xuất của ATET – Bell Laboratories ở Princeton. Bà đỗ tiến sĩ về kĩ thuật gốm tại trường Đại học Rutger. Bà là tác giả của 30 bài báo kĩ thuật và khoa học thủy tinh và công nghệ dẫn sáng. Những nghiên cứu của bà bao gồm việc xử lí và tối ưu hóa các tính chất của sợi quang trong thông tin, có liên quan chặt chẽ đến việc sản suất chúng.Bà tích cực tham gia vào việc tuyên truyền khoa học kĩ thuật cho phụ nữ và những người nhỏ tuối. Bà hiện nay là người đàn bà đầu tiên được bổ nhiệm ở Bell Labo.
Một công nghệ mới có tính cách mạng – thông tin bằng sóng sáng – đang cải tạo mạng lưới thông tin toàn thế giới. Một lượng thông tin khổng lồ - tín hiệu lên tiếng, tín hiệu hình, và số liệu – có thể truyền đi nhanh chóng và hiệu quả từ địa phương này đến địa phương khác bằng cách dùng một mạng sợi quang học phát triển chưa từng thấy. Những bó sợi thủy tinh mảnh như tóc mang lượng thông tin đến những nơi rất xa dưới dạng của những xung ánh sáng. Tại sao thông tin bằng ánh sáng lại có ý nghĩa như thế về việc “dẫn sáng” của sợi quang học diễn ra như thế nào ? Hãy thử tìm câu trả lời ngắn gọn cho những câu hỏi trên.
Một hệ thống thông tin cơ bản gồm một máy phát (nguồn tín hiệu) trong đó thông tin được mã hóa, một môi trường truyền tin (vật mang tín hiệu) và một máy thu (xử lí tín hiệu) giải mả và tái tạo lại thông tin ban đầu. Các hệ thống thông tin hiện đại nhất là “hằng số” vì rằng nó bảo đảm chất lượng thông tin tốt nhất. Trong một hệ thống thông tin đơn giản, thông tin được mã hóa thành hệ nhị nguyên gồm số không (0) và số một (1).
Tại sao thông tin bằng ánh sáng lại có thể truyền thông tin bằng số nhiều như vậy so với hệ thống thông tin thông thường ? Sỡ dĩ như vậy là vì tốc độ thông tin có thể truyền đi phụ thuộc trực tiếp vào tần số của tín hiệu. Ánh sáng có tần số trong khoảng từ 1014 – 1015 Hz so với tần số sóng vô tuyến là vào khoảng 106 Hz còn tần số vi ba là 108 – 1010 Hz. Vì lẽ đó một hệ thống truyền tin thực hiện với tần số ánh sáng vế lí thuyết có thể truyền một lượng thông tin thực hiện với tần số vô tuyến hay tần số vi ba. Tốc độ truyền tin bằng số được xác định bởi số bít được truyền đi trong một giây.
Một hệ viễn thông bằng ánh sáng đơn giản cho trong hình 1. Thông tin truyền đi có thể là tín hiệu âm thanh của điện thọai, tín hiệu hình, hoặc số liệu số của một máy tính.
Tín hiệu tiếng và hình được mã hóa thành một dãy số nhị nguyên gồm các số không và một. Toàn bộ những tín hiệu ấy được trộn lẫn với nhau thành một dòng đơn có tốc độ truyền rất cao trong một đơn vị đa thành phần. Chúng ta chỉ xét sự trộn tín hiệu tiếng để truyền tin. Mỗi tín hiệu tiếng đòi hỏi 6,4.104 bit/s. Nếu như tốc độ truyền số liệu của hệ là 1 Gbit/sec (1.109 bit/s) thì số kênh tiếng có thể trộn lẫn nhau là vào khoảng 15000 (1.109 chia cho 6,4.104). Điều đó thực sự diễn ra như thế nào ? Trong máy phát sóng sáng mỗi “số một” tương ứng với một xung điện còn mỗi “số không” tương ứng với khi không có xung điện. Các xung điện này được dùng để bật hay tắt nguồn sáng rất nhanh, giống như bật hay tắt công tắc đèn. Nguồn sáng có thể là một laser hay một điốt phát quang (LED). Như vậy trong máy phát của hệ thống liên lạc bằng sóng ánh sáng, thông tin được trộn với nhau thành một chuỗi xung điện có tốc độ truyền số liệu rất cao dùng để bật hay tắt nguồn sáng rất nhanh. Toàn bộ thông tin được mã hóa theo hệ nhị nguyên như vậy sẽ được chuyển thành một loạt các lóe sáng theo thời gian để truyền tin.
