Disperzija optičnih vlaken je razširitev svetlobnega impulza, ko ta potuje skozi vlakno. Ko se impulzi predaleč razširijo, se na sprejemniku prekrivajo, kar povzroči bitne napake, ki omejujejo pasovno širino in doseg. V eno{3}}načinovi povezavi 10 Gb/s, ki teče 80 km pri 1550 nm, lahko na primer akumulirana kromatska disperzija preseže 1300 ps/nm -, kar je dovolj, da popolnoma zapre očesni diagram, če je ne upravljate.
Za omrežne inženirje in načrtovalce sistemov je praktično vprašanje le redko "Kaj je disperzija?" ampak "Katera vrsta disperzije je prevladujoča v moji povezavi in ali zahteva kompenzacijo?" Ta vodnik odgovarja na to vprašanje s sprehodom skozi glavne disperzijske mehanizme, njihove vzroke in metode kompenzacije, ki so danes na voljo - od podedovanih modulov DCF do sodobnega koherentnega DSP.
Kaj je disperzija optičnih vlaken?
Disperzija pomeni, da kratek optični impulz ne ostane kratek, ko se širi po vlaknu. Širi se v času. Bolj kot se širi, težje postane sprejemniku razlikovati en bit od drugega. Glede naStandard ITU-T G.652, je kromatski disperzijski koeficient standardnega eno-modnega vlakna določen pri približno 17 ps/(nm·km) blizu 1550 nm - parameter, ki neposredno določa, kako hitro se impulzi širijo na razdaljo.
Razpršenost ni en učinek. Na različne vrste vlaken in sistemske arhitekture vplivajo različni mehanizmi. notervečmodno vlakno, prevladuje modalna disperzija. noterenomodno-optično vlakno, kromatska disperzija in disperzija polarizacijskega načina sta ključni skrbi. Razumevanje, kateri mehanizem velja za vašo vrsto vlaken, je prvi korak k pravi odločitvi glede oblikovanja.
Kaj povzroča disperzijo optičnih vlaken?
Disperzija izhaja iz fizikalnih lastnosti vlakna in vira svetlobe. Vsaka vrsta disperzije ima svoj vzrok:
Modalna disperzijaje posledica obstoja več poti širjenja (modov) v večmodovnem vlaknu. Načini višjega-reda prepotujejo daljše učinkovite poti kot načini-nižjega reda, zato prispejo do sprejemnika ob različnih časih. Posledica je razširitev pulza, ki se poslabša z razdaljo. Zato ima večmodno vlakno inherentne omejitve dosega - vlakno OM3, ki podpira 10GBASE-SR, je na primer ocenjeno na samo 300 metrov.
Kromatična disperzijaje posledica valovne dolžine-odvisnega lomnega količnika stekla. Ker noben laser ne oddaja popolnoma ene valovne dolžine, različne spektralne komponente potujejo z nekoliko različnimi hitrostmi. Kromatska disperzija ima dve pod-komponenti: disperzijo materiala (iz samega stekla) in disperzijo valovoda (iz geometrije jedra-oplašča vlakna). Njihov skupni učinek določa skupno kromatsko disperzijo pri kateri koli valovni dolžini. Standardno vlakno G.652 ima ničelno-razpršeno valovno dolžino blizu 1310 nm, zato so starejši sistemi pogosto delovali tam. Pri 1550 nm - prednostno okno za dolge-razdalje inDWDM prenoszaradi manjšega slabljenja - se kromatična disperzija znatno kopiči in jo je treba upravljati v kateri koli povezavi, ki presega nekaj deset kilometrov, pri 10 Gbps ali več.
Disperzija polarizacijskega načina (PMD)povzročajo asimetrije v jedru vlakna. V idealnem vlaknu bi dve ortogonalni polarizacijski stanji potovali s popolnoma enako hitrostjo. V praksi nepopolnosti pri izdelavi, mehanske obremenitve in temperaturne spremembe povzročijo dvolomnost, ki povzroči, da eno polarizacijsko stanje doseže nekoliko pred drugim. PMD je statistični učinek - spreminja se s časom in vzdolž vlakna -, zaradi česar ga je težje kompenzirati s fiksnimi optičnimi elementi. Običajno postane zaskrbljujoča zasnova v podedovanih povezavah 10G in 40G, ki presegajo 200–300 km, ali v sistemih, ki ponovno uporabljajo starejše optične naprave z višjimi koeficienti PMD (nad 0,5 ps/√km).
