Nykyaikaisissa optisissa tietoliikennejärjestelmissä tavoiteltaessa suurempaa kapasiteettia ja pidempää siirtoetäisyyttä kohina on perustavanlaatuisena fyysisenä rajoituksena aina rajoittanut suorituskyvyn parantamista.
TyypillisessäEDFAErbiumilla seostetussa kuituvahvistinjärjestelmässä jokainen optinen läpäisyväli tuottaa noin 0,1 dB kertynyttä spontaania emissiokohinaa (ASE), joka johtuu valon ja elektronin vuorovaikutuksen kvanttisatunnaisesta luonteesta vahvistusprosessin aikana.
Tämän tyyppinen kohina ilmenee pikosekunnin tason ajoitusjitterinä aika-alueella. Jitter-mallin ennusteen mukaan dispersiokertoimen ollessa 30 ps/(nm · km) jitter kasvaa 12 ps siirrettäessä 1000 km. Taajuusalueella tämä johtaa optisen signaali-kohinasuhteen (OSNR) laskuun, mikä johtaa 3,2 dB:n herkkyyshäviöön (@ BER=1e-9) 40 Gbps:n NRZ-järjestelmässä.
Vakavampi haaste tulee kuidun epälineaaristen vaikutusten ja dispersion dynaamisesta kytkeytymisestä – perinteisen yksimuotokuidun (G.652) dispersiokerroin 1550 nm:n ikkunassa on 17 ps/(nm · km) yhdistettynä itsevaihemodulaation (SPM) aiheuttamaan epälineaariseen vaihesiirtoon. Kun tuloteho ylittää 6 dBm, SPM-ilmiö vääristää pulssin aaltomuotoa merkittävästi.
Yllä olevassa kuvassa esitetyssä 960 Gbps:n PDM-16QAM-järjestelmässä silmän avautuminen 200 km:n siirron jälkeen on 82 % alkuperäisestä arvosta ja Q-kerroin pysyy 14 dB:ssä (vastaa BER ≈ 3e-5). Kun etäisyys kasvaa 400 km:iin, ristivaihemodulaation (XPM) ja neliaaltosekoituksen (FWM) yhteisvaikutus aiheuttaa silmän avautumisasteen jyrkän laskun 63 prosenttiin, ja järjestelmän virhesuhde ylittää kovan päätöksen FEC-virheenkorjausrajan 10 ^ -12.
On syytä huomata, että suoramodulaatiolaserin (DML) taajuussirp-vaikutus pahenee – tyypillisen DFB-laserin alfaparametrin (viivanleveyden vahvistuskerroin) arvo on välillä 3–6, ja sen hetkellinen taajuusmuutos voi olla ± 2,5 GHz (vastaa sirp-parametria C = 2,5 GHz/mA) 1 mA:n modulaatiovirralla, mikä johtaa 38 %:n pulssinlevennysnopeuteen (kumulatiivisen dispersion D · L = 1360 ps/nm) 80 km:n G.652-kuidun läpi siirron jälkeen.
Aallonpituusjakomultipleksointijärjestelmissä (WDM) kanavien ylikuuluminen muodostaa syvempiä esteitä. Esimerkiksi 50 GHz:n kanavavälillä neliaaltosekoituksen (FWM) aiheuttama interferenssiteho on noin 22 km:n efektiivinen pituus Leff tavallisissa optisissa kuiduissa.
Aallonpituusjakomultipleksointijärjestelmissä (WDM) kanavien ylikuuluminen muodostaa syvempiä esteitä. Esimerkiksi 50 GHz:n kanavavälillä neljän aallon miksauksen (FWM) tuottaman interferenssitehon efektiivinen pituus on Leff = 22 km (vastaa kuidun vaimennuskerrointa α = 0,22 dB/km).
Kun tulotehoa nostetaan +15 dBm:iin, vierekkäisten kanavien välinen ylikuulumistaso kasvaa 7 dB (suhteessa -30 dB:n lähtötasoon), mikä pakottaa järjestelmän lisäämään eteenpäin suuntautuvan virheenkorjauksen (FEC) redundanssia 7 prosentista 20 prosenttiin. Stimuloidun Raman-sironnan (SRS) aiheuttama tehonsiirtovaikutus johtaa noin 0,02 dB:n tehohäviöön kilometriä kohden pitkäaaltoisilla kanavilla, mikä johtaa jopa 3,5 dB:n tehohäviöön C+L-kaistalla (1530–1625 nm). Reaaliaikainen kaltevuuden kompensointi vaaditaan dynaamisen vahvistuksen taajuuskorjaimen (DGE) avulla.
Näiden fysikaalisten vaikutusten yhdistetty järjestelmän suorituskykyraja voidaan kvantifioida kaistanleveyden ja etäisyyden tulolla (B · L): tyypillisen NRZ-modulaatiojärjestelmän B · L G.655-kuidussa (dispersiokompensoitu kuitu) on noin 18000 (Gb/s) · km, kun taas PDM-QPSK-modulaatiolla ja koherentilla ilmaisutekniikalla tätä lukua voidaan parantaa 280000 (Gb/s) · km:iin (@ SD-FEC-vahvistus 9,5 dB).
Huippuluokan 7-ytiminen x 3-moodinen avaruusjakoinen multipleksointikuitu (SDM) on saavuttanut 15,6 Pb/s · km:n siirtokapasiteetin (yksittäisen kuidun kapasiteetti 1,53 Pb/sx siirtoetäisyys 10,2 km) laboratorio-olosuhteissa heikon kytkentäytimien välisen ylikuulumisen hallinnan (<-40 dB/km) avulla.
Shannonin rajan saavuttamiseksi nykyaikaisten järjestelmien on yhdessä otettava käyttöön todennäköisyysmuunnos (PS-256QAM, jolla saavutetaan 0,8 dB:n muotoiluvahvistus), neuroverkkokorjaus (numerovirhekompensaation tehokkuus parani 37 %) ja hajautettu Raman-vahvistus (DRA, vahvistuksen kaltevuuden tarkkuus ± 0,5 dB) -tekniikoita. Näin voidaan lisätä yhden kantoaallon 400G PDM-64QAM-lähetyksen Q-kerrointa 2 dB:llä (12 dB:stä 14 dB:iin) ja lieventää OSNR-toleranssia 17,5 dB:iin / 0,1 nm:iin (@ BER = 2e-2).
Julkaisun aika: 12. kesäkuuta 2025