Cáp quang truyền dữ liệu bằng ánh sáng như thế nào?

Internet cần đưa hàng tỷ bit dữ liệu đi từ thành phố này sang thành phố khác, rồi từ lục địa này sang lục địa khác.

Ta hoàn toàn có thể truyền bit bằng dây đồng. Ethernet trong nhà vẫn làm như vậy: điện áp trên dây thay đổi theo tín hiệu cần truyền.

Vấn đề xuất hiện khi muốn truyền rất nhiều dữ liệu, rất xa.

Dây càng dài, tín hiệu điện càng yếu và méo đi. Khi tín hiệu thay đổi càng nhanh để mang nhiều bit hơn, việc giữ nó nguyên vẹn trên một đường dây dài càng khó. Dây đồng cũng có thể nhận nhiễu điện từ môi trường hoặc gây nhiễu sang dây bên cạnh.

Vì sao Internet đường dài dùng ánh sáng thay vì dây đồng?

Ta có thể đặt thêm thiết bị để khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu.

Nhưng nếu thay tín hiệu điện bằng ánh sáng thì sao?

Trong một sợi thuỷ tinh đủ tinh khiết, ánh sáng có thể đi hàng chục ki-lô-mét trước khi cần được khuếch đại. Sợi quang không bị nhiễu bởi trường điện từ như dây đồng, và một sợi còn có thể mang nhiều tín hiệu ánh sáng khác nhau cùng lúc.

Đó là lý do các tuyến Internet đường dài ngày nay chủ yếu dùng cáp quang.

Không phải vì “ánh sáng luôn nhanh hơn điện”.

Tín hiệu điện trong dây đồng cũng lan truyền với tốc độ rất lớn. Lợi thế lớn của sợi quang nằm ở suy hao thấp và khả năng truyền lượng dữ liệu rất lớn trên khoảng cách xa.

Nhưng để làm được điều đó, người ta từng phải giải quyết một vấn đề tưởng như không thể:

ánh sáng đi vào thuỷ tinh rồi yếu đi rất nhanh.

Suy hao 1.000 dB/km nghĩa là gì?

Khi ánh sáng đi trong sợi, một phần năng lượng bị mất dần do hấp thụ, tán xạ và những nguyên nhân khác.

Người ta gọi phần mất này là suy hao (attenuation).

Suy hao thường được đo bằng dB.

Con số dB nhìn hơi khó hiểu vì nó không phải thang đo tuyến tính. Có thể đọc vài mốc như sau:

Suy hao	Công suất ánh sáng còn lại
3 dB	khoảng 50%
10 dB	10%
20 dB	1%
30 dB	0,1%

Vì vậy, nếu một sợi có suy hao:

1.000 dB/km

thì không có nghĩa là ánh sáng mất “1.000 đơn vị”.

Nó có nghĩa là cứ mỗi ki-lô-mét, tín hiệu mất tổng cộng 1.000 dB.

Nếu mức suy hao gần như đều theo chiều dài thì:

10 mét       → 10 dB   → còn khoảng 10%
20 mét       → 20 dB   → còn khoảng 1%
1 kilomet    → 1000 dB → gần như không còn gì

Đây chính là tình trạng của những sợi quang đầu thập niên 1960.

Ánh sáng có thể chui vào sợi.

Nhưng sau khoảng 20 mét, chỉ còn khoảng 1%.

Một đường truyền như vậy chẳng thể nối hai thành phố.

Vấn đề không phải ở thuỷ tinh, mà ở thuỷ tinh bẩn

Charles Kao và George Hockham đặt ra một câu hỏi rất quan trọng:

Có phải bản thân thuỷ tinh hấp thụ ánh sáng quá mạnh, hay chỉ vì thuỷ tinh lúc đó chứa quá nhiều tạp chất?

Nếu bản thân vật liệu có giới hạn vật lý ở khoảng 1.000 dB/km thì ý tưởng truyền dữ liệu bằng sợi quang gần như chấm hết.

Nhưng nghiên cứu của họ cho thấy phần lớn suy hao lúc đó không phải giới hạn cơ bản của thuỷ tinh.

Thuỷ tinh đơn giản là chưa đủ tinh khiết.

Năm 1966, Kao cho rằng nếu giảm suy hao xuống khoảng 20 dB/km, sợi quang có thể trở thành một phương tiện truyền thông thực tế.

20 dB/km vẫn có nghĩa là sau 1 km chỉ còn khoảng 1% công suất ánh sáng ban đầu.

