تشتت الألياف الضوئية هو توسيع نبضة الضوء أثناء انتقالها عبر الألياف. عندما تنتشر النبضات بعيدًا جدًا، فإنها تتداخل عند جهاز الاستقبال، مما يتسبب في حدوث أخطاء في البتات التي تحد من عرض النطاق الترددي والوصول. في رابط الوضع الفردي بسرعة 10 جيجابت في الثانية{3}}الذي يعمل لمسافة 80 كم عند 1550 نانومتر، على سبيل المثال، يمكن أن يتجاوز التشتت اللوني المتراكم 1300 ps/nm - بما يكفي لإغلاق مخطط العين بالكامل إذا ترك دون إدارة.
بالنسبة لمهندسي الشبكات ومصممي الأنظمة، نادرًا ما يكون السؤال العملي هو "ما هو التشتت؟" بل "أي نوع من التشتت هو السائد في صلتي، وهل يتطلب التعويض؟" يجيب هذا الدليل على هذا السؤال من خلال الاطلاع على آليات التشتيت الرئيسية وأسبابها وطرق التعويض المتاحة اليوم - بدءًا من وحدات DCF القديمة وحتى DSP المتماسك الحديث.
ما هو تشتت الألياف الضوئية؟
التشتت يعني أن النبضة الضوئية القصيرة لا تبقى قصيرة لأنها تنتشر عبر الألياف. ينتشر في الوقت المناسب. وكلما زاد انتشارها، أصبح من الصعب على المتلقي التمييز بين بتة واحدة والأخرى. وفقا لمعيار الاتحاد الدولي للاتصالات-T G.652، يتم تحديد معامل التشتت اللوني للألياف ذات الوضع الفردي القياسي -بحوالي 17 ps/(nm·km) بالقرب من 1550 نانومتر -، وهي معلمة تتحكم بشكل مباشر في مدى سرعة اتساع النبضات عبر المسافة.
التشتت ليس تأثيرًا واحدًا. تتأثر أنواع الألياف المختلفة وبنيات النظام بآليات مختلفة. فيالألياف المتعددة الوسائط، يهيمن التشتت المشروط. فيألياف ذات وضع واحد-يعد التشتت اللوني وتشتت وضع الاستقطاب من الاهتمامات الرئيسية. إن فهم الآلية التي تنطبق على نوع الألياف لديك هو الخطوة الأولى نحو قرار التصميم الصحيح.
ما الذي يسبب تشتت الألياف الضوئية؟
ينشأ التشتت من الخواص الفيزيائية للألياف ومصدر الضوء. كل نوع من أنواع التشتت له سبب مميز:
تشتت مشروطيحدث بسبب وجود مسارات (أوضاع) انتشار متعددة في الألياف متعددة الأوضاع. تنتقل أوضاع الترتيب الأعلى- عبر مسارات فعالة أطول من أوضاع الترتيب الأدنى-، وبالتالي تصل إلى جهاز الاستقبال في أوقات مختلفة. والنتيجة هي اتساع النبض الذي يتفاقم مع المسافة. ولهذا السبب تتمتع الألياف متعددة الأوضاع بحدود وصول متأصلة -، على سبيل المثال، يتم تصنيف ألياف OM3 التي تدعم 10GBASE-SR إلى 300 متر فقط.
تشتت لونييحدث بسبب معامل انكسار الزجاج المعتمد على الطول الموجي-. نظرًا لأنه لا يوجد ليزر يصدر طولًا موجيًا واحدًا تمامًا، فإن المكونات الطيفية المختلفة تنتقل بسرعات مختلفة قليلاً. يحتوي التشتت اللوني على مكونين فرعيين-: تشتت المواد (من الزجاج نفسه) وتشتت الدليل الموجي (من هندسة الكسوة الأساسية للألياف-. ويحدد تأثيرها المشترك إجمالي التشتت اللوني عند أي طول موجي محدد. تتميز ألياف G.652 القياسية بطول موجة تشتت صفر-يقترب من 1310 نانومتر، ولهذا السبب غالبًا ما تعمل الأنظمة القديمة هناك. عند 1550 ميل بحري -، النافذة المفضلة للمسافات الطويلة- ونقل DWDMبسبب التوهين المنخفض، يتراكم التشتت اللوني - بشكل كبير ويجب إدارته في أي رابط يتجاوز بضع عشرات من الكيلومترات بسرعة 10 جيجابت في الثانية أو أعلى.
تشتت وضع الاستقطاب (PMD)يحدث بسبب عدم التماثل في قلب الألياف. في الألياف المثالية، تتحرك حالتا الاستقطاب المتعامدتان بنفس السرعة تمامًا. من الناحية العملية، فإن عيوب التصنيع، والإجهاد الميكانيكي، وتغيرات درجات الحرارة تؤدي إلى انكسار مزدوج يؤدي إلى وصول حالة استقطاب واحدة قبل الأخرى بقليل. PMD هو تأثير إحصائي - يتغير مع الوقت وعلى طول الألياف - مما يجعل من الصعب تعويضه بالعناصر الضوئية الثابتة. عادةً ما يصبح هذا الأمر مصدر قلق للتصميم في وصلات 10G و40G القديمة التي تتجاوز 200-300 كم، أو في الأنظمة التي تعيد استخدام مصانع الألياف القديمة ذات معاملات PMD أعلى (أعلى من 0.5 ps/√km).
الأنواع الثلاثة الرئيسية لتشتت الألياف الضوئية
تشتت مشروط
التشتت المشروط هو المحدد السائد لعرض النطاق الترددي في الألياف متعددة الأوضاع. ويحدث ذلك لأن الألياف متعددة الأوضاع تدعم مئات أو حتى آلاف أنماط الانتشار، كل منها يتبع مسارًا مختلفًا قليلاً عبر النواة. تعمل الألياف متعددة الأوضاع - المتدرجة (من OM1 إلى OM5) على تقليل التشتت المشروط عن طريق تغيير ملف تعريف معامل الانكسار عبر القلب، وتوجيه أوضاع الترتيب الأعلى - بحيث تصل في الوقت المناسب إلى أوضاع الترتيب الأقل -. ومع ذلك، فإن عرض النطاق الترددي المشروط الفعال للألياف يضع سقفًا ثابتًا على منتج معدل البت × المسافة. يعمل العمود الفقري للحرم الجامعي الذي يعمل بـ 10G عبر OM3 على ارتفاع 300 متر بالقرب من هذا السقف؛ ويتطلب تجاوز ذلك عادةً التبديل إلى ألياف ذات وضع واحد-بدلاً من معوض التشتت.
التشتت اللوني
يعد التشتت اللوني هو الخلل الهندسي الأساسي في أنظمة الوصول الطويل-ذات الوضع الفردي-وأنظمة DWDM. ويعتمد حجمها على ثلاثة عوامل: معامل تشتت الألياف، والعرض الطيفي للمصدر، ومسافة الارتباط. بالنسبة للألياف G.652 القياسية عند 1550 نانومتر، يبلغ التشتت المتراكم على مسافة 100 كيلومتر تقريبًا 1700 ps/nm. عند 10 جيجابت في الثانية (تشكيل NRZ)، يبلغ تحمل التشتت حوالي 1000 ثانية/نانومتر، مما يعني أن الارتباط غير المعوض عند 1550 نانومتر يقتصر على حوالي 60 كم بهذا المعدل.
هناك فارق بسيط جدير بالملاحظة: كمية معتدلة من التشتت اللوني يمكن أن تفيد أنظمة DWDM بالفعل. كما هو موضح في ورقة كورنينج البيضاء بشأنتصميم الألياف لشبكات DWDM، يقلل التشتت المتبقي من كفاءة مطابقة الطور لأربعة-خلط الموجات (FWM) - وهو تأثير غير خطي يؤدي إلى تدهور القنوات المتقاربة المسافات. ولهذا السبب تم تطوير ألياف منزاحة غير -صفرية التشتت- (G.655 وG.656): فهي تحافظ على تشتت صغير ولكن غير صفري عند 1550 نانومتر لقمع FWM مع الحفاظ على إمكانية التحكم في التشتت الكلي.
