8 Kompenzátory disperze pro optovláknové trasy
8.1 Disperze v optických vláknech

Disperze způsobuje rozšíření optických pulzů (nebo kompresi optických pulzů v případě záporného koeficientu disperze) v časové doméně. Může vést k mezisymbolové interferenci. Uvažujme, že dva sousední pulzy přenáší logickou jedničku a mezera mezi nimi vyjadřuje logickou nulu; v případě, že se sousední logické jedničky začnou částečně překrývat, nebude dekodér schopen přijmout logický symbol „0”, který byl mezi nimi přenášen.

Jednotkou disperze je [ps/nm] (pikosekunda na nanometr), ale ve vláknové optice, kde je délka vlákna klíčovým parametrem, je disperze vztažena k jednotce délky [ps/nm/km]. Disperze, která se rovná 1 ps/nm/km, znamená, že na vzdálenosti 1 km od referenčního bodu (nebo od začátku trasy) lze změřit zpoždění 1 ps nejpomalejší frekvenci vzhledem k přenosu na nejrychlejší frekvenci, za předpokladu, že optický zdroj vyzařuje záření o šířce 1nm.

## Chromatická disperze

Chromatická disperze se skládá ze dvou složek: materiálová disperze a vlnovodná disperze.

Materiálová disperze (DMat) vzniká z důvodu nenulové šířky pásma záření laserového zdroje. Vyzařované spektrum vlnových délek není nekonečně úzké, v praxi neexistuje „ideálně monochromatické“ světlo, které by obsahovalo jednu „nekonečně úzkou frekvenci“. Laserové záření vždy obsahuje určité konečné množství frekvencí. Každou frekvenci lze charakterizovat určitou fázovou konstantou šíření – lze uvažovat jiné hodnoty indexu lomu pro různé „barvy“. Každá frekvence (přesněji informace na dané frekvenci) se šíří s jinou fázovou rychlostí a na konec vlákna dorazí v jiném časovém okamžiku.

- Materiálová disperze je přítomná u jednovidových a u mnohovidových vláken.
- Materiálová disperze může představovat jak kladné tak také záporné hodnoty.

Vlnovodná disperze, angl. waveguide dispersion (WD) je způsobena změnou rozložení pole optického vidu na určité vzdálenosti. Tato změna je způsobena změnou geometrie vlákna, která ovlivňuje skupinovou rychlost šíření elektromagnetické vlny jako funkci vlnové délky (takzvaná změna „obálky“ pulzu). Vlnovodná disperze je výhodný nástroj dosažení optimální disperze vlákna, optimalizaci disperze lze provádět vhodným návrhem geometrie vlákna, která ovlivňuje vlnovodnou disperzi. Vlnovodná disperze může ve výsledku změnit celkovou disperzi vlákna.

- Vlnovodná disperze je vždy záporná, a proto ji lze použít pro potlačení kladné materiálové disperze vhodnou volbou uspořádání geometrie vlákna, na které vlnovodná disperze závisí.

Řešení: použití disperzi kompenzujícího vlákna, angl. Dispersion Compensating Fibres (DCF), nebo speciálních optovláknových mřížek.

## Vidová disperze

V případě vidové disperze – angl. modal dispersion (MD) se každý vid optického záření šíří jinou trajektorií. Nejkratší dráha je podél osy symetrie vlákna, nejdelší optická dráha se týká vidu, který zaznamenává velké množství odrazů na rozhraní jádra a pláště vlákna. S narůstajícím úhlem navázání záření do vlákna (větší numerická apertura NA) roste počet odrazů během šíření vidu a optická dráha je delší. Jednotlivé vidy dorazí na konec vlákna v jiném časovém okamžiku a jelikož jsou detekovány jako superpozice (součet) všech složek, jeví se detektorem přijímaný optický pulz jako delší.

- Vidová disperze je měřitelná pouze u mnohovidových vláken (u jednovidových vláken se šíří jen jeden vid, pokud se vlákno používá na vlnových délkách, pro které je určené). Vidová disperze představuje hodnoty až několik ns/nm/km.

Vidová disperze NENÍ způsobená různou rychlostí jednotlivých složek (vidy, paprsky) – analyticky se předpokládá, že všechny složky se šíří fázově a skupinově stejně rychle (odlišná rychlost se předpokládá v případě chromatické disperze). Vidová disperze proto není funkcí vlnové délky.

### Mnohovidová vlákna s gradientní změnou indexu lomu

Řešení: zpomalit vidy šířící se nejkratší optickou drahou, urychlit vidy šířící se nejdelší optickou drahou.

U mnohovidových vláken s gradientní změnou indexu lomu, Multi-mode Graded Index (MM-GI), není index lomu jádra konstantní; postupně klesá gradientem se vzdáleností od středu jádra. Opticky nejhustší materiál se nachází ve středu jádra vlákna, vrstvy kolem něj představují čím dál nižší hustotu. Čím větší je vzdálenost od středu jádra, tím je nižší hodnota indexu lomu. Nastává refrakce (zalomení) na mnoha vrstvách a odraz záření na rozhraní pláště a vnější vrstvy jádra. Vid, který se šíří podél osy symetrie vlákna, prochází nejkratší optickou drahou, ale jeho rychlost je nejpomalejší z důvodu vysokého indexu lomu ve středu jádra. Naopak vidy, které se šíří delšími trajektoriemi, jsou urychlovány, protože v blízkosti míst četných odrazů je index lomu nižší.

Vidová disperze u mnohovidových vláken s gradientní změnou indexu lomu.