Dyspersja i szerokość pasma

Tłumienie osłabia impuls; dyspersja go poszerza. Różne składowe światła — różne mody, różne długości fali, różne polaryzacje — poruszają się z nieco różnymi prędkościami i docierają w nieco różnym czasie, więc ostra „1” rozmywa się z sąsiadami. Przy niskich przepływnościach i na krótkich dystansach jest to niewidoczne; przy 10 Gb/s na 80 km albo przy 25 Gb/s na 100 m światłowodu wielomodowego staje się ograniczeniem. Ta strona wyjaśnia trzy rodzaje dyspersji, iloczyn szerokości pasma i odległości światłowodu wielomodowego, sposób szacowania zasięgu ograniczonego dyspersją oraz sposób, w jaki moduły i systemy ją kompensują.

Trzy rodzaje dyspersji

Dyspersja modowa i szerokość pasma światłowodu wielomodowego

Światłowód wielomodowy ocenia się przez efektywną szerokość pasma modowego (EMB) w MHz·km: częstotliwość, przy której odpowiedź światłowodu spada o 3 dB, pomnożoną przez długość. Szerokość pasma dzieli się przez długość:

Reguła praktyczna: przy NRZ łącze potrzebuje szerokości pasma ≈ 0,7 × przepływność bitowa. 10 Gb/s wymaga ~7 GHz → OM3 do ~285 m (norma podaje 300 m); 25 Gb/s wymaga ~17,5 GHz → OM4 teoretycznie do ~270 m, ale tolerancja dyspersji odbiornika i szerokość widmowa VCSEL-a sprowadzają normę do 100 m. Stąd tabela zasięgu:

Pełna tabela: Tabele zasięgu. Warunek wprowadzenia światła (encircled flux) jest znormalizowany, dzięki czemu te wartości obowiązują dla rzeczywistych VCSEL-i.

Dyspersja chromatyczna w światłowodzie jednomodowym

Współczynnik dyspersji D (ps na nm szerokości źródła na km) przechodzi przez zero blisko 1 310 nm w standardowym światłowodzie G.652 i wynosi ≈ +17 ps/(nm·km) przy 1 550 nm. Poszerzenie impulsu:

Δt = D × Δλ × L

Tolerancja dyspersji pojawia się w kartach katalogowych jako ps/nm (np. 800 ps/nm dla modułu ER na 40 km = 17 × 40 × ~1,2 nm): D × L łącza musi pozostać poniżej tej wartości (Odczyt karty katalogowej).

Zasięg ograniczony dyspersją (NRZ, bez kompensacji)

Reguła praktyczna: zasięg skaluje się jak 1/(przepływność bitowa)² przy stałej szerokości źródła — podwojenie przepływności skraca dystans ograniczony dyspersją czterokrotnie.

Kompensacja i łagodzenie

Dyspersja modu polaryzacyjnego

Światłowód nigdy nie jest idealnie okrągły; dwie osie polaryzacji widzą nieco różne współczynniki załamania, a impuls rozszczepia się o różnicowe opóźnienie grupowe, które rośnie z pierwiastkiem kwadratowym z długości (przypadkowe sprzężenie modów). Nowoczesny światłowód: ≤ 0,1 ps/√km → 1 ps na 100 km, nieszkodliwe do 40 Gb/s NRZ. Stary światłowód (sprzed 1995): 0,5–2 ps/√km, problem przy 10G na 100 km+ i powód, dla którego koherentny DSP śledzi polaryzację w sposób ciągły.

Jak dyspersja się objawia

W CodingBox

Tolerancja dyspersji nie jest zapisana w EEPROM, ale zapisane są pola, które ją przewidują: długość fali (1310 czy 1550), typ lasera z kodów zgodności (SR VCSEL, LR DFB, ER EML), oraz pola długości OM3/OM4/SMF, dla których producent ocenił moduł. CodingBox je pokazuje, dzięki czemu za pytaniem „dlaczego ten moduł 1550 nm nie robi 80 km” stoją dane (Check transceiver).

Drugie ograniczenie przy dużej mocy nadawanej — samomodulacja i modulacja skrośna fazy, mieszanie czterofalowe, rozpraszanie Brillouina i Ramana, oraz dlaczego dyspersja w rzeczywistości pomaga przeciw niektórym z nich: Efekty nieliniowe.