Dyspersja światłowodu: rodzaje, przyczyny i kiedy to naprawić

Dyspersja światłowodu polega na poszerzaniu impulsu świetlnego podczas jego przemieszczania się przez włókno. Kiedy impulsy rozprzestrzeniają się zbyt daleko, nakładają się na odbiornik, powodując błędy bitowe, które ograniczają zarówno szerokość pasma, jak i zasięg. Na przykład w łączu jednomodowym 10 Gb/s o przepustowości 80 km przy 1550 nm skumulowana dyspersja chromatyczna może przekroczyć 1300 ps/nm - na tyle, aby całkowicie zamknąć diagram oka, jeśli nie jest zarządzany.

W przypadku inżynierów sieci i projektantów systemów praktyczne pytanie rzadko brzmi: „Co to jest dyspersja?” ale raczej „Jaki rodzaj rozproszenia dominuje w moim łączu i czy wymaga kompensacji?” Ten przewodnik odpowiada na to pytanie, omawiając główne mechanizmy dyspersji, ich przyczyny i dostępne obecnie metody kompensacji -, od starszych modułów DCF po nowoczesny, spójny procesor DSP.
 

Co to jest dyspersja światłowodu?

Dyspersja oznacza, że ​​krótki impuls optyczny nie pozostaje krótki podczas propagacji w światłowodzie. Rozciąga się w czasie. Im bardziej się rozprzestrzenia, tym trudniej jest odbiornikowi rozróżnić jeden bit od drugiego. WedługStandard ITU-T G.652, współczynnik dyspersji chromatycznej standardowego światłowodu jedno-modowego jest określony na około 17 ps/(nm·km) w pobliżu 1550 nm -. Jest to parametr bezpośrednio określający szybkość rozszerzania się impulsów na odległość.

Dyspersja nie jest pojedynczym efektem. Różne typy włókien i architektury systemów podlegają różnym mechanizmom. Wświatłowód wielomodowy, dominuje dyspersja modowa. Wświatłowód jednomodowy-, dyspersja chromatyczna i dyspersja w trybie polaryzacyjnym są kluczowymi problemami. Zrozumienie, który mechanizm dotyczy danego typu włókna, jest pierwszym krokiem w kierunku podjęcia właściwej decyzji projektowej.

Co powoduje dyspersję światłowodu?

Dyspersja wynika z właściwości fizycznych włókna i źródła światła. Każdy typ dyspersji ma inną przyczynę:

Dyspersja modalnaspowodowane jest występowaniem wielu ścieżek (modów) propagacji w włóknie wielomodowym. Tryby-wyższego rzędu pokonują dłuższe efektywne ścieżki niż tryby-niższego rzędu, więc docierają do odbiornika w różnym czasie. Rezultatem jest poszerzenie tętna, które pogarsza się wraz z odległością. Właśnie dlatego światłowód wielomodowy ma nieodłączne ograniczenia zasięgu. Na przykład światłowód OM3 obsługujący 10GBASE-SR ma parametry znamionowe wynoszące zaledwie 300 metrów.

Dyspersja chromatycznajest spowodowane współczynnikiem załamania szkła zależnym od-długości fali. Ponieważ żaden laser nie emituje idealnie jednej długości fali, różne składowe widma przemieszczają się z nieco różnymi prędkościami. Dyspersja chromatyczna składa się z dwóch-składników składowych: dyspersji materiału (z samego szkła) i dyspersji falowodu (z geometrii-płaszcza rdzenia światłowodu). Ich łączny efekt określa całkowitą dyspersję chromatyczną przy dowolnej długości fali. Standardowe włókno G.652 ma długość fali z zerową-dyspersją w pobliżu 1310 nm, dlatego często działają tam starsze systemy. Przy 1550 nm - preferowane okno dla-lotów długodystansowych iTransmisja DWDMz powodu mniejszego tłumienia - dyspersja chromatyczna gromadzi się w znacznym stopniu i należy nią zarządzać w każdym łączu w promieniu większym niż kilkadziesiąt kilometrów przy szybkości co najmniej 10 Gb/s.

