Disperze optických vláken je rozšířením světelného pulsu při jeho průchodu vláknem. Když se pulsy rozšíří příliš daleko, překrývají se v přijímači, což způsobuje bitové chyby, které omezují šířku pásma i dosah. Například u spojení 10 Gb/s s jedním-režimem běžícím 80 km při 1550 nm může akumulovaná chromatická disperze překročit 1 300 ps/nm - dost na to, aby se diagram oka zcela uzavřel, pokud není spravován.
Pro síťové inženýry a systémové návrháře je praktickou otázkou jen zřídka "Co je disperze?" ale spíše "Který typ rozptylu je dominantní v mém odkazu a vyžaduje kompenzaci?" Tato příručka odpovídá na tuto otázku tím, že projde hlavními rozptylovými mechanismy, jejich příčinami a dnes dostupnými metodami kompenzace - od starších modulů DCF po moderní koherentní DSP.
Co je disperze optických vláken?
Disperze znamená, že krátký optický puls nezůstává krátký, když se šíří vláknem. Šíří se v čase. Čím více se šíří, tím těžší je pro přijímače rozlišit jeden bit od druhého. PodleStandard ITU-T G.652, koeficient chromatické disperze standardního jednovidového vlákna je specifikován na přibližně 17 ps/(nm·km) v blízkosti 1550 nm -, což je parametr, který přímo určuje, jak rychle se pulzy rozšiřují na vzdálenost.
Rozptyl není jediný efekt. Různé typy vláken a systémové architektury jsou ovlivněny různými mechanismy. Vvícevidové vlákno, dominuje modální disperze. Vjednovidové-vláknoKlíčovými zájmy jsou chromatická disperze a polarizační vidová disperze. Pochopení toho, který mechanismus platí pro váš typ vlákna, je prvním krokem ke správnému rozhodnutí o návrhu.
Co způsobuje disperzi optických vláken?
Disperze vzniká na základě fyzikálních vlastností vlákna a světelného zdroje. Každý typ disperze má jinou příčinu:
Modální disperzeje způsobena existencí více cest (módů) šíření ve vícevidovém vláknu. Režimy vyššího-řádu urazí delší efektivní cesty než režimy nižšího-řádu, takže dorazí k přijímači v různých časech. Výsledkem je rozšíření tepu, které se se vzdáleností zhoršuje. To je důvod, proč má vícevidové vlákno vlastní limity dosahu - například vlákno OM3 podporující 10GBASE-SR je dimenzováno na pouhých 300 metrů.
Chromatická disperzeje způsobeno indexem lomu skla-závislým na vlnové délce. Protože žádný laser nevyzařuje dokonale jedinou vlnovou délku, různé spektrální složky se pohybují mírně odlišnými rychlostmi. Chromatická disperze má dvě dílčí-složky: disperzi materiálu (ze samotného skla) a vlnovodnou disperzi (z geometrie pláště jádra vlákna-). Jejich kombinovaný účinek určuje celkovou chromatickou disperzi při jakékoli dané vlnové délce. Standardní vlákno G.652 má nulovou-rozptylovou vlnovou délku blízko 1310 nm, proto tam často fungovaly starší systémy. Při 1550 nm - preferované okno pro dlouhé{13}}dopravy aDWDM přenosv důsledku nižšího útlumu se výrazně hromadí - chromatická disperze a musí být spravována v jakémkoli spojení za několik desítek kilometrů rychlostí 10 Gb/s nebo vyšší.
Polarizační vidová disperze (PMD)je způsobena asymetrií v jádře vlákna. V ideálním vláknu by se dva ortogonální polarizační stavy pohybovaly přesně stejnou rychlostí. V praxi výrobní nedokonalosti, mechanické namáhání a teplotní variace zavádějí dvojlom, který způsobuje, že jeden polarizační stav přichází mírně před druhým. PMD je statistický efekt - mění se v čase a podél vlákna -, což ztěžuje kompenzaci pomocí pevných optických prvků. Obvykle se to stává konstrukčním problémem u starších spojů 10G a 40G přesahujících 200–300 km nebo v systémech, které opětovně využívají starší vlákninu s vyššími koeficienty PMD (nad 0,5 ps/√km).
Tři hlavní typy disperze optických vláken
Modální disperze
Modální disperze je dominantním omezovačem šířky pásma ve vícevidových vláknech. Vyskytuje se proto, že vícevidové vlákno podporuje stovky nebo dokonce tisíce režimů šíření, z nichž každý sleduje mírně odlišnou cestu skrz jádro. Vícevidové vlákno s odstupňovaným-indexem (OM1 až OM5) snižuje modální rozptyl změnou profilu indexu lomu v jádře a řídí režimy vyššího-řádu, takže se časem přiblíží režimům nižšího-řádu. I tak ale efektivní modální šířka pásma vlákna nastavuje pevný strop na součin bitové rychlosti × vzdálenosti. Páteř kampusu běžící 10G přes OM3 ve 300 m pracuje blízko tohoto stropu; jeho překonání obvykle vyžaduje přechod na jednorežimové vlákno, nikoli kompenzátor disperze.
Chromatická disperze
Chromatická disperze je primárním umělým narušením v jednorežimových systémech s dlouhým dosahem a DWDM. Jeho velikost závisí na třech faktorech: disperzním koeficientu vlákna, spektrální šířce zdroje a vzdálenosti spoje. Pro standardní vlákno G.652 při 1550 nm je akumulovaný rozptyl na 100 km zhruba 1 700 ps/nm. Při 10 Gbps (modulace NRZ) je disperzní tolerance přibližně 1 000 ps/nm, což znamená, že nekompenzovaný spoj při 1550 nm je omezen na přibližně 60 km při této rychlosti.
Jedna nuance stojí za zmínku: mírné množství chromatické disperze může skutečně prospět systémům DWDM. Jak je popsáno v Corningově bílé knizenávrh vláken pro sítě DWDMzbytková disperze snižuje účinnost fázového přizpůsobení čtyř{0}}míchání vln (FWM) -, což je nelineární efekt, který degraduje blízko umístěné kanály. To je důvod, proč byla vyvinuta vlákna s posunutím ne-nulové disperze- (G.655 a G.656): udržují malou, ale nenulovou disperzi při 1550 nm, aby potlačili FWM a zároveň udrželi zvládnutelnou celkovou disperzi.
Polarizační režimová disperze (PMD)
PMD je obvykle problémem druhého{0} řádu ve srovnání s chromatickou disperzí, ale ve specifických scénářích se stává významným. Starší systémy s vysokou bitovou-rychlostí (40 Gb/s a více) jsou na PMD citlivější, protože kratší bitové periody ponechávají menší rezervu pro diferenciální skupinové zpoždění (DGD). Spojení běžící přes starší vlákno s koeficienty PMD nad 0,5 ps/√km - běžnými v kabelech instalovaných před polovinou-90. let – mohou narazit na limity PMD před limity chromatické disperze. V těchto případech se měření a charakterizace PMD stávají součástí procesu akceptace spojení. Moderní koherentnítranspondéryzvládnout kompenzaci PMD v DSP, což výrazně snížilo PMD jako samostatnou překážku nasazení v nových sestavách.
Jaký typ disperze je ve vašem odkazu důležitý?
Odpověď závisí na typu vašeho vlákna, vzdálenosti, rychlosti přenosu dat a architektuře systému. Zde je praktický rámec rozhodování:
Krok 1: Určete typ vlákna.Pokud pracujete s multimodovým vláknem (OM1–OM5), je vaším primárním zájmem modální rozptyl. Chromatická disperze a PMD jsou při typických vícevidových vzdálenostech zanedbatelné. Pokud pracujete s single-vláknem (OS1 nebo OS2), přejděte ke kroku 2.
Krok 2: Zvažte vlnovou délku.Při 1310 nm je chromatická disperze ve vláknu G.652 blízká nule, takže zřídka potřebuje kompenzaci i na střední vzdálenosti. Při 1550 nm se disperze akumuluje na zhruba 17 ps/(nm·km) a pro delší spoje je zapotřebí plánování kompenzace.
