光ファイバ分散：種類、原因、補償方法

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の広がりであり、わずかに異なる時間に受信機に到着するさまざまな信号成分によって引き起こされます。光ファイバー通信では、この広がりにより信号の明瞭さが低下し、データの伝送距離が制限され、受信機があるビットと次のビットを区別することが困難になります。

しかし、分散を理解するのは物理学だけではありません。エンジニアリング上の本当の疑問は、分散が実際に解決する必要がある問題になるのはいつになるのかということです。答えは、ファイバーのタイプ、リンク長、データ速度、動作波長、およびシステムが使用する変調形式によって異なります。データセンター内の 100 メートルのマルチモード リンクでは、分散管理が必要ない場合があります。 200kmシングルモード ファイバー-100G トラフィックを伝送するリンクはほぼ確実にそうなります。

光ファイバーの分散とは何ですか?

光ファイバの分散とは、送信パルスがファイバ コアを伝播する際にどのように広がるかを指します。拡散が発生するのは、光信号 - のさまざまな成分が、異なる波長、異なる空間モード、異なる偏光状態であっても、- がすべてまったく同じ速度で伝わるわけではないためです。

デジタル光通信はクリーンで十分に分離されたパルスに依存しているため、これは重要です。{0}}パルスが隣接するパルスと重なり合うほど広くなると、受信機は個々のビットを確実に区別できなくなります。この現象はシンボル間干渉 (ISI) と呼ばれ、ビット誤り率 (BER) を低下させ、使用可能な伝送距離を減少させます。によると、ITU-T G.652 勧告標準のシングルモード ファイバ パラメータを定義する-ため、波長分散の調整は高ビットレート アプリケーションのシステム設計における重要な要素です。--}

分散と減衰: 重要な違い

ファイバーリンクを評価する際に最もよくある間違いの 1 つは、分散と分散を混同することです。減衰。これらは根本的に異なる障害です。

減衰光パワーを低減します。これは、距離に応じた信号強度の損失であり、dB/km で測定されます。分散信号のタイミングを歪めます。分散された信号は検出できる十分な電力をまだ伝送している可能性がありますが、そのパルスは時間とともに不鮮明になり、情報が判読できなくなります。

ファイバ リンクは、十分なマージンを持って光パワー バジェットを通過する可能性がありますが、過度のパルスの広がりにより障害が発生することがあります。そのため、経験豊富なエンジニアはリンクを設計する際に電力バジェットと分散バジェットの両方を評価します。理解挿入損失と反射損失は重要ですが、方程式の電力側のみをカバーしています。

光ファイバーの分散の原因は何ですか?

分散は、光信号の異なる成分が異なる伝播遅延を経験するたびに発生します。具体的なメカニズムはファイバーの設計と信号の特性によって異なりますが、根本的な原因は次の 3 つのカテゴリに分類されます。

モード間のパスの違い。マルチモード ファイバーでは、光はコアを通って複数の空間パス (モード) に沿って進みます。各モードはわずかに異なる軌道をたどります。つまり、異なる時間に受信機に到着します。これが主な分散メカニズムです。マルチモードファイバーシステム.

波長-に依存する速度。線幅の狭いレーザー光源でも、狭い波長範囲の光を放射します。-ガラスの屈折率は波長によって変化するため -、セルマイヤー方程式で記述される特性 - により、異なるスペクトル成分は異なる速度で移動します。これは、ほとんどの動作波長におけるシングルモード ファイバの主な分散メカニズムです。-

偏波-に依存する遅延。実際の光ファイバーは決して完全に対称ではありません。応力、曲げ、製造上の欠陥により複屈折が発生します。これは、導波光の 2 つの直交偏光状態がわずかに異なる伝播定数を経験し、異なる時間に到達することを意味します。

光ファイバ分散の主な種類

モード分散 (モード間分散)

モード分散は、マルチモード ファイバ内の複数の導波モードが異なる群速度で伝播するときに発生します。ステップ-インデックス マルチモード ファイバでは、最低次モード（軸近くを通過）と最高次モード（クラッド境界で急な角度で反射）との間の経路長の差が大きくなる可能性があります。-コアの屈折率が 1.48、開口数が 0.3 のステップ- インデックス ファイバの場合、モード間の遅延は 50 ns/km を超える可能性があります。

