Sợi quang là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa sợi quang và nguyên lý hoạt động

Sợi quang là một loại dây dẫn ánh sáng siêu mảnh, thường được làm từ thủy tinh hoặc vật liệu polymer, dùng để truyền tín hiệu ánh sáng đi xa với tổn hao cực thấp. Điểm đặc biệt của sợi quang là khả năng dẫn ánh sáng bằng cách giữ nó bên trong lõi nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong. Nhờ đó, ánh sáng có thể di chuyển hàng trăm km mà hầu như không bị suy giảm đáng kể về cường độ hoặc chất lượng.

Nguyên lý hoạt động của sợi quang dựa vào hiện tượng quang học: khi một tia sáng truyền trong môi trường có chiết suất cao (lõi) và gặp mặt phân cách với môi trường có chiết suất thấp hơn (vỏ), nếu góc tới lớn hơn một ngưỡng gọi là "góc giới hạn", ánh sáng sẽ bị phản xạ toàn phần và tiếp tục truyền dọc theo lõi. Do đó, ánh sáng không thoát ra ngoài mà bị “giam giữ” trong sợi, dù sợi có thể uốn cong.

Sợi quang được sử dụng rộng rãi trong truyền thông quang học, nơi tín hiệu ánh sáng mang dữ liệu được truyền qua sợi với tốc độ rất cao. Ngoài ra, nhờ không bị nhiễu điện từ và có băng thông rất lớn, sợi quang là hạ tầng thiết yếu cho mạng internet, truyền hình cáp và các kết nối dữ liệu quan trọng khác.

Cấu trúc và vật liệu của sợi quang

Một sợi quang hoàn chỉnh thường gồm ba lớp chính được thiết kế theo cơ chế khúc xạ ánh sáng:

• Lõi (core): Phần trung tâm của sợi, nơi ánh sáng truyền qua, có đường kính khoảng 8–10 µm với sợi đơn mode và khoảng 50–62.5 µm với sợi đa mode.
• Vỏ bọc (cladding): Bao quanh lõi, có chiết suất thấp hơn để tạo điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần.
• Lớp phủ (coating): Lớp bảo vệ bên ngoài chống ẩm, chống trầy xước và tăng độ bền cơ học của sợi.

Vật liệu chế tạo phổ biến nhất là thủy tinh silica (SiO₂) nhờ độ tinh khiết quang học cao, chịu nhiệt và có độ truyền sáng ổn định. Ngoài ra, sợi quang polymer (POF – Polymer Optical Fiber) sử dụng vật liệu như PMMA (polymethyl methacrylate) được dùng cho các ứng dụng yêu cầu linh hoạt, chi phí thấp, nhưng có tổn hao lớn hơn sợi thủy tinh.

Bảng dưới đây minh họa một số đặc tính cơ bản của các loại vật liệu dùng trong sợi quang:

Vật liệu	Chiết suất lõi	Chiết suất vỏ	Ứng dụng phổ biến
Silica tinh khiết	≈ 1.458	≈ 1.450	Truyền dữ liệu đường dài
Fluorine-doped silica	≈ 1.446	≈ 1.440	Sợi đơn mode tốc độ cao
PMMA (Polymer)	≈ 1.492	≈ 1.402	Kết nối nội bộ, thiết bị chiếu sáng

Nguyên lý phản xạ toàn phần trong truyền ánh sáng

Phản xạ toàn phần là cơ chế trung tâm của truyền dẫn trong sợi quang. Hiện tượng này xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất cao sang môi trường chiết suất thấp với góc tới lớn hơn góc giới hạn. Góc giới hạn được xác định bằng công thức:

$\theta_c = \sin^{-1} \left( \frac{n_2}{n_1} \right)$ trong đó $\theta_c$ là góc giới hạn, $n_1$ là chiết suất của lõi và $n_2$ là chiết suất của vỏ. Khi $\theta > \theta_c$, tia sáng không truyền ra ngoài mà bị phản xạ ngược lại hoàn toàn vào lõi.