Nhưng đó đã là một bước nhảy khổng lồ so với trước đó: từ 1% sau 20 mét thành 1% sau 1 kilomet.

Năm 1970, Robert Maurer, Peter Schultz và Donald Keck tại Corning chế tạo được sợi có suy hao khoảng 17 dB/km.

Ngày nay, sợi đơn mode tốt ở vùng bước sóng khoảng 1.550 nm có thể chỉ suy hao khoảng 0,2 dB/km.

0,2 dB/km nghĩa là sau một kilomet vẫn còn khoảng 95% công suất ánh sáng.

sợi đầu thập niên 1960    ≈ 1000 dB/km
mục tiêu của Kao             20 dB/km
Corning, 1970             ≈ 17 dB/km
sợi hiện đại              ≈ 0,2 dB/km

Con số thực tế của cả đường truyền còn phụ thuộc đầu nối, mối hàn và thiết bị quang, nhưng bản thân sợi thuỷ tinh đã trở nên cực kỳ ít suy hao.

Thuỷ tinh đã đủ trong.

Nhưng còn một câu hỏi khác:

làm sao bắt ánh sáng chạy dọc theo một sợi nhỏ mà không thoát ra ngoài?

Vì sao ánh sáng không chui ra khỏi sợi?

Một sợi quang có lõi (core) rất nhỏ ở giữa và lớp bọc (cladding) bao quanh.

Cả hai đều là thuỷ tinh, nhưng lõi có chiết suất cao hơn lớp bọc một chút.

Khi ánh sáng gặp ranh giới giữa hai lớp ở điều kiện phù hợp, nó bị giữ lại trong vùng lõi thay vì thoát ra ngoài. Trong mô hình tia sáng, ta có thể hình dung nó liên tục phản xạ trở lại lõi. Hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần (total internal reflection).

Nhờ vậy, sợi có thể dẫn ánh sáng theo đường cáp kể cả khi uốn cong nhẹ. Nếu uốn quá gắt, một phần ánh sáng có thể thoát ra và tín hiệu yếu đi.

Mô hình tia sáng giúp dễ hình dung, nhưng ánh sáng thực tế lan trong sợi theo những kiểu lan truyền khác nhau gọi là mode.

Và từ đây mới xuất hiện khái niệm “sợi đơn mode”.

“Mode” thực ra là gì?

Giả sử ta gửi một xung ánh sáng rất ngắn vào một sợi có lõi khá lớn.

Ánh sáng không nhất thiết lan bên trong sợi theo đúng một kiểu.

Có kiểu tập trung gần giữa lõi.

Có kiểu phân bố ra xa hơn.

Có kiểu tương đương với việc ánh sáng phải đi một đường vòng vèo hơn trước khi tới đầu kia.

Ta gọi mỗi kiểu ánh sáng có thể tồn tại và lan dọc sợi như vậy là một mode.

Nếu nhiều mode cùng tồn tại, chúng không nhất thiết tới cuối sợi cùng một lúc.

Một xung ban đầu rất gọn:

đầu phát

    █
────█──────────────►

sau một quãng đường có thể bị trải rộng:

đầu nhận

   ▂▅██▅▂
───▂▅██▅▂──────────►

Nếu gửi các xung quá sát nhau, chúng bắt đầu chồng lên nhau.

Bộ thu sẽ khó phân biệt đâu là xung thứ nhất và đâu là xung thứ hai.

Đây là tán sắc mode (modal dispersion).

Muốn truyền nhanh và xa, ta muốn loại bỏ vấn đề đó.

Sợi đơn mode đơn giản là sợi chỉ cho một mode truyền

Một cách để giảm số mode là làm lõi nhỏ lại.

Với sợi đơn mode dùng cho viễn thông, lõi chỉ khoảng 8–10 micromet, trong khi lớp bọc bên ngoài có đường kính khoảng 125 micromet.

Ở bước sóng mà sợi được thiết kế để hoạt động, lõi nhỏ đến mức chỉ mode cơ bản có thể lan truyền ổn định.

Vì chỉ còn một mode nên không còn chuyện nhiều mode tới đầu kia ở những thời điểm khác nhau.

Đó là lý do nó được gọi là:

sợi đơn mode (single-mode fiber).

Ngược lại, sợi có lõi lớn hơn có thể cho nhiều mode cùng tồn tại và được gọi là sợi đa mode (multimode fiber).

