Fiber optik iletişimde ışık camın içinden inanılmaz bir hızla geçerek her saniye milyarlarca bit bilgi taşır. Bu, internetin, bulut bilişimin ve modern iletişimin var olmasını sağlayan, şimdiye kadar yaratılmış en olağanüstü teknolojilerden biridir.

Ancak ışık kadar hızlı ve saf bir şey bile yol boyunca sorunlarla karşılaşabilir.

İÇİNDEKİLER

Fiber Optikte Dispersiyon Nedir?

Bir önceki yazımda, “Fiber optik nasıl çalışır: Işığın arkasındaki basit bilim,” Işığın cam çekirdek içinde sürekli yansıyarak fiber içinde nasıl hareket ettiğini açıkladım. Işık bir optik fiberden geçerken her zaman mükemmel bir şekilde senkronize olmaz.
Tüm sinyaller neredeyse ışık hızında hareket etse de, sinyalin bazı kısımları diğerlerinden biraz daha erken veya geç ulaşır. Örneğin, mavi ışık (kısa dalga boyu) kırmızı ışıktan (uzun dalga boyu) daha hızlı iletilir. Farklı ışık bileşenleri arasındaki bu küçük gecikmeye biz dağılım.

fiber optik dağılım

Basit bir şekilde, dağılım şu anlama gelir optik darbelerin yayılması bir fiber boyunca yayılırlar. Kısa ve keskin kalmak yerine, her bir ışık darbesi zaman içinde giderek genişler. Bu olduğunda, alıcı artık “0” ve “1” arasında net bir ayrım yapamaz ve potansiyel bit hatalarına yol açar.

Dağılmayı, birlikte başlayan ancak hepsi aynı anda bitiş çizgisine ulaşamayan bir grup maraton koşucusu gibi düşünebilirsiniz. Yarış (mesafe) ne kadar uzun olursa, o kadar fazla dağılırlar - ve fiber optikte bu “dağılma” veri sinyallerinin bulanıklaşmasına neden olur.

Dağılım Neden Önemlidir?

Dağılım güç zayıflama gibi optik sinyalin zayıflamasına neden olur, ancak şekli bozar iletilen darbelerin. Darbeler çok fazla genişlediğinde, üst üste binmeye başlarlar, bu da aşağıdaki gibi bilinen bir olgudur semboller arası girişim (ISI).

Bu durum hem bant genişliği ve maksimum iletim mesafesi bir fiber optik bağlantının.

Nabız genişlemesini tanımlamak için sıklıkla kullanılan basitleştirilmiş bir denklem şöyledir:

ΔT=D×Δλ×L

Nerede?

  • ΔT = Darbe genişlemesi (ps)
  • D = Dağılım katsayısı (ps/nm-km)
  • Δλ = Işık kaynağının spektral genişliği (nm)
  • L = Fiber uzunluğu (km)

Örneğin, bir lazer 1 nm spektral genişliğe sahipse ve fiber dağılımı 17 ps/nm-km ise, 50 km sonra darbe 850 ps yayılacaktır - bu da yüksek hızlı sinyalleri ciddi şekilde bozmaya yetecektir.

Dispersiyon, yüksek hızlı optik iletişim sistemlerinin tasarımında en kritik parametrelerden biridir. ITU-T G.650.3, kromatik dağılım için standartlaştırılmış ölçüm yöntemleri sağlar.

Optik Fiberlerde Dispersiyon Türleri

Işık darbelerinin liflerde yayılmasına neden olan birkaç mekanizma vardır.
Dört ana tip vardır:

  1. Malzeme Dağılımı
  2. Dalga Kılavuzu Dağılımı
  3. Polarizasyon Modu Dağılımı (PMD)
  4. İntermodal Dağılım

Bunların her biri sinyali farklı bir şekilde etkiler. Tek modlu fiberlerde en yaygın olan ilk ikisi ile başlayalım.

Malzeme Dağılımı (Kromatik Dağılım)

Malzeme dağılımı oluşur çünkü ışığın farklı dalga boyları (renkleri) aynı malzeme içinde farklı hızlarda hareket eder.

