Co je EDFA? Jak fungují erbiové-vláknové zesilovače

Co je EDFA?

EDFA jeoptický zesilovačkterý používá část vlákna dopovaného erbiem-k zesílení světelných signálů přímo v optické doméně. Tradiční opakovače vyžadují převod z optického-na-elektrické-na-optické (O-E-O) v každé fázi; EDFA to všechno přeskakuje. Signál zůstává lehký od začátku do konce -, což zachovává šířku pásma, snižuje latenci a odstraňuje celou vrstvu složitosti sítě.

Funguje v C-pásmu (1530–1565 nm) a L-pásmu (1565–1625 nm), přímo v nejnižších -ztrátových přenosových oknech křemičitých vláken. Toto spektrální překrývání není náhoda -, je to důvod, proč se EDFA stal výchozím zesilovačem v sítích na dlouhé vzdálenosti-, a důvod, proč systémy WDM a DWDM fungují tak, jak fungují. Jediný EDFA může posílit desítky nebo dokonce stovky kanálů vlnových délek procházejících jedním vláknem současně.

EDFA Problém to řeší

Optické signály při průchodu vláknem ztrácejí na síle. Útlum, ztráty spojů, ztráty konektorů - to vše se sčítá. Před EDFA bylo jedinou možností umístění elektronických regenerátorů podél trasy. Tato zařízení přeměnila světlo na elektřinu, signál vyčistila, znovu{4}}zesílila a přeměnila zpět na světlo. Každý regenerátor byl drahý a specifický pro formát-: dokázal zpracovat pouze jednu datovou rychlost a jedno modulační schéma. Pokud jste chtěli škálovat systém WDM, museli jste vynásobit regenerátory počtem kanálů. Cena a složitost se brutálně vyšplhaly.

Průlom nastal v roce 1987, kdy to vědci ukázalivlákno dopované erbiem-mohl zesílit signály v blízkosti 1550 nm prostřednictvím stimulované emise. O dva roky později vypumpovala první dioda-erbiovým-vláknovým zesilovačembyl ověřen v laboratoři, což prokázalo, že tento koncept může fungovat ve skutečných sítích. To, proč to bylo tak významné, nebylo jen samotné zesílení -, ale to, že jediný EDFA mohl zesílit všechny kanály vlnové délky v systému WDM najednou. Žádná regenerace pro-kanál. Tato jediná schopnost učinila hustou vlnovou -divizi multiplexování ekonomicky životaschopnou a dala na dosah terabitové-podmořské kabely.

Jak EDFA funguje?

Základní mechanismus: Stimulovaná emise

EDFA funguje na stejném principu jako laserová - stimulovaná emise - s tím rozdílem, že zesiluje stávající světlo namísto generování nového světla.

Vysokovýkonný laser pumpy (fungující při 980 nm nebo 1480 nm) vstřikuje energii do vlákna dopovaného erbiem-. Ionty erbia (Er³⁺) absorbují tuto energii čerpadla a přeskakují ze svého základního stavu do excitovaného stavu. Jakmile je vybuzeno dostatečné množství iontů, získáte inverzi populace o - více iontů ve stavu s vysokou-energií než v základním stavu. To je nezbytný předpoklad pro to, aby k zesílení došlo.

Nyní do dopovaného vlákna vstupuje slabý optický signál v blízkosti 1550 nm. Jeho fotony narážejí na excitované ionty erbia a každá interakce spustí iont, který klesne zpět do základního stavu, čímž se uvolní nový foton. Tento nový foton je identický se signálním fotonem - stejné vlnové délky, stejné fáze, stejného směru. Vynásobte to v miliardách interakcí po délce vlákna a signál vyjde na druhém konci výrazně silnější.

Zesílení je ze své podstaty širokopásmové. Spektrum zisku erbia pokrývá zhruba 30–40 nm v C-pásmu. To není chytré technické řešení -, je to zapečeno ve fyzice struktury energetické hladiny erbiového iontu. Jeden EDFA může zpracovávat 40, 80 nebo dokonce 96 DWDM kanálů současně, protože toto.

Klíčové komponenty uvnitř EDFA

Funkční modul EDFA má víc než jen kus dopovaného vlákna. Pět základních komponent spolupracuje:

Erbiem-dopované vlákno (EDF) je médium pro zisk. Délka vlákna, koncentrace erbia a složení skla – to vše utváří charakteristiku zesílení a šumu. Čerpací laser dodává energii k excitaci iontů erbia - jeho výkon a stabilita jsou tím, co určuje zisk a šumové číslo EDFA. Spojka WDM spojuje světlo čerpadla a signální světlo, takže se šíří dopovaným vláknem společně. Optické izolátory na vstupu a výstupu blokují zpětné-odrazy, které by mohly destabilizovat zesilovač nebo spustit parazitní laser. A optický filtr odstraňuje --pásmový šum a zesílené spontánní vyzařování (ASE), aby byl výstup čistý.

