Amplificação, OSNR e os limites de um trecho DWDM

Um enlace CWDM termina onde o receptor fica sem luz suficiente. Um enlace DWDM não — amplificadores acrescentam luz a cada 80 km — então seu limite é outro: o ruído. Cada amplificador acrescenta emissão espontânea, e depois de vários deles o sinal continua forte, mas não é mais limpo. A métrica é a OSNR (relação sinal-ruído óptica); a tarefa de projeto é mantê-la acima do que o formato de modulação exige, ficando abaixo da potência em que a não linearidade da fibra começa a morder e enquanto a dispersão permanece administrável. Esta página traz as ferramentas e os números.

Tipos de amplificador

Amplificador	Banda	Ganho	Saída	Figura de ruído	Onde
EDFA (fibra dopada com érbio)	C (1530–1565 nm), L (1565–1625 nm)	15–35 dB	+17 … +23 dBm total	4,5–6 dB	booster após o mux, inline a cada 60–100 km, pré-amplificador antes do demux
Raman (distribuído)	qualquer uma, definida pelo comprimento de onda do bombeio (~100 nm abaixo do sinal)	10–15 dB distribuídos na fibra de transmissão	—	a NF efetiva pode ser negativa quando combinado com um EDFA	vãos longos, upgrades de baixo OSNR; alta potência de bombeio (0,5–1 W) — segurança
SOA	banda O e outras	10–20 dB	baixa	7–9 dB	sistemas de banda O, receptores (Receptores assistidos por SOA)
Híbrido Raman/EDFA	C/L	—	—	melhorada	vãos ultralongos

O ganho do EDFA não é plano: filtros de nivelamento de ganho e controle de inclinação mantêm os 40–96 canais dentro de ~1 dB uns dos outros; o controle dinâmico de ganho mantém a saída constante quando canais são adicionados ou retirados (transientes). Lasers de bombeio em 980/1480 nm alimentam o érbio; eles são o componente de desgaste de um amplificador.

OSNR

A OSNR é a razão entre a potência do sinal e a potência de ruído ASE em uma largura de banda de referência (0,1 nm ≈ 12,5 GHz), em dB. Para uma cadeia de N vãos idênticos:

OSNR ≈ 58 + P_ch − NF − L_span − 10·log10(N)     [dB, 0,1 nm]
  P_ch   = potência de lançamento por canal na fibra, dBm
  NF     = figura de ruído do amplificador, dB
  L_span = perda do vão, dB
  N      = número de vãos (amplificadores)

Exemplo: P_ch = +1 dBm, NF = 5,5 dB, vãos 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	Taxa	OSNR típica exigida (0,1 nm), dB	Notas
10G NRZ, sem FEC	10G	18–20	legado
10G NRZ com FEC (OTU2, GFEC)	10,7G	11–13	~6 dB de ganho de codificação
100G DP-QPSK coerente, SD-FEC	100G	12–15	muito robusto
200G DP-16QAM	200G	18–21	—
400G DP-16QAM (400ZR)	400G, 60 GBd	≥ 26 (especificado para o 400ZR)	alcance amplificado de 120 km
400G ZR+ em 8QAM / QPSK	300G / 200G	20 / 14	troca capacidade por alcance

Margem de projeto: OSNR exigida + 2–3 dB para envelhecimento, inclinação e PMD. No exemplo acima, o 100G QPSK é confortável e o 400ZR é marginal → menos vãos, maior potência de lançamento, NF menor ou Raman para o caso de 400G (Coerente e longa distância).

