Effetti non lineari: SPM, XPM, FWM, Brillouin e Raman

L’attenuazione e la dispersione sono lineari: raddoppiare la potenza raddoppia l’uscita e nient’altro cambia. Sopra pochi milliwatt per canale in un nucleo da 9 µm, il vetro smette di essere lineare: l’indice di rifrazione comincia a dipendere dall’intensità e la luce comincia a diffondersi contro vibrazioni acustiche e molecolari che essa stessa eccita. In una singola tratta a 10G questo è invisibile; in un sistema DWDM amplificato con 80 canali lungo 1 000 km fissa la potenza massima di lancio e quindi la portata. Questa pagina spiega i cinque effetti, quando ciascuno conta, come si quantificano e come i sistemi vengono progettati attorno a essi.

Perché la fibra non è lineare

Grandezza	Valore in G.652	Significato
Coefficiente di Kerr n₂	≈ 2,6 × 10⁻²⁰ m²/W	l’indice aumenta con l’intensità: n = n₀ + n₂·I
Area efficace A_eff	≈ 80 µm² (G.652), 110–150 µm² (G.654.E)	intensità = potenza ÷ area: un nucleo piccolo concentra la luce
Coefficiente non lineare γ = 2πn₂/(λ·A_eff)	≈ 1,3 W⁻¹km⁻¹ (G.652 a 1550), ≈ 0,7 (G.654.E)	sfasamento per watt per chilometro
Lunghezza efficace L_eff = (1 − e^(−αL))/α	≈ 20 km per una tratta lunga a 0,2 dB/km	gli effetti si accumulano soprattutto nelle prime decine di chilometri dopo ogni amplificatore
Potenza di lancio tipica per canale	0 … +3 dBm (1–2 mW) DWDM; fino a +10 dBm su canale singolo	fase non lineare φ_NL = γ·P·L_eff ≈ 0,03–0,3 rad per tratta

Gli effetti Kerr

Effetto	Meccanismo	Sintomo	Peggiore quando
Automodulazione di fase (SPM)	l’intensità propria di un impulso cambia la sua fase → chirp → allargamento spettrale; interagisce con la dispersione cromatica	chiusura dell’occhio, distorsione dell’impulso; nei sistemi coerenti un pavimento di rumore di fase non lineare	potenza alta, molte tratte, dispersione bassa
Modulazione di fase incrociata (XPM)	l’intensità dei canali vicini modula la fase di un canale	jitter di temporizzazione e rumore di fase provenienti da altri canali	spaziatura fitta (50 GHz), dispersione locale bassa, molti canali
Mescolamento a quattro onde (FWM)	tre frequenze generano una quarta a f₁ + f₂ − f₃; i prodotti di mescolamento cadono su altri canali	diafonia che cresce con la potenza³	D ≈ 0 (fibra G.653), spaziatura dei canali uguale, potenza alta

La dispersione locale aiuta: fa scorrere gli impulsi di canali diversi l’uno oltre l’altro così che XPM/FWM si mediano; il motivo per cui G.655 (D piccola e non nulla) ha sostituito G.653 nel DWDM, e per cui ora si preferisce G.652 (D = 17) con compensazione della dispersione o DSP coerente (Tipi di fibra).

Gli effetti di diffusione (scattering)

Effetto	Meccanismo	Soglia	Sintomo	Dove
Diffusione stimolata di Brillouin (SBS)	la luce genera un’onda acustica che la riflette all’indietro, spostata di ≈ 11 GHz	≈ +6 … +10 dBm per una sorgente CW a larghezza di riga stretta in SMF lunga (minore per righe più strette)	la potenza in avanti satura, luce forte all’indietro, rumore	laser CW: sovrapposizione video analogica a 1550 nm (+17 dBm) e pompe Raman; mitigata con allargamento della larghezza di riga / dithering (la maggior parte dei trasmettitori lo fa)
Diffusione stimolata di Raman (SRS)	i fotoni perdono energia in vibrazioni molecolari (spostamento Stokes ≈ 13 THz ≈ 100 nm)	potenza totale sopra ≈ +20 … +25 dBm su una banda larga	inclinazione di potenza: i canali a lunghezza d’onda corta pompano quelli a lunghezza d’onda lunga; la banda C alimenta la banda L	DWDM a banda larga (C+L); gestita con pre-enfasi e controllo dell’inclinazione di guadagno; usata deliberatamente negli amplificatori Raman (Amplificazione e OSNR)

