ปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้น: SPM, XPM, FWM, บริลลูอิน และรามาน

การลดทอนและดิสเพอร์ชันเป็นปรากฏการณ์เชิงเส้น: การเพิ่มกำลังเป็นสองเท่าทำให้เอาต์พุตเพิ่มเป็นสองเท่า และไม่มีอะไรอื่นเปลี่ยนแปลง เมื่อเกินกำลังไม่กี่มิลลิวัตต์ต่อช่องสัญญาณในแกนขนาด 9 µm แก้วจะหยุดมีพฤติกรรมเชิงเส้น — ดัชนีหักเหเริ่มขึ้นอยู่กับความเข้มแสง และแสงเริ่มกระเจิงออกจากการสั่นสะเทือนเชิงเสียงและเชิงโมเลกุลที่มันกระตุ้นขึ้นเอง ในช่วง 10G ช่วงเดียว ปรากฏการณ์นี้มองไม่เห็น ในระบบ DWDM ที่มีตัวขยายสัญญาณและ 80 ช่องสัญญาณตลอดระยะ 1 000 km ปรากฏการณ์นี้เป็นตัวกำหนดกำลังป้อนแสงสูงสุด และด้วยเหตุนี้จึงกำหนดระยะส่งด้วย หน้านี้อธิบายปรากฏการณ์ทั้งห้าอย่าง แต่ละอย่างมีผลเมื่อใด วัดปริมาณอย่างไร และระบบถูกออกแบบมารับมือกับปรากฏการณ์เหล่านี้อย่างไร

เหตุใดใยแก้วนำแสงจึงไม่เชิงเส้นเลย

ปริมาณ	ค่าใน G.652	ความหมาย
สัมประสิทธิ์เคอร์ n₂	≈ 2.6 × 10⁻²⁰ m²/W	ดัชนีหักเหเพิ่มขึ้นตามความเข้มแสง: n = n₀ + n₂·I
พื้นที่ประสิทธิผล A_eff	≈ 80 µm² (G.652), 110–150 µm² (G.654.E)	ความเข้มแสง = กำลัง ÷ พื้นที่ — แกนขนาดเล็กทำให้แสงรวมตัวกันหนาแน่นขึ้น
สัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้น γ = 2πn₂/(λ·A_eff)	≈ 1.3 W⁻¹km⁻¹ (G.652 ที่ 1550 nm), ≈ 0.7 (G.654.E)	การเลื่อนเฟสต่อวัตต์ต่อกิโลเมตร
ความยาวประสิทธิผล L_eff = (1 − e^(−αL))/α	≈ 20 km สำหรับช่วงยาวที่ 0.2 dB/km	ปรากฏการณ์เหล่านี้สะสมตัวส่วนใหญ่ในระยะไม่กี่สิบกิโลเมตรแรกหลังตัวขยายสัญญาณแต่ละตัว
กำลังป้อนแสงทั่วไปต่อช่องสัญญาณ	0 … +3 dBm (1–2 mW) สำหรับ DWDM; สูงถึง +10 dBm สำหรับช่องสัญญาณเดียว	เฟสไม่เชิงเส้น φ_NL = γ·P·L_eff ≈ 0.03–0.3 rad ต่อช่วง

ปรากฏการณ์เคอร์

ปรากฏการณ์	กลไก	อาการ	แย่ที่สุดเมื่อ
การมอดูเลตเฟสตัวเอง (SPM)	ความเข้มแสงของพัลส์เองเปลี่ยนเฟสของตัวมันเอง → เชิร์ป → การขยายกว้างของสเปกตรัม; มีปฏิสัมพันธ์กับดิสเพอร์ชันแบบโครมาติก	การปิดของไดอะแกรมตา ความผิดเพี้ยนของพัลส์; ในระบบโคฮีเรนต์คือพื้นสัญญาณรบกวนเฟสแบบไม่เชิงเส้น	กำลังสูง ช่วงจำนวนมาก ดิสเพอร์ชันต่ำ
การมอดูเลตเฟสไขว้ (XPM)	ความเข้มแสงของช่องสัญญาณข้างเคียงมอดูเลตเฟสของช่องสัญญาณหนึ่ง	จิตเตอร์ด้านเวลาและสัญญาณรบกวนเฟสจากช่องสัญญาณอื่น	การเว้นระยะช่องสัญญาณแน่น (50 GHz), ดิสเพอร์ชันเฉพาะที่ต่ำ, ช่องสัญญาณจำนวนมาก
การผสมสี่คลื่น (FWM)	ความถี่สามความถี่สร้างความถี่ที่สี่ขึ้นที่ f₁ + f₂ − f₃; ผลผลิตจากการผสมตกลงบนช่องสัญญาณอื่น	ครอสทอล์กที่เพิ่มขึ้นตามกำลัง³	D ≈ 0 (ใยแก้วนำแสง G.653), ระยะห่างช่องสัญญาณเท่ากัน, กำลังสูง

