یکی از فاکتورهای اصلی در محدود کردن انتقال اطلاعات از طریق فیبر نوری پاشندگی می باشد. در این مقاله در باره موضوع پاشندگی رنگی که یکی از انواع پاشندگی Fiber Dispersion می باشد به طور مفصل بحث خواهد شد.
در دنیای ایده آل انتشار سیگنال های تک رنگ، پاشندگی رنگی بی معناست. تنها یک نوع پاشندگی مستثنی است که بستگی به حالت پلاریزاسیون یا شکل هندسی فیبر دارد. اما در دنیای واقعی، عملا سیگنال تک رنگ وجود ندارد آنچه هست سیگنال های چندرنگی با دسته ای از فرکانس های مختلف در باند باریک است و همین واقعیت مسائل زیادی را به وجود می آورد که غالبا مطلوب نیستند.
پاشندگی رنگی Chromatic Dispersion:
تعریف پاشندگی رنگی:
پاشندگی رنگی یکی از خواص معمول فیبر می باشد که باعث می شود طول موجهای متفاوتی از نور با سرعت متفاوت انتشار یابند و در طول فیبر نوری حرکت کنند. در فیبر نوری وابستگی به طول موج مواد و ساختار ضریب شکست باعث ایجاد چارچوبی میشود که نور در این راستا محدود شده و انتشار یابد.
در انتقالات مخابرات نوری، به دلیل وجود پاشندگی رنگی، یک پالس نوری از چندین طول موج تشکیل شده که هر کدام از آن ها سرعت متفاوتی دارند. یک پالس با طول موج های متفاوت که در طول فیبر پخش می شود در بازه های زمانی متفاوت به مقصد می رسد. وابستگی طول موج به سرعت گروهی را به نام پاشندگی سرعت گروهی هم می شناسند. البته پاشندگی سرعت گروهی و پاشندگی رنگی در تشریح انتشار طول موج در سرعت های متفاوت ممکن است به جای همدیگر هم استفاده شوند.
انتشار پالس در سیستم انتقال نوری DWDM می تواند به بیت مجاور تجاوز کند که باعث اختلال و کاهش کیفیت سیستم انتقال می شود. بنابراین خصوصیات پاشندگی رنگی برای تضمین کیفیت ارسال اطلاعات بسیار مهم می باشد.
پارامترهای پاشندگی رنگی
پاشندگی رنگی فیبر تأخیر نسبی رسیدن اجزای دو طول موج که با فاصله یک نانومتر از هم فاصله دارند را به صورت پیکوثانیه بیان می کند که شامل چهار پارامتر می باشد:
- مقدار پاشندگی رنگی طول موج داده شده به صورت ps/nm نمایش داده می شود (پاشندگی رنگی با عملکرد طول موج ممکن است تغییر یابد)
- ضریب پاشندگی رنگی در فاصله یک کیلومتری نرمالیزه می شود و به صورت ps/nm.Km نشان داده می شود.
- شیب پاشندگی رنگی که مقدار آن با تابع طول موج تغییر میکند و به صورت ps/ (nm)^2 نمایش داده می شود.
- ضریب شیب پاشندگی رنگی در فاصله یک کیلومتری نرمالیزه میشود و به صورت ps/(nm)^2 .km نمایش داده می شود.
طول موج پاشندگی صفر ( λ0 ) به طول موجی گفته می شود که پاشندگی در آن طول موج صفر می باشد و در واحد nm نمایش داده می شود. کار کردن در این طول پاشندگی رنگی را نشان نمی دهد زیرا مقدار آن صفر می باشد اما معمولا مسائل و موارد غیرخطی بودن و مشکل اثر ادغام چهار طول موج (Four-wave mixing effect) در سیستم های DWDM را دارد. شیب در طول موج پاشندگی صفر را شیب پاشندگی صفر می گویند (S0).
پاشندگی رنگی منفی و مثبت
هنگامی که پاشندگی رنگی مثبت می باشد امواج کوتاه سریع تر از امواج بلندتر انتشار می یابند. وقتی پاشندگی رنگی منفی است امواج کوتاه، کندتر انتشار می یابد.برای امواج بلند عکس آن نیز صادق است وقتی پاشندگی رنگی مثبت است کندتر و وقتی پاشندگی رنگی منفی است تندتر انتشار می یابد.
پاشندگی منفی غالبا برای جبران بیش از حد پاشندگی مثبت در شبکه های انتقال نوری استفاده می شود.
دلایل پاشندگی رنگی
ترکیب پاشندگی مواد و موجبر باعث ایجاد پاشندگی رنگی در فیبر Single Mode می شود.
