非線形効果：SPM、XPM、FWM、ブリルアン散乱とラマン散乱

減衰と分散は線形です。パワーを 2 倍にすれば出力も 2 倍になり、それ以外は何も変わりません。 9 µm コアでチャネルあたり数ミリワットを超えると、ガラスは線形でなくなります — 屈折率が強度に依存し始め、光は自らが励起する音響振動や分子振動によって散乱し始めます。単一の 10G スパンではこれは見えませんが、80 チャネルを 1 000 km にわたって増幅する DWDM システムでは、これが最大送出パワー、ひいては伝送距離を決めます。このページでは五つの効果、それぞれが効いてくる場面、それらの定量化方法、そしてシステムがそれらを踏まえてどう設計されるかを説明します。

そもそもファイバーが非線形になる理由

カー効果

局所分散は助けになります。異なるチャネルのパルスを互いにすれ違わせることで XPM/FWM を平均化するためです — これが DWDM において G.653 が G.655（小さな非ゼロの D）に置き換えられた理由であり、現在では分散補償やコヒーレント DSP を伴う G.652（D = 17）が好まれる理由でもあります（ファイバー種別）。

散乱効果

非線形性が効く場面、効かない場面

原則: 非線形効果はチャネルあたりのパワー × スパン数が大きくなったときに現れます。中程度のパワーでの単一スパンでは決して現れません。

定量化：OSNR とパワーのトレードオフ

• OSNR は送出パワー 1 dB ごとに 1 dB 改善します（線形領域）。
• 非線形干渉（NLI）ノイズはパワーの 3 乗で増加します — 送出 +1 dB ごとにノイズは +3 dB。
• 両者の和には最適点があります。線形の ASE ノイズと NLI が等しくなる非線形しきい値で、システムはその 1–2 dB 下で設計されます。ガウスノイズ（GN）モデルは γ、D、スパン長、チャネル数、チャネル間隔から NLI を推定します。設計ツールはこれをルートごとに行います。
• コヒーレント DSP は SPM の一部を打ち消せますが（デジタル逆伝搬）、他チャネルからの XPM/FWM は打ち消せません。

軽減策のまとめ

CodingBox では

非線形効果はモジュールのメモリではなく回線システムの中に存在しますが、モジュールが申告するTx power、そして波長可変 DWDM モジュールの場合はチャネルプランが、設計者にとって必要な入力になります。CodingBox は Tx power の範囲と波長/チャネルのフィールドを表示するため、チャネルごとの送出バジェットは実際の数値から始められます（Check transceiver、 波長可変トランシーバー）。