Dyspersja w trybie polaryzacji (PMD)jest spowodowane asymetrią rdzenia światłowodu. W idealnym światłowodzie dwa ortogonalne stany polaryzacji przemieszczałyby się z dokładnie tą samą prędkością. W praktyce niedoskonałości produkcyjne, naprężenia mechaniczne i zmiany temperatury powodują dwójłomność, która powoduje, że jeden stan polaryzacji pojawia się nieco przed drugim. PMD to efekt statystyczny - zmienia się w czasie i wzdłuż światłowodu -, co utrudnia kompensację za pomocą stałych elementów optycznych. Zwykle staje się to problemem projektowym w przypadku starszych łączy 10G i 40G o długości przekraczającej 200–300 km lub w systemach wykorzystujących ponownie starsze instalacje światłowodowe o wyższych współczynnikach PMD (powyżej 0,5 ps/√km).

Trzy główne typy dyspersji światłowodów

Dyspersja modalna

Dyspersja modowa jest dominującym ogranicznikiem szerokości pasma w światłowodzie wielomodowym. Dzieje się tak, ponieważ światłowód wielomodowy obsługuje setki, a nawet tysiące modów propagacji, z których każdy podąża nieco inną ścieżką przez rdzeń. Światłowód wielomodowy o stopniowanym-współczynniku (od OM1 do OM5) zmniejsza dyspersję modową poprzez zmianę profilu współczynnika załamania światła w rdzeniu, sterując modami-wyższego rzędu, tak aby zbliżały się one w czasie do modów-niższego rzędu. Mimo to efektywna szerokość pasma modalnego światłowodu wyznacza twardy pułap dla iloczynu szybkości transmisji × odległości. W pobliżu tego sufitu działa szkielet kampusu obsługujący łączność 10G przez OM3 w odległości 300 m; wykraczanie poza ten zakres zazwyczaj wymaga przejścia na światłowód-jednomodowy, a nie na kompensator dyspersji.

Dyspersja chromatyczna

Dyspersja chromatyczna to główne zaburzenie inżynieryjne w systemach jednomodowych-o długim-zasięgu i systemach DWDM. Jego wielkość zależy od trzech czynników: współczynnika dyspersji światłowodu, szerokości widmowej źródła i odległości łącza. W przypadku standardowego światłowodu G.652 przy 1550 nm skumulowana dyspersja na dystansie 100 km wynosi około 1700 ps/nm. Przy 10 Gb/s (modulacja NRZ) tolerancja dyspersji wynosi około 1000 ps/nm, co oznacza, że ​​nieskompensowane łącze przy 1550 nm jest ograniczone do około 60 km przy tej szybkości.

Warto zwrócić uwagę na jeden niuans: umiarkowana ilość dyspersji chromatycznej może faktycznie przynieść korzyści systemom DWDM. Jak opisano w białej księdze Corning na tematprojektowanie włókien dla sieci DWDM, dyspersja resztkowa zmniejsza skuteczność dopasowania fazowego-mieszania czterech fal (FWM) -, co jest efektem nieliniowym, który pogarsza blisko rozmieszczone kanały. Właśnie dlatego opracowano włókna o nie-zerowej dyspersji-z przesuniętą dyspersją (G.655 i G.656): utrzymują one małą, ale niezerową dyspersję przy 1550 nm, aby tłumić FWM, jednocześnie utrzymując całkowite rozproszenie w zasięgu.

Dyspersja trybu polaryzacji (PMD)

PMD jest zazwyczaj problemem-drugiego rzędu w porównaniu z dyspersją chromatyczną, ale w określonych scenariuszach nabiera znaczenia. Starsze systemy o dużej-przepływności (40 Gb/s i więcej) są bardziej wrażliwe na PMD, ponieważ krótsze okresy bitowe pozostawiają mniejszy margines na różnicowe opóźnienie grupowe (DGD). Łącza działające na starszych światłowodach ze współczynnikami PMD powyżej 0,5 ps/√km -, powszechne w kablach zainstalowanych przed połową-1990-ów, mogą napotkać ograniczenia PMD przed limitami dyspersji chromatycznej. W takich przypadkach pomiar i charakterystyka PMD stają się częścią procesu akceptacji łącza. Nowoczesne, spójnetransponderyobsługiwać kompensację PMD w DSP, co znacznie zmniejszyło PMD jako samodzielną barierę wdrożeniową w nowych kompilacjach.

Jaki rodzaj rozproszenia ma znaczenie w Twoim łączu?

Odpowiedź zależy od typu światłowodu, odległości, szybkości transmisji danych i architektury systemu. Oto praktyczne ramy decyzyjne:

Krok 1: Zidentyfikuj typ włókna.Jeśli pracujesz ze światłowodem wielomodowym (OM1–OM5), głównym problemem jest dyspersja modowa. Dyspersja chromatyczna i PMD są pomijalne przy typowych odległościach wielomodowych. Jeśli pracujesz ze światłowodem-jednomodowym (OS1 lub OS2), przejdź do kroku 2.

