Ist eine optische Übertragung über das C- und L-Band hinaus möglich?

Bei der optischen Übertragung erforschen wir oft die Erweiterung des Spektrums in der Hoffnung, die Kapazität optischer Übertragungssysteme zu erhöhen. Die größten derzeit kommerziell verfügbaren Spektralbereiche sind die C- und L-Bänder sowie die erweiterten C++- und L++-Bänder, die eine maximale spektrale Breite von 12 THz erreichen können. Wie in der Abbildung dargestellt, liegen diese Bänder grundsätzlich im minimalen Bereich der Faserdämpfung.

Da bei diesen Glasfaserdämpfungen der geringste Platz ist, kann unser Netzwerk die niedrigsten Kosten verursachen, oder genauer gesagt, die Baukosten der optischen Schicht sind optimal. (Komponenten von Glasfaserverlusten und wie man sie reduziert?)

Neben den Kosten für die Wellenkombination und -verteilung/WSS konzentrieren sich Lösungen für die optische Schicht normalerweise auf die folgenden Aspekte:

• Kosten für Verstärker
• Kosten der Relaisregeneration

Wenn die Übertragungsentfernung mehr als 100 km beträgt, verwenden wir EDFA um die durch die Faser verursachte Dämpfung zu kompensieren. Wenn die Dämpfung der Glasfaserleitung jedoch diesen Bereich überschreitet, verwenden wir normalerweise Raman-Verstärker, um die Übertragungskapazität für längere Entfernungen zu erhöhen. Raman hat eine höhere Verstärkungskapazität und kann auch weniger Rauschen einbringen. Allerdings ist Raman teurer und seine Opex für das Öffnen und die Wartung sind viel höher als bei gewöhnlichem EDFA.

Wenn die Faserdämpfung für die Relaisregeneration zu groß ist, müssen wir mehr Verstärker zwischen Stationen in der gleichen Entfernung aufstellen und das von den Verstärkern erzeugte Rauschen der verstärkten spontanen Emission (ASE) akkumulieren. Dadurch erhöht sich auch die Anzahl der Spans, so dass die Wellenlängen mehr wellenkombinierende und -verteilende/WSS-Veneers durchdringen müssen. Infolgedessen wird die Leistung von OSNR reduziert, sodass mehr Relaisplatinen hinzugefügt werden sollten, um 3R und andere Funktionen in der Designphase zu realisieren, was letztendlich zu übermäßigen Investitionen führt.

Daher werden wir im Allgemeinen versuchen, das am wenigsten gedämpfte Faserband zu wählen, wenn wir das Band auswählen, um die Signale zu übertragen. Aus diesem Grund entscheiden sich die aktuellen Mainstream-Hersteller dafür, dies im C / L-Band zu tun.

Welche anderen Bereiche des Spektrums können wir also neben C und L für die Lichtübertragung entwickeln? Im Bild am Anfang des Artikels gibt es neben C und L das längerwellige U-Band und das kurzwelligere O/E/S-Band.

Für das längerwellige U-Band. Es steht vor dem Problem, dass sich der Biegeverlust bei längeren Wellenlängen stärker auswirkt. In der Abbildung unten wird die optische Mode mit zunehmender Wellenlänge bei gleichem Biegeradius kleiner und verlustreicher.

Natürlich ist es nicht unmöglich, im U-Band zu übertragen, was erfordert, dass wir optische Fasern mit besserer Biegefestigkeit entwickeln, wie z. B. photonische Kristallfasern. Es passt zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht ganz zum Mainstream-Trend und universellen Einsatz von Lichtwellenleitern.

Können wir in diesem Fall im kürzeren Wellenlängenbereich wie O/E/S wählen?

Werfen wir einen Blick auf die Leistungsmetriken der Glasfaserübertragung in diesen Wellenbändern, die auch häufig zur Bewertung optischer Systeme verwendet werden.

• Dämpfung
• Nichtlineare Effekte

Bei der Faserdämpfung ist die Faserdämpfung aufgrund von Wasserspitzenverlust, Rayleigh-Streuung und Ultraviolettverlust in diesen einzelnen Bändern viel höher als im C/L-Bandbereich, wodurch der Bedarf an Verstärkern zur Lösung der Faserdämpfung steigt. Verstärkungstechniken, die auf alternativen Seltenerdelementen oder erweiterten Raman-Verstärkern basieren, wurden ebenfalls experimentell validiert, und die folgende Abbildung zeigt die Arten von Verstärkern mit unterschiedlichen Elementen.

Nichtlineare Fasereffekte sind umgekehrt proportional zur Wellenlänge, je kürzer die Wellenlänge, desto schwerwiegender die Nichtlinearität, sodass die nichtlinearen Effekte für Wellenlängen unterhalb des C-Bands schwerwiegender sind. Ein Indikator für die Faser-Nichtlinearität ist die effektive Modulfläche. Je größer die Modulfläche, desto stärker der Widerstand gegen Nichtlinearität. Weitere Informationen zur Nichtlinearität finden Sie im Artikel: Was ist der nichtlineare Effekt in Glasfasern?

Wir können die obige Passage anhand der folgenden Abbildung (über die Variation der Modenfeldfläche und des nichtlinearen Koeffizienten mit der Wellenlänge) gut verstehen. Die blaue Linie γ ist der nichtlineare Koeffizient der Faser und die schwarze Linie Aeff ist die effektive Modenfeldfläche. Wenn die Wellenlänge abnimmt, nimmt die Modenfeldfläche ab und der Widerstand gegen Nichtlinearität nimmt ab, während der nichtlineare Koeffizient zunimmt, was zu einem stärkeren nichtlinearen Effekt von der Faser führt.

Darüber hinaus spielen auch die durch die Faser eingebrachte Dispersion und die Auswirkung auf unterschiedliche Wellenlängen eine Rolle im Nichtlinearitätsindex des Systems. Bei 100G und super 100G Raten wurde das Dispersionsproblem durch elektrische Domänenkompensation gut gelöst.

Daher haben wir für verschiedene Wellenlängenbereiche keine Angst vor einer Dispersion, sondern sind besorgt über eine zu geringe oder sogar keine Dispersion. Weil eine kleinere Streuung oder Nullstreuung einen sehr ernsthaften Kerr-Effekt (nichtlinearen Effekt) bringt. Die folgende Abbildung zeigt die Dispersionsvariation für verschiedene Fasertypen.

Es ist ersichtlich, dass der aktuelle Dispersionswert der üblicherweise verwendeten Faser G.652 im O-Band um 0 schwimmt und G.655 im S-Band um 0 schwimmt. Bei G.653-Fasern liegt ihre Dispersion im C-Band bei etwa 0, was einer der Gründe ist, warum G.653-Fasern (selbst G.655-Fasern haben hier eine geringe Dispersion) in späteren 100G- und höheren Systemen nicht häufig verwendet werden.

Oben haben wir nur kurz erwähnt, dass die Dämpfung und Nichtlinearität der Entwicklung kürzerer Wellenlängen berücksichtigt werden müssen, die kommerziellen Kosten der kommerziellen Reife nach der Technologieverifizierung sind ebenfalls eine wichtige Überlegung.

Zurück zum Anfang, tatsächlich wird die Nutzung kürzerer Wellenlängen bereits implementiert, zum Beispiel werden die C++- und L++-Bänder tatsächlich erweitert, um etwa 10 nm des Spektrums in den S- und L-Bändern zu nutzen. Es wird angenommen, dass in naher Zukunft Spektrumsressourcen jenseits von C und L für die optische Übertragung genutzt werden.