1. پاشندگی مواد
ضریب شکست موادی که هسته فیبر را تشکیل می دهند مانند شیشه و ناخالصی به طول موج عبوری از آن بستگی دارد که به تبع آن سرعت هر یک از اجزای طول موج با تغییر طول موج می تواند متغیر باشد.
2. پاشندگی موجبر
پاشندگی موجبر تغییر سرعت گروهی از طول موج های متفاوت است که در درجه اول توسط MFD – Mode Field Diameter یا قطر پرتو نور ایجاد می شود که در رنج طول موج SM می باشد. تفاوت عددی ضریب شکست هسته و غلاف باعث می شود نور با سرعت بیشتری در غلاف نسبت به هسته نشر پیدا کند. اختلاف سرعت انتشار تا حد زیادی از طول موج مستقل است. بنابراین وقتی که MFD افزایش می یابد درصد بیشتری از نور در ناحیه غلاف نشر می یابد که این عمل باعث بالا رفتن سرعت انتشار می شود. طول موج بلندتر MFD بزرگتری را نشان می دهد که باعث انتشار سرعت بالاتری می شود.
ضریب مشخصات فیبر (تغییرات ضریب شکست در فیبر) و MFD (سطح نور طول موج) با هم پاشندگی موجبر را تعریف و تعیین می کنند.
پاشندگی موجبر در واحد طول بستگی به پارامترهای زیادی دارد:
- Δn : اختلاف ضریب شکست غلاف و هسته
- قطر هسته : اگر قطر هسته کاهش یابد، پاشندگی افزایش می یابد.
- نحوه ساختن فیبر (شکل ظاهری هسته و غلاف و همچنین مشخصات شعاعی آنها)
حدود پاشندگی رنگی در استاندارد ITU-T
در این جا برای نمونه جدول استاندارد حدود پاشندگی رنگی G652.D گذاشته شده است.
پاشندگی حالت پلاریزاسیون (PMD):
همه فیبرها درجه ای از انکسار مضاعف (birefringence) دارند و هسته آن ها در تمام طول فیبر به شکل دایره کامل نیست. انکسار مضاعف فیبر و غیرمدور بودن هسته سبب می شود سیگنال نوری (تک رنگ) به دو سیگنال پلاریزه شده عمود برهم تجزیه شود که حالت پلاریزاسیون آن ها با هم فرق می کند و هر یک با سرعت و فازی متفاوت از دیگری حرکت می کند. همین اتفاق در مورد پالس های سیگنال نوری مدوله شده هم رخ می دهد. هر پالس به دو پالس تجزیه می شود در سرعت و زمان رسیدن به مقصد، پاشندگی پالس رخ می دهد. این پدیده به ویژه در انتقال در فیبرهای SM با نرخ بیت بالا حدود 2.5Gbps بسیار حائز اهمیت است و تحت عنوان پاشندگی حالت پلاریزاسیون PMD خوانده می شود.
طبق تعریف ارائه شده در ITU-T G650 بین دو حالت پلاریزه متعامد با متوسط گیری از اختلاف زمان تأخیر گروهی (DGD) روی طول موج به واحد ps محاسبه می شود.
تعریف PMD
انتشار و پخش زمانی انتقال پالس های سیگنال به دلیل انکسار مضاعف را PMD می گویند. PMD به عنوان نتیجه و دلیل تأخیر اختلاف زمانی بین اجزای سیگنال که در دو محور پلاریزه عمود بر هم یا در حالت های اصلی پلاریزاسیون (Principal States Polarization) PSP فیبر نوری انتقال می یابد به صورت ریاضی مدل می شود و عموماً بدین صورت مفهوم سازی می شود. دو PSP با سرعت های متفاوت در فیبر نوری پخش می شوند. این پدیده باعث می شود دو کپی از سیگنال با تاخیر زمانی نسبت به هم ایجاد شود که این امر باعث ایجاد اختلال و اعوجاج شدیدی در گیرنده نوری در انتهای خط می شود. اگرچه، PMD ممکن است با تغییر زمان و فرکانس نوری به دلیل ترتیب اثر بالای PMD تغییر کند. بنابراین سیگنال های ارسالی با کانال های طول موج متفاوت در طی حرکت در فیبر نوری اعوجاج های متفاوتی را تجربه می کنند.
تأخیر تفاضلی گروهی (Differential Group Delay) DGD:
تفاوت زمانی رسیدن بین دو حالت پلاریزاسیون اصلی را انکسار مضاعف می گویند. فیبرها همیشه دو حالت پلاریزه عمود بر هم که با سرعت های بسیار متفاوت از هم عبور می کنند را نشان می دهند. فیبرها اختلاف تأخیر زمانی بین اجزای سیگنال نوری که در دو حالت پلاریزه کند و تند ارسال می شوند را معرفی می کنند. مقدار PMD در فیبر معمولاً با عنوان DGD و با Δt نمایش داده می شود.
