في السعي لتحقيق سعة أعلى ومسافة إرسال أطول في أنظمة الاتصالات البصرية الحديثة، كان الضوضاء، باعتبارها قيدًا فيزيائيًا أساسيًا، دائمًا ما يعيق تحسين الأداء.
في نموذجيEDFAفي نظام تضخيم الألياف الممزوجة بالإربيوم، يولد كل مدى نقل بصري ما يقرب من 0.1 ديسيبل من ضوضاء الانبعاث التلقائي المتراكمة (ASE)، والتي تتجذر في الطبيعة العشوائية الكمومية للتفاعل بين الضوء والإلكترون أثناء عملية التضخيم.
يتجلى هذا النوع من الضوضاء على شكل تذبذب توقيتي بمستوى بيكو ثانية في المجال الزمني. ووفقًا لتوقعات نموذج التذبذب، عند معامل تشتت قدره 30 بيكو ثانية/(نانومتر · كم)، يزداد التذبذب بمقدار 12 بيكو ثانية عند الإرسال لمسافة 1000 كم. في المجال الترددي، يؤدي هذا إلى انخفاض في نسبة الإشارة الضوئية إلى الضوضاء (OSNR)، مما يؤدي إلى فقدان حساسية قدره 3.2 ديسيبل (عند BER=1e-9) في نظام NRZ بسرعة 40 جيجابت في الثانية.
التحدي الأشدّ يكمن في الاقتران الديناميكي بين تأثيرات الألياف غير الخطية والتشتت - معامل التشتت للألياف أحادية الوضع التقليدية (G.652) في نطاق 1550 نانومتر هو 17 بيكو ثانية/(نانومتر · كم)، بالإضافة إلى انزياح الطور غير الخطي الناتج عن التعديل الذاتي للطور (SPM). عندما تتجاوز طاقة الإدخال 6 ديسيبل ميلي واط، يُشوّه تأثير التعديل الذاتي للطور شكل موجة النبضة بشكل كبير.
في نظام 960Gbps PDM-16QAM الموضح في الشكل أعلاه، فإن فتح العين بعد نقل 200 كم هو 82٪ من القيمة الأولية، ويتم الحفاظ على عامل Q عند 14 ديسيبل (المقابل لـ BER ≈ 3e-5)؛ عندما يتم تمديد المسافة إلى 400 كم، فإن التأثير المشترك لتعديل الطور المتقاطع (XPM) وخلط الموجات الأربعة (FWM) يتسبب في انخفاض درجة فتح العين بشكل حاد إلى 63٪، ويتجاوز معدل خطأ النظام حد تصحيح خطأ FEC للقرار الصعب 10 ^ -12.
من الجدير بالذكر أن تأثير تردد التغريد لليزر التعديل المباشر (DML) سوف يزداد سوءًا - قيمة معامل ألفا (عامل تعزيز عرض الخط) لليزر DFB النموذجي تتراوح بين 3-6، ويمكن أن يصل التغيير اللحظي في تردده إلى ± 2.5 جيجاهرتز (المقابل لمعلمة التغريد C = 2.5 جيجاهرتز / مللي أمبير) عند تيار تعديل 1 مللي أمبير، مما يؤدي إلى معدل توسيع النبضة بنسبة 38٪ (التشتت التراكمي D · L = 1360ps / nm) بعد النقل عبر ألياف G.652 بطول 80 كم.
يُشكل تداخل القنوات في أنظمة الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي (WDM) عقباتٍ أكبر. فإذا أخذنا تباعد القنوات بتردد 50 جيجاهرتز كمثال، فإن قوة التداخل الناتجة عن خلط الموجات الأربع (FWM) لها طول ليف فعال يبلغ حوالي 22 كيلومترًا في الألياف الضوئية العادية.
يُشكل تداخل القنوات في أنظمة الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي (WDM) عقباتٍ أكبر. فإذا أخذنا تباعد القنوات بتردد 50 جيجاهرتز كمثال، فإن الطول الفعال لقدرة التداخل الناتجة عن خلط الموجات الأربع (FWM) هو ليف = 22 كم (أي ما يُعادل معامل توهين الألياف α = 0.22 ديسيبل/كم).
عند زيادة طاقة الإدخال إلى +15 ديسيبل ميلي واط، يزداد مستوى التداخل بين القنوات المتجاورة بمقدار 7 ديسيبل (مقارنةً بخط الأساس -30 ديسيبل)، مما يُجبر النظام على زيادة تكرار تصحيح الخطأ الأمامي (FEC) من 7% إلى 20%. يُؤدي تأثير نقل الطاقة الناتج عن تشتت رامان المُحفَّز (SRS) إلى فقدان حوالي 0.02 ديسيبل لكل كيلومتر في قنوات الطول الموجي الطويل، مما يؤدي إلى انخفاض في الطاقة يصل إلى 3.5 ديسيبل في نظام النطاق C+L (1530-1625 نانومتر). يتطلب الأمر تعويضًا فوريًا للميل من خلال مُعادل الكسب الديناميكي (DGE).
يمكن تحديد حد أداء النظام لهذه التأثيرات الفيزيائية مجتمعة من خلال حاصل مسافة النطاق الترددي (B · L): يبلغ B · L لنظام تعديل NRZ النموذجي في ألياف G.655 (ألياف تعويض التشتت) حوالي 18000 (جيجابت/ثانية) · كم، بينما باستخدام تعديل PDM-QPSK وتكنولوجيا الكشف المتماسك، يمكن تحسين هذا المؤشر إلى 280000 (جيجابت/ثانية) · كم (@ مكسب SD-FEC 9.5 ديسيبل).
تمكنت تقنية الألياف الضوئية المتعددة تقسيم الفضاء ذات 7 أنوية × 3 أوضاع (SDM) المتطورة من تحقيق سعة نقل تبلغ 15.6 بيتابايت/ثانية · كم (سعة الألياف الفردية 1.53 بيتابايت/ثانية، مسافة النقل 10.2 كم) في البيئات المعملية من خلال التحكم في التداخل بين الأنوية من خلال الاقتران الضعيف (<-40 ديسيبل/كم).
من أجل الاقتراب من حد شانون، تحتاج الأنظمة الحديثة إلى تبني تشكيل الاحتمالات (PS-256QAM، تحقيق مكسب تشكيل 0.8 ديسيبل)، ومعادلة الشبكة العصبية (تحسين كفاءة تعويض NL بنسبة 37٪)، وتقنيات تضخيم رامان الموزعة (DRA، دقة منحدر المكسب ± 0.5 ديسيبل) لزيادة عامل Q لنقل الناقل الفردي 400G PDM-64QAM بمقدار 2 ديسيبل (من 12 ديسيبل إلى 14 ديسيبل)، وتخفيف تسامح OSNR إلى 17.5 ديسيبل / 0.1 نانومتر (@ BER = 2e-2).
وقت النشر: ١٢ يونيو ٢٠٢٥