Camın kırılma indisi dalga boyuna göre biraz değişir - mavi ışık kırmızı ışıktan daha fazla bükülür ve bu küçük değişim, daha kısa ve daha uzun dalga boylarının fiberin ucuna farklı zamanlarda ulaşması anlamına gelir.

Tek modlu fiberde, dalga boyu spektrumu boyunca kırılma indeksindeki (n) küçük bir fark bile ölçülebilir darbe yayılmasına neden olabilir.

Matematiksel olarak, malzeme etkilerinden kaynaklanan dağılım katsayısı şu şekilde ifade edilebilir:

Fiber Optik Dağılım-malzeme dağılım formülü

(Kaynak: Govind P. Agrawal, “Fiber-Optik İletişim Sistemleri,” Wiley, 2012)

Yaklaşık olarak 1310 nm, silika camın kırılma indisi eğrisi düzleşir - bu da malzeme dağılımının neredeyse sıfır olduğu anlamına gelir. Bu nedenle ilk optik sistemler bu dalga boyu için optimize edilmiştir.

Ancak, şu anda 1550 nm (zayıflamanın en düşük olduğu yer), malzeme dağılımı önemli ölçüde artar, bu da dağılım kaydırmalı fiberler gibi daha fazla mühendislik çözümü gerektirir.

Örnek benzetme:
Beyaz ışığı gökkuşağına bölen bir prizma düşünün - her renk farklı şekilde hareket eder çünkü her dalga boyu camla kendi yolunda etkileşime girer. Bir fiberin içinde bu durum renkleri oluşturmaz, ancak zamanlama farklılıkları yaratır.

Dalga Kılavuzu Dağılımı

Malzeme dağılımı ise camın özelliklerine bağlıdır, dalga kılavuzu dispersiyonu bağlıdır geometri̇ ve yapi optik fiberin kendisinin.

Işık çekirdeğin içinde tam olarak kalmaz; bir kısmı kaplama boyunca ilerler. Bu bölgeler farklı kırılma indislerine sahip olduğundan, ışığın genel yayılma hızı, ne kadar enerjinin çekirdekte kaldığına ve ne kadarının kaplamaya sızdığına bağlıdır.

Dalga kılavuzu dağılımı, ışık enerjisinin iki katman arasındaki bu dağılımından kaynaklanır.

Dalga kılavuzu dispersiyonu için formül şu şekilde yazılabilir:

Fiber Optik Dağılım-dalga kılavuzu dağılım formülü

nerede β fiberin mod şekli ve yapısı ile ilgili yayılma sabitidir.

Dikkatli bir şekilde tasarlayarak çekirdek çapı ve kırılma indisi farkı, mühendisler dalga kılavuzu dispersiyonu yapabilirler iptal et malzeme dağılımı - olarak bilinen şeyi yaratır dağılım kaydırmalı fiber (DSF), altında standartlaştırılmıştır. ITU-T G.653.

Bu fiberler, sıfır dağılımlı dalga boyunu 1310 nm'den yaklaşık 1550 nm'ye “kaydırarak” aynı pencerede düşük kayıplı ve düşük dağılımlı çalışmaya izin verir - uzun mesafeli iletim için idealdir.

Polarizasyon Modu Dağılımı (PMD)

Sadece tek bir ışık yolunun bulunması gereken tek modlu bir fiberde bile tüm ışık tam olarak aynı şekilde ilerlemez.
Işığın farklı özellikleri olabilir polarizasyonlar, Bu da elektrik alanının biraz farklı yönlerde titreşebileceği anlamına gelir.

İdeal bir fiberde tüm polarizasyonlar aynı hızda hareket eder.
Ancak gerçek dünyada, fiberin şeklindeki küçük kusurlar veya dış gerilmeler (bükülme veya bükülme gibi) farklı polarizasyonların farklı hızlarda hareket etmesine neden olabilir. biraz farklı hızlar.

