Lịch sử cáp quang và các loại cáp quang

Lịch sử phát triển Cáp Quang và các loại Cáp quang phổ biến.

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.
Khi đó, việc sử dụng sợi quang để truyền thông tin là rất hạn chế. Một thông điệp được chuyển thành xung ánh sáng, di chuyển dọc theo sợi quang tới điểm đầu bên kia. Tuy nhiên, chúng chỉ có thể đi được một khoảng cách ngắn trước khi ánh sáng bắt đầu biến mất. Đây là hiện tượng giảm cường độ theo từng dB/km (dB - viết tắt của decibel - là đơn vị đo cường độ âm thanh). Charles Kao đã quan sát những sợi quang có khả năng chứa một gigaheztz (GHz) thông tin - tương đương với 200 kênh TV hay 200.000 đường điện thoại. Ông nhận thấy ánh sáng đã thoát ra với tốc độ 1.000 dB/km, nghĩa là tín hiệu chỉ còn chưa đến một nửa dù mới di chuyển vài mét.
Sau nhiều ngày nghiên cứu, tiến sĩ Kao phát hiện ra rằng tình trạng trên không phải do bản chất vốn có của sợi thủy tinh mà bởi một vài khiếm khuyết bên trong vật liệu. Nếu loại bỏ những vấn đề đó, tỷ lệ thất thoát ánh sáng giảm xuống mức chấp nhận được là 20 dB/km.
Kết luận của Kao nghe có vẻ "hoang đường" nên ông phải chịu sức ép rất lớn. "Vợ tôi luôn bực mình vì tôi về muộn triền miên. Khi tôi nói với bà ấy rằng đây sẽ là một dự án gây chấn động thế giới, bà ấy chẳng hề tỏ ra tin tưởng. Tôi hiểu mình đang đi đúng hướng nhưng sẽ phải cố gắng nhiều mới thuyết phục được ngành công nghiệp trên toàn thế giới", Kao cho biết.
John Midwinter, chuyên gia về sợi quang tại Đại học London, cũng kể lại: "Nhiều người chỉ cười vui vẻ khi tài liệu được công bố. Họ nghĩ trong một phút may mắn nào đó, ông ấy đã đạt được mức 20 decibel".

Năm 1971, Nữ hoàng Anh chứng kiến hình ảnh video được truyền qua cáp quang. (BBC)
Mãi 4 năm sau (1970), Corning Glass Works, hãng sản xuất gốm sứ và thủy tinh của Mỹ, bất ngờ tuyên bố họ đã chế tạo một cáp quang phá vỡ giới hạn 20 dB (17 dB/km). "Corning nghiên cứu chất silica trong khi những công ty khác lại chú trọng khâu lọc thủy tinh. Hãng đã thành công khi chọn hướng đi riêng", Jeff Hecht, tác giả cuốn Thành phố ánh sáng: Câu chuyện thần kỳ về cáp quang (City of Light: The Story of Fiber Optics), nói.
Cuối những năm 70, các công ty viễn thông quyết định triển khai và sử dụng công nghệ này. Mạng cáp quang bắt đầu phổ biến ở các thành phố cũng như dưới lòng đại dương nhưng nó chỉ làm nên cách mạng vào những năm 90.
Internet đã khiến công nghệ cáp quang thực sự bùng nổ. "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", Philip Hargrave, chuyên gia tại hãng cung cấp giải pháp truyền thông Nortel, nhận xét.
Cáp quang cũng đang đóng vai trò quan trọng tại nhiều lĩnh vực như truyền hình mạng IPTV và trong tương lai nó sẽ là trụ cột của mạng giải trí gia đình.
Công nghệ FTTH tại Việt Nam
Tháng 8/2006, FPT Telecom trở thành đơn vị đầu tiên cung cấp loại hình dịch vụ FTTH. Khoảng 2 năm sau, FPT có gần 2.000 thuê bao. Cho đến nay, Việt Nam đã có 4 nhà cung cấp dịch vụ FTTH, gồm Viettel, VNPT, SPT và FPT Telecom. Ông Đặng Hồng Thái, phụ trách dịch vụ FTTH của Viettel cho biết, Viettel bắt đầu tham gia thị trường vào cuối năm ngoái. Hiện tại Viettel đã cung cấp dịch vụ tại 63 tỉnh, thành phố. Tính đến đầu tháng 9/2009, Viettel có khoảng 1.500 khách hàng.
