Cáp quang đã cách mạng hóa việc truyền dữ liệu trên toàn cầu và được sử dụng trong nhiều ứng dụng, tất cả là nhờ khả năng chống nhiễu và chống nhiễu điện từ.
Công nghệ cáp quang có một lịch sử thú vị và được phát minh lần đầu tiên vào những năm 1920. Nhiều tiến bộ đã được thực hiện trong công nghệ tuyệt vời này theo thời gian. Điều này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi cáp quang trong nhiều ứng dụng bao gồm internet, ngành y tế và truyền thông điện thoại di động. Những loại cáp này sẽ hỗ trợ thêm cho sự phát triển của các hệ thống công nghệ cao trong tương lai.
Tiếp tục đọc để tìm hiểu thêm về bối cảnh lịch sử, ứng dụng hiện tại và triển vọng tương lai của cáp quang.
Tiền thân của cáp quang:
Điện báo
Vào những năm 1800, điện báo đã được phát triển như một cách để giao tiếp với nhau qua những khoảng cách xa. Thí nghiệm thành công đầu tiên được thực hiện bởi Sir Charles Wheatstone và William Fothergill Cook vào năm 1837. Công nghệ này vẫn đang được sử dụng cho đến ngày nay nếu bạn đã từng quay số quốc tế để gọi điện thoại hoặc gửi hoa cho ai đó ở nước ngoài! Điện báo đã đặt nền tảng cho sự phát triển của cáp quang trong tương lai; nó giúp có thể gửi tin nhắn qua những khoảng cách xa mà không cần phải dựa vào việc vận chuyển người với chi phí cao (và khiến tính mạng của họ gặp nguy hiểm khi di chuyển trên địa hình nguy hiểm như vậy).
Điện thoại:
Alexander Graham Bell đã cấp bằng sáng chế cho thiết kế "Điện thoại" của mình vào năm 1876 và lắp đặt đường dây điện thoại đầu tiên vào năm 1878. Mặc dù đáng ngạc nhiên là phải mất nhiều thời gian như vậy để phát minh ra điện thoại, nhưng vào thời điểm đó, mọi người đã hình dung ra một tương lai mà họ có thể giao tiếp bằng giọng nói mà không cần phải truyền giọng nói của mình đến người khác - giống như điện báo đã làm.
Dây đồng:
Tiền thân chính của cáp quang là dây đồng. Đây là phương pháp chính để di chuyển dữ liệu cho mạng có dây. Dây bị giới hạn ở một khoảng cách và chất lượng nhất định trước khi chúng bắt đầu xuống cấp và mất cường độ tín hiệu. Sợi quang cho phép tín hiệu dữ liệu di chuyển lâu hơn nhiều vì cáp không bị xuống cấp nhanh theo thời gian.
Cáp điện thoại làm bằng dây đồng là cách phổ biến nhất để gửi và nhận dữ liệu giữa máy tính và các thiết bị điện tử khác. Các thiết bị này có tên gọi như "modem", có chức năng chuyển mã kỹ thuật số thành tín hiệu âm thanh để có thể truyền hình ảnh và văn bản qua đường dây điện thoại. Vấn đề với những loại cáp này là chúng nhanh chóng bị quá tải và có một tốc độ tối đa mà không thể gửi thêm thông tin nào nữa. Một phương pháp nhanh hơn phải được phát triển để các công nghệ hiện đại như internet, điện thoại di động và dịch vụ phát trực tuyến có thể hoạt động hiệu quả.
Dây đồng được sử dụng trong hầu hết các thiết bị truyền thông sử dụng điện để truyền dữ liệu. Dữ liệu có thể được truyền qua dây đồng với tốc độ 1-2 Mb/giây, trong đó phải mất 100 triệu bit trong một giây để đạt được tốc độ này. Có một số nhược điểm khi sử dụng dây đồng, đó là nóng, phát tia lửa và chi phí. Vì có những phương pháp mới hơn để truyền thông tin với tốc độ nhanh hơn, nên dây đồng hiện nay ít được sử dụng hơn nhiều so với trước khi cáp quang được phát minh.
