5.1 Disperze optických tras
Disperze způsobuje roztažení modulační obálky (ovlivňuje skupinovou rychlost) signálu v časové doméně. Vede k mezisimbolové interferenci ISI (Inter Symbol Interference), kdy dochází k překrývání pulzů. V případě překrytí pulzů interpretace úrovně signálu a odpovídajících tomu logických hodnot je zatížená chybou.
Jednotkou disperze je [ps/nm] (pikosekunda na nanometr), u vláknové optiky je tato jednotka vztažená k délce vlákna, jednotkou je tedy [ps/nm/km].
1 ps/nm/km udává, že zpoždění dvou krajních komponent optického pulzu o spektrální šířce 1 nm je 1 ps, pokud je měřená na vzdáleností 1 km od místa, kde zpoždění bylo nulové (např. na počátku trasy). Velikost koeficientu disperze je dána výrobou vlákna a je prakticky nezávislá na montáži trasy a vlivech okolního prostředí.
Zpoždění může být následkem několika nežádoucích jevů:
-
Materiálová a vlnovodná disperze přispívá k celkové chromatické disperzi, která vyjadřuje závislost rychlostí vlny na vlnové délce a je způsobená různou rychlosti jednotlivých komponent, které pramení u vlastnosti materiálu (materiálová disperze) nebo geometrie (vlnovodná)
-
Materiálová disperze – je způsobená různou rychlosti šíření se jednotlivých frekvenčních komponent obsažených v pulzu (vlnových délek) v dané látce dané rozdílnou hodnotou indexu lomu pro různé vlnové délky
-
Vlnovodná disperze – je způsobená změnou tvaru vidu po určité vzdálenosti a souvisí s geometrií vlnovodu, která způsobuje změny skupinové rychlosti šíření jako funkce vlnové délky, způsobená fluktuacemi indexu lomu, nehomogenitami ve struktuře jádra. Vlnovodná disperze ohrožuje základní vid a jednovidová vlákna. Představuje vždy záporné hodnoty koeficientu disperze.
-
Vidová disperze – způsobená různou délkou trajektorie komponent, například různou délkou optické dráhy vidů záření, za předpokladu stejné rychlosti těchto vidů. Nejkratší dráhu urazí osový paprsek, nejdelší – paprsek, který zaznamená nejvíce odrazů.
Gradientní vlákna se používají pro potlačení vidové disperze, u které se každý vid šiří jinou trajektorií, proto se rozdílná optická dráha kompenzuje změny rychlosti pomoci gradientního rozložení indexu lomu.
Chromatickou disperzi lze potlačovat použitím kompenzačních vláken – DCF (Dispersion Compensating Fiber).
5.2 Disperzi kompenzující vlákna
DCF (Dispersion Compensating Fiber) vlákno se vyznačují záporným koeficientem chromatické disperze v řadu několika stovek až několika tisíc ps/nm/km. Nízká disperze je obdržená optimalizací vlnovodné disperze u jednovidových vláken.
Stočené kompenzační vlákno je umístěno do standardního pouzdra (kazety), které je pasivním prvkem optické sítě.
Disperzí kompenzující moduly jsou běžně komerčně dostupné. Výhodou tohoto řešení je širokopásmová kompenzace disperze a pasivní řešení, které nevyžaduje napájení.
Nevýhodou DCF vláken je značný vložný útlum (v praxi se jedná o několik kilometrů vlákna stočeného v kazetě).
-
Další možnosti je použití vláken s Braggovskou mřížkou. Jedná se opět o pasivní řešení. Výhodou mřížky je přesná kompenzace disperze na konkrétní vlnové délce.
Nevýhodou je nutnost použití více mřížek pro více vlnových délek, jedna mřížka pracuje na jedné vlnové délce.
-
Výskytu vidové disperze lze předcházet použitím jednovidových vláken se skokovou změnou indexu lomu nebo mnohovidových vláken s gradientní změnou indexu lomu.
Mnohovidová gradientní vlákna jsou jednoduchým řešením pro eliminaci vidové disperze. Důvodem gradientních změn indexu lomu v jádře tohoto vlákna je vyrovnání doby šíření vidů optického záření.
Doba šíření vidů není stejná pro všechny vidy ve vlákně kvůli rozdílným trajektoriím (optickým drahám) různých vidů způsobených různým úhlem navázání paprsků do vlákna. Základní myšlenka spočívá v urychlení vidů, které se odrazí na rozhraní jádra a pláště mnohem častěji, vyznačují se delší trajektorií a největším zpožděním. Proto od středu jádra gradientně (postupně) klesá index lomu a roste rychlost šíření se vlny, paprsky, které se nachází většinu doby šíření dál od centra jádra a tak mají delší optickou dráhu, jsou urychleny.
5.3 Naše návrhy kompenzačních vláken
Naše pracovní skupina se zabývá mezi jinými modelováním kompenzačních vláken na bází takzvaných mikrostrukturních vláken – PCF (Photonic Crystal Fiber). Zde je přehled nejpokročilejších návrhů DCF vláken. Vlákna byla publikována v řadě odborných publikací, kde lze nalézt specifikace a detailní popis [6][7][8][9][10], a které zde nebudou rozepisovány z důvodu reprodukčního práva, které je na straně vydavatelů. Obecně lze říct, že požadovaný průběh disperze vlákna lze obdržet jako výsledek optimalizace materiálového složení (které zároveň silně ovlivňuje útlum) a geometrie vlákna. Optimalizované parametry jsou tyto:
Průměr jádra
Průměr mikrostruktur (děr)
Rozteč mikrostruktur (konstanta mříže)
Index lomu jádra (výsledek dopování germaniem s vysokým indexem)
Index lomu pláště (výsledek objemu vzduchu v křemíku)
Index lomu prstence kolem jádra (většinou fluoridové materiály s nízkým indexem)
Vlákno se strukturou koncentrických jader – modifikace prvního prstence mikrostruktur.
Průběh disperze – možnost potlačení značné disperze na určité vlnové délce.
Nedopované vlákno s nízkými ztrátami – disperze dosažena silným stlačením vidu v malém jádře.
Průběh disperze – možnost širokopásmové kompenzace disperze na několika vlnových délkách současně.
Dopované vlákno – GeO2 v jádře a fluoridy v prvním prstenci – velký kontrast indexu lomu a vytvoření struktury typu „W“.
Průběh disperze – možnost snížení, vyrovnání a přesného ladění disperze.