8 Kompenzátory disperzie pre optovláknové trasy
8.1 Disperzia v optických vláknach

Disperzia spôsobuje rozšírenie optických impulzov (alebo kompresiu optických impulzov v prípade záporného koeficienta disperzie) v časovej oblasti. Môže spôsobiť medzisymbolovú interferenciu. Uvažujme, že dva susedné impulzy prenášajú logickú jednotku a medzera medzi nimi vyjadruje logickú nulu. V prípade, keď sa susedné logické jednotky začnú čiastočne prekrývať, dekódovač nebude schopný prijať logický symbol “0”, ktorý bol prenášaný medzi nimi.

Jednotkou disperzie je [ps/nm] (pikosekunda na nanometer), ale vo vláknovej optike, kde je dĺžka vlákna kľúčovým parametrom, je disperzia vztiahnutá k jednotke dĺžky [ps/nm/km]. Disperzia, ktorá sa rovná 1 ps/nm/km znamená, že vo vzdialenosti 1 km od referenčného bodu (alebo od začiatku trasy) bude namerané oneskorenie 1 ps medzi najnižšou a najvyššou frekvenčnou zložkou optického impulzu, ktorého šírka je 1nm.

## Chromatická disperzia

Chromatická disperzia sa skladá z dvoch zložiek: materiálovej disperzie a vlnovodovej disperzie.

Materiálová disperzia (DMat) vzniká z dôvodu nenulovej šírky pásma žiarenia laserového zdroja. Vyžarované spektrum vlnových dĺžok nie je nekonečne úzke. V praxi neexistuje „ideálne monochromatické“ svetlo, ktoré by obsahovalo jednu, „nekonečne úzku frekvenciu“. Laserové žiarenie vždy obsahuje určité, konečné množstvo frekvencií. Každú frekvenciu je možné charakterizovať určitou fázovou konštantou šírenia – môžeme uvažovať rôzne hodnoty indexu lomu pre rôzne „farby“. Každá frekvencia (presnejšie informácia na danej frekvencii) sa šíri inou fázovou rýchlosťou a na koniec vlákna dorazia v inom časovom okamihu.

- Materiálová disperzia je vlastnosťou jednovidových aj mnohovidových vlákien.
- Materiálová disperzia môže mať kladné aj záporné hodnoty.

Vlnovodová disperzia WD (waveguide dispersion) je spôsobená zmenou rozloženia poľa optického vidu na určitej vzdialenosti. Táto zmena je spôsobená zmenami geometrie vlákna, ktoré ovplyvňujú skupinovú rýchlosť šírenia elektromagnetickej vlny ako funkcie vlnovej dĺžky (takzvaná zmena „obálky“ impulzu). Vlnovodová disperzia je výhodný nástroj na dosiahnutie optimálnej disperzie vlákna. Optimalizáciu disperzie je možné realizovať vhodným návrhom geometrie vlákna, ktorá ovplyvňuje vlnovodovú disperziu a teda ovplyvňuje celkovú disperziu vlákna.

- Vlnovodová disperzia je vždy záporná a preto sa môže použiť na potlačenie kladnej materiálovej disperzie vhodnou voľbou usporiadania geometrie vlákna, od ktorej vlnovodová disperzia závisí.

Riešenie: použitie vlákna kompenzujúceho disperziu DCF (Dispersion Compensating Fibres) alebo špeciálnych optovláknových mriežok.

## Vidová disperzia

V prípade vidovej disperzie MD (modal dispersion) sa každý vid optického žiarenia šíri inou trajektóriou. Najkratšia dráha je pozdĺž osi symetrie vlákna. Najdlhšia optická dráha sa týka vidu, ktorý zaznamenáva veľké množstvo odrazov na rozhraní jadra a plášťa vlákna. S narastajúcim uhlom naviazania žiarenia do vlákna (väčšia numerická apertúra NA) rastie počet odrazov behom šírenia sa vidu a optická dráha je dlhšia. Jednotlivé lúče (vidy) dorazia na koniec vlákna v rozličných časových okamihoch. Nakoľko sú detekované ako superpozícia, výsledkom je rozšírený prúdový impulz na výstupe fotodetektora.

- Vidová disperzia je merateľná len u mnohovidových vláken. U jednovidových vlákien sa šíri len jeden vid, ak sa vlákno používa na vlnových dĺžkach pre ktoré je určené. Vidová disperzia predstavuje hodnoty až niekoľko ns/nm/km.

Vidová disperzia NIE JE spôsobená rôznou rýchlosťou jednotlivých zložiek (lúčov, vidov) – analyticky sa predpokladá, že všetky zložky sa šíria rovnakou fázovou a skupinovou rýchlosťou (odlišná rýchlosť sa predpokladá v prípade chromatickej disperzie). Vidová disperzia preto nie je funkciou vlnovej dĺžky.

### Mnohovidové vlákna s gradientnou zmenou indexu lomu

Riešene: spomaliť vidy šíriace sa najkratšou optickou dráhou, zrýchliť vidy šíriace sa najdlhšou optickou dráhou.

U mnohovidových vlákien s gradientnou zmenou indexu lomu MM-GI (Multi-mode Graded Index) index lomu jadra nie je konštantný. Postupne klesá so vzdialenosťou od stredu jadra. Opticky najhustejší materiál sa nachádza v strede jadra vlákna, vrstvy okolo neho predstavujú čím ďalej nižšiu hustotu. Čím väčšia je vzdialenosť od stredu jadra, tým je hodnota indexu lomu nižšia. Nastáva refrakcia na styku vrstiev a odraz žiarenia na rozhraní plášťa a vonkajšej vrstvy jadra. Vid, ktorý sa šíri pozdĺž osi symetrie vlákna prechádza najkratšou optickou dráhou, ale jeho rýchlosť je najnižšia z dôvodu vysokého indexu lomu v strede jadra. Naopak vidy, ktoré sa šíria dlhšími dráhami sa postupne dostávajú do „rýchlejšieho“ materiálu s menším indexom lomu.

Vidová disperzia u mnohovidových vlákien s gradientnou zmenou indexu lomu.