تشتت وضع الاستقطاب (PMD)
يعد PMD عادةً مشكلة من الدرجة الثانية-مقارنة بالتشتت اللوني، ولكنه يصبح مهمًا في سيناريوهات محددة. تعد الأنظمة القديمة ذات معدل البت العالي- (40 جيجابت في الثانية وما فوق) أكثر حساسية لـ PMD نظرًا لأن فترات البت الأقصر تترك هامشًا أقل لتأخير المجموعة التفاضلية (DGD). الروابط التي تعمل عبر الألياف الأقدم بمعاملات PMD أعلى من 0.5 ps/√km - الشائعة في الكابلات المثبتة قبل منتصف-التسعينيات - قد تواجه حدود PMD قبل حدود التشتت اللوني. في هذه الحالات، يصبح قياس وتوصيف PMD جزءًا من عملية قبول الارتباط. حديثة متماسكةأجهزة الإرسال والاستقبالالتعامل مع تعويض PMD في DSP، والذي قلل بشكل كبير من PMD كحاجز نشر مستقل في البنيات الجديدة.
ما هو نوع التشتت المهم في الرابط الخاص بك؟
تعتمد الإجابة على نوع الألياف لديك والمسافة ومعدل البيانات وبنية النظام. فيما يلي إطار عملي للقرار:
الخطوة 1: تحديد نوع الألياف.إذا كنت تعمل باستخدام ألياف متعددة الأوضاع (OM1–OM5)، فإن التشتت المشروط هو اهتمامك الأساسي. التشتت اللوني وPMD لا يكاد يذكر على مسافات متعددة الأوضاع نموذجية. إذا كنت تعمل باستخدام ألياف ذات وضع واحد- (OS1 أو OS2)، انتقل إلى الخطوة 2.
الخطوة 2: النظر في الطول الموجي.عند 1310 نانومتر، يكون التشتت اللوني في ألياف G.652 قريبًا من الصفر، لذلك نادرًا ما يحتاج إلى تعويض حتى على المسافات المعتدلة. عند 1550 نانومتر، يتراكم التشتت عند حوالي 17 ps/(nm·km)، ويلزم تخطيط التعويض للوصلات الأطول.
الخطوة 3: تقييم معدل البيانات.معدلات البت الأعلى لها تفاوتات تشتت أكثر صرامة. وتتحمل إشارة 10G NRZ ما يقرب من 1000 ps/nm؛ تتسامح إشارة 40G NRZ مع حوالي 60 ps/nm فقط. تستخدم أنظمة 100G/400G المتماسكة تعديلًا متقدمًا وDSP مما يزيد بشكل كبير من تحمل التشتت.
الخطوة 4: التحقق من بنية النظام.في نقطة-إلى-نقطة الارتباط المباشر-للكشف، قد تحتاج إلى تعويض التشتت الخارجي. في نظام DWDM الحديث المتماسك، يتعامل جهاز الإرسال والاستقبال DSP عادةً مع التشتت اللوني وPMD رقميًا، مما يلغي غالبًا الحاجة إلى وحدات تعويض مستقلة.
متى تحتاج إلى تعويض التشتت؟
ليس كل رابط يحتاج إلى مرحلة تعويض منفصلة. على سبيل المثال، يؤدي الارتباط ذو الوضع الفردي 10G-الذي يعمل لمسافة 20 كم عند 1310 نانومتر، إلى تراكم تشتت لوني ضئيل ولا يحتاج إلى تعويض على الإطلاق. ولكن التعويض يصبح ضروريا عندما تجتمع عدة شروط:
يعمل الرابط عند 1550 نانومتر على مسافات حيث يتجاوز التشتت اللوني المتراكم مدى تحمل جهاز الاستقبال. يبلغ معدل البيانات 10 جيجابت في الثانية أو أعلى باستخدام بصريات الكشف المباشر-. النظام عبارة عن شبكة نقل DWDM ذات ضيقميزانية الطاقة الضوئيةومتطلبات الاضمحلال. أو أن مصنع الألياف لديه مشكلات معروفة في PMD - الكابلات القديمة، أو المسارات الجوية المعرضة لأحمال الرياح، أو التركيبات ذات الضغط العالي-.
القاعدة العملية: إذا كنت تقوم بالفعل بتنفيذ ميزانية الارتباط وتخطيط انخفاض القيمة، فقم بتقييم التشتت في نفس المرحلة. تعد معالجتها أثناء التصميم أسهل بكثير من استكشاف أخطاء الأخطاء المتقطعة وإصلاحها بعد النشر.
