Optiskās šķiedras dispersija: veidi, cēloņi un kad to labot

Optiskās šķiedras dispersija ir gaismas impulsa paplašināšanās, kad tas pārvietojas pa šķiedru. Kad impulsi izplatās pārāk tālu, tie pārklājas uztvērējā, radot bitu kļūdas, kas ierobežo gan joslas platumu, gan sasniedzamību. Piemēram, 10 Gb/s viena režīma saitē, kas darbojas 80 km pie 1550 nm, uzkrātā hromatiskā izkliede var pārsniegt 1300 ps/nm -, kas ir pietiekami, lai pilnībā aizvērtu acu diagrammu, ja tā netiek pārvaldīta.

Tīkla inženieriem un sistēmu dizaineriem praktisks jautājums reti ir "Kas ir dispersija?" bet gan drīzāk "Kāds izkliedes veids ir dominējošais manā saitē un vai tas prasa kompensāciju?" Šajā ceļvedī ir sniegta atbilde uz šo jautājumu, apskatot galvenos izkliedes mehānismus, to cēloņus un mūsdienās pieejamās kompensācijas metodes - no mantotajiem DCF moduļiem līdz mūsdienīgai saskaņotai DSP.
 

Kas ir optiskās šķiedras dispersija?

Dispersija nozīmē, ka īss optiskais impulss nepaliek īss, kad tas izplatās caur šķiedru. Tas izplatās laikā. Jo vairāk tas izplatās, jo grūtāk uztvērējam ir atšķirt vienu bitu no nākamā. Saskaņā arITU-T G.652 standarts, standarta vienmoda šķiedras hromatiskās dispersijas koeficients ir norādīts aptuveni 17 ps/(nm·km) pie 1550 nm - — parametrs, kas tieši nosaka impulsu paplašināšanās ātrumu attālumā.

Izkliede nav viens efekts. Dažādus šķiedru veidus un sistēmu arhitektūras ietekmē dažādi mehānismi. Indaudzmodu šķiedra, dominē modālā dispersija. Inviena{0}}moda šķiedra, galvenās bažas rada hromatiskā dispersija un polarizācijas režīma dispersija. Izpratne par to, kurš mehānisms attiecas uz jūsu šķiedras veidu, ir pirmais solis ceļā uz pareizo dizaina lēmumu.

Kas izraisa optiskās šķiedras dispersiju?

Izkliede rodas no šķiedras un gaismas avota fizikālajām īpašībām. Katram dispersijas veidam ir atsevišķs iemesls:

Modālā dispersijaizraisa vairāku izplatīšanās ceļu (režīmu) esamība daudzmodu šķiedrā. Augstākas-kārtības režīmi dodas garāku efektīvo ceļu nekā zemākas-kārtības režīmi, tāpēc tie nonāk pie saņēmēja dažādos laikos. Rezultāts ir pulsa paplašināšanās, kas pasliktinās līdz ar attālumu. Tāpēc daudzmodu šķiedrai ir raksturīgi sasniedzamības ierobežojumi -, piemēram, OM3 šķiedra, kas atbalsta 10 GBASE-SR, ir paredzēta tikai 300 metriem.

Hromatiskā dispersijaizraisa no viļņa garuma{0}}atkarīgais stikla laušanas koeficients. Tā kā neviens lāzers neizstaro pilnīgi vienu viļņa garumu, dažādi spektra komponenti pārvietojas ar nedaudz atšķirīgu ātrumu. Hromatiskajai dispersijai ir divas apakš-komponentes: materiāla dispersija (no paša stikla) ​​un viļņvada dispersija (no šķiedras kodola-apšuvuma ģeometrijas). To kopējā ietekme nosaka kopējo hromatisko dispersiju jebkurā noteiktā viļņa garumā. Standarta G.652 šķiedrai ir nulles -dispersijas viļņa garums tuvu 1310 nm, tāpēc tur bieži darbojās mantotās sistēmas. Pie 1550 nm - vēlamais logs tālsatiksmes{13}}unDWDM pārraidemazāka vājinājuma dēļ - hromatiskā izkliede ievērojami uzkrājas, un tā ir jāpārvalda jebkurā saitē tālāk par dažiem desmitiem kilometru ar ātrumu 10 Gb/s vai vairāk.

