¿Cómo lidiar con la dispersión cromática en la comunicación óptica?

Hace más de 300 años, en una tarde soleada, Newton presentó un juego así.

Figura 1: Refracción de la luz por un prisma

Dejó que el sol brillara sobre el prisma. Después de penetrar el prisma, la luz se extendió en una cinta compuesta de luz roja, naranja, amarilla, verde, azul, azul y púrpura, y se proyectó sobre una cortina en la habitación. De esta forma, la luz solar aparentemente transparente se transforma en una increíble banda de color a través del prisma.

Después de eso, Newton abrió una rendija vertical en medio de la cortina y colocó un segundo prisma y una segunda cortina detrás de la cortina. Giró el primer prisma y proyectó las siete cintas en las grietas de la primera cortina, y luego las proyectó sobre la segunda cortina a través del segundo prisma. Ocurrió un milagro: la luz se separó en una variedad de colores únicos y se presentó en la segunda cortina. El esquema se muestra a continuación:

Figura 2: la segunda refracción de la luz

Newton usó el prisma para descubrir un misterio: ¡la luz se puede dispersar! Eso es lo que ahora llamamos la dispersión cromática de la luz.

¿Cómo cromático surge la dispersión?

En el experimento del prisma triangular, la luz solar (luz compuesta) ingresa al vidrio desde el aire y luego ingresa al aire desde otro vidrio, que se refracta dos veces. Es sabido que todo tiende a buscar ganancias. Cuando ocurre la refracción, la luz elegirá el camino más corto y avanzará mientras minimiza la pérdida de energía. Del experimento del prisma de Newton, sabemos que la luz compuesta se compone de muchas luces individuales de diferentes colores. Estas luces tienen diferentes longitudes de onda y la energía de las diferentes longitudes de onda de la luz es desigual. Las luces con diferentes longitudes de onda también tienen diferencias en cómo elegir la ruta después de la refracción, por lo que "se separaron" después de salir del prisma.

Entonces, ¿por qué se dispersa la luz? Resulta que son las longitudes de onda de la luz las que provocan la dispersión cromática. Las diferentes longitudes de onda de la luz tienen diferentes índices de refracción y diferentes velocidades de propagación (trayectorias) en diferentes medios, lo que inevitablemente hará que la luz se propague de manera dispersiva y se forme la dispersión.

La dispersión de la luz muestra que la velocidad de propagación de la luz en un medio tiene una gran relación con el índice de refracción. Cuanto mayor es el índice de refracción, menor es la velocidad de la luz. Aquí está la fórmula:

V=C/N, C es la velocidad de propagación de la luz en el vacío (constante a 300,000 km/s); N es el índice de refracción del medio a la luz.

El efecto de cromático dispersión

Aunque la dispersión nos puede llevar a un mundo colorido, la dispersión no es tan bonita en el campo de la comunicación. La dispersión cromática es uno de los factores importantes que conducen a la pérdida durante la transmisión de señales ópticas en fibra óptica. Esto se debe a que el índice de refracción de la luz provoca dispersión, y la dispersión hace que el pulso óptico genere interferencia entre símbolos, lo que da como resultado un ensanchamiento en el extremo de salida.

Que es ensanchamiento?

El ensanchamiento es el aumento en el ancho espectral de la luz de diferentes longitudes de onda en el medio debido a los diferentes índices de refracción que conducen a diferentes velocidades de propagación. En otras palabras, cuando se transmite un haz de luz en un medio, algunas ondas de luz tienen un índice de refracción grande, lo que las desvía seriamente de la pista.

Algunas ondas de luz tienen un índice de refracción pequeño y, aunque están torcidas, pueden moverse en una dirección determinada. La desarmonía de las ondas de luz hace que el ancho de este haz de luz sea mayor de lo que era antes de entrar en el medio, lo que resulta en un ensanchamiento.

En el caso de la dispersión cromática, cuanto mayor sea la distancia de transmisión de la señal óptica, más grave será la propagación. Los resultados son la distorsión de la señal y el deterioro del rendimiento de la tasa de errores de bits, que afectan gravemente a la calidad de la transmisión de la información. ¿Cómo evitamos el impacto de la dispersión en la comunicación?

¿Cómo evitamos el efecto de cromático ¿dispersión?

Después de un largo período de exploración e investigación, la gente ha encontrado un método de compensación para equilibrar la pérdida de dispersión. La tecnología de fibra de compensación de dispersión (DCF) es un método de compensación de dispersión altamente reconocido entre varios métodos.

En un sistema de fibra monomodo común, la fibra tiene una alta dispersión positiva a una longitud de onda operativa de 1550 nm. La característica de la dispersión positiva: a medida que aumenta la longitud de onda, el índice de refracción disminuye gradualmente. Es necesario agregar dispersión negativa en estas fibras para compensar y garantizar que la dispersión total de toda la línea de fibra sea aproximadamente cero. La fibra compensadora de dispersión (DCF) es un nuevo tipo de fibra monomodo diseñada principalmente para la longitud de onda de 1550nm. DCF tiene una alta dispersión negativa a 1550 nm (la dispersión negativa tiene las cualidades opuestas de la dispersión positiva) y se puede utilizar para compensar la dispersión en sistemas de fibra monomodo. Como se muestra en la siguiente figura, la suma de la dispersión positiva y negativa compensada se aproxima a cero a 1550 nm.

Figura 3: Diagrama esquemático de compensación de dispersión de DCF

La siguiente es la fórmula para DCF aplicada a la fibra monomodo:

D(λs)L +Dc(λs)L c=0

D( λ s) es el coeficiente de dispersión de la fibra monomodo en la longitud de onda de trabajo λ s;

Dc( λ s) es el coeficiente de dispersión de DCF en la longitud de onda operativa λ s.

L y LC son las longitudes de fibra monomodo convencional y DCF, respectivamente.

En aplicaciones prácticas, DCF y fibra monomodo se conectan en serie en la línea de transmisión para compensar la dispersión positiva de la fibra monomodo a 1550nm. Al hacerlo, se amplía la distancia de retransmisión y se reducen las pérdidas, y se puede lograr una comunicación de alta velocidad, gran capacidad y larga distancia. Como se muestra abajo:

Figura 4: DCF y fibra monomodo están conectados en serie

DCF tiene las siguientes ventajas:

• El efecto de compensación es notable y el sistema funciona de manera estable;
• Fácil de operar, la fibra de compensación se puede conectar directamente al sistema de transmisión para realizar la compensación;
• La cantidad de compensación de dispersión se puede controlar a pedido y se puede ajustar de acuerdo con la cantidad de compensación real requerida por el sistema de transmisión.

A medida que la señal óptica viaja más tiempo en la línea de transmisión, se producirán otras pérdidas, como la atenuación de la línea. Es necesario considerar el uso de EDFA (amplificador de fibra dopada con erbio) para evitar la atenuación de la línea.