Jaka jest graniczna ścieżka przebicia Shannona dla systemów transmisji optycznej?

Jaka jest graniczna ścieżka przebicia Shannona dla systemów transmisji optycznej?

W dążeniu do osiągnięcia większej przepustowości i większego zasięgu transmisji w nowoczesnych systemach komunikacji optycznej, szum, jako podstawowe ograniczenie fizyczne, zawsze hamował poprawę wydajności.

W typowymEDFAW układzie wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego erbem każdy zakres transmisji optycznej generuje około 0,1 dB skumulowanego szumu emisji spontanicznej (ASE), który ma swoje źródło w kwantowej, losowej naturze oddziaływania światła i elektronów podczas procesu wzmacniania.

Ten rodzaj szumu objawia się pikosekundowym jitterem czasowym w dziedzinie czasu. Zgodnie z przewidywaniami modelu jittera, przy współczynniku dyspersji 30 ps/(nm · km), jitter wzrasta o 12 ps podczas transmisji na odległość 1000 km. W dziedzinie częstotliwości prowadzi to do spadku optycznego stosunku sygnału do szumu (OSNR), co skutkuje utratą czułości o 3,2 dB (przy BER = 1e-9) w systemie NRZ 40 Gb/s.

Poważniejsze wyzwanie wynika z dynamicznego sprzężenia nieliniowych efektów światłowodowych i dyspersji – współczynnik dyspersji konwencjonalnego światłowodu jednomodowego (G.652) w oknie 1550 nm wynosi 17 ps/(nm · km), w połączeniu z nieliniowym przesunięciem fazowym spowodowanym przez samomodulację fazy (SPM). Gdy moc wejściowa przekroczy 6 dBm, efekt SPM znacząco zniekształci przebieg impulsu.

1

W systemie PDM-16QAM 960 Gb/s pokazanym na powyższym rysunku, otwarcie oczu po transmisji na odległość 200 km wynosi 82% wartości początkowej, a współczynnik Q utrzymuje się na poziomie 14 dB (co odpowiada BER ≈ 3e-5). Po zwiększeniu odległości do 400 km, połączony efekt modulacji krzyżowej (XPM) i mieszania czterech fal (FWM) powoduje, że stopień otwarcia oczu gwałtownie spada do 63%, a współczynnik błędów systemu przekracza granicę korekcji błędu FEC wynoszącą 10^-12.

Warto zauważyć, że efekt chirpu częstotliwości lasera z bezpośrednią modulacją (DML) ulegnie pogorszeniu — wartość parametru alfa (współczynnika wzmocnienia szerokości linii) typowego lasera DFB mieści się w zakresie 3–6, a jego natychmiastowa zmiana częstotliwości może osiągnąć ± 2,5 GHz (co odpowiada parametrowi chirp C=2,5 GHz/mA) przy prądzie modulacji 1 mA, co skutkuje współczynnikiem poszerzenia impulsu wynoszącym 38% (skumulowana dyspersja D · L=1360 ps/nm) po transmisji przez 80-kilometrowe włókno G.652.

Przesłuchy międzykanałowe w systemach z multipleksowaniem z podziałem długości fali (WDM) stanowią poważniejsze przeszkody. Biorąc za przykład odstęp międzykanałowy 50 GHz, moc interferencji spowodowana mieszaniem czterofalowym (FWM) ma efektywną długość Leff około 22 km w zwykłych światłowodach.

Przesłuchy międzykanałowe w systemach z multipleksowaniem z podziałem długości fali (WDM) stanowią poważniejsze przeszkody. Biorąc za przykład odstęp międzykanałowy 50 GHz, efektywna długość mocy interferencyjnej generowanej przez mieszanie czterofalowe (FWM) wynosi Leff = 22 km (co odpowiada współczynnikowi tłumienia światłowodu α = 0,22 dB/km).

Po zwiększeniu mocy wejściowej do +15 dBm, poziom przesłuchu między sąsiednimi kanałami wzrasta o 7 dB (w stosunku do poziomu bazowego -30 dB), co wymusza zwiększenie redundancji korekcji błędów w przód (FEC) przez system z 7% do 20%. Efekt transferu mocy wywołany wymuszonym rozpraszaniem Ramana (SRS) powoduje stratę około 0,02 dB na kilometr w kanałach długofalowych, co prowadzi do spadku mocy do 3,5 dB w systemie pasma C+L (1530–1625 nm). Wymagana jest kompensacja nachylenia sygnału w czasie rzeczywistym za pomocą dynamicznego korektora wzmocnienia (DGE).

Granicę wydajności systemu dla tych połączonych efektów fizycznych można określić za pomocą iloczynu szerokości pasma (B · L): B · L typowego systemu modulacji NRZ w światłowodzie G.655 (światłowód z kompensacją dyspersji) wynosi około 18 000 (Gb/s) · km, natomiast dzięki modulacji PDM-QPSK i technologii detekcji koherentnej wskaźnik ten można poprawić do 280 000 (Gb/s) · km (przy wzmocnieniu SD-FEC 9,5 dB).

Najnowocześniejszy 7-rdzeniowy x 3-modowy światłowód z multipleksowaniem przestrzennym (SDM) osiągnął przepustowość 15,6 Pb/s · km (przepustowość pojedynczego włókna 1,53 Pb/s x odległość transmisji 10,2 km) w warunkach laboratoryjnych dzięki kontroli przesłuchów międzyrdzeniowych przy słabym sprzężeniu (<-40 dB/km).

Aby zbliżyć się do granicy Shannona, nowoczesne systemy muszą wspólnie przyjąć technologie kształtowania prawdopodobieństwa (PS-256QAM, osiągając wzmocnienie kształtowania 0,8 dB), wyrównywania sieci neuronowych (sprawność kompensacji NL poprawiona o 37%) i rozproszonego wzmocnienia Ramana (DRA, dokładność nachylenia wzmocnienia ± 0,5 dB) w celu zwiększenia współczynnika Q pojedynczej nośnej transmisji 400G PDM-64QAM o 2 dB (z 12 dB do 14 dB) i złagodzenia tolerancji OSNR do 17,5 dB/0,1 nm (@ BER=2e-2).


Czas publikacji: 12 czerwca 2025 r.

  • Poprzedni:
  • Następny: