Hiệu ứng phi tuyến: SPM, XPM, FWM, Brillouin và Raman

Suy hao và tán sắc là các hiện tượng tuyến tính: tăng gấp đôi công suất thì đầu ra cũng tăng gấp đôi và không có gì khác thay đổi. Trên mức vài milliwatt mỗi kênh trong một lõi 9 µm, thủy tinh không còn tuyến tính nữa — chiết suất bắt đầu phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, và ánh sáng bắt đầu tán xạ trên chính các dao động âm học và phân tử mà nó tự kích thích. Trong một chặng 10G đơn lẻ, điều này không đáng kể; trong một hệ thống DWDM được khuếch đại với 80 kênh trên 1 000 km, nó quyết định công suất phát tối đa và do đó quyết định cự ly. Trang này giải thích năm hiệu ứng, khi nào mỗi hiệu ứng trở nên đáng kể, cách chúng được định lượng, và cách hệ thống được thiết kế để đối phó với chúng.

Vì sao sợi quang lại phi tuyến

Đại lượng	Giá trị ở G.652	Ý nghĩa
Hệ số Kerr n₂	≈ 2,6 × 10⁻²⁰ m²/W	chiết suất tăng theo cường độ: n = n₀ + n₂·I
Diện tích hiệu dụng A_eff	≈ 80 µm² (G.652), 110–150 µm² (G.654.E)	cường độ = công suất ÷ diện tích — lõi nhỏ làm ánh sáng tập trung hơn
Hệ số phi tuyến γ = 2πn₂/(λ·A_eff)	≈ 1,3 W⁻¹km⁻¹ (G.652 tại 1550), ≈ 0,7 (G.654.E)	độ dịch pha trên mỗi watt trên mỗi km
Chiều dài hiệu dụng L_eff = (1 − e^(−αL))/α	≈ 20 km cho một chặng dài ở 0,2 dB/km	các hiệu ứng tích lũy chủ yếu trong vài chục km đầu tiên sau mỗi bộ khuếch đại
Công suất phát điển hình trên mỗi kênh	0 … +3 dBm (1–2 mW) đối với DWDM; đến +10 dBm đối với kênh đơn	pha phi tuyến φ_NL = γ·P·L_eff ≈ 0,03–0,3 rad mỗi chặng

Các hiệu ứng Kerr

Hiệu ứng	Cơ chế	Biểu hiện	Tệ nhất khi
Tự điều chế pha (SPM)	cường độ của chính xung làm thay đổi pha của nó → chirp → mở rộng phổ; tương tác với tán sắc màu	mắt tín hiệu bị khép, méo xung; trong hệ thống coherent là một sàn nhiễu pha phi tuyến	công suất cao, nhiều chặng, tán sắc thấp
Điều chế pha chéo (XPM)	cường độ của các kênh lân cận điều chế pha của một kênh	jitter thời gian và nhiễu pha từ các kênh khác	khoảng cách kênh dày (50 GHz), tán sắc cục bộ thấp, nhiều kênh
Trộn bốn sóng (FWM)	ba tần số sinh ra tần số thứ tư tại f₁ + f₂ − f₃; các sản phẩm trộn rơi vào các kênh khác	xuyên nhiễu tăng theo công suất³	D ≈ 0 (sợi quang G.653), khoảng cách kênh đều nhau, công suất cao

Tán sắc cục bộ có ích: nó làm các xung của những kênh khác nhau trượt qua nhau nên XPM/FWM trung bình triệt tiêu bớt — đây là lý do G.655 (D khác 0 nhưng nhỏ) đã thay thế G.653 cho DWDM, và G.652 (D = 17) kèm bù tán sắc hoặc DSP coherent hiện được ưa chuộng hơn (Các loại sợi quang).

Các hiệu ứng tán xạ

Hiệu ứng	Cơ chế	Ngưỡng	Biểu hiện	Ở đâu
Tán xạ Brillouin kích thích (SBS)	ánh sáng sinh ra một sóng âm phản xạ nó ngược trở lại, dịch tần khoảng ≈ 11 GHz	≈ +6 … +10 dBm đối với nguồn CW độ rộng vạch hẹp trên SMF dài (thấp hơn nếu vạch càng hẹp)	công suất thuận bị bão hòa, ánh sáng ngược mạnh, nhiễu	laser CW: overlay video tương tự tại 1550 nm (+17 dBm) và bơm Raman; giảm thiểu bằng mở rộng độ rộng vạch / dithering (hầu hết bộ phát đều áp dụng)
Tán xạ Raman kích thích (SRS)	photon mất năng lượng vào dao động phân tử (dịch Stokes ≈ 13 THz ≈ 100 nm)	tổng công suất trên ≈ +20 … +25 dBm trên một dải rộng	nghiêng công suất: các kênh bước sóng ngắn bơm năng lượng cho các kênh bước sóng dài — băng C tiếp năng lượng cho băng L	DWDM băng rộng (C+L); kiểm soát bằng pre-emphasis và điều khiển nghiêng độ lợi; được sử dụng có chủ đích trong bộ khuếch đại Raman (Khuếch đại và OSNR)

