Amplificazione, OSNR e i limiti di una tratta DWDM

Un collegamento CWDM finisce dove al ricevitore manca la luce. Un collegamento DWDM no: gli amplificatori aggiungono luce ogni 80 km, quindi il suo limite è diverso: il rumore. Ogni amplificatore aggiunge emissione spontanea e, dopo un numero sufficiente di amplificatori, il segnale resta forte ma non è più pulito. La metrica è l'OSNR (rapporto segnale-rumore ottico); il compito della progettazione è mantenerla al di sopra di quanto richiede il formato di modulazione, restando al di sotto della potenza a partire dalla quale la non linearità della fibra si fa sentire, e mantenendo la dispersione gestibile. Questa pagina fornisce gli strumenti e i numeri.

Tipi di amplificatore

Amplificatore	Banda	Guadagno	Uscita	Cifra di rumore	Dove
EDFA (fibra drogata all’erbio)	C (1530–1565 nm), L (1565–1625 nm)	15–35 dB	+17 … +23 dBm totali	4,5–6 dB	booster dopo il multiplexer, in linea ogni 60–100 km, preamplificatore prima del demultiplexer
Raman (distribuito)	qualsiasi, determinata dalla lunghezza d’onda di pompa (~100 nm sotto il segnale)	10–15 dB distribuiti nella fibra di trasmissione	—	la NF effettiva può essere negativa se combinata con un EDFA	tratte lunghe, miglioramenti di OSNR bassa; potenza di pompa elevata (0,5–1 W) — sicurezza
SOA	banda O e altre	10–20 dB	bassa	7–9 dB	sistemi in banda O, ricevitori (Ricevitori assistiti da SOA)
Ibrido Raman/EDFA	C/L	—	—	migliorata	tratte ultralunghe

Il guadagno dell’EDFA non è piatto: i filtri di appiattimento del guadagno e il controllo dell’inclinazione mantengono i 40–96 canali entro ~1 dB l’uno dall’altro; il controllo dinamico del guadagno mantiene costante l’uscita quando i canali vengono aggiunti o rimossi (transitori). I laser di pompa a 980/1480 nm alimentano l’erbio; sono il componente soggetto a usura di un amplificatore.

OSNR

L’OSNR è il rapporto tra la potenza del segnale e la potenza di rumore ASE in una larghezza di banda di riferimento (0,1 nm ≈ 12,5 GHz), in dB. Per una catena di N tratte identiche:

OSNR ≈ 58 + P_ch − NF − L_span − 10·log10(N)     [dB, 0,1 nm]
  P_ch   = potenza di lancio per canale nella fibra, dBm
  NF     = cifra di rumore dell'amplificatore, dB
  L_span = perdita della tratta, dB
  N      = numero di tratte (amplificatori)

Esempio: P_ch = +1 dBm, NF = 5,5 dB, tratte di 80 km a 0,22 dB/km + 2 dB di connettori = 19,6 dB, N = 8 → OSNR ≈ 58 + 1 − 5,5 − 19,6 − 9 ≈ 24,9 dB.

Formato	Velocità	OSNR tipica richiesta (0,1 nm), dB	Note
10G NRZ, senza FEC	10G	18–20	legacy
10G NRZ con FEC (OTU2, GFEC)	10,7G	11–13	~6 dB di guadagno di codifica
100G DP-QPSK coerente, SD-FEC	100G	12–15	molto robusto
200G DP-16QAM	200G	18–21	—
400G DP-16QAM (400ZR)	400G, 60 GBd	≥ 26 (specificato per 400ZR)	portata amplificata di 120 km
400G ZR+ a 8QAM / QPSK	300G / 200G	20 / 14	scambia capacità per portata

Margine di progetto: OSNR richiesta + 2–3 dB per invecchiamento, inclinazione e PMD. Nell’esempio precedente, il 100G QPSK è ampio e il 400ZR è marginale → meno tratte, potenza di lancio più alta, NF più bassa o Raman per il caso 400G (Coerente e lunga distanza).