ดิสเพอร์ชันเฉพาะที่ช่วยได้: ทำให้พัลส์ของช่องสัญญาณต่าง ๆ เคลื่อนผ่านกันไป จน XPM/FWM หักล้างกันโดยเฉลี่ย — จึงเป็นเหตุผลที่ G.655 (D ค่าน้อยแต่ไม่เป็นศูนย์) เข้ามาแทน G.653 สำหรับ DWDM และ G.652 (D = 17) ร่วมกับการชดเชยดิสเพอร์ชันหรือ DSP แบบโคฮีเรนต์ ก็เป็นตัวเลือกที่นิยมในปัจจุบัน (ชนิดใยแก้วนำแสง)

ปรากฏการณ์การกระเจิง

ปรากฏการณ์	กลไก	ค่าเกณฑ์	อาการ	เกิดที่ไหน
การกระเจิงบริลลูอินแบบถูกกระตุ้น (SBS)	แสงสร้างคลื่นเสียงที่สะท้อนแสงนั้นกลับไปทางด้านหลัง โดยเลื่อนความถี่ไป ≈ 11 GHz	≈ +6 … +10 dBm สำหรับแหล่งกำเนิดแบบ CW ที่มีความกว้างเส้นสเปกตรัมแคบ ในเส้น SMF ยาว (ยิ่งเส้นแคบยิ่งมีค่าต่ำกว่านี้)	กำลังไปข้างหน้าอิ่มตัว แสงย้อนกลับแรง สัญญาณรบกวน	เลเซอร์ CW: การซ้อนสัญญาณวิดีโอแอนะล็อกที่ 1550 nm (+17 dBm) และปั๊ม Raman; บรรเทาได้ด้วย การขยายความกว้างเส้นสเปกตรัม / การสั่นดิเธอร์ (ตัวส่งสัญญาณส่วนใหญ่ทำเช่นนี้)
การกระเจิงรามานแบบถูกกระตุ้น (SRS)	โฟตอนสูญเสียพลังงานให้กับการสั่นสะเทือนของโมเลกุล (การเลื่อนสโตกส์ ≈ 13 THz ≈ 100 nm)	กำลังรวมเกิน ≈ +20 … +25 dBm ตลอดแบนด์กว้าง	ความเอียงของกำลัง: ช่องสัญญาณความยาวคลื่นสั้นปั๊มพลังงานให้ช่องสัญญาณความยาวคลื่นยาว — แบนด์ C ป้อนพลังงานให้แบนด์ L	DWDM แบนด์กว้าง (C+L); จัดการด้วยการเน้นสัญญาณล่วงหน้าและการควบคุมความเอียงของเกน; ใช้โดยตั้งใจใน ตัวขยายสัญญาณรามาน (การขยายสัญญาณและ OSNR)

ความไม่เชิงเส้นมีผลที่ไหน — และไม่มีผลที่ไหน

ระบบ	ค่าปรับจากความไม่เชิงเส้น	แนวทางออกแบบรับมือ
ช่วง 10G LR/ER เดี่ยว, −8 … +4 dBm	ไม่มี	ไม่ต้องสนใจ
PON ขาลง +3 … +7 dBm, 20 km	ไม่มี (ค่าเผื่อ SBS เพียงพอ)	ไม่ต้องสนใจ; การซ้อนสัญญาณวิดีโอที่ +17 dBm ใช้การระงับ SBS
DWDM 10G, 40 ช่อง, 8 × 80 km พร้อม EDFA	XPM/FWM บน G.655, SPM ทุกที่	กำลังป้อนแสง −2 … +1 dBm/ช่อง, แผนที่ดิสเพอร์ชัน, ระยะห่างไม่เท่ากันบน DSF
DWDM แบบโคฮีเรนต์ 100G/400G, 80+ ช่อง, 1 000+ km	สัญญาณรบกวนเฟสแบบไม่เชิงเส้นจำกัดผลกำไร OSNR ที่ได้จากกำลัง	กำลังป้อนแสงที่เหมาะสมที่สุด ≈ 0 … +2 dBm/ช่อง บน G.652, +3 … +5 บน G.654.E; วางแผนด้วยโมเดล GN
400ZR แบบถอดเสียบได้, ช่วงเดี่ยว ≤ 120 km	เล็กน้อย	กำลังป้อนแสง −10 … 0 dBm; ถูกจำกัดโดยการสูญเสีย
ใต้น้ำ 10 000 km	เป็นปัจจัยหลัก	ใยแก้วนำแสง G.654 ที่มี A_eff ขนาดใหญ่, กำลังป้อนแสงต่ำ, ตัวทวนสัญญาณจำนวนมาก, C+L
ช่วงที่ขยายสัญญาณด้วยรามาน	ปั๊มที่ +27 … +30 dBm	ความสะอาดของคอนเนกเตอร์และความปลอดภัยสำคัญอย่างยิ่ง (ความปลอดภัยและการจัดการ)

