Truyền dữ liệu quang hoạt động như thế nào?

 

 

Một sợi thủy tinh mỏng hơn sợi tóc người mang băng thông 43 terahertz. Toàn bộ lưu lượng truy cập Internet của khu vực lân cận của bạn-mọi luồng Netflix, cuộc gọi Zoom và nội dung tải lên TikTok- đều chảy qua thứ gì đó mà bạn có thể vô tình hút sạch. Đây không phải là năng lực lý thuyết. Các hệ thống cáp quang được chứng minh vào năm 2024 đã đẩy hàng chục terabit mỗi giây qua một sợi cáp, khiến việc truyền dữ liệu quang trở thành xương sống của các mạng hiện đại.

Vật lý ban đầu có vẻ lạc hậu. Thủy tinh dẫn ánh sáng tốt hơn đồng dẫn điện cho dữ liệu. Tốt hơn nhiều. Sau một km cáp quang, bạn sẽ mất ít tín hiệu hơn so với việc ánh sáng phản chiếu vào gương một lần.

Hầu hết các giải thích đều bắt đầu bằng "ánh sáng truyền qua thủy tinh". Đúng, nhưng vô ích. Phần thú vị là những gì xảy ra ở ranh giới thủy tinh-nơi vật lý tạo ra một tấm gương hoàn hảo chỉ tồn tại khi bạn cần. Không có lớp phủ. Không có mặt sau bằng bạc. Chỉ cần hai loại kính chạm vào nhau, bỗng nhiên ánh sáng dù có muốn cũng không thể thoát ra được.

 

 

Cách truyền dữ liệu quang sử dụng phản xạ toàn phần

 

Phản xạ toàn phần không hoạt động như gương bình thường. Chiếu ánh sáng vào một tấm gương thông thường ở mọi góc độ, bạn sẽ nhận được sự phản chiếu. Với sợi quang, sự phản xạ chỉ xảy ra khi ánh sáng chạm tới ranh giới trên 42 độ (đối với kính thông thường-đối với-không khí). Dưới góc đó? Ánh sáng xuyên qua như thể ranh giới không tồn tại.

Sự phản xạ có chọn lọc này tạo ra một bẫy ánh sáng. Khi các photon đi vào lõi sợi quang ở góc bên phải, chúng sẽ bị khóa về mặt hình học. Mỗi lần bật lại sẽ giữ chúng ở trên góc tới hạn. Ánh sáng chạy ngoằn ngoèo trên cáp với vận tốc 186.000 dặm/giây (khoảng 2-tốc độ của nó trong chân không, bị chậm lại do chiết suất của thủy tinh khoảng 1,5).

Giao diện lớp bọc cốt lõi-làm cho việc này hoạt động được. Lõi có chiết suất xấp xỉ 1,48, trong khi lớp vỏ nằm ở mức 1,46. Sự khác biệt 0,02 này-chỉ một biến thể 1,3%-là đủ. Ánh sáng cố gắng thoát khỏi lõi dày đặc hơn vào lớp bọc ít đậm đặc hơn chạm vào ranh giới đó và phản xạ hoàn hảo, về cơ bản làm mất năng lượng bằng 0 đối với lớp bọc.

Sợi đơn chế độ- còn tiến xa hơn nữa. Với đường kính lõi chỉ 8{5}}10 micron (một tế bào hồng cầu có kích thước khoảng 7 micron), chúng chỉ cho phép một đường đi của ánh sáng. Điều này giúp loại bỏ vấn đề phân tán phương thức-trong đó các đường ánh sáng khác nhau xuyên qua sợi quang đến vào những thời điểm khác nhau, làm mờ tín hiệu của bạn. Sợi đơn mode có thể truyền dữ liệu đi xa hơn 40 km mà không cần khuếch đại.

 

Chuyển đổi electron thành photon

 

Ở đầu truyền có một diode laser hoặc đèn LED. Dữ liệu đến dưới dạng xung điện: điện áp cao bằng nhị phân 1, điện áp thấp bằng nhị phân 0. Tia laser chuyển đổi chúng thành xung ánh sáng ở các bước sóng 850nm, 1310nm hoặc 1550nm-tất cả đều là tia hồng ngoại, mắt người không nhìn thấy được.

Tại sao hồng ngoại? Hai lý do. Đầu tiên, thủy tinh trong suốt nhất ở những bước sóng này, với độ suy giảm dưới 0,2 dB trên km ở bước sóng 1550nm. Thứ hai, bộ tách sóng quang silicon có độ nhạy cao nhất trong phạm vi này. "Cửa sổ" 1550nm đặc biệt có giá trị vì nó chạm tới điểm tốt nhất nơi mà sự hấp thụ, tán xạ và phân tán thủy tinh đều được giảm thiểu.

