Hva er fiber ikke-linearitet?

Fiber ikke-linearitet oppstår fra Kerreffekt]: brytningsindeksen for silikaglass endres litt med intensiteten i lyset som passerer gjennom det. I tette bølgelengde-avdeling multipleksing (DWDM) nettverk der dusinvis eller hundrevis av optiske kanaler deler en enkelt fiber, kan den kombinerte optiske effekten lett overstige den ikke-lineære terskelen. Denne intensiteten -avhengige brytningsindeksen gir opphav til tre hovedeffekter: selvfasemodulasjon (SPM), kryssfasemodulasjon (XPM), og fire-bølgeblanding (FWM).

  • Selv-fasemodulasjon (SPM): En enkelt kanal modifiserer sin egen fase via intensiteten til sin egen puls. SPM utvider pulsspekteret og, når den kombineres med kromatisk dispersjon, fører til timing jitter og pulsforvrengning.
  • Cross ⁇ fasemodulasjon (XPM): Styrken til én kanal modulerer fasen av nabokanaler. I tette rutenett introduser XPM korrelert fasestøy som strammer ankomsttiden til pulser, og forringer SNR.
  • Four-wave mixing (FWM): Når tre optiske frekvenser samhandler, genererer de en fjerde frekvens gjennom den tredje - rekkefølgen ikke-lineær følsomhet. FWM skaper sporløse toner som faller direkte på kanalfrekvenser, som fungerer som i -bånd krysstalk og alvorlig begrenser antall nyttige kanaler.

Mens SPM og XPM er primært fasebaserte funksjonshemminger, er FWM en effekt-overføringseffekt. Alle tre blir dominerende når per kanaleffekten overstiger ca. 0 dBm i standard enkeltmodus fiber (SSMF) og når kanalavstanden er mindre enn 50 GHz. Forståelse hvilken effekt dominerer er nøkkelen til å velge riktig reduksjonsstrategi.

Effekt på mottakersignalkvalitet

Fiber ikke-linearitet nedgraderer mottakerens evne til å gjenopprette de overførte bitene på flere målelige måter. Nettverksingeniører er avhengige av metrikk som ]Q-faktor, bitfeilrate (BER) og øye-åpning straff for å kvantifisere denne nedbrytningen.

Signalforvrengning og øyelukking

I det optiske øyediagrammet forårsaker ikke-lineære effekter “øye” ⁇ det åpne rommet mellom de øvre og nedre logiske nivåene ⁇ å lukke. SPM utvider signalspekteret, som samhandler med fiberdispersjon for å spre pulsenergien til tilstøtende bitspor (intersymbol interferens). XPM induserer et tidsvarierende faseskifte som etter direkte deteksjon skaper amplitude støy på de stigende og fallende kantene. Resultatet er en mindre vertikal øyeåpning og økt timing jitter, noe som gjør beslutningskretsen mer utsatt for feil.

Cross-Talk og støy

FWM genererer nye frekvenser som overlapper med eksisterende kanaler. I et 100-kanals DWDM-system med 50-GHz-avstand genereres tusenvis av FWM-produkter; mange faller nøyaktig på kanalsentre, som fungerer som deterministisk kryssprat. På samme måte overfører XPM intensitetsstøyet til en kanal til fasen av en annen, som, når det konverteres til amplitude støy via dispersjon, reduserer det optiske signalet til ⁇ støyforholdet (OSNR). Disse effektene er spesielt skadelige i lange ⁇ haul-koblinger der forsterkere legger til sin egen ASE-støy, og presser det totale støygulvet høyere.

Bit feilrate og Q-faktor

Den kombinerte effekten av forvrengning, krysstalk og tilsatt støy øker direkte bitfeilhastigheten. Q-faktoren, som vedrører øyeåpningen til støystandardavviket, dråper med 2 ⁇ 6 dB på grunn av ikke-lineariteter i typiske tette nettverk. En 1 ⁇ dB-dråpe i Q ⁇ faktor tilsvarer omtrent en ti ganger økning i BER. For systemer som målrettes en pre ⁇ FEC BER på 10] ⁇ 3 (vanlig med moderne myk ⁇ beslutning fremre feilretting), reduserer enhver ekstra ikke-lineær straff linkmarginen og forkorter maksimal rekkevidde.

Strategier for nettverk av nettverk

Ingen enkel teknikk eliminerer fiber ikke-linearitet helt. Effektiv reduksjon kombinerer fysisk - lagstyring, avansert modulasjon og digital prosessering. Nedenfor er de mest praktiske tilnærmingene som brukes i produksjonsnettverk.

