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فارسی Dispersión y ancho de banda
La atenuación debilita un pulso; la dispersión lo ensancha. Distintas partes de la luz (distintos modos, distintas longitudes de onda, distintas polarizaciones) viajan a velocidades ligeramente distintas y llegan en instantes ligeramente distintos, de modo que un «1» nítido se difumina sobre sus vecinos. A tasas bajas y distancias cortas esto es invisible; a 10 Gb/s en 80 km o a 25 Gb/s en 100 m de multimodo es el límite. Esta página explica los tres tipos de dispersión, el producto ancho de banda-distancia de la fibra multimodo, cómo estimar un alcance limitado por dispersión, y cómo lo compensan los módulos y los sistemas.
Tres tipos de dispersión
| Tipo | Causa | Dónde domina | Magnitud típica |
|---|---|---|---|
| Modal (intermodal) | distintos modos siguen caminos distintos | fibra multimodo | ns/km en índice escalonado; ~0,1–0,5 ns/km en índice gradual; se expresa como ancho de banda en MHz·km |
| Cromática | el índice del vidrio depende de la longitud de onda (material) y la geometría de la guía añade la suya propia (guía de onda); una fuente tiene una anchura espectral no nula | monomodo a 1550 nm; enlaces largos a 10G y superiores | 17 ps/(nm·km) a 1550 en G.652; ≈ 0 a 1310 |
| De modo de polarización (PMD) | los dos estados de polarización viajan a velocidades ligeramente distintas debido a la asimetría de la fibra | NRZ de 40G o más en fibra larga; fibra antigua | 0,05–0,5 ps/√km |
Dispersión modal y ancho de banda multimodo
La fibra multimodo se especifica mediante el ancho de banda modal efectivo (EMB) en MHz·km: la frecuencia a la que la respuesta de la fibra ha caído 3 dB, multiplicada por la longitud. El ancho de banda se divide entre la longitud:
| Grado | EMB a 850 nm | Ancho de banda en 100 m | Ancho de banda en 300 m |
|---|---|---|---|
| OM1 | 200 MHz·km | 2 GHz | 0,67 GHz |
| OM2 | 500 | 5 GHz | 1,7 GHz |
| OM3 | 2 000 | 20 GHz | 6,7 GHz |
| OM4 | 4 700 | 47 GHz | 15,7 GHz |
Regla práctica: un enlace necesita un ancho de banda ≈ 0,7 × tasa de bits para NRZ. 10 Gb/s necesita ~7 GHz, lo que da OM3 hasta ~285 m (la norma dice 300 m); 25 Gb/s necesita ~17,5 GHz, lo que da OM4 hasta ~270 m en teoría, pero la tolerancia a la dispersión del receptor y la anchura espectral del VCSEL reducen la norma a 100 m. De ahí la tabla de alcances:
| Tasa por carril | OM3 | OM4 | Límite |
|---|---|---|---|
| 1 Gb/s | 550–1 000 m | 550–1 100 m | atenuación tanto como ancho de banda |
| 10 Gb/s | 300 m | 400 m | ancho de banda modal |
| 25 Gb/s NRZ | 70 m | 100 m | modal + cromática (anchura espectral del VCSEL) |
| 50 Gb/s PAM4 | 70 m | 100 m | lo mismo, más la penalización de SNR del PAM4 |
| 100 Gb/s PAM4 (802.3db) | — | 50–100 m | con ecualización DSP |
Tabla completa: Tablas de alcance. La condición de lanzamiento (flujo circundante) está normalizada para que estas cifras se cumplan con VCSEL reales.
Dispersión cromática en fibra monomodo
El coeficiente de dispersión D (ps por nm de anchura de la fuente y por km) cruza por cero cerca de 1 310 nm en la fibra G.652 estándar, y es ≈ +17 ps/(nm·km) a 1 550 nm. Ensanchamiento del pulso:
Δt = D × Δλ × L
| Fuente | Anchura espectral Δλ | D en λ | L | Δt | Periodo de bit (10G ≈ 100 ps) |
|---|---|---|---|---|---|
| Láser DFB a 1310 nm | 0,1 nm (o 1 nm a −20 dB) | ≈ 0–3 ps/(nm·km) | 10 km | < 10 ps | correcto |
| DFB a 1550 nm, 10G, DML | 0,2 nm (el chirp la ensancha) | 17 | 80 km | 270 ps | demasiado; necesita EML (bajo chirp) o DCM |
| EML a 1550 nm, 10G | ~0,1 nm efectivo | 17 | 80 km | ~140 ps, tolerable con penalización | 10GBASE-ZR |
| Láser Fabry-Pérot a 1310 | 3–5 nm | 3 | 2 km | 20–30 ps | correcto a 1G, marginal a 10G |
| LED a 1300 (heredado) | 50–100 nm | 3 | 2 km | 300–600 ps | solo 100 Mb/s |
| VCSEL de 850 nm en OM4 | 0,5 nm RMS | ~ −100 ps/(nm·km) a 850 | 0,1 km | 5 ps | la dispersión cromática importa a 25G y superior |
La tolerancia a la dispersión aparece en las hojas de datos como ps/nm (por ejemplo, 800 ps/nm para un módulo ER de 40 km = 17 × 40 × ~1,2 nm): el D × L del enlace debe mantenerse por debajo de ese valor (Cómo leer una hoja de datos).