Trao đổi về tính ưu việt của FTTH, hầu hết các nhà cung cấp đều cho biết FTTH có ưu điểm lớn hơn rất nhiều so với ADSL. Theo một đại diện của VNPT, đây là “dịch vụ mới mang tính đột phá cao”. Khác với công nghệ truy cập Internet ADSL, công nghệ FTTH sử dụng đường truyền dẫn hoàn toàn bằng cáp quang. Tốc độ truy cập Internet của FTTH lên đến 10 Gigabit/giây, nhanh gấp 200 lần so với ADSL.
Ngoài ra, tốc độ truyền dẫn của công nghệ FTTH cân bằng, cho phép tốc độ tải lên (upload) và tốc độ tải xuống (download) ngang nhau, trong khi đó đối với ADSL, tốc độ tải lên luôn luôn thấp hơn tốc độ tải xuống. Chất lượng tín hiệu của FTTH ổn định, không bị suy hao bởi nhiễu điện từ, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết, chiều dài cáp… Công nghệ FTTH đặc biệt hiệu quả với các dịch vụ Hosting Server riêng, VPN (mạng riêng ảo), truyền dữ liệu, game online, IPTV (truyền hình tương tác), VoD (xem phim theo yêu cầu), Video Conferrence (hội nghị truyền hình), IP Camera,….
Nhiều rào cản:
Tại Việt Nam, dịch vụ FTTH vẫn còn hạn chế do nhiều nguyên nhân. Về phía người dùng, mức cước phí sử dụng dịch vụ FTTH cao hơn rất nhiều so với ADSL. Để sử dụng, mức phí lắp đặt ban đầu giao động từ 2 - 8 triệu đồng, tùy từng nhà cung cấp dịch vụ và đợt khuyến mãi. Chẳng hạn, FPT hiện đang có chương trình khuyến mãi dành cho các khách hàng phía Nam, trong đó giảm 5 – 6 triệu đồng phí hòa mạng, giảm 1-3 triệu đồng phí thuê bao hàng tháng, trong vòng 18 tháng. Chương trình này được áp dụng từ ngày 1/9 đến hết ngày 30/9/2009.
Dịch vụ FTTH có các gói thuê bao trọn gói hàng tháng, chứ không tính phí theo dung lượng truy cập như ADSL. Mức phí thấp nhất là 2 triệu đồng, cao hơn có thể trên 10 triệu, tùy gói cước và tốc độ truy cập. Ngoài ra, các khoản phí phát sinh của dịch vụ FTTH cũng khá cao như: phí chuyển đổi gói cước, khôi phục lại dịch vụ, chuyển địa điểm lắp đặt, thậm chí cả phí chuyển đổi từ gói cước tốc độ cao xuống tốc độ thấp (nếu chuyển từ tốc độ thấp lên tốc độ cao có thể được miễn phí). Nếu so với dịch vụ ADSL, các khoản phí của FTTH cao hơn rất nhiều. Chính vì vậy, đối tượng khách hàng của FTTH còn hạn chế, chủ yếu là doanh nghiệp, tổ chức, một số là đại lý Internet, game online.
Đại diện Viettel Telecom cho biết, cho đến thời điểm này, do chi phí đầu tư cho dịch vụ này quá cao nên ban đầu khách hàng chủ yếu của Viettel là doanh nghiệp. Trên thực tế để đưa dịch vụ này đến hộ gia đình là vô cùng khó khăn do rào cản về giá dịch vụ.
Theo ông Nguyễn Thái Hoàng, chuyên gia phân tích về viễn thông, đặc điểm về hạ tầng của nước ta như đường xá, cột cáp chưa ổn định là những rủi ro lớn cho các công ty khi triển khai mạng cáp quang này. Chính vì thế, FTTH đến nay vẫn là một dịch vụ khá mới mẻ tại thị trường Việt Nam. “Hiện dịch vụ này đang được các công ty viễn thông cung cấp một cách có chọn lọc cho các đối tượng khách hàng, chủ yếu là doanh nghiệp và tổ chức”, vị chuyên gia này nói
FTTH là một công nghệ trong nhóm công nghệ FTTx (Fiber-to-the-x). FTTx (Fiber To The x) là 1 thuật ngữ nói chung chỉ một kiến trúc mạng sử dụng cáp quang để kết nối viễn thông. Ngoài FTTH còn có các công nghệ FTTN (Fiber To The Node), FTTC (Fiber To The Curb), FTTB (Fiber To The Building). FTTH là cấu trúc mạng thịnh hành nhất trong số các FTTx, chiếm hơn 61% thuê bao cáp quang thế giới.
