Tán sắc đẹp như vậy, tại sao sợi quang lại không thích?
Sep 04, 2023
Hơn ba trăm năm trước ở châu Âu, vào một buổi chiều đầy nắng, Newton đã vạch ra một kế hoạch như vậy.
Hãy để ánh sáng mặt trời chiếu vào lăng kính. Sau khi xuyên qua lăng kính, ánh sáng lan tỏa thành những dải ruy băng đầy màu sắc gồm đỏ, cam, vàng, lục, lam và tím rồi chiếu lên một tấm rèm trong phòng. Bằng cách này, ánh sáng mặt trời tưởng như trong suốt sẽ chuyển thành những dải màu đáng kinh ngạc với sự trợ giúp của lăng kính.
Sau đó, Newton mở một vết nứt dọc ở giữa tấm rèm, đồng thời bố trí lăng kính thứ hai và tấm màn thứ hai phía sau tấm rèm.
Tôi thấy anh ta xoay lăng kính thứ nhất và chiếu bảy dải ruy băng đầy màu sắc đỏ, cam, vàng, lục, lam và tím lên các vết nứt trên tấm màn thứ nhất, rồi qua lăng kính thứ hai lên tấm màn thứ hai. Một điều kỳ diệu đã xảy ra. Thứ xuất hiện trên tấm màn thứ hai là một màu ánh sáng duy nhất. Sơ đồ nguyên lý như sau:
Lúc này, ánh sáng mặt trời được tách thành nhiều màu đơn lẻ và chiếu lên tấm màn thứ hai. Chúa Ngưu dùng lăng kính để phá bí mật: ánh sáng có thể bị phân tán! Ánh sáng mặt trời dường như bị phong ấn, và có một lõi đầy màu sắc dưới vẻ ngoài bình thường. Đây là những gì chúng ta thường gọi là sự tán sắc ánh sáng.
1. Sự phân tán được tạo ra như thế nào?
Hiện tượng ánh sáng tổng hợp bị phân hủy thành ba màu gọi là sự tán sắc ánh sáng.
Trong thí nghiệm lăng kính, ánh sáng mặt trời (tức là ánh sáng tổng hợp) đi vào thủy tinh từ không khí, sau đó đi vào không khí từ thủy tinh, nơi nó bị khúc xạ hai lần. Bạn phải biết rằng mọi thứ đều có lợi. Khi hiện tượng khúc xạ xảy ra, ánh sáng sẽ tự nhiên chọn đường đi ngắn nhất và di chuyển về phía trước đồng thời giảm thiểu tổn thất năng lượng. Từ thí nghiệm lăng kính của Newton ở trên, chúng ta biết rằng ánh sáng tổng hợp về cơ bản bao gồm nhiều ánh sáng đơn lẻ có màu sắc khác nhau. Những ánh sáng này có bước sóng khác nhau và năng lượng của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng rất khác nhau. Rất khó để dung hòa các quan điểm, và ánh sáng có bước sóng khác nhau có quan điểm khác nhau về cách chọn đường đi sau khúc xạ. Vì vậy, sau khi bước ra khỏi lăng kính, họ đã “chia tay nhau”.
Vậy tại sao ánh sáng lại bị tán xạ? Hóa ra nguyên nhân gây ra sự phân tán này là bước sóng ánh sáng. Ánh sáng có bước sóng khác nhau có chiết suất khác nhau trong môi trường và tốc độ truyền (đường đi) khác nhau, điều này chắc chắn sẽ khiến (các) ánh sáng bị lan truyền và lan rộng, hình thành sự phân tán.
Hiện tượng tán sắc ánh sáng chứng tỏ tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường có mối quan hệ rất lớn với chiết suất. Chiết suất càng lớn thì tốc độ ánh sáng càng nhỏ. Xem công thức sau:
V=C/N
C là tốc độ truyền ánh sáng trong chân không,
hằng số 300,000 km/s
N là chiết suất của môi trường đối với ánh sáng
2. Tác dụng phân tán
Mặc dù sự phân tán có thể giúp chúng ta bước vào một thế giới đầy màu sắc nhưng trong lĩnh vực truyền thông, sự phân tán thực sự không đẹp đẽ như vậy.
Trong quá trình truyền tín hiệu quang trong sợi quang, độ tán sắc là một trong những yếu tố quan trọng gây ra tổn thất.