Krok 2: Weź pod uwagę długość fali.Przy 1310 nm dyspersja chromatyczna we włóknie G.652 jest bliska zeru, więc rzadko wymaga kompensacji nawet na umiarkowanych dystansach. Przy 1550 nm dyspersja gromadzi się przy około 17 ps/(nm·km), a w przypadku dłuższych łączy konieczne jest planowanie kompensacji.

Krok 3: Oceń szybkość transmisji danych.Wyższe przepływności mają węższe tolerancje dyspersji. Sygnał 10G NRZ toleruje około 1000 ps/nm; sygnał 40G NRZ toleruje tylko około 60 ps/nm. Spójne systemy 100G/400G wykorzystują zaawansowaną modulację i DSP, które znacznie zwiększają tolerancję dyspersji.

Krok 4: Sprawdź architekturę systemu.W przypadku łącza-do-punktu-bezpośredniego-detekcji może być konieczna zewnętrzna kompensacja dyspersji. W nowoczesnym, spójnym systemie DWDM, transponder DSP zazwyczaj obsługuje cyfrowo dyspersję chromatyczną i PMD, często eliminując potrzebę stosowania samodzielnych modułów kompensacyjnych.

Kiedy potrzebujesz kompensacji dyspersji?

Nie każde ogniwo potrzebuje osobnego stopnia kompensacyjnego. Na przykład łącze jednomodowe-10G działające na dystansie 20 km przy 1310 nm gromadzi znikomą dyspersję chromatyczną i nie wymaga żadnej kompensacji. Jednak kompensacja staje się konieczna, gdy zbiega się kilka warunków:

Łącze działa na długości fali 1550 nm na dystansach, gdzie skumulowana dyspersja chromatyczna przekracza tolerancję odbiornika. Szybkość transmisji danych wynosi 10 Gb/s lub więcej przy zastosowaniu optyki z bezpośrednim-wykrywaniem. System jest siecią transportową DWDM o szczelnościbudżet mocy optycznejoraz wymagania dotyczące utraty wartości. Być może w zakładzie światłowodowym występują problemy z PMD - starszymi kablami, trasami napowietrznymi obciążonymi wiatrem lub instalacjami-poddawanymi wysokim naprężeniom.

Praktyczna zasada: jeśli już planujesz budżet łącza i planowanie utraty wartości, oceń rozproszenie w tej samej fazie. Rozwiązanie tego problemu na etapie projektowania jest znacznie łatwiejsze niż rozwiązywanie sporadycznych błędów po wdrożeniu.

Porównanie metod kompensacji dyspersji

Istnieją trzy główne podejścia do zarządzania dyspersją w łączach światłowodowych. Każdy pasuje do innego kontekstu systemowego.

Światłowód kompensujący dyspersję (DCF)

DCF to specjalnie zaprojektowane włókno o dużym ujemnym współczynniku dyspersji (zwykle od -80 do -100 ps/(nm·km) przy 1550 nm). Obliczona długość DCF jest wstawiana do łącza -, zwykle w miejscach wzmacniacza -, aby zrównoważyć dodatnią dyspersję chromatyczną zgromadzoną we włóknie transmisyjnym. DCF to standardowa metoda kompensacji w-transmisjach długodystansowych 10G i starszych systemach DWDM od ponad dwudziestu lat. Jego głównymi wadami są dodatkowe tłumienie wtrąceniowe (wymagające dodatkowego wzmocnienia), zwiększone opóźnienie i dodatkowe efekty nieliniowe ze względu na mały efektywny obszar DCF.

Siatka Bragga z włókna (FBG)

Kompensatory dyspersji oparte na FBG- wykorzystują strukturę okresowego współczynnika załamania światła zapisaną w krótkim odcinku światłowodu. Siatka tworzy zależne od długości fali-opóźnienia odbicia, które odwracają dyspersję zgromadzoną podczas transmisji. Moduły FBG są bardziej kompaktowe niż szpule DCF i wprowadzają mniejsze opóźnienia. Są dostępne w wersjach ze stałą-dyspersją i z możliwością przestrajania. Przestrajalne FBG są szczególnie przydatne w rekonfigurowalnych sieciach DWDM, gdzie mapa dyspersji może się zmieniać w miarę dodawania lub przekierowywania kanałów.

