Cáp sợi quang pôlime là gì?
Cáp sợi quang pôlime (Polymer Optical Fiber - POF) là các sợi quang mà lõi và lớp đệm của chúng được làm từ các loại chất dẻo, chẳng hạn như chất nhựa methyl-methacrylate (PMMA). Tính năng tiên tiến nhất của POF là có đường kính lớn. Hình 1 cho thấy mặt cắt của nhiều loại cáp sợi quang khác nhau.
Ngay cả khi đường kính này có độ dày giữa 0,5 mm đến 1 mm thì các POF vẫn rất mềm dẻo. Nhờ độ mở lớn, do không cần thiết phải có độ chính xác định vị cao hơn để kết nối với các thiết bị quang và giữa các sợi quang, cho nên phần đấu nối của cả hai đầu có thể dễ dàng được bao bọc bởi các vật liệu rẻ tiền. Tuy nhiên, vì suy hao truyền dẫn của các POF lớn hơn so với sợi quang thuỷ tinh (ôxyt silic) cho nên cự ly truyền dẫn bị hạn chế.
Hình 1. So sánh các thiết diện của các loại sợi quang khác nhau
Do các POF rất dễ xử lý cho nên chúng được áp dụng cho truyền số liệu cự ly ngắn. Ảnh 1 cho thấy một thí dụ quen thuộc nhất: các POF dùng cho giao diện âm thanh số (DAI - Digital Audio Interface). Các POF còn được dùng cho truyền dẫn số liệu ở bên trong thiết bị, truyền dẫn tín hiệu điều khiển cho các công cụ máy tính điều khiển bằng chữ số và cho các toa xe đường sắt v.v...
Ảnh 1. Các đầu nối cho DAI (loại đầu tròn và vuông )
Giảm suy hao truyền dẫn và cải thiện khả năng truyền dẫn băng rộng của POF
Từ giữa những năm 90 của thế kỷ trước đã xuất hiện nhu cầu ứng dụng POF để truyền số liệu cự ly ngắn tại tốc độ 100 Mbit/s và cao hơn. Để đáp ứng các nhu cầu như vậy, tốc độ truyền dẫn của các máy thu phát quang trở nên cao hơn nhiều qua việc sử dụng các LED đỏ tại bước sóng 650 nm, tại đó suy hao truyền dẫn của PMMA là thấp nhất, dẫn đến việc phát triển các máy thu phát quang cho phương thức không đồng bộ (ATM) tại 155 Mbit/s cũng như các công nghệ tuân theo S100 (125 Mbit/s), S200 (250 Mbit/s) và S400 (500 Mbit/s) của các tiêu chuẩn 1394 của IEEE (Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử). Ngoài ra, các đầu nối POF kiểu SMI song công có kích thước SFF đã được thương mại hoá (Ảnh 2) (SMI – small multimedia interface, SFF – small form factor). Những tiêu chuẩn này áp dụng cho tất cả các cấu kiện quang dùng POF và các lớp vật lý.
Đối với các POF, từ khi triển khai các GI-POF (GI = Granded Index) suy hao thấp dựa trên PMMA, đã có vô số các loại POF khác được thương mại hóa, chẳng hạn như:
- Các SI-POF (SI = Step-Index) có NA thấp cho phép truyền dẫn 250 Mbit/s tại cự li 50 m nhờ giảm chút ít NA của các SI-POF hiện đang có.
- Các POF loại đa bước có các chiết suất gradient theo kiểu cầu thang.
Những kiểu này đã được bổ sung vào các tiêu chuẩn IEC (International Electro-Commission) cho các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm POF.
Ảnh 2. Đầu nối kiểu SMI cho POF và đầu nối RJ-45 cho UTP
Do các lõi của hầu như tất cả các POF đang có bán trên thị trường đều được làm bằng PMMA, cho nên một trong những lợi thế quan trọng là giá thành của các nguyên liệu cực kỳ rẻ. Tuy nhiên, suy hao của các POF làm từ PMMA tại các bước sóng 650 nm không thể xuống thấp hơn 100 dB/km do bị hấp thụ bởi các biến động co dãn của các liên kết ôxy – hydrô. Mặt khác, trong trường hợp POF được chế tạo bằng một chất pôlime perfluorinade hoá đặc biệt, vốn được phát triển cho mục đích tiếp tục giảm bớt suy hao truyền dẫn, thì suy hao có thể xuống ở mức ít hơn 10 dB/km tại các bước sóng 850 nm và 1.310 nm.
Do sự phụ thuộc vào các bước sóng của chất pôlime perfluorinate hóa ít hơn so với PMMA và thuỷ tinh, cho nên sự tán sắc của vật liệu, vốn là một trong những yếu tố làm hạn chế băng thông, là rất nhỏ. Hình 2 trình bày các giá trị tính toán đối với sợi quang GI-POF perfluorinate hóa và sợi quang đa mode bằng thuỷ tinh tại độ dài sợi quang 100 m.
Hình 2 chỉ rõ, các băng thông, nơi có các chiết suất dốc gradient của cả hai loại sợi quang được tối ưu hóa để làm cho các băng thông trở nên lớn nhất tại bước sóng 850 nm, cho thấy rằng băng thông của GI-POF perfluorinate hoá lớn hơn đối với các băng thông đối với MMF và rằng GI-POF perfluorinate hóa vẫn duy trì các tính năng băng rộng trong một phạm vi rộng các bước sóng từ ánh sáng nhìn thấy được tới một vùng xung quanh 1,4 micro mét.
Các xu hướng thị trường của POF
Trong mấy năm gần đây, một lĩnh vực nổi bật là sử dụng POF làm dây dẫn truyền thông tin trong xe ô tô. Các dây dẫn quang SI-POF làm bằng PMMA đã được lắp đặt trong 40 loại xe ô tô, chủ yếu các xe của châu Âu, bao gồm BMW, Mercedes-Benz và Volvo.
Việc này chứng tỏ rằng các POF có thể phù hợp với một số điều kiện cần thiết đối với dây dẫn lắp đặt trong ô tô.
Hình 2. So sánh sự phụ thuộc băng thông vào bước sóng theo độ tán xạ của vật liệu
Sử dụng POF trong nhà ngày càng gia tăng. Vào năm 2003, các cuộc thí nghiệm đã xác nhận tính hữu dụng của POF, thông qua cấu trúc mạng Gigabit, bao gồm các dây dẫn GI-POF perfluorinate hóa kết nối một khu nhà rộng lớn với gần 600 căn nhà và một bệnh viện đa khoa với gần 230 giường bệnh. Còn có một số báo cáo nói về các trường hợp trong đó các GI-POF bằng PMMA đã được chấp nhận tại các căn nhà độc lập và các khu nhà ở nhỏ. Các độ dài đi dây trong nhà nhỏ hơn 50 m đã đáp ứng nhu cầu của các toà nhà cỡ nhỏ như vậy. Do những phạm vi như vậy phù hợp với các dây GI-POF bằng PMMA, loại dây dẫn cực kỳ dễ đi dây và ghép nối, và sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai.
Các POF dùng trong lĩnh vực tự động hoá xí nghiệp, chẳng hạn như hệ thống SERCOS (Serial Real-time Communication System), đã được tiêu chuẩn hoá như một phương tiện đi dây trong môi trường công nghiệp. Dự đoán, thị trường POF sẽ tiếp tục được mở rộng.
Văn Việt
