Кратко и по существу.
1) Что такое дисперсия (типы)
- Хроматическая дисперсия (CD): разная групповые скорости для разных длин волн — сумма материальной и волноводной дисперсий.
- Поляризационная дисперсия (PMD): разная групповые скорости для двух поляризационных мод.
- Модальная дисперсия (в многомодовых волокнах) — разные моды идут с разной скоростью.
2) Количественная характеристика и влияние на импульс
- Групповая задержка и её разложение: $\beta (\omega )$ — волновое число, ${\beta }_1=d\beta /d\omega$ (обратная групп. скорость), ${\beta }_2=d^2\beta /d{\omega }^2$ (коэффициент ГВД).
- Связь параметров: $D(\lambda )=-\frac{2\pi c}{{\lambda }^2}{\beta }_2$, где $D$ в $ps/(\mathrm{nm}\cdot \mathrm{km})$.
- Простая оценка растяжения для спектральной ширины $\Delta \lambda$ на длине $L$: $\Delta \tau \approx |D|\Delta \lambda L$.
- Для гауссова импульса с начальной длительностью $T_0$ (RMS) вводится длина дисперсии $L_D=\frac{T_0^2}{|{\beta }_2|}$ и продлённость при прохождении $L$:
$T(L)=T_0\sqrt{1+{\left(\frac{L}{L_D}\right)}^2}$.
- Последствия: увеличение длительности (межсимвольные помехи — ISI), снижение скорости передачи/дылымерность каналов, изменение формы (хвосты, пред/пост-импульсы), усиление взаимодействия с нелинейностями (SPM, XPM, FWM).
3) Взаимодействие с нелинейностями
- При аномальном ${\beta }_2<0$ возможно образование солитонов, когда SPM компенсирует дисперсию.
- При высокой мощности дисперсия определяет условия для FWM и иных нелинейных искажений; комбинированное влияние часто хуже, чем суммарное.
4) Методы компенсации (кратко, с плюсами и минусами)
- Аппаратные оптические методы:
- Дисперсионно-компенсирующее волокно (DCF): большой отрицательный $D$, ставится последовательно. Плюсы: высокая компенсация; минусы: потеря, высокая нелинейность, вес/объём.
- Волоконно-браговские решётки (chirped FBG): компактны, низкие потери, хорошо для одномодового канала или группы каналов; ограниченная полоса и необходимость согласования по наклону (slope).
- Дисперсионно-сдвинутые и специальные волокна (DSF, NZ-DSF): дизайн волокна переносит нулевую дисперсию; применяют на уровне трассы.
- Дисперсионные карты: чередование участков с положительным и отрицательным D (управление накоплением дисперсии по всей трассе), используется в длинных линиях и при передаче солитонов.
- Электронные/DSP-методы:
- Предискажение/посткоррекция (FFE/DFE), адаптивные эквалайзеры в приёмнике. Плюсы: гибко, наканальном уровне; минусы: сложность, вычислительная нагрузка, ограниченная динамика при очень большой дисперсии.
- Коэрентная приёмная с DSP: компенсирует CD и PMD цифровыми алгоритмами (за счёт многокомпонентных эквалайзеров и MIMO), стандарт в современных системах DWDM.
- Цифровая обратная пропагация (DBP): моделирует и компенсирует нелинейности + дисперсию, но требует большой вычислительной мощности.
- Компенсация PMD:
- Адаптивные поляризационные контроллеры и DGD-компенсаторы (электронные или оптические) с обратной связью.
- В коэрентных системах — MIMO-эквалайзеры (2×2) эффективно устраняют PMD.
5) Практические замечания
- Для WDM важно компенсировать не только суммарную D, но и наклон дисперсии (slope): требуется совмещение по спектральному диапазону (компенсирующие модули с нужным D(λ)).
- Выбор метода зависит от длины линии, мощности/тип сигнала (неретранслируемый OOK vs. coherent QAM), требований по потере и нелинейности.
- В современных высокоскоростных системах (см/тб/s) стандартный подход — коэрентная приёмная + DSP (цифровая компенсация CD/PMD) и при необходимости гибкие оптические DCM/FBG для уменьшения нагрузки на DSP.
Заключение: дисперсия приводит к растяжению и искажению импульса, ухудшая BER; компенсация достигается оптическими средствами (DCF, FBG, специализированные волокна, карты дисперсии) и/или электронной DSP (коэрентные приёмники, эквалайзеры). Выбор комбинации определяется длиной трассы, плотностью WDM, мощностью и требованиями по затратам и потерь.