Sợi cáp quang là gì? Nó hoạt động và ứng dụng trong những đâu?

Trong bài viết này, chúng ta cùng đi tìm hiểu sợi cáp quang là gì? Nó hoạt động như thế nào và ứng dụng trong những đâu? Để có thể nắm bắt hết tất cả các thông tin dưới dây, mời bạn chú ý theo dõi. Và hy vọng bài viết sẽ mang lại cho bạn những thông tin hữu ích nhất, đáp ứng được nhu cầu tìm kiếm của bạn!

Một sợi cáp quang được tạo thành từ sợi thủy tinh hoặc nhựa cực kỳ mỏng được gọi là sợi quang học hay cáp quang. Một dây cáp quang có thể có ít nhất hai sợi hoặc nhiều đến vài trăm sợi. Mỗi sợi nhỏ hơn 1/10 như một sợi tóc người và có thể mang theo thứ gì đó như 25.000 cuộc gọi điện thoại. Vì vậy toàn bộ cáp quang có thể dễ dàng mang theo vài triệu cuộc gọi.

Cáp quang mang thông tin giữa hai nơi sử dụng công nghệ quang học hoàn toàn (dựa trên ánh sáng).

Giả sử bạn muốn gửi thông tin từ máy tính của bạn đến nhà của một người bạn trên đường phố bằng cách sử dụng sợi quang học.

Bạn có thể móc máy tính của bạn lên đến một laser; mà sẽ chuyển đổi thông tin điện từ máy tính thành một loạt các xung ánh sáng. Sau đó, bạn sẽ bắn tia laser xuống cáp quang. Sau khi di chuyển xuống cáp, cáp quang sẽ xuất hiện ở đầu kia. Bạn của bạn sẽ cần một tế bào quang điện (thành phần phát hiện ánh sáng) để biến các xung ánh sáng trở lại thành thông tin điện mà máy tính của anh ta có thể hiểu được.

Vì vậy, toàn bộ bộ máy sẽ giống như một phiên bản công nghệ cao. Thực sự gọn gàng của loại điện thoại mà bạn có thể tạo ra từ hai lon đậu và chiều dài dây!

Cách hoạt động của cáp quang

Ánh sáng truyền xuống cáp quang bằng cách nhảy liên tục ra khỏi tường. Mỗi photon nhỏ xíu (hạt ánh sáng) dội xuống ống đi xuống một tảng băng. Nếu ánh sáng chạm vào kính ở một góc thực sự nông (dưới 42 độ), nó phản xạ ngược lại – như thể kính thực sự là một tấm gương. Hiện tượng này được gọi là tổng phản xạ nội bộ. Đó là một trong những thứ giữ ánh sáng bên trong đường ống.

Một thứ khác giữ ánh sáng trong ống là cấu trúc của cáp; được tạo thành từ hai phần riêng biệt. Phần chính của cáp – ở giữa – được gọi là lõi. Và đó là ánh sáng mà bit truyền qua. Bọc xung quanh bên ngoài lõi là một lớp kính gọi là lớp phủ. Công việc của tấm ốp là giữ các tín hiệu ánh sáng bên trong lõi. Nó có thể làm được điều này bởi vì nó được làm bằng một loại kính khác với lõi. Về mặt kỹ thuật hơn, lớp phủ có chỉ số khúc xạ thấp hơn.

Các loại cáp quang

Sợi cáp quang mang tín hiệu ánh sáng xuống chúng trong những gì được gọi là chế độ. Nghe có vẻ kỹ thuật nhưng nó chỉ có nghĩa là những cách đi truyền tải khác nhau.

Chế độ đơn của sợi cáp quang là gì?

Loại sợi quang đơn giản nhất được gọi là chế độ đơn – single-mode. Nó có một lõi rất mỏng khoảng 5-10 micron (1/1.000.000 mét) đường kính. Trong một sợi đơn mode, tất cả các tín hiệu đi thẳng xuống giữa mà không nảy ra các cạnh (đường màu vàng trong sơ đồ). Truyền hình cáp, Internet và tín hiệu điện thoại thường được thực hiện bằng các sợi đơn mode; được gói lại với nhau thành một bó lớn. Cáp như thế này có thể gửi thông tin qua 100 km (60 dặm).

Chế độ đa chế độ của cáp quang là gì?

Một loại cáp quang khác được gọi là đa chế độ – multi-mode. Mỗi sợi quang trong cáp đa mode lớn hơn khoảng 10 lần so với cáp quang đơn mode. Điều này có nghĩa là cáp quang có thể di chuyển qua lõi bằng cách đi theo nhiều đường khác nhau (các đường màu vàng; cam; xanh dương và lục lam) – các từ khác; trong nhiều chế độ khác nhau. Cáp đa chế độ có thể gửi thông tin chỉ trong khoảng cách tương đối ngắn và được sử dụng (trong số những thứ khác) để liên kết các mạng máy tính với nhau.

