Chromatische dispersielimieten uitgelegd: waarom 400G-DR4 faalt bij 2,5 km
O-band chromatische-dispersieberekening voor 400G-DR4 bij 2,5 km: het falen is het 3 dB-invoegverlies plus 3 dB-pentalty van 802.3bs, niet dispersie.
Het korte antwoord
Een 400G-DR4-link die schoon is op 500 m en uit elkaar valt op 2,5 km, verliest bijna nooit van chromatische dispersie. In het 1304,5–1317,5 nm-venster dat 400GBASE-DR4 bezet, levert standaard G.652-vezel ongeveer 0,6 tot 1,6 ps/(nm·km), dus 2,5 km hoopt 1,5 tot 4 ps/nm op. Bij 53,125 GBd is de symboolperiode 18,8 ps; 4 ps/nm dispersie tegen een bronbreedte van 0,1 nm verschuift de puls met 0,4 ps. Dat is geen mechanisme dat een oog sluit.
Wat op 2,5 km opraakt, is het budget. IEEE 802.3bs geeft 400GBASE-DR4 een vermogensbudget van 6 dB, maar drie van die decibel zijn een pentalty-toewijzing, slechts 3 dB is kanaalinvoegverlies, en de standaard staat expliciet nul extra invoegverlies toe. Duw de afstand naar 2,5 km en de vezelterm groeit van 0,25 dB naar ongeveer 1,25 dB — rechtstreeks onttrokken aan de connectortoewijzing —, terwijl multi-pad-interferentie (MPI) en reflectie van de extra gekoppelde paren de pentalty-toewijzing opmaken die nooit voor hen bedoeld was.
Dispersie is dus de verkeerde verdachte voor een DR4-storing op 2,5 km. Verlies, eindvlakkwaliteit, reflectie en FEC-marche zijn de juiste; de rekenkunde hieronder laat zien hoe je ze uit elkaar houdt.
Hoe dispersie eruitziet in de O-band
ITU-T G.652 pint de nuldispersiegolflengte niet vast; hij staat λ₀ overal tussen 1300 en 1324 nm toe, met een nuldispersiehelling S₀ van hoogstens 0,092 ps/(nm²·km). De dispersie volgt uit die twee getallen:
D(λ) = (S₀ / 4) · (λ − λ₀⁴ / λ³)
Dicht bij λ₀ zit de lineaire vorm D ≈ S₀·(λ − λ₀) binnen ongeveer 5 %, wat volstaat voor de planning. Het 24-nm-venster voor λ₀ is de reden dat twee vezels die allebei een G.652-conformiteitscertificaat dragen, op dezelfde golflengte enkele ps/(nm·km) kunnen verschillen — en waarom een berekening van het bereik het worst-case-scenario moet gebruiken, niet de typische vezel.
| Wavelength | D at λ₀ = 1300 nm | D at λ₀ = 1310 nm | D at λ₀ = 1324 nm |
|---|---|---|---|
| 1271 nm (FR4 lane 0) | −2,76 ps/(nm·km) | −3,76 | −5,19 (worst case) |
| 1291 nm (FR4 lane 1) | −0,84 | −1,79 | −3,15 |
| 1304,5 nm (DR4 lower edge) | +0,41 | −0,51 | −1,83 |
| 1311 nm (FR4 lane 2) | +1,00 | +0,09 | −1,21 |
| 1317,5 nm (DR4 upper edge) | +1,58 (worst case) | +0,68 | −0,60 |
| 1331 nm (FR4 lane 3) | +2,75 | +1,89 | +0,64 |
| 1550 nm (C-band reference) | +18,0 | +17,5 | +16,7 |
De DR4-band ligt in het vlakke deel van de curve: worst case 1,58 ps/(nm·km) tegen 17 ps/(nm·km) in de C-band. En 1311 nm is dispersievrij voor elke conforme vezel, vandaar dat zowel de eerste single-mode-systemen als de huidige datacenter-optica deze omgeving kozen.
