Giải thưởng Nobel Vật lí năm 2009 vinh danh ba nhà khoa học, những người đã có vai trò quan trọng trong việc định hình ngành công nghệ th...
Giải thưởng Nobel Vật lí năm 2009 vinh danh ba nhà khoa học, những người đã có vai trò quan trọng trong việc định hình ngành công nghệ thông tin hiện đại, với nửa giải trao cho Charles Kuen Kao, và Willard Sterling Boyle và George Elwood Smith thì cùng chia sẻ nửa giải còn lại. Những khám phá của Kao đã đặt nền tảng cho công nghệ sợi quang, công nghệ ngày nay được sử dụng trong hầu hết mọi hệ thống điện thoại và truyền thông dữ liệu. Boyle và Smith thì phát minh ra một bộ cảm biến ảnh số - CCD, hay dụng cụ tích điện kép – thiết bị ngày nay trở thành con mắt điện tử trong hầu hết mọi lĩnh vực thuộc ngành nhiếp ảnh.
Khi giải Nobel Vật lí được công bố ở Stockholm, một phần lớn của thế giới nhận được tin ấy hầu như ngay tức thời. Gần như ở tốc độ ánh sáng, tốc độ cao nhất, tin tức ấy lan truyền khắp thế giới. Chữ viết, hình ảnh, lời nói và video di chuyển dọc ngang trong các sợi quang và xuyên qua không gian, và được thu nhận tức thời trong những dụng cụ nhỏ và tiện dụng. Đó là thứ mà nhiều người cho là hiển nhiên. Sợi quang là yếu tố tiên quyết cho sự phát triển cực kì nhanh này trong lĩnh vực truyền thông, một phát triển mà Charles Kao đã tiên đoán trước cách nay hơn 40 năm.
 |
| Hình 1. Sợi quang thủy tinh cấu thành nên một hệ thống tỏa khắp xã hội truyền thông của chúng ta. Có đủ sợi quang để bao quanh Trái đất hơn 25.000 vòng. |
Chỉ vài năm sau đó, Willard Boyle và George Smith đã làm thay đổi triệt để các điều kiện đối với lĩnh vực nhiếp ảnh, vì phim không còn cần thiết trong các camera, nơi hình ảnh có thể được ghi lại dưới dạng điện tử với một bộ cảm biến ảnh. Con mắt điện tử, CCD, trở thành công nghệ thật sự thành công đầu tiên dùng cho truyền tải các hình ảnh dưới dạng số. Nó đã mở ra cánh cửa cho những dòng ảnh hàng ngày, cái đang tràn ngập trong các tuyến cáp quang. Chỉ có sợi quang mới có khả năng truyền tải những lượng lớn dữ liệu mà công nghệ cảm biến ảnh điện tử mang lại.
Phần 1. Sự có mặt của ánh sáng
Nó đến thông qua ánh sáng mặt trời mà chúng ta nhìn ngắm thế giới. Tuy nhiên, phải mất một thời gian dài trước khi loài người có được những kĩ năng cần thiết để điều khiển ánh sáng và hướng nó vào một bộ dẫn sóng. Theo kiểu này, các tin nhắn đã mã hóa có thể được truyền đi tới nhiều người một cách đồng thời.
Sự phát triển này đòi hỏi có hàng loạt phát minh, lớn và nhỏ, hình thành nên những nền tảng cho xã hội thông tin hiện đại. Sợi quang đòi hỏi phải có công nghệ thủy tinh hiện đại để phát triển và chế tạo. Một nguồn phát ánh sáng xác thực cũng là cần thiết và yêu cầu được đáp ứng bởi công nghệ bán dẫn. Cuối cùng, cần có một hệ thống bố trí khéo léo được lắp ghép và mở rộng, gồm có các transistor, các bộ khuếch đại, bộ chuyển mạch, máy phát và máy thu, cũng như những đơn vị khác, cùng làm việc đồng bộ với nhau. Cuộc cách mạng viễn thông trở thành hiện thực nhờ công sức của hàng nghìn nhà khoa học và nhà phát minh từ khắp nơi trên thế giới.
