5 triệu km cáp quang, tính cả dưới đáy biển lẫn trên mặt đất, hiện nay đã được lắp đặt trên toàn cầu
chỉ trong 6-8 năm qua, các doanh nghiệp viễn thông và công nghệ đã lắp đặt nửa triệu km cáp quang
Phản xạ nội tại
cáp quang có 2 bộ phận: 1 lõi kính có đường kính vài chục micromet và 1 vỏ được làm bằng 1 loại vật liệu có chiết suất (refractive index) thấp hơn lõi
LED hoặc laser được chiếu qua cáp quang, sẽ va chạm biên giới giữa lõi và vỏ: nếu va chạm theo 1 "góc tới" lớn hơn 1 giá trị "góc tới hạn" (được xác định bởi 2 chiết suất) thì LED/laser sẽ phản xạ toàn phần
Sự suy hao
hầu hết "sự suy hao" (attenuation) bị gây ra bởi "tán xạ" (scattering) khiến LED/laser tách ra những tia nhỏ hơn đi theo những "góc tới" nhỏ hơn "góc tới hạn" cho nên bị hấp thụ
có 3 loại "tán xạ" là Brillouin, Raman và Rayleigh
Sóng âm động và sóng dao động phân tử
tán xạ Brillouin xảy ra khi LED/laser tương tác những sóng âm thấp (phonon) trong môi trường kính (medium)
phonon xảy ra bởi nhiệt độ hoặc những chỗ bị "biến dạng" (strain) của sợi cáp quang
tán xạ Raman bởi những dao động phân tử (molecular vibration) trong kính, chủ yếu bởi nhiệt lượng
năm 1930 ngài Chandrasekhara Venkata Raman giành giải Nobel vật lý cho hiện tượng tán xạ này
Mật độ không đều
tán xạ Rayleigh bởi cấu trúc thủy tinh của sợi cáp quang là không đồng đều (do quy trình sản xuất) cho nên ở những vùng biên giới ở giữa 2 vùng chênh lệch chiết suất sẽ hình thành "gương Rayleigh"
trong khi 95-98% ánh sáng lách được qua gương Rayleigh, phần còn lại sẽ tán xạ, trong đó chưa đến 1% hắt ngược về phía nguồn sáng
Alan James Rogers
thập niên 1980 bắt đầu lắp đặt và quản lý cáp quang, sử dụng máy phản xạ đồ miền thời gian quang học OTDR (optical time domain reflectometry) kiểm tra
trước tiên OTDR bắn 1 xung sáng vào cáp quang, rồi lấy 1 diode quang (photodetector) đo lường ánh sáng bị hắt ngược trở lại bởi "tán xạ Rayleigh"
lỗi trong cáp quang (gãy, mối nối kém / poor splice) tạo ra những điểm phản xạ cục bộ (localised reflective point)
tính toán thời điểm những phản xạ hoặc suy hao ánh sáng ấy trở về, máy xác định điểm gây ra trên toàn bộ chiều dài cáp quang
nhờ "tán xạ Rayleigh" ODTR cũng thu được ánh sáng bị hắt ngược về nguồn phát
năm 1981 Alan James Rogers ở phòng nghiên cứu điện trung tâm Vương quốc Anh xuất bản nghiên cứu "hệ thống phản xạ miền thời gian quang-học-nhạy-phân-cực" (polarization-optical time domain reflectometry)
những yếu tố bên ngoài (nhiệt độ, biến dạng, âm, điện trường) ảnh hưởng sự phân cực của LED/laser qua cáp quang
Tín hiệu stokes và tín hiệu anti-stokes
thập niên 1980 nỗ lực sử dụng "tán xạ Rayleigh" để cảm biến nhiệt độ đã gặp vấn đề truy tìm nguyên nhân (thay đổi nhiệt độ)
