En los sistemas modernos de comunicación óptica, la capacidad de transmitir grandes cantidades de datos a largas distancias con mínimo error es primordial. Entre los factores que limitan el rendimiento del sistema, la dispersión de fibra es uno de los más significativos. La dispersión se refiere a la ampliación de los pulsos ópticos a medida que se propagan a través de una fibra de velocidad, causada por la dependencia de la velocidad de propagación en longitud de onda o modo.

Fundamentos de la dispersión de fibra

Cuando un pulso ligero recorre una fibra óptica, se extiende con el tiempo debido a la dispersión. El origen físico se encuentra en el índice refractivo de la fibra y la estructura de guía de ondas. La luz de diferentes longitudes de onda (o colores) viaja a velocidades ligeramente diferentes. Si el pulso contiene una gama de longitudes de onda, como es el caso de cualquier señal modulada real, el borde de la tarea temporal con mayor rapidez

Hay tres categorías principales de dispersión: dispersión modal, dispersión cromática y dispersión de modo polarización. Cada uno surge de diferentes fenómenos físicos y afecta la calidad de la señal de diferentes maneras.

Dispersión modal

La dispersión modal se produce sólo en fibras multimodo, que tienen un núcleo lo suficientemente grande para soportar múltiples rutas de propagación (modes). Cada modo viaja a una velocidad diferente porque la longitud de la ruta óptica varía con el ángulo de propagación. Modos que viajan más directamente arriba, mientras que los que zigzag fuera del límite de la unión del núcleo llegan más adelante. La diferencia en los tiempos de llegada provoca que el pulso se expanda.

Dispersión cromática

La dispersión crónica (CD) afecta tanto a fibras multimode y monomode. Se deriva de dos mecanismos: dispersión de material y dispersión de guía de onda. La dispersión de la onda es inherente al vidrio mismo: el índice refractivo de la silica cambia con longitud de onda, causando que diferentes componentes espectrales puedan viajar a diferentes velocidades.

Dispersión del modo polarización

La dispersión del modo de polarización (PMD) es una forma más sutil de dispersión que ocurre en fibras de monomodo. Aunque una fibra de monomodo soporta idealmente sólo un modo, ese modo consiste en dos estados de polarización ortogonal. Las imperfecciones en el núcleo de fibra (no-circularidad, estrés, flexión) causan estos dos modos de polarización para viajar a velocidades ligeramente diferentes.

Impacto de la dispersión en la calidad de la señal del receptor

El efecto primario de dispersión en el receptor es la ampliación de los pulsos ópticos. Esta ampliación se manifiesta en varios impedimentos mensurables que degradan la calidad de la señal.

Inter-Symbol Interference (ISI)

Cuando los pulsos se expanden lo suficiente para que la cola de un pulso supere el borde principal del siguiente, el receptor ya no puede distinguir los bits individuales. Este es el problema central de ISI. En un sistema de llave fija (OOK), el umbral de decisión para un "1" o "0" se vuelve borroso, lo que lleva a errores. La cantidad de tolerancia fuente depende del coeficiente de dispersión, la longitud de la fibra, el ancho, la medida, la tolerancia.

Tasa de error de bits (BER) Degradation

ISI aumenta directamente la tasa de error de bits. Un enlace que de otra manera operaría con un BER de 10^{-12} (un error por bits de trillones) puede degradar a 10^{-6} o peor si la dispersión no se gestiona. En los sistemas de comunicación digital, esto a menudo obliga al uso de corrección de errores de avance (FEC) o limita el alcance. Por ejemplo, un enlace de 10 Gbit/s en la fibra estándar de monomode sólo puede viajar a 60 km

Cierre de Diagrama Ocular

En un osciloscopio, un "área de ojos" se genera superando muchos bits recibidos. La dispersión causa la apertura vertical (míngeno de apertura) y la apertura horizontal (míngeno de estimulación) para reducir. Un ojo cerrado indica ISI severo y un margen de ruido deficiente. En el diseño práctico del receptor, el diagrama de ojos se utiliza para medir la calidad de la señal recibida y para determinar las penas de dispersión.

Limitación de la distancia y la tasa de datos

El producto de la velocidad de bits y la distancia (producto B) es un métrica común para los sistemas de dispersión limitada. Para un tipo de fibra dado, la distancia máxima alcanzable es inversamente proporcional a la casilla de la velocidad de bits para la dispersión cromática en los sistemas OOK de de detección directa. Esto significa que el aumento de la velocidad de bits de 10 Gbit/s reduce la distancia tolerable por un factor de 16.

