20. Januar 2015
Streuung: Das Problem bei Langstrecken-Hochgeschwindigkeitsnetzen
Hintergrund
Glasfasernetze sind im Laufe der Geschichte enorm und sehr schnell gewachsen. Da der Bedarf, Daten mit höherer Kapazität über größere Entfernungen zu übertragen, im Laufe der Zeit zunahm, entwickelten Glasfaserexperten spezielle Wellenlängenfenster, die eine längere Übertragung ermöglichten. Wie in unserem vorherigen Blog zur optischen Rückflussdämpfung „FAQ: Warum verkaufen Sie nicht 70 km CWDM 10G-Optiken im Bereich 1350–1450?“ besprochen, wurden diese Wellenlängenfenster auf die Bereiche 1310 nm und 1550 nm beschränkt, um eine hohe Dämpfung zu verhindern und Rückflussdämpfung. Obwohl dies die einfache Lösung für eine erfolgreiche Datenübertragung zu sein schien, traten mit der Weiterentwicklung der Netzwerke Einschränkungen aufgrund der Streuung auf.
Die ersten in Netzwerken verwendeten optischen Fasern wurden als Multimode-Stufenindexfasern bezeichnet. Dieser Fasertyp erfuhr mehrere Arten der Dispersion. Bald darauf wurden Multimode-Gradientenindexfasern entwickelt, bei denen es jedoch auch zu ähnlichen Problemen mit der Dispersion kam. Ein Durchbruch in der Glasfasertechnologie gelang mit der Einführung der Singlemode-Faser im Jahr 1970; Es beseitigte einen Großteil der Dispersionsprobleme, die auf Multimode-Fasern zurückzuführen sind. Bei Singlemode-Glasfaserkabeln kommt es in Langstreckennetzen immer noch zu einigen Arten der Streuung, es handelt sich jedoch um die zuverlässigste bisher eingeführte Lösung. Dies erklärt, warum die meisten aktuellen Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetze auf Langstrecken hauptsächlich auf Singlemode-Glasfasern basieren.
Warum ist Dispersion wichtig?
In der gesamten physikalischen Schicht von Glasfasernetzen wird das modulierte Informationssignal wie bei allen Formen der Signalausbreitung als unendliche Summe orthogonaler Basisfunktionen erzeugt. Die richtige lineare Kombination dieser Basisfunktionen erzeugt das optische Signal, das sich durch die Faser bewegt. Das Grundkonzept, das diesem Prozess zugrunde liegt, ist als Fourier-Analyse bekannt. Die Fourier-Analyse ist die spektrale Untersuchung der Zerlegung und Neuzusammensetzung eines Signals in seine orthogonalen komplexen Frequenzkomponenten (Sinus und Cosinus). Mit anderen Worten: Jede stetige Funktion kann als unendliche Summe gewichteter Sinus- und Kosinuswerte erzeugt werden. Da wir das modulierte optische Signal in Frequenzkomponenten zerlegen können, die sich über eine endliche Bandbreite erstrecken, und der Brechungsindex der Faser eine Funktion der optischen Wellenlänge (oder Frequenz) ist, können wir davon ausgehen, dass sich die verschiedenen Komponenten der zusammengesetzten Wellenform mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Faser bewegen die Faser. Das Ergebnis ist eine lokale zeitliche Ausbreitung des Signals auf seinem Weg durch die Faser, die als Dispersion bezeichnet wird. Diese Ausbreitung des Signals beeinträchtigt die Informationsübertragungskapazität der Faser oder schränkt die Faserlänge ein.
In diesem Blog konzentrieren wir uns auf die verschiedenen Dispersionsmodi in Singlemode-Fasern, ihre Auswirkungen auf das Informationssignal und die damit verbundenen Testverfahren.
Dispersion und ihre Arten
Es gibt mehrere spezifische Arten der Dispersion, die sich auf Singlemode-Fasern auswirken, darunter:
- Polarisationsmodendispersion
- Materialverteilung
- Wellenleiterdispersion
- Chromatische Dispersion
Singlemode-Faserdispersion
Durch die Einführung von Singlemode-Fasern konnte ein Großteil der Multimode-bedingten Dispersionsfehler behoben, Dispersionsfehler jedoch nicht vollständig beseitigt werden. Übrig bleiben die chromatische Dispersion und die Polarisationsmodendispersion.
