Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng cáp quang là sự suy giảm tín hiệu, thường được gọi là suy hao cáp quang. Sự mất mát về tín hiệu này cùng với các yếu tố khác đặt ra giới hạn khoảng cách đối với việc truyền dữ liệu qua cáp quang. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các khái niệm về suy hao cáp quang và giới hạn khoảng cách cũng như cách chúng ảnh hưởng đến thiết kế và hiệu quả của mạng truyền thông.
Contents
1. Tổng suy hao cáp sợi quang và các yếu tố ảnh hưởng tới khoảng cách truyền dẫn tín hiệu cáp quang
Suy hao sợi quang, còn được gọi là tổn thất sợi quang hay suy giảm sợi quang, xuất phát từ cả đặc điểm bên trong và bên ngoài được tìm thấy trong sợi cáp quang đơn mode và đa mode. Để hiểu cách tính toán suy hao sợi quang trong mạng truyền dẫn, điều cần thiết là phải tính đến các yếu tố này. Dưới đây là một số yếu tố cần cân nhắc khi tính toán mức suy hao sợi quang:
1.1 Tổn thất suy giảm nội tại
Thuật ngữ này bao gồm ba loại tổn thất riêng biệt, đó là tổn thất hấp thụ, tổn thất tán xạ và tổn thất phân tán.
- Tổn thất tán xạ: Những điều này phát sinh từ những thay đổi nhỏ trong biến động thành phần, mật độ vật liệu, lỗi sản xuất và tính không đồng nhất về cấu trúc.
- Tổn thất phân tán: Tín hiệu quang có thể bị biến dạng trong quá trình truyền qua sợi quang, dẫn đến suy hao tán sắc.
- Tổn thất hấp thụ: Được xác định là nguyên nhân chính gây ra tổn thất quang học trong cáp quang, tổn thất hấp thụ là do tương tác giữa photon với các thành phần thủy tinh, ion kim loại hoặc electron khác nhau trong quá trình truyền. Sự tương tác này dẫn đến sự hấp thụ ánh sáng, chuyển đổi nó thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, tạp chất bước sóng.
1.2 Suy hao chèn
Được gọi là tổn thất đầu nối, chúng đề cập đến việc giảm công suất ánh sáng xảy ra khi một thiết bị được lắp vào cáp quang hoặc đường truyền. Thông thường, các đầu nối chế độ đơn được lắp ráp sẵn có tổn thất trong khoảng từ 0,1 đến 0,2 dB, trong khi các đầu nối kết cuối trường có thể chịu tổn thất cao tới 0,2 đến 1,0 dB. Đối với đầu nối đa chế độ (Multimode), tổn hao thường nằm trong khoảng 0,2 đến 0,5 dB.
1.3 Loại cáp quang
Phần lớn các mạng sử dụng sợi đơn mode hoặc sợi đa mode và trong nhiều trường hợp là sự kết hợp của cả hai. Sợi đa mode thường có hệ số suy hao là 2,5 dB/km ở 850nm và 0,8 dB/km ở 1300 nm. Ngược lại, sợi đơn mode có hệ số suy hao thấp hơn là 0,25 dB/km ở 1550nm và 0,35 dB/km ở 1310nm.
Sợi đơn mode rất phù hợp với cả cấu hình truyền dẫn ở khoảng cách ngắn và xa. Trong khi đó, sợi đa mode thường được sử dụng với khoảng cách ngắn hơn không quá 2 km.
Các nhà sản xuất thường chỉ định hệ số tổn thất tính bằng dB trên km. Việc tính toán hệ số suy hao sợi quang rất đơn giản—chỉ cần nhân hệ số suy hao với tổng chiều dài của cáp quang. Điều quan trọng cần lưu ý là khoảng cách này đề cập đến toàn bộ chiều dài của cáp, bao gồm tổng chiều dài của cáp chứ không chỉ khoảng cách mạng.