Krok 3: Vyhodnoťte rychlost přenosu dat.Vyšší přenosové rychlosti mají užší tolerance rozptylu. Signál 10G NRZ toleruje zhruba 1 000 ps/nm; signál 40G NRZ toleruje pouze asi 60 ps/nm. Koherentní systémy 100G/400G využívají pokročilou modulaci a DSP, které výrazně prodlužují toleranci rozptylu.
Krok 4: Zkontrolujte architekturu systému.V případě odkazu-k-odkazu přímého{2}}detekce můžete potřebovat externí kompenzaci rozptylu. V moderním koherentním DWDM systému transpondér DSP typicky zpracovává chromatickou disperzi a PMD digitálně, což často eliminuje potřebu samostatných kompenzačních modulů.
Kdy potřebujete kompenzaci disperze?
Ne každý spoj potřebuje samostatnou kompenzační fázi. Například jednorežimové spojení 10G- běžící 20 km při 1310 nm akumuluje zanedbatelný chromatický rozptyl a nepotřebuje vůbec žádnou kompenzaci. Kompenzace je však nezbytná, když se sblíží několik podmínek:
Spojení funguje na 1550 nm na vzdálenosti, kde akumulovaná chromatická disperze překračuje toleranci přijímače. Přenosová rychlost je 10 Gb/s nebo vyšší s optikou s přímou-detekcí. Systém je DWDM transportní síť s těsnýmrozpočet optického výkonua požadavky na snížení hodnoty. Nebo továrna na vlákna má známé problémy s PMD se - staršími kabely, vzdušnými trasami vystavenými zatížení větrem nebo vysoce namáhanými instalacemi-.
Praktické pravidlo: pokud již provádíte propojení rozpočtu a plánování snížení, vyhodnoťte rozptyl ve stejné fázi. Řešení během návrhu je mnohem jednodušší než řešení občasných chyb po nasazení.
Porovnání metod kompenzace disperze
Existují tři hlavní přístupy pro řízení disperze ve vláknových spojích. Každý se hodí do jiného kontextu systému.
Vlákno kompenzující disperzi (DCF)
DCF je speciálně navržené vlákno s velkým záporným disperzním koeficientem (typicky −80 až −100 ps/(nm·km) při 1550 nm). Vypočítaná délka DCF je vložena do spoje - obvykle na místech zesilovače -, aby se vyrovnala kladná chromatická disperze akumulovaná v přenosovém vláknu. DCF je standardní kompenzační metodou v 10G-dlouhých{8}}systémech a starších systémech DWDM již více než dvě desetiletí. Jeho hlavními nevýhodami jsou přidaná vložná ztráta (vyžadující dodatečné zesílení), zvýšená latence a přidané nelineární efekty kvůli malé efektivní ploše DCF.
Braggova mřížka (FBG)
Kompenzátory disperze založené na FBG-používají periodickou strukturu indexu lomu zapsanou do krátké části vlákna. Mřížka vytváří na vlnové délce -závislá zpoždění odrazu, která obrací rozptyl nahromaděný během přenosu. Moduly FBG jsou kompaktnější než cívky DCF a mají menší latenci. Jsou k dispozici ve variantách s pevným{5}}rozptylem a laditelných variantách. Laditelné FBG jsou zvláště užitečné v rekonfigurovatelných DWDM sítích, kde se rozptylová mapa může měnit, jak jsou kanály přidávány nebo přesměrovány.
Elektronické a digitální zpracování signálu (DSP)
Moderní koherentní optické systémy kompenzují disperzi digitálně v přijímači DSP. Koherentní přijímač zachycuje jak amplitudu, tak fázi optického pole, což poskytuje dostatek informací pro DSP pro výpočetní obrácení chromatické disperze a PMD. Jak dokumentujeIEEE 802.3pracovní skupiny a průmyslové implementace, koherentní transpondéry 100G, 400G a 800G běžně kompenzují desítky tisíc ps/nm chromatické disperze v DSP -, čímž zcela eliminují potřebu inline DCF nebo FBG modulů. Tento posun od základu změnil-návrh sítě na dlouhé vzdálenosti: novější koherentní nasazení DWDM obvykle vynechávají samostatný hardware pro kompenzaci disperze.