Đùa với ánh sáng
Năm 1889, Hội chợ quốc tế ở Paris đã tổ chức lễ kỉ niệm 100 năm cuộc cách mạng Pháp. Tháp Eiffel trở thành một trong những đài kỉ niệm nổi tiếng nhất của cuộc triển lãm này. Tuy nhiên, có một trò chơi với ánh sáng chứng tỏ một viễn cảnh ít người nhớ tới hơn. Nó được thực hiện với những vòi phun nước chứa đầy những chùm ánh sáng có màu. Màn trình diễn này được thực hiện bằng điện. Một nguồn cảm hứng nữa, cũng mang lại bởi những nỗ lực trước đó, vào giữa thế kỉ thứ 19, là tạo ra những chùm ánh sáng được dẫn hướng bằng nước. Những thử nghiệm đó chứng tỏ rằng khi một tia nước phơi ra trước ánh sáng mặt trời, thì ánh sáng truyền qua tia nước ấy và đi theo hình dạng uốn cong của nó.
Tất nhiên, các hiệu ứng của ánh sáng trong thủy tinh hoặc trong nước đã được phát hiện ra sớm hơn nhiều trong lịch sử. Cách nay 4500 năm, thủy tinh đã được chế tạo ra ở Mesopotamia và Ai Cập. Những bậc thầy thủy tinh xứ Venice không thể bỏ qua trò chơi tuyệt diệu của ánh sáng xuất hiện trong những món đồ trang sức xoáy tít của họ. Kính khắc hoa được dùng trong đèn nến và đèn treo nhiều ngọn, và điều bí ẩn khó giải thích của cầu vồng đã thách thức trí tưởng tượng của nhiều người từ lâu trước khi các định luật quang học mang lại câu trả lời vào thế kỉ thứ 17. Tuy nhiên, chỉ tới cách nay chừng 100 năm thì những ý tưởng này mới có mặt và người ta mới bắt đầu thử khai thác các chùm ánh sáng bị bắt lại ấy.
Bắt lấy ánh sáng
Một tia sáng mặt trời rơi vào trong nước sẽ uốn cong đi khi nó chạm trúng mặt nước, vì cái gọi là chiết suất của nước thì cao hơn chiết suất của không khí. Nếu như hướng của chùm sáng bị đảo ngược lại, truyền từ nước ra không khí, thì có khả năng chùm sáng đó sẽ không đi vào trong không khí, và thay vào đó nó sẽ bị phản xạ trở vào trong nước. Hiện tượng này hình thành nên cơ sở cho công nghệ dẫn sóng quang trong đó ánh sáng bị bắt lại bên trong một sợi quang có chiết suất cao hơn môi trường xung quanh của nó. Một tia sáng chiếu vào trong sợi quang, phản xạ trên thành thủy tinh và di chuyển về phía trước vì chiết suất của thủy tinh cao hơn không khí xung quanh (xem hình 2).
Hình 2. Kích cỡ sợi quang chừng 125 micromet. Lõi sợi thường có đường kính khoảng 10 micromet, nhỏ hơn một sợi tóc người. Ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 1,55 micromet mang lại sự thất thoát thấp nhất và ngày nay được dùng trong truyền thông quang học.
Giới y khoa đã sử dụng các sợi quang ngắn và đơn giản kể từ thập niên 1930. Với một bó sợi thủy tinh mỏng mảnh, họ có thể nhìn vào dạ dày của bệnh nhân hoặc rọi sáng răng trong khi phẫu thuật. Tuy nhiên, khi các sợi quang chạm vào nhau, chúng rò rỉ ánh sáng, và chúng dễ dàng bị bong ra. Việc tráng bên ngoài sợi quang trần một lớp sơn phủ thủy tinh có chiết suất thấp hơn có thể mang đến những cải thiện đáng kể trong thập niên 1960 đã lát đường cho việc sản xuất ở quy mô công nghiệp các thiết bị dùng cho điều trị dạ dày và những công dụng y khoa khác.