Dove conta la non linearità, e dove no

Sistema	Penalità non lineare	Risposta di progetto
Tratta singola 10G LR/ER, −8 … +4 dBm	nessuna	ignorare
PON a valle +3 … +7 dBm, 20 km	nessuna (margine SBS adeguato)	ignorare; la sovrapposizione video a +17 dBm usa la soppressione SBS
DWDM 10G, 40 canali, 8 × 80 km con EDFA	XPM/FWM su G.655, SPM ovunque	lancio −2 … +1 dBm/canale, mappa di dispersione, spaziatura disuguale su DSF
DWDM coerente 100G/400G, oltre 80 canali, oltre 1 000 km	il rumore di fase non lineare limita il guadagno di OSNR ottenibile dalla potenza	lancio ottimo ≈ 0 … +2 dBm/canale su G.652, +3 … +5 su G.654.E; pianificazione con modello GN
400ZR pluggable, tratta singola ≤ 120 km	piccola	lancio −10 … 0 dBm; limitato dalla perdita
Submarina 10 000 km	dominante	fibra G.654 ad A_eff grande, lancio basso, molti ripetitori, C+L
Tratte amplificate con Raman	pompe a +27 … +30 dBm	pulizia dei connettori e sicurezza critiche (Sicurezza e manipolazione)

Regola: gli effetti non lineari compaiono quando potenza per canale × numero di tratte diventa grande; una singola tratta a potenza moderata non li mostra mai.

Quantificazione: il compromesso tra OSNR e potenza

L’OSNR migliora di 1 dB per ogni 1 dB di potenza di lancio (regime lineare).
Il rumore da interferenza non lineare (NLI) cresce con la potenza³: +3 dB di rumore per ogni +1 dB di lancio.
La somma ha un ottimo: la soglia non lineare, dove il rumore ASE lineare eguaglia l’NLI; i sistemi si pianificano 1–2 dB al di sotto di essa. Il modello del rumore gaussiano (GN) stima l’NLI a partire da γ, D, lunghezza della tratta, numero di canali e spaziatura; gli strumenti di pianificazione fanno questo per ogni rotta.
Il DSP coerente può annullare parzialmente la SPM (retropropagazione digitale), ma non la XPM/FWM proveniente da altri canali.

Riepilogo delle mitigazioni

Metodo	Obiettivo	Usato in
Mantenere la potenza di lancio vicino all’ottimo (0 … +3 dBm/canale)	tutti gli effetti Kerr	ogni progetto DWDM
Dispersione locale non nulla (G.652 / G.655 invece di G.653)	FWM, XPM	scelta della fibra
Gestione della dispersione (mappa DCM)	interazione SPM/XPM	DWDM 10G
Fibra ad area efficace grande (G.654.E)	tutti (γ minore)	nuovo lungo raggio
Spaziatura dei canali disuguale	FWM	rotte DSF preesistenti
Dithering della larghezza di riga	SBS	CW analogico, pompe
Compensazione dell’inclinazione di guadagno, pre-enfasi	SRS	DWDM a banda larga
DSP coerente con NLC	SPM	lungo raggio 400G e oltre
Amplificazione Raman distribuita	(usa la SRS) riduce la potenza di lancio necessaria	tratte ultra-lunghe

In CodingBox

Gli effetti non lineari risiedono nel sistema di linea, non nella memoria del modulo, ma la potenza Tx dichiarata del modulo e, per i moduli DWDM sintonizzabili, il piano dei canali sono gli ingressi di cui un pianificatore ha bisogno. CodingBox mostra l’intervallo di potenza Tx e i campi di lunghezza d’onda/canale così che il bilancio di lancio per canale parta da numeri reali (Check transceiver, Ricetrasmettitori sintonizzabili).

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