Cáp quang cần làm bằng vật liệu mới để đáp ứng tốc độ mạng 6G
Giới khoa học đang tích cực nghiên cứu - phát triển nhiều loại vật liệu cáp quang mới nhằm thay thế hoặc nâng cấp vật liệu thủy tinh (silica) và nhựa truyền thống, hướng tới phục vụ mạng 6G và hạ tầng AI tương lai.
Nhân loại đang ở kỉ nguyên 5G với tốc độ truyền tải tối đa trên lí thuyết đạt khoảng 10 GB/giây, cho khả năng tải một nội dung 10 - 20 GB trong khoảng vài phút. Tốc độ truyền tải như vậy đáp ứng tốt loạt tác vụ trí tuệ nhân tạo cơ bản hiện tại.
Nhưng khi AI bước sang giai đoạn tự chủ hoàn toàn, cần xử lí lượng lớn dữ liệu đa phương thức thì 5G chắc chắn “hụt hơi”. Độ trễ thực tế 10 - 30 mili giây không thể đáp ứng tác vụ cực kì nhạy cảm như phẫu thuật từ xa hay điều phối hàng triệu xe tự lái. Mật độ thiết bị khoảng 1 triệu thiết bị/km2 chưa chắc đủ khi mọi đồ vật từ quần áo thông minh, cảm biến môi trường đến robot gia dụng đều tích hợp AI và kết nối với nhau.
6G với tốc độ truyền tải tối đa khoảng 1 terabyte giúp giảm độ trễ xuống còn 0,1 mili giây, đồng thời khai thác các dải tần số cực cao có thể là giải pháp. Mạng được thiết kết phục vụ AI ngay từ đầu, tự động tối ưu hóa, dự đoán lưu lượng, phân bổ tài nguyên phần cứng giúp các mô hình lớn chạy mượt mà trên thiết bị di động nhỏ gọn mà không bị hao pin hay trễ mạng.
Một hạ tầng như vậy cần cáp quang thế hệ mới, thay thế hoặc nâng cấp vật liệu thủy tinh (silica) và nhựa truyền thống. Nhu cầu này thúc đẩy giới khoa học không ngừng tìm tòi.
Tơ tằm tự nhiên
Vốn là nguyên liệu dệt may cao cấp, tơ tằm trở thành vật liệu cáp quang sáng giá nhờ cấu trúc định hướng hình học ổn định, tính xuyên sáng tốt, độ dẻo và lực kéo vượt trội. Nhìn chung loại vật liệu này kết hợp được ưu điểm của sợi thủy tinh (truyền sáng tốt) với nhựa (độ dẻo cao, dễ uốn cong) nên hứa hẹn ứng dụng hoàn hảo cho thiết bị sinh học hoặc mạng viễn thông thế hệ mới.
Rào cản lớn nhất với tơ tằm là sợi thường được bao bọc bởi lớp lưới protein rất khó xử lí. Loạt phương pháp tách protein thường cần nhiều nước, hóa chất, thời gian lẫn công sức.
Để giải quyết vấn đề trên, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Queen Mary, Đại học Hoàng gia Luân Đôn cùng Đại học Tufts phát triển phương pháp đơn giản hơn nhiều: dùng sức ép và nướng tơ tằm ở nhiệt độ khoảng 215oC (mức nhiệt hoàn toàn có thể đạt được bằng lò nướng thông thường). Kết quả thành phẩm có lực kéo và độ linh hoạt tốt hơn so với cách ngâm hóa chất truyền thống, lại truyền tín hiệu ánh sáng ở tần số terahertz với độ chính xác cao ngay cả khi xoắn lại.
Cấu trúc lõi không khí rỗng
Thay vì truyền ánh sáng qua lõi thủy tinh đặc, công nghệ do Đại học Southampton phát triển cho phép ánh sáng chạy qua một lõi rỗng chứa không khí được bao bọc bởi các vi cấu trúc thủy tinh phức tạp.
Cấu trúc mới đạt mức suy giảm tín hiệu thấp kỉ lục, giúp dữ liệu truyền nhanh hơn (do ánh sáng di chuyển trong không khí nhanh hơn trong thủy tinh rắn khoảng 30%) và tiết kiệm năng lượng tối đa.
Dù đem lại đột phá lớn về mức suy giảm, tốc độ truyền lẫn hiệu quả năng lượng, nhưng sợi lõi rỗng có cấu trúc vi mô đòi hỏi độ chính xác cực kì khắt khe, chi phí sản xuất và lắp đặt thi công cao hơn sợi thủy tinh đặc rất nhiều nên chưa thể thành công nghệ đại trà.
Thủy tinh chalcogenide và fluoride (ZBLAN)
Các hợp chất thủy tinh không chứa oxy như ZBLAN hoặc thủy tinh chalcogenide đang được thử nghiệm sản xuất, đặc biệt trên trạm vũ trụ. Chúng truyền dẫn tia hồng ngoại cực tốt, giảm thiểu tạp chất phát sinh do trọng lực Trái Đất, cho phép băng thông rộng gấp hàng trăm lần cáp quang thông thường, nhưng cũng tồn tại không ít nhược điểm.
Thủy tinh chalcogenide - được tạo từ nguyên tố nhóm chalcogen (Sự, Se, Te) kết hợp với As, Ge, Sb - dễ nứt vỡ khi gia công hoặc chịu va đập, bề mặt dễ trầy xước trong quá trình sử dụng, độ bền nhiệt dưới 400°C, chứa một số nguyên tố độc hại như thạch tín hay antimony.
Thủy tinh fluoride cấu tạo từ ZrF4 - BaF2 - LaF3 - AlF3 - NaF, dễ bị mờ đục và giảm chất lượng quang học khi gặp hơi ẩm không khí, cực kì khó chế tạo do dễ kết tinh lúc làm nguội, khả năng chịu uốn và chịu kéo kém.
Polymer tiên tiến
Loại vật liệu này có cấu trúc phân tử được tối ưu hóa, khắc phục nhược điểm nhanh hao mòn của nhựa truyền thống, giữ nguyên độ bền gập bẻ cao, trọng lượng siêu nhẹ, phù hợp trang bị cho xe thông minh, máy bay, hệ thống AI nội bộ.
Đổi lại polymer tiên tiến tiêu hao tín hiệu lớn hơn, chỉ có thể dẫn truyền hiệu quả trong phạm vi dưới 100m. Ngoài ra vật liệu chỉ truyền tốt ở vùng ánh sáng khả kiến và hồng ngoại gần, nhiệt độ hoạt động thường chỉ khoảng 85 - 100oC nên dễ bị biến dạng hay biến tính quang học.
Một vấn đề cần giải quyết nữa là polymer thường hao mòn (ố vàng, mờ đục, cứng giòn) theo thời gian, làm giản hiệu suất truyền dẫn.
Nhìn chung mỗi lựa chọn đều mới ở giai đoạn nghiên cứu - phát triển, đòi hỏi nỗ lực hoàn thiện hơn nữa mới đủ sức thay thế cáp quang truyền thống. Giới khoa học cần thêm thời gian cải tiến công nghệ, khắc phục nhược điểm của từng loại vật liệu trước khi mạng 6G dự kiến được triển khai rộng rãi vào những năm 2030.