분산과 대역폭

감쇠는 펄스를 약하게 만들고, 분산은 펄스를 넓게 만듭니다. 빛의 서로 다른 부분 — 서로 다른 모드, 서로 다른 파장, 서로 다른 편광 — 이 조금씩 다른 속도로 이동해 조금씩 다른 시각에 도착하므로, 또렷하던 “1”이 이웃 비트로 번집니다. 낮은 전송 속도와 짧은 거리에서는 이것이 드러나지 않지만, 10 Gb/s로 80 km를 가거나 멀티모드로 25 Gb/s에 100 m를 가면 이것이 한계가 됩니다. 이 페이지에서는 세 가지 분산의 종류, 멀티모드 광섬유의 대역폭–거리 곱, 분산이 제한하는 전송 거리를 추정하는 방법, 모듈과 시스템이 이를 보정하는 방법을 설명합니다.

세 가지 분산의 종류

모드 분산과 멀티모드 대역폭

멀티모드 광섬유는 MHz·km 단위의 유효 모드 대역폭(EMB)으로 등급이 매겨집니다: 광섬유의 응답이 3 dB 떨어지는 주파수에 길이를 곱한 값입니다. 대역폭은 길이에 반비례합니다:

경험칙: NRZ에서 링크에 필요한 대역폭 ≈ 비트 전송률 × 0.7입니다. 10 Gb/s는 ~7 GHz를 필요로 하므로 → OM3에서 ~285 m까지(표준상으로는 300 m); 25 Gb/s는 ~17.5 GHz를 필요로 하므로 → 이론상 OM4에서 ~270 m까지지만, 수신기의 분산 허용치와 VCSEL 스펙트럼 폭 때문에 표준은 100 m로 정해집니다. 그래서 전송 거리 표는 다음과 같습니다:

전체 표: 전송 거리 표. 런치 조건(엔서클드 플럭스)이 표준화되어 있어 이 수치는 실제 VCSEL에서도 유지됩니다.

싱글모드 광섬유의 색분산

분산 계수 D(광원 폭 1 nm, 길이 1 km당 ps)는 표준 G.652 광섬유에서 1 310 nm 부근에서 0을 지나며, 1 550 nm에서는 ≈ +17 ps/(nm·km)입니다. 펄스 확산:

Δt = D × Δλ × L

분산 허용치는 데이터시트에 ps/nm 단위로 나타납니다(예: 40 km ER 모듈의 800 ps/nm = 17 × 40 × ~1.2 nm): 링크의 D × L은 이 값 이하로 유지되어야 합니다(데이터시트 읽는 법).

분산 제한 전송 거리(NRZ, 무보상)

경험칙: 광원 폭이 고정되어 있으면 전송 거리는 1/(비트 전송률)²에 비례합니다 — 속도를 두 배로 올리면 분산 제한 거리는 4분의 1로 줄어듭니다.

보상과 완화

편광 모드 분산

광섬유는 완벽한 원형이 아니므로, 두 편광 축은 조금씩 다른 굴절률을 보며 펄스는 길이의 제곱근에 비례해 커지는 차동 그룹 지연(무작위 모드 결합)만큼 갈라집니다. 최신 광섬유: ≤ 0.1 ps/√km → 100 km에서 1 ps로, 40 Gb/s NRZ까지는 무해합니다. 오래된(1995년 이전) 광섬유: 0.5–2 ps/√km로, 100 km 이상의 10G에서는 문제가 되며, 코히어런트 DSP가 편광을 지속적으로 추적하는 이유이기도 합니다.

분산이 나타나는 방식

CodingBox에서는

분산 허용치 자체는 EEPROM에 저장되어 있지 않지만, 이를 예측할 수 있는 필드는 있습니다: 파장(1310 대 1550), 컴플라이언스 코드로 알 수 있는 레이저 종류(SR VCSEL, LR DFB, ER EML), 그리고 벤더가 모듈에 매긴 OM3/OM4/SMF 길이 필드입니다. CodingBox는 이 값을 보여주므로 “이 1550 nm 모듈은 왜 80 km를 못 가는가”라는 질문에 근거 데이터가 생깁니다(Check transceiver).

높은 송신 파워에서 나타나는 또 다른 한계 — 자기 위상 변조와 상호 위상 변조, 4광파 혼합, 브릴루앙 산란과 라만 산란, 그리고 분산이 이들 중 일부를 오히려 완화하는 이유: 비선형 효과.