Como lidar com a dispersão cromática na comunicação óptica?

Mais de 300 anos atrás, em uma tarde ensolarada, Newton apresentou tal jogo.

Figura 1: Refração da luz por um prisma

Ele deixou o sol brilhar no prisma. Depois de penetrar no prisma, a luz se espalha em uma fita composta de luz vermelha, laranja, amarela, verde, azul, azul e roxa, e é projetada em uma cortina na sala. Desta forma, a luz solar aparentemente transparente se transforma em uma incrível faixa de cores através do prisma.

Depois disso, Newton abriu uma fenda vertical no meio da cortina e colocou um segundo prisma e uma segunda cortina atrás da cortina. Ele virou o primeiro prisma e projetou as sete fitas nas fendas da primeira cortina, e depois as projetou na segunda cortina através do segundo prisma. Um milagre aconteceu - a luz foi separada em uma variedade de cores únicas e apresentada na segunda cortina. O esquema é mostrado abaixo:

Figura 2: a segunda refração da luz

Newton usou o prisma para desvendar um mistério: a luz pode ser dispersa! Isso é o que agora chamamos de dispersão cromática da luz.

como funciona cromático dispersão surgir?

No experimento do prisma triangular, a luz solar (luz composta) entra no vidro a partir do ar e, em seguida, entra no ar a partir de outro vidro, que é refratado duas vezes. Sabe-se que tudo tende a buscar lucros. Quando ocorre a refração, a luz escolhe o caminho mais curto e avança, minimizando a perda de energia. A partir do experimento do prisma de Newton, sabemos que a luz composta é composta de muitas luzes únicas de cores diferentes. Essas luzes têm diferentes comprimentos de onda e a energia de diferentes comprimentos de onda da luz é desigual. Luzes com diferentes comprimentos de onda também têm diferenças em como escolher a rota após a refração, então elas “se separaram” depois de sair do prisma.

Então, por que a luz é espalhada? Acontece que são os comprimentos de onda da luz que causam a dispersão cromática. Diferentes comprimentos de onda da luz têm diferentes índices de refração e diferentes velocidades de propagação (caminhos) em diferentes meios, o que inevitavelmente fará com que a luz se espalhe de forma dispersiva e a dispersão seja formada.

A dispersão da luz mostra que a velocidade de propagação da luz em um meio tem uma grande relação com o índice de refração. Quanto maior o índice de refração, menor a velocidade da luz. Aqui está a fórmula:

V=C/N, C é a velocidade de propagação da luz no vácuo (constante a 300,000 km/s); N é o índice de refração do meio para a luz.

O efeito de cromático dispersão

Embora a dispersão possa nos levar a um mundo colorido, a dispersão não é tão bonita no campo da comunicação. A dispersão cromática é um dos fatores importantes que levam à perda durante a transmissão do sinal óptico em fibra óptica. Isso ocorre porque o índice de refração da luz causa dispersão, e a dispersão faz com que o pulso óptico gere interferência entre símbolos, o que resulta em alargamento na extremidade de saída.

O que é a ampliação?

Ampliação é o aumento da largura espectral da luz de diferentes comprimentos de onda no meio devido aos diferentes índices de refração que levam a diferentes velocidades de propagação. Em outras palavras, quando um feixe de luz é transmitido em um meio, algumas ondas de luz têm um grande índice de refração, que se desvia seriamente da pista.

Algumas ondas de luz têm um índice de refração pequeno e, embora sejam tortas, podem se mover em uma determinada direção. A desarmonia das ondas de luz faz com que a largura desse feixe de luz seja maior do que era antes de entrar no meio, resultando em alargamento.

No caso da dispersão cromática, quanto maior a distância de transmissão do sinal óptico, mais grave é a propagação. Os resultados são a distorção do sinal e a deterioração do desempenho da taxa de erro de bits, que afetam severamente a qualidade da transmissão da informação. Como evitamos o impacto da dispersão na comunicação?

Como evitar o efeito de cromático dispersão?

Após um longo período de exploração e pesquisa, as pessoas encontraram um método de compensação para equilibrar a perda de dispersão. A tecnologia de fibra de compensação de dispersão (DCF) é um método de compensação de dispersão altamente reconhecido entre vários métodos.

Em um sistema de fibra monomodo comum, a fibra tem uma alta dispersão positiva em um comprimento de onda operacional de 1550 nm. A característica da dispersão positiva: à medida que o comprimento de onda aumenta, o índice de refração diminui gradualmente. É necessário adicionar dispersão negativa nessas fibras para compensação para garantir que a dispersão total de toda a linha de fibras seja aproximadamente zero. A fibra compensadora de dispersão (DCF) é um novo tipo de fibra monomodo projetada principalmente para o comprimento de onda de 1550nm. O DCF tem uma alta dispersão negativa em 1550nm (a dispersão negativa tem as qualidades opostas da dispersão positiva) e pode ser usado para compensação de dispersão em sistemas de fibra monomodo. Conforme mostrado na figura abaixo, a soma da dispersão positiva e negativa compensada se aproxima de zero em 1550nm.

Figura 3: Diagrama esquemático de compensação de dispersão de DCF

A seguir está a fórmula para DCF aplicada à fibra monomodo:

D(λs)L +Dc(λs)L c=0

D(λs) é o coeficiente de dispersão da fibra monomodo no comprimento de onda de trabalho λs;

Dc( λ s) é o coeficiente de dispersão de DCF no comprimento de onda de operação λ s.

L e LC são os comprimentos da fibra monomodo convencional e DCF, respectivamente.

Em aplicações práticas, o DCF e a fibra monomodo são conectados em série na linha de transmissão para compensar a dispersão positiva da fibra monomodo em 1550nm. Ao fazer isso, a distância do relé é estendida e a perda reduzida, e a comunicação de alta velocidade, grande capacidade e longa distância pode ser alcançada. Como mostrado abaixo:

Figura 4: DCF e fibra monomodo são conectados em série

O DCF tem as seguintes vantagens:

• O efeito de compensação é notável e o sistema funciona de forma estável;
• Fácil de operar, a fibra de compensação pode ser conectada diretamente ao sistema de transmissão para realizar a compensação;
• A quantidade de compensação de dispersão é controlável sob demanda e pode ser ajustada de acordo com a quantidade de compensação real exigida pelo sistema de transmissão

À medida que o sinal óptico percorre mais tempo na linha de transmissão, outras perdas ocorrerão, como a atenuação da linha. É necessário considerar o uso de EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) ​​para evitar a atenuação da linha.