Phần quan trọng tiếp theo của hệ thống liên lạc bằng sóng sáng là môi trường truyền tin. Mặc dù về nguyên tắc các xung sáng này có thể truyền ngoài khí quyển như các tín hiệu vô tuyến, tuy nhiên thật khó để xây dựng một hệ thống viễn thông khả thi theo cách ấy. Thay vào đó là sợi quang “dẫn sáng” làm nhiệm vụ dẫn ánh sáng từ máy phát đến máy thu, tại đây mỗi xung ánh sáng được thu nhận bằng một đầu dò quang. Khi một xung ánh sáng đến đầu dò thì một xung điện được tạo nên. Bằng cách này những xung ánh sáng được tái tạo thành những xung điện. Máy thu
cũng có một bộ phận “giải đa thành phần” để tạo ra các tín hiệu và tái tạo lại thành tiếng, hình hay số liệu máy tính.
Mặc dù đây chỉ là một sự mô tả rất sơ sài để hiểu một hệ thống liên lạc bằng sóng sáng hoạt động như thế nào, nhưng cũng cho thấy những ý tưởng cơ bản : thông tin được chuyển thành xung ánh sáng, xung này được truyền đến một khoảng cách nào đó nhờ sợi quang, sau đó được truyền trở lại thành thông tin.
Bây giờ chúng ta có thể khảo sát hơi chi tiết một tí về sợi quang được dùng như thế nào dể truyền thông tin dưới dạng những xung ánh sáng. Tính chất quan trọng đầu tiên của sợi quang là khả năng dẫn ánh sáng từ nơi này đến nơi khác. Nguyên lí cơ bản mà sợi quang đã dùng là sự phản xạ toàn phần, cấu tạo của dẫn sáng minh họa trong hình 2.
Sợi quang gồm một lõi làm bằng vật liệu có chiết xuất lớn hơn vật liệu bọc lõi, được gọi là “vỏ bọc”. Nhớ rằng chiết xuất là tỉ số của vận tốc ánh sáng trong chân không chia cho vận tốc ánh sáng trong vật liệu. Sợi quang làm bằng thủy tinh thường được bọc bằng một lớp chất dẻo bên ngoài để bảo vệ cho thủy tinh khỏi
bị xuớc cơ học và các ảnh hưởng khác của môi
trường. Một nguồn sáng như một laser hay một điốt phát quang LED được đặt gần lõi của sợi quang. Nguồn sáng bức xạ là một “hình nón”
ánh sáng dược kiên kết trong lõi của sợi quang. Để cho ánh sáng được dẫn đi trong sợi, nó phải thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn phần. Như cho thấy trong hình vẽ, đối với một số góc ánh sáng được dẫn thành những đường chữ chi, trong lúc đối với một vài góc khác thì không. Loại sợi quang đơn giản này được dùng nhiều để dẫn ánh sáng đến những khoảng cách ngắn (mét), trong lúc đó để dẫn ánh sáng đến những khoảng cách xa hơn dùng trong hệ viễn thông thì dòi hỏi sợi quang phải được cấu tạo đặc biệt hơn. Loại sợi quang đơn giản vẽ ở đầu của hình 3 được gọi là sợi quang
“đa một”, nhiều góc của ánh sáng được dẫn theo sợi quang và được nói làcó chiết xuất nhảy bậc vì rằng nó có một lõi chiết xuất không đổi được bọc xung quanh một vỏ bọc có chiết xuất nhỏ hơn.
Mặt cắt chiết xuất vẽ giá trị tương đối của chiết xuất như một hàm của vị trí trong tiết diện của sợi quang. Mặt xung ánh sáng từ nguồn sáng sẽ được tạo đôi trong sợi quang. Nhiều chùm hoặc góc của ánh sáng di chuyển với cùng vận tốc được dẫn trong lõi. Chùm di chuyển dọc theo trục lõi đi một quãng đường ngắn hơn là những chùm đi theo đường chữ chi kết quả là xung “hẹp” ban đầu được tạo đôi trong sợi quang. Chính hiệu ứng này làm hạn chế việc khoảng giữa các xung vào để còn có thể thu được mà không bị chồng lên nhau ở phía đầu ra.