Čerpání 980 nm vs 1480 nm - Proč mnoho EDFA používá oba

Vlnová délka čerpadla je jedním z největších návrhových rozhodnutí v EDFA a tyto dvě možnosti zahrnují skutečný kompromis - nejen odlišné specifikace v datovém listu.

Čerpání 980 nm excituje ionty erbia na vysokou energetickou hladinu (E3), které se pak rychle uvolňují na metastabilní hladinu (E2) prostřednictvím ne-radiačního procesu. Tato dvou{5}}kroková cesta vytváří velmi čistou inverzi populace a nižší šumové číslo - obvykle o 1–2 dB lepší než 1480 nm. Pro předzesilovače, kde záleží na každém zlomku dB hluku, je 980 nm to, co chcete.

1480 nm čerpání má zkratku: excituje ionty erbia přímo na metastabilní úroveň (E2). Energeticky-účinnější, vyšší dosažitelný výstupní výkon, ale hlučnější. Díky tomu se lépe hodí pro zesilovače zesilovačů, kde záleží na surovém výkonu více než na šumovém výkonu.

Mnoho vysoce{0}}výkonných EDFA nevybírá jedno nebo druhé - používají obě . 980 nm pumpy v dopředném směru, aby byl hluk nízký, 1480 nm pumpy ve zpětném směru ke zvýšení výstupního výkonu. Tato hybridní konfigurace je standardní v podmořských a-pozemních systémech na dlouhé vzdálenosti, a to z dobrého důvodu: získáte výhodu šumu 980 nm a výhodu výkonu 1480 nm v jedné jednotce.

Tři typy EDFA a kdy je použít

Místo, kde je EDFA umístěno v optickém spoji, určuje vše o tom, jak by měl být navržen. Specifikace, na kterých záleží u zesilovače, jsou pro předzesilovač téměř irelevantní a naopak.

Booster zesilovač

Jde hned za vysílačem. Jeho úkolem je vytlačit výkon signálu tak vysoko, jak je to možné, než světlo vstoupí do rozpětí vlákna. V systémech DWDM zavádí multiplexor vložný útlum, který spotřebovává startovací výkon, a zesilovač to kompenzuje. Specifikace, která je zde nejdůležitější, je saturovaný výstupní výkon - obvykle 16–23 dBm. Šumové číslo je sekundární, protože vstupní signál je stále silný.

In{0}}linkový zesilovač

Ty jsou umístěny v mezilehlých bodech podél trasy vlákna, obvykle každých 80–100 km, kompenzují ztrátu rozpětí a udržují signál nad úrovní šumu. Potřebují vysoký zisk (20–30 dB) se slušným hlukovým výkonem. Věc o řadových zesilovačích-: šum se hromadí v každé fázi. Když navrhujete hlukový rozpočet pro řetězec 10, 20 nebo 100 kaskádových EDFA v podmořském kabelu, záleží na každém příspěvku zesilovače. Pokud to uděláte špatně, byť jen o malou rezervu, může to znamenat rozdíl mezi fungujícím odkazem a odkazem, který se nezavře.

Před{0}}zesilovač

Sedí přímo před přijímačem. V tomto okamžiku mohl signál překročit stovky nebo tisíce kilometrů a dosáhl velmi nízkého výkonu - někdy pod -30 dBm. Na těchto úrovních je růst hluku ASE nejhorší. Šumové číslo je nejdůležitějším parametrem předzesilovače. Zlepšení NF o 1 dB se zde může přímo promítnout do rozšířeného dosahu nebo lepší bitové chybovosti pro celý spoj.

Klíčové parametry výkonu

Získat

Měřeno v dB. Zisk 30 dB znamená, že výstup je 1000krát silnější než vstup. Některé konstrukce EDFA mohou překročit 50 dB, ačkoli většina komerčních jednotek běží v rozsahu 15–35 dB. Zisk závisí na délce EDF, výkonu čerpadla a úrovni vstupního signálu. Není to pevné číslo -, protože se zvyšuje vstupní výkon, zisk se komprimuje kvůli saturaci. Výpočty propojovacího rozpočtu s tím musí počítat.

