پراکندگی فیبر نوری: انواع، علل و زمان رفع آن

پراکندگی فیبر نوری گسترش یک پالس نور در حین عبور از فیبر است. هنگامی که پالس ها بیش از حد گسترش می یابند، در گیرنده همپوشانی دارند و خطاهای بیتی ایجاد می کنند که هم پهنای باند و هم دسترسی را محدود می کند. به عنوان مثال، در یک پیوند تک حالته 10 گیگابیت در ثانیه که 80 کیلومتر در 1550 نانومتر اجرا می شود، پراکندگی رنگی انباشته شده می تواند از 1300 ps/nm - تجاوز کند تا در صورت عدم مدیریت، نمودار چشمی کاملاً بسته شود.

برای مهندسان شبکه و طراحان سیستم، سوال عملی به ندرت این است که "پراکندگی چیست؟" بلکه "کدام نوع پراکندگی در پیوند من غالب است و آیا نیاز به جبران دارد؟" این راهنما با بررسی مکانیسم‌های پراکندگی اصلی، علل آنها و روش‌های جبرانی موجود امروزی - از ماژول‌های DCF قدیمی تا DSP منسجم مدرن، به این سؤال پاسخ می‌دهد.
 

پراکندگی فیبر نوری چیست؟

پراکندگی به این معنی است که یک پالس نوری کوتاه زمانی که در فیبر منتشر می شود کوتاه نمی ماند. در زمان پخش می شود. هر چه بیشتر پخش شود، تشخیص یک بیت از بیت دیگر برای گیرنده سخت تر می شود. با توجه بهاستاندارد ITU-T G.652ضریب پراکندگی رنگی فیبر حالت استاندارد تک- تقریباً 17 ps/(nm·km) در نزدیکی 1550 نانومتر - مشخص شده است، پارامتری که مستقیماً بر سرعت باز شدن پالس ها در مسافت نظارت می کند.

پراکندگی یک اثر واحد نیست. انواع فیبرهای مختلف و معماری سیستم تحت تأثیر مکانیسم‌های متفاوتی قرار می‌گیرند. درفیبر چند حالته، پراکندگی مودال غالب است. درفیبر تک حالت-پراکندگی رنگی و پراکندگی حالت قطبی نگرانی های کلیدی هستند. درک اینکه کدام مکانیسم برای نوع فیبر شما اعمال می شود اولین گام به سمت تصمیم درست طراحی است.

چه چیزی باعث پراکندگی فیبر نوری می شود؟

پراکندگی از خواص فیزیکی فیبر و منبع نور ناشی می شود. هر نوع پراکندگی یک علت مجزا دارد:

پراکندگی مودالناشی از وجود مسیرهای انتشار (حالت) چندگانه در فیبر چند حالته است. حالت‌های سفارش بالاتر مسیرهای مؤثر طولانی‌تری را نسبت به حالت‌های سفارش پایین‌تر طی می‌کنند، بنابراین در زمان‌های مختلف به گیرنده می‌رسند. نتیجه گشاد شدن نبض است که با فاصله بدتر می شود. به همین دلیل است که فیبر چند حالته محدودیت‌های دسترسی ذاتی دارد - مثلاً یک فیبر OM3 که از 10GBASE-SR پشتیبانی می‌کند، فقط به 300 متر رتبه‌بندی می‌شود.

پراکندگی کروماتیکناشی از طول موج{0}}وابسته ضریب شکست شیشه است. از آنجایی که هیچ لیزری یک طول موج کاملا منفرد ساطع نمی کند، اجزای طیفی مختلف با سرعت های کمی متفاوت حرکت می کنند. پراکندگی کروماتیک دو جزء زیر- دارد: پراکندگی مواد (از خود شیشه) و پراکندگی موجبر (از هسته فیبر-هندسه روکش). اثر ترکیبی آنها پراکندگی رنگی کل را در هر طول موج معین تعیین می کند. فیبر استاندارد G.652 دارای طول موج-صفر پراکندگی نزدیک به 1310 نانومتر است، به همین دلیل است که سیستم های قدیمی اغلب در آنجا کار می کنند. در 1550 نانومتر - پنجره ترجیحی برای مسافت طولانی- وانتقال DWDMبه دلیل تضعیف کمتر - پراکندگی رنگی به طور قابل توجهی انباشته می شود و باید در هر پیوندی فراتر از چند ده کیلومتر با سرعت 10 گیگابیت در ثانیه یا بالاتر مدیریت شود.