Ai là người phát minh ra cáp quang?
Cáp quang được phát minh bởi Tiến sĩ Narinder Singh Kapany, sinh ra tại Amritsar, Ấn Độ vào ngày 31 tháng 3 năm 1926. Ông đã cấp bằng sáng chế cho cáp quang đầu tiên vào năm 1964. Ông có thể chụp ảnh bằng ánh sáng và phản chiếu nó ra khỏi gương để có thể quan sát được cùng một hình ảnh ở phía bên kia, chứng minh phương pháp của ông có hiệu quả. Trong khi nghiên cứu các cách sử dụng ánh sáng trong truyền thông, Narinder Singh Kapany đã tạo ra cáp quang này, thứ sẽ tiếp tục cách mạng hóa cách chúng ta truyền dữ liệu trong nhiều năm tới.
Việc truyền dữ liệu đầu tiên qua cáp quang diễn ra vào năm 1974 và năm đó đã chứng kiến hai bước phát triển lớn trong công nghệ mới: cáp quang đơn mode được giới thiệu và cáp quang ngầm dưới biển đầu tiên được lắp đặt bên ngoài Bắc Mỹ.
Cáp quang xuất hiện trước mắt chúng ta từ khi nào?
Vì cáp quang truyền dữ liệu với tốc độ nhanh hơn nhiều so với dây đồng nên chúng được sử dụng trong công nghệ sử dụng điện để giao tiếp, chẳng hạn như máy tính và điện thoại thông minh. Mặc dù phát minh ra sợi quang đầu tiên được thực hiện vào năm 1965, nhưng mãi đến những năm 1990, sợi quang mới được sử dụng rộng rãi cho mục đích giao tiếp.
1965: Sợi quang đầu tiên được làm từ nhựa
Năm 1965, Daniel Noble đã trình diễn sợi nhựa đầu tiên làm từ polyethylene. Đó là một sợi dài có thể truyền hình ảnh qua khoảng cách 50 mét. Năm 1970, ông đã trình bày phát minh của mình với Kong Harald Jorn Wang tại Trung tâm nghiên cứu Shirriff-Mew ở Đan Mạch. Cùng nhau, họ đã cải tiến thiết kế ban đầu của Daniel Noble bằng cách làm cho lõi nhựa nhỏ hơn. Họ gọi nó là "Sợi quang" và cấp bằng sáng chế cho ý tưởng này vào năm 1974.
Những năm 1960-1980: Sợi quang cho truyền thông
Vào năm 1970, các nhà khoa học tại Corning Glass Works đã tạo ra sợi quang có khả năng truyền hình ảnh qua khoảng cách xa mà không bị hư hỏng. Vào năm 1973, đường truyền đường dài đầu tiên sử dụng sợi quang đã được tạo ra. Các loại cáp thương mại đầu tiên là sợi đơn mode (MMF), nghĩa là chúng chỉ có thể truyền một tia sáng tại một thời điểm. Điều này có nghĩa là tốc độ dữ liệu phải được giảm xuống để đảm bảo tất cả các tia sáng đều đến đích thành công.
Những năm 1980: Sợi quang nhựa cho truyền thông
Vào đầu những năm 1980, sợi quang nhựa trở nên thịnh hành. Chúng rẻ để sản xuất và tương thích với công nghệ sợi quang hiện có. Đến năm 1983, một số công ty đã sử dụng sợi nhựa để truyền dữ liệu qua khoảng cách xa
Những năm 1990-nay: Sợi đa chế độ cho truyền thông
Sợi đa chế độ có nhược điểm là băng thông hạn chế. Chúng không thể được sử dụng cho truyền thông đường dài, nhưng chúng rẻ và dễ sản xuất, đó là lý do tại sao chúng vẫn được sử dụng trên internet ngày nay.
Những năm 2000: Sợi quang đơn chế độ cho truyền thông
Sợi quang đơn mode được làm bằng thủy tinh để giảm mất tín hiệu trên khoảng cách xa hơn. Chúng đắt hơn sợi quang đa mode, nhưng chúng có khả năng truyền tải lượng dữ liệu lớn ở tốc độ rất cao.
