Poprawna odpowiedź to rozproszenie Rayleigha i dokładnie o to chodzi w pytaniu: mamy lokalne niejednorodności w materiale światłowodu, wynikające z drobnych zaburzeń w krystalicznej (a w praktyce szklanej, amorficznej) strukturze rdzenia. Te mikroskopijne różnice gęstości i składu powodują, że część energii fali świetlnej jest rozpraszana we wszystkich kierunkach. W efekcie część mocy wraca w stronę nadajnika, część ucieka poza rdzeń, a tylko część dociera dalej. To właśnie jest klasyczne rozproszenie Rayleigha, opisywane w normach dla światłowodów, np. w kontekście tłumienia w dB/km w ITU-T G.652 czy G.655. Moim zdaniem warto to sobie powiązać z tym, co robi się przy pomiarach reflektometrem OTDR. Ten charakterystyczny „opadający stok” na wykresie to głównie efekt rozproszenia Rayleigha wzdłuż włókna. Dzięki temu zjawisku w ogóle da się zarejestrować sygnał odbity od samego włókna i ocenić jego tłumienie, lokalizować spawy, złącza i uszkodzenia. Rozproszenie Rayleigha jest więc trochę przekleństwem i błogosławieństwem jednocześnie: z jednej strony powoduje stałe tłumienie sygnału (np. typowo 0,35 dB/km dla 1310 nm), z drugiej – pozwala na diagnostykę sieci. W praktyce projektowania sieci światłowodowych dąży się do minimalizacji tego zjawiska przez bardzo wysoką czystość szkła, kontrolę procesu domieszkowania i hartowania włókna. Producenci, trzymając się dobrych praktyk i standardów branżowych, ograniczają niejednorodności struktury szkła, żeby zmniejszyć rozpraszanie Rayleigha, a więc i tłumienie. W długich odcinkach magistralnych, szczególnie w systemach DWDM, każdy ułamek dB/km ma znaczenie, bo przekłada się na liczbę potrzebnych wzmacniaczy i regeneracji sygnału. Dlatego zrozumienie, że to właśnie rozproszenie Rayleigha jest głównym składnikiem tłumienia materiałowego w typowych włóknach jednomodowych, jest bardzo ważne przy analizie budżetu mocy i planowaniu realnego zasięgu łączy.
W tym pytaniu łatwo się pomylić, bo wszystkie pojęcia brzmią bardzo „falowo” i technicznie, ale opisują zupełnie różne zjawiska. Wiele osób intuicyjnie kojarzy zanik sygnału w światłowodzie z dyspersją, bo faktycznie przy długich odcinkach sygnał „rozmywa się” w czasie. Dyspersja jednak nie polega na tym, że energia jest rozpraszana na niejednorodnościach materiału. Dyspersja to zjawisko, w którym różne składowe widmowe impulsu (różne długości fali albo różne mody propagacji) rozchodzą się z różnymi prędkościami. Skutkiem jest poszerzenie impulsu w czasie, co pogarsza przepustowość i ogranicza maksymalną szybkość transmisji na danej długości linii, ale nie jest to mechanizm powodujący rozpraszanie mocy na lokalnych defektach struktury szkła. Podobnie dyfrakcja fali to efekt ugięcia i rozchodzenia się fali po napotkaniu przeszkody albo przy przejściu przez wąską szczelinę. W światłowodzie dyfrakcja ma znaczenie przy opisie modów, rozkładu pola i np. sprzęgania światła do włókna, ale nie tłumaczy zjawiska mikroskopowego rozpraszania na niejednorodnościach materiału. To bardziej kwestia geometrii propagacji fali niż rozpraszania na poziomie drobnych zaburzeń struktury. Absorpcja energii z kolei jest jak najbardziej realnym źródłem tłumienia w światłowodzie, ale ma inny mechanizm fizyczny. Polega na tym, że fotony są pochłaniane przez sieć atomów i cząsteczek szkła, zamieniając energię optyczną w ciepło lub inne formy energii. Wpływa na to skład chemiczny szkła, domieszki (np. jony OH−) i jakość procesu produkcji. Absorpcja nie jest jednak zjawiskiem wynikającym z lokalnych niejednorodności krystalicznych, które rozpraszają falę w różnych kierunkach. Jest to po prostu pochłanianie, nie rozpraszanie. Typowy błąd myślowy polega na tym, że wszystko, co zmniejsza moc sygnału, wrzuca się do jednego worka „tłumienie” i nie rozróżnia się, co jest rozpraszaniem, co absorpcją, a co zniekształceniem kształtu impulsu. W pytaniu kluczowe są słowa: lokalne niejednorodności, rozpraszanie, odbicie i rozproszenie energii. To dokładnie opis rozproszenia Rayleigha, które dominuje w typowych włóknach jednomodowych w zakresach 1310 nm i 1550 nm. Dyspersja opisuje rozciąganie impulsu w czasie, dyfrakcja – ugięcie fali na przeszkodach, absorpcja – pochłanianie fotonów. Tylko rozproszenie Rayleigha łączy w sobie lokalne niejednorodności materiału i rozpraszanie części mocy we wszystkich kierunkach, co jest kluczowe przy analizie tłumienia linii światłowodowych zgodnie z obowiązującymi standardami.