Коротко: оптические волокна передают информацию световыми импульсами, но дальность и скорость ограничены тремя основными группами эффектов — поглощением (аттенюация), дисперсией и нелинейностями. Ниже — суть ограничений и распространённые способы их преодоления.
1) Поглощение (аттенюация)
- Описание: сигнал экспоненциально затухает вдоль волокна: $P(z)=P_0{e}^{-\alpha z}$, где $\alpha$ — коэффициент затухания (обычно измеряют в дБ/км; в окне $1550$ нм типично $\sim 0.2$ дБ/км).
- Ограничение: без усиления мощность падает до шумового уровня, падает OSNR и битовая ошибка растёт.
- Методы компенсации:
- Оптические усилители: EDFAs (эффективны в C-диапазоне ~1550 нм), Raman-усиление (распределённое усиление вдоль волокна), SOA (полупроводниковые) — ставят каждые $\sim 50\text{–}100$ км.
- Регенерация сигнала (3R/4R): оптическое/электронное восстановление (реамплификация, формирование, тайминг, при необходимости фазовая/поляризационная коррекция).
2) Дисперсия
- Типы: хроматическая дисперсия (разные длины волн идут с разной скоростью) и поляризационно-модовая дисперсия (PMD).
- Хроматическая — приводит к расширению импульса: приближённо $\Delta T\approx |D|\Delta \lambda L$, где $D$ — параметр дисперсии ($ps/(\mathrm{nm}\cdot \mathrm{km})$), $\Delta \lambda$ — ширина спектра, $L$ — длина.
- Альтернативно используют параметр ${\beta }_2$ и длину дисперсии $L_D=T_0^2/|{\beta }_2|$ (где $T_0$ — длительность импульса).
- Ограничение: интерсимволная интерференция (ISI) — снижает максимально возможную скорость на данной длине.
- Методы компенсации:
- Оптическая компенсация: компенсирующие участки с противоположной дисперсией — DCF (dispersion compensating fiber), хроматические компенсаторы на основе хиральных/хирпед FBG (chirped fiber Bragg gratings), оптическая фазовая инверсия (mid‑span optical phase conjugation).
- Диспользование дисперсионно-управляемых карт трассы (dispersion map) для длинных линий.
- Электронная компенсация: coherent detection + DSP (equalization, adaptive filters) и EDC (electronic dispersion compensation) — в современных системах часто заменяет оптическую компенсацию.
- Для PMD — адаптивные PMD-компенсаторы или DSP в приёмнике.
3) Нелинейные эффекты (Kerr, Brillouin, Raman)
- Основные механизмы:
- SPM (самофазовая модуляция) — расширяет спектр одиночного канала.
- XPM (взаимная фазовая модуляция) и FWM (четырёхволновое смешение) — межканальные искажения в WDM.
- SBS (Brillouin) и SRS (Raman) — рассеяние, куда уходит мощность/возникают паразитные усиления.
- Параметр важности: нелинейная фаза ${\varphi }_{\mathrm{NL}}=\gamma P_{\mathrm{eff}}{L}_{\mathrm{eff}}$, где $\gamma$ — коэффициент нелинейности, $P_{\mathrm{eff}}$ — эффективная мощность, $L_{\mathrm{eff}}=(1-e^{-\alpha L})/\alpha$.
- Ограничение: увеличение мощности для преодоления затухания увеличивает ${\varphi }_{\mathrm{NL}}$ и вызывает деградацию сигнала — есть компромисс «мощность vs. нелинейные искажения».
- Методы борьбы:
- Оптимизация запускаемой мощности и распределённое усиление (Raman) для снижения пиковых мощностей.
- Увеличение числа каналов с меньшей мощностью на канал (WDM при управляемых интервалах).
- Выбор модуляции и кодирования: более чувствительные к шуму, но спектрально эффективные форматы (QAM) в сочетании с когерентной приёмкой и DSP.
- Цифровая компенсация нелинейностей: цифровая обратная пропагация (digital backpropagation), алгоритмы компенсации в DSP.
- Управление дисперсией и интервалами каналов для подавления FWM, использование нелинейно-устойчивых режимов передачи.
- Для SBS: расширение спектра сигнала или использование фазовых/модуляционных техник, снижение пиковой мощности.
4) Другие важные ограничения и соображения
- ASE-шум от оптических усилителей ограничивает OSNR; суммирование ASE по усилителям даёт практический предел достижимой дальности/скорости.
- Тепловой/спектральный дисперсионный наклон (dispersion slope) важен для широкополосного WDM и требует согласованной компенсации.
- Общая ёмкость канала подчиняется закону типа $C=B{\log }_2(1+\mathrm{SNR})$ — рост мощности повышает SNR, но нелинейности ограничивают дальнейшее увеличение.
- В современных системах типово: WDM + EDFAs через каждые $\sim 80$ км, распределённый Raman для увеличения длины между усилителями, когерентная приёмка с DSP для компенсации дисперсии/PMD/частично нелинейностей, и применение DCF/FBG или полностью электронное управление дисперсией при необходимости.
Краткий итог: поглощение компенсируют регулярными оптическими усилителями (EDFAs, Raman), дисперсию — оптическими элементами (DCF, FBG) или в приёмнике (coherent DSP), нелинейности — снижением мощности на канал, распределённым усилением, оптимизацией дисперсии/интервалов каналов и цифровыми методами (DBP, адаптивный DSP). Все методы комбинируют с учётом компромисса «мощность → OSNR» против «мощность → нелинейности».