Disperzija optičkih vlakana: vrste, uzroci i kada to popraviti

Disperzija optičkog vlakna je širenje svjetlosnog pulsa dok putuje kroz vlakno. Kada se impulsi prošire predaleko, oni se preklapaju na prijemniku, uzrokujući pogreške u bitovima koje ograničavaju propusnost i doseg. U 10 Gbps single{3}}vezi koja radi 80 km na 1550 nm, na primjer, akumulirana kromatska disperzija može premašiti 1300 ps/nm - dovoljno da potpuno zatvori dijagram oka ako se ne upravlja.

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

Što je disperzija optičkih vlakana?

Disperzija znači da kratki optički impuls ne ostaje kratak dok se širi kroz vlakno. Širi se u vremenu. Što se više širi, primatelju postaje teže razlikovati jedan bit od sljedećeg. PremaITU-T G.652 standard, koeficijent kromatske disperzije standardnog mono-modnog vlakna određen je na približno 17 ps/(nm·km) blizu 1550 nm - parametra koji izravno upravlja brzinom širenja impulsa na udaljenosti.

Disperzija nije pojedinačni učinak. Na različite vrste vlakana i arhitekture sustava utječu različiti mehanizmi. Uvišemodno vlakno, dominira modalna disperzija. Ujedno{0}}modno vlakno, kromatska disperzija i disperzija polarizacijskog načina su ključni problemi. Razumijevanje mehanizma koji se odnosi na vašu vrstu vlakna prvi je korak prema pravoj odluci o dizajnu.

Što uzrokuje disperziju optičkih vlakana?

Disperzija proizlazi iz fizičkih svojstava vlakna i izvora svjetlosti. Svaki tip disperzije ima poseban uzrok:

Modalna disperzijauzrokovana je postojanjem višestrukih puteva (modova) širenja u višemodnom vlaknu. Načini višeg-reda putuju duljim učinkovitim putevima od načina-nižeg reda, tako da stižu do primatelja u različito vrijeme. Rezultat je širenje pulsa koje se pogoršava s udaljenošću. Zbog toga višemodno vlakno ima svojstvena ograničenja dosega - OM3 vlakno koje podržava 10GBASE-SR, na primjer, ocijenjeno je na samo 300 metara.

Kromatska disperzijauzrokovan je indeksom loma stakla-ovisnim o valnoj duljini. Budući da nijedan laser ne emitira savršeno jednu valnu duljinu, različite spektralne komponente putuju neznatno različitim brzinama. Kromatska disperzija ima dvije pod-komponente: disperziju materijala (iz samog stakla) i disperziju valovoda (iz geometrije omotača-jezgre vlakna). Njihov zajednički učinak određuje ukupnu kromatsku disperziju na bilo kojoj valnoj duljini. Standardno vlakno G.652 ima valnu duljinu nulte-disperzije blizu 1310 nm, zbog čega su naslijeđeni sustavi često radili tamo. Na 1550 nm - preferirani prozor za dug-put iDWDM prijenoszbog nižeg prigušenja - kromatska disperzija se značajno akumulira i mora se njome upravljati u bilo kojoj vezi izvan nekoliko desetaka kilometara pri 10 Gbps ili više.

Disperzija polarizacijskog načina (PMD)uzrokovana je asimetrijom u jezgri vlakna. U idealnom vlaknu, dva ortogonalna polarizacijska stanja putovala bi točno istom brzinom. U praksi, proizvodne nesavršenosti, mehanički stres i temperaturne varijacije uvode dvolom koji uzrokuje da jedno polarizacijsko stanje dođe malo ispred drugog. PMD je statistički učinak - on varira s vremenom i duž vlakna - što ga čini težim za kompenzaciju s fiksnim optičkim elementima. To obično postaje problem dizajna u naslijeđenim 10G i 40G vezama koje prelaze 200-300 km ili u sustavima koji ponovno koriste starije pogone vlakana s višim PMD koeficijentima (iznad 0,5 ps/√km).

Tri glavne vrste disperzije optičkih vlakana

Modalna disperzija

Modalna disperzija je dominantni limitator propusnosti u višemodnom vlaknu. To se događa jer višemodno vlakno podržava stotine ili čak tisuće načina širenja, od kojih svaki slijedi nešto drugačiji put kroz jezgru. Višemodno vlakno s graduiranim-indeksom (OM1 do OM5) smanjuje modalnu disperziju mijenjanjem profila indeksa loma u jezgri, usmjeravajući modove višeg-reda tako da se vremenom približavaju modovima nižeg-reda. Unatoč tome, efektivna modalna propusnost vlakna postavlja čvrstu gornju granicu u odnosu na umnožak brzine prijenosa × udaljenosti. Okosnica kampusa koja radi 10G preko OM3 na 300 m radi blizu tog stropa; prevazilaženje obično zahtijeva prebacivanje na jedno-modno vlakno umjesto na kompenzator disperzije.

Kromatska disperzija

Kromatska disperzija primarno je projektirano oštećenje u jedno-modalnim-sustavima dugog dometa i DWDM sustavima. Njegova veličina ovisi o tri čimbenika: koeficijentu disperzije vlakna, spektralnoj širini izvora i udaljenosti veze. Za standardno vlakno G.652 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 pri toj brzini.

Jedna nijansa vrijedna pažnje: umjerena količina kromatske disperzije zapravo može koristiti DWDM sustavima. Kao što je opisano u Corningovoj bijeloj knjizi odizajn vlakana za DWDM mreže, rezidualna disperzija smanjuje učinkovitost faznog usklađivanja četiri-valnog miješanja (FWM) - nelinearni učinak koji degradira usko raspoređene kanale. Zbog toga su razvijena vlakna s pomaknutom-disperzijom- bez nule (G.655 i G.656): ona održavaju malu, ali različitu od nule disperziju na 1550 nm za suzbijanje FWM-a dok ukupnu disperziju održavaju podesnom za upravljanje.

Disperzija polarizacijskog načina (PMD)

PMD je obično problem drugog- reda u usporedbi s kromatskom disperzijom, ali postaje značajan u određenim scenarijima. Naslijeđeni sustavi s visokom -brzinom bita (40 Gbps i više) osjetljiviji su na PMD jer kraća razdoblja bita ostavljaju manje margine za kašnjenje diferencijalne grupe (DGD). Veze koje rade preko starijih vlakana s PMD koeficijentima iznad 0,5 ps/√km - uobičajenim u kabelima instaliranim prije sredine-1990-ih - mogu naići na PMD ograničenja prije granica kromatske disperzije. U tim slučajevima PMD mjerenje i karakterizacija postaju dio procesa prihvaćanja veze. Moderno koherentnotransponderarukovati kompenzacijom PMD-a u DSP-u, što je značajno smanjilo PMD kao samostalnu prepreku postavljanja u novim verzijama.

Koja je vrsta disperzije važna u vašoj vezi?

Odgovor ovisi o vrsti vlakna, udaljenosti, brzini prijenosa podataka i arhitekturi sustava. Evo praktičnog okvira za odlučivanje:

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

Korak 2: Razmotrite valnu duljinu.Na 1310 nm, kromatska disperzija u G.652 vlaknu je blizu nule, tako da rijetko treba kompenzaciju čak i na umjerenim udaljenostima. Na 1550 nm, disperzija se nakuplja na otprilike 17 ps/(nm·km), a planiranje kompenzacije je potrebno za duže veze.

Korak 3: Procijenite brzinu prijenosa podataka.Veće brzine prijenosa imaju strožu toleranciju disperzije. 10G NRZ signal tolerira otprilike 1000 ps/nm; 40G NRZ signal tolerira samo oko 60 ps/nm. Koherentni 100G/400G sustavi koriste naprednu modulaciju i DSP koji značajno proširuju toleranciju disperzije.

Korak 4: Provjerite arhitekturu sustava.U vezi s izravnim otkrivanjem-to-točke-možda će vam trebati vanjska kompenzacija disperzije. U modernom koherentnom DWDM sustavu, DSP transpondera obično obrađuje kromatsku disperziju i PMD digitalno, često eliminirajući potrebu za samostalnim kompenzacijskim modulima.

Kada vam je potrebna kompenzacija disperzije?

Ne treba svaka poveznica zasebnu fazu kompenzacije. 10G single{2}}mode veza koja radi 20 km na 1310 nm, na primjer, nakuplja zanemarivu kromatsku disperziju i ne treba joj nikakva kompenzacija. Ali kompenzacija postaje neophodna kada se spoji nekoliko uvjeta:

Veza radi na 1550 nm na udaljenostima gdje akumulirana kromatska disperzija premašuje toleranciju prijemnika. Brzina prijenosa podataka je 10 Gbps ili veća s optikom za izravno-detektiranje. Sustav je DWDM transportna mreža s uskimproračun optičke snagei zahtjevi za umanjenje vrijednosti. Ili tvornica vlakana ima poznate probleme s PMD - starijim kabelima, zračnim rutama podložnim opterećenju vjetrom ili visoko{2}}napregnutim instalacijama.

Praktično pravilo: ako već radite proračun povezivanja i planiranje umanjenja vrijednosti, procijenite disperziju u toj istoj fazi. Rješavanje problema tijekom dizajna daleko je lakše nego rješavanje povremenih grešaka nakon postavljanja.

