Amplificación, OSNR y los límites de un tramo DWDM

Un enlace CWDM termina donde al receptor se le acaba la luz. Un enlace DWDM no: los amplificadores añaden luz cada 80 km, así que su límite es otro: el ruido. Cada amplificador añade emisión espontánea y, tras suficientes de ellos, la señal sigue siendo fuerte pero ya no está limpia. La métrica es la OSNR (relación señal-ruido óptica); la tarea de diseño consiste en mantenerla por encima de lo que necesita el formato de modulación, sin superar la potencia a partir de la cual muerde la no linealidad de la fibra y manteniendo la dispersión controlada. Esta página aporta las herramientas y las cifras.

Tipos de amplificador

Amplificador	Banda	Ganancia	Salida	Figura de ruido	Dónde
EDFA (fibra dopada con erbio)	C (1530–1565 nm), L (1565–1625 nm)	15–35 dB	+17 … +23 dBm total	4,5–6 dB	amplificador de refuerzo tras el multiplexor, en línea cada 60–100 km, preamplificador antes del demultiplexor
Raman (distribuido)	cualquiera, según la longitud de onda de bombeo (~100 nm por debajo de la señal)	10–15 dB distribuidos en la fibra de transmisión	—	la NF efectiva puede ser negativa combinado con un EDFA	tramos largos, mejoras de OSNR baja; potencia de bombeo alta (0,5–1 W) — seguridad
SOA	banda O y otras	10–20 dB	baja	7–9 dB	sistemas de banda O, receptores (Receptores asistidos por SOA)
Híbrido Raman/EDFA	C/L	—	—	mejorada	tramos ultralargos

La ganancia del EDFA no es plana: los filtros de aplanado de ganancia y el control de inclinación mantienen los 40–96 canales dentro de ~1 dB entre sí; el control de ganancia dinámico mantiene la salida constante cuando se añaden o eliminan canales (transitorios). Los láseres de bombeo a 980/1480 nm alimentan el erbio; son el componente de desgaste de un amplificador.

OSNR

La OSNR es la relación entre la potencia de la señal y la potencia de ruido ASE en un ancho de banda de referencia (0,1 nm ≈ 12,5 GHz), en dB. Para una cadena de N tramos idénticos:

OSNR ≈ 58 + P_ch − NF − L_span − 10·log10(N)     [dB, 0,1 nm]
  P_ch   = potencia de lanzamiento por canal en la fibra, dBm
  NF     = figura de ruido del amplificador, dB
  L_span = pérdida del tramo, dB
  N      = número de tramos (amplificadores)

Ejemplo: P_ch = +1 dBm, NF = 5,5 dB, tramos de 80 km a 0,22 dB/km + 2 dB de conectores = 19,6 dB, N = 8 → OSNR ≈ 58 + 1 − 5,5 − 19,6 − 9 ≈ 24,9 dB.

Formato	Velocidad	OSNR típica requerida (0,1 nm), dB	Notas
10G NRZ, sin FEC	10G	18–20	heredado
10G NRZ con FEC (OTU2, GFEC)	10,7G	11–13	~6 dB de ganancia de codificación
100G DP-QPSK coherente, SD-FEC	100G	12–15	muy robusto
200G DP-16QAM	200G	18–21	—
400G DP-16QAM (400ZR)	400G, 60 GBd	≥ 26 (especificado para 400ZR)	alcance amplificado de 120 km
400G ZR+ a 8QAM / QPSK	300G / 200G	20 / 14	intercambia capacidad por alcance

Margen de diseño: OSNR requerida + 2–3 dB por envejecimiento, inclinación y PMD. En el ejemplo anterior, el 100G QPSK es holgado y el 400ZR es marginal → menos tramos, mayor potencia de lanzamiento, menor NF o Raman para el caso de 400G (Coherente y larga distancia).