Polarizācijas režīma dispersija (PMD)izraisa asimetrija šķiedras kodolā. Ideālā šķiedrā divi ortogonālie polarizācijas stāvokļi pārvietotos ar tieši tādu pašu ātrumu. Praksē ražošanas nepilnības, mehāniskais spriegums un temperatūras svārstības rada divkāršu laušanu, kas izraisa vienu polarizācijas stāvokli, kas nedaudz pārsniedz otru. PMD ir statistisks efekts - tas mainās atkarībā no laika un gar šķiedru -, kas apgrūtina kompensāciju ar fiksētiem optiskajiem elementiem. Parasti tas kļūst par dizaina problēmu mantotajās 10G un 40G saitēs, kuru garums pārsniedz 200–300 km, vai sistēmās, kurās atkārtoti izmanto vecāku šķiedru iekārtu ar augstākiem PMD koeficientiem (virs 0,5 ps/√km).

Trīs galvenie optisko šķiedru dispersijas veidi

Modālā dispersija

Modālā dispersija ir dominējošais joslas platuma ierobežotājs daudzmodu šķiedrā. Tas notiek tāpēc, ka daudzmodu šķiedra atbalsta simtiem vai pat tūkstošiem izplatīšanās režīmu, katrs iet nedaudz atšķirīgu ceļu caur kodolu. Pakāpeniskā-indeksa daudzmodu šķiedra (OM1 līdz OM5) samazina modālo izkliedi, mainot refrakcijas indeksa profilu visā kodolā, vadot augstākas-kārtības režīmus, lai tie nonāktu tuvāk zemākas-kārtības režīmiem. Neskatoties uz to, šķiedras efektīvais modālais joslas platums nosaka bitu pārraides ātruma × attāluma produkta stingrus griestus. Netālu no šiem griestiem darbojas universitātes pilsētiņas mugurkauls, kas nodrošina 10 G pārraidi virs OM3 300 m augstumā; Lai to sasniegtu, parasti ir nepieciešams pārslēgties uz vienmoda{12}}šķiedru, nevis dispersijas kompensatoru.

Hromatiskā dispersija

Hromatiskā izkliede ir primārais inženierijas radītais traucējums viena{0}}režīma garās-sasniedzamības un DWDM sistēmās. Tās lielums ir atkarīgs no trim faktoriem: šķiedras dispersijas koeficienta, avota spektrālā platuma un saites attāluma. Standarta G.652 šķiedrai pie 1550 nm uzkrātā dispersija 100 km garumā ir aptuveni 1700 ps/nm. Pie 10 Gbps (NRZ modulācija) dispersijas pielaide ir aptuveni 1000 ps/nm, kas nozīmē, ka nekompensēta saite pie 1550 nm ir ierobežota līdz aptuveni 60 km ar šo ātrumu.

Viena nianse, ko vērts atzīmēt: mērens hromatiskās dispersijas daudzums faktiski var dot labumu DWDM sistēmām. Kā aprakstīts Korninga baltajā grāmatā paršķiedru dizains DWDM tīkliem, atlikušā dispersija samazina četru -viļņu sajaukšanas (FWM) - fāzu saskaņošanas efektivitāti, kas ir nelineārs efekts, kas degradē cieši izvietotus kanālus. Tāpēc tika izstrādātas bez-nulles dispersijas-nobīdītās šķiedras (G.655 un G.656): tās saglabā nelielu, bet nulles dispersiju pie 1550 nm, lai nomāktu FWM, vienlaikus saglabājot pārvaldāmu kopējo dispersiju.

Polarizācijas režīma dispersija (PMD)

Salīdzinot ar hromatisko izkliedi, PMD parasti ir otrās kārtas problēma, taču tā kļūst nozīmīga konkrētos scenārijos. Mantotās sistēmas ar lielu bitu{2} ātrumu (40 Gb/s un vairāk) ir jutīgākas pret PMD, jo īsāki bitu periodi atstāj mazāku rezervi diferenciālajai grupas aizkavei (DGD). Saites, kas darbojas pa vecāku šķiedru ar PMD koeficientu virs 0,5 ps/√km -, ir izplatītas kabeļos, kas uzstādīti pirms -90. gadu vidus — var rasties PMD ierobežojumi pirms hromatiskās izkliedes ierobežojumiem. Šādos gadījumos PMD mērīšana un raksturojums kļūst par daļu no saites pieņemšanas procesa. Mūsdienīgi sakarīgitransponderiapstrādāt PMD kompensāciju DSP, kas ir ievērojami samazinājis PMD kā atsevišķu izvietošanas barjeru jaunās versijās.

Kuram dispersijas veidam ir nozīme jūsu saitē?

Atbilde ir atkarīga no jūsu šķiedras veida, attāluma, datu pārraides ātruma un sistēmas arhitektūras. Šeit ir praktiska lēmumu sistēma:

1. darbība: nosakiet šķiedras veidu.Ja strādājat ar daudzmodu šķiedru (OM1–OM5), modālā izkliede ir jūsu galvenā problēma. Hromatiskā dispersija un PMD ir nenozīmīgas tipiskos vairāku režīmu attālumos. Ja strādājat ar viena -moda šķiedru (OS1 vai OS2), pārejiet uz 2. darbību.

