Усиление, OSNR и пределы пролёта DWDM

Линия CWDM заканчивается там, где у приёмника кончается свет. Линия DWDM — нет: усилители добавляют свет каждые 80 км, — поэтому её предел другой: шум. Каждый усилитель добавляет спонтанное излучение, и после достаточного числа их сигнал всё ещё сильный, но уже не чистый. Метрика — OSNR (оптическое отношение сигнал/шум); задача проектирования — держать его выше нужного формату модуляции, оставаясь ниже мощности, где кусается нелинейность волокна, и пока дисперсия остаётся управляемой. Здесь — инструменты и числа.

Типы усилителей

Усилитель	Диапазон	Усиление	Выход	Шум-фактор	Где
EDFA (эрбиевое волокно)	C (1530–1565 нм), L (1565–1625 нм)	15–35 дБ	+17 … +23 дБм суммарно	4,5–6 дБ	бустер после mux, линейный каждые 60–100 км, предусилитель перед demux
Раман (распределённый)	любой, задаётся длиной волны накачки (~100 нм ниже сигнала)	10–15 дБ, распределённо в линейном волокне	—	эффективный NF может быть отрицательным в связке с EDFA	длинные пролёты, апгрейд при низком OSNR; большая мощность накачки (0,5–1 Вт) — безопасность
SOA	O-диапазон и другие	10–20 дБ	малый	7–9 дБ	системы O-диапазона, приёмники (Приёмники с SOA)
Гибрид Раман/EDFA	C/L	—	—	улучшенный	сверхдлинные пролёты

Усиление EDFA неровное: фильтры выравнивания и управление наклоном держат 40–96 каналов в пределах ~1 дБ друг от друга; динамическое управление усилением удерживает выход при добавлении или снятии каналов (переходные процессы). Эрбий накачивают лазеры 980/1480 нм — изнашиваемый компонент усилителя.

OSNR

OSNR — отношение мощности сигнала к мощности шума ASE в опорной полосе (0,1 нм ≈ 12,5 ГГц), в дБ. Для цепи из N одинаковых пролётов:

OSNR ≈ 58 + P_ch − NF − L_span − 10·log10(N)     [дБ, 0,1 нм]
  P_ch   = мощность запуска на канал в волокно, дБм
  NF     = шум-фактор усилителя, дБ
  L_span = потери пролёта, дБ
  N      = число пролётов (усилителей)

Пример: P_ch = +1 дБм, NF = 5,5 дБ, пролёты 80 км при 0,22 дБ/км + 2 дБ разъёмов = 19,6 дБ, N = 8 → OSNR ≈ 58 + 1 − 5,5 − 19,6 − 9 ≈ 24,9 дБ.

Формат	Скорость	Типично требуемый OSNR (0,1 нм), дБ	Примечания
10G NRZ без FEC	10G	18–20	наследие
10G NRZ с FEC (OTU2, GFEC)	10,7G	11–13	~6 дБ выигрыша кодирования
100G DP-QPSK когерентный, SD-FEC	100G	12–15	очень стойкий
200G DP-16QAM	200G	18–21	—
400G DP-16QAM (400ZR)	400G, 60 ГБод	≥ 26 (задано для 400ZR)	120 км с усилением
400G ZR+ на 8QAM / QPSK	300G / 200G	20 / 14	обмен ёмкости на дальность

Проектный запас: требуемый OSNR + 2–3 дБ на старение, наклон и PMD. В примере выше 100G QPSK комфортен, а 400ZR маргинален → меньше пролётов, выше мощность запуска, ниже NF или Раман для случая 400G (Когерент и дальняя связь).

Мощность запуска и нелинейность

Повышение P_ch поднимает OSNR на столько же дБ — пока керровская нелинейность волокна не превращает мощность в искажения:

Эффект	Механизм	Симптом	Лечение
SPM — фазовая самомодуляция	собственная интенсивность канала модулирует его фазу	уширение спектра, взаимодействие с дисперсией	ограничить мощность на канал
XPM — перекрёстная фазовая модуляция	интенсивность соседей модулирует фазу канала	перекрёстные помехи на сетке 50 ГГц	управление дисперсией, разнос
FWM — четырёхволновое смешение	каналы смешиваются в новые частоты	призрачные каналы на регулярных сетках	неравный разнос, дисперсия ≠ 0 (G.655/G.652, а не DSF)
SBS / SRS — рассеяние Бриллюэна / Рамана	большая мощность на канал / наклон диапазона	пределы мощности, наклон по диапазону	дизеринг, управление наклоном

Практическая мощность запуска на канал: −2 … +3 дБм для когерента 100G+ на G.652, 0 … +3 дБм для 10G. Оптимум там, где нелинейный штраф равен выигрышу OSNR.

Дисперсия

Тип	Значение на G.652	Эффект	Обращение
Хроматическая дисперсия (CD)	≈ 17 пс/(нм·км) на 1550 нм	расплывание импульсов; 10G NRZ терпит ~800–1000 пс/нм (≈ 60 км) без компенсации	модули DCF (компенсирующее волокно, добавляет потери), компенсаторы FBG или — в когерентных системах — DSP компенсирует десятки тысяч пс/нм электронно
Поляризационная модовая дисперсия (PMD)	0,1–0,5 пс/√км на современном волокне, хуже на старом	случайная, меняется во времени; важна на 40G+ с прямым детектированием	когерентный DSP её отслеживает; 40G с прямым детектированием требовал волокна с малой PMD
Наклон дисперсии	—	компенсация точна только на одной длине волны	DCF с согласованным наклоном

Поэтому DWDM с прямым детектированием (10G, часть 25G) требует карты дисперсии с DCF на усилительных узлах; когерентные линии — нет, что убрало целый слой инженерии (Компоненты DWDM).

Чек-лист проектирования пролёта

Тип волокна, длина и измеренные потери каждого пролёта на 1550 нм (OTDR).
Число каналов, сетка и формат → требуемый OSNR и нелинейные пределы.
Размещение усилителей: бустер, линейные каждые 60–100 км (потери пролёта 15–25 дБ), предусилитель.
Мощность запуска на канал, настройки наклона и переходных процессов.
Карта дисперсии (прямое детектирование) или проверка возможностей DSP (когерент).
Принятый OSNR и BER до FEC по каналам при вводе — база на всю жизнь системы (VDM и метрики FEC).
Защита и мониторинг: OSC, мониторы мощности по каналам, доступ для OTDR.

Где здесь съёмный модуль

Перестраиваемый DWDM SFP+ 10G или QSFP-DD 400ZR — один канал этой системы. Его DDM показывает собственный Tx и суммарный или поканальный Rx после demux; усилители и OSNR ему невидимы, кроме как через BER до FEC (VDM у когерентных модулей). Модуль со здоровым Rx и плохим BER — это предел OSNR, показывающий себя (Перестраиваемые трансиверы).

В CodingBox

CodingBox читает модульную сторону пролёта: канал/длину волны, мощность запуска, мощность Rx и, для когерентных CMIS-модулей, наблюдаемые VDM (оценка OSNR, BER до FEC, CD, DGD, Q-фактор) на DDM. Сравнение их с базой ввода говорит, деградация в модуле или в линии.