Ứng dụng của cáp quang đa chế độ

Thậm chí sợi cáp quang đa chế độ dày hơn cũng được sử dụng trong một dụng cụ y tế gọi là ống so dạ dày (một loại nội soi).

Một ống soi dạ dày là một sợi cáp quang dày bao gồm nhiều sợi quang. Ở đầu cuối của ống soi dạ dày, có một thị kính và một cái đèn. Đèn chiếu sáng một phần của dây cáp vào dạ dày của bệnh nhân. Khi ánh sáng chiếu vào dạ dày, nó phản chiếu các thành dạ dày thành ống kính ở dưới cùng của cáp. Sau đó, nó quay trở lại một phần khác của cáp vào thị kính của bác sĩ.

Các loại nội soi khác hoạt động theo cùng một cách và có thể được sử dụng để kiểm tra các bộ phận khác nhau của cơ thể. Ngoài ra còn có một phiên bản công nghiệp của công cụ. Được gọi là một sợi soi; có thể được sử dụng để kiểm tra những thứ như các bộ phận máy móc không thể tiếp cận trong động cơ máy bay.

Những ứng dụng của sợi cáp quang là gì?

Cũng giống như điện có thể cấp năng lượng cho nhiều loại máy móc; cáp quang có thể mang theo nhiều loại thông tin. Vì vậy ứng dụng của công nghệ cáp quang có thể giúp chúng ta bằng nhiều cách.

Chúng ta không chú ý đến việc các cáp quang phổ biến đã trở nên phổ biến như thế nào bởi vì các tín hiệu bằng laser mà chúng mang theo bên dưới chân chúng ta; sâu dưới sàn văn phòng và đường phố. Các công nghệ sử dụng nó – kết nối mạng máy tính; phát sóng; quét y tế và thiết bị quân sự…

Mạng máy tính

Cáp quang hiện là phương tiện chính mang thông tin trên một khoảng cách dài vì chúng có ba ưu điểm rất lớn so với cáp đồng kiểu cũ:

– Ít suy giảm (mất tín hiệu). Thông tin di chuyển nhanh hơn khoảng 10 lần trước khi nó cần khuếch đại. Điều này làm cho các mạng cáp đơn giản; rẻ hơn để vận hành và bảo trì.

– Không có nhiễu. Không giống như cáp đồng, không có nhiễu xuyên âm (nhiễu điện từ) giữa các sợi quang. Vì vậy chúng truyền tải thông tin đáng tin cậy hơn với chất lượng tín hiệu tốt hơn

– Băng thông cao hơn. Như chúng ta đã thấy, cáp quang có thể mang nhiều dữ liệu hơn cáp đồng cùng đường kính.

Bạn đang đọc những từ này bây giờ nhờ vào Internet. Bạn có thể đã tìm kiếm trang này bằng công cụ tìm kiếm như Google; một mạng lưới trung tâm dữ liệu khổng lồ trên toàn thế giới được kết nối bằng cáp quang có dung lượng lớn.

Lợi ích của việc sử dụng mạng cáp quang là gì?

Dễ dàng truy cập mạng mọi nơi:

Nếu bạn đang sử dụng băng thông rộng cáp quang nhanh (Dịch vụ internet ADSL viettel) cáp quang đang thực hiện gần như tất cả công việc mỗi lần bạn truy cập trực tuyến. Với hầu hết các băng thông rộng tốc độ cao kết nối, chỉ phần cuối của hành trình của thông tin (cái gọi là “dặm cuối cùng” từ tủ kết nối cáp quang trên đường đến nhà hoặc căn hộ của bạn) liên quan đến các dây cũ. Đó là cáp quang, không phải dây đồng.

Và giờ đây, cáp quang mang theo “like” và “tweet” khắp mọi nơi; thông qua một số lượng ngày càng tăng của các khu vực nông thôn. Và thậm chí sâu bên dưới đại dương liên kết các lục địa. Nếu bạn tưởng tưởng hình ảnh của Internet như là một mạng nhện toàn cầu thì các sợi giữ nó lại với nhau là cáp quang; theo một số ước tính, cáp quang chiếm hơn 99% tổng số dặm của Internet. Và chiếm hơn 99% lưu lượng truyền thông quốc tế.

Sử dụng Internet nhanh hơn

Những người nhanh hơn có thể truy cập Internet, họ càng có thể và sẽ làm trực tuyến. Sự xuất hiện của Internet băng thông rộng làm cho hiện tượng điện toán đám mây (nơi mọi người lưu trữ và xử lý dữ liệu của họ từ xa, sử dụng các dịch vụ trực tuyến thay vì một máy tính gia đình hoặc doanh nghiệp trong cơ sở của họ).