Técnicas de mitigación

Los ingenieros han desarrollado una variedad de métodos para combatir la dispersión de fibra, desde componentes ópticos pasivos hasta algoritmos digitales avanzados. La elección de la técnica depende de la arquitectura del sistema, la tasa de bits, el tipo de fibra y las limitaciones de coste.

Fibra compensadora de dispersión (DCF)

DCF es un tipo especial de fibra que tiene un alto coeficiente de dispersión cromática negativa (por ejemplo, -100 ps/(nm·km) o más). Al insertar una longitud de DCF en el enlace, la dispersión positiva acumulada de la fibra estándar puede ser offset, lo que trae la dispersión total cerca de cero en el receptor. DCF es ampliamente utilizado en redes de largo alcance, pero la transmisión residual

Graciones de fibra de Bragg (FBG)

Una fibra de corte de freno es una variación periódica del índice refractivo escrito en el núcleo de fibra. Puede actuar como reflector selectivo de longitud de onda. FBGs de achique, donde el período de arrastre varía a lo largo de la fibra, puede proporcionar compensación de dispersión reflejando diferentes longitudes de onda en diferentes posiciones, introduciendo así un retraso que contrarresta la dispersión original.

Indemnización por dispersión electrónica (EDC)

Con el advenimiento de electrónica de alta velocidad, EDC se ha convertido en una alternativa práctica a la compensación óptica. En receptores de detección directa, filtros analógicos o digitales (como los ecualizadores de alimentación y los ecualizadores de decisión de fondo) pueden deshacer parcialmente los efectos de la dispersión. Para sistemas más exigentes de 40 Gbit/s y 100 Gbit/sction, detección coherente combinada con el procesamiento de señales constantes (DSP)

Formatos de Modulación Avanzada

Algunos formatos de modulación son inherentemente más robustos para la dispersión que el simple OOK. Por ejemplo, el teclado de fase diferencial (DPSK) y el teclado de fase de cuadrícula (QPSK) tienen un ancho espectral más estrecho por bit, lo que reduce el impacto de la dispersión cromática.

Manejo de Wavelength y la dispersión - Fibra de alta tensión

El funcionamiento del sistema en la longitud de onda de dispersión cero (alrededor de 1310 nm para la fibra estándar) puede eliminar la dispersión cromática, pero esta longitud de onda no siempre es compatible con ventanas de baja pérdida (1550 nm) o amplificadores de fibra erbium-doped (EDFA).

Medición y caracterización de la dispersión

Para diseñar un enlace gestionado por dispersión, los ingenieros deben medir la dispersión de la fibra desplegada. El parámetro más común es el parámetro de dispersión D] (ps/(nm·km)), a menudo especificado en una longitud de onda de referencia.

Consideraciones de diseño del sistema real-World

En la práctica, se utiliza una combinación de técnicas para gestionar la dispersión. Para un enlace típico de 1000 kilómetros de largo, el ingeniero podría utilizar módulos de compensación de dispersión (DCMs) en cada sitio amplificador, junto con un mapa de dispersión que asegura la dispersión acumulada nunca supera unos pocos miles de ps/nm. A 40 Gbit/s, la compensación electrónica se vuelve atractiva debido al costo de la dispersión

Los operadores de red también consideran el cambio entre el ruido (amplificadores) y la dispersión. La sobre-compensación puede causar penas no lineales, mientras que la sub-compensación deja dispersión residual que degrada la señal. Los receptores modernos coherentes pueden tolerar hasta ±50.000 ps/nm de dispersión cromática, lo que significa que para muchos enlaces de metro y regionales, no se necesita ninguna compensación totalmente óptica.

Tendencias futuras

Como las tasas de datos siguen aumentando — 400 Gbit/s y 800 Gbit/s son ahora comunes en redes de interconexión centradas en datos y de larga distancia— las demandas de gestión de dispersión se vuelven más estrictas. Los investigadores están explorando técnicas de aprendizaje automático para optimizar mapas de dispersión y algoritmos de receptor dinámicamente.

Conclusión

La dispersión de fibras es un fenómeno físico inevitable que afecta profundamente la calidad de la señal óptica recibida. De la dispersión modal en fibras multimode a la dispersión de modos cromáticos y polarización en fibras monomodas, la ampliación de pulsos causa interferencia intersimbol, aumento de velocidades de error y limitaciones en la distancia de transmisión.

Para mayor lectura sobre la física de la dispersión cromática, véase Dispersión cromática (Wikipedia). Los métodos de compensación de dispersión práctica se revisan en Indemnización de dispersión (RP Photonics).El papel de dispersión de modo de polarización en los sistemas de alta velocidad se discute [LT]