Các sợi quang là sợi quang học thủy tinh tinh khiết mỏng như một sợi tóc người mang thông tin số trên một khoảng cách dài. Chúng cũng được sử dụng trong hình ảnh y tế và kiểm tra cơ khí.

Trong bài này, chúng tôi sẽ chỉ cho bạn cách sợi thủy tinh nhỏ này truyền ánh sáng và chúng được tạo ra như thế nào.

Sợi  quang là gì?

Sợi quang là những sợi thủy tinh dài, mỏng,rất tinh khiết và bằng khoảng đường kính của một sợi tóc con người. Chúng được sắp xếp trong các bó gọi là cáp quang và được sử dụng để truyền tín hiệu ánh sáng trên một khoảng cách dài.

Nếu bạn nhìn kỹ vào một sợi quang, bạn sẽ thấy rằng nó có các phần sau đây:

·         Lõi – sợi thủy tinh mỏng , nơi ánh sáng truyền đi

·         Lớp sơn phủ – Những vật liệu xung quanh lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi

·         Lớp phủ - Nhựa phủ bảo vệ các sợi khỏi bị phá hỏng và hơi ẩm

Hàng trăm hoặc hàng ngàn những sợi quang học được sắp xếp trong bó cáp quang. Các bó được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp được gọi là jacket.

Sợi quang có hai loại:

·         Sợi Single-Mode

·         Sợi Multi-Mode

Những Sợi Single-Mode có lõi nhỏ (đường kính khoảng 3,5 x 10 ^-4 inch hoặc 9 micron ) và truyền ánh sáng hồng ngoại (bước sóng = 1.300 đến 1.550 nm). Sợi Multi-Mode có lõi lớn hơn (đường kính khoảng 2,5 x 10 ^-3inches hoặc 62,5 microns ) và truyền ánh sáng hồng ngoại (bước sóng = 850 đến 1.300 nm) của đèn LED .

Một số sợi quang có thể được làm từ nhựa . Những sợi này có một lõi lớn (có đường kính 0,04 inch hoặc 1 mm ) và truyền tải ánh sáng đỏ có thể nhìn thấy (bước sóng = 650 nm) từ đèn LED.

Hãy xem một sợi quang làm việc thế nào .

Một sợi quang truyền ánh sáng thế nào?

Giả sử bạn muốn chiếu một chùm đèn pin xuống một hành lang dài thẳng. Chỉ cần chỉ chùm tia thẳng xuống hành lang - ánh sáng truyền theo đường thẳng, vì vậy không có vấn đề gì. Vậy nếu hành lang có một chỗ uốn cong? Bạn có thể đặt một cái gương ở chỗ uốn cong để phản chiếu các chùm ánh sáng xung quanh góc. Điều gì nếu hành lang quanh co với nhiều khúc cua? Bạn có thể đặt nhiều gương tại bức tường đặt góc chùm tia để nó phản chiếu từ bên này sang bên kia hành lang. Đây là chính xác những gì sẽ xảy ra trong một sợi quang học.

Ánh sáng trong Cable sợi quang truyền qua lõi và va đập liên tục vào lớp sơn phủ ( Cladding ) , nguyên tắc này được gọi là “ phản chiếu toàn bộ bên trong “. Bởi vì lớp sơn phủ không hấp thu bất kì ánh sáng trong lõi nên sóng ánh sáng có thể truyền đi với cự li rất xa .

Tuy nhiên có một số ánh sáng lại bị giảm sút hầu hết là do nguyên nhân sự không tinh khiến của thủy tinh . Sự suy giảm tín hiệu phụ thuộc vào độ tinh khiến của thủy tinh , bước sóng của ánh sáng - ví dụ 850nm = 60-75% / km ; 1300nm = 50-60% / km , 1550nm hơn 50%/km . Một số loại Cable quang chất lượng cao sẽ có mức suy giảm tín hiệu ít hơn , chưa tới 10%/km với bước sóng 1550nm .

Hệ thống chuyển tiếp của cáp quang

Để hiểu các sợi quang được sử dụng như thế nào trong hệ thống thông tin liên lạc, hãy nhìn vào ví dụ từ một bộ phim Chiến tranh Thế giới II hoặc phim tài liệu, nơi hai tàu hải quân trong một hạm đội cần phải giao tiếp với nhau trong khi phải giữ hệ thống phát thanh im lặng hoặc khi đang trên biển bão. Một chiếc tàu nổi lên bên cạnh chiếc kia. Thuyền trưởng của một tàu sẽ gửi một thông điệp tới một thủy thủ trên boong. Thủy thủ này dịch tin nhắn thành mã Morse (dấu chấm và dấu gạch ngang) và sử dụng một đèn tín hiệu (đèn pha với một loại màn làm mờ trên nó) để gửi tin nhắn tới các tàu khác. Một thủy thủ trên boong tàu khác nhìn thấy tin nhắn mã Morse, giải mã nó sang tiếng Anh và gửi tin nhắn lên đến thuyền trưởng.

Bây giờ, hãy tưởng tượng làm điều này khi các tàu đang ở hai bên của các đại dương cách nhau bởi hàng ngàn dặm, và bạn có một hệ thống truyền thông sợi quang ở vị trí giữa hai tàu. Hệ thống chuyển tiếp cáp quang bao gồm những điều sau đây:

·         Bộ phận truyền - Tạo ra và mã hóa các tín hiệu ánh sáng .

·         Sợi quang – Dẫn các tín hiệu ánh sáng .