Rayleigh làm xuất hiện những đốm sáng (fleck) phân tán trên toàn bộ cáp quang, đặc điểm (profile) ánh sáng hắt lại là tổng tất cả những đốm sáng, quá chung chung để phân biệt được dấu hiệu của nhiệt độ nếu không có cáp quang chuyên dụng
với "tán xạ Brillouin" và "tán xạ Raman", photon bị tán xạ sẽ mất hoặc tăng năng lượng sau khi va chạm phonon, theo đó tăng/giảm tần số... thay đổi tần số này giúp xác định "biến dạng" nhiệt/âm của cáp quang
thập niên 1990 xuất hiện laser có độ-rộng-đường-phổ hẹp hơn, và những máy tính mạnh mẽ hơn vạn lần, cho phép người dùng truy dấu cách thức profile tán xạ Rayleigh thay đổi bởi những biến dạng (strain) cáp quang
Cảm biến nhiệt độ phân tán
giữa thập niên 1980 các doanh nghiệp dầu khí đã ứng dụng cáp quang để quản lý giếng khoan
dưới lỗ khoan (borehole) nhiệt độ 200 độ C và áp suất 2000 bar, khắc nghiệt thế nên người ta đặt thiết bị ở trên mặt đất, thò sợi cáp quang xuống lỗ khoan
cảm biến cáp quang đầu tiên DTS (distributed temperature sensing) cảm biến nhiệt độ nhờ "tán xạ Raman" và tín hiệu anti-stokes
sau nhiều năm, kỹ thuật đã phát triển, từ việc đo lường 1 điểm trên cáp quang, đến đa điểm, cuối cùng đến đo lường liên tục
miễn là biết được chiều dài cáp quang bên trong lỗ khoan, có thể đo nhiệt độ dọc theo chiều dài cáp quang
Đo địa chấn mặt cắt dọc
VSP (vertical seismic profiling) dựng hình ảnh đá quanh lỗ khoan, nhờ những sóng âm gửi xuống mặt đất và đo lường sóng dội lại
việc thu thập dữ liệu đã thường được thực hiện bằng một loạt cảm biến "đầu thu địa chấn" (geophone) bên trong lỗ khoan, nghe được những thứ không thể nghe được nếu geophone ở trên mặt đất
geophone là thiết bị điện tử, để thăm dò 1 địa điểm, người ta thò xuống 7 geophone được nối chuỗi với nhau vào 1 cáp bọc thép
cuối thập niên 2000 Shell và BP triển khai VSP cáp quang, sử dụng "tán xạ Rayleigh" cảm biến sóng âm: sợi quang được quấn quanh vỏ
tỷ lệ tín-hiệu-trên-nhiễu của máy quét quang này không cao bằng geophone, nhưng nhanh và dễ thực hiện khảo sát địa chấn hơn (chỉ 10 phút, so với 10 giờ geophone)
"VSP cáp quang" có "độ phủ" cao hơn: cáp quang gửi 1 vạn lần nhiều dữ liệu hơn mỗi giây, so với một máy cảm biến nhiệt
thập niên 2010 đầu tư dầu khí đã tạo điều kiện phát triển DAS
Cáp quang tối
đầu thập niên 2010 hai đội ngũ 2 trường Berkeley và Stanford ứng dụng DAS cho việc quản lý địa chấn, thay những trạm (đắt đỏ) được cài đặt trên mặt đất
mặt khác, tồn tại số lượng những sợi cáp quang tối, bỏ hoang dưới lòng đất, có thể là kết quả sau khi vỡ bong bóng dot-com nhưng cũng có thể dự phòng các doanh nghiệp viễn thông sử dụng sau này
năm 2019 Jonathan Ajo-Franklin ở phòng thí nghiệm Berkeley ước tính 1 triệu km cáp tối, hằng năm tăng thêm 10-20 vạn km nữa bởi các doanh nghiệp viễn thông
Thiết bị trung tâm phát-thu tín hiệu
