Nei moderni sistemi di comunicazione ottica, la capacità di trasmettere vaste quantità di dati su lunghe distanze con un errore minimo è fondamentale. Tra i fattori che limitano le prestazioni del sistema, la dispersione della fibra è uno dei più significativi. La dispersione si riferisce all'ampliamento degli impulsi ottici mentre si propagano attraverso una fibra, causata dalla dipendenza della velocità di propagazione sulla lunghezza d'onda o sulla modalità.

Fondamenti della dispersione del fibra

Quando un impulso leggero viaggia verso il basso in una fibra ottica, si diffonde nel tempo a causa della dispersione. L'origine fisica si trova nell'indice di rifrazione della fibra e nella struttura della guida d'onda. La luce di diverse lunghezze d'onda (o colori) viaggia a velocità leggermente diverse. Se il polso contiene una gamma di lunghezze d'onda trasmesse, come è il caso con qualsiasi segnale reale modulato, il bordo principale del polso conterrà lunghezze d'onda più veloci, mentre il ricevitore di distanza di scorrimento temporale che si sovrapposizione contiene.

Ci sono tre categorie principali di dispersione: dispersione modale, dispersione cromatica e dispersione della modalità di polarizzazione.

Dispersione modulare

La dispersione modulare avviene solo in fibre multimodali, che hanno un nucleo abbastanza grande da supportare più percorsi di propagazione (modi). Ogni modalità viaggia a una velocità diversa perché la lunghezza del percorso ottico varia con l'angolo di propagazione. Modalità che viaggiano più direttamente arrivano prima, mentre quelli che bloccano il limite di core-cladding arrivano più tardi. La differenza nei tempi di arrivo causa il polso per allargare l'indice.

Dispersione cromatica

La dispersione cromatica (CD) colpisce sia le fibre multimode che quelle monomodali. Essa deriva da due meccanismi: dispersione materiale e dispersione dell'onda. La dispersione del materiale è inerente al vetro stesso — l'indice rifrangente dei cambiamenti di silice con lunghezza d'onda, causando diversi componenti spettrali per viaggiare a diverse velocità.

Dispersione della modalità di polarizzazione

La dispersione della modalità di polarizzazione (PMD) è una forma più sottile di dispersione che si verifica in fibre monomodali. Sebbene una fibra monomodale supporta idealmente solo una modalità, quella modalità è costituita da due stati di polarizzazione ortogonale. Le imperfezioni nel nucleo della fibra (non-circolarità, stress, flessione) causano questi due modi di polarizzazione per viaggiare a velocità leggermente diverse.

Impatto di dispersione sulla qualità del segnale del ricevitore

L'effetto primario della dispersione al ricevitore è l'ampliamento degli impulsi ottici, che si manifesta in diversi disagi misurabili che degradano la qualità del segnale.

Interferenza Inter-Symbol (ISI)

Quando gli impulsi si allargano abbastanza che la coda di un impulso sovrapponga il bordo principale del prossimo, il ricevitore non può più distinguere i singoli bit. Questo è il problema principale di ISI. In un sistema di keying binario on-off (OOK) la soglia di decisione per un "1" o "0" diventa offuscata, portando a errori. La quantità di ISI dipende dal coefficiente di dispersione, la lunghezza della fibra, la frequenza di bit e la lunghezza dello spettro.

Tasso di errore (BER) Degradazione

Un link che altrimenti funzionerebbe con un BER di 10^{-12} (un errore per trilioni di bit) può degradare a 10^{-6} o peggio se la dispersione non è gestita. Nei sistemi di comunicazione digitale, questo spesso costringe l'uso di correzione di errore in avanti (FEC) o limita la portata.

Chiusura con diagramma degli occhi

In un oscilloscopio, un "diagramma dell'occhio" viene generato sovrapporre molti bit ricevuti. La dispersione provoca l'apertura verticale (margine di visibilità) e l'apertura orizzontale (margine di timing) per ridurre. Un occhio chiuso indica un grave margine di rumore ISI e povero. Nel pratico disegno del ricevitore, il diagramma dell'occhio viene utilizzato per misurare la qualità del segnale ricevuto e per determinare le sanzioni di dispersione.

Limitazioni sulla distanza e sulla velocità dei dati

Il prodotto di bit rate e distanza (prodotto BL) è un sistema comune per sistemi limitati alla dispersione. Per un dato tipo di fibra, la distanza massima raggiungibile è inversamente proporzionale al quadrato della bit rate per la dispersione cromatica nei sistemi OOK di rilevamento diretto. Ciò significa che aumentare la velocità di bit da 10 Gbit/s a 40 Gbit/s riduce la distanza tollerabile da un fattore di 16.

