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فارسی Dispersion et bande passante
L’atténuation affaiblit une impulsion ; la dispersion l’élargit. Différentes parties de la lumière — différents modes, différentes longueurs d’onde, différentes polarisations — voyagent à des vitesses légèrement différentes et arrivent à des instants légèrement différents, si bien qu’un « 1 » net se mélange à ses voisins. À faible débit et sur de courtes distances, c’est invisible ; à 10 Gb/s sur 80 km ou à 25 Gb/s sur 100 m de multimode, c’est la limite. Cette page explique les trois types de dispersion, le produit bande passante–distance de la fibre multimode, comment estimer une portée limitée par la dispersion, et comment les modules et les systèmes la compensent.
Trois types de dispersion
| Type | Cause | Où elle domine | Taille typique |
|---|---|---|---|
| Modale (intermodale) | les différents modes empruntent des trajets différents | fibre multimode | ns/km en fibre à saut d’indice ; ~0,1–0,5 ns/km en fibre à gradient d’indice ; exprimée en bande passante en MHz·km |
| Chromatique | l’indice du verre dépend de la longueur d’onde (matériau), et la géométrie du guide ajoute la sienne (guide d’onde) ; une source a une largeur spectrale non nulle | monomode à 1550 nm ; liaisons longues à 10G et plus | 17 ps/(nm·km) à 1550 sur G.652 ; ≈ 0 à 1310 |
| Modale de polarisation (PMD) | les deux états de polarisation voyagent à des vitesses légèrement différentes à cause de l’asymétrie de la fibre | NRZ 40G et plus sur fibre longue ; fibre ancienne | 0,05–0,5 ps/√km |
Dispersion modale et bande passante multimode
La fibre multimode est caractérisée par la bande passante modale effective (EMB) en MHz·km : la fréquence à laquelle la réponse de la fibre a chuté de 3 dB, multipliée par la longueur. La bande passante se divise par la longueur :
| Catégorie | EMB à 850 nm | Bande passante sur 100 m | Bande passante sur 300 m |
|---|---|---|---|
| OM1 | 200 MHz·km | 2 GHz | 0,67 GHz |
| OM2 | 500 | 5 GHz | 1,7 GHz |
| OM3 | 2 000 | 20 GHz | 6,7 GHz |
| OM4 | 4 700 | 47 GHz | 15,7 GHz |
Règle empirique : une liaison a besoin d’une bande passante ≈ 0,7 × débit binaire pour le NRZ. 10 Gb/s demande ~7 GHz → OM3 jusqu’à ~285 m (la norme indique 300 m) ; 25 Gb/s demande ~17,5 GHz → OM4 jusqu’à ~270 m en théorie, mais la tolérance à la dispersion du récepteur et la largeur spectrale du VCSEL ramènent la norme à 100 m. D’où le tableau de portée :
| Débit par voie | OM3 | OM4 | Limite |
|---|---|---|---|
| 1 Gb/s | 550–1 000 m | 550–1 100 m | atténuation autant que bande passante |
| 10 Gb/s | 300 m | 400 m | bande passante modale |
| 25 Gb/s NRZ | 70 m | 100 m | modale + chromatique (largeur spectrale du VCSEL) |
| 50 Gb/s PAM4 | 70 m | 100 m | identique, plus la pénalité de SNR du PAM4 |
| 100 Gb/s PAM4 (802.3db) | — | 50–100 m | avec égalisation DSP |
Tableau complet : Tableaux de portée. La condition de lancement (flux encerclé) est normalisée pour que ces chiffres restent valables avec de vrais VCSEL.
Dispersion chromatique sur fibre monomode
Le coefficient de dispersion D (ps par nm de largeur de source et par km) passe par zéro près de 1 310 nm dans la fibre G.652 standard et vaut ≈ +17 ps/(nm·km) à 1 550 nm. Étalement de l’impulsion :
Δt = D × Δλ × L
| Source | Largeur spectrale Δλ | D à λ | L | Δt | Période binaire (10G ≈ 100 ps) |
|---|---|---|---|---|---|
| Laser DFB à 1310 nm | 0,1 nm (ou 1 nm à −20 dB) | ≈ 0–3 ps/(nm·km) | 10 km | < 10 ps | correct |
| DFB à 1550 nm, 10G, DML | 0,2 nm (le chirp l’élargit) | 17 | 80 km | 270 ps | trop — nécessite un EML (faible chirp) ou un DCM |
| EML à 1550 nm, 10G | ~0,1 nm effectif | 17 | 80 km | ~140 ps → tolérable avec pénalité | 10GBASE-ZR |
| Laser Fabry-Pérot à 1310 | 3–5 nm | 3 | 2 km | 20–30 ps | correct à 1G, limite à 10G |
| LED à 1300 (héritée) | 50–100 nm | 3 | 2 km | 300–600 ps | 100 Mb/s uniquement |
| VCSEL 850 nm sur OM4 | 0,5 nm RMS | ~ −100 ps/(nm·km) à 850 | 0,1 km | 5 ps | la chromatique compte à partir de 25G |
La tolérance à la dispersion figure dans les fiches techniques en ps/nm (par exemple 800 ps/nm pour un module ER 40 km = 17 × 40 × ~1,2 nm) : le D × L de la liaison doit rester en dessous (Lire une fiche technique).
