Tipi di dispersione della fibra ottica e strategie di compensazione

Che cos'è la dispersione della fibra ottica?

La dispersione della fibra ottica descrive il processo di allargamento/diffusione di un segnale in ingresso durante la propagazione/viaggio lungo la fibra. Normalmente, la dispersione nei cavi in fibra ottica comprende la dispersione modale, la dispersione cromatica e la dispersione di modalità di polarizzazione.

Dispersione modale

La dispersione modale è un meccanismo di distorsione che si verifica nelle fibre multimodali e in altre guide d'onda, in cui il segnale viene diffuso nel tempo a causa della diversa velocità di propagazione di tutti i modi. Come noto, i raggi di luce entrano nella fibra con angoli di incidenza diversi attraversano percorsi/modi diversi. Alcuni di questi raggi luminosi viaggeranno dritti attraverso il centro della fibra (modo assiale), mentre altri rimbalzeranno ripetutamente sul confine tra rivestimento e nucleo per procedere a zig-zag lungo la guida d'onda, come illustrato di seguito con una fibra multimodale a indice graduale. Ogni volta che si verifica un rimbalzo, si verifica una dispersione modale (o intermodale). Più lungo è il percorso, più alta sarà la dispersione modale. Ad esempio, i modi di ordine elevato (luce che entra con angoli acuti) hanno una dispersione modello maggiore rispetto ai modi di ordine basso (luce che entra con angoli più piccoli).

La fibra multimodale può supportare fino a 17 modi di luce alla volta, subendo molta dispersione modale. Se invece la fibra è monomodale, non ci sarà dispersione modale perché c'è un solo modo e la luce entra lungo l'asse della fibra (entra in modo assiale) senza rimbalzare sul confine del rivestimento.

Tuttavia, le cose cambiano se si utilizza una fibra multimodale a indice graduato. Anche se i raggi di luce viaggiano in modi diversi, la dispersione modale sarà notevolmente ridotta a causa delle diverse velocità di propagazione della luce. Per maggiori dettagli, consultare Fibra multimodale step-index vs fibra multimodale grade-index.

Dispersione cromatica

La dispersione cromatica è un fenomeno di diffusione del segnale nel tempo che deriva dalle diverse velocità dei raggi luminosi. La dispersione cromatica è la combinazione degli effetti di dispersione del materiale e della guida d'onda.

La dispersione materiale è causata dalla dipendenza dalla lunghezza d'onda dell'indice di rifrazione del materiale del nucleo della fibra. La dispersione della guida d'onda è dovuta alla dipendenza della costante di propagazione del modo dai parametri della fibra (raggio del nucleo e differenza tra gli indici di rifrazione del nucleo e del rivestimento della fibra) e dalla lunghezza d'onda del segnale. Ad una particolare frequenza, questi due effetti possono annullarsi a vicenda dando una lunghezza d'onda con dispersione cromatica approssimativamente pari a 0.

Inoltre, la dispersione cromatica non è sempre negativa. La luce viaggia a velocità diverse a seconda delle lunghezze d'onda o dei materiali. Queste diverse velocità fanno sì che gli impulsi si diffondano o si comprimano lungo la fibra, rendendo possibile personalizzare il profilo dell'indice di rifrazione per produrre fibre per applicazioni diverse. Ad esempio, le fibre G.652 sono progettate in questo modo.

Dispersione del modo di polarizzazione

La dispersione di modo polarizzato (PMD) rappresenta la dipendenza dalla polarizzazione delle caratteristiche di propagazione delle onde luminose nelle fibre ottiche. Nelle fibre ottiche, di solito c'è una leggera differenza nelle caratteristiche di propagazione delle onde luminose con diversi stati di polarizzazione. Quando la luce è definita come un'onda di energia o una regione di energia, possiede 2 assi mutuamente perpendicolari, ovvero la forza elettromotrice e la forza magnetomotrice. Nel momento in cui l'energia all'interno di questi due assi si trasferisce a velocità diverse in una fibra, si verifica la PMD.