Tìm hiểu Cáp Quang FTTH
- Ngày nay, Internet đã trở thành một nhu cầu thiết yếu, giúp mọi người ở khắp nơi trên thế giới có thể giao tiếp, trao đổi, học tập, mua sắm, giải trí dễ dàng, nhanh chóng. Các ứng dụng, dịch vụ trên Internet cũng ngày càng phát triển theo, điều này đòi hỏi tốc độ, băng thông kết nối Internet cao và cáp quang trở thành lựa chọn số một - FTTH (Fiber To The Home) là một điển hình. FTTH đáp ứng các dịch vụ luôn đòi hỏi mạng kết nối tốc độ cao như IPTV, hội nghị truyền hình, video trực tuyến, giám sát từ xa IP Camera...
- Vì tính ưu việt của nó, nhiều phòng (tiệm) NET đã chuyển đổi từ ADSL (Dùng cáp đồng) sang FTTH (Dùng cáp quang).
1. Khác nhau cơ bản cáp quang và cáp đồng:
Cáp quang dùng ánh sáng truyền dẫn tín hiệu, do đó ít suy hao và thường được dùng cho kết nối khoảng cách xa. Trong khi cáp đồng sử dụng dòng điện để truyền tín hiệu, dễ bị suy hao trong quá trình truyền và có khoảng cách kết nối ngắn hơn.
2. Cấu tạo cáp quang:
Sợi cáp quang được cấu tạo từ ba thành phần chính: lõi (core), lớp phản xạ ánh sáng (cladding), lớp vỏ bảo vệ chính (primary coating hay còn gọi coating, primary buffer). Core được làm bằng sợi thủy tinh hoặc plastic dùng truyền dẫn ánh sáng. Bao bọc core là cladding - lớp thủy tinh hay plastic - nhằm bảo vệ và phản xạ ánh sáng trở lại core. Primary coating là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và cladding không bị bụi, ẩm, trầy xước.
Bảo vệ sợi cáp quang là lớp vỏ ngoài gồm nhiều lớp khác nhau tùy theo cấu tạo, tính chất của mỗi loại cáp. Nhưng có ba lớp bảo vệ chính là lớp chịu lực kéo (strength member), lớp vỏ bảo vệ ngoài (buffer) và lớp áo giáp (jacket) - tùy theo tài liệu sẽ có tên gọi khác nhau. Strength member là lớp chịu nhiệt, chịu kéo căng, thường làm từ các sợi Kevlar. Buffer thường làm bằng nhựa PVC, bảo vệ tránh va đập, ẩm ướt. Lớp bảo vệ ngoài cùng là Jacket. Mỗi loại cáp, tùy theo yêu cầu sử dụng sẽ có thêm các lớp jacket khác nhau. Jacket có khả năng chịu va đập, nhiệt và chịu mài mòn, bảo vệ phần bên trong tránh ẩm ướt và các ảnh hưởng từ môi trường.
3. Các thành phần cơ bản khi đấu nối:
a. Đường dây cáp quang: Dẫn từ tủ cáp quang gần nhất về nhà bạn. Đường dây này phải đạt tiêu chuẫn không gấp khúc (gãy), tại một điểm uốn phải có độ cong tiêu chuẫn.
b. Hộp phối quang (OPTICAL DISTRIBUTION FRAME) :
- Cuối đường dây cáp quang vào nhà bạn và trước các thiết bị khác là nơi lắp đặt hộp phối quang. Thông thường sử dụng là hộp phối quang treo.
c. Bộ chuyển đổi (Converter): Tính hiệu ánh sáng sẽ được bộ chuyển đổi chuyển thành tính hiệu điện trước khi vào Modem

Trên bộ chuyễn đổi có 6 đèn, chia thành 2 hàng dọc (FX và TX), 3 hàng ngang (Ngõ vào, tính hiệu truyền nhận, ngõ ra). Khi hoạt động cả 6 đèn phải sáng, 2 đèn dãy giửa phải nháy liên tục.
