پراکندگی رنگی در شبکه فیبر نوری

پراکندگی رنگی درشبکه فیبر نوری، پراکندگی رنگی پدیده ای است که به عنوان یک فاکتور پر اهمیت در ارتباطات فیبر نوری در نظر گرفته می شود ، پراکندگی رنگی در اثر ایجاد رنگ ها یا طول موج های مختلف در یک پرتو نور که در فواصل متفاوت زمانی و با اختلاف زمانی به مقصد می رسند شکل می گیرد. نتیجه پاشندگی ، گسترش یا پراکندگی پالس های روشن و خاموش است که اطلاعات دیجیتالی را منتقل می نمایند. جهت جبران پراکندگی رنگی در فیبر نوری بایستی دستورالعمل های ویژه ای صورت پذیرد تا شبکه فیبر نوری حداکثر ظرفیت عملیاتی را دارا باشد.

پراکندگی رنگی پدیده ای رایج است ، چراکه شما در فیزیک نور با آن آشنا هستید، در واقع همانطور که قطرات آب پخش شده و موجود در هوا سبب ایجاد رنگین کمان در نور خورشید می شود، در فیبر نوری نیز این پدیده به دلیل انتقال نوری و تفاوت مواد تشکیل دهنده هسته و روکش کلد و تفاوت ضریب شکست ممکن است روی دهد. همانطور که نیوتن این پدیده را زمانی که نور خورشید را از منشور عبور داد مشاهده نمود که نور در طیفی از رنگ های مختلف پخش می شود. پراکندگی رنگی به این دلیل رخ می دهد که رنگ های مختلف نور و یا فرکانس های نوری متفاوت هنگام عبور از محیطی مانند شیشه ، اندکی متفاوت و باسرعت و یا تاخیر حرکت نمایند. در سیستم های مبتنی بر نور ، کابل فیبر نوری ، از یک هسته Core  و روکش هسته Clad با مواد تشکیل دهنده متفاوت و با ضریب شکست های مختلف ساخته شده است ، و این تفاوت ها ناگزیر سبب می شود که برخی از طول موج های نور کندتر وبرخی سریعتر از سایرین حرکت نمایند.

پراکندگی رنگی در شبکه فیبر نوری

تعریف دیگر: نور درون یک محیط با سرعتی کمتر از خلا حرکت می نماید. سرعت حرکت نور توسط ضریب شکست محیط تعیین می شود. در شرایط ایده آل ، ضریب شکست به طول موج نور بستگی ندارد. از آنجا که همیشه شرایط اینطور نیست ، طول موج های مختلف با سرعت متفاوتی در یک فیبر نوری حرکت می نمایند.

 

پراکندگی رنگی در شبکه فیبر نوری

 

پراکندگی رنگی در شبکه های فیبر نوری با مسافت های طولانی بسیار مورد توجه قرار می گیرد (شبکه های Long-haul مانند شبکه های نوری بین کشورها و یا بین شهر ها). تأثیر پراکندگی رنگی به طور کلی  کشیده و یا مسطح شدن پالس های باینری حاوی اطلاعات است که در ابتدا به وضوح تعریف شده اند. تخریب  ناشی از پراکندگی کروماتیک سبب می شود تا تشخیص سیگنال ها (1s & 0s) در انتهای فیبر از یکدیگر دشوارتر شود. در نتیجه در هر طول معینی ، ظرفیت موثر انتقال اطلاعات و یا پهنای باند کابل فیبر نوری را می توان به میزان قابل توجهی کاهش دهد. پراکندگی به عنوان “پرتو تعدیل شده نور مضاعف” در نظر گرفته می شود که توسط تعدادی طول موج نزدیک به هم که در طول مسیر فیبر نوری شفاف حرکت می نماید ایجاد می شود.

نکته کلیدی زمانی است که پراکندگی رنگی Chromatic dispersion به مشکل اصلی تبدیل شود ، در نیتجه بایستی به هنگام توسعه و یا استقرار تجهیزات فیبر نوری جهت استفاده در شبکه مخابرات و یا سایر شبکه های نوری پر سرعت مورد توجه قرار گیرد.

