การขยายสัญญาณ, OSNR และขีดจำกัดของช่วงสาย DWDM

ลิงก์ CWDM จบลงตรงจุดที่ตัวรับไม่มีแสงเหลือพอ ส่วนลิงก์ DWDM ไม่เป็นเช่นนั้น เพราะตัวขยายสัญญาณเติมแสงเข้าไปทุก 80 km ขีดจำกัดของมันจึงต่างออกไปคือ สัญญาณรบกวน ตัวขยายสัญญาณทุกตัวเพิ่มการปลดปล่อยแสงเองเข้ามา และเมื่อผ่านตัวขยายสัญญาณมากพอ สัญญาณจะยังแรงอยู่แต่ไม่สะอาดอีกต่อไป ตัวชี้วัดคือ OSNR (อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนเชิงแสง) งานออกแบบคือรักษาค่านี้ให้สูงกว่าที่รูปแบบมอดูเลชันต้องการ ในขณะที่กำลังยังต่ำกว่าระดับที่ความไม่เป็นเชิงเส้นของใยแก้วนำแสงเริ่มส่งผล และดิสเพอร์ชันยังอยู่ในระดับที่จัดการได้ เพจนี้รวบรวมเครื่องมือและตัวเลขที่ใช้

ชนิดของตัวขยายสัญญาณ

ตัวขยายสัญญาณ	แบนด์	เกน	เอาต์พุต	ตัวประกอบสัญญาณรบกวน	ตำแหน่ง
EDFA (ใยแก้วนำแสงเจือเออร์เบียม)	C (1530–1565 nm), L (1565–1625 nm)	15–35 dB	+17 … +23 dBm รวม	4.5–6 dB	บูสเตอร์หลังมัลติเพล็กเซอร์, อินไลน์ทุก 60–100 km, ตัวขยายสัญญาณก่อนหน้าดีมัลติเพล็กเซอร์
Raman (แบบกระจาย)	แบนด์ใดก็ได้ ขึ้นกับความยาวคลื่นปั๊ม (~100 nm ต่ำกว่าสัญญาณ)	เกนแบบกระจาย 10–15 dB ในใยแก้วนำแสงสายส่งสัญญาณ	—	ตัวประกอบสัญญาณรบกวนที่ใช้งานจริงอาจติดลบได้เมื่อใช้ร่วมกับ EDFA	สแปนยาว, การอัปเกรดที่ OSNR ต่ำ; กำลังปั๊มสูง (0.5–1 W) ต้องระวังความปลอดภัย
SOA	แบนด์ O และอื่น ๆ	10–20 dB	ต่ำ	7–9 dB	ระบบแบนด์ O, ตัวรับ (ตัวรับที่มี SOA ช่วย)
Raman/EDFA แบบผสม	C/L	—	—	ดีขึ้น	สแปนที่ยาวมาก

เกนของ EDFA ไม่ราบเรียบ ฟิลเตอร์ปรับเกนให้เรียบ และการควบคุมทิลต์ช่วยให้ช่องสัญญาณ 40–96 ช่องต่างกันไม่เกิน ~1 dB การควบคุมเกนแบบไดนามิกรักษาเอาต์พุตให้คงที่เมื่อมีการเพิ่มหรือลดช่องสัญญาณ (ทรานเซียนต์) เลเซอร์ปั๊มที่ 980/1480 nm ป้อนพลังงานให้เออร์เบียม และเป็นชิ้นส่วนที่สึกหรอของตัวขยายสัญญาณ

OSNR

OSNR คืออัตราส่วนของกำลังสัญญาณต่อกำลังสัญญาณรบกวน ASE ในแบนด์วิดท์อ้างอิง (0.1 nm ≈ 12.5 GHz) มีหน่วยเป็น dB สำหรับสายที่มี N สแปนเหมือนกัน:

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)

ตัวอย่าง: P_ch = +1 dBm, NF = 5.5 dB, สแปน 80 km ที่ 0.22 dB/km + คอนเนกเตอร์ 2 dB = 19.6 dB, N = 8 → OSNR ≈ 58 + 1 − 5.5 − 19.6 − 9 ≈ 24.9 dB