Tri glavne vrste disperzije optičnih vlaken
Modalna disperzija
Modalna disperzija je prevladujoči omejevalnik pasovne širine v večmodnem vlaknu. Do tega pride, ker večmodno vlakno podpira na stotine ali celo tisoče načinov širjenja, od katerih vsak sledi nekoliko drugačni poti skozi jedro. Večmodno vlakno s stopnjevanim-indeksom (OM1 do OM5) zmanjša modalno razpršenost s spreminjanjem profila lomnega količnika po jedru, usmerja načine višjega-vrste, tako da se časovno približajo načinom-nižjega reda. Kljub temu efektivna modalna pasovna širina vlakna določa trdo zgornjo mejo bitne hitrosti × produkta razdalje. Hrbtenica kampusa, ki teče 10G prek OM3 na 300 m, deluje blizu te zgornje meje; preseganje običajno zahteva prehod na eno-optično vlakno in ne disperzijski kompenzator.
Kromatična disperzija
Kromatična disperzija je primarno zasnovana oslabitev v eno-sistemih z dolgim-dosegom in DWDM. Njegova velikost je odvisna od treh dejavnikov: disperzijskega koeficienta vlakna, spektralne širine vira in razdalje povezave. Za standardno vlakno G.652 pri 1550 nm je akumulirana disperzija na 100 km približno 1700 ps/nm. Pri 10 Gbps (modulacija NRZ) je toleranca disperzije približno 1000 ps/nm, kar pomeni, da je nekompenzirana povezava pri 1550 nm pri tej hitrosti omejena na približno 60 km.
Omeniti velja eno nianso: zmerna količina kromatične disperzije lahko dejansko koristi sistemom DWDM. Kot je opisano v Corningovi beli knjigi ooblikovanje vlaken za omrežja DWDM, preostala disperzija zmanjša učinkovitost faznega ujemanja štiri-mešanja valov (FWM) - nelinearni učinek, ki poslabša tesno razporejene kanale. Zato so bila razvita vlakna s pomaknjeno -razpršitvijo- (G.655 in G.656): ohranjajo majhno, vendar različno disperzijo pri 1550 nm, da zavirajo FWM, hkrati pa ohranjajo obvladljivo celotno disperzijo.
Disperzija polarizacijskega načina (PMD)
PMD je v primerjavi s kromatsko disperzijo običajno-drugega reda, vendar postane pomemben v določenih scenarijih. Podedovani sistemi z visoko-bitno hitrostjo (40 Gbps in več) so bolj občutljivi na PMD, ker krajša bitna obdobja puščajo manj prostora za diferencialno skupinsko zakasnitev (DGD). Povezave, ki tečejo po starejših vlaknih s koeficienti PMD nad 0,5 ps/√km - običajno v kablih, nameščenih pred sredino-90. let prejšnjega stoletja – lahko naletijo na omejitve PMD pred mejami kromatične disperzije. V teh primerih postaneta merjenje PMD in karakterizacija del postopka sprejemanja povezave. Sodobno skladnotransponderjiobravnava kompenzacijo PMD v DSP, kar je znatno zmanjšalo PMD kot samostojno oviro za uvajanje v novih zgradbah.
Katera vrsta disperzije je pomembna v vaši povezavi?
Odgovor je odvisen od vrste vlakna, razdalje, hitrosti prenosa podatkov in arhitekture sistema. Tukaj je praktičen okvir odločanja:
1. korak: Določite vrsto vlakna.Če delate z večmodnim vlaknom (OM1–OM5), je modalna disperzija vaša glavna skrb. Kromatična disperzija in PMD sta zanemarljiva pri tipičnih večmodnih razdaljah. Če delate z eno-optičnimi vlakni (OS1 ali OS2), premaknite se na 2. korak.
2. korak: Upoštevajte valovno dolžino.Pri 1310 nm je kromatična disperzija v vlaknu G.652 blizu ničle, zato redko potrebuje kompenzacijo tudi na zmernih razdaljah. Pri 1550 nm se disperzija kopiči pri približno 17 ps/(nm·km), zato je za daljše povezave potrebno načrtovanje kompenzacije.