خوشبختانه ، روش ها و تکنیک هایی توسعه یافته است که به جبران اثرات منفی پراکندگی رنگی کمک می نماید. یک روش شامل در نظر گرفتن میزان تخریب و پیش بینی نمودن میزان پراکندگی رنگی است که میتوان با افزودن آن به سیگنال پیش بینی شده جهت عبور در فیبر نوری پراکندگی نوری را به حداقل رساند. روش دیگر که بیشتر در سمت گیرنده مورد استفاده قرار می گیرد و مستلزم استفاده از تجهیزی جهت اصلاح سیگنال با پراکندگی در انتهای طول جهت تصحیح یا معکوس نمودن پراکندگی است که هنگام عبور سیگنال از فیبر نوری محقق شده است. به طور کلی، این تکنیک ها به شکل گسترده ای برای حل مشکل پراکندگی رنگی مورد استفاده قرار می گیرند.

محاسبه پراکندگی رنگی

پراکندگی رنگی در پیکو ثانیه بر نانومتر ps/nm را می توان از ضرایب پراکندگی رنگی طول کابل ، با فرض وابستگی خطی به طول و با توجه به علائم ضرایب محاسبه نمود (بند 5.10 را ببینید).

زمانی که از تار فیبر نوری سینگل مد G652 جهت انتقال در طول موج 1550 نانومتر استفاده می شود ، در واقع از روش جبران پراکندگی رنگی استفاده می گردد. در این حالت ، از پراکندگی رنگی متوسط پیوند برای اهداف طراحی استفاده می شود.. پراکندگی اندازه گیری شده در پنجره 1550 نانومتر را می توان در یک پنجره 1550 نانومتر با یک رابطه خطی با طول موج مشخص نمود. این رابطه بر اساس ضریب پراکندگی رنگی معمولی و ضریب شیب پراکندگی در طول موج 1550 نانومتر توصیف شده است.

مقادیر معمولی ضریب پراکندگی رنگی ، D1550 ، و ضریب شیب پراکندگی رنگی ، S1550 ، در طول موج 1550 نانومتر ، در جدول I.1 آمده است. از این مقادیر به همراه طول پیوند ، LLink ، می توان برای محاسبه پراکندگی رنگی معمولی برای استفاده در طراحی پیوند نوری استفاده نمود.

 

DLink (λ)= LLink[D1550 + S1550 (λ −1550)] [ps/nm]

 

 

Attenuation coefficient

Wavelength region

Typical link value

(Note)

1260 nm-1360 nm

0.5dB/km

1530 nm-1565 nm

0.275dB/km

1565 nm-1625 nm

0.35dB/km

Chromatic dispersion coefficient

D1550

17ps/nm × km

S1550

0.056ps/nm2 × km

NOTE – Typical link value corresponds to the link attenuation coefficient used in  [ITU-T G.957] and [ITU-T G.691].

 

در شبکه فیبر نوری هر طول موج شامل پالس های روشن/خاموش نور است که داده ها را نشان می دهد. برای مثال یک طول موج 10 گیگابیت بر ثانیه برابر با ارسال 10.000.000.000 بیت در هر ثانیه است ، به این معنی که هر یک از این بیت ها می توانند حداکثر 100 پیکو ثانیه یا 100ps در زمان دوام بیاورند.

 

پالس های نور پس از طی کیلومتر های زیادی در کابل فیبر نوری ، ممکن است در طول زمان انتقال پخش یا پراکنده شوند. بنابراین، این امکان وجود دارد که سیگنالی که در ابتدا با پالس های زمانی 100ps تعریف شده است، در انتهای فیبر به پالس های 120ps و یا 150ps و یا حتی 200ps تبدیل و دریافت شود. بنابراین تمایز و تشخیص دو سیگنال مجاور از یکدیگر، اگر غیر ممکن نباشد ، به طور فزاینده ای دشوار خواهد شد ، چراکه سیگنال ها با یکدیگر ترکیب شده اند. این موضوع در نرخ بیت های بالاتر (bit rates ) بسیار مشکل ساز می شود ، تا جایی که مدت زمان پالس ها (“دوره بیت”) بسیار کوچکتر شده و سیگنال از دست می رود. این پخش شدن پالس ها در زمان طولی معین به عنوان پراکندگی شناخته می شود.