Điều này là do chiết suất của ánh sáng gây ra sự phân tán, gây ra nhiễu giữa các mã trong xung ánh sáng, do đó mở rộng đầu ra.
Kéo giãn là gì?
Mở rộng có nghĩa là ánh sáng có bước sóng khác nhau truyền đi với tốc độ khác nhau trong môi trường do chiết suất khác nhau, dẫn đến độ rộng phổ tăng lên. Nói cách khác, khi một chùm ánh sáng truyền trong môi trường, một số sóng ánh sáng có chiết suất lớn và lệch nghiêm trọng so với đường băng.
Một số sóng ánh sáng có chiết suất nhỏ và mặc dù bị cong nhưng chúng vẫn có thể truyền theo một hướng xác định trước.
Sự bất hòa của sóng ánh sáng làm cho độ rộng của chùm ánh sáng này lớn hơn trước khi đi vào môi trường, tạo thành sự mở rộng.
Trong trường hợp tán sắc, khoảng cách truyền tín hiệu quang càng dài thì mức độ mở rộng sẽ càng nghiêm trọng. Kết quả là tín hiệu bị méo và hiệu suất tốc độ lỗi bit giảm, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng truyền thông tin.
Làm thế nào để tránh ảnh hưởng của sự phân tán đến truyền thông?
3. Làm thế nào để tránh ảnh hưởng của sự phân tán?
Sau một thời gian dài tìm hiểu và nghiên cứu, người ta đã tìm ra cách sử dụng phép bù để cân bằng tổn thất phân tán. Trong số các phương pháp bù tán sắc khác nhau, công nghệ sợi bù tán sắc là phương pháp bù tán sắc được đánh giá cao.
Một trong những phương pháp bù tán sắc: sợi bù tán sắc DCF
Trong các hệ thống cáp quang đơn mode thông thường, bước sóng hoạt động của sợi quang có độ phân tán dương cao ở 1550nm.
Đặc điểm của tán sắc dương: Khi bước sóng tăng thì chiết suất giảm dần.
Theo ý tưởng bù tán sắc, độ phân tán âm cần được thêm vào các sợi quang này để bù tán sắc nhằm đảm bảo rằng độ phân tán tổng của toàn bộ đường cáp quang xấp xỉ bằng 0. Sợi bù tán sắc (DCF) là một loại sợi đơn mode mới được thiết kế chủ yếu cho bước sóng 1550nm. Nó có độ phân tán âm cao ở 1550nm (đặc điểm phân tán âm và phân tán dương ngược nhau) và có thể được sử dụng trong cáp quang đơn mode thông thường. Việc bù tán sắc được thực hiện trong hệ thống cáp quang. Như thể hiện trong hình bên dưới, tổng độ phân tán dương và âm được bù gần bằng 0 ở 1550nm.
Sau đây là công thức của sợi bù tán sắc áp dụng cho sợi đơn mode.
D(As)L+Dc(As)Lc=0
D( λ s) là hệ số tán sắc của sợi đơn mode ở bước sóng hoạt động λ s
Dc( λ s) là hệ số tán sắc của DCF ở bước sóng hoạt động λ s
L và LC lần lượt là độ dài của sợi đơn mode thông thường và D CF.
Trong các ứng dụng thực tế, DCF và sợi đơn mode được sử dụng nối tiếp trong đường truyền để bù lại sự phân tán dương của sợi quang đơn mode ở bước sóng quang 1550nm, nhằm mở rộng khoảng cách rơle và giảm tổn thất, để đạt được hiệu suất cao tốc độ, dung lượng lớn và liên lạc đường dài. Như được hiển thị bên dưới:
Khi bù tán sắc, DCF có những ưu điểm sau:
Hiệu quả bù đắp là đáng chú ý và hệ thống hoạt động ổn định.
Hoạt động đơn giản và sợi bù có thể được kết nối trực tiếp với hệ thống truyền dẫn để thực hiện bù.
Lượng bù tán sắc có thể được kiểm soát khi cần thiết và có thể được điều chỉnh khi cần theo lượng bù thực tế mà hệ thống truyền tải yêu cầu.
Để ý:
Khi tín hiệu quang truyền đi xa hơn trên đường truyền, các tổn thất khác sẽ xảy ra, chẳng hạn như suy hao đường truyền. Để tránh suy giảm đường truyền, cần cân nhắc sử dụng bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium EDFA (Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium).
