Στην επιδίωξη μεγαλύτερης χωρητικότητας και μεγαλύτερης απόστασης μετάδοσης στα σύγχρονα συστήματα οπτικών επικοινωνιών, ο θόρυβος, ως θεμελιώδης φυσικός περιορισμός, ανέκαθεν περιόριζε τη βελτίωση της απόδοσης.
Σε μια τυπικήEDFAΣε ένα σύστημα ενισχυτή οπτικών ινών με πρόσμιξη ερβίου, κάθε εύρος οπτικής μετάδοσης παράγει περίπου 0,1dB συσσωρευμένου αυθόρμητου θορύβου εκπομπής (ASE), ο οποίος βασίζεται στην κβαντική τυχαία φύση της αλληλεπίδρασης φωτός/ηλεκτρονίου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ενίσχυσης.
Αυτός ο τύπος θορύβου εκδηλώνεται ως χρονική διακύμανση επιπέδου πικοδευτερολέπτου στο χρονικό πεδίο. Σύμφωνα με την πρόβλεψη του μοντέλου διακύμανσης, υπό την προϋπόθεση συντελεστή διασποράς 30ps/(nm · km), η διακύμανση αυξάνεται κατά 12ps κατά τη μετάδοση 1000km. Στο πεδίο συχνότητας, οδηγεί σε μείωση του λόγου οπτικού σήματος προς θόρυβο (OSNR), με αποτέλεσμα απώλεια ευαισθησίας 3,2dB (@ BER=1e-9) στο σύστημα NRZ των 40Gbps.
Η πιο σοβαρή πρόκληση προέρχεται από τη δυναμική σύζευξη των μη γραμμικών φαινομένων των οπτικών ινών και της διασποράς - ο συντελεστής διασποράς της συμβατικής μονοτροπικής οπτικής ίνας (G.652) στο παράθυρο των 1550nm είναι 17ps/(nm · km), σε συνδυασμό με τη μη γραμμική μετατόπιση φάσης που προκαλείται από την αυτοδιαμόρφωση φάσης (SPM). Όταν η ισχύς εισόδου υπερβεί τα 6dBm, το φαινόμενο SPM θα παραμορφώσει σημαντικά την κυματομορφή του παλμού.
Στο σύστημα PDM-16QAM 960Gbps που φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, το άνοιγμα του ματιού μετά από μετάδοση 200 km είναι το 82% της αρχικής τιμής και ο συντελεστής Q διατηρείται στα 14dB (που αντιστοιχεί σε BER ≈ 3e-5). Όταν η απόσταση επεκτείνεται στα 400 km, το συνδυασμένο αποτέλεσμα της διαμόρφωσης διασταυρούμενης φάσης (XPM) και της ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων (FWM) προκαλεί απότομη πτώση του βαθμού ανοίγματος του ματιού στο 63% και το ποσοστό σφάλματος συστήματος υπερβαίνει το όριο διόρθωσης σφάλματος FEC σκληρής απόφασης 10 ^ -12.
Αξίζει να σημειωθεί ότι το φαινόμενο τσιρπ συχνότητας του λέιζερ άμεσης διαμόρφωσης (DML) θα επιδεινωθεί - η τιμή της παραμέτρου άλφα (συντελεστής ενίσχυσης πλάτους γραμμής) ενός τυπικού λέιζερ DFB κυμαίνεται από 3-6 και η στιγμιαία αλλαγή συχνότητας μπορεί να φτάσει τα ± 2,5 GHz (που αντιστοιχεί στην παράμετρο τσιρπ C=2,5 GHz/mA) σε ρεύμα διαμόρφωσης 1mA, με αποτέλεσμα ρυθμό διεύρυνσης παλμού 38% (αθροιστική διασπορά D · L=1360ps/nm) μετά από μετάδοση μέσω μιας οπτικής ίνας G.652 μήκους 80 km.