Tương tự như vậy, việc triển khai băng thông rộng ổn định (thường nhanh gấp 5-10 lần so với băng thông rộng DSL thông thường, sử dụng đường dây điện thoại thông thường) sẽ giúp mọi người làm những việc như xem phim trực tuyến hơn thay vì xem truyền hình hoặc thuê DVD. Với nhiều dung lượng sợi hơn và kết nối nhanh hơn, chúng tôi sẽ theo dõi và kiểm soát nhiều khía cạnh khác của cuộc sống trực tuyến bằng cách sử dụng cái gọi là Internet.

An toàn thông tin với mạng cáp quang máy tính

Nhưng nó không chỉ là dữ liệu Internet công cộng mà dòng xuống sợi quang. Máy tính đã từng được kết nối qua một khoảng cách dài bằng đường dây điện thoại hoặc cáp đồng Ethernet, nhưng cáp sợi ngày càng trở thành phương pháp ưa thích của máy tính mạng. Vì chúng rất phải chăng; an toàn; đáng tin cậy và có dung lượng cao hơn nhiều.

Thay vì liên kết các văn phòng của mình trên Internet công cộng, hoàn toàn có thể cho một công ty thiết lập mạng cáp quang riêng của mình (nếu nó đủ khả năng để làm như vậy) hoặc (nhiều khả năng) mua không gian trên mạng cáp quang riêng. Nhiều mạng máy tính cá nhân chạy trên những gì được gọi là sợi tối, mà âm thanh hơi nham hiểm. Nhưng chỉ đơn giản là công suất không sử dụng trên mạng khác (sợi quang chờ đợi để được thắp sáng).

Thông tin thêm về lịch sử của mạng cáp quang

Internet được thiết kế khéo léo để vận chuyển bất kỳ loại thông tin nào cho bất kỳ loại sử dụng nào; nó không giới hạn để mang dữ liệu máy tính. Trong khi các đường dây điện thoại đã từng mang Internet, thì Internet cáp quang mang điện thoại (và Skype) thay vào đó. Trường hợp các cuộc gọi điện thoại đã từng được chuyển xuống một sự chắp vá phức tạp của cáp đồng và liên kết vi sóng giữa các thành phố; hầu hết các cuộc gọi đường dài hiện được định tuyến xuống các đường cáp quang.

Một lượng lớn sợi cáp quang được đặt từ những năm 1980 trở đi; ước tính thay đổi rất nhiều, nhưng tổng số trên toàn thế giới được cho là vài trăm triệu kilomet (đủ để vượt qua Hoa Kỳ khoảng một triệu lần). Vào giữa những năm 2000, người ta ước tính có tới 98% trong số này là “sợi tối” không sử dụng. Ngày nay, mặc dù nhiều sợi cáp quang đang được sử dụng, nó vẫn thường được tin rằng hầu hết các mạng có chứa bất cứ nơi nào từ một sợi màu tối đến một nửa.

Vào đầu thế kỷ 20, phát thanh và truyền hình được sinh ra từ một ý tưởng tương đối đơn giản. Về mặt kỹ thuật khá dễ dàng để bắn sóng điện từ qua không khí từ một máy phát đơn (tại trạm phát sóng) tới hàng nghìn ăng-ten trên nhà của người dân. Nhưng hiện tại thì không còn những đài phát thanh nữa mà thay và đó là mạng truyền hình cáp.

Các công ty truyền hình cáp đi tiên phong trong quá trình chuyển đổi từ những năm 1950 trở đi, ban đầu sử dụng cáp đồng trục (cáp đồng với vỏ bọc bằng kim loại quấn quanh chúng để ngăn nhiễu xuyên âm), chỉ mang một số tín hiệu truyền hình tương tự.

Khi ngày càng nhiều người kết nối với cáp và mạng bắt đầu cung cấp nhiều lựa chọn kênh và chương trình hơn, các nhà khai thác cáp thấy rằng họ cần phải chuyển từ cáp đồng trục sang cáp quang và từ analog sang phát sóng kỹ thuật số.

May mắn thay, các nhà khoa học đã tìm ra cách mà có thể là có thể; từ năm 1966, Charles Kao (và đồng nghiệp của ông George Hockham) đã thực hiện toán học; chứng tỏ làm thế nào một sợi cáp quang duy nhất có thể mang đủ dữ liệu cho hàng trăm kênh truyền hình (hoặc vài trăm nghìn cuộc gọi điện thoại). Nó chỉ là vấn đề thời gian trước khi thế giới truyền hình cáp được chú ý. Và “thành tích đột phá” của Kao đã được công nhận đúng khi ông được trao giải Nobel Vật lý năm 2009.

