Коротко — дисперсия означает, что разные «составные» части оптического сигнала $разныемоды,разныедлиныволн,разныесостоянияполяризации$ распространяются в волокне с разной групповой скоростью. Это приводит к тому, что короткий импульс, сформированный в передатчике, со временем «растягивается» $broadening$ и соседние импульсы перекрываются — падает скорость передачи и растёт BER.

Какие бывают типы дисперсии и как они действуют

1) Модовая дисперсия $intermodaldispersion$

Возникает в многомодовых волокнах: разные распространённые моды имеют разные пролётные времена. Импульс распадается на несколько модовых «компонент», длительность суммарного импульса растёт пропорционально длине линии. Устраняется переходом на одномодовое волокно или применением graded‑index $пологийпрофиль$ многомодового волокна, которое сильно уменьшает разницу времён между модами.

2) Хроматическая дисперсия $chromaticdispersion,GroupVelocityDispersion—GVD$

Связана с зависимостью групповой скорости от длины волны: разные спектральные компоненты модема лазера идут с разной скоростью. Хроматическая дисперсия складывается из двух частей: материалной $свойствастекла$ и волноводной $геометрияволокна$. Для одномодового волокна обычно приводят параметр D$\lambda$ в единицах ps/$nm\cdot km$. При ширине спектра Δλ и длине L приблизительное растяжение: Δτ ≈ |D| · Δλ · L. Пример: стандартное С‑волокно на 1550 нм имеет D ≈ 17 ps/$nm\cdot km$. При Δλ = 0.1 nm и L = 100 km получим Δτ ≈ 170 ps — существенное расширение для сигналов десятков Гбит/с. Формально D связан с β2: β2 = −${\lambda }^2/(2\pi c)$·D; для широких спектров важны и более высокие члены $третьегопорядка,slope$.

3) Дисперсия по режимам поляризации $PMD$

Волокно неидеально симметрично, есть случайная двулучепреломляемость; два поляризационных модa имеют немного разные групповые скорости. Эффект стохастический: средняя задержка растёт как ∝ √L. Характерный коэффициент pmc $ps/\surd km$ типично 0.02–1 ps/√km $взависимостиотволокнаикачестваустановки$. PMD трудно компенсировать статически, так как меняется со временем и температурой.

Дополнительно: для широкополосных систем важна дисперсия второго/третьего порядка $slope$, особенно для WDM и сверхшироких спектров.

Методы компенсации $современныесистемы$

1) Профильные и конструктивные подходы

Использовать одномодовое волокно $исключаетмодовуюдисперсию$. Применять dispersion‑shifted fiber $DSF$ или nonzero‑dispersion‑shifted fiber $NZ‑DSF$ под нужную длину волны, чтобы уменьшить D в рабочей полосе. Graded‑index ММФ для локальных линий $LAN$ — уменьшает модовую дисперсию.

2) Пассивная оптическая компенсация

Dispersion Compensating Fiber $DCF$: участки волокна с большим отрицательным D размещают в линии $обычноввидесекцийперед/послеусилителя$ для нейтрализации накопленной D. Минусы: большой аттенюация, нелинейность, громоздкость. Chirped Fiber Bragg Gratings $CFBG$: компактные устройства, зеркало с пространственно изменённым периодом, отражающее разные длины волн с разной задержкой $эффективныдляоднойволновойполосы,низкиепотери$. Оптическая фазовая инверсия / Mid‑span spectral inversion $оптическаяконъюгация$: после середины линейно меняют спектр $фазоваяконъюгация$, последующая часть линии «отменяет» накопленную дисперсию. Требует нелинейного элемента или оптического фазового конъюгатора.

3) Электронная компенсация $современныйстандарт$

Coherent detection + DSP: при когерентном приёме цифровая обработка сигнала $FIR‑фильтры,частотныеэквалайзеры,адаптивныеалгоритмы$ компенсирует большую часть хроматической дисперсии и её высших порядков, а также межсимвольную интерференцию. Это основной метод в линиях 100G/400G и дальше. Electronic Dispersion Compensation $EDC$ в ресивере — FIR/DFE эквалайзеры для компенсации остаточной D в системах с прямой детекцией.

4) Компенсация PMD

Адаптивные PMD‑компенсаторы $polarizationcontrollers+delaylines+adaptivealgorithms$, которые подстраивают состояние поляризации и временные задержки. В практике PMD часто компенсируют сочетанием хорошего волокна $низкийPMD$, адаптивного оборудования и мощных FEC‑кодов; при когерентном приёме DSP также помогает.

5) Для многомодовых и многорежимных систем

Graded‑index ММФ, mode conditioning, а в современных исследованиях — использование MIMO‑DSP и few‑mode fibers $SDM$ с цифровой демультиплексией/эквализацией.

Системный подход и эксплуатационные аспекты

В длинных линиях делают «dispersion map»: чередование участков компенсирующих компонентов $DCF,FBG$ и усилителей, чтобы управлять как дисперсией, так и нелинейностью. Компромисс: сильная оптическая компенсация $например,чрезмерноеиспользованиеDCF$ увеличивает потери и нелинейность; наоборот, перевод большей части работы на DSP упрощает топологию, но требует более сложного приёмника $иэнергопотребления$. В современных магистральных системах доминирует когерентный приём с DSP — он гибко компенсирует хроматическую дисперсию и многие искажения, а для PMD применяют адаптивные алгоритмы.

Коротко о числах $дляориентира$

Стандартное SMF на 1550 нм: D ≈ +17 ps/$nm\cdot km$. Простая оценка расширения: Δτ ≈ D·Δλ·L. PMD коэффициент: ~0.02–1 ps/√km $влияниерастёткак\surd L$. На практике современные когерентные системы могут компенсировать тысячи ps/nm цифрово; встроенные FBG/DCF используются для оптимизации коротких участков и управления нелинейностью.

Итого: дисперсия — основной ограничивающий фактор для скорости и расстояния в волоконно‑оптических линиях. Устраняют её комбинированием выбора волокна, оптических компенсирующих элементов и мощной цифровой обработки в приёмнике; для PMD применяют адаптивные решения и хорошую эксплуатацию волокон.