Dispersión

Idea clave. El índice de refracción depende de la longitud de onda, así que los colores de un pulso no llegan a la vez y el pulso se ensancha. El ensanchamiento crece con el coeficiente de dispersión, con la longitud y con la anchura espectral de la fuente: cuanto mayores los tres, peor.

Qué es la dispersión

Es la variación del índice de refracción con la λ (o con la frecuencia): $n(\lambda)$. No existe ningún material sin dispersión.

Un pulso nunca es de una sola λ: lleva un pequeño margen de frecuencias. Como cada una ve un índice distinto, no llegan en fase y el pulso llega ensanchado. Si el ensanchamiento es grande, los pulsos de bits vecinos se pisan.

Velocidad de fase y velocidad de grupo

• Velocidad de fase: la de una onda plana monocromática (la de un láser ideal). Puede ser mayor que c sin violar la relatividad, porque no se puede modular: no lleva información. Por sí sola no produce dispersión.
• Velocidad de grupo: la de la modulación, es decir, la de la envolvente de una superposición de ondas planas. Es la que lleva la información.

La dispersión afecta a la modulación, es decir, a la velocidad de grupo: si $v_g$ cambia con la λ ($\partial v_g / \partial \lambda \neq 0$), hay dispersión.

De qué depende el ensanchamiento

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• D, el coeficiente de dispersión de la fibra (ps/(nm·km)).
• L, la longitud de la fibra: cuanto más corta, mejor.
• Δλ, la anchura espectral de la fuente: cuanto menos monocromática, peor.

Cuanto mayores los tres, peor. Por eso interesa que la fuente sea casi monocromática: láseres monomodo.

Tipos de dispersión

• Material: depende del vidrio (SiO₂) y de los dopantes.
• De guía de onda: depende de la geometría del núcleo: la propia fibra cambia la forma de la señal.
• Cromática: la acumulación de todas, sobre todo material + guía de onda.
• De modo polarizado (PMD): muy baja.
• Modal: solo en fibras multimodo, porque cada modo sigue su camino (tema 1). La monomodo no la tiene.

Dispersión desplazada

En una fibra estándar, la banda de mínima dispersión está en 1310–1360 nm, y la de mínima atenuación, en 1550 nm. Cambiando el dopado y el índice del núcleo (es decir, la dispersión de guía de onda), el mínimo de dispersión se desplaza a 1550 nm: es la fibra de dispersión desplazada. Así se juntan lo mejor de las dos ventanas.

Incluso se puede conseguir D = 0, pero no interesa en sistemas multiplexados: con los canales en fase aparecen efectos peores, como la mezcla de cuatro ondas (tema 4). Por eso se usa fibra de dispersión desplazada no nula, que deja un poco de dispersión en 1550 nm.

Cómo compensarla

• Fibra compensadora de dispersión (FCD): tiene un núcleo más estrecho y compensa la dispersión acumulada. A cambio pierde mucha potencia, así que necesita un amplificador. Es como el diafragma de una cámara: cierra para enfocar mejor, pero entra menos luz.
• Redes de Bragg: variando el índice de refracción de forma periódica, se comportan como un filtro que reduce la anchura de los pulsos por difracción (tema de dispositivos pasivos).
• Regeneración optoelectrónica: pasar a electrónica, rehacer el pulso, transmitirlo e inyectarlo otra vez en la fibra. Funciona, pero los regeneradores son muy lentos.

Se conecta con

• 01Estructura de la fibra y propagaciónEn multimodo cada modo sigue su camino y el pulso se ensancha; la monomodo elimina esa dispersión modal.
• 02AtenuaciónLa fibra de dispersión desplazada junta en 1550 nm la mínima dispersión y la mínima atenuación.
• 04Efectos no linealesCon D = 0 los canales van en fase y aparece la mezcla de cuatro ondas: por eso se deja un poco de dispersión.
• 10Dispositivos ópticos pasivosUna red de Bragg estirada (chirp) refleja cada λ en un punto distinto y compensa la dispersión.

Preguntas de examen

Material del curso usado: Apuntes de Miguel · Comunicaciones Ópticas (PDF de clase), §2.3.