増幅、OSNR と DWDM スパンの限界

CWDM リンクは、受信器に届く光がなくなったところで終わります。DWDM リンクはそうではありません — 増幅器が 80 km ごとに光を足すからです — そのため限界の性質が異なります。ノイズです。増幅器はどれも自然放出光を加え、それが十分に積み重なると、信号は依然として強いままでも、もはやクリーンではなくなります。この指標がOSNR（光信号対雑音比）です。設計上の課題は、変調方式が必要とする値より OSNR を高く保ちながら、光ファイバーの非線形性が効き始めるパワーより低く抑え、なおかつ分散を管理可能な範囲に収めることです。このページでは、そのための手法と数値を示します。

増幅器の種類

増幅器	バンド	利得	出力	雑音指数	用途
EDFA（エルビウム添加光ファイバー）	C（1530–1565 nm）、L（1565–1625 nm）	15–35 dB	総出力 +17 … +23 dBm	4.5–6 dB	合波器の後段のブースター、60–100 km ごとのインライン、分波器の前段の前置増幅器
ラマン（分布形）	任意（励起波長で決まる、信号より ~100 nm 短い）	伝送用光ファイバー中に分布した利得 10–15 dB	—	EDFA と組み合わせた場合、実効雑音指数は負にもなり得る	長スパン、低 OSNR の改善用。励起パワーが高い（0.5–1 W）ため安全面に注意
SOA	O バンドほか	10–20 dB	低い	7–9 dB	O バンドシステム、受信器（SOA アシスト受信器を参照）
ラマン／EDFA ハイブリッド	C/L	—	—	改善される	超長スパン

EDFA の利得は平坦ではありません。利得平坦化フィルターとチルト制御により、40–96 チャネルの差が ~1 dB 以内に収まります。動的利得制御は、チャネルが追加・削除されたときに出力を一定に保ちます（過渡応答）。980/1480 nm の励起レーザーがエルビウムを励起しており、これが増幅器の中で消耗する部品です。

OSNR

OSNR は、基準帯域幅（0.1 nm ≈ 12.5 GHz）における信号パワーと ASE ノイズパワーの比を dB で表したものです。同一のスパンが N 個連なる場合、次のようになります。

OSNR ≈ 58 + P_ch − NF − L_span − 10·log10(N)     [dB, 0.1 nm]
  P_ch   = launch power per channel into the fibre, dBm
  NF     = amplifier noise figure, dB
  L_span = span loss, dB
  N      = number of spans (amplifiers)

例：P_ch = +1 dBm、NF = 5.5 dB、80 km スパン（0.22 dB/km）+ コネクター 2 dB = 19.6 dB、N = 8 → OSNR ≈ 58 + 1 − 5.5 − 19.6 − 9 ≈ 24.9 dB。

フォーマット	レート	必要 OSNR の目安（0.1 nm）、dB	備考
10G NRZ、FEC なし	10G	18–20	レガシー
10G NRZ、FEC あり（OTU2、GFEC）	10.7G	11–13	符号化利得 ~6 dB
100G DP-QPSK コヒーレント、SD-FEC	100G	12–15	非常に堅牢
200G DP-16QAM	200G	18–21	—
400G DP-16QAM（400ZR）	400G、60 GBd	≥ 26（400ZR の規定値）	増幅時の伝送距離 120 km
400G ZR+（8QAM／QPSK）	300G / 200G	20 / 14	容量を犠牲に伝送距離を延ばす

設計マージン：必要 OSNR に、経年劣化・チルト・PMD 分として 2–3 dB を加えます。上記の例では、100G QPSK には余裕がありますが 400ZR はぎりぎりです → 400G の場合は、スパン数を減らす、送出パワーを上げる、NF を下げる、あるいはラマンを使うといった対策が必要です（コヒーレントと長距離伝送を参照）。

