Phản xạ, hệ số phản xạ và suy hao phản xạ quang

Mọi nơi chiết suất thay đổi đều gửi một phần ánh sáng quay ngược trở lại phía bộ phát: mặt đầu nối, khe khí, mối hàn cơ khí, điểm đứt, đầu cuối của sợi quang. Từng phản xạ trong số đó nhỏ khi xét riêng lẻ; nhưng gộp lại chúng quyết định suy hao phản xạ quang của liên kết, làm mất ổn định laser, cộng thêm nhiễu giao thoa vào tín hiệu PAM4 và tín hiệu analog, và khiến đường cong OTDR khó đọc hơn. Trang này trình bày phần vật lý (phản xạ Fresnel), hai cách tính phản xạ (hệ số phản xạ của một sự kiện, suy hao phản xạ của một liên kết), giá trị điển hình theo từng thành phần, yêu cầu của các tiêu chuẩn theo từng công nghệ, cách đo phản xạ và cách giữ phản xạ ở mức thấp.

Phản xạ Fresnel

Tại ranh giới giữa hai môi trường có chiết suất n₁ và n₂, tỷ lệ phản xạ ở góc tới vuông góc là R = ((n₁ − n₂) / (n₁ + n₂))².

Ranh giới	n₁ / n₂	Tỷ lệ phản xạ	Hệ số phản xạ
Thủy tinh – không khí (mặt đầu nối phẳng để hở, điểm đứt)	1,468 / 1,000	3,6 %	−14,4 dB (thường được nêu là −14,7 dB với n = 1,45)
Thủy tinh – nước (măng xông ngập nước, điểm đứt bị ướt)	1,468 / 1,333	0,23 %	−26 dB
Thủy tinh – gel chiết suất tương thích (mối hàn cơ khí)	1,468 / 1,46	0,0007 %	−51 dB
Thủy tinh – thủy tinh, hai sợi quang có chiết suất hơi khác nhau	1,4675 / 1,4681	4 × 10⁻⁸	−74 dB (không thấy được)
Thủy tinh – không khí tại mặt đầu nối APC 8°	—	phản xạ 3,6 %, nhưng lệch 16° so với trục	< −60 dB ghép ngược trở lại vào lõi

Mẹo của APC nằm ở hình học: ánh sáng vẫn bị phản xạ, nhưng nó rời khỏi lõi và mất vào lớp vỏ thay vì truyền ngược trở lại laser.

Hệ số phản xạ so với suy hao phản xạ

Đại lượng	Định nghĩa	Dấu	Giá trị điển hình
Hệ số phản xạ của một sự kiện	10 · log₁₀ (P_reflected / P_incident)	dB âm	−55 dB đối với một cặp UPC sạch
Suy hao phản xạ của một sự kiện	cùng một đại lượng nhưng đổi dấu	dB dương	55 dB
Suy hao phản xạ quang (ORL) của một liên kết	10 · log₁₀ (P_in / ΣP_back) trên toàn bộ liên kết, kể cả tán xạ ngược Rayleigh	dB dương	25–45 dB
Nền Rayleigh	chỉ riêng tán xạ ngược của một đoạn SMF dài	—	ORL ≈ 31–33 dB tại 1550 nm, ≈ 29–31 dB tại 1310 nm
Rời rạc so với phân bố	đầu nối, mối hàn và điểm đứt là rời rạc; tán xạ Rayleigh phân bố dọc theo sợi quang	—	một liên kết ngắn có đầu hở bị chi phối bởi các sự kiện rời rạc

Các phản xạ cộng với nhau theo công suất, không phải theo decibel: tổng công suất phản xạ ngược là tổng các công suất phản xạ riêng lẻ, vì vậy sự kiện tệ nhất sẽ chi phối ORL (Công thức và tính toán).

