Disperzija optičkih vlakana: vrste, uzroci i kada to popraviti

Disperzija optičkih vlakana je širenje svjetlosnog impulsa dok putuje kroz vlakno. Kada se impulsi šire predaleko, oni se preklapaju na prijemniku, uzrokujući greške bitova koje ograničavaju i širinu pojasa i doseg. U 10 Gbps single-vezi koja radi 80 km na 1550 nm, na primjer, akumulirana hromatska disperzija može premašiti 1,300 ps/nm - dovoljno da se potpuno zatvori dijagram očiju ako se ne upravlja.

Za mrežne inženjere i dizajnere sistema, praktično pitanje je rijetko "Šta je disperzija?" nego "Koja vrsta disperzije je dominantna u mojoj vezi i da li zahtijeva kompenzaciju?" Ovaj vodič daje odgovor na to pitanje prolazeći kroz glavne mehanizme disperzije, njihove uzroke i metode kompenzacije koje su danas dostupne - od naslijeđenih DCF modula do modernog koherentnog DSP-a.
 

Šta je disperzija optičkih vlakana?

Disperzija znači da kratki optički impuls ne ostaje kratak dok se širi kroz vlakno. Širi se vremenom. Što se više širi, prijemniku postaje teže razlikovati jedan bit od drugog. PremaITU{0}}T G.652 standard, koeficijent hromatske disperzije standardnog single-modnog vlakna je specificiran na približno 17 ps/(nm·km) blizu 1550 nm -, parametar koji direktno upravlja brzinom širenja impulsa na udaljenosti.

Disperzija nije pojedinačni efekat. Na različite tipove vlakana i arhitekturu sistema utiču različiti mehanizmi. Uvišemodno vlakno, dominira modalna disperzija. Ujedno-modno vlakno, hromatska disperzija i disperzija polarizacionog moda su ključne brige. Razumijevanje mehanizma koji se primjenjuje na vašu vrstu vlakana je prvi korak ka pravoj odluci o dizajnu.

Šta uzrokuje disperziju optičkih vlakana?

Disperzija proizlazi iz fizičkih svojstava vlakna i izvora svjetlosti. Svaka vrsta disperzije ima poseban uzrok:

Modalna disperzijaje uzrokovano postojanjem višestrukih puteva (moda) širenja u višemodnom vlaknu. Načini višeg-reda putuju dužim efektivnim stazama od načina rada nižeg-reda, tako da dolaze do primaoca u različito vrijeme. Rezultat je proširenje pulsa koje se pogoršava s rastojanjem. To je razlog zašto multimodno vlakno ima inherentna ograničenja dosega - OM3 vlakno koje podržava 10GBASE-SR, na primjer, je ocijenjeno na samo 300 metara.

Hromatska disperzijaje uzrokovan indeksom prelamanja stakla koji zavisi od-talasne dužine. Budući da nijedan laser ne emituje savršeno jednu talasnu dužinu, različite spektralne komponente putuju neznatno različitim brzinama. Hromatska disperzija ima dvije pod-komponente: materijalnu disperziju (iz samog stakla) i disperziju talasovoda (iz geometrije omotača jezgre vlakna{4}}). Njihov kombinovani efekat određuje ukupnu hromatsku disperziju na bilo kojoj talasnoj dužini. Standardno G.652 vlakno ima talasnu dužinu disperzije nulte - blizu 1310 nm, zbog čega su stari sistemi često radili tamo. Na 1550 nm - preferirani prozor za duge-puteve iDWDM prijenoszbog nižeg slabljenja - hromatska disperzija se značajno akumulira i njome se mora upravljati u bilo kojoj vezi dalje od nekoliko desetina kilometara pri 10 Gbps ili više.

