Cos'è la dispersione delle fibre? Come compensare la dispersione?

La dispersione della fibra mostra lo stato di propagazione del segnale di ingresso nella fibra. Si riferisce alla distorsione del segnale causata dalla propagazione di diverse componenti di frequenza o diverse componenti di modalità del segnale ottico a diverse velocità. Comprende principalmente tre casi: dispersione intermodale, dispersione di crominanza e dispersione della modalità di polarizzazione.

La dispersione intermodale è un meccanismo di distorsione del segnale che si verifica nelle fibre multimodali e in altre guide d'onda. In una fibra multimodale, i raggi di luce che entrano nella fibra a diversi angoli di incidenza sono definiti come un percorso o un modello. Poiché il percorso di trasmissione di ciascuna modalità è diverso, la sua anche la velocità di trasmissione (cioè la velocità di gruppo) è diversa, quindi c'è una differenza di tempo tra le modalità di trasmissione del segnale per raggiungere il terminale della fibra ottica. In generale, parte della luce passa direttamente attraverso il nucleo (in modalità assiale), mentre altre rimbalzano indietro e avanti tra i confini del rivestimento/nucleo e il viaggio a zig-zag lungo la guida d'onda, come mostrato nella fibra multimodale step-index sottostante. Il fatto è che non appena la luce viene rifratta, si verifica la dispersione intermodale/modale. Tra questi, la dispersione intermodale è positivamente correlata con il percorso di trasmissione, cioè la dispersione intermodale causata dalla modalità di ordine elevato (il raggio entra con un angolo maggiore per una distanza maggiore) è maggiore di quella causata dalla modalità bassa -modalità ordine (il raggio entra con un angolo minore per una distanza minore).

La fibra multimodale può ospitare fino a 17 modalità di propagazione dei raggi contemporaneamente e la sua dispersione intermodale è molto più elevata di quella della fibra monomodale. Questo perché le fibre monomodali hanno una singola modalità di propagazione, ovvero la luce viaggia lungo il nucleo (assiale modalità) senza riflettere il confine del rivestimento, quindi non si verifica alcuna dispersione intermodale. Tuttavia, se viene utilizzata una fibra multimodale con indice graduato, la situazione è diversa. Sebbene la luce si propaghi anche in modalità diverse, a causa dell'indice di rifrazione irregolare del nucleo della fibra, il percorso dei raggi luminosi non è una linea retta ma una curva, e cambia anche la velocità di propagazione dei raggi luminosi. Pertanto, la dispersione intermodale può essere notevolmente ridotta selezionando la distribuzione dell'indice di rifrazione appropriata.

La dispersione del materiale è causata dalla dipendenza dell'indice di rifrazione dalla lunghezza d'onda del materiale del nucleo, mentre la dispersione della guida d'onda è causata dalla dipendenza della costante di propagazione del modo dai parametri della fibra (raggio del nucleo, la differenza di indice di rifrazione tra il nucleo e il rivestimento) e la lunghezza d'onda del segnale. A determinate frequenze, la dispersione del materiale e la dispersione della guida d'onda possono annullarsi a vicenda, in modo da ottenere una lunghezza d'onda che si avvicina a 0 dispersione della crominanza. Infatti, la dispersione della crominanza non è sempre dannosa. La luce viaggia a diverse velocità in diverse lunghezze d'onda o materiali, provocando l'allargamento o la compressione degli impulsi luminosi nella fibra, il che rende possibile personalizzare i profili dell'indice di rifrazione per produrre fibre per scopi diversi. La fibra ottica G.652 ne è un esempio.

La dispersione della modalità di polarizzazione (PMD) riflette la dipendenza dalla polarizzazione delle caratteristiche di propagazione delle onde luminose nelle fibre ottiche. Nelle fibre ottiche effettive, esistono due modalità di polarizzazione che sono perpendicolari l'una all'altra. Idealmente, le due modalità di polarizzazione dovrebbero avere le stesse caratteristiche di propagazione dell'onda, ma in generale esistono sottili differenze tra le diverse modalità di polarizzazione. Ciò è dovuto al cambiamento o al disturbo di temperatura, pressione e altri fattori nel processo di propagazione, con conseguenti differenze velocità di trasmissione delle due modalità di polarizzazione, con conseguente ritardo temporale e dispersione della modalità di polarizzazione.