• Mật Độ Băng Thông Cực Cao: Bằng cách truyền nhiều kênh không gian trong cùng một lớp vỏ sợi, sợi quang đa lõi (MCF) làm tăng đáng kể băng thông trên mỗi sợi và mỗi đầu nối. Ví dụ, một sợi MCF 4 lõi có thể thay thế cho bốn sợi đơn mode song song thường dùng trong cấu hình breakout 400 GbE (4×100 Gb/s) hoặc thậm chí là liên kết 800 GbE (4×200 Gb/s), từ đó giảm phụ thuộc vào các bó sợi ribbon cồng kềnh. Trong một trình diễn thực tế bởi OFS, một sợi MCF 8 lõi với lớp vỏ 125 µm đã hỗ trợ thành công truyền dẫn 8×100 Gb/s = 800 Gb/s qua khoảng cách 2 km — trong khi thông thường cần tới 8 sợi SMF riêng biệt trong cấu hình DR8 hoặc PSM4 [6]. Như vậy, MCF mang lại mật độ sợi rất cao trong cùng một ống dẫn hoặc máng cáp trung tâm dữ liệu, đơn giản hóa đáng kể việc triển khai hạ tầng. Khi số lượng liên kết tăng lên hàng trăm hay hàng nghìn, việc giảm thiểu khối lượng cáp trở nên rất quan trọng. MCF cho phép thiết kế đường cáp nhỏ gọn hơn giữa các trung tâm dữ liệu hoặc qua các ống ngầm đông đúc. Mặc dù các sợi có số lõi cao hơn (7 lõi, 12 lõi...) có thể tăng thêm dung lượng, các triển khai nội bộ trung tâm dữ liệu thường thấy cấu hình 4–8 lõi là điểm cân bằng tối ưu giữa hiệu năng, khả năng xử lý và chi phí [6].

​​

• Giảm Số Lượng Sợi và Quản Lý Dễ Hơn: Số lượng sợi vật lý cần thiết cho một dung lượng nhất định sẽ giảm đi. Điều này dẫn đến ít đầu nối hơn, ít dây nhảy hơn, và ít điểm kết thúc cần xử lý hơn. Với nhà vận hành mạng, điều đó có nghĩa là ít khối lượng cáp cần quản lý và bảo trì hơn. Ví dụ đơn giản: thay thế bốn dây nhảy LC bằng một dây MCF 4 lõi giúp giảm 75% số lượng sợi (và tương ứng là diện tích chiếm dụng). Trên quy mô toàn bộ trung tâm dữ liệu với khoảng 10.000 liên kết nội bộ, mức giảm này là rất lớn. Như đã trình bày trong Bảng 1, phương pháp sử dụng MCF gộp nhiều kênh ánh sáng trong một sợi duy nhất sẽ giúp đơn giản hóa lộ trình cáp và có thể giảm kích thước bó cáp theo tỷ lệ tương ứng với số lõi. Kỹ thuật viên sẽ không còn cần phải cài đặt và đánh dấu từng sợi riêng lẻ; thay vào đó, chỉ cần xử lý một sợi mang nhiều kênh. Điều này cũng góp phần cải thiện độ tin cậy — càng ít đầu nối vật lý thì càng ít điểm có khả năng lỗi. (Cũng cần lưu ý rằng nếu một sợi MCF bị mất, có thể mất đồng thời nhiều kênh; tuy nhiên, điều này có thể được bù đắp bằng cách thiết kế kiến trúc mạng có tính dư thừa, tương tự như cách xử lý sự cố đứt sợi trong hệ thống trunk hiện nay.) Các chuyên gia trong ngành kỳ vọng những ứng dụng đầu tiên của sợi SDM (như MCF) sẽ xuất hiện trong trung tâm dữ liệu, chính vì những lợi ích về khả năng quản lý và mật độ này — nơi mà “chỉ đơn giản tăng số lượng liên kết quang không còn là phương án khả thi về chi phí và khả năng vận hành” và SDM là giải pháp mở rộng hợp lý hơn [6, 8].