Uspoređene metode kompenzacije disperzije

Postoje tri glavna pristupa za upravljanje disperzijom u optičkim vezama. Svaki odgovara različitom kontekstu sustava.

Vlakno s kompenzacijom disperzije (DCF)

DCF je posebno dizajnirano vlakno s velikim negativnim koeficijentom disperzije (obično -80 do -100 ps/(nm·km) na 1550 nm). Izračunata duljina DCF-a umetnuta je u vezu - obično na mjestima pojačala - kako bi se neutralizirala pozitivna kromatska disperzija nakupljena u prijenosnom vlaknu. DCF je standardna metoda kompenzacije u 10G dugim-dostupnim i naslijeđenim DWDM sustavima više od dva desetljeća. Njegovi glavni nedostaci su dodatni uneseni gubitak (koji zahtijeva dodatno pojačanje), povećana latencija i dodatni nelinearni efekti zbog male efektivne površine DCF-a.

Vlaknasta Braggova rešetka (FBG)

FBG{0}}kompenzatori disperzije koriste periodičnu strukturu indeksa loma upisanu u kratki dio vlakna. Rešetka stvara odgode refleksije-ovisne o valnoj duljini koje preokreću disperziju akumuliranu tijekom prijenosa. FBG moduli su kompaktniji od DCF spoola i uvode manje kašnjenja. Dostupni su u varijantama s fiksnom-disperzijom i podesivim. Podesivi FBG-ovi su posebno korisni u rekonfigurabilnim DWDM mrežama gdje se mapa disperzije može promijeniti kako se kanali dodaju ili preusmjeravaju.

Elektronička i digitalna obrada signala (DSP)

Moderni koherentni optički sustavi kompenziraju disperziju digitalno u DSP prijemniku. Koherentni prijamnik hvata i amplitudu i fazu optičkog polja, što daje dovoljno informacija za DSP da računalno preokrene kromatsku disperziju i PMD. Kao što je dokumentirano od straneIEEE 802.3radne skupine i industrijske implementacije, koherentni 100G, 400G i 800G transponderi rutinski kompenziraju desetke tisuća ps/nm kromatske disperzije u DSP - potpuno eliminirajući potrebu za ugrađenim DCF ili FBG modulima. Ova promjena je iz temelja promijenila-dizajn mreže za duge udaljenosti: novije koherentne DWDM implementacije obično izostavljaju samostalni hardver za kompenzaciju disperzije.

DCF vs FBG vs DSP

Kako odabrati pravu strategiju naknade

Naslijeđeni 10G ili projektirani DWDM sustavi

U mrežama izgrađenim oko 10G izravne-detekcije ili ranih DWDM platformi, optička{2}}kompenzacija domene s DCF ili FBG često je već dio dizajna linijskog sustava. Ovi se sustavi oslanjaju na pažljive mape disperzije - planirane sekvence pozitivnih i negativnih segmenata disperzije - kako bi se akumulirana disperzija zadržala unutar tolerancije prijemnika na svakom rasponu pojačala. Ako održavate ili proširujete takvu mrežu, radite unutar postojeće mape disperzije umjesto da redizajnirate kompenzacijski pristup. Zamjenski DCF moduli ili podesivi FBG kompenzatori ovdje su standardni alati.

Suvremeni koherentni optički sustavi

Ako veza koristi koherentne transpondere (100G, 400G ili više), DSP interno obrađuje kromatsku disperziju i PMD kompenzaciju. Razgovor o dizajnu pomiče se s "Koji DCM modul trebam?" na "Koja je ukupna akumulirana disperzija i je li unutar DSP raspona transpondera?" Većina modernih koherentnih transpondera tolerira više od 50 000 ps/nm kromatske disperzije - što je ekvivalentno više od 3 000 km G.652 vlakana na 1550 nm. U ovim sustavima, samostalni DCF ili FBG moduli dodaju nepotrebne gubitke i složenost. Uklanjanje naslijeđenog DCF-a prilikom nadogradnje na koherentni uobičajeni je i dobro-dokumentirani korak optimizacije u modernizaciji-mreže dugog dometa.

Višemodne veze kratkog-dometa

Za višemodne veze u kampusu ili okruženjima podatkovnih centara proizvodi za kompenzaciju kromatske disperzije nisu relevantni. Ograničenje propusnosti je modalno, a ne kromatsko. Ako višemodna veza ne ispunjava zahtjeve performansi, prve stvari koje treba provjeriti su kvaliteta vlakana (OM3 naspram OM4 naspram OM5), duljina veze u odnosu na standard aplikacije, kvaliteta konektora ikompatibilnost primopredajnika. Nadogradnja na više-razred višemodnog vlakna ili prebacivanje na jedno-modno vlakno i optiku praktičan je put - bez dodavanja kompenzatora disperzije.