Hệ số phản xạ điển hình của các thành phần

Thành phần / điều kiện	Điển hình	Ghi chú
Mối hàn nhiệt	< −70 dB	không thấy được trên OTDR — mức tham chiếu
Cặp đầu nối UPC, sạch, đã ghép	−50 … −60 dB	định mức ≤ −50 dB; cấp suy hao phản xạ 2 theo IEC 61753 = ≥ 45 dB
Cặp đầu nối APC, đã ghép	−60 … −70 dB	định mức ≤ −60 dB; cấp 1 = ≥ 60 dB
Đầu nối APC, chưa ghép (để hở)	−55 … −65 dB	góc nghiêng hất phản xạ ra khỏi lõi
Đầu nối UPC, chưa ghép (để hở, sạch, phẳng)	−14,4 dB	sự kiện thường gặp tệ nhất; nắp chống bụi không làm thay đổi điều này
Mài bóng PC / SPC thế hệ cũ	−30 … −45 dB	hạ tầng thập niên 1990
Mối hàn cơ khí có gel	−40 … −60 dB	gel khô dần trong 10–20 năm → −30 dB và suy hao tăng dần
Cặp UPC bẩn hoặc bị xước	−25 … −40 dB	cộng thêm 0,5–3 dB suy hao (Kiểm tra và vệ sinh mặt đầu nối)
Khe khí trong một cặp đã ghép (lò xo hỏng, ferrule sai chiều dài, có mảnh vụn)	−14 … −30 dB	thường chập chờn
Điểm đứt hoặc vết cắt phẳng	−14 … −20 dB	điểm đứt nghiêng hoặc bị dập: −30 … −50 dB hoặc gần như không có
Ferrule PC ghép với ferrule APC	−20 … −35 dB	suy hao 3–5 dB và hư hại mặt đầu nối
Bộ chia quang, bộ lọc WDM, bộ suy hao cố định	−45 … −55 dB	theo bảng số liệu
Receptacle của transceiver (đoạn sợi cố định bên trong module)	−35 … −50 dB	đầu phẳng; cổng module bị bẩn phản xạ giống như một đầu nối bẩn
Cặp đầu nối đa mode	−20 … −35 dB	liên kết dùng VCSEL chịu được mức này; định mức yêu cầu suy hao phản xạ ≥ 20 dB

Vì sao phản xạ gây hại

Ảnh hưởng	Cơ chế	Đối tượng nhạy cảm
Mất ổn định laser	ánh sáng quay lại buồng cộng hưởng laser gây nhảy mode, mở rộng độ rộng phổ, tăng RIN → các đợt lỗi	laser Fabry-Pérot chịu ảnh hưởng nặng nhất; module DFB/EML cho LR/ER/ZR có bộ cách ly quang (30–40 dB) trong TOSA; VCSEL chịu ảnh hưởng ít nhất
Nhiễu giao thoa đa đường (MPI)	hai sự kiện phản xạ tạo thành một giao thoa kế yếu: một bản sao trễ của tín hiệu giao thoa với bản gốc	PAM4 400G/800G (định mức giới hạn hệ số phản xạ rời rạc ở mức ≈ −35 dB), CATV analog (cần ≤ −55 dB), coherent ít nhạy cảm hơn
Xuyên nhiễu đầu gần trong hệ thống một sợi	trong BiDi và PON, Tx của chính mình phản xạ tại đầu nối gần thẳng vào Rx của mình; bộ lọc WDM chỉ cách ly được 30–40 dB	module BiDi có công suất Tx cao, cổng OLT của PON, đầu nối đầu gần bị bẩn
Nhiễu bộ thu trên liên kết analog	nhiễu giao thoa chuyển nhiễu pha của laser thành nhiễu cường độ	RF-over-glass, radio-over-fibre
Khả năng đọc OTDR	vùng chết phía sau các đỉnh, bão hòa, ghost	mọi người dùng OTDR (Đọc đường cong OTDR)
Hệ thống có khuếch đại	phản xạ vào tầng ra của EDFA gây tự phát dao động laser và mất ổn định; đầu nối công suất cao bị nhiễm bẩn có thể mồi cháy lan trong sợi quang (fibre fuse)	Raman, EDFA booster, lớp phủ video PON ở +17 dBm (An toàn và thao tác)

Các tiêu chuẩn yêu cầu gì

Các giá trị là số liệu điển hình theo điều khoản tiêu chuẩn; hãy kiểm tra đúng bảng của tiêu chuẩn mà bạn đang tuân theo.

