ดิสเพอร์ชันและแบนด์วิดท์

การลดทอนทำให้พัลส์อ่อนกำลังลง ส่วน ดิสเพอร์ชัน ทำให้พัลส์กว้างขึ้น ส่วนต่าง ๆ ของแสง — โหมดต่างกัน ความยาวคลื่นต่างกัน โพลาไรเซชันต่างกัน — เดินทางด้วยความเร็วที่ต่างกันเล็กน้อยและมาถึงในเวลาที่ต่างกันเล็กน้อย ทำให้ “1” ที่คมชัดเลอะเข้าไปในบิตข้างเคียง ที่อัตราบิตต่ำและระยะทางสั้นเรื่องนี้มองไม่เห็น แต่ที่ 10 Gb/s ระยะ 80 km หรือที่ 25 Gb/s ระยะ 100 m บนใยแก้วนำแสงมัลติโหมด นี่คือข้อจำกัด หน้านี้อธิบายดิสเพอร์ชันสามชนิด ผลคูณแบนด์วิดท์–ระยะทางของใยแก้วนำแสงมัลติโหมด วิธีประมาณระยะส่งที่ถูกจำกัดด้วยดิสเพอร์ชัน และวิธีที่โมดูลและระบบชดเชยผลดังกล่าว

ดิสเพอร์ชันสามชนิด

ชนิด	สาเหตุ	ตำแหน่งที่มีผลมากที่สุด	ขนาดโดยทั่วไป
โหมด (ระหว่างโหมด)	โหมดต่างกันเดินทางไปตามเส้นทางที่ต่างกัน	ใยแก้วนำแสงมัลติโหมด	ns/km ในแบบดัชนีขั้นบันได; ~0.1–0.5 ns/km ในแบบดัชนีไล่ระดับ; อธิบายเป็นแบนด์วิดท์ในหน่วย MHz·km
โครมาติก	ดัชนีหักเหของแก้วขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น (จากวัสดุ) และรูปทรงของท่อนำคลื่นก็เพิ่มผลของตัวเอง (จากท่อนำคลื่น); แหล่งกำเนิดแสงมีความกว้างสเปกตรัมไม่เป็นศูนย์	ซิงเกิลโหมดที่ 1550 nm; ลิงก์ระยะไกลที่ 10G ขึ้นไป	17 ps/(nm·km) ที่ 1550 nm บน G.652; ≈ 0 ที่ 1310 nm
โพลาไรเซชัน (PMD)	สถานะโพลาไรเซชันทั้งสองเดินทางด้วยความเร็วต่างกันเล็กน้อยเนื่องจากความไม่สมมาตรของใยแก้วนำแสง	NRZ ที่ 40G ขึ้นไปบนใยแก้วนำแสงระยะยาว; ใยแก้วนำแสงรุ่นเก่า	0.05–0.5 ps/√km

ดิสเพอร์ชันแบบโหมดและแบนด์วิดท์มัลติโหมด

ใยแก้วนำแสงมัลติโหมดกำหนดพิกัดด้วย แบนด์วิดท์โหมดประสิทธิผล (EMB) ในหน่วย MHz·km ซึ่งคือความถี่ที่การตอบสนองของใยแก้วนำแสงลดลง 3 dB คูณด้วยความยาว แบนด์วิดท์หารด้วยความยาว:

เกรด	EMB ที่ 850 nm	แบนด์วิดท์ที่ระยะ 100 m	แบนด์วิดท์ที่ระยะ 300 m
OM1	200 MHz·km	2 GHz	0.67 GHz
OM2	500	5 GHz	1.7 GHz
OM3	2 000	20 GHz	6.7 GHz
OM4	4 700	47 GHz	15.7 GHz

กฎคร่าว ๆ: ลิงก์ต้องการแบนด์วิดท์ ≈ 0.7 × อัตราบิต สำหรับ NRZ 10 Gb/s ต้องการ ~7 GHz → OM3 ได้ระยะ ~285 m (มาตรฐานระบุ 300 m); 25 Gb/s ต้องการ ~17.5 GHz → OM4 ได้ระยะ ~270 m ในทางทฤษฎี แต่ค่าทนทานต่อดิสเพอร์ชันของตัวรับและความกว้างสเปกตรัมของ VCSEL ทำให้มาตรฐานกำหนดไว้ที่ 100 m จึงได้ตารางระยะส่งดังนี้

อัตราต่อเลน	OM3	OM4	ข้อจำกัด
1 Gb/s	550–1 000 m	550–1 100 m	การลดทอนพอ ๆ กับแบนด์วิดท์
10 Gb/s	300 m	400 m	แบนด์วิดท์โหมด
25 Gb/s NRZ	70 m	100 m	โหมด + โครมาติก (ความกว้างสเปกตรัมของ VCSEL)
50 Gb/s PAM4	70 m	100 m	เหมือนกัน บวกกับค่าปรับ SNR ของ PAM4
100 Gb/s PAM4 (802.3db)	—	50–100 m	ด้วยการอีควอไลซ์ของ DSP

