Tín hiệu ánh sáng là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Tín hiệu ánh sáng là phương tiện mang thông tin dựa trên sóng điện từ trong dải quang (khả kiến và lân cận), trong đó dữ liệu được mã hóa vào các tham số vật lý như cường độ, pha, tần số/bước sóng và phân cực. Định nghĩa này bao trùm cả hệ thống viễn thông quang sợi, truyền quang không gian tự do (FSO), truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC/Li‑Fi) và các kiến trúc quang tử trên chip. Nền tảng lý thuyết dựa vào điện động lực học Maxwell và lý thuyết thông tin, cho phép mô tả quá trình tạo, truyền, biến đổi và phát hiện tín hiệu một cách định lượng.

Trong hệ thống kỹ thuật, tín hiệu ánh sáng được sinh bởi nguồn phát (laser diode, LED, EOM) và được điều chế theo sơ đồ cụ thể để phù hợp yêu cầu băng thông, độ tin cậy và hiệu suất năng lượng. Việc lựa chọn sơ đồ điều chế và môi trường truyền dẫn phụ thuộc đặc tính kênh, giới hạn nhiễu, và yêu cầu tiêu chuẩn hóa. Tài liệu tổng quan và tiêu chuẩn tham chiếu có thể tìm thấy tại ITU‑T, IEEE, và hệ thống xuất bản của Optica Publishing Group.

• Phạm vi ứng dụng: mạng đường trục cáp quang, truy nhập FTTH, cảm biến quang, LIDAR, VLC trong nhà.
• Chuỗi xử lý điển hình: mã hóa số → điều chế quang → truyền dẫn → tách kênh/giải điều chế → giải mã.
• Nguồn tham khảo kỹ thuật: Khuyến nghị ITU‑T, IEEE Xplore.

Đặc điểm vật lý cơ bản

Ánh sáng là sóng điện từ lan truyền với tốc độ trong chân không $c \approx 3\times10^8\ \mathrm{m/s}$, và trong môi trường vật liệu với tốc độ $v=\frac{c}{n}$ phụ thuộc chiết suất $n$. Năng lượng photon đơn lẻ được cho bởi $E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$, liên hệ trực tiếp giữa tần số $\nu$, bước sóng $\lambda$ và khả năng mang dữ liệu ở các dải phổ khác nhau. Trong sợi quang, suy hao chủ yếu do tán xạ Rayleigh và hấp thụ vật liệu, tối thiểu quanh cửa sổ 1,3–1,55 µm, là cơ sở của truyền dẫn đường trục hiện đại.

Các tham số điều chế gồm biên độ/cường độ, pha, tần số và phân cực. Độ trễ nhóm và tán sắc (chromatic/PMD) ảnh hưởng trực tiếp đến dạng xung và BER ở tốc độ cao; các kỹ thuật bù tán sắc quang (DCF, FBG) hoặc số (DSP) được dùng để phục hồi. Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu quang (OSNR) và ngân sách công suất là thước đo năng lực truyền dẫn, trong đó công suất phát, suy hao tuyến, hệ số khuếch đại (EDFA/Raman) và độ nhạy thu là các biến số chính. Các đặc tính và phép đo liên quan được trình bày rộng rãi trong tiêu chuẩn ITU‑T SG15 (mạng quang) và các ấn phẩm của Journal of Lightwave Technology.

Tham số	Ký hiệu	Ảnh hưởng tới tín hiệu	Gợi ý kiểm soát/đo lường
Tốc độ nhóm	$v_g$	Trễ, méo dạng xung	Đo tán sắc, bù DCF/DSP
Tán sắc sắc độ	$D$	Mở rộng xung, tăng BER	FBG, EDC, định tuyến bước sóng
OSNR	—	Giới hạn khoảng cách/bitrate	Quản lý khuếch đại, lọc quang
Phân cực	—	PMD, suy giảm phân cực	Giám sát SOP, điều khiển PMD

Nguyên lý truyền tín hiệu ánh sáng

Chuỗi truyền dẫn quang số bắt đầu từ khối nguồn phát và điều chế. Với điều chế cường độ trực tiếp (IM/DD), dòng điện điều khiển LED/laser được biến thiên theo dữ liệu; với điều chế kết hợp (coherent), tín hiệu điều chế biên độ/pha được tạo bằng modulator ngoài (MZM/IQ) rồi trộn với sóng mang cục bộ ở đầu thu để tái tạo cả biên độ và pha, cho phép dùng QPSK/QAM bậc cao và DSP bù méo kênh. Cấu hình hệ thống được chọn theo yêu cầu cự ly, lưu lượng, và chi phí phần cứng.

Mô hình hoá kênh quang xét đến suy hao $\alpha$, tán sắc $D$, nhiễu khuếch đại ASE và phi tuyến Kerr ở công suất cao. Ngân sách công suất tuyến có thể ước lượng bằng:

$P_{rx}=P_{tx}-\sum \mathrm{Loss}_{fiber}-\sum \mathrm{Loss}_{component}+\sum \mathrm{Gain}_{amp}$

Trong truyền không gian tự do, suy hao lan truyền và điều kiện khí quyển (mưa, sương mù, nhiễu loạn) chi phối hiệu năng; thiết kế liên kết đòi hỏi phân tích quang hình học, điều khiển hướng chùm (beam steering) và dự phòng đường truyền. Tài liệu thiết kế và phép đo chuẩn có thể tham khảo tại khuyến nghị ITU‑T và các tiêu chuẩn IEEE về liên kết quang.

• IM/DD: cấu trúc đơn giản, phù hợp truy nhập/đường ngắn, chi phí thấp.
• Coherent: nhạy cao, chống nhiễu tốt, hỗ trợ QAM bậc cao, yêu cầu DSP và LO.
• Ghép kênh WDM: tối đa băng thông bằng ghép bước sóng dày/nhu (DWDM/CWDM).

Kiến trúc	Ưu điểm	Hạn chế	Ứng dụng
IM/DD	Đơn giản, chi phí thấp	Giới hạn tầm xa/bitrate	FTTH, datacenter short‑reach
Coherent	Hiệu quả phổ cao, tầm xa	Phức tạp, tiêu thụ điện lớn	Đường trục, metro 100G–800G
FSO/VLC	Không cần cáp, triển khai nhanh	Nhạy thời tiết/LOS	Kết nối tạm, indoor networking

Phân loại tín hiệu ánh sáng

Phân loại theo dải phổ bao gồm khả kiến (≈400–700 nm), cận hồng ngoại (≈700–1700 nm) thuận lợi cho sợi quang, và tử ngoại cho cảm biến chuyên biệt. Lựa chọn dải phổ quyết định suy hao, tán sắc và chi phí linh kiện; ngành viễn thông ưu tiên các “cửa sổ” thấp suy hao quanh 850 nm (short‑reach), 1310 nm và 1550 nm (đường dài). Trong truyền trong nhà, VLC khai thác LED trắng ở dải khả kiến để cung cấp kết nối bổ trợ băng rộng.

Phân loại theo phương pháp điều chế gồm điều chế cường độ (OOK, PPM), điều chế pha/biên độ kết hợp (BPSK/QPSK/16‑QAM/64‑QAM), điều chế phân cực (PolMux) và kỹ thuật đa sóng mang như OFDM. Tiêu chí chọn dựa trên hiệu suất phổ, độ phức tạp thu phát và yêu cầu OSNR. Khung tiêu chuẩn tương ứng được phát triển bởi ITU‑T (chuỗi G.65x, G.69x, G.70x) và IEEE 802 cho các lớp liên kết khác nhau.

• Theo môi trường truyền: sợi quang đơn mode/đa mode, không gian tự do (FSO), kênh trong nhà (VLC).
• Theo ghép kênh: WDM/DWDM, TDM, SDM (đa lõi/đa mode).
• Theo mức xử lý: trực tiếp, coherent, quang tử tích hợp trên chip (PIC).

Tiêu chí	Nhóm	Đặc trưng kỹ thuật	Nguồn tham khảo
Dải phổ	Khả kiến, NIR, UV	Suy hao/tán sắc đặc thù	Optica
Điều chế	OOK/QAM/OFDM/PolMux	Hiệu suất phổ vs. độ phức tạp	IEEE
Ghép kênh	WDM/TDM/SDM	Mở rộng băng thông đa chiều	ITU‑T SG15

Ứng dụng trong viễn thông

Tín hiệu ánh sáng đóng vai trò trung tâm trong hệ thống viễn thông quang, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ lên tới hàng trăm gigabit mỗi giây trên khoảng cách hàng nghìn kilomet mà không cần tái tạo điện. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) tận dụng khả năng truyền nhiều kênh song song trên cùng một sợi quang bằng cách sử dụng các bước sóng khác nhau, từ đó tăng băng thông tổng thể mà không cần tăng số lượng sợi.