3. korak: Ocenite hitrost prenosa podatkov.Višje bitne hitrosti imajo strožje tolerance disperzije. Signal 10G NRZ prenese približno 1000 ps/nm; signal 40G NRZ prenese samo približno 60 ps/nm. Koherentni sistemi 100G/400G uporabljajo napredno modulacijo in DSP, ki znatno povečata toleranco disperzije.
4. korak: Preverite sistemsko arhitekturo.V povezavi od-do-točke z neposrednim-zaznavanjem boste morda potrebovali zunanjo kompenzacijo disperzije. V sodobnem koherentnem sistemu DWDM transponder DSP tipično obravnava kromatsko disperzijo in PMD digitalno, kar pogosto odpravlja potrebo po samostojnih kompenzacijskih modulih.
Kdaj potrebujete kompenzacijo disperzije?
Vsaka povezava ne potrebuje ločene stopnje nadomestila. 10G eno-načinovna povezava, ki teče 20 km pri 1310 nm, na primer kopiči zanemarljivo kromatsko disperzijo in sploh ne potrebuje kompenzacije. Toda nadomestilo postane potrebno, ko se združi več pogojev:
Povezava deluje pri 1550 nm na razdaljah, kjer akumulirana kromatična disperzija presega toleranco sprejemnika. Hitrost prenosa podatkov je 10 Gbps ali višja z optiko za neposredno-zaznavanje. Sistem je transportno omrežje DWDM s tesnimproračun optične močiin zahteve glede oslabitve. Ali pa ima tovarna vlaken znane težave s PMD - starejšimi kabli, zračnimi potmi, ki so izpostavljene obremenitvam z vetrom, ali visoko{2}}obremenjenimi napeljavami.
Praktično pravilo: če že izvajate povezovalni proračun in načrtovanje slabitev, ocenite razpršenost v tej isti fazi. Odpravljanje težav med načrtovanjem je veliko lažje kot odpravljanje težav, ki se pojavljajo občasno po uvedbi.
Primerjava metod kompenzacije disperzije
Obstajajo trije glavni pristopi za upravljanje disperzije v optičnih povezavah. Vsak ustreza drugemu sistemskemu kontekstu.
Vlakna za kompenzacijo disperzije (DCF)
DCF je posebej zasnovano vlakno z velikim negativnim disperzijskim koeficientom (običajno –80 do –100 ps/(nm·km) pri 1550 nm). Izračunana dolžina DCF je vstavljena v povezavo - običajno na mestih ojačevalnika -, da izravna pozitivno kromatsko disperzijo, nakopičeno v prenosnem vlaknu. DCF je že več kot dve desetletji standardna metoda nadomestila v 10G dolgih-povezavah in podedovanih sistemih DWDM. Njegove glavne pomanjkljivosti so dodana vstavljena izguba (ki zahteva dodatno ojačanje), povečana zakasnitev in dodatni nelinearni učinki zaradi majhne učinkovite površine DCF.
Fiber Bragg Grating (FBG)
Disperzijski kompenzatorji-na osnovi FBG uporabljajo periodično strukturo lomnega količnika, zapisano v kratkem odseku vlakna. Mreža ustvari od valovne dolžine-odvisne odbojne zakasnitve, ki obrnejo disperzijo, nakopičeno med prenosom. Moduli FBG so bolj kompaktni kot DCF tuljave in uvajajo manj zakasnitve. Na voljo so v različicah s fiksno-razpršitvijo in nastavljivimi različicami. Nastavljivi FBG-ji so še posebej uporabni v rekonfigurabilnih omrežjih DWDM, kjer se lahko disperzijski zemljevid spremeni, ko so kanali dodani ali preusmerjeni.
Elektronska in digitalna obdelava signalov (DSP)
Sodobni koherentni optični sistemi digitalno kompenzirajo disperzijo v sprejemniku DSP. Koherentni sprejemnik zajame tako amplitudo kot fazo optičnega polja, kar zagotavlja dovolj informacij za DSP, da računalniško obrne kromatsko disperzijo in PMD. Kot je dokumentirano s straniIEEE 802.3delovnih skupin in industrijskih izvedb, koherentni transponderji 100G, 400G in 800G rutinsko kompenzirajo več deset tisoč ps/nm kromatične disperzije v DSP -, s čimer popolnoma odpravijo potrebo po vgrajenih modulih DCF ali FBG. Ta premik je temeljito spremenil-zasnovo omrežja za dolge razdalje: novejše koherentne uvedbe DWDM običajno izpustijo samostojno strojno opremo za kompenzacijo disperzije.
