La dispersió de fibra òptica és l'ampliació d'un pols de llum a mesura que viatja a través de la fibra. Quan els polsos s'estenen massa lluny, es superposen al receptor, provocant errors de bits que limiten tant l'amplada de banda com l'abast. En un enllaç en mode únic de 10 Gbps -que recorre 80 km a 1550 nm, per exemple, la dispersió cromàtica acumulada pot superar els 1.300 ps/nm - suficient per tancar completament el diagrama d'ulls si no es gestiona.
Per als enginyers de xarxes i dissenyadors de sistemes, la pregunta pràctica rarament és "Què és la dispersió?" sinó "Quin tipus de dispersió és dominant al meu enllaç i requereix compensació?" Aquesta guia respon a aquesta pregunta a través dels principals mecanismes de dispersió, les seves causes i els mètodes de compensació disponibles avui - des dels mòduls DCF heretats fins als DSP coherents moderns.
Què és la dispersió de fibra òptica?
La dispersió significa que un pols òptic curt no es queda curt mentre es propaga per la fibra. S'estén en el temps. Com més s'estén, més difícil es fa per al receptor distingir un bit de l'altre. Segons elEstàndard ITU-T G.652, el coeficient de dispersió cromàtica de la fibra de mode únic estàndard -s'especifica a aproximadament 17 ps/(nm·km) a prop de 1550 nm -, un paràmetre que regula directament la rapidesa amb què s'amplien els polsos a distància.
La dispersió no és un efecte únic. Els diferents tipus de fibra i arquitectures de sistemes es veuen afectats per diferents mecanismes. Enfibra multimode, domina la dispersió modal. Enfibra monomode-, la dispersió cromàtica i la dispersió del mode de polarització són les principals preocupacions. Entendre quin mecanisme s'aplica al vostre tipus de fibra és el primer pas cap a la decisió de disseny correcta.
Què causa la dispersió de la fibra òptica?
La dispersió sorgeix de les propietats físiques de la fibra i de la font de llum. Cada tipus de dispersió té una causa diferent:
Dispersió modalés causada per l'existència de múltiples camins de propagació (modes) en fibra multimode. Els modes d'ordre superior-recorren camins efectius més llargs que els modes d'ordre inferior-, de manera que arriben al receptor en moments diferents. El resultat és l'ampliació del pols que empitjora amb la distància. És per això que la fibra multimode té límits d'abast inherents - una fibra OM3 que admet 10GBASE-SR, per exemple, té una puntuació de només 300 metres.
Dispersió cromàticaés causada per l'índex de refracció del vidre{0}}depenent de la longitud d'ona. Com que cap làser emet una longitud d'ona perfectament única, diferents components espectrals viatgen a velocitats lleugerament diferents. La dispersió cromàtica té dos sub-components: la dispersió del material (del propi vidre) i la dispersió de la guia d'ones (de la geometria del revestiment del nucli-de la fibra). El seu efecte combinat determina la dispersió cromàtica total a qualsevol longitud d'ona donada. La fibra estàndard G.652 té una longitud d'ona de dispersió zero-a prop de 1310 nm, motiu pel qual els sistemes heretats sovint funcionaven allà. A 1.550 nm - la finestra preferida per a-larg recorregut iTransmissió DWDMa causa d'una atenuació més baixa, - la dispersió cromàtica s'acumula significativament i s'ha de gestionar en qualsevol enllaç més enllà d'unes desenes de quilòmetres a 10 Gbps o més.
Dispersió en mode de polarització (PMD)és causada per asimetries al nucli de la fibra. En una fibra ideal, dos estats de polarització ortogonal viatjarien exactament a la mateixa velocitat. A la pràctica, les imperfeccions de fabricació, l'estrès mecànic i les variacions de temperatura introdueixen birrefringència que fa que un estat de polarització arribi lleugerament per davant de l'altre. El PMD és un efecte estadístic - que varia amb el temps i al llarg de la fibra - que fa que sigui més difícil de compensar amb elements òptics fixos. Normalment es converteix en una preocupació de disseny en enllaços 10G i 40G heretats que superen els 200-300 km, o en sistemes que reutilitzen plantes de fibra més antigues amb coeficients PMD més alts (per sobre de 0,5 ps/√km).