مقارنة طرق تعويض التشتت
توجد ثلاثة أساليب رئيسية لإدارة التشتت في وصلات الألياف. كل يناسب سياق نظام مختلف.
ألياف تعويض التشتت (DCF)
DCF عبارة عن ألياف مصممة خصيصًا ذات معامل تشتت سلبي كبير (عادةً من -80 إلى -100 ps/(nm·km) عند 1550 نانومتر). يتم إدخال الطول المحسوب لـ DCF في الوصلة - عادةً في مواقع المضخم - لتعويض التشتت اللوني الإيجابي المتراكم في ألياف النقل. لقد كان DCF هو طريقة التعويض القياسية في أنظمة DWDM للمسافات الطويلة 10G والقديمة لأكثر من عقدين من الزمن. تتمثل عيوبه الرئيسية في فقدان الإدراج الإضافي (الذي يتطلب تضخيمًا إضافيًا)، وزيادة الكمون، والتأثيرات غير الخطية المضافة بسبب المساحة الفعالة الصغيرة لـ DCF.
شبكة الألياف Bragg (FBG)
تستخدم معوضات التشتت المستندة إلى FBG- بنية معامل انكسار دورية مكتوبة في مقطع قصير من الألياف. يخلق المحزز تأخيرات انعكاسية تعتمد على الطول الموجي- والتي تعمل على عكس التشتت المتراكم أثناء الإرسال. تعد وحدات FBG أكثر إحكاما من مكبات DCF وتقدم زمن وصول أقل. وهي متوفرة بصيغة تشتت ثابتة وقابلة للضبط-. تعد FBGs القابلة للضبط مفيدة بشكل خاص في شبكات DWDM القابلة لإعادة التكوين حيث قد تتغير خريطة التشتت عند إضافة القنوات أو إعادة توجيهها.
معالجة الإشارات الإلكترونية والرقمية (DSP)
تعمل الأنظمة البصرية المتماسكة الحديثة على تعويض التشتت رقميًا في جهاز الاستقبال DSP. يلتقط جهاز الاستقبال المتماسك كلاً من سعة وطور المجال البصري، مما يوفر معلومات كافية لمعالج الإشارة الرقمية لعكس التشتت اللوني وPMD حسابيًا. كما وثقهإيي 802.3تعمل مجموعات العمل وتطبيقات الصناعة وأجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة 100G و400G و800G بشكل روتيني على تعويض عشرات الآلاف من ps/nm من التشتت اللوني في DSP - مما يلغي الحاجة إلى وحدات DCF أو FBG المضمنة بالكامل. أدى هذا التحول إلى تغيير جذري في تصميم شبكة النقل الطويلة-: عادةً ما تحذف عمليات نشر DWDM الأحدث والمتماسكة أجهزة تعويض التشتت المستقلة.
DCF مقابل FBG مقابل DSP
| المعلمة | خصم التدفقات النقدية | FBG | معالج الإشارة الرقمية (متماسك) |
|---|---|---|---|
| مجال التعويض | بصري | بصري | الكترونية |
| تطبيق نموذجي | مسافة 10 غيغابايت-، DWDM قديم | DWDM، شبكات قابلة لإعادة التشكيل | أنظمة متماسكة 100G/400G/800G |
| يعالج PMD؟ | لا | لا (زقق FBG جزئيًا) | نعم |
| وأضاف فقدان الإدراج | عالية (5-10 ديسيبل نموذجيًا) | منخفضة إلى معتدلة | لا شيء (إلكتروني) |
| قابلية الضبط | مُثَبَّت | ثابتة أو قابلة للضبط | التكيف الكامل |
| الحجم والنشر | مكبات ألياف كبيرة في مواقع مكبر الصوت | وحدات مدمجة | بنيت في جهاز الإرسال والاستقبال |
| الصلة في البنيات الجديدة | انخفاض | المكانة | معيار |
كيفية اختيار استراتيجية التعويض الصحيحة
أنظمة Legacy 10G أو أنظمة DWDM الهندسية
في الشبكات المبنية حول أنظمة الكشف المباشر-G 10G أو منصات DWDM المبكرة، غالبًا ما يكون تعويض المجال البصري-باستخدام DCF أو FBG جزءًا من تصميم نظام الخط. تعتمد هذه الأنظمة على خرائط التشتت الدقيقة - التسلسلات المخططة لقطاعات التشتت الإيجابية والسلبية - للحفاظ على التشتت المتراكم ضمن حدود تسامح جهاز الاستقبال عند كل مدى مكبر للصوت. إذا كنت تقوم بصيانة أو توسيع مثل هذه الشبكة، فاعمل ضمن خريطة التشتت الحالية بدلاً من إعادة تصميم نهج التعويض. تعد وحدات DCF البديلة أو معوضات FBG القابلة للضبط هي الأدوات القياسية هنا.
