Dispersion ist so schön, warum mögen sie optische Fasern nicht?

Vor mehr als dreihundert Jahren entwarf Newton an einem sonnigen Nachmittag in Europa einen solchen Plan.

Lassen Sie das Sonnenlicht auf das Prisma scheinen. Nach dem Durchdringen des Prismas breitet sich das Licht in bunte Bänder aus Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Lila aus und wird auf einen Vorhang im Raum projiziert. Auf diese Weise verwandelt sich das scheinbar transparente Sonnenlicht mit Hilfe des Prismas in unglaubliche Farbbänder.

Danach öffnete Newton einen vertikalen Spalt in der Mitte des Vorhangs und ordnete hinter dem Vorhang ein zweites Prisma und einen zweiten Vorhang an.

Ich sah, wie er das erste Prisma drehte und sieben bunte Bänder aus Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Lila auf die Risse im ersten Vorhang und dann durch das zweite Prisma auf den zweiten Vorhang projizierte. Ein Wunder geschah. Was auf dem zweiten Vorhang erschien, war ein einfarbiges Licht. Das schematische Diagramm sieht wie folgt aus:

An diesem Punkt wird das Sonnenlicht in mehrere Einzelfarben zerlegt und auf dem zweiten Vorhang präsentiert. Lord Niu nutzt ein Prisma, um das Geheimnis zu lüften: Licht kann gestreut werden! Das Sonnenlicht scheint versiegelt zu sein und unter der gewöhnlichen Erscheinung verbirgt sich ein bunter Kern. Dies wird oft als Lichtstreuung bezeichnet.

1. Wie entsteht Dispersion?

Das Phänomen, dass zusammengesetztes Licht in drei Farben zerlegt wird, wird als Lichtdispersion bezeichnet.

Beim Prisma-Experiment dringt Sonnenlicht (also zusammengesetztes Licht) aus der Luft in das Glas ein und gelangt dann aus dem Glas in die Luft, wo es zweimal gebrochen wird. Sie müssen wissen, dass alles von Vorteil ist. Bei der Brechung wählt das Licht auf natürliche Weise den kürzesten Weg und bewegt sich vorwärts, während der Energieverlust minimiert wird. Aus Newtons Prisma-Experiment oben wissen wir, dass zusammengesetztes Licht im Wesentlichen aus vielen einzelnen Lichtern unterschiedlicher Farbe besteht. Diese Lichter haben unterschiedliche Wellenlängen und die Energie von Licht unterschiedlicher Wellenlänge ist sehr unterschiedlich. Es ist schwierig, die Meinungen in Einklang zu bringen, und bei Licht unterschiedlicher Wellenlänge gibt es unterschiedliche Meinungen darüber, wie der Weg nach der Brechung gewählt werden soll. Daher trennten sich ihre Wege, nachdem sie das Prisma verlassen hatten.

Warum streut Licht? Es stellt sich heraus, dass diese Streuung durch die Wellenlänge des Lichts verursacht wird. Licht unterschiedlicher Wellenlänge hat unterschiedliche Brechungsindizes im Medium und unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten (Wege), was unweigerlich dazu führt, dass sich das Licht (die Lichtstrahlen) immer weiter ausbreitet und eine Dispersion entsteht.

Das Dispersionsphänomen des Lichts zeigt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Medium einen großen Zusammenhang mit dem Brechungsindex hat. Je größer der Brechungsindex, desto geringer ist die Lichtgeschwindigkeit. Siehe die folgende Formel:

V=C/N

C ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum,

konstant 300,000 km/s

N ist der Brechungsindex des Mediums gegenüber Licht

2. Der Effekt der Dispersion

Obwohl uns Zerstreuung dabei helfen kann, in eine farbenfrohe Welt vorzudringen, ist Zerstreuung im Bereich der Kommunikation wirklich nicht so schön.

Bei der Übertragung optischer Signale in Lichtwellenleitern ist die Dispersion einer der wesentlichen Verlustfaktoren.

Dies liegt daran, dass der Brechungsindex des Lichts eine Streuung verursacht, die zu Intercode-Interferenzen im Lichtimpuls führt und dadurch das Ausgangsende verbreitert.

Was ist Dehnen?

