光的色散是如何产生的

三百多年前的欧洲，在一个充满阳光的午后，牛顿布下了这样一个局。

让阳光投射到三棱镜上，穿透棱镜后，光线散开成了由红橙黄绿青蓝紫组成的彩带，投射到屋中的一个幕布上。就这样，看似透明的太阳光在三棱镜的加持下变幻出不可思议的色带。

 

这之后，牛顿又将幕布的中间打开一条垂直的裂缝，在幕布的后面布置了第二个三棱镜和第二块幕布。

只见他转动第一个三棱镜，将红橙黄绿青蓝紫七条彩带依次投射到第一个幕布的裂缝上，再经过第二个三棱镜投射到第二块幕布上。奇迹诞生了，只见第二块幕布上依次呈现的竟然是单一颜色的光。示意图如下所示：

至此，太阳光被分离成了多种单一颜色呈现在第二块幕布上，牛爵爷利用三棱镜参破了天机：光是可以分散的!太阳光仿佛被封印了一般，平凡的的外表下有一颗色彩丰富的内核。这，就是我们现在常说的光的色散。

1色散是如何产生的?

三棱镜实验中，太阳光(也就是复合光)从空气进入玻璃中，再由玻璃进入空气，发生了两次折射。要知道，万物皆有趋利性，折射发生时，光也会自然而然的选择最短的路径，在尽量减少能量损耗的情况下前进。从上面牛顿的三棱镜实验中，我们知道复合光本质上是由很多不同颜色的单一光组成的，这些光具备不同的波长，不同波长的光的能量大小是有悬殊的。众口难调，不同波长的光对折射后如何选路产生了分歧，于是，出三棱镜后就“分道扬镳”了。

所以，光为什么会分散?原来，造成这种分散的就是光的波长，不同波长的光在介质里的折射率不同，传播速度(路径)也不同，必然会造成光(们)的分散传播，色散就形成了。

光的色散现象说明光在介质中的传播的速度与折射率有很大的关系，折射率越大光速越小，见下面的公式：

2色散的影响

尽管色散能帮助我们走入一个五颜六色的彩色世界，但在通信领域中，色散就真的没有那么美丽了。

光信号在光纤中传输的过程中，色散是导致损耗的重要因素之一。

这是由于，光的折射率引起了色散，色散导致了光脉冲产生码间干扰，从而在输出端产生展宽。

什么是展宽呢?

展宽就是不同波长的光在介质中因为折射率不同导致传播速度不同，从而产生的光谱宽度增加。换言之，就是一束光在介质中传送时，有些光波折射率大，严重偏离跑道。

有些光波折射率小，虽然歪歪扭扭，但也能按照既定方向前进。

光波们的不和谐现象导致了这一束光的宽度比进入介质之前大了，形成了展宽。

有色散的情况下，光信号传输的距离越远，展宽越严重，后果就是信号失真，误码率性能恶化，严重影响信息的传送质量。

针对色散给通信造成的影响，如何规避呢?

3如何规避色散的影响?

电影狮子王中有句话说的好：世界上所有的生命都在微妙的平衡中生存。

经过长时间的探索和研究，人们找到了用补偿的办法去平衡色散的损耗。在多种补偿方法中，色散补偿光纤技术是一种认可度比较高的色散补偿方法。

在普通的单模光纤系统中，光纤的工作波长在1550nm具有较高的正色散。

正色散的特质：随着波长的增大，折射率逐步减小。

按照补偿的思路，需要在这些光纤中增加负色散进行色散补偿，保证整条光纤线路的总色散近似为零。而色散补偿光纤(DCF)是一种主要针对1550nm波长而设计的新型单模光纤，在1550nm处具有较高的负色散(负色散与正色散的特质相反)，可以用于在普通的单模光纤系统中进行色散补偿，如下图所示，在1550nm处经过补偿的正负色散之和趋近于零。

下图为色散补偿光纤应用在单模光纤上的公式。

实际应用中，传输线路采用DCF和单模光纤串联的方式，补偿单模光纤在1550nm光波长的正色散，达到延长中继距离，减少损耗的目的，从而实现高速度、大容量、长距离的通信。如下图所示：

DCF作为色散补偿，具有以下优点：

补偿效果显著，系统工作稳定。

操作简便，补偿光纤直接接入传输系统即可实现补偿。

色散补偿量按需可控，根据传输系统实际需要的补偿量进行按需调整

友情提示：光信号在传输线路上跑的距离远了，还会产生其他损耗，例如：线路衰减。为了规避线路衰减，就要考虑使用EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)掺饵光纤放大器了。

好了，有关色散的故事就讲到这里了，大家还想听更多有趣的科学故事吗?欢迎在评论留言哦~

原文标题：色散这么好看，为什么光纤却不喜欢?

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审核编辑：汤梓红