Was ist der Durchbruchspfad der Shannon-Grenze für optische Übertragungssysteme?

Was ist der Durchbruchspfad der Shannon-Grenze für optische Übertragungssysteme?

Beim Streben nach höherer Kapazität und längeren Übertragungsdistanzen in modernen optischen Kommunikationssystemen hat Rauschen als grundlegende physikalische Einschränkung die Leistungsverbesserung immer eingeschränkt.

In einem typischenEDFABei einem mit Erbium dotierten Faserverstärkersystem erzeugt jede optische Übertragungsstrecke etwa 0,1 dB akkumuliertes spontanes Emissionsrauschen (ASE), das auf die quantenzufällige Natur der Licht-/Elektronenwechselwirkung während des Verstärkungsprozesses zurückzuführen ist.

Diese Art von Rauschen manifestiert sich im Zeitbereich als Zeitjitter im Pikosekundenbereich. Laut der Vorhersage des Jitter-Modells erhöht sich der Jitter bei einer Übertragungsdistanz von 1000 km bei einem Dispersionskoeffizienten von 30 ps/(nm · km) um 12 ps. Im Frequenzbereich führt dies zu einer Verringerung des optischen Signal-Rausch-Verhältnisses (OSNR), was zu einem Empfindlichkeitsverlust von 3,2 dB (@ BER=1e-9) im 40-Gbit/s-NRZ-System führt.

Die größere Herausforderung ergibt sich aus der dynamischen Kopplung nichtlinearer Fasereffekte und Dispersion – der Dispersionskoeffizient herkömmlicher Singlemode-Fasern (G.652) im 1550-nm-Fenster beträgt 17 ps/(nm · km), kombiniert mit der nichtlinearen Phasenverschiebung durch Selbstphasenmodulation (SPM). Wenn die Eingangsleistung 6 dBm übersteigt, verzerrt der SPM-Effekt die Pulswellenform erheblich.

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Im oben dargestellten 960-Gbit/s-PDM-16QAM-System beträgt die Augenöffnung nach 200 km Übertragung 82 % des Anfangswerts und der Q-Faktor bleibt bei 14 dB (entsprechend BER ≈ 3e-5). Wenn die Entfernung auf 400 km erweitert wird, führt der kombinierte Effekt von Kreuzphasenmodulation (XPM) und Vierwellenmischung (FWM) dazu, dass der Augenöffnungsgrad stark auf 63 % sinkt und die Systemfehlerrate die Hard-Decision-FEC-Fehlerkorrekturgrenze von 10 ^ -12 überschreitet.

Es ist erwähnenswert, dass sich der Frequenz-Chirp-Effekt des Direktmodulationslasers (DML) verschlechtert – der Alpha-Parameterwert (Linienbreitenverstärkungsfaktor) eines typischen DFB-Lasers liegt im Bereich von 3–6 und seine momentane Frequenzänderung kann bei einem Modulationsstrom von 1 mA ± 2,5 GHz erreichen (entsprechend dem Chirp-Parameter C = 2,5 GHz/mA), was nach der Übertragung durch eine 80 km lange G.652-Faser zu einer Impulsverbreiterungsrate von 38 % (kumulative Dispersion D · L = 1360 ps/nm) führt.

Kanalübersprechen in Wellenlängenmultiplexsystemen (WDM) stellt größere Hindernisse dar. Am Beispiel eines Kanalabstands von 50 GHz hat die durch Vierwellenmischung (FWM) verursachte Interferenzleistung in herkömmlichen Glasfasern eine effektive Länge Leff von etwa 22 km.

Kanalübersprechen in Wellenlängenmultiplexsystemen (WDM) stellt größere Hindernisse dar. Am Beispiel eines Kanalabstands von 50 GHz beträgt die effektive Länge der durch Vierwellenmischung (FWM) erzeugten Störleistung Leff=22km (entsprechend einem Faserdämpfungskoeffizienten α=0,22 dB/km).

Bei einer Erhöhung der Eingangsleistung auf +15 dBm erhöht sich der Übersprechpegel zwischen benachbarten Kanälen um 7 dB (bezogen auf den Basiswert von -30 dB). Dadurch muss das System die Redundanz der Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) von 7 % auf 20 % erhöhen. Der durch die stimulierte Raman-Streuung (SRS) verursachte Leistungsübertragungseffekt führt zu einem Verlust von ca. 0,02 dB pro Kilometer in Langwellenkanälen, was zu einem Leistungsabfall von bis zu 3,5 dB im C+L-Band (1530–1625 nm) führt. Eine Echtzeit-Neigungskompensation durch einen dynamischen Verstärkungsentzerrer (DGE) ist erforderlich.

Die Leistungsgrenze des Systems aufgrund dieser kombinierten physikalischen Effekte kann durch das Bandbreiten-Distanz-Produkt (B · L) quantifiziert werden: B · L eines typischen NRZ-Modulationssystems in G.655-Glasfaser (dispersionskompensierte Glasfaser) beträgt ungefähr 18.000 (Gb/s) · km, während dieser Wert mit PDM-QPSK-Modulation und kohärenter Detektionstechnologie auf 280.000 (Gb/s) · km (bei SD-FEC-Verstärkung 9,5 dB) verbessert werden kann.

Die hochmoderne 7-Kern x 3-Mode-Raummultiplexfaser (SDM) hat in Laborumgebungen durch schwache Kopplung der Inter-Core-Übersprechkontrolle (<-40 dB/km) eine Übertragungskapazität von 15,6 Pb/s · km (Einzelfaserkapazität von 1,53 Pb/s x Übertragungsdistanz von 10,2 km) erreicht.

Um sich der Shannon-Grenze zu nähern, müssen moderne Systeme gleichzeitig Wahrscheinlichkeitsformung (PS-256QAM, wodurch eine Formungsverstärkung von 0,8 dB erreicht wird), neuronale Netzwerkentzerrung (NL-Kompensationseffizienz um 37 % verbessert) und verteilte Raman-Verstärkung (DRA, Verstärkungsneigungsgenauigkeit ± 0,5 dB) einsetzen, um den Q-Faktor der Einzelträger-400G-PDM-64QAM-Übertragung um 2 dB (von 12 dB auf 14 dB) zu erhöhen und die OSNR-Toleranz auf 17,5 dB/0,1 nm (@ BER=2e-2) zu lockern.


Veröffentlichungszeit: 12. Juni 2025

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