Ngoài góc giới hạn, hiệu quả truyền sáng còn phụ thuộc vào "khẩu độ số" (Numerical Aperture – NA) của sợi, đại diện cho dải góc chấp nhận ánh sáng từ ngoài vào lõi. NA được tính theo:

$NA = \sqrt{n_1^2 - n_2^2}$ Một NA lớn cho phép thu được nhiều ánh sáng hơn, hữu ích cho sợi đa mode. Ngược lại, sợi đơn mode có NA nhỏ hơn, nhưng truyền xa hơn với ít tán xạ.

Phân loại sợi quang

Sợi quang được phân loại dựa trên cách truyền ánh sáng và cấu trúc chiết suất:

1. Phân loại theo số mode truyền:
   • Sợi đơn mode (SMF): Có lõi rất nhỏ (≈ 8–10 µm), truyền một mode duy nhất, ít nhiễu và dùng cho đường truyền xa (trên 100 km).
   • Sợi đa mode (MMF): Có lõi lớn hơn (≈ 50–62.5 µm), truyền nhiều mode đồng thời, thích hợp cho khoảng cách ngắn như mạng nội bộ.
2. Phân loại theo kiểu chiết suất:
   • Sợi chiết suất bậc (step-index): Lõi có chiết suất đồng nhất, vỏ có chiết suất thấp hơn đột ngột.
   • Sợi chiết suất biến đổi (graded-index): Chiết suất lõi giảm dần từ trung tâm ra ngoài, giúp giảm méo tín hiệu trong sợi đa mode.

Bảng sau so sánh hai loại sợi theo hiệu năng truyền dẫn:

Loại sợi	Đường kính lõi	Khoảng cách truyền tối ưu	Băng thông
SMF	8–10 µm	> 100 km	Lên tới hàng terabit/s
MMF	50–62.5 µm	< 2 km	1–10 Gbps

Hiệu suất truyền dẫn và tổn hao trong sợi quang

Hiệu suất truyền dẫn là một trong những tiêu chí quan trọng nhất của sợi quang. Ánh sáng truyền qua sợi bị suy giảm dần về công suất do các cơ chế vật lý như hấp thụ, tán xạ và mất mát cơ học. Tổng tổn hao thường được đo bằng đơn vị decibel trên mỗi kilomet (dB/km) và phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng sử dụng.

Ba cơ chế gây tổn hao chính trong sợi quang:

• Hấp thụ nội tại: Do tính chất vật liệu, đặc biệt là ion OH⁻ trong thủy tinh hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng nhất định.
• Tán xạ Rayleigh: Do cấu trúc vi mô không hoàn hảo gây tán xạ ánh sáng theo mọi hướng, chiếm phần lớn tổn hao ở bước sóng ngắn.
• Mất mát do uốn cong (bending loss): Ánh sáng bị rò ra ngoài khi sợi bị cong vượt quá bán kính cho phép.

Công thức tính công suất truyền còn lại sau khoảng cách $L$: $P(L) = P_0 \cdot 10^{-\alpha L/10}$ trong đó $P_0$ là công suất ban đầu, $\alpha$ là hệ số tổn hao (dB/km), và $L$ là chiều dài truyền dẫn. Ở bước sóng 1550 nm, hệ số tổn hao của sợi đơn mode tốt nhất chỉ khoảng 0.17 dB/km.

Bảng dưới đây thể hiện tổn hao đặc trưng theo bước sóng:

Bước sóng (nm)	Loại sợi	Tổn hao trung bình (dB/km)
850	MMF	2.5–3.5
1310	SMF	0.35
1550	SMF	0.17–0.2

Ứng dụng của sợi quang trong viễn thông

Sợi quang là nền tảng của hạ tầng truyền thông hiện đại nhờ khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao, bảo mật tốt và miễn nhiễm với nhiễu điện từ. Hệ thống cáp quang hiện đang kết nối các lục địa bằng cáp ngầm dưới biển, cung cấp internet toàn cầu với băng thông khổng lồ và độ trễ rất thấp.

Một số ứng dụng chính trong viễn thông:

• Dịch vụ internet cáp quang tới hộ gia đình (FTTH – Fiber To The Home)
• Mạng quang thụ động (PON – Passive Optical Network)
• Trạm truyền dẫn cho mạng di động 5G và 6G
• Hệ thống truyền tín hiệu liên lục địa bằng cáp quang biển

Thông tin chi tiết về PON có thể tham khảo từ Cisco Systems.