Uobičajene pogreške i zablude

Pod pretpostavkom da je svaka disperzija štetna.U DWDM sustavima, kontrolirana količina kromatske disperzije potiskuje miješanje četiri- vala i druge nelinearne kazne. Vlakna s ne-pomaknutom-disperzijom (G.655) dizajnirana su posebno za održavanje ove korisne rezidualne disperzije na 1550 nm.

Pod pretpostavkom da je za svaku vezu potrebna naknada.10G veza na 1310 nm preko 40 km G.652 vlakana dobro radi unutar tolerancije kromatske disperzije. Mnoge poslovne i metro veze ne trebaju nikakvu naknadu - optika i vlakna to sami po sebi podnose.

Pod pretpostavkom da jedno{0}}modno vlakno nema disperziju.Jedno{0}}modno vlakno eliminira modalnu disperziju, ali kromatska disperzija i PMD ostaju. Na 1550 nm, kromatska disperzija u G.652 vlaknu je značajna i mora se uzeti u obzir u bilo kojem -dizajnu dugog dosega.

Odabir metode kompenzacije prije utvrđivanja dominantnog oštećenja.DCF se bavi samo kromatskom disperzijom. FBG se bavi samo kromatskom disperzijom. DSP u koherentnim sustavima rješava i kromatsku disperziju i PMD. Odabir metode prije razumijevanja koje je oštećenje dominantno dovodi do uzaludnog truda i proračuna.

Često postavljana pitanja

Ima li jedno{0}}modno vlakno disperziju?

Da. Jedno{1}}modno vlakno eliminira modalnu disperziju jer podržava samo jedan način širenja, ali još uvijek pokazuje kromatsku disperziju i disperziju polarizacijskog načina. Kromatska disperzija u standardnom G.652 jedno-modnom vlaknu je približno 17 ps/(nm·km) na 1550 nm i blizu nule na 1310 nm.

Koja je razlika između modalne i kromatske disperzije?

Modalna disperzija uzrokovana je višestrukim svjetlosnim putevima (modovima) koji u višemodno vlakno dolaze u različito vrijeme. Kromatsku disperziju uzrokuju različite valne duljine koje putuju različitim brzinama u bilo kojoj vrsti vlakna, iako je primarno problem u jedno-modnim sustavima. Modalna disperzija utječe samo na višemodna vlakna; kromatska disperzija utječe i na višemodna i na jedno-modna vlakna, ali je projektirana prvenstveno u jedno-modnim dugo-vezama.

Kada je potrebna kompenzacija disperzije?

Kompenzacija je obično potrebna kada veza jednog-moda na 1550 nm premašuje toleranciju kromatske disperzije prijemnika - na primjer, otprilike 60 km pri 10 Gbps s NRZ modulacijom na G.652 vlaknu. U koherentnim sustavima (100G i više), DSP transpondera interno kompenzira disperziju, tako da su samostalni kompenzacijski moduli obično nepotrebni.

Može li koherentna optika eliminirati potrebu za DCF?

U većini slučajeva, da. Moderni koherentni transponderi kompenziraju kromatsku disperziju i PMD digitalno, s 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 koju DSP ne može podnijeti.

Što uzrokuje disperziju optičkih vlakana?

Glavni uzroci ovise o vrsti. Modalna disperzija uzrokovana je višestrukim putevima širenja u višemodnom vlaknu. Kromatska disperzija uzrokovana je ovisnošću o valnoj duljini indeksa loma stakla i strukture vlaknastog valovoda. PMD je uzrokovan asimetrijama i stresom u jezgri vlakna koji stvaraju različite brzine za dva polarizacijska stanja svjetlosti.

Planiranje vaše optičke veze

Razumijevanje disperzije jedan je dio veće slagalice dizajna veze koja uključuje prigušenje, gubitak konektora i proračun optičke snage. Ako projektirate ili nadograđujete optičku mrežu - bilo da se radi o kratkoj okosnici kampusa ili dugoj-transportnoj ruti - započnite identificiranjem vrste vlakna, radne valne duljine i brzine prijenosa podataka. Ta tri parametra određuju koji je mehanizam disperzije bitan i je li potrebna kompenzacija.

Za pomoć pri odabiru pravih komponenti optičke infrastrukture - uključujućivlaknasti patch kabeli, konektori i sklopovi kabela koji odgovaraju vašim zahtjevima veza - istražiteDimi's optička rješenjailiobratite se našem inženjerskom timuza-specifične smjernice za projekt.