Tán xạ ngược là gì?
Tán xạ ngược được định nghĩa như sau: “Khi một xung ánh sáng laser được truyền vào một sợi cáp quang thì hầu hết năng lượng của nó sẽ di chuyển về phía trước. Tuy nhiên, sợi quang này không phải là một môi trường hoàn hảo tuyệt đối và có cấu trúc vi mô của vật liệu thủy tinh silica nên một phần rất nhỏ của ánh sáng sẽ bị phân tán theo nhiều hướng khác nhau. Khi đó, một phần trong số ánh sáng bị phân tán này sẽ quay ngược lại về phía nguồn phát và được gọi là hiện tượng tán xạ ngược (backscattering)”.
Trong đó, ngày nay máy đo OTDR được xem là một thiết bị hoạt động như một radar siêu nhạy dành cho cho cáp quang. Do đó, OTDR có thể xác định chính xác khoảng cách đến các điểm khác nhau trên sợi cáp và các đặc tính của chúng bằng cách đo thời gian và cường độ của tín hiệu. Tán xạ ngược không phải là một hiện tượng đơn nhất và nó bao gồm hai cơ chế chính mà OTDR khai thác gồm: tán xạ Rayleigh và phản xạ Fresnel.
Tán Xạ Rayleigh
Tán xạ Rayleigh được định nghĩa là hiện tượng tán xạ ánh sáng bởi các hạt có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng. Đây cũng là lý thuyết nhằm chứng minh lý do bầu trời có màu xanh là nhờ các phân tử không khí tán xạ ánh sáng xanh dương (có bước sóng ngắn) mạnh hơn các màu khác. Đối với môi trường trong sợi quang, tán xạ Rayleigh xảy ra do sự không đồng nhất cực nhỏ về mật độ và chỉ số khúc xạ của vật liệu thủy tinh. Khi xung ánh sáng của OTDR đi qua thì nó sẽ tương tác với vô số những điểm không đồng nhất này và gây ra sự tán xạ theo mọi hướng. Trong đó, một phần nhỏ trong đó bị tán xạ ngược về máy đo.
Trong máy OTDR, hiện tượng tán xạ Rayleigh có mang một số đặc điểm và ứng dụng như sau:
- Về tính liên tục: Tán xạ Rayleigh xảy ra một cách liên tục do sự không đồng nhất tồn tại trên toàn bộ chiều dài sợi quang. Do đó, nó tạo ra một dòng tín hiệu tán xạ ngược ổn định với cường độ yếu quay trở lại OTDR.
- Về cơ sở để đo suy hao: Đây là ứng dụng quan trọng nhất của tán xạ Rayleigh. Khi xung ánh sáng di chuyển xa hơn dọc theo sợi cáp thì bản thân nó bị suy yếu dần dẫn đến lượng ánh sáng tán xạ ngược từ các điểm ở xa sẽ yếu hơn so với các điểm ở gần.
- Về bản chất của sợi cáp: Thông thường, tín hiệu tán xạ Rayleigh giống như một ký hiệu đặc trưng cho bản thân sợi quang. Dựa vào điều này, các nhân viên vận hành kỹ thuật sẽ xác định được tình trạng của sợi dây và các thông tin về chất lượng tổng thể của nó.
Định nghĩa về phản Xạ Fresnel
Theo định nghĩa, tán xạ Rayleigh thường xảy ra ở cấp độ vi mô thì phản xạ Fresnel là một hiện tượng chỉ xảy ra ở cấp độ vĩ mô và nó thường xuất hiện khi ánh sáng đi qua một ranh giới giữa hai môi trường có chỉ số khúc xạ khác nhau. Nhờ sự thay đổi đột ngột về chỉ số khúc xạ này đã khiến một phần đáng kể của ánh sáng bị phản xạ ngược lại nguồn phát. Cường độ của phản xạ Fresnel phụ thuộc vào mức độ chênh lệch chỉ số khúc xạ giữa hai môi trường. Công thức tính toán hệ số phản xạ R tại một mặt phẳng vuông góc như sau:
Vai trò của hai hiện tượng tán xạ Rayleigh và phản xạ Fresnel trong OTDR
Trong công nghệ đo kiểm cáp quang ngày nay, máy đo OTDR hoạt động như một nhà phân tích ngôn ngữ nhằm giải mã hai tín hiệu riêng biệt mà sợi quang gửi về bao gồm tán xạ Rayleigh và phản xạ Fresnel. Tuy cùng là một tín hiệu phản hồi nhưng hai hiện tượng này sẽ có nguồn gốc, bản chất và vai trò hoàn toàn khác nhau.
- Đối với tán xạ Rayleigh: hiện tượng này tạo ra một tín hiệu tán xạ ngược yếu nhưng ổn định, phân bố đều trên toàn bộ chiều dài sợi cáp. Khi đó, tín hiệu này trong đồ thị trên OTDR sẽ là một đường thẳng dốc xuống. Độ dốc của đường này thể hiện chính xác hệ số suy hao (tính bằng dB/km) để kỹ thuật viên xác định lượng ánh sáng bị suy yếu đi khi truyền trong sợi quang.
- Đối với phản xạ Fresnel: Đây là một phản xạ mạnh, đột ngột và sẽ xảy ra chỉ khi ánh sáng gặp một ranh giới rõ rệt giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau. Trên đồ thị OTDR, mỗi phản xạ Fresnel được hiển thị là một đỉnh nhọn vọt lên nhằm cho phép xác định chính xác đến từng mét vị trí của sự kiện đó.
Tóm lại, sự kết hợp của hai hiện tượng vật lý về tán xạ và phản xạ là chìa khóa sức mạnh của OTDR. Trong đó, hiện tượng tán xạ Rayleigh có thể cho biết trạng thái của tổng thể của tuyến cáp và đo lường sự suy hao vốn có của nó. Trong khi đó, hiện tượng phản xạ Fresnel có thể giúp các nhân viên vận hành xác định chính xác các điểm kết nối, các mối nối và các sự cố xảy ra trong cáp quang. Nếu không có có hai hiện tượng này thì chúng ta sẽ không thể xác định được suy hao và tìm thấy các điểm đứt gãy trong sợi quang. Chính vì vậy, việc phân tích và xác định song hành hai hiện tượng vật lý này đã đưa OTDR trở thành công cụ chẩn đoán không thể thiếu trong các ứng dụng đang được phát triển hiện nay.
Kết luận
Nhìn chung, máy đo OTDR ngày nay được xem là một minh chứng xuất sắc cho việc ứng dụng các hiện tượng vật lý cơ bản vào công nghệ thực tiễn. Bằng phân tích và tận dụng hai hiện tượng tán xạ Rayleigh và phản xạ Fresnel, máy OTDR sẽ cung cấp cho các kỹ sư vận hành một công cụ để xác định trạng thái bên trong mạng lưới cáp quang một cách nhanh chóng. Chính vì vậy, việc phân tích và hiểu được bản chất vật lý của hai hiện tượng vật lý này chính là chìa khóa để khai thác toàn bộ tiềm năng của công nghệ OTDR và duy trì sự ổn định của hạ tầng viễn thông toàn cầu ngày nay.