Tecniche di mitigazione

Gli ingegneri hanno sviluppato una varietà di metodi per combattere la dispersione delle fibre, che vanno dai componenti ottici passivi agli algoritmi digitali avanzati. La scelta della tecnica dipende dall'architettura del sistema, dalla velocità del bit, dal tipo di fibra e dai vincoli di costo.

Fibra di compensazione di dispersione (DCF)

DCF è un tipo speciale di fibra che ha un alto coefficiente di dispersione cromatica negativa (ad esempio -100 ps/(nm·km) o più). Inserendo una lunghezza di DCF nel collegamento, la dispersione positiva accumulata della fibra standard può essere compensata, portando la dispersione totale vicino a zero al ricevitore. DCF è ampiamente utilizzata nelle reti a lungo raggio, ma aggiunge perdita (tipicamente 0.5line

Gratings in fibra di Bragg (FBG)

Una grattugiatura in fibra Bragg è una variazione periodica dell'indice di rifrazione scritto nel nucleo della fibra. Può agire come un riflettore selettivo della lunghezza d'onda. FBGs Chirped, dove il periodo di gratificazione varia lungo la fibra, può fornire compensazione di dispersione riflettendo diverse lunghezze d'onda in posizioni diverse, introducendo così un ritardo che contrasta la dispersione originale.

Compensazione elettronica di dispersione (EDC)

Con l'avvento dell'elettronica ad alta velocità, EDC è diventata un'alternativa pratica al risarcimento ottico. Nei ricevitori a rilevamento diretto, i filtri analogici o digitali (come gli equalizzatori a dominio feed-forward e gli equalizzatori a risposta decisionale) possono parzialmente annullare gli effetti della dispersione.

Formati di modifica avanzata

Alcuni formati di modulazione sono intrinsecamente più robusti da dispersione rispetto al semplice OOK. Ad esempio, il differenziale di phase-shift (DPSK) e il quadrature phase-shift keying (QPSK) hanno una larghezza spettrale più stretta per bit, che riduce l'impatto della dispersione cromatica multipla.

Gestione della lunghezza d'onda e fibra dispersione-Shifted

L'uso del sistema alla lunghezza d'onda di dispersione zero-dispersione (circa 1310 nm per fibra standard) può eliminare la dispersione cromatica, ma questa lunghezza d'onda non è sempre compatibile con le finestre a basso-perdita (1550 nm) o con gli amplificatori a fibra erbium-doped (EDFA).

Misurazione e caratterizzazione della dispersione

Per la progettazione di un collegamento a dispersione, gli ingegneri devono misurare la dispersione della fibra dispiegata. Il parametro più comune è il parametro di dispersione terrestre [D[] (ps/nm·km)), spesso specificato in un metodo di riferimento di dispersione di velocità (GVD) parametro β2 (ps‐2/km) è utilizzato anche.

Considerazioni di progettazione di sistema reali

Per un tipico collegamento a 10 Gbit/s, l'ingegnere potrebbe utilizzare moduli di compensazione della dispersione (DCM) in ogni sito dell'amplificatore, insieme a una mappa di dispersione che assicura la dispersione accumulata non supera mai qualche migliaio di ps/nm.

Gli operatori di rete considerano anche il trade-off tra rumore (da amplificatori) e dispersione. L'over-compensation può causare sanzioni non lineari, mentre la dispersione residua dispersa lascia degrado del segnale. I moderni ricevitori coerenti possono tollerare fino a ±50.000 ps/nm di dispersione cromatica, il che significa che per molti collegamenti metro e regionali non è necessario alcun compenso ottico — il DSP lo gestisce completamente.

Tendenze future

I ricercatori stanno esplorando le tecniche di apprendimento automatico per ottimizzare le mappe di dispersione e gli algoritmi di ricezione in modo dinamico.

Conclusioni

La dispersione dei fibre è un fenomeno fisico inevitabile che colpisce profondamente la qualità del segnale ottico ricevuto. Dalla dispersione modale nelle fibre multimodali alla dispersione cromatica e polarizzata in fibre monomodali, l'ampliamento degli impulsi provoca interferenze intersimboli, aumento dei tassi di errore dei bit e limitazioni alla distanza di trasmissione.

Per ulteriori informazioni sulla fisica della dispersione cromatica, vedere ] Dispersione cromatica (Wikipedia)]. I metodi di compensazione della dispersione pratica sono esaminati in ] Compensazione della dispersione (RP Photonics)]. Il ruolo della dispersione della modalità di polarizzazione nei sistemi ad alta velocità è discusso in [DPMF4[