Optinen kuitudispersio on valopulssin levenemistä sen kulkiessa kuidun läpi. Kun pulssit leviävät liian pitkälle, ne menevät päällekkäin vastaanottimessa aiheuttaen bittivirheitä, jotka rajoittavat sekä kaistanleveyttä että ulottuvuutta. Esimerkiksi 10 Gbps:n yksi-moodilinkissä, joka kulkee 80 km aallonpituudella 1550 nm, kertynyt kromaattinen dispersio voi ylittää 1 300 ps/nm -, joka riittää sulkemaan silmäkaavion kokonaan, jos sitä ei valvota.
Verkkoinsinöörien ja järjestelmäsuunnittelijoiden käytännön kysymys on harvoin "Mikä on dispersio?" vaan pikemminkin "Minkätyyppinen hajautus on hallitseva linkissäni ja vaatiiko se korvausta?" Tämä opas vastaa tähän kysymykseen käymällä läpi tärkeimmät hajautusmekanismit, niiden syyt ja nykyään saatavilla olevat kompensointimenetelmät - vanhoista DCF-moduuleista nykyaikaiseen koherenttiin DSP:hen.
Mikä on optinen kuitudispersio?
Dispersio tarkoittaa, että lyhyt optinen pulssi ei jää lyhyeksi, kun se etenee kuidun läpi. Se leviää ajassa. Mitä enemmän se leviää, sitä vaikeammaksi vastaanottimen on erottaa yksi bitti toisesta. mukaanITU-T G.652-standardi, standardinomaisen yksimuotokuidun kromaattinen dispersiokerroin on määritetty noin 17 ps/(nm·km) lähellä 1550 nm - parametria, joka ohjaa suoraan sitä, kuinka nopeasti pulssit levenevät etäisyyden yli.
Dispersio ei ole yksittäinen vaikutus. Erilaiset mekanismit vaikuttavat erilaisiin kuitutyyppeihin ja järjestelmäarkkitehtuureihin. sisäänmonimuotokuitu, modaalinen dispersio hallitsee. sisäänyksimuotokuitu-, kromaattinen dispersio ja polarisaatiomuodon dispersio ovat tärkeimpiä huolenaiheita. Kuitutyyppisi mekanismin ymmärtäminen on ensimmäinen askel kohti oikeaa suunnittelupäätöstä.
Mikä aiheuttaa optisen kuidun dispersion?
Dispersio johtuu kuidun ja valonlähteen fysikaalisista ominaisuuksista. Jokaisella dispersiotyypillä on oma syynsä:
Modaalinen dispersiojohtuu useiden etenemisreittien (tilojen) olemassaolosta monimuotokuidussa. Korkeamman-järjestyksen tilat kulkevat pidempiä tehokkaita polkuja kuin alemman-järjestyksen tilat, joten ne saapuvat vastaanottajalle eri aikoina. Tuloksena on pulssin leveneminen, joka pahenee etäisyyden myötä. Tästä syystä monimuotokuidulla on luontaiset ulottuvuusrajat - esimerkiksi OM3-kuitu, joka tukee 10 GBASE:ta-SR, on vain 300 metriä.
Kromaattinen dispersiojohtuu lasin aallonpituudesta{0}}riippuvasta taitekertoimesta. Koska mikään laser ei lähetä täysin yhtä aallonpituutta, eri spektrikomponentit kulkevat hieman eri nopeuksilla. Kromaattisella dispersiolla on kaksi ali-komponenttia: materiaalidispersio (itse lasista) ja aaltoputkidispersio (kuidun ytimen-päällysteen geometriasta). Niiden yhteisvaikutus määrittää kromaattisen kokonaisdispersion millä tahansa annetulla aallonpituudella. Standardin G.652 kuidun dispersion aallonpituus on nolla- lähellä 1310 nm, minkä vuoksi vanhat järjestelmät toimivat usein siellä. 1550 nm:ssä - ensisijainen ikkuna kauko- ja{13}}matkoilleDWDM lähetysalhaisemman vaimennuksen vuoksi - kromaattinen hajonta kerääntyy merkittävästi, ja sitä on hallittava kaikissa linkeissä muutaman kymmenen kilometrin etäisyydellä vähintään 10 Gbps:n nopeudella.
