Sau nhiều thập kỉ phát triển theo cấp số nhân, dung lượng của sợi quang có thể đã đạt đến mức bão hoà.
- Nguyên bản tiếng Anh: “Is Keck’s Law Coming to an End?” Jeff Hecht, IEEE Spectrum, Jan 2015
- Người dịch: Tạ Minh Chiến
Hình: Sue Tallon
So với năm 1980, số lượng bit mà ta có thể gửi trong một giây thông qua sợi quang đã tăng lên khoảng gấp 10 triệu lần. Đó thật sự là một điều đáng kinh ngạc ngay cả khi so sánh với các thiết bị điện tử cuối thế kỉ 20. Nó còn lớn hơn mức tăng số lượng transistor trên các con chíp trong cùng thời kì, theo Luật Moore. Hẳn là phải có một quy luật nào đó ở đây chứ. Nó được gọi là Luật Kerk, đặt theo tên của Donald Keck. Ông là người đồng phát minh ra sợi quang tổn thất thấp và đã theo dõi sự gia tăng đầy ấn tượng về dung lượng của sợi quang. Có lẽ việc đặt cho nó một cái tên riêng sẽ thu hút sự chú ý vào một trong những thành tựu công nghiệp ít được ca ngợi nhất trên thế giới.
Mọi sự chú ý đều dồn vào Luật Moore. Nhưng chính sự kết hợp giữ các thiết bị điện tử tốc độ cao với khả năng truyền thông tin trên sợi quang mới tạo ra “sự tuyệt vời của mạng thông tin mà chúng ta có ngày nay”, theo Pradeep Sindhu, giám đốc công nghệ của Juniper Networks. Các điện tử tương tác mạnh với nhau là điều lý tưởng để tạo ra các công tắc nhanh nhạy được sử dụng trong các mạch số và trong bộ nhớ. Các photon tương tác yếu với nhau lại là thứ hoàn hảo để truyền tín hiệu qua những khoảng cách lớn. Khi kết hợp lại với nhau chúng đã dẫn đến cuộc cách mạng công nghệ đang hàng ngày định hình thời đại của chúng ta.
Giờ đây khi mà lĩnh vực điện tử đang đối mặt với những thách thức to lớn để duy trì Luật Moore thì các sợi quang cũng đang chật vật duy trì phong độ. Trong vài thập kỉ vừa qua, hàng loạt phát kiến đã giúp các kĩ sư thông tin đưa ngày càng nhiều bit dữ liệu vào các mạng sợi quang. Nhưng giai đoạn dễ dàng đó đã qua rồi. Để tiếp tục tiến về phía trước, họ sẽ phải có những sáng kiến mang tính đột phá.
Khả năng truyền tải của sợi quang đã tăng theo cấp số nhân trong nhiều năm qua. Trong biểu đồ trên, Donald Keck đã thu thập các kỷ lục trong các thí nghiệm thường được trình diễn ra trước khi thương mại hoá. Biểu đồ này cho thấy sự tăng dung lượng của sợi quang trước và sau khi áp dụng kĩ thuật phân chia theo bước sóng [phần màu xanh nhạt], được trình bày dưới đây. (Nguồn: Donald Keck)
Các xung ánh sáng truyền trên sợi quang ở tốc độ khoảng 200.000 cây số/giờ, tức là hai phần ba tốc độ ánh sáng trong chân không. Mặc dù sợi quang hầu như là hoàn toàn trong suốt, nhưng cứ lâu lâu một photon sẽ va đập vào một nguyên tử bên trong lõi. Khi ánh sáng truyền đi càng xa thì càng nhiều photon sẽ va chạm với các nguyên tử rồi bị rò ra lớp bọc bao quanh và lớp phủ bảo vệ. Sau mỗi 50km, khoảng 90% lượng ánh sáng sẽ bị mất đi, chủ yếu do sự va chạm này.
