Effets non linéaires : SPM, XPM, FWM, Brillouin et Raman

L’atténuation et la dispersion sont linéaires : doubler la puissance double la sortie et rien d’autre ne change. Au-delà de quelques milliwatts par canal dans un cœur de 9 µm, le verre cesse d’être linéaire — l’indice de réfraction se met à dépendre de l’intensité, et la lumière se met à diffuser sur des vibrations acoustiques et moléculaires qu’elle excite elle-même. Sur une seule liaison 10G, c’est invisible ; dans un système DWDM amplifié à 80 canaux sur 1 000 km, cela fixe la puissance de lancement maximale et donc la portée. Cette page explique les cinq effets, quand chacun compte, comment ils sont quantifiés et comment les systèmes sont conçus pour y faire face.

Pourquoi la fibre est non linéaire

Grandeur	Valeur en G.652	Signification
Coefficient de Kerr n₂	≈ 2,6 × 10⁻²⁰ m²/W	l’indice augmente avec l’intensité : n = n₀ + n₂·I
Aire effective A_eff	≈ 80 µm² (G.652), 110–150 µm² (G.654.E)	intensité = puissance ÷ aire — un petit cœur concentre la lumière
Coefficient non linéaire γ = 2πn₂/(λ·A_eff)	≈ 1,3 W⁻¹km⁻¹ (G.652 à 1550), ≈ 0,7 (G.654.E)	déphasage par watt et par kilomètre
Longueur effective L_eff = (1 − e^(−αL))/α	≈ 20 km pour une longue portée à 0,2 dB/km	les effets s’accumulent surtout dans les premières dizaines de kilomètres après chaque amplificateur
Puissance de lancement typique par canal	0 … +3 dBm (1–2 mW) DWDM ; jusqu’à +10 dBm en monocanal	phase non linéaire φ_NL = γ·P·L_eff ≈ 0,03–0,3 rad par portée

Les effets Kerr

Effet	Mécanisme	Symptôme	Pire quand
Automodulation de phase (SPM)	l’intensité propre d’une impulsion modifie sa phase → chirp → élargissement spectral ; interagit avec la dispersion chromatique	fermeture du diagramme de l’œil, distorsion d’impulsion ; dans les systèmes cohérents, un plancher de bruit de phase non linéaire	puissance élevée, nombreuses portées, faible dispersion
Modulation de phase croisée (XPM)	l’intensité des canaux voisins module la phase d’un canal	gigue temporelle et bruit de phase provenant d’autres canaux	espacement serré (50 GHz), faible dispersion locale, nombreux canaux
Mélange à quatre ondes (FWM)	trois fréquences en génèrent une quatrième à f₁ + f₂ − f₃ ; les produits de mélange tombent sur d’autres canaux	diaphonie qui croît avec la puissance³	D ≈ 0 (fibre G.653), espacement de canaux égal, puissance élevée

La dispersion locale aide : elle fait glisser les impulsions des différents canaux les unes par rapport aux autres, ce qui moyenne le XPM/FWM — la raison pour laquelle le G.655 (faible D non nul) a remplacé le G.653 pour le DWDM, et pourquoi le G.652 (D = 17) avec compensation de dispersion ou DSP cohérent est aujourd’hui préféré (Types de fibre).

Les effets de diffusion

Effet	Mécanisme	Seuil	Symptôme	Où
Diffusion Brillouin stimulée (SBS)	la lumière génère une onde acoustique qui la réfléchit vers l’arrière, décalée de ≈ 11 GHz	≈ +6 … +10 dBm pour une source CW à raie étroite en SMF longue (plus bas pour des raies plus étroites)	la puissance vers l’avant sature, forte lumière rétrodiffusée, bruit	lasers CW : superposition vidéo analogique à 1550 nm (+17 dBm) et pompes Raman ; atténuée par élargissement de raie / dithering (la plupart des émetteurs le font)
Diffusion Raman stimulée (SRS)	les photons perdent de l’énergie au profit de vibrations moléculaires (décalage de Stokes ≈ 13 THz ≈ 100 nm)	puissance totale au-dessus de ≈ +20 … +25 dBm sur une large bande	inclinaison de puissance : les canaux à courte longueur d’onde pompent les canaux à longue longueur d’onde — la bande C alimente la bande L	DWDM large bande (C+L) ; gérée par pré-accentuation et contrôle d’inclinaison de gain ; utilisée délibérément dans les amplificateurs Raman (Amplification et OSNR)