Bu fenomen şu şekilde adlandırılır Polarizasyon Modu Dağılımı (PMD).

İki polarizasyon durumu arasındaki varış zamanı farkına Diferansiyel Grup Gecikmesi (DGD), olarak ölçülür. pikosaniye (ps).

Matematiksel olarak şu şekilde yaklaştırılabilir:

Fiber Optik Dağılım-polarizasyon modu dağılım formülü

Nerede?

  • τPMD = Toplam polarizasyon modu gecikmesi
  • DPMD = PMD katsayısı (ps/√km)
  • L = Fiber uzunluğu (km)

Modern tek modlu fiberler için tipik PMD değerleri yaklaşık 0,1 ps/√km.
Bu küçük görünebilir, ancak uzun mesafeli veya yüksek hızlı sistemlerde (40 Gbps ve üzeri), küçük polarizasyon gecikmeleri bile darbe çakışmasına ve bit hataları.

Bunu paralel pistlerde koşan iki koşucu gibi düşünebilirsiniz - biri diğerinden biraz daha hızlı. Uzun bir mesafe boyunca, küçük bir hız farkı bile birinin çok geride kalmasına neden olabilir.

İntermodal Dağılım (Modal Dağılım)

PMD tek modlu fiberlerde meydana gelirken, intermodal dağılım yalnızca çok modlu fiberler.

Çok modlu fiberler çok daha büyük bir çekirdeğe (tipik olarak 50-62,5 µm) sahiptir, bu da birden fazla ışık yolunun - veya “modun” - aynı anda hareket etmesini sağlar.
Her mod, çekirdek boyunca biraz farklı bir rota izler: bazıları merkezden düz bir şekilde aşağı inerken, diğerleri daha dik açılarla duvarlardan seker.

Bu yollar farklı uzunluklara sahip olduğundan, her modda seyahat eden ışık farklı zamanlarda varır. Varış zamanındaki bu farklılık intermodal (veya modal) dağılım.

Yaklaşım formülü:

Fiber Optik Dağılım-intermodal dağılım formülü

Nerede?

  • n₁ = çekirdek kırılma indisi
  • Δ = çekirdek ve kaplama arasındaki bağıl kırılma indisi farkı
  • c = vakumdaki ışık hızı
  • L = fiber uzunluğu

Bu dağılım şekli ana sınırlama çok modlu fiber sistemler.
Ne kadar çok mod varsa, o kadar çok yayılma meydana gelir - bu da iletim mesafesini ve bant genişliğini sınırlar.

Bunu hafifletmek için mühendisler şunları geliştirdi kademeli indeksli çok modlu fiberler, Burada kırılma indisi merkezden kenara doğru kademeli olarak azalır.
Bu yumuşak profil, farklı modların seyahat süresini eşitlemeye yardımcı olur - böylece daha uzun yol alan ışık ışınları daha hızlı hareket ederek gecikmeyi dengeler.

Sonuç olarak, modern OM3 ve OM4 çok modlu fiberler, kabul edilebilir dağılım performansı ile yüzlerce metre boyunca yüksek hızlı sinyalleri (10-40 Gbps) taşıyabilir.

Dağılma Nasıl Yönetilir ve Telafi Edilir

Dağılım tamamen ortadan kaldırılamaz, ancak yönetilen ve TAZMİNATLI.
Burada modern optik sistemlerde kullanılan çeşitli teknikler yer almaktadır:

