Wie geht man mit chromatischer Dispersion in der optischen Kommunikation um?

Vor mehr als 300 Jahren entwickelte Newton an einem sonnigen Nachmittag ein solches Spiel.

Abbildung 1: Lichtbrechung durch ein Prisma

Er ließ die Sonne auf das Prisma scheinen. Nach dem Durchdringen des Prismas breitete sich das Licht zu einem Band aus rotem, orangefarbenem, gelbem, grünem, blauem, blauem und violettem Licht aus und projizierte es auf einen Vorhang im Raum. Auf diese Weise verwandelt sich das scheinbar transparente Sonnenlicht durch das Prisma in ein unglaubliches Farbband.

Danach öffnete Newton einen vertikalen Schlitz in der Mitte des Vorhangs und platzierte ein zweites Prisma und einen zweiten Vorhang hinter dem Vorhang. Er drehte das erste Prisma und projizierte die sieben Bänder nacheinander in die Risse des ersten Vorhangs und projizierte sie dann durch das zweite Prisma auf den zweiten Vorhang. Ein Wunder geschah – das Licht wurde in verschiedene Einzelfarben aufgeteilt und auf dem zweiten Vorhang präsentiert. Das Schema ist unten dargestellt:

Abbildung 2: die zweite Lichtbrechung

Newton nutzte das Prisma, um ein Geheimnis zu lüften: Licht kann gestreut werden! Das nennen wir heute die chromatische Streuung des Lichts.

Wie funktioniert chromatisch Streuung entstehen?

Beim Dreiecksprisma-Experiment dringt Sonnenlicht (zusammengesetztes Licht) aus der Luft in das Glas ein und gelangt dann aus einem anderen Glas in die Luft, wo es zweimal gebrochen wird. Es ist bekannt, dass alles auf Gewinn ausgerichtet ist. Bei der Brechung wählt das Licht den kürzesten Weg und bewegt sich vorwärts, während der Energieverlust minimiert wird. Aus Newtons Prisma-Experiment wissen wir, dass zusammengesetztes Licht aus vielen einzelnen Lichtern unterschiedlicher Farbe besteht. Diese Lichter haben unterschiedliche Wellenlängen und die Energie verschiedener Lichtwellenlängen ist ungleichmäßig. Lichter mit unterschiedlichen Wellenlängen unterscheiden sich auch in der Wahl des Weges nach der Brechung, so dass sich ihre „Wege“ trennten, nachdem sie das Prisma verlassen hatten.

Warum wird das Licht gestreut? Es stellt sich heraus, dass es die Wellenlängen des Lichts sind, die die chromatische Dispersion verursachen. Unterschiedliche Lichtwellenlängen haben unterschiedliche Brechungsindizes und unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten (Wege) in unterschiedlichen Medien, was zwangsläufig dazu führt, dass sich das Licht dispersiv ausbreitet und eine Dispersion entsteht.

Die Lichtstreuung zeigt, dass die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung in einem Medium einen großen Zusammenhang mit dem Brechungsindex hat. Je größer der Brechungsindex, desto geringer ist die Lichtgeschwindigkeit. Hier ist die Formel:

V=C/N, C ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum (konstant bei 300,000 km/s); N ist der Brechungsindex von Medium bis Licht.

Der Effekt von chromatisch Dispersion

Obwohl Zerstreuung uns in eine bunte Welt führen kann, ist Zerstreuung im Bereich der Kommunikation nicht so schön. Die chromatische Dispersion ist einer der wichtigen Faktoren, die zu Verlusten bei der optischen Signalübertragung in Glasfasern führen. Dies liegt daran, dass der Brechungsindex des Lichts eine Streuung verursacht und die Streuung dazu führt, dass der optische Impuls Interferenzen zwischen Symbolen erzeugt, was zu einer Verbreiterung am Ausgangsende führt.

Was ist Erweiterung?