2015-nay: Sợi quang nhựa cho truyền thông
Bắt đầu từ năm 2015, sợi quang nhựa đang được sử dụng để truyền dữ liệu qua khoảng cách ngắn trên quy mô lớn. Điều này có thể thấy qua những sáng kiến như Dự án Loon của Google, sử dụng hệ thống máy tính với khinh khí cầu được trang bị ăng-ten dịch vụ di động để truyền internet đến các vùng nông thôn.
Cáp quang có vai trò như thế nào trong cuộc sống hiện nay của chúng ta?
- Dịch vụ Internet
Cáp quang đã đóng góp phần lớn vào việc mở rộng các dịch vụ internet. Việc sử dụng cáp quang đã cho phép tốc độ internet nhanh hơn, tăng dung lượng băng thông rộng và khả năng thâm nhập internet lớn hơn. Tốc độ truyền dữ liệu tăng đã dẫn đến sự gia tăng khối lượng dữ liệu có thể truyền qua cáp quang.
Có thể tăng dung lượng băng thông rộng bằng cách lắp nhiều sợi quang hơn bên trong một cáp cụ thể. Cáp quang cũng cho phép triển khai linh hoạt vì không yêu cầu truyền dẫn trực tiếp như cáp đồng. Điều này có nghĩa là các khu vực khó tiếp cận bằng cáp đồng hiện có thể tiếp cận được vì cáp quang cũng chống nhiễu và suy giảm tiếng ồn.
- Dịch vụ thoại và video
Một xu hướng mới nổi trong ngành viễn thông là việc sử dụng ngày càng nhiều cáp quang cho các dịch vụ thoại và video. Lý do chính cho điều này là vì một đầu của cáp quang có thể được kết nối với tổng đài điện thoại và đầu kia của nó được kết nối với điện thoại tại cơ sở của khách hàng. Điều này có nghĩa là tất cả các tín hiệu thoại và video được truyền trên dây đồng tại tổng đài điện thoại cũng sẽ được truyền trên cáp quang.
-Sự giải trí
Cáp quang cũng có thể được sử dụng để truyền các chùm ánh sáng thông tin như âm thanh và hình ảnh cho mục đích giải trí. Điều này có thể được thực hiện bằng cách truyền các chùm ánh sáng vào các sợi quang tại máy phát, sau đó tách hai hoặc nhiều chùm ánh sáng tại máy thu. Quá trình này được lặp lại tại một số vị trí dọc theo chiều dài của cáp quang.
- Dịch vụ y tế
Một trong những ứng dụng ít được sử dụng nhất của cáp quang là dịch vụ y tế, nhưng nó có nhiều ứng dụng đầy hứa hẹn bao gồm công việc nha khoa và phòng phẫu thuật. Công việc nha khoa có thể được thực hiện bằng cách sử dụng sợi quang để chiếu sáng và phóng đại. Công nghệ sợi quang cũng có thể phản chiếu hình ảnh trong phòng phẫu thuật thông qua việc sử dụng nguồn đèn flash với sợi quang.
- Ứng dụng viễn thông trên ô tô
Công nghệ cáp quang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng viễn thông trên ô tô để truyền thông tin liên quan đến xe như tốc độ và hiệu suất động cơ. Điều này cho phép các nhà sản xuất ô tô giảm lượng dây điện trong ô tô, giúp giảm trọng lượng và tăng hiệu suất nhiên liệu.
- Sử dụng trong công nghiệp
Cáp quang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau trong môi trường công nghiệp. Bao gồm các máy móc như thiết bị chụp ảnh y tế, trung tâm điều khiển động cơ, hệ thống tự động hóa nhà máy và hệ thống điều khiển quy trình. Cáp quang có thể được sử dụng để truyền dữ liệu lớn một cách nhanh chóng và ít nhiễu, cho phép sử dụng các thiết bị mạnh mà không bị nhiễu. Những lợi ích này đã cho phép cáp quang thay thế dây đồng trong các ứng dụng này.