Điốt laser có thể điều chỉnh ở tốc độ phi thường. Các hệ thống hiện đại sử dụng điều chế trực tiếp lên tới 25 Gbps, trong đó tia laser tự bật và tắt hàng tỷ lần mỗi giây. Ngoài 25 Gbps, hệ thống chuyển sang điều chế bên ngoài-tia laser chạy liên tục trong khi một bộ điều biến riêng biệt

(thường dựa trên hiệu ứng quang điện) thay đổi biên độ, pha hoặc cả hai của ánh sáng.

Các hệ thống truyền kết hợp điều chế cả biên độ và pha, sử dụng các kỹ thuật như 16-QAM (điều chế biên độ cầu phương) hoặc 64-QAM. Điều này cho phép họ mã hóa 4 hoặc 6 bit cho mỗi ký hiệu thay vì chỉ 1 bit. Thêm tính năng ghép kênh phân cực-gửi hai luồng dữ liệu độc lập trên các phân cực ánh sáng trực giao-và bạn lại tăng gấp đôi công suất. Kết quả: hiệu suất quang phổ đạt tới 10 bit mỗi giây trên mỗi hertz băng thông.

Quá trình mã hóa diễn ra trong vài nano giây. Tín hiệu điện đến ở tốc độ 100 Gbps có nghĩa là bộ điều biến phải thay đổi trạng thái cứ sau 10 pico giây (10^-11 giây). Ở tốc độ này, các linh kiện điện tử đạt đến giới hạn vật lý của chúng. Đó là lý do tại sao hệ thống 400G và 800G ngày càng sử dụng khả năng phát hiện mạch lạc với các chip xử lý tín hiệu số (DSP) thực hiện các phép tính theo thời gian thực để giải mã tín hiệu.

 

Điều gì xảy ra bên trong sợi

 

Ánh sáng không truyền theo đường thẳng qua sợi quang. Nó nảy hàng nghìn lần trên mỗi mét ở sợi quang nhiều{1}}chế độ hoặc đi theo một đường dẫn gần{2}}thẳng trong sợi quang đơn chế độ. Dù thế nào đi nữa, có ba hiện tượng cố gắng phá hủy tín hiệu của bạn.

suy giảmxảy ra do sự hấp thụ và tán xạ. Thủy tinh silica nguyên chất hấp thụ ánh sáng vì không có vật liệu nào trong suốt hoàn toàn. Quá trình sản xuất đưa vào các tạp chất dạng vết (các ion hydroxyl đặc biệt có vấn đề). Sự thay đổi mật độ vi mô trong ánh sáng tán xạ thủy tinh (Tán xạ Rayleigh). Các sợi quang hiện đại đạt được mức suy giảm thấp tới 0,15 dB/km ở 1550nm, nghĩa là sau 60 km, bạn vẫn còn 25% công suất quang ban đầu.

Phân tán màu sắcxảy ra vì chiết suất thay đổi chút ít theo bước sóng. Tia laser không bao giờ phát ra ánh sáng đơn sắc hoàn hảo-mà luôn có độ rộng quang phổ nhất định. Các thành phần bước sóng khác nhau di chuyển với tốc độ hơi khác nhau trong kính. Trên khoảng cách xa, điều này làm lan rộng từng xung ánh sáng, khiến các xung liền kề chồng lên nhau. Ở 1310nm, độ phân tán màu gần bằng 0 đối với sợi tiêu chuẩn. Ở 1550nm, tốc độ này là khoảng 17 ps/(nm·km), nhưng sợi quang bù tán sắc-có thể chống lại điều này.

Phân tán chế độ phân cực (PMD)ảnh hưởng đến cả sợi quang đơn mode. Sợi hình trụ hoàn hảo sẽ duy trì được sự phân cực, nhưng những khiếm khuyết vi mô và ứng suất làm cho sợi có tính lưỡng chiết nhẹ. Ánh sáng ở các trạng thái phân cực khác nhau truyền đi với tốc độ khác nhau, đến những thời điểm khác nhau. PMD là ngẫu nhiên và thay đổi theo nhiệt độ và ứng suất cơ học, khiến nó khó bù hơn phân tán màu.