پراکندگی حالت قطبی (PMD)ناشی از عدم تقارن در هسته فیبر است. در یک فیبر ایده آل، دو حالت قطبش متعامد دقیقاً با سرعت یکسان حرکت می کنند. در عمل، عیوب تولید، تنش مکانیکی و تغییرات دما باعث ایجاد دوشکستگی می شود که باعث می شود یک حالت قطبش کمی جلوتر از دیگری برسد. PMD یک اثر آماری است - با زمان و در امتداد فیبر - تغییر می‌کند که جبران آن را با عناصر نوری ثابت دشوارتر می‌کند. معمولاً در پیوندهای قدیمی 10G و 40G با مسافت بیش از 200 تا 300 کیلومتر، یا در سیستم‌هایی که از کارخانه فیبر قدیمی‌تر با ضریب PMD بالاتر (بالاتر از 0.5 ps/√km) استفاده مجدد می‌کنند، به یک نگرانی طراحی تبدیل می‌شود.

سه نوع اصلی پراکندگی فیبر نوری

پراکندگی مودال

پراکندگی مودال محدود کننده پهنای باند غالب در فیبر چند حالته است. این امر به این دلیل رخ می دهد که فیبر چند حالته از صدها یا حتی هزاران حالت انتشار پشتیبانی می کند که هر کدام مسیر کمی متفاوت را در هسته طی می کنند. فیبر چند حالته درجه‌دار-(OM1 تا OM5) پراکندگی مودال را با تغییر نمایه ضریب شکست در سراسر هسته کاهش می‌دهد، و حالت‌های مرتبه{5} بالاتر را هدایت می‌کند تا به موقع به حالت‌های مرتب{{6} پایین‌تر نزدیک‌تر شوند. با این حال، پهنای باند مودال مؤثر فیبر، سقف سختی را روی محصول نرخ بیت × فاصله ایجاد می‌کند. ستون فقرات دانشگاه که 10G را بر روی OM3 در 300 متر اجرا می کند در نزدیکی آن سقف کار می کند. فشار دادن فراتر از آن معمولاً به جای یک جبران کننده پراکندگی نیاز به یک سوئیچ به فیبر یک حالته{12} دارد.

پراکندگی رنگی

پراکندگی کروماتیک نقص مهندسی اولیه در سیستم‌های-مدت طولانی-دسترسی و DWDM است. بزرگی آن به سه عامل بستگی دارد: ضریب پراکندگی فیبر، عرض طیفی منبع، و فاصله پیوند. برای یک فیبر استاندارد G.652 در 1550 نانومتر، پراکندگی انباشته شده در 100 کیلومتر تقریباً 1700 ps/nm است. در 10 گیگابیت بر ثانیه (مدولاسیون NRZ)، تحمل پراکندگی تقریباً 1000 ps/nm است، به این معنی که یک پیوند جبران نشده در 1550 نانومتر به حدود 60 کیلومتر با آن سرعت محدود می‌شود.

نکته ای که شایان ذکر است: مقدار متوسطی از پراکندگی رنگی در واقع می تواند برای سیستم های DWDM مفید باشد. همانطور که در مقاله سفید کورنینگ شرح داده شده استطراحی فیبر برای شبکه های DWDM، پراکندگی باقیمانده راندمان تطبیق فاز چهار{0}}اختلاط موج (FWM) - را کاهش می‌دهد، یک اثر غیرخطی که کانال‌های با فاصله نزدیک را تخریب می‌کند. به همین دلیل است که الیاف جابه‌جایی بدون{3}}پراکندگی صفر- (G.655 و G.656) توسعه یافته‌اند: آنها یک پراکندگی کوچک اما غیرصفر را در 1550 نانومتر حفظ می‌کنند تا FWM را سرکوب کنند و در عین حال پراکندگی کل را قابل کنترل نگه می‌دارند.

پراکندگی حالت قطبی (PMD)

PMD معمولاً در مقایسه با پراکندگی رنگی یک نگرانی مرتبه دوم-است، اما در سناریوهای خاص قابل توجه است. سیستم‌های قدیمی با نرخ بیت بالا (40 گیگابیت در ثانیه و بالاتر) به PMD حساس‌تر هستند زیرا دوره‌های بیت کوتاه‌تر حاشیه کمتری برای تاخیر گروه دیفرانسیل (DGD) باقی می‌گذارد. پیوندهایی که روی فیبر قدیمی‌تر با ضریب PMD بالاتر از 0.5 ps/√km - در کابل‌های نصب‌شده قبل از اواسط-1990 رایج است - ممکن است قبل از محدودیت‌های پراکندگی رنگی با محدودیت‌های PMD مواجه شوند. در این موارد، اندازه‌گیری و مشخصه‌سازی PMD بخشی از فرآیند پذیرش پیوند می‌شود. منسجم مدرنفرستنده هاجبران PMD را در DSP مدیریت کنید، که به طور قابل توجهی PMD را به عنوان یک مانع استقرار مستقل در ساخت‌های جدید کاهش داده است.

کدام نوع پراکندگی در پیوند شما مهم است؟

پاسخ به نوع فیبر، فاصله، سرعت داده و معماری سیستم شما بستگی دارد. در اینجا یک چارچوب تصمیم عملی وجود دارد:

مرحله 1: نوع فیبر را شناسایی کنید.اگر با فیبر چند حالته (OM1–OM5) کار می کنید، پراکندگی مودال نگرانی اصلی شما است. پراکندگی رنگی و PMD در فواصل چند حالته معمولی ناچیز است. اگر با فیبر یک حالت- کار می کنید (OS1 یا OS2، به مرحله 2 بروید.

مرحله 2: طول موج را در نظر بگیرید.در 1310 نانومتر، پراکندگی رنگی در فیبر G.652 نزدیک به صفر است، بنابراین به ندرت حتی در فواصل متوسط ​​نیاز به جبران دارد. در 1550 نانومتر، پراکندگی تقریباً 17 ps/(nm·km) جمع می‌شود و برنامه‌ریزی جبران برای پیوندهای طولانی‌تر مورد نیاز است.

مرحله 3: نرخ داده را ارزیابی کنید.نرخ بیت بالاتر، تحمل پراکندگی کمتری دارند. سیگنال NRZ 10G تقریباً 1000 ps/nm را تحمل می کند. سیگنال NRZ 40G تنها حدود 60 ps/nm را تحمل می کند. سیستم های منسجم 100G/400G از مدولاسیون پیشرفته و DSP استفاده می کنند که به طور قابل توجهی تحمل پراکندگی را افزایش می دهد.

مرحله 4: معماری سیستم را بررسی کنید.در پیوند شناسایی-به-نقطه مستقیم-، ممکن است به جبران پراکندگی خارجی نیاز داشته باشید. در یک سیستم DWDM منسجم مدرن، ترانسپوندر DSP معمولاً پراکندگی رنگی و PMD را به صورت دیجیتالی کنترل می‌کند و اغلب نیاز به ماژول‌های جبران مستقل را از بین می‌برد.

چه زمانی به جبران پراکندگی نیاز دارید؟

هر پیوندی نیاز به یک مرحله جبران جداگانه ندارد. به عنوان مثال، یک پیوند تک حالته 10G که 20 کیلومتر در 1310 نانومتر اجرا می شود، پراکندگی رنگی ناچیزی را جمع می کند و اصلاً نیازی به جبران ندارد. اما جبران خسارت زمانی ضروری می شود که چند شرط همگرا شوند:

این پیوند در 1550 نانومتر در فواصل زمانی که پراکندگی رنگی انباشته شده از تحمل گیرنده فراتر می رود کار می کند. سرعت داده 10 گیگابیت بر ثانیه یا بیشتر با اپتیک{3}}تشخیص مستقیم است. این سیستم یک شبکه حمل و نقل DWDM با تنگ استبودجه برق نوریو الزامات کاهش ارزش. یا کارخانه فیبر دارای مشکلات PMD - کابل‌های قدیمی‌تر، مسیرهای هوایی در معرض بارگیری باد، یا نصب‌های{2}}با استرس زیاد است.

