Amplification, OSNR et les limites d’un tronçon DWDM

Une liaison CWDM s’arrête là où le récepteur manque de lumière. Une liaison DWDM n’a pas cette limite — des amplificateurs rajoutent de la lumière tous les 80 km — donc sa limite est différente : le bruit. Chaque amplificateur ajoute de l’émission spontanée, et après un nombre suffisant d’entre eux, le signal reste fort mais n’est plus propre. La mesure est l’OSNR (rapport signal à bruit optique) ; l’objectif de conception est de le maintenir au-dessus de ce qu’exige le format de modulation, tout en restant sous la puissance où la non-linéarité de la fibre se fait sentir et tant que la dispersion reste gérable. Cette page donne les outils et les chiffres.

Types d’amplificateurs

Amplificateur	Bande	Gain	Sortie	Facteur de bruit	Emplacement
EDFA (fibre dopée à l’erbium)	C (1530–1565 nm), L (1565–1625 nm)	15–35 dB	+17 … +23 dBm total	4,5–6 dB	booster après le multiplexeur, en ligne tous les 60–100 km, préamplificateur avant le démultiplexeur
Raman (distribué)	n’importe laquelle, fixée par la longueur d’onde de pompe (~100 nm sous le signal)	10–15 dB répartis dans la fibre de transmission	—	le facteur de bruit effectif peut être négatif combiné à un EDFA	tronçons longs, mises à niveau à faible OSNR ; puissance de pompe élevée (0,5–1 W) — sécurité
SOA	bande O et autres	10–20 dB	faible	7–9 dB	systèmes en bande O, récepteurs (Récepteurs assistés par SOA)
Raman/EDFA hybride	C/L	—	—	amélioré	tronçons ultra-longs

Le gain d’un EDFA n’est pas plat : des filtres d’égalisation de gain et un contrôle d’inclinaison maintiennent les 40 à 96 canaux à ~1 dB les uns des autres ; un contrôle de gain dynamique maintient la sortie constante lors de l’ajout ou du retrait de canaux (transitoires). Des lasers de pompe à 980/1480 nm alimentent l’erbium ; ce sont eux la pièce d’usure de l’amplificateur.

OSNR

L’OSNR est le rapport entre la puissance du signal et la puissance du bruit ASE dans une bande passante de référence (0,1 nm ≈ 12,5 GHz), exprimé en dB. Pour une chaîne de N tronçons identiques :

OSNR ≈ 58 + P_ch − NF − L_span − 10·log10(N)     [dB, 0,1 nm]
  P_ch   = puissance d’émission par canal dans la fibre, dBm
  NF     = facteur de bruit de l’amplificateur, dB
  L_span = perte du tronçon, dB
  N      = nombre de tronçons (amplificateurs)

Exemple : P_ch = +1 dBm, NF = 5,5 dB, tronçons de 80 km à 0,22 dB/km + 2 dB de connecteurs = 19,6 dB, N = 8 → OSNR ≈ 58 + 1 − 5,5 − 19,6 − 9 ≈ 24,9 dB.

Format	Débit	OSNR requis typique (0,1 nm), dB	Remarques
10G NRZ, sans FEC	10G	18–20	historique
10G NRZ avec FEC (OTU2, GFEC)	10,7G	11–13	~6 dB de gain de codage
100G DP-QPSK cohérent, SD-FEC	100G	12–15	marge confortable
200G DP-16QAM	200G	18–21	—
400G DP-16QAM (400ZR)	400G, 60 GBd	≥ 26 (spécifié pour 400ZR)	portée amplifiée de 120 km
400G ZR+ en 8QAM / QPSK	300G / 200G	20 / 14	échange de capacité contre portée

Marge de conception : OSNR requis + 2–3 dB pour le vieillissement, l’inclinaison et la PMD. Dans l’exemple ci-dessus, le 100G QPSK est confortable et le 400ZR est limite → moins de tronçons, puissance d’émission plus élevée, NF plus faible ou Raman pour le cas du 400G (Cohérent et longue distance).