Els tres tipus principals de dispersió de fibra òptica
Dispersió modal
La dispersió modal és el limitador d'amplada de banda dominant a la fibra multimode. Es produeix perquè la fibra multimode admet centenars o fins i tot milers de modes de propagació, cadascun seguint un camí lleugerament diferent a través del nucli. La fibra multimode d'índex-graduat (OM1 a OM5) redueix la dispersió modal variant el perfil de l'índex de refracció al nucli, dirigint els modes d'ordre més alt-perquè arribin més a prop en el temps dels modes d'ordre inferior-. Tot i així, l'ample de banda modal efectiu de la fibra estableix un sostre dur en el producte de velocitat de bits × distància. A prop d'aquest sostre funciona una columna vertebral del campus amb 10G sobre OM3 a 300 m; per avançar més enllà, normalment cal canviar a una fibra de mode únic{12}}en lloc d'un compensador de dispersió.
Dispersió cromàtica
La dispersió cromàtica és la principal alteració dissenyada en sistemes DWDM i DWDM{0}}mode únic de llarg-. La seva magnitud depèn de tres factors: el coeficient de dispersió de la fibra, l'amplada espectral de la font i la distància de l'enllaç. Per a una fibra G.652 estàndard a 1550 nm, la dispersió acumulada en 100 km és d'aproximadament 1.700 ps/nm. A 10 Gbps (modulació NRZ), la tolerància de dispersió és d'aproximadament 1.000 ps/nm, el que significa que un enllaç no compensat a 1550 nm està limitat a uns 60 km a aquesta velocitat.
Un matís que val la pena destacar: una quantitat moderada de dispersió cromàtica pot beneficiar els sistemes DWDM. Tal com es descriu al llibre blanc de Corning sobredisseny de fibra per a xarxes DWDM, la dispersió residual redueix l'eficiència de concordança de fase de quatre-mescla d'ones (FWM) - un efecte no lineal que degrada canals molt espaiats. És per això que es van desenvolupar fibres desplaçades amb -dispersió nul·la- (G.655 i G.656): mantenen una dispersió petita però diferent de zero a 1550 nm per suprimir FWM alhora que mantenen la dispersió total manejable.
Mode de dispersió de polarització (PMD)
La PMD sol ser una preocupació de segon-ordre en comparació amb la dispersió cromàtica, però esdevé important en escenaris específics. Els sistemes heretats de -bits elevats (40 Gbps i més) són més sensibles a PMD perquè els períodes de bits més curts deixen menys marge per al retard de grup diferencial (DGD). Els enllaços que passen per fibra antiga amb coeficients PMD superiors a 0,5 ps/√km - comuns als cables instal·lats abans de mitjans-de la dècada de 1990 - poden trobar límits PMD abans dels límits de dispersió cromàtica. En aquests casos, el mesurament i la caracterització de PMD formen part del procés d'acceptació de l'enllaç. Modern coherenttranspondersgestionar la compensació de PMD a DSP, que ha reduït significativament la PMD com a barrera de desplegament autònoma en noves compilacions.
Quin tipus de dispersió importa al vostre enllaç?
La resposta depèn del tipus de fibra, la distància, la velocitat de dades i l'arquitectura del sistema. Aquí teniu un marc pràctic de decisió:
Pas 1: identifiqueu el tipus de fibra.Si esteu treballant amb fibra multimode (OM1–OM5), la dispersió modal és la vostra principal preocupació. La dispersió cromàtica i la PMD són insignificants a distàncies multimodes típiques. Si esteu treballant amb fibra-mode únic (OS1 o OS2), aneu al pas 2.