Il PMD ha effetti minimi per le reti la cui velocità di collegamento è inferiore a 2,5 Gbps, anche se la distanza di trasmissione è superiore a 1000 km. Tuttavia, con l'aumentare della velocità, diventa un parametro più importante, soprattutto quando la velocità supera i 10 Gbps. Oltre alla PMD intrinseca causata dal processo di produzione del vetro, la PMD può essere influenzata o causata dal cablaggio della fibra, dall'installazione e dall'ambiente operativo del cavo.

Come realizzare la compensazione della dispersione della fibra?

Sebbene la dispersione della fibra ottica non indebolisca il segnale, accorcia la distanza percorsa dal segnale all'interno delle fibre ottiche e lo offusca. Ad esempio, un impulso di 1 nanosecondo al trasmettitore si disperde in 10 nanosecondi al ricevitore, con il risultato che i segnali non vengono ricevuti e decodificati correttamente. Pertanto, è importante ridurre la dispersione della fibra ottica o effettuare una compensazione della dispersione nelle trasmissioni a lungo raggio come i sistemi DWDM. Qui presenteremo tre strategie o tecniche di compensazione per compensare la dispersione della fibra.

Compensazione della dispersione con DCF

Nella tecnica DCF (Dispersion Compensating Fiber), è possibile utilizzare una fibra con una grande dispersione negativa accanto a una fibra tipica. Il numero di luce distribuita da una fibra tradizionale viene ridotto o annullato utilizzando una fibra a compensazione di dispersione con un valore di dispersione enorme di segno opposto rispetto a quello della fibra normale. Esistono principalmente 3 schemi (fibra-pre, post o simmetrica) che vengono utilizzati per la compensazione della dispersione. Le fibre a compensazione di dispersione sono ampiamente utilizzate per aggiornare i collegamenti in fibra ottica ottimizzati a 1310 nm per il funzionamento a 1550 nm.

Compensazione della dispersione con FBG

Il reticolo in fibra di Bragg (FBG) è un dispositivo riflettente composto da una fibra ottica che contiene una modulazione dell'indice di rifrazione del suo nucleo su una lunghezza definita. Applicando gli FBG, gli effetti di dispersione possono essere drasticamente ridotti in sistemi di trasmissione lunghi come 100 km. Il reticolo in fibra riflette la luce che si propaga attraverso la fibra quando la sua lunghezza d'onda corrisponde alla regolarità della modulazione. L'uso degli FBG per la compensazione della dispersione può essere un approccio promettente, poiché gli FBG sono elementi ottici passivi compatibili con la fibra, hanno basse perdite di inserzione e prezzi contenuti. Gli FBG possono essere utilizzati non solo come filtri per la compensazione della dispersione, ma anche come sensori, stabilizzatori di lunghezza d'onda per i laser di pompa, nei filtri add drop per WDM a banda stretta.

Compensazione della dispersione con EDC

La compensazione elettronica della dispersione (EDC) è un metodo che utilizza il filtraggio elettronico (noto anche come equalizzazione) per compensare la dispersione in un collegamento di comunicazione ottica. Il filtraggio può essere incluso in un canale di comunicazione per compensare la degradazione del segnale causata dal mezzo. L'EDC è tipicamente implementato con un filtro trasversale, la cui uscita è la somma ponderata di una serie di ingressi ritardati nel tempo. La soluzione EDC ha la capacità di regolare automaticamente i pesi del filtro in base alle caratteristiche del segnale ricevuto, il che è noto come adattamento. L'EDC può essere utilizzato sia in sistemi in fibra monomodale che in sistemi in fibra multimodale. Inoltre, può essere combinato con altre funzioni sui circuiti integrati di ricezione a 10 Gbit/s. Può ottenere una riduzione significativa del costo del trasmettitore per i sistemi in fibra monomodale o un aumento della distanza di trasmissione per i sistemi multimodali con una piccola penalizzazione del costo del ricevitore.

Conclusioni

Sebbene la dispersione della fibra ottica tenda a diffondere temporalmente e a distorcere i segnali in molti modi, non è sempre negativa per la trasmissione dei segnali di telecomunicazione nei collegamenti in fibra ottica. In realtà, è meglio avere una certa quantità di dispersione quando si utilizza la multiplazione a divisione di lunghezza d'onda, perché potrebbe mitigare gli effetti non lineari.