Polarizacijski način disperzije (PMD)je uzrokovana asimetrijama u jezgri vlakna. U idealnom vlaknu, dva ortogonalna polarizaciona stanja bi putovala potpuno istom brzinom. U praksi, proizvodne nesavršenosti, mehanička naprezanja i temperaturne varijacije uvode dvolomnost koja uzrokuje da jedno polarizacijsko stanje dolazi malo ispred drugog. PMD je statistički efekat - koji varira s vremenom i duž vlakna - što otežava kompenzaciju sa fiksnim optičkim elementima. To obično postaje problem dizajna u starim 10G i 40G vezama koje prelaze 200–300 km, ili u sistemima koji ponovo koriste stariju elektranu sa višim PMD koeficijentima (iznad 0,5 ps/√km).

Tri glavne vrste disperzije optičkih vlakana

Modalna disperzija

Modalna disperzija je dominantni limitator propusnog opsega u multimodnim vlaknima. To se događa zato što višemodno vlakno podržava stotine ili čak hiljade modova propagacije, od kojih svaki slijedi malo drugačiji put kroz jezgro. Višemodno vlakno sa stepenastim-indeksom (OM1 do OM5) smanjuje modalnu disperziju mijenjajući profil indeksa prelamanja preko jezgre, usmjeravajući modove više-reda tako da se na vrijeme približavaju modovima nižeg-reda. Čak i tako, efektivni modalni propusni opseg vlakna postavlja čvrsti plafon na proizvod brzine prijenosa × udaljenosti. Okosnica kampusa koja radi 10G preko OM3 na 300 m radi blizu tog plafona; prevazilaženje toga obično zahtijeva prebacivanje na jedno-modno vlakno, a ne na kompenzator disperzije.

Hromatska disperzija

Hromatska disperzija je primarno projektovano oštećenje u jednom{0}}modu dugog-sistema i DWDM sistemima. Njegova veličina zavisi od tri faktora: koeficijenta disperzije vlakna, spektralne širine izvora i udaljenosti veze. Za standardno G.652 vlakno na 1550 nm, akumulirana disperzija na 100 km je otprilike 1700 ps/nm. Na 10 Gbps (NRZ modulacija), tolerancija disperzije je približno 1000 ps/nm, što znači da je nekompenzirana veza na 1550 nm ograničena na oko 60 km tom brzinom.

Jedna nijansa vrijedna pažnje: umjerena količina hromatske disperzije može zapravo koristiti DWDM sistemima. Kao što je opisano u Corningovoj bijeloj knjizi oDizajn vlakana za DWDM mreže, rezidualna disperzija smanjuje efikasnost faznog podudaranja četiri-mješanja vala (FWM) -, nelinearni efekat koji degradira kanale koji su bliski razmaknuti. Zbog toga su razvijena vlakna bez{3}}nulte disperzije-(G.655 i G.656): održavaju malu, ali različitu od nule disperziju na 1550 nm kako bi potisnuli FWM, a da bi se ukupna disperzija mogla upravljati.

Disperzija načina polarizacije (PMD)

PMD je tipično problem drugog-reda u poređenju sa hromatskom disperzijom, ali postaje značajan u specifičnim scenarijima. Naslijeđeni sistemi-visoke brzine (40 Gbps i više) su osjetljiviji na PMD jer kraći periodi bitova ostavljaju manje margine za diferencijalno grupno kašnjenje (DGD). Veze koje prolaze preko starijih vlakana sa PMD koeficijentima iznad 0,5 ps/√km - uobičajene u kablovima instaliranim prije sredine -1990-ih - mogu naići na ograničenja PMD prije granica hromatske disperzije. U ovim slučajevima, PMD mjerenje i karakterizacija postaju dio procesa prihvatanja veze. Moderna koherentnatransponderirukuju PMD kompenzacijom u DSP-u, što je značajno smanjilo PMD kao samostalnu prepreku za implementaciju u novim verzijama.

Koja je vrsta disperzije bitna u vašoj vezi?

Odgovor zavisi od vašeg tipa vlakna, udaljenosti, brzine prenosa podataka i arhitekture sistema. Evo praktičnog okvira za odlučivanje:

Korak 1: Identifikujte vrstu vlakna.Ako radite s višemodnim vlaknima (OM1–OM5), modalna disperzija je vaša primarna briga. Hromatska disperzija i PMD su zanemarivi na tipičnim višemodnim udaljenostima. Ako radite sa jednim-modnim vlaknom (OS1 ili OS2), prijeđite na korak 2.