قانون عملی: اگر قبلاً در حال انجام برنامه ریزی بودجه پیوند و اختلال هستید، پراکندگی را در همان مرحله ارزیابی کنید. پرداختن به آن در حین طراحی بسیار ساده تر از عیب یابی خطاهای متناوب پس از استقرار است.

روش های جبران پراکندگی مقایسه شد

سه رویکرد اصلی برای مدیریت پراکندگی در پیوندهای فیبر وجود دارد. هر کدام با زمینه سیستم متفاوتی مطابقت دارد.

فیبر جبران کننده پراکندگی (DCF)

DCF یک فیبر خاص طراحی شده با ضریب پراکندگی منفی بزرگ است (معمولاً 80- تا 100-ps/(nm·km) در 1550 نانومتر). یک طول محاسبه‌شده DCF در پیوند - معمولاً در سایت‌های تقویت‌کننده - وارد می‌شود تا پراکندگی رنگی مثبت انباشته شده در فیبر انتقال را جبران کند. DCF بیش از دو دهه است که روش استاندارد جبران در سیستم‌های 10G مسافت طولانی-و DWDM قدیمی بوده است. اشکالات اصلی آن عبارتند از افت درج اضافه شده (نیاز به تقویت اضافی)، افزایش تأخیر، و افزودن اثرات غیرخطی به دلیل ناحیه مؤثر کوچک DCF.

گریتینگ فیبر براگ (FBG)

جبران کننده های پراکندگی مبتنی بر FBG{0}}از ساختار ضریب شکست دوره ای که در بخش کوتاهی از فیبر نوشته شده است استفاده می کنند. گریتینگ تاخیرهای بازتابی وابسته به طول موج- ایجاد می کند که پراکندگی انباشته شده در طول انتقال را معکوس می کند. ماژول‌های FBG نسبت به قرقره‌های DCF فشرده‌تر هستند و تأخیر کمتری ایجاد می‌کنند. آنها در انواع-پراکندگی ثابت و قابل تنظیم موجود هستند. FBG های قابل تنظیم به ویژه در شبکه های DWDM قابل تنظیم مجدد که در آن نقشه پراکندگی ممکن است با اضافه شدن یا مسیریابی مجدد کانال ها تغییر کند، مفید هستند.

پردازش سیگنال الکترونیکی و دیجیتال (DSP)

سیستم های نوری منسجم مدرن پراکندگی را به صورت دیجیتالی در گیرنده DSP جبران می کنند. گیرنده همدوس هم دامنه و هم فاز میدان نوری را می گیرد که اطلاعات کافی برای DSP برای معکوس کردن پراکندگی رنگی و PMD محاسباتی فراهم می کند. همانطور که توسطIEEE 802.3گروه های کاری و پیاده سازی های صنعتی، فرستنده های منسجم 100G، 400G و 800G به طور معمول ده ها هزار ps/nm پراکندگی رنگی را در DSP - جبران می کنند و نیاز به ماژول های DCF یا FBG درون خطی را به طور کامل حذف می کنند. این تغییر اساساً طراحی شبکه طولانی-را تغییر داده است: استقرارهای DWDM منسجم جدیدتر معمولاً سخت افزار جبران پراکندگی مستقل را حذف می کنند.

