Ai đã phát minh ra cáp quang? Lịch sử hoàn chỉnh của một công nghệ thay đổi thế giới

Cáp quang không phải được phát minh bởi một người duy nhất. Công nghệ này là kết quả của hơn một thế kỷ khám phá khoa học tích lũy, nhưng bước đột phá quan trọng nhất xảy ra vào năm 1966 khi Charles Kao - sau này được trao giải Nobel Vật lý - đã chứng minh rằng sợi thủy tinh có thể truyền tín hiệu ánh sáng đi một khoảng cách xa với mức suy hao tín hiệu đủ thấp để có thể áp dụng thực tế cho viễn thông. Công trình của ông, kết hợp với sự phát triển đồng thời của sợi thủy tinh tổn thất thấp của các nhà nghiên cứu tại một nhà sản xuất thủy tinh lớn vào năm 1970, được nhiều người coi là thời điểm sợi quang trở thành công nghệ truyền thông trong thế giới thực.

Nền tảng ban đầu: Dẫn hướng ánh sáng trước sợi quang

Nguyên tắc khoa học đằng sau cáp quang - phản xạ toàn phần - lần đầu tiên được mô tả bởi Daniel Colladon và Jacques Babinet vào những năm 1840, gần 130 năm trước khi sợi quang truyền thông hoạt động được chế tạo. Các thí nghiệm của họ cho thấy ánh sáng có thể được dẫn dọc theo một dòng nước cong, uốn cong theo nó thay vì thoát ra theo đường thẳng.

Năm 1870, nhà vật lý người Anh John Tyndall đã đưa ra một minh chứng nổi tiếng trước công chúng về hiệu ứng này, bằng cách sử dụng một tia nước chảy từ một chiếc bể để dẫn chùm tia sáng mặt trời dọc theo đường cong của nó. Thí nghiệm này - hiện là chủ yếu trong lớp học - đã chứng minh rằng ánh sáng có thể đi theo một môi trường cong nếu góc phản xạ giữ nó bị mắc kẹt bên trong. Chứng minh của Tyndall thường được coi là minh họa thực tế đầu tiên về nguyên lý quang học cốt lõi tạo nên công nghệ sợi quang có thể.

Vào đầu thế kỷ 20, các nhà phát minh đã bắt đầu xâu các thanh thủy tinh và thạch anh để dẫn ánh sáng dùng cho chiếu sáng y tế. Năm 1926, Clarence Hansell đã nộp bằng sáng chế cho một hệ thống sử dụng thanh thủy tinh để truyền hình ảnh - tiền thân của gói hình ảnh cáp quang. Cùng khoảng thời gian đó, Heinrich Lamm , một sinh viên y khoa người Đức, đã truyền thành công hình ảnh dây tóc bóng đèn qua một bó sợi thủy tinh vào năm 1930, khiến ông trở thành người đầu tiên truyền hình ảnh qua bó sợi.

Những năm 1950: Sợi bọc và sự ra đời của sợi quang như một lĩnh vực

Thời đại thực sự của sợi quang bắt đầu vào những năm 1950 khi các nhà nghiên cứu giải quyết được vấn đề rò rỉ tín hiệu cơ bản khiến cho các thanh thủy tinh đơn lẻ không thể truyền được hình ảnh. Giải pháp là sợi bọc - một lõi thủy tinh được bao quanh bởi lớp thủy tinh thứ hai có chiết suất thấp hơn, lớp này giữ ánh sáng bị khóa bên trong lõi thông qua sự phản xạ toàn phần.

Brian O'Brien và khái niệm tấm ốp

Brian O'Brien tại Công ty Quang học Hoa Kỳ đã đề xuất vào năm 1951 rằng việc phủ một sợi thủy tinh bằng một tấm thủy tinh thứ hai có chiết suất thấp hơn sẽ làm giảm đáng kể sự rò rỉ ánh sáng giữa các sợi trong một bó. Khái niệm về lớp phủ quang học này có cấu trúc giống hệt với những gì được sử dụng trong mọi cáp quang được sản xuất ngày nay.