- Dịch vụ viễn thông
Trong ngành viễn thông, cáp quang cho phép các nhà cung cấp dịch vụ giảm số lượng liên kết giữa đầu cuối và các điểm khác trên mạng của họ. Điều này làm giảm sự suy giảm tín hiệu và nhiễu khác liên quan đến các đoạn dây đồng dài, tạo ra tín hiệu mạnh hơn và đáng tin cậy hơn.
Cáp quang còn cho phép các nhà cung cấp dịch vụ cung cấp tốc độ internet cao hơn, dung lượng băng thông rộng tăng lên và lượng dữ liệu truyền tải lớn để cung cấp các dịch vụ như truyền hình và dịch vụ điện thoại.
- Thiết bị y tế
Cáp quang được sử dụng trong các ứng dụng y tế cho các thủ thuật nội soi giúp bác sĩ chẩn đoán và điều trị bệnh và trong các thủ thuật phẫu thuật. Công nghệ sợi quang được sử dụng trong nội soi vì khả năng truyền ánh sáng mà không bị suy giảm đáng kể trên khoảng cách xa, cho phép chẩn đoán và điều trị chính xác hơn.
- Cáp ngầm dưới biển
Cáp quang được sử dụng rộng rãi trong cáp thông tin liên lạc dưới biển (còn được gọi là cáp ngầm). Những cáp quang này được đặt trên bề mặt đáy biển để truyền thông tin giữa các châu lục, cho phép viễn thông quốc tế. Cáp quang được sử dụng vì chúng có khả năng chống nhiễu và các điều kiện khác dưới nước.
-Ứng dụng quân sự
Do khả năng chống nhiễu, cáp quang có thể được sử dụng để gửi tín hiệu được mã hóa mà không sợ bị chặn. Quân đội đã sử dụng rộng rãi công nghệ cáp quang để gửi tín hiệu đến máy bay không người lái, máy bay chiến đấu và các phương tiện quân sự khác.
- Tốc độ và băng thông đáng kinh ngạc
Sự phát triển của cáp quang đã dẫn đến sự xuất hiện của các công nghệ có khả năng đạt tốc độ và băng thông đáng kinh ngạc. Bao gồm FTTH, FTTC và FTTB. Ba thế hệ công nghệ cáp quang này đã tăng tốc độ và khả năng hoạt động của cáp quang.
Với sự phát triển gần đây của cáp quang, chúng ta đã thấy tốc độ và băng thông truyền dữ liệu đáng kinh ngạc. Với tốc độ này, chúng ta có thể truyền thông tin của mình một cách dễ dàng. Cáp quang là phương thức truyền dữ liệu an toàn, đáng tin cậy và nhanh như chớp, là nguồn thông tin đáng tin cậy trong nhiều năm nay. Các công ty lớn như Google và Facebook đang sử dụng những loại cáp này vì họ hiểu rõ nhất về độ chính xác và độ tin cậy của chúng.
-Ứng dụng đa năng
Loại cáp này có lợi cho con người vì không giống như dây đồng có phạm vi hạn chế và chỉ có thể sử dụng cho một mục đích, cáp quang có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Điều này làm cho nó rất tiết kiệm chi phí và cũng làm giảm chất thải bằng cách giảm lượng linh kiện cần thiết để truyền thông tin. Với việc sử dụng cáp quang cho mục đích truyền thông, chúng ta có thể giảm lượng ô nhiễm và lưu lượng giao thông do cáp điện gây ra.
Sợi quang sẽ được sử dụng ở đâu trong tương lai?
Trong vài năm tới, chúng ta sẽ chứng kiến sự gia tăng liên tục về lượng dữ liệu được truyền qua khoảng cách xa thông qua cáp quang mà không cần bất kỳ sự khuếch đại hoặc tái tạo nào.
Không có giới hạn về khoảng cách đối với những gì có thể đạt được thông qua phương tiện này, nghĩa là nó có thể truyền thông tin đến bất kỳ đâu mà không bị mất mát bất kỳ thông tin nào, khiến nó trở nên lý tưởng để vận chuyển lượng lớn dữ liệu qua những khoảng cách xa.