DCF در مقابل FBG در مقابل DSP

نحوه انتخاب استراتژی جبران خسارت مناسب

Legacy 10G یا سیستم های مهندسی DWDM

در شبکه‌هایی که حدود 10G ساخته شده‌اند-تشخیص مستقیم یا پلت‌فرم‌های اولیه DWDM، جبران نوری{2}} دامنه با DCF یا FBG اغلب بخشی از طراحی سیستم خط است. این سیستم‌ها به نقشه‌های پراکندگی دقیق - توالی‌های برنامه‌ریزی‌شده بخش‌های پراکندگی مثبت و منفی - تکیه می‌کنند تا پراکندگی انباشته‌شده را در تحمل گیرنده در هر دهانه تقویت‌کننده حفظ کنند. اگر در حال حفظ یا گسترش چنین شبکه ای هستید، به جای طراحی مجدد رویکرد جبران، در نقشه پراکندگی موجود کار کنید. ماژول های جایگزین DCF یا جبران کننده های قابل تنظیم FBG ابزارهای استاندارد در اینجا هستند.

سیستم های نوری منسجم مدرن

اگر پیوند از فرستنده های منسجم (100G، 400G یا بیشتر) استفاده می کند، DSP پراکندگی رنگی و جبران PMD را به صورت داخلی کنترل می کند. مکالمه طراحی از «به کدام ماژول DCM نیاز دارم؟» تغییر می کند. به "کل پراکندگی انباشته چقدر است و آیا در محدوده DSP ترانسپوندر است؟" اکثر فرستنده های منسجم مدرن بیش از 50000 ps/nm پراکندگی رنگی - معادل بیش از 3000 کیلومتر فیبر G.652 در 1550 نانومتر را تحمل می کنند. در این سیستم ها، ماژول های مستقل DCF یا FBG تلفات و پیچیدگی های غیر ضروری را اضافه می کنند. حذف DCF قدیمی هنگام ارتقاء به منسجم، یک مرحله بهینه‌سازی متداول و مستند{12}در نوسازی شبکه طولانی{13} است.

چند حالته کوتاه-پیوندهای دسترسی

برای پیوندهای چند حالته در محیط های دانشگاه یا مرکز داده، محصولات جبران پراکندگی رنگی بی ربط هستند. محدودیت پهنای باند مودال است نه رنگی. اگر یک لینک چند حالته نتواند الزامات عملکرد را برآورده کند، اولین چیزهایی که باید بررسی شود درجه فیبر (OM3 در مقابل OM4 در مقابل OM5)، طول پیوند نسبت به استاندارد برنامه، کیفیت اتصال وسازگاری فرستنده گیرنده. ارتقاء به یک فیبر چند حالته درجه بالاتر یا جابجایی به فیبر و فیبر نوری یک حالته- مسیر عملی است - بدون افزودن جبران کننده پراکندگی.

اشتباهات رایج و باورهای غلط

با فرض اینکه همه پراکندگی مضر است.در سیستم‌های DWDM، مقدار کنترل‌شده‌ای از پراکندگی رنگی، چهار-اختلاط موج و سایر جریمه‌های غیرخطی را سرکوب می‌کند. الیاف جابجا شده با -پراکندگی صفر- (G.655) به طور خاص برای حفظ این پراکندگی باقیمانده مفید در 1550 نانومتر طراحی شده‌اند.

با فرض اینکه هر پیوند نیاز به جبران دارد.یک پیوند 10G در 1310 نانومتر در طول 40 کیلومتر از فیبر G.652 به خوبی در تحمل پراکندگی رنگی عمل می کند. بسیاری از پیوندهای سازمانی و مترو به هیچ وجه نیازی به جبران ندارند - فیبر نوری و فیبر ذاتی آن را مدیریت می کنند.

با فرض اینکه فیبر حالت تک- پراکندگی ندارد.فیبر تک حالته پراکندگی مودال را حذف می کند، اما پراکندگی رنگی و PMD باقی می مانند. در 1550 نانومتر، پراکندگی رنگی در فیبر G.652 قابل توجه است و باید در هر طراحی با دسترسی طولانی در نظر گرفته شود.

انتخاب روش جبران قبل از شناسایی نقص غالب.DCF فقط پراکندگی رنگی را نشان می دهد. FBG فقط پراکندگی رنگی را نشان می دهد. DSP در سیستم های منسجم، هم پراکندگی رنگی و هم PMD را مورد توجه قرار می دهد. انتخاب روش قبل از درک اینکه کدام آسیب غالب است منجر به هدر رفتن تلاش و بودجه می شود.