ตารางระยะส่งฉบับเต็ม: ตารางระยะส่ง เงื่อนไขการป้อนแสง (ฟลักซ์ล้อมรอบ) ถูกกำหนดเป็นมาตรฐาน ตัวเลขเหล่านี้จึงใช้ได้จริงกับ VCSEL ของจริง

ดิสเพอร์ชันแบบโครมาติกในใยแก้วนำแสงซิงเกิลโหมด

สัมประสิทธิ์ดิสเพอร์ชัน D (ps ต่อ nm ของความกว้างแหล่งกำเนิดแสง ต่อ km) มีค่าผ่านศูนย์ที่ใกล้ 1 310 nm ในใยแก้วนำแสงมาตรฐาน G.652 และมีค่า ≈ +17 ps/(nm·km) ที่ 1 550 nm การกระจายตัวของพัลส์:

Δt = D × Δλ × L

แหล่งกำเนิดแสง	ความกว้างสเปกตรัม Δλ	D ที่ λ	L	Δt	คาบบิต (10G ≈ 100 ps)
เลเซอร์ DFB ที่ 1310 nm	0.1 nm (หรือ 1 nm ที่ −20 dB)	≈ 0–3 ps/(nm·km)	10 km	< 10 ps	ไม่มีปัญหา
DFB ที่ 1550 nm, 10G, DML	0.2 nm (เชิร์ปทำให้กว้างขึ้น)	17	80 km	270 ps	มากเกินไป — ต้องใช้ EML (เชิร์ปต่ำ) หรือ DCM
EML ที่ 1550 nm, 10G	~0.1 nm (ค่าประสิทธิผล)	17	80 km	~140 ps → ยอมรับได้โดยมีค่าปรับ	10GBASE-ZR
เลเซอร์ฟาบรี-เปโรต์ ที่ 1310 nm	3–5 nm	3	2 km	20–30 ps	ไม่มีปัญหาที่ 1G ก้ำกึ่งที่ 10G
LED ที่ 1300 nm (รุ่นเก่า)	50–100 nm	3	2 km	300–600 ps	100 Mb/s เท่านั้น
VCSEL 850 nm บน OM4	0.5 nm RMS	~ −100 ps/(nm·km) ที่ 850 nm	0.1 km	5 ps	โครมาติกมีผลที่ 25G ขึ้นไป

ค่าทนทานต่อดิสเพอร์ชันปรากฏในดาต้าชีตเป็นหน่วย ps/nm (เช่น 800 ps/nm สำหรับโมดูล ER ระยะ 40 km = 17 × 40 × ~1.2 nm) โดย D × L ของลิงก์ต้องต่ำกว่าค่านี้ (การอ่านดาต้าชีต)

ระยะส่งที่ถูกจำกัดด้วยดิสเพอร์ชัน (NRZ ที่ไม่ได้ชดเชย)

อัตรา	1310 nm บน G.652	1550 nm บน G.652	หมายเหตุ
2.5 Gb/s	> 100 km	~600–1 000 km	การลดทอนเป็นข้อจำกัดก่อน
10 Gb/s	~40–60 km (จำกัดโดยแหล่งกำเนิดแสง)	~60–80 km (EML), ~10–20 km (DML)	เหตุผลที่ 10G ER/ZR ใช้ EML
25 Gb/s	10 km (25GBASE-LR)	~10–15 km	25GBASE-ER ที่ 1550 nm ต้องออกแบบอย่างรอบคอบ
40 Gb/s แบบอนุกรม	~4 km	~4 km	เหตุผลที่ 40G/100G เปลี่ยนไปใช้ 4 × 10G/25G WDM
100 Gb/s λ เดียว PAM4 (DR/FR/LR1)	2–10 km ที่ 1310 nm	—	เลือก 1310 nm เพราะดิสเพอร์ชัน ≈ 0; ที่เหลือ DSP จัดการ

กฎคร่าว ๆ: ระยะส่งแปรผันตาม 1/(อัตราบิต)² เมื่อความกว้างของแหล่งกำเนิดแสงคงที่ — การเพิ่มอัตราเป็นสองเท่าทำให้ระยะที่ถูกจำกัดด้วยดิสเพอร์ชันลดลงเหลือหนึ่งในสี่

