Bên Trong Công Nghệ Điên Rồ Đã Tạo Nên Internet Hiện Đại | Thiên Hà TV

Một sợi thủy tinh mỏng hơn tóc người lại có thể truyền đi lượng thông tin khổng lồ Trong những nhà máy hiện đại, thủy tinh được nung ở nhiệt độ hơn 2000 độ C Rồi kéo thành những sợi dài hàng trăm km Chúng được bó lại thành cáp, vượt qua núi rừng, thậm chí nằm sâu dưới đáy đại dương Để kết nối các châu lục Nhưng điều khó tin là công nghệ này từng bị xem là bất khả thi Vậy làm thế nào thủy tinh lại trở thành nền tảng của Internet hiện đại Khi dây đồng không còn đủ sức Đến những năm 1960, điện thoại đã trở thành phương tiện liên lạc quen thuộc tại nhiều quốc gia phát triển Người dân gọi cho người thân, doanh nghiệp trao đổi công việc Và các thành phố ngày càng cần nhiều đường dây kết nối Chỉ riêng tại Mỹ, số cuộc gọi mỗi ngày đã tăng từ khoảng 285 triệu vào năm 1960 Lên 576 triệu vào năm 1973 Hệ thống viễn thông phải mở rộng liên tục để đáp ứng nhu cầu này Thời điểm đó, phần lớn cuộc gọi được truyền qua dây đồng Khi một người nói vào điện thoại, giọng nói làm rung một bộ phận nhỏ bên trong ống nói Khiến dòng điện thay đổi theo âm thanh Tín hiệu điện chạy qua dây dẫn đến đầu bên kia Nơi loa biến nó trở lại thành tiếng nói Cách truyền này hoạt động khá tốt Nhưng có một vấn đề Nếu mỗi cuộc gọi đều cần một đường dây riêng chạy suốt từ người gọi đến người nhận Số lượng dây dẫn sẽ trở nên khổng lồ Vì vậy, các công ty điện thoại tìm cách đưa nhiều cuộc trò chuyện lên cùng một tuyến truyền dẫn Họ thực hiện điều đó bằng cách phân chia tín hiệu thành những giải tần số khác nhau Có thể hình dung giống như nhiều đài phát thanh cùng hoạt động Nhưng mỗi đài sử dụng một tần số riêng để không lẫn vào nhau Nhờ vậy, một tuyến cáp có thể mang nhiều cuộc gọi cùng lúc Tuy nhiên, càng muốn truyền nhiều cuộc gọi, hệ thống càng phải sử dụng những tần số cao hơn Khi ấy, một hiện tượng vật lý bắt đầu gây khó khăn Dòng điện xoay chiều ở tần số cao có xu hướng tập trung gần bề mặt dây đồng Thay vì phân bố đều trong toàn bộ tiết diện Hiện tượng này làm tăng điện trở hiệu dụng và khiến tín hiệu suy yếu nhanh hơn Các công ty viễn thông có thể đặt thêm bộ khuếch đại dọc tuyến cáp Nhưng việc này làm tăng chi phí và độ phức tạp Với những tín hiệu tần số rất cao Khoảng cách truyền hiệu quả trở nên quá ngắn để khai thác thuận tiện Ngành viễn thông vì thế đứng trước một bài toán lớn Số người cần liên lạc tiếp tục tăng Trong khi việc mở rộng dung lượng truyền dẫn bằng dây đồng Ngày càng khó khăn và tốn kém Các kỹ sư cần một phương thức mới Có thể mang nhiều thông tin hơn Mà không phải liên tục bổ sung những tuyến cáp khổng lồ Ý tưởng truyền thông tin bằng ánh sáng thay vì tiếp tục tìm cách đưa nhiều tín hiệu điện hơn qua dây đồng Một số nhà nghiên cứu bắt đầu nghĩ đến việc sử dụng ánh sáng Ý tưởng nghe có vẻ kỳ lạ vào thời điểm đó nhưng lại có cơ sở vật lý rất đáng chú ý Ánh sáng cũng là sóng điện từ nhưng có tần số cao hơn rất nhiều so với những tín hiệu thông thường dùng trong hệ thống điện thoại Ánh sáng nhìn thấy có tần số lên đến hàng trăm nghìn tỷ Hz Mở ra khả năng truyền lượng thông tin lớn hơn nhiều so với các phương pháp truyền dẫn thời đó Vấn đề là các nhà khoa học cần một nguồn sáng có thể điều khiển chính xác Bóng đèn thông thường phát sáng theo nhiều hướng, gồm nhiều bước sóng khác nhau nên rất khó sử dụng để truyền tín hiệu đi xa Năm 1960, nhà vật lý người Mỹ Theodore Maimon chế tạo thành công thiết bị laser đầu tiên Khác với bóng đèn, laser tạo ra trùm sáng tập trung, có tính định hướng cao và có thể được điều khiển để mang thông tin. Phát minh này khiến ý tưởng truyền thông bằng ánh sáng trở nên đáng chú ý hơn bao giờ hết. Tuy nhiên, tạo ra trùm sáng phù hợp mới chỉ là bước đầu. Các nhà nghiên cứu vẫn cần một phương tiện dẫn ánh sáng đến nơi nhận, và những sợi thủy tinh cực mảnh bắt đầu trở thành lựa chọn đầy hứa hẹn. Làm sao ánh sáng không thoát khỏi sợi thủy tinh? Ánh sáng từ một chiếc đèn pin thường truyền theo đường thẳng Nếu gặp vật cản, nó có thể bị phản xạ, hấp thụ hoặc đổi hướng Vậy tại sao ánh sáng lại có thể đi theo một sợi thủy tinh uốn cong Thậm chí vòng qua nhiều khúc cua mà vẫn đến được đầu bên kia Để hiểu điều này, hãy hình dung một thí nghiệm đơn giản Người ta chiếu tia laser vào một dòng nước đang chảy cong xuống từ bình chứa Thay vì tiếp tục đi thẳng ra ngoài, ánh sáng có thể bị giữ bên trong dòng nước và đi theo đường cong của nó. Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần. Nguyên nhân nằm ở sự khác biệt về chiết suất giữa hai môi trường. Chiết suất cho biết ánh sáng truyền trong một vật liệu chậm hơn bao nhiêu so với trong chân không. Khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất cao sang môi trường có chiết suất thấp, nó có thể đổi hướng tại ranh giới. Nếu góc tới đủ lớn, ánh sáng sẽ phản xạ trở lại hoàn toàn thay vì truyền sang môi trường bên ngoài. Sợi quang hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự, bên trong là phần lõi thủy tinh có chiết suất cao hơn, bao quanh bởi một lớp vỏ quang học có chiết suất thấp hơn Sự chênh lệch này giúp giữ ánh sáng trong lõi khi nó chuyển dọc theo sợi Nhờ cấu tạo ấy, sợi quang có thể được uốn cong trong giới hạn cho phép mà vẫn dẫn được ánh sáng Tuy nhiên, giữ ánh sáng không thoát ra ngoài mới chỉ giải quyết được một vấn đề Ngay cả khi được dẫn đúng hướng, tín hiệu vẫn có thể yếu dần khi đi qua thủy tinh Và trong những thí nghiệm đầu tiên, mức suy yếu ấy lớn đến mức khiến cả ngành viễn thông phải nghi ngờ khả năng ứng dụng của công nghệ này Bí ẩn, bí ẩn khi ánh sáng biến mất trong thủy tinh Vào đầu thập niên 1960, một số sợi dẫn sáng có mức suy hao lên tới khoảng 1.000 dB trên mỗi km Con số này lớn đến mức tín hiệu gần như biến mất chỉ sau một quãng đường ngắn, khiến việc sử dụng sợi thủy tinh để liên lạc đường dài trở nên