بنابراین، مانند شکل 37 پالس سیگنال کوتاهی که توسط فیبر نوری با انکسار مضاعف فرستاده می شود ممکن است به دو پالس پلاریزه عمود بر هم با سرعت های متفاوت تجزیه شود.
کوپلینگ حالت پلاریزاسیون:
به غیر از فیبرهای خاص که دارای پلاریزاسیون می باشند که در طرح های انتقال خاص استفاده می شوند اکثر فیبرهای نوری معمولی که در سیستم مخابراتی استفاده می شوند طوری طراحی شده اند که کمترین انکسار مضاعف را داشته باشند. با این وجود بعضی فیبرهای مخابراتی ممکن است مقدار قابل توجهی انکسار مضاعف داشته باشند که علت آن به خاطر مواد رسوبی و انکسار مضاعف موجبر می باشد. اما بر خلاف فیبرهای با انکسار مضاعف پلاریزاسیون بالا، انکسار مضاعفی که باعث ایجاد PMD می شود به علت کوپلینگ حالت پلاریزاسیون رندوم که توسط خمش و پیچش فیبر ایجاد می شود یکسان و یکنواخت نمی باشد. ترجیحاً این فیبرها تشکیل شده از چند فیبر انکسار مضاعف که محور سریع و کند آن به صورت تصادفی و رندوم جابه جا می شود. جهت گیری رندوم و تصادفی تکه های جداگانه فیبر در این مدل دقیقاً اثری مانند کوپلینگ حالت پلاریزاسیون در فیبرهای نوری دارد.
مقدار مناسب PMD:
طبق تعریف ارائه شده در ITU-T G650 بین دو حالت پلاریزه متعامد با متوسط گیری از اختلاف زمان گروهی (DGD) روی طول موج به واحد ps محاسبه می شود. PMD زمانی به حداکثر خود می رسد که هر دو PSP به طور یکسان و تا حداکثر ممکن برانگیخته شده و ماکزیمم DGD و پهن شدگی پالس را ایجاد کنند. برعکس PMD زمانی از بین می رود یا به حداقل خود می رسد که تنها یکی از دو حالات برانگیخته شود. همین طور ضریب حالت پاشندگی حالت پلاریزاسیون از تقسیم PMD به مجذور طول فیر به واحد ps/√km به دست می آید. فیبرهای نوری دارای ضریب پاشندگی حالت پلاریزاسیونی کمتر از 0.2ps/√km هستند.
اتلاف توان در فیبر به واسطه پلاریزاسیون:
به طور واقعی، هر ماده شفاف به نور نظیر فیبر، درجه ای از حساسیت نسبت به پلاریزاسیون از خود نشان می دهد بدین گونه که توان نوری با افت مواجه می شود، این افت، ناشی از پلاریزاسیون PDL که مخفف کلمه Polarization dependent loss می باشد و عبارت از تغییر در مقدار توان قله به قله موج است و برحسب دسی بل سنجیده می شود. واضح است که پلاریزه کننده های خطی، PDL بالایی داشته باشند (30dB<) در حالی که این رقم برای SMF خیلی کوچک است. ( 0.02db >)
جبران PMD:
فیبرها با متوسط اختلاف تأخیر گروهی (DGD) برحسب پیکوثانیه، یا ضریب DGD برحسب واحد ps/√km مشخص می شوند. یعنی فیبری با PMD پایین، متوسط ضریب DGD کمتر از 0.1ps/√km دارد و برای PMD بالا این رقم 2ps/√km است. همین طور برای فیبری با طول 625Km، متوسط DGD برای فیبر با PMD پایین، حدود 2.5ps است در حالی که برای فیبر با PMD بالا این رقم حدود 50ps است.
برحسب dB، جریمه حساسیت گیرنده برای متوسط تأخیر گروهی 50ps، کمتر از 0.1dB در نرخ بیت 2.5Gbps و بزرگتر از 4dB در 10Gbps است. در نرخ بیت های بالاتر از 40Gbps جریمه گیرنده به رقم قابل توجهی باطل می شود.
در نتیجه PMD عامل اصلی پاشندگی در نرخ بیت های نزدیک و بالاتر از 40Gbps است و ضرورت جبران PMD اجتناب ناپذیر است. اما جبران PMD در مقام مقایسه با پاشندگی رنگی به مراتب دشوارتر است و هیچ راه حل ساده و ارزان قیمتی برای این کار وجود ندارد.