Hai loại sợi quang đã được dùng trong hệ sóng quang để khắc phục hạn chế của hiệu ứng trải rộng xung. Một loại sợi (vẽ ở giữa hình P.3003) được gọi là sợi quang có chiết xuất thay đổi dần dần và đa mốt. Chú ý rằng lõi của sợi quang có mặt cắt chiết xuất thay đổi dần dần. Loại này làm cho góc dẫn ánh sáng bị cuốn trơn
thành các đường tuần hoàn khi đi qua sợi quang. Một chùm sáng đi theo đường có dạng tuần hoàn mất phần lớn thời gian trong phần sợi quang có chiết xuất nhỏ hơn do đó nó đi qua với vận tốc lớn hơn ! Như vậy khoảng cách chùm phải đi càng lớn thì về trung bình có thể làm cho nó đi càng nhanh. Một loại sợi quang khác (vẽ cuối của hình P.3003) khử hoàn toàn sự mở rộng của xung do những góc khác nhau của ánh sáng được dẫn trong sợi quang. Loại này được gọi là sợi đơn một vì nó chỉ dẫn chùm sáng đi dọc trục của lõi. Điều này có thể thực hiện bằng cách dùng sự khác nhau rất ít giữa chiết xuất của lõi và vỏ bọc, cũng như lõi phải làm rất nhỏ. Loại sợi quang này có thể tải số liệu với tốc độ bít cao nhất.
Làm giảm tối đa sự mở rộng xung ánh sáng khi đi qua sợi quang giữ một vai trò quan trọng để xác định tốc độ tối đa truyền thông tin cũng như khả năng truyền xa.
Một tính chất quan trọng thứ hai của sợi quang đó là độ suy giảm quang học của nó vì điều này quyết định tín hiệu truyền xa được bao nhiêu mà có còn đủ mạnh để phát hiện được không. Khi ánh sáng truyền qua một vật liệu, vật liệu đó thường không trong suốt nên cường độ tín hiệu giảm dần theo khoảng cách. Ánh sáng đi qua sợi quang bị suy giảm do bị hấp thụ và bị tán xạ. Rất đơn giản là do hấp thụ mà một phần cường độ ánh sáng lại truyền cho chính bản thân vật liệu mà đáng lẽ nó phải được truyền đi. Ngược lại do tán xạ mà ánh sáng khuếch tán hoặc bị lệch theo nhiều phương khác nhau. Vì lẻ đó mà lượng ánh sáng bị tán xạ đi ra khỏi lỏi mà đáng lẻ nó phải được truyền đi, dẫn đến sự giảm cường độ tín hiệu sáng. Trong sợi quang học thủy tinh được làm bằng thủy tinh silic điôxic có độ tinh khiết rất cao đô tán xạ bé, lượng ánh sáng khuếch tán và hấp thụ cực kì nhỏ ở vùng bước sóng hồng ngoại gần. Các bước sóng này chỉ nhích hơn chút ít bước sóng của vùng phổ khã kiến. Nhớ rằng ánh sáng khã kiến nằm trong vùng có bước sóng từ 380nm (tím )đến 700nm(đỏ). Bước sóng truyền tin thông dụng nhất là 1300nm(khoảng 2x104Hz). Trong sợi quang bằng thủy tinh silic điôxic, hơn 95% ánh sáng truyền đi xa được 1Km. Sự trong suốt rất cao ấy cho phép ánh sáng truyền đi xa được đến 20-200 km mà vẫn còn đủ mạnh để cho tín hiệu có thể phát hiện bằng đầu dò quang học trong máy thu.
Hệ viễn thông sóng sáng dùng sợi quang thực tế đã trải rộng khắp thế giới, bao gồm từ mạng lưới ngang dọc nước Mỹ cho đến các hệ cáp dưới biển qua hai đại dương : Đại Tây Dương và Thái Bình Dương. Hệ hoạt động với tốc độ bằng
2,5Gbit/s (2,5.109) tương ứng với khoảng 35000 tiếng được chuyển tải qua sợi quang có kích thước xấp xĩ bằng sợi tóc người. Như có thể thấy ấn tượng thật khá sâu sắc, tuy nhiên vẩn còn xa vài bật so với khả năng được tính lý thuyết. Trong tương lai các hệ thông tin sóng quang dựa trên sợi quang sẽ được tăng cường để chuyển tải tiếng, hình và số liệu máy tính đi các nước và toàn thế giới.
Các tài liệu tham khảo để đọc thêm.
- “Viễn thông sợi quang” Academic Press 1970 - “Sợi quang trong thông tin” wiley ,1979 trang 410 - “Lý thuyết dẫn sóng quang học” Chapman và Hall1983 ,trang 734 - “Sợi quang học thông tin”, Quyễn 1 Academic P 1985 , trang 363 - D.J Morris “Mã xung dùng cho thông tin số liệu quang sợi”, Marcel Dekker , 1983
trang 217
- “Xử lý tín hiệu quang” A .Vanderlugr (ed) Wiley 1992 - “Viễn thông quang sợi”,Academic Press 1988
Phép chụp ảnh toàn ký