光ファイバーの分散: 種類、原因、および修正時期

光ファイバーの分散とは、光パルスがファイバーを通過する際に広がることです。パルスが広がりすぎると、受信機でオーバーラップし、帯域幅と到達距離の両方を制限するビット エラーが発生します。たとえば、1550 nm で 80 km を実行する 10 Gbps シングルモード リンクでは、累積波長分散が 1,300 ps/nm - を超える可能性があり、管理せずに放置するとアイ ダイアグラムが完全に閉じてしまうことがあります。

ネットワーク エンジニアやシステム設計者にとって、「分散とは何ですか?」という実際的な質問はめったにありません。むしろ、「私のリンクではどのタイプの分散が支配的ですか? それは補償を必要としますか?」このガイドでは、主な分散メカニズム、その原因、従来の DCF モジュールから最新のコヒーレント DSP に至るまで、現在 - 利用できる補償方法を説明することで、その質問に答えます。
 

光ファイバーの分散とは何ですか?

分散とは、短い光パルスがファイバー中を伝播する際に短く留まらないことを意味します。それは時間とともに広がります。拡散が広がれば広がるほど、受信機があるビットを次のビットと区別することが難しくなります。によると、ITU-T G.652 規格標準的なシングルモード ファイバの波長分散係数は、1550 nm 付近で約 17 ps/(nm·km) と規定されています。-このパラメータは、距離にわたってパルスが広がる速さを直接制御します。

分散は単一の影響ではありません。ファイバーの種類やシステム アーキテクチャが異なれば、メカニズムも異なります。でマルチモードファイバー、モード分散が支配的です。でシングルモード ファイバー-、波長分散と偏波モード分散が主な懸念事項です。どのメカニズムがファイバーの種類に適用されるかを理解することは、適切な設計決定への第一歩です。

光ファイバーの分散の原因は何ですか?

分散はファイバーと光源の物理的特性から発生します。それぞれの分散タイプには明確な原因があります。

モード分散これは、マルチモード ファイバ内に複数の伝播パス (モード) が存在することが原因で発生します。高次モードは低次モードよりも長い実効パスを移動するため、異なる時間に受信機に到着します。-その結果、パルスの広がりが生じ、距離が増すにつれて悪化します。マルチモード ファイバーには固有の到達距離制限があるのはこのためです。-たとえば、10GBASE をサポートする OM3 ファイバー-SR の定格はわずか 300 メートルです。

波長分散これは、ガラスの波長に依存する屈折率によって引き起こされます。-完全に単一の波長を放射するレーザーは存在しないため、異なるスペクトル成分はわずかに異なる速度で移動します。波長分散には、材料分散 (ガラス自体から) と導波管分散 (ファイバーのコア-幾何学構造から) という 2 つのサブコンポーネントがあります。-それらの複合効果により、任意の波長における合計の波長分散が決まります。標準の G.652 ファイバには 1310 nm 付近のゼロ分散波長があります。そのため、レガシー システムはそこで動作することがよくあります。 1550 海里 - は長距離および長距離に適したウィンドウです-DWDM伝送減衰が低いため、- 波長分散は大幅に蓄積するため、数十キロメートルを超えるリンクでは 10 Gbps 以上で管理する必要があります。

偏波モード分散 (PMD)ファイバーコアの非対称性によって引き起こされます。理想的なファイバーでは、2 つの直交する偏光状態はまったく同じ速度で移動します。実際には、製造上の欠陥、機械的応力、および温度変動により複屈折が生じ、一方の偏光状態が他方の偏光状態よりわずかに早く到達します。 PMD は統計的効果 - であり、時間とともにファイバーに沿って変化します -。そのため、固定光学素子で補償することが困難になります。これは通常、200 ～ 300 km を超えるレガシー 10G および 40G リンク、またはより高い PMD 係数 (0.5 ps/√km 以上) を持つ古いファイバー プラントを再利用するシステムで設計上の問題になります。

光ファイバー分散の主な 3 つのタイプ

モード分散

モード分散は、マルチモード ファイバにおける主要な帯域幅リミッタです。これは、マルチモード ファイバが数百または数千の伝播モードをサポートし、それぞれがコアを介してわずかに異なるパスをたどるために発生します。グレーデッド インデックス マルチモード ファイバ (OM1 ～ OM5) は、コア全体の屈折率プロファイルを変化させ、高次モードを制御して、低次モードに時間的に近づくように高次モードを制御することでモード分散を低減します。-それでも、ファイバーの有効モード帯域幅により、ビット レート × 距離の積に厳しい上限が設定されます。 300 メートルの距離で OM3 を介して 10G を実行するキャンパス バックボーンは、その天井付近で動作しています。それを超えると、通常、分散補償器ではなくシングルモード ファイバに切り替える必要があります。-