グレーデッド インデックス マルチモード ファイバーは、この問題を軽減するために特別に開発されました。{0}高次モードがクラッド付近をより速く移動するように屈折率プロファイルを成形することにより、グレーデッド インデックス設計はモード分散を 1 ～ 2 桁低減します。-これが、最新のデータセンター リンクで圧倒的に使用される理由です。OM3、OM4、または OM5 のグレーデッド-インデックス マルチモード ファイバーステップ-インデックスのデザインではありません。

モード分散は、基本的な LP01 モードのみをサポートするシングルモード ファイバでは基本的に排除されます。{0}}これが、シングルモード ファイバーが長距離-高速伝送に使用される主な理由です。-

波長分散

波長分散は通常、シングルモード ファイバー システムにおいて最も重要な分散タイプです。{0}}これは、次の 2 つの物理メカニズムを組み合わせた結果です。

材料分散石英ガラスの屈折率が波長によって変化するために発生します。この関係はよく特徴付けられており、通常の分散領域 (ゼロ分散波長よりも小さい) では一般に短い波長の方が長い波長よりも遅く伝播し、異常領域ではその逆であることを意味します。

導波路分散これは、ファイバーの形状が光の閉じ込め方に影響を与えるために発生します。コア内を伝わる光パワーとクラッド内を伝わる光パワーの割合は波長に依存し、これにより追加の波長依存の伝播効果が生じます。-。エンジニアはファイバー設計を通じて導波路の分散を形作ることができます - これが方法です分散-シフトファイバーと非-ゼロ分散-シフトファイバー修正された分散特性を実現します。

標準シングルモード ファイバ（ITU-T G.652）の場合、ゼロ分散波長は 1310 nm 付近になります。-一般的に使用される 1550 nm の透過窓では、波長分散係数は約 +17 ps/(nm・km) です。Corning SMF-28 ファイバー仕様。 100 km のリンクにわたって、この値はおよそ 1700 ps/nm - まで蓄積され、補償せずに放置すると 10 Gbps 信号を著しく歪めるのに十分です。

偏波モード分散 (PMD)

偏波モード分散は、基本モードの 2 つの直交する偏波状態間の群遅延差 (DGD) から生じます。決定論的で安定した波長分散とは異なり、PMD は確率論的です -。時間、温度、およびファイバーへの機械的応力によって変化します。

PMD は統計的に指定されます。 ITU-T G.652.D に準拠した最新のファイバーの場合、PMD リンクの設計値は通常 0.1 ps/√km 未満です。これは小さいように思えるかもしれませんが、ビット周期が 25 ps 以下に縮小する 40 Gbps 以上では、控えめな PMD 蓄積でも関係が生じます。業界の設計ガイドラインによれば、最大許容 DGD は通常、ビット周期の約 10% です。

中程度の距離で 10 Gbps で動作するシステムの場合、最新のファイバーでは PMD が制限要因になることはほとんどありません。 40 Gbps と 100 Gbps では、ファイバ選択、ルート エンジニアリング、受信側イコライゼーションを含む PMD- を意識した設計 - -が標準的な手法の一部になります。-

分散タイプを一目で比較

どのファイバ リンクが分散の影響を最も受けますか?

マルチモードファイバーリンク: モード分散が支配的

でマルチモードファイバーシステム - は通常、データセンター、企業 LAN、ビルディング バックボーンの短距離アプリケーションに使用されます。- モード分散が主な帯域幅制限です。- MHz/km で定格されるファイバーのモーダル帯域幅によって、パルスのオーバーラップが許容できなくなる前に、どのくらいの距離とどのくらいの速さで送信できるかが決まります。

たとえば、OM3 ファイバーは、レーザーが最適化された発射で 850 nm で 2000 MHz/km の有効モード帯域幅を持ち、最大約 300 メートルまで 10 Gbps をサポートします。{3}} OM4 はそれを約 400 メートルに延長します。波長分散はマルチモード ファイバにも存在しますが、これらの距離ではほとんどの場合、モード効果が結合制約になります。

