm 5.1 nén nhưng không phải là định dạng không mất dữ liệu, tốc độ bit cao mà các phiên bản HDMI mới hơn xử lý, đó là lý do tại sao HDMI đã chiếm lĩnh hầu hết định tuyến rạp hát tại nhà.

Thiết kế kết hợp: Khi một tuyến đường phải mang theo điện và dữ liệu

Các dự án công nghiệp hiếm khi có lộ trình riêng biệt. Cần cẩu tháp cần có nguồn trợ lực servo và phản hồi của bộ mã hóa; một máy đào hầm cần dữ liệu cảm biến và dòng điện động cơ; trạm giám sát trên đỉnh núi cần được cấp nguồn bằng thiết bị điện tử và kết nối camera. Kéo cáp nguồn và cáp dữ liệu cạnh nhau sẽ tăng gấp đôi công việc lắp đặt, tăng gấp đôi không gian khay hoặc ống dẫn và tăng gấp đôi số điểm hỏng hóc. Cáp composite sợi quang giải quyết vấn đề này bằng cách đặt lõi nguồn đồng và sợi quang bên trong một vỏ dùng chung, do đó chỉ cần một lần kéo sẽ mang lại cả hai.

Cáp quang Composite kết hợp lõi nguồn và sợi quang Cáp lai này đặt các dây dẫn điện bằng đồng và các bộ phận cáp quang trong một vỏ chung, cho phép một lần kéo cung cấp cả năng lượng và dữ liệu—lý tưởng cho cần cẩu, máy đào hầm và trạm giám sát từ xa nơi không thể thực hiện được các tuyến đường riêng biệt. Xem sản phẩm →

Các thành phần quang học bên trong các thiết bị lai này tuân theo mọi nguyên tắc được mô tả ở trên: phản xạ nội toàn phần, độ suy giảm phụ thuộc vào bước sóng và mức suy hao đầu nối. Trong khi đó, áo khoác phải tồn tại trong môi trường, cho dù điều đó có nghĩa là tia cực tím trên các tòa tháp lộ thiên, dầu trong hầm nhà máy hay không khí chứa đầy muối gần bờ biển. Trong trường hợp hệ thống truyền động và bộ biến tần tạo ra nhiễu điện nghiêm trọng, lớp chắn tăng cường xung quanh cáp sẽ giúp bảo vệ phần cứng xung quanh; Bản thân ánh sáng không bị ảnh hưởng, nhưng các đầu cuối và thiết bị điện tử vẫn được hưởng lợi.

Cáp tổng hợp sợi quang bọc thép GDL23 để chôn cất trực tiếp Với lớp giáp băng thép hai lớp, lớp đệm kín nước và lớp vỏ chống hóa chất, GDL23 bảo vệ cả thành phần quang học và đồng trong môi trường khắc nghiệt như đường hầm tiện ích, vùng sụt lún và khu vực có nhiễu điện lớn từ ổ đĩa và bộ biến tần. Xem sản phẩm →

Trên các dây chuyền sản xuất tự động, kết cấu composite thường được chỉ định cùng với các họ cáp công nghiệp khác và sẽ giúp xem xét chúng trong bối cảnh hoàn chỉnh. giải pháp cáp cho môi trường tự động hóa chứ không phải là các thành phần riêng biệt.

Nơi sợi quang thắng và nơi đồng vẫn có ý nghĩa

Chất xơ đương nhiên không phải là câu trả lời đúng và việc coi nó như vậy sẽ dẫn đến bội chi. Sợi quang giành chiến thắng quyết định về khoảng cách, băng thông trên mỗi sợi, khả năng miễn nhiễm EMI, trọng lượng và bảo mật vì việc chạm vào sợi thủy tinh sẽ làm cong nó và làm mờ tín hiệu, khiến có thể phát hiện hành vi xâm nhập. Đồng chiếm ưu thế về chi phí kết nối, tính đơn giản của đầu cuối và khả năng cung cấp năng lượng với dữ liệu trên cùng một cặp, đó là lý do tại sao đồng vẫn chiếm ưu thế trong vài mét cuối cùng của hầu hết các hệ thống. Ngay cả trong đồng, chất lượng tín hiệu bị chi phối bởi hóa học cách điện: Chất điện môi PE có hằng số điện môi thấp làm giảm điện dung làm suy giảm tín hiệu tần số cao, một nguyên tắc được đề cập sâu hơn trong bài viết của chúng tôi về Vật liệu có hằng số điện môi thấp hỗ trợ truyền tải ổn định như thế nào .

Khi bạn chỉ định sợi hoặc hỗn hợp lai, hãy kiểm tra các điểm sau trước khi so sánh giá:

• Đánh giá suy giảm ở bước sóng hoạt động của bạn, tính bằng dB/km, phù hợp với ngân sách liên kết của bạn.
• Bán kính uốn tối thiểu , thường gấp 10 đến 20 lần đường kính áo khoác và thiết kế bán kính chặt hơn đóng vai trò quan trọng trong xích kéo và thiết bị di chuyển.
• Chất liệu áo khoác : không có halogen ít khói cho không gian công cộng khép kín, polyetylen ổn định tia cực tím ngoài trời, hợp chất chịu dầu trên sàn công nghiệp.
• Số lượng và loại chất xơ : cho phép các sợi dự phòng, vì cáp có 8 sợi có giá cao hơn một sợi có 4 sợi, nhưng việc kéo lại sau đó sẽ tốn rất nhiều chi phí.
• Bảo vệ cơ khí , chẳng hạn như bọc thép, nơi có tải trọng đè bẹp hoặc động vật gặm nhấm là mối nguy hiểm thực tế.

Cáp tín hiệu cảm biến bộ ba được bảo vệ PRAP3 Với tính năng che chắn nhóm và tổng thể cho truyền dẫn cân bằng ba lõi, PRAP3 giữ sạch tín hiệu bộ mã hóa và cảm biến trên các dây chuyền sản xuất tự động, nơi nhiễu biến tần là mối lo ngại, khiến nó trở thành lựa chọn phù hợp cùng với các thông số kỹ thuật của cáp tổng hợp. Xem sản phẩm →

Câu trả lời hữu hiệu cho "cáp quang hoạt động như thế nào" chỉ gói gọn trong một câu: máy phát biến dữ liệu thành các xung ánh sáng được định thời gian, phản xạ nội toàn phần giữ các xung đó bên trong lõi thủy tinh và mang chúng với tổn hao tối thiểu, còn máy thu chuyển ánh sáng trở lại thành dữ liệu. Mọi thứ khác, từ lớp phủ hóa học và lựa chọn bước sóng cho đến chất liệu áo khoác, đều tồn tại để đáp ứng yêu cầu đó. Nếu bạn đang lên kế hoạch cho một tuyến đường kết hợp nguồn điện và liên lạc, hãy bắt đầu từ khoảng cách, môi trường và điều kiện điện từ, sau đó kết hợp cấu trúc cáp với ba yếu tố đó. Một nhà sản xuất thiết kế cả cấu trúc đồng và quang học dưới một mái nhà thường có thể đề xuất một thiết kế tổng hợp giúp bạn tiết kiệm hoàn toàn lần kéo thứ hai và xem xét ngân sách tổn thất cũng như các yêu cầu về môi trường với nhà cung cấp trước khi bạn hoàn thiện thông số kỹ thuật là loại bảo hiểm rẻ nhất bạn có thể mua.