波長分散

波長分散は、シングルモードの長距離システムや DWDM システムにおいて主に設計された障害です。{0}{1}その大きさは、ファイバの分散係数、光源のスペクトル幅、リンク距離という 3 つの要素によって決まります。 1550 nm の標準 G.652 ファイバの場合、100 km にわたる累積分散はおよそ 1,700 ps/nm になります。 10 Gbps (NRZ 変調) では、分散許容値は約 1,000 ps/nm です。これは、1550 nm での補償されていないリンクは、その速度で約 60 km に制限されることを意味します。

注目に値するニュアンスが 1 つあります。それは、適度な量の波長分散が実際に DWDM システムに利益をもたらす可能性があるということです。コーニングのホワイトペーパーで説明されているように、DWDM ネットワーク用のファイバー設計残留分散により、四光波混合 (FWM) - の位相整合効率が低下します。これは、密に配置されたチャネルを劣化させる非線形効果です。これが、非-ゼロ分散-シフト ファイバ (G.655 および G.656) が開発された理由です。これらのファイバは、1550 nm で小さいながらもゼロでない分散を維持し、全体の分散を管理可能に保ちながら FWM を抑制します。

偏波モード分散 (PMD)

PMD は通常、波長分散に比べて二次的な問題ですが、特定のシナリオでは重要になります。{0}}高ビットレートのレガシー システム（40 Gbps 以上）は、ビット期間が短いと群遅延差（DGD）に対するマージンが少なくなるため、PMD の影響を受けやすくなります。 PMD 係数が 0.5 ps/√km - を超える古いファイバ上で動作するリンクは、1990 年代半ばより前に設置されたケーブルによく見られます。- - 波長分散の限界より前に PMD の限界に達する可能性があります。このような場合、PMD の測定と特性評価はリンク受け入れプロセスの一部になります。現代的な一貫性のあるトランスポンダーDSP で PMD 補正を処理するため、新しいビルドでのスタンドアロン展開の障壁となる PMD が大幅に減少しました。

リンク内ではどのタイプの分散が重要ですか?

答えは、ファイバーの種類、距離、データ速度、システム アーキテクチャによって異なります。実践的な意思決定の枠組みは次のとおりです。

ステップ 1: ファイバーのタイプを特定します。マルチモード ファイバ (OM1 ～ OM5) を使用している場合は、モード分散が最大の関心事です。波長分散と PMD は、一般的なマルチモード距離では無視できます。シングルモード ファイバーを使用している場合-（OS1またはOS2)、ステップ 2 に進みます。

ステップ 2: 波長を考慮します。1310 nm では、G.652 ファイバーの波長分散はゼロに近いため、中程度の距離であっても補償が必要になることはほとんどありません。 1550 nm では、分散は約 17 ps/(nm・km) で蓄積するため、リンクが長い場合は補償計画が必要です。

ステップ 3: データレートを評価します。ビット レートが高いほど、分散許容度は厳しくなります。 10G NRZ 信号は約 1,000 ps/nm を許容します。 40G NRZ 信号は約 60 ps/nm しか許容しません。コヒーレント 100G/400G システムは、分散耐性を大幅に拡張する高度な変調と DSP を使用します。

ステップ 4: システム アーキテクチャを確認します。ポイントツー-ポイント直接検出リンクでは、外部分散補償が必要になる場合があります。最新のコヒーレント DWDM システムでは、通常、トランスポンダ DSP が色分散と PMD をデジタル的に処理し、多くの場合、スタンドアロンの補償モジュールの必要性を排除します。

分散補償が必要になるのはどのような場合ですか?