Narinder Singh Kapany: Người đặt tên cho sợi quang

Narinder Singh Kapany được công nhận rộng rãi khi đặt ra thuật ngữ "sợi quang học" trong một bài báo khoa học của Mỹ năm 1960, và nghiên cứu của ông vào giữa những năm 1950 tại Imperial College London - được thực hiện với Harold Hopkins - đã tạo ra bó sợi quang linh hoạt, thực tế đầu tiên có khả năng truyền hình ảnh rõ ràng. Bài báo năm 1954 của họ trên tạp chí Nature đã chứng minh rằng một bó sợi thủy tinh bọc có thể truyền hình ảnh mạch lạc xung quanh các đường cong, mở ra cánh cửa cho nội soi y tế và truyền dữ liệu tương tự. Kapany sau này nắm giữ hơn 100 bằng sáng chế trong lĩnh vực này và đôi khi được gọi là "cha đẻ của cáp quang."

Charles Kao: Đột phá về giải thưởng Nobel đã biến sợi quang trở thành mạng lưới toàn cầu

Charles Kao đã thực hiện bước đột phá lý thuyết mang tính quyết định vào năm 1966, biến sợi quang từ một vật dụng trong phòng thí nghiệm trở thành xương sống của Internet toàn cầu. Làm việc tại Phòng thí nghiệm Viễn thông Tiêu chuẩn ở Harlow, Anh, Kao và đồng nghiệp George Hockham đã xuất bản một bài báo mang tính bước ngoặt chứng minh rằng sự suy giảm tín hiệu cao quan sát được ở sợi thủy tinh không phải là giới hạn vật lý cơ bản - nó gây ra bởi các tạp chất trong thủy tinh có thể được loại bỏ.

Kao tính toán rằng nếu thủy tinh có thể được tinh chế để giảm sự suy giảm xuống dưới 20 decibel trên km (dB/km) , thông tin liên lạc bằng cáp quang trên khoảng cách xa sẽ có tính khả thi về mặt thương mại. Vào thời điểm đó, sợi thủy tinh tốt nhất hiện có có độ suy giảm khoảng 1.000 dB/km – nghĩa là tín hiệu sẽ biến mất một cách hiệu quả trong phạm vi mét. Dự đoán lý thuyết của Kao cụ thể và có lý đến mức nó ngay lập tức gây ra một cuộc chạy đua toàn cầu nhằm sản xuất sợi thủy tinh siêu tinh khiết.

Năm 2009, Charles Kao được trao giải Nobel Vật lý "cho những thành tựu đột phá liên quan đến việc truyền ánh sáng trong sợi quang cho truyền thông quang học." Ông chia sẻ niềm vinh dự đó với tư cách là một trong những nhà phát minh có ảnh hưởng nhất trong lịch sử viễn thông.

1970: Năm cáp quang trở thành hiện thực — Maurer, Keck và Schultz

Bốn năm sau dự đoán lý thuyết của Kao, một nhóm gồm ba nhà nghiên cứu — Robert Maurer, Donald Keck và Peter Schultz — đã đạt được cột mốc thực tế chứng tỏ Kao đúng. Năm 1970, khi làm việc tại phòng thí nghiệm nghiên cứu thủy tinh ở New York, họ đã sản xuất ra chiếc kính đầu tiên sợi quang đơn mode với độ suy giảm dưới 20 dB/km, sử dụng lõi silic pha tạp titan. Đây là sợi quang đầu tiên trong lịch sử có khả năng truyền tín hiệu điện thoại qua khoảng cách tính bằng km thay vì mét.

Trong vòng hai năm, nhóm nghiên cứu đó đã giảm độ suy giảm xuống chỉ còn 4dB/km sử dụng lõi pha tạp germanium, và vào giữa những năm 1970, hệ thống cáp quang thương mại đã được phát triển. Maurer, Keck và Schultz đã nhận được Huân chương Công nghệ và Đổi mới Quốc gia vào năm 2000 cho công việc này, nó đã trực tiếp kích hoạt mọi mạng cáp quang đang hoạt động ngày nay.

Dòng thời gian hoàn chỉnh: Ai đã phát minh ra cái gì trong lịch sử sợi quang

các phát minh cáp quang trải qua gần 180 năm tiến bộ khoa học. Bảng dưới đây trình bày từng cột mốc quan trọng đối với người chịu trách nhiệm và tầm quan trọng của cột mốc đó đối với công nghệ chúng ta sử dụng ngày nay.

Bảng 1: Các cột mốc quan trọng trong lịch sử phát minh cáp quang, liệt kê từng người đóng góp chính, khám phá cụ thể của họ và ý nghĩa lâu dài của nó đối với công nghệ.

Cáp quang hoạt động như thế nào: Vật lý đằng sau phát minh

A cáp quang hoạt động bằng cách truyền các xung ánh sáng qua một sợi thủy tinh hoặc nhựa siêu tinh khiết mỏng như sợi tóc bằng cách sử dụng một hiện tượng gọi là phản xạ toàn phần . Khi ánh sáng truyền từ môi trường đậm đặc hơn (lõi thủy tinh) đến môi trường ít đậm đặc hơn (lớp bọc) ở một góc lớn hơn "góc tới hạn", nó sẽ phản xạ hoàn toàn trở lại lõi thay vì đi qua - bẫy ánh sáng bên trong một cách hiệu quả và dẫn ánh sáng dọc theo chiều dài của sợi.

các Three Layers of a Modern Fiber Optic Cable

• Cốt lõi: các light-carrying center, typically 8–62.5 microns in diameter, made from ultra-pure silica glass doped with germanium to raise the refractive index.
• Tấm ốp: Lớp kính bao quanh có chỉ số khúc xạ thấp hơn một chút, đảm bảo phản xạ toàn phần giúp giữ ánh sáng trong lõi. Thông thường đường kính ngoài là 125 micron.
• Lớp phủ và áo khoác: Các lớp polymer bảo vệ ngăn ngừa hư hỏng vật lý, sự xâm nhập của hơi ẩm và mất tín hiệu uốn cong vi mô. Áo khoác ngoài thay đổi tùy theo môi trường lắp đặt - trong nhà, ngoài trời, trên không hoặc dưới nước.

Sợi đơn chế độ và sợi đa chế độ: Sự khác biệt chính

các two primary categories of cáp quang được sử dụng trong các mạng hiện đại khác nhau về kích thước lõi, nguồn sáng, khoảng cách truyền và chi phí:

Bảng 2: So sánh cáp quang đơn mode và cáp quang đa mode qua sáu thông số kỹ thuật và thương mại chính.

Tại sao việc phát minh ra cáp quang đã thay đổi thế giới

các invention of cáp quang về cơ bản đã thay đổi truyền thông toàn cầu bằng cách thay thế dây đồng bằng kính dẫn hướng bằng ánh sáng — tăng công suất truyền dẫn lên hơn một triệu đồng thời giảm đáng kể tình trạng mất tín hiệu và độ trễ. Để đánh giá quy mô của sự thay đổi này, hãy xem xét rằng một nền tảng hiện đại duy nhất cáp quang đơn mode có thể mang theo 100 terabit dữ liệu mỗi giây trong các cuộc trình diễn trong phòng thí nghiệm, so với tốc độ tối đa khoảng 1 gigabit mỗi giây đối với Gigabit Ethernet dựa trên đồng trên khoảng cách 100 mét.

Tác động đến viễn thông

trước đây cáp quang , các cuộc gọi điện thoại liên lục địa được định tuyến qua cáp đồng trục đắt tiền và các trạm chuyển tiếp vi sóng. Việc triển khai TAT-8, tuyến cáp quang xuyên Đại Tây Dương đầu tiên vào năm 1988, đã cung cấp 40.000 mạch điện thoại đồng thời - nhiều hơn tất cả các tuyến cáp xuyên Đại Tây Dương trước đây cộng lại. Hôm nay hết rồi 99% lưu lượng dữ liệu quốc tế được truyền tải bằng cáp quang ngầm, bao gồm internet, giao dịch tài chính và cuộc gọi thoại.