Korak 2: Razmotrite talasnu dužinu.Na 1310 nm, hromatska disperzija u G.652 vlaknu je blizu nule, tako da retko treba kompenzaciju čak i na umerenim udaljenostima. Na 1550 nm, disperzija se akumulira na otprilike 17 ps/(nm·km), a planiranje kompenzacije je potrebno za duže veze.

Korak 3: Procijenite brzinu prijenosa podataka.Veće brzine prenosa imaju uže tolerancije disperzije. 10G NRZ signal toleriše otprilike 1000 ps/nm; 40G NRZ signal toleriše samo oko 60 ps/nm. Koherentni 100G/400G sistemi koriste naprednu modulaciju i DSP koji značajno povećavaju toleranciju disperzije.

Korak 4: Provjerite arhitekturu sistema.U linku za direktno otkrivanje-do-tačke direktno-, možda će vam trebati eksterna kompenzacija disperzije. U modernom koherentnom DWDM sistemu, transponderski DSP tipično upravlja hromatskom disperzijom i PMD digitalno, često eliminišući potrebu za samostalnim modulima kompenzacije.

Kada vam je potrebna kompenzacija disperzije?

Nije za svaku vezu potrebna posebna faza kompenzacije. 10G single{2}}veza koja radi 20 km na 1310 nm, na primjer, akumulira zanemarljivu hromatsku disperziju i uopće ne treba kompenzaciju. Ali kompenzacija postaje neophodna kada se nekoliko uslova konvergira:

Veza radi na 1550 nm na udaljenostima na kojima akumulirana hromatska disperzija premašuje toleranciju prijemnika. Brzina prijenosa podataka je 10 Gbps ili više s optikom direktnog-otkrivanja. Sistem je DWDM transportna mreža sa uskombudžet optičke snagei zahtjevi za umanjenje vrijednosti. Ili je fabrika vlakana znala da problemi sa PMD-om - starijim kablovima, vazdušnim putevima podložnim opterećenju vjetrom ili instalacijama visokog-naprezanja.

Praktično pravilo: ako već radite povezivanje budžeta i planiranja umanjenja vrijednosti, procijenite disperziju u istoj fazi. Rješavanje problema tokom dizajna je daleko lakše nego rješavanje povremenih grešaka nakon implementacije.

Upoređene metode kompenzacije disperzije

Postoje tri glavna pristupa za upravljanje disperzijom u vezama vlakana. Svaki od njih odgovara različitom kontekstu sistema.

Vlakna za kompenzaciju disperzije (DCF)

DCF je posebno dizajnirano vlakno sa velikim negativnim koeficijentom disperzije (obično −80 do −100 ps/(nm·km) na 1550 nm). Izračunata dužina DCF-a se ubacuje u vezu - obično na mjestima pojačala - kako bi se nadoknadila pozitivna hromatska disperzija akumulirana u prijenosnom vlaknu. DCF je bio standardna metoda kompenzacije u 10G dugim- i starim DWDM sistemima više od dvije decenije. Njegovi glavni nedostaci su dodatni gubitak umetanja (zahteva dodatno pojačanje), povećana latencija i dodatni nelinearni efekti zbog male efektivne površine DCF-a.

Fiber Bragg rešetka (FBG)

FBG-bazirani kompenzatori disperzije koriste strukturu periodičnog indeksa prelamanja upisanu u kratki dio vlakna. Rešetka stvara kašnjenja refleksije zavisna od talasne dužine - koja poništavaju disperziju akumuliranu tokom prijenosa. FBG moduli su kompaktniji od DCF spool-a i unose manje kašnjenja. Dostupni su u fiksnoj-disperziji i podesivim varijantama. Podesivi FBG-ovi su posebno korisni u rekonfigurabilnim DWDM mrežama gdje se mapa disperzije može promijeniti kako se kanali dodaju ili preusmjeravaju.

