При стремлении к повышению пропускной способности и увеличению дальности передачи данных в современных оптических системах связи шум, как фундаментальное физическое ограничение, всегда сдерживал повышение производительности.
В типичном случаеЭДФАВ системе усилителя на основе волокна, легированного эрбием, каждый оптический диапазон передачи генерирует приблизительно 0,1 дБ накопленного шума спонтанного излучения (ASE), что обусловлено квантово-случайной природой взаимодействия света и электронов в процессе усиления.
Этот тип шума проявляется как пикосекундный джиттер во временной области. Согласно прогнозу модели джиттера, при коэффициенте дисперсии 30 пс/(нм · км) джиттер увеличивается на 12 пс при передаче на расстояние 1000 км. В частотной области это приводит к снижению оптического отношения сигнал/шум (OSNR), что приводит к потере чувствительности на 3,2 дБ (при BER=1e-9) в системе NRZ со скоростью 40 Гбит/с.
Более серьёзную проблему представляет динамическая связь нелинейных эффектов волокна и дисперсии: коэффициент дисперсии обычного одномодового волокна (G.652) в окне 1550 нм составляет 17 пс/(нм · км) в сочетании с нелинейным фазовым сдвигом, вызванным фазовой самомодуляцией (ФСМ). При входной мощности, превышающей 6 дБм, ФСМ-эффект значительно искажает форму импульса.
В системе PDM-16QAM со скоростью 960 Гбит/с, показанной на рисунке выше, раскрытие глаза после передачи на 200 км составляет 82% от начального значения, а фактор Q сохраняется на уровне 14 дБ (что соответствует BER ≈ 3e-5). При увеличении расстояния до 400 км комбинированный эффект перекрестной фазовой модуляции (XPM) и четырехволнового смешения (FWM) приводит к тому, что степень раскрытия глаза резко падает до 63%, а частота ошибок в системе превышает предел исправления ошибок жесткого решения FEC, равный 10 ^ -12.
Стоит отметить, что эффект частотной модуляции лазера с прямой модуляцией (DML) ухудшится - значение параметра альфа (коэффициента увеличения ширины линии) типичного DFB-лазера находится в диапазоне 3-6, а его мгновенное изменение частоты может достигать ±2,5 ГГц (что соответствует параметру чирпа C=2,5 ГГц/мА) при токе модуляции 1 мА, что приводит к скорости уширения импульса 38% (кумулятивная дисперсия D · L=1360 пс/нм) после передачи по волокну G.652 длиной 80 км.
Перекрёстные помехи в каналах в системах с мультиплексированием по длине волны (WDM) представляют собой более серьёзные препятствия. Если взять в качестве примера частоту каналов 50 ГГц, то мощность помех, создаваемых четырёхволновым смешением (FWM), имеет эффективную длину Leff около 22 км в обычных оптических волокнах.
Перекрёстные помехи в каналах в системах с мультиплексированием по длине волны (WDM) представляют собой более серьёзные препятствия. Если взять в качестве примера частотный диапазон 50 ГГц, эффективная длина помехи, создаваемой четырёхволновым смешением (FWM), составляет Leff = 22 км (что соответствует коэффициенту затухания в волокне α = 0,22 дБ/км).
При увеличении входной мощности до +15 дБм уровень перекрёстных помех между соседними каналами увеличивается на 7 дБ (относительно базового уровня -30 дБ), что вынуждает систему увеличивать избыточность прямой коррекции ошибок (FEC) с 7% до 20%. Эффект переноса мощности, вызванный вынужденным комбинационным рассеянием (SRS), приводит к потере приблизительно 0,02 дБ на километр в длинноволновых каналах, что приводит к падению мощности до 3,5 дБ в системе диапазона C+L (1530–1625 нм). Требуется компенсация наклона АЧХ в реальном времени с помощью динамического эквалайзера усиления (DGE).
Предел производительности системы, обусловленный совокупностью этих физических эффектов, можно количественно оценить с помощью произведения ширины полосы пропускания на расстояние (B · L): B · L типичной системы модуляции NRZ в волокне G.655 (волокно с компенсацией дисперсии) составляет приблизительно 18 000 (Гбит/с) · км, тогда как при использовании модуляции PDM-QPSK и технологии когерентного детектирования этот показатель можно улучшить до 280 000 (Гбит/с) · км (при усилении SD-FEC 9,5 дБ).
Передовое волокно с пространственным уплотнением каналов (SDM) с 7 жилами и 3 модами достигло пропускной способности 15,6 Пбит/с · км (пропускная способность одного волокна 1,53 Пбит/с x дальность передачи 10,2 км) в лабораторных условиях благодаря слабому контролю перекрестных помех между жилами (<-40 дБ/км).
Чтобы приблизиться к пределу Шеннона, современным системам необходимо совместно использовать технологии формирования вероятности (PS-256QAM, достигающие усиления формирования 0,8 дБ), выравнивания нейронной сети (эффективность компенсации нелинейности улучшена на 37%) и распределенного рамановского усиления (DRA, точность наклона усиления ± 0,5 дБ), чтобы увеличить добротность передачи 400G PDM-64QAM с одной несущей на 2 дБ (с 12 дБ до 14 дБ) и ослабить допуск OSNR до 17,5 дБ/0,1 нм (при BER=2e-2).
Время публикации: 12 июня 2025 г.