thiếu thực tế. Để dễ hình dung, nếu ánh sáng bị suy hao 20 dB, công suất còn lại chỉ bằng 1% ban đầu. Nghĩa là cứ 100 đơn vị năng lượng đưa vào, đầu bên kia chỉ nhận được một đơn vị. Với mức suy hao 1.000 dB trên mỗi km, lượng ánh sáng còn lại sau quãng đường ấy gần như bằng 0. Nguyên nhân đầu tiên nằm ngay trong cấu trúc thủy tinh Dù nhìn rất trong suốt, vật liệu này vẫn có những biến thiên cực nhỏ về mật độ Khi ánh sáng đi qua, một phần bị tán xạ theo nhiều hướng khác nhau Hiện tượng đó được gọi là tán xạ Rayleigh Một vấn đề khác đến từ tạp chất Thủy tinh thông thường có thể chứa một lượng nhỏ kim loại như sắt Khiến một số bước sóng ánh sáng bị hấp thụ Bạn có thể nhận thấy điều này khi nhìn vào cạnh của một tấm kính dày Phần cạnh thường có màu xanh lục vì các bước sóng khác bị hấp thụ nhiều hơn trong quá trình truyền qua kính. Những tổn thất rất nhỏ trên một đoạn kính ngắn sẽ trở nên nghiêm trọng khi ánh sáng phải đi qua hàng km vật liệu. Chính vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu thời đó cho rằng sợi thủy tinh khó có thể trở thành phương tiện truyền thông thực tế. Charles Kao và cuộc theo đuổi bị cho là viễn vông. Đầu thập niên 1960, tại phòng thí nghiệm Standard Telecommunication Laboratories ở Anh, kỹ sư Charles Kao bắt đầu theo đuổi một hướng nghiên cứu mà ngay cả cấp trên cũng không mấy tin tưởng. Ông muốn sử dụng những sợi thủy tinh cực mảnh để truyền tín hiệu liên lạc, trong khi các kết quả thí nghiệm lúc ấy đều cho thấy ánh sáng suy yếu quá nhanh. Kao không vội chấp nhận kết luận rằng công nghệ này không có tương lai Ông cùng các cộng sự nghiên cứu những đặc tính của vật liệu Và tính toán xem ánh sáng thực sự có thể truyền xa đến mức nào Kết quả khiến ông tin rằng nếu kiểm soát tốt chất lượng thủy tinh Mức suy hao có thể giảm xuống ngưỡng đủ thấp để phục vụ viễn thông Năm 1966, Kao cùng George Hockham công bố nghiên cứu đề xuất chế tạo sợi quang có mức suy hao dưới 20 dB trên mỗi km. Đây là mục tiêu đầy tham vọng vào thời điểm mà nhiều mẫu sợi đang có mức suy hao cao gấp hàng chục lần. Nhưng để thuyết phục ngành công nghiệp, những phép tính vẫn chưa đủ, Kao cần một bằng chứng có thể đo đạc được. Ông bắt đầu nghiên cứu silica nóng chảy có độ tinh khiết rất cao. Khó khăn nằm ở chỗ, những mẫu vật liệu chỉ dài chưa đến 30 cm, quá ngắn để đo bằng các phương pháp thông thường. Nhóm nghiên cứu phải phát triển thiết bị đủ nhạy để phát hiện sự thay đổi cực nhỏ của ánh sáng khi đi qua mẫu. Đến năm 1969, các phép đo cho thấy silica nóng chảy có thể đạt mức suy hao dưới 5 dB trên mỗi km. Kết quả này đặc biệt quan trọng vì nó chứng minh rằng vật liệu thích hợp đã tồn tại, dù việc chế tạo thành những sợi quang dài vẫn còn là thách thức lớn. Nghiên cứu của Kao đã mang lại cơ sở khoa học để các phòng thí nghiệm tiếp tục đầu tư Cuộc tìm kiếm giờ đây chuyển sang một nhiệm vụ cụ thể hơn Làm sao sản xuất được sợi quang có