シングルモード ファイバ リンク: 波長分散と PMD

シングルモード ファイバを使用してモード分散が除去されると、次の懸念事項は波長分散になります。-短いシングルモード リンク（数キロメートル）では、累積波長分散は通常、10G 以下のシステム許容範囲内に収まります。距離が数十キロメートルまたは数百キロメートルに増加すると、特にデータ レートが 10 Gbps 以上になると、分散管理が必要になります。

長距離では-光トランスポートネットワーク (OTN)システム、色分散化合物をキロメートルごとに提供します。 1550 nm の G.652 ファイバー上の 400 km リンクでは、約 6,800 ps/nm の波長分散が蓄積されます。補償がなければ、そのレベルの分散により、2.5 Gbps 信号さえも回復できなくなります。

PMD は、主に 40 Gbps 以上、または PMD 係数が 0.5 ps/√km を超える可能性がある古いファイバー プラントで関連する要素になります。最新のファイバーの PMD 仕様ははるかに厳しく、DSP を備えたコヒーレント受信機は、従来の直接検出システムよりも大幅に多くの PMD を許容できます。-

DWDM システム: あらゆる障害複合体

高密度波長分割多重では-DWDM) C- 帯域全体で 40、80、またはそれ以上のチャネルを伝送するシステムでは、分散管理はオプションではありません。各チャネルは異なる波長にあり、分散スロープによりわずかに異なる量の色分散が蓄積されます。これは、帯域全体に対する単一の一括補正だけではなく、チャネルごとの補正が必要になる可能性があることを意味します。

さらに、DWDM システムでは、波長分散とファイバの非線形性（自己-位相変調、相互位相変調、-四光波混合）の間の相互作用により、より複雑な最適化問題が発生します。システム設計者は、非線形クロストーク - を抑制するために、スパンごとの残留分散を意図的に維持することがよくあります。そのため、「どこでもゼロ分散」が実際の設計目標ではありません。

光ファイバの分散補償方法

ファイバーの選択と波長の計画

分散を管理する最も基本的な方法は、補償ハードウェアを追加する前に正しい選択を行うことです。これには、アプリケーションに適したファイバーの種類と動作波長の選択が含まれます。

新規導入の場合、標準の G.652.D シングルモード ファイバーが依然としてメトロおよび長距離ネットワークで最も一般的な選択肢です。-超-長距離-海底または地上リンクの場合は、G.654.​​E 低損失-ファイバーを指定できます。 G.653 分散-シフト ファイバが設置されていた古いネットワークでは、1550 nm でのほぼゼロの分散-は単一チャネル システムにとっては利点でしたが、四光波混合の強化により DWDM にとっては不利になりました-。これは、残留分散を維持することの重要性を強調する教訓となりました。-

波長計画も重要です。ゼロ分散波長付近で動作すると-波長分散が最小限に抑えられますが、非線形効果が増大する可能性があります。ゼロ分散からさらに遠くに動作させると非線形抑制が可能になりますが、補償が必要になります。単一の「最適な」波長はありません - 正しい選択はシステム アーキテクチャによって異なります。

分散補償ファイバ (DCF) および分散補償モジュール (DCM)

分散補償ファイバは、大きな負の波長分散係数（通常、1550 nm で -80 ～ -120 ps/(nm·km) の範囲）を持つように設計された特殊ファイバです。計算された長さの DCF をリンクに挿入することにより、伝送ファイバーから蓄積された正の分散を相殺できます。パッケージ化された形式では、これは分散補償モジュール (DCM) と呼ばれます。

実際の参考として: 80 km の標準 G.652 ファイバ (1550 nm でおよそ +1,360 ps/nm の分散が蓄積される) を補償するには、分散係数が -95 ps/(nm·km) の約 14 km の DCF が必要です。DCF に関する ScienceDirect 百科事典のエントリ.

