في سعيها لتحقيق سعة أعلى ومسافة إرسال أطول في أنظمة الاتصالات البصرية الحديثة، لطالما شكلت الضوضاء، باعتبارها قيدًا فيزيائيًا أساسيًا، عائقًا أمام تحسين الأداء.
في نموذج نموذجيإي دي إف إيهنظام مضخم الألياف المشوبة بالإربيوم، كل امتداد إرسال بصري يولد ما يقرب من 0.1 ديسيبل من ضوضاء الانبعاث التلقائي المتراكم (ASE)، والتي تتجذر في الطبيعة العشوائية الكمومية لتفاعل الضوء/الإلكترون أثناء عملية التضخيم.
يظهر هذا النوع من التشويش على شكل تذبذب زمني بمستوى البيكوثانية في المجال الزمني. ووفقًا لتوقعات نموذج التذبذب، في ظل معامل تشتت قدره 30 بيكوثانية/(نانومتر · كيلومتر)، يزداد التذبذب بمقدار 12 بيكوثانية عند الإرسال لمسافة 1000 كيلومتر. أما في المجال الترددي، فيؤدي ذلك إلى انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء البصرية (OSNR)، مما ينتج عنه فقدان في الحساسية بمقدار 3.2 ديسيبل (عند معدل خطأ بت = 1e-9) في نظام NRZ بسرعة 40 جيجابت في الثانية.
يكمن التحدي الأكبر في التفاعل الديناميكي بين التأثيرات غير الخطية للألياف والتشتت، حيث يبلغ معامل تشتت الألياف أحادية النمط التقليدية (G.652) في نطاق 1550 نانومتر 17 بيكو ثانية/(نانومتر · كيلومتر)، بالإضافة إلى إزاحة الطور غير الخطية الناتجة عن تعديل الطور الذاتي (SPM). وعندما تتجاوز قدرة الإدخال 6 ديسيبل ميلي واط، سيؤدي تأثير تعديل الطور الذاتي إلى تشويه شكل موجة النبضة بشكل ملحوظ.
في نظام PDM-16QAM بسرعة 960 جيجابت في الثانية الموضح في الشكل أعلاه، تبلغ نسبة فتح العين بعد إرسال لمسافة 200 كيلومتر 82% من القيمة الأولية، ويتم الحفاظ على عامل الجودة عند 14 ديسيبل (ما يعادل معدل خطأ بت ≈ 3e-5)؛ وعندما تمتد المسافة إلى 400 كيلومتر، يتسبب التأثير المشترك لتعديل الطور المتقاطع (XPM) ومزج أربع موجات (FWM) في انخفاض درجة فتح العين بشكل حاد إلى 63%، ويتجاوز معدل خطأ النظام حد تصحيح خطأ FEC ذي القرار الصارم البالغ 10^-12.
تجدر الإشارة إلى أن تأثير التردد المتغير لليزر ذي التعديل المباشر (DML) سيزداد سوءًا - قيمة معامل ألفا (عامل تحسين عرض الخط) لليزر DFB النموذجي في نطاق 3-6، ويمكن أن يصل تغيير تردده اللحظي إلى ± 2.5 جيجاهرتز (المقابل لمعامل التردد المتغير C=2.5 جيجاهرتز/مللي أمبير) عند تيار تعديل 1 مللي أمبير، مما يؤدي إلى معدل توسيع النبضة بنسبة 38% (التشتت التراكمي D · L=1360 بيكو ثانية/نانومتر) بعد الإرسال عبر ألياف G.652 بطول 80 كم.
يشكل التداخل بين القنوات في أنظمة تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM) عقبات أكبر. فعلى سبيل المثال، عند استخدام تباعد قنوات 50 جيجاهرتز، يبلغ طول التداخل الفعال الناتج عن مزج أربع موجات (FWM) حوالي 22 كيلومترًا في الألياف الضوئية العادية.
يشكل التداخل بين القنوات في أنظمة تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM) عقبات أكبر. على سبيل المثال، عند استخدام تباعد قنوات 50 جيجاهرتز، يبلغ الطول الفعال لقدرة التداخل الناتجة عن مزج أربع موجات (FWM) 22 كم (وهو ما يتوافق مع معامل توهين الألياف α = 0.22 ديسيبل/كم).
عند زيادة قدرة الإدخال إلى +15 ديسيبل ميلي واط، يرتفع مستوى التشويش بين القنوات المتجاورة بمقدار 7 ديسيبل (مقارنةً بخط الأساس -30 ديسيبل)، مما يُجبر النظام على زيادة فائض تصحيح الخطأ الأمامي من 7% إلى 20%. ويؤدي تأثير نقل القدرة الناتج عن تشتت رامان المحفز إلى فقدان ما يقارب 0.02 ديسيبل لكل كيلومتر في قنوات الموجات الطويلة، مما يُسبب انخفاضًا في القدرة يصل إلى 3.5 ديسيبل في نطاق C+L (1530-1625 نانومتر). ويتطلب ذلك تعويضًا فوريًا للميل باستخدام مُعادل كسب ديناميكي.
يمكن تحديد حد أداء النظام لهذه التأثيرات الفيزيائية مجتمعة من خلال حاصل ضرب عرض النطاق الترددي والمسافة (B · L): يبلغ B · L لنظام تعديل NRZ النموذجي في ألياف G.655 (ألياف معوضة التشتت) حوالي 18000 (جيجابت/ثانية) · كم، بينما مع تعديل PDM-QPSK وتقنية الكشف المتماسك، يمكن تحسين هذا المؤشر إلى 280000 (جيجابت/ثانية) · كم (@ كسب SD-FEC 9.5 ديسيبل).
لقد حققت ألياف تقسيم الفضاء متعددة الإرسال (SDM) المتطورة ذات 7 نوى × 3 أوضاع سعة نقل تبلغ 15.6 بيتابايت/ثانية · كيلومتر (سعة الألياف المفردة 1.53 بيتابايت/ثانية × مسافة نقل 10.2 كيلومتر) في بيئات المختبر من خلال التحكم في التداخل بين النوى عن طريق الاقتران الضعيف (<-40 ديسيبل/كيلومتر).
للوصول إلى حد شانون، تحتاج الأنظمة الحديثة إلى تبني تقنيات تشكيل الاحتمالية (PS-256QAM، التي تحقق كسب تشكيل 0.8 ديسيبل)، ومعادلة الشبكة العصبية (تحسين كفاءة تعويض NL بنسبة 37٪)، وتضخيم رامان الموزع (DRA، دقة ميل الكسب ± 0.5 ديسيبل) لزيادة عامل الجودة لنقل الموجة الحاملة المفردة 400G PDM-64QAM بمقدار 2 ديسيبل (من 12 ديسيبل إلى 14 ديسيبل)، وتخفيف تفاوت نسبة الإشارة إلى الضوضاء البصرية إلى 17.5 ديسيبل/0.1 نانومتر (@ BER=2e-2).
تاريخ النشر: 12 يونيو 2025