Trong các mạng đường trục, WDM mật độ cao (DWDM) sử dụng khoảng cách kênh nhỏ (12,5 GHz hoặc 25 GHz) kết hợp với điều chế bậc cao (QAM) và thu coherent để tối đa hóa hiệu suất phổ. Các tuyến cáp quang biển áp dụng EDFA hoặc khuếch đại Raman để kéo dài khoảng cách giữa các trạm lặp, tối ưu chi phí và hiệu năng. Tiêu chuẩn G.694.x của ITU-T quy định lưới bước sóng, trong khi IEEE định nghĩa các giao diện Ethernet quang tốc độ cao.

• FTTH (Fiber To The Home): sử dụng PON (Passive Optical Network) với ghép kênh quang thụ động để phân phối tín hiệu từ OLT tới nhiều ONU.
• Mạng metro: kết nối khu vực đô thị, sử dụng WDM linh hoạt và ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer).
• Mạng đường trục quốc tế: tuyến DWDM, cáp quang biển, bảo vệ tuyến tự động.

Ứng dụng trong cảm biến và điều khiển

Cảm biến quang học dựa trên tín hiệu ánh sáng cho phép đo lường chính xác các đại lượng vật lý, hóa học và sinh học. Cảm biến sợi quang FBG (Fiber Bragg Grating) có khả năng đo biến dạng, nhiệt độ với độ chính xác cao và chịu được môi trường khắc nghiệt. Hệ thống LIDAR (Light Detection and Ranging) sử dụng xung laser để đo khoảng cách, tốc độ và tạo bản đồ 3D, ứng dụng trong xe tự hành, khảo sát địa hình và giám sát môi trường.

Trong điều khiển từ xa, tín hiệu ánh sáng hồng ngoại được dùng trong các thiết bị điều khiển gia dụng như TV, máy lạnh, hệ thống âm thanh. Đối với các ứng dụng công nghiệp, liên kết quang không gian tự do (FSO) cung cấp kết nối dữ liệu không dây tốc độ cao giữa các tòa nhà hoặc trạm viễn thông, không cần triển khai cáp.

Loại cảm biến	Nguyên lý	Ứng dụng
FBG	Phản xạ chọn lọc bước sóng	Giám sát công trình, đường ống
LIDAR	Đo thời gian phản xạ xung laser	Xe tự hành, bản đồ địa hình
IR Remote	Mã hóa điều chế ánh sáng hồng ngoại	Điều khiển thiết bị điện tử

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm nổi bật của tín hiệu ánh sáng bao gồm băng thông rất lớn, miễn nhiễm với nhiễu điện từ, khả năng truyền xa với suy hao thấp (đặc biệt qua sợi quang) và độ bảo mật cao hơn so với truyền điện từ tần số thấp. Điều này cho phép đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu ngày càng tăng trong các ứng dụng từ viễn thông đến nghiên cứu khoa học.

Tuy nhiên, hạn chế của tín hiệu ánh sáng là yêu cầu đường truyền quang học rõ ràng hoặc hạ tầng chuyên dụng, dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường (mưa, sương mù, bụi đối với FSO), và chi phí đầu tư thiết bị phát/thu cao hơn so với truyền dẫn điện ở cùng khoảng cách. Ngoài ra, các hệ thống tốc độ cao yêu cầu kỹ thuật căn chỉnh chính xác và kiểm soát tán sắc nghiêm ngặt.

• Ưu điểm: băng thông cao, suy hao thấp, bảo mật tốt.
• Hạn chế: nhạy với môi trường, yêu cầu hạ tầng phức tạp.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc nâng cao tốc độ truyền dẫn, giảm suy hao và mở rộng khả năng ứng dụng của tín hiệu ánh sáng. Truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC/Li-Fi) đang được nghiên cứu để cung cấp kết nối băng rộng trong môi trường trong nhà, tận dụng hệ thống chiếu sáng LED hiện hữu. Các vật liệu quang tử mới như silicon photonics, perovskite và graphene đang mở ra khả năng tích hợp quang-điện tử trên cùng một chip, giảm chi phí và tiêu thụ năng lượng.

Kỹ thuật điều chế tiên tiến như Nyquist-WDM, OFDM quang và QAM bậc cao kết hợp với xử lý tín hiệu số (DSP) đang giúp tối ưu hiệu suất phổ và chống nhiễu. Hệ thống mạng quang mềm dẻo (flex-grid) và điều khiển định tuyến quang bằng SDN (Software Defined Networking) cũng là xu hướng chính để tăng tính linh hoạt và tối ưu hóa tài nguyên.

Tài liệu tham khảo

• ITU-T – International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (link)
• IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers (link)
• Optica Publishing Group – Optical research publications (link)
• OSA – Optical Society of America technical papers (link)
• Journal of Lightwave Technology (link)
• G.694.x – Spectral grids for WDM applications (link)
• Campaign to End Loneliness (link)