Niet-lineaire effecten: SPM, XPM, FWM, Brillouin en Raman

Demping en dispersie zijn lineair: bij verdubbeling van het vermogen verdubbelt de uitgang en verandert er verder niets. Boven enkele milliwatts per kanaal in een kern van 9 µm is glas niet langer lineair — de brekingsindex wordt afhankelijk van de intensiteit en het licht verstrooit aan akoestische en moleculaire trillingen die het zelf opwekt. In één 10G-span is dit onzichtbaar; in een versterkt DWDM-systeem met 80 kanalen over 1 000 km bepaalt het het maximale zendvermogen en dus het bereik. Deze pagina verklaart de vijf effecten, wanneer elk van belang is, hoe ze worden gekwantificeerd en hoe systemen eromheen worden ontworpen.

Waarom glasvezel überhaupt niet-lineair is

Grootheid	Waarde in G.652	Betekenis
Kerr-coëfficiënt n₂	≈ 2,6 × 10⁻²⁰ m²/W	index stijgt met intensiteit: n = n₀ + n₂·I
Effectief oppervlak A_eff	≈ 80 µm² (G.652), 110–150 µm² (G.654.E)	intensiteit = vermogen ÷ oppervlak — een kleine kern concentreert licht
Niet-lineaire coëfficiënt γ = 2πn₂/(λ·A_eff)	≈ 1,3 W⁻¹km⁻¹ (G.652 bij 1550), ≈ 0,7 (G.654.E)	faseverschuiving per watt per kilometer
Effectieve lengte L_eff = (1 − e^(−αL))/α	≈ 20 km voor een lange span bij 0,2 dB/km	effecten hopen zich vooral op in de eerste tientallen kilometers na elke versterker
Typisch zendvermogen per kanaal	0 … +3 dBm (1–2 mW) DWDM; tot +10 dBm enkel kanaal	niet-lineaire fase φ_NL = γ·P·L_eff ≈ 0,03–0,3 rad per span

De Kerr-effecten

Effect	Mechanisme	Symptoom	Het ergst bij
Zelf-fasemodulatie (SPM)	de eigen intensiteit van een puls wijzigt de fase → chirp → spectrale verbreding; werkt samen met chromatische dispersie	oogsluiting, pulsvervorming; in coherente systemen een ruisvloer voor niet-lineaire fase	hoog vermogen, veel spans, lage dispersie
Kruisfasemodulatie (XPM)	de intensiteit van aangrenzende kanalen moduleert de fase van een kanaal	timingjitter en faseruis van andere kanalen	dichte spacing (50 GHz), lage lokale dispersie, veel kanalen
Viergolfmenging (FWM)	drie frequenties maken een vierde bij f₁ + f₂ − f₃; mengproducten vallen op andere kanalen	overspraak die met vermogen³ groeit	D ≈ 0 (G.653-glasvezel), gelijke kanaalafstand, hoog vermogen

Lokale dispersie helpt: deze laat pulsen van verschillende kanalen langs elkaar lopen, zodat XPM/FWM uitmiddelen — de reden dat G.655 (kleine niet-nul D) G.653 voor DWDM verving en G.652 (D = 17) met dispersiecompensatie of coherente DSP nu de voorkeur heeft (Glasvezeltypen).

De verstrooiingseffecten

Effect	Mechanisme	Drempel	Symptoom	Waar
Gestimuleerde Brillouinverstrooiing (SBS)	licht maakt een akoestische golf die het achterwaarts reflecteert, verschoven met ≈ 11 GHz	≈ +6 … +10 dBm voor een CW-bron met smalle lijnbreedte in lange SMF (lager bij smallere lijnen)	voorwaarts vermogen verzadigt, sterk achterwaarts licht, ruis	CW-lasers: analoge video-overlay op 1550 nm (+17 dBm) en Ramanpompen; beperkt met verbreding van lijnbreedte / dithering (de meeste zenders doen dit)
Gestimuleerde Ramanverstrooiing (SRS)	fotonen verliezen energie aan moleculaire trillingen (Stokes-verschuiving ≈ 13 THz ≈ 100 nm)	totaalvermogen boven ≈ +20 … +25 dBm over een brede band	power tilt: kanalen met korte golflengte pompen kanalen met lange golflengte — C-band voedt L-band	breedband-DWDM (C+L); beheerd met pre-emphasis en regeling van gain tilt; doelbewust gebruikt in Ramanversterkers (Versterking en OSNR)