Hệ thống công suất-cao phải đối mặt với một thách thức bổ sung:hiệu ứng phi tuyến. Ở công suất quang trên khoảng 1 miliwatt, chiết suất của thủy tinh bắt đầu thay đổi theo cường độ. Điều này gây ra bốn hiện tượng-trộn sóng, tự{4}}điều chế pha và điều chế chéo pha-trong đó các kênh bước sóng khác nhau giao thoa với nhau. Các kỹ sư quản lý việc này bằng cách duy trì-công suất mỗi kênh ở mức thấp và giãn cách các kênh bước sóng một cách thích hợp.

 

Biến ánh sáng trở lại thành dữ liệu

 

Bộ tách sóng quang ở đầu nhận chuyển đổi photon trở lại electron. Hầu hết các hệ thống đều sử dụng điốt quang PIN (dương-nội tại{2}}âm) hoặc APD (điốt quang tuyết lở). Khi một photon chạm vào photodiode, nó sẽ kích thích một electron, tạo ra dòng điện tỷ lệ với công suất quang.

Điốt quang PIN đơn giản hơn và tuyến tính hơn nhưng yêu cầu tín hiệu mạnh hơn. APD mang lại mức tăng ích bên trong (như ống nhân quang) thông qua phép nhân tuyết lở-một photon có thể tạo ra hàng chục electron. Điều này làm cho APD có độ nhạy cao hơn 10-20 lần so với điốt quang PIN, điều này rất quan trọng đối với các hệ thống đường dài nơi nguồn tín hiệu yếu.

Nhưng quá trình tách sóng quang gây ra nhiễu. Nhiễu nhiệt từ bộ khuếch đại điện tử làm tăng thêm sự dao động dòng điện ngẫu nhiên. Nhiễu bắn phát sinh từ bản chất lượng tử của ánh sáng-các photon đến ngẫu nhiên, không phải theo các luồng hoàn toàn đều đặn, gây ra các biến đổi thống kê trong dòng quang điện. Và trong APD, quá trình tuyết lở làm tăng thêm tiếng ồn.

Bộ thu phải quyết định xem mỗi ký hiệu đại diện cho 0 hay 1 (hoặc đối với điều chế nhiều{2}}cấp, giá trị nào có thể có nhiều giá trị). Ngưỡng quyết định này trở nên quan trọng khi nhiễu và suy giảm tín hiệu làm mờ đi sự khác biệt. Bộ thu nâng cao sử dụng tính năng sửa lỗi chuyển tiếp (FEC)-thêm dữ liệu dư thừa vào dữ liệu được truyền để cho phép bộ thu phát hiện và sửa lỗi bit mà không cần truyền lại.

Các hệ thống 100G và 400G hiện đại sử dụng máy thu kết hợp với laser dao động cục bộ. Bằng cách trộn tín hiệu quang tới với bộ dao động cục bộ này, họ có thể phát hiện không chỉ cường độ mà còn cả pha và phân cực. Điều này khôi phục tất cả thông tin được mã hóa bởi các bộ phát kết hợp và cho phép các kỹ thuật DSP phức tạp bù đắp cho sự suy giảm của sợi quang trong-thời gian thực.

Toàn bộ chu trình nhận-truyền sẽ gây ra độ trễ. Đối với sợi quang đơn mode, ánh sáng truyền với tốc độ khoảng 200.000 km/s (có tính đến chiết suất của thủy tinh). New York tới London qua cáp xuyên Đại Tây Dương (khoảng 5.500 km) có nghĩa là độ trễ truyền sóng khoảng 28 mili giây. Thêm chi phí xử lý, chuyển mạch và giao thức thu phát và bạn nhận được tổng cộng 60{11}}70 mili giây - vẫn nhanh một cách ấn tượng.

 

Bước sóng-Ghép kênh phân chia: Truyền dữ liệu quang theo tỷ lệ

 

Các hệ thống bước sóng đơn đạt tốc độ tối đa khoảng 400 Gbps trên mỗi sợi quang với công nghệ hiện tại. Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) phá vỡ giới hạn này bằng cách gửi đồng thời nhiều bước sóng qua một sợi quang. Mỗi bước sóng mang một luồng dữ liệu độc lập.

Các hệ thống DWDM (WDM dày đặc) đóng gói các bước sóng chặt chẽ, thường cách nhau 50 GHz hoặc 100 GHz trong băng tần C{2}} (1530-1565 nm). Các hệ thống hiện đại triển khai 80 đến 96 kênh, mỗi kênh mang 100-400 Gbps, cho tổng dung lượng cáp quang là 8-38 terabit mỗi giây. Thế là đủ để tải xuống toàn bộ thư viện Netflix trong khoảng 20 giây.