Vì vậy các kĩ sư công nghệ truyền thông phải khuếch đại cường độ ánh sáng sau những khoảng cách truyền nhất định, nhưng cách này cũng có những hạn chế của nó. Sự tương tác giữa một tín hiệu mạnh ngay sau khi được khuếch đại với thuỷ tinh bên trong sợi quang có thể làm biến dạng tín hiệu. Khoảng cách truyền càng xa thì độ biến dạng càng tăng lên, kiểu như khói trong không khí làm mờ các vật thể ở xa hơn là các vật thể ở gần. Những biến dạng này là biến dạng phi tuyến vì chúng không tăng gấp đôi khi ánh sáng được làm mạnh lên gấp đôi. Thay vào đó chúng tăng với tốc độ nhanh hơn. Khi ánh sáng đủ mạnh thì tín hiệu bị chìm trong nhiễu tạo ra bởi sự biến dạng. Câu chuyện về sợi quang là một câu chuyện dài về việc tìm đủ các cách để tăng tốc độ dữ liệu và khoảng cách truyền dẫn dưới ảnh hưởng của tán xạ và biến dạng.
Những thông điệp sợi quang đầu tiên được mã hoá bằng cách đơn giản là bật và tắt nguồn sáng laser. Các kĩ sư liên tục cải thiện tốc độ bật tắt này. Vào khoảng giữa những năm 1980, khoảng một vài năm trước khi các mạng sợi quang thương mại ra đời, cách này cho phép gửi vài trăm triệu bit một giây qua một sợi quang dài vài chục cây số.
Để duy trì tín hiệu sau 50km đầu tiên, một bộ lặp được sử dụng để chuyển các xung ánh sáng thành tín hiệu điện để lọc sạch, khuếch đại và phát lại bằng một nguồn laser khác trên đoạn sợi quang kế tiếp.
Giải pháp tái tạo bằng cách kết hợp điện-quang này tốn kém và cồng kềnh.. Rất may là người ta đã sớm tìm ra một cách khác. Năm 1986, David Payne, làm việc ở Đại học Southampton (Anh), đã chứng minh rằng ánh sáng bên trong sợi quang có thể được khuếch đại trực tiếp mà không cần phải dùng đến các thiết bị điện tử bên ngoài.
Payne thêm một ít thành phần đất hiếm có tên gọi erbium vào một lõi sợi quang. Ông nhận thấy rằng bằng cách kích thích các nguyên tử erbium bởi ánh sáng laser, ông có thể làm cho chúng khuếch đại các ánh sáng có bước sóng 1.55 micro-mét—tức là ngay tại bước sóng mà các sợi quang có độ trong suốt cao nhất. Đến khoảng giữa những năm 1990, các bộ khuếch đại dùng sợi quang có erbium đã được lắp đặt để kéo dài khoảng cách truyền. Tuỳ vào khoảng cách giữa chúng, một chuỗi các bộ khuếch đại có thể đưa tín hiệu qua một khoảng cách từ 500 đến nhiều ngàn km trước khi nó phải được chuyển thành dạng điện để lọc và tái tạo bằng các thiết bị mắc tiền hơn. Ngày nay, các chuỗi bộ khuếch đại sợi quang erbium có thể giúp cho các kết nối sợi quang chạy xuyên qua các lục địa hay đại dương.
Sự ra đời của bộ khuếch đại quang erbium đã mở ra cánh cửa dẫn đến một cách mới để làm tăng tốc độ dữ liệu: sử dụng nhiều bước sóng. Các phân tử erbium thực ra khuếch đại ánh sáng trong một dải bước sóng và trong khoảng 1.53 đến 1.57 micro-mét độ phóng đại này khá đồng nhất. Dải bước sóng này đủ rộng để ta có thể đưa nhiều tín hiệu lên cùng một sợi quang, mỗi tín hiệu chỉ sử dụng một dải bước sóng hẹp.
