Doğrusal olmayan etkiler: SPM, XPM, FWM, Brillouin ve Raman

Zayıflama ve dispersiyon doğrusaldır: gücü ikiye katlamak çıkışı ikiye katlar ve başka hiçbir şey değişmez. 9 µm’lik bir çekirdekte kanal başına birkaç miliwattın üzerinde cam doğrusal olmaktan çıkar — kırılma indisi yoğunluğa bağlı hale gelir ve ışık, kendi uyardığı akustik ve moleküler titreşimlerden saçılmaya başlar. Tek bir 10G hat kesiminde bu görünmez; 1 000 km üzerinden 80 kanallı yükseltilmiş bir DWDM sisteminde ise maksimum gönderim gücünü ve dolayısıyla erişim mesafesini belirler. Bu sayfa beş etkiyi, her birinin ne zaman önemli olduğunu, nasıl sayısallaştırıldıklarını ve sistemlerin bunlara göre nasıl tasarlandığını açıklar.

Fiber neden doğrusal değildir

Büyüklük	G.652’deki değer	Anlamı
Kerr katsayısı n₂	≈ 2,6 × 10⁻²⁰ m²/W	indis yoğunlukla yükselir: n = n₀ + n₂·I
Etkin alan A_eff	≈ 80 µm² (G.652), 110–150 µm² (G.654.E)	yoğunluk = güç ÷ alan — küçük bir çekirdek ışığı yoğunlaştırır
Doğrusal olmayan katsayı γ = 2πn₂/(λ·A_eff)	≈ 1,3 W⁻¹km⁻¹ (1550’de G.652), ≈ 0,7 (G.654.E)	watt başına, kilometre başına faz kayması
Etkin uzunluk L_eff = (1 − e^(−αL))/α	0,2 dB/km’de uzun bir hat kesimi için ≈ 20 km	etkiler çoğunlukla her yükselteçten sonraki ilk on(larca) kilometrede birikir
Kanal başına tipik gönderim gücü	DWDM’de 0 … +3 dBm (1–2 mW); tek kanalda +10 dBm’ye kadar	hat kesimi başına doğrusal olmayan faz φ_NL = γ·P·L_eff ≈ 0,03–0,3 rad

Kerr etkileri

Etki	Mekanizma	Belirti	En kötü ne zaman
Öz faz modülasyonu (SPM)	bir darbenin kendi yoğunluğu fazını değiştirir → chirp → spektral genişleme; kromatik dispersiyonla etkileşir	göz kapanması, darbe bozulması; koherent sistemlerde doğrusal olmayan bir faz gürültüsü tabanı	yüksek güç, çok sayıda hat kesimi, düşük dispersiyon
Çapraz faz modülasyonu (XPM)	komşu kanalların yoğunluğu bir kanalın fazını modüle eder	diğer kanallardan kaynaklanan zamanlama jitter’ı ve faz gürültüsü	sık kanal aralığı (50 GHz), düşük yerel dispersiyon, çok sayıda kanal
Dört dalga karışımı (FWM)	üç frekans, f₁ + f₂ − f₃'te dördüncü bir frekans üretir; karışım ürünleri diğer kanallara düşer	güç³ ile büyüyen parazit (crosstalk)	D ≈ 0 (G.653 fiberi), eşit kanal aralığı, yüksek güç

Yerel dispersiyon yardımcı olur: farklı kanalların darbelerini birbirinin yanından geçirerek XPM/FWM’nin ortalamada birbirini götürmesini sağlar — G.655’in (küçük, sıfırdan farklı D) DWDM için G.653’ün yerini almasının nedeni budur ve artık dispersiyon telafili veya koherent DSP’li G.652 (D = 17) tercih edilmektedir (Fiber türleri).

Saçılma etkileri

Etki	Mekanizma	Eşik	Belirti	Nerede
Uyarılmış Brillouin saçılması (SBS)	ışık, kendisini ≈ 11 GHz kaydırılmış olarak geriye yansıtan bir akustik dalga üretir	uzun SMF’de dar hat genişlikli bir CW kaynağı için ≈ +6 … +10 dBm (daha dar hatlar için daha düşük)	ileri güç doyar, güçlü geri ışık, gürültü	CW lazerleri: 1550 nm analog video bindirmesi (+17 dBm) ve Raman pompaları; hat genişliği genişletme / dithering ile azaltılır (çoğu verici bunu yapar)
Uyarılmış Raman saçılması (SRS)	fotonlar moleküler titreşimlere enerji kaybeder (Stokes kayması ≈ 13 THz ≈ 100 nm)	geniş bant genelinde ≈ +20 … +25 dBm üzeri toplam güç	güç eğimi: kısa dalga boylu kanallar uzun dalga boylu olanları pompalar — C-bandı L-bandını besler	geniş bantlı DWDM (C+L); ön vurgulama ve kazanç eğimi kontrolüyle yönetilir; Raman yükselteçlerinde kasıtlı olarak kullanılır (Yükseltme ve OSNR)

