У прагненні до більшої пропускної здатності та більшої відстані передачі в сучасних оптичних системах зв'язку шум, як фундаментальне фізичне обмеження, завжди стримував покращення продуктивності.
У типовомуЕДФАУ системі підсилювача з легованим ербієм волоконним волокном кожен діапазон оптичного пропускання генерує приблизно 0,1 дБ накопиченого шуму спонтанного випромінювання (ASE), який корениться в квантово-випадковій природі взаємодії світла з електроном під час процесу підсилення.
Цей тип шуму проявляється як пікосекундне джиттер у часовій області. Згідно з прогнозом моделі джиттера, за умови коефіцієнта дисперсії 30 пс/(нм · км), джиттер збільшується на 12 пс при передачі на 1000 км. У частотній області це призводить до зменшення оптичного відношення сигнал/шум (OSNR), що призводить до втрати чутливості на 3,2 дБ (@ BER=1e-9) у системі NRZ 40 Гбіт/с.
Більш серйозна проблема виникає через динамічне поєднання нелінійних ефектів волокна та дисперсії – коефіцієнт дисперсії звичайного одномодового волокна (G.652) у вікні 1550 нм становить 17 пс/(нм · км) у поєднанні з нелінійним фазовим зсувом, спричиненим самофазовою модуляцією (SPM). Коли вхідна потужність перевищує 6 дБм, ефект SPM значно спотворює форму імпульсного сигналу.
У системі PDM-16QAM зі швидкістю 960 Гбіт/с, показаній на рисунку вище, розкриття ока після передачі на 200 км становить 82% від початкового значення, а коефіцієнт добротності підтримується на рівні 14 дБ (що відповідає BER ≈ 3e-5); коли відстань збільшується до 400 км, комбінований ефект перехресної фазової модуляції (XPM) та чотирихвильового змішання (FWM) призводить до різкого зниження ступеня розкриття ока до 63%, а коефіцієнт системних помилок перевищує межу корекції помилок FEC жорсткого рішення 10^-12.
Варто зазначити, що ефект частотного чирпу лазера прямої модуляції (DML) погіршиться - значення альфа-параметра (коефіцієнта посилення ширини лінії) типового DFB-лазера знаходиться в діапазоні 3-6, а його миттєва зміна частоти може досягати ± 2,5 ГГц (що відповідає параметру чирпу C=2,5 ГГц/мА) при модуляційному струмі 1 мА, що призводить до швидкості розширення імпульсу 38% (кумулятивна дисперсія D · L=1360 пс/нм) після передачі через 80-кілометрове волокно G.652.
Перехресні перешкоди в каналах у системах мультиплексування з поділом довжин хвиль (WDM) створюють глибші перешкоди. Взявши за приклад інтервал між каналами 50 ГГц, потужність перешкод, спричинена чотирихвильовим змішуванням (FWM), має ефективну довжину Leff близько 22 км у звичайних оптичних волокнах.
Перехресні перешкоди в каналах у системах мультиплексування з поділом по довжині хвилі (WDM) створюють глибші перешкоди. Взявши за приклад інтервал між каналами 50 ГГц, ефективна довжина потужності перешкоди, що генерується чотирихвильовим змішуванням (FWM), становить Leff = 22 км (що відповідає коефіцієнту затухання оптоволоконного сигналу α = 0,22 дБ/км).
Коли вхідна потужність збільшується до +15 дБм, рівень перехресних перешкод між сусідніми каналами збільшується на 7 дБ (відносно базового рівня -30 дБ), що змушує систему збільшити надлишковість прямої корекції помилок (FEC) з 7% до 20%. Ефект передачі потужності, спричинений вимушеним комбінаційним розсіюванням (SRS), призводить до втрати приблизно 0,02 дБ на кілометр у довгохвильових каналах, що спричиняє провал потужності до 3,5 дБ у системі діапазону C+L (1530-1625 нм). Необхідна компенсація нахилу в реальному часі за допомогою динамічного еквалайзера посилення (DGE).
Межу продуктивності системи, спричинену цими фізичними ефектами, можна кількісно визначити за допомогою добутку відстані пропускної здатності (B · L): B · L типової системи модуляції NRZ у волокні G.655 (волокно з компенсацією дисперсії) становить приблизно 18000 (Гбіт/с) · км, тоді як за допомогою модуляції PDM-QPSK та технології когерентного детектування цей показник можна покращити до 280000 (Гбіт/с) · км (@ коефіцієнт посилення SD-FEC 9,5 дБ).
Передове 7-жильне 3-модове оптоволоконне оптоволокно з просторовим поділом каналів (SDM) досягло пропускної здатності 15,6 Пбіт/с · км (пропускна здатність одного волокна становить 1,53 Пбіт/с на відстань передачі 10,2 км) у лабораторних умовах завдяки слабкому контролю міжжильних перехресних перешкод (<-40 дБ/км).
Щоб наблизитися до межі Шеннона, сучасним системам необхідно спільно використовувати технології формування ймовірностей (PS-256QAM, що досягає коефіцієнта посилення 0,8 дБ), вирівнювання нейронної мережі (ефективність компенсації NL покращена на 37%) та розподіленого раманівського посилення (DRA, точність нахилу посилення ± 0,5 дБ), щоб збільшити добротність передачі однієї несучої 400G PDM-64QAM на 2 дБ (з 12 дБ до 14 дБ) та зменшити допуск OSNR до 17,5 дБ/0,1 нм (@ BER=2e-2).
Час публікації: 12 червня 2025 р.