送出パワーと非線形性

P_ch を上げると、その分だけ OSNR も向上します — 光ファイバーのカー非線形性がパワーを歪みに変え始めるまでは。

効果	機構	症状	軽減策
SPM — 自己位相変調	チャネル自身の強度がその位相を変調する	スペクトル広がり、分散との相互作用	チャネルあたりのパワーを制限する
XPM — 相互位相変調	隣接チャネルの強度が、あるチャネルの位相を変調する	50 GHz グリッドでのクロストーク	分散管理、チャネル間隔の調整
FWM — 四光波混合	チャネルが混合して新たな周波数を生む	等間隔グリッドでのゴーストチャネル	不等間隔配置、分散 ≠ 0（DSF ではなく G.655/G.652）
SBS／SRS — ブリルアン散乱／ラマン散乱	チャネルあたりの高パワー／バンドのチルト	パワー上限、バンド全体のチルト	ディザリング、チルト制御

実用的なチャネルあたりの送出パワー：G.652 上のコヒーレント 100G 以上で−2 … +3 dBm、10G で 0 … +3 dBm。最適値は、非線形ペナルティが OSNR の向上分と釣り合う点です。

分散

種類	G.652 での値	影響	対処法
波長分散（CD）	1550 nm で ≈ 17 ps/(nm·km)	パルス広がり。10G NRZ は補償なしで ~800–1000 ps/nm（≈ 60 km）まで許容	DCF モジュール（分散補償ファイバー、損失が増える）、FBG コンペンセーター、またはコヒーレントシステムでは DSP が電気的に数万 ps/nm を補償する
偏波モード分散（PMD）	現行の光ファイバーで 0.1–0.5 ps/√km、旧世代ではさらに悪い	ランダムで時間変動する。40G 以上の直接検波で問題になる	コヒーレント DSP が追跡する。直接検波の 40G では低 PMD の光ファイバーが必要だった
分散スロープ	—	補償は1つの波長でのみ正確	スロープ整合 DCF

そのため直接検波の DWDM（10G、一部の 25G）では、増幅器サイトに DCF を配置した分散マップが必要です。コヒーレントリンクには不要であり、これによって設計上の1つの層がまるごと不要になりました（DWDM の構成部品を参照）。

スパン設計チェックリスト

光ファイバーの種類、長さ、1550 nm でのスパンごとの実測損失（OTDR）。
チャネル数、グリッド、フォーマット → 必要 OSNR と非線形限界。
増幅器の配置：ブースター、60–100 km ごとのインライン（スパン損失 15–25 dB）、前置増幅器。
チャネルあたりの送出パワー、チルトと過渡応答制御の設定。
分散マップ（直接検波）、または DSP 性能の確認（コヒーレント）。
試運転時のチャネルごとの受信 OSNR と FEC 前 BER — システムの生涯を通じたベースラインになります（VDM と FEC 指標を参照）。
保護と監視：OSC、チャネルごとのパワーモニター、OTDR アクセス。

プラガブルの位置づけ

波長可変 10G DWDM SFP+ や 400ZR QSFP-DD は、このシステムの1チャネルにすぎません。その DDM は自身の Tx と、分波後の合計または個別チャネルの Rx を示します。増幅器と OSNR は、FEC 前 BER（コヒーレントモジュールでは VDM）を通じる以外、モジュールからは見えません。Rx パワーは正常なのに BER が悪いモジュールは、まさに OSNR の限界が表れている状態です（波長可変トランシーバーを参照）。

CodingBox では

CodingBox は、スパンのモジュール側を読み取ります。チャネル／波長、送出パワー、Rx パワー、そしてコヒーレント CMIS モジュールについては VDM の観測値（OSNR 推定値、FEC 前 BER、CD、DGD、Q 値）を DDM に表示します。これらを試運転時のベースラインと比較すれば、劣化がモジュール側にあるのか線路側にあるのかが分かります。

これらの増幅器がつなぐスパンにおける波長分散、PMD、分散補償については分散と帯域幅を参照してください。

OSNR を稼ぐために送出パワーを単純に上げられない理由 — SPM、XPM、FWM、ブリルアン散乱とラマン散乱の限界、チャネルあたりの最適パワーと軽減策については非線形効果を参照してください。

インフラとしての増幅の見方 — EDFA、ラマン、SOA、OEO の比較、それぞれの設置位置、増幅された線路の運用に求められることについては増幅と再生を参照してください。

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