การชดเชยและการบรรเทาผล

วิธี	ใช้ที่ไหน	ทำงานอย่างไร
เลือกใช้ 1310 nm	DR/FR/LR ที่ 100G ขึ้นไป	หน้าต่างดิสเพอร์ชันเป็นศูนย์; แลกกับ 0.35 dB/km แทนที่จะเป็น 0.2
แหล่งกำเนิดแสงเชิร์ปต่ำ (EML, ตัวมอดูเลตภายนอก)	10G ER/ZR, DWDM 10G	สเปกตรัมประสิทธิผลแคบลง (เลเซอร์)
โมดูลชดเชยดิสเพอร์ชัน (DCM)	ช่วง DWDM ที่ 10G	ม้วนใยแก้วนำแสงดิสเพอร์ชันลบ หรือเกรตติงแบรกก์ในใยแก้วนำแสง หักล้าง D × L
ใยแก้วนำแสงดิสเพอร์ชันเลื่อน / NZ-DSF (G.653/G.655)	โครงข่ายสายระยะไกลรุ่นเก่า	D ที่ 1550 nm เป็นศูนย์หรือมีค่าน้อย
การชดเชยดิสเพอร์ชันทางอิเล็กทรอนิกส์	10GBASE-LRM (EDC ในโฮสต์), PAM4 DSP (FFE/DFE/MLSE)	ตัวอีควอไลซ์แก้ไขการเลอะของสัญญาณด้วยกระบวนการดิจิทัล (DSP)
การตรวจจับแบบโคฮีเรนต์ + DSP	100G–800G ZR/ZR+	ดิสเพอร์ชันได้รับการชดเชยทั้งหมดในโดเมนดิจิทัล หลายพัน ps/nm (โคฮีเรนต์)
FEC	25G ขึ้นไป	แก้ไขข้อผิดพลาดที่ดิสเพอร์ชันก่อขึ้น แทนที่จะป้องกันไม่ให้เกิดขึ้น (FEC และ AN)

ดิสเพอร์ชันแบบโพลาไรเซชัน

ใยแก้วนำแสงไม่มีวันกลมสมบูรณ์แบบ แกนโพลาไรเซชันทั้งสองจึงมีดัชนีหักเหต่างกันเล็กน้อย และพัลส์แยกออกจากกันด้วย ผลต่างเวลาหน่วงกลุ่ม ที่เพิ่มขึ้นตามรากที่สองของความยาว (การจับคู่โหมดแบบสุ่ม) ใยแก้วนำแสงยุคใหม่: ≤ 0.1 ps/√km → 1 ps ตลอดระยะ 100 km ไม่มีผลเสียจนถึง 40 Gb/s NRZ ใยแก้วนำแสงรุ่นเก่า (ก่อนปี 1995): 0.5–2 ps/√km เป็นปัญหาที่ 10G ระยะเกิน 100 km และเป็นเหตุผลที่ DSP แบบโคฮีเรนต์ติดตามโพลาไรเซชันอย่างต่อเนื่อง

ดิสเพอร์ชันแสดงอาการอย่างไร

ข้อสังเกต	ความหมาย
กำลัง Rx สูงกว่าความไวมาก แต่ยังมีข้อผิดพลาดหรือไม่มีลิงก์	ดิสเพอร์ชัน (หรือการสะท้อน) — กำลังสัญญาณไม่ใช่ปัญหา (กำลัง Rx และงบประมาณลิงก์)
ลิงก์ทำงานได้ที่ 1G แต่ล้มเหลวที่ 10G บนใยแก้วนำแสงเส้นเดียวกัน	แบนด์วิดท์โหมด (MMF) หรือเชิร์ปของ DML ที่ 1550 nm (SMF)
โมดูล LR ระยะ 10 km ปกติดี โมดูล ER ระยะ 40 km ปกติดี ZR ก้ำกึ่ง	ดิสเพอร์ชันแบบโครมาติกสะสมมากขึ้น
FEC แก้ไขข้อผิดพลาดในจำนวนสูง แต่ที่แก้ไม่ได้พบน้อย	การปิดของไดอะแกรมตาจากดิสเพอร์ชันได้รับการแก้ไขบางส่วน (ตัวชี้วัด VDM และ FEC)
ระยะส่งไม่ถึงเป้าบน OM3 ทั้งที่โมดูลระบุ “300 m”	ไม่เป็นไปตามข้อกำหนดฟลักซ์ล้อมรอบ หรือ OM3 ถูกติดฉลากผิดเป็น OM2

ใน CodingBox

ค่าทนทานต่อดิสเพอร์ชันไม่ได้ถูกเก็บไว้ใน EEPROM แต่ฟิลด์ที่ใช้คาดการณ์ค่านี้ได้แก่ ความยาวคลื่น (1310 เทียบกับ 1550 nm) ชนิดเลเซอร์จากรหัสความสอดคล้อง (SR VCSEL, LR DFB, ER EML) และฟิลด์ระยะ OM3/OM4/SMF ที่ผู้ผลิตกำหนดพิกัดโมดูลไว้ CodingBox แสดงข้อมูลเหล่านี้ เพื่อให้คำถาม “ทำไมโมดูล 1550 nm ตัวนี้ถึงไปไม่ถึง 80 km” มีข้อมูลรองรับ (Check transceiver)

ข้อจำกัดอีกอย่างที่กำลังป้อนแสงสูง — การมอดูเลตเฟสตัวเองและเฟสไขว้ การผสมสี่คลื่น การกระเจิงบริลลูอินและรามาน และเหตุใดดิสเพอร์ชันจึงช่วยต้านผลบางอย่างเหล่านี้ได้จริง ๆ: ปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้น

หากพบข้อมูลที่ไม่ถูกต้องหรือข้อผิดพลาดในบทความนี้ ให้เลือกข้อความส่วนนั้นแล้วกด Ctrl+Enter เพื่อ