Cáp quang có thể chạy được bao xa? Giải thích về giới hạn khoảng cách

Cáp quang có thể được chạy ở bất cứ đâu từ 2 km đến hơn 100 km không cần tái tạo tín hiệu, tùy thuộc vào loại cáp và ứng dụng. Sợi quang đơn mode (SMF) hỗ trợ khoảng cách lên tới 40-100 km cho các ứng dụng tiêu chuẩn, trong khi cáp quang đa mode (MMF) thường bị giới hạn ở 300 mét đến 2 km . Khoảng cách thực tế phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm loại sợi, bước sóng, thiết bị mạng và yêu cầu về chất lượng tín hiệu.

Khả năng khoảng cách sợi đơn chế độ

Cáp quang đơn mode được thiết kế để truyền dẫn đường dài và đại diện cho xương sống của các mạng viễn thông trên toàn thế giới. Đường kính lõi nhỏ (8-10 micron) của nó cho phép ánh sáng truyền theo một đường duy nhất, giảm thiểu sự phân tán tín hiệu và cho phép phạm vi tiếp cận đặc biệt.

Ứng dụng chế độ đơn tiêu chuẩn

Đối với việc triển khai mạng thông thường, cáp quang đơn mode đạt được các khoảng cách sau:

• 1000BASE-LX (1Gbps): Lên đến 10 km với quang học tiêu chuẩn, có thể mở rộng lên 40 km với các mô-đun nâng cao
• 10GBASE-LR (10Gbps): Phạm vi tiêu chuẩn 10 km, với 10GBASE-ER đạt 40 km
• 40GBASE-LR4 và 100GBASE-LR4: 10 km cho kết nối trung tâm dữ liệu tốc độ cao
• Các biến thể tầm xa (ER/ZR): 40-80 km cho mạng đô thị và khu vực

Giải pháp phạm vi mở rộng

Với thiết bị chuyên dụng, sợi quang đơn mode có thể trải dài khoảng cách xa hơn. Các hệ thống ghép kênh phân chia bước sóng dày đặc (DWDM) thường xuyên truyền tín hiệu hơn 1.000 km bằng cách sử dụng nhiều bước sóng và bộ khuếch đại quang học. Cáp ngầm nối liền các lục địa sử dụng sợi quang đơn mode để trải dài 10.000 km xuyên qua các đáy đại dương, với các bộ lặp được đặt cách nhau 50-100 km để tái tạo tín hiệu.

Giới hạn khoảng cách sợi đa mode

Sợi đa mode có đường kính lõi lớn hơn (50 hoặc 62,5 micron) cho phép nhiều chế độ ánh sáng truyền đồng thời. Mặc dù điều này giúp làm việc dễ dàng hơn và ít tốn kém hơn trong khoảng cách ngắn, nhưng nó tạo ra sự phân tán phương thức làm hạn chế đáng kể phạm vi truyền dẫn.

Mô hình rất rõ ràng: khi tốc độ dữ liệu tăng lên, khả năng khoảng cách đa chế độ sẽ giảm đi. cho Ứng dụng 40 và 100 Gbps , ngay cả sợi OM5 mới nhất cũng bị giới hạn ở phạm vi 100-150 mét, khiến nó chỉ phù hợp với môi trường trung tâm dữ liệu nơi thiết bị được đặt gần nhau.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách truyền

Ngân sách năng lượng quang

Ngân sách năng lượng quang biểu thị lượng mất tín hiệu mà hệ thống có thể chịu đựng được giữa máy phát và máy thu. Một máy thu phát điển hình có thể truyền ở tốc độ -3 dBm và yêu cầu công suất nhận tối thiểu là -20dBm , cung cấp ngân sách năng lượng là 17 dB. Mọi đầu nối, mối nối và mét cáp đều tiêu tốn một phần ngân sách này thông qua suy hao và suy hao chèn.

Lựa chọn bước sóng

Các bước sóng khác nhau có tốc độ suy giảm khác nhau trong sợi quang. Các bước sóng phổ biến nhất và đặc điểm của chúng bao gồm:

• 850nm: Dùng trong cáp quang đa mode, độ suy giảm 2,5-3,5 dB/km, tầm với ngắn nhất
• 1310nm: Phổ biến cho chế độ đơn, độ suy giảm 0,35-0,5 dB/km, tốt cho khoảng cách trung bình
• 1550nm: Được ưu tiên cho khoảng cách xa, độ suy giảm 0,2-0,25 dB/km, cho phép tiếp cận tối đa

Chất lượng và lắp đặt cáp

Thực hành lắp đặt kém làm giảm đáng kể khoảng cách hiệu quả. Uốn cong vi mô từ bán kính uốn chặt , ứng suất trên các đầu nối và sự nhiễm bẩn trên các mặt đầu sợi quang có thể làm tăng thêm tổn thất 0,5-3 dB cho mỗi điểm kết nối. Cáp được định mức cho phạm vi 10 km có thể chỉ đạt được 5 km nếu lắp đặt bất cẩn với nhiều mối nối có độ suy hao cao.

Hiệu ứng phân tán

Sự phân tán màu làm cho các bước sóng khác nhau truyền đi với tốc độ hơi khác nhau, lan truyền các xung trên khoảng cách xa. Trong sợi quang đơn mode ở 1550nm, độ phân tán màu xấp xỉ 17 ps/(nm·km) . Đối với tín hiệu 10 Gbps trên 80 km, điều này có thể gây ra hiện tượng mở rộng xung đáng kể, đòi hỏi các mô-đun bù tán sắc để duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu.