Unter Verbreiterung versteht man die Vergrößerung der spektralen Breite von Licht unterschiedlicher Wellenlänge im Medium aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes, die zu unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten führen. Mit anderen Worten: Wenn ein Lichtstrahl in einem Medium übertragen wird, haben einige Lichtwellen einen großen Brechungsindex, der stark von der Landebahn abweicht.

Einige Lichtwellen haben einen kleinen Brechungsindex und können sich, obwohl sie krumm sind, in eine bestimmte Richtung bewegen. Die Disharmonie der Lichtwellen führt dazu, dass die Breite dieses Lichtstrahls größer ist als vor dem Eintritt in das Medium, was zu einer Verbreiterung führt.

Bei der chromatischen Dispersion ist die Ausbreitung umso schwerwiegender, je länger die Entfernung der optischen Signalübertragung ist. Die Folge sind Signalverzerrungen und Leistungseinbußen bei der Bitfehlerrate, die die Qualität der Informationsübertragung erheblich beeinträchtigen. Wie vermeiden wir die Auswirkungen der Streuung auf die Kommunikation?

Wie vermeiden wir die Wirkung von chromatisch Streuung?

Nach einer langen Zeit der Erkundung und Forschung haben Menschen eine Kompensationsmethode gefunden, um den Dispersionsverlust auszugleichen. Die Dispersionskompensationsfasertechnologie (DCF) ist unter den verschiedenen Methoden eine weithin anerkannte Methode zur Dispersionskompensation.

In einem herkömmlichen Singlemode-Fasersystem weist die Faser eine hohe positive Dispersion bei einer Betriebswellenlänge von 1550 nm auf. Das Merkmal der positiven Dispersion: Mit zunehmender Wellenlänge nimmt der Brechungsindex allmählich ab. Zur Kompensation muss in diesen Fasern eine negative Dispersion hinzugefügt werden, um sicherzustellen, dass die Gesamtdispersion der gesamten Faserlinie annähernd Null ist. Die Dispersionskompensationsfaser (DCF) ist ein neuartiger Singlemode-Fasertyp, der hauptsächlich für die Wellenlänge von 1550 nm entwickelt wurde. DCF hat eine hohe negative Dispersion bei 1550 nm (negative Dispersion hat die entgegengesetzten Eigenschaften einer positiven Dispersion) und kann zur Dispersionskompensation in Singlemode-Fasersystemen verwendet werden. Wie in der Abbildung unten dargestellt, geht die Summe der kompensierten positiven und negativen Dispersion bei 1550 nm gegen Null.

Abbildung 3: Schematische Darstellung der Dispersionskompensation von DCF

Die folgende Formel für DCF gilt für Singlemode-Fasern:

D( λs)L +Dc(λs)L c=0

D(λ s) ist der Dispersionskoeffizient der Singlemode-Faser bei der Arbeitswellenlänge 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. DCF.

In praktischen Anwendungen werden DCF und Singlemode-Fasern in der Übertragungsleitung in Reihe geschaltet, um die positive Dispersion von Singlemode-Fasern bei 1550 nm zu kompensieren. Dadurch wird die Relaisentfernung vergrößert und Verluste reduziert, und es kann eine Kommunikation mit hoher Geschwindigkeit, großer Kapazität und großer Entfernung erreicht werden. Wie nachfolgend dargestellt:

Abbildung 4: DCF und Singlemode-Faser sind in Reihe geschaltet

DCF bietet folgende Vorteile:

• Der Kompensationseffekt ist bemerkenswert und das System arbeitet stabil;
• Die einfach zu bedienende Kompensationsfaser kann direkt an das Übertragungssystem angeschlossen werden, um eine Kompensation zu realisieren.
• Die Höhe der Dispersionskompensation ist bei Bedarf steuerbar und kann entsprechend der tatsächlichen Kompensationsmenge, die das Übertragungssystem benötigt, angepasst werden

Je länger das optische Signal auf der Übertragungsleitung läuft, desto mehr Verluste treten auf, beispielsweise durch Leitungsdämpfung. Um eine Leitungsdämpfung zu vermeiden, muss der Einsatz von EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) ​​in Betracht gezogen werden.