Im Bestreben nach höherer Kapazität und größerer Übertragungsdistanz in modernen optischen Kommunikationssystemen stellte Rauschen als grundlegende physikalische Begrenzung stets eine Einschränkung für die Leistungsverbesserung dar.
In einem typischenEDFABei einem Erbium-dotierten Faserverstärkersystem erzeugt jede optische Übertragungsstrecke ein akkumuliertes spontanes Emissionsrauschen (ASE) von etwa 0,1 dB, das auf der quantenmechanischen Zufallsnatur der Licht/Elektronen-Wechselwirkung während des Verstärkungsprozesses beruht.
Diese Art von Rauschen äußert sich im Zeitbereich als Timing-Jitter im Pikosekundenbereich. Laut Vorhersage des Jitter-Modells erhöht sich der Jitter bei einem Dispersionskoeffizienten von 30 ps/(nm · km) um 12 ps bei einer Übertragungsstrecke von 1000 km. Im Frequenzbereich führt dies zu einer Verringerung des optischen Signal-Rausch-Verhältnisses (OSNR), was einen Empfindlichkeitsverlust von 3,2 dB (bei einer Bitfehlerrate von 1e-9) im 40-Gbit/s-NRZ-System zur Folge hat.
Die größere Herausforderung ergibt sich aus der dynamischen Kopplung nichtlinearer Fasereffekte und Dispersion – der Dispersionskoeffizient herkömmlicher Einmodenfasern (G.652) im 1550-nm-Fenster beträgt 17 ps/(nm · km), hinzu kommt die nichtlineare Phasenverschiebung durch Selbstphasenmodulation (SPM). Bei einer Eingangsleistung von über 6 dBm verzerrt der SPM-Effekt die Pulsform erheblich.
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 einer Bitfehlerrate von ≈ 3e-5). Bei einer Entfernungserweiterung auf 400 km führt die kombinierte Wirkung von Kreuzphasenmodulation (XPM) und Vierwellenmischung (FWM) zu einem starken Abfall der Augenöffnung auf 63 %, und die Systemfehlerrate überschreitet die Fehlerkorrekturgrenze der Hard-Decision-FEC von 10 ^ -12.
Es ist zu beachten, dass sich der Frequenz-Chirp-Effekt des Direktmodulationslasers (DML) verschlimmert – der Wert des Alpha-Parameters (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 einem Chirp-Parameter C = 2,5 GHz/mA), was nach der Übertragung durch eine 80 km lange G.652-Faser zu einer Pulsverbreiterungsrate von 38 % (kumulative Dispersion D · L = 1360 ps/nm) führt.
Kanalübersprechen in Wellenlängenmultiplexsystemen (WDM) stellt ein erhebliches Problem dar. Am Beispiel eines Kanalabstands von 50 GHz beträgt die effektive Länge Leff der durch Vierwellenmischung (FWM) verursachten Interferenzleistung in herkömmlichen Glasfasern etwa 22 km.
Kanalübersprechen in Wellenlängenmultiplexsystemen (WDM) stellt ein größeres Problem dar. Am Beispiel eines Kanalabstands von 50 GHz beträgt die effektive Länge der durch Vierwellenmischung (FWM) erzeugten Interferenzleistung Leff = 22 km (entsprechend einem Faserdämpfungskoeffizienten α = 0,22 dB/km).
Bei einer Erhöhung der Eingangsleistung auf +15 dBm steigt das Übersprechen zwischen benachbarten Kanälen um 7 dB (bezogen auf den Basiswert von -30 dB), wodurch das System gezwungen ist, die Redundanz der Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) von 7 % auf 20 % zu erhöhen. Der durch stimulierte Raman-Streuung (SRS) verursachte Leistungstransfer führt in langwelligen Kanälen zu einem Verlust von ca. 0,02 dB pro Kilometer, was einen Leistungsabfall von bis zu 3,5 dB im C+L-Band (1530–1625 nm) zur Folge hat. Eine Echtzeit-Kompensation der Flankensteilheit mittels eines dynamischen Verstärkungsentzerrers (DGE) ist erforderlich.
Die Systemleistungsgrenze dieser kombinierten physikalischen Effekte kann durch das Bandbreiten-Distanz-Produkt (B · L) quantifiziert werden: Das B · L eines typischen NRZ-Modulationssystems in G.655-Faser (dispersionskompensierte Faser) beträgt ungefähr 18000 (Gb/s) · km, während dieser Wert mit PDM-QPSK-Modulation und kohärenter Detektionstechnologie auf 280000 (Gb/s) · km (bei SD-FEC-Gewinn 9,5dB) verbessert werden kann.
Die hochmoderne 7-Kern x 3-Moden-Raummultiplexfaser (SDM) hat in Laborumgebungen durch schwache Kopplung und Kontrolle des Übersprechens zwischen den Kernen (<-40dB/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 anzunähern, müssen moderne Systeme gemeinsam Wahrscheinlichkeitsformung (PS-256QAM, wodurch ein Formungsgewinn von 0,8 dB erreicht wird), neuronale Netzwerkentzerrung (Verbesserung der NL-Kompensationseffizienz um 37 %) und verteilte Raman-Verstärkung (DRA, Genauigkeit der Verstärkungssteigung ± 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 (bei BER=2e-2) zu lockern.
Veröffentlichungsdatum: 12. Juni 2025