Kịch bản ứng dụng thực tế

Mạng trường

Các trường đại học và doanh nghiệp thường triển khai Sợi đa mode OM3 hoặc OM4 cho các kết nối tòa nhà với tòa nhà dưới 300 mét, với chi phí khoảng 0,50-2,00 USD mỗi mét đã cài đặt. Đối với các tòa nhà cách nhau khoảng cách lớn hơn, cáp quang đơn mode cung cấp kết nối lên tới vài km với chi phí vật liệu cao hơn một chút nhưng tổng chi phí sở hữu thấp hơn đáng kể do yêu cầu điện tử giảm.

Mạng đô thị

Các dịch vụ Metro Ethernet thường sử dụng cáp quang đơn mode để kết nối các địa điểm kinh doanh trên khắp các thành phố. Khoảng cách của 20-40 km là thường lệ với quang học tiêu chuẩn, trong khi 80 km có thể đạt được với các máy thu phát tầm xa mở rộng. Các nhà cung cấp dịch vụ thường duy trì các vòng cáp quang với nhiều đường dẫn để dự phòng.

Kết nối trung tâm dữ liệu

Các trung tâm dữ liệu hiện đại yêu cầu kết nối tốc độ cao giữa các cơ sở để khắc phục thảm họa và cân bằng tải. Kết nối 100 Gbps trên 10-40 km sử dụng cáp quang đơn mode đã trở thành tiêu chuẩn, với các nhà cung cấp hàng đầu đang triển khai Liên kết 400 Gbps cho các điểm kết nối chính. Các hệ thống này thường sử dụng công nghệ quang học kết hợp để tối đa hóa công suất và phạm vi tiếp cận.

Cáp quang đến nhà (FTTH)

Việc triển khai cáp quang dân dụng thường sử dụng kiến trúc mạng quang thụ động (PON) phân tách một sợi quang để phục vụ 32-64 căn nhà trên khoảng cách lên tới 20 km từ văn phòng trung tâm. Hỗ trợ tiêu chuẩn XGS-PON và NG-PON2 mới nhất Tốc độ đối xứng 10 Gbps đồng thời duy trì phạm vi này, cung cấp đủ công suất cho nhu cầu dân cư tăng trưởng trong nhiều thập kỷ.

Mở rộng vượt quá khoảng cách tiêu chuẩn

Bộ khuếch đại quang

Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium (EDFA) tăng cường tín hiệu quang mà không chuyển đổi sang dạng điện, cho phép trải dài 80-120 km giữa các điểm khuếch đại. Một EDFA điển hình cung cấp Tăng 15-25 dB , bù cho sự suy giảm sợi quang và cho phép tín hiệu đi qua nhiều phân đoạn. Mạng đường dài xếp tầng nhiều bộ khuếch đại để đạt được khoảng cách xuyên lục địa.

Bộ tái tạo và lặp lại

Khi chất lượng tín hiệu suy giảm vượt mức khả năng khuếch đại có thể khắc phục, các bộ tái tạo điện tử sẽ chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, làm sạch và định thời gian lại, sau đó truyền lại trên sóng mang quang mới. Hệ thống cáp ngầm đặt máy tái sinh mỗi 50-100 km trong những ngôi nhà kín dưới đáy đại dương, với tuổi thọ thiết kế là 25 năm và không có khả năng bảo trì sau khi được triển khai.

Chuyển tiếp sửa lỗi

Các hệ thống tốc độ cao hiện đại kết hợp tính năng sửa lỗi chuyển tiếp phức tạp (FEC) giúp bổ sung tính dự phòng cho luồng dữ liệu, cho phép bộ thu sửa các lỗi bit mà không cần truyền lại. FEC quyết định cứng có thể mở rộng phạm vi tiếp cận thêm 2-3 dB, trong khi FEC quyết định mềm tăng thêm 10-11 dB độ lợi mã hóa, có khả năng tăng gấp đôi khoảng cách có thể đạt được đối với các hệ thống truyền dẫn kết hợp.

Chọn sợi quang phù hợp với yêu cầu về khoảng cách của bạn

Việc lựa chọn cáp quang phù hợp đòi hỏi phải cân bằng giữa nhu cầu hiện tại với yêu cầu trong tương lai và hạn chế về ngân sách. Đối với khoảng cách dưới 300 mét trong trung tâm dữ liệu , Sợi đa mode OM4 mang lại tỷ lệ chi phí-hiệu suất tốt nhất với các bộ thu phát rẻ tiền, sẵn có. Tiết kiệm chi phí vật liệu so với chế độ đơn là tối thiểu, nhưng quang học có thể tốn kém Giảm 50-70% .

Cho bất kỳ khoảng cách vượt quá 500 mét hoặc yêu cầu tuổi thọ 10 năm , sợi quang đơn mode là sự lựa chọn ưu việt. Mặc dù chi phí ban đầu của bộ thu phát cao hơn nhưng chế độ đơn mang lại tiềm năng nâng cấp không giới hạn. Một sợi quang được cài đặt ngày nay với tốc độ 1 Gbps sau này có thể hỗ trợ 100 Gbps hoặc đơn giản hơn bằng cách thay đổi thiết bị đầu cuối, trong khi đa chế độ sẽ yêu cầu thay thế hoàn toàn cáp.

Cân nhắc việc cài đặt Sợi đơn mode OS2 với 12-24 sợi ngay cả khi yêu cầu hiện tại còn khiêm tốn. Chi phí cáp tăng thêm nhỏ so với chi phí nhân công lắp đặt và việc có sợi dự phòng giúp bảo vệ khỏi hư hỏng và cho phép mở rộng công suất dễ dàng. Trong các ứng dụng đô thị và đường dài, chế độ đơn là lựa chọn khả thi duy nhất, với việc lựa chọn bộ thu phát cụ thể sẽ xác định xem bạn có đạt được phạm vi 10, 40 hay 100 km hay không.