DCF vs FBG vs DSP
| Parametr | DCF | FBG | DSP (koherentní) |
|---|---|---|---|
| Kompenzační doména | Optický | Optický | Elektronický |
| Typická aplikace | 10G na dlouhou trať,-starší DWDM | DWDM, rekonfigurovatelné sítě | 100G/400G/800G koherentní systémy |
| Zvládá PMD? | Žádný | Ne (částečně cvrlikání FBG) | Ano |
| Přidána ztráta vložení | Vysoká (typicky 5–10 dB) | Nízká až střední | Žádné (elektronické) |
| Laditelnost | Opraveno | Pevné nebo laditelné | Plně adaptivní |
| Velikost a nasazení | Velké cívky vláken na místech zesilovače | Kompaktní moduly | Vestavěný do transpondéru |
| Relevance v nových sestavách | Klesající | Výklenek | Norma |
Jak zvolit správnou strategii odměňování
Legacy 10G nebo vyvinutý DWDM systémy
V sítích postavených na platformách 10G přímé-detekce nebo raných DWDM platforem je optická-kompenzace domény pomocí DCF nebo FBG často již součástí návrhu systému linky. Tyto systémy spoléhají na pečlivé disperzní mapy - plánované sekvence pozitivních a negativních disperzních segmentů -, aby udržely nahromaděnou disperzi v rámci tolerance přijímače v každém rozpětí zesilovače. Pokud udržujete nebo rozšiřujete takovou síť, pracujte v rámci stávající mapy rozptylu spíše než předělávejte kompenzační přístup. Standardními nástroji jsou zde náhradní moduly DCF nebo laditelné kompenzátory FBG.
Moderní koherentní optické systémy
Pokud spojení používá koherentní transpondéry (100G, 400G nebo více), DSP zpracovává chromatickou disperzi a kompenzaci PMD interně. Konverzace o návrhu se přesune z „Který modul DCM potřebuji?“ na "Jaká je celková akumulovaná disperze a je v rozsahu DSP transpondéru?" Většina moderních koherentních transpondérů toleruje více než 50 000 ps/nm chromatické disperze -, což odpovídá více než 3 000 km vlákna G.652 při 1550 nm. V těchto systémech přidávají samostatné moduly DCF nebo FBG zbytečné ztráty a složitost. Odstranění starší verze DCF při upgradu na koherentní je běžný a dobře zdokumentovaný{12}}optimalizační krok při modernizaci sítě na dlouhé vzdálenosti.
Odkazy s krátkým{0}}dosahem ve více režimech
Pro vícerežimové spoje v prostředí kampusů nebo datových center jsou produkty kompenzace chromatické disperze irelevantní. Omezení šířky pásma je modální, ne chromatické. Pokud multimódový spoj nesplňuje požadavky na výkon, je třeba nejprve zkontrolovat kvalitu vlákna (OM3 vs OM4 vs OM5), délku spoje vzhledem k aplikačnímu standardu, kvalitu konektoru akompatibilita transceiveru. Upgrade na -multimode vlákno vyšší třídy nebo přechod na jedno-režim vlákna a optiku je praktickou cestou - bez přidávání kompenzátoru disperze.
Časté chyby a mylné představy
Za předpokladu, že veškerý rozptyl je škodlivý.V systémech DWDM potlačuje řízené množství chromatické disperze čtyř{0}}vlnové míchání a další nelineární postihy. Posunutá vlákna s ne-nulovou disperzí- (G.655) byla navržena speciálně pro udržení této výhodné zbytkové disperze při 1550 nm.
Za předpokladu, že každý odkaz potřebuje kompenzaci.Spojení 10G na 1310 nm přes 40 km vlákna G.652 funguje dobře v rámci tolerance chromatické disperze. Mnoho podnikových a metropolitních spojů nepotřebuje vůbec žádnou kompenzaci - optika a vlákno to přirozeně zvládají.