Polarisaatiomuodon dispersio (PMD)johtuu kuituytimen epäsymmetriasta. Ihanteellisessa kuidussa kaksi ortogonaalista polarisaatiotilaa kulkisi täsmälleen samalla nopeudella. Käytännössä valmistusvirheet, mekaaninen jännitys ja lämpötilavaihtelut aiheuttavat kahtaistaitetta, joka saa yhden polarisaatiotilan saapumaan hieman toista edellä. PMD on tilastollinen vaikutus - se vaihtelee ajan mukaan ja kuitua pitkin -, mikä vaikeuttaa kompensointia kiinteillä optisilla elementeillä. Siitä tulee tyypillisesti suunnitteluongelma vanhoissa 10G- ja 40G-linkeissä, joiden pituus on yli 200–300 km, tai järjestelmissä, joissa käytetään uudelleen vanhempia kuitulaitoksia korkeammilla PMD-kertoimilla (yli 0,5 ps/√km).
Optisen kuidun dispersion kolme päätyyppiä
Modaalinen dispersio
Modaalinen dispersio on hallitseva kaistanleveyden rajoitin monimuotokuidussa. Se johtuu siitä, että monimuotokuitu tukee satoja tai jopa tuhansia etenemismuotoja, joista jokainen kulkee hieman erilaista reittiä ytimen läpi. Graded-indeksin monimuotokuitu (OM1–OM5) vähentää modaalista hajoamista vaihtelemalla taitekerroinprofiilia ytimen poikki ja ohjaamalla korkeamman-järjestyksen tiloja, jotta ne saapuvat ajoissa lähemmäksi alemman-järjestyksen tiloja. Silti kuidun tehokas modaalinen kaistanleveys asettaa kovan katon bittinopeuden × etäisyystulolle. Kampuksen runkoverkko, joka kulkee 10 Gt OM3:n yli 300 metrin korkeudessa, toimii lähellä tätä kattoa; sen ylittäminen vaatii yleensä vaihtamisen yksimuotokuituun hajontakompensaattorin sijaan.
Kromaattinen dispersio
Kromaattinen dispersio on ensisijainen suunniteltu heikkeneminen yhden{0}}mode long-reach-- ja DWDM-järjestelmissä. Sen suuruus riippuu kolmesta tekijästä: kuidun dispersiokertoimesta, lähteen spektrin leveydestä ja linkin etäisyydestä. Normaalilla G.652-kuidulla 1550 nm:ssä kertynyt dispersio yli 100 km:n on noin 1700 ps/nm. Nopeudella 10 Gbps (NRZ-modulaatio) dispersion toleranssi on noin 1 000 ps/nm, mikä tarkoittaa, että kompensoimaton linkki 1550 nm:ssä on rajoitettu noin 60 km:iin tällä nopeudella.
Yksi huomionarvoinen vivahde: kohtuullinen määrä kromaattista dispersiota voi itse asiassa hyödyttää DWDM-järjestelmiä. Kuten Corningin valkoisessa kirjassa on kuvattukuitusuunnittelu DWDM-verkkoihin, jäännösdispersio vähentää neljän -aaltosekoituksen (FWM) vaihesovitustehokkuutta - epälineaarinen vaikutus, joka heikentää lähekkäin olevia kanavia. Tästä syystä kehitettiin ei--nolladispersio--siirretyt kuidut (G.655 ja G.656): ne säilyttävät pienen mutta nollasta poikkeavan dispersion 1550 nm:ssä FWM:n vaimentamiseksi pitäen samalla kokonaisdispersion hallittavissa.