Lợi ích khi sử dụng truyền hình cáp quang là gì?

Ngoài việc cung cấp công suất cao hơn nhiều, sợi quang bị ít nhiễu hơn. Do đó cung cấp tín hiệu tốt hơn (hình ảnh và âm thanh) chất lượng; họ cần ít khuếch đại hơn để tăng tín hiệu để họ di chuyển trên một khoảng cách dài; và chúng hoàn toàn có hiệu quả về chi phí hơn.

Trong tương lai, băng thông rộng có thể là cách mà hầu hết chúng ta xem truyền hình; có lẽ thông qua các hệ thống như IPTV (Internet Protocol Television); sử dụng cách truyền dữ liệu chuẩn của Internet để chuyển tải các chương trình TV và phim nhu cầu. Trong khi đường dây điện thoại đồng vẫn là đường thông tin chính vào nhà của nhiều người thì kết nối chính của chúng ta với thế giới sẽ là cáp quang băng thông cao mang theo mọi loại thông tin.

Mạng cáp quang ứng dụng trong Y tế

Các tiện ích y tế có thể giúp các bác sĩ nhìn vào bên trong cơ thể chúng ta mà không cần cắt chúng là ứng dụng thích hợp đầu tiên của sợi quang học hơn nửa thế kỷ trước. Ngày nay, các ống soi dạ dày cũng quan trọng hơn bao giờ hết, nhưng quang học sợi vẫn tiếp tục sinh ra các dạng quan trọng mới của việc quét và chẩn đoán y khoa.

Một trong những phát triển mới nhất được gọi là một phòng thí nghiệm trên một sợi. Và liên quan đến việc chèn các sợi cáp quang mỏng, với các cảm biến tích hợp, vào cơ thể của bệnh nhân. Những loại sợi này có tỷ lệ tương tự với các sợi trong cáp truyền thông và mỏng hơn so với các hướng dẫn ánh sáng được sử dụng trong ống soi dạ dày.

Họ làm việc như thế nào? 

Các khe ánh sáng xuyên qua chúng từ đèn hoặc laser, qua phần cơ thể mà bác sĩ muốn nghiên cứu. Khi ánh sáng ngang qua sợi, cơ thể của bệnh nhân làm thay đổi tính chất của nó theo một cách đặc biệt. Có thể thay đổi cường độ ánh sáng hoặc bước sóng rất nhẹ.

Bằng cách đo lường cách ánh sáng thay đổi (sử dụng các kỹ thuật như đo giao thoa), một dụng cụ gắn vào đầu kia của sợi có thể đo một số khía cạnh quan trọng về cách cơ thể của bệnh nhân hoạt động. Chẳng hạn như nhiệt độ; huyết áp; pH của tế bào hoặc sự hiện diện của thuốc trong máu. Nói cách khác, thay vì chỉ đơn giản là sử dụng ánh sáng để xem bên trong cơ thể của bệnh nhân, loại cáp quang này sử dụng ánh sáng để cảm nhận hoặc đo nó thay thế.

Mạng cáp quang ứng dụng trong Quân đội

Thật dễ dàng để hình dung người dùng Internet được liên kết với nhau bằng các mạng cáp quang khổng lồ; ít rõ ràng hơn là các lực lượng quân sự công nghệ cao trên thế giới được kết nối theo cùng một cách.

Lợi ích khi sử dụng cáp quang trong quân đội

Cáp quang là không tốn kém; mỏng; nhẹ; dung lượng cao; chống lại tấn công và cực kỳ an toàn. Vì vậy chúng cung cấp các cách hoàn hảo để kết nối các căn cứ quân sự và các cài đặt khác. Chẳng hạn như các trang bị phóng tên lửa và trạm theo dõi radar. Vì chúng không mang tín hiệu điện; chúng không phát ra bức xạ điện từ mà kẻ thù có thể phát hiện. Và chúng mạnh mẽ chống lại nhiễu điện từ. Bao gồm cả các cuộc tấn công “gây nhiễu” đối phương.

Một lợi ích khác là trọng lượng tương đối nhẹ của cáp sợi so với dây truyền thống làm bằng kim loại đồng nặng và đắt tiền. Xe tăng; máy bay và máy bay trực thăng đều đã chuyển từ từ dây cáp kim loại sang cáp quang.

Một vấn đề khác là cắt giảm chi phí và tiết kiệm trọng lượng. Cáp quang có trọng lượng gần 90% so với cáp đồng “cặp xoắn đôi”. Nhưng nó cũng cải thiện độ tin cậy. Ví dụ, không giống như các loại cáp truyền thống trên một chiếc máy bay, phải được che chắn cẩn thận (cách nhiệt) để bảo vệ chúng chống sét đánh. Sợi quang hoàn toàn miễn nhiễm với loại vấn đề đó.