Căn bản về sợi quang hiện đại: Tín hiệu điện được chuyển thành tín hiệu quang tại nguồn phát [bên trái] rồi đưa lên sợi quang. Các bộ khuếch đại quang học được chế tạo từ sợi quang có bổ sung các thành phần đặc biệt sẽ khuếch đại tín hiệu. Ở trung tâm chuyển mạch, một bộ thu sẽ lấy tín hiệu từ các sóng mang và chuyển nó sang dạng điện. Bộ chuyển mạch sẽ phân chia và hướng dẫn luồng tín hiệu tới các bộ phát để chuyển tín hiệu sang dạng ánh sáng rồi gửi lên sợi quang để đến đích kế tiếp. (Minh hoạ: Erik Vrielink)
Các nhà điều hành mạng bổ sung thêm nhiều bước sóng vào các sợi quang sẵn có khi Internet bùng nổ vào đầu những năm 2000. Nhưng khoảng một thập kỉ sau đó, người ta nhận ra rằng cách mã hoá dữ liệu đang dùng đã đạt đến ngưỡng của nó, và một số đường truyền sẽ nhanh chóng hết dung lượng nếu không có công nghệ mới hay không được bổ sung thêm cáp quang. Tín hiệu dạng bật-tắt chỉ đưa được một bit dữ liệu vào một thời điểm (nếu ánh sáng trong một khoảng thời gian nào đó vượt qua một ngưỡng công suất, nó thường đại diện cho giá trị 1; còn khi ánh sáng ở dưới mức ngưỡng nó đại diện cho giá trị 0). Cách duy nhất để đưa thêm nhiều bit vào trong một giây khi áp dụng phương pháp này là làm như cách mà các kĩ sư đã thực hiện đối với tín hiệu: làm thời gian của mỗi xung ngắn lại.
Tuy nhiên, khi xung ngắn lại thì nó càng trở nên dễ bị ảnh hưởng bởi một hiệu ứng quang được gọi là sự tán sắc (dispersion). Đây chính là hiệu ứng làm cho các lăng kính phân tách ánh sáng thành một dải màu cầu vồng. Nguyên nhân của nó là do tốc độ ánh sáng trong thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng. Ngay cả một xung ánh sáng laser có phổ hẹp đến mức gần như là một bước sóng duy nhất mà ta có thể làm được cũng bị giãn ra khi nó truyền đi qua một sợi quang. Và khi các xung bị kéo giãn, chúng gây nhiễu lẫn nhau. Vấn đề càng trở nên tồi tệ hơn khi tốc độ dữ liệu tăng lên và khoảng cách giữa các xung kề nhau giảm xuống. Kết quả là một sợi quang có thể truyền 10Gb/s qua khoảng cách 1000km có thể sẽ truyền 100Gb/s chỉ được 10km trước khi tín hiệu cần phải được làm sạch và tái tạo.
Các sợi quang cải tiến được thiết kế để giảm hiện tượng tán sắc, nhưng việc thay thế mạng sợi quang sẵn có trở nên quá tốn kém. Và đến năm 2001, việc lắp đặt thừa trong thời kì bùng nổ Internet đã để lại một số lượng lớn cáp quang không được dùng đến, còn gọi là cáp quang “đen”. Thật may là các kĩ sư còn có các giải pháp khác, trong đó có hai kĩ thuật trước kia được dùng để đưa nhiều tín hiệu không dây vào một dải tần vô tuyến hẹp.
Cách thứ nhất là thay đổi phương thức mã hoá tín hiệu. Thay vì bật và tắt laser thì ta để nó luôn luôn bật và thay đổi pha của nó—thay đổi thời điểm các đỉnh và đáy của tín hiệu. Cách thay đổi pha đơn giản nhất là dịch chuyển đỉnh của dạng sóng một phần tư bước sóng, hay 90 độ, sớm hơn hoặc trễ hơn so với thời điểm thông thường. Dạng sóng đại diện cho giá trị 1 sẽ đạt giá trị cực đại khi dạng sóng đại diện cho giá trị 0 đạt giá trị cực tiểu. Cách này sẽ vẫn chỉ hình thành được 2 bit, nhưng khả năng truyền tải của tín hiệu có thể được tăng lên gấp đôi bằng cách kết hợp hai sóng lại. Cùng với nhau, chúng dịch chuyển pha với bước dịch nhỏ hơn, là +135, +45, -45, hay -135 độ. Bốn trạng thái pha này được dùng để đại diện cho bốn kết hợp của hai bit: 00, 01, 10, và 11.
Năm 2007, Bell Labs và Verizon đã dùng một biến thể của kĩ thuật này, được gọi là điều chế pha trực giao vi sai (differential quadrature phase-shift keying), để truyền 100 Gb/s qua khoảng cách 500km trên mạng cáp quang của Verizon ở Florida. Đây là một thành công lớn nhưng vẫn chưa thực sự đủ cho Verizon, công ty mà giống như các công ty truyền dẫn đường dài khác muốn tín hiệu được truyền đi xa từ 1000 đến 1500km trên các dây cáp trong mạng lõi của mình trước khi phải nhờ đến các bộ tái tạo tín hiệu mắc tiền.