Ứng dụng ngoài viễn thông

Sợi quang không chỉ dùng trong truyền thông mà còn ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghệ cao:

• Y học: Ống nội soi sợi quang cho phép quan sát bên trong cơ thể mà không cần phẫu thuật mở rộng.
• Cảm biến sợi quang: Đo lường nhiệt độ, áp suất, ứng suất trong điều kiện khắc nghiệt, dùng trong xây dựng, dầu khí, và hàng không.
• Quân sự: Truyền tín hiệu chống nhiễu trong hệ thống điều khiển tên lửa và radar.

Nhiều hệ thống đo lường hiện đại như FBG (Fiber Bragg Grating) sử dụng phản xạ từ sợi để ghi nhận các biến đổi vật lý tại chỗ, độ chính xác cao và không bị ảnh hưởng bởi từ trường. Xem thêm tại NIST - Fiber Optic Sensors.

Sợi quang và truyền dữ liệu tốc độ cao

Sợi quang cho phép truyền dữ liệu với tốc độ hàng terabit mỗi giây, đóng vai trò trung tâm trong trung tâm dữ liệu, mạng máy chủ và kết nối cloud. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelength Division Multiplexing) cho phép truyền đồng thời nhiều tín hiệu ánh sáng trên một sợi duy nhất.

Công thức tính tổng băng thông: $C = N \cdot R$ trong đó $C$ là tổng dung lượng, $N$ là số kênh quang, và $R$ là tốc độ mỗi kênh. WDM có thể đạt tới vài trăm kênh, với mỗi kênh truyền 10–400 Gbps, giúp mở rộng băng thông mà không cần kéo thêm cáp.

Một hệ thống DWDM (Dense WDM) trong các trung tâm dữ liệu hiện nay có thể xử lý đến 9.6 Tbps trong một sợi đơn. Điều này vượt xa mọi phương pháp truyền dẫn điện tử truyền thống.

Ưu và nhược điểm của sợi quang

Ưu điểm vượt trội:

• Băng thông cực lớn, tốc độ truyền cao
• Miễn nhiễm với nhiễu điện từ và nhiễu xuyên âm
• Trọng lượng nhẹ, dễ triển khai ở khoảng cách xa
• Độ bảo mật vật lý cao, khó bị đánh cắp tín hiệu

Nhược điểm cần lưu ý:

• Chi phí đầu tư và lắp đặt ban đầu cao
• Khó sửa chữa nếu bị gãy hoặc hỏng
• Yêu cầu kỹ thuật cao trong hàn nối và đo kiểm

Với tiến bộ công nghệ, nhiều nhược điểm này đang dần được khắc phục nhờ vật liệu bền hơn, thiết bị hàn tự động và kỹ thuật đo quang OTDR chính xác.

Xu hướng phát triển sợi quang

Công nghệ sợi quang đang không ngừng tiến hóa để phục vụ các ứng dụng đòi hỏi tốc độ siêu cao và độ trễ cực thấp. Một số xu hướng chính:

• Sợi rỗng lõi (Hollow-Core Fiber): Truyền ánh sáng trong không khí thay vì thủy tinh, giảm trễ hơn 30%.
• Sợi tích hợp quang tử trên chip (Silicon Photonics): Giúp tích hợp truyền dẫn quang học ngay trong vi mạch.
• Sợi siêu linh hoạt và tự phục hồi: Tăng tuổi thọ và chống gãy gập trong môi trường khắc nghiệt.

Những công nghệ này mở đường cho các ứng dụng như truyền thông lượng tử, siêu máy tính, và mạng lưới cảm biến vạn vật (IoT) với quy mô toàn cầu.

Tài liệu tham khảo

1. Agrawal, G. P. (2012). Fiber-Optic Communication Systems. Wiley.
2. Keiser, G. (2021). Optical Fiber Communications. Springer.
3. Cisco Systems. (2023). Passive Optical Networking (PON). Retrieved from https://www.cisco.com
4. National Institute of Standards and Technology (NIST). (2023). Fiber Optic Sensors. Retrieved from https://www.nist.gov
5. Corning Incorporated. (2024). Optical Fiber Products. Retrieved from https://www.corning.com