Verbreiterung bedeutet, dass sich Licht unterschiedlicher Wellenlänge aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes mit unterschiedlicher Geschwindigkeit im Medium ausbreitet, was zu einer Vergrößerung der spektralen Breite führt. Mit anderen Worten: Wenn ein Lichtstrahl in einem Medium übertragen wird, haben einige Lichtwellen einen großen Brechungsindex und weichen stark von der Landebahn ab.

Manche Lichtwellen haben einen kleinen Brechungsindex, und obwohl sie krumm sind, können sie sich dennoch in eine vorgegebene Richtung ausbreiten.

Durch die Dissonanz der Lichtwellen ist die Breite dieses Lichtstrahls größer als vor dem Eintritt in das Medium und es entsteht eine Verbreiterung.

Im Falle einer Streuung ist die Verbreiterung umso gravierender, je länger die optische Signalübertragungsentfernung ist. Das Ergebnis ist eine Signalverzerrung und eine Verschlechterung der Bitfehlerratenleistung, was die Qualität der Informationsübertragung erheblich beeinträchtigt.

Wie vermeidet man die Auswirkungen der Streuung auf die Kommunikation?

3. Wie vermeidet man den Einfluss der Streuung?

Nach einer langen Zeit der Erkundung und Forschung haben Menschen einen Weg gefunden, den Dispersionsverlust durch Kompensation auszugleichen. Unter den verschiedenen Kompensationsmethoden ist die Dispersionskompensationsfasertechnologie eine weithin anerkannte Methode zur Dispersionskompensation.

Eine der Dispersionskompensationsmethoden: Dispersionskompensationsfaser DCF

In gewöhnlichen Singlemode-Glasfasersystemen weist die Betriebswellenlänge der Glasfaser eine hohe positive Dispersion bei 1550 nm auf.

Eigenschaften der positiven Dispersion: Mit zunehmender Wellenlänge nimmt der Brechungsindex allmählich ab.

Nach dem Kompensationsgedanken muss diesen Lichtwellenleitern zur Dispersionskompensation eine negative Dispersion hinzugefügt werden, um sicherzustellen, dass die Gesamtdispersion der gesamten Lichtwellenleiterleitung annähernd Null ist. Die Dispersionskompensationsfaser (DCF) ist ein neuartiger Singlemode-Fasertyp, der hauptsächlich für die Wellenlänge 1550 nm entwickelt wurde. Es weist eine hohe negative Dispersion bei 1550 nm auf (die Eigenschaften der negativen Dispersion und der positiven Dispersion sind entgegengesetzt) ​​und kann in gewöhnlichen Singlemode-Glasfaserkabeln verwendet werden. Die Dispersionskompensation erfolgt im Glasfasersystem. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, geht die Summe der kompensierten positiven und negativen Dispersionen bei 1550 nm gegen Null.

Das Folgende ist die Formel für Dispersionskompensationsfasern, die auf Singlemode-Fasern angewendet werden.

D(As)L+Dc(As)Lc=0

D(λ s) ist der Dispersionskoeffizient einer Singlemode-Faser bei der Betriebswellenlänge λ s

Dc(λ s) ist der Dispersionskoeffizient von DCF bei der Betriebswellenlänge λ s

L und LC sind die Längen herkömmlicher Singlemode-Fasern bzw. D CF.

In praktischen Anwendungen werden DCF und Singlemode-Fasern in der Übertragungsleitung in Reihe verwendet, um die positive Dispersion von Singlemode-Fasern bei einer optischen Wellenlänge von 1550 nm zu kompensieren, um so den Relaisabstand zu vergrößern und Verluste zu reduzieren und so eine hohe Geschwindigkeit, große Kapazität und Fernkommunikation. Wie nachfolgend dargestellt:

Als Dispersionskompensation bietet DCF folgende Vorteile:

Der Kompensationseffekt ist bemerkenswert und das System arbeitet stabil.

Die Bedienung ist einfach und die Kompensationsfaser kann direkt an das Übertragungssystem angeschlossen werden, um eine Kompensation zu realisieren.

Der Dispersionskompensationsbetrag ist nach Bedarf steuerbar und kann je nach Bedarf entsprechend dem tatsächlich vom Übertragungssystem benötigten Kompensationsbetrag angepasst werden.

Beachten:

Je weiter sich das optische Signal auf der Übertragungsleitung ausbreitet, desto mehr Verluste treten auf, beispielsweise durch Leitungsdämpfung. Um eine Leitungsdämpfung zu vermeiden, muss die Verwendung eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) ​​in Betracht gezogen werden.