Où la non-linéarité compte — et où elle ne compte pas

Système	Pénalité non linéaire	Réponse de conception
Portée unique 10G LR/ER, −8 … +4 dBm	aucune	ignorer
PON descendant +3 … +7 dBm, 20 km	aucune (marge SBS correcte)	ignorer ; la superposition vidéo à +17 dBm utilise la suppression SBS
DWDM 10G, 40 canaux, 8 × 80 km avec EDFA	XPM/FWM sur G.655, SPM partout	lancement −2 … +1 dBm/canal, carte de dispersion, espacement inégal sur DSF
DWDM cohérent 100G/400G, 80+ canaux, 1 000+ km	le bruit de phase non linéaire limite le gain d’OSNR apporté par la puissance	lancement optimal ≈ 0 … +2 dBm/canal sur G.652, +3 … +5 sur G.654.E ; planification par modèle GN
400ZR enfichable, portée unique ≤ 120 km	faible	lancement −10 … 0 dBm ; limité par la perte
Sous-marin 10 000 km	dominante	fibre G.654 à grande A_eff, lancement faible, nombreux répéteurs, C+L
Portées amplifiées Raman	pompes à +27 … +30 dBm	propreté des connecteurs et sécurité critiques (Sécurité et manipulation)

Règle : les effets non linéaires apparaissent quand la puissance par canal × le nombre de portées devient grand ; une seule portée à puissance modérée ne les montre jamais.

Quantifier : le compromis OSNR contre puissance

L’OSNR s’améliore de 1 dB pour chaque 1 dB de puissance de lancement (régime linéaire).
Le bruit d’interférence non linéaire (NLI) croît avec la puissance³ — soit +3 dB de bruit par +1 dB de lancement.
La somme présente un optimum : le seuil non linéaire, où le bruit ASE linéaire égale le NLI ; les systèmes sont planifiés 1–2 dB en dessous. Le modèle de bruit gaussien (GN) estime le NLI à partir de γ, D, la longueur de portée, le nombre de canaux et l’espacement ; les outils de planification le font par itinéraire.
Le DSP cohérent peut partiellement annuler le SPM (rétropropagation numérique) mais pas le XPM/FWM provenant d’autres canaux.

Résumé des mesures de limitation

Méthode	Cible	Utilisée dans
Maintenir la puissance de lancement près de l’optimum (0 … +3 dBm/canal)	tous les effets Kerr	toute conception DWDM
Dispersion locale non nulle (G.652 / G.655 au lieu de G.653)	FWM, XPM	choix de la fibre
Gestion de la dispersion (carte DCM)	interaction SPM/XPM	DWDM 10G
Fibre à grande aire effective (G.654.E)	tous (γ plus faible)	nouvelle longue distance
Espacement de canaux inégal	FWM	routes DSF héritées
Dithering de largeur de raie	SBS	CW analogique, pompes
Compensation d’inclinaison de gain, pré-accentuation	SRS	DWDM large bande
DSP cohérent avec NLC	SPM	longue distance 400G et plus
Amplification Raman distribuée	(utilise le SRS) réduit la puissance de lancement nécessaire	portées ultra-longues

Dans CodingBox

Les effets non linéaires relèvent du système de ligne, pas de la mémoire du module — mais la puissance Tx déclarée du module et, pour les modules DWDM accordables, le plan de canaux sont les données dont un planificateur a besoin. CodingBox affiche la plage de puissance Tx et les champs de longueur d’onde/canal, de sorte que le budget de lancement par canal parte de chiffres réels (Check transceiver, Transceivers accordables).

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