chất lượng tương đương những mẫu vật liệu siêu tinh khiết ấy Cuộc đột phá năm 1970 tại phòng thí nghiệm Corning Tại công ty Corning ở Mỹ, Robert Maurer cùng Donald Keck và Peter Schultz Bắt tay vào giải quyết bài toán chế tạo sợi quang Họ sử dụng silica siêu tinh khiết, nhưng phải tìm cách tạo ra sự chênh lệch chiết suất giữa phần lõi và lớp vỏ mà không làm tăng suy hao ánh sáng Nhóm nghiên cứu quyết định pha thêm một lượng nhỏ titanium vào lõi để điều chỉnh chiết suất Đây là công việc đòi hỏi độ chính xác rất cao, bởi thành phần vật liệu và điều kiện nung nóng đều có thể ảnh hưởng đến chất lượng sợi Các thử nghiệm ban đầu liên tục gặp khó khăn, việc đưa vật liệu vào ống thủy tinh và tạo lớp phủ đồng đều không hề đơn giản. Trong quá trình cải tiến thiết bị, nhóm từng tận dụng cả máy hút bụi để hỗ trợ điều khiển luồng vật liệu. Họ cũng phải điều chỉnh công đoạn xử lý nhiệt nhằm hạn chế những biến đổi của titanium gây suy hao ánh sáng. Ngày 22 tháng 7 năm 1970, một mẫu phôi gặp sự cố khi kéo sợi Donald Keck vẫn kiểm tra đoạn sợi thu được và phát hiện mức suy hao chỉ khoảng 17 dB trên mỗi km Kết quả khiến cả nhóm bất ngờ vì lần đầu tiên họ vượt qua mục tiêu 20 dB trên mỗi km Ngày 21 tháng 8 cùng năm, một mẫu sợi dài khoảng 210 mét tiếp tục xác nhận mức suy hao 16,9 dB trên mỗi km. Đây là cột mốc quan trọng, chứng minh rằng sợi quang suy hao thấp có thể được chế tạo thành công. Những năm sau đó, việc sử dụng germanium thay cho titanium giúp cải thiện độ bền và giảm suy hao xuống khoảng 4 dB trên mỗi km Thành công của nhóm Corning mở đường cho việc phát triển những tuyến cáp quang có khả năng ứng dụng trong mạng viễn thông thực tế Từ phòng thí nghiệm đến những tuyến cáp xuyên đại dương Sau thành công tại Corning, các công ty viễn thông bắt đầu thử nghiệm cáp quang trong những mạng liên lạc thực tế Các kỹ sư phải tìm cách nối những đoạn sợi cực mảnh, bảo vệ chúng khi chôn dưới lòng đất và duy trì chất lượng truyền dẫn trong thời gian dài Năm 1977, AT&T đưa hệ thống cáp quang vào thử nghiệm thực tế tại Chicago Chỉ 2 năm sau, các nhà nghiên cứu Nhật Bản đạt mức suy hao khoảng 0,2 dB trên mỗi km Một bước tiến lớn về chất lượng sợi quang Thử thách tiếp theo là đưa công nghệ này vượt đại dương Cáp biển phải chịu áp lực nước, dòng chảy và nguy cơ hư hại từ hoạt động hàng hải. Một sự cố dưới đáy biển có thể khiến việc sửa chữa kéo dài và tốn kém. Năm 1988, tuyến cáp quang xuyên đại Tây Dương TAT-8 chính thức đi vào hoạt động, kết nối Bắc Mỹ với châu Âu. Hệ thống có khả năng phục vụ khoảng 40.000 cuộc gọi điện thoại đồng thời, gấp khoảng 10 lần thế hệ cáp đồng xuyên đại Dương trước đó. Sự kiện này đánh dấu bước thay đổi lớn trong liên lạc quốc tế Những cuộc gọi giữa hai bờ Đại Tây Dương giờ đây có thể được truyền qua các sợi thủy tinh nhỏ bé nằm sâu dưới đáy biển Từ những tuyến thử nghiệm trong thành phố, cáp quang đã trở thành một phần quan trọng