DCF proti FBG proti DSP
| Parameter | DCF | FBG | DSP (koherenten) |
|---|---|---|---|
| Domena nadomestil | Optični | Optični | Elektronski |
| Tipična uporaba | 10G na dolge-razdalje, stari DWDM | DWDM, rekonfigurabilna omrežja | 100G/400G/800G koherentni sistemi |
| Obvladuje PMD? | št | Ne (delno začivka FBG) | ja |
| Dodana vstavljena izguba | Visoka (običajno 5–10 dB) | Nizka do zmerna | Brez (elektronsko) |
| Nastavljivost | Popravljeno | Fiksno ali nastavljivo | Popolnoma prilagodljiv |
| Velikost in namestitev | Veliki koluti vlaken na mestih ojačevalnika | Kompaktni moduli | Vgrajen v transponder |
| Ustreznost pri novogradnjah | Upadanje | Niša | Standardno |
Kako izbrati pravo strategijo nadomestil
Podedovani 10G ali inženirski sistemi DWDM
V omrežjih, zgrajenih okoli 10G neposrednega{1}}zaznavanja ali zgodnjih platform DWDM, je optična{2}}kompenzacija domene z DCF ali FBG pogosto že del zasnove linijskega sistema. Ti sistemi se zanašajo na previdne disperzijske zemljevide - načrtovana zaporedja pozitivnih in negativnih disperzijskih segmentov -, da ohranijo akumulirano disperzijo znotraj tolerance sprejemnika pri vsakem razponu ojačevalnika. Če vzdržujete ali razširjate takšno omrežje, raje delajte v okviru obstoječe disperzijske karte, namesto da preoblikujete kompenzacijski pristop. Nadomestni moduli DCF ali nastavljivi kompenzatorji FBG so tukaj standardna orodja.
Sodobni koherentni optični sistemi
Če povezava uporablja koherentne transponderje (100G, 400G ali več), DSP interno obravnava kromatsko disperzijo in kompenzacijo PMD. Pogovor o oblikovanju se premakne od "Kateri modul DCM potrebujem?" na "Kolikšna je skupna akumulirana disperzija in ali je v območju DSP transponderja?" Večina sodobnih koherentnih transponderjev prenese več kot 50.000 ps/nm kromatične disperzije -, kar ustreza več kot 3.000 km vlaken G.652 pri 1550 nm. V teh sistemih samostojni moduli DCF ali FBG dodajo nepotrebno izgubo in zapletenost. Odstranitev podedovanega DCF pri nadgradnji na koherentno je običajen in dobro{12}}dokumentiran korak optimizacije pri-posodobitve omrežja na dolge razdalje.
Večmodne povezave s kratkim-dosegom
Za večmodne povezave v kampusih ali okoljih podatkovnih centrov izdelki za kompenzacijo kromatične disperzije niso pomembni. Omejitev pasovne širine je modalna, ne kromatična. Če večmodna povezava ne izpolnjuje zahtev glede zmogljivosti, je najprej treba preveriti kakovost vlaken (OM3 proti OM4 proti OM5), dolžino povezave glede na standard aplikacije, kakovost priključka inzdružljivost oddajnikov. Nadgradnja na večmodovno vlakno-višjega razreda ali prehod na eno-modno vlakno in optiko je praktična pot - brez dodajanja kompenzatorja disperzije.
Pogoste napake in napačne predstave
Ob predpostavki, da je vsaka disperzija škodljiva.V sistemih DWDM nadzorovana količina kromatske disperzije zavira mešanje štiri-valov in druge nelinearne kazni. Vlakna s pomaknjeno-ne{2}}razpršitvijo- (G.655) so bila zasnovana posebej za ohranjanje te koristne preostale disperzije pri 1550 nm.
Ob predpostavki, da vsaka povezava potrebuje nadomestilo.Povezava 10G pri 1310 nm prek 40 km vlaken G.652 dobro deluje znotraj tolerance kromatične disperzije. Številne povezave v podjetjih in podzemnih železnicah sploh ne potrebujejo nadomestila - optika in vlakna sama po sebi poskrbijo za to.