Elektroniczne i cyfrowe przetwarzanie sygnału (DSP)

Nowoczesne, spójne systemy optyczne kompensują cyfrowo dyspersję w odbiorniku DSP. Odbiornik koherentny rejestruje zarówno amplitudę, jak i fazę pola optycznego, co dostarcza wystarczającej ilości informacji, aby procesor DSP mógł odwrócić dyspersję chromatyczną i obliczeniowo PMD. Jak udokumentowałIEEE 802.3grupy robocze i wdrożenia branżowe, spójne transpondery 100G, 400G i 800G rutynowo kompensują dziesiątki tysięcy ps/nm dyspersji chromatycznej w DSP -, całkowicie eliminując potrzebę stosowania wbudowanych modułów DCF lub FBG. Ta zmiana zasadniczo zmieniła-projekt sieci długodystansowej: nowsze, spójne wdrożenia DWDM zazwyczaj pomijają samodzielny sprzęt do kompensacji dyspersji.

DCF vs FBG vs DSP

Jak wybrać odpowiednią strategię wynagrodzeń

Starsze systemy 10G lub inżynieryjne systemy DWDM

W sieciach zbudowanych wokół platform-bezpośredniego wykrywania 10G lub wczesnych platform DWDM, kompensacja domeny optycznej za pomocą DCF lub FBG często jest już częścią projektu systemu liniowego. Systemy te opierają się na dokładnych mapach dyspersji - zaplanowanych sekwencji dodatnich i ujemnych segmentów dyspersji -, aby utrzymać skumulowaną dyspersję w granicach tolerancji odbiornika w każdym zakresie wzmacniacza. Jeśli utrzymujesz lub rozszerzasz taką sieć, pracuj w ramach istniejącej mapy rozproszenia, zamiast przeprojektowywać podejście do kompensacji. Zamienne moduły DCF lub przestrajalne kompensatory FBG są tutaj standardowymi narzędziami.

Nowoczesne spójne systemy optyczne

Jeśli łącze wykorzystuje spójne transpondery (100G, 400G lub więcej), DSP obsługuje wewnętrznie dyspersję chromatyczną i kompensację PMD. Rozmowa na temat projektowania zmienia się z pytania „Jakiego modułu DCM potrzebuję?” na „Jaka jest całkowita skumulowana dyspersja i czy mieści się ona w zakresie DSP transpondera?” Większość nowoczesnych transponderów koherentnych toleruje dyspersję chromatyczną o wartości ponad 50 000 ps/nm -, co odpowiada ponad 3000 km światłowodu G.652 przy 1550 nm. W tych systemach samodzielne moduły DCF lub FBG powodują niepotrzebne straty i złożoność. Usunięcie starszej wersji DCF podczas aktualizacji do wersji spójnej jest powszechnym i dobrze-dobrze udokumentowanym krokiem optymalizacyjnym podczas modernizacji sieci-długodystansowej.

Linki wielomodowe o krótkim-zasięgu

W przypadku łączy wielomodowych w środowiskach kampusowych lub centrach danych produkty kompensujące dyspersję chromatyczną są nieistotne. Ograniczenie szerokości pasma jest modalne, a nie chromatyczne. Jeśli łącze wielomodowe nie spełnia wymagań wydajnościowych, w pierwszej kolejności należy sprawdzić klasę światłowodu (OM3 vs OM4 vs OM5), długość łącza w odniesieniu do standardu aplikacji, jakość złącza ikompatybilność transceivera. Wymiana na światłowód wielomodowy wyższej-lub przejście na światłowód jednomodowy-i optykę to praktyczna ścieżka, - bez dodawania kompensatora dyspersji.

Najczęstsze błędy i nieporozumienia

Zakładając, że wszelka dyspersja jest szkodliwa.W systemach DWDM kontrolowana ilość dyspersji chromatycznej tłumi mieszanie-czterech fal i inne nieliniowe kary. Włókna z przesuniętą-zerową dyspersją- (G.655) zaprojektowano specjalnie w celu utrzymania korzystnej dyspersji resztkowej przy 1550 nm.

Zakładając, że każde łącze wymaga rekompensaty.Łącze 10G przy 1310 nm na 40 km światłowodu G.652 działa dobrze w ramach tolerancji dyspersji chromatycznej. Wiele łączy korporacyjnych i metra nie potrzebuje żadnej rekompensaty, - optyka i światłowód radzą sobie z tym same.