Elektronska i digitalna obrada signala (DSP)

Moderni koherentni optički sistemi kompenzuju disperziju digitalno u DSP prijemniku. Koherentni prijemnik hvata i amplitudu i fazu optičkog polja, što daje dovoljno informacija za DSP da preokrene hromatsku disperziju i PMD računski. Kako je dokumentovano odIEEE 802.3radne grupe i industrijske implementacije, koherentni 100G, 400G i 800G transponderi rutinski kompenzuju desetine hiljada ps/nm hromatske disperzije u DSP - potpuno eliminišući potrebu za inline DCF ili FBG modulima. Ovaj pomak je fundamentalno promijenio dizajn mreže-na daljinu: novije koherentne DWDM implementacije obično izostavljaju samostalni hardver za kompenzaciju disperzije.

DCF vs FBG vs DSP

Kako odabrati pravu strategiju kompenzacije

Naslijeđeni 10G ili projektirani DWDM sistemi

U mrežama izgrađenim oko 10G direktne-detekcije ili ranih DWDM platformi, optička-kompenzacija domena sa DCF ili FBG često je već dio dizajna linijskog sistema. Ovi sistemi se oslanjaju na pažljive mape disperzije - planirane sekvence pozitivnih i negativnih segmenata disperzije - da zadrže akumuliranu disperziju unutar tolerancije prijemnika na svakom rasponu pojačala. Ako održavate ili proširujete takvu mrežu, radite u okviru postojeće karte disperzije umjesto da redizajnirate kompenzacijski pristup. Zamjenski DCF moduli ili podesivi FBG kompenzatori su ovdje standardni alati.

Moderni koherentni optički sistemi

Ako veza koristi koherentne transpondere (100G, 400G ili više), DSP interno upravlja hromatskom disperzijom i PMD kompenzacijom. Razgovor o dizajnu prelazi sa "Koji DCM modul mi treba?" na "Kolika je ukupna akumulirana disperzija i da li je unutar DSP opsega transpondera?" Većina modernih koherentnih transpondera toleriše preko 50.000 ps/nm hromatske disperzije - što je ekvivalentno više od 3.000 km G.652 vlakana na 1550 nm. U ovim sistemima, samostalni DCF ili FBG moduli dodaju nepotreban gubitak i složenost. Uklanjanje naslijeđenog DCF-a prilikom nadogradnje na koherentan je uobičajen i dobro{12}}dokumentiran korak optimizacije u dugotrajnoj-modernizaciji mreže.

Multimode Short-Veze za doseg

Za višemodne veze u okruženju kampusa ili podatkovnog centra, proizvodi kompenzacije hromatske disperzije su irelevantni. Ograničenje propusnosti je modalno, a ne kromatsko. Ako višemodna veza ne ispunjava zahtjeve performansi, prve stvari koje treba provjeriti su kvalitet vlakana (OM3 vs OM4 vs OM5), dužina veze u odnosu na standard aplikacije, kvalitet konektora ikompatibilnost primopredajnika. Nadogradnja na višemodno vlakno više-klase ili prelazak na jedno{2}}modno vlakno i optiku je praktičan put - bez dodavanja kompenzatora disperzije.

Uobičajene greške i zablude

Pod pretpostavkom da je svaka disperzija štetna.U DWDM sistemima, kontrolirana količina hromatske disperzije potiskuje miješanje četiri-talasa i druge nelinearne kazne. Vlakna bez-nulte disperzije-pomaknuta (G.655) su dizajnirana posebno da održe ovu korisnu zaostalu disperziju na 1550 nm.

Pod pretpostavkom da svaka veza treba kompenzaciju.10G veza na 1310 nm preko 40 km G.652 vlakna dobro radi unutar tolerancije hromatske disperzije. Mnogim poslovnim i metro vezama uopće nije potrebna kompenzacija - optika i vlakna to inherentno rješavaju.

