Onderzoekers pakken problemen met vezeloptische demping en dispersie aan

Stel je data voor als voertuigen die over een informatiesnelweg racen, waarbij glasvezel dient als de weg zelf. Als het wegdek oneffen is (demping) of de rijstroken slecht zijn ontworpen (dispersie), kunnen zelfs de snelste voertuigen niet garanderen dat data veilig en efficiënt de bestemming bereikt. Glasvezelcommunicatie, als hoeksteen van moderne informatietransmissie, is onderhevig aan verschillende prestatiebeïnvloedende factoren, waarbij demping en dispersie twee van de meest kritieke zijn. Dit artikel onderzoekt hoe deze factoren van invloed zijn op glasvezelcommunicatieverbindingen en verkent optimalisatiestrategieën om betrouwbare en efficiënte datatransmissie te garanderen.

Glasvezelkabels worden in twee hoofdtypen ingedeeld op basis van hun kerndiameter en lichttransmissiemodi: multimodevezel (MMF) en single-modevezel (SMF). Deze vezels verschillen aanzienlijk in hun lichtbronnen, transmissie-eigenschappen en toepassingen.

• Kerndiameter: Relatief groot, waardoor licht onder verschillende hoeken in de kern kan reflecteren. Deze multi-path propagatie geeft "multimode" zijn naam.
• Lichtbron: Gebruikt doorgaans lichtemitterende diodes (LED's), die kosteneffectief zijn maar incoherente licht produceren met meerdere golflengten en divergerende stralen.
• Transmissie-eigenschappen: Verschillende lichtpaden creëren modale dispersie, waardoor de transmissieafstand en bandbreedte worden beperkt.
• Toepassingen: Het meest geschikt voor korte afstanden, lage bandbreedte toepassingen zoals netwerken in gebouwen en interconnecties in datacenters, waar de lagere kosten een voordeel bieden.

• Kerndiameter: Extreem klein, waardoor slechts één lichtpad recht door de kern mogelijk is, waardoor modale dispersie wordt geëlimineerd.
• Lichtbron: Gebruikt lasers die coherent, enkelvoudig golflengtelicht produceren met sterk gefocuste stralen, ideaal voor langeafstandstransmissie.
• Transmissie-eigenschappen: Hogere bandbreedte en langere afstanden, maar vereist nauwkeurigere verbindingen en onderhoud vanwege de kleine kern.
• Toepassingen: De voorkeurskeuze voor langeafstandstoepassingen met hoge bandbreedte, waaronder metropoolnetwerken, backbone-netwerken en onderzeese kabels.

Demping verwijst naar het verlies van optisch vermogen terwijl signalen door de vezel reizen, wat de communicatieafstand en de systeemprestaties aanzienlijk beïnvloedt.

• Absorptieverlies: Vezelmaterialen absorberen van nature specifieke lichtgolflengten, waarbij optische energie wordt omgezet in warmte.
• Verstrooiingsverlies: Microscopische dichtheidsvariaties en onzuiverheden verstrooien licht weg van het pad, wat vooral van invloed is op kortere golflengten.
• Buigverlies: Overmatige vezelbuiging zorgt ervoor dat licht de kern verlaat wanneer aan de reflectievoorwaarden niet wordt voldaan.
• Connectorverlies: Onvolmaakte uitlijningen, verontreiniging of luchtspleten op verbindingspunten dragen bij aan vermogensverlies.

• Vermindert de signaalsterkte en de signaal-ruisverhouding bij de ontvanger
• Beperkt de maximale transmissieafstanden
• Verhoogt de bitfoutpercentages, wat mogelijk systeemfouten veroorzaakt

• Werk met golflengten met lage demping (1310 nm of 1550 nm)
• Gebruik hoogwaardige, vezelmaterialen met weinig verlies
• Implementeer een correcte connectorinstallatie en -onderhoud
• Implementeer optische versterkers (EDFA's of SOA's) voor langeafstandverbindingen
• Voer een grondige optische vermogensbegroting uit tijdens het systeemontwerp

Dispersie treedt op wanneer verschillende lichtgolflengten of -modi met verschillende snelheden reizen, waardoor signaalpulsen zich verspreiden en de transmissiesnelheden en -afstanden worden beperkt.

• Modale dispersie: Exclusief voor MMF, veroorzaakt door verschillende lichtpaden die met verschillende snelheden reizen.
• Chromatische dispersie: Beïnvloedt alle vezels, resulterend uit golflengteafhankelijke snelheidsvariaties (materiaal- en golfgeleiderdispersie).
• Polarisatiemodusdispersie (PMD): Treedt op in SMF wanneer orthogonale lichtpolarisaties met verschillende snelheden reizen.

• Verbreedt signaalpulsen, waardoor intersymboolinterferentie ontstaat
• Beperkt de maximale transmissiesnelheden en -afstanden
• Verhoogt de bitfoutpercentages

• Dispersie compenserende vezel (DCF) met tegengestelde dispersie-eigenschappen
• Vezel-Bragg-roosters (FBG's) die selectief golflengten reflecteren
• Elektronische dispersiecompensatie (EDC) bij ontvangers
• Chirped pulse compressietechnieken

Systeemontwerpers moeten rekening houden met alle potentiële verliezen om ervoor te zorgen dat ontvangers voldoende optisch vermogen verkrijgen voor betrouwbare communicatie.

• Uitgangsvermogen van de zender
• Vereisten voor ontvangergevoeligheid
• Totale linkverliezen (vezel, connectoren, lassen)
• Systeemmarge voor veroudering en omgevingsveranderingen
• Dispersievermogensboete indien van toepassing

• Vereiste transmissieafstand en datasnelheid
• Geschikte vezeltype selectie
• Optimale zender/ontvanger componenten
• Behoefte aan optische versterkers
• Dispersiecompensatievereisten

Glasvezelsystemen voldoen aan vastgestelde normen, waaronder:

• Telcordia GR-253-CORE voor algemene systeemvereisten
• ITU G.957 voor optische interfaceparameters
• IEEE 802.3 voor Ethernet-protocollen via glasvezel

Demping en dispersie beïnvloeden fundamenteel de betrouwbaarheid en efficiëntie van glasvezelcommunicatie. Door een uitgebreid begrip van deze fenomenen en de implementatie van passende mitigatiestrategieën - in combinatie met een zorgvuldige vermogensbegroting en systeemontwerp - kunnen ingenieurs hoogwaardige optische netwerken ontwikkelen. Voortdurende ontwikkelingen in vezelmaterialen, componenten en compensatietechnologieën beloven de mogelijkheden van optische communicatiesystemen verder te verbeteren.