Ob predpostavki, da eno-modno vlakno nima disperzije.Enoj-a vlakna odpravijo modalno disperzijo, vendar kromatska disperzija in PMD ostaneta. Pri 1550 nm je kromatska disperzija v vlaknu G.652 znatna in jo je treba upoštevati pri vseh-zasnovah z dolgim dosegom.
Izbira kompenzacijske metode pred identifikacijo prevladujoče okvare.DCF obravnava samo kromatsko disperzijo. FBG obravnava samo kromatsko disperzijo. DSP v koherentnih sistemih obravnava tako kromatsko disperzijo kot PMD. Izbira metode pred razumevanjem, katera okvara je prevladujoča, vodi v izgubljen trud in proračun.
Pogosto zastavljena vprašanja
Ali ima eno-načinsko vlakno disperzijo?
ja Enoj-optično vlakno odpravlja modalno disperzijo, ker podpira samo en način širjenja, vendar še vedno kaže kromatsko disperzijo in disperzijo polarizacijskega načina. Kromatična disperzija v standardnem eno-načinskem vlaknu G.652 je približno 17 ps/(nm·km) pri 1550 nm in blizu ničle pri 1310 nm.
Kakšna je razlika med modalno in kromatično disperzijo?
Modalno disperzijo povzroči več svetlobnih poti (modov), ki v večmodovnem vlaknu prihajajo ob različnih časih. Kromatsko disperzijo povzročajo različne valovne dolžine, ki potujejo z različnimi hitrostmi v kateri koli vrsti vlaken, čeprav je to predvsem problem pri eno-sistemih. Modalna disperzija vpliva samo na večmodna vlakna; kromatična disperzija vpliva tako na večmodna kot eno-načinska vlakna, vendar je zasnovana predvsem v eno{4}}načinskih povezavah z dolgim- dosegom.
Kdaj je potrebna kompenzacija disperzije?
Kompenzacija je običajno potrebna, ko povezava z enim-načinom pri 1550 nm preseže toleranco kromatične disperzije sprejemnika -, na primer približno 60 km pri 10 Gbps z modulacijo NRZ na vlaknu G.652. V koherentnih sistemih (100G in več) transponder DSP interno kompenzira disperzijo, zato so samostojni kompenzacijski moduli običajno nepotrebni.
Ali lahko koherentna optika odpravi potrebo po DCF?
V večini primerov ja. Sodobni koherentni transponderji digitalno kompenzirajo kromatsko disperzijo in PMD s tipično toleranco CD, ki presega 50.000 ps/nm. Številni operaterji pri nadgradnji na koherentne platforme aktivno odstranijo stari DCF, ker DCF dodaja vstavljeno izgubo, ne da bi zagotovil ugodnosti, ki jih DSP ne more obravnavati.
Kaj povzroča disperzijo optičnih vlaken?
Glavni vzroki so odvisni od vrste. Modalno disperzijo povzroča več poti širjenja v večmodnem vlaknu. Kromatsko disperzijo povzroča odvisnost lomnega količnika stekla in valovodne strukture vlaken od valovne dolžine. PMD povzročajo asimetrije in napetosti v jedru vlakna, ki ustvarjajo različne hitrosti za obe stanji polarizacije svetlobe.
Načrtovanje vaše optične povezave
Razumevanje disperzije je en del večje sestavljanke načrtovanja povezave, ki vključuje slabljenje, izgubo konektorja in proračun optične moči. Če načrtujete ali nadgrajujete optično omrežje - ne glede na to, ali gre za kratko kampusno hrbtenico ali dolgo{2}}transportno pot -, začnite z identifikacijo vrste vlakna, delovne valovne dolžine in hitrosti prenosa podatkov. Ti trije parametri določajo, kateri disperzijski mehanizem je pomemben in ali je potrebna kompenzacija.
Za pomoč pri izbiri ustreznih komponent optične infrastrukture - vključnovlaknene patch vrvice, priključki in sklopi kablov, ki ustrezajo vašim zahtevam glede povezave - raziščiteDimi's optične rešitveozkontaktirajte našo inženirsko ekipoza navodila za-specifični projekt.
