English 
简体中文 
繁體中文 
Русский 
Español 
Deutsch 
Français 
Português 
Italiano 
Türkçe 
Polski 
Nederlands 
日本語 
한국어 
Bahasa Indonesia 
Bahasa Melayu 
العربية 
हिन्दी 
Tiếng Việt 
ภาษาไทย 
বাংলা 
اردو 
Kiswahili 
Oʻzbekcha 
አማርኛ 
فارسی Tán sắc và băng thông
Suy hao làm xung yếu đi; tán sắc làm xung rộng ra. Các phần khác nhau của ánh sáng — các mode khác nhau, các bước sóng khác nhau, các phân cực khác nhau — truyền với tốc độ hơi khác nhau và đến đích ở những thời điểm hơi khác nhau, khiến một bit “1” sắc nét bị nhòe sang các bit lân cận. Ở tốc độ thấp và khoảng cách ngắn, hiện tượng này không đáng kể; ở 10 Gb/s trên 80 km hoặc 25 Gb/s trên 100 m sợi đa mode, đây chính là giới hạn. Trang này giải thích ba loại tán sắc, tích số băng thông–khoảng cách của sợi đa mode, cách ước tính cự ly bị giới hạn bởi tán sắc, và cách các module và hệ thống bù trừ tán sắc.
Ba loại tán sắc
| Loại | Nguyên nhân | Nơi chiếm ưu thế | Độ lớn điển hình |
|---|---|---|---|
| Tán sắc mode (liên mode) | các mode khác nhau đi theo các đường khác nhau | sợi đa mode | ns/km ở sợi chiết suất bậc; ~0,1–0,5 ns/km ở sợi chiết suất gradient; được mô tả bằng băng thông tính theo MHz·km |
| Tán sắc màu | chiết suất của thủy tinh phụ thuộc bước sóng (tán sắc vật liệu), và hình học của lõi dẫn sóng cộng thêm phần của riêng nó (tán sắc ống dẫn sóng); nguồn phát có độ rộng phổ khác 0 | đơn mode ở 1550 nm; tuyến dài ở 10G trở lên | 17 ps/(nm·km) tại 1550 trên sợi G.652; ≈ 0 tại 1310 |
| Tán sắc mode phân cực (PMD) | hai trạng thái phân cực truyền với tốc độ hơi khác nhau do sự bất đối xứng của sợi quang | NRZ 40G trở lên trên sợi dài; sợi quang cũ | 0,05–0,5 ps/√km |
Tán sắc mode và băng thông sợi đa mode
Sợi đa mode được đánh giá theo băng thông mode hiệu dụng (EMB) tính bằng MHz·km: tần số mà tại đó đáp ứng của sợi quang giảm 3 dB, nhân với chiều dài. Băng thông chia cho chiều dài:
| Cấp | EMB tại 850 nm | Băng thông trên 100 m | Băng thông trên 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 |
Quy tắc kinh nghiệm: một tuyến cần băng thông ≈ 0,7 × tốc độ bit đối với NRZ. 10 Gb/s cần ~7 GHz → OM3 đạt ~285 m (tiêu chuẩn ghi 300 m); 25 Gb/s cần ~17,5 GHz → OM4 đạt ~270 m về lý thuyết, nhưng khả năng chịu tán sắc của bộ thu và độ rộng phổ của VCSEL kéo tiêu chuẩn xuống còn 100 m. Do đó có bảng cự ly sau:
| Tốc độ mỗi làn | OM3 | OM4 | Giới hạn |
|---|---|---|---|
| 1 Gb/s | 550–1 000 m | 550–1 100 m | suy hao ngang với băng thông |
| 10 Gb/s | 300 m | 400 m | băng thông mode |
| 25 Gb/s NRZ | 70 m | 100 m | tán sắc mode + tán sắc màu (độ rộng phổ VCSEL) |
| 50 Gb/s PAM4 | 70 m | 100 m | tương tự, cộng thêm tổn hao SNR của PAM4 |
| 100 Gb/s PAM4 (802.3db) | — | 50–100 m | có cân bằng DSP |
Bảng đầy đủ: Bảng cự ly. Điều kiện phát (encircled flux) được chuẩn hóa để các số liệu này đúng với VCSEL thực tế.
Tán sắc màu trên sợi đơn mode
Hệ số tán sắc D (ps trên nm độ rộng phổ nguồn, trên km) đi qua 0 gần 1 310 nm ở sợi G.652 tiêu chuẩn, và đạt ≈ +17 ps/(nm·km) tại 1 550 nm. Độ giãn xung:
Δt = D × Δλ × L
| Nguồn | Độ rộng phổ Δλ | D tại λ | L | Δt | Chu kỳ bit (10G ≈ 100 ps) |
|---|---|---|---|---|---|
| Laser DFB tại 1310 nm | 0,1 nm (hoặc 1 nm ở mức −20 dB) | ≈ 0–3 ps/(nm·km) | 10 km | < 10 ps | ổn |
| DFB tại 1550 nm, 10G, DML | 0,2 nm (chirp làm rộng thêm) | 17 | 80 km | 270 ps | quá nhiều — cần EML (chirp thấp) hoặc DCM |
| EML tại 1550 nm, 10G | ~0,1 nm hiệu dụng | 17 | 80 km | ~140 ps → chấp nhận được nhưng có tổn hao | 10GBASE-ZR |
| Laser Fabry-Pérot tại 1310 | 3–5 nm | 3 | 2 km | 20–30 ps | ổn ở 1G, cận biên ở 10G |
| LED tại 1300 (thế hệ cũ) | 50–100 nm | 3 | 2 km | 300–600 ps | chỉ 100 Mb/s |
| VCSEL 850 nm trên OM4 | 0,5 nm RMS | ~ −100 ps/(nm·km) tại 850 | 0,1 km | 5 ps | tán sắc màu đáng kể từ 25G trở lên |
Khả năng chịu tán sắc xuất hiện trong datasheet dưới dạng ps/nm (ví dụ 800 ps/nm cho module ER 40 km = 17 × 40 × ~1,2 nm): giá trị D × L của tuyến phải nằm dưới mức này (Đọc datasheet).
