เส้นทางสู่ความก้าวหน้าของขีดจำกัดแชนนอนสำหรับระบบส่งสัญญาณแสงคืออะไร?

ในระบบ PDM-16QAM 960Gbps ที่แสดงในรูปด้านบน การเปิดตาหลังจากส่งสัญญาณ 200 กม. อยู่ที่ 82% ของค่าเริ่มต้น และค่า Q ยังคงอยู่ที่ 14dB (ซึ่งสอดคล้องกับ BER ≈ 3e-5) เมื่อขยายระยะทางเป็น 400 กม. ผลกระทบรวมของการมอดูเลชั่นเฟสไขว้ (XPM) และการผสมคลื่นสี่คลื่น (FWM) ทำให้ระดับการเปิดตาลดลงอย่างรวดเร็วเหลือ 63% และอัตราความผิดพลาดของระบบเกินขีดจำกัดการแก้ไขข้อผิดพลาด FEC แบบตัดสินใจอย่างเข้มงวดที่ 10^-12

เป็นที่น่าสังเกตว่าปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงความถี่ (frequency chirp) ของเลเซอร์แบบปรับความถี่โดยตรง (DML) จะแย่ลง โดยค่าพารามิเตอร์อัลฟา (ปัจจัยการเพิ่มความกว้างของเส้นสเปกตรัม) ของเลเซอร์ DFB ทั่วไปจะอยู่ในช่วง 3-6 และการเปลี่ยนแปลงความถี่ทันทีสามารถสูงถึง ± 2.5 GHz (ซึ่งสอดคล้องกับพารามิเตอร์การเปลี่ยนแปลงความถี่ C = 2.5 GHz/mA) ที่กระแสการปรับความถี่ 1 mA ส่งผลให้อัตราการขยายตัวของพัลส์อยู่ที่ 38% (การกระจายสะสม D · L = 1360 ps/nm) หลังจากการส่งผ่านใยแก้วนำแสง G.652 ระยะทาง 80 กม.

การรบกวนข้ามช่องสัญญาณในระบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM) ถือเป็นอุปสรรคที่สำคัญยิ่งกว่า ยกตัวอย่างเช่น ระยะห่างของช่องสัญญาณ 50 GHz พลังงานรบกวนที่เกิดจากการผสมคลื่นสี่ลูก (FWM) มีความยาวประสิทธิผล Leff ประมาณ 22 กิโลเมตรในใยแก้วนำแสงทั่วไป

การรบกวนข้ามช่องสัญญาณในระบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM) ถือเป็นอุปสรรคที่สำคัญยิ่งกว่า ยกตัวอย่างเช่น ระยะห่างของช่องสัญญาณ 50 GHz ความยาวประสิทธิผลของกำลังการรบกวนที่เกิดจากการผสมคลื่นสี่ลูก (FWM) คือ Leff = 22 กม. (ซึ่งสอดคล้องกับค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนของใยแก้วนำแสง α = 0.22 dB/กม.)

เมื่อกำลังไฟฟ้าขาเข้าเพิ่มขึ้นเป็น +15dBm ระดับการรบกวนระหว่างช่องสัญญาณที่อยู่ติดกันจะเพิ่มขึ้น 7dB (เมื่อเทียบกับค่าพื้นฐาน -30dB) ทำให้ระบบต้องเพิ่มความซ้ำซ้อนของการแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้า (FEC) จาก 7% เป็น 20% ผลกระทบจากการถ่ายโอนพลังงานที่เกิดจากการกระเจิงรามานแบบกระตุ้น (SRS) ส่งผลให้เกิดการสูญเสียประมาณ 0.02dB ต่อกิโลเมตรในช่องสัญญาณความยาวคลื่นยาว นำไปสู่การลดลงของกำลังไฟฟ้าสูงสุดถึง 3.5dB ในระบบย่านความถี่ C+L (1530-1625nm) จำเป็นต้องมีการชดเชยความลาดชันแบบเรียลไทม์ผ่านตัวปรับสมดุลอัตราขยายแบบไดนามิก (DGE)

ขีดจำกัดประสิทธิภาพของระบบที่เกิดจากผลกระทบทางกายภาพเหล่านี้รวมกัน สามารถวัดได้ด้วยผลคูณของแบนด์วิดท์และระยะทาง (B · L): ค่า B · L ของระบบการมอดูเลชั่น NRZ ทั่วไปในใยแก้วนำแสง G.655 (ใยแก้วนำแสงชดเชยการกระจายตัว) อยู่ที่ประมาณ 18000 (Gb/s) · กม. ในขณะที่ด้วยการมอดูเลชั่น PDM-QPSK และเทคโนโลยีการตรวจจับแบบโคฮีเรนต์ ตัวบ่งชี้นี้สามารถปรับปรุงได้ถึง 280000 (Gb/s) · กม. (@ อัตราขยาย SD-FEC 9.5dB)

ใยแก้วนำแสงแบบมัลติเพล็กซ์แบ่งพื้นที่ (SDM) 7 คอร์ x 3 โหมดที่ล้ำสมัย สามารถส่งข้อมูลได้ถึง 15.6 แพ็กเก็ตต่อวินาทีต่อกิโลเมตร (ความจุของใยแก้วนำแสงเส้นเดียวอยู่ที่ 1.53 แพ็กเก็ตต่อวินาทีต่อกิโลเมตร และระยะทางการส่งสัญญาณ 10.2 กิโลเมตร) ในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการ โดยใช้การควบคุมการรบกวนข้ามคอร์ด้วยการเชื่อมต่อแบบอ่อน (<-40 dB/กิโลเมตร)

เพื่อให้เข้าใกล้ขีดจำกัดของแชนนอน ระบบสมัยใหม่จำเป็นต้องนำเทคโนโลยีการปรับรูปร่างความน่าจะเป็น (PS-256QAM ซึ่งให้ผลลัพธ์การปรับรูปร่าง 0.8dB) การปรับสมดุลด้วยโครงข่ายประสาทเทียม (ประสิทธิภาพการชดเชย NL ดีขึ้น 37%) และการขยายสัญญาณรามานแบบกระจาย (DRA ความแม่นยำของความชันของอัตราขยาย ± 0.5dB) มาใช้ร่วมกัน เพื่อเพิ่มค่า Q ของการส่งสัญญาณ 400G PDM-64QAM แบบคลื่นพาหะเดี่ยวขึ้น 2dB (จาก 12dB เป็น 14dB) และผ่อนปรนค่าความคลาดเคลื่อนของ OSNR เป็น 17.5dB/0.1nm (@ BER=2e-2)