Strømstyrings- og lanseringsbetingelser

Den enkleste strategien: redusere den lanserte kraften per kanal. Fordi ikke-lineære effekter skalere med intensitet, kan redusere effekten med 2 dB halvere SPM- og XPM-straffen. Men dette reduserer også OSNR, så ingeniører må finne optimal lanseringseffekt som balanserer ikkelineærhet mot forsterkerstøy. Intelligent effekt ⁇ ekvalisering algoritmer i omkonfigurerbare optiske add-drop multipleksers (ROADMs) kan opprettholde denne balansen på tvers av dynamiske trafikkbelastninger.

Fordelingsstyring

Dispersjon og ikke-lineær interaksjon sterkt. Ved nøye å utforme dispersjonskartet (ved hjelp av vekselspenninger av positive og negative dispersjonsfibre eller dispersjons-kompenserende moduler), økes fasemangelen mellom kanaler, og undertrykker FWM. Moderne nettverk distribuerer ofte stor effektiv-area fiber (LEAF) eller ikke-non-nerodispersjons-forskyvningsfiber (NZDSF) for å redusere intensiteten i kjernen og endre dispersjonsbakken, ytterligere minimere ikke-lineær produktgenerasjon.

Avanserte moduleringsformater

Koherent deteksjon kombinert med avanserte formater som dual ⁇ polariseringskvadraturfase ⁇ skift-tasting (DP ⁇ QPSK) eller ]]16 ⁇ QAM gir motstandsdyktighet mot ikke-lineær fasestøy. Disse formatene koder informasjon i fase og polarisering, som gjør det mulig for mottakeren å skille og kompensere for visse ikke-lineære funksjonshemninger. Formater med lavere topp til gjennomsnittlig effektforhold (f.eks. probabilistisk formede stjernebilder) lider også mindre fra SPM. Å sette kanalavstanden til et ikke-uniformsnett kan unngå verste ⁇ case FWM resonanser.

Digital ikke-lineær kompensasjon

I den sammenhengende mottakerens digitale signalprosessor løser algoritmer som tilbake-propagasjon den ikke-lineære Schrödinger-likningen i revers, effektivt angrer SPM og XPM. Nyere maskin ⁇ læring ⁇ baserte tilnærminger (f.eks. ikke-lineær ⁇ aware-utjevlere) lærer kanalens ikke-lineære overføringsfunksjon og bruker kompensasjon i sanntid. Mens beregningsmessig dyrt, kan disse metodene gjenopprette 2 ⁇ 4 dB Q-faktor, direkte forlenger rekkevidde eller økende kapasitet.

Nettverksdesignbegreper

Sensenettverk drar nytte av nøye planlegging: å bruke fibre med større effektivt område, unngå overforsterkning på senderen, og å bruke dispersjonskart som holder den lokale pulsen kirpe lav. Programvare -definerte nettverk (SDN) kontroller kan dynamisk justere modulasjonsformat, strøm og rute for å unngå ikke-lineære \"varte flekker\" under topptrafikken.

Ser foran: Ikke-linearitet i fremtidige nesenettverk

Etter hvert som bransjen presser mot 1,6 Tb/s per kanal og videre, er fiber ikke-linearitet den dominerende kapasitetsgrensen i lange ⁇ haul-koblinger. Forskning i few ⁇ mode fiber og multi ⁇ core fiber] håper å multiplisere kapasitet uten å øke per ⁇ core kraft, men disse nye fibre introdusere inter ⁇ mode og inter ⁇ core ikke-lineær tverrtale. På samme måte, nonlineær Fourier transform (NFT) basert overføringsmål å kode data på de ikke-lineære “egeneverdiene” av fiberen, potensielt redusere ikke-lineæritet helt. Inntil slike teknikker vil nettverksoperatører fortsette å stole på de lagrettede reduksjonsstrategiene som beskrevet ovenfor.

Konklusjon

Fiber ikke-linearitet er en kritisk faktor som begrenser mottakerens signalkvalitet i tette optiske nettverk. Selvfasemodulasjon, kryssfasemodulasjon og fire-bølgeblanding forvrenger pulser, skaper kryssprat og øker feilhastigheter. Gjennom nøye strømstyring, avansert fiberdesign, robuste modulasjonsformater og digital kompensasjon kan ingeniører overvinne disse funksjonshemmingene for å bygge pålitelige, høykapasitetskoblinger. Forståelse og håndtering av ikke-linearitet er avgjørende for alle som designer eller optimaliserer ryggraden i moderne telekommunikasjon.

For videre lesing, utforsk Kerr-effekten i optikk, ]RP Photonics-leksikonoppføringen på fire ⁇ bølgeblanding], og tutorialen på Optics & Photonics News ⁇ Nonlinearity in Fiber Communications].