Vad är dispersion och varför är det farligt?
Dispersion är den faktor som i sista hand begränsar hur hög bithastighet en optisk fiber kan överföra. Ett av de bästa sätten att visualisera detta på ett mätinstrument är genom ett så kallat ”ögondiagram”.
Signalen över tid: Ögondiagrammet
I ett ögondiagram ser vi en mängd ettor och nollor överlagrade på varandra. Mitt i diagrammet ligger den punkt där mottagaren ”klockar”, det vill säga försöker tolka om den avsända signalen är en etta eller en nolla.
Nära sändaren: Här är ögat vidöppet. Signalen är distinkt och det råder ingen som helst tvekan om vad som är en etta respektive en nolla.
Efter ett antal mil: Efter en tids transmission förändras bilden. Pulserna har blivit rundare och signalen har tagit upp mer brus. Ögat är dock fortfarande öppet, och det är än så länge enkelt för mottagaren att tolka signalen korrekt.
Efter ytterligare sträcka: Nu har ögat börjat stängas. Pulserna flyter allt mer in i varandra och bruset gör signalnivåerna svårare att skilja åt. Mottagaren får därmed mindre tidsmarginal för att avgöra om signalen representerar en etta eller en nolla. När marginalerna blir för små ökar risken för bitfel kraftigt.
När ögat stängs uppstår bitfel – det vill säga felaktigt tolkade data. Om ett avsänt datapaket innehåller så mycket som ett enda bitfel, måste mottagaren be sändaren att skicka om paketet. Detta upprepas ända tills mottagaren får en korrekt checksumma, vilket innebär att länkens totala kapacitet och genomströmningshastighet reduceras avsevärt.
Varför stängs ögat?
En del av försämringen kan förklaras av det adderade bruset på signalen som uppstår i förstärkare och andra komponenter. Men bruset påverkar bara signalen vertikalt (upp och ned) i diagrammet. Spridningen i sidled – det vill säga i tidsdomänen (höger och vänster) – består av två komponenter: dels jitter från sändaren, och dels dispersion.
Eftersom jittret syns redan på den första bilden nära sändaren, blir det tydligt att det är dispersionen som gradvis fördärvar signalen ju längre fibern är.
På ren svenska betyder detta att en fiber har en inbyggd, fysikalisk hastighetsbegränsning. Om vi till exempel skulle fyrdubbla bithastigheten på en länk med hög dispersion, skulle ögondiagrammet kollapsa helt och anslutningen sluta fungera.
Så vad är dispersion egentligen?
Ett passande svenskt ord för dispersion är pulsbreddning.
Korta, höga och distinkta ljuspulser i början av fibern blir bredare, lägre och suddigare mot slutet av sträckan. När pulserna breddas för mycket flyter de till slut in i varandra. Mottagaren kan då inte längre skilja på ettor och nollor, vilket leder till bitfel.
Detta leder till tre viktiga slutsatser:
A: En given länk har en given mängd dispersion. Den har därmed en maximal bithastighet som inte kan överskridas utan åtgärder.
B: För att klara en uppgradering till högre bithastigheter krävs det att dispersionen underskrider ett visst kritiskt värde.
C: För att kunna uppgradera en länk förbi dess naturliga dispersionsgräns måste man först mäta, kontrollera och aktivt kompensera dispersionen.
För att förstå hur vi kontrollerar och justerar detta behöver vi dela upp begreppet i dess två grundläggande beståndsdelar: CD och PMD.
CD – Kromatisk dispersion
Att förklara kromatisk dispersion (CD) handlar helt och hållet om ljusets hastighet.
Ljusets hastighet är konstant i absolut vakuum (cirka 300 000 km/s). Men så fort ljuset färdas genom ett material går det långsammare. I luft minskar hastigheten med någon procent, men i fiberglas går det ungefär 1,5 gånger långsammare. Exakt hur mycket långsammare det går beror på två saker: ljusets våglängd och glasets brytningsindex (IOR).
Brytningsindex och spektralbredd
Brytningsindexet är inte helt linjärt genom glaset. Ett normalvärde för en standardfiber (G.652) vid är , medan det vid är . Det finns alltså en mätbar skillnad i hastighet även mellan närliggande våglängder, som till exempel och .
Tittar vi i databladet för en lasersändare ser vi att den har en viss spektralbredd (eller linjebredd). En sändare märkt levererar i själva verket ljuskomponenter som sprider sig hela vägen från till .
Eftersom ljuset vid färdas snabbare genom glaset än ljuset vid , kommer de olika delarna av samma puls att anlända vid olika tidpunkter till mottagaren. Pulsen blir därmed utspridd i tiden – den har blivit bredare och lägre.
Konsekvenser och kompensation för CD
Varje ljuskälla har ett visst spektralinnehåll, vilket garanterar att kromatisk dispersion alltid uppstår. Ju hårdare ett system pressas – till exempel genom att utnyttja fler DWDM-kanaler och högre klockfrekvenser – desto känsligare blir det. En fyrdubbling av linjehastigheten ökar i runda tal känsligheten för CD med hela 16 gånger!
Som lök på laxen är vår absolut vanligaste fibertyp, G.652, optimerad för att ha noll kromatisk dispersion kring . När vi vill köra höghastighetssystem i -bandet (C-bandet) drabbas vi därför av hög CD som måste återställas med ett kompensationselement.
I sin enklaste form består detta av en seriekopplad specialfiber (en dispersionskompenserande modul, eller DCM) som har en rakt motsatt kromatisk dispersion. Dessa köps i fasta värden, till exempel för att kompensera för 65 km standardfiber.
Mätvärden och Four Wave Mixing (FWM)
Eftersom CD förändras beroende på våglängd presenteras mätresultatet som en kurva. Man mäter skillnaden i grupplöptid (fördröjning mätt i pikosekunder, ps) för de olika våglängderna.
Ur denna graf definierar man vanligtvis tre värden:
- Våglängden där CD är noll (λ0, vanligen omkring 1310 nm).
- Kurvans lutning vid nollpunkten (S0).
- Det faktiska CD-värdet vid 1550 nm (uttryckt i ps/(nm⋅km)).
Genom att räkna om kurvan från ”testobjektets fördröjning per våglängd mätt i ps” till ”skillnaden per nanometer per km fiber” får man fram de mätvärden man söker:
I praktiken är det dock inte värdet vid 1310 nm som är det kritiska, utan hur fibern beter sig över hela C-bandet (1525 nm till 1565 nm). Det är här vi måste dimensionera vår kompensation exakt.
Hur ser kurvan ut mellan 1525 nm och 1565 nm?
Viktigt: Vi får aldrig kompensera CD så perfekt att värdet blir exakt noll längs sträckan. Om CD når noll i ett DWDM-system uppstår ett allvarligt fenomen som kallas Four Wave Mixing (FWM). Det fungerar som en form av tvåtonsdistorsion i fibern; när flera våglängder färdas i exakt samma hastighet bildar de nya sidband som kliver in och stör grannkanalerna.
Målet är därför en balanserad kompensering som håller signalen stabil över hela C-bandet utan att hamna i noll-fällan. Misslyckas kompensationen kommer ögondiagrammet att se bra ut kring centerkanalen (1550 nm), men generera massor av bitfel vid ytterkanterna (1540 nm och 1560 nm).
För att vara säker på att en kompensering fungerar måste man mäta på de faktiska våglängder som ska användas. Att mäta CD vid exempelvis 1310 nm eller 1625 nm ger ingen praktisk vägledning för hur C-bandet kommer att prestera.
PMD – Polarisationsmodsdispersion Polarisationsmodsdispersion (PMD) är ett problem som blev högaktuellt i takt med att bithastigheterna skruvades upp. På 1990-talet upptäckte man att vissa installerade länkar drabbades av allvarliga dispersionsproblem och misslyckades vid uppgraderingar (exempelvis från 155 Mbit/s till 640 Mbit/s), trots att man hade fullständig koll på den kromatiska dispersionen. Förklaringen ligger återigen i hastighetsvariationer, men denna gång beror det inte på våglängden utan på ljusets polarisation. Ljus är en elektromagnetisk våg som svänger i olika riktningar (polarisationer). Moder natur garanterar tyvärr inte att ljus med olika polarisation färdas lika snabbt genom en fiber. Det är ganska logiskt om man tänker efter: en fiber som utsätts för ett mekaniskt tryck eller en klämning kommer att släppa igenom ljus som svänger horisontellt i en annan hastighet än ljus som svänger vertikalt.
En komplex och rörlig miljöeffekt
PMD är betydligt mer komplext att analysera än CD. De flesta sändare skickar ut ljus med flera olika polarisationer samtidigt, och dessa ändrar form och riktning längs hela vägen.