Puissance d’émission et non-linéarité

Augmenter P_ch augmente l’OSNR du même nombre de dB — jusqu’à ce que la non-linéarité Kerr de la fibre transforme la puissance en distorsion :

Effet	Mécanisme	Symptôme	Parade
SPM — automodulation de phase	l’intensité propre d’un canal module sa propre phase	élargissement spectral, interaction avec la dispersion	limiter la puissance par canal
XPM — modulation de phase croisée	l’intensité des canaux voisins module la phase d’un canal	diaphonie sur les grilles à 50 GHz	gestion de la dispersion, espacement
FWM — mélange à quatre ondes	les canaux se mélangent en nouvelles fréquences	canaux fantômes sur les grilles régulières	espacement inégal, dispersion ≠ 0 (G.655/G.652 plutôt que DSF)
SBS / SRS — diffusion Brillouin / Raman	puissance élevée par canal / inclinaison de bande	limites de puissance, inclinaison sur la bande	dithering, contrôle d’inclinaison

Puissance d’émission pratique par canal : −2 … +3 dBm pour le cohérent 100G+ sur G.652, 0 … +3 dBm pour le 10G. L’optimum se situe où la pénalité non linéaire équivaut au gain d’OSNR.

Dispersion

Type	Valeur sur G.652	Effet	Traitement
Dispersion chromatique (CD)	≈ 17 ps/(nm·km) à 1550 nm	étalement des impulsions ; le 10G NRZ tolère ~800–1000 ps/nm (≈ 60 km) sans compensation	modules DCF (fibre à compensation de dispersion, ajoute de la perte), compensateurs FBG, ou — dans les systèmes cohérents — le DSP compense électroniquement des dizaines de milliers de ps/nm
Dispersion de mode de polarisation (PMD)	0,1–0,5 ps/√km sur fibre moderne, pire sur fibre ancienne	aléatoire, variable dans le temps ; compte à partir de 40G en détection directe	le DSP cohérent la suit ; le 40G en détection directe nécessitait une fibre à faible PMD
Pente de dispersion	—	compensation exacte à une seule longueur d’onde	DCF à pente adaptée

Le DWDM en détection directe (10G, une partie du 25G) nécessite donc une carte de dispersion avec du DCF aux sites d’amplification ; les liaisons cohérentes n’en ont pas besoin, ce qui a supprimé toute une couche d’ingénierie (Composants DWDM).

Liste de contrôle pour la conception d’un tronçon

Type de fibre, longueur et perte mesurée par tronçon à 1550 nm (OTDR).
Nombre de canaux, grille et format → OSNR requis et limites non linéaires.
Emplacement des amplificateurs : booster, en ligne tous les 60–100 km (perte de tronçon 15–25 dB), préampli.
Puissance d’émission par canal, réglages du contrôle d’inclinaison et des transitoires.
Carte de dispersion (détection directe) ou vérification des capacités du DSP (cohérent).
OSNR reçu et TEB avant FEC par canal à la mise en service — la référence pour toute la vie du système (Métriques VDM et FEC).
Protection et surveillance : OSC, moniteurs de puissance par canal, accès OTDR.

Où se situe le module enfichable

Un SFP+ DWDM 10G accordable ou un QSFP-DD 400ZR constitue un canal de ce système. Son DDM affiche son propre Tx et le Rx total ou par canal après le démultiplexeur ; les amplificateurs et l’OSNR lui restent invisibles, sauf via le TEB avant FEC (VDM sur les modules cohérents). Un module qui affiche une puissance Rx saine avec un mauvais TEB est le signe que la limite d’OSNR se manifeste (Transceivers accordables).

Dans CodingBox

CodingBox lit le côté module du tronçon : canal/longueur d’onde, puissance d’émission, puissance Rx et, pour les modules cohérents CMIS, les observables VDM (estimation d’OSNR, TEB avant FEC, CD, DGD, facteur Q) sur DDM. Comparer ces valeurs à la référence de mise en service indique si une dégradation provient du module ou de la ligne.

Dispersion chromatique, PMD et compensation de dispersion sur les tronçons que ces amplificateurs relient : Dispersion et bande passante.

Pourquoi la puissance d’émission ne peut pas simplement être augmentée pour gagner de l’OSNR — limites SPM, XPM, FWM, Brillouin et Raman, la puissance optimale par canal et les mesures d’atténuation : Effets non linéaires.

La vue infrastructure de l’amplification — EDFA, Raman, SOA et OEO comparés, leur emplacement, ce qu’exige l’exploitation d’une ligne amplifiée : Amplificateurs et régénération.

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