Nichtlineare Effekte: SPM, XPM, FWM, Brillouin und Raman

Dämpfung und Dispersion sind linear: eine Verdopplung der Leistung verdoppelt den Ausgang, und sonst ändert sich nichts. Oberhalb weniger Milliwatt pro Kanal in einem 9-µm-Kern hört Glas auf, linear zu sein — der Brechungsindex beginnt, von der Intensität abzuhängen, und das Licht beginnt, an akustischen und molekularen Schwingungen zu streuen, die es selbst anregt. In einer einzelnen 10G-Strecke ist das unsichtbar; in einem verstärkten DWDM-System mit 80 Kanälen über 1 000 km legt es die maximale Einkoppelleistung und damit die Reichweite fest. Diese Seite erklärt die fünf Effekte, wann jeder relevant ist, wie sie quantifiziert werden und wie Systeme darauf ausgelegt werden.

Warum Faser überhaupt nichtlinear ist

Größe	Wert bei G.652	Bedeutung
Kerr-Koeffizient n₂	≈ 2,6 × 10⁻²⁰ m²/W	der Index steigt mit der Intensität: n = n₀ + n₂·I
Effektive Fläche A_eff	≈ 80 µm² (G.652), 110–150 µm² (G.654.E)	Intensität = Leistung ÷ Fläche — ein kleiner Kern konzentriert das Licht
Nichtlinearer Koeffizient γ = 2πn₂/(λ·A_eff)	≈ 1,3 W⁻¹km⁻¹ (G.652 bei 1550), ≈ 0,7 (G.654.E)	Phasenverschiebung pro Watt pro Kilometer
Effektive Länge L_eff = (1 − e^(−αL))/α	≈ 20 km bei einer langen Strecke mit 0,2 dB/km	die Effekte kumulieren sich größtenteils in den ersten Dutzend Kilometern nach jedem Verstärker
Typische Einkoppelleistung pro Kanal	0 … +3 dBm (1–2 mW) DWDM; bis zu +10 dBm einkanalig	nichtlineare Phase φ_NL = γ·P·L_eff ≈ 0,03–0,3 rad pro Strecke

Die Kerr-Effekte

Effekt	Mechanismus	Symptom	Am stärksten wenn
Selbstphasenmodulation (SPM)	die Intensität eines Pulses ändert dessen eigene Phase → Chirp → spektrale Verbreiterung; wechselwirkt mit chromatischer Dispersion	Augenschließen, Pulsverzerrung; bei kohärenten Systemen ein nichtlinearer Phasenrauschboden	hohe Leistung, viele Strecken, geringe Dispersion
Kreuzphasenmodulation (XPM)	die Intensität benachbarter Kanäle moduliert die Phase eines Kanals	Timing-Jitter und Phasenrauschen durch andere Kanäle	dichter Kanalabstand (50 GHz), geringe lokale Dispersion, viele Kanäle
Vier-Wellen-Mischung (FWM)	drei Frequenzen erzeugen eine vierte bei f₁ + f₂ − f₃; Mischprodukte landen auf anderen Kanälen	Übersprechen, das mit Leistung³ wächst	D ≈ 0 (G.653-Faser), gleicher Kanalabstand, hohe Leistung

Lokale Dispersion hilft: sie lässt Pulse verschiedener Kanäle aneinander vorbeiwandern, sodass XPM/FWM sich mitteln — der Grund, warum G.655 (kleines, von null verschiedenes D) G.653 bei DWDM ablöste, und warum G.652 (D = 17) mit Dispersionskompensation oder kohärentem DSP heute bevorzugt wird (Fasertypen).

Die Streueffekte

Effekt	Mechanismus	Schwelle	Symptom	Wo
Stimulierte Brillouin-Streuung (SBS)	Licht erzeugt eine akustische Welle, die es um ≈ 11 GHz verschoben rückwärts reflektiert	≈ +6 … +10 dBm bei einer CW-Quelle mit schmaler Linienbreite in langer SMF (niedriger bei schmaleren Linien)	Vorwärtsleistung sättigt, starkes Rückwärtslicht, Rauschen	CW-Laser: analoges Video-Overlay bei 1550 nm (+17 dBm) und Raman-Pumpen; gemindert durch Verbreiterung der Linienbreite / Dithering (die meisten Sender tun dies)
Stimulierte Raman-Streuung (SRS)	Photonen verlieren Energie an molekulare Schwingungen (Stokes-Verschiebung ≈ 13 THz ≈ 100 nm)	Gesamtleistung über ≈ +20 … +25 dBm über ein breites Band	Leistungsneigung (Power Tilt): kurzwellige Kanäle pumpen langwellige — das C-Band speist das L-Band	breitbandiges DWDM (C+L); durch Pre-Emphasis und Gain-Tilt-Regelung gesteuert; gezielt genutzt in Raman-Verstärkern (Verstärkung & OSNR)