·         Bộ phận tái tạo ánh sáng - Có thể cần thiết để tăng tín hiệu ánh sáng (đối với khoảng cách xa)

·         Bộ thu ánh sáng - nhận và giải mã các tín hiệu ánh sáng

Bộ phận truyền

Bộ phận truyền giống như thủy thủ trên boong tàu gửi. Nó nhận và hướng các thiết bị quang học bật và tắt ánh sáng theo chuỗi chính xác, do đó tạo ra một tín hiệu ánh sáng.

Bộ phận truyền là bộ phận gần với sợi quang học và thậm chí có thể có một những ống kính tập trung ánh sáng vào sợi Cable quang. Các Laser có nhiều năng lượng hơn đèn LED, nhưng thay đổi tùy theo nhiệt độ và chi phí tốn kém hơn. Các bước sóng phổ biến nhất của các tín hiệu ánh sáng là 850 nm, 1.300 nm, và 1.550 nm (tia hồng ngoại, sóng ánh sáng mà mắt người không nhìn thấy ).

Bộ phận tái tạo ánh sáng (Optical Regenerator)

Như đã đề cập ở trên, một số trường hợp bị mất tín hiệu khi ánh sáng được truyền qua sợi quang, đặc biệt là trên một khoảng cách dài (hơn một nửa dặm, hoặc 1 km) như với cáp ngầm dưới biển. Do đó, một hoặc nhiều bộ phận tái tạoánh sáng tín hiệu được ghép dọc theo cáp để tăng tín hiệu ánh sáng đã bị xuống cấp này.

Một bộ phận tái tạo quang học bao gồm các sợi quang học với một lớp phủ đặc biệt ( doping ) được kích lên bằng Laser. Khi tín hiệu suy hao đi vào lớp phủ này năng lượng từ Laser cho phép kích các phân tử tín hiệu trở nên mạnh hơn để phát ra một tín hiệu ánh sáng mới và mạnh hơn, với đặc điểm tương tự như tín hiệu ánh đầu vào. Về cơ bản, Bộ tái tạo ánh sáng là một bộ khuếch đại laser cho các tín hiệu đến.

Bộ thu ánh sáng

Bộ phận quang nhận giống như các thủy thủ trên boong của tàu nhận tín hiệu. Nó lấy tín hiệu của ánh sáng kỹ thuật số được truyền đến, giải mã chúng và gửi các tín hiệu điện tử cho máy tính, truyền hình, hoặc điện thoại của người sử dụng (thuyền trưởng của thuyền nhận). Người nhận sử dụng một photocell hoặc photodiode để tách ánh sáng.

Ưu điểm của Sợi quang

Tại sao các hệ thống cáp quang đang làm một cuộc cách mạng viễn thông? So với các dây kim loại thông thường (dây đồng), sợi quang học :

·         Ít tốn kém – Vài dặm cáp quang có thể được làm rẻ hơn so với độ dài tương đương của dây đồng. Điều này giúp tiết kiệm cho nhà cung cấp (truyền hình cáp, Internet) và tiền bạc của bạn.

·         Mỏng hơn - sợi quang có thể được làm với đường kính nhỏ hơn dây đồng.

·         Dễ mang - Bởi vì sợi quang mỏng hơn cáp đồng, nhiều sợi có thể được đóng gói thành một đường kính cáp cho hơn cáp đồng. Điều này cho phép nhiều dòng điện thoại  hơn đi trên cùng một cáp hoặc nhiều kênh đi qua cáp vào hộp truyền hình cáp của bạn.

·         Ít suy hao tín hiệu - Việc mất tín hiệu trong cáp quang ít hơn trong dây đồng.

·         Tín hiệu ánh sáng - Không giống tín hiệu điện trong dây đồng, tín hiệu ánh sáng từ một sợi không ảnh hưởng với những sợi khác trong cùng cáp. Điều này có nghĩa các cuộc hội thoại điện thoại hoặc TV rõ ràng hơn.

·         Điện năng thấp - Bởi vì tín hiệu trong sợi quang học suy giảm ít hơn, dưới máy phát điện điện năng thấp có thể được sử dụng thay vì những máy phát điện cao cần thiết cho dây đồng. Một lần nữa, điều này giúp tiết kiệm nhà cung cấp và tiền bạc của bạn.

·         Tín hiệu kỹ thuật số - Các sợi quang lý tưởng để thực hiện các thông tin kỹ thuật số, đặc biệt hữu ích trong các mạng máy tính.

·         Không cháy - Vì không có điện truyền qua sợi quang học, sẽ không có nguy hiểm cháy.

·         Nhẹ - Một sợi cáp quang nặng ít hơn một dây cáp đồng tương đương. Cáp quang mất ít không gian hơn trong đất.

·         Linh hoạt - Bởi vì sợi quang học rất linh hoạt và có thể truyền và nhận được ánh sáng, chúng được sử dụng trong nhiều các máy ảnh kỹ thuật số linh hoạt, cho các mục đích sau đây:

·         Hình ảnh Y tế- trong ống soi phế quản, nội soi, soi ổ bụng

·         HÌnh ảnh cơ khí - kiểm tra mối hàn cơ khí trong đường ống và các công cụ (trong máy bay, tên lửa , tàu vũ trụ, xe ô tô)

·         Hệ thống ống nước - để kiểm tra đường ống cống

·         ….

Vì những lợi thế, bạn sẽ thấy sợi quang trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là viễn thông và mạng máy tính. Ví dụ, nếu bạn gọi điện thoại châu Âu từ Hoa Kỳ (hoặc ngược lại) và tín hiệu được gửi trả lại một vệ tinh thông tin liên lạc , bạn thường nghe một tiếng vang trên đường dây. Nhưng với các loại cáp sợi quang truyền xuyên đại dương, bạn sẽ có một kết nối trực tiếp mà không có tiếng vọng.