Van ps/nm naar een werkelijke pentalty
De eerste-orde-pulsverbreding is het product van dispersie, lengte en bronbreedte:
Δτ = D · L · Δλ
Voor een intensiteitsgemoduleerd signaal is de nuttigere grootheid de frequentie waarbij de twee modulatie-zijbanden in tegenfase aankomen en de vezelrespons nullt:
f_notch = √( c / (2 · D·L · λ²) )
Beide vormen negeren chirp, maar ze zijn conservatief en beantwoorden de enige vraag die er eerst toe doet: kan dispersie überhaupt bijten? Vergelijk f_notch met de Nyquist-frequentie van de lane — 26,6 GHz voor 53,125 GBd PAM4, 12,9 GHz voor 25,78 GBd NRZ.
| Scenario | D | D·L | Δτ at 0.1 nm source | f_notch |
|---|---|---|---|---|
| DR4, 500 m at 1317,5 nm (worst case) | 1,58 ps/(nm·km) | 0,8 ps/nm | 0,08 ps | 333 GHz |
| DR4, 2.5 km at 1317,5 nm (worst case) | 1,58 | 4,0 ps/nm | 0,40 ps | 149 GHz |
| FR4, 2 km at 1331 nm (worst case) | 2,75 | 5,5 ps/nm | 0,55 ps | 126 GHz |
| FR4, 2 km at 1271 nm (λ₀ = 1324 nm) | 5,19 | 10,4 ps/nm | 1,04 ps | 95 GHz |
| ER4-class, 40 km at 1309 nm | 1,40 | 56 ps/nm | 5,6 ps | 40 GHz |
| 100GBASE-LR4, 10 km at 1311 nm | 1,21 | 12 ps/nm | 1,2 ps | 85 GHz |
| C-band, 80 km at 1550 nm | 17,0 | 1360 ps/nm | 136 ps | 6,8 GHz |
Elk O-band-geval heeft zijn notch op minstens 95 GHz — 3,5× de 26,6 GHz Nyquist-frequentie van een 400G-lane. Het C-band-geval op 80 km notch op 6,8 GHz, onder wat een 10G-NRZ-signaal nodig heeft: dat is de dispersie-gelimiteerde link uit het leerboek, en een totaal ander regime.
De 40 km ER4-klasse-rij is het midden: een 40 GHz notch doodt een 25,78 GBd-signaal niet meteen, maar de fasekromming binnen de band verbruikt een echt deel van de 2,5 dB TDP die de standaarden toewijzen.
Het budget dat echt opraakt
Hier is het DR4-linkmodel uit 802.3bs, en het verdient zorgvuldig lezen:
| Parameter | 400GBASE-DR4 value |
|---|---|
| Power budget (for maximum TDP) | 6 dB |
| Operating distance | 500 m |
| Channel insertion loss | 3 dB |
| Allocation for penalties (at max TDP) | 3 dB |
| Additional insertion loss allowed | 0 dB |
De 6 dB zijn geen zes decibel vezel. De helft daarvan zijn pentalties, en de regel "extra toegestaan invoegverlies = 0 dB" verbiedt het verhandelen van pentalty-speelruimte voor extra kabel. Kijk nu waaruit het 3 dB kanaalinvoegverlies bestaat. De standaard berekent het als de genoteerde afstand maal 0,5 dB/km bij 1304,5 nm, plus een toewijzing voor verbindings- en lasverlies:
| Item | 500 m design | 2.5 km design |
|---|---|---|
| Fiber at the 0.5 dB/km allocation | 0,25 dB | 1,25 dB |
| Remaining connector/splice allowance | about 2,75 dB | about 1,75 dB |
| Installed fiber at 0.35 dB/km (typical) | 0,18 dB | 0,88 dB |
| MPO-12 APC mated pair, both ends (typical) | 0,70 dB | 0,70 dB |
| One patch-panel adapter pair | 0,50 dB | 0,50 dB |
| Splice case (two splices) | 0,20 dB | 0,20 dB |
| Realistic total | 1,58 dB | 2,28 dB |
Lees de onderste twee rijen tegen de derde. Een 2,5 km-trunk met twee MPO-uiteinden en één patchpaneel komt uit op ongeveer 2,3 dB — binnen het 3 dB-kanaalverlies, maar laat slechts 0,7 dB over waar het 500 m-referentieontwerp 1,4 dB liet. Die 0,7 dB is de hele toewijzing voor een opnieuw gepolijste connector, een max-loss-MPO-paar (meestal gespecificeerd op 0,75 dB, niet 0,35 dB), een vuil eindvlak, of een slecht gemeten las — en niets daarvan kan van de pentalty-toewijzing worden geleend.
Dit is de reden dat veldrapporten van elkaar verschillen. Links op 2,3 dB werken. Links op 2,5 dB met een max-loss-MPO-paar, een UPC-plug in een APC-adapter, en een module dicht bij zijn 3,4 dB TDECQ-limiet werken niet. De afstand is niet mislukt; de stack wel.
Waarom de standaard bij 500 m stopt
Vier mechanismen zijn gekoppeld aan het referentiekanaal, niet aan de afstand in het algemeen:
- TDP/TDECQ wordt gemeten, niet afgeleid. De zender wordt gekarakteriseerd ten opzichte van een gedefinieerd kanaal inclusief de dispersie en MPI van dat kanaal. Daarbuiten wordt niets beloofd; bij 0,7 dB marge is "bijna vlak" niet nul.
