Dispersiyon ve bant genişliği

Zayıflama bir darbeyi zayıflatır; dispersiyon onu genişletir. Işığın farklı parçaları — farklı modlar, farklı dalga boyları, farklı polarizasyonlar — birbirinden az farklı hızlarda ilerler ve az farklı zamanlarda varır, böylece keskin bir “1” komşularına yayılır. Düşük hızlarda ve kısa mesafelerde bu görünmez; 80 km üzerinden 10 Gb/s’de veya 100 m çok modlu fiber üzerinden 25 Gb/s’de ise bu sınırı oluşturur. Bu sayfa üç dispersiyon türünü, çok modlu fiberin bant genişliği–mesafe çarpımını, dispersiyonla sınırlı bir erişim mesafesinin nasıl tahmin edileceğini ve modüllerin ve sistemlerin bunu nasıl telafi ettiğini açıklar.

Üç dispersiyon türü

Tür	Neden	Nerede baskın	Tipik büyüklük
Modal (mod arası)	farklı modlar farklı yollar izler	çok modlu fiber	basamak indisli fiberde ns/km; gradyan indisli fiberde ~0,1–0,5 ns/km; MHz·km cinsinden bant genişliği olarak tanımlanır
Kromatik	camın indisi dalga boyuna bağlıdır (malzeme) ve kılavuzun geometrisi kendi payını ekler (dalga kılavuzu); bir kaynağın sıfırdan farklı bir spektral genişliği vardır	1550 nm’de tek modlu fiber; 10G+ hızda uzun bağlantılar	G.652’de 1550’de 17 ps/(nm·km); 1310’da ≈ 0
Polarizasyon modu (PMD)	iki polarizasyon durumu, fiberin asimetrisi nedeniyle az farklı hızlarda ilerler	uzun fiber üzerinden 40G+ NRZ; eski fiber	0,05–0,5 ps/√km

Çok modlu fiber, MHz·km cinsinden etkin modal bant genişliği (EMB) ile derecelendirilir: fiberin tepkisinin 3 dB düştüğü frekans çarpı uzunluk. Bant genişliği uzunluğa bölünür:

Sınıf	850 nm’de EMB	100 m üzerinde bant genişliği	300 m üzerinde bant genişliği
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

Kaba bir kural: NRZ için bir bağlantının bant genişliği ihtiyacı ≈ 0,7 × bit hızıdır. 10 Gb/s ~7 GHz ister → OM3’te ~285 m’ye kadar (standart 300 m diyor); 25 Gb/s ~17,5 GHz ister → teoride OM4’te ~270 m’ye kadar, ancak alıcının dispersiyon toleransı ve VCSEL spektral genişliği standardı 100 m’ye indirir. Bu nedenle erişim mesafesi tablosu şöyledir:

Şerit başına hız	OM3	OM4	Sınır
1 Gb/s	550–1 000 m	550–1 100 m	bant genişliği kadar zayıflama da
10 Gb/s	300 m	400 m	modal bant genişliği
25 Gb/s NRZ	70 m	100 m	modal + kromatik (VCSEL spektral genişliği)
50 Gb/s PAM4	70 m	100 m	aynısı, artı PAM4 SNR cezası
100 Gb/s PAM4 (802.3db)	—	50–100 m	DSP eşitleme ile

Tam tablo: Erişim mesafesi tabloları. Gönderim koşulu (çevrelenmiş akı) standartlaştırılmıştır, böylece bu rakamlar gerçek VCSEL’lerle geçerli olur.

Tek modlu fiberde kromatik dispersiyon

Dispersiyon katsayısı D (kaynak genişliğinin nm’si başına, km başına ps), standart G.652 fiberinde 1 310 nm civarında sıfırı geçer ve 1 550 nm’de ≈ +17 ps/(nm·km) olur. Darbe yayılması:

Δt = D × Δλ × L

Kaynak	Spektral genişlik Δλ	λ'da D	L	Δt	Bit periyodu (10G ≈ 100 ps)
1310 nm’de DFB lazer	0,1 nm (veya 1 nm −20 dB)	≈ 0–3 ps/(nm·km)	10 km	< 10 ps	sorunsuz
1550 nm’de DFB, 10G, DML	0,2 nm (chirp bunu genişletir)	17	80 km	270 ps	çok fazla — EML (düşük chirp) veya DCM gerektirir
1550 nm’de EML, 10G	~0,1 nm etkin	17	80 km	~140 ps → cezayla tolere edilebilir	10GBASE-ZR
1310’da Fabry-Pérot lazer	3–5 nm	3	2 km	20–30 ps	1G’de sorunsuz, 10G’de sınırda
1300’de LED (eski)	50–100 nm	3	2 km	300–600 ps	yalnızca 100 Mb/s
OM4’te 850 nm VCSEL	0,5 nm RMS	850’de ~ −100 ps/(nm·km)	0,1 km	5 ps	25G+ hızda kromatik önemlidir

Dispersiyon toleransı, veri sayfalarında ps/nm olarak görünür (örneğin 40 km’lik bir ER modülü için 800 ps/nm = 17 × 40 × ~1,2 nm): bağlantının D × L değeri bunun altında kalmalıdır (Veri sayfası okuma).