​​

• Hiệu Quả Chi Phí – Mở Rộng Băng Thông Mà Không Tăng Chi Phí Tuyến Tính: Về lâu dài, MCF có tiềm năng giúp giảm chi phí trên mỗi gigabit truyền dẫn. Ban đầu, sợi MCF và đầu nối có thể đắt hơn so với SMF thương mại do quy trình sản xuất phức tạp và sản lượng chưa cao. Tuy nhiên, về bản chất, MCF mang lại lợi thế kinh tế khi mở rộng số lõi. Chi phí nguyên vật liệu thủy tinh (preform) trên mỗi lõi giảm mạnh – ví dụ, sợi MCF 4 lõi chỉ sử dụng nhiều hơn một chút vật liệu so với một sợi đơn mode, nên chi phí nguyên liệu mỗi lõi chỉ khoảng 25% so với sợi đơn. Chi phí phát sinh chủ yếu nằm ở quy trình tạo preform đa lõi và kiểm soát chất lượng. Fujikura cho biết bằng cách tăng kích thước preform (rút được nhiều sợi hơn từ một preform) và tối ưu hóa quy trình sản xuất, họ có thể giảm mạnh chi phí chế tạo trên mỗi lõi. Với R&D đang tiến triển, việc sản xuất hàng loạt MCF đường kính tiêu chuẩn đang trở nên khả thi — Fujikura gần đây đã rút thành công một cuộn sợi dài 600 km từ một preform 4 lõi, một kỷ lục thế giới cho thấy sự trưởng thành của công nghệ [12]. Ở cấp độ hệ thống, việc sử dụng MCF cũng giúp tiết kiệm ở nhiều khía cạnh: ít sợi cần lắp đặt hơn (tiết kiệm nhân công), ít đầu nối và bảng nối hơn, và có thể hợp nhất các bộ thu phát. Ví dụ, thay vì sử dụng bốn module quang riêng lẻ cho bốn sợi, có thể dùng một module tương thích với MCF mang bốn kênh đồng thời. Việc tích hợp này (một module đa kênh thay vì bốn module đơn) có thể giúp tiết kiệm về chi phí bao gói và năng lượng. Các transceiver hiện nay thường bị giới hạn về mật độ cổng mặt trước — MCF cho phép đạt cùng thông lượng với ít cổng vật lý hơn, trì hoãn hoặc tránh việc phải nâng cấp lên các dạng module cao cấp hoặc đắt đỏ hơn. Tóm lại, dù thành phần MCF có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn, nhưng chi phí trên mỗi gigabit dự kiến sẽ thấp hơn so với triển khai các sợi song song tương đương khi công nghệ được tiêu chuẩn hóa và sản xuất đại trà.

​​

• Hiệu Quả Năng Lượng và Mở Rộng “Xanh”: Sợi quang đa lõi cũng có thể mang lại lợi ích về tiết kiệm năng lượng trong một số trường hợp. Dù điều này ít rõ rệt đối với các liên kết ngắn (do không sử dụng khuếch đại quang trong trung tâm dữ liệu), nhưng việc hợp nhất quang học có thể giúp giảm tiêu thụ điện năng ở tầng trên. Nếu bốn kênh được truyền qua một module thay vì bốn module riêng biệt, có thể loại bỏ các mạch điều khiển dư thừa, và thậm chí chia sẻ các linh kiện như nguồn laser. Ví dụ, một số nghiên cứu đã triển khai sử dụng một nguồn laser duy nhất cấp tín hiệu cho nhiều modulators tương ứng với từng lõi trong hệ thống điều chế ngoài (externally modulated), hoặc sử dụng một IC điều khiển đa lõi tích hợp. Tương tự, bằng cách chia sẻ bộ làm mát nhiệt điện (TEC – thermoelectric cooling) giữa các lõi trong cùng một transceiver hoặc repeater, có thể đạt được tiết kiệm năng lượng bổ sung. Ngoài ra, mức công suất quang yêu cầu trên mỗi lõi thấp hơn để đạt tổng thông lượng nhất định khi sử dụng các lõi song song. Trong các hệ thống đường dài, điều này mang lại khác biệt lớn – phân bổ công suất giữa nhiều lõi giúp tránh vi phạm giới hạn phi tuyến (Shannon limit) trên từng lõi [7], từ đó tăng hiệu suất bit/watt. Trong trung tâm dữ liệu, tuy phi tuyến không phải là yếu tố giới hạn, nhưng vẫn có lợi thế: các thiết bị fan-out đa lõi đã cho thấy tổn hao rất thấp (ở mức ~0,2–0,5 dB tổng cộng khi phân phối tín hiệu đến các lõi), nên gần như toàn bộ công suất phát ra đều đến được bộ thu trên từng lõi. Nếu thay bằng nhiều sợi riêng biệt và đầu nối, tổn hao cộng gộp sẽ cao hơn (do mỗi sợi có tổn hao đầu nối riêng), có thể yêu cầu tăng công suất laser hoặc khuếch đại. Ngoài ra, liên kết MCF đôi khi cho phép đơn giản hóa cấu trúc mạng — ví dụ: sử dụng một sợi duy nhất kết nối trực tiếp hai thiết bị đa cổng (thông qua đầu nối đa lõi), trong khi giải pháp truyền thống đòi hỏi nhiều liên kết song song và có thể cần thêm thiết bị chuyển tiếp. Điều này có thể giảm số lượng thiết bị chủ động cần thiết và do đó giảm tiêu thụ điện. Cuối cùng, các sợi có số lõi cao có thể mở ra kiến trúc mới như mạng chuyển mạch quang mạch (optical circuit switching fabrics) giúp giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách định tuyến lại kênh ánh sáng theo thời gian thực; khi có nhiều lõi trong một sợi, việc thiết lập các kênh động này sẽ trở nên đơn giản hơn. Liên minh EXAT đặc biệt nhấn mạnh tiềm năng tiết kiệm năng lượng của SDM, và dự đoán rằng các hệ thống tích hợp MCF sẽ mang lại hiệu quả về không gian và năng lượng trong các mạng quy mô lớn [7].

​​

• Mở Rộng Băng Thông cho AI và HPC: Các cụm huấn luyện AI hiện đại (đôi khi được gọi là “siêu máy tính AI”) yêu cầu kết nối băng thông cao “mọi-đến-mọi” giữa các node tăng tốc. Điều này tạo ra áp lực lớn cho mạng trung tâm dữ liệu, thường đòi hỏi nhiều tầng chuyển mạch và số lượng cáp khổng lồ. MCF cung cấp một phương tiện để mở rộng các cấu trúc kết nối này mà không cần thay đổi căn bản kiến trúc quang học hiện có. Một tập hợp các lane quang tiêu chuẩn 100 Gb/s hoặc 200 Gb/s có thể được nhóm lại trong một sợi MCF để tạo thành liên kết multi-terabit, mà không cần dùng đến điều chế mới phức tạp hay transceiver đơn kênh >400 Gb/s. Ví dụ, với sợi MCF 8 lõi, có thể đạt được 8×100 Gb/s = 800 Gb/s chỉ trên một sợi, mà không cần ghép kênh điện — điều không thể thực hiện với một sợi SMF đơn lẻ nếu không dùng 8 bước sóng (cần laser WDM đắt tiền) hoặc phải sử dụng chuẩn 800G serial mới. Trên thực tế, một liên kết ngắn tốc độ 1,6 Tb/s đã được trình diễn sử dụng MCF 4 lõi với bốn bước sóng (400 Gb/s/bước sóng sử dụng 56 Gbaud PAM4) [6]. Điều này minh chứng rằng MCF có thể hỗ trợ các liên kết cấp terabit bằng cách kết hợp các tốc độ kênh vốn đã sẵn sàng về mặt kỹ thuật. Ý nghĩa kinh doanh là rõ ràng: các nhà vận hành trung tâm dữ liệu có thể đáp ứng nhu cầu mở rộng bằng cách triển khai liên kết MCF, tận dụng công nghệ quang Ethernet hiện có trên nhiều lõi, thay vì chờ đợi các giải pháp đơn kênh siêu phức tạp. Đây là cách tiếp cận mở rộng theo hướng song song, tương tự như cách CPU đa lõi đã tăng hiệu năng xử lý trong lĩnh vực điện toán. Điểm quan trọng là: cách tiếp cận này được thực hiện trong miền quang học – nơi chi phí và năng lượng thấp hơn rất nhiều so với việc ghép kênh điện tử.

​​

• Tích Hợp Trực Tiếp Với Công Nghệ Silicon Photonics: Một lợi thế lớn nhưng thường bị bỏ qua của MCF là khả năng tích hợp với giao diện quang silicon (Silicon Photonics – SiPh) đang nổi lên. Silicon photonics cho phép tích hợp nhiều bộ phát và thu quang trên cùng một chip (hoặc chiplet), có thể được đồng gói với switch hoặc đặt gần CPU/GPU. Các chip quang này thường tạo ra nhiều kênh quang (mảng modulators, waveguides...). MCF là đối tác lý tưởng — một sợi duy nhất có thể mang toàn bộ các lane quang này cùng lúc. Thay vì có, ví dụ, 8 dây quang riêng biệt (pigtails) đi ra từ một module quang đồng gói (co-packaged optics), điều này vốn rất khó xử lý trên PCB mật độ cao, có thể chỉ cần 1 hoặc 2 sợi MCF mang toàn bộ kênh. Nói cách khác, MCF cung cấp đầu ra quang mật độ cao tương ứng với đầu ra điện mật độ cao của các chip tiên tiến. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng thiết kế MCF dạng hàng ngang (ví dụ: 2×4 lõi) có thể ánh xạ trực tiếp với mảng transceiver trên PICs (Photonic Integrated Circuits) [6]. Khi sử dụng MCF có bố trí lõi phù hợp với khoảng cách giữa các laser hoặc photodiode trên chip, có thể kết nối chip với sợi một cách đơn giản hơn nhiều. Điều này đơn giản hóa đáng kể quy trình đóng gói cho transceiver thế hệ tiếp theo, và có thể dẫn đến các module dạng cắm rút hoặc onboard, nơi một đầu nối duy nhất mang nhiều kênh tốc độ cao. Tại hội nghị OFC 2019 (Optical Fiber Communication Conference), các nhà khoa học OFS đã lưu ý rằng MCF rất phù hợp cho các kết nối quang trong trung tâm dữ liệu, nơi không cần khuếch đại đa lõi, và rằng hệ thống MCF có thể kết nối trực tiếp với chip silicon photonics (SiP) và indium phosphide (InP) cho tích hợp mật độ cao [6]. Điều này có nghĩa là MCF có thể loại bỏ bước fan-out trung gian trong một số trường hợp — sợi quang cắm trực tiếp vào module transceiver có tích hợp quang đa lõi bên trong, tạo thành liên kết cực kỳ gọn gàng. Lợi ích mang lại không chỉ là băng thông cao hơn, mà còn là quy trình lắp đặt đơn giản hơn (ít cáp cần cắm), giảm tổn hao, và quay lại với lợi thế về năng lượng và chi phí.