Mỗi bước sóng cần có tia laser riêng, được điều chỉnh chính xác và ổn định nhiệt độ-. Ngay cả những bước sóng nhỏ cũng có thể khiến các kênh chồng lên nhau. Bộ ghép kênh quang kết hợp các bước sóng này thành một sợi duy nhất và bộ tách kênh tách chúng ở đầu thu. Các thiết bị này sử dụng các bộ lọc giao thoa, cách tử nhiễu xạ hoặc cách tử dẫn sóng dàn trận để phân biệt giữa các bước sóng cách nhau chỉ 0,4 nanomet.

Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium-(EDFA) khuếch đại đồng thời tất cả các kênh WDM. Khi được bơm bằng tia laser có bước sóng 980nm hoặc 1480nm, các ion erbium trong lõi sợi quang hoạt động như một môi trường khuếch đại, khuếch đại tín hiệu trong phạm vi 1530-1565nm. EDFA cho phép khuếch đại toàn quang mà không cần chuyển đổi sang thiết bị điện tử, cho phép cáp ngầm đi qua các đại dương bằng bộ khuếch đại cứ sau 40-80 km.

Các hệ thống WDM thực tế phải đối mặt với những thách thức kỹ thuật. Hiệu ứng phi tuyến mở rộng theo số lượng kênh và tổng công suất. Nhiễu xuyên kênh tích tụ trên khoảng cách xa. Và việc quản lý 96 tia laser được điều chỉnh-chính xác theo sự thay đổi nhiệt độ và quá trình lão hóa đòi hỏi phải có hệ thống điều khiển phức tạp. Tuy nhiên, việc tăng băng thông khiến cho-cáp ngầm dưới biển được lắp đặt vào năm 2024 có tốc độ 24 terabit trên mỗi cặp sợi quang.

 

Trường hợp truyền dẫn quang bị lỗi

 

Sự ô nhiễm giết chết tín hiệu quang học.Dấu vân tay trên đầu nối cáp quang có thể gây ra suy hao chèn 1-2 dB-ở 1550nm, tức là làm mất 20-37% tín hiệu chỉ do dầu trên da. Các hạt bụi tán xạ ánh sáng. Việc vệ sinh đúng cách cần có cồn isopropyl và khăn lau không có xơ, cộng với việc kiểm tra bằng kính hiển vi (độ phóng đại 400 lần sẽ phát hiện các khuyết tật trên bề mặt). Các trung tâm dữ liệu báo cáo rằng 80% sự cố kết nối đều bắt nguồn từ đầu nối bị bẩn.

Sát thương vật lýxảy ra dễ dàng hơn bạn mong đợi. Bán kính uốn cong tới hạn của sợi quang thường là 30mm khi lắp đặt và 15mm khi vận hành lâu dài. Những khúc cua chặt hơn gây mất khả năng uốn cong vi mô-ánh sáng "rò rỉ" ra ngoài ở khúc cua. Macrobending xảy ra khi sợi quấn quanh cuộn cáp quá chặt. Và loài gặm nhấm thích gặm nhấm các sợi cáp (rõ ràng là các thành viên sức mạnh có vị rất ngon). Cáp bọc thép giúp ích nhưng lại tăng thêm chi phí.

Lỗi kết nốixếp hạng là vấn đề hàng đầu. Mối nối cơ khí làm sai lệch lõi sợi. Mối nối nhiệt hạch kém để lại những khoảng trống không khí hoặc ô nhiễm. Ngay cả những đầu nối tốt cũng có mức suy hao chèn 0,2-0,5 dB trên mỗi cặp. Trong một liên kết có 10 đầu nối, bạn sẽ mất 2-5 dB trước khi tính đến độ suy giảm của sợi quang. Cáp được kết thúc trước giảm thiểu điều này nhưng làm giảm tính linh hoạt.

Yếu tố môi trườnghệ thống quang học ứng suất. Sự thay đổi nhiệt độ làm thay đổi chiều dài sợi quang (hệ số giãn nở nhiệt khoảng 0,5 ppm/độ), gây ra sự lệch bước sóng trong hệ thống WDM. Độ ẩm không ảnh hưởng trực tiếp đến kính nhưng lại ăn mòn các đầu nối, hộp nối. Rung trong môi trường công nghiệp có thể làm lỏng các đầu nối. Và các xung điện từ do sét hoặc các sự cố về điện không trực tiếp làm hỏng sợi quang nhưng có thể phá hủy các bộ thu phát.