d. Modem: Modem thường có 2 cổng ký hiệu WAN và LAN. Cổng WAN được kết nối đến Bộ chuyển đổi bằng cáp đồng qua đầu nối RJ45. Cổng LAN được kết nối đến Switch cũng bằng cáp đồng qua RJ45.
e. Đầu nối quang: Là nơi kết nối các thiết bị truyền nhận quang. Thường có hai dạng Vuông hoặc Tròn
f. Dây nhảy quang (Patchcord): Kết nối giữa hộp phối quang và bộ chuyển đổi là 2 dây nhãy quang qua 4 đầu nối.
g. Cáp đồng và đầu nối RJ45: Kết nối giữa ngõ ra bộ chuyển đổi và ngõ vào WAN của Modem, giữa ngõ ra LAN của Modem và ngõ vào của Switch.
4. Theo dõi tính hiệu: Khi mạng hoạt động, 6 đèn trên bộ chuyển đổi phải sáng. Trong đó 2 đèn dãy giửa nhấp nháy liên tục.
- Nếu 1 đèn hàng dọc FX không sáng, bạn cắm lại các đầu nối FX ra của hộp phối quang và vào của bộ chuyển đổi.
- Nếu Nếu 1 đèn hàng dọc TX không sáng, bạn cắm lại các đầu nối TX ra của hộp phối quang và vào của bộ chuyển đổi.
5. Sơ đồ đấu nối:
-------------------------------
Lịch sử phát triển cáp quang OPGW
Kể từ khi nhà vật lý học người Mỹ gốc Hoa Charles Kuen Kao và đồng nghiệp phát minh ra sợi quang năm 1966, sợi quang đã được ứng dụng rộng rãi trong truyền dẫn viễn thông. Các loại cáp quang như cáp treo (F8, ADSS), cáp chôn trực tiếp hay rải cống, cáp quang ngầm dưới sông, biển… đã hình thành một mạng lưới bao phủ khắp nơi trên toàn thế giới. Tính riêng công suất nhà máy sản xuất sợi quang của ZTT tại Nantong, tỉnh Giang Tô đã lên tới 12 triệu km/năm (gấp 31,2 lần khoảng cách từ tâm trái đất lên mặt trăng). Một con số so sánh đơn giản như vậy đủ cho thấy ứng dụng của sợi quang rộng rãi đến mức nào.
Những năm gần đây, việc tích hợp sợi quang trong dây chống sét (cáp quang kết hợp dây chống sét OPGW) ngày càng rộng rãi. Tuy nhiên, so với các loại cáp quang khác, cáp quang OPGW có cấu trúc và phương pháp tính toán thiết kế khá phức tạp. Việc chọn lựa đúng loại cáp quang chống sét OPGW phù hợp với đường dây truyền tải là công việc cần kiến thức và tỉ mỉ không khác gì người thợ may đo quần áo cho từng khách hàng.
Lịch sử phát triển của cáp quang OPGW gắn liền với quá trình cải tiến ống chứa sợi quang (OP unit). Đây là thành phần mấu chốt, quyết định đặc tính chính của cáp quang.
Lịch sử phát triển cáp quang OPGW
Thiết kế những năm cuối thập kỷ 1970: Mỗi sợi quang đặt trong 1 ống nhôm riêng (layer cable core Al tube), các ống nhựa được đặt trong một ống nhôm bảo vệ. Thiết kế này có hạn chế lớn về số sợi quang trong cáp do các ống nhựa chứa sợi quang chiếm diện tích lớn. Điều này khiến cho các nhà thiết kế cáp quang rất khó khăn trong việc thiết kế lớp dây thép bọc nhôm bảo vệ có tiết diện đủ lớn để tăng khả năng chịu dòng ngắn mạch trong điều kiện bị hạn chế về đường kính ngoài của cáp. Vì vậy cáp quang OPGW thập kỷ này có khả năng chịu dòng ngắn mạch thấp hơn hẳn so với các loại các quang cải tiến sau này.