Waar niet-lineariteit telt — en waar niet

Systeem	Niet-lineaire vermogenspenalty	Ontwerprespons
Eén 10G LR/ER-span, −8 … +4 dBm	geen	negeren
PON-downstream +3 … +7 dBm, 20 km	geen (SBS-marge is voldoende)	negeren; video-overlay bij +17 dBm gebruikt SBS-onderdrukking
10G DWDM, 40 kanalen, 8 × 80 km met EDFAs	XPM/FWM op G.655, SPM overal	zendvermogen −2 … +1 dBm/ch, dispersiekaart, ongelijke spacing op DSF
100G/400G coherent DWDM, 80+ kanalen, 1 000+ km	niet-lineaire faseruis beperkt de OSNR-winst door vermogen	optimum ≈ 0 … +2 dBm/ch op G.652, +3 … +5 op G.654.E; GN-modelplanning
400ZR-insteekmodule, enkele span ≤ 120 km	klein	zendvermogen −10 … 0 dBm; beperkt door verlies
Onderzees 10 000 km	dominant	G.654-glasvezel met groot A_eff, laag zendvermogen, veel repeaters, C+L
Ramanversterkte spans	pompen bij +27 … +30 dBm	reinheid van connectoren en veiligheid zijn kritisch (Veiligheid en omgang)

Regel: niet-lineaire effecten verschijnen wanneer vermogen per kanaal × aantal spans groot wordt; één span bij gematigd vermogen vertoont ze nooit.

Kwantificeren: de afweging tussen OSNR en vermogen

OSNR verbetert 1 dB voor elke 1 dB zendvermogen (lineair regime).
Ruis door niet-lineaire interferentie (NLI) groeit met vermogen³ — dus +3 dB ruis per +1 dB zendvermogen.
De som heeft een optimum: de niet-lineaire drempel waar lineaire ASE-ruis gelijk is aan NLI; systemen worden 1–2 dB eronder gepland. Het Gaussian-noise-model (GN) schat NLI uit γ, D, spanlengte, kanaalaantal en spacing; planningstools doen dit per route.
Coherente DSP kan SPM deels terugdraaien (digital back-propagation), maar geen XPM/FWM van andere kanalen.

Samenvatting van mitigatie

Methode	Richt zich op	Gebruikt in
Zendvermogen dicht bij het optimum houden (0 … +3 dBm/ch)	alle Kerr-effecten	elk DWDM-ontwerp
Lokale dispersie die niet nul is (G.652 / G.655 in plaats van G.653)	FWM, XPM	keuze van glasvezel
Dispersiebeheer (DCM-kaart)	SPM/XPM-interactie	10G DWDM
Glasvezel met groot effectief oppervlak (G.654.E)	alle (lagere γ)	nieuwe long-haul
Ongelijke kanaalspacing	FWM	verouderde DSF-routes
Dithering van de lijnbreedte	SBS	analoge CW, pompen
Gain-tiltcompensatie, pre-emphasis	SRS	breedband-DWDM
Coherente DSP met NLC	SPM	400G+-long-haul
Gedistribueerde Ramanversterking	(gebruikt SRS) verlaagt het benodigde zendvermogen	ultralange spans

In CodingBox

Niet-lineaire effecten spelen in het lijnsysteem, niet in het modulegeheugen — maar het opgegeven Tx power van de module en, voor afstembare DWDM-modules, het kanaalplan zijn de gegevens die een planner nodig heeft. CodingBox toont het Tx-vermogensbereik en de velden voor golflengte/kanaal, zodat het per-kanaal-zendbudget van werkelijke cijfers uitgaat (Check transceiver, Afstembare transceivers).

Vindt u een onjuistheid of fout in dit materiaal? Selecteer het betreffende fragment en druk op Ctrl+Enter om .