Za předpokladu, že jedno-vlákno nemá rozptyl.Jedno{0}}vidové vlákno eliminuje modální disperzi, ale chromatická disperze a PMD zůstávají. Při 1550 nm je chromatická disperze ve vláknu G.652 značná a musí být zohledněna v jakémkoli designu s velkým-dosahem.
Výběr kompenzační metody před identifikací dominantního poškození.DCF řeší pouze chromatickou disperzi. FBG řeší pouze chromatickou disperzi. DSP v koherentních systémech řeší jak chromatickou disperzi, tak PMD. Výběr metody před pochopením, které poškození je dominantní, vede k plýtvání úsilím a rozpočtem.
Často kladené otázky
Má jedno{0}}režimové vlákno rozptyl?
Ano. Jedno-vidové vlákno eliminuje modální disperzi, protože podporuje pouze jeden způsob šíření, ale stále vykazuje chromatickou disperzi a polarizační vidovou disperzi. Chromatická disperze ve standardním G.652 single-vlákně je přibližně 17 ps/(nm·km) při 1550 nm a téměř nule při 1310 nm.
Jaký je rozdíl mezi modální a chromatickou disperzí?
Modální disperze je způsobena vícenásobnými světelnými cestami (módy) přicházejícími v různých časech do vícevidového vlákna. Chromatická disperze je způsobena různými vlnovými délkami, které se pohybují různými rychlostmi v jakémkoli typu vlákna, i když se jedná především o problém v systémech s jedním-režimem. Modální disperze ovlivňuje pouze multimodové vlákno; chromatická disperze ovlivňuje jak vícerežimové, tak jednorežimové vlákno, ale je primárně navrženo v single{4}}módu s dlouhým-dosahem.
Kdy je nutná kompenzace rozptylu?
Kompenzace je obvykle nutná, když jedno{0}}módové spojení na 1550 nm překročí toleranci chromatické disperze přijímače -, například přibližně 60 km při 10 Gb/s s modulací NRZ na vláknu G.652. V koherentních systémech (100G a vyšší) transpondér DSP interně kompenzuje rozptyl, takže samostatné kompenzační moduly jsou obvykle zbytečné.
Může koherentní optika eliminovat potřebu DCF?
Ve většině případů ano. Moderní koherentní transpondéry kompenzují chromatickou disperzi a PMD digitálně, s typickou CD tolerancí přesahující 50 000 ps/nm. Mnoho operátorů aktivně odstraňuje starší DCF při upgradu na koherentní platformy, protože DCF přidává ztrátu vložení, aniž by poskytoval výhodu, kterou DSP nemůže zvládnout.
Co způsobuje rozptyl optických vláken?
Základní příčiny závisí na typu. Modální disperze je způsobena více cestami šíření v multimodovém vláknu. Chromatická disperze je způsobena závislostí indexu lomu skla na vlnové délce a strukturou vlnovodu vlákna. PMD je způsobeno asymetrií a napětím v jádru vlákna, které vytváří různé rychlosti pro dva stavy polarizace světla.
Plánování vašeho Fiber Link
Pochopení rozptylu je jedním dílem větší skládačky návrhu spoje, která zahrnuje útlum, ztrátu konektoru a rozpočtování optického výkonu. Pokud navrhujete nebo upgradujete optickou síť -, ať už jde o krátkou páteř kampusu nebo -dálkovou přepravní trasu -, začněte identifikací typu vlákna, provozní vlnové délky a přenosové rychlosti. Tyto tři parametry určují, na kterém mechanismu rozptylu záleží a zda je nutná kompenzace.
Pomoc s výběrem správných komponent optické infrastruktury - včetněvláknové propojovací kabely, konektory a kabelové sestavy vhodné pro vaše požadavky na propojení - prozkoumatŘešení optických vláken Diminebokontaktujte náš technický týmpro konkrétní{0}}projektové pokyny.
