Dispersione e larghezza di banda

L’attenuazione indebolisce un impulso; la dispersione lo allarga. Parti diverse della luce (modi diversi, lunghezze d’onda diverse, polarizzazioni diverse) viaggiano a velocità leggermente diverse e arrivano in istanti leggermente diversi, così un «1» nitido sfuma nei vicini. A velocità basse e distanze brevi questo è invisibile; a 10 Gb/s su 80 km o a 25 Gb/s su 100 m di fibra multimodale è il limite. Questa pagina spiega i tre tipi di dispersione, il prodotto larghezza di banda-distanza della fibra multimodale, come stimare una portata limitata dalla dispersione, e come la compensano i moduli e i sistemi.

Tre tipi di dispersione

Dispersione modale e larghezza di banda multimodale

La fibra multimodale è specificata tramite la larghezza di banda modale effettiva (EMB) in MHz·km: la frequenza alla quale la risposta della fibra è scesa di 3 dB, moltiplicata per la lunghezza. La larghezza di banda si divide per la lunghezza:

Regola pratica: un collegamento richiede una larghezza di banda ≈ 0,7 × velocità di bit per NRZ. 10 Gb/s richiede ~7 GHz, il che porta a OM3 fino a ~285 m (lo standard dice 300 m); 25 Gb/s richiede ~17,5 GHz, il che porta a OM4 fino a ~270 m in teoria, ma la tolleranza alla dispersione del ricevitore e la larghezza spettrale del VCSEL riducono lo standard a 100 m. Da qui la tabella delle portate:

Tabella completa: Tabelle delle portate. La condizione di lancio (flusso circoscritto) è standardizzata affinché questi valori valgano con VCSEL reali.

Dispersione cromatica sulla fibra monomodale

Il coefficiente di dispersione D (ps per nm di larghezza della sorgente per km) attraversa lo zero vicino a 1 310 nm nella fibra G.652 standard ed è ≈ +17 ps/(nm·km) a 1 550 nm. Allargamento dell’impulso:

Δt = D × Δλ × L

La tolleranza alla dispersione compare nelle schede tecniche come ps/nm (ad esempio, 800 ps/nm per un modulo ER da 40 km = 17 × 40 × ~1,2 nm): il D × L del collegamento deve restare sotto questo valore (Come leggere una scheda tecnica).

Portata limitata dalla dispersione (NRZ, non compensata)

Regola pratica: la portata scala con 1/(velocità di bit)² a parità di larghezza della sorgente; raddoppiare la velocità riduce di quattro volte la distanza limitata dalla dispersione.

Compensazione e mitigazione

Dispersione di modo di polarizzazione

La fibra non è mai perfettamente rotonda; i due assi di polarizzazione vedono indici leggermente diversi e l’impulso si divide per un ritardo di gruppo differenziale che cresce con la radice quadrata della lunghezza (accoppiamento casuale dei modi). Fibra moderna: ≤ 0,1 ps/√km, ovvero 1 ps su 100 km, innocuo fino a 40 Gb/s NRZ. Fibra vecchia (precedente al 1995): 0,5–2 ps/√km, un problema a 10G oltre i 100 km e un motivo per cui il DSP coerente monitora la polarizzazione in modo continuo.

Come si manifesta la dispersione

In CodingBox

La tolleranza alla dispersione non è memorizzata nell’EEPROM, ma i campi che la predicono sì: la lunghezza d’onda (1310 contro 1550), il tipo di laser desunto dai codici di compatibilità (SR VCSEL, LR DFB, ER EML), e i campi di lunghezza OM3/OM4/SMF per cui il produttore ha specificato il modulo. CodingBox li mostra, così una domanda come «perché questo modulo da 1550 nm non copre 80 km» ha dati a supporto (Check transceiver).

L’altro limite, all’alta potenza di lancio: automodulazione di fase e modulazione di fase incrociata, mescolamento a quattro onde, diffusione di Brillouin e di Raman, e perché la dispersione in realtà aiuta contro alcuni di essi: Effetti non lineari.