Hai công nghệ quang học tạo nên cách mạng
Truyền tin bằng sợi quang
1. Truyền dẫn ánh sáng đi xa ít bị hao tổn
Trong môi trường đồng nhất và trong suốt ánh sáng đi thẳng. Dẫn cho ánh sáng đi trong môi trường trong suốt nhưng theo đường cong ngoằn ngoèo đi xa không phải là dễ. Vào cuối thế kỷ XIX trong dịp khánh thành tháp Eiffel và tổ chức Hội chợ ở Paris, các nhà khoa học ở đây đã cho ánh sáng nhiều màu đi lượn theo các tia nước từ vòi phun ở trung tâm trên mặt đất phun lên cao rồi đi theo đường vòng rơi xuống đất tạo ra giếng phun ánh sáng rất lộng lẫy, ai cũng trầm trồ khen ngợi. Nhưng đó chỉ là cách dẫn ánh sáng rất thô sơ, hấp dẫn vui mắt là chính. Đến cuối những năm 1920 mới bắt đầu có ý tưởng dùng hiện tượng phản xạ toàn phần để dẫn ánh sáng đi theo những thanh thuỷ tinh nhỏ, gần như là sợi thuỷ tinh. Đó là vì lúc đó có yêu cầu thực tế làm ra những bó sợi dẫn được ánh sáng phục vụ cho y tế (làm máy soi dạ dày) cho quân sự (làm kính tiềm vọng có thân mềm, không quá cứng nhắc để dễ xoay xở, làm máy truyền tin bảo mật) và cả yêu cầu làm máy truyền hình nữa. Người ta đã làm được những sợi thuỷ tinh dẫn ánh sáng nhưng chất lượng kém, ánh sáng truyền đi rất chóng bị suy giảm, vỏ rất dễ bị trầy xước ảnh hưởng mạnh đến khả năng truyền xa. Các máy làm ra từ các bó sợi này cho hình ảnh không thật rõ, hình ảnh chỉ được truyền đi trong đoạn ngắn.
Bắt đầu từ giữa những năm 1950 nhờ cải tiến dùng sợi thuỷ tinh có lớp phủ tương đối dày ở bên ngoài (hình 1) việc truyền dẫn ánh sáng được dài và ít tổn hao hơn và tạo ra cả bó sợi một cách dễ dàng hoàn toàn không sợ trầy xước. Chất lượng các máy soi dạ dày được nâng cao, từ bên ngoài, thấy khá rõ nhiều chi tiết sâu trong dạ dày.
Cũng từ cuối những năm 1950, nhiều thành tựu mới về điện tử, bán dẫn, quang học ra đời làm cho các nhà khoa học nhìn thấy việc dùng sợi quang để truyền thông tin mới là lợi thế cơ bản.
Năm 1958 vệ tinh viễn thông đầu tiên được đưa lên quỹ đạo. Từ mặt đất sóng điện từ có bước sóng ngắn cỡ milimet được truyền thẳng lên vệ tinh mang nhiều thông tin theo kỹ thuật số. Cũng vậy sóng điện từ từ vệ tinh truyền về mặt đất rất tốt. Tuy đi đoạn đường khá xa, nhưng chỉ có đoạn đường gần mặt đất có khí quyển là bị yếu đi một phần, các đoạn còn lại là đi trong khoảng chân không, sóng điện từ rất ít bị tổn hao. Vậy là nhờ sóng ngắn và dùng vệ tinh, liên lạc giữa hai điểm cách nhau trên trái đất tuy phải đi lên, đi xuống khá xa nhưng lại giải quyết được dễ dàng. Nhưng dùng sóng ngắn để liên lạc với những điểm cách nhau không xa lắm trên mặt đất lại rất khó khăn. Một là sóng điện từ có bước sóng ngắn thì cứ đi thẳng, mặt Trái Đất lại cong phải làm những cột ăng ten phát, ăng ten thu khá cao thì ăng ten phát, ăng ten thu mới “nhìn thẳng thấy nhau” để trực tiếp nhận được tín hiệu của nhau. (Ta thấy trước dây đường truyền tin vi ba, tức là sóng ngắn, cứ cách một đoạn cỡ vài chục kilomet phải có một cột vi ba sơn trắng đỏ cao ngất). Thứ hai là sóng điện từ có bước sóng càng ngắn khi đi trong môi trường không khí bị suy giảm mạnh (do kích thích các phân tử khí dao động). Người ta đã nghĩ ra cách dùng dây đồng để dẫn sóng ngắn truyền tin và thực tế đã có những dây cáp đồng dài hàng nghìn kilomet chạy qua đáy biển để truyền tin. Nhưng cáp đồng nặng nề, dễ bị nhiễu bởi điện từ trường như sấm sét v.v…
Từ khi phát minh ra laser (được trao giải Nobel năm 1964) nhất là khi làm được laser bán dẫn trên cơ sở cấu trúc dị thể (được trao giải Nobel năm 2000) thì việc sử dụng laser trong công nghệ viễn thông là một bước đột phá và đi đôi với bước đột phá này là việc sử dụng cáp quang để truyền tải thông tin mang bởi tia laser.