May mắn là kĩ thuật thứ hai có thể đạt được khoảng cách này. Kĩ thuật này khai thác đặc tính coherence của ánh sáng laser. Tính coherence của ánh sáng có nghĩa là nếu ta cắt ngang chùm sáng ở bất kì điểm nào, ta sẽ thấy rằng tất cả các tín hiệu sẽ có cùng pha. Các đỉnh và đáy di chuyển cùng với nhau, giống như các binh sĩ đi diễu hành.
Coherence có thể được dùng để cải thiện đáng kể khả năng nhận tín hiệu của bộ thu. Phương pháp này dựa trên việc kết hợp một tín hiệu cáp quang thu được với một nguồn ánh sáng có cùng tần số được tạo ra bên trong bộ thu. Nhờ có pha không bị nhiễu, ánh sáng được tạo ra bên trong bộ thu có thể được dùng để giúp xác định pha của tín hiệu vào có kèm nhiễu. Sóng mang sau đó có thể được loại bỏ, chỉ còn lại tín hiệu được ghép lên sóng mang. Bộ thu sẽ chuyển tín hiệu còn lại đó thành tín hiệu điện tử với các bit 0 và 1 trong thông tin được gửi đến.
Thực hiện việc thu bằng phương pháp coherent đối với ánh sáng hồng ngoại là việc phức tạp hơn so với sóng vô tuyến bởi vì khó mà tạo ra tần số đúng với tần số ánh sáng thu được. Với việc phát triển các bộ xử lý số hiện đại vào đầu những năm 2000, điều đó đã thay đổi. Chúng cho phép bộ thu xử lý sai lệch giữa ánh sáng tạo ra bên trong bộ thu và tín hiệu thu được, tái tạo lại pha và định thời lại tín hiệu, và sửa chữa các xung bị kéo giãn trong thời gian truyền đi.
Sự kết hợp mã hoá trực giao với việc thu tín hiệu bằng coherence—cùng với khả năng phát bằng hai nguồn sáng phân cực khác nhau—đã đưa các sợi cáp quang đạt đến giới hạn của chúng ngày hôm nay. Giờ đây, các hệ thống thu và phát mới cho phép một kênh quang học đơn lẻ—chỉ một bước sóng—truyền 100 Gb/s trên những khoảng cách dài, trong những sợi cáp vốn được thiết kế chỉ để truyền 10 Gb/s. Và do một sợi cáp quang bình thường có thể cung cấp đến khoảng 100 kênh, dung lượng tổng cộng của sợi quang có thể đạt đến 10 Tb/s (10 ngàn tỉ bit một giây).
Điều chế pha trực giao: Pha của sóng ánh sáng—thời điểm xảy ra của các đỉnh và đáy—có thể được dùng để mã hoá thông tin. Trong điều chế trực giao, bốn pha [dạng sóng ở hàng đầu tiên và hàng giữa] có thể được kết hợp để tạo ra bốn kết hợp của hai bit [dạng sóng màu xanh đậm ở hàng dưới cùng]. (Nguồn: Wikipedia)
Để dễ hình dung hơn về các con số này, ta có thể xem xét một hệ thống cáp quang mới của Ciena Corp., một công ty có trụ sở ở Hanover, bang Maryland. Hệ thống có thể phát trên 96 kênh, mỗi kênh có tốc độ 100 Gb/s, trên quãng đường từ hàng trăm đến hàng ngàn km. Tổng dung lượng là 9.6 Tb/s—đủ cho 380 ngàn người cùng xem video Ultra HD từ Netflix. Và đó chỉ là dung lượng của một sợi quang; các đường cáp quang ngày nay có thể có từ một chục cho đến hàng trăm sợi quang.