1.4 Bộ phát quang của thiết bị truyền dẫn
Máy phát quang (LASER) và máy phát quang (LED) là hai loại máy phát công suất quang quan trọng được sử dụng trong phần lớn các mạng cáp quang. Máy phát LASER được phân thành ba loại: thấp, trung bình và cao, còn được gọi là máy phát khoảng cách ngắn, trung bình và xa. Khi chọn các thiết bị phát quang này, điều cần thiết là phải lưu ý tới công suất đầu ra và bước sóng làm việc. Thông thường, -5dB là mức đầu ra ánh sáng phổ biến.
1.5 Mối nối cáp sợi quang
Nối sợi quang là một quá trình được sử dụng để kết nối hai đầu của sợi quang, đảm bảo rằng ánh sáng truyền qua cáp vẫn mạnh như trong một sợi quang. Có hai loại mối nối quan trọng trong mạng cáp quang: nối cơ khí và hàn nối sợi quang.
Mối nối cơ học sử dụng bộ đầu nối trên các đầu sợi, trong khi mối nối hợp nhất liên quan đến việc ghép trực tiếp các đầu sợi. Suy hao trong các mối nối cơ học thường nằm trong khoảng 0,1-1,5 dB trên mỗi đầu nối, trong khi các mối nối bằng máy hàn cáp quang có hệ số tổn hao thấp hơn, dao động từ 0,1-0,5 dB trên mỗi mối nối. Do tổn thất giảm nên các mối nối bằng máy hàn quang thường được ưa chuộng hơn trong các ứng dụng thực tế.
1.6 Dự trù biên độ suy hao
Yếu tố này có tầm quan trọng đáng kể. Thiết kế một hệ thống không chỉ đơn thuần là suy hao đường truyền và độ nhạy thu của máy thu quang/ công suất máy phát cần thiết. Biên độ suy hao còn cần tính đến nhiều yếu tố khác nhau như lão hóa sợi quang, lão hóa các thành phần máy phát và máy thu, bổ sung các thiết bị dọc theo đường dẫn cáp, cáp quang bị xoắn và uốn không chủ ý cũng như các mối nối bổ sung cần thiết để sửa chữa cáp. Thông thường, hầu hết các nhà thiết kế hệ thống đều đưa ra mức dự trù tổn thất dao động từ 3 đến 10 dB.
2. Tính toán suy hao cáp sợi quang
Có nhiều phương pháp khác nhau để tính toán tổn thất sợi quang và đánh giá nhu cầu năng lượng của một kết nối cáp quang cụ thể.
2.1 Tính tổn thất của một tuyến cáp quang
- Tổng số tổn thất của tuyến quang = Suy hao mối nối + suy hao cáp quang + suy hao mối hàn.
- Độ suy giảm cáp quang (dB) = Chiều dài (km) x Hệ số suy giảm (dB/km)
- Suy hao đầu nối (dB) = Số đầu nối x Mức suy hao trên mỗi đầu nối (dB)
- Suy hao mối nối (dB) = Số lượng mối nối x Mức suy hao trên mỗi mối nối (dB)
Điều quan trọng cần lưu ý là tổng tổn thất liên kết là tổng của các tổn thất đáng chú ý khác nhau trong một liên kết sợi quang. Tổng số tổn thất liên kết được tính toán chỉ là ước tính. Tổn thất thực tế có thể khác nhau, bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như các điểm uốn cong, nhiệt độ vận hành, tính ổn định của vật liệu cáp quang, loại sợi, v.v.
2.2 Sử dụng công cụ, thiết bị đo cáp quang
Phổ biến là dùng máy đo cáp quang OTDR và bộ đo thu phát công suất quang (OPM +OLS).
- (1) Cách tiếp cận đơn giản và chính xác nhất để tính toán suy hao sợi quang là dùng máy đo OTDR (máy độ phản xạ miền thời gian quang học ). OTDR cung cấp các giá trị suy hao chính xác cho tất cả các thành phần (chẳng hạn như đầu nối, mối nối và suy hao sợi) trong liên kết.
- (2) Cách có thể sử dụng phương pháp thay thế để đo kiểm tra suy hao bằng thiết bị phát công suất (OLS) và đo công suất quang (OPM).
