Efeitos não lineares: SPM, XPM, FWM, Brillouin e Raman

Atenuação e dispersão são lineares: dobrar a potência dobra a saída e mais nada muda. Acima de alguns milliwatts por canal em um núcleo de 9 µm, o vidro deixa de ser linear — o índice de refração passa a depender da intensidade e a luz passa a se espalhar em vibrações acústicas e moleculares que ela mesma excita. Em um único vão de 10G isso é invisível; em um sistema DWDM amplificado com 80 canais ao longo de 1 000 km isso define a potência máxima de lançamento e, portanto, o alcance. Esta página explica os cinco efeitos, quando cada um importa, como são quantificados e como os sistemas são projetados em torno deles.

Por que a fibra é não linear

Grandeza	Valor na G.652	Significado
Coeficiente de Kerr n₂	≈ 2,6 × 10⁻²⁰ m²/W	o índice cresce com a intensidade: n = n₀ + n₂·I
Área efetiva A_eff	≈ 80 µm² (G.652), 110–150 µm² (G.654.E)	intensidade = potência ÷ área — um núcleo pequeno concentra a luz
Coeficiente não linear γ = 2πn₂/(λ·A_eff)	≈ 1,3 W⁻¹km⁻¹ (G.652 em 1550), ≈ 0,7 (G.654.E)	deslocamento de fase por watt por quilômetro
Comprimento efetivo L_eff = (1 − e^(−αL))/α	≈ 20 km para um vão longo a 0,2 dB/km	os efeitos se acumulam principalmente nas primeiras dezenas de quilômetros após cada amplificador
Potência de lançamento típica por canal	0 … +3 dBm (1–2 mW) em DWDM; até +10 dBm em canal único	fase não linear φ_NL = γ·P·L_eff ≈ 0,03–0,3 rad por vão

Os efeitos Kerr

Efeito	Mecanismo	Sintoma	Pior quando
Automodulação de fase (SPM)	a própria intensidade de um pulso muda sua fase → chirp → alargamento espectral; interage com a dispersão cromática	fechamento do olho, distorção de pulso; em sistemas coerentes, um piso de ruído de fase não linear	alta potência, muitos vãos, dispersão baixa
Modulação de fase cruzada (XPM)	a intensidade de canais vizinhos modula a fase de um canal	jitter de temporização e ruído de fase provenientes de outros canais	espaçamento denso (50 GHz), dispersão local baixa, muitos canais
Mistura de quatro ondas (FWM)	três frequências geram uma quarta em f₁ + f₂ − f₃; os produtos de mistura caem sobre outros canais	diafonia que cresce com a potência³	D ≈ 0 (fibra G.653), espaçamento de canais igual, alta potência

A dispersão local ajuda: ela faz os pulsos de canais diferentes deslizarem uns em relação aos outros de modo que XPM/FWM se cancelem em média — a razão pela qual a G.655 (D pequeno e não nulo) substituiu a G.653 no DWDM, e pela qual a G.652 (D = 17) com compensação de dispersão ou DSP coerente é hoje preferida (Tipos de fibra).

Os efeitos de espalhamento

Efeito	Mecanismo	Limiar	Sintoma	Onde
Espalhamento estimulado de Brillouin (SBS)	a luz gera uma onda acústica que a reflete para trás, deslocada em ≈ 11 GHz	≈ +6 … +10 dBm para uma fonte CW de linha estreita em SMF longa (menor para linhas mais estreitas)	a potência direta satura, luz refletida forte, ruído	lasers CW: overlay de vídeo analógico em 1550 nm (+17 dBm) e bombas Raman; mitigado por alargamento de linha / dithering (a maioria dos transmissores faz isso)
Espalhamento estimulado de Raman (SRS)	fótons perdem energia para vibrações moleculares (desvio de Stokes ≈ 13 THz ≈ 100 nm)	potência total acima de ≈ +20 … +25 dBm em uma banda larga	inclinação de potência: canais de comprimento de onda curto bombeiam os de comprimento de onda longo — a banda C alimenta a banda L	DWDM de banda larga (C+L); controlado por pré-ênfase e controle de inclinação de ganho; usado deliberadamente em amplificadores Raman (Amplificação e OSNR)

Onde a não linearidade importa — e onde não importa

Sistema	Penalidade não linear	Resposta de projeto
Vão único 10G LR/ER, −8 … +4 dBm	nenhuma	ignorar
Downstream de PON +3 … +7 dBm, 20 km	nenhuma (margem de SBS adequada)	ignorar; o overlay de vídeo em +17 dBm usa supressão de SBS
DWDM de 10G, 40 canais, 8 × 80 km com EDFAs	XPM/FWM na G.655, SPM em toda parte	lançamento −2 … +1 dBm/canal, mapa de dispersão, espaçamento desigual na DSF
DWDM coerente de 100G/400G, 80+ canais, 1 000+ km	o ruído de fase não linear limita o ganho de OSNR obtido por potência	lançamento ótimo ≈ 0 … +2 dBm/canal na G.652, +3 … +5 na G.654.E; planejamento pelo modelo GN
400ZR pluggable, vão único ≤ 120 km	pequena	lançamento −10 … 0 dBm; limitado por perda
Submarino 10 000 km	dominante	fibra G.654 de grande A_eff, lançamento baixo, muitos repetidores, C+L
Vãos amplificados por Raman	bombas em +27 … +30 dBm	limpeza de conectores e segurança críticas (Segurança e manuseio)

Regra: os efeitos não lineares aparecem quando potência por canal × número de vãos fica grande; um único vão em potência moderada nunca os manifesta.

Quantificando: o compromisso entre OSNR e potência

O OSNR melhora 1 dB para cada 1 dB de potência de lançamento (regime linear).
O ruído de interferência não linear (NLI) cresce com a potência³ — cerca de +3 dB de ruído para cada +1 dB de lançamento.
A soma tem um ótimo: o limiar não linear, onde o ruído ASE linear se iguala ao NLI; os sistemas são projetados 1–2 dB abaixo dele. O modelo de ruído gaussiano (GN) estima o NLI a partir de γ, D, comprimento do vão, número de canais e espaçamento; ferramentas de planejamento fazem isso por rota.
O DSP coerente pode desfazer parcialmente a SPM (retropropagação digital), mas não a XPM/FWM proveniente de outros canais.

Resumo de mitigação

Método	Alvo	Usado em
Manter a potência de lançamento perto do ótimo (0 … +3 dBm/canal)	todos os efeitos Kerr	todo projeto DWDM
Dispersão local não nula (G.652 / G.655 em vez de G.653)	FWM, XPM	escolha da fibra
Gestão de dispersão (mapa de DCM)	interação SPM/XPM	DWDM de 10G
Fibra de grande área efetiva (G.654.E)	todos (γ menor)	nova longa distância
Espaçamento de canais desigual	FWM	rotas legadas em DSF
Dithering de largura de linha	SBS	CW analógico, bombas
Compensação de inclinação de ganho, pré-ênfase	SRS	DWDM de banda larga
DSP coerente com NLC	SPM	longa distância 400G+
Amplificação Raman distribuída	(usa SRS) reduz a potência de lançamento necessária	vãos ultralongos

No CodingBox

Os efeitos não lineares residem no sistema de linha, não na memória do módulo — mas a potência Tx declarada do módulo e, para módulos DWDM sintonizáveis, o plano de canais são as entradas que um planejador precisa. O CodingBox exibe a faixa de potência Tx e os campos de comprimento de onda/canal, de modo que o orçamento de lançamento por canal parta de números reais (Check transceiver, Transceptores sintonizáveis).

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