Tuy nhiên, đối với truyền thông đường dài, thì những sợi quang này là vô dụng. Ngoài ra, chỉ có vài ba loại sợi thích hợp với ánh sáng quang học; đấy là thời đại của điện tử học và công nghệ vô tuyến. Năm 1956, đường cáp xuyên đại dương đầu tiên được triển khai, và nó có sức chứa 36 cuộc điện thoại đồng thời. Rồi các vệ tinh sớm đáp ứng các yêu cầu truyền thông ngày càng tăng – hệ thống điện thoại phát triển một cách ngoạn mục và vô tuyến truyền hình đòi hỏi dung lượng truyền tải ngày càng cao. So với sóng vô tuyến, ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng khả kiến mang thông tin nhiều hơn gấp hàng chục nghìn lần, cho nên tiềm năng của sóng ánh sáng quang học không thể nào xem nhẹ được nữa.
Truyền ánh sáng
Phát minh ra laser vào đầu những năm 1960 là một bước phát triển có tính chất quyết định đối với ngành quang học sợi. Laser là một nguồn phát sáng ổn định, phát ra một chùm ánh sáng cường độ mạnh và tập trung cao, và có thể bơm ánh sáng đó vào trong một sợi quang mỏng. Những laser đầu tiên phát ra ánh sáng hồng ngoại và cần phải làm lạnh. Khoảng năm 1970, những laser thiết thực hơn đã được phát triển có thể hoạt động liên tục ở nhiệt độ phòng. Đây là một đột phá công nghệ mang lại tiện nghi cho ngành truyền thông quang học.
Giờ thì toàn bộ thông tin có thể mã hóa thành một lóe sáng cực nhanh, biểu diễn bằng những số 1 và số 0. Tuy nhiên, người ta vẫn không biết làm thế nào những tín hiệu như thế có thể truyền đi trên những khoảng cách dài hơn – sau có 20 mét, thì chỉ có còn lại 1% lượng ánh sáng đã đi vào sợi quang.
Việc giảm sự thất thoát ánh sáng này trở thành một thách thức đối với một con người có tầm nhìn xa như Charles Kuen Kao. Sinh năm 1933 ở Thượng Hải, ông đã cùng gia đình di cư sang Hong Kong vào năm 1948. Được đào tạo thành một kĩ sư điện, ông đã bảo vệ luận án tiến sĩ vào năm 1965 ở London. Lúc đó, ông vào làm tại Các phòng thí nghiệm Chuẩn Viễn thông, nơi ông đã tỉ mỉ nghiên cứu các sợi thủy tinh cùng với người đồng nghiệp trẻ của ông, George A. Hockham. Mục tiêu của họ có ít nhất 1% ánh sáng đi vào sợi thủy tinh vẫn còn lại sau khi nó đã truyền đi 1 km.
Tháng 1 năm 1966, Kao rút ra những kết luận của ông. Không phải sự không hoàn hảo trong sợi quang là vấn đề chính, mà thay vào đó là thủy tinh phải thật tinh khiết. Ông thừa nhận vấn đề này là khả thi nhưng rất khó khăn. Mục tiêu là sản xuất thủy tinh có độ trong suốt trước nay chưa từng đạt tới. Sự nhiệt tình của Kao đã truyền cảm hứng sang những người khác cùng chia sẻ quan điểm với ông về tiềm năng tương lai của ngành quang học sợi.
Thủy tinh được sản xuất từ thạch anh, khoáng chất có hàm lượng phong phú nhất trên Trái đất. Trong quá trình sản xuất, người ta cho thêm những chất phụ gia khác như soda và lime vào để đơn giản hóa tiến trình. Tuy nhiên, để sản xuất thủy tinh tinh khiết nhất thế giới, Kao cho rằng có thể sử dụng thạch anh nóng chảy, silic nóng chảy. Nó nóng chảy ở gần 2000oC, một nhiệt độ khó làm chủ nhưng từ đó người ta có thể kéo ra những chỉ sợi cực mảnh.