Phi tuyến quan trọng ở đâu — và ở đâu thì không

Hệ thống	Tổn hao phi tuyến	Ứng phó trong thiết kế
Chặng 10G LR/ER đơn lẻ, −8 … +4 dBm	không có	bỏ qua
PON hướng xuống +3 … +7 dBm, 20 km	không có (dự trữ SBS vẫn ổn)	bỏ qua; overlay video ở +17 dBm dùng kỹ thuật nén SBS
DWDM 10G, 40 kênh, 8 × 80 km với EDFA	XPM/FWM trên G.655, SPM ở khắp nơi	công suất phát −2 … +1 dBm/kênh, bản đồ tán sắc, khoảng cách kênh không đều trên DSF
DWDM coherent 100G/400G, từ 80 kênh trở lên, từ 1 000 km trở lên	nhiễu pha phi tuyến giới hạn mức tăng OSNR nhờ công suất	công suất phát tối ưu ≈ 0 … +2 dBm/kênh trên G.652, +3 … +5 trên G.654.E; lập kế hoạch bằng mô hình GN
Module cắm 400ZR, chặng đơn ≤ 120 km	nhỏ	công suất phát −10 … 0 dBm; bị giới hạn bởi suy hao
Cáp biển 10 000 km	chiếm ưu thế	sợi G.654 diện tích hiệu dụng lớn, công suất phát thấp, nhiều bộ lặp, C+L
Chặng khuếch đại Raman	bơm ở +27 … +30 dBm	độ sạch của đầu nối và an toàn là yếu tố then chốt (An toàn và thao tác)

Quy tắc: các hiệu ứng phi tuyến xuất hiện khi công suất mỗi kênh × số chặng trở nên lớn; một chặng đơn ở công suất vừa phải sẽ không bao giờ thể hiện chúng.

Định lượng: đánh đổi giữa OSNR và công suất

OSNR cải thiện 1 dB cho mỗi 1 dB công suất phát tăng thêm (trong chế độ tuyến tính).
Nhiễu giao thoa phi tuyến (NLI) tăng theo công suất³ — cứ +1 dB công suất phát thì nhiễu tăng thêm +3 dB.
Tổng của hai yếu tố này có một điểm tối ưu: ngưỡng phi tuyến, nơi nhiễu ASE tuyến tính bằng NLI; hệ thống được lập kế hoạch thấp hơn ngưỡng đó 1–2 dB. Mô hình nhiễu Gauss (GN) ước tính NLI từ γ, D, chiều dài chặng, số kênh và khoảng cách kênh; các công cụ lập kế hoạch thực hiện việc này cho từng tuyến.
DSP coherent có thể khử một phần SPM (lan truyền ngược số) nhưng không khử được XPM/FWM từ các kênh khác.

Tóm tắt các biện pháp giảm thiểu

Phương pháp	Mục tiêu	Dùng trong
Giữ công suất phát gần mức tối ưu (0 … +3 dBm/kênh)	mọi hiệu ứng Kerr	mọi thiết kế DWDM
Tán sắc cục bộ khác 0 (G.652 / G.655 thay vì G.653)	FWM, XPM	lựa chọn loại sợi quang
Quản lý tán sắc (bản đồ DCM)	tương tác SPM/XPM	DWDM 10G
Sợi quang diện tích hiệu dụng lớn (G.654.E)	tất cả (γ thấp hơn)	đường dài mới
Khoảng cách kênh không đều	FWM	tuyến DSF thế hệ cũ
Dithering độ rộng vạch	SBS	CW tương tự, các bộ bơm
Bù nghiêng độ lợi, pre-emphasis	SRS	DWDM băng rộng
DSP coherent với NLC	SPM	đường dài 400G trở lên
Khuếch đại Raman phân tán	(tận dụng SRS) giảm công suất phát cần thiết	chặng siêu dài

Trong CodingBox

Các hiệu ứng phi tuyến tồn tại trong hệ thống đường truyền, không phải trong bộ nhớ của module — nhưng công suất Tx mà module khai báo, và với các module DWDM điều chỉnh được, cả kế hoạch kênh, chính là các đầu vào mà người lập kế hoạch cần. CodingBox hiển thị dải công suất Tx và các trường bước sóng/kênh để quỹ công suất phát trên mỗi kênh bắt đầu từ những con số thực tế (Check transceiver, Transceiver điều chỉnh được).

Nếu bạn phát hiện thông tin chưa chính xác hoặc lỗi trong bài viết này, hãy chọn đoạn liên quan và nhấn Ctrl+Enter để .