الأنظمة البصرية المتماسكة الحديثة
إذا كان الارتباط يستخدم أجهزة إرسال واستقبال متماسكة (100 جيجا، أو 400 جيجا، أو أكثر)، فإن معالج الإشارة الرقمية (DSP) يعالج التشتيت اللوني وتعويض PMD داخليًا. تتحول محادثة التصميم من "ما هي وحدة DCM التي أحتاجها؟" إلى "ما هو إجمالي التشتت المتراكم، وهل يقع ضمن نطاق DSP لجهاز الإرسال والاستقبال؟" تتحمل معظم أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة الحديثة ما يزيد عن 50000 ps/nm من التشتت اللوني - أي ما يعادل أكثر من 3000 كيلومتر من ألياف G.652 عند 1550 نانومتر. في هذه الأنظمة، تضيف وحدات DCF أو FBG المستقلة خسارة وتعقيدًا غير ضروريين. تعد إزالة DCF القديمة عند الترقية إلى Coherent خطوة تحسين شائعة وموثقة جيدًا-في تحديث الشبكة طويلة المدى-.
روابط الوصول القصيرة المتعددة الأوضاع-
بالنسبة للارتباطات متعددة الأوضاع في بيئات الحرم الجامعي أو مركز البيانات، تكون منتجات تعويض التشتت اللوني غير ذات صلة. حدود النطاق الترددي مشروطة وليست لونية. إذا فشل رابط متعدد الأوضاع في تلبية متطلبات الأداء، فإن أول الأشياء التي يجب التحقق منها هي درجة الألياف (OM3 vs OM4 vs OM5)، وطول الارتباط بالنسبة لمعيار التطبيق، وجودة الموصل، وتوافق جهاز الإرسال والاستقبال. إن الترقية إلى ألياف متعددة الأوضاع- ذات درجة أعلى أو التبديل إلى ألياف وبصريات أحادية الوضع - هي المسار العملي - وليس إضافة معوض التشتت.
الأخطاء الشائعة والمفاهيم الخاطئة
على افتراض أن كل التشتت ضار.في أنظمة DWDM، يعمل مقدار متحكم فيه من التشتت اللوني على منع خلط الموجات-الأربعة والعقوبات غير الخطية الأخرى. تم تصميم الألياف المتحركة غير -صفرية التشتت- (G.655) خصيصًا للحفاظ على هذا التشتت المتبقي المفيد عند 1550 نانومتر.
بافتراض أن كل رابط يحتاج إلى تعويض.تعمل وصلة 10G عند 1310 نانومتر على مسافة 40 كم من ألياف G.652 بشكل جيد ضمن نطاق تحمل التشتت اللوني. لا تحتاج العديد من روابط المؤسسات والمترو إلى أي تعويض على الإطلاق - فالبصريات والألياف تتعامل معها بطبيعتها.
بافتراض أن الألياف ذات الوضع الفردي-لا تحتوي على أي تشتت.تعمل الألياف أحادية الوضع- على التخلص من التشتت المشروط، ولكن يبقى التشتت اللوني وPMD. عند 1550 نانومتر، يكون التشتت اللوني في ألياف G.652 كبيرًا ويجب أخذه في الاعتبار في أي تصميم -بعيد المدى.
اختيار طريقة التعويض قبل تحديد العجز السائد.يعالج DCF التشتت اللوني فقط. يعالج FBG التشتت اللوني فقط. يعالج DSP في الأنظمة المتماسكة كلاً من التشتت اللوني وPMD. يؤدي اختيار الطريقة قبل فهم أي ضعف هو السائد إلى إهدار الجهد والميزانية.
الأسئلة المتداولة
هل تتميز الألياف ذات الوضع الواحد-بالتشتت؟
نعم. تعمل الألياف أحادية الوضع - على التخلص من التشتت المشروط لأنها تدعم وضع نشر واحد فقط، ولكنها لا تزال تظهر تشتتًا لونيًا وتشتتًا في وضع الاستقطاب. يبلغ التشتت اللوني في الألياف القياسية ذات الوضع الفردي -G.652 حوالي 17 ps/(nm·km) عند 1550 نانومتر وبالقرب من الصفر عند 1310 نانومتر.
ما هو الفرق بين التشتت المشروط والتشتت اللوني؟
يحدث التشتت المشروط بسبب وصول مسارات (أوضاع) ضوئية متعددة في أوقات مختلفة في الألياف متعددة الأوضاع. يحدث التشتت اللوني بسبب انتقال أطوال موجية مختلفة بسرعات مختلفة في أي نوع من أنواع الألياف، على الرغم من أنه يمثل مصدر قلق في المقام الأول في أنظمة الوضع الفردي-. يؤثر التشتت المشروط على الألياف متعددة الأوضاع فقط؛ يؤثر التشتت اللوني على كل من الألياف متعددة الأوضاع وأحادية الوضع-، ولكن تم تصميمه بشكل أساسي في روابط طويلة المدى-ذات وضع واحد-.
متى يكون تعويض التشتت ضروريا؟
يكون التعويض ضروريًا عادةً عندما يتجاوز رابط الوضع الفردي-عند 1550 نانومتر تفاوت التشتت اللوني لجهاز الاستقبال - على سبيل المثال، حوالي 60 كم بسرعة 10 جيجابت في الثانية مع تعديل NRZ على ألياف G.652. في الأنظمة المتماسكة (100 جيجا وما فوق)، يقوم جهاز الإرسال والاستقبال DSP بتعويض التشتت داخليًا، لذلك عادة ما تكون وحدات التعويض المستقلة غير ضرورية.
هل يمكن للبصريات المتماسكة أن تلغي الحاجة إلى DCF؟
في معظم الحالات، نعم. تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة الحديثة على تعويض التشتت اللوني وPMD رقميًا، مع تجاوز نموذجي للقرص المضغوط يتجاوز 50000 ps/nm. يقوم العديد من المشغلين بإزالة DCF القديم بشكل فعال عند الترقية إلى الأنظمة الأساسية المتماسكة، لأن DCF يضيف خسارة الإدراج دون توفير فائدة لا يستطيع DSP التعامل معها.
ما الذي يسبب تشتت الألياف الضوئية؟
الأسباب الجذرية تعتمد على النوع. يحدث التشتت المشروط بسبب مسارات الانتشار المتعددة في الألياف متعددة الأوضاع. يحدث التشتت اللوني بسبب الاعتماد على الطول الموجي لمؤشر انكسار الزجاج وبنية الدليل الموجي للألياف. يحدث PMD بسبب عدم التماثل والضغط في قلب الألياف الذي يخلق سرعات مختلفة لحالتي استقطاب الضوء.
التخطيط لوصلة الألياف الخاصة بك
يعد فهم التشتت جزءًا واحدًا من أحجية تصميم الارتباط الأكبر التي تتضمن التوهين وفقدان الموصل وموازنة الطاقة الضوئية. إذا كنت تقوم بتصميم أو ترقية شبكة ألياف - سواء كانت شبكة أساسية قصيرة في الحرم الجامعي أو -طريق نقل طويل - فابدأ بتحديد نوع الألياف وطول موجة التشغيل ومعدل البيانات. تحدد هذه المعلمات الثلاثة آلية التشتت المهمة وما إذا كانت هناك حاجة للتعويض.
للمساعدة في اختيار مكونات البنية الأساسية للألياف المناسبة - بما في ذلكحبال تصحيح الأليافوالموصلات وتجميعات الكابلات المناسبة لمتطلبات الارتباط الخاصة بك - استكشافحلول الألياف الضوئية لديميأواتصل بفريقنا الهندسيللحصول على إرشادات خاصة بالمشروع-.