2. darbība. Apsveriet viļņa garumu.Pie 1310 nm hromatiskā dispersija G.652 šķiedrā ir tuvu nullei, tāpēc tai reti nepieciešama kompensācija pat mērenos attālumos. Pie 1550 nm dispersija uzkrājas pie aptuveni 17 ps/(nm·km), un garākām saitēm ir nepieciešama kompensācijas plānošana.

3. darbība. Novērtējiet datu pārraides ātrumu.Lielākiem bitu pārraides ātrumiem ir stingrākas dispersijas pielaides. 10G NRZ signāls pieļauj aptuveni 1000 ps/nm; 40G NRZ signāls pieļauj tikai aptuveni 60 ps/nm. Saskaņotās 100G/400G sistēmās tiek izmantota uzlabota modulācija un DSP, kas ievērojami paplašina dispersijas toleranci.

4. darbība: pārbaudiet sistēmas arhitektūru.Punkta -norādīt-norādīt tiešās-noteikšanas saitē, iespējams, būs nepieciešama ārēja izkliedes kompensācija. Mūsdienīgā saskaņotā DWDM sistēmā transpondera DSP parasti apstrādā hromatisko izkliedi un PMD digitāli, bieži novēršot vajadzību pēc atsevišķiem kompensācijas moduļiem.

Kad nepieciešama dispersijas kompensācija?

Ne katrai saitei ir nepieciešams atsevišķs kompensācijas posms. Piemēram, 10 G viena režīma saite, kas darbojas 20 km pie 1310 nm, uzkrāj nenozīmīgu hromatisko izkliedi, un tai nav nepieciešama kompensācija. Bet kompensācija kļūst nepieciešama, ja saplūst vairāki nosacījumi:

Saite darbojas ar 1550 nm attālumos, kur uzkrātā hromatiskā dispersija pārsniedz uztvērēja pielaidi. Datu pārraides ātrums ir 10 Gb/s vai lielāks ar tiešās-noteikšanas optiku. Sistēma ir DWDM transporta tīkls ar saspringtuoptiskās jaudas budžetsun vērtības samazināšanās prasības. Vai arī šķiedru rūpnīcai ir zināmas PMD problēmas - vecākiem kabeļiem, gaisa ceļiem, kas pakļauti vēja slodzei, vai augstas{2}}sprieguma instalācijām.

Praktiskais noteikums: ja jūs jau plānojat saiknes budžetu un vērtības samazināšanos, novērtējiet izkliedi tajā pašā fāzē. To novērst projektēšanas laikā ir daudz vienkāršāk nekā novērst periodiskas kļūdas pēc izvietošanas.

Salīdzinātas dispersijas kompensācijas metodes

Šķiedru saišu izkliedes pārvaldībai ir trīs galvenās pieejas. Katrs atbilst citam sistēmas kontekstam.

Dispersijas kompensējošā šķiedra (DCF)

DCF ir īpaši izstrādāta šķiedra ar lielu negatīvu dispersijas koeficientu (parasti no –80 līdz –100 ps/(nm·km) pie 1550 nm). Aprēķinātais DCF garums tiek ievietots saitē -, parasti pastiprinātāja vietās -, lai kompensētu pārraides šķiedrā uzkrāto pozitīvo hromatisko dispersiju. DCF ir bijusi standarta kompensācijas metode 10 G tālsatiksmes{8}}un mantotās DWDM sistēmās vairāk nekā divus gadu desmitus. Tās galvenie trūkumi ir pievienotie ievietošanas zudumi (nepieciešams papildu pastiprināšana), palielināts latentums un pievienotie nelineārie efekti, pateicoties mazajam DCF efektīvā laukumam.

Fiber Bragg režģis (FBG)

Izkliedes kompensatori, kuru pamatā ir FBG-, izmanto periodisku refrakcijas indeksa struktūru, kas ierakstīta īsā šķiedras daļā. Režģis rada no viļņa garuma{2}}atkarīgu atstarošanas aizkavi, kas maina pārraides laikā uzkrāto izkliedi. FBG moduļi ir kompaktāki nekā DCF spoles un nodrošina mazāku latentumu. Tie ir pieejami fiksētas-dispersijas un noskaņojamos variantos. Noskaņojamie FBG ir īpaši noderīgi pārkonfigurējamos DWDM tīklos, kur izkliedes karte var mainīties, pievienojot vai mainot kanālus.

Elektroniskā un digitālā signālu apstrāde (DSP)

Mūsdienu koherentās optiskās sistēmas digitāli kompensē izkliedi uztvērēja DSP. Koherentais uztvērējs uztver gan optiskā lauka amplitūdu, gan fāzi, kas nodrošina pietiekami daudz informācijas, lai DSP varētu mainīt hromatisko dispersiju un PMD skaitļošanas veidā. Kā dokumentējisIEEE 802.3darba grupas un nozares ieviešanas, saskaņoti 100G, 400G un 800G transponderi regulāri kompensē desmitiem tūkstošu ps/nm hromatiskās dispersijas DSP -, pilnībā novēršot vajadzību pēc iebūvētiem DCF vai FBG moduļiem. Šīs izmaiņas ir būtiski mainījušas tālsatiksmes{5}}tīkla dizainu: jaunākos saskaņotajos DWDM izvietojumos parasti netiek izmantota atsevišķa izkliedes kompensācijas aparatūra.

DCF vs FBG vs DSP

Kā izvēlēties pareizo kompensācijas stratēģiju

Mantotas 10G vai izstrādātas DWDM sistēmas

Tīklos, kas izveidoti ap 10G tiešās-detektēšanas vai agrīnās DWDM platformām, optiskā-domēna kompensācija ar DCF vai FBG bieži jau ir daļa no līniju sistēmas dizaina. Šīs sistēmas balstās uz rūpīgām izkliedes kartēm - plānotajām pozitīvo un negatīvo dispersijas segmentu sekvencēm -, lai saglabātu uzkrāto izkliedi uztvērēja pielaides robežās katrā pastiprinātāja diapazonā. Ja uzturat vai paplašināt šādu tīklu, strādājiet esošajā izkliedes kartē, nevis pārveidojiet kompensācijas pieeju. Rezerves DCF moduļi vai noskaņojami FBG kompensatori šeit ir standarta rīki.

Mūsdienu koherentās optiskās sistēmas

Ja saite izmanto saskaņotus transponderus (100G, 400G vai vairāk), DSP apstrādā hromatisko izkliedi un PMD kompensāciju iekšēji. Dizaina saruna pāriet no "Kurš DCM modulis man ir nepieciešams?" uz "Kāda ir kopējā uzkrātā dispersija, un vai tā ir transpondera DSP diapazonā?" Lielākā daļa mūsdienu koherento transponderu panes daudz vairāk nekā 50 000 ps/nm hromatisko dispersiju -, kas atbilst vairāk nekā 3000 km G.652 šķiedras pie 1550 nm. Šajās sistēmās atsevišķi DCF vai FBG moduļi rada nevajadzīgus zaudējumus un sarežģītību. Mantotā DCF noņemšana, veicot jaunināšanu uz saskaņoto, ir izplatīts un labi{12}}dokumentēts optimizācijas solis tālsatiksmes tīkla modernizēšanā.

Daudzrežīmu īsās{0}}sasniedzamības saites

Daudzmodu saitēm universitātes pilsētiņā vai datu centru vidē hromatiskās dispersijas kompensācijas produkti nav svarīgi. Joslas platuma ierobežojums ir modāls, nevis hromatisks. Ja vairāku režīmu saite neatbilst veiktspējas prasībām, vispirms jāpārbauda šķiedras pakāpe (OM3 pret OM4 pret OM5), saites garums attiecībā pret lietojumprogrammas standartu, savienotāja kvalitāte unraiduztvērēja saderība. Jaunināšana uz augstākas-pakāpes daudzmodu šķiedru vai pāreja uz viena-moda šķiedru un optiku ir praktisks ceļš, - nepievienojot dispersijas kompensatoru.

Izplatītas kļūdas un maldīgi priekšstati

Pieņemot, ka visa izkliede ir kaitīga.DWDM sistēmās kontrolēts hromatiskās dispersijas daudzums nomāc četrus{0}}viļņu sajaukšanos un citus nelineārus sodus. Šķiedras bez -nulles dispersijas-nobīdes (G.655) tika īpaši izstrādātas, lai uzturētu šo labvēlīgo atlikušo dispersiju pie 1550 nm.

Pieņemot, ka katrai saitei ir nepieciešama kompensācija.10G saite pie 1310 nm 40 km garumā G.652 šķiedras labi darbojas hromatiskās dispersijas pielaides robežās. Daudzām uzņēmumu un lielpilsētu saitēm nav vajadzīga nekāda kompensācija - optika un optiskās šķiedras to risina pēc būtības.

Pieņemot, ka vienmoda{0}}šķiedrai nav izkliedes.Viena{0}}moda šķiedra novērš modālo izkliedi, taču saglabājas hromatiskā izkliede un PMD. Pie 1550 nm hromatiskā izkliede G.652 šķiedrā ir ievērojama, un tā ir jāņem vērā jebkurā garā-nodrošinājumā.

Kompensācijas metodes izvēle pirms dominējošā stāvokļa pasliktināšanās noteikšanas.DCF attiecas tikai uz hromatisko dispersiju. FBG attiecas tikai uz hromatisko dispersiju. DSP koherentās sistēmās attiecas gan uz hromatisko dispersiju, gan PMD. Metodes izvēle pirms izpratnes par to, kuri traucējumi ir dominējošie, noved pie izšķērdētas pūles un budžeta.

Bieži uzdotie jautājumi

Vai vienmoda{0}}šķiedrai ir izkliede?

Jā. Viena-režīmu šķiedra novērš modālo izkliedi, jo tā atbalsta tikai vienu izplatīšanās režīmu, taču tai joprojām ir hromatiskā dispersija un polarizācijas režīma izkliede. Hromatiskā dispersija standarta G.652 vienmoda šķiedrā ir aptuveni 17 ps/(nm·km) pie 1550 nm un tuvu nullei pie 1310 nm.

Kāda ir atšķirība starp modālo un hromatisko dispersiju?

Modālu izkliedi izraisa vairāki gaismas ceļi (režīmi), kas dažādos laikos nonāk daudzmodu šķiedrā. Hromatisko izkliedi izraisa dažādi viļņu garumi, kas pārvietojas ar atšķirīgu ātrumu jebkura veida šķiedrām, lai gan tas galvenokārt rada bažas vienmoda sistēmās. Modālā izkliede ietekmē tikai daudzmodu šķiedru; hromatiskā izkliede ietekmē gan daudzmodu, gan viena-moda šķiedru, taču tā galvenokārt ir izstrādāta viena-režīma garās{5}}sasniedzamības saitēs.

Kad ir nepieciešama dispersijas kompensācija?

Kompensācija parasti ir nepieciešama, ja viena -režīma saite pie 1550 nm pārsniedz uztvērēja hromatiskās dispersijas toleranci -, piemēram, aptuveni 60 km pie 10 Gb/s ar NRZ modulāciju uz G.652 šķiedras. Saskaņotās sistēmās (100 G un vairāk) transpondera DSP kompensē izkliedi iekšēji, tāpēc atsevišķi kompensācijas moduļi parasti nav nepieciešami.

Vai koherenta optika var novērst vajadzību pēc DCF?

Vairumā gadījumu jā. Mūsdienu koherentie transponderi kompensē hromatisko izkliedi un PMD digitāli ar tipisku CD pielaidi, kas pārsniedz 50 000 ps/nm. Daudzi operatori, veicot jaunināšanu uz saskaņotām platformām, aktīvi noņem mantoto DCF, jo DCF palielina ievietošanas zudumu, nesniedzot priekšrocības, ko DSP nevar apstrādāt.

Kas izraisa optiskās šķiedras izkliedi?

Galvenie cēloņi ir atkarīgi no veida. Modālo izkliedi izraisa vairāki izplatīšanās ceļi daudzmodu šķiedrā. Hromatisko dispersiju izraisa stikla laušanas koeficienta un šķiedras viļņvada struktūras atkarība no viļņa garuma. PMD izraisa asimetrija un spriegums šķiedras kodolā, kas rada atšķirīgus ātrumus diviem gaismas polarizācijas stāvokļiem.

Fiber saites plānošana

Izkliedes izpratne ir viens no lielākas saišu dizaina mīklas elementiem, kas ietver vājināšanu, savienotāja zudumu un optiskās jaudas budžeta plānošanu. Ja plānojat vai jaunināt optisko šķiedru tīklu - neatkarīgi no tā, vai tas ir īss universitātes pilsētiņas mugurkauls vai tāls -transporta maršruts -, sāciet, nosakot optiskās šķiedras veidu, darbības viļņa garumu un datu pārraides ātrumu. Šie trīs parametri nosaka, kurš izkliedes mehānisms ir svarīgs un vai ir nepieciešama kompensācija.

Lai saņemtu palīdzību, izvēloties pareizos optiskās šķiedras infrastruktūras komponentus -, tostarpšķiedru plākstera auklas, savienotāji un kabeļu komplekti, kas piemēroti jūsu saišu prasībām - izpētītDimi optiskās šķiedras risinājumivaisazinieties ar mūsu inženieru komanduprojektam{0}}īpašiem norādījumiem.