V prizadevanju za večjo zmogljivost in daljšo prenosno razdaljo v sodobnih optičnih komunikacijskih sistemih je šum kot temeljna fizična omejitev vedno omejeval izboljšanje zmogljivosti.
V tipičnemEDFAV sistemu ojačevalnika z vlakni, dopiranim z erbijem, vsak optični prenosni razpon ustvari približno 0,1 dB akumuliranega spontanega emisijskega šuma (ASE), ki izvira iz kvantne naključne narave interakcije svetlobe/elektrona med procesom ojačevanja.
Ta vrsta šuma se v časovni domeni kaže kot pikosekundno časovno tresenje. Glede na napoved modela tresenja se pri pogoju disperzijskega koeficienta 30 ps/(nm · km) tresenje pri prenosu na 1000 km poveča za 12 ps. V frekvenčni domeni to povzroči zmanjšanje optičnega razmerja signal/šum (OSNR), kar povzroči izgubo občutljivosti za 3,2 dB (@ BER=1e-9) v sistemu NRZ s hitrostjo 40 Gbps.
Resnejši izziv predstavlja dinamična sklopitev nelinearnih učinkov vlaken in disperzije – disperzijski koeficient konvencionalnega enomodnega vlakna (G.652) v oknu 1550 nm znaša 17 ps/(nm · km), skupaj z nelinearnim faznim premikom, ki ga povzroča samofazna modulacija (SPM). Ko vhodna moč preseže 6 dBm, učinek SPM znatno popači valovno obliko impulza.
V sistemu PDM-16QAM s hitrostjo 960 Gbps, prikazanem na zgornji sliki, je odprtina očesa po prenosu 200 km 82 % začetne vrednosti, faktor Q pa se ohranja pri 14 dB (kar ustreza BER ≈ 3e-5); ko se razdalja podaljša na 400 km, kombinirani učinek navzkrižne fazne modulacije (XPM) in mešanja štirih valov (FWM) povzroči, da se stopnja odprtine očesa močno zmanjša na 63 %, stopnja sistemskih napak pa preseže mejo popravka napak FEC za trdo odločitev, ki znaša 10 ^ -12.
Omeniti velja, da se bo učinek frekvenčnega čirpa laserja z direktno modulacijo (DML) poslabšal - vrednost parametra alfa (faktor izboljšanja širine črte) tipičnega DFB laserja je v območju 3-6, njegova trenutna sprememba frekvence pa lahko doseže ± 2,5 GHz (kar ustreza parametru čirpa C = 2,5 GHz/mA) pri modulacijskem toku 1 mA, kar povzroči 38-odstotno stopnjo širitve impulza (kumulativna disperzija D · L = 1360 ps/nm) po prenosu skozi 80 km dolgo vlakno G.652.
Presluh kanalov v sistemih z valovno delitvenim multipleksiranjem (WDM) predstavlja globlje ovire. Če za primer vzamemo razmik med kanali pri 50 GHz, ima moč interference, ki jo povzroča mešanje štirih valov (FWM), v običajnih optičnih vlaknih efektivno dolžino Leff približno 22 km.
Presluh kanalov v sistemih z valovno delitvenim multipleksiranjem (WDM) predstavlja globlje ovire. Če za primer vzamemo razmik kanalov pri 50 GHz, je efektivna dolžina interferenčne moči, ki jo ustvari štirivalovno mešanje (FWM), Leff = 22 km (kar ustreza koeficientu slabljenja vlaken α = 0,22 dB/km).
Ko se vhodna moč poveča na +15 dBm, se raven presluha med sosednjimi kanali poveča za 7 dB (glede na osnovno vrednost -30 dB), zaradi česar mora sistem povečati redundanco za odpravo napak naprej (FEC) s 7 % na 20 %. Učinek prenosa moči, ki ga povzroča stimulirano Ramanovo sipanje (SRS), povzroči izgubo približno 0,02 dB na kilometer v kanalih z dolgimi valovnimi dolžinami, kar v sistemu pasu C+L (1530–1625 nm) povzroči padec moči do 3,5 dB. Potrebna je kompenzacija naklona v realnem času z dinamičnim izenačevalnikom ojačanja (DGE).
Omejitev delovanja sistema zaradi teh fizikalnih učinkov skupaj je mogoče količinsko opredeliti s produktom pasovne širine in razdalje (B · L): B · L tipičnega modulacijskega sistema NRZ v vlaknu G.655 (optično vlakno s kompenzirano disperzijo) je približno 18000 (Gb/s) · km, medtem ko se z modulacijo PDM-QPSK in tehnologijo koherentnega zaznavanja ta kazalnik lahko izboljša na 280000 (Gb/s) · km (@ SD-FEC gain 9,5dB).
Najsodobnejše 7-jedrno x 3-modno optično vlakno za prostorsko multipleksiranje (SDM) je v laboratorijskih okoljih doseglo prenosno zmogljivost 15,6 Pb/s · km (zmogljivost enega vlakna 1,53 Pb/sx na razdaljo prenosa 10,2 km) zaradi šibke sklopitve med jedrnim nadzorom presluha (<-40 dB/km).
Da bi se približali Shannonovi meji, morajo sodobni sistemi skupaj sprejeti tehnologije oblikovanja verjetnosti (PS-256QAM, doseganje ojačanja oblikovanja 0,8 dB), izenačevanja nevronskih mrež (učinkovitost kompenzacije NL se izboljša za 37 %) in porazdeljenega Ramanskega ojačanja (DRA, natančnost naklona ojačanja ± 0,5 dB), da bi povečali faktor Q prenosa 400G PDM-64QAM z enim nosilcem za 2 dB (z 12 dB na 14 dB) in sprostili toleranco OSNR na 17,5 dB/0,1 nm (@ BER=2e-2).
Čas objave: 12. junij 2025