Dispersiyonla sınırlı erişim mesafesi (NRZ, telafisiz)

Hız	G.652’de 1310 nm	G.652’de 1550 nm	Not
2,5 Gb/s	> 100 km	~600–1 000 km	önce zayıflama sınırlar
10 Gb/s	~40–60 km (kaynakla sınırlı)	~60–80 km (EML), ~10–20 km (DML)	10G ER/ZR’nin EML kullanmasının nedeni
25 Gb/s	10 km (25GBASE-LR)	~10–15 km	1550’de 25GBASE-ER dikkatli tasarım gerektirir
40 Gb/s seri	~4 km	~4 km	40G/100G’nin 4 × 10G/25G WDM’ye gitmesinin nedeni
100 Gb/s tek λ PAM4 (DR/FR/LR1)	1310’da 2–10 km	—	≈ 0 dispersiyon için 1310 nm seçildi; gerisini DSP halleder

Kaba kural: sabit bir kaynak genişliği için erişim mesafesi 1/(bit hızı)² ile ölçeklenir — hızı ikiye katlamak dispersiyonla sınırlı mesafeyi dörtte bire indirir.

Telafi ve azaltma

Yöntem	Nerede	Nasıl
1310 nm seçmek	100G+ hızda DR/FR/LR	sıfır dispersiyon penceresi; 0,2 yerine 0,35 dB/km öder
Düşük chirp’li kaynak (EML, harici modülatör)	10G ER/ZR, DWDM 10G	daha dar etkin spektrum (Lazerler)
Dispersiyon telafi modülü (DCM)	10G DWDM hat kesimleri	negatif dispersiyonlu fiber makarası veya fiber Bragg ağı D × L’yi iptal eder
Dispersiyon kaydırmalı / NZ-DSF fiber (G.653/G.655)	eski uzun mesafe tesisleri	1550’de sıfır veya küçük D
Elektronik dispersiyon telafisi	10GBASE-LRM (host’ta EDC), PAM4 DSP (FFE/DFE/MLSE)	eşitleyici yayılmayı sayısal olarak geri alır (DSP)
Koherent algılama + DSP	100G–800G ZR/ZR+	dispersiyon tamamen sayısal alanda telafi edilir, binlerce ps/nm (Koherent)
FEC	25G+	dispersiyonun neden olduğu hataları önlemek yerine düzeltir (FEC ve otomatik anlaşma)

Polarizasyon modu dispersiyonu

Fiber hiçbir zaman tam olarak yuvarlak değildir; iki polarizasyon ekseni az farklı indisler görür ve darbe, uzunluğun kareköküyle büyüyen bir diferansiyel grup gecikmesiyle (rastgele mod bağlaşımı) ayrılır. Modern fiber: ≤ 0,1 ps/√km → 100 km üzerinde 1 ps, 40 Gb/s NRZ’ye kadar zararsız. Eski (1995 öncesi) fiber: 0,5–2 ps/√km, 100 km+ üzerinde 10G’de bir sorun ve koherent DSP’nin polarizasyonu sürekli izlemesinin bir nedeni.

Dispersiyon kendini nasıl gösterir

Gözlem	Anlamı
Rx gücü hassasiyetin oldukça üzerinde, yine de hatalar var veya bağlantı yok	dispersiyon (veya yansımalar) — sorun güç değildir (Rx gücü ve bütçe)
Bağlantı 1G’de çalışıyor, aynı fiberde 10G’de başarısız oluyor	modal bant genişliği (MMF) veya 1550’de DML chirp’i (SMF)
10 km LR modülü sorunsuz, 40 km ER sorunsuz, ZR sınırda	biriken kromatik dispersiyon
FEC’in düzelttiği hatalar yüksek, düzeltilemeyenler nadir	dispersiyondan kaynaklanan göz kapanması kısmen düzeltilmiş (VDM ve FEC ölçütleri)
“300 m’lik” bir modülle OM3’te erişim mesafesi açığı	çevrelenmiş akı uyumsuzluğu veya OM3 olarak yanlış etiketlenmiş OM2

CodingBox’ta

Dispersiyon toleransı EEPROM’da saklanmaz, ancak onu tahmin eden alanlar şunlardır: dalga boyu (1310’a karşı 1550), uyumluluk kodlarından lazer türü (SR VCSEL, LR DFB, ER EML) ve satıcının modülü için derecelendirdiği OM3/OM4/SMF uzunluk alanları. CodingBox bunları gösterir, böylece “bu 1550 nm’lik modül neden 80 km’yi yapmıyor” sorusunun arkasında veri olur (Check transceiver).

Yüksek gönderim gücündeki diğer sınır — öz faz ve çapraz faz modülasyonu, dört dalga karışımı, Brillouin ve Raman saçılması, ve dispersiyonun aslında bazılarına karşı nasıl yardımcı olduğu: Doğrusal olmayan etkiler.

Bu materyalde bir yanlışlık veya hata bulursanız ilgili bölümü seçin ve Ctrl+Enter tuşlarına basarak .