การกระจายตัวสวยงามมาก ทำไมใยแก้วนำแสงถึงไม่ชอบล่ะ

เมื่อกว่าสามร้อยปีที่แล้วในยุโรปในช่วงบ่ายที่มีแสงแดดสดใส นิวตันได้วางแผนดังกล่าว

ให้แสงแดดส่องไปที่ปริซึม หลังจากทะลุผ่านปริซึม แสงจะกระจายออกเป็นริบบิ้นหลากสีสันที่ประกอบด้วยสีแดง สีส้ม เหลือง เขียว น้ำเงิน และม่วง และฉายลงบนผ้าม่านในห้อง ด้วยวิธีนี้ แสงแดดที่ดูเหมือนโปร่งใสจะเปลี่ยนเป็นแถบสีที่น่าทึ่งด้วยความช่วยเหลือของปริซึม

หลังจากนั้น นิวตันก็เปิดรอยแตกแนวตั้งตรงกลางม่าน และจัดปริซึมอันที่สองและม่านอันที่สองไว้ด้านหลังม่าน

ฉันเห็นเขาหมุนปริซึมอันแรกและฉายริบบิ้นหลากสีสันเจ็ดเส้นที่ประกอบด้วยสีแดง สีส้ม เหลือง เขียว น้ำเงิน และม่วง ลงบนรอยแยกของม่านผืนแรก จากนั้นจึงฉายริบบิ้นหลากสีสันไปยังม่านผืนที่สองผ่านปริซึมอันที่สอง ปาฏิหาริย์เกิดขึ้น สิ่งที่ปรากฏบนม่านที่สองคือแสงสีเดียว แผนผังมีดังนี้:

ณ จุดนี้ แสงแดดถูกแยกออกเป็นหลายสีเดี่ยวๆ และปรากฏบนม่านที่สอง ท่านหนิวใช้ปริซึมเพื่อไขความลับ : แสงสามารถกระจายได้! ดูเหมือนว่าแสงแดดจะถูกปิดผนึก และมีแกนสีสันสดใสภายใต้รูปลักษณ์ธรรมดา นี่คือสิ่งที่เรามักเรียกว่าการกระจายตัวของแสง

1. การกระจายตัวเกิดขึ้นได้อย่างไร?

ปรากฏการณ์ที่แสงคอมโพสิตสลายตัวเป็นสามสี เรียกว่า การกระจายตัวของแสง

ในการทดลองปริซึม แสงแดด (ซึ่งก็คือแสงประกอบ) เข้าสู่กระจกจากอากาศ จากนั้นเข้าสู่อากาศจากกระจก ซึ่งหักเหสองครั้ง คุณต้องรู้ว่าทุกสิ่งมีประโยชน์ เมื่อเกิดการหักเห แสงจะเลือกเส้นทางที่สั้นที่สุดและเคลื่อนไปข้างหน้าโดยธรรมชาติในขณะที่ลดการสูญเสียพลังงาน จากการทดลองปริซึมของนิวตันข้างต้น เรารู้ว่าแสงคอมโพสิตประกอบด้วยแสงสีเดียวหลายๆ ดวง แสงเหล่านี้มีความยาวคลื่นต่างกัน และพลังงานของแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันก็แตกต่างกันมาก เป็นการยากที่จะปรับความคิดเห็นให้ตรงกัน และแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันก็มีความคิดเห็นที่แตกต่างกันในการเลือกเส้นทางหลังจากการหักเห ดังนั้นหลังจากออกมาจากปริซึมแล้ว พวกเขาก็ "แยกทางกัน"

แล้วเหตุใดแสงจึงกระเจิง? ปรากฎว่าสิ่งที่ทำให้เกิดการกระจายตัวนี้คือความยาวคลื่นของแสง แสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันมีดัชนีการหักเหของแสงในตัวกลางที่แตกต่างกันและมีความเร็ว (เส้นทาง) การแพร่กระจายที่แตกต่างกัน ซึ่งจะทำให้แสงแพร่กระจายและกระจายตัวอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้และเกิดการกระจายตัวขึ้น

ปรากฏการณ์การกระจายตัวของแสงแสดงให้เห็นว่าความเร็วของแสงที่แพร่กระจายในตัวกลางมีความสัมพันธ์ที่ดีกับดัชนีการหักเหของแสง ยิ่งดัชนีการหักเหของแสงมาก ความเร็วแสงก็จะยิ่งน้อยลง ดูสูตรต่อไปนี้:

V=C/N

C คือ ความเร็วการแพร่กระจายของแสงในสุญญากาศ

คงที่ 300,000 กม./วินาที

N คือดัชนีการหักเหของตัวกลางถึงแสง

2. ผลของการกระจายตัว

แม้ว่าการกระจายตัวสามารถช่วยให้เราเข้าสู่โลกที่เต็มไปด้วยสีสันได้ แต่ในด้านการสื่อสาร การกระจายตัวไม่ได้สวยงามขนาดนั้นจริงๆ

ในระหว่างการส่งสัญญาณแสงในเส้นใยนำแสง การกระจายตัวเป็นปัจจัยสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้เกิดการสูญเสีย

เนื่องจากดัชนีการหักเหของแสงทำให้เกิดการกระจายตัว ซึ่งทำให้เกิดการรบกวนระหว่างโค้ดในพัลส์แสง ส่งผลให้ปลายเอาต์พุตกว้างขึ้น

การยืดคืออะไร?