กฎ: ปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นจะปรากฏขึ้นเมื่อ กำลังต่อช่องสัญญาณ × จำนวนช่วง มีค่าสูง ช่วงเดียวที่กำลังปานกลางจะไม่แสดงปรากฏการณ์เหล่านี้เลย

การวัดปริมาณ: การแลกเปลี่ยนระหว่าง OSNR กับกำลัง

OSNR ดีขึ้น 1 dB ทุก ๆ 1 dB ของกำลังป้อนแสง (ย่านเชิงเส้น)
สัญญาณรบกวนจากการรบกวนไม่เชิงเส้น (NLI) เพิ่มขึ้นตามกำลัง³ — คือเพิ่มขึ้น +3 dB ของสัญญาณรบกวนต่อทุก +1 dB ของกำลังป้อนแสง
ผลรวมมีจุดที่เหมาะสมที่สุด: ค่าเกณฑ์ไม่เชิงเส้น ซึ่งเป็นจุดที่สัญญาณรบกวน ASE เชิงเส้นเท่ากับ NLI ระบบถูกวางแผนให้อยู่ต่ำกว่าจุดนั้น 1–2 dB โมเดลสัญญาณรบกวนแบบเกาส์เซียน (GN) ประมาณค่า NLI จาก γ, D, ความยาวช่วง, จำนวนช่องสัญญาณ และระยะห่าง; เครื่องมือวางแผนทำการคำนวณนี้ตามแต่ละเส้นทาง
DSP แบบโคฮีเรนต์สามารถย้อนแก้ SPM ได้บางส่วน (การแพร่กระจายย้อนกลับเชิงดิจิทัล) แต่แก้ XPM/FWM จากช่องสัญญาณอื่นไม่ได้

สรุปวิธีบรรเทาผล

วิธี	เป้าหมาย	ใช้ใน
รักษากำลังป้อนแสงให้ใกล้จุดที่เหมาะสมที่สุด (0 … +3 dBm/ช่อง)	ปรากฏการณ์เคอร์ทั้งหมด	การออกแบบ DWDM ทุกแบบ
ดิสเพอร์ชันเฉพาะที่ไม่เป็นศูนย์ (G.652 / G.655 แทน G.653)	FWM, XPM	การเลือกชนิดใยแก้วนำแสง
การจัดการดิสเพอร์ชัน (แผนที่ DCM)	ปฏิสัมพันธ์ SPM/XPM	DWDM 10G
ใยแก้วนำแสงพื้นที่ประสิทธิผลขนาดใหญ่ (G.654.E)	ทั้งหมด (γ ต่ำกว่า)	ระยะไกลรุ่นใหม่
ระยะห่างช่องสัญญาณไม่เท่ากัน	FWM	เส้นทาง DSF รุ่นเก่า
การสั่นดิเธอร์ความกว้างเส้นสเปกตรัม	SBS	CW แอนะล็อก, ปั๊ม
การชดเชยความเอียงของเกน, การเน้นสัญญาณล่วงหน้า	SRS	DWDM แบนด์กว้าง
DSP แบบโคฮีเรนต์พร้อม NLC	SPM	ระยะไกล 400G ขึ้นไป
การขยายสัญญาณรามานแบบกระจาย	(ใช้ SRS) ลดกำลังป้อนแสงที่ต้องใช้	ช่วงยาวมากพิเศษ

ใน CodingBox

ปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นอยู่ในระบบสายส่ง ไม่ใช่ในหน่วยความจำของโมดูล — แต่ กำลัง Tx ที่โมดูลระบุไว้ และผังช่องสัญญาณสำหรับโมดูล DWDM แบบปรับความยาวคลื่นได้ คือข้อมูลนำเข้าที่ผู้วางแผนต้องใช้ CodingBox แสดงช่วงกำลัง Tx และฟิลด์ความยาวคลื่น/ช่องสัญญาณ เพื่อให้งบประมาณกำลังป้อนแสงต่อช่องสัญญาณเริ่มต้นจากตัวเลขจริง (Check transceiver, ทรานซีฟเวอร์แบบปรับความยาวคลื่นได้)

หากพบข้อมูลที่ไม่ถูกต้องหรือข้อผิดพลาดในบทความนี้ ให้เลือกข้อความส่วนนั้นแล้วกด Ctrl+Enter เพื่อ