Efectos no lineales: SPM, XPM, FWM, Brillouin y Raman

La atenuación y la dispersión son lineales: duplicar la potencia duplica la salida y nada más cambia. Por encima de unos pocos milivatios por canal en un núcleo de 9 µm, el vidrio deja de ser lineal: el índice de refracción empieza a depender de la intensidad y la luz empieza a dispersarse contra vibraciones acústicas y moleculares que ella misma excita. En un solo tramo de 10G esto es invisible; en un sistema DWDM amplificado con 80 canales a lo largo de 1 000 km fija la potencia máxima de lanzamiento y, por tanto, el alcance. Esta página explica los cinco efectos, cuándo importa cada uno, cómo se cuantifican y cómo se diseñan los sistemas en torno a ellos.

Por qué la fibra es no lineal

Magnitud	Valor en G.652	Significado
Coeficiente de Kerr n₂	≈ 2,6 × 10⁻²⁰ m²/W	el índice aumenta con la intensidad: n = n₀ + n₂·I
Área efectiva A_eff	≈ 80 µm² (G.652), 110–150 µm² (G.654.E)	intensidad = potencia ÷ área: un núcleo pequeño concentra la luz
Coeficiente no lineal γ = 2πn₂/(λ·A_eff)	≈ 1,3 W⁻¹km⁻¹ (G.652 a 1550), ≈ 0,7 (G.654.E)	desplazamiento de fase por vatio y por kilómetro
Longitud efectiva L_eff = (1 − e^(−αL))/α	≈ 20 km para un tramo largo a 0,2 dB/km	los efectos se acumulan sobre todo en las primeras decenas de kilómetros tras cada amplificador
Potencia de lanzamiento típica por canal	0 … +3 dBm (1–2 mW) DWDM; hasta +10 dBm en canal único	fase no lineal φ_NL = γ·P·L_eff ≈ 0,03–0,3 rad por tramo

Los efectos Kerr

Efecto	Mecanismo	Síntoma	Peor cuando
Automodulación de fase (SPM)	la propia intensidad de un pulso cambia su fase → chirp → ensanchamiento espectral; interactúa con la dispersión cromática	cierre de ojo, distorsión del pulso; en sistemas coherentes, un suelo de ruido de fase no lineal	potencia alta, muchos tramos, dispersión baja
Modulación cruzada de fase (XPM)	la intensidad de los canales vecinos modula la fase de un canal	jitter de temporización y ruido de fase procedentes de otros canales	espaciado denso (50 GHz), dispersión local baja, muchos canales
Mezcla de cuatro ondas (FWM)	tres frecuencias generan una cuarta en f₁ + f₂ − f₃; los productos de mezcla caen sobre otros canales	diafonía que crece con la potencia³	D ≈ 0 (fibra G.653), espaciado de canales igual, potencia alta

La dispersión local ayuda: hace que los pulsos de distintos canales se desplacen unos respecto a otros de modo que la XPM/FWM se promedia; la razón por la que G.655 (D pequeña y no nula) sustituyó a G.653 en DWDM, y por la que ahora se prefiere G.652 (D = 17) con compensación de dispersión o DSP coherente (Tipos de fibra).

Los efectos de dispersión (scattering)

Efecto	Mecanismo	Umbral	Síntoma	Dónde
Dispersión estimulada de Brillouin (SBS)	la luz genera una onda acústica que la refleja hacia atrás, desplazada ≈ 11 GHz	≈ +6 … +10 dBm para una fuente CW de anchura de línea estrecha en SMF larga (menor para líneas más estrechas)	la potencia hacia adelante se satura, luz fuerte hacia atrás, ruido	láseres CW: superposición de vídeo analógico a 1550 nm (+17 dBm) y bombas Raman; se mitiga con ensanchamiento de línea / dithering (la mayoría de los transmisores lo hacen)
Dispersión estimulada de Raman (SRS)	los fotones pierden energía en vibraciones moleculares (desplazamiento Stokes ≈ 13 THz ≈ 100 nm)	potencia total por encima de ≈ +20 … +25 dBm en una banda ancha	inclinación de potencia: los canales de longitud de onda corta bombean a los de longitud de onda larga; la banda C alimenta a la banda L	DWDM de banda ancha (C+L); se gestiona con preénfasis y control de inclinación de ganancia; se usa deliberadamente en los amplificadores Raman (Amplificación y OSNR)

