Verstärkung, OSNR und die Grenzen einer DWDM-Strecke

Ein CWDM-Link endet dort, wo dem Empfänger das Licht ausgeht. Ein DWDM-Link nicht — Verstärker fügen alle 80 km Licht hinzu —, daher ist seine Grenze eine andere: das Rauschen. Jeder Verstärker fügt spontane Emission hinzu, und nach genügend davon ist das Signal zwar noch stark, aber nicht mehr sauber. Die Kennzahl dafür ist die OSNR (optisches Signal-Rausch-Verhältnis); die Auslegungsaufgabe besteht darin, sie über dem zu halten, was das Modulationsformat benötigt, während man unterhalb der Leistung bleibt, ab der die Nichtlinearität der Faser zuschlägt, und während die Dispersion beherrschbar bleibt. Diese Seite liefert dafür die Werkzeuge und Zahlen.

Verstärkertypen

Die Verstärkung des EDFA ist nicht flach: Verstärkungsausgleichsfilter und Tilt-Regelung halten die 40–96 Kanäle innerhalb von ~1 dB zueinander; eine dynamische Verstärkungsregelung hält den Ausgang konstant, wenn Kanäle hinzugefügt oder entfernt werden (Transienten). Pumplaser bei 980/1480 nm versorgen das Erbium; sie sind die Verschleißkomponente eines Verstärkers.

OSNR

Die OSNR ist das Verhältnis von Signalleistung zu ASE-Rauschleistung in einer Referenzbandbreite (0,1 nm ≈ 12,5 GHz), in dB. Für eine Kette aus N identischen Streckenabschnitten:

OSNR ≈ 58 + P_ch − NF − L_span − 10·log10(N)     [dB, 0,1 nm]
  P_ch   = Sendeleistung pro Kanal in die Faser, dBm
  NF     = Rauschzahl des Verstärkers, dB
  L_span = Streckenabschnittsdämpfung, dB
  N      = Anzahl der Streckenabschnitte (Verstärker)

Beispiel: P_ch = +1 dBm, NF = 5,5 dB, Streckenabschnitte von 80 km bei 0,22 dB/km + 2 dB Steckverbinder = 19,6 dB, N = 8 → OSNR ≈ 58 + 1 − 5,5 − 19,6 − 9 ≈ 24,9 dB.

Auslegungsreserve: erforderliche OSNR + 2–3 dB für Alterung, Tilt und PMD. Im obigen Beispiel ist 100G QPSK komfortabel und 400ZR knapp → weniger Streckenabschnitte, höhere Sendeleistung, geringere Rauschzahl oder Raman für den 400G-Fall (Kohärenz & Long-Haul).

Sendeleistung und Nichtlinearität

Eine Erhöhung von P_ch erhöht die OSNR um denselben dB-Betrag — bis die Kerr-Nichtlinearität der Faser Leistung in Verzerrung umwandelt:

Praktische Sendeleistung pro Kanal: −2 … +3 dBm für kohärentes 100G+ auf G.652, 0 … +3 dBm für 10G. Das Optimum liegt dort, wo die nichtlineare Penalty dem OSNR-Gewinn entspricht.

Dispersion

Direktdetektions-DWDM (10G, teilweise 25G) benötigt daher eine Dispersionskarte mit DCF an den Verstärkerstandorten; kohärente Links benötigen das nicht, wodurch eine ganze Ebene der Auslegung entfallen ist (DWDM-Komponenten).

Checkliste zur Streckenabschnitts-Auslegung

1. Fasertyp, Länge und gemessene Dämpfung je Streckenabschnitt bei 1550 nm (OTDR).
2. Kanalzahl, Raster und Format → erforderliche OSNR und nichtlineare Grenzen.
3. Verstärkerplatzierung: Booster, inline alle 60–100 km (Streckenabschnittsdämpfung 15–25 dB), Vorverstärker.
4. Sendeleistung pro Kanal, Einstellungen für Tilt- und Transientenregelung.
5. Dispersionskarte (Direktdetektion) oder Prüfung der DSP-Fähigkeiten (kohärent).
6. Empfangene OSNR und Pre-FEC-BER pro Kanal bei der Inbetriebnahme — die Baseline für die gesamte Lebensdauer des Systems (VDM- und FEC-Metriken).
7. Schutz und Überwachung: OSC, Leistungsmonitore pro Kanal, OTDR-Zugang.

Wo das Pluggable im System sitzt

Ein durchstimmbarer 10G-DWDM-SFP+ oder ein 400ZR-QSFP-DD ist ein Kanal dieses Systems. Sein DDM zeigt die eigene Tx sowie die gesamte oder kanalweise Rx nach dem Demultiplexer; die Verstärker und die OSNR bleiben für ihn unsichtbar, außer über den Pre-FEC-BER (VDM bei kohärenten Modulen). Ein Modul, das eine gesunde Rx-Leistung bei schlechtem BER meldet, zeigt damit die OSNR-Grenze an (Durchstimmbare Transceiver).

In CodingBox

CodingBox liest die modulseitigen Werte des Streckenabschnitts: Kanal/Wellenlänge, Sendeleistung, Rx-Leistung und, bei kohärenten CMIS-Modulen, die VDM-Observablen (OSNR-Schätzung, Pre-FEC-BER, CD, DGD, Q-Faktor) auf DDM. Der Vergleich mit der Baseline aus der Inbetriebnahme zeigt, ob eine Verschlechterung im Modul oder in der Leitung liegt.

Chromatische Dispersion, PMD und Dispersionskompensation auf den Streckenabschnitten, die diese Verstärker überbrücken: Dispersion und Bandbreite.

Warum sich die Sendeleistung nicht einfach erhöhen lässt, um OSNR zu erkaufen — Grenzen durch SPM, XPM, FWM, Brillouin und Raman, die optimale Leistung pro Kanal und Gegenmaßnahmen: Nichtlineare Effekte.

Die Infrastruktursicht der Verstärkung — EDFA, Raman, SOA und OEO im Vergleich, wo sie sitzen, was der Betrieb einer verstärkten Leitung erfordert: Verstärker & Regeneration.