Bij het streven naar een hogere capaciteit en langere transmissieafstanden in moderne optische communicatiesystemen is ruis, een fundamentele fysieke beperking, altijd een belemmering geweest voor prestatieverbetering.
In een typischeEDFAIn een met erbium gedoteerd vezelversterkersysteem genereert elke optische transmissiespan ongeveer 0,1 dB aan geaccumuleerde spontane emissieruis (ASE), die zijn oorsprong vindt in de kwantumwillekeurige aard van de licht-/elektroneninteractie tijdens het versterkingsproces.
Dit type ruis manifesteert zich als timingjitter op picosecondeniveau in het tijdsdomein. Volgens de voorspelling van het jittermodel neemt de jitter, onder de voorwaarde van een dispersiecoëfficiënt van 30 ps/(nm · km), met 12 ps toe bij transmissie over een afstand van 1000 km. In het frequentiedomein leidt dit tot een afname van de optische signaal-ruisverhouding (OSNR), wat resulteert in een gevoeligheidsverlies van 3,2 dB (@ BER=1e-9) in het 40 Gbps NRZ-systeem.
De grotere uitdaging komt van de dynamische koppeling van niet-lineaire glasvezeleffecten en dispersie: de dispersiecoëfficiënt van conventionele single-mode glasvezel (G.652) in het 1550 nm-venster is 17 ps/(nm · km), gecombineerd met de niet-lineaire faseverschuiving veroorzaakt door zelffasemodulatie (SPM). Wanneer het ingangsvermogen 6 dBm overschrijdt, zal het SPM-effect de pulsgolfvorm aanzienlijk vervormen.
In het 960Gbps PDM-16QAM-systeem dat in de bovenstaande afbeelding is weergegeven, bedraagt de oogopening na een transmissieafstand van 200 km 82% van de beginwaarde en wordt de Q-factor op 14 dB gehouden (overeenkomend met BER ≈ 3e-5). Wanneer de afstand wordt vergroot tot 400 km, zorgt het gecombineerde effect van kruisfasemodulatie (XPM) en vier-golfmenging (FWM) ervoor dat de mate van oogopening scherp daalt tot 63% en dat het systeemfoutpercentage de FEC-foutcorrectielimiet van 10^-12 overschrijdt.
Het is belangrijk om op te merken dat het frequentie-chirp-effect van een laser met directe modulatie (DML) erger wordt: de waarde van de alfaparameter (lijnbreedteverbeteringsfactor) van een typische DFB-laser ligt in het bereik van 3-6 en de onmiddellijke frequentieverandering kan ± 2,5 GHz bereiken (overeenkomend met chirp-parameter C = 2,5 GHz/mA) bij een modulatiestroom van 1 mA, wat resulteert in een pulsverbredingssnelheid van 38% (cumulatieve dispersie D · L = 1360 ps/nm) na transmissie via een G.652-vezel van 80 km.
Kanaaloverspraak in Wavelength Division Multiplexing (WDM)-systemen vormt een groter obstakel. Als we de kanaalafstand van 50 GHz als voorbeeld nemen, heeft het interferentievermogen veroorzaakt door Four Wave Mixing (FWM) een effectieve Leff-lengte van ongeveer 22 km in gewone glasvezels.
Kanaaloverspraak in Wavelength Division Multiplexing (WDM)-systemen vormt een groter obstakel. Als we de kanaalafstand van 50 GHz als voorbeeld nemen, is de effectieve lengte van het interferentievermogen dat wordt gegenereerd door Four Wave Mixing (FWM) Leff = 22 km (overeenkomend met een glasvezelverzwakkingscoëfficiënt α = 0,22 dB/km).
Wanneer het ingangsvermogen wordt verhoogd tot +15 dBm, neemt het overspraakniveau tussen aangrenzende kanalen met 7 dB toe (ten opzichte van de basislijn van -30 dB), waardoor het systeem de redundantie van de voorwaartse foutcorrectie (FEC) moet verhogen van 7% naar 20%. Het vermogensoverdrachtseffect veroorzaakt door gestimuleerde Raman-verstrooiing (SRS) resulteert in een verlies van ongeveer 0,02 dB per kilometer in kanalen met lange golflengten, wat leidt tot een vermogensdaling tot 3,5 dB in het C+L-bandsysteem (1530-1625 nm). Realtime hellingcompensatie is vereist via een dynamische versterkingsequalizer (DGE).
De systeemprestatielimiet van deze gecombineerde fysieke effecten kan worden gekwantificeerd door het bandbreedte-afstandsproduct (B · L): de B · L van een typisch NRZ-modulatiesysteem in G.655-vezel (dispersiegecompenseerde vezel) is ongeveer 18.000 (Gb/s) · km, terwijl met PDM-QPSK-modulatie en coherente detectietechnologie deze indicator kan worden verbeterd tot 280.000 (Gb/s) · km (@ SD-FEC-versterking 9,5 dB).
De geavanceerde 7-core x 3-mode Space Division Multiplexing-vezel (SDM) heeft een transmissiecapaciteit van 15,6 Pb/s · km bereikt (capaciteit van een enkele vezel van 1,53 Pb/s x transmissieafstand van 10,2 km) in laboratoriumomgevingen door middel van controle van zwakke koppeling tussen de kernen overspraak (<-40 dB/km).
Om de Shannon-limiet te benaderen, moeten moderne systemen gezamenlijk waarschijnlijkheidsvorming (PS-256QAM, waarmee een vormingsversterking van 0,8 dB wordt behaald), neurale netwerk-equalisatie (NL-compensatie-efficiëntie verbeterd met 37%) en gedistribueerde Raman-versterking (DRA, nauwkeurigheid van de versterkingshelling ± 0,5 dB) technologieën toepassen om de Q-factor van de transmissie van een 400G PDM-64QAM met één draaggolf met 2 dB te verhogen (van 12 dB naar 14 dB) en de OSNR-tolerantie te versoepelen tot 17,5 dB/0,1 nm (@ BER=2e-2).
Plaatsingstijd: 12 juni 2025