DCF は効果的で十分に実証されていますが、{0}これにはトレードオフが伴います。-ファイバを追加すると挿入損失が追加され（通常、DCF では 0.5 ～ 0.7 dB/km、伝送ファイバでは 0.2 dB/km）、追加の増幅が必要になり、光信号対雑音比が低下する可能性があります。-また、DCF は標準のファイバーよりも有効断面積が小さいため、非線形効果の影響を受けやすくなります。これらのトレードオフは、分散係数と減衰の比として定義される性能指数 (FOM) を使用して評価されます。-

チャープファイバーブラッググレーティング(FBG)

チャープ ファイバー ブラッグ グレーティングは、グレーティングに沿ったさまざまな位置からさまざまな波長を反射することで分散を補償し、波長に依存する遅延を生み出します。-より短い波長は回折格子の前面近くで反射される一方、より長い波長は反射される前により奥に進み、またはその逆の場合もあります。その結果、波長分散を相殺できる制御可能な群遅延が得られます。

DCF と比較して、FBG{0}} ベースの補償器はコンパクトで、挿入損失が低く、導入される非線形歪みは無視できます。で説明されています。分散補償に関するRPフォトニクス事典。ただし、群遅延リップル - の遅延特性の小さな周期的変動 - の影響を受ける可能性があり、これが信号歪みを引き起こす可能性があります。現代の製造により、この問題は大幅に軽減されましたが、依然として高性能システムの設計上の考慮事項となっています。-

電子分散補償 (EDC) およびデジタル信号処理 (DSP)

すべての分散補償が光領域で行われるわけではありません。受信機での電子分散補償とデジタル信号処理により、ファイバ分散によってもたらされる歪みの多くを等化できます。

最新のコヒーレント光システムでは、- 100G、200G、400G、さらにはそれ以降、- DSP{{4​​}} ベースの補償が受信機アーキテクチャの基本部分です。コヒーレント受信機は光信号の振幅と位相の両方を回復し、DSP エンジンに色分散、PMD、その他の線形障害をデジタル的に逆転するのに十分な情報を提供します。これが、コヒーレント 100G システムがインライン光分散補償モジュールなしで数千キロメートルの G.652 ファイバー上で動作できる理由の 1 つです。

10G での直接検出システムの場合、電子等化（フィードフォワード等化、最尤シーケンス推定）により、分散に制限された到達範囲を拡張できますが、コヒーレント DSP よりも改善は控えめです。{0}{2}古いリンクをアップグレードする場合、光学補償 (DCM) を追加するか、リンクにアップグレードするかを選択します。コヒーレントトランシーバーDSP を内蔵するかどうかは、コスト、予想されるトラフィックの増加、既存のアンプ インフラストラクチャによって異なります。{0}

「分散ゼロ」が必ずしも目標ではない理由

光ファイバに慣れていないエンジニアは、理想的なリンクはどこでも正味分散がゼロであると仮定することがあります。実際には、それは最適な設計目標ではないことがよくあります。理由は 2 つあります。

まず、WDM システムでは、ゼロ分散に近い状態で動作すると、特定の非線形障害 -、特に四光波混合 - が強化され、チャネル間のクロストークが発生する可能性があります。-各スパンで適度なレベルの局所分散を維持すると、実際にはこれらの影響が抑制されます。累積された分散の合計は、リンクの終端または定期的な補償サイトで補償されます。

第 2 に、分散を過剰に補正すると、それ自体が問題を引き起こす可能性があります。補償が実際の累積分散（温度変化、ファイバの経年劣化、波長に依存する分散スロープを考慮）と正確に一致していない場合、残留する不一致により性能が低下する可能性があります。このため、業界では「分散排除」ではなく「分散管理」という用語が使用されます。目標は、正味分散を許容範囲内に維持することであり、すべての点で厳密にゼロにすることではありません。

リンクに分散補償が必要かどうかを判断する方法

分散補償をデフォルトの要件として扱うのではなく、次の診断質問に答えてください。

あなたの繊維の種類は何ですか?使用している場合マルチモードファイバーモード分散が最大の懸念事項であり、DCM や FBG ではなく、ファイバー グレードの選択と起動条件 - を通じてこれに対処します。シングルモード ファイバーを使用している場合は、次の質問に進んでください。-

リンク距離とデータ速度はどれくらいですか?大まかなガイドラインとして、1550 nm の G.652 ファイバー上の約 60 ～ 80 km で 10 Gbps NRZ 信号の波長分散が顕著になります。 2.5 Gbps では、許容範囲は数百キロメートルまで拡張されます。 40 Gbps では、分散限界は補償なしで約 4 ～ 6 km に低下します。高次変調フォーマット（100G+ コヒーレント システムで使用）には、独自の分散耐力特性があります。