Khả năng tương thích của máy thu phátlàm nản lòng các kỹ sư mạng. Mô-đun SFP+ từ nhà cung cấp A có thể không hoạt động trong bộ chuyển mạch của nhà cung cấp B, ngay cả khi cả hai đều yêu cầu tuân thủ các tiêu chuẩn. Các định dạng dữ liệu Giám sát quang học kỹ thuật số (DOM) khác nhau. Ngân sách điện không phải lúc nào cũng phù hợp. Và việc sử dụng bộ thu phát đường dài (được thiết kế cho 40km) trong ứng dụng đường dài-ngắn (300m) có thể làm quá tải bộ thu, cần có bộ suy giảm quang học.

Số liệu về tỷ lệ lỗi bit (BER) định lượng những lỗi này. Liên kết sợi "sạch" đạt được BER dưới 10^-12 (ít hơn một lỗi trên một nghìn tỷ bit). Khi bị nhiễm bẩn hoặc hư hỏng, chỉ số này giảm xuống còn 10^-6 hoặc tệ hơn, khiến FEC không thể theo kịp. Tại thời điểm đó, việc mất gói sẽ trở thành hiện tượng giật hình khi phát trực tuyến video, tải xuống không thành công, hết thời gian chờ ứng dụng mạng.

 

Thực tế về chi phí và triển khai

 

Sợi quang đa chế độ có giá $0,50-2 mỗi mét, chế độ đơn khoảng $0,30-1 mỗi mét. Bản thân chất xơ thì rẻ. Chi phí lắp đặt chiếm ưu thế: việc đào rãnh cho cáp ngầm tốn 50-200 USD mỗi mét tùy theo địa hình. Việc triển khai trên không trên các cột hiện có giảm chi phí này xuống còn 10-30 USD/m nhưng phải đối mặt với những thách thức về giấy phép và khả năng dễ bị tổn thương do bão.

Bộ thu phát có giá từ 20 USD cho mô-đun 1G SFP đến 500 USD cho 10G SFP+, 2.000 USD cho 100G QSFP28 và 8.000 USD cho 400G QSFP{12}}DD. Bộ thu phát kết hợp đường dài{14}}cho đường liên kết trên 100km có giá 15.000-30.000 USD. Những mức giá này giảm theo thời gian nhưng vẫn chi phối tính kinh tế của các kết nối trung tâm dữ liệu và mạng lưới tàu điện ngầm.

Cáp ngầm thể hiện sự đầu tư tối đa vào truyền dẫn quang học. Một tuyến cáp xuyên Đại Tây Dương có giá từ 300-500 triệu USD và mất hai năm để lắp đặt. Tuy nhiên, nó cung cấp 10-50 năm dịch vụ với tốc độ terabit mỗi giây, khiến tính kinh tế có hiệu quả đối với các nhà cung cấp đường trục Internet lớn. Các loại cáp gần đây như Grace Hopper (2024) trải dài 4.100 dặm với 17 cặp sợi, mỗi cặp mang 24 terabit mỗi giây.

Chi phí bảo trì rất khác nhau. Các trung tâm dữ liệu với môi trường được kiểm soát sẽ gặp ít vấn đề khi cáp được lắp đặt đúng cách. Nhà máy ngoài trời cần được bảo trì liên tục: nước trong các mối nối, đứt sợi khi thi công, ăn mòn đầu nối, hỏng cáp do tải băng. Các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông dành 2-5% chi phí vốn hàng năm cho việc bảo trì.

Tổng chi phí sở hữu ưu tiên cáp quang cho khoảng cách trên 100 mét. Dưới mức đó, đồng hoạt động tốt ở tốc độ 1-10G. Trên 10G, cáp quang trở thành bắt buộc ngay cả khi chạy trong thời gian ngắn. Điểm giao nhau tiếp tục thay đổi khi chi phí thu phát giảm và cáp đồng phải vật lộn với tốc độ cao hơn.

 

 

Miễn phí-Quang học không gian và cáp quang

 

Không phải tất cả đường truyền quang đều sử dụng cáp quang. Hệ thống quang học không gian-miễn phí (FSO) truyền chùm tia laze trong không khí hoặc không gian, đạt tốc độ 10 Gbps trên 1-2 km trong môi trường đô thị hoặc lên tới 40 Gbps giữa các vệ tinh ở quỹ đạo Trái đất thấp.