Chromatische Dispersion tritt auf, wenn Singlemode-Glasfasern Licht unterschiedlicher Wellenlänge mit unterschiedlicher Geschwindigkeit übertragen. Die unterschiedlichen Wellenlängen (Farben), die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortbewegen, erzeugen einen sich ausbreitenden Impuls, der zu Verzerrungen bei der Datenübertragung führt.
Was verursacht chromatische Dispersion?
Es gibt zwei Hauptfaktoren, die die chromatische Dispersion verursachen: Materialdispersion und Wellenleiterdispersion.
Die Materialdispersion ist eine Abhängigkeit des Brechungsindex der Fasern von der Wellenlänge oder Frequenz des übertragenen Signals. Diese Art der Dispersion entsteht durch die Wechselwirkung des Signals mit der Kristallstruktur des Glasfaserglases. Der Brechungsindex des Glasmaterials variiert je nach Wellenlänge des optischen Signals; Je länger die Wellenlänge, desto schneller breitet sich das Signal aus. Die verschiedenen Wellenlängen, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, erzeugen eine Variation optischer Impulse, die sich ausbreiten. Dies führt dazu, dass sich einige Impulse mit der Zeit ausbreiten. Mit zunehmender Wellenlänge und abnehmender Frequenz nimmt die Materialdispersion ab. Infolgedessen erfahren optische Signale im 1550-nm-Bereich im Allgemeinen eine geringere Materialdispersion als optische Signale im 1310-nm-Bereich.
Die Wellenleiterdispersion wird durch unterschiedliche Brechungsindizes zwischen Kern und Mantel einer optischen Faser verursacht. Aufgrund der Natur des Glasfasertransports gelangt eine kleine Lichtmenge vom Kern zum Mantel, wodurch sich die Signale mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten.
Polarisationsmodendispersion
Polarisationsmodendispersion (PMD) ist in Singlemode-Fasern weit verbreitet. Ein Standardlichtimpuls besteht aus zwei Polarisationsmoden, die senkrecht zueinander verlaufen. In einer „perfekten“ optischen Faser würden sich diese Polarisationsmoden mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen und es würde keine PMD auftreten; Allerdings gibt es in der gesamten Faser normalerweise einen gewissen Grad an Unvollkommenheit, der dazu führt, dass sich die beiden Moden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Einige Fasermängel, die PMD verursachen, umfassen Kernspannung, Mantelexzentrizität, Faserverdrehung, Faserspannung, Faserbiegung usw.
Testverfahren
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die chromatische Dispersion zu testen. Alle Methoden umfassen Tests bei verschiedenen Wellenlängen unter Verwendung unterschiedlicher Wellenlängenquellen, eines abstimmbaren Lasers oder einer Breitbandquelle mit einem Monochromator. Für Tests ist im Allgemeinen der Zugriff auf beide Enden der Faser erforderlich, und es wird eine zweite Faser benötigt, um die beiden Testinstrumente an beiden Enden zu synchronisieren. Der Test der chromatischen Dispersion wird normalerweise während oder kurz nach der Installation einer Glasfaser, nach jeder Art von Glasfaserwartung oder vor einem Upgrade auf höhere Bitraten durchgeführt.
Was die Polarisationsmodendispersion betrifft, ist es wichtig zu testen, wann die Übertragungsbitrate pro Kanal zunimmt oder die Entfernung zunimmt. PMD wird normalerweise an kürzlich installierten Glasfasern getestet, die in Langstrecken-Hochgeschwindigkeitsnetzen über 2,5 Gbit/s zum Einsatz kommen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zum Testen; Alle Methoden verfügen über eine Quelle, die die Polarisation des Testsignals variieren kann, sowie über eine Messeinheit, die Änderungen der Polarisation analysieren kann. Einige dieser Methoden umfassen Wellenlängenscanning und Stokes-Parameterbewertung sowie Interferometrie (traditionelle und verallgemeinerte Methoden). Das Testen der Genauigkeit ist im Allgemeinen schwierig; Der Grad der Unsicherheit liegt zwischen 10% und 20%.
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