これは従来のリンクですか、それとも新しいビルドですか?従来のファイバー プラントでは、増幅器サイトに DCM を追加することが一般的で実績のあるアプローチです。新規導入の場合は、適切なファイバー タイプを選択し、DSP を備えたコヒーレント トランシーバーを計画する方が、最初から光補償を組み込むよりもコスト効率が高い場合があります。-

どのような受信機技術を使用していますか?DSP を備えたコヒーレント受信機は、数万 ps/nm の波長分散をデジタル的に補償できます。直接検出受信機は許容範囲がはるかに低くなります。-のトランシーバーモジュール仕様は分散バジェット計算への重要な入力です。

PMDは要因ですか？ファイバープラントの PMD 特性を確認してください。最新の G.652.D ファイバーでは、40 Gbps 未満では PMD が問題になる可能性は低いです。 PMD 履歴が不明な古いファイバーでは、導入前にテストすることをお勧めします。

実践的なシナリオ: 分散の知識を実際のリンクに適用する

シナリオ 1: エンタープライズ データセンター マルチモード リンク

10 Gbps (850 nm) の OM4 マルチモード ファイバーを使用して、150 メートル離れた 2 つの建物を接続するキャンパス データ センター。この距離では、モーダル帯域幅は OM4 仕様 (4700 MHz/km の実効モーダル帯域幅) の範囲内に十分収まります。 850 nm での波長分散は存在しますが、この長さでは無視できます。専用の分散補償は必要ありません。設計上の主な考慮事項は、適切な機能を確保することです。ケーブルの取り付け品質とコネクタの清潔さを維持挿入損失予算内で。

シナリオ 2: 10 Gbps のメトロ シングル-モード リンク

1550 nm の 120 km の G.652.D ファイバー上で 10G DWDM を実行するメトロポリタン ネットワーク オペレータ。累積波長分散は約 2,040 ps/nm です。これは、10G NRZ 直接検出受信機の一般的な許容範囲（約 1,000～1,200 ps/nm）を超えています。-オペレータは、正味の分散を許容範囲内に収めるために、ミッドスパン アンプ サイトに DCM を導入します。-この最新のファイバーの PMD は 0.1 ps/√km をはるかに下回っており、10 Gbps での個別の処理は必要ありません。

シナリオ 3: 長距離コヒーレント 100G トランスポート-

-80 km ごとに EDFA 増幅を備えた G.652.D ファイバーを使用した 800 km の長距離リンク。100G DP-}QPSK トラフィックを伝送します。合計の累積波長分散は 13,000 ps/nm を超えます。ただし、コヒーレント受信機の DSP は色分散をデジタル的に補償するため、インライン DCM の必要がなくなります。増幅器サイトの設計は、光分散補償ではなく、雑音指数管理と OSNR の最適化に重点を置いています。コヒーレント受信機の PMD 耐性は通常、DGD の 20 ～ 30 ps であり、このファイバー プラントが生成する値をはるかに上回っています。最終的な結果は、同じルート上の従来の 10G 直接検出システムと比較して、よりシンプルで低コストのアンプ チェーンです。-

繊維分散を評価する際のよくある間違い

分散と減衰を混同します。上で説明したように、これらは異なる障害です。光パワー バジェットを超えたリンクでも、過剰な分散により障害が発生する可能性があります。常に両方の予算を計算してください。

すべての分散タイプを交換可能として扱います。マルチモード ファイバのモード分散、シングルモード ファイバの波長分散、PMD はさまざまなメカニズムによって引き起こされ、さまざまなシステム タイプに影響を与え、さまざまな緩和戦略が必要です。{0}マルチモード リンクで DCM を使用したり、コヒーレント受信機でモーダル帯域幅の問題を解決しようとしたりすることは、テクノロジーの誤用となります。

補償は常に必要であると仮定します。多くの光ファイバーパッチコード接続と短距離リンクは、分散許容範囲内で適切に動作します。{0}不必要な補償ハードウェアを追加すると、コスト、挿入損失、システムの複雑さが増加します。デフォルトの仮定からではなく、常にリンク バジェットから開始してください。

分散スロープは無視します。DWDM システムでは、波長分散係数は波長帯域全体で変化します。センター チャネルを完全に補償する DCM では、エッジ チャネルに重大な残留分散が残る可能性があります。ブロードバンド システムには、スロープ整合補償モジュールまたはチャネルごとに調整可能な補償器が必要になる場合があります。-

繊維植物の記録を見下ろします。補償を設計するには、設置されているファイバのタイプ、長さ、測定された分散に関する正確な知識が不可欠です。実際のプラント データが利用可能な場合に一般的な値を仮定すると、設計マージンの無駄が発生したり、さらに悪いことに補償が不足したりする一般的な原因になります。-

よくある質問

光ファイバの分散とは簡単に言うと何ですか?