Thế nhưng, chỉ trừ giai đoạn ngắn ngủi sau khi bong bóng công nghệ bị xì hơi vào đầu những năm 2000, thế giới chưa bao giờ có đủ băng thông để dùng. Lưu lượng Internet toàn cầu tăng gấp 5 lần trong giai đoạn từ 2010 đến 2015, theo một báo cáo mới đây của Cisco. Xu hướng này rất có thể vẫn tiếp diễn do sự tăng trưởng của video trực tuyến và Internet Vạn vật.
Vậy nên các nhà phát triển đang xem xét các giải pháp mà họ có.
Một ý tưởng là sử dụng các kĩ thuật mã hoá tín hiệu phức tạp hơn. Kĩ thuật đều chế pha trực giao đang được sử dụng cho phép mã hoá hai bit trên một đoạn tín hiệu, nhưng Wi-Fi và các hệ thống không dây khác sử dụng các kiểu mã hoá còn phức tạp hơn. Kiểu mã hoá 16-QAM, chẳng hạn, có thể truyền tải tất cả 16 kết hợp có thể có từ 4 bit, từ 0000 đến 1111. Một số thiết bị truyền hình cáp sử dụng 256-QAM.
Các kiểu mã hoá phức tạp như vậy cũng hoạt động trên cáp quang, nhưng như bạn nghĩ, sẽ có những trở ngại. Kiểu mã hoá càng phức tạp thì thông tin càng bị nén gần nhau hơn. Tín hiệu chỉ có thể chịu được mức nhiễu nhỏ hơn trước khi các thành phần của nó bị thay đổi đến các vị trí sai. Tăng công suất phát lên thì có thể làm giảm ảnh hưởng của nhiễu, nhưng nó lại làm tăng biến dạng phi tuyến. Mà biến dạng phi tuyến lại thường trở nên tệ hơn khi khoảng cách truyền tăng lên. Vì thế, các nhà thiết kế hệ thống nhìn chung chỉ dùng 16-QAM cho các đường truyền tương đối ngắn—khoảng dưới vài trăm km.
Còn đối với cáp quang đường dài, thay vào đó, các kĩ sư tìm cách ép các kênh bước sóng lại gần nhau hơn. Vẫn còn có chỗ để làm điều này: các cáp quang đường dài hiện đại ngày nay có thể chứa hàng chục kênh nhưng giữa chúng có các dải bước sóng không được sử dụng để tránh nhiễu giữa các kênh (cross talk). Nếu các vùng đệm này cũng được sử dùng thì các sợi quang sẽ có nhiều kênh hơn nữa, và tạo ra cái mà các kĩ sư hệ thống gọi là siêu kênh, có khả năng phát ở tất cả các bước sóng bên trong dải bước sóng của sợi quang. Biện pháp này có thể tăng hiệu suất truyền lên thêm 30%, theo Helen Xenos, giám đốc sản phẩm và tiếp thị công nghệ của Ciena.
Vấn đề là tìm cách để mã hoá tín hiệu sao cho chúng không gây nhiễu cho nhau, và ít nhất thì một vài công ty đã tìm ra cách. Năm 2013, Ciena và công ty Viễn thông Anh quốc (British Telecommunicatioins, BT) đã gộp nhiều kênh lại với nhau mà không có các dải tần đệm để tạo nên một siêu kênh 800 Gb truyền qua khoảng cách 410km nối giữa London và Ipswich. Theo Ciena thì ít nhất một khách hàng của họ đang trong quá trình lắp đặt một hệ thống siêu kênh trên cáp quang chạy xuyên biển.
Ciena cho biết họ dùng các chip độc lập để tạo ra các tín hiệu laser. Nhưng họ cũng có thể kết hợp lại trên một chíp, cách này gọn hơn và có thể rẻ hơn. “Bí mật của chúng tôi nằm ở công nghệ mạch tích hợp quang học,” theo Geoff Bennertt, giám đốc giải pháp và công nghệ ở Infinera. Năm 2014, Bennett nói, công ty đã giới thiệu một siêu kênh ngắn có tốc độ 1-Tb được tạo thành bởi 10 bộ phát laser được tích hợp trên một mạch tích hợp quang học duy nhất. Ông nói các hệ thống trong tương lại có thể có khả năng đưa dung lượng của sợi quang lên 12 Tb/s trong các mạng đường dài—và gấp đôi con số đó cho các hệ thống ngắn hơn dùng trong khu vực đô thị.