Hlukové číslo (NF)

Kvantifikuje, kolik hluku navíc přidává EDFA. Teoretické minimum je 3 dB (kvantový limit pro fázově -necitlivý zesilovač při vysokém zisku) a komerční EDFA obvykle dosahují 5–7 dB v podmínkách malého-signálu. U pre-zesilovačů a kaskádových dlouhých-linků je NF často prvním parametrem, který optimalizujete, protože přímo nastavuje rozpočet OSNR pro celý systém.

Nasycený výstupní výkon

Maximální výstupní výkon, který může EDFA dodat, když je vstup dostatečně silný (obvykle větší nebo roven 0 dBm), aby se dostal do saturace. Toto je hlavní číslo pro zesilovače. Větší výstupní výkon znamená, že můžete pustit více do vlákna, což obecně znamená delší rozpětí mezi místy zesilovače.

Získejte plochost

V systému DWDM s mnoha kanály má každý kanál v ideálním případě stejný zisk. Spektrum zisku erbia nespolupracuje - některé vlnové délky jsou přirozeně zesíleny více než jiné. Plochost zisku měří tuto variaci, obvykle vyjádřenou jako vrchol-k{4}}vrcholu dB v celém operačním pásmu.

Problém se stává zřejmým, když kaskádujete zesilovače. Řekněme, že jeden kanál má o 0,5 dB nižší zisk na zesilovač. Po deseti zesilovačích je to o 5 dB slabší. Po dvacítce může zcela klesnout pod práh citlivosti přijímače. Podmořské kabelové systémy a-pozemní sítě na dlouhé vzdálenosti se s tím vyrovnávají pomocí filtrů pro zploštění zisku (GFF) vestavěných do modulu EDFA nebo vyladěním koncentrace hliníku ve skle EDF, aby se zlepšila přirozená plochost spektra zisku.

EDFA vs jiné optické zesilovače

EDFA vs SOA (polovodičový optický zesilovač)

SOA používá polovodičové zesilovací médium namísto dopovaného vlákna. Je menší, levnější a lze jej integrovat do fotonických čipů - skutečné výhody pro metropolitní sítě, optické přepínání a zpracování signálu. Ale u přenosu-na dálku to nevydrží. Zisk SOA dosahuje maxima kolem 15–25 dB (EDFA může překročit 50 dB), jeho šumové číslo je 7–12 dB (oproti 5–7 dB u EDFA), je citlivé na polarizaci{12}}a zavádí přeslechy mezi kanály WDM, které EDFA prostě nemá.

SOA má své místo. EDFA má své místo. Pro páteřní přenos DWDM není výběr blízký.

EDFA vs Ramanův zesilovač

Ramanova zesílení funguje prostřednictvím zcela jiného mechanismu - stimulovaného Ramanovým rozptylem - a děje se uvnitř samotného přenosového vlákna, nikoli v samostatném dopovaném vláknu. Vzhledem k tomu, že se signál zesiluje postupně po celém rozsahu, nikoli najednou, nikdy neklesne tak nízko, jako by tomu bylo u pouhého zesílení EDFA-. Efektivní šumové číslo může být v důsledku toho nižší.

Nevýhody jsou však skutečné. Ramanovy zesilovače vyžadují vysoký výkon čerpadla (často přes 500 mW), poskytují mírný zisk (typicky 10–15 dB) a zvyšují složitost nasazení. Na druhou stranu jsou vlnové délky-flexibilní způsobem, jakým se EDFA nemůže rovnat -, stačí posunout vlnovou délku pumpy a zesílit jiné pásmo.

Tyto dvě technologie nejsou ve skutečnosti konkurenty. Většina ultra-dálkových-systémů a ponorkových systémů využívá obojí: Raman poskytuje „podlahu“ s distribuovaným ziskem, která zabraňuje tomu, aby signál klesal příliš hluboko do šumu, a EDFA poskytuje koncentrované zesílení s vysokým -ziskem na každém zesilovači. Tento hybridní přístup se stal standardním způsobem, jak posouvat kapacitu i dosah na jejich limity.

Kde se dnes používá EDFA

Dlouhé{0}}pozemní sítě

Zde si EDFA vydělává na udržení. V páteřních sítích zahrnujících národní nebo kontinentální vzdálenosti EDFA zasahují každých 80–100 km, aby bojovaly proti útlumu vláken. Singlzesilovač z optických vlákenpřenos 80+ kanálů DWDM při 100 G nebo 400 G na kanál závisí na řetězci těchto zesilovačů, aby byla zachována kvalita signálu na tisíce kilometrů. Odstraňte EDFA z obrazu a ekonomika vysokokapacitní pozemní dopravy se zhroutí.