- MPI is een ruisvloer, geen verlies. Elk extra gekoppeld paar voegt een dubbelreflectiepad toe waarvan de interferentie signaalafhankelijk is en de BER verslechtert bij ongewijzigd ontvangstvermogen. Het is de meest voorkomende oorzaak van "Rx-vermogen is goed, link is slecht".
- Reflectie groeit met interfaces. 802.3bs begrenst maximale discrete reflectie op −35 dB en ontvangerreflectie op −26 dB. Eén UPC-plug in een APC-adapter kan beide lokaal schenden.
- Er is geen in-module-FEC om marge terug te kopen. DR4 vertrouwt op de KP4 RS(544,514)-code van de host, waarvan de pre-FEC-drempel rond 2,4×10⁻⁴ BER ligt. Dicht bij die drempel zet een extra decibel pentalty bijna een-op-een om in post-FEC-fouten.
De algemene boekhoudmethode — spanverlies, pentalties, marche en waar elk decibel vandaan komt — staat in de 400G/800G link budget walkthrough; de standaard-voor-standaard-toewijzing van welk document welke PMD definieert staat in de IEEE 802.3 400G/800G standards map.
Waar dispersie echt bindt
| Interface | Band / lanes | Rated reach | Accumulated D·L | What actually limits it |
|---|---|---|---|---|
| 400GBASE-DR4 | 1304,5–1317,5 nm, 8 parallel fibers | 500 m | ≤ 0,8 ps/nm | insertion loss, MPI, reflectance |
| 400GBASE-FR4 | 4 CWDM lanes, 1271–1331 nm, duplex | 2 km | ≤ 10,4 ps/nm | loss and penalty allocation |
| 400GBASE-ER8 | 8 LAN-WDM lanes, O-band | 40 km | tens of ps/nm | TDP allocation, receiver sensitivity |
| 100GBASE-LR4 | 4 LAN-WDM lanes near 1310 nm | 10 km | ≈ 12 ps/nm | loss, not dispersion |
| 10G/25G in C-band | 1550 nm, single λ | 40–80 km | 680–1360 ps/nm | genuine dispersion limit |
| 400ZR coherent | C-band, DSP-equalised | 80–120 km | 1360–2040 ps/nm | OSNR, not residual CD |
Dispersie wordt een ontwerpbeperking wanneer je de O-band verlaat, niet wanneer je de kabel verlengt. Coherent 400ZR draagt dezelfde 1360 ps/nm die een 10G direct-detect-link zou vernietigen, en betaalt daarvoor met OSNR; zie de 400ZR OSNR calculation.
Diagnosing a 2.5 km DR4 link
flowchart TD
A[Link down or high BER] --> B{DDM Rx power within<br/>rated range?}
B -- No --> C[Loss problem: measure IL<br/>against 3 dB budget]
B -- Yes --> D{Endface polish matches?<br/>APC vs UPC, MPO clean?}
D -- No --> E[Clean or replace cord<br/>re-test pre-FEC BER]
D -- Yes --> F{Pre-FEC BER near<br/>2.4E-4 KP4 threshold?}
F -- Yes --> G[Reflectance or MPI:<br/>count mated pairs,<br/>check ORL, swap worst cord]
F -- No --> H{All lanes degraded<br/>or only some?}
H -- Some --> I[Swap module and cord,<br/>compare TDECQ/DDP]
H -- All --> J[Distance exceeds spec:<br/>move to FR4 duplex<br/>or ER8/ZR]Eerst het vermogen: goedkoop en kwantitatief. Dan polish en reinheid, de hoogste-opbrengst-reparatie bij marginale links. Dan de BER-structuur — alle acht lanes die tegelijk falen wijzen naar de installatie of de afstand, terwijl één of twee gedegradeerde lanes wijzen naar een module, een kabel of één slechte vezel in de trunk. De volledige isolatieprocedure, inclusief de gevallen waarin de poort nooit de down-status verlaat, staat in de not-linking troubleshooting guide.
Praktische regels voor het 2,5 km-geval
- Behandel 500 m als een contract, niet als een klif. Een 2,5 km DR4-link op 2,2 dB kan jaren draaien, maar hij valt buiten de specificatie: geen gegarandeerde TDECQ, geen gegarandeerde MPI-tolerantie, geen verhaal als een nieuwe modulebatch zich anders gedraagt.