Khi bạn đã có các thông số về tổng suy hao đường truyền cáp quang, bạn có thể ước tính quỹ công suất và khoảng cách sợi quang tối đa có thể đạt được khi biết các biến số về tổn thất sợi và quỹ quang. Bằng máy đo quang OTDR, bạn còn có thể nắm rõ được các biến số suy hao bao gồm các đầu nối, mối nối và độ suy giảm trên mỗi km của sợi quang,…
3. Làm thế nào để giảm thiểu suy hao cho một tuyền truyền dẫn cáp quang
Các yếu tố trên minh họa rằng suy hao cáp quang bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, một số yếu tố trong số đó rất khó thay đổi. Tuy nhiên, một số chiến lược nhất định có thể được sử dụng để giảm thiểu tổn thất bổ sung và nâng cao hiệu suất liên kết tổng thể:
- Lựa chọn sợi quang chất lượng cao và duy trì mặt cuối của sợi phẳng và sạch.
- Đảm bảo trình độ kỹ thuật của nhân viên để tránh các lỗi có thể xảy ra trong quá trình thi công lắp đặt cáp quang: uốn, cuộn, giãn cáp quang quá mức.
- Chọn bộ thu phát quang chất lượng cao để cung cấp nguồn điện ổn định hơn và kéo dài tuổi thọ tổng thể của hệ thống.
- Giảm thiểu số lượng mối nối sợi và điểm nối hàn cáp quang không cần thiết trong khi vẫn duy trì tổn thất kết nối ở mức tối thiểu.
4. Ước tính khoảng cách cáp quang
Ước tính khoảng cách cáp quang là một khía cạnh quan trọng của việc lập kế hoạch và triển khai mạng cáp quang. Một phương pháp thường được sử dụng là sử dụng tổng suy hao các liên kết cáp quang để ước tính khoảng cách.
Tính toán này nhằm mục đích xác định khoảng cách tối đa tiềm năng cho một liên kết cáp quang cụ thể dựa trên ngân sách quang học cũng như số lượng đầu nối và mối nối trong liên kết:
- Chiều dài = ([Ngân sách công suất quang] – [tổn thất sợi quang]) / [tổn thất trên mỗi km]
- hoặc Chiều dài = ( [(PWR TX tối thiểu) – (Độ nhạy RX)] – [tổn thất mối nối × số lượng mối nối] – [tổn thất đầu nối × số lượng đầu nối] – [lề] ) ÷ [sợi bị mất/km]
Như đã đề cập ở trên, ngân sách liên kết cáp quang là một phép tính có tính đến nhiều yếu tố khác nhau như công suất máy phát, độ nhạy máy thu, độ suy giảm sợi quang, suy hao đầu nối và tổn thất mối nối để xác định khoảng cách tối đa có thể đạt được với một bộ thành phần nhất định.
Để ước tính khoảng cách sợi sử dụng quỹ liên kết, người ta cần xem xét các đặc tính của các thành phần cáp quang và thiết bị quang cụ thể đang được sử dụng.
- Công suất máy phát đề cập đến cường độ của tín hiệu quang được truyền đi, trong khi độ nhạy của máy thu đề cập đến mức công suất tối thiểu cần thiết để máy thu phát hiện và nhận được tín hiệu.
- Sự suy giảm tuyến cáp quang liên quan đến sự mất mát cường độ tín hiệu khi nó truyền qua sợi, nó bao gồm tổn thất sợi quang, đầu nối và mối nối liên quan đến bất kỳ tổn thất nào xảy ra tại các điểm kết nối dọc theo sợi.
Bằng cách phân tích các yếu tố này và thực hiện tính toán ngân sách liên kết, người ta có thể xác định khoảng cách tối đa có thể đạt được và chọn được các thiết bị quang theo yêu cầu. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là ước tính ngân sách liên kết cung cấp khoảng cách tối đa về mặt lý thuyết và các điều kiện thực tế có thể khác nhau.