Alcance limitado por dispersión (NRZ, sin compensar)
| Tasa | 1310 nm en G.652 | 1550 nm en G.652 | Nota |
|---|---|---|---|
| 2,5 Gb/s | > 100 km | ~600–1 000 km | la atenuación limita antes |
| 10 Gb/s | ~40–60 km (limitado por la fuente) | ~60–80 km (EML), ~10–20 km (DML) | por qué 10G ER/ZR usan EML |
| 25 Gb/s | 10 km (25GBASE-LR) | ~10–15 km | 25GBASE-ER a 1550 necesita un diseño cuidadoso |
| 40 Gb/s en serie | ~4 km | ~4 km | razón por la que 40G/100G pasaron a WDM de 4 × 10G/25G |
| 100 Gb/s de una sola λ PAM4 (DR/FR/LR1) | 2–10 km a 1310 | — | se elige 1310 nm por su dispersión ≈ 0; el DSP se encarga del resto |
Regla práctica: el alcance escala con 1/(tasa de bits)² para una anchura de fuente fija; duplicar la tasa reduce a la cuarta parte la distancia limitada por dispersión.
Compensación y mitigación
| Método | Dónde | Cómo |
|---|---|---|
| Elegir 1310 nm | DR/FR/LR a 100G y superior | ventana de dispersión cero; cuesta 0,35 dB/km en vez de 0,2 |
| Fuente de bajo chirp (EML, modulador externo) | 10G ER/ZR, DWDM 10G | espectro efectivo más estrecho (Láseres) |
| Módulo de compensación de dispersión (DCM) | tramos DWDM de 10G | una bobina de fibra de dispersión negativa o una red de Bragg en fibra cancela D × L |
| Fibra de dispersión desplazada / NZ-DSF (G.653/G.655) | plantas heredadas de largo alcance | D nula o pequeña a 1550 |
| Compensación electrónica de dispersión | 10GBASE-LRM (EDC en el host), DSP PAM4 (FFE/DFE/MLSE) | el ecualizador deshace el emborronamiento digitalmente (DSP) |
| Detección coherente + DSP | 100G–800G ZR/ZR+ | dispersión compensada por completo en el dominio digital, miles de ps/nm (Coherente) |
| FEC | 25G y superior | corrige los errores que causa la dispersión en vez de evitarlos (FEC y AN) |
Dispersión de modo de polarización
La fibra nunca es perfectamente redonda; los dos ejes de polarización ven índices ligeramente distintos y el pulso se divide por un retardo de grupo diferencial que crece con la raíz cuadrada de la longitud (acoplamiento aleatorio de modos). Fibra moderna: ≤ 0,1 ps/√km, es decir 1 ps en 100 km, inofensivo hasta 40 Gb/s NRZ. Fibra antigua (anterior a 1995): 0,5–2 ps/√km, un problema a 10G en más de 100 km y una razón por la que el DSP coherente rastrea la polarización de forma continua.
Cómo se manifiesta la dispersión
| Observación | Significado |
|---|---|
| Potencia Rx muy por encima de la sensibilidad, pero con errores o sin enlace | dispersión (o reflexiones); la potencia no es el problema (Potencia Rx y presupuesto) |
| El enlace funciona a 1G y falla a 10G en la misma fibra | ancho de banda modal (MMF) o chirp del DML a 1550 (SMF) |
| Módulo LR de 10 km correcto, ER de 40 km correcto, ZR marginal | acumulación de dispersión cromática |
| Errores corregidos por FEC altos, no corregibles poco frecuentes | cierre de ojo por dispersión parcialmente corregido (Métricas VDM y FEC) |
| Alcance insuficiente en OM3 con un módulo de «300 m» | incumplimiento del flujo circundante, u OM3 etiquetado incorrectamente como OM2 |
En CodingBox
La tolerancia a la dispersión no se guarda en la EEPROM, pero los campos que la predicen sí: la longitud de onda (1310 frente a 1550), el tipo de láser a partir de los códigos de compatibilidad (SR VCSEL, LR DFB, ER EML), y los campos de longitud OM3/OM4/SMF para los que el fabricante especificó el módulo. CodingBox los muestra, de modo que una pregunta como «por qué este módulo de 1550 nm no llega a 80 km» tiene datos detrás (Check transceiver).
El otro límite, a alta potencia de lanzamiento: automodulación y modulación cruzada de fase, mezcla de cuatro ondas, dispersión de Brillouin y de Raman, y por qué la dispersión en realidad ayuda contra algunos de ellos: Efectos no lineales.