Badacze mierzą się z problemami tłumienia i dyspersji światłowodów

Wyobraź sobie dane jako pojazdy pędzące autostradą informacyjną, gdzie światłowody służą jako sama droga. Jeśli nawierzchnia jest nierówna (tłumienie) lub pasy są źle zaprojektowane (dyspersja), nawet najszybsze pojazdy nie mogą zagwarantować, że dane dotrą do celu bezpiecznie i wydajnie. Komunikacja światłowodowa, jako kamień węgielny nowoczesnej transmisji informacji, podlega różnym czynnikom wpływającym na wydajność, a tłumienie i dyspersja są dwoma z najważniejszych. Niniejszy artykuł analizuje, jak te czynniki wpływają na łącza światłowodowe i bada strategie optymalizacji w celu zapewnienia niezawodnej i wydajnej transmisji danych.

Kable światłowodowe są podzielone na dwa główne typy w oparciu o średnicę rdzenia i tryby transmisji światła: światłowód wielomodowy (MMF) i światłowód jednomodowy (SMF). Światłowody te różnią się znacznie pod względem źródeł światła, charakterystyki transmisji i zastosowań.

• Średnica rdzenia: Stosunkowo duża, pozwalająca na odbijanie światła pod różnymi kątami wewnątrz rdzenia. Ta wielościeżkowa propagacja nadaje nazwę "wielomodowy".
• Źródło światła: Zazwyczaj wykorzystuje diody elektroluminescencyjne (LED), które są ekonomiczne, ale wytwarzają niespójne światło o wielu długościach fal i rozbieżnych wiązkach.
• Charakterystyka transmisji: Różne ścieżki światła tworzą dyspersję modalną, ograniczając odległość transmisji i przepustowość.
• Zastosowania: Najlepiej nadaje się do krótkodystansowych zastosowań o niskiej przepustowości, takich jak budowanie sieci i połączenia w centrach danych, gdzie jego niższy koszt stanowi przewagę.

• Średnica rdzenia: Niezwykle mała, pozwalająca tylko na jedną ścieżkę światła prosto przez rdzeń, eliminując dyspersję modalną.
• Źródło światła: Wykorzystuje lasery, które wytwarzają spójne światło o pojedynczej długości fali z wysoce skupionymi wiązkami, idealne do transmisji na duże odległości.
• Charakterystyka transmisji: Wyższa przepustowość i większe odległości, ale wymaga bardziej precyzyjnych połączeń i konserwacji ze względu na mały rdzeń.
• Zastosowania: Preferowany wybór dla zastosowań na duże odległości i o dużej przepustowości, w tym sieci metropolitalne, sieci szkieletowe i kable podmorskie.

Tłumienie odnosi się do utraty mocy optycznej podczas przesyłania sygnałów przez światłowód, co znacząco wpływa na odległość komunikacji i wydajność systemu.

• Utrata absorpcji: Materiały światłowodowe naturalnie pochłaniają określone długości fal światła, zamieniając energię optyczną w ciepło.
• Utrata rozpraszania: Mikroskopijne wahania gęstości i zanieczyszczenia rozpraszają światło z jego ścieżki, szczególnie wpływając na krótsze długości fal.
• Utrata zginania: Nadmierne zginanie światłowodu powoduje ucieczkę światła z rdzenia, gdy warunki odbicia nie są spełnione.
• Utrata złącza: Niedoskonałe wyrównania, zanieczyszczenia lub szczeliny powietrzne w punktach połączeń przyczyniają się do utraty mocy.

• Zmniejsza siłę sygnału i stosunek sygnału do szumu w odbiorniku
• Ogranicza maksymalne odległości transmisji
• Zwiększa wskaźniki błędów bitowych, potencjalnie powodując awarie systemu

• Działanie przy długościach fal o niskim tłumieniu (1310 nm lub 1550 nm)
• Używanie wysokiej jakości materiałów światłowodowych o niskich stratach
• Wdrażanie prawidłowej instalacji i konserwacji złączy
• Wdrażanie wzmacniaczy optycznych (EDFA lub SOA) dla łączy dalekosiężnych
• Przeprowadzanie dokładnego budżetowania mocy optycznej podczas projektowania systemu

Dyspersja występuje, gdy różne długości fal światła lub tryby poruszają się z różnymi prędkościami, powodując rozprzestrzenianie się impulsów sygnału i ograniczanie szybkości i odległości transmisji.

• Dyspersja modalna: Ekskluzywna dla MMF, spowodowana różnymi ścieżkami światła poruszającymi się z różnymi prędkościami.
• Dyspersja chromatyczna: Wpływa na wszystkie światłowody, wynikająca ze zmienności prędkości zależnej od długości fali (dyspersja materiałowa i falowodowa).
• Dyspersja trybu polaryzacji (PMD): Występuje w SMF, gdy ortogonalne polaryzacje światła poruszają się z różnymi prędkościami.

• Poszerza impulsy sygnału, powodując interferencję międzysymbolową
• Ogranicza maksymalne prędkości i odległości transmisji
• Podnosi wskaźniki błędów bitowych

• Światłowód kompensujący dyspersję (DCF) o przeciwnych właściwościach dyspersji
• Siatki Bragga (FBG), które selektywnie odbijają długości fal
• Elektroniczna kompensacja dyspersji (EDC) w odbiornikach
• Techniki kompresji impulsów z chirp'em

Projektanci systemów muszą uwzględniać wszystkie potencjalne straty, aby zapewnić odbiornikom wystarczającą moc optyczną dla niezawodnej komunikacji.

• Moc wyjściowa nadajnika
• Wymagania dotyczące czułości odbiornika
• Całkowite straty łącza (światłowód, złącza, spawania)
• Margines systemu dla starzenia i zmian środowiskowych
• Kara za moc dyspersji, gdy ma to zastosowanie

• Wymagana odległość transmisji i szybkość transmisji danych
• Odpowiedni dobór typu światłowodu
• Optymalne komponenty nadajnika/odbiornika
• Potrzeba wzmacniaczy optycznych
• Wymagania dotyczące kompensacji dyspersji

Systemy światłowodowe są zgodne z ustalonymi standardami, w tym:

• Telcordia GR-253-CORE dla ogólnych wymagań systemowych
• ITU G.957 dla parametrów interfejsu optycznego
• IEEE 802.3 dla protokołów Ethernet przez światłowód

Tłumienie i dyspersja zasadniczo wpływają na niezawodność i wydajność komunikacji światłowodowej. Poprzez wszechstronne zrozumienie tych zjawisk i wdrożenie odpowiednich strategii łagodzenia—w połączeniu z ostrożnym budżetowaniem mocy i projektowaniem systemu—inżynierowie mogą opracowywać wysokowydajne sieci optyczne. Ciągłe postępy w materiałach światłowodowych, komponentach i technologiach kompensacji obiecują dalsze zwiększanie możliwości systemów komunikacji optycznej.