Η διασταυρούμενη παρεμβολή καναλιών σε συστήματα πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) αποτελεί βαθύτερο εμπόδιο. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την απόσταση καναλιών των 50 GHz, η ισχύς παρεμβολής που προκαλείται από την ανάμειξη τεσσάρων κυμάτων (FWM) έχει ένα αποτελεσματικό μήκος Leff περίπου 22 km σε συνηθισμένες οπτικές ίνες.
Η διασταυρούμενη παρεμβολή καναλιών σε συστήματα πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) αποτελεί βαθύτερο εμπόδιο. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την απόσταση καναλιών των 50GHz, το αποτελεσματικό μήκος της ισχύος παρεμβολής που παράγεται από την ανάμειξη τεσσάρων κυμάτων (FWM) είναι Leff=22km (που αντιστοιχεί σε συντελεστή εξασθένησης οπτικών ινών α=0,22 dB/km).
Όταν η ισχύς εισόδου αυξάνεται στα +15dBm, το επίπεδο παρεμβολής μεταξύ γειτονικών καναλιών αυξάνεται κατά 7dB (σε σχέση με την τιμή βάσης -30dB), αναγκάζοντας το σύστημα να αυξήσει την πλεονάζουσα διόρθωση σφάλματος (FEC) από 7% σε 20%. Το φαινόμενο μεταφοράς ισχύος που προκαλείται από τη διεγερμένη σκέδαση Raman (SRS) έχει ως αποτέλεσμα απώλεια περίπου 0,02dB ανά χιλιόμετρο σε κανάλια μεγάλου μήκους κύματος, οδηγώντας σε πτώση ισχύος έως και 3,5dB στο σύστημα ζώνης C+L (1530-1625nm). Απαιτείται αντιστάθμιση κλίσης σε πραγματικό χρόνο μέσω ενός δυναμικού ισοσταθμιστή κέρδους (DGE).
Το όριο απόδοσης του συστήματος για αυτά τα φυσικά φαινόμενα σε συνδυασμό μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με το γινόμενο απόστασης εύρους ζώνης (B · L): το B · L ενός τυπικού συστήματος διαμόρφωσης NRZ σε οπτική ίνα G.655 (οπτική ίνα με αντιστάθμιση διασποράς) είναι περίπου 18000 (Gb/s) · km, ενώ με τη διαμόρφωση PDM-QPSK και την τεχνολογία συνεκτικής ανίχνευσης, αυτός ο δείκτης μπορεί να βελτιωθεί στα 280000 (Gb/s) · km (@ SD-FEC gain 9,5dB).
Η πρωτοποριακή οπτική ίνα πολυπλεξίας διαστημικής διαίρεσης (SDM) 7 πυρήνων x 3 λειτουργιών έχει επιτύχει χωρητικότητα μετάδοσης 15,6 Pb/s · km (χωρητικότητα μίας οπτικής ίνας 1,53 Pb/sx απόσταση μετάδοσης 10,2 km) σε εργαστηριακά περιβάλλοντα μέσω ασθενούς σύζευξης και ελέγχου αλληλοπαρεμβολής μεταξύ πυρήνων (<-40dB/km).
Για να προσεγγίσουν το όριο Shannon, τα σύγχρονα συστήματα πρέπει να υιοθετήσουν από κοινού τεχνολογίες διαμόρφωσης πιθανοτήτων (PS-256QAM, επιτυγχάνοντας κέρδος διαμόρφωσης 0,8dB), εξίσωσης νευρωνικών δικτύων (βελτιωμένη απόδοση αντιστάθμισης NL κατά 37%) και κατανεμημένης ενίσχυσης Raman (DRA, ακρίβεια κλίσης κέρδους ± 0,5dB) για να αυξήσουν τον παράγοντα Q της μετάδοσης 400G PDM-64QAM με ένα μόνο φορέα κατά 2dB (από 12dB σε 14dB) και να χαλαρώσουν την ανοχή OSNR στα 17,5dB/0,1nm (@ BER=2e-2).
Ώρα δημοσίευσης: 12 Ιουνίου 2025