Zakładając, że światłowód jednomodowy-nie ma dyspersji.Światłowód jednomodowy- eliminuje dyspersję modalną, ale dyspersja chromatyczna i PMD pozostają. Przy długości fali 1550 nm dyspersja chromatyczna we włóknie G.652 jest znaczna i należy ją uwzględnić w każdym projekcie-o dużym zasięgu.

Wybór metody kompensacji przed identyfikacją dominującej utraty wartości.DCF dotyczy tylko dyspersji chromatycznej. FBG zajmuje się tylko dyspersją chromatyczną. DSP w spójnych systemach uwzględnia zarówno dyspersję chromatyczną, jak i PMD. Wybór metody przed zrozumieniem, które upośledzenie jest dominujące, prowadzi do zmarnowania wysiłku i budżetu.

Często zadawane pytania

Czy światłowód jednomodowy-ma dyspersję?

Tak. Światłowód jednomodowy- eliminuje dyspersję modową, ponieważ obsługuje tylko jeden mod propagacji, ale nadal wykazuje dyspersję chromatyczną i dyspersję trybu polaryzacyjnego. Dyspersja chromatyczna w standardowym włóknie jednomodowym G.652 wynosi około 17 ps/(nm·km) przy 1550 nm i bliska zeru przy 1310 nm.

Jaka jest różnica między dyspersją modową i chromatyczną?

Dyspersja modalna jest spowodowana przez wiele ścieżek światła (modów) docierających w różnym czasie w włóknie wielomodowym. Dyspersja chromatyczna jest spowodowana różnymi długościami fal przemieszczającymi się z różnymi prędkościami w dowolnym typie światłowodu, chociaż problem ten występuje przede wszystkim w systemach jednomodowych. Dyspersja modowa dotyczy tylko światłowodu wielomodowego; dyspersja chromatyczna wpływa zarówno na światłowód wielomodowy, jak i jedno-modowy, ale jest projektowana głównie w przypadku łączy jedno-modowych-o dużym zasięgu.

Kiedy konieczna jest kompensacja dyspersji?

Kompensacja jest zwykle konieczna, gdy łącze jednomodowe-przy 1550 nm przekracza tolerancję dyspersji chromatycznej odbiornika - na przykład około 60 km przy 10 Gb/s z modulacją NRZ na światłowodzie G.652. W systemach spójnych (100G i więcej) transponder DSP kompensuje wewnętrznie dyspersję, więc samodzielne moduły kompensacyjne są zwykle niepotrzebne.

Czy spójna optyka może wyeliminować potrzebę stosowania DCF?

W większości przypadków tak. Nowoczesne transpondery koherentne kompensują dyspersję chromatyczną i PMD cyfrowo, z typową tolerancją CD przekraczającą 50 000 ps/nm. Wielu operatorów aktywnie usuwa starsze rozwiązania DCF podczas aktualizacji do spójnych platform, ponieważ DCF zwiększa tłumienie wtrąceniowe, nie zapewniając korzyści, z którymi DSP nie jest w stanie sobie poradzić.

Co powoduje dyspersję światłowodu?

Przyczyny pierwotne zależą od typu. Dyspersja modowa jest spowodowana wieloma ścieżkami propagacji w włóknie wielomodowym. Dyspersja chromatyczna jest spowodowana zależnością współczynnika załamania szkła od długości fali i strukturą falowodu światłowodu. PMD jest spowodowane asymetrią i naprężeniami w rdzeniu światłowodu, które powodują różne prędkości dla dwóch stanów polaryzacji światła.

Planowanie łącza światłowodowego

Zrozumienie dyspersji to jeden element większej układanki dotyczącej projektowania łącza, która obejmuje tłumienie, straty na złączu i budżetowanie mocy optycznej. Jeśli projektujesz lub modernizujesz sieć światłowodową, - niezależnie od tego, czy jest to krótka sieć szkieletowa kampusu, czy-trasa transportowa na długich dystansach-, zacznij od określenia typu światłowodu, roboczej długości fali i szybkości transmisji danych. Te trzy parametry określają, który mechanizm dyspersji ma znaczenie i czy potrzebna jest kompensacja.

Aby uzyskać pomoc w wyborze odpowiednich komponentów infrastruktury światłowodowej, -, w tymkable krosowe światłowodowe, złącza i zespoły kabli dostosowane do wymagań Twojego łącza. - zapoznaj się z nimiRozwiązania światłowodowe DimiLubskontaktuj się z naszym zespołem inżynierówaby uzyskać-konkretne wskazówki dotyczące projektu.