Cự ly bị giới hạn bởi tán sắc (NRZ, chưa bù trừ)
| Tốc độ | 1310 nm trên G.652 | 1550 nm trên G.652 | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| 2,5 Gb/s | > 100 km | ~600–1 000 km | suy hao là giới hạn trước tiên |
| 10 Gb/s | ~40–60 km (giới hạn bởi nguồn phát) | ~60–80 km (EML), ~10–20 km (DML) | lý do 10G ER/ZR dùng EML |
| 25 Gb/s | 10 km (25GBASE-LR) | ~10–15 km | 25GBASE-ER tại 1550 cần thiết kế cẩn thận |
| 40 Gb/s tuần tự | ~4 km | ~4 km | lý do 40G/100G chuyển sang WDM 4 × 10G/25G |
| 100 Gb/s đơn λ PAM4 (DR/FR/LR1) | 2–10 km tại 1310 | — | chọn 1310 nm vì tán sắc ≈ 0; DSP xử lý phần còn lại |
Quy tắc kinh nghiệm: cự ly tỷ lệ với 1/(tốc độ bit)² khi độ rộng phổ nguồn cố định — tăng gấp đôi tốc độ làm giảm 4 lần khoảng cách bị giới hạn bởi tán sắc.
Bù trừ và giảm thiểu
| Phương pháp | Ở đâu | Cách thực hiện |
|---|---|---|
| Chọn 1310 nm | DR/FR/LR ở 100G trở lên | cửa sổ tán sắc bằng 0; phải trả giá 0,35 dB/km thay vì 0,2 |
| Nguồn phát chirp thấp (EML, bộ điều chế ngoài) | 10G ER/ZR, DWDM 10G | phổ hiệu dụng hẹp hơn (Laser) |
| Module bù tán sắc (DCM) | các chặng DWDM 10G | cuộn sợi quang tán sắc âm hoặc cách tử Bragg sợi quang triệt tiêu D × L |
| Sợi dịch tán sắc / NZ-DSF (G.653/G.655) | tuyến đường dài thế hệ cũ | D bằng 0 hoặc nhỏ tại 1550 |
| Bù tán sắc điện tử | 10GBASE-LRM (EDC trong host), DSP PAM4 (FFE/DFE/MLSE) | bộ cân bằng khử hiện tượng nhòe bằng phương pháp số (DSP) |
| Tách sóng coherent + DSP | 100G–800G ZR/ZR+ | tán sắc được bù hoàn toàn trong miền số, hàng nghìn ps/nm (Coherent) |
| FEC | 25G trở lên | sửa các lỗi do tán sắc gây ra thay vì ngăn chúng xảy ra (FEC & AN) |
Tán sắc mode phân cực
Sợi quang không bao giờ tròn hoàn hảo; hai trục phân cực nhìn thấy chiết suất hơi khác nhau, và xung tách ra bởi độ trễ nhóm vi sai tăng theo căn bậc hai của chiều dài (do ghép mode ngẫu nhiên). Sợi quang hiện đại: ≤ 0,1 ps/√km → 1 ps trên 100 km, vô hại đến tận 40 Gb/s NRZ. Sợi quang cũ (trước năm 1995): 0,5–2 ps/√km, là vấn đề ở 10G trên hơn 100 km, và là lý do DSP coherent theo dõi phân cực liên tục.
Các biểu hiện của tán sắc
| Quan sát | Ý nghĩa |
|---|---|
| Công suất Rx cao hơn nhiều so với độ nhạy, nhưng vẫn có lỗi hoặc mất liên kết | tán sắc (hoặc phản xạ) — công suất không phải là vấn đề (Công suất Rx và quỹ công suất) |
| Liên kết hoạt động ở 1G, lỗi ở 10G trên cùng một sợi quang | băng thông mode (MMF) hoặc chirp của DML tại 1550 (SMF) |
| Module LR 10 km ổn, ER 40 km ổn, ZR cận biên | tán sắc màu tích lũy dần |
| Số lỗi được FEC sửa cao, lỗi không sửa được hiếm gặp | mắt tín hiệu bị khép do tán sắc, được sửa một phần (Chỉ số VDM & FEC) |
| Hụt cự ly trên OM3 với module “300 m” | không tuân thủ encircled flux hoặc OM3 bị dán nhãn nhầm thành OM2 |
Trong CodingBox
Khả năng chịu tán sắc không được lưu trong EEPROM, nhưng các trường dữ liệu cho phép dự đoán nó gồm có: bước sóng (1310 so với 1550), loại laser suy ra từ mã tuân thủ (SR VCSEL, LR DFB, ER EML), và các trường chiều dài OM3/OM4/SMF mà nhà sản xuất đã ghi định mức cho module. CodingBox hiển thị các trường này để câu hỏi “vì sao module 1550 nm này không đạt 80 km” có dữ liệu làm căn cứ (Check transceiver).
Giới hạn còn lại ở công suất phát cao — tự điều chế pha và điều chế pha chéo, trộn bốn sóng, tán xạ Brillouin và Raman, và vì sao tán sắc thực ra lại giúp chống lại một số hiệu ứng trong đó: Hiệu ứng phi tuyến.