すべてのリンクに個別の補償ステージが必要なわけではありません。たとえば、1310 nm で 20 km を実行する 10G シングルモード リンクでは、蓄積される波長分散は無視できる程度であり、補償はまったく必要ありません。ただし、次のようないくつかの条件が重なった場合、補償が必要になります。

リンクは、蓄積された波長分散が受信機の許容値を超える距離では 1550 nm で動作します。直接検出光学系を使用した場合、データ速度は 10 Gbps 以上です。-このシステムは、緊密な DWDM トランスポート ネットワークです。光パワーの予算そして減損要件。または、ファイバー工場では、古いケーブル、風荷重の影響を受ける空中経路、または高応力設備などに PMD の問題があることがわかっています。-

実際的なルール: すでにリンク バジェットと減損計画を行っている場合は、同じフェーズで分散を評価します。設計中にこの問題に対処することは、展開後に断続的なエラーをトラブルシューティングするよりもはるかに簡単です。

分散補償方式の比較

ファイバーリンクの分散を管理するには、3 つの主なアプローチが存在します。それぞれが異なるシステム コンテキストに適合します。

分散補償ファイバ (DCF)

DCF は、大きな負の分散係数 (通常、1550 nm で -80 ～ -100 ps/(nm・km)) を持つ特別に設計されたファイバーです。計算された長さの DCF が、通常は増幅器サイト - のリンク - に挿入され、伝送ファイバーに蓄積された正の波長分散が相殺されます。 DCF は、20 年以上にわたって 10G 長距離システムおよび従来の DWDM システムにおける標準の補償方法でした。{8}}その主な欠点は、挿入損失の増加 (追加の増幅が必要)、待ち時間の増加、および DCF の有効面積が小さいことによる非線形効果の増加です。

ファイバーブラッググレーティング (FBG)

FBG- ベースの分散補償器は、ファイバーの短いセクションに書き込まれた周期的な屈折率構造を使用します。回折格子は、送信中に蓄積された分散を逆転させる、波長に依存する反射遅延を生成します。-。 FBG モジュールは DCF スプールよりもコンパクトで、遅延が少なくなります。これらは、固定分散と調整可能なバリアントで利用できます。-調整可能な FBG は、チャネルの追加または再ルーティングによって分散マップが変化する可能性がある再構成可能な DWDM ネットワークで特に役立ちます。

電子およびデジタル信号処理 (DSP)

最新のコヒーレント光システムは、受信機 DSP で分散をデジタル的に補償します。コヒーレント受信機は光場の振幅と位相の両方を捕捉し、DSP が色分散と PMD を計算的に逆転するのに十分な情報を提供します。によって文書化されているように、IEEE 802.3ワーキング グループや業界の実装では、コヒーレント 100G、400G、800G トランスポンダが DSP - の数万 ps/nm の波長分散を日常的に補償し、インライン DCF または FBG モジュールの必要性を完全に排除します。この変化により、長距離ネットワーク設計が根本的に変わりました。新しいコヒーレント DWDM 導入では、通常、スタンドアロンの分散補償ハードウェアが省略されます。-

DCF vs FBG vs DSP

適切な報酬戦略を選択する方法

レガシー 10G またはエンジニアリング DWDM システム

10G 直接検出プラットフォームまたは初期の DWDM プラットフォームを中心に構築されたネットワークでは、DCF または FBG による光ドメイン補償がすでに回線システム設計の一部となっていることがよくあります。{1}{2}これらのシステムは、慎重な分散マップ - で計画された正および負の分散セグメントのシーケンス - に依存して、各増幅器スパンで累積分散を受信機許容範囲内に保ちます。このようなネットワークを維持または拡張する場合は、補償アプローチを再設計するのではなく、既存の分散マップ内で作業してください。ここでは、交換用 DCF モジュールまたは調整可能な FBG 補償器が標準ツールです。

最新のコヒーレント光学システム

リンクでコヒーレント トランスポンダ (100G、400G、またはそれ以上) が使用されている場合、DSP は内部で波長分散と PMD 補償を処理します。設計に関する会話は、「どの DCM モジュールが必要ですか?」から始まります。 「累積分散の合計はいくらですか? それはトランスポンダの DSP 範囲内ですか?」最新のコヒーレント トランスポンダのほとんどは、1550 nm で 3,000 km 以上の G.652 ファイバに相当する 50,000 ps/nm をはるかに超える波長分散 - を許容します。これらのシステムでは、スタンドアロンの DCF または FBG モジュールにより、不必要な損失と複雑さが追加されます。コヒーレントにアップグレードするときにレガシー DCF を削除することは、長距離ネットワークのモダナイゼーションにおける一般的な最適化手順であり、十分に文書化されています。-

