Truyền thông cáp quang: Sự khởi đầu

Vào giữa thập niên 1960, Kuen Charles Kao đã đề xuất việc sử dụng sợi quang học cho hệ thống thông tin liên lạc, cũng như tính toán xem nó có thể được thực hiện như thế nào. Với công nghệ truyền thông thô sơ vào thời điểm đó, sáng kiến của Kao là một bước nhảy vọt của trí tưởng tượng, gần giống với khoa học viễn tưởng. Nhờ công trình này, Kao đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2009.

Kao sinh ra trong một gia đình thuộc tầng lớp thượng lưu ở Thượng Hải, Trung Quốc. Cha của ông là một luật sư và mẹ là nhà thơ. Với tính cách hướng nội và ngại giao tiếp, ông đã học ở nhà cùng với em trai Timothy trong suốt thời thơ ấu trước khi theo học các trường giảng dạy bằng tiếng Pháp và tiếng Anh. Năm 1953, ông chuyển đến Anh để học tại Đại học Bách khoa Woolwich (nay là Đại học Greenwich ở London).

Sau khi tốt nghiệp chuyên ngành kỹ sư điện năm 1957, Kao làm việc cho Standard Telephone and Cables, một công ty thuộc Tập đoàn International Telephone & Telegraph (ITT). Tại đây, ông gặp và kết hộn với kỹ sư đồng nghiệp Gwen Mae-wan Wong. Ông đã từ chối giảng dạy tại Đại học Bách khoa Loughborough (Anh) để làm việc trong chi nhánh nghiên cứu của công ty Standard Telephone and Cables, cụ thể là Phòng thí nghiệm Viễn thông Tiêu chuẩn (STL) ở Harlow, Vương quốc Anh.

Tương tự như phòng thí nghiệm Bell Labs ở Mỹ [mặc dù được tài trợ ít hơn], STL là một vườn ươm cho các nhà lãnh đạo công nghiệp và học thuật trong tương lai – những người có óc sáng tạo và sự tháo vát. Kao gia nhập nhóm nghiên cứu của Toni Karbowiak và một chuyên gia khác trong lĩnh vực viễn thông của Anh, Alec Reeves.

Vào thời điểm đó, các công nghệ viễn thông đều sử dụng cáp đồng trục hoặc phát tín hiệu vô tuyến trong dải tần megahertz. Cáp đồng trục là loại cáp điện với một lõi dẫn điện được bọc lại bởi một lớp điện môi không dẫn điện, xung quanh quấn thêm một lớp bện kim loại, ngoài cùng có thêm lớp vỏ bọc cách điện.

Nhu cầu truyền tải thông tin ngày càng tăng đồng nghĩa với việc con người phải tìm cách sử dụng dải tần số cao hơn, hay dải tần số vi sóng (gigahertz). Nhiều chương trình nghiên cứu lớn được triển khai trên khắp thế giới. Công nghệ dẫn đầu trong cuộc đua là ống dẫn sóng bằng kim loại rỗng do Harold Barlow khởi xướng vào thập niên 1950. Barlow cũng chính là người giám sát của Kao trong quá trình ông bảo vệ luận án tiến sĩ tại trường Đại học College London. Đáng tiếc công nghệ này tốn kém và không thực tế, bởi vì người ta luôn phải đặt những ống kim loại theo đường thẳng. Karbowiak, một kỹ sư dày dạn kinh nghiệm và là cựu nghiên cứu sinh của Barlow, biết rằng cần phải có những ý tưởng mới.

Vào đầu những năm 1960, ngay khi tia laser xuất hiện, Karbowiak yêu cầu Kao nghiên cứu về thiết bị ống dẫn vi sóng [hay sóng vi ba] có khả năng truyền tải tín hiệu quang học có tần số thậm chí cao hơn (hàng trăm terahertz) và mang nhiều thông tin hơn. Ý tưởng chế tạo một ống dẫn sóng để truyền ánh sáng qua hàng trăm km thật ngoạn mục. Điều này đòi hỏi phải thu nhỏ ống dẫn sóng có bề ngang vài cm thành một thứ mỏng như sợi tóc người, chỉ rộng 100 micromet. Thủy tinh là vật liệu trong suốt nhất về mặt quang học được biết đến, và nó có nhiều ưu điểm nổi bật như dễ uốn và khả năng chống sét. Nhưng vấn đề đặt ra là làm thế nào để chế tạo thủy tinh sạch và tinh khiết để dùng cho ống dẫn vi sóng?

George Hockham, một nhà vật lý trẻ tài năng, được giao nhiệm vụ giúp đỡ Kao để giải quyết vấn đề này. Dựa trên nguồn năng lượng từ các tia laser, độ nhạy của máy dò và khoảng cách giữa các trung tâm chuyển mạch viễn thông của Vương quốc Anh, Kao phát hiện một tín hiệu sẽ hao tổn 20 decibel (dB – thước đo logarit của công suất) trên mỗi km đường truyền – tương đương công suất giảm 99% trên một km. Tia laser truyền trong các loại thủy tinh tốt nhất vào thời điểm đó thậm chí còn có mức hao tổn lớn hơn, khoảng 1.000 dB/km. Kao đã phân tích một cách có hệ thống sự hấp thụ, phản xạ và tán xạ của các loại thủy tinh khác nhau, trong khi Hockham thực hiện tính toán kích thước ống dẫn sóng. Bài báo mang tính bước ngoặt của họ vào năm 1966 kết luận rằng nhiệm vụ truyền tải tín hiệu qua sợi thủy tinh về mặt lý thuyết là có thể thực hiện được.

Bài báo gần như không được chú ý, ngoại trừ tại các phòng nghiên cứu của Tổng cục Bưu điện Vương quốc Anh (chi nhánh viễn thông sau này trở thành British Telecom, nay là BT) và Bộ Quốc phòng. Cả hai tổ chức đều thiết lập các chương trình nghiên cứu trong lĩnh vực này, do họ bị thu hút bởi ý tưởng về một giải pháp thay thế chi phí thấp hơn cho các ống dẫn vi sóng.

Tuy nhiên, khoảng cách giữa lý thuyết và thực hành là rất lớn. Để thuyết phục các nhà nghiên cứu khác, Kao đã tiếp tục đo mức độ suy giảm tín hiệu trong những loại thủy tinh tinh khiết nhất mà ông có thể tìm thấy. Cộng sự của ông khi đó là Mervin Jones (Hockham đã rời đi để thành lập nhóm nghiên cứu công nghệ ăng-ten của riêng mình vào năm 1967). Họ tạo ra một thiết lập phức tạp để đo các giá trị hao tổn rất thấp trong những thanh thủy tinh silica nung chảy có chiều dài chỉ bằng một cái thước kẻ.

Từ đó, Kao đã đề xuất phương pháp truyền thông tin dưới dạng ánh sáng thông qua cáp quang. Dây cáp bao gồm những ống thủy tinh dài, và các chùm ánh sáng sẽ truyền dọc theo nó. Để ngăn ánh sáng rò rỉ ra các bên, Kao đã sử dụng thủy tinh tinh khiết. Thành ống đóng vai trò như một tấm gương cho các photon [hoặc hạt ánh sáng] phản xạ lại trong ống và tiếp tục di chuyển đi xa – một hiện tượng được gọi là phản xạ nội bộ toàn phần. Ông công bố kết quả nghiên cứu của mình trên tạp chí Journal of Physics E: Scientific Instruments vào năm 1969.

Năm 1970, nhóm của Robert Maurer tại công ty Corning Glass của Mỹ đã phá vỡ giới hạn suy giảm tín hiệu 20 dB/km trong các sợi quang dài khoảng một km.

Cuộc cách mạng cáp quang bắt đầu xảy ra. Phần lớn nghiên cứu được thực hiện tại STL và các phòng nghiên cứu của Bưu điện Anh trong cuộc chạy đua với phòng thí nghiệm Bell Labs và công ty viễn thông AT&T của Mỹ. Năm 1977, Bưu điện Anh là nơi đầu tiên lắp đặt các sợi cáp quang trong mạng viễn thông của mình. Hệ thống cáp quang xuyên Đại Tây Dương đầu tiên được thực hiện vào năm 1988.

Vào giữa những năm 2000, Kao mắc bệnh Alzheimer. Tình trạng sức khỏe của ông ngày càng xấu đi và ông qua đời tại Hồng Kông năm 2018. Chúng ta khó có thể đánh giá đầy đủ những di sản mà ông đã để lại. Ngày nay, các nhà nghiên cứu có thể giảm thiểu sự hao tổn tín hiệu trong sợi quang dưới 0,15 dB/km, vượt qua hơn sáu lần so với dự đoán trước đó của ông vào năm 1966.