Ánh sáng trong sợi cáp quang "chở" dữ liệu liên lục địa như thế nào?

Thứ Hai 28/08/2023
GVN360

Tín hiệu ánh sáng trong sợi quang/cáp quang đã góp phần quan trọng để kết nối chúng ta, giúp những con người cách nhau hàng ngàn km có thể dễ dàng trao gửi yêu thương (trừ khi nó đứt). Vậy thì nó làm điều đó như thế nào? Trong bài viết sau đây, mời các bạn cùng tìm hiểu nguyên ký hoạt động cơ bản của cáp quang, về cách mà loài người đã dùng ánh sáng để “chở” dữ liệu đi khắp thế giới.

Bằng cách “nhấp nháy”, ánh sáng có thể truyền dữ liệu đi khắp thế giới trong các sợi quang

Nếu bạn dùng một cái đèn pin và truyền tín hiệu mã morse cho người khác bằng cách chớp tắt thì đó là bạn đang gửi dữ liệu bằng tín hiệu ánh sáng rồi đấy. Dữ liệu dạng ánh sáng trong sợi cáp quang cũng tương tự như vậy. Bằng cách “nhấp nháy”, nguồn phát tín hiệu có thể truyền dữ liệu, giúp kết nối người với người, trung tâm dữ liệu và trung tâm dữ liệu, góp phần quan trọng tạo nên mạng lưới thông tin toàn cầu mà chúng ta thấy ngày nay.

Đến đây thì mình nghĩ là đã có một số bạn biết rồi. Nhưng chính xác thì làm thế nào mà tín hiệu ánh sáng có thể truyền đi xa hàng ngàn km, vượt đại dương và xuyên lục địa nhỉ? Bí mật cơ bản nhất là nằm trong cấu tạo của sợi quang.

Sợi quang có lõi trong suốt và lớp bọc phản xạ giúp truyền dữ liệu dưới dạng ánh sáng đi rất xa

Quay lại với cái đèn pin hồi nãy, nếu bạn cầm đèn pin rồi rọi vào một đường hầm rất dài thì bạn sẽ thấy càng đi xa, ánh sáng sẽ càng yếu dần rồi tắt hẳn. Hiện tượng này là do ánh sáng bị phân tán khi chiếu đi xa, và sợi quang được sinh ra để giải quyết nó bằng cách ứng dụng một hiện tượng khác – phản xạ toàn phần.

*Cho bạn nào không nhớ hiện tượng phản xạ toàn phần

Khi ánh sáng truyền từ môi trường trong suốt 1 sang môi trường trong suốt 2, nếu chiết suất của môi trường trong suốt 1 lớn hơn chiết suất của môi trường trong suốt 2 và ánh sáng chạm mặt phân cách giữa 2 môi trường ở một góc đủ hẹp, nó sẽ bị phản xạ lại. Đây là hiện tượng phản xạ toàn phần.

Lõi sợi quang được làm bằng thủy tinh nguyên chất hoặc nhựa trong suốt để ánh sáng có thể dễ dàng truyền qua, lớp phủ thì được pha một chút chất phụ gia để giảm giá trị chiết suất của nó. Hoặc lõi sợi quang cũng có thể được pha chất phụ gia để tăng giá trị chiết suất. Khi ánh sáng đi trong lõi sợi quang và đập vào lớp phủ, nó sẽ bị bật lại và tiếp tục đi trong sợi quang.

Bằng cách này, ánh sáng sẽ đập qua đập lại trong sợi quang như một đường zigzag và truyền đi một khoảng cách rất xa. Thậm chí nó còn có thể truyền theo đường cong của sợi cáp luôn. Đó là lý do mà mấy bạn có thể uốn sợi cáp quang nhà mình mà không sợ làm nó mất tín hiệu.

Tín hiệu ánh sáng luôn yếu đi theo khoảng cách nên sợi quang cần có các bộ chuyển tiếp

Trên lý thuyết thì ánh sáng có thể truyền đi mãi mãi như thế trong sợi quang, tuy nhiên thế giới thực của chúng ta rắc rối hơn vậy nhiều. Sợi quang không hề hoàn hảo tuyệt đối, nó vẫn có những khiếm khuyết rất nhỏ trên suốt chiều dài của sợi cáp, khiến cường độ ánh sáng bị giảm theo khoảng cách. Vì thế mà chúng ta cần có các bộ chuyển tiếp tín hiệu giữa các tuyến cáp quang liên lục địa. Các bộ chuyển tiếp này có 2 dạng là repeater và amplifier.

Trong đó thì repeater sẽ nhận tín hiệu ánh sáng đã bị yếu đi (nhưng vẫn ở mức mà nó còn đọc được) để chuyển tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu kỹ thuật số. Sau đó nó lại chuyển tín hiệu kỹ thuật số thành tín hiệu ánh sáng nhưng với cường độ mạnh gấp nhiều lần, đủ để tín hiệu đi được một quãng đường dài trước khi gặp bộ chuyển tiếp tiếp theo hoặc thiết bị nhận tín hiệu ở đầu bên kia của tuyến cáp.

Tuy nhiên các bộ repeater thế này khá phức tạp, chi phí cao và có độ trễ nên hiện nay trên nhiều tuyến cáp, người ta đã chuyển sang dùng bộ chuyển tiếp kiểu amplifier. Amplifier có các sợi quang được pha chất phụ gia có tác dụng khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng đã bị suy yếu ngay khi chạm vào chúng. Bản thân các ion trong sợi quang sẽ phát lại tín hiệu tương tự nhưng với cường độ mạnh hơn rất nhiều so với tín hiệu đầu vào.

Cáp quang và các bộ chuyển tiếp tín hiệu ánh sáng đã kết nối cả thế giới

Bằng cách truyền tín hiệu đi thật xa rồi khuếch đại nó lên trước khi nó nó suy yếu đến mức không đọc được, các tuyến cáp quang có thể mang tín hiệu vượt đại dương, xuyên lục địa.

Cáp quang cũng có một ưu điểm rất đáng giá so với cáp đồng, đó là nó không gây nhiễu tín hiệu cho các sợi cáp quang xung quanh. Thế nên với các tuyến cáp quang lớn thì người ta có thể bó nhiều sợi lại với nhau cùng với cáp trục chịu lực. Mỗi sợi quang đều lưu chuyển lượng thông tin rất lớn, và nhiều sợi như thế sẽ “chở” một lượng dữ liệu khổng lồ trong một sợi cáp quang lớn duy nhất, kết nối các phần của thế giới loài người lại với nhau.

Ngoài ra thì sợi quang còn có những ứng dụng khác ngoài việc truyền dữ liệu nữa. Ví dụ như trong y tế hay cụ thể là nội soi. Nó sẽ dẫn ánh sáng luồn lách theo thiết bị nội soi để bác sĩ dễ dàng nhìn vào cơ thể bệnh nhân một cách rõ ràng. Sợi quang cũng được ứng dụng để giúp soi các chi tiết máy và hệ thống ống nước nữa.

Trên đây là bài viết về cách mà ánh sáng trong những sợi cáp quang truyền dữ liệu đi khắp thế giới. Hy vọng rằng nó đã mang đến cho các bạn những thông tin thú vị. Cảm ơn các bạn vì đã quan tâm theo dõi nhé.

Mời các bạn tham khảo thêm một số thông tin liên quan tại GVN 360 như:

Nguồn: Techquickie