Potencia de lanzamiento y no linealidad

Aumentar P_ch eleva la OSNR en la misma cantidad de dB, hasta que la no linealidad Kerr de la fibra convierte la potencia en distorsión:

Efecto	Mecanismo	Síntoma	Mitigación
SPM: automodulación de fase	la intensidad propia de un canal modula su fase	ensanchamiento espectral, interacción con la dispersión	limitar la potencia por canal
XPM: modulación de fase cruzada	la intensidad de los canales vecinos modula la fase de un canal	diafonía en rejillas de 50 GHz	gestión de la dispersión, espaciado
FWM: mezcla de cuatro ondas	los canales se mezclan generando nuevas frecuencias	canales fantasma en rejillas regulares	espaciado desigual, dispersión ≠ 0 (G.655/G.652 en vez de DSF)
SBS / SRS: dispersión de Brillouin / Raman	potencia alta por canal / inclinación de banda	límites de potencia, inclinación en toda la banda	dithering, control de inclinación

Potencia práctica de lanzamiento por canal: −2 … +3 dBm para coherente de 100G+ en G.652, 0 … +3 dBm para 10G. El óptimo está donde la penalización no lineal iguala la ganancia de OSNR.

Dispersión

Tipo	Valor en G.652	Efecto	Tratamiento
Dispersión cromática (CD)	≈ 17 ps/(nm·km) a 1550 nm	ensanchamiento del pulso; el NRZ de 10G tolera ~800–1000 ps/nm (≈ 60 km) sin compensar	módulos DCF (fibra compensadora de dispersión, añade pérdida), compensadores FBG o, en sistemas coherentes, el DSP compensa electrónicamente decenas de miles de ps/nm
Dispersión por modo de polarización (PMD)	0,1–0,5 ps/√km en fibra moderna, peor en fibra antigua	aleatoria, variable en el tiempo; importa en detección directa a 40G+	el DSP coherente la rastrea; la detección directa a 40G necesitaba fibra de PMD baja
Pendiente de dispersión	—	la compensación es exacta solo en una longitud de onda	DCF con pendiente adaptada

El DWDM de detección directa (10G, algo de 25G) necesita, por tanto, un mapa de dispersión con DCF en los emplazamientos de los amplificadores; los enlaces coherentes no lo necesitan, lo que eliminó toda una capa de ingeniería (Componentes DWDM).

Lista de comprobación del diseño de tramo

Tipo de fibra, longitud y pérdida medida por tramo a 1550 nm (OTDR).
Número de canales, rejilla y formato → OSNR requerida y límites no lineales.
Ubicación de los amplificadores: refuerzo, en línea cada 60–100 km (pérdida de tramo 15–25 dB), preamplificador.
Potencia de lanzamiento por canal, ajustes de inclinación y control de transitorios.
Mapa de dispersión (detección directa) o comprobación de capacidad del DSP (coherente).
OSNR recibida y BER previo a FEC por canal en la puesta en servicio: la línea base para toda la vida del sistema (Métricas de VDM y FEC).
Protección y monitorización: OSC, monitores de potencia por canal, acceso OTDR.

Dónde encaja el módulo conectable

Un SFP+ DWDM sintonizable de 10G o un QSFP-DD 400ZR es un canal de este sistema. Su DDM muestra su propia Tx y la Rx total o por canal tras el demultiplexor; los amplificadores y la OSNR le resultan invisibles salvo a través del BER previo a FEC (VDM en módulos coherentes). Un módulo que lee una potencia Rx saludable con un BER malo es el límite de OSNR manifestándose (Transceptores sintonizables).

En CodingBox

CodingBox lee el lado del módulo en el tramo: canal/longitud de onda, potencia de lanzamiento, potencia Rx y, en módulos CMIS coherentes, los observables VDM (estimación de OSNR, BER previo a FEC, CD, DGD, factor Q) en DDM. Comparar estos valores con la línea base de la puesta en servicio indica si una degradación está en el módulo o en la línea.

Dispersión cromática, PMD y compensación de dispersión en los tramos que enlazan estos amplificadores: Dispersión y ancho de banda.

Por qué la potencia de lanzamiento no se puede subir sin más para ganar OSNR: los límites de SPM, XPM, FWM, Brillouin y Raman, la potencia óptima por canal y su mitigación: Efectos no lineales.

La visión de infraestructura de la amplificación — EDFA, Raman, SOA y OEO comparados, dónde se ubican, qué exige operar una línea amplificada: Amplificadores y regeneración.

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