Ve snaze o vyšší kapacitu a delší přenosovou vzdálenost v moderních optických komunikačních systémech vždy omezoval šum jako základní fyzikální omezení zlepšení výkonu.
V typickémEDFAV systému zesilovače s vlákny dopovanými erbiem generuje každý rozsah optického přenosu přibližně 0,1 dB akumulovaného spontánního emisního šumu (ASE), který má kořeny v kvantově náhodné povaze interakce světla a elektronu během procesu zesilování.
Tento typ šumu se v časové doméně projevuje jako jitter na úrovni pikosekund. Podle predikce modelu jitteru se za podmínky disperzního koeficientu 30 ps/(nm · km) jitter při přenosu na 1000 km zvyšuje o 12 ps. Ve frekvenční doméně vede ke snížení optického poměru signálu k šumu (OSNR), což má za následek ztrátu citlivosti o 3,2 dB (@ BER=1e-9) v systému NRZ s rychlostí 40 Gb/s.
Závažnější problém představuje dynamické propojení nelineárních efektů a disperze vlákna – disperzní koeficient konvenčního jednomódového vlákna (G.652) v okně 1550 nm je 17 ps/(nm · km) v kombinaci s nelineárním fázovým posunem způsobeným fázovou modulací (SPM). Když vstupní výkon překročí 6 dBm, efekt SPM výrazně zkreslí pulzní tvar vlny.
V systému PDM-16QAM s rychlostí 960 Gb/s, který je znázorněn na výše uvedeném obrázku, je rozevření oka po přenosu 200 km 82 % počáteční hodnoty a faktor Q se udržuje na 14 dB (což odpovídá BER ≈ 3e-5); při prodloužení vzdálenosti na 400 km způsobí kombinovaný efekt fázové modulace (XPM) a čtyřvlnného míchání (FWM) prudký pokles stupně rozevření oka na 63 % a míra chybovosti systému překročí limit korekce chyb FEC pro hard decision 10^-12.
Za zmínku stojí, že se zhorší frekvenční cvrlikání laseru s přímou modulací (DML) - hodnota parametru alfa (faktor zesílení šířky čáry) typického DFB laseru je v rozsahu 3-6 a jeho okamžitá změna frekvence může dosáhnout ± 2,5 GHz (což odpovídá parametru cvrlikání C=2,5 GHz/mA) při modulačním proudu 1 mA, což má za následek míru rozšíření pulzu 38 % (kumulativní disperze D · L=1360 ps/nm) po přenosu 80km vláknem G.652.
Přeslechy kanálů v systémech s vlnovým multiplexováním (WDM) představují hlubší překážky. Vezměme-li jako příklad kanálovou rozteč 50 GHz, interferenční výkon způsobený čtyřvlnným směšováním (FWM) má v běžných optických vláknech efektivní délku Leff přibližně 22 km.
Přeslechy kanálů v systémech s vlnovým multiplexováním (WDM) představují hlubší překážky. Vezměme-li jako příklad rozteč kanálů 50 GHz, efektivní délka interferenčního výkonu generovaného čtyřvlnným směšováním (FWM) je Leff = 22 km (což odpovídá koeficientu útlumu vlákna α = 0,22 dB/km).
Když se vstupní výkon zvýší na +15 dBm, úroveň přeslechů mezi sousedními kanály se zvýší o 7 dB (oproti základní hodnotě -30 dB), což nutí systém zvýšit redundanci dopředné korekce chyb (FEC) ze 7 % na 20 %. Efekt přenosu výkonu způsobený stimulovaným Ramanovým rozptylem (SRS) má za následek ztrátu přibližně 0,02 dB na kilometr v kanálech s dlouhými vlnovými délkami, což vede k poklesu výkonu až o 3,5 dB v pásmu C+L (1530–1625 nm). Je vyžadována kompenzace sklonu v reálném čase pomocí dynamického ekvalizéru zisku (DGE).
Limit výkonu systému v důsledku těchto fyzikálních efektů lze kvantifikovat pomocí součinu šířky pásma a vzdálenosti (B · L): B · L typického modulačního systému NRZ ve vlákně G.655 (vlákno s kompenzací disperze) je přibližně 18 000 (Gb/s) · km, zatímco s modulací PDM-QPSK a technologií koherentní detekce lze tento ukazatel zlepšit na 280 000 (Gb/s) · km (@ zisk SD-FEC 9,5 dB).
Špičkové 7jádrové 3-módové optické vlákno s prostorovým multiplexováním (SDM) dosáhlo v laboratorním prostředí přenosové kapacity 15,6 Pb/s · km (kapacita jednoho vlákna 1,53 Pb/sx přenosová vzdálenost 10,2 km) díky slabé vazbě a regulaci přeslechů mezi jádry (<-40 dB/km).
Aby se moderní systémy přiblížily Shannonovu limitu, musí společně zavést technologie tvarování pravděpodobnosti (PS-256QAM, dosažení zesílení tvarování 0,8 dB), vyrovnávání neuronových sítí (účinnost kompenzace NL zlepšena o 37 %) a distribuovaného Ramanova zesílení (DRA, přesnost sklonu zesílení ± 0,5 dB), aby se zvýšil Q faktor přenosu s jednou nosnou 400G PDM-64QAM o 2 dB (z 12 dB na 14 dB) a uvolnila se tolerance OSNR na 17,5 dB/0,1 nm (@ BER=2e-2).
Čas zveřejnění: 12. června 2025