Các mode của tín hiệu bên trong sợi quang: Tín hiệu ở các “mode” khác nhau—có phân bố không gian khác nhau—có thể được truyền trên cùng một sợi quang để tăng dung lượng. Ánh sáng ở trong một mode sẽ có cường độ khác nhau ở các điểm khác nhau trên cùng một mặt cắt. Hình trên là ví dụ về hình dáng của các mode khi được đưa lên sợi quang. Phần dưới của hình cho thấy cách thức mà một mode có thể thay đổi giữa các trạng thái khác nhau khi nó di chuyển dọc theo sợi quang. (Minh hoạ: từ P.J. Winzer, Bell Labs Technical Journal, vol. 19, pp. 22–30 (2014))
Những siêu kênh 12-Tb/s như vậy chắc cũng phải vài năm nữa mới có mặt. Nhưng khi chúng ra đời, chúng rất có thể sẽ là giải pháp tăng dung lượng cuối cùng mà ta có thể làm đối với thế hệ sợi quang đã được lắp đặt. Đó là bởi vì các sợi quang này sẽ tiến đến một giới hạn cơ bản được gọi là giới hạn phi tuyến Shannon. Đó là một phiên bản mở rộng của một giới hạn được mô tả năm 1984 bởi nhà lý thuyết về truyền tín hiệu tên là Claude Shannon, trong đó ông nói rằng khả năng truyền tải không bị lỗi của một kênh truyền bị giới hạn bởi băng thông và tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Phiên bản phi tuyến của giới hạn này có bổ sung thêm một yếu tố có khả năng giới hạn khả năng truyền tải nữa: giới hạn về công suất tín hiệu trước khi các hiệu ứng phi tuyến có thể xảy ra trong sợi quang—nhưng không xảy ra trong không khí—tạo ra đủ nhiểu để làm hỏng tín hiệu.
Chẳng có cách nào để vượt qua giới hạn phi tuyến Shannon. Nhưng đến khi cần phải lắp thêm sợi quang, các công ty truyền tải sẽ có những lựa chọn khác. “Cách đã được kiểm chứng và được hiểu rõ nhất”, theo Bennett, chỉ đơn giản là dùng sợi quang có lõi lớn hơn. Các sợi quang thời kì đầu được thiết kế với các lõi nhỏ, điều này giới hạn đáng kể số lượng đường dẫn ánh sáng mà nó có thể truyền được. Sử dụng lõi nhỏ giúp tránh các photon trong tín hiệu va chạm vào thành lõi (nơi tiếp giáp với lớp bọc) ở các góc khác nhau. Nếu photon trong một xung di chuyển như vậy, chúng sẽ đi trên các đường khác nhau—một số dài hơn, một số ngắn hơn—làm cho xung bị trải dài ra và có thể gây nhiễu lên xung kế tiếp.
Các thiết kế sợi quang mới sử dụng lõi có các cấu trúc lõi siêu nhỏ mới, chẳng hạn như tinh thể quang tử (photonic crystals), để buộc ánh sáng chạy theo cùng một đường trên một lõi có tiết diện có thể lên đến gấp hai lần loại cáp quang tiêu chuẩn 9 micro-meter. Do tín hiệu có nhiều không gian hơn, tính theo diện tích mặt cắt, để chạy, mật độ năng lượng của nó thấp hơn. Việc giảm mật độ năng lượng này làm giảm các hiệu ứng phi tuyến vốn giới hạn khoảng cách và tốc độ truyền. Kết quả là tốc độ dữ liệu tăng lên; các phiên bản trong tương lai có thể tăng dung lượng lên gấp 10 lần, theo Bennett.
Các sợi quang có lõi lớn hơn này đã được triển khai, chủ yếu là trong các tuyến cáp quang biển nơi mà dung lượng truyền tải là yếu tố quan trọng nhất. Và chúng cơ bản là một lựa chọn tốt cho các tuyến cáp mới, theo Bennett: “Nếu ai đó đang lên kế hoạch xây dựng một tuyến cáp quang mặt đất, họ cũng nên dùng sợi quang lõi lớn.” Nhưng cho dù có thể rất hấp dẫn, các sợi quang lõi lớn không hoàn toàn loại bỏ được vấn đề biến dạng phi tuyến.
