Ricercatori affrontano problemi di attenuazione e dispersione della fibra ottica

Immaginate i dati come veicoli che corrono lungo una superstrada dell'informazione, con la fibra ottica che funge da strada.Se la superficie stradale è irregolare (attenuazione) o le corsie sono mal progettate (dispersione), anche i veicoli più veloci non possono garantire che i dati raggiungano la loro destinazione in modo sicuro ed efficiente.è soggetta a vari fattori che influenzano le prestazioni, con attenuazione e dispersione due dei più critici.Questo articolo esamina come questi fattori influenzano i collegamenti di comunicazione in fibra ottica ed esplora strategie di ottimizzazione per garantire una trasmissione dei dati affidabile ed efficiente.

I cavi in fibra ottica sono classificati in due tipi principali in base al loro diametro centrale e alle modalità di trasmissione della luce: fibra multimodo (MMF) e fibra monomodo (SMF).Queste fibre differiscono notevolmente nelle loro fonti di luce, caratteristiche di trasmissione e applicazioni.

• Diametro del nucleo:Relativamente grande, consente alla luce di riflettersi a vari angoli all'interno del nucleo.
• Fonte luminosa:In genere utilizza diodi emettitori di luce (LED), che sono convenienti ma producono luce incoerente con lunghezze d'onda multiple e fasci divergenti.
• Caratteristiche della trasmissione:I diversi percorsi luminosi creano una dispersione modale, limitando la distanza di trasmissione e la larghezza di banda.
• Applicazioni:Adatto per applicazioni a corta distanza e a bassa larghezza di banda come la costruzione di reti e interconnessioni di data center, dove il suo costo inferiore offre un vantaggio.

• Diametro del nucleo:E' estremamente piccolo, permettendo solo un singolo percorso di luce attraverso il nucleo, eliminando la dispersione modale.
• Fonte luminosa:Usa laser che producono luce coerente a lunghezza d'onda singola con fasci altamente focalizzati, ideali per la trasmissione a lunga distanza.
• Caratteristiche della trasmissione:Larghezza di banda maggiore e distanze più lunghe, ma richiede connessioni e manutenzione più precise a causa del piccolo nucleo.
• Applicazioni:La scelta preferita per applicazioni a lunga distanza e ad alta larghezza di banda, comprese le reti metropolitane, le reti di spina dorsale e i cavi sottomarini.

L'attenuazione si riferisce alla perdita di potenza ottica mentre i segnali viaggiano attraverso la fibra, influenzando significativamente la distanza di comunicazione e le prestazioni del sistema.

• Perdite di assorbimento:I materiali in fibra assorbono naturalmente specifiche lunghezze d'onda della luce, convertendo l'energia ottica in calore.
• Perdite di dispersione:Le variazioni microscopiche di densità e le impurità disperdono la luce lontano dal suo percorso, influenzando in particolare le lunghezze d'onda più corte.
• Perdita di piegatura:L'eccessiva flessione delle fibre fa sì che la luce sfugga dal nucleo quando le condizioni di riflessione non sono soddisfatte.
• Perdita di connettore:L'allineamento imperfetto, la contaminazione o le lacune d'aria ai punti di connessione contribuiscono alla perdita di energia.

• Riduce la potenza del segnale e il rapporto segnale-rumore al ricevitore
• Limiti delle distanze massime di trasmissione
• Aumenta i tassi di errore dei bit, causando eventuali guasti del sistema

• Operare a lunghezze d'onda a bassa attenuazione (1310 nm o 1550 nm)
• Utilizzare materiali di fibra di alta qualità e con basse perdite
• Attuare una corretta installazione e manutenzione dei connettori
• Impiegare amplificatori ottici (EDFA o SOA) per collegamenti a lungo raggio
• Effettuare un'accurata valutazione della potenza ottica durante la progettazione del sistema

La dispersione si verifica quando diverse lunghezze d'onda o modalità di luce viaggiano a velocità diverse, causando l'allargamento degli impulsi di segnale e limitando i tassi e le distanze di trasmissione.

• Dispersione modale:Esclusivo per MMF, causato da percorsi di luce diversi che viaggiano a velocità diverse.
• Dispersione cromatica:Colpisce tutte le fibre, a causa delle variazioni di velocità dipendenti dalla lunghezza d'onda (dispersione del materiale e del conduttore d'onda).
• Dispersione in modalità di polarizzazione (PMD):Si verifica in SMF quando le polarizzazioni ortogonali della luce viaggiano a velocità diverse.

• Amplifica gli impulsi del segnale, causando interferenze tra i simboli
• Limita velocità e distanze massime di trasmissione
• Aumenta i tassi di errore dei bit

• Fibra di compensazione della dispersione (DCF) con proprietà di dispersione opposte
• Griglie di fibra di Bragg (FBG) che riflettono selettivamente le lunghezze d'onda
• Compensazione elettronica della dispersione (EDC) ai ricevitori
• Tecniche di compressione dell'impulso cinguettante

I progettisti dei sistemi devono tenere conto di tutte le potenziali perdite per garantire che i ricevitori ottengano una potenza ottica sufficiente per una comunicazione affidabile.

• Potenza di uscita del trasmettitore
• Requisiti di sensibilità del ricevitore
• Perdite totali di collegamento (fibra, connettori, splices)
• Margine di sistema per invecchiamento e cambiamenti ambientali
• Se del caso, penalità di potenza di dispersione

• Distanza di trasmissione e velocità di trasmissione richiesti
• Scelta appropriata del tipo di fibra
• Componenti ottimali del trasmettitore/ricevitore
• Necessità di amplificatori ottici
• Requisiti di compensazione della dispersione

I sistemi a fibra ottica rispettano le norme stabilite, tra cui:

• Telcordia GR-253-CORE per i requisiti generali del sistema
• ITU G.957 per i parametri dell'interfaccia ottica
• IEEE 802.3 per protocolli Ethernet su fibra

L'attenuazione e la dispersione influenzano fondamentalmente l'affidabilità e l'efficienza della comunicazione in fibra ottica. Through comprehensive understanding of these phenomena and implementation of appropriate mitigation strategies—combined with careful power budgeting and system design—engineers can develop high-performance optical networksI continui progressi nei materiali in fibra, nei componenti e nelle tecnologie di compensazione promettono di migliorare ulteriormente le capacità dei sistemi di comunicazione ottica.