รูปแบบ	อัตรา	OSNR ที่ต้องการโดยทั่วไป (0.1 nm), dB	หมายเหตุ
10G NRZ, ไม่มี FEC	10G	18–20	รุ่นเก่า
10G NRZ พร้อม FEC (OTU2, GFEC)	10.7G	11–13	เกนจากการเข้ารหัส ~6 dB
100G DP-QPSK โคฮีเรนต์, SD-FEC	100G	12–15	ทนทานมาก
200G DP-16QAM	200G	18–21	—
400G DP-16QAM (400ZR)	400G, 60 GBd	≥ 26 (กำหนดไว้สำหรับ 400ZR)	ระยะส่งแบบขยายสัญญาณ 120 km
400G ZR+ ที่ 8QAM / QPSK	300G / 200G	20 / 14	แลกความจุกับระยะส่ง

ค่าเผื่อการออกแบบ: OSNR ที่ต้องการ + 2–3 dB สำหรับการเสื่อมตามอายุ ทิลต์ และ PMD ในตัวอย่างข้างต้น 100G QPSK อยู่ในเกณฑ์สบาย ส่วน 400ZR ก้ำกึ่ง → ลดจำนวนสแปน เพิ่มกำลังส่งออก ลด NF หรือใช้ Raman สำหรับกรณี 400G (โคฮีเรนต์และระยะไกล)

กำลังส่งออกและความไม่เป็นเชิงเส้น

การเพิ่ม P_ch จะเพิ่ม OSNR ในจำนวน dB เท่ากัน จนกว่าความไม่เป็นเชิงเส้นแบบ Kerr ของใยแก้วนำแสงจะเปลี่ยนกำลังส่วนเกินให้กลายเป็นความผิดเพี้ยน:

ผลกระทบ	กลไก	อาการ	วิธีบรรเทา
SPM — การมอดูเลตเฟสด้วยตัวเอง	ความเข้มของช่องสัญญาณเองมอดูเลตเฟสของตัวมันเอง	สเปกตรัมกว้างขึ้น, ปฏิสัมพันธ์กับดิสเพอร์ชัน	จำกัดกำลังต่อช่องสัญญาณ
XPM — การมอดูเลตเฟสไขว้	ความเข้มของช่องข้างเคียงมอดูเลตเฟสของช่องสัญญาณ	ครอสทอล์กบนกริด 50 GHz	การจัดการดิสเพอร์ชัน, ระยะห่างช่องสัญญาณ
FWM — การผสมสี่คลื่น	ช่องสัญญาณผสมกันเป็นความถี่ใหม่	ช่องสัญญาณหลอกบนกริดที่เว้นระยะเท่ากัน	เว้นระยะไม่เท่ากัน, ดิสเพอร์ชัน ≠ 0 (G.655/G.652 แทนที่จะเป็น DSF)
SBS / SRS — การกระเจิงแบบบริลลูอิน / รามาน	กำลังต่อช่องสัญญาณสูง / ทิลต์ของแบนด์	ขีดจำกัดกำลัง, ทิลต์ตลอดแบนด์	การสั่นดิเทอร์, การควบคุมทิลต์

กำลังส่งออกต่อช่องสัญญาณที่ใช้งานจริง: −2 … +3 dBm สำหรับโคฮีเรนต์ 100G ขึ้นไปบน G.652, 0 … +3 dBm สำหรับ 10G จุดที่เหมาะสมที่สุดคือจุดที่ค่าปรับลดจากความไม่เป็นเชิงเส้นเท่ากับ OSNR ที่ได้เพิ่มมา

ดิสเพอร์ชัน

ชนิด	ค่าบน G.652	ผลกระทบ	วิธีจัดการ
ดิสเพอร์ชันแบบโครมาติก (CD)	≈ 17 ps/(nm·km) ที่ 1550 nm	พัลส์กระจายตัว; 10G NRZ ทนได้ประมาณ 800–1000 ps/nm (≈ 60 km) โดยไม่ต้องชดเชย	โมดูล DCF (ใยแก้วนำแสงชดเชยดิสเพอร์ชัน เพิ่มการสูญเสีย), ตัวชดเชย FBG หรือในระบบโคฮีเรนต์ DSP จะชดเชยได้หลายหมื่น ps/nm ด้วยวิธีทางอิเล็กทรอนิกส์
ดิสเพอร์ชันแบบโพลาไรเซชัน (PMD)	0.1–0.5 ps/√km บนใยแก้วนำแสงรุ่นใหม่ แย่กว่านั้นบนรุ่นเก่า	สุ่มและเปลี่ยนแปลงตามเวลา; มีผลที่ 40G ขึ้นไปแบบตรวจจับโดยตรง	DSP แบบโคฮีเรนต์ติดตามค่านี้ได้; 40G แบบตรวจจับโดยตรงต้องใช้ใยแก้วนำแสง PMD ต่ำ
ความชันของดิสเพอร์ชัน	—	ชดเชยได้แม่นยำที่ความยาวคลื่นเดียวเท่านั้น	DCF ที่จับคู่ความชัน