Podmořské kabelové systémy

Podmořské kabely jsou nejdrsnějším prostředím, kterému kdy EDFA bude čelit. Transoceánský kabel může protáhnout více než 10 000 km s více než 100 opakovači EDFA umístěnými na dně oceánu. Tyto jednotky musí běžet nepřetržitě po dobu 25 let s nulovým přístupem k údržbě. Spolehlivost není jen hezké,-že-selhání na mořském dně znamená drahou návštěvu lodi. Tyto EDFA pracují s redundantními čerpacími lasery a konzervativními provozními rezervami navrženými tak, aby především maximalizovaly životnost.

Propojení datového centra (DCI)

Hyperškálová datová centra potřebují vysoko{0}}šířku pásma a nízkou{1}}latenci propojení mezi kampusy, přičemž tato propojení často zabírají desítky až stovky kilometrů. EDFA umožňuje koherentní přenos 400G a 800G na těchto trasách DCI. Vzhledem k tomu, že školení AI je stále více distribuováno do různých zařízení, tento segment rychle roste.

DWDM systémy

EDFA se nejen stal kompatibilním s DWDM -, ale především díky němu byl DWDM praktický. Zesílení 40, 80 nebo 96 kanálů současně v jednom zařízení umožňuje síťovým operátorům škálovat kapacitu optických vláken bez škálování infrastruktury stejnou rychlostí. Každý DWDM systém, který dnes běží, má v sobě EDFA.

CATV distribuční sítě

Sítě kabelové televize používají EDFA jako výkonové zesilovače k ​​posílení optického signálu z koncové stanice, čímž jej posouvají k větší základně předplatitelů v širší oblasti pokrytí. Vysoký výstupní výkon zesilovačů-typu EDFA se dobře hodí k tomuto modelu distribuce vysílání.

Jiné aplikace

EDFA se také objevuje vvláknový zesilovačnasazení v sítích LAN založených na optických{0}}vláknech (kompenzace distribučních ztrát), vojenských a leteckých komunikacích (kde se o spolehlivosti a toleranci vůči životnímu prostředí nedá-vyjednávat) a nově vznikajících kvantových komunikačních sítích (kde má zvláštní hodnotu zesílení slabých signálů bez elektrické konverze).

Jak vybrat správnou EDFA

Výběr správného EDFA začíná pochopením jeho role ve vaší síti. Zesilovač, -řadový zesilovač a předzesilovač- mají úplně jiné prioritní zásobníky - nákup nízkošumové jednotky pro aplikaci zesilovače je plýtvání penězi za specifikaci, která vám nepomůže.

Nejprve definujte roli. Booster znamená, že vám záleží na nasyceném výstupním výkonu. In{2}}line znamená, že vyvažujete zisk a hluk. Pre-zesilovač znamená, že šumové číslo je král.

Potvrďte své operační pásmo. C-pásmo (1530–1565 nm), L-pásmo (1565–1625 nm) nebo obojí. C+L EDFA existují, ale dostupnost a výkon se liší podle dodavatele.

Vypočítejte zisk a požadavky na výkon ze svého rozpočtu ztráty rozpětí. Pro booster se zaměřte na nasycený výstupní výkon. U inline zesilovače se ujistěte, že zisk pokrývá ztrátu rozsahu s marží. U předzesilovače ověřte minimální vstupní výkon, který dokáže zvládnout, a přitom stále dosáhne přijatelné NF.

Pokud kaskádujete, pečlivě vyhodnoťte šumové číslo. Nižší NF znamená větší rezervu OSNR, což znamená delší dosah nebo lepší BER. V řetězci zesilovačů se v každém rozpětí spojuje dokonce 1 dB zlepšení NF.

Zkontrolujte plochost zisku - zejména pro DWDM s vysokým počtem kanálů. Čím více EDFA ve vašem řetězci, tím přísnější musí být tato specifikace. Systém se 40 kanály má jiné požadavky na rovinnost než systém s 80.

Faktor v prostředí nasazení. Vnitřní stojan{1}}, venkovní skříň a podmořské moře jsou tři velmi odlišné světy. Rozsah provozních teplot, tolerance vlhkosti, hodnocení mechanických rázů, MTBF - to vše se mění podle toho, kam se jednotka dostane. Podmořské EDFA jsou v podstatě jiná kategorie produktů než jednotky pro montáž do racku.