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色散補(bǔ)償知多少?一文全面了解光的色散!

閱讀:43發(fā)布時(shí)間:2023-12-3

色散補(bǔ)償知多少?一文全面了解光的色散!

 

三百多年前的歐洲,在一個(gè)充滿陽(yáng)光的午后,牛頓布下了這樣一個(gè)局。

陽(yáng)光投射到三棱鏡圖 

讓陽(yáng)光投射到三棱鏡上,穿透棱鏡后,光線散開(kāi)成了由紅橙黃綠青藍(lán)紫組成的彩帶,投射到屋中的一個(gè)幕布上。就這樣,看似透明的太陽(yáng)光在三棱鏡的加持下變幻出不可思議的色帶。

色帶圖 

這之后,牛頓又將幕布的中間打開(kāi)一條垂直的裂縫,在幕布的后面布置了第二個(gè)三棱鏡和第二塊幕布。

只見(jiàn)他轉(zhuǎn)動(dòng)個(gè)三棱鏡,將紅橙黃綠青藍(lán)紫七條彩帶依次投射到個(gè)幕布的裂縫上,再經(jīng)過(guò)第二個(gè)三棱鏡投射到第二塊幕布上。奇跡誕生了,只見(jiàn)第二塊幕布上依次呈現(xiàn)的竟然是單一顏色的光。示意圖如下所示:

光分散圖 

至此,太陽(yáng)光被分離成了多種單一顏色呈現(xiàn)在第二塊幕布上,牛爵爺利用三棱鏡參破了天機(jī):光是可以分散的!太陽(yáng)光仿佛被封印了一般,平凡的的外表下有一顆色彩豐富的內(nèi)核。這,就是我們現(xiàn)在常說(shuō)的光的色散。

色散是如何產(chǎn)生的?

光的色散圖 

三棱鏡實(shí)驗(yàn)中,太陽(yáng)光(也就是復(fù)合光)從空氣進(jìn)入玻璃中,再由玻璃進(jìn)入空氣,發(fā)生了兩次折射。要知道,萬(wàn)物皆有趨利性,折射發(fā)生時(shí),光也會(huì)自然而然的選擇最短的路徑,在盡量減少能量損耗的情況下前進(jìn)。從上面牛頓的三棱鏡實(shí)驗(yàn)中,我們知道復(fù)合光本質(zhì)上是由很多不同顏色的單一光組成的,這些光具備不同的波長(zhǎng),不同波長(zhǎng)的光的能量大小是有懸殊的。眾口難調(diào),不同波長(zhǎng)的光對(duì)折射后如何選路產(chǎn)生了分歧,于是,出三棱鏡后就分道揚(yáng)鑣"了。

所以,光為什么會(huì)分散?原來(lái),造成這種分散的就是光的波長(zhǎng),不同波長(zhǎng)的光在介質(zhì)里的折射率不同,傳播速度(路徑)也不同,必然會(huì)造成光(們)的分散傳播,色散就形成了。

光的色散現(xiàn)象說(shuō)明光在介質(zhì)中的傳播的速度與折射率有很大的關(guān)系,折射率越大光速越小,見(jiàn)下面的公式:

折射率公式圖 

色散的影響

盡管色散能幫助我們走入一個(gè)五顏六色的彩色世界,但在通信領(lǐng)域中,色散就真的沒(méi)有那么美麗了。

光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)倪^(guò)程中,色散是導(dǎo)致?lián)p耗的重要因素之一。

 

這是由于,光的折射率引起了色散,色散導(dǎo)致了光脈沖產(chǎn)生碼間干擾,從而在輸出端產(chǎn)生展寬。


什么是展寬呢?

展寬就是不同波長(zhǎng)的光在介質(zhì)中因?yàn)檎凵渎什煌瑢?dǎo)致傳播速度不同,從而產(chǎn)生的光譜寬度增加。換言之,就是一束光在介質(zhì)中傳送時(shí),有些光波折射率大,嚴(yán)重偏離跑道。

 

有些光波折射率小,雖然歪歪扭扭,但也能按照既定方向前進(jìn)。

 

光波們的不和諧現(xiàn)象導(dǎo)致了這一束光的寬度比進(jìn)入介質(zhì)之前大了,形成了展寬。

有色散的情況下,光信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn),展寬越嚴(yán)重,后果就是信號(hào)失真,誤碼率性能惡化,嚴(yán)重影響信息的傳送質(zhì)量。

針對(duì)色散給通信造成的影響,如何規(guī)避呢?3

如何規(guī)避色散的影響?

電影獅子王中有句話說(shuō)的好:世界上所有的生命都在微妙的平衡中生存。 

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索和研究,人們找到了用補(bǔ)償?shù)霓k法去平衡色散的損耗。在多種補(bǔ)償方法中,色散補(bǔ)償光纖技術(shù)是一種認(rèn)可度比較高的色散補(bǔ)償方法。

色散補(bǔ)償方法圖 

在普通的單模光纖系統(tǒng)中,光纖的工作波長(zhǎng)在1550nm具有較高的正色散。


正色散的特質(zhì):隨著波長(zhǎng)的增大,折射率逐步減小。

按照補(bǔ)償?shù)乃悸?,需要在這些光纖中增加負(fù)色散進(jìn)行色散補(bǔ)償,保證整條光纖線路的總色散近似為零。而色散補(bǔ)償光纖(DCF)是一種主要針對(duì)1550nm波長(zhǎng)而設(shè)計(jì)的新型單模光纖,在1550nm處具有較高的負(fù)色散(負(fù)色散與正色散的特質(zhì)相反),可以用于在普通的單模光纖系統(tǒng)中進(jìn)行色散補(bǔ)償,如下圖所示,在1550nm處經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)恼?fù)色散之和趨近于零。

在1550nm處經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)恼?fù)色散之和趨近于零圖 

下圖為色散補(bǔ)償光纖應(yīng)用在單模光纖上的公式。

色散補(bǔ)償光纖應(yīng)用在單模光纖上的公式圖 

實(shí)際應(yīng)用中,傳輸線路采用DCF和單模光纖串聯(lián)的方式,補(bǔ)償單模光纖在1550nm光波長(zhǎng)的正色散,達(dá)到延長(zhǎng)中繼距離,減少損耗的目的,從而實(shí)現(xiàn)高速度、大容量、長(zhǎng)距離的通信。如下圖所示:

DCF和單模光纖串聯(lián)的方式圖 


DCF作為色散補(bǔ)償,具有以下優(yōu)點(diǎn):

補(bǔ)償,系統(tǒng)工作穩(wěn)定。操作簡(jiǎn)便,補(bǔ)償光纖直接接入傳輸系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。色散補(bǔ)償量按需可控,根據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)際需要的補(bǔ)償量進(jìn)行按需調(diào)整。

友情提示:光信號(hào)在傳輸線路上跑的距離遠(yuǎn)了,還會(huì)產(chǎn)生其他損耗,例如:線路衰減。為了規(guī)避線路衰減,就要考慮使用EDFAErbium-Doped Fiber Amplifier摻鉺光纖放大器了。


來(lái)源:中興文檔

 

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