Công nghệ	Yêu cầu suy hao phản xạ	Giới hạn hệ số phản xạ rời rạc
1000BASE-LX, 10GBASE-LR/ER (IEEE 802.3)	ORL của hệ thống cáp ≥ 12 dB	≤ −26 dB mỗi sự kiện
100GBASE-LR4/ER4	ORL ≥ 21 dB	≤ −26 dB
400GBASE-DR4/FR4/LR4 (PAM4)	ORL ≥ 21 dB	≤ −35 dB — nguyên nhân là MPI
DWDM 10G tách sóng trực tiếp (ITU-T G.959.1 / G.698)	ORL ≥ 24 dB	≤ −27 dB
100G trở lên coherent, 400ZR	ORL ≥ 24 dB (trong thực tế khá dễ chịu)	≤ −27 dB
ODN của GPON / XGS-PON (ITU-T G.984.2, G.9807.1)	ORL ≥ 32 dB tại giao diện OLT và ONU	≤ −35 dB; khi có lớp phủ video RF dùng APC ở mọi nơi, ≤ −55 dB
CATV analog, RFoG	ORL ≥ 45–50 dB	≤ −55 … −60 dB (bắt buộc dùng APC)
Nghiệm thu hệ thống cáp có cấu trúc (TIA-568.3-D, ISO/IEC 14763-3)	không thuộc phép đo suy hao Tier 1	được đo trong Tier 2 bằng OTDR khi có yêu cầu; giới hạn điển hình của dự án là −40 dB với UPC, −55 dB với APC

Đo phản xạ

Thiết bị	Đo gì	Ghi chú
OTDR	hệ số phản xạ của từng sự kiện, tính từ chiều cao đỉnh H so với mức tán xạ ngược và hệ số tán xạ ngược K ứng với xung đã dùng: R = K + 10 · log₁₀(10^(H/5) − 1)	đỉnh bị bão hòa (cắt ngọn) cho kết quả thấp hơn thực tế — hãy dùng xung ngắn hơn; OTDR cũng tính tích phân ORL cho toàn bộ liên kết
Máy đo ORL / OCWR (optical continuous wave reflectometer, IEC 61300-3-6)	tổng ORL của liên kết nhìn từ đầu vào	tham chiếu bằng một đầu cuối không phản xạ (cuộn mandrel hoặc đầu cuối APC); đạt/không đạt nhanh ở mức 27, 32 hoặc 45 dB
Máy đo hệ số phản xạ đầu nối	hệ số phản xạ của một đầu nối so với mức tham chiếu	dùng trong nhà máy và phòng thí nghiệm
Kính soi kiểm tra	dự đoán hệ số phản xạ từ hình ảnh mặt đầu nối: vết xước, vết rỗ, nhiễm bẩn	cách kiểm tra rẻ nhất

Giữ phản xạ ở mức thấp

Biện pháp	Vì sao
Dùng APC cho toàn bộ hạ tầng đơn mode phục vụ PON, analog, liên kết có khuếch đại và PAM4 tầm xa; MPO đơn mode mặc định là APC	−60 dB thay vì −50 dB, và các đầu hở vẫn vô hại
Không bao giờ để đầu UPC hở trên đường truyền	−14 dB từ một đầu nối dự phòng tại bảng đấu nối hoặc một sợi quang tách ra; hãy đậy đầu cuối hoặc dùng APC
Soi kiểm tra và vệ sinh mọi mặt đầu nối trước khi ghép	bụi bẩn là nguyên nhân hàng đầu gây hệ số phản xạ trên −40 dB
Dùng hàn nhiệt thay vì hàn cơ khí cho các mối nối vĩnh viễn	gel sẽ khô dần; hàn nhiệt không gây phản xạ
Không bao giờ ghép PC/UPC với APC	gây phản xạ, suy hao và hư hại cho cả hai
Giữ số cặp đầu nối ở mức ít và dùng pigtail hàn sẵn trong bảng đấu nối	ít sự kiện hơn, ít cặp giao thoa hơn
Dùng dây mồi APC cho OTDR	đỉnh phát nhỏ hơn, vùng chết ngắn hơn
Tôn trọng giới hạn của laser: laser FP chỉ dùng trên các liên kết ngắn có đầu nối sạch	bên trong không có bộ cách ly quang

Trong CodingBox

Module cho biết mức độ nhạy cảm của nó: loại laser trong mã tuân thủ (FP, DFB, EML, VCSEL) và liệu module có phải là BiDi một sợi với Tx công suất mạnh hay không. Một liên kết chập chờn dù mức công suất vẫn nằm thoải mái trong quỹ công suất là điều đáng nghi do hệ số phản xạ, và cách khắc phục nằm ở phía hạ tầng — dùng APC, vệ sinh, không để đầu hở (Check transceiver, Liên kết chập chờn, Laser).

Nếu bạn phát hiện thông tin chưa chính xác hoặc lỗi trong bài viết này, hãy chọn đoạn liên quan và nhấn Ctrl+Enter để .