Bốn năm sau, năm 1971, các nhà khoa học tại Corning Glass Works ở Mĩ, một nhà sản xuất thủy tinh với hơn 100 năm kinh nghiệm, đã chế tạo được một sợi quang dài 1 km bằng các quá trình hóa học.
Chứa đầy ánh sáng
Các sợi cực mảnh chế tạo từ thủy tinh trông có vẻ như thật yếu ớt. Tuy nhiên, khi thủy tinh được kéo chính xác thành một sợi chỉ dài, thì các tính chất của nó thay đổi hẳn. Nó trở nên bền, nhẹ và dẻo, đó là điều kiện tiên quyết nếu như sợi quang bị chôn ngầm dưới nước hoặc uốn cong ở những chỗ rẽ. Không giống như dây cáp đồng, sợi thủy tinh không nhạy với tia sét, và không giống như truyền thông vô tuyến, sợi thủy tinh không bị ảnh hưởng bởi thời tiết xấu.
Phải mất một khoảng thời gian hợp lí để sợi quang chinh phục khắp địa cầu. Năm 1988, tuyến cáp quang đầu tiên được lắp đặt dọc theo thềm đáy Đại Tây Dương giữa Mĩ và châu Âu. Nó dài 6000 km. Ngày nay, hệ thống điện thoại và truyền thông dữ liệu chạy trong một mạng sợi quang thủy tinh có tổng chiều dài lên tới hơn 1 tỉ km. Nếu như lượng sợi quang ấy được quấn quanh Trái đất, thì nó đủ để quấn quanh địa cầu hơn 25.000 vòng – và lượng sợi quang vẫn tiếp tục tăng thêm hàng giờ (xem hình 1).
Ngay cả trong sợi thủy tinh tinh khiết nhất, thì tín hiệu vẫn bị suy yếu đôi chút trên đường truyền, và nó cần được gia cố khi truyền đi những cực li dài. Công việc này, trước đây đòi hỏi sử dụng kĩ thuật điện tử, ngày nay được thực hiện bằng các bộ khuếch đại quang. Điều này đã đặt dấu chấm hết cho những thất thoát không cần thiết xảy ra khi ánh sáng được biến đổi sang tín hiệu điện hoặc biến đổi từ tín hiệu điện sang.
Ngày nay, 95% lượng ánh sáng vẫn còn lại sau khi truyền đi trọn vẹn 1 km, một con số bạn nên so sánh với tham vọng của Kao ngày trước là có 1% vẫn còn lại sau khi truyền đi cũng khoảng cách ấy. Ngoài ra, không phải chỉ có một loại sợi quang duy nhất. Việc lựa chọn sử dụng loại sợi nào là vấn đề chi phí, nhu cầu truyền thông và yêu cầu kĩ thuật.
Các sợi quang có một sự tác động qua lại phức tạp giữa kích cỡ, tính chất vật liệu và bước sóng ánh sáng. Các laser bán dẫn và quang đi-ôt kích cỡ một hạt cát làm tràn ngập mạng thông tin cáp quang với ánh sáng mang theo hầu hết những cuộc điện thoại và truyền thông dữ liệu trên khắp thế giới. Ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 1,55 micromet ngày nay được dùng trong mọi mạng truyền thông đường dài vì với ánh sáng này, sự thất thoát là thấp nhất.
Dung lượng của mạng lưới cáp quang vẫn đang tăng lên ở tốc độ đáng ngạc nhiên – việc truyền hàng nghìn gigabit mỗi giây không còn là một giấc mơ nữa. Phát triển công nghệ hiện đang hướng tới xu thế truyền thông ngày một mang tính tương tác nhiều hơn, trong đó mạng lưới cáp quang được thiết kế để đi tới mọi hang cùng ngõ hẻm, đến từng nhà và đến với mỗi người chúng ta. Công nghệ ấy đang hiện diện. Còn việc chúng ta làm gì với nó thì đó là một câu hỏi khác nữa.
Theo NobelPrize.org