سوالات متداول

آیا فیبر یک حالت- پراکندگی دارد؟

بله. فیبر تک حالته پراکندگی مودال را حذف می کند زیرا فقط یک حالت انتشار را پشتیبانی می کند، اما همچنان پراکندگی رنگی و پراکندگی حالت قطبی را نشان می دهد. پراکندگی رنگی در فیبر تک حالته استاندارد G.652 تقریباً 17 ps/(nm·km) در 1550 نانومتر و نزدیک به صفر در 1310 نانومتر است.

تفاوت بین پراکندگی مدال و کروماتیک چیست؟

پراکندگی مودال ناشی از مسیرهای نوری (حالت‌های) متعددی است که در زمان‌های مختلف در فیبر چند حالته می‌رسند. پراکندگی رنگی ناشی از طول موج‌های متفاوتی است که با سرعت‌های مختلف در هر نوع فیبری حرکت می‌کنند، اگرچه در درجه اول در سیستم‌های یک حالت- یک نگرانی وجود دارد. پراکندگی مودال فقط بر فیبر چند حالته تأثیر می گذارد. پراکندگی رنگی بر فیبر چند حالته و تک حالته تأثیر می‌گذارد، اما عمدتاً در پیوندهای دسترسی طولانی- تک حالته طراحی شده است.

چه زمانی جبران پراکندگی ضروری است؟

جبران معمولاً زمانی ضروری است که یک -پیوند حالت در 1550 نانومتر از تحمل پراکندگی رنگی گیرنده - فراتر رود، به عنوان مثال، تقریباً 60 کیلومتر در 10 گیگابیت در ثانیه با مدولاسیون NRZ در فیبر G.652. در سیستم های منسجم (100G و بالاتر)، ترانسپوندر DSP پراکندگی داخلی را جبران می کند، بنابراین ماژول های جبران مستقل معمولاً غیر ضروری هستند.

آیا اپتیک منسجم می تواند نیاز به DCF را برطرف کند؟

در بیشتر موارد، بله. فرستنده های منسجم مدرن پراکندگی رنگی و PMD را به صورت دیجیتالی با تحمل CD معمولی بیش از 50000 ps/nm جبران می کنند. بسیاری از اپراتورها به طور فعال DCF قدیمی را هنگام ارتقاء به پلتفرم‌های منسجم حذف می‌کنند، زیرا DCF بدون ایجاد مزیتی که DSP نمی‌تواند از عهده آن برآید، تلفات درج را اضافه می‌کند.

چه چیزی باعث پراکندگی فیبر نوری می شود؟

علل ریشه ای به نوع آن بستگی دارد. پراکندگی مودال توسط مسیرهای انتشار چندگانه در فیبر چند حالته ایجاد می شود. پراکندگی رنگی ناشی از وابستگی طول موج ضریب شکست شیشه و ساختار موجبر فیبر است. PMD ناشی از عدم تقارن و تنش در هسته فیبر است که سرعت های متفاوتی را برای دو حالت قطبش نور ایجاد می کند.

برنامه ریزی پیوند فیبر خود

درک پراکندگی بخشی از یک پازل طراحی لینک بزرگتر است که شامل تضعیف، از دست دادن اتصال، و بودجه بندی توان نوری است. اگر در حال طراحی یا ارتقاء یک شبکه فیبر هستید - چه یک ستون فقرات پردیس کوتاه یا یک مسیر حمل و نقل طولانی- با شناسایی نوع فیبر، طول موج عملیاتی و نرخ داده شروع کنید. این سه پارامتر تعیین می کنند که کدام مکانیسم پراکندگی مهم است و آیا جبران نیاز است یا خیر.

برای راهنمایی در انتخاب اجزای زیرساخت فیبر مناسب - از جملهپچ کوردهای فیبر، کانکتورها و مجموعه های کابل متناسب با نیازهای پیوند شما - را بررسی کنیدراه حل های فیبر نوری Dimiیابا تیم مهندسی ما تماس بگیریدبرای{0}}راهنمایی خاص پروژه.