これは、信号の異なる部分が異なる時間に到着することによって引き起こされる、光パルスがファイバーを通過する際の拡散です。その結果、パルスがぼやけ、受信機が送信データを復元する能力が低下します。

光ファイバーの分散には主にどのような種類がありますか?

3 つの主なカテゴリは、モード分散（マルチモード ファイバで支配的）、波長分散（シングルモード ファイバで支配的）、偏波モード分散（シングルモード システムの高ビットレートに関連）です。-。波長分散は、さらに材料分散と導波路分散から構成されます。

シングルモード ファイバーではどのタイプの分散が最も重要ですか?{0}}

波長分散は、ほとんどのシングルモード ファイバー リンクにとって最大の懸念事項です。{0} PMD は、40 Gbps 以上で、特に PMD 係数が高い古いファイバーでさらに重要になります。シングルモード ファイバでは 1 つのモードのみが伝播するため、モード分散は発生しません。{4}}

波長分散はどのように補償されますか?

3 つの主なアプローチは次のとおりです。DCF/DCM またはファイバー ブラッグ グレーティングを使用した光学補償。受信機で DSP を使用した電子補償 (特にコヒーレント システム)。適切なファイバータイプの選択と波長計画による予防。最新のネットワークでは、DSP- ベースのコヒーレントな補償が行われます光トランシーバーこれが高速リンクのデフォルトのアプローチになることが増えています。{0}

すべてのファイバーリンクには分散補償が必要ですか?

いいえ。リンクが短く、速度が遅いシステムは、多くの場合、専用の補償を行わなくても分散許容範囲内で良好に動作します。-必要性は、ファイバーの種類、距離、データ速度、波長、受信機の感度の組み合わせの影響によって異なります。補償を決定する前に、常にリンク バジェットを適切に計算する必要があります。

光ファイバの分散の原因は何ですか?

分散は、光信号の成分間の伝播速度の違いによって引き起こされます。マルチモード ファイバーでは、異なる空間モードが異なる経路を通過します。シングルモード ファイバでは、ファイバの材質と導波路の特性により、異なる波長が異なる速度で伝送されます。ファイバー内の複屈折により、2 つの偏光状態に異なる遅延が発生します。

ゼロ分散は常に理想的な目標ですか?

実際にはありません。 WDM システムでは、各ファイバ スパン内の少量の局所分散が、四光波混合などの非線形障害の抑制に役立ちます。-エンジニアリングの目標は、リンク内のすべてのポイントで正味分散を除去することではなく、受信側で許容可能なウィンドウ内で正味分散を管理することです。

結論

光ファイバーの分散は、減衰や非線形効果と並んで、光ファイバー ネットワークにおける基本的な伝送障害の 1 つです。どのタイプの分散が特定のシステム - モーダル、クロマティック、または PMD - に影響を与えるかを理解することは、効果的な管理への第一歩です。次のステップは、リンクに適切な軽減戦略を適合させることです。つまり、ファイバーの選択、光学的補償、電子的補償、または補償が必要ないことの単純な確認です。

一緒に働くエンジニアにとってシングルモード ファイバー-メトロネットワークや長距離ネットワークでは、波長分散管理が依然として中心的な設計規律です。{0}導入される方へマルチモードファイバー到達距離が短​​いアプリケーションでは、モーダル帯域幅の制限を理解することも同様に重要です。-そして、コヒーレント DSP が進歩し続けるにつれて、「分散が制限されている」と「DSP-管理可能」の境界は常に移動し続けており、-単一コンポーネントの修正ではなく、システム レベルのエンジニアリング問題として分散にアプローチすることがこれまで以上に重要になっています。-