Polarisaatiomuodon dispersio (PMD)
PMD on tyypillisesti toisen asteen ongelma{0}}kromaattiseen hajaan verrattuna, mutta siitä tulee merkittävää tietyissä skenaarioissa. Suuren bittinopeuden vanhat järjestelmät (40 Gbps ja enemmän) ovat herkempiä PMD:lle, koska lyhyemmät bittijaksot jättävät vähemmän marginaalia differentiaaliryhmäviiveelle (DGD). Linkit, jotka kulkevat vanhemman kuidun yli, joiden PMD-kertoimet ovat yli 0,5 ps/√km -, ovat yleisiä kaapeleissa, jotka on asennettu ennen -1990-luvun puoliväliä – voivat kohdata PMD-rajoja ennen kromaattisen hajaantumisen rajoja. Näissä tapauksissa PMD-mittauksesta ja karakterisoinnista tulee osa linkin hyväksymisprosessia. Moderni yhtenäinentransponderitkäsittelee PMD-kompensaatiota DSP:ssä, mikä on merkittävästi vähentänyt PMD:tä itsenäisenä käyttöönoton esteenä uusissa rakennuksissa.
Millä dispersiolla on merkitystä linkissäsi?
Vastaus riippuu kuitutyypistä, etäisyydestä, tiedonsiirtonopeudesta ja järjestelmäarkkitehtuurista. Tässä on käytännön päätöksentekokehys:
Vaihe 1: Tunnista kuitutyyppi.Jos työskentelet monimuotokuidun (OM1–OM5) kanssa, modaalinen hajonta on ensisijainen huolenaihe. Kromaattinen dispersio ja PMD ovat merkityksettömiä tyypillisillä monimuotoetäisyyksillä. Jos työskentelet yksimuotokuitu-OS1 tai OS2), siirry vaiheeseen 2.
Vaihe 2: Harkitse aallonpituutta.1310 nm:ssä G.652-kuidun kromaattinen dispersio on lähellä nollaa, joten se tarvitsee harvoin kompensointia edes kohtalaisilla etäisyyksillä. Aallonpituudella 1550 nm dispersio kerääntyy noin 17 ps/(nm·km), ja kompensaatiosuunnittelua tarvitaan pidempiä linkkejä varten.
Vaihe 3: Arvioi tiedonsiirtonopeus.Suuremmilla bittinopeuksilla on tiukemmat dispersiotoleranssit. 10G NRZ-signaali sietää noin 1000 ps/nm; 40G NRZ-signaali sietää vain noin 60 ps/nm. Koherentit 100G/400G-järjestelmät käyttävät kehittynyttä modulaatiota ja DSP:tä, jotka laajentavat merkittävästi dispersion toleranssia.
Vaihe 4: Tarkista järjestelmän arkkitehtuuri.Pisteestä{0}}pisteeseen-osoitteessa suorassa-tunnistuslinkissä saatat tarvita ulkoista hajautuskompensointia. Nykyaikaisessa koherentissa DWDM-järjestelmässä transponderi DSP käsittelee tyypillisesti kromaattista dispersiota ja PMD:tä digitaalisesti, mikä usein eliminoi erillisen kompensointimoduulin tarpeen.
Milloin tarvitset dispersiokompensaatiota?
Jokainen linkki ei tarvitse erillistä korvausvaihetta. Esimerkiksi 10 Gt:n yksimuotoinen{2}}linkki, joka kulkee 20 km aallonpituudella 1310 nm, kerää merkityksettömän kromaattisen dispersion, eikä sitä tarvitse kompensoida ollenkaan. Mutta korvaus tulee välttämättömäksi, kun useat olosuhteet lähentyvät:
Linkki toimii 1550 nm:llä etäisyyksillä, joissa kertynyt kromaattinen dispersio ylittää vastaanottimen toleranssin. Tiedonsiirtonopeus on 10 Gbps tai suurempi suora-detect-optiikalla. Järjestelmä on DWDM-siirtoverkko, jossa on tiukkaoptisen tehon budjettija arvonalentumisvaatimukset. Tai kuitutehtaalla on tiedossa PMD-ongelmia - vanhoissa kaapeleissa, tuulikuormitetuissa ilmareiteissä tai korkean{2}}rasitusasennuksissa.
Käytännön sääntö: jos olet jo tekemässä linkkibudjettia ja arvonalennussuunnittelua, arvioi hajonta samassa vaiheessa. Sen korjaaminen suunnittelun aikana on paljon helpompaa kuin ajoittaisten virheiden vianmääritys käyttöönoton jälkeen.