Pod pretpostavkom da jedno-modno vlakno nema disperziju.Jednomodno vlakno eliminiše modalnu disperziju, ali hromatska disperzija i PMD ostaju. Na 1550 nm, hromatska disperzija u G.652 vlaknima je značajna i mora se uzeti u obzir u bilo kojem- dizajnu dugog dometa.

Odabir metode kompenzacije prije identifikacije dominantnog oštećenja.DCF se odnosi samo na hromatsku disperziju. FBG se odnosi samo na hromatsku disperziju. DSP u koherentnim sistemima adresira i hromatsku disperziju i PMD. Odabir metode prije nego što se shvati koje je oštećenje dominantno dovodi do izgubljenog truda i budžeta.

Često postavljana pitanja

Ima li jedno{0}}modno vlakno disperziju?

Da. Jednomodno vlakno eliminiše modalnu disperziju jer podržava samo jedan način širenja, ali i dalje pokazuje hromatsku disperziju i disperziju polarizacionog načina. Hromatska disperzija u standardnom G.652 jednomodnom vlaknu je približno 17 ps/(nm·km) na 1550 nm i blizu nule na 1310 nm.

Koja je razlika između modalne i hromatske disperzije?

Modalna disperzija je uzrokovana višestrukim svjetlosnim putevima (modovima) koji dolaze u različito vrijeme u višemodno vlakno. Hromatska disperzija je uzrokovana različitim talasnim dužinama koje putuju različitim brzinama u bilo kojoj vrsti vlakana, iako je to prvenstveno problem u sistemima s jednim-načinom. Modalna disperzija utiče samo na višemodna vlakna; hromatska disperzija utiče i na višemodna i na jednomodna-modna vlakna, ali je projektovana prvenstveno u jednomodnim-modnim-vezama dugog dosega.

Kada je potrebna kompenzacija disperzije?

Kompenzacija je obično neophodna kada veza jednog-moda na 1550 nm premašuje toleranciju hromatske disperzije prijemnika -, na primjer, otprilike 60 km pri 10 Gbps sa NRZ modulacijom na G.652 vlaknu. U koherentnim sistemima (100G i više), transponder DSP interno kompenzuje disperziju, tako da su samostalni moduli kompenzacije obično nepotrebni.

Može li koherentna optika eliminirati potrebu za DCF?

U većini slučajeva da. Moderni koherentni transponderi kompenzuju hromatsku disperziju i PMD digitalno, sa tipičnom CD tolerancijom koja prelazi 50.000 ps/nm. Mnogi operateri aktivno uklanjaju naslijeđeni DCF prilikom nadogradnje na koherentne platforme, jer DCF dodaje gubitak umetanja bez pružanja prednosti koje DSP ne može podnijeti.

Šta uzrokuje disperziju optičkih vlakana?

Osnovni uzroci ovise o vrsti. Modalna disperzija je uzrokovana višestrukim putevima propagacije u višemodnom vlaknu. Hromatska disperzija je uzrokovana zavisnošću indeksa loma stakla o talasnoj dužini i strukturom talasovoda vlakana. PMD je uzrokovan asimetrijama i stresom u jezgri vlakna koji stvaraju različite brzine za dva polarizaciona stanja svjetlosti.

Planiranje vaše optičke veze

Razumijevanje disperzije je jedan dio veće slagalice dizajna veze koja uključuje slabljenje, gubitak konektora i budžetiranje optičke snage. Ako dizajnirate ili nadograđujete optičku mrežu -, bilo da je to kratka kičma kampusa ili duga-transportna ruta -, počnite tako što ćete identifikovati tip vlakna, radnu talasnu dužinu i brzinu prenosa podataka. Ta tri parametra određuju koji je mehanizam disperzije bitan i da li je potrebna kompenzacija.

Za pomoć pri odabiru pravih komponenti optičke infrastrukture - uključujućifiber patch kablovi, konektore i sklopove kablova koji odgovaraju vašim zahtjevima vezanim - istražiteDimijeva optička rješenjailikontaktirajte naš inženjerski timza{0}}specifične smjernice za projekat.