Tác động đến y học

các medical applications of công nghệ sợi quang theo dõi trực tiếp tác phẩm gói hình ảnh năm 1954 của Kapany và Hopkins. Máy nội soi hiện đại - được sử dụng trong hơn 75 triệu thủ thuật hàng năm chỉ riêng ở Hoa Kỳ - dựa vào các bó sợi quang kết hợp để truyền hình ảnh video thời gian thực từ bên trong cơ thể con người mà không cần phẫu thuật. Sợi quang cũng cho phép phẫu thuật laser xâm lấn tối thiểu, liệu pháp quang động để điều trị ung thư và cảm biến quang học chính xác được sử dụng trong chẩn đoán.

Tác động đến máy tính và Internet

các modern internet would not exist in its current form without cáp quang . Đường trục internet toàn cầu - mạng dung lượng cao kết nối các châu lục, quốc gia và trung tâm dữ liệu - gần như được xây dựng hoàn toàn trên cáp quang đơn mode. Sự phát triển của điện toán đám mây, truyền phát video, làm việc từ xa và thị trường tài chính thời gian thực đều phụ thuộc vào băng thông đặc biệt và độ trễ thấp mà chỉ truyền thông cáp quang có thể cung cấp ở quy mô toàn cầu.

Sợi quang và dây đồng: So sánh trực tiếp

Hiểu lý do tại sao cáp quang đã thay thế đồng trong hầu hết các ứng dụng đường dài và băng thông cao đòi hỏi phải so sánh trực tiếp hai công nghệ trên các chiều quan trọng nhất đối với các kỹ sư mạng và nhà quy hoạch cơ sở hạ tầng.

Bảng 3: So sánh trực tiếp giữa cáp quang và dây đồng qua tám thuộc tính vật lý, chi phí và hiệu suất quan trọng.

Những câu hỏi thường gặp về việc phát minh ra cáp quang

Hỏi: Ai thường được coi là người phát minh ra cáp quang?

Charles Kao thường được coi là nhà phát minh chính của truyền thông sợi quang thực tế vì bài báo lý thuyết năm 1966 của ông đã trực tiếp kích hoạt sự phát triển của sợi thủy tinh tổn hao thấp và mang về cho ông giải Nobel Vật lý năm 2009. Narinder Singh Kapany cũng thường xuyên được trích dẫn và đôi khi được gọi là "cha đẻ của sợi quang" vì đã đặt ra thuật ngữ này và phát triển các bó sợi kết hợp linh hoạt đầu tiên vào những năm 1950.

Hỏi: Cáp quang đầu tiên được lắp đặt để sử dụng công cộng khi nào?

các first commercial installation of a cáp quang điện thoại để sử dụng công cộng xảy ra vào năm 1977 tại Chicago, Illinois, mang lưu lượng điện thoại trực tiếp ở tốc độ 45 megabit/giây. Vào đầu những năm 1980, các đường trục cáp quang đã được triển khai trên khắp Hoa Kỳ và Châu Âu, và vào năm 1988, tuyến cáp quang xuyên Đại Tây Dương đầu tiên (TAT-8) đã kết nối Hoa Kỳ, Vương quốc Anh và Pháp.

Hỏi: Cáp quang được làm từ chất liệu gì?

Hầu hết cáp quang dùng trong viễn thông được làm từ chất siêu tinh khiết thủy tinh silic (silicon dioxide), với lõi được pha tạp một lượng nhỏ germanium dioxide để tăng chỉ số khúc xạ của nó so với lớp bọc. Sợi quang nhựa (POF) được sử dụng trong một số ứng dụng ô tô và tiêu dùng tầm ngắn, trong đó tính linh hoạt và chi phí thấp quan trọng hơn băng thông hoặc khoảng cách tối đa.