Dónde importa la no linealidad, y dónde no

Sistema	Penalización no lineal	Respuesta de diseño
Tramo único 10G LR/ER, −8 … +4 dBm	ninguna	se ignora
Bajada PON +3 … +7 dBm, 20 km	ninguna (margen de SBS correcto)	se ignora; la superposición de vídeo a +17 dBm usa supresión de SBS
DWDM 10G, 40 canales, 8 × 80 km con EDFA	XPM/FWM en G.655, SPM en todas partes	lanzamiento −2 … +1 dBm/canal, mapa de dispersión, espaciado desigual en DSF
DWDM coherente 100G/400G, más de 80 canales, más de 1 000 km	el ruido de fase no lineal limita la ganancia de OSNR obtenida de la potencia	lanzamiento óptimo ≈ 0 … +2 dBm/canal en G.652, +3 … +5 en G.654.E; planificación con el modelo GN
400ZR conectable, tramo único ≤ 120 km	pequeña	lanzamiento −10 … 0 dBm; limitado por pérdida
Submarina 10 000 km	dominante	fibra G.654 de A_eff grande, lanzamiento bajo, muchos repetidores, C+L
Tramos amplificados con Raman	bombas a +27 … +30 dBm	limpieza de conectores y seguridad críticas (Seguridad y manejo)

Regla: los efectos no lineales aparecen cuando potencia por canal × número de tramos se vuelve grande; un solo tramo a potencia moderada nunca los muestra.

Cuantificación: el compromiso entre OSNR y potencia

La OSNR mejora 1 dB por cada 1 dB de potencia de lanzamiento (régimen lineal).
El ruido de interferencia no lineal (NLI) crece con la potencia³: +3 dB de ruido por cada +1 dB de lanzamiento.
La suma tiene un óptimo: el umbral no lineal, donde el ruido ASE lineal iguala al NLI; los sistemas se planifican 1–2 dB por debajo de él. El modelo de ruido gaussiano (GN) estima el NLI a partir de γ, D, la longitud del tramo, el número de canales y el espaciado; las herramientas de planificación hacen esto por ruta.
El DSP coherente puede deshacer parcialmente la SPM (retropropagación digital), pero no la XPM/FWM procedente de otros canales.

Resumen de mitigación

Método	Objetivo	Se usa en
Mantener la potencia de lanzamiento cerca del óptimo (0 … +3 dBm/canal)	todos los efectos Kerr	todo diseño DWDM
Dispersión local no nula (G.652 / G.655 en vez de G.653)	FWM, XPM	elección de fibra
Gestión de dispersión (mapa DCM)	interacción SPM/XPM	DWDM 10G
Fibra de área efectiva grande (G.654.E)	todos (γ menor)	largo alcance nuevo
Espaciado de canales desigual	FWM	rutas heredadas de DSF
Dithering de anchura de línea	SBS	CW analógico, bombas
Compensación de inclinación de ganancia, preénfasis	SRS	DWDM de banda ancha
DSP coherente con NLC	SPM	largo alcance 400G+
Amplificación Raman distribuida	(usa la SRS) reduce la potencia de lanzamiento necesaria	tramos ultralargos

En CodingBox

Los efectos no lineales residen en el sistema de línea, no en la memoria del módulo, pero la potencia Tx declarada del módulo y, en los módulos DWDM sintonizables, el plan de canales son las entradas que necesita un planificador. CodingBox muestra el rango de potencia Tx y los campos de longitud de onda/canal para que el presupuesto de lanzamiento por canal parta de cifras reales (Check transceiver, Transceptores sintonizables).

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