FSO tránh được chi phí lắp đặt cáp quang, sử dụng các liên kết tạm thời hoặc các vị trí không thể đào rãnh. Xây dựng-để-xây dựng các liên kết qua các đường phố hoặc bãi đậu xe hoạt động tốt. Nhưng FSO phải đối mặt với những thách thức mà sợi quang không làm được: sương mù có thể làm tăng độ suy giảm thêm 100 dB mỗi km (sợi quang: 0,2 dB/km), mưa thêm 10 dB/km và hiện tượng nhấp nháy (nhiễu loạn khí quyển) gây ra hiện tượng mờ dần tín hiệu ngẫu nhiên.

Việc trỏ và theo dõi trở nên quan trọng. Chùm tia 1-milliradian trải dài trên 1 km tạo ra một điểm có bán kính 1- mét. Sự lắc lư của tòa nhà do gió hoặc sự giãn nở nhiệt có thể làm lệch hoàn toàn các liên kết. Hệ thống theo dõi tích cực bù đắp nhưng lại tăng thêm độ phức tạp. Và những chướng ngại vật lý - chim chóc, côn trùng, công trình xây dựng - có thể tạm thời chặn chùm tia.

Các liên kết quang vệ tinh đẩy FSO đến mức cực đoan. Chòm sao SpaceX Starlink sử dụng liên kết chéo laser giữa các vệ tinh, đạt tốc độ 100 Gbps trên khoảng cách lên tới 5.000 km trong chân không. Không có sự suy giảm khí quyển nhưng việc xác định chính xác trong phạm vi hàng nghìn km đòi hỏi các thuật toán phức tạp. Sự dịch chuyển Doppler khỏi chuyển động tương đối phải được bù lại. Và các mảnh vụn không gian là mối đe dọa thường xuyên.

FSO bổ sung hơn là thay thế chất xơ. Sợi cung cấp đường trục có độ tin cậy cao-, trong khi FSO xử lý các trường hợp biên mà sợi quang không thực tế. Hệ thống kết hợp sử dụng cả-sợi cho đường dẫn chính, FSO làm chuyển đổi dự phòng hoặc tăng công suất.

 

Công nghệ mới nổi và định hướng tương lai

 

Sợi lõi-rỗng dẫn ánh sáng xuyên qua không khí bên trong cấu trúc tinh thể quang tử thay vì thủy tinh rắn. Điều này làm giảm độ trễ (ánh sáng truyền với tốc độ gần 300.000 km/s trong không khí so với 200.000 km/s trong thủy tinh) và loại bỏ các hiệu ứng phi tuyến. Các công ty giao dịch tài chính trả phí cho mỗi micro giây tiết kiệm được, giúp sợi lõi rỗng-có hiệu quả kinh tế cho các tuyến đường cụ thể. Những thách thức kỹ thuật vẫn-chi phí sản xuất cao hơn, độ mỏng manh cao hơn và độ nhạy uốn cong tăng lên.

Ghép kênh phân chia không gian (SDM) sử dụng các sợi chế độ đa lõi hoặc một số{2}}chế độ để nhân công suất. Sợi bảy{4}}lõi mang lại hiệu quả cho bạn bảy sợi độc lập trong một cáp. Hệ thống trình diễn đạt được hơn 100 Tbps khi sử dụng SDM kết hợp với WDM. Nhưng việc ghép nối chế độ giữa các lõi gây ra nhiễu xuyên âm và việc ghép nối trở nên khó khăn hơn theo cấp số nhân. Triển khai thương mại vẫn còn 5-10 năm nữa.

Ghép kênh động lượng góc quỹ đạo (OAM) xoắn ánh sáng thành các mặt sóng xoắn ốc, tạo ra một chiều ghép kênh khác. Các cuộc trình diễn trong phòng thí nghiệm cho thấy năng lực tăng lên, nhưng việc triển khai thực tế phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng. Chế độ OAM yêu cầu-không gian trống hoặc sợi chuyên dụng, có độ suy hao cao và cực kỳ nhạy cảm với nhiễu loạn. Hầu hết các nhà nghiên cứu hiện nay coi OAM là sự bổ sung cho các kỹ thuật hiện có hơn là mang tính cách mạng.

Truyền thông lượng tử qua sợi quang cho phép mã hóa không thể phá vỡ về mặt lý thuyết thông qua phân phối khóa lượng tử (QKD). Photon mã hóa các trạng thái lượng tử không thể đo được nếu không làm xáo trộn chúng, tiết lộ những nỗ lực nghe lén. Trung Quốc đã triển khai mạng QKD dài 2.000-km vào năm 2017. Nhưng hệ thống QKD đắt tiền, phức tạp và không trực tiếp tăng dung lượng dữ liệu-mà chúng bảo mật kênh chứ không mở rộng kênh. QKD thực tế vẫn bị giới hạn ở các ứng dụng có độ bảo mật cao.