Hỏi: Charles Kao có đoạt giải Nobel về phát minh ra sợi quang không?

Đúng. Charles Kao được trao một nửa giải Nobel Vật lý năm 2009 cho công trình lý thuyết mang tính đột phá của ông chứng minh rằng việc truyền ánh sáng tổn thất thấp qua sợi thủy tinh là có thể thực hiện được. Nửa giải thưởng còn lại thuộc về Willard Boyle và George Smith vì phát minh ra cảm biến hình ảnh thiết bị tích điện kép (CCD). Kao nhận được giải thưởng nhiều thập kỷ sau bài báo năm 1966 của ông, vào thời điểm đó mạng cáp quang mà ông tạo ra đã trở thành nền tảng của Internet toàn cầu.

Hỏi: Ngày nay cáp quang có thể truyền dữ liệu nhanh đến mức nào?

Trong triển khai thương mại, một cáp quang sử dụng ghép kênh phân chia bước sóng dày đặc (DWDM) có thể mang nhiều terabit mỗi giây — các liên kết đường trục điển hình hoạt động ở tốc độ 100 Gbps đến 400 Gbps trên mỗi bước sóng, với hàng chục đến hàng trăm bước sóng trên mỗi sợi quang. Trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chứng minh tốc độ truyền tải vượt quá 22,9 petabit mỗi giây trên một sợi quang bằng cách sử dụng các kỹ thuật đa lõi và đa chế độ tiên tiến, tương ứng với khoảng 22.900.000 gigabit mỗi giây.

Hỏi: Tại sao từ lý thuyết đến cáp quang thực tế lại mất nhiều thời gian như vậy?

các gap between John Tyndall's 1870 demonstration and the 1970 manufacture of low-loss fiber reflects two enormous engineering challenges: producing thủy tinh đủ tinh khiết để giảm thiểu tổn thất hấp thụ và phát triển nguồn ánh sáng laser đủ tin cậy để truyền dữ liệu liên tục. Ngay cả sau khi tính toán năm 1966 của Kao đặt ra mục tiêu, nó vẫn đòi hỏi các quy trình sản xuất thủy tinh hoàn toàn mới - đặc biệt là các kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học - để tinh chế silica đến mức một phần tỷ cần thiết. Sự phát triển song song của laser bán dẫn vào cuối những năm 1960 đã cung cấp nguồn sáng kết hợp cần thiết để điều khiển các dây cáp này ở tốc độ dữ liệu thực tế.

Kết luận: Một thế kỷ phát minh tích lũy

các question of người đã phát minh ra cáp quang không có câu trả lời duy nhất vì công nghệ này là sản phẩm của ít nhất bảy bước đột phá khoa học riêng biệt kéo dài 130 năm. Từ các thí nghiệm về ánh sáng tia nước của Colladon vào những năm 1840 đến việc Kapany đặt tên cho lĩnh vực này vào năm 1960, từ dự đoán lý thuyết đoạt giải Nobel của Kao vào năm 1966 đến việc Maurer, Keck và Schultz sản xuất ra loại sợi hữu hiệu đầu tiên vào năm 1970, mỗi đóng góp đều rất cần thiết.

Điều gì làm cho phát minh cáp quang Điều đáng chú ý không chỉ là bản thân công nghệ mà còn ở việc nó đã biến đổi từ một cuộc trình diễn trong phòng thí nghiệm thành cơ sở hạ tầng theo nghĩa đen của thế giới hiện đại chỉ trong vòng một đời người. Internet toàn cầu, mạng điện thoại quốc tế, chẩn đoán y tế hiện đại và điện toán đám mây đều dựa trên những sợi thủy tinh mỏng hơn sợi tóc người - mang ánh sáng được mã hóa dữ liệu với tốc độ mà những người phát minh ra dây đồng không bao giờ có thể tưởng tượng được.