Wo Nichtlinearität eine Rolle spielt — und wo nicht

System	Nichtlineare Strafe	Design-Reaktion
Einzelne 10G-LR/ER-Strecke, −8 … +4 dBm	keine	ignorieren
PON-Downstream +3 … +7 dBm, 20 km	keine (SBS-Reserve unkritisch)	ignorieren; Video-Overlay bei +17 dBm nutzt SBS-Unterdrückung
10G-DWDM, 40 Kanäle, 8 × 80 km mit EDFAs	XPM/FWM bei G.655, SPM überall	Einkoppelleistung −2 … +1 dBm/Kanal, Dispersionskarte, ungleicher Abstand bei DSF
100G/400G kohärentes DWDM, 80+ Kanäle, 1 000+ km	nichtlineares Phasenrauschen begrenzt den OSNR-Gewinn durch Leistung	optimale Einkoppelleistung ≈ 0 … +2 dBm/Kanal bei G.652, +3 … +5 bei G.654.E; Planung nach GN-Modell
400ZR-Pluggable, einzelne Strecke ≤ 120 km	gering	Einkoppelleistung −10 … 0 dBm; verlustbegrenzt
Seekabel 10 000 km	dominant	G.654-Faser mit großer A_eff, geringe Einkoppelleistung, viele Repeater, C+L
Raman-verstärkte Strecken	Pumpen bei +27 … +30 dBm	Sauberkeit der Steckverbinder und Sicherheit kritisch (Sicherheit & Handhabung)

Regel: nichtlineare Effekte treten auf, wenn Leistung pro Kanal × Anzahl der Strecken groß wird; eine einzelne Strecke bei moderater Leistung zeigt sie nie.

Quantifizierung: der Kompromiss zwischen OSNR und Leistung

Der OSNR verbessert sich um 1 dB je 1 dB Einkoppelleistung (linearer Bereich).
Das Rauschen durch nichtlineare Interferenz (NLI) wächst mit Leistung³ — also um +3 dB Rauschen je +1 dB Einkoppelleistung.
Die Summe hat ein Optimum: die nichtlineare Schwelle, bei der lineares ASE-Rauschen dem NLI entspricht; Systeme werden 1–2 dB darunter geplant. Das Gaussian-Noise-Modell (GN) schätzt NLI aus γ, D, Streckenlänge, Kanalzahl und -abstand; Planungswerkzeuge tun dies je Route.
Kohärentes DSP kann SPM teilweise rückgängig machen (digitale Rückausbreitung), aber nicht XPM/FWM von anderen Kanälen.

Zusammenfassung der Gegenmaßnahmen

Methode	Wirkt gegen	Eingesetzt in
Einkoppelleistung nahe am Optimum halten (0 … +3 dBm/Kanal)	alle Kerr-Effekte	jedes DWDM-Design
Von null verschiedene lokale Dispersion (G.652 / G.655 statt G.653)	FWM, XPM	Faserwahl
Dispersionsmanagement (DCM-Karte)	SPM/XPM-Wechselwirkung	10G-DWDM
Faser mit großer effektiver Fläche (G.654.E)	alle (geringeres γ)	neuer Long-Haul
Ungleicher Kanalabstand	FWM	alte DSF-Strecken
Dithering der Linienbreite	SBS	CW-Analog, Pumpen
Gain-Tilt-Kompensation, Pre-Emphasis	SRS	breitbandiges DWDM
Kohärentes DSP mit NLC	SPM	Long-Haul ab 400G
Verteilte Raman-Verstärkung	(nutzt SRS) senkt die benötigte Einkoppelleistung	ultralange Strecken

In CodingBox

Nichtlineare Effekte spielen sich im Leitungssystem ab, nicht im Modulspeicher — aber die angegebene Tx-Leistung des Moduls und, bei durchstimmbaren DWDM-Modulen, der Kanalplan sind die Eingaben, die ein Planer braucht. CodingBox zeigt den Tx-Leistungsbereich und die Wellenlängen-/Kanalfelder, damit das Einkoppelleistungsbudget pro Kanal von realen Zahlen ausgeht (Check transceiver, Durchstimmbare Transceiver).

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