Dispersion kompensointimenetelmien vertailu
Kuitulinkkien dispersion hallitsemiseksi on olemassa kolme pääasiallista lähestymistapaa. Jokainen sopii eri järjestelmäkontekstiin.
Dispersiokompensoiva kuitu (DCF)
DCF on erityisesti suunniteltu kuitu, jolla on suuri negatiivinen dispersiokerroin (tyypillisesti -80 - -100 ps/(nm·km) 1550 nm:ssä). DCF:n laskettu pituus lisätään linkkiin - yleensä vahvistinkohdissa - kompensoimaan lähetyskuituun kertynyttä positiivista kromaattista dispersiota. DCF on ollut tavallinen korvausmenetelmä 10 Gt:n kaukomatkojen{8}}ja vanhoissa DWDM-järjestelmissä yli kahden vuosikymmenen ajan. Sen tärkeimmät haitat ovat lisätty lisäyshäviö (vaatii lisävahvistuksen), lisääntynyt latenssi ja lisätyt epälineaariset efektit, jotka johtuvat DCF:n pienestä tehoalueesta.
Fiber Bragg -ritilä (FBG)
FBG{0}}pohjaiset dispersiokompensaattorit käyttävät jaksoittaista taitekerroinrakennetta, joka on kirjoitettu lyhyeen kuidun osaan. Hila luo aallonpituudesta{2}}riippuvaisia heijastusviiveitä, jotka kääntävät lähetyksen aikana kertyneen dispersion. FBG-moduulit ovat kompakteja kuin DCF-kelat ja niillä on vähemmän latenssia. Niitä on saatavana kiinteänä-dispersiona ja viritettävänä muunnelmina. Viritettävät FBG:t ovat erityisen hyödyllisiä uudelleenkonfiguroitavissa DWDM-verkoissa, joissa hajontakartta voi muuttua, kun kanavia lisätään tai reititetään uudelleen.
Elektroninen ja digitaalinen signaalinkäsittely (DSP)
Nykyaikaiset koherentit optiset järjestelmät kompensoivat dispersiota digitaalisesti vastaanottimen DSP:ssä. Koherentti vastaanotin kaappaa sekä optisen kentän amplitudin että vaiheen, mikä tarjoaa riittävästi tietoa DSP:lle kääntääkseen kromaattisen dispersion ja PMD:n laskennallisesti. Kuten dokumenttiIEEE 802.3työryhmät ja teollisuuden toteutukset, koherentit 100G, 400G ja 800G transponderit kompensoivat rutiininomaisesti kymmeniä tuhansia ps/nm kromaattista hajoamista DSP:ssä -, mikä eliminoi kokonaan DCF- tai FBG-moduulien tarpeen. Tämä muutos on muuttanut perusteellisesti pitkän matkan{5}}verkon suunnittelua: uudemmat koherentit DWDM-käyttöönotot jättävät yleensä pois erillisen hajautuskompensointilaitteiston.
DCF vs FBG vs DSP
| Parametri | DCF | FBG | DSP (koherentti) |
|---|---|---|---|
| Korvaustoimialue | Optinen | Optinen | Elektroninen |
| Tyypillinen sovellus | 10 G:n kauko{1}}matka, vanha DWDM | DWDM, uudelleenkonfiguroitavat verkot | 100G/400G/800G koherentit järjestelmät |
| Käsitteleekö PMD:tä? | Ei | Ei (siirtti FBG osittain) | Kyllä |
| Lisätty lisäyshäviö | Korkea (tyypillisesti 5–10 dB) | Matalasta kohtalaiseen | Ei mitään (elektroninen) |
| Viritettävyys | Korjattu | Kiinteä tai viritettävä | Täysin mukautuva |
| Koko ja levitys | Suuret kuitukelat vahvistinkohteissa | Kompaktit moduulit | Sisäänrakennettu transponderiin |
| Relevanssi uusissa rakennuksissa | Vähenemässä | Niche | Vakio |
Kuinka valita oikea palkkiostrategia
Legacy 10G tai suunnitellut DWDM-järjestelmät
Verkoissa, jotka on rakennettu 10G Direct{1}}detect- tai aikaisten DWDM-alustojen ympärille, optinen{2}}verkkoalueen kompensointi DCF:llä tai FBG:llä on usein jo osa linjajärjestelmän suunnittelua. Nämä järjestelmät luottavat huolellisiin hajautuskarttoihin - suunniteltuihin positiivisten ja negatiivisten dispersioosien sekvensseihin -, jotta kertynyt dispersio pysyy vastaanottimen toleranssin sisällä jokaisella vahvistimen alueella. Jos ylläpidät tai laajennat tällaista verkostoa, työskentele nykyisen hajautuskartan puitteissa sen sijaan, että suunnittelet kompensointimenetelmää uudelleen. Vaihto-DCF-moduulit tai viritettävät FBG-kompensaattorit ovat vakiotyökaluja täällä.