Pas 2: considereu la longitud d'ona.A 1310 nm, la dispersió cromàtica a la fibra G.652 és gairebé zero, de manera que rarament necessita compensació fins i tot a distàncies moderades. A 1550 nm, la dispersió s'acumula a aproximadament 17 ps/(nm·km) i es necessita una planificació de compensació per a enllaços més llargs.
Pas 3: avalueu la velocitat de dades.Les taxes de bits més altes tenen toleràncies de dispersió més estrictes. Un senyal NRZ de 10G tolera aproximadament 1.000 ps/nm; un senyal NRZ de 40G només tolera uns 60 ps/nm. Els sistemes coherents 100G/400G utilitzen modulació avançada i DSP que amplien significativament la tolerància de dispersió.
Pas 4: comproveu l'arquitectura del sistema.En un enllaç de detecció directa-a-punt-punt a punt, és possible que necessiteu una compensació de dispersió externa. En un sistema DWDM coherent modern, el transponder DSP normalment gestiona la dispersió cromàtica i el PMD digitalment, eliminant sovint la necessitat de mòduls de compensació autònoms.
Quan necessiteu una compensació per dispersió?
No tots els enllaços necessiten una etapa de compensació independent. Un enllaç-mode únic 10G que recorre 20 km a 1310 nm, per exemple, acumula una dispersió cromàtica insignificant i no necessita cap compensació. Però la compensació es fa necessària quan convergeixen diverses condicions:
L'enllaç funciona a 1550 nm en distàncies on la dispersió cromàtica acumulada supera la tolerància del receptor. La velocitat de dades és de 10 Gbps o més amb l'òptica de detecció directa-. El sistema és una xarxa de transport DWDM amb estretapressupost d'energia òpticai requisits de deteriorament. O la planta de fibra ha conegut problemes amb PMD - cables més antics, rutes aèries subjectes a càrregues de vent o instal·lacions d'alt-estrès.
La regla pràctica: si ja esteu fent pressupost d'enllaç i planificació de deteriorament, avalueu la dispersió en aquesta mateixa fase. Abordar-lo durant el disseny és molt més fàcil que solucionar errors intermitents després del desplegament.
Mètodes de compensació de dispersió comparats
Existeixen tres enfocaments principals per gestionar la dispersió en els enllaços de fibra. Cadascun s'adapta a un context de sistema diferent.
Fibra compensadora de dispersió (DCF)
El DCF és una fibra especialment dissenyada amb un gran coeficient de dispersió negatiu (normalment entre -80 i -100 ps/(nm·km) a 1550 nm). Una longitud calculada de DCF s'insereix a l'enllaç - normalment als llocs de l'amplificador - per compensar la dispersió cromàtica positiva acumulada a la fibra de transmissió. DCF ha estat el mètode de compensació estàndard en sistemes DWDM heretats i de llarg-de 10G durant més de dues dècades. Els seus principals inconvenients són la pèrdua d'inserció afegida (que requereix una amplificació addicional), l'augment de la latència i efectes no lineals afegits a causa de la petita àrea efectiva de DCF.
Reixa de Bragg de fibra (FBG)
Els compensadors de dispersió basats en FBG-utilitzen una estructura periòdica d'índex de refracció escrita en una secció curta de fibra. La xarxa crea retards de reflexió depenent de la longitud d'ona-que inverteixen la dispersió acumulada durant la transmissió. Els mòduls FBG són més compactes que els spools DCF i introdueixen menys latència. Estan disponibles en variants de-dispersió fixa i ajustables. Els FBG ajustables són especialment útils en xarxes DWDM reconfigurables on el mapa de dispersió pot canviar a mesura que s'afegeixen o reencaminen canals.
Processament electrònic i digital del senyal (DSP)
Els moderns sistemes òptics coherents compensen la dispersió digitalment en el receptor DSP. El receptor coherent captura tant l'amplitud com la fase del camp òptic, que proporciona informació suficient perquè el DSP inverteixi la dispersió cromàtica i el PMD computacionalment. Tal com documenta elIEEE 802.3grups de treball i implementacions del sector, els transpondedors coherents de 100G, 400G i 800G compensen habitualment desenes de milers de ps/nm de dispersió cromàtica en DSP - eliminant completament la necessitat de mòduls DCF o FBG en línia. Aquest canvi ha canviat fonamentalment el disseny de la xarxa-de llarg recorregut: els desplegaments DWDM coherents més nous solen ometre el maquinari de compensació de dispersió autònom.