การขยายความกว้างหมายความว่าแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันเดินทางด้วยความเร็วที่ต่างกันในตัวกลางเนื่องจากดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกัน ส่งผลให้ความกว้างสเปกตรัมเพิ่มขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อลำแสงถูกส่งผ่านในตัวกลาง คลื่นแสงบางส่วนจะมีดัชนีการหักเหของแสงขนาดใหญ่และเบี่ยงเบนไปจากรันเวย์อย่างรุนแรง

คลื่นแสงบางชนิดมีดัชนีการหักเหของแสงเล็กน้อย และถึงแม้จะโค้งงอ แต่ก็ยังสามารถเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้าได้

ความไม่สอดคล้องกันของคลื่นแสงทำให้ความกว้างของลำแสงนี้มีขนาดใหญ่กว่าก่อนเข้าสู่ตัวกลาง ทำให้เกิดความกว้างขึ้น

ในกรณีของการกระจายตัว ยิ่งระยะการส่งสัญญาณแสงนานขึ้น การขยายสัญญาณก็จะยิ่งรุนแรงมากขึ้นเท่านั้น ผลลัพธ์ที่ได้คือการบิดเบือนสัญญาณและการเสื่อมสภาพของอัตราความผิดพลาดของบิต ซึ่งส่งผลกระทบร้ายแรงต่อคุณภาพของการส่งข้อมูล

จะหลีกเลี่ยงผลกระทบของการกระจายตัวต่อการสื่อสารได้อย่างไร?

3. จะหลีกเลี่ยงอิทธิพลของการกระจายตัวได้อย่างไร?

หลังจากการสำรวจและวิจัยมาเป็นเวลานาน ผู้คนได้ค้นพบวิธีใช้การชดเชยเพื่อสร้างสมดุลให้กับการสูญเสียการกระจายตัว ในบรรดาวิธีการชดเชยต่างๆ เทคโนโลยีไฟเบอร์การชดเชยการกระจายเป็นวิธีการชดเชยการกระจายที่ได้รับการยอมรับอย่างสูง

หนึ่งในวิธีการชดเชยการกระจาย: ไฟเบอร์ชดเชยการกระจาย DCF

ในระบบใยแก้วนำแสงโหมดเดี่ยวธรรมดา ความยาวคลื่นในการทำงานของใยแก้วนำแสงมีการกระจายตัวเชิงบวกสูงที่ 1550 นาโนเมตร

ลักษณะของการกระจายตัวเชิงบวก: เมื่อความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น ดัชนีการหักเหของแสงจะค่อยๆ ลดลง

ตามแนวคิดของการชดเชย จำเป็นต้องเพิ่มการกระจายตัวเป็นลบให้กับเส้นใยนำแสงเหล่านี้เพื่อการชดเชยการกระจายตัวเพื่อให้แน่ใจว่าการกระจายตัวรวมของเส้นใยแก้วนำแสงทั้งหมดจะอยู่ที่ประมาณศูนย์ ไฟเบอร์ชดเชยการกระจายตัว (DCF) เป็นไฟเบอร์โหมดเดี่ยวชนิดใหม่ที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรเป็นหลัก มีการกระจายตัวเป็นลบสูงที่ 1550 นาโนเมตร (ลักษณะของการกระจายตัวเชิงลบและการกระจายตัวเชิงบวกอยู่ตรงข้าม) และสามารถใช้ในสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกโหมดเดี่ยวธรรมดา การชดเชยการกระจายจะดำเนินการในระบบไฟเบอร์ออปติก ดังแสดงในรูปด้านล่าง ผลรวมของการกระจายตัวเชิงบวกและเชิงลบที่ได้รับการชดเชยจะเข้าใกล้ศูนย์ที่ 1550 นาโนเมตร

ต่อไปนี้เป็นสูตรสำหรับไฟเบอร์ชดเชยการกระจายที่ใช้กับไฟเบอร์โหมดเดี่ยว

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

D( แลมบ์ส) คือค่าสัมประสิทธิ์การกระจายตัวของไฟเบอร์โหมดเดี่ยวที่ความยาวคลื่นปฏิบัติการ แลมบ์ส

Dc( λ s) คือค่าสัมประสิทธิ์การกระจายตัวของ DCF ที่ความยาวคลื่นปฏิบัติการ λ s

L และ LC คือความยาวของไฟเบอร์โหมดเดี่ยวทั่วไปและ D CF ตามลำดับ

ในการใช้งานจริง DCF และไฟเบอร์โหมดเดี่ยวถูกนำมาใช้เป็นอนุกรมในสายส่งเพื่อชดเชยการกระจายตัวเชิงบวกของไฟเบอร์โหมดเดี่ยวที่ความยาวคลื่นแสง 1550 นาโนเมตร เพื่อขยายระยะรีเลย์และลดการสูญเสีย เพื่อให้ตระหนักถึงความถี่สูง ความเร็ว ความจุขนาดใหญ่ และการสื่อสารทางไกล ดังที่แสดงด้านล่าง:

จากการชดเชยการกระจายตัว DCF มีข้อดีดังต่อไปนี้:

ผลการชดเชยนั้นน่าทึ่งและระบบทำงานได้อย่างเสถียร

การดำเนินการนั้นง่ายดายและสามารถเชื่อมต่อไฟเบอร์ชดเชยเข้ากับระบบส่งกำลังโดยตรงเพื่อรับการชดเชย

จำนวนการชดเชยการกระจายสามารถควบคุมได้ตามต้องการ และสามารถปรับได้ตามต้องการตามจำนวนการชดเชยจริงที่ระบบส่งกำลังกำหนด

สังเกต:

เมื่อสัญญาณแสงเดินทางไกลออกไปบนสายส่ง การสูญเสียอื่นๆ จะเกิดขึ้น เช่น การลดทอนของสาย เพื่อหลีกเลี่ยงการลดทอนของสาย จำเป็นต้องพิจารณาใช้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่เจือด้วย EDFA (Erbium-Doped Fiber)