マルチモードショートリーチリンク-

キャンパスまたはデータセンター環境のマルチモード リンクの場合、波長分散補償製品は無関係です。帯域幅の制限はモーダルであり、クロマチックではありません。マルチモード リンクがパフォーマンス要件を満たしていない場合、最初に確認する必要があるのは、ファイバー グレード (OM3、OM4、OM5)、アプリケーション標準に対するリンクの長さ、コネクタの品質、およびトランシーバーの互換性。より高いグレードのマルチモード ファイバにアップグレードするか、シングルモード ファイバと光学系に切り替える-ことが、分散補償器を追加しない現実的な方法です-。

よくある間違いと誤解

すべての分散が有害であると仮定します。DWDM システムでは、制御された量の波長分散により、四光波混合やその他の非線形ペナルティが抑制されます。{0}非-ゼロ分散-シフト ファイバ (G.655) は、1550 nm でこの有利な残留分散を維持するように特別に設計されました。

すべてのリンクに補償が必要であると仮定します。40 km の G.652 ファイバー上の 1310 nm の 10G リンクは、波長分散許容範囲内で良好に動作します。多くのエンタープライズ リンクやメトロ リンクでは、補償はまったく必要ありません。- 光とファイバーが本質的に補償を処理します。

シングルモード ファイバーには分散がないと仮定します。-シングルモード ファイバはモード分散を排除しますが、色分散と PMD は残ります。- 1550 nm では、G.652 ファイバーの波長分散が大きく、長距離設計では考慮する必要があります。-

主な障害を特定する前に補償方法を選択します。DCF は波長分散のみに対処します。 FBG は波長分散のみに対処します。コヒーレント システムの DSP は、波長分散と PMD の両方に対処します。どの機能障害が優勢であるかを理解する前に方法を選択すると、労力と予算が無駄になります。

よくある質問

シングルモード ファイバーには分散がありますか?-

はい。シングルモード ファイバは、1 つの伝播モードのみをサポートするため、モード分散を排除しますが、依然として色分散と偏波モード分散を示します。標準的な G.652 シングル-モード ファイバの波長分散は、1550 nm で約 17 ps/(nm·km)、1310 nm ではほぼゼロです。

モード分散と波長分散の違いは何ですか?

モード分散は、マルチモード ファイバーに異なる時間に到達する複数の光路 (モード) によって発生します。波長分散は、どの種類のファイバでも異なる速度で伝搬する異なる波長によって引き起こされますが、主にシングルモード システムで問題となります。-。モード分散はマルチモード ファイバのみに影響します。波長分散はマルチモードとシングルモードの両方のファイバーに影響しますが、主にシングルモードの長距離リンクで設計されています。-

分散補償はどのような場合に必要ですか?

通常、1550 nm のシングルモード リンクが受信機 - の波長分散許容値を超える場合、補償が必要になります。たとえば、G.652 ファイバの NRZ 変調で 10 Gbps で約 60 km です。コヒーレント システム (100G 以上) では、トランスポンダ DSP が内部で分散を補償するため、通常、スタンドアロンの補償モジュールは必要ありません。

コヒーレント光学により DCF の必要性を排除できるでしょうか?

ほとんどの場合、そうです。最新のコヒーレント トランスポンダは、波長分散と PMD をデジタル的に補償し、一般的な CD 許容値は 50,000 ps/nm を超えています。 DCF は DSP が処理できないメリットを提供せずに挿入損失を追加するため、多くの通信事業者はコヒーレント プラットフォームにアップグレードするときにレガシー DCF を積極的に削除します。

光ファイバの分散の原因は何ですか?

根本的な原因は種類によって異なります。モード分散は、マルチモード ファイバ内の複数の伝播パスによって発生します。波長分散は、ガラスの屈折率とファイバー導波路構造の波長依存性によって引き起こされます。 PMD は、光の 2 つの偏光状態で異なる速度を生み出すファイバ コアの非対称性と応力によって発生します。

ファイバーリンクの計画

分散を理解することは、減衰、コネクタ損失、光パワーの割り当てを含む、より大きなリンク設計のパズルの 1 ピースです。ファイバー ネットワークを設計またはアップグレードする場合は、-、短いキャンパス バックボーンであっても、長距離の転送ルートであっても-、-、ファイバーの種類、動作波長、データ レートを特定することから始めます。これら 3 つのパラメータによって、どの分散メカニズムが重要か、また補償が必要かどうかが決まります。

適切なファイバー インフラストラクチャ コンポーネント - の選択については、ファイバーパッチコードリンク要件に適した、コネクタ、ケーブル アセンブリを-探索しますDimi の光ファイバー ソリューションまたは弊社のエンジニアリングチームにお問い合わせくださいプロジェクト固有のガイダンスについては、-