	Lõi điển hình	Số mode	Phù hợp
Đơn mode	khoảng 8–10 µm	một mode cơ bản	đường dài
Đa mode	khoảng 50 hoặc 62,5 µm	nhiều mode	khoảng cách ngắn

Có một chỗ rất dễ nhầm:

đơn mode không có nghĩa là chỉ có một màu ánh sáng.

“Mode” ở đây nói về kiểu ánh sáng lan trong sợi, không phải bước sóng.

Một sợi đơn mode vẫn có thể mang nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau cùng lúc.

Trước hết, ánh sáng đã đi được trong sợi rồi.

Dữ liệu nằm ở đâu?

Bit được biến thành ánh sáng như thế nào?

Máy tính xử lý dữ liệu bằng tín hiệu điện, còn sợi quang mang ánh sáng.

Ở đầu phát, dữ liệu điều khiển một laser để tạo ra tín hiệu ánh sáng. Ở đầu kia, bộ thu quang (photodetector) nhận ánh sáng và biến nó trở lại thành tín hiệu điện.

Cách đơn giản nhất là thay đổi cường độ ánh sáng theo dữ liệu. Các hệ thống hiện đại có thể dùng những cách điều chế phức tạp hơn, nhưng nguyên lý vẫn vậy:

dữ liệu điện → ánh sáng → sợi quang → dữ liệu điện.

Vậy tại sao một sợi bé như vậy lại mang được lượng dữ liệu khổng lồ?

Một sợi có thể mang nhiều bước sóng cùng lúc

Sợi đơn mode chỉ cho một mode không gian chính lan truyền, nhưng điều đó không có nghĩa là chỉ được dùng một bước sóng.

Ta có thể cho nhiều laser phát ở những bước sóng khác nhau, mỗi bước sóng mang một luồng dữ liệu riêng.

Một bộ ghép kênh (multiplexer) đưa tất cả vào cùng một sợi. Ở đầu kia, bộ tách kênh (demultiplexer) tách chúng trở lại.

Kỹ thuật này gọi là ghép kênh theo bước sóng (Wavelength-Division Multiplexing, WDM).

Các màu trong hình chỉ để dễ phân biệt. Trong mạng viễn thông, ánh sáng thường nằm ở vùng hồng ngoại, đặc biệt quanh 1.310 và 1.550 nm.

Nhờ WDM, một sợi quang có thể mang nhiều luồng dữ liệu cùng lúc.

Vậy tại sao người ta dùng sợi quang thay vì dây đồng?

Với một đoạn Ethernet vài mét trong nhà, dây đồng vẫn rất hợp lý. Nó rẻ, thiết bị đơn giản và thậm chí có thể truyền điện cùng dữ liệu qua PoE.

Nhưng khi khoảng cách tăng lên hàng chục hay hàng trăm kilomet, cán cân thay đổi.

	Dây đồng	Sợi quang
Tín hiệu	điện	ánh sáng
Suy hao trên đường dài	lớn hơn, đặc biệt với tín hiệu tần số cao	rất thấp ở bước sóng phù hợp
Nhiễu điện từ	có thể bị ảnh hưởng	gần như không
Nhiễu giữa các đường truyền	phải kiểm soát	rất thấp
Dung lượng đường dài	bị giới hạn sớm hơn	rất lớn
Nhiều kênh trên cùng môi trường	có	WDM cho phép rất nhiều kênh quang
Truyền điện cùng dữ liệu	có thể	không

Đó là lý do dây đồng vẫn tồn tại trong nhà, văn phòng và nhiều kết nối ngắn.

Còn backbone giữa các thành phố, mạng của nhà cung cấp Internet, kết nối data center và cáp xuyên đại dương chủ yếu dựa vào sợi quang.

Nhưng cáp quang không làm khoảng cách biến mất

Dung lượng lớn không có nghĩa là dữ liệu tới nơi ngay lập tức.

Tốc độ ánh sáng trong chân không gần 300.000 km/s.

Trong sợi thuỷ tinh, nó chỉ khoảng 200.000 km/s.

Chỉ riêng thời gian ánh sáng đi trong sợi đã vào khoảng:

1 km          ≈ 5 micro giây
1.000 km      ≈ 5 mili giây
10.000 km     ≈ 50 mili giây

WDM giúp nhiều dữ liệu cùng đi qua sợi.

Cách điều chế tốt hơn giúp mỗi kênh mang nhiều bit hơn.

Nhưng một tín hiệu từ Việt Nam sang Mỹ vẫn phải thực sự đi hết quãng đường giữa hai nơi.

Và phần lớn quãng đường đó nằm dưới biển.

Dữ liệu vượt đại dương bằng đường nào?