động đất có tần số địa chấn rất thấp, khó xác định giữa hỗn hợp chói tai những sóng nhiễu môi trường (xe, tàu)
DAS có một bộ truy vấn quang học và một sợi cáp quang, phát hiện những biến dạng (strain) của đất quanh cáp, qua nhiệt độ hoặc âm thanh
nghiên cứu sinh Eileen Martin trường Stanford trả lời phỏng vấn: "người ta đã không tin máy này hiệu quả... người ta cho rằng một cáp quang không-được-ghép-mạch (uncouple) quá nhiễu"
thử nghiệm đã sử dụng cả cáp quang chuyên dụng lẫn cáp tối, trước hết ở trường đại học, sau đó ở ngoài thực địa, đã truy dấu được hàng trăm trận động đất nhỏ, có động đất ở gần, có động đất ở tận Mexico
Giuseppe Marra dẫn dắt một đội ngũ ở phòng thí nghiệm vật lý quốc gia Vương quốc Anh báo cáo "kỹ thuật giao thoa sóng" (interferometry) sử dụng laser phát hiện động đất dưới đáy biển
từ Vương quốc Anh, mạng lưới Giuseppe Marra phát hiện động đất lớn ở miền trung Ý nhờ sử dụng cáp quang đã không được lắp cho mục đích phát hiện địa chấn
năm 2017 Nate Lindsey dẫn dắt một đội ngũ Berkeley tranh thủ 4 ngày bảo trì cáp ở Vịnh Monterey để thực hiện quét DAS hoàn chỉnh, biến 20 km cáp quang thành 1 vạn cảm biến và ghi nhận 1 trận động đất nhỏ và nhiều vùng đứt gãy dưới đáy biển
Cá voi
năm 1993 Henry Taylor và Chung Lee ở trường công lập Texas A&M đăng ký sáng chế công cụ phát hiên xâm nhập, bằng cách theo dõi ánh sáng hắt ngược trở lại bởi "tán xạ Rayleigh"
nhóm chôn cáp quang ở 1 vùng biên, ai dẫm lên sẽ kích hoạt báo động (sân bay, đường sắt)
mới đây India Railways báo cáo 1 hệ thống DAS phát hiện voi đi qua đường ray xe lửa
năm 2022 DAS phát hiện hàng chục tiếng hát của cá voi tấm sừng ở vịnh hẹp băng hà, chỉ bằng những cáp quang vẫn được lắp dưới đáy biển, giữa những sóng nhiễu (sóng nội tại đại dương, bão, sự vận chuyển trầm tích)
ngày nay, kỹ thuật phát hiện cá voi đã được nâng cấp, với những thuật toán như Grid Search và những bộ lọc như Bayesian Filter
Tàu thuyền
lở đất dưới đáy biển (undersea landslide) có thể gây ra sóng thần và phá hủy công trình ngoài khơi
năm 2021 Diane Rivet dẫn dắt một đội ngũ Pháp xuất bản nghiên cứu cho thấy có thể truy dấu tàu chở dầu nhờ cáp quang đã được lắp ở độ sâu 2000 mét, mặc dù sẽ phát hiện tốt hơn với cáp ở độ sâu 85 mét, vì lý do suy hao
ở độ sâu 85 mét, cáp quang truy dấu động cơ và thiết bị của 1 tàu chở dầu cách xa 2 km
Mảng sonar tự động
mảng sonar tự động với những nốt (node) thu sóng âm dưới nước: dân sự, quân sự... cũng đều đắt đỏ... hệ thống quân sự tốn kém hàng triệu đến hàng tỷ USD
tàu thuyền có thể tắt bộ phát-đáp (transponder) để lẩn trốn vệ tinh truy dấu, nhưng cáp quang vẫn có thể nghe được những sóng âm
cáp quang có thể cảnh báo 1 mỏ neo đang cào/lê quét đáy biển
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét