20 janvier 2015
Dispersion : le problème des réseaux longue distance à haut débit
Arrière-plan
Les réseaux de fibre optique se sont énormément développés à un rythme très rapide tout au long de l'histoire. Alors que le besoin d'envoyer des données à des capacités plus élevées sur de plus longues distances augmentait au fil du temps, les professionnels de la fibre optique ont développé des fenêtres de longueur d'onde spécifiques qui permettaient une transmission plus longue. Comme indiqué dans notre précédent blog sur la perte de retour optique, "FAQ : pourquoi ne vendez-vous pas des optiques CWDM 10G de 70 km dans la gamme 1350-1450 ?", ces fenêtres de longueur d'onde étaient confinées aux régions 1310 nm et 1550 nm pour éviter des degrés élevés d'atténuation. et la perte de retour. Bien que cela ait semblé être la solution simple pour une transmission de données réussie, des limitations dues à la dispersion ont commencé à se produire à mesure que les réseaux progressaient.
Les premières fibres optiques utilisées dans les réseaux étaient connues sous le nom de fibre multimode à saut d'indice. Ce type de fibre a connu plusieurs variétés de dispersion. La fibre multimode à gradient d'indice a été conçue peu de temps après, mais elle a également rencontré des problèmes similaires de dispersion. Une percée dans la technologie de la fibre optique s'est produite lorsque la fibre monomode a été introduite en 1970; il a éliminé la majorité des problèmes de dispersion attribués à la fibre multimode. La fibre monomode connaît encore certains types de dispersion sur les réseaux longue distance, mais c'est la solution la plus fiable introduite à ce jour. Cela explique pourquoi la plupart des réseaux de fibres optiques haut débit longue distance actuels reposent principalement sur la fibre monomode.
Pourquoi la dispersion est-elle importante ?
Dans toute la couche physique des réseaux à fibres optiques, comme pour toutes les formes de propagation de signal, le signal d'information modulé est généré comme une somme infinie de fonctions de base orthogonales. La combinaison linéaire appropriée de ces fonctions de base génère le signal optique qui parcourt la fibre. Le concept de base qui sous-tend ce processus est connu sous le nom d'analyse de Fourier. L'analyse de Fourier est l'étude spectrale de la décomposition et de la recomposition d'un signal en ses composantes fréquentielles complexes orthogonales (sinus et cosinus). En d'autres termes, toute fonction continue peut être produite comme une somme infinie de sinus et de cosinus pondérés. Parce que nous pouvons décomposer le signal optique modulé en composants de fréquence qui couvrent une bande passante finie et que l'indice de réfraction des fibres est fonction de la longueur d'onde optique (ou fréquence), nous pouvons nous attendre à ce que les différents composants de la forme d'onde composite se déplacent à différentes vitesses à travers la fibre. Le résultat est un étalement temporel localisé du signal lors de son parcours dans la fibre, appelé dispersion. Cet étalement du signal affecte négativement la capacité de transport d'informations de la fibre ou limite la longueur de la fibre.
Pour les besoins de ce blog, nous nous concentrerons sur les différents modes de dispersion dans la fibre monomode, ses impacts sur le signal d'information et les procédures de test associées.
Dispersion et ses types
Il existe plusieurs types spécifiques de dispersion qui affectent la fibre monomode, notamment :
- Dispersion du mode de polarisation
- Répartition des matériaux
- Dispersion du guide d'ondes
- Dispersion chromatique
Dispersion de fibre monomode
L'introduction de la fibre monomode a résolu la majorité des erreurs de dispersion attribuées au multimode, mais n'a pas complètement éliminé les erreurs de dispersion. Ce qui reste est la dispersion chromatique et la dispersion modale de polarisation.
La dispersion chromatique se produit lorsque les fibres de verre monomodes transmettent de la lumière contenant différentes longueurs d'onde se déplaçant à des vitesses différentes. Les différentes longueurs d'onde (couleurs) se déplaçant à des vitesses différentes créent une impulsion qui se propage, ce qui entraîne une distorsion dans la transmission des données.
Qu'est-ce qui cause la dispersion chromatique ?
Deux facteurs principaux provoquent la dispersion chromatique : la dispersion du matériau et la dispersion du guide d'ondes.
La dispersion des matériaux est une dépendance de l'indice de réfraction des fibres sur la longueur d'onde ou la fréquence des signaux transmis. Ce type de dispersion résulte de l'interaction du signal avec la structure cristalline du verre à fibre optique. L'indice de réfraction du matériau verrier varie en fonction de la longueur d'onde du signal optique ; plus la longueur d'onde est longue, plus le signal se déplace rapidement. Les différentes longueurs d'onde se déplaçant à des vitesses différentes créent une variation d'impulsions optiques qui se propagent. Ceci, par conséquent, provoque la propagation de certaines impulsions dans le temps. À mesure que la longueur d'onde augmente et que la fréquence diminue, la dispersion du matériau diminue. Par conséquent, les signaux optiques dans la plage de 1550 nm subissent généralement moins de dispersion matérielle que les signaux optiques dans la plage de 1310 nm.
La dispersion du guide d'ondes est causée par des indices de réfraction différents entre le cœur et la gaine d'une fibre optique. En raison de la nature du transport de la fibre optique, une petite quantité de lumière se déplace vers la gaine à partir du noyau, ce qui fait que les signaux se déplacent à des vitesses différentes.
Dispersion du mode de polarisation
La dispersion du mode de polarisation (PMD) est répandue dans la fibre monomode. Une impulsion lumineuse standard est composée de deux modes de polarisation, qui se déplacent perpendiculairement l'un à l'autre. Dans une fibre optique « parfaite », ces modes de polarisation se déplaceraient à la même vitesse et aucune PMD ne se produirait ; cependant, il existe généralement un certain degré d'imperfection dans toute la fibre qui fait que les deux modes se déplacent à des vitesses différentes. Certaines imperfections de la fibre qui causent la PMD comprennent la contrainte du noyau, l'excentricité de la gaine, la torsion de la fibre, la contrainte de la fibre, la courbure de la fibre, etc.
Procédures de test
Il existe plusieurs façons de tester la dispersion chromatique ; toutes les méthodes impliquent des tests sur une gamme de longueurs d'onde à l'aide de sources distinctes de longueurs d'onde, d'un laser accordable ou d'une source à large bande avec un monochromateur. Le test nécessite généralement l'accès aux deux extrémités de la fibre et une deuxième fibre sera nécessaire pour synchroniser les deux instruments de test aux deux extrémités. Les tests de dispersion chromatique sont généralement effectués pendant ou peu de temps après l'installation d'une fibre, après tout type de maintenance de la fibre ou avant une mise à niveau vers des débits binaires plus élevés.
Comme pour la dispersion du mode de polarisation, il est important de tester lorsque le débit binaire de transmission par canal augmente ou que la distance augmente. La PMD est généralement testée sur des fibres récemment installées qui seront utilisées sur des réseaux long-courriers à haut débit supérieurs à 2,5 Gb/s. Il existe plusieurs façons de tester; toutes les méthodes ont une source qui peut faire varier la polarisation du signal de test et également une unité de mesure qui peut analyser les changements de polarisation. Plusieurs de ces méthodes incluent le balayage de longueur d'onde et l'évaluation des paramètres de Stokes, l'interférométrie (méthodes traditionnelles et généralisées). La précision des tests est généralement difficile; le degré d'incertitude varie de 10% à 20%.
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