Portée limitée par la dispersion (NRZ, non compensée)
| Débit | 1310 nm sur G.652 | 1550 nm sur G.652 | Remarque |
|---|---|---|---|
| 2,5 Gb/s | > 100 km | ~600–1 000 km | l’atténuation limite en premier |
| 10 Gb/s | ~40–60 km (limité par la source) | ~60–80 km (EML), ~10–20 km (DML) | pourquoi les 10G ER/ZR utilisent l’EML |
| 25 Gb/s | 10 km (25GBASE-LR) | ~10–15 km | le 25GBASE-ER à 1550 exige une conception soignée |
| 40 Gb/s série | ~4 km | ~4 km | raison pour laquelle 40G/100G sont passés au WDM 4 × 10G/25G |
| 100 Gb/s λ unique PAM4 (DR/FR/LR1) | 2–10 km à 1310 | — | 1310 nm choisi pour une dispersion ≈ 0 ; le DSP gère le reste |
Règle empirique : la portée varie comme 1/(débit binaire)² à largeur de source fixe — doubler le débit divise par quatre la distance limitée par la dispersion.
Compensation et limitation
| Méthode | Où | Comment |
|---|---|---|
| Choisir 1310 nm | DR/FR/LR à 100G et plus | fenêtre à dispersion nulle ; coûte 0,35 dB/km au lieu de 0,2 |
| Source à faible chirp (EML, modulateur externe) | 10G ER/ZR, DWDM 10G | spectre effectif plus étroit (Lasers) |
| Module de compensation de dispersion (DCM) | tronçons DWDM 10G | une bobine de fibre à dispersion négative ou un réseau de Bragg annule D × L |
| Fibre à dispersion décalée / NZ-DSF (G.653/G.655) | infrastructure longue distance héritée | D nul ou faible à 1550 |
| Compensation électronique de dispersion | 10GBASE-LRM (EDC dans l’hôte), DSP PAM4 (FFE/DFE/MLSE) | l’égaliseur défait l’étalement numériquement (DSP) |
| Détection cohérente + DSP | 100G–800G ZR/ZR+ | dispersion entièrement compensée dans le domaine numérique, des milliers de ps/nm (Cohérent) |
| FEC | 25G et plus | corrige les erreurs causées par la dispersion plutôt que de les empêcher (FEC et AN) |
Dispersion modale de polarisation
La fibre n’est jamais parfaitement ronde ; les deux axes de polarisation voient des indices légèrement différents, et l’impulsion se sépare d’un délai de groupe différentiel qui croît avec la racine carrée de la longueur (couplage de modes aléatoire). Fibre moderne : ≤ 0,1 ps/√km → 1 ps sur 100 km, sans effet jusqu’à 40 Gb/s NRZ. Fibre ancienne (antérieure à 1995) : 0,5–2 ps/√km, un problème à 10G au-delà de 100 km, et une des raisons pour lesquelles le DSP cohérent suit la polarisation en continu.
Comment la dispersion se manifeste
| Observation | Signification |
|---|---|
| Puissance Rx bien au-dessus de la sensibilité, mais erreurs ou absence de liaison | dispersion (ou réflexions) — la puissance n’est pas le problème (Puissance Rx et bilan) |
| La liaison fonctionne à 1G, échoue à 10G sur la même fibre | bande passante modale (MMF) ou chirp du DML à 1550 (SMF) |
| Module LR 10 km correct, ER 40 km correct, ZR limite | accumulation de dispersion chromatique |
| Erreurs corrigées par le FEC élevées, non corrigibles rares | fermeture du diagramme de l’œil due à la dispersion, partiellement corrigée (Métriques VDM et FEC) |
| Portée insuffisante sur OM3 avec un module « 300 m » | non-conformité du flux encerclé, ou OM3 étiqueté OM2 par erreur |
Dans CodingBox
La tolérance à la dispersion n’est pas stockée dans l’EEPROM, mais les champs qui la prédisent le sont : longueur d’onde (1310 ou 1550), type de laser d’après les codes de conformité (SR VCSEL, LR DFB, ER EML), et les champs de longueur OM3/OM4/SMF pour lesquels le vendeur a caractérisé le module. CodingBox les affiche, de sorte qu’une question du genre « pourquoi ce module 1550 nm ne fait-il pas 80 km » s’appuie sur des données (Check transceiver).
L’autre limite à forte puissance de lancement — automodulation de phase et modulation de phase croisée, mélange à quatre ondes, diffusion Brillouin et Raman, et pourquoi la dispersion aide en réalité contre certains d’entre eux : Effets non linéaires.