Nykyaikaiset koherentit optiset järjestelmät
Jos linkki käyttää koherentteja transpondereita (100G, 400G tai enemmän), DSP hoitaa kromaattisen dispersion ja PMD-kompensoinnin sisäisesti. Suunnittelukeskustelu siirtyy kohdasta "Mitä DCM-moduulia tarvitsen?" kohtaan "Mikä on kertynyt kokonaisdispersio, ja onko se transponderin DSP-alueella?" Useimmat nykyaikaiset koherentit transponderit sietävät reilusti yli 50 000 ps/nm kromaattista dispersiota -, mikä vastaa yli 3 000 km G.652-kuitua 1550 nm:ssä. Näissä järjestelmissä erilliset DCF- tai FBG-moduulit lisäävät tarpeettomia menetyksiä ja monimutkaisuutta. Vanhan DCF:n poistaminen koherentiksi päivitettäessä on yleinen ja hyvin{12}}dokumentoitu optimointivaihe pitkän matkan verkon modernisoinnissa.
Monimuotoiset lyhyt{0}}kattavuuslinkit
Kampus- tai datakeskusympäristöjen monimuotoyhteyksissä kromaattisen hajonnan kompensointituotteet ovat merkityksettömiä. Kaistanleveyden rajoitus on modaalinen, ei kromaattinen. Jos monimuotolinkki ei täytä suorituskykyvaatimuksia, ensin tarkistettava kuitulaatu (OM3 vs OM4 vs OM5), linkin pituus suhteessa sovellusstandardiin, liittimen laatu jalähetin-vastaanottimen yhteensopivuus. Päivitys korkealaatuiseen-monimuotokuituun tai siirtyminen yksimuotokuituun ja optiikkaan on käytännöllinen tapa - ilman hajonnan kompensaattorin lisäämistä.
Yleisiä virheitä ja väärinkäsityksiä
Olettaen, että kaikki leviäminen on haitallista.DWDM-järjestelmissä kontrolloitu määrä kromaattista dispersiota vaimentaa neljää-aaltosekoitusta ja muita epälineaarisia rangaistuksia. Ei--nolladispersio-siirretyt kuidut (G.655) suunniteltiin erityisesti säilyttämään tämä hyödyllinen jäännösdispersio 1550 nm:ssä.
Olettaen, että jokainen linkki tarvitsee korvauksen.10G-linkki 1310 nm:ssä yli 40 km:n G.652-kuitua toimii hyvin kromaattisen dispersion toleranssin sisällä. Monet yritys- ja metrolinkit eivät tarvitse korvausta ollenkaan - optiikka ja kuitu käsittelevät sen luonnostaan.
Olettaen, että yksimuotokuidulla ei ole hajontaa.Yksi{0}}muotokuitu eliminoi modaalisen dispersion, mutta kromaattinen dispersio ja PMD säilyvät. 1550 nm:ssä kromaattinen dispersio G.652-kuidussa on huomattava, ja se on otettava huomioon kaikissa pitkän ulottuvuuden suunnittelussa.