Potenza di lancio e non linearità

Aumentare P_ch aumenta l’OSNR della stessa quantità in dB, fino a quando la non linearità Kerr della fibra trasforma la potenza in distorsione:

Effetto	Meccanismo	Sintomo	Mitigazione
SPM: automodulazione di fase	l’intensità propria di un canale modula la sua fase	allargamento spettrale, interazione con la dispersione	limitare la potenza per canale
XPM: modulazione di fase incrociata	l’intensità dei canali vicini modula la fase di un canale	diafonia su griglie a 50 GHz	gestione della dispersione, spaziatura
FWM: mescolamento a quattro onde	i canali si mescolano generando nuove frequenze	canali fantasma su griglie regolari	spaziatura non uniforme, dispersione ≠ 0 (G.655/G.652 anziché DSF)
SBS / SRS: diffusione Brillouin / Raman	potenza elevata per canale / inclinazione di banda	limiti di potenza, inclinazione sull’intera banda	dithering, controllo dell’inclinazione

Potenza di lancio pratica per canale: −2 … +3 dBm per coerente 100G+ su G.652, 0 … +3 dBm per 10G. L’ottimo si trova dove la penalità non lineare eguaglia il guadagno di OSNR.

Dispersione

Tipo	Valore su G.652	Effetto	Gestione
Dispersione cromatica (CD)	≈ 17 ps/(nm·km) a 1550 nm	allargamento dell’impulso; il NRZ a 10G tollera ~800–1000 ps/nm (≈ 60 km) non compensati	moduli DCF (fibra a compensazione di dispersione, aggiunge perdita), compensatori FBG oppure, nei sistemi coerenti, il DSP compensa elettronicamente decine di migliaia di ps/nm
Dispersione in modo di polarizzazione (PMD)	0,1–0,5 ps/√km su fibra moderna, peggiore su fibra vecchia	casuale, variabile nel tempo; rilevante a 40G+ a rilevazione diretta	il DSP coerente la traccia; la rilevazione diretta a 40G richiedeva fibra a bassa PMD
Pendenza di dispersione	—	compensazione esatta solo a una lunghezza d’onda	DCF con pendenza abbinata

Il DWDM a rilevazione diretta (10G, in parte 25G) richiede quindi una mappa di dispersione con DCF nei siti degli amplificatori; i collegamenti coerenti non ne hanno bisogno, il che ha eliminato un intero livello di ingegneria (Componenti DWDM).

Lista di controllo per la progettazione della tratta

Tipo di fibra, lunghezza e perdita misurata per tratta a 1550 nm (OTDR).
Numero di canali, griglia e formato → OSNR richiesta e limiti non lineari.
Posizionamento degli amplificatori: booster, in linea ogni 60–100 km (perdita di tratta 15–25 dB), preamplificatore.
Potenza di lancio per canale, impostazioni di inclinazione e controllo dei transitori.
Mappa di dispersione (rilevazione diretta) o verifica delle capacità del DSP (coerente).
OSNR ricevuta e BER pre-FEC per canale alla messa in servizio: la base di riferimento per l’intera vita del sistema (Metriche VDM e FEC).
Protezione e monitoraggio: OSC, monitor di potenza per canale, accesso OTDR.

Dove si inserisce il modulo collegabile

Un SFP+ DWDM sintonizzabile da 10G o un QSFP-DD 400ZR è un canale di questo sistema. Il suo DDM mostra la propria Tx e la Rx totale o per canale dopo il demultiplexer; gli amplificatori e l’OSNR gli sono invisibili se non attraverso il BER pre-FEC (VDM sui moduli coerenti). Un modulo che legge una potenza Rx sana con un BER cattivo è il limite di OSNR che si manifesta (Ricetrasmettitori sintonizzabili).

In CodingBox

CodingBox legge il lato modulo della tratta: canale/lunghezza d’onda, potenza di lancio, potenza Rx e, per i moduli coerenti CMIS, gli osservabili VDM (stima OSNR, BER pre-FEC, CD, DGD, fattore Q) su DDM. Confrontare questi valori con la base di riferimento della messa in servizio indica se un degrado è nel modulo o nella linea.

Dispersione cromatica, PMD e compensazione della dispersione sulle tratte che questi amplificatori collegano: Dispersione e larghezza di banda.

Perché la potenza di lancio non si può semplicemente aumentare per guadagnare OSNR: i limiti di SPM, XPM, FWM, Brillouin e Raman, la potenza ottima per canale e la mitigazione: Effetti non lineari.

La visione infrastrutturale dell’amplificazione — EDFA, Raman, SOA e OEO a confronto, dove si collocano, cosa richiede la gestione di una linea amplificata: Amplificatori e rigenerazione.

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