Khuếch đại, OSNR và giới hạn của một đoạn tuyến DWDM

Một liên kết CWDM kết thúc khi bộ thu không còn đủ ánh sáng. Một liên kết DWDM thì không — các bộ khuếch đại bổ sung ánh sáng mỗi 80 km — nên giới hạn của nó khác: nhiễu. Mỗi bộ khuếch đại đều cộng thêm phát xạ tự phát, và sau đủ số lượng bộ khuếch đại, tín hiệu vẫn mạnh nhưng không còn sạch nữa. Đại lượng đo là OSNR (tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang); nhiệm vụ thiết kế là giữ nó trên mức mà định dạng điều chế cần, đồng thời giữ công suất dưới ngưỡng mà tính phi tuyến của sợi quang bắt đầu gây hại và giữ tán sắc trong tầm kiểm soát. Trang này cung cấp các công cụ và con số cần thiết.

Các loại bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại	Băng	Độ khuếch đại	Công suất ra	Hệ số nhiễu	Vị trí
EDFA (sợi quang pha erbium)	C (1530–1565 nm), L (1565–1625 nm)	15–35 dB	tổng +17 … +23 dBm	4,5–6 dB	booster sau mux, trên tuyến mỗi 60–100 km, tiền khuếch đại trước demux
Raman (phân tán)	bất kỳ, do bước sóng bơm quyết định (~100 nm thấp hơn tín hiệu)	khuếch đại phân tán 10–15 dB trong sợi truyền dẫn	—	hệ số nhiễu hiệu dụng có thể âm khi kết hợp với EDFA	đoạn dài, nâng cấp OSNR thấp; công suất bơm cao (0,5–1 W) — chú ý an toàn
SOA	băng O và các băng khác	10–20 dB	thấp	7–9 dB	hệ thống băng O, bộ thu (Bộ thu hỗ trợ SOA)
Raman/EDFA lai	C/L	—	—	cải thiện	đoạn siêu dài

Độ khuếch đại của EDFA không phẳng: bộ lọc san bằng độ khuếch đại và kiểm soát độ nghiêng giữ cho 40–96 kênh chênh lệch nhau không quá ~1 dB; kiểm soát khuếch đại động giữ công suất ra ổn định khi kênh được thêm vào hoặc bớt đi (quá độ). Laser bơm ở 980/1480 nm cấp năng lượng cho erbium; đây là thành phần hao mòn của một bộ khuếch đại.

OSNR

OSNR là tỷ số giữa công suất tín hiệu và công suất nhiễu ASE trong một băng thông tham chiếu (0,1 nm ≈ 12,5 GHz), tính bằng dB. Với một chuỗi N đoạn giống hệt nhau:

OSNR ≈ 58 + P_ch − NF − L_span − 10·log10(N)     [dB, 0.1 nm]
  P_ch   = công suất phát mỗi kênh vào sợi quang, dBm
  NF     = hệ số nhiễu bộ khuếch đại, dB
  L_span = suy hao đoạn, dB
  N      = số đoạn (bộ khuếch đại)

Ví dụ: P_ch = +1 dBm, NF = 5,5 dB, các đoạn 80 km ở 0,22 dB/km + 2 dB đầu nối = 19,6 dB, N = 8 → OSNR ≈ 58 + 1 − 5,5 − 19,6 − 9 ≈ 24,9 dB.

Định dạng	Tốc độ	OSNR yêu cầu điển hình (0,1 nm), dB	Ghi chú
10G NRZ, không FEC	10G	18–20	thế hệ cũ
10G NRZ có FEC (OTU2, GFEC)	10,7G	11–13	~6 dB độ lợi mã hóa
100G DP-QPSK coherent, SD-FEC	100G	12–15	rất bền vững
200G DP-16QAM	200G	18–21	—
400G DP-16QAM (400ZR)	400G, 60 GBd	≥ 26 (quy định cho 400ZR)	cự ly 120 km có khuếch đại
400G ZR+ ở 8QAM / QPSK	300G / 200G	20 / 14	đánh đổi dung lượng lấy cự ly

Dự trữ thiết kế: OSNR yêu cầu + 2–3 dB cho lão hóa, độ nghiêng và PMD. Trong ví dụ trên, 100G QPSK thoải mái còn 400ZR thì cận biên → cần ít đoạn hơn, công suất phát cao hơn, hệ số nhiễu thấp hơn hoặc dùng Raman cho trường hợp 400G (Coherent & đường dài).

