色散這麼好看 為什麼光纖卻不喜歡

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三百多年前的歐洲,在一個充滿陽光的午後,牛頓佈下了這樣一個局。


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


壓合機https://www.xinseopr.com/170864-21/20220415120613/image_1.jpg


這之後,牛頓又將幕布的中間打開一條垂直的裂縫,在幕布的後面佈置了第二個三棱鏡和第二塊幕布。


只見他轉動第一個三棱鏡,將紅橙黃綠青藍紫七條彩帶依次投射到第一個幕布的裂縫上,再經過第二個三棱鏡投射到第二塊幕布上。奇跡誕生了,只見第二塊幕布上依次呈現的竟然是單一顏色的光。示意圖如下所示:


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至此,太陽光被分離成了多種單一顏色呈現在第二塊幕布上,牛爵爺利用三棱鏡參破了天機:光是可以分散的!太陽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核。這,就是我們現在常說的光的色散。


1

色散是如何產生的?


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三棱鏡實驗中,太陽光(也就是複合光)從空氣進入玻璃中,再由玻璃進入空氣,發生了兩次折射。要知道,萬物皆有趨利性,折射發生時,光也會自然而然的選擇最短的路徑,在儘量減少能量損耗的情況下前進。從上面牛頓的三棱鏡實驗中,我們知道複合光本質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,不同波長的光的能量大小是有懸殊的。眾口難調,不同波長的光對折射後如何選路產生了分歧,於是,出三棱鏡後就“分道揚鑣”了。


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


光的色散現象說明光在介質中的傳播的速度與折射率有很大的關係,折射率越大光速越小,見下麵的公式:


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2

色散的影響

 

儘管色散能幫助我們走入一個五顏六色的彩世界,但在通信領域中,色散就真的沒有那麼美麗了。


光信號在光纖中傳輸的過程中,色散是導致損耗的重要因素之一。


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這是由於,光的折射率引起了色散,色散導致了光脈衝產生碼間干擾,從而在輸出端產生展寬。


什麼是展寬呢?


展寬就是不同波長的光在介質中因為折射率不同導致傳播速度不同,從而產生的光譜寬度增加。換言之,就是一束光在介質中傳送時,有些光波折射率大,嚴重偏離跑道。


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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。


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光波們的不和諧現象導致了這一束光的寬度比進入介質之前大了,形成了展寬。


有色散的情況下,光信號傳輸的距離越遠,展寬越嚴重,後果就是信號失真,誤碼率性能惡化,嚴重影響信息的傳送質量。


針對色散給通信造成的影響,如何規避呢?


3

如何規避色散的影響?


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經過長時間的探索和研究,人們找到了用補償的辦法去平衡色散的損耗。在多種補償方法中,色散補償光纖技術是一種認可度比較高的色散補償方法。


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在普通的單模光纖系統中,光纖的工作波長在1550nm具有較高的正色散。


正色散的特質:隨着波長的增大,折射率逐步減小。


按照補償的思路,需要在這些光纖中增加負色散進行色散補償,保證整條光纖線路的總色散近似為零。而色散補償光纖(DCF)是一種主要針對1550nm波長而設計的新型單模光纖,在1550nm處具有較高的負色散(負色散與正色散的特質相反),可以用於在普通的單模光纖系統中進行色散補償,如下圖所示,在1550nm處經過補償的正負色散之和趨近於零。


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下圖為色散補償光纖應用在單模光纖上的公式。


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實際應用中,傳輸線路採用DCF和單模光纖串聯的方式,補償單模光纖在1550nm光波長的正色散,達到延長中繼距離,減少損耗的目的,從而實現高速度、大容量、長距離的通信。如下圖所示:


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DCF作為色散補償,具有以下優點:


情提示:光信號在傳輸線路上跑的距離遠了,還會產生其他損耗,例如:線路衰減。為了規避線路衰減,就要考慮使用EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)摻鉺光纖放大器了。


好了,有關色散的故事就講到這裡了~


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來源:中興文檔

編輯:牧魚


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