Một giải pháp nhiều hứa hẹn hơn là tạo ra nhiều đường dẫn song song để các tín hiệu ánh sáng riêng biệt có thể chạy qua. Các nhà phát triển gọi nó là ghép kênh phân chia theo không gian do nó dựa trên việc tách dữ liệu phát thành nhiều đường dẫn vật lý khác nhau.
Thuật ngữ này thực ra đề cập đến ba loại truyền dẫn song song khác nhau. Cách đơn giản nhất và dễ thấy nhất để có thêm các đường dẫn vật lý là bổ sung thêm sợi quang vào tuyến cáp. Các cáp quang nhiều sợi đã được sử dụng rộng rãi, nhưng việc tăng dung lượng có thể tốn kém và phức tạp do mỗi sợi quang trong tuyến cáp cần có các bộ phát, thu, và khuếch đại riêng.
Nếu các kĩ sư tìm ra cách để gộp các đường dẫn ánh sáng lên cùng một sợi quang một cách gọn gàng thì sẽ hiệu quả hơn nhiều. Một biện pháp là chế tạo các sợi quang có nhiều lõi dẫn hướng ánh sáng chạy dọc theo chiều dài của chúng. Giống như một sợi quang bình thường, một sợi quang nhiều lõi được chế tạo bằng cách sắp xếp các vật liệu cần thiết theo một cấu trúc hình trụ, rồi sau đó nung nóng nó để có thể kéo thành một sợi quang dài và mảnh.
Không như những dây cáp dùng nhiều sợi quang vốn cần có các bộ khuếch đại riêng rẽ cho từng sợi, loại sợi quang nhiều lõi có thể được dùng với một bộ khuếch đại nhiều lõi. Một bộ khuếch đại 8 lõi rất có thể sẽ rẻ hơn nhiều so với tám bộ khuếch đại cho tám sợi quang riêng lẻ.
Một cách khác là tạo ra một lõi có thể hướng ánh sáng đi theo một vài cách khác nhau, gọi là các mode. Tín hiệu ánh sáng ở hai mode khác nhau có thể giao nhau khi chúng được truyền trên sợi quang, nhưng chúng có thể tách ra được khi đi ra khỏi sợi quang.
Để tạo ra nhiều mode trong một sợi quang, mỗi mode của từng tín hiệu phải được định dạng để có mặt cắt phù hợp khi nó đi vào sợi quang. Mỗi mode có thể cần phải được tạo ra bởi nguồn laser của riêng nó, và các thiết bị quang và điện tử ở đầu thu phải có khả năng tách các mode ra. Việc tách này đã được thực hiện trong các hệ thống vô tuyến sử dụng nhiều ăng-ten vào và ra (multiple-input/multiple-output).
Các sợi quang lõi lớn, như trong hình trên, sử dụng các cấu trúc đặc biệt để giúp dẫn hướng tín hiệu và tăng dung lượng. (Hình: NKT Photonics)
Cho đến thời điểm này, cả hai phương pháp truyền dùng nhiều mode và dùng nhiều lõi đang mới được nghiên cứu. Đã có nhiều thử nghiệm, còn được gọi là “thử nghiệm trình diễn” do chúng được thực hiện nhằm mục đích thiết lập các kỉ lục để gây ấn tượng với báo giới hay với giới quan sát. Những thí nghiệm đó cho thấy mỗi phương pháp đều có tiềm năng giúp tăng dung lượng sợi quang lên đáng kể. Khi kết hợp lại với nhau chúng có thể sẽ đẩy dung lượng lên đến gấp hàng trăm lần.
Nhưng các hệ thống cần thiết để khai thác những giải pháp này thì vẫn chưa thực tế lắm, và vẫn còn rất nhiều câu hỏi cần phải trả lời. “Về cơ bản tất cả các kĩ thuật ghép kênh phân chia theo không gian ngày nay đều gặp những trở ngại khó thể vượt qua,” theo Bennett. Ví dụ như với sợi quang nhiều lõi và nhiều mode, việc kết nối đầu cuối của các sợi quang vào các bộ thu và phát phức tạp hơn rất nhiều so với các sợi quang thường. Trong cả hai trường hợp, độ chính xác cơ khí cần phải cao hơn rất nhiều. Phải cực kì cẩn trọng để đảm bảo ánh sáng đi đúng vào nơi nó cần phải đến. Và với các sợi quang nhiều lõi dùng kèm với các bộ khuếch đại nhiều lõi, các lõi trong mỗi hệ thống phải được ghép với nhau cực kì chính xác.
Trừ khi có một bước đột phá công nghệ, “dùng thêm một sợi quang gần như chắc chắn là dễ dàng hơn,” Bennett nói. “Đó là điều mà các nhà cung cấp dịch vụ cho chúng tôi biết.”
Peter Winzer, một chuyên viên cấp cao ở Bell Labs và là người đi đầu trong lĩnh vực sợi quang tốc độ cao đồng ý rằng việc lắp đặt các sợi cáp mới với nhiều sợi quang hơn là cách đơn giản nhất. Nhưng trong một bài báo mới đây, ông cảnh báo rằng cách này, vốn sẽ làm tăng chi phí của một tuyến cáp, có thể sẽ không phổ biến trong các công ty viễn thông. Nó sẽ không giúp giảm chi phí truyền tải mỗi bit dữ liệu nhiều như mức mà họ đã thấy từ những cải tiến công nghệ trước kia.
Các ý tưởng mới vẫn tiếp tục ra đời. Tháng Sáu năm 2015, Nikola Alic ở Đại học California, San Diego, và các cộng sự đã trình bày một cách tăng khoảng cách truyền tải sợi quang bằng cách sử dụng các lược tần số (frequency comb) quang học để giữ các bước sóng laser ổn định so với nhau và điều này loại bỏ jitter và cải thiện chất lượng tín hiệu. “Chúng tôi có thể tăng tối thiểu là gấp đôi tốc độ dữ liệu của mọi hệ thống” bằng cách sử dụng một lược tần số, theo Alic. “Đó là một nghiên cứu hay và đáng tin cậy,” Winzer nói, nhưng ông không cho rằng nó sẽ có nhiều tác động trong thực tiễn, do các nhà phát triển muốn có mức tăng lớn hơn.
Vậy tiếp theo sẽ là cái gì? Các công ty truyền tải viễn thông ngày nay bận rộn với việc lắp đặt các hệ thống 100Gb dùng kĩ thuật coherent. Các siêu kênh sẽ nâng dung lượng cực đại lên thêm khoảng 30% nữa, và kĩ thuật ghép kênh phân chia theo không gian có vẻ như sẽ là giải pháp tốt nhất để có bước nhảy vọt tiếp theo trong dung lượng. Nhưng sau đó thì sao?
Có lẽ một biến thể của một ý tưởng cũ sẽ ra đời. Truyền tải kiểu coherent, được áp dụng vào khoảng năm 2010, thực ra là một ý tưởng nóng hổi vào những năm 1980, nhưng lúc đó nó đã không thắng được các công nghệ khác vốn đã sẵn sàng để triển khai. Một cái gì đó hoàn toàn mới có thể nảy mầm trên địa hạt nghiên cứu quang học vốn rất màu mỡ. Và chúng ta luôn có thể lắp đặt thêm nhiều sợi quang nữa. Trong bất kì tình huống nào, nhu cầu dữ liệu toàn cầu sẽ luôn buộc các kĩ sư làm việc cật lực để liên tục tăng lượng băng thông.
Tác giả: Nhà báo tự do Jeff Hecht đã viết về sợi quang trong khoảng 40 năm—”một khoảng thời gian dài đáng xấu hổ,” ông nói—và đã viết nhiều sách về chủ đề này trong khoảng thời gian đó. Hồi tưởng lại, ông nói, “Nó giống như viết về một đội thể thao chỉ biết đến chiến thắng.” Câu hỏi bây giờ là: Chiến thắng kế tiếp sẽ là gì?
Tạ Minh Chiến
Phạm Duy Đông
Huỳnh Lê Vũ Dương
Hồ Quang Tây
mikekan15
Nguyễn Công Thành
Hoa-Phuong Nguyen
Huỳnh Trọng Anh
Đinh Thành Việt
Chuyên Mục Công Nghệ 