In de zoektocht naar een hogere capaciteit en een grotere transmissieafstand in moderne optische communicatiesystemen, heeft ruis, als fundamentele fysieke beperking, de prestatieverbetering altijd belemmerd.
In een typischeEDFABij een versterkersysteem met erbium-gedoteerde vezels genereert elke optische transmissiespanne ongeveer 0,1 dB aan geaccumuleerde spontane emissieruis (ASE), die voortkomt uit het kwantumwillekeurige karakter van de interactie tussen licht en elektronen tijdens het versterkingsproces.
Dit type ruis manifesteert zich als timingjitter op picosecondeniveau in het tijdsdomein. Volgens de voorspelling van het jittermodel neemt de jitter bij een dispersiecoëfficiënt van 30 ps/(nm · km) toe met 12 ps bij een transmissieafstand van 1000 km. In het frequentiedomein leidt dit tot een afname van de optische signaal-ruisverhouding (OSNR), met als gevolg een gevoeligheidsverlies van 3,2 dB (@ BER=1e-9) in het 40 Gbps NRZ-systeem.
De grootste uitdaging komt voort uit de dynamische koppeling van niet-lineaire effecten in de vezel en dispersie. De dispersiecoëfficiënt van een conventionele single-mode vezel (G.652) in het 1550 nm-venster is 17 ps/(nm·km), in combinatie met de niet-lineaire faseverschuiving veroorzaakt door zelf-fasemodulatie (SPM). Wanneer het ingangsvermogen hoger is dan 6 dBm, zal het SPM-effect de pulsgolfvorm aanzienlijk vervormen.
In het 960 Gbps PDM-16QAM-systeem dat in de bovenstaande afbeelding wordt getoond, bedraagt de oogopening na 200 km transmissie 82% van de initiële waarde en blijft de Q-factor 14 dB (overeenkomend met een BER ≈ 3e-5). Wanneer de afstand wordt vergroot tot 400 km, zorgt het gecombineerde effect van kruisfasemodulatie (XPM) en viergolfmenging (FWM) ervoor dat de oogopening sterk daalt tot 63%, en de systeemfoutfrequentie de foutcorrectielimiet van 10⁻¹² voor harde beslissings-FEC overschrijdt.
Het is belangrijk op te merken dat het frequentiechirp-effect van een direct gemoduleerde laser (DML) zal verergeren - de alfa-parameter (lijnbreedte-verbeteringsfactor) van een typische DFB-laser ligt tussen de 3 en 6, en de momentane 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 pulsverbreding van 38% (cumulatieve dispersie D · L = 1360 ps/nm) na transmissie door een 80 km lange G.652-vezel.
Kanaaloverspraak in golflengteverdelingmultiplexing (WDM)-systemen vormt een groter probleem. Neem bijvoorbeeld een kanaalafstand van 50 GHz: het interferentievermogen veroorzaakt door viergolfmenging (FWM) heeft een effectieve lengte Leff van ongeveer 22 km in gewone optische vezels.
Kanaaloverspraak in golflengteverdelingmultiplexing (WDM)-systemen vormt een groter probleem. Neem bijvoorbeeld een kanaalafstand van 50 GHz: de effectieve lengte van het interferentievermogen dat wordt gegenereerd door viergolfmenging (FWM) is Leff = 22 km (overeenkomend met een vezelverzwakkingscoëfficiënt α = 0,22 dB/km).
Wanneer het ingangsvermogen wordt verhoogd tot +15 dBm, neemt het overspraakniveau tussen aangrenzende kanalen toe met 7 dB (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 Ramanverstrooiing (SRS) resulteert in een verlies van ongeveer 0,02 dB per kilometer in kanalen met lange golflengten, wat leidt tot een vermogensdip van maximaal 3,5 dB in het C+L-bandsysteem (1530-1625 nm). Realtime hellingscompensatie is vereist door middel van een dynamische versterkingscompensator (DGE).
De prestatielimiet van het systeem als gevolg 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 18000 (Gb/s) · km, terwijl deze indicator met PDM-QPSK-modulatie en coherente detectietechnologie kan worden verbeterd tot 280000 (Gb/s) · km (@ SD-FEC-versterking van 9,5 dB).
De geavanceerde 7-aderige x 3-modus space division multiplexing (SDM) glasvezel heeft in laboratoriumomgevingen een transmissiecapaciteit van 15,6 Pb/s · km (capaciteit van één enkele glasvezel van 1,53 Pb/s x transmissieafstand van 10,2 km) bereikt door middel van zwakke koppeling en inter-core crosstalk control (<-40 dB/km).
Om de Shannon-limiet te benaderen, moeten moderne systemen gezamenlijk gebruikmaken van technologieën zoals probabiliteitsvorming (PS-256QAM, met een vormgevingswinst van 0,8 dB), neurale netwerk-egalisatie (NL-compensatie-efficiëntie verbeterd met 37%) en gedistribueerde Raman-versterking (DRA, nauwkeurigheid van de versterkingshelling ± 0,5 dB) om de Q-factor van single carrier 400G PDM-64QAM-transmissie met 2 dB te verhogen (van 12 dB naar 14 dB) en de OSNR-tolerantie te versoepelen naar 17,5 dB/0,1 nm (@ BER=2e-2).
Geplaatst op: 12 juni 2025