Potência de lançamento e não linearidade

Aumentar P_ch aumenta a OSNR na mesma quantidade em dB — até que a não linearidade de Kerr da fibra transforme potência em distorção:

Efeito	Mecanismo	Sintoma	Mitigação
SPM — automodulação de fase	a própria intensidade de um canal modula sua fase	alargamento espectral, interação com a dispersão	limitar a potência por canal
XPM — modulação de fase cruzada	a intensidade dos vizinhos modula a fase de um canal	diafonia em grades de 50 GHz	gestão de dispersão, espaçamento
FWM — mistura de quatro ondas	canais se misturam em novas frequências	canais fantasma em grades regulares	espaçamento desigual, dispersão ≠ 0 (G.655/G.652 em vez de DSF)
SBS / SRS — espalhamento de Brillouin / Raman	alta potência por canal / inclinação de banda	limites de potência, inclinação ao longo da banda	dithering, controle de inclinação

Potência de lançamento prática por canal: −2 … +3 dBm para coerente de 100G+ em G.652, 0 … +3 dBm para 10G. O ponto ideal é onde a penalidade não linear se iguala ao ganho de OSNR.

Dispersão

Tipo	Valor na G.652	Efeito	Tratamento
Dispersão cromática (CD)	≈ 17 ps/(nm·km) em 1550 nm	alargamento de pulso; o 10G NRZ tolera ~800–1000 ps/nm (≈ 60 km) sem compensação	módulos DCF (fibra compensadora de dispersão, acrescenta perda), compensadores FBG, ou — em sistemas coerentes — o DSP compensa dezenas de milhares de ps/nm eletronicamente
Dispersão por modo de polarização (PMD)	0,1–0,5 ps/√km em fibra moderna, pior em fibra antiga	aleatória, variável no tempo; importa em 40G+ com detecção direta	o DSP coerente a rastreia; o 40G de detecção direta precisava de fibra de baixo PMD
Inclinação da dispersão	—	a compensação só é exata em um único comprimento de onda	DCF com inclinação compatível

Por isso, o DWDM de detecção direta (10G, alguns 25G) precisa de um mapa de dispersão com DCF nos sites de amplificador; os enlaces coerentes não precisam, o que eliminou uma camada inteira de engenharia (Componentes DWDM).

Checklist de projeto do vão

Tipo de fibra, comprimento e perda medida por vão em 1550 nm (OTDR).
Número de canais, grade e formato → OSNR exigida e limites não lineares.
Posicionamento dos amplificadores: booster, inline a cada 60–100 km (perda de vão de 15–25 dB), pré-amplificador.
Potência de lançamento por canal, ajustes de controle de inclinação e de transientes.
Mapa de dispersão (detecção direta) ou verificação de capacidade do DSP (coerente).
OSNR recebida e BER pré-FEC por canal no comissionamento — a linha de base para toda a vida do sistema (Métricas de VDM e FEC).
Proteção e monitoramento: OSC, monitores de potência por canal, acesso para OTDR.

Onde o pluggable se encaixa

Um SFP+ DWDM sintonizável de 10G ou um QSFP-DD 400ZR é um canal desse sistema. Seu DDM mostra o próprio Tx e a Rx total ou por canal após o demux; os amplificadores e a OSNR são invisíveis para ele, exceto através da BER pré-FEC (VDM em módulos coerentes). Um módulo que lê uma potência de Rx saudável com uma BER ruim é o limite de OSNR se revelando (Transceptores sintonizáveis).

No CodingBox

O CodingBox lê o lado do módulo no vão: canal/comprimento de onda, potência de lançamento, potência de Rx e, para módulos CMIS coerentes, os observáveis de VDM (estimativa de OSNR, BER pré-FEC, CD, DGD, fator Q) no DDM. Comparar esses valores com a linha de base do comissionamento indica se uma degradação está no módulo ou na linha.

Dispersão cromática, PMD e compensação de dispersão nos vãos que esses amplificadores cobrem: Dispersão e largura de banda.

Por que a potência de lançamento não pode simplesmente ser aumentada para comprar OSNR — os limites de SPM, XPM, FWM, Brillouin e Raman, a potência ideal por canal e a mitigação: Efeitos não lineares.

A visão de infraestrutura da amplificação — EDFA, Raman, SOA e OEO comparados, onde eles ficam, o que operar uma linha amplificada exige: Amplificadores e regeneração.

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