của mạng viễn thông kết nối các châu lục Một sợi thủy tinh truyền hàng triệu thông tin như thế nào? Mỗi khi bạn gửi một tin nhắn, xem một đoạn video hay thực hiện cuộc gọi, thiết bị đều phải biến thông tin thành những tín hiệu có thể truyền đi Với cáp quang, quá trình ấy diễn ra bằng ánh sáng. Nhưng làm thế nào một chùm sáng có thể mang theo giọng nói, hình ảnh và hàng triệu dữ liệu khác nhau? Đầu tiên, thiết bị ghi nhận âm thanh và lấy mẫu liên tục để biểu diễn giọng nói bằng những con số. Các con số tiếp tục được mã hóa thành những dãy bít gồm số 0 và số 1. Đây cũng là cách máy tính lưu trữ và xử lý nhiều loại thông tin khác nhau. Khi dữ liệu đi vào hệ thống truyền dẫn quang, bộ phát sử dụng laser để tạo ra tín hiệu ánh sáng mang những bít ấy Trong một cách mã hóa đơn giản, một xung sáng có thể đại diện cho số 1, còn khoảng không có xung sáng đại diện cho số 0 Các hệ thống hiện đại có thể sử dụng những phương pháp điều chế phức tạp hơn để truyền nhiều dữ liệu trong cùng một khoảng thời gian Ở đầu nhận, thiết bị quang học phát hiện tín hiệu ánh sáng và chuyển nó trở lại thành tín hiệu điện Dữ liệu sau đó được xử lý để khôi phục âm thanh, hình ảnh hoặc nội dung ban đầu Một tuyến cáp còn có thể phục vụ rất nhiều người cùng lúc Hệ thống sẽ sắp xếp các luồng dữ liệu vào những khoảng thời gian riêng Hoặc sử dụng nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau Có thể hình dung mỗi bước sóng giống như một làn đường Cho phép nhiều dòng thông tin cùng đi qua một sợi quang mà vẫn được phân biệt ở đầu nhận Nhờ những kỹ thuật này, cáp quang ngày nay có thể truyền lượng dữ liệu khổng lồ Từ cuộc gọi điện thoại, tin nhắn, hình ảnh đến những bộ phim chất lượng cao, tất cả đều có thể được mã hóa thành dữ liệu số và truyền qua những sợi thủy tinh nhỏ bé. Vì sao Internet không thể chỉ dựa vào một sợi quang? Dù cáp quang hiện đại có mức suy hao rất thấp, ánh sáng vẫn yếu dần khi truyền qua những quãng đường dài. Với một tuyến cáp xuyên đại dương dài hàng nghìn km, nếu chỉ phát tín hiệu từ một đầu và chờ nó đến đầu bên kia, bộ thu có thể không còn nhận được tín hiệu đủ mạnh để giải mã chính xác Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư sử dụng những bộ khuếch đại quang đặt dọc tuyến cáp Một công nghệ phổ biến là bộ khuếch đại sợi quang pha erbium, thường được gọi là EDFA Bên trong thiết bị có một đoạn sợi quang đặc biệt chứa nguyên tố erbium Khi được cung cấp năng lượng từ nguồn laser bơm, đoạn sợi này có thể khuếch đại tín hiệu ánh sáng đi qua mà không cần chuyển nó thành tín hiệu điện nước. Trên các tuyến cáp biển đường dài, những bộ khuếch đại thường được bố trí cách nhau vài chục đến khoảng 100 km tùy thiết kế. Chúng giúp duy trì tín hiệu đủ mạnh trong suốt hành trình xuyên đại dương. Tuy nhiên, khuếch đại chỉ là một phần của hệ thống. Internet còn cần các thiết bị truyền nhận, bộ định tuyến và những trung tâm kết nối để đưa dữ liệu đến đúng địa chỉ Chính sự phối hợp của nhiều công nghệ đã biến mạng lưới cáp quang thành hệ thống liên lạc toàn cầu mà chúng ta sử dụng mỗi ngày Bên trong nhà máy sản xuất sợi quang hiện đại Trong một nhà máy sản xuất sợi quang hiện đại, một thanh thủy tinh lớn được đưa lên đỉnh tòa tháp cao tương đương 7 tầng nhà Thanh thủy tinh này được gọi là phôi quang, có thể dài vài mét và chứa đủ vật liệu để kéo thành hàng trăm km sợi Trong suốt quá trình kéo, máy móc phải liên tục kiểm soát đường kính sợi với độ chính xác đến từng micromet Trước khi được đưa lên tháp, phôi quang trải qua nhiều công đoạn chế tạo Một phương pháp phổ biến là đưa hỗn hợp khí chứa silicon vào bên trong ống thủy tinh Sau đó sử dụng nguồn nhiệt hoặc plasma để tạo những lớp silica cực kỳ tinh khiết Thành phần vật liệu được điều chỉnh chính xác theo từng lớp Khi đạt cấu trúc mong muốn, ống được nung nóng để phần rỗng ở giữa khép lại tạo thành một thanh thủy tinh đặc Một số công đoạn sử dụng nguồn plasma có nhiệt độ lên đến hàng nghìn độ C Khi phôi hoàn toàn, nó được chuyển đến tháp kéo sợi Phần đầu phôi được nung ở nhiệt độ trên 2000 độ C cho đến khi thủy tinh mềm ra và bắt đầu chảy xuống. Hệ thống máy kéo liên tục làm thủy tinh nhỏ dần cho đến khi phần sợi thủy tinh đạt đường kính tiêu chuẩn khoảng 125 micromet, chưa tính các lớp phủ bảo vệ bên ngoài. Tuy nhiên, sợi vừa được kéo ra vẫn còn rất nóng. Nó phải đi qua một đoạn tháp đủ dài để nguội dần trước khi được phủ hai lớp polymer bảo vệ. Nếu làm nguội quá nhanh, ứng suất bên trong thủy tinh có thể tăng lên và ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn Ở cuối dây truyền, sợi được cuộn vào những trống lớn với tốc độ có thể vượt 50m mỗi giây Từng cuộn sau đó được kiểm tra độ bền kéo, đường kính và mức suy hao ánh sáng Một chi tiết khá bất ngờ là sợi thủy tinh chất lượng cao có thể chịu lực kéo rất tốt so với kích thước của nó Nhưng nếu bị gập quá gắt hoặc xuất hiện vết xước, sợi vẫn có thể đứt Vì vậy, khi sản xuất cáp hoàn chỉnh, các nhà máy phải bổ sung nhiều lớp bảo vệ và vật liệu gia cường. Từ những cuộn sợi siêu mảnh ấy, hàng nghìn km cáp tiếp tục được chế tạo, vận chuyển và lắp đặt vào các mạng viễn thông trên khắp thế giới. Hơn một thế kỷ trước, Zach Vernon Boys có lẽ không thể tưởng tượng rằng những sợi thủy tinh được kéo ra từ chiếc nỗ lực của mình sẽ gợi mở một công nghệ kết nối cả thế giới. Năm 2009, Zachary Scott được trao giải Nobel vật lý vì những đóng góp tiên phong cho truyền thông bằng sợi quang Nhưng giá trị lớn nhất của câu chuyện còn nằm ở cách con người vượt qua những giới hạn từng được xem là không thể thay đổi Từ một thí nghiệm kỳ lạ đến mạng lưới kết nối hàng tỷ người Hành trình ấy khiến chúng ta tự hỏi còn bao nhiêu phát minh đang chờ được khám phá Ngay trong những ý tưởng mà hôm nay chưa ai tin là khả thi Hãy subscribe cho kênh La La School Để không bỏ lỡ những video hấp dẫn