Quang tử silicon tích hợp các thành phần quang học vào chip silicon bằng cách sử dụng chế tạo CMOS. Điều này hứa hẹn giảm chi phí lớn cho các bộ thu phát, chuyển mạch và bộ ghép kênh. Intel, Cisco và các hãng khác đã xuất xưởng các sản phẩm quang tử silicon vào năm 2024. Tuy nhiên, silicon hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng viễn thông thông thường, đòi hỏi phải tích hợp lai với vật liệu III-V dành cho laser. Công nghệ tiếp tục cải tiến nhưng vẫn chưa đạt được mức giảm chi phí lớn như đã hứa.

 

Câu hỏi thường gặp

 

Tốc độ truyền dữ liệu thực tế qua cáp quang là bao nhiêu?

Tốc độ truyền vật lý của ánh sáng qua sợi thủy tinh là khoảng 200.000 kilômét/giây-khoảng 67% tốc độ ánh sáng trong chân không, bị làm chậm lại bởi chiết suất của thủy tinh là 1,5. Về khả năng truyền dữ liệu, các hệ thống bước sóng đơn-hiện đại đạt được tốc độ 100-400 Gbps, trong khi hệ thống WDM mang nhiều bước sóng đồng thời đạt tới 8-38 terabit/giây trên mỗi sợi quang. Độ trễ trên các khoảng cách thông thường là khoảng 5 micro giây trên mỗi km.

Sợi quang có thể mang điện cùng với dữ liệu không?

Sợi quang tiêu chuẩn chỉ mang tín hiệu ánh sáng và không thể truyền năng lượng điện. Tuy nhiên, cáp lai kết hợp sợi quang với dây dẫn bằng đồng để cung cấp cả dữ liệu và nguồn điện-phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và thiết bị viễn thông. Một số nghiên cứu khám phá việc mã hóa truyền công suất trong tín hiệu quang, nhưng mức công suất thực tế vẫn không đủ cho hầu hết các ứng dụng, bị hạn chế bởi hiệu suất chuyển đổi quang điện và ngưỡng hư hỏng của sợi.

Tại sao hệ thống cáp quang vẫn cần bộ khuếch đại nếu độ suy hao sợi quang quá thấp?

Ngay cả với mức suy giảm thấp tới 0,2 dB trên km, tín hiệu sẽ yếu đi đáng kể trên khoảng cách xa. Sau 100 km, cường độ tín hiệu giảm xuống còn 1/100.000 công suất ban đầu. Bộ tách sóng quang yêu cầu mức công suất tối thiểu để duy trì tỷ lệ lỗi bit có thể chấp nhận được. Bộ khuếch đại (thường là EDFA cứ sau 40{9}}80 km trong hệ thống đường dài) khôi phục cường độ tín hiệu mà không cần chuyển đổi sang thiết bị điện tử, cho phép cáp xuyên đại dương trải dài hàng nghìn km.

Điều gì quyết định nên sử dụng sợi quang đơn chế độ hay đa chế độ?

Yêu cầu về khoảng cách và băng thông thúc đẩy sự lựa chọn. Sợi quang đa chế độ (lõi 50-62,5 micron) hoạt động tốt ở khoảng cách dưới 550 mét ở tốc độ 10 Gbps, sử dụng bộ thu phát LED rẻ hơn và dễ ghép nối và kết nối hơn. Cần có sợi quang đơn mode (lõi 8-10 micron) cho khoảng cách trên 550 mét và tốc độ dữ liệu trên 10 Gbps, yêu cầu bộ thu phát laser đắt tiền hơn và cần căn chỉnh chính xác nhưng hỗ trợ khoảng cách gần như không giới hạn với khả năng khuếch đại.

Thời tiết ảnh hưởng như thế nào đến cáp quang được chôn hoặc trên không?

Bản thân sợi thủy tinh không bị ảnh hưởng bởi thời tiết-nó miễn nhiễm với nhiễu điện từ, sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm. Tuy nhiên, ứng suất cơ học do tải băng, chu kỳ giãn nở/co lại nhiệt và lũ lụt có thể làm hỏng cáp. Cáp trên không có tỷ lệ hư hỏng cao hơn do bão và cành rơi. Cáp ngầm được bảo vệ tốt hơn nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi chuyển động của mặt đất và sự xâm nhập của hơi ẩm khi đóng mối nối. Thiết kế và lắp đặt cáp phù hợp sẽ giảm thiểu những rủi ro này.