- Tăng cường khả năng băng thông rộng
Một cách mà cáp quang sẽ giúp cải thiện xã hội của chúng ta là tăng dung lượng băng thông rộng. Điều này có thể đạt được bằng cách triển khai nhiều sợi quang hơn trong các loại cáp hiện có và thiết kế các loại cáp mới với nhiều sợi quang hơn nữa. Theo thời gian, chúng ta có thể chứng kiến sự gia tăng về khối lượng dữ liệu có thể truyền qua cáp quang cũng như giảm chi phí cho mỗi sợi quang.
Trong khi hệ thống cáp quang đã được sử dụng để cung cấp quyền truy cập Internet cho các hộ gia đình, xu hướng này dự kiến sẽ tiếp tục trong tương lai vì ngày càng nhiều người chán ngán các dịch vụ truyền thống như modem cáp chậm và hạn chế mức tiêu thụ băng thông. Với FTTH đang trở nên phổ biến, dự kiến 90% hộ gia đình sẽ có quyền truy cập vào kết nối băng thông rộng tốc độ cao thông qua phương tiện này.
- Mạng lưới đường dài
Một nơi khác mà chúng ta sẽ thấy công nghệ cáp quang được sử dụng thường xuyên hơn là mạng lưới đường dài. Khoảng cách mà dữ liệu được truyền qua cáp quang có thể lên tới 200.000 km mà không cần khuếch đại trong khi cáp đồng cần bộ lặp lại sau mỗi 100-200 mét. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi cáp ngầm đã được thay thế gần như hoàn toàn bằng cáp quang trong vài thập kỷ qua.
- Kết nối tốc độ cao giữa các trung tâm dữ liệu
Trung tâm dữ liệu là những bất động sản đắt tiền, nơi các công ty đặt máy chủ và các thiết bị khác cần thiết để vận hành doanh nghiệp trực tuyến. Cáp quang sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các trung tâm dữ liệu này vì chúng cung cấp một lượng băng thông khổng lồ cần thiết để truyền tải lượng thông tin lớn giữa các địa điểm khác nhau với tốc độ cao.
- Mạng gia đình
Sợi quang cũng có thể được sử dụng để truyền thông tin bên trong nhà, cho phép truyền thông nhanh hơn giữa các thiết bị khác nhau bên trong nhà. Điều này bao gồm máy tính, thiết bị gia dụng và thậm chí cả thiết bị giải trí như tivi. Mọi người sẽ dễ dàng kết nối điện thoại thông minh, máy tính bảng, tivi, máy tính xách tay, v.v. của mình với nhau mà không cần lo lắng về hạn chế băng thông hoặc vấn đề bảo mật.
- Hệ thống quản lý mạng hiệu quả
Có nhiều cách khác nhau mà công nghệ cáp quang có thể được sử dụng để cải thiện hiệu quả quản lý mạng. Việc sử dụng ghép kênh phân chia bước sóng đã cho phép sử dụng rất hiệu quả các kết nối băng thông rộng bằng cách có thể gửi dữ liệu qua các bước sóng khác nhau.
Người ta cũng có thể sử dụng công nghệ mạng quang thụ động với sợi quang để liên kết hiệu quả các mạng khác nhau với nhau, do đó cho phép hoạt động hợp lý hơn.
- Hệ thống cáp ngầm dung lượng cao
Hệ thống cáp ngầm sẽ tiếp tục đóng vai trò chính trong việc cung cấp kết nối băng thông rộng giữa các quốc gia, đặc biệt là ở những khu vực không có biên giới trên bộ. Đây không chỉ là lựa chọn tiết kiệm chi phí nhất cho các quốc gia bị chia cắt bởi các vùng nước lớn mà còn cung cấp khả năng bảo mật cao hơn trước các thảm họa thiên nhiên như sóng thần và động đất có thể phá hủy các đường truyền thông tin trên bộ.
-Sợi quang đến tận nhà
Một xu hướng lớn khác là công nghệ cáp quang được triển khai trong chính ngôi nhà, còn được gọi là Fiber to the Home hoặc FTTH. Một trong những lợi ích chính của công nghệ này là nó loại bỏ nhu cầu sử dụng nhiều loại cáp khi kết nối các thiết bị, nghĩa là ít cáp hơn trong tường và kết nối thuận tiện hơn.