DCF vs FBG vs DSP
| Paràmetre | DCF | FBG | DSP (coherent) |
|---|---|---|---|
| Domini de compensació | Òptic | Òptic | Electrònica |
| Aplicació típica | DWDM heretat de 10 G-de llarg recorregut | DWDM, xarxes reconfigurables | Sistemes coherents 100G/400G/800G |
| Maneja la PMD? | No | No (piulava FBG parcialment) | Sí |
| Pèrdua d'inserció afegida | Alt (de 5 a 10 dB típic) | De baix a moderat | Cap (electrònic) |
| Sintonització | Arreglat | Fixa o ajustable | Totalment adaptatiu |
| Mida i desplegament | Grans bobines de fibra als llocs d'amplificació | Mòduls compactes | Integrat al transponder |
| Rellevància en noves construccions | Declinant | Nínxol | Estàndard |
Com triar l'estratègia de compensació adequada
10G heretat o sistemes DWDM dissenyats
A les xarxes construïdes al voltant de les plataformes de detecció directa-10G o DWDM primerenques, la compensació de domini òptic{{2}con DCF o FBG sovint ja forma part del disseny del sistema de línia. Aquests sistemes es basen en mapes de dispersió acurats - seqüències planificades de segments de dispersió positius i negatius - per mantenir la dispersió acumulada dins de la tolerància del receptor a cada interval de l'amplificador. Si esteu mantenint o ampliant aquesta xarxa, treballeu dins del mapa de dispersió existent en lloc de redissenyar l'enfocament de compensació. Els mòduls DCF de substitució o els compensadors FBG ajustables són les eines estàndard aquí.
Sistemes òptics coherents moderns
Si l'enllaç utilitza transpondedors coherents (100G, 400G o més enllà), DSP gestiona la dispersió cromàtica i la compensació PMD internament. La conversa de disseny passa de "Quin mòdul DCM necessito?" a "Quina és la dispersió total acumulada i es troba dins del rang DSP del transpondedor?" La majoria dels transponders coherents moderns toleren més de 50.000 ps/nm de dispersió cromàtica - equivalent a més de 3.000 km de fibra G.652 a 1550 nm. En aquests sistemes, els mòduls DCF o FBG autònoms afegeixen pèrdues i complexitat innecessàries. L'eliminació del DCF heretat quan s'actualitza a coherent és un pas d'optimització comú i{12}}ben documentat en la modernització de la xarxa-de llarg recorregut.
Enllaços d'-abast curt multimode
Per als enllaços multimode en entorns de campus o centres de dades, els productes de compensació de dispersió cromàtica són irrellevants. La limitació de l'ample de banda és modal, no cromàtica. Si un enllaç multimode no compleix els requisits de rendiment, les primeres coses a comprovar són el grau de fibra (OM3 vs OM4 vs OM5), la longitud de l'enllaç en relació amb l'estàndard de l'aplicació, la qualitat del connector icompatibilitat amb el transceptor. Actualitzar a una fibra multimode de grau-superior o canviar a fibra òptica i-mode únic és el camí pràctic - sense afegir un compensador de dispersió.
Errors comuns i idees errònies
Suposant que tota dispersió és perjudicial.En els sistemes DWDM, una quantitat controlada de dispersió cromàtica suprimeix la mescla de quatre-ones i altres penalitzacions no lineals. Les fibres desplaçades de -dispersió zero- (G.655) es van dissenyar específicament per mantenir aquesta dispersió residual beneficiosa a 1550 nm.
Suposant que cada enllaç necessita una compensació.Un enllaç 10G a 1310 nm sobre 40 km de fibra G.652 funciona bé amb la tolerància de dispersió cromàtica. Molts enllaços empresarials i de metro no necessiten cap compensació - l'òptica i la fibra ho gestionen de manera inherent.
Suposant que la fibra de mode únic-no té dispersió.La fibra de mode únic-elimina la dispersió modal, però la dispersió cromàtica i la PMD es mantenen. A 1550 nm, la dispersió cromàtica a la fibra G.652 és substancial i s'ha de tenir en compte en qualsevol disseny-de llarg abast.
Seleccionar un mètode de compensació abans d'identificar el deteriorament dominant.DCF només aborda la dispersió cromàtica. FBG només aborda la dispersió cromàtica. DSP en sistemes coherents aborda tant la dispersió cromàtica com la PMD. L'elecció del mètode abans d'entendre quina deterioració és dominant comporta una pèrdua d'esforç i pressupost.
Preguntes freqüents
La fibra-mode únic té dispersió?
Sí. La fibra de mode únic-elimina la dispersió modal perquè només admet un mode de propagació, però encara presenta dispersió cromàtica i dispersió en mode de polarització. La dispersió cromàtica a la fibra de mode únic G.652 estàndard és d'aproximadament 17 ps/(nm·km) a 1550 nm i gairebé zero a 1310 nm.
Quina diferència hi ha entre la dispersió modal i la cromàtica?
La dispersió modal és causada per múltiples camins de llum (modes) que arriben en diferents moments en fibra multimode. La dispersió cromàtica és causada per diferents longituds d'ona que viatgen a diferents velocitats en qualsevol tipus de fibra, tot i que és principalment una preocupació en sistemes de mode únic-. La dispersió modal només afecta la fibra multimode; La dispersió cromàtica afecta tant la fibra multimode com la fibra monomode-, però està dissenyada principalment en enllaços de llarg-mode-únic.
Quan és necessària la compensació de dispersió?
Normalment, la compensació és necessària quan un enllaç en mode únic-a 1550 nm supera la tolerància de dispersió cromàtica del receptor -, per exemple, aproximadament 60 km a 10 Gbps amb modulació NRZ a la fibra G.652. En sistemes coherents (100G i superiors), el DSP del transpondedor compensa la dispersió internament, de manera que els mòduls de compensació autònoms solen ser innecessaris.
L'òptica coherent pot eliminar la necessitat de DCF?
En la majoria dels casos, sí. Els transponders coherents moderns compensen la dispersió cromàtica i el PMD digitalment, amb una tolerància típica de CD superior a 50.000 ps/nm. Molts operadors eliminen activament el DCF heretat quan s'actualitzen a plataformes coherents, perquè el DCF afegeix pèrdua d'inserció sense proporcionar un benefici que el DSP no pot gestionar.
Què causa la dispersió de la fibra òptica?
Les causes arrels depenen del tipus. La dispersió modal és causada per múltiples camins de propagació en fibra multimode. La dispersió cromàtica és causada per la dependència de la longitud d'ona de l'índex de refracció del vidre i l'estructura de la guia d'ona de la fibra. La PMD és causada per asimetries i tensió al nucli de la fibra que creen diferents velocitats per als dos estats de polarització de la llum.
Planificació del vostre enllaç de fibra
Entendre la dispersió és una peça d'un trencaclosques de disseny d'enllaç més gran que inclou atenuació, pèrdua de connectors i pressupost de potència òptica. Si esteu dissenyant o actualitzant una xarxa de fibra - ja sigui una xarxa troncal de campus curta o una-ruta de transport de llarg recorregut -, comenceu per identificar el tipus de fibra, la longitud d'ona de funcionament i la velocitat de dades. Aquests tres paràmetres determinen quin mecanisme de dispersió és important i si cal una compensació.
Per obtenir ajuda per seleccionar els components adequats d'infraestructura de fibra - inclòscordons de connexió de fibra, connectors i conjunts de cables adequats als vostres requisits d'enllaç - exploreuSolucions de fibra òptica de Dimiocontacteu amb el nostre equip d'enginyeriaper obtenir una guia específica del projecte-.