Doğrusal olmayanlığın önemli olduğu yerler — ve olmadığı yerler

Sistem	Doğrusal olmayan ceza	Tasarım yanıtı
Tek 10G LR/ER hat kesimi, −8 … +4 dBm	yok	göz ardı edin
PON aşağı yönü +3 … +7 dBm, 20 km	yok (SBS marjı yeterli)	göz ardı edin; +17 dBm’deki video bindirmesi SBS bastırma kullanır
10G DWDM, 40 kanal, EDFA’larla 8 × 80 km	G.655’te XPM/FWM, her yerde SPM	−2 … +1 dBm/kanal gönderim, dispersiyon haritası, DSF’de eşit olmayan aralık
100G/400G koherent DWDM, 80+ kanal, 1 000+ km	doğrusal olmayan faz gürültüsü, güçten gelen OSNR kazancını sınırlar	G.652’de optimum gönderim ≈ 0 … +2 dBm/kanal, G.654.E’de +3 … +5; GN modeliyle planlama
400ZR takılabilir modül, tek hat kesimi ≤ 120 km	küçük	gönderim −10 … 0 dBm; kayıpla sınırlı
Denizaltı 10 000 km	baskın	büyük A_eff’li G.654 fiberi, düşük gönderim, çok sayıda tekrarlayıcı, C+L
Raman yükseltmeli hat kesimleri	+27 … +30 dBm’de pompalar	konektör temizliği ve güvenlik kritiktir (Güvenlik ve elleçleme)

Kural: doğrusal olmayan etkiler, kanal başına güç × hat kesimi sayısı büyüdüğünde ortaya çıkar; orta güçte tek bir hat kesimi bunları asla göstermez.

Sayısallaştırma: OSNR ile güç arasındaki ödünleşim

OSNR, her 1 dB gönderim gücü artışı için 1 dB iyileşir (doğrusal rejim).
Doğrusal olmayan girişim (NLI) gürültüsü güç³ ile büyür — gönderimde her +1 dB için +3 dB gürültü olarak.
Toplamın bir optimumu vardır: doğrusal ASE gürültüsünün NLI’ye eşit olduğu doğrusal olmayan eşik; sistemler bunun 1–2 dB altında planlanır. Gauss gürültü (GN) modeli, γ, D, hat kesimi uzunluğu, kanal sayısı ve aralığından NLI’yi tahmin eder; planlama araçları bunu güzergâh başına yapar.
Koherent DSP, SPM’yi kısmen geri alabilir (dijital geri yayılım) ama diğer kanallardan gelen XPM/FWM’yi alamaz.

Azaltma özeti

Yöntem	Hedef	Kullanıldığı yer
Gönderim gücünü optimuma yakın tutmak (0 … +3 dBm/kanal)	tüm Kerr etkileri	her DWDM tasarımı
Sıfırdan farklı yerel dispersiyon (G.653 yerine G.652 / G.655)	FWM, XPM	fiber seçimi
Dispersiyon yönetimi (DCM haritası)	SPM/XPM etkileşimi	10G DWDM
Büyük etkin alanlı fiber (G.654.E)	tümü (daha düşük γ)	yeni uzun mesafe
Eşit olmayan kanal aralığı	FWM	eski DSF güzergâhları
Hat genişliği dithering’i	SBS	CW analog, pompalar
Kazanç eğimi telafisi, ön vurgulama	SRS	geniş bantlı DWDM
NLC’li koherent DSP	SPM	400G+ uzun mesafe
Dağıtık Raman yükseltmesi	(SRS kullanır) gereken gönderim gücünü düşürür	ultra uzun hat kesimleri

CodingBox’ta

Doğrusal olmayan etkiler modül belleğinde değil, hat sisteminde yaşar — ancak modülün beyan edilen Tx gücü ve ayarlanabilir DWDM modülleri için kanal planı, bir planlayıcının ihtiyaç duyduğu girdilerdir. CodingBox, Tx güç aralığını ve dalga boyu/kanal alanlarını gösterir, böylece kanal başına gönderim bütçesi gerçek sayılardan başlar (Check transceiver, Ayarlanabilir alıcı-vericiler).

Bu materyalde bir yanlışlık veya hata bulursanız ilgili bölümü seçin ve Ctrl+Enter tuşlarına basarak .