PMD påverkas i huvudsak av tre faktorer:
Inbyggd asymmetri: Små, mikroskopiska variationer i fiberkärnans rundhet direkt från fabrik.
Installationspåverkan: Dragpåkänningar, skarpa böjar och mekanisk misshandling när kabeln förläggs. Faktum är att man ofta kan avläsa installatörernas skicklighet direkt på fiberns slutgiltiga PMD-värde.
Miljöpåverkan: Temperaturväxlingar (värme/kyla), markvibrationer från tåg och tung trafik, eller stenar som trycker mot kabeln i marken.
Eftersom miljön förändras är PMD inte helt konstant över tid. Ett mätvärde i dag är inte nödvändigtvis identiskt med ett mätvärde i morgon. Det gör inte mätningen onödig – det fungerar lite som att mäta trafikintensiteten på en väg; värdet ger ändå en mycket tydlig bild av om länken är stabil eller i riskzonen.
Kritiska gränsvärden för PMD
Till skillnad från CD finns det inga stora gränsvärdesdebatter när det gäller PMD – en bra fiber skiljer sig markant från en dålig, och en klämd fiber är lika klämd oavsett våglängd.
Däremot sätter PMD stenhårda gränser baserat på systemets klockfrekvens:
Vid 10 Gbit/s (där en bitperiod är 100 ps) accepteras en PMD på högst 10 ps (10 % av periodtiden).
Vid 40 Gbit/s krymper marginalen till maximalt 2,5 ps.
Vid 100 Gbit/s och uppåt blir kraven extremt rigorösa.
Det stora problemet med PMD är att det inte finns något enkelt eller billigt motmedel i form av passiva komponenter (som vid CD). Har man en fiber med för högt PM-värde återstår ofta bara två alternativ: att byta ut fibern helt eller att permanent hastighetsbegränsa länken.
Dispersionens totala effekt och praktisk hantering
I slutändan är det mottagaren i systemet som drabbas av den sammanlagda pulsbreddningen. Mottagaren är inte smart nog att skilja på vad som beror på CD och vad som beror på PMD; den ser bara den totala deformationen av signalen.
Slutsats: Ju sämre (högre) ditt PMD-värde är på en sträcka, desto mindre marginaler har du. Det innebär att du måste kompensera din kromatiska dispersion (CD) med extremt mycket högre precision för att länken överhuvudtaget ska fungera.
Att tänka på i verkligheten:
Mät genom hela länken: CD och PMD mäts normalt fiber för fiber för att jämföras mot gränsvärden. Men eftersom moderna optiska nät innehåller både korskopplingar och aktiva fiberförstärkare (EDFA) – vilka i sig kan påverka dispersionen – bör man mäta igenom den helt färdigkopplade sträckan för att få en sann bild av prestandan.
Lita inte på teoretiska beräkningar: Att addera CD-värden rent teoretiskt, särskilt i blandade nät där man skarvat ihop olika fibertyper som G.652 och G.655, har visat sig vara mycket opålitligt. Vill du veta det faktiska värdet finns det bara en väg: mät!
Nyttja kunskapen som en affärsfördel: Att ha full koll på sitt fibernät är guld värt ekonomiskt. Om du exempelvis har en kabel med 96 fibrer där hälften visar sig ha för hög PMD för att klara 40G, se då till att du inte hyr ut de perfekta, 40G-klara fibrerna till kunder som bara ska köra 2,5G. Spara premiumfibrerna till de kunder som är beredda att betala för högkapacitetslänkar!
Slutkläm
När nät i dag uppgraderas till 10G, 40G eller 100G är det hög tid att tänka efter före. Internet- och datatrafiken ökar oavbrutet och nya tjänster kräver ständigt mer bandbredd.
Det finns visserligen avancerade sändare och mottagare på marknaden i dag som kan kompensera för en hel del dispersion elektroniskt, vilket gör att man kan köra högre hastigheter även på en sämre fiber. Men dessa system kostar en ansenlig summa extra i inköp. Den extrakostnaden kan vara motiverad om du vet att du aldrig mer behöver uppgradera länken – men handlar det bara om att skjuta problemen framför sig blir det snabbt en dyr affär.
Vill du vara helt säker på att ditt nät klarar både dagens krav och nästa oundvikliga uppgradering inom några år? Se till att mäta igenom nätet ordentligt. Med rätt mätdata i handen kan du spara stora pengar på utrustning i dag, samtidigt som du vet exakt vad som krävs för att framtidssäkra din anläggning.