Để dẫn sóng điện từ từ A đến B, bạn dùng dây đồng chọt lọc theo tần số. Để dẫn ánh sáng, bạn dùng kính: lõi dày hơn vỏ để tia sáng bắt kịp bằng phản xạ toàn phần. Nhưng hai tia không khác nhau là tia sáng “lưỡng tính” — tia đi thẳng và tia đi zíc-zắc về đích lệch nhau 49,3 ns mỗi kilômét, đủ để một sợi 10 km chứa không nổi 1 Mbps:
Các tia nào cũng bị kẹt nơi một hộp kính
Sợi quang là hộp kính hình trụ: lõi chứa ánh sáng (chiết suất n₁ ≈ 1,48 cho kính silica) được bao bởi vỏ thấp hơn (chiết suất n₂). Tia sáng tới mặt giới hạn lõi-vỏ ở góc lớn nhất có thể mà vẫn không xuyên ra vỏ — góc này gọi là góc tới hạn, nằm ngoài ranh giới “khúc xạ” với “phản xạ toàn phần”. Mọi tia vào được đều chịu luật ấy: tia nào cũng phản xạ tại mặt giới hạn, tia nào cũng dẫn được từ đầu này sang đầu kia mà không rò dẫn năng lượng ra vỏ. Nhưng không phải tia nào cũng đi cùng tốc độ — và đó chính là cái ghẻ.
Dòng tia lệch nhau 493 ns sau 10 km
Tia trục (đi thẳng theo trục sợi) chạy đường ngắn nhất: chiều dài L. Tia zíc-zắc (phản xạ liên tiếp giữa lõi và vỏ, góc tới gần góc tới hạn) chạy đường dài hơn, là L/cosθ, với θ là góc từ trục — gần 90° nên cosθ rất nhỏ, đường tia này dài gấp chục lần đường tia trục. Chiều dài bổ sung ấy tương ứng một độ trễ = (L/cosθ − L)/c ≈ L·n₁·Δ/c, với Δ là chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và vỏ. Cho sợi đa mode bậc chiến có Δ ≈ 1,0%:
Δt = L·n₁·Δ/c = (10 km × 1,48 × 0,01) / (3×10⁸ m/s) ≈ 493 nsMột xung sáng là bước nhịp (~100 ns mỗi bit ở 10 Mbps) dãn ra thành hình thang khi truyền: tia trục tới đích sớm, tia zíc-zắc tới sau. Sau 10 km, xung sáng đã dãn thành 493 ns — gần 5 lần bước nhịp, nên các bit liền kề bắt đầu “chồng lên nhau”, tín hiệu nhập nhằng, đẩy trần tốc độ xuống ~1 Mbps, thấp hơn ADSL của năm 2000 bạn dùng lúc còn nhỏ.
Giải pháp công nghệ: đảo ngược tốc độ
Sợi đa mode biến thiên (graded-index) giải quyết đúng hạn chế này. Thay vì lõi có chiết suất đều, nó tuần hoàn từ trung tâm (cao nhất) sang mép lõi (thấp hơn). Tia dọc trục chạy nơi chiết suất cao nên chậm; tia zíc-zắc chạy qua các vùng thấp hơn nên nhanh lên. Tính toán giảm độ trễ xuống Δ²/8, tức là 800 lần tốt hơn với Δ = 1%. Cùng 10 km: từ 493 ns xuống 0,62 ns — trần tốc độ bất ngờ nâng lên gần 1 Gbps, gấp ngàn lần so với sợi bậc nhưng vẫn thấp hơn đơn mode.
Sợi đơn mode không chơi trò này
Sợi đơn mode (SMF) khác hẳn: lõi chỉ dày vài micromet, nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng thế nên chỉ chứa được một “mode” (dạng phân bố trường điện từ) — tia zíc-zắc không tồn tại, tân sắc mode biến mất hoàn toàn. Cùng 10 km, sợi SMF cho 29 Gbps — nhanh gấp 29 000 lần. Giá vé là lõi mảnh khó xạo, khó nối chính xác, nhưng tốc độ và khoảng cách chinh phục được: máy bay phát tín hiệu dữ liệu qua sợi SMF quần đảo từ Hàng Châu tới Việt Nam, nhịp chính là sợi ấy, không phải lõi hộp kính dầy.
Trường hợp biên: laser rẻ tiền
Sợi SMF không gặp tán sắc mode, nhưng khi từ bỏ chiết suất bậc không bỏ được tán sắc màu: tốc độ trong sợi phụ thuộc vào bước sóng — phổ rộng của laser rẻ tiền (3 nm) làm xung giãn gấp 30 lần so với laser hẹp (0,5 nm), từ 29 Gbps xuống 1 Gbps. Thừa lực không phân biệt: sợi tốt bao nhiêu, còn tụi nó cản lại bấy nhiêu, chỉ vì laser của bạn nói chuyện với cột kế bên thay vì nói với kế hoạch riêng.