Tia laser thực ra là tia sóng điện từ có bước sóng cỡ micromet (laser hồng ngoại). Tia laser rất mảnh và rất mạnh vì đó là sóng điện từ kết hợp. Laser là sóng điện từ có tần số cực cao mà sóng có tần số càng cao càng mang được nhiều thông tin. Vậy là dùng laser để truyền tin rất có lợi đã rõ ràng, đặc biệt là truyền tin từ mặt đất lên vệ tinh và ngược lại. Tất nhiên là việc dùng laser đi theo cáp quang. Chính những nghiên cứu của Charles K. Kao nhà khoa học được nhận một nửa giải Nobel Vật lý năm 2009 đã giải quyết thấu đáo vấn đề này.
Cùng với những cộng sự trẻ thân thiết, ông nghiên cứu rất chi tiết những tính chất cơ bản của sợi quang nhằm mục đích dùng cho thông tin quang học. Ông không chỉ nghiên cứu vật lý của cách dẫn sóng ánh sáng (laser) theo sợi quang mà nghiên cứu rất nhiều tính chất của vật liệu trong suốt dẫn sóng ánh sán. Một trong những kết quả nghiên cứu quan trọng của ông thường được nhắc tới tóm tắt ở giản đồ vẽ ở hình 2.
Ở đây trục tung biểu diễn hệ số suy giảm khi ánh sáng đi vào môi trường dẫn quang như thuỷ tinh:
Α = 10/L log 10P (O)/ P (L)
P (O) là công suất của ánh sáng ở nơi bắt đầu (L = 0), P (L) là công suất của ánh sáng sau khi đi được đoạn đường L.
Tỷ lệ giữa P(O)/P(L) được gọi là suy giảm của công suất, log 10P(O)/P(L) được tính là Bel, ký hiệu B. Hệ số suy giảm α là suy giảm ứng với một đơn vị dài của sợi quang, thường tính ra theo đơn vị decibel/met (dB/m) hay decibel/kilomet (dB/km). Giản đồ hệ số suy giảm phụ thuộc vào bước sóng của sóng ánh sáng truyền theo sợi quang theo phân tích của C.K. Kao gồm các phần như sau: ở phạm vi bước sóng ánh sáng nhỏ hơn milimet, hệ số α lớn và giảm theo λ -4, đó là phần suy giảm do tán xạ Rayleigh (do sóng ánh sáng kích thích điện tử trong sợi quang dao động, dao động này lại phát ra ánh sáng nhưng hơi bị lệch hướng và lệch pha nên sóng ánh sáng đi thẳng bị yếu đi: suy giảm do tán xạ). Ở phần bước sóng dài (trên 1,6 micromet), ánh sáng kích thích các phân tử dao động nhiệt (hấp thụ nhiệt) do đó ánh sáng bị hấp thụ hồng ngoại. Trong khoảng từ 1,3 đến 1,55 micromet các dạng suy giảm do tán xạ, do hấp thụ hồng ngoại rất ít, chỉ do nguyên nhân tạp chất còn sót lại trong nguyên liệu sợi quang như gốc hyđrôxyt, ion sắt v.v…
Nhờ phân tích rất kỹ các nguyên nhân gây nên suy giảm khi ánh sáng truyền trong sợi quang. C.K. Kao đã sáng tạo ra các phương pháp chết tạo sợi quang ít bị suy giảm: kéo sợi quang từ SiO 2nóng chảy, làm lớp phủ ngoài lõi có chiết suát nhỏ hơn chiết suất của vật liệu lõi để có phản xạ toàn phần nhưng chênh lệch chiết suất của lõi và của vỏ không nhiều lắm để ít bị tổn hao v.v… Theo những ý tưởng của C.K. Kao nhiều nhà máy đã triển khai những cách kéo sợi quang đặc biệt như kéo sợi bằng phương pháp CVD (Chemical Vapor Depositon) ra được sợi quang dài, đặc biệt tốt. Nếu những sợi quang chế tạo ban đầu có hệ số suy giảm cỡ 1000dB/km thì nay với những đóng góp về nghiên cứu và cả về đề xuất công nghệ của C.K. Kao, sợi quang do nhà máy chế tạo ra đã đạt mức có hệ số suy giảm 1 dB/km nghĩa là ánh sáng truyền theo cáp quang dài 1 kilomet thì cường độ vẫn còn bằng 95% cường độ ban đầu (khi mới bắt đầu nghiên cứu, C.K. Kao ước mơ làm được sợi quang, ánh sáng truyền đi 1km cường độ vẫn còn 1%).
Cùng với những tiến bộ chế tạo sợi quang ít tổn hao, người ta đã làm được các bộ tăng cường ánh sáng theo kiểu khuếch đại quang học chứ không phải khuếch đại điện tử như trước. Nhờ đó mà mạng lưới cáp quang truyền thông tin theo kiểu quang học trải rộng khắp nơi trên Trái Đất (hình 3) phục vụ điện thoại, internet, truyền hình… thực sự tạo ra cuộc cách mạng về công nghệ thông tin. Người ta tính ra sợi quang đã bố trí hiện nay thành một mạng lưới đi chằng chịt trên mặt đất nếu tính ra chiều dài tổng cộng có thể quấn quanh trái đất 25.000 vòng.
Công lao của nhà vật lý thực nghiệm Charles K. Kao được giải Nobel Vật lý năm nay thật là to lớn.