Công suất phát và tính phi tuyến

Tăng P_ch làm tăng OSNR đúng bằng số dB tương ứng — cho đến khi tính phi tuyến Kerr của sợi quang biến công suất thành méo dạng:

Hiệu ứng	Cơ chế	Biểu hiện	Biện pháp giảm thiểu
SPM — tự điều chế pha	cường độ của chính kênh làm thay đổi pha của nó	mở rộng phổ, tương tác với tán sắc	giới hạn công suất mỗi kênh
XPM — điều chế pha chéo	cường độ của các kênh lân cận điều chế pha của một kênh	xuyên nhiễu trên lưới 50 GHz	quản lý tán sắc, khoảng cách kênh
FWM — trộn bốn sóng	các kênh trộn vào nhau tạo ra tần số mới	kênh ma trên lưới đều	khoảng cách kênh không đều, tán sắc ≠ 0 (G.655/G.652 thay vì DSF)
SBS / SRS — tán xạ Brillouin / Raman	công suất mỗi kênh cao / nghiêng băng	giới hạn công suất, nghiêng trên cả băng	dithering, kiểm soát độ nghiêng

Công suất phát thực tế mỗi kênh: −2 … +3 dBm cho coherent 100G+ trên G.652, 0 … +3 dBm cho 10G. Mức tối ưu là nơi phạt phi tuyến bằng đúng độ lợi OSNR.

Tán sắc

Loại	Giá trị trên G.652	Ảnh hưởng	Xử lý
Tán sắc màu (CD)	≈ 17 ps/(nm·km) ở 1550 nm	giãn xung; 10G NRZ chịu được ~800–1 000 ps/nm (≈ 60 km) khi chưa bù	module DCF (sợi bù tán sắc, cộng thêm suy hao), bộ bù FBG, hoặc — trong hệ thống coherent — DSP bù hàng chục nghìn ps/nm bằng điện tử
Tán sắc mode phân cực (PMD)	0,1–0,5 ps/√km trên sợi quang hiện đại, tệ hơn trên sợi cũ	ngẫu nhiên, biến đổi theo thời gian; quan trọng ở tách sóng trực tiếp 40G trở lên	DSP coherent theo dõi được; tách sóng trực tiếp 40G cần sợi quang PMD thấp
Độ dốc tán sắc	—	bù chính xác chỉ tại một bước sóng	DCF khớp độ dốc

Vì vậy DWDM tách sóng trực tiếp (10G, một số 25G) cần một bản đồ tán sắc với DCF tại các trạm khuếch đại; liên kết coherent thì không cần, điều này đã loại bỏ hẳn một lớp kỹ thuật (Thành phần hệ thống DWDM).

Danh mục kiểm tra khi thiết kế đoạn

Loại sợi quang, chiều dài và suy hao đo được mỗi đoạn ở 1550 nm (OTDR).
Số kênh, lưới kênh và định dạng → OSNR yêu cầu và giới hạn phi tuyến.
Vị trí đặt bộ khuếch đại: booster, trên tuyến mỗi 60–100 km (suy hao đoạn 15–25 dB), tiền khuếch đại.
Công suất phát mỗi kênh, cài đặt kiểm soát độ nghiêng và quá độ.
Bản đồ tán sắc (tách sóng trực tiếp) hoặc kiểm tra khả năng DSP (coherent).
OSNR thu được và BER trước FEC của từng kênh khi đưa vào vận hành — làm mốc chuẩn cho suốt vòng đời hệ thống (Chỉ số VDM và FEC).
Bảo vệ và giám sát: OSC, bộ giám sát công suất từng kênh, cổng truy cập OTDR.

Vị trí của module cắm trong hệ thống

Một SFP+ DWDM 10G điều chỉnh được hay một QSFP-DD 400ZR chỉ là một kênh của hệ thống này. DDM của nó cho biết Tx của chính nó và Rx tổng hoặc theo từng kênh sau demux; các bộ khuếch đại và OSNR là vô hình đối với nó, trừ khi thể hiện qua BER trước FEC (VDM trên module coherent). Một module đọc được công suất Rx tốt nhưng BER xấu chính là biểu hiện của giới hạn OSNR (Transceiver điều chỉnh được).

Trong CodingBox

CodingBox đọc phía module của đoạn tuyến: kênh/bước sóng, công suất phát, công suất Rx, và với các module CMIS coherent, các đại lượng VDM (ước tính OSNR, BER trước FEC, CD, DGD, hệ số Q) trên DDM. So sánh các giá trị này với mốc chuẩn lúc đưa vào vận hành cho biết sự suy giảm nằm ở module hay ở tuyến.

Tán sắc màu, PMD và bù tán sắc trên các đoạn mà những bộ khuếch đại này nối liền: Tán sắc và băng thông.

Vì sao không thể chỉ đơn giản tăng công suất phát để mua thêm OSNR — giới hạn SPM, XPM, FWM, Brillouin và Raman, công suất tối ưu mỗi kênh và các biện pháp giảm thiểu: Hiệu ứng phi tuyến.

Góc nhìn hạ tầng về khuếch đại — so sánh EDFA, Raman, SOA và OEO, vị trí đặt chúng, những gì việc vận hành một tuyến có khuếch đại đòi hỏi: Bộ khuếch đại và tái tạo tín hiệu.

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 .