- Tiếp tục tăng trưởng cho các thiết bị di động
Một trong những cách tốt nhất để theo kịp những phát triển công nghệ mới là thông qua các thiết bị di động vì chúng thường được cài đặt tất cả các phần mềm và ứng dụng mới nhất. Công nghệ cáp quang đã trở nên rất phổ biến với các thiết bị di động trong những năm gần đây và xu hướng này dự kiến sẽ tiếp tục do nhu cầu về tốc độ nhanh hơn cho việc phát trực tuyến và tải xuống video ngày càng tăng, đòi hỏi dung lượng băng thông lớn.
- Mở rộng các ISP và nhà cung cấp dịch vụ viễn thông
Khi ngày càng nhiều người kết nối với Internet, chúng ta sẽ thấy nhu cầu về ISP và nhà cung cấp dịch vụ viễn thông tăng lên. Điều này đặc biệt đúng ở các khu vực đang phát triển, nơi việc tiếp cận băng thông rộng tốc độ cao gặp khó khăn do những hạn chế về mặt địa lý như khoảng cách xa hoặc các quốc gia không giáp biển. Công nghệ cáp quang giúp giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp các tùy chọn kết nối tốc độ cao đáng tin cậy.
Truy cập lượng lớn dữ liệu qua mạng đòi hỏi rất nhiều dung lượng băng thông có thể nhanh chóng bị tắc nghẽn nếu không được sử dụng hiệu quả. Một cách để tối ưu hóa việc sử dụng băng thông là thông qua việc sử dụng phương tiện lưu trữ được chia sẻ như thiết bị lưu trữ gắn mạng (NAS) điện toán đám mây để tất cả người dùng mạng có thể truy cập và chia sẻ dữ liệu nhanh chóng và dễ dàng.
- Cải thiện quản lý lưới điện
Cáp quang cũng có thể được sử dụng kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo như tấm pin mặt trời để cung cấp cách nhanh hơn và đáng tin cậy hơn để gửi dữ liệu từ nguồn đến người tiêu dùng. Hệ thống cáp quang chạy từ một mảng tấm pin mặt trời đến một ngôi nhà gần đó dễ dàng và rẻ hơn nhiều so với việc chạy điện trên khoảng cách xa.
- Giảm chi phí băng thông
Trong những năm gần đây, chúng ta thấy giá băng thông đã giảm đều đặn nhờ những phát triển mới trong công nghệ băng thông rộng và chi phí nguyên liệu thô (như kính) giảm.
Cáp quang sẽ tiếp tục xu hướng này vì có rất ít vật liệu vật lý liên quan so với hệ thống cáp đồng truyền thống, nghĩa là các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) và viễn thông sẽ tiết kiệm được nhiều hơn khi tự mua thiết bị của mình.
Từ cuối cùng:
Cáp quang là một phần quan trọng của ngành công nghiệp thông tin và viễn thông vì chúng truyền dữ liệu với băng thông cao hơn các loại cáp khác. Cáp quang có thể được tìm thấy trong nhiều ứng dụng như kết nối internet, đường dây điện thoại, tín hiệu truyền hình cáp và nhiều hơn nữa.
Với sự phát triển của công nghệ mới sử dụng ánh sáng để truyền tải thay vì điện hoặc sóng vô tuyến, chúng ta có thể thấy cáp đồng sợi quang trở nên lỗi thời trong vòng 10 năm do dung lượng hạn chế - công nghệ hiện tại đã vượt xa nó rất nhiều!
Tương lai đang tươi sáng cho loại dây này; sẽ luôn có một số ứng dụng mà những sợi dây này tỏa sáng hơn so với các đối thủ cạnh tranh của chúng. Bài viết này cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan về cách thức hoạt động của cáp quang và mục đích sử dụng của nó để giờ đây bạn có thể gây ấn tượng với bạn bè bằng một chút kiến thức tại bữa tiệc tối tiếp theo mà bạn tham dự.