Cáp quang có bị nghe lén như cáp đồng không?

Việc chặn sợi quang đòi hỏi phải có quyền truy cập vật lý và thiết bị chuyên dụng. Không giống như cáp đồng phát ra tín hiệu điện từ có thể thu được từ xa, sợi quang giữ ánh sáng bên trong lõi thông qua sự phản xạ toàn phần bên trong. Việc khai thác yêu cầu làm đứt sợi quang (gây mất tín hiệu rõ ràng) hoặc uốn cong mạnh để rò rỉ ánh sáng (có thể phát hiện được thông qua giám sát nguồn điện). Hệ thống phân phối khóa lượng tử có thể phát hiện ngay cả những nỗ lực khai thác không-xâm lấn, khiến cáp quang vốn đã an toàn hơn truyền tải điện.

Điều gì khiến các bước sóng khác nhau (850nm, 1310nm, 1550nm) được sử dụng?

Các bước sóng khác nhau cân bằng một số yếu tố. 850nm hoạt động tốt với sợi quang đa chế độ-rẻ tiền và laser VCSEL trong khoảng cách ngắn, nhưng độ hấp thụ của thủy tinh cao hơn. 1310nm đạt điểm "phân tán bằng 0" trong sợi quang chế độ đơn-tiêu chuẩn nơi độ phân tán màu sắc được giảm thiểu, phù hợp với mạng đô thị. 1550nm có độ suy giảm thấp nhất (0,15-0,2 dB/km) và hoạt động với bộ khuếch đại pha tạp erbium-, giúp nó trở nên tối ưu cho việc truyền dẫn đường dài. Sự lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu về khoảng cách, loại sợi và nhu cầu khuếch đại.

Làm thế nào để các đầu nối cáp quang đạt được mức tổn thất thấp mặc dù có thể ngắt kết nối?

Các ống nối chính xác (gốm hoặc kim loại) giữ đầu sợi, được đánh bóng đến độ phẳng dưới{0} micron và được căn chỉnh trong phạm vi 1-2 micron. Các ống nối tiếp xúc vật lý khi được ghép nối, với áp suất lò xo duy trì sự liên kết. Mặc dù vậy, tổn thất đầu nối thông thường là 0,2-0,5 dB mỗi lần kết nối (tổn thất điện năng khoảng 5-11%). Suy hao thấp hơn yêu cầu nối nhiệt hạch, nối vĩnh viễn các sợi bằng cách nung chảy chúng lại với nhau, đạt được mức suy hao 0,01-0,1 dB nhưng loại bỏ khả năng ngắt kết nối.

 

Điểm mấu chốt

 

Truyền dữ liệu quang học hoạt động vì sự phản xạ toàn phần bên trong bẫy ánh sáng bên trong tấm kính mỏng hơn một sợi tóc và các thiết bị điện tử hiện đại có thể điều chỉnh ánh sáng đó hàng tỷ lần mỗi giây. Cơ chế vật lý rất đơn giản-ánh sáng phản chiếu qua kính-nhưng việc triển khai nó ở tốc độ terabit-mỗi-giây xuyên đại dương-khoảng cách trải dài đòi hỏi kỹ thuật đặc biệt.

Công nghệ này không hoàn hảo. Sự ô nhiễm, hư hỏng vật lý và khả năng tương thích của thành phần gây ra những lỗi-thực tế. Nhưng khi được lắp đặt và bảo trì đúng cách, cáp quang sẽ cung cấp băng thông, khả năng khoảng cách và khả năng chống nhiễu chưa từng có. Đó là lý do tại sao hầu như mọi kết nối Internet bên ngoài ngôi nhà của bạn, mọi kết nối trung tâm dữ liệu và mọi liên kết xuyên đại dương đều chạy bằng cáp quang.

Thập kỷ tiếp theo mang đến những cải tiến gia tăng hơn là những thay đổi mang tính cách mạng. Công suất sẽ mở rộng thông qua WDM dày đặc hơn và có khả năng là SDM. Quang tử silicon có thể làm giảm chi phí thu phát Tuy nhiên, việc truyền dữ liệu quang học-ánh sáng được điều chế truyền qua kính thông qua phản xạ nội toàn phần-sẽ vẫn là xương sống của truyền thông toàn cầu. Vật lý hoạt động quá tốt để thay thế.