Korvausmenetelmän valinta ennen hallitsevan arvonalentumisen tunnistamista.DCF käsittelee vain kromaattista dispersiota. FBG käsittelee vain kromaattista dispersiota. Koherenteissa järjestelmissä DSP käsittelee sekä kromaattista dispersiota että PMD:tä. Menetelmän valitseminen ennen kuin ymmärrät, mikä heikkeneminen on hallitseva, johtaa vaivan ja budjetin hukkaan.
Usein kysytyt kysymykset
Onko yksimuotokuidussa{0}}dispersiota?
Kyllä. Yksi-muotokuitu eliminoi modaalisen dispersion, koska se tukee vain yhtä etenemismuotoa, mutta siinä on silti kromaattista dispersiota ja polarisaatiomuodon dispersiota. Kromaattinen dispersio standardi G.652 yksimuotokuidussa on noin 17 ps/(nm·km) 1550 nm:ssä ja lähellä nollaa 1310 nm:ssä.
Mitä eroa on modaalisella ja kromaattisella dispersiolla?
Modaalinen dispersio johtuu useista valopoluista (moodista), jotka saapuvat eri aikoina monimuotokuituun. Kromaattinen dispersio johtuu eri aallonpituuksista, jotka kulkevat eri nopeuksilla missä tahansa kuitutyypissä, vaikka se onkin ensisijaisesti ongelma yksimuotoisissa järjestelmissä. Modaalinen dispersio vaikuttaa vain monimuotokuituun; kromaattinen hajonta vaikuttaa sekä monimuotoiseen että yksi-muotokuituun, mutta se on suunniteltu ensisijaisesti yhden-moodin pitkä{5}}-linkkeihin.
Milloin hajautuskompensaatiota tarvitaan?
Kompensointi on tyypillisesti tarpeen, kun yksittäinen -moodilinkki 1550 nm:ssä ylittää vastaanottimen kromaattisen dispersion toleranssin -, esimerkiksi noin 60 km nopeudella 10 Gbps G.652-kuidun NRZ-modulaatiolla. Koherenteissa järjestelmissä (100G ja enemmän) transponderi DSP kompensoi hajoamisen sisäisesti, joten erilliset kompensointimoduulit ovat yleensä tarpeettomia.
Voiko koherentti optiikka poistaa DCF:n tarpeen?
Useimmissa tapauksissa kyllä. Nykyaikaiset koherentit transponderit kompensoivat kromaattista dispersiota ja PMD:tä digitaalisesti, tyypillisellä CD-toleranssilla yli 50 000 ps/nm. Monet operaattorit poistavat aktiivisesti vanhan DCF:n päivittäessään koherenteille alustoille, koska DCF lisää lisäyshäviöitä tarjoamatta etua, jota DSP ei voi käsitellä.
Mikä aiheuttaa optisen kuidun dispersion?
Perimmäiset syyt riippuvat tyypistä. Modaalinen dispersio johtuu useista etenemisreiteistä monimuotokuidussa. Kromaattinen dispersio johtuu lasin taitekertoimen ja kuidun aaltoputkirakenteen aallonpituusriippuvuudesta. PMD johtuu kuidun ytimen epäsymmetrisistä ja jännityksistä, jotka luovat erilaiset nopeudet valon kahdelle polarisaatiotilalle.
Fiber Linkin suunnittelu
Dispersion ymmärtäminen on osa suurempaa linkkien suunnittelun palapeliä, joka sisältää vaimennuksen, liittimien katoamisen ja optisen tehon budjetoinnin. Jos suunnittelet tai päivität kuituverkkoa - olipa kyseessä lyhyt kampuksen runkoverkko tai pitkä{2}}kuljetusreitti -, aloita tunnistamalla kuitutyyppi, toiminta-aallonpituus ja tiedonsiirtonopeus. Nämä kolme parametria määräävät, millä hajautusmekanismilla on merkitystä ja tarvitaanko kompensaatiota.
Apua oikeiden kuituinfrastruktuurikomponenttien valitsemiseen - mukaan lukienkuituliitosjohdot, liittimet ja kaapelikokoonpanot, jotka sopivat linkkivaatimuksiisi - TutustuDimin valokuituratkaisuttaiota yhteyttä suunnittelutiimiimmeprojektikohtaista-opastusta varten.