 

پراکندگی کروماتیک

اشکال پراکندگی

بیشترین اشکال پراکندگی به این دلیل رخ می دهد که طول موج های مختلف نور با سرعت های متفاوت در فیبر نوری حرکت می نماید. پراکندگی مواد در اثر حرکت طول موج های مختلف در طول فیبر با سرعت های متفاوت و به دلیل تغییر ضریب شکست هسته فیبر با طول موج متفاوت انتقال می باشد. در عین حال ، بخشی از نور نیز در روکش فیبر ( کلد ) حرکت می نماید ، که ضریب شکست آن نیز متفاوت است و بنابراین نور را با سرعت متفاوتی از طریق هسته انتشار می دهد – اثری که به پراکندگی هدایت موج waveguide dispersion معروف است. پراکندگی مواد و هدایت موج با هم ترکیب می شوند تا یک اثر کلی به نام “پراکندگی رنگی یا Chromatic Dispersion” ایجاد نمایند.

در سیستم های مالتی پلکسینگ طول موج (WDM تقسیم طول موج) لزوماً مشکلی خاصی چنانچه طول موج های مختلف سیگنال با سرعت متفاوتی در طول فیبر نوری حرکت نمایند ایجاد نمی شود ، با توجه به اینکه در انتها فرایند دی مالتی پلکسینگ DeMUX انجام می شود و در هر حال بصورت جداگانه تشخیص داده می شوند. با این حال ، پراکندگی رنگی هنوز یک مشکل به شمار می آید ، چراکه این طول موج های سیگنال منفرد شامل طیف وسیعی از طول موج های مختلف است.

احتمالا از آموزش ها و مقالات اصول اولیه لیزر در همین پرتال به خاطر داشته باشید که لیزرهای استاندارد Fabry-Perot طیف وسیعی از طول موج ها را ارائه می دهند و در واقع حداکثر محدوده 2 نانومتر یا بیشتر فواصل طول موج ها را پوشش می دهند. لیزرهای بازخور توزیع شده (DFB) دارای انتشار بسیار خالص تری هستند اما با این وجود هنوز هم ممکن است محدوده 0.2 نانومتر فاصله طول موج را داشته باشد.

پراکندگی رنگی انواع فیبر نوری

یک پالس نور معمولاً در بعد زمان با توجه به شدت نور در ابتدا و انتهای مسیر به شکل منحنی قابل نمایش می باشد. در هر یک از این نقاط در واحد زمان ، پالس می تواند شامل کل طول موج های ساطع شده باشد. با پراکندگی رنگی مثبت ، طول موج های کوتاهتر سریعتر از طول موج های بلندتر حرکت می نمایند، به طوری که پس از مدتی طول موج های کوتاهتر نسبت به طول موج های بلندتر جلو تر حرکت نموده اند. بنابراین شروع پالس در زمان و پایان پالس در زمان بیشتر از هم گسترش یافته و پالس پراکندگی رنگی را تجربه نموده است.

پراکندگی رنگی فیبر نوری بر حسب پیکوثانیه بر نانومتر در کیلومتر ps/(nm*km) بیان می شود که نشان دهنده تاخیر افتراقی یا زمان گسترش (در ps) برای سورس با عرض طیفی 1 نانومتر است که در 1 کیلومتر از فیبر حرکت می نماید. میزان آن بستگی به نوع فیبر دارد و نرخ بیت یا فاصله انتقال را برای کیفیت خوب خدمات محدود می نماید.