DWDM แบบตรวจจับโดยตรง (10G และ 25G บางส่วน) จึงต้องมีแผนที่ดิสเพอร์ชันร่วมกับ DCF ที่สถานีตัวขยายสัญญาณ ส่วนลิงก์โคฮีเรนต์ไม่ต้องมี ซึ่งตัดงานวิศวกรรมทั้งชั้นนี้ออกไป (ส่วนประกอบของ DWDM)

รายการตรวจสอบการออกแบบสแปน

ชนิดใยแก้วนำแสง ความยาว และการสูญเสียที่วัดได้ต่อสแปนที่ 1550 nm (OTDR)
จำนวนช่องสัญญาณ กริด และรูปแบบมอดูเลชัน → OSNR ที่ต้องการและขีดจำกัดความไม่เป็นเชิงเส้น
ตำแหน่งตัวขยายสัญญาณ: บูสเตอร์, อินไลน์ทุก 60–100 km (การสูญเสียต่อสแปน 15–25 dB), ตัวขยายสัญญาณก่อน
กำลังส่งออกต่อช่องสัญญาณ การตั้งค่าทิลต์และการควบคุมทรานเซียนต์
แผนที่ดิสเพอร์ชัน (ตรวจจับโดยตรง) หรือการตรวจสอบความสามารถของ DSP (โคฮีเรนต์)
OSNR ที่รับได้และ pre-FEC BER ต่อช่องสัญญาณตอนตรวจรับ ซึ่งเป็นค่าฐานตลอดอายุการใช้งานของระบบ (ค่าตรวจวัด VDM และ FEC)
การป้องกันและการตรวจติดตาม: OSC, ตัวตรวจวัดกำลังต่อช่องสัญญาณ, ช่องเข้าถึง OTDR

ตำแหน่งของโมดูลถอดเสียบในระบบ

DWDM SFP+ 10G แบบปรับความยาวคลื่นได้ หรือ QSFP-DD 400ZR คือหนึ่งช่องสัญญาณของระบบนี้ DDM ของมันแสดง Tx ของตัวเอง และ Rx รวมหรือต่อช่องสัญญาณหลังดีมัลติเพล็กเซอร์ ตัวขยายสัญญาณและ OSNR นั้นมองไม่เห็นจากตัวโมดูลเอง ยกเว้นผ่าน pre-FEC BER (VDM บนโมดูลโคฮีเรนต์) โมดูลที่อ่านค่ากำลัง Rx ปกติดีแต่ BER แย่ คือสัญญาณของขีดจำกัด OSNR ที่แสดงออกมา (ทรานซีฟเวอร์ปรับความยาวคลื่นได้)

ใน CodingBox

CodingBox อ่านค่าฝั่งโมดูลของสแปน ได้แก่ ช่องสัญญาณ/ความยาวคลื่น กำลังส่งออก กำลังรับ และสำหรับโมดูลโคฮีเรนต์แบบ CMIS คือค่าที่สังเกตได้ของ VDM (ค่าประมาณ OSNR, pre-FEC BER, CD, DGD, Q-factor) บน DDM การเทียบค่าเหล่านี้กับค่าฐานตอนตรวจรับบอกได้ว่าความเสื่อมสภาพอยู่ที่โมดูลหรือที่สาย

ดิสเพอร์ชันแบบโครมาติก PMD และการชดเชยดิสเพอร์ชันบนสแปนที่ตัวขยายสัญญาณเหล่านี้เชื่อมต่อ: ดิสเพอร์ชันและแบนด์วิดท์

เหตุผลที่เพิ่มกำลังส่งออกเพื่อซื้อ OSNR เพิ่มเฉย ๆ ไม่ได้ ขีดจำกัดจาก SPM, XPM, FWM, บริลลูอิน และรามาน กำลังที่เหมาะสมต่อช่องสัญญาณและวิธีบรรเทา: ผลจากความไม่เชิงเส้น

มุมมองด้านโครงสร้างพื้นฐานของการขยายสัญญาณ เปรียบเทียบ EDFA, Raman, SOA และ OEO ตำแหน่งที่ติดตั้ง และสิ่งที่การใช้งานสายที่มีการขยายสัญญาณต้องการ: ตัวขยายสัญญาณและการรีเจนเนอเรชัน

หากพบข้อมูลที่ไม่ถูกต้องหรือข้อผิดพลาดในบทความนี้ ให้เลือกข้อความส่วนนั้นแล้วกด Ctrl+Enter เพื่อ