- Tel gekoppelde interfaces, niet alleen kilometers. Bij 0,35 dB per APC-paar kost één extra patchpaneel evenveel als 1 km vezel. Een duplex FR4-link verwijdert zes vezels en twee MPO-interfaces — vaak de echte reden dat hij het overleeft waar een DR4-trunk dat niet doet.
- Budgetteer reflectie expliciet. APC overal, schone eindvlakken voor eerste lichtaan, en verifieer ORL op marginale links. Verlies meet je op DDM; een reflectie zie je niet.
- Volg pre-FEC BER over temperatuur, niet Rx-vermogen. Thermische drift verplaatst zowel de TDECQ van de zender als het connectorverlies; BER reageert het eerst.
- Als de link conform moet zijn, verander de interface. ER8 of een coherent 400ZR-optie neemt het argument volledig weg, en de QSFP-DD vs OSFP comparison behandelt de verpakkingskant van die beslissing.
Bottom line
- Bij 1310 nm over 2,5 km is de opgehoopte dispersie 1,5–4 ps/nm en de dispersie-notch ligt boven 140 GHz — drie grootteordes verwijderd van het limiterende mechanisme.
- De DR4-storingsmodus op 2,5 km is budgetrekenkunde: 1,25 dB vezel vervangt 0,25 dB, de connectortoewijzing daalt van 2,75 dB naar 1,75 dB, en de 3 dB pentalty-toewijzing mag wettelijk niet aan verlies worden besteed.
- Dispersie wordt de bindende beperking in de C-band, waar 80 km G.652 1360 ps/nm ophoopt en de notch daalt naar 6,8 GHz.
- Diagnosticer in de volgorde vermogen → polish → BER-structuur → afstand. Dispersie de schuld geven stuurt je op zoek naar een compensator die bij deze golflengte niet bestaat.
Compiled from IEEE 802.3bs and 802.3cu PMD parameters, ITU-T G.652 dispersion specifications, and published transceiver datasheets; all calculations recomputed for this note, original synthesis, no reproduction.
FAQ
- Werkt 400G-DR4 op 2 km?
- Niet volgens specificatie. IEEE 802.3bs beoordeelt 400GBASE-DR4 op 500 m met 3 dB kanaalinvoegverlies en wijst nul extra invoegverlies toe. Een traject van 2 km heeft meestal 1,5–2,2 dB verlies en komt vaak op, maar elke dB boven de connectortoewijzing op 500 m valt buiten het contract, dus behandel het als een engineeringrisico, niet als een ontwerppunt.
- Hoeveel chromatische dispersie verdraagt een 50G-PAM4-lane?
- Bij 53,125 GBd is de symboolperiode 18,8 ps, en de O-band-400G-lanes zijn gespecificeerd met een zender- en dispersiepentalty van 2,5 dB (DR4) of een TDECQ van 3,4 dB (FR4). In de praktijk zijn tientallen ps/nm onschadelijk; de pentalty wordt pas zichtbaar wanneer het opgehoopte D·L-product de honderden ps/nm bereikt, wat bij 1310 nm tientallen kilometers vergt, niet 2,5.
- Waarom stopt DR4 bij 500 m als 2,5 km maar zo'n 1 dB toevoegt?
- Omdat het 3 dB-kanaalverlies van de standaard al een toewijzing voor connectoren en lasverbindingen bevat — ongeveer 2,75 dB zodra de 500 m vezel is verrekend. Uitbreiden naar 2,5 km brengt de vezelterm op ongeveer 1,25 dB en haalt die dB stilzwijgend uit de connectortoewijzing, terwijl multi-pad-interferentie en reflectie van de extra gekoppelde paren pentalty daarbovenop leveren.
- Wat moet ik eerst controleren als een 2,5 km DR4-link niet opkomt?
- Controleer eerst de polish en reinheid van de eindvlakken. Een UPC-plug in een APC-MPO-adapter, of een vervuild 12-vezels eindvlak, levert precies het symptoom dat men aan dispersie toeschrijft: normaal ontvangstvermogen, stijgende pre-FEC BER en een link die nooit foutloos post-FEC bereikt.
- Is dispersiecompensatie ooit nodig bij 1310 nm?
- Nee. Met D tussen ongeveer −5 en +3 ps/(nm·km) over de O-band hoopt een 2,5 km-span enkele ps/nm op, en de resulterende notch-frequentie ligt ruim boven 100 GHz — meer dan drie keer de Nyquist-frequentie van een 53,125 GBd-signaal. Dispersiecompensatie hoort in de C-band op 1550 nm, waar 80 km G.652 ongeveer 1360 ps/nm ophoopt.