بنابراین مشاهده میفرمایید که با پراکندگی رنگی 1ps/nm/km ، یک پالس 10 گیگابیت بر ثانیه با عرض طیفی 0.2 نانومتر پس از طی 500 کیلومتر از مسیر فیبر به مدت یک دوره کامل (100ps) گسترش یافته و سپس پراکنده می شود و سپس کاملاً غیر قابل تشخیص خواهد بود.

میزان پراکندگی رنگی که در فیبر نوری شکل میگرد بستگی به طول موجی دارد که نور در آن منتقل می شود ، و نمودار این امر برای فیبرهای تک حالته معمولی (سینگل مد G652 ) در اینجا نشان داده شده است. شایان ذکر است که یک “شیب” در پراکندگی وجود دارد – به این معنی که هر طول موج مقدار متفاوتی از پراکندگی را تجربه می نماید.

نکته: دلیل اصلی توصیه استاندارد به استفاده از فیبر های نوری تک حالته ( سینگل مد ) مطابق استاندارد ITU-T سری G652D و نوع غیر حساس به خمش آن G657X (OS2) در واقع پراکندگی مشخص و قابل پوشش در این نوع مناسب از فیبر نوری سینگل مد می باشد. به همین دلیل ما هم توصیه می نماییم از فیبر های متفرقه که پارامترهای متفاوتی نیز دارند و خلوص هسته و کلد آنها نامعتبر می باشد و همچنین قطر هسته انها نیز غیر معمولی است و قابلیت ارتقا نیز ندارند استفاده نفرمایید.

رایج ترین فیبر مستقر در شبکه ها (ITU G.652) که فیبر تک حالته “dispersion-unshifted” نامیده می شود ، دارای یک پراکندگی رنگی کوچک در پنجره نوری محدوده طول موج 1310 نانومتر است ، اگرچه پراکندگی رنگی بالاتری را در منطقه 1550 نانومتر به نمایش می گذارد. این پراکندگی طول انتقال ممکن را بدون نیاز به جبران پراکندگی در شبکه های DWDM محدود می نماید.

پراکندگی رنگی در انواع فیبر های نوری سینگل مد استاندارد

 

Chromatic
Dispersion ps / (nm * km)

Fiber Type

1310 nm

1550 nm

ITU
G.652 conventional

0

17

ITU G.653 DSF

-15

0

ITU G.655 NZDSF

-12

3

پراکندگی رنگی در انواع فیبر نوری
همچنین ممکن است پراکندگی رنگی منفی نیز مشاهده شود که در این شرایط طول موج های بلندتر سریعتر حرکت می نمایند. نکته کلیدی این است که چگونه افراد باهوش به عنوان کارشناسان فنی فیبر نوری با اطمینان به این نتیجه گیری می رسند که پراکندگی رنگی فاصله سیستم های نوری را به چند صد کیلومتر محدود نمی نماید. در آموزش “انواع فیبرهای پیشرفته” شما قادر خواهید بود مشاهده نمایید که چگونه می توان پراکندگی رنگی را با استفاده از چنین فیبرهای نوری طراحی شده ، اصلاح یا “جبران” نمود. با این حال ، “شیب پراکندگی” که قبلاً ذکر شد ، می تواند شرایط جبران کامل پراکندگی را در تمام طول موج ها بسیار دشوار نماید. همچنین نشان داده می شود که چگونه سیستم هایی که از محدوده کمتری از طول موج های 1550 نانومتر فیبر نوری استفاده می نمایند ، می توانند نوعی فیبر را انتخاب نمایند که میزان پراکندگی رنگی را از 15 و یا نوع های استاندارد و معمول ps /nm/km بسیار بیشتر کاهش دهد. در انتخاب فیبر سینگل مد حتما اقدام به مطالعه و مشاوره فنی نمایید.

 

با سپاس فراوان

مجتبی منتخبی

 

اطلاعات بیشتر در مورد کابل های فیبر نوری :

link

اطلاعات بیشتر در مورد کابل های شبکه مسی :

link

تجهیزات فیبر نوری:

link

 

دیدگاه‌ها (0)

*
*