  1. Dispersiyon Dengeleyici Fiber (DCF)
    ile tasarlanmış özel bir fiber türüdür. negatif dağılım, Toplam kromatik dağılmayı dengelemek için iletim fiberiyle seri olarak kullanılır.
    Dijital kompanzasyon çağından önce uzun mesafeli sistemlerde yaygındır.
  2. Dispersiyon Telafi Modülleri (DCM)
    Uzun mesafelerde biriken dağılmayı tersine çeviren kompakt optik cihazlar (fiber ızgaralar veya lensler kullanarak).
    Genellikle tekrarlayıcılara veya amplifikatörlere monte edilirler.
  3. Elektronik ve Sayısal Sinyal İşleme (DSP)
    Modern alıcı-vericiler, dağılma etkilerini gerçek zamanlı olarak tespit edip dijital olarak düzeltebilir ve yüksek hızlı sistemler (100G ve ötesi) için performansı büyük ölçüde artırabilir.
  4. Fiber Tasarım Optimizasyonu
    Birleştirerek malzeme ve dalga kılavuzu dispersiyonu, fiber tasarımcıları “sıfır dağılımlı dalga boylu” fiberler oluşturabilirler. G.653 (Dispersiyon Kaydırmalı Fiber) ve G.655 (Sıfır Dağılımlı Olmayan Kaydırılmış Fiber).
    Bu fiberler, önemli dalga boylarında dağılmayı en aza indirerek verimli DWDM (Yoğun Dalgaboyu Bölmeli Çoğullama) İletim.

Dağılımın Ağ Performansı Üzerindeki Etkileri

Dağılım, fiber optik ağlarda verilerin ne kadar uzağa ve ne kadar hızlı gidebileceğini doğrudan etkiler.
En yaygın etkilerden bazıları şunlardır:

  • Nabız genişletme - Işık darbeleri üst üste binerek bitleri ayırt etmeyi zorlaştırır.
  • Azaltılmış bant genişliği - Hataları önlemek için veri hızı düşürülmelidir.
  • Daha yüksek bit hata oranı (BER) - Üst üste binen darbeler yanlış veri yorumlamasına neden olur.
  • Sistem senkronizasyon sorunları - Kanallar arasındaki gecikme farkları zamanlama doğruluğunu azaltır.

Örneğin, 10 Gbps'lik bir sistemde, kromatik dağılım 17 ps/nm-km 80 km'nin üzerinde 1,3 ns'nin üzerinde darbe genişlemesine neden olabilir - kabaca 13 bitlik süre - büyük sinyal bozulmasına neden olacak kadar.

Bu nedenle, fiber türlerinin seçiminden uyumlu konektörlerin, adaptörlerin ve ekleme yöntemlerinin seçimine kadar ağ tasarımının her aşamasında dağılımın yönetilmesi çok önemlidir.

SSS: Fiber Optikte Dağılım

Optik fiberlerde dispersiyona ne sebep olur?

Fiberin malzemesi ve geometrisi nedeniyle ışığın farklı dalga boyları ve modları farklı hızlarda hareket eder - bu da darbenin yayılmasına yol açar.

Tek modlu fiberlerde, kromatik dağılım (malzeme + dalga kılavuzu) ve polarizasyon modu dispersiyonu (PMD) ana katkıda bulunanlardır.

Çok modlu bir fiberin çekirdeği boyunca farklı yollar izleyen çoklu ışık modları

Dağılım dengeleyici fiberler veya modüller kullanarak, doğru fiber tipini seçerek (örn. G.652D, G.655 veya G.657) ve dar spektrumlu lazerler kullanarak.

Darbe genişlemesi mesafeyle birlikte biriktiğinden - kontrol edilmediğinde, yüksek hızlı sinyaller uzun iletimden sonra bozulur ve okunamaz hale gelir.

Özet olarak

Dağılma bir hata değildir - camdaki ışığın doğal bir özelliğidir.
Ancak yönetilmediği takdirde sinyalleri bulanıklaştırabilir, bant genişliğini sınırlayabilir ve ağ performansını düşürebilir.

Dört ana türü anlayarak - malzeme, dalga kılavuzu, polarizasyon modu ve intermodal dağılım - mühendisler daha güvenilir ve verimli iletişim sistemleri tasarlayabilirler.

Doğru fiber tipi, optimize edilmiş kurulum uygulamaları ve modern kompanzasyon teknolojileri ile dağılım etkili bir şekilde kontrol edilebilir ve ışığın binlerce kilometre boyunca bile bilgiyi temiz ve hassas bir şekilde iletmesine olanak tanır.