Efekty nieliniowe: SPM, XPM, FWM, Brillouin i Raman

Tłumienie i dyspersja są liniowe: podwojenie mocy podwaja wyjście i nic więcej się nie zmienia. Powyżej kilku miliwatów na kanał w rdzeniu 9 µm szkło przestaje być liniowe — współczynnik załamania zaczyna zależeć od natężenia, a światło zaczyna rozpraszać się na drganiach akustycznych i molekularnych, które samo wzbudza. W pojedynczym odcinku 10G jest to niewidoczne; we wzmacnianym systemie DWDM z 80 kanałami na 1 000 km to właśnie ono ustala maksymalną moc nadawaną, a tym samym zasięg. Ta strona wyjaśnia pięć efektów, kiedy każdy z nich ma znaczenie, jak się je kwantyfikuje i jak projektuje się wokół nich systemy.

Dlaczego światłowód w ogóle jest nieliniowy

Wielkość	Wartość w G.652	Znaczenie
Współczynnik Kerra n₂	≈ 2,6 × 10⁻²⁰ m²/W	współczynnik załamania rośnie z natężeniem: n = n₀ + n₂·I
Powierzchnia efektywna A_eff	≈ 80 µm² (G.652), 110–150 µm² (G.654.E)	natężenie = moc ÷ powierzchnia — mały rdzeń skupia światło
Współczynnik nieliniowy γ = 2πn₂/(λ·A_eff)	≈ 1,3 W⁻¹km⁻¹ (G.652 przy 1550), ≈ 0,7 (G.654.E)	przesunięcie fazowe na wat na kilometr
Długość efektywna L_eff = (1 − e^(−αL))/α	≈ 20 km dla długiego odcinka przy 0,2 dB/km	efekty kumulują się głównie na pierwszych kilkudziesięciu kilometrach za każdym wzmacniaczem
Typowa moc nadawana na kanał	0 … +3 dBm (1–2 mW) DWDM; do +10 dBm pojedynczy kanał	faza nieliniowa φ_NL = γ·P·L_eff ≈ 0,03–0,3 rad na odcinek

Efekty Kerra

Efekt	Mechanizm	Objaw	Najgorszy, gdy
Samomodulacja fazy (SPM)	własne natężenie impulsu zmienia jego fazę → chirp → poszerzenie widmowe; oddziałuje z dyspersją chromatyczną	zamknięcie oka, zniekształcenie impulsu; w systemach koherentnych podłoga szumu fazy nieliniowej	duża moc, wiele odcinków, niska dyspersja
Modulacja skrośna fazy (XPM)	natężenie sąsiednich kanałów moduluje fazę danego kanału	jitter czasowy i szum fazy od innych kanałów	gęste rozstawienie (50 GHz), niska dyspersja lokalna, wiele kanałów
Mieszanie czterofalowe (FWM)	trzy częstotliwości generują czwartą przy f₁ + f₂ − f₃; produkty mieszania trafiają na inne kanały	przesłuch rosnący z mocą³	D ≈ 0 (światłowód G.653), równe rozstawienie kanałów, duża moc

Dyspersja lokalna pomaga: przesuwa impulsy różnych kanałów względem siebie, tak że XPM/FWM się uśredniają — dlatego G.655 (małe niezerowe D) zastąpiło G.653 w DWDM, a G.652 (D = 17) z kompensacją dyspersji albo koherentnym DSP jest dziś preferowane (Rodzaje światłowodów).

Efekty rozpraszania

Efekt	Mechanizm	Próg	Objaw	Gdzie
Wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS)	światło generuje falę akustyczną, która odbija je do tyłu, przesuniętą o ≈ 11 GHz	≈ +6 … +10 dBm dla źródła CW o wąskiej szerokości linii w długim SMF (mniej dla węższych linii)	moc w przód nasyca się, silne światło wsteczne, szum	lasery CW: nakładka wideo analogowego 1550 nm (+17 dBm) i pompy Ramana; łagodzone przez poszerzanie szerokości linii / dithering (robi to większość nadajników)
Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS)	fotony tracą energię na rzecz drgań molekularnych (przesunięcie Stokesa ≈ 13 THz ≈ 100 nm)	moc całkowita powyżej ≈ +20 … +25 dBm w szerokim paśmie	nachylenie mocy: kanały krótkofalowe pompują długofalowe — pasmo C zasila pasmo L	szerokopasmowe DWDM (C+L); opanowywane przez preemfazę i kontrolę nachylenia wzmocnienia; wykorzystywane celowo we wzmacniaczach Ramana (Wzmacnianie i OSNR)

Gdzie nieliniowość ma znaczenie — a gdzie nie ma

System	Kara nieliniowa	Reakcja projektowa
Pojedynczy odcinek 10G LR/ER, −8 … +4 dBm	brak	pomiń
PON downstream +3 … +7 dBm, 20 km	brak (zapas SBS wystarczający)	pomiń; nakładka wideo przy +17 dBm wykorzystuje tłumienie SBS
10G DWDM, 40 kanałów, 8 × 80 km z EDFA	XPM/FWM na G.655, SPM wszędzie	moc nadawana −2 … +1 dBm/kanał, mapa dyspersji, nierówne rozstawienie na DSF
100G/400G koherentne DWDM, 80+ kanałów, 1 000+ km	szum fazy nieliniowej ogranicza zysk OSNR z mocy	optymalna moc nadawana ≈ 0 … +2 dBm/kanał na G.652, +3 … +5 na G.654.E; planowanie modelem GN
Moduł wpinany 400ZR, pojedynczy odcinek ≤ 120 km	mała	moc nadawana −10 … 0 dBm; ograniczenie przez stratę
Podmorskie 10 000 km	dominująca	światłowód G.654 o dużym A_eff, niska moc nadawana, wiele repeaterów, C+L
Odcinki wzmacniane Ramanem	pompy przy +27 … +30 dBm	krytyczna czystość złączy i bezpieczeństwo (Bezpieczeństwo i obsługa)

Zasada: efekty nieliniowe pojawiają się, gdy moc na kanał × liczba odcinków staje się duża; pojedynczy odcinek przy umiarkowanej mocy nigdy ich nie ujawnia.

Kwantyfikacja: kompromis między OSNR a mocą

OSNR poprawia się o 1 dB na każdy 1 dB mocy nadawanej (zakres liniowy).
Szum zakłóceń nieliniowych (NLI) rośnie z mocą³ — jako +3 dB szumu na +1 dB mocy nadawanej.
Suma ma optimum: próg nieliniowy, przy którym liniowy szum ASE równa się NLI; systemy planuje się 1–2 dB poniżej niego. Model szumu gaussowskiego (GN) szacuje NLI na podstawie γ, D, długości odcinka, liczby kanałów i rozstawienia; narzędzia projektowe robią to dla każdej trasy.
Koherentny DSP potrafi częściowo cofnąć SPM (cyfrowa propagacja wsteczna), ale nie XPM/FWM od innych kanałów.

Podsumowanie środków łagodzących

Metoda	Cel	Stosowana w
Utrzymywanie mocy nadawanej blisko optimum (0 … +3 dBm/kanał)	wszystkie efekty Kerra	każdy projekt DWDM
Niezerowa dyspersja lokalna (G.652 / G.655 zamiast G.653)	FWM, XPM	dobór światłowodu
Zarządzanie dyspersją (mapa DCM)	oddziaływanie SPM/XPM	10G DWDM
Światłowód o dużej powierzchni efektywnej (G.654.E)	wszystkie (niższe γ)	nowe łącza dalekosiężne
Nierówne rozstawienie kanałów	FWM	starsze trasy DSF
Dithering szerokości linii	SBS	CW analogowe, pompy
Kompensacja nachylenia wzmocnienia, preemfaza	SRS	szerokopasmowe DWDM
Koherentny DSP z NLC	SPM	łącza dalekosiężne 400G+
Rozproszone wzmacnianie Ramana	(wykorzystuje SRS) obniża wymaganą moc nadawaną	ultradługie odcinki

W CodingBox

Efekty nieliniowe żyją w systemie liniowym, nie w pamięci modułu — ale zadeklarowana moc Tx modułu oraz, dla przestrajalnych modułów DWDM, plan kanałów to dane wejściowe, których potrzebuje projektant. CodingBox pokazuje zakres mocy Tx i pola długości fali/kanału, dzięki czemu budżet mocy nadawanej na kanał zaczyna się od rzeczywistych liczb (Check transceiver, Transceivery przestrajalne).

Jeśli znajdziesz nieścisłość lub błąd w tym materiale, zaznacz odpowiedni fragment i naciśnij Ctrl+Enter, aby .