Đầu những năm 1980 thế kỷ trước, người ta đặt sợi quang trong một lõi nhôm trung tâm có khe xẻ rãnh, bên ngoài được bảo vệ bởi 1 ống nhôm. Thiết kế này tuy đã cải thiện được về mặt công nghệ sản xuất, nhưng cũng giống như thiết kế đầu tiên những năm 1970, hạn chế về số sợi quang, (thông thường chỉ 6 sợi quang). Nhược điểm lớn nhất của loại cáp này là khi hoạt động cũng như khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch một pha, nhiệt lượng truyền trực tiếp từ lõi nhôm sang sợi quang làm thay đổi cơ tính của sợi quang, độ dài dôi dư của sợi quang không tốt do đó làm tăng đáng kể suy hao sợi quang do hiệu ứng giãn nở nhiệt của dây dẫn và hiệu ứng mỏi (fatigue effect) của cáp trong quá trình hoạt động. Loại cáp quang chống sét OPGW này được áp dụng cho đường dây 500kV mạch 1 đầu tiên của nước ta (Công ty Sumitomo cung cấp cáp quang). Sau 10 năm hoạt động, thực tế cho thấy các sợi quang đã suy hao đến mức phải thay thế hoàn toàn. (Tác giả bài viết trực tiếp tham gia thay thế loại cáp này cho đoạn Hòa Bình - Hà Tĩnh).
Để đưa thêm sợi quang vào cáp và khắc phục nhược điểm về chiều dài dôi dư của sợi quang so với cáp, từ những năm 1990, người ta sử dụng các sợi quang được bọc (coating) tốt hơn đưa vào trong ống lỏng (loose buffer tube). Cho đến nay, sợi quang đặt trong ống lỏng vẫn được sử dụng rộng rãi trong mọi thiết kế cáp quang OPGW.
Nhằm hoàn thiện tốt hơn ống chứa sợi quang, các nhà sản xuất đưa ra thiết kế ống kép (dual tube): Sợi quang đặt trong ống thép không rỉ cán nhôm (Aluminum Clad Steel - ACS tube). Thiết kế này của cáp có được cả ưu điểm: Chiều dài dôi dư của sợi quang so với chiều dài cáp đảm bảo; bảo vệ sợi quang tốt hơn khỏi nhiệt lượng từ hiện tượng ngắn mạch một pha. Với thiết kế này, cấu trúc của cáp quang gần tương đương với cấu trúc của dây chống sét đơn, thậm chí có đặc tính cơ điện tốt hơn do sử dụng lớp bảo vệ là dây thép cán nhôm (Aluminum clad Steel - ACS wire). Hiện nay, đa phần cáp quang sử dụng trên các đường dây truyền tải cao thế là cáp quang sử dụng cấu trúc ống kép (dual tube).
Cáp quang OPGW ngày càng được ứng dụng rộng rãi
Một số nhà sản xuất hiện nay vẫn sử dụng lõi chứa sợi quang bằng nhôm, sản xuất bằng công nghệ đùn. So với thiết kế dual tube mà các hãng đi sau phát triển, cáp quang OPGW sử dụng ống nhôm cùng loại có khối lượng nhẹ hơn khoảng 3-5%, nhưng đặc tính chịu kéo, chịu nén, chịu va đập kém hơn.
Nhằm đáp ứng nhu cầu của một số đường dây siêu cao áp có yêu cầu dòng ngắn mạch lớn, nhà sản xuất cáp quang Zhongtian Hitachi phát triển một loại ống đặc biệt bằng cách đưa thêm một lớp composite mỏng chịu nhiệt chứa sợi quang. Thiết kế này đã được cấp bằng sáng chế tại Trung Quốc.
Quá trình cải tiến ống chứa sợi quang OPGW
Tại một số vùng có yêu cầu đặc biệt về khả năng chống sét của cáp quang như vùng có quặng kim loại, vùng có giông sét nhiều, các tính toán cho thấy yêu cầu về tăng khả năng chịu dòng ngắn mạch của cáp quang là tối quan trọng để chịu được xung sét đánh xuống đường dây truyền tải điện. Để đáp ứng yêu cầu này, các hãng đã nghiên cứu và sản xuất loại cáp có lớp bên trong được nén chặt. Thiết kế này nhằm giảm thiểu đường kính các lớp trong của cáp quang, do đó